Что такое сплав с памятью формы/нитинол?
Никель-титан, также известный как нитинол, сплав с памятью формы/нитинол, представляет собой металлический сплав никеля и титана, где эти два элемента присутствуют примерно в равных атомных процентах. Разные сплавы называются в соответствии с весовым процентом никеля; Например, нитинол 55 и нитинол 60.
Сплавы нитинола обладают двумя тесно связанными и уникальными свойствами: эффектом памяти формы и сверхупругостью (также называемой псевдоупругостью). Память формы — это способность нитинола подвергаться деформации при одной температуре, оставаться в своей деформированной форме при удалении внешней силы, а затем восстанавливать свою первоначальную, недеформированную форму при нагревании выше «температуры преобразования». Сверхупругость – это способность металла претерпевать большие деформации и сразу же возвращаться к своей недеформированной форме при снятии внешней нагрузки. Нитинол может деформироваться в 10–30 раз сильнее, чем обычные металлы, и возвращаться к своей первоначальной форме. Ведет ли себя нитинол с эффектом памяти формы или сверхупругостью, зависит от того, находится ли он выше температуры трансформации конкретного сплава. Ниже температуры преобразования он проявляет эффект памяти формы, а выше этой температуры он ведет себя сверхупруго.
История
Слово «нитинол» происходит от его состава и места открытия: (Nickel Titanium-Naval Ordnance Laboratory). Уильям Бюлер вместе с Фредериком Вангом обнаружили его свойства во время исследований в Военно-морской артиллерийской лаборатории в 1959 году. Бюлер был разработан для создания лучшего ракетного носового обтекателя, который мог бы противостоять усталости, теплу и силе удара. Обнаружив, что сплав никеля и титана в соотношении 1:1 может справиться с этой задачей, в 1961 году он представил образец на совещании руководства лаборатории. Образец, сложенный как гармошка, передавался по кругу и сгибался участниками. Один из них подал на образец тепло от своей зажигалки, и, ко всеобщему удивлению, полоса в форме гармошки сжалась и приняла свою прежнюю форму.
В то время как потенциальное применение нитинола было реализовано немедленно, практические усилия по коммерциализации сплава были предприняты только десять лет спустя. Эта задержка была во многом связана с чрезвычайной сложностью плавки, обработки и механической обработки сплава. Даже эти усилия столкнулись с финансовыми трудностями, которые было нелегко преодолеть до 1980-х годов, когда эти практические трудности наконец начали решаться.
Открытие эффекта памяти формы в целом восходит к 1932 году, когда шведский химик Арне Эландер впервые обнаружил это свойство в сплавах золота и кадмия. Такой же эффект наблюдался в Cu-Zn (латуни) в начале 1950-х годов.
Производственный
Нитинол чрезвычайно сложен в производстве из-за исключительно жесткого контроля состава и огромной реакционной способности титана. Каждый атом титана, соединяющийся с кислородом или углеродом, является атомом, который отнимается у NiTi lE FORUice, тем самым смещая состав и снижая температуру превращения.
На сегодняшний день используются два основных метода плавления. Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) осуществляется путем зажигания электрической дуги между сырьем и медной ударной пластиной с водяным охлаждением. Плавление производится в высоком вакууме, а сама форма представляет собой медь, охлаждаемую водой. Вакуумная индукционная плавка (VIM) осуществляется с использованием переменных магнитных полей для нагрева сырья в тигле (как правило, углерода). Это также делается в высоком вакууме. Несмотря на то, что оба метода имеют свои преимущества, было продемонстрировано, что промышленный современный расплавленный материал VIM имеет меньшие включения, чем промышленный современный материал ВДП, что приводит к более высокому усталостному сопротивлению. Другие исследования показывают, что ВДП с использованием сырья чрезвычайно высокой чистоты может привести к уменьшению количества включений и, таким образом, к улучшению усталостных характеристик. Другие методы также используются в небольших масштабах, включая плазменно-дуговое плавление, индукционное плавление черепа и электронно-лучевое плавление. Физическое осаждение из газовой фазы также используется в лабораторных масштабах.
Термическая обработка нитинола является деликатной и критичной процедурой. Это трудоемкий процесс точной настройки температур преобразования. Время старения и температура контролируют осаждение различных фаз, богатых Ni, и, таким образом, контролирует, сколько никеля находится в NiTi lE FORUice; Обедняя матрицу никеля, старение повышает температуру превращения. Сочетание термической обработки и холодной обработки имеет важное значение для контроля свойств нитиноловых продуктов.
Приложений
Существует четыре наиболее часто используемых типа применения нитинола:
Бесплатное восстановление
Нитинол деформируется при низкой температуре и нагревается для восстановления своей первоначальной формы с помощью эффекта памяти формы.
Ограниченное восстановление
Что касается свободного восстановления, за исключением того, что восстановление жестко предотвращается, и таким образом создается напряжение.
Производство работ
Здесь сплаву дают восстановиться, но для этого он должен действовать против силы (тем самым выполняя работу).
Сверхупругость
Нитинол действует как суперпружина благодаря суперэластичному эффекту.
Сверхупругие материалы претерпевают преобразование, вызванное напряжением, и общепризнаны за их свойство «памяти формы». Благодаря своей сверхэластичности, никель-титановые провода проявляют «эластокалорический» эффект, который представляет собой нагрев/охлаждение, вызванный напряжением. Никель-титановые провода в настоящее время исследуются как наиболее перспективный материал для технологии. Процесс начинается с растягивающей нагрузки на проволоку, в результате чего жидкость (внутри проволоки) поступает в HHEX (горячий теплообменник). Одновременно будет выделяться тепло, которое может быть использовано для обогрева окружающей среды. В обратном процессе разгрузка провода при растяжении приводит к тому, что жидкость поступает в CHEX (холодный теплообменник), в результате чего никель-титановая проволока поглощает тепло от окружающей среды. Поэтому температуру окружающей среды можно понизить (охладить).
Эластокалорические устройства часто сравнивают с магнитокалорическими аппаратами как новые методы эффективного нагрева/охлаждения. Эластокалорическое устройство, изготовленное из NiTi проводов, имеет преимущество перед магнитокалорическим устройством из гадолиния благодаря удельной мощности охлаждения (2 Гц), которая в 70 раз лучше (7 кВт·ч/кг против 0,1 кВт·ч/кг). Тем не менее, эластокалорическое устройство, изготовленное из никель-титановой проволоки, также имеет ограничения, такие как его короткая усталостная долговечность и зависимость от больших растягивающих усилий (энергозатрат).
В 1989 году в Соединенных Штатах и Канаде был проведен опрос, в котором приняли участие семь организаций. Опрос был посвящен прогнозированию будущих технологий, рынка и применения SMA. Компании прогнозировали следующие варианты использования нитинола в порядке убывания важности: (1) муфты, (2) биомедицинские и медицинские, (3) игрушки, демонстрации, новинки, (4) приводы, (5) тепловые двигатели, (6) датчики, (7) криогенные кристаллы и гнезда с пузырьковой памятью, и, наконец, (8) подъемные устройства.
Нитиноловая скрепка согнута и восстановлена после помещения в горячую воду
Нитиноловая скрепка согнута и восстановлена после помещения в горячую воду
Сегодня нитинол находит применение в перечисленных промышленных приложениях:
Применение в медицине — стенты для сердечно-сосудистой системы, пинцет для удаления инородных тел через небольшие разрезы и анкеры для фиксации сухожилий
Аэрокосмическая и военно-морская промышленность—Муфты и гидравлические фитинги из нитинола используются в военно-морских судах и военных самолетах
Предохранительные устройства — пожарные спринклеры и предохранительные клапаны/приводы для контроля температуры воды
Стоматология — ортодонтические проволоки, не требующие регулировки и повторной затяжки
Ниже приведены некоторые из других применений сплавов нитинола:
Фритюрницы и бытовая техника
Оправы для очков
Контроль вибрации при использовании в качестве опор двигателя и приводов для зданий
Антенны для мобильных телефонов
Уплотнения, крепежные элементы, хомуты и соединители
Одежда, такая как бюстгальтер на косточках
Проблемы
Усталостные разрушения нитиноловых устройств являются постоянным предметом обсуждения. Поскольку этот материал является предпочтительным материалом для применений, требующих огромной гибкости и подвижности (например, периферийные стенты, сердечные клапаны, интеллектуальные термомеханические приводы и электромеханические микроактуаторы), он неизбежно подвергается гораздо большим усталостным нагрузкам по сравнению с другими металлами. В то время как усталостные характеристики нитинола под управлением деформации превосходят все другие известные металлы, усталостные разрушения наблюдались в самых сложных условиях эксплуатации. В настоящее время предпринимаются большие усилия, чтобы лучше понять и определить пределы долговечности нитинола.
Нитинол наполовину состоит из никеля, и поэтому в медицинской промышленности существует большая обеспокоенность по поводу высвобождения никеля, известного аллергена и возможного канцерогена. (Никель также присутствует в значительных количествах в нержавеющей стали и кобальт-хромовых сплавах.) При правильной обработке (с помощью электрополировки и/или пассивации) нитинол образует очень стабильный защитный слой TiO2, который действует как очень эффективный и самовосстанавливающийся барьер против ионного обмена. Неоднократно было показано, что нитинол выделяет никель более медленными темпами, чем, например, нержавеющая сталь. При этом очень ранние медицинские приборы изготавливались без электрополировки, и наблюдалась коррозия. Сегодняшние нитиноловые сосудистые саморасширяющиеся металлические стенты, например, не демонстрируют признаков коррозии или высвобождения никеля, а результаты у пациентов с аллергией на никель и без нее неразличимы.
Ведутся постоянные и длительные дискуссии о включениях в нитинол, как TiC, так и Ti2NiOx. Как и во всех других металлах и сплавах, в нитиноле можно обнаружить включения. Размер, распределение и тип включений можно в некоторой степени контролировать. Теоретически меньшие размеры, круглее и малое количество включений должны приводить к повышению усталостной прочности. В литературе некоторые ранние работы сообщают, что не смогли показать измеримых различий, в то время как новые исследования демонстрируют зависимость усталостной прочности от типичного размера включения в сплаве.
Нитинол с трудом поддается сварке, как к самому себе, так и к другим материалам. Лазерная сварка нитинола сама по себе является относительно рутинным процессом. Прочные соединения между никель-титановой проволокой и проволокой из нержавеющей стали выполнены с использованием никелевого наполнителя. Лазерные сварные швы и сварные швы вольфрама в среде инертного газа (TIG) были выполнены между никель-титановыми трубами и трубами из нержавеющей стали. В настоящее время проводятся дополнительные исследования других процессов и других металлов, к которым можно приваривать нитинол.
Частота срабатывания нитинола зависит от управления теплом, особенно во время фазы охлаждения. Для повышения эффективности охлаждения используются многочисленные методы, такие как принудительный воздух, проточные жидкости, термоэлектрические модули (например, тепловые насосы Пельтье или полупроводниковые тепловые насосы), радиаторы, проводящие материалы и более высокое отношение поверхности к объему (улучшения до 3,3 Гц с очень тонкими проводами и до 100 Гц с тонкопленочным нитинолом). Самое быстрое срабатывание нитинола было зарегистрировано за счет высоковольтного конденсаторного разряда, который нагревал провод SMA за микросекунды и приводил к полному фазовому превращению (и высоким скоростям) за несколько миллисекунд.
Последние достижения показали, что обработка нитинола может расширить термомеханические возможности, позволяя встраивать в монолитную структуру несколько запоминающих устройств. Исследования в области технологии множественной памяти продолжаются и обещают в ближайшем будущем создать усовершенствованные устройства с памятью формы, а также применение новых материалов и структур материалов, таких как гибридные материалы с памятью формы (SMM) и композиты с памятью формы (SMC).
Индивидуальное обслуживание
E FORU Materials Inc является ведущим поставщиком никеля и титана. Сплавы Ni-Ti (нитинол), на основе Cu и Fe, Ni-Ti (нитинол), сплавы на основе Cu и Fe доступны во многих формах, размерах, чистоте и составах по конкурентоспособной цене. А индивидуальные продукты и упаковки могут быть предоставлены в соответствии с особыми требованиями клиентов.
E FORU Materials ответит вам конкурентоспособной ценой и наличием этих высококачественных изделий в течение 24 часов.
