نیتینول چیست و از کاربردهای شگفت انگیز آن چه می دانید؟
نیتینول یا نایتینول یک آلیاژ فلزی از جنس نیکل و تیتانیوم با خواص منحصر به فرد است که از جمله آنها می توان به سوپر الاستیسیته ، الاستیسیته کاذب و حافظه شکل اشاره کرد. این بدان معناست که نیتینول می تواند شکل اصلی خود را به خاطر بسپارد و پس از گرم شدن به آن بازگردد. همچنین این آلیاژ تحت استرس خاصیت ارتجاعی زیادی نشان می دهد.
این آلیاژ در دندانپزشکی به ویژه در ارتودنسی دندان ها را به هم متصل می کنند و تمیز کردن و شکل دادن کانال ریشه دندان مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر این در جراحی روده بزرگ ، این فلز در دستگاه های مختلف برای اتصال مجدد روده پس از برداشتن قسمت های آسیب دیده استفاده می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با این فلز جادویی در ادامه مقاله با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.
ویژگی های فیزیکی نیتینول
همانطور که قبلا ذکر شد آلیاژهای نیتینول دو ویژگی منحصر به فرد از خود نشان می دهند که شامل اثر حافظه شکل و الاستیسیته فوق العاده (که به آن الاستیسیته کاذب نیز گفته می شود). حافظه شکل ، توانایی این فلز در تغییر شکل در یک دمای خاص ، باقی ماندن در آن شکل وقتی نیروی خارجی از بین می رود و سپس بازگشتن به شکل اصلی در صورت گرم شدن در دمای بالاتر از دمای تبدیل (Transformation Temperature) است.
سوپرالاستیسیته توانایی فلزی است که تحت تغییر شکل های زیادی قرار می گیرد ولی با برداشتن بار خارجی بلافاصله به شکل اولیه یافته خود برمی گردد. نیتینول می تواند ۱۰-۳۰ برابر بیشتر از فلزات معمولی تغییر شکل دهد و به شکل اولیه خود بازگردد. اثر حافظه شکل یا الاستیسیته فوق العاده این فلز بستگی به دمای تبدیل آلیاژ خاص دارد که در زیر دمای تبدیل اثر حافظه شکل را نشان می دهد و در بالای آن دما به صورت فوق العاده انعطاف پذیرعمل می کند.
از دیگر خواص این آلیاژ می توان به موارد زیر اشاره کرد:
شکل ظاهری: یک فلز نقره ای روشن است.
تراکم : چگالی این آلیاژ ۴۵/۶ گرم در متر مکعب است
نقطه ذوب: نقطه ذوب آن حدود ۱۳۱۰ درجه سانتی گراد است.
مقاومت: در دماهای بالاتر از ۸۲ اهم – سانتی متر و در دماهای پایین ۷۶ اهم – سانتی متر مقاوم است.
هدایت حرارتی: رسانایی گرمایی این فلز W/ cm-°C 0.1 است.
ظرفیت گرمایی: ظرفیت حرارتی آن ۰.۰۷۷ کالری گرم بر سانتی گراد است.
گرمای نهفته: این ماده دارای گرمای نهان ۷۸/۵ کالری بر گرم است.
حساسیت مغناطیسی: حساسیت مغناطیسی آن در دماهای بالا emu- gm 3.8 و در دماهای پایین ۲.۵ است.
تاریخچه کشف نیتینول
کلمه نیتینول از ترکیب و محل کشف آن گرفته شده است . ویلیام جی بوئلر به همراه فردریک وانگ ، در طی تحقیقات آزمایشگاهی خود در سال ۱۹۵۹ خواص این آلیاژ را کشف کردند. بوئلر در تلاش بود دماغه موشک بهتری بسازد ، که بتواند در برابر خستگی ، گرما و نیروی ضربه مقاومت کند. او دریافت که آلیاژ ۱: ۱ نیکل و تیتانیوم این ویژگیها را دارد. در سال ۱۹۶۱ وی نمونه ای از این آلیاژ را ارائه داد که مانند آکاردئون جمع شده و مجددا پس از قرار گرفتن در معرض حرارت به شکل قبلی خود بازمی گردد.
در حالی که بلافاصله کاربردهای بالقوه نیتینول محقق شد ، تلاشهای عملی برای تجاری سازی آلیاژ تا یک دهه بعد صورت نگرفت. این تاخیر بیشتر به دلیل دشواری فوق العاده ذوب ، پردازش و ماشینکاری آلیاژ بود. حتی این تلاش ها با چالش های مالی روبرو شد که به راحتی برطرف نشدند تا دهه ۱۹۸۰ ، که سرانجام این مشکلات عملی حل شدند.
کشف اثر حافظه شکل به طور کلی به سال ۱۹۳۲ برمی گردد ، زمانی که آرن اولندر ، شیمی دان سوئدی ، برای اولین بار خاصیت موجود در آلیاژهای طلا-کادمیوم را مشاهده کرد. همان تأثیر در اوایل دهه ۱۹۵۰ در مس-روی (برنج) مشاهده شد.
فرآیند تولید نیتینول
ساخت نیتینول به دلیل نیاز به کنترل فوق العاده سخت ترکیب آن و واکنش پذیری بسیار بالای تیتانیوم بسیار دشوار است. هر اتم تیتانیوم که با اکسیژن یا کربن ترکیب می شود اتمی است که از شبکه NiTi جدا می شود ، بنابراین ترکیب آنرا تغییر می دهد و دمای تبدیل را بسیار پایین می آورد. امروزه دو روش برای ذوب آن وجود دارد:
ذوب مجدد قوس خلا (VAR)
این کار با ایجاد قوس الکتریکی بین ماده اولیه و صفحه مسی خنک شده با آب انجام می شود. ذوب شدن در یک خلا بالا انجام می شود.
ذوب القایی تحت خلا (VIM)
این کار با استفاده از میدان های مغناطیسی متناوب برای گرم کردن مواد اولیه در یک بوته (بطور کلی کربن) انجام می شود. این روش نیز در خلا بالا انجام می شود.
در حالی که هر دو روش مزایایی خاص خود را دارند اما مشخص شده است که روش پیشرفته صنعتی VIM دارای آخال و عیوب ریخته گری کوچکتری از روش پیشرفته صنعتی VAR است که منجر به مقاومت بالاتر در برابر خستگی می شود.
گزارش تحقیقات دیگر نشان می دهد که VAR با استفاده از مواد خام با خلوص بسیار بالا نیز ممکن است منجر به کاهش تعداد آخال و در نتیجه بهبود رفتار خستگی شود. روشهای دیگری نیز در مقیاس بوتیک استفاده می شود که شامل ذوب قوس پلاسما ، ذوب القایی و ذوب پرتو الکترونی است. همچنین از رسوب بخار فیزیکی نیز در مقیاس آزمایشگاهی استفاده می شود.
بهتر است بدانید:
لازم به ذکر است که گرم کاری با نیتینول نسبتاً آسان است ، اما سرکاری با آن به دلیل الاستیسیته بسیار بالای آلیاژ بسیار دشوار است زیرا باعث افزایش تماس با رول یا غلتک و در نتیجه ایجاد مقاومت اصطکاکی فوق العاده و سایش ابزارها می شود.
به دلایل مشابه ، ماشین کاری آن نیز بسیار دشوار است – بدتر از آن ، رسانایی گرمایی نیتینول ضعیف است ، بنابراین حذف گرما دشوار است. ولی سنگ زنی (برش ساینده) ، ماشینکاری تخلیه الکتریکی (EDM) و برش لیزری آن نسبتاً آسان است.
عملیات حرارتی نیتینول نیز بسیار حساس و حیاتی است. این فرآیند فشرده نیاز به دانش بالا در رابطه با تنظیم دقیق دمای تبدیل دارد. زمان ایجینگ و درجه حرارت، رسوب فازهای مختلف غنی از نیکل را کنترل کرده و بنابراین میزان نیکل مستقر شده در شبکه NiTi را کنترل می کند. با کاهش ماتریس نیکل ، ایجینگ دمای تبدیل را افزایش می دهد. بنابراین ترکیبی از عملیات حرارتی و سرماکاری برای کنترل خواص محصولات نیتینول ضروری است.
کاربردهای نیتینول
چهار نوع کاربرد معمول برای نیتینول وجود دارد:
بازیافت آزاد
نیتینول در دمای پایین تغییر شکل داده و برای بازیابی شکل اصلی خود از طریق اثر حافظه شکل، گرم می شود.
بازیافت محدود
مانند بازیافت آزاد است با این تفاوت که به سختی از بازیابی جلوگیری می شود، بنابراین استرس ایجاد می شود.
تولید کار
در اینجا به آلیاژ فرصت بازیابی داده می شود اما برای این کار باید بر نیرو غلبه کند بنابراین کار انجام می دهد.
الاستیسیته
نیتینول از طریق اثر سوپرالاستیک به عنوان یک فنر فوق العاده عمل می کند. مواد فوق الاستیک تحت تحول ناشی از تنش قرار می گیرند و معمولاً به دلیل ویژگی “حافظه شکل” شناخته می شوند. سیم های NiTi به دلیل قابلیت انعطاف پذیری بالا ، اثر “الاستوکالری” نشان می دهند که گرمایش / سرمایش ناشی از تنش است. در حال حاضر سیم های NiTi به عنوان امیدوار کننده ترین ماده برای این فناوری تحت تحقیق هستند.
این فرآیند با بارگذاری کششی روی سیم آغاز می شود و باعث می شود مایعات (درون سیم) به HHEX (مبدل حرارتی گرم) منتقل شود. بطورهمزمان در این فرآیند گرما دفع خواهد شد که می تواند برای گرم کردن محیط اطراف استفاده شود. در فرآیند معکوس ، تخلیه سیم از طریق بی بارکردن کششی منجر به جریان مایع به CHEX (مبدل حرارتی سرد) می شود و باعث می شود سیم NiTi گرما را از اطراف جذب کند. بنابراین ، می توان دمای محیط را کاهش داد.
نکته:
دستگاههای الاستوکالری اغلب با دستگاههای مغناطیسی به عنوان روشهای جدید گرمایش / سرمایش کارآمد مقایسه می شوند. دستگاه الاستوکالری ساخته شده با سیم های NiTi به دلیل قدرت خنک کنندگی خاص (در ۲ هرتز) ، ۷۰ برابر نسبت به دستگاه مگنتو کالری ساخته شده با گادولینیوم برتری دارد. با این حال ، دستگاه الاستوکالری ساخته شده با سیم های NiTi همچنین دارای محدودیت هایی از جمله عمر خستگی کوتاه و وابستگی به نیروهای کششی بزرگ (مصرف انرژی) هستند.
استفاده های زیست پزشکی نیتینول
نیتینول بسیار زیست سازگار است و دارای خواص مناسب برای استفاده در ایمپلنت های ارتوپدی است و با توجه به خواص منحصر به فرد ، تقاضای زیادی برای استفاده در تجهیزات پزشکی کمتر تهاجم وجود دارد. از نیتینول معمولاً در کاتترها ، استنت ها و سوزن های فوق الاستیک استفاده می شود.
نیتینول در دستگاه های توسعه یافته برای درمان مشکلات مجرای شریانی از جمله انسداد رگ های خونی استفاده می شود. در دندانپزشکی ، این ماده در ارتودنسی برای براکت ها و سیم های اتصال دندان استفاده می شود. هنگامی که سیم SMA در دهان قرار می گیرد ، درجه حرارت آن تا دمای بدن افزایش می یابد. این امر باعث انقباض نیتینول به شکل اولیه شده و با استفاده از آن نیروی ثابت برای حرکت دندان ها ایجاد می شود.
نکته:
سیمهای SMA به اندازه سیمهای دیگر احتیاج به سختی ندارند ، زیرا برخلاف سیمهای فولاد ضد زنگ معمولی با حرکت دندانها منقبض می شوند. علاوه بر این ، از نیتینول می توان در تمیز کردن و شکل دادن کانال های ریشه دندان استفاده کرد. این آلیاژ به دلیل تحمل خستگی زیاد و انعطاف پذیری احتمال شکستگی در داخل ریشه دندان در طول درمان کانال ریشه را بسیار کاهش می دهد ، در نتیجه ایمنی کار را بهبود می بخشد.
یکی دیگر از کاربردهای قابل توجه نیتینول در پزشکی در تولید استنت ها است که می توان آنرا در رگ ها جایی که دمای بدن استنت را گرم می کند استفاده کرد. پس از برداشتن گرفتگی رگ استنت به شکل گسترش یافته اصلی خود برمی گردد تا جریان خون را بهبود ببخشد.
به طور مشابه ، ساختارهای جمع شونده متشکل از رشته های نیتینول با ساختارهای ریز میکروسکوپی نازک می توانند در مداخلات عصبی عروقی مانند ترومبولیز سکته مغزی ، آمبولیزاسیون و آنژیوپلاستی داخل جمجمه استفاده شوند. اخیراً کاربرد سیم نیتینول در پیشگیری از بارداری زنان ، به ویژه در دستگاه های داخل رحمی ، افزایش یافته است.
کاربردهای امروزی نیتینول
محرک های حرارتی و الکتریکی
از نیتینول می توان برای جایگزینی محرکهای معمولی (سلونوئیدها ، سرو موتورها و …) استفاده کرد. در حال حاضر از فنرهای نیتینول در دریچه های حرارتی سیالات استفاده می شود ، جایی که این ماده هم به عنوان سنسور دما و هم محرک عمل می کند.
این آلیاژ به عنوان محرک فوکوس خودکار در دوربین های اکشن و به عنوان تثبیت کننده عکس در تلفن های همراه استفاده می شود. از این آلیاژ در دریچه های پنوماتیک برای راحتی استقرار استفاده می شود و به یک استاندارد صنعتی تبدیل شده است.
چالش های استفاده از نیتینول
فروپاشی ناشی از خستگی دستگاه های نیتینول یکی از چالش های اصلی استفاده از این فلز است از آنجا که این ماده انتخابی برای کاربردهایی است که به انعطاف پذیری و حرکت بسیار زیادی نیاز دارند (به عنوان مثال ، استنت های محیطی ، دریچه های قلب ، محرک های حرارتی مکانیکی هوشمند و میکرو عملگرهای الکترومکانیکی) ، لزوماً در مقایسه با سایر فلزات در معرض فشارهای خستگی بسیار بیشتری قرار دارد.
در حالی که عملکرد خستگی نیتینول با کنترل فشار از تمام فلزات شناخته شده دیگر برتر است اما تخریب حاصل از خستگی در سخت ترین برنامه های کاربردی آن مشاهده شده است.
لازم به ذکر است:
نیمی از نیتینول را نیکل تشکیل داده است بنابراین نگرانی زیادی در صنعت پزشکی در مورد آزاد سازی نیکل که یک آلرژن شناخته شده با احتمال سرطان زایی است، وجود دارد. با اینحال در صورت تیمار صحیح (از طریق جلاکاری و یا غیرفعال سازی) ، نیتینول یک لایه TiO2 محافظ بسیار پایدار تشکیل می دهد که به عنوان یک مانع بسیار موثر و خود ترمیم کننده در برابر تبادل یونی است که با سرعت کمتری نسبت به فولاد ضد زنگ ، نیکل آزاد می کند. با این اوصاف ، در دستگاه های پزشکی اولیه که بدون الکتروپولیش ساخته شده اند ، خوردگی مشاهده می شود. ولی در استنت های فلزی قابل انعطاف عروقی نیتینول امروزی هیچ شواهدی از خوردگی یا آزاد شدن نیکل وجود ندارد.
بهتر است بدانید:
جوشکاری نیتینول چه برای خودش و چه برای سایر مواد دشوار است ولی جوش لیزری نیتینول به خودی خود یک فرآیند نسبتاً معمول است. اخیراً ، اتصالات محکم بین سیم های NiTi و سیم های فولاد ضد زنگ با استفاده از پرکننده نیکل ساخته شده است.
فرکانس تحریک نیتینول به مدیریت گرما ، به ویژه در فاز خنک کننده بستگی دارد. از روشهای متعددی برای افزایش عملکرد خنک سازی استفاده می شود که شامل ورود هوا ، مایعات در حال جریان ، ماژول های ترموالکتریک و غیره است. سریعترین عمل نیتینول ثبت شده توسط تخلیه خازن ولتاژ بالا انجام می شود که سیم SMA را به روش میکروثانیه گرم می کند و در چند میلی ثانیه منجر به تبدیل فاز کامل (و سرعت زیاد) می شود.
پیشرفت های اخیر نشان داده است که پردازش نیتینول می تواند قابلیت های ترمومکانیکی را گسترش دهد و باعث می شود حافظه های چند شکل در یک ساختار یکپارچه تعبیه شوند. تحقیقات در مورد فناوری چند حافظه با نیتینول حافظه دار در حال انجام است و نوید می دهد دستگاه های حافظه با شکل پیشرفته استفاده از مواد جدید و ساختارهای مواد ، از جمله مواد حافظه شکل ترکیبی (SMM) را در آینده نزدیک ارائه دهند.
دسترس پذیری نیتینول
آلیاژ تیتانیوم نیکل به اشکال مختلفی از جمله سیم ، لوله ، ورق و فنر موجود هستند وخرید و فروش نیتینول بطور گسترده ای در سراسر دنیا امکان پذیر است. خرید نیتینول از تولید کنندگان و تامین کنندگان پیشرو این آلیاژ فلزی به راحتی صورت می گیرد . در حال حاضر اشکال مختلف این فلز به صورت آنلاین و با قیمت مناسب در دسترس است.
نیتینول با کاربردهای صنعتی و پزشکی بی شماری که دارد یکی از مفیدترین آلیاژهای فلزی به حساب می آید. این آلیاژ برای بسیاری از برنامه هایی که به حرکت و انعطاف پذیری زیادی نیاز دارند بهترین انتخاب است. با این حال ، این ماده در بسیاری از کاربردها به دلیل فروپاشی ناشی از خستگی ناموفق است و متخصصان برای تعیین محدودیت دوام این آلیاژ سخت کار می کنند.
