Нитинол — форма, применение, эффект памяти, состав

Эффект памяти формы — явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации.

История

Советские металлурги Г. В. Курдюмов и Л. Г. Хандрос в 1948 году предложили сплав, наделённый способностью после значительных пластических деформаций восстанавливать первоначальную форму при нагреве до определённой температуры. В 1980 году это изобретение было признано открытием и стало известно как эффект Курдюмова (эффект восстановления заданной конфигурации или эффект памяти формы). В 1962 году Уильям Бюлер вместе с Фредериком Вангом открыли свойства этого сплава в ходе исследования в военно-морской лаборатории. Хотя и сразу было осознано потенциальное применение нитинола, реальные попытки коммерциализации сплава произошли спустя десять лет. Эта задержка возникла в значительной степени из-за чрезвычайной трудности плавления, переработки и обработки сплава.

Открытие эффекта памяти формы в целом восходит к 1932 году, когда шведский исследователь Арне Оландер первым заметил это свойство в золото-кадмиевых сплавах. Такой же эффект обнаружен в медно-цинковых сплавах в начале 1950-х.

Введение

Одно из базовых восприятий людьми явлений внешнего мира — это стойкость и надёжность металлических изделий и конструкций, стабильно сохраняющих свою функциональную форму продолжительное время, если, конечно, они не подвергаются закритическим воздействиям.

Однако существует ряд материалов, металлических сплавов, которые при нагреве после предварительной деформации демонстрируют явление возврата к первоначальной форме.

Применение нитинола(никелида титана) сплавов с памятью формы в медицине.

Травмотология и ортопедия:

• черепно-мозговая хирургия;
• восстановительная спиномозговая хирургия и лечение врожденных и посттравматических патологий (сколиоз, кифоз, спондилодез) позвоночника, лечение переломов тел позвонков;
• пластика дужек позвонков, лечение рецидивов грыж дисков;
• коррекция аномалий опорно-двигательного аппарата, остеопластика и костная хирургия;
• компрессионный остеосинтез при суставных переломах, перелома трубчатых костей и оперативном лечении плечевого пояса и бедренной кости плюсневых костей и костей кисти;
• восстановление дистального межберцового синдесмоза;
• фиксация костных структур сверхэластичными имплантатами из пористого проницаемого никелида титана;
• костная онкология и пластическое возмещение дефектов костных тканей;
• хирургическое лечение хронического остеомиелита;
• армирование крупных трубчатых костей при системных заболеваниях скелета;
• лечение чрезкостных разрывов сухожилий и наложение анастомозов сухожилий, косолапости, туннельного синдрома.

Сердечно-сосудистая малоинвазивная хирургия.

Ангиопластика, сужение и расширение, клипирование сосудов, оперативное лечение хронической венозной недостаточности, экстравазальная коррекция функции венозных клапанов, лечение варикозной болезни, шовный материал(нити) для лигирования кровеносных сосудов; I

• эндопротезирование для восстановления просвета суженых, стенозированных или полностью обтурированных участков сосудов, противоэмболические интравенозные кава-фильтры, полые сетчатые и ячеистые сосудистые самовосстанавливающиеся стенты, моностенты;
• закрытие дефектов перегородок предсердий, биопротезирование клапанов сердца, анулопластика сердечных клапанов.

Стоматология и челюстно-лицевая хирургия.

Восстановительная эндоскопическая малоинвазивная челюстно-лицевая хирургия, лечение заболеваний и повреждений лицевого черепа, остеосинтез при| переломах нижней и верхней челюсти, скуловой кости, после остеотомиии челюстей;

• эндопротезирование орбиты и височно-челюстного сустава;
• хирургия врождённых расщелин нёба с использованием сетчатых сверхэластичных имплантатов;
• гнойная хирургия околочелюстных флегмон;
• вестибулопластика полости рта;
• эстетическая коррекция спинки и кончика носа;
• ортодонтия (коррекция и исправление зубочелюстных аномалий и прикуса);
• дентальная имплантология;
• эндодонтия корневых каналов.

Хирургия желудочно-кишечного тракта, абдоминальная хирургия и колопроктология.

Торакоабдоминальная и желудочно-кишечная хирургия;

• пластика при перфоративной язве желудка, хирургическая гастроэнтерология;
• стентирование желудка для лечения ожирения и булимии;
• наложение пищеводного, межкишечных компрессионных анастомозов, в том числе толстокишечных, формирование холецистоэнтеро-холедохоэнтероанастомоза, стентирование пищевода;
• пластика брюшной стенки, обтураторы грыжевых ворот, герниопластика вентральных паховых грыж, грыжи пищеводного отверстия;
• пластика прямой кишки и сфинктера, сохранение функции толстокишечного держания;
• искусственные сфинктеры, полнослойная биопсия прямой кишки хирургическое лечение при выпадении кишки из ануса, компрессионная геморроидэктомия;
• лечение поликистоза почек с использованием гранул из пористого никелида титана.

Эндоскопическая и лапароскопическая хирургия.

Урологическая хирургия, лечение стриктур уретры, дилатация уретры, анастс-мозы уретры, трансуретральное стентирование;

• удаление камней и конкрементов из моче- и желчевыводящих путей, очистка последних от билиарного ила, песка и сладжа;
• дистанционная ударно-волновая литотрипсия;
• эндобилиарная хирургия, различные патологии билиопанкреатодуоденальной зоны;
• холангиостомия, холецистостомия, дренирование желчных путей;
• стентирование гепатобилиарной системы, лечение структур холедоходуоденоанастомоза;
• дренирование лимфоцеле;
• резекция желудка, холецистэктомия, аппендэктомия, ваготомия, гемиколэктомия, фундаплликация (клипирование);
• пункционная биопсия;
• нейрохирургия (дренирование ликворных кист головного мозга);
• кардиохирургия (электроды для электрокардиостимуляции).

Офтальмология и микрохирургия глаза.

• имплантация искусственного хрусталика;
• глаукомное дренирование;
• формирование культи глазного яблока, эндопротезирование дефектов стенок глазницы;
• хирургическое лечение отслоек сетчатки с использованием циркляжной нити из нитинола; — сквозное кератопротезирование при бельмах роговицы.

Гинекология, урогинекология и сексология.

• лечение предопухлевых заболеваний шейки матки, маркировка зоны интраоперационной лучевой терапии онкологических больных гранулами из пористого никелида титана(нитинола);
• дилатация цервикального канала при искусственном прерывании беременности;
• оперативное лечение прямокишечно-влагалищных свищей вследствие послеродовых разрывов промежности;
• внутриматочные контрацептивы, клипирование фаллопиевых труб;
• консервативное лечение дисфункции мочевого пузыря и сфинктерного аппарата уретры, недержании мочи у мужчин и женщин;
• кольпоррафия, реконструкция пузьфно-влагалищной перегородки при пролапсе; — реконструкция ректовагинальной перегородки и реконструкция тазового дна после экстирпации матки;
• обратимая мужская контрацепция, протезы половых органов, интракавернозные имплантаты.

Общая и клиническая хирургия.

• дилатация, ограничители просвета и эндопротезирование деформированных полых органов в различных анатомических зонах;
• пластика дефектов тканевых перегородок, закрытие свищей, реконструкция дефектов мягкотканных структур, оперативное лечение цирроза печени;
• компрессионное шовное соединение тканей, сведение краёв раны, лечение гнойных ран;
• компрессионное пережимание тканей внутренних органов;
• обтурирование кровотечений внутренних органов, в том числе паренхиматозных при глубоких колото-резаных ранах;
• восстановительная сохранная отоларингология (эндопротезирование при лечении стенки слухового прохода, наковальни и среднего уха, барабанной перепонки и ушной раковины, абсцесса перегородки носа, травм околоносовых пазух опухолей трахеи, гортани);
• высокочастотная открытая и эндохирургия (коагуляция, рассечение и резекция полых трубчатых органов, тканей и опухолей, папиллотомия, эндоваскулярная электрокоагуляция);
• косметическая хирургия молочных желёз.

Среди ассортимента изделий медицинской техники из сверхэластичных сплавов с памятью формы наибольшее распространение получили: фиксаторы различной, мини-фиксаторы, компрессионные, дистракционные и универсальные, а также согласованные с биоритмами костной регенерации; клипсы; зажимы; скобки, скобы; скрепки; петли; перемычки, пружины, спирали, кольца, дуги и другие проволочные элементы, штифты, жгуты, трубки реконструктивные, втулки цельные и перфорированные, ленты, пластины (плоские, цилиндрической незамкнутой формы, корригирующие и др.), каркасы,

функциональные ортопедические пояса, сетки безузловые и плетёные, стенты сосудистые и внесосудистого применения графты и фильтры, эндопротезы сердечных клапанов, шовный материал, хирургические нити; фольги, гранулы, имлантанты, эндопротезы и дубликаторы замещающие и восстановительные экспандеры, различные трансформируемые специальные устройства (корректоры, дилататоры, компрессионно-дистракционные аппараты) другой различной конфигурации и формы, изделия их композиционного материала «биокерамика-никелид титана(нитинол), изделия из пористого никелида тина(нитинола), в том числе армированные или насыщенные биоактивными и антибактериальными добавками,

хирургические инструменты из сверхэластичных сплавов с памятью формы изменяемой геометрией: скальпели и долота, стоматологические шпатели, диссекторы, распаторы, зонды, хирургические ложки и ножи, зажимы, щипцы, пинцеты, иглы, расширители, в том числе ранорасширители, дилататоры, в том числе полых органов, протезы (сетчатые, кератопротезы и др.) и эндопротезы, устройства доставки, гибкие направляющие катетеры,

литоэкстракторы, тромбоэкстракторы, корзины-ловушки, бужи, электроды специальной формы, приспособления для наложения швов, пульпоэкстракторы, эндодонтические К-файлы, римеры, обтураторы, брекеты, криогенные аппликаторы, криоскальпели, криопинцеты, перистальтические устройства.

Список литературы

1. Открытие № 239 от 8 марта 1948 г. Г. В. Курдюмов, Л. Г. Хандрос. «Явление термоупругого равновесия при фазовых превращениях мартенситного типа – эффект Курдюмова».
2. В. А. Лихачев и др. Эффект памяти формы — Л., Издательство ЛГУ,1987 г., 216 с.
3. Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. Сплавы с эффектом памяти формы: Пер. с яп. / Под ред. Х. Фунакубо. — М.: Металлургия, 1990, 224 с.
4. WIKI 2/ Нитинол#История.- Режим доступа: https://wiki2.org/ru/Нитинол#История(дата обращения: 13.09.2019).
5. Группа НиТиМет Компани. Сплавы с памятью формы (Нитинол Ni — Ti). — Режим доступа: http://niti-met.ru/niti.php (дата обращения: 11.09.2019).

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Феномен

Чтобы понять эффект памяти формы, достаточно один раз увидеть его проявление (см. рис 1). Что происходит?

1. Есть металлическая проволока.
2. Эту проволоку изгибают.
3. Начинаем нагревать проволоку.
4. При нагреве проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму.

Суть явления

Почему так происходит? (См. рис. 2)

1. В исходном состоянии в материале существует определенная структура. На рисунке она обозначена правильными квадратами.
2. При деформации (в данном случае изгибе) внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются (средние остаются без изменения). Эти вытянутые структуры — мартенситные пластины, что не является необычным для металлических сплавов. Необычным является то, что в материалах с памятью формы мартенсит термоупругий.
3. При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, то есть в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние, то есть сжать вытянутые пластины и растянуть сплюснутые.
4. Поскольку внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сплюснутые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и форму.

Применение:

– медицина, стоматология,

– производство датчиков,

– космическая промышленность,

– робототехника,

– нефтегазовая промышленность,

– легкая промышленность,

– и пр.

карта сайта

нитинол сплав память проволока свойства состав применение поводки двигатель скрепка металл где можно купить цена за кг википедия форум характеристики сколько стоит в медицине стоимость в нефтедобыче

плотность что делают фиксаторы стент пружина скрепка изделия проводник из эффект памяти форма память формы нитинола видео

устройства с нитинолом

comments powered by HyperComments

Характеристики эффекта памяти формы

Эффект памяти формы характеризуется двумя величинами.

1. Маркой сплава со строго выдержанным химическим составом.
2. Температурами мартенситных превращений.

В процессе проявления эффекта памяти формы участвуют мартенситные превращения двух видов — прямое и обратное. Соответственно, каждое из них проявляется в своем температурном интервале: МН и МК — начало и конец прямого мартенситного превращения при охлаждении, АН и АК — начало и конец обратного мартенситного превращения при нагреве.

Температуры мартенситных превращений являются функцией как марки сплава (системы сплава), так и его химического состава. Небольшие изменения химического состава сплава (намеренные или как результат брака) ведут к сдвигу этих температур (см. рис. 4).

Отсюда следует необходимость строгой выдержки химического состава сплава для однозначного функционального проявления эффекта памяти формы, что переводит металлургическое производство в сферу высоких технологий.

Эффект памяти формы проявляется несколько миллионов циклов; его можно усиливать предварительными термообработками.

Возможны реверсивные эффекты памяти формы, когда материал при одной температуре «вспоминает» одну форму, а при другой температуре — другую.

Чем выше температуры обратного мартенситного превращения, тем в меньшей степени выражен эффект памяти формы. Например, слабый эффект памяти формы наблюдается в сплавах системы Fe—Ni (5—20 % Ni), у которых температуры обратного мартенситного превращения 200—400 ˚C.

В ряду функциональных свойств памяти формы важное теоретическое и практическое значение принадлежит явлению так называемой деформации ориентированного превращения. Смысл этого наследственного феномена заключается в следующем. Если охлаждаемое под напряжением тело разгрузить в области температур реализации пластичности прямого мартенситного превращения и не прекратить понижение температуры, далеко не всегда продолжающееся охлаждение не будет вызывать макроскопического деформирования. Наоборот, чаще всего деформация продолжает накапливаться, как если бы материал почти не разгружали. В других случаях имеет место интенсивный возврат при охлаждении. Такие свойства, первое из которых принято называть деформацией ориентированного превращения, второе — аномальным возвратом деформации, связывают с подрастанием возникших под нагрузкой кристаллов мартенсита — в случае деформации ориентированного превращения кристаллов положительной ориентации, а в случае аномального возврата — отрицательной ориентации. Названные явления могут быть инициированы, в частности, ориентированными микронапряжениями.

Производство никелида титана

Плавку производят в вакуумно-гарнисажной или электродуговой печи с расходуемым электродом в защитной атмосфере (гелий или аргон). Шихтой в обоих случаях служит йодидный титан или титановая губка, спрессованная в брикеты, и никель марки Н-0 или Н-1. Для получения равномерного химического состава по сечению и высоте слитка рекомендуется двойной или тройной переплав. При выплавке в дуговой печи рекомендуется сила тока в 1,2 кА, напряжение — 40 В, давление гелия — 53 МПа. Оптимальный режим остывания слитков с целью предотвращения растрескивания — охлаждение с печью (не больше 10 ˚C/с). Удаление поверхностных дефектов — обдирка наждачным кругом. Для более полного выравнивая химического состава по объёму слитка проводят гомогенизацию при температуре 950—1000 ˚C в инертной атмосфере.

Сверхупругость

Другим явлением, тесно связанным с эффектом памяти формы, является сверхупругость — свойство материала, подвергнутого нагружению до напряжения, значительно превышающего предел текучести, полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки. Сверхупругость наблюдается в области температур между началом прямого мартенситного превращения и концом обратного.

Материалы с эффектом памяти формы

Никелид титана

Лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности является никелид титана (нитинол) — интерметаллид эквиатомного состава с 55 % Ni (по массе). Температура плавления — 1240—1310 ˚C, плотность — 6,45 г/см³. Исходная структура никелида титана стабильная объемно-центрированная кубическая решетка типа CsCl при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение с образованием фазы низкой симметрии.

Элемент из никелида титана может исполнять функции как датчика, так и исполнительного механизма.

Никелид титана обладает следующими свойствами:

• очень высокой коррозионной стойкостью;
• высокой прочностью;
• хорошими характеристиками формозапоминания; высокий коэффициент восстановления формы и высокая восстанавливающая сила; деформация до 8 % может полностью восстанавливаться; напряжение восстановления при этом может достигать 800 МПа;
• хорошей биологической совместимостью;
• высокой демпфирующей способностью.

К недостаткам материала относят плохую технологичность и высокую цену:

• из-за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород, для предотвращения окисления при производстве необходимо использовать вакуумирование;
• оборотной стороной высокой прочности является затрудненность обработки при изготовлении деталей, особенно резанием;
• в конце XX века никелид титана стоил чуть дешевле серебра.

При современном уровне промышленного производства изделия из никелида титана (наряду со сплавами системы Cu-Zn-Al) нашли широкое практическое применение и рыночный сбыт.

Другие сплавы

На конец XX века эффект памяти формы был обнаружен более чем у 20 сплавов. Кроме никелида титана, эффект памяти формы обнаружен в следующих системах:

• Au—Cd — разработан в 1951 году в Иллинойском университете (США); один из пионеров материалов с памятью формы;
• Cu—Zn—Al — наряду с никелидом титана имеет практическое применение; температуры мартенситных превращений в интервале от −170 до 100 ˚C; по сравнению с никелидом титана не подвержен быстрому окислению на воздухе, легко обрабатывается и в пять раз дешевле, но хуже по механическим (вследствие укрупнения зерна при термообработке), противокорозионным и технологическим свойствам (проблемы стабилизации зерна в порошковой металлургии), характеристикам формозапоминания;
• Cu—Al—Ni — разработан в Осакском университете (Япония); температуры мартенситных превращения в интервале от 100 до 200 ˚C;
• Fe—Mn—Si — сплавы этой системы наиболее дешевые;
• Fe—Ni;
• Cu—Al;
• Cu—Mn;
• Co—Ni;
• Ni—Al.

Некоторые исследователи полагают, что эффект памяти формы принципиально возможен у любых материалов, претерпевающих мартенситные превращения, в том числе и у таких чистых металлов как титан, цирконий и кобальт.

Литература

• Лихачев В. А., Кузьмин С. Л., Каменцева З. П. Эффект памяти формы. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1987.
• Тихонов А. С., Герасимов А. П., Прохорова И. И. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. — М.: Машиностроение, 1981. — 81 с.
• Лихачев В. А., Малинин В. Г. Структурно-аналитическая теория прочности. -. — СПб.:: Наука, 1993. — 441 с. — ISBN 5-02-024754-6.
• В. Н. Хачин. Память формы. — М.: Знание, 1984. — 64 с. — («Знание», «Физика».).
• Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. Сплавы с эффектом памяти формы: Пер. с яп. / Под ред. Х. Фунакубо. М.: Металлургия, 1990. — 224 с.
• С. В. Шишкин, Н. А. Махутов. Расчёт и проектирование силовых конструкций на сплавах с эффектом памяти формы. — Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2007. — 412 с. — ISBN 978-5-93972-596-5.
• Малыгин Г. А. Размытые мартенситные переходы и пластичность кристаллов с эффектом памяти формы // Успехи физических наук, 2001, т. 171, № 2, c. 187—212.
• Васильев А. Н., Бучельников В. Д., Такаги Т., Ховайло В. В., Эстрин Э. И. Ферромагнетики с памятью формы // Успехи физических наук, 2003, т. 173, № 6, c. 577—608.
• Каган М. Ю., Клапцов А. В., Бродский И. В., Кугель К. И., Сбойчаков А. О., Рахманов А. Л. Мелкомасштабное фазовое расслоение и электронный транспорт в манганитах // Успехи физических наук, 2003, т. 173, № 8, c. 877—883.
• Бучельников В. Д., Васильев А. Н., Коледов В. В., Таскаев С. В., Ховайло В. В., Шавров В. Г. Магнитные сплавы с памятью формы: фазовые переходы и функциональные свойства // Успехи физических наук, 2006, т. 176, № 8, c. 900—906.
• Воронов В. К., Подоплелов А. В. Физика на переломе тысячелетий: конденсированное состояние, 2-е изд., М.: ЛКИ, 2012, 336 стр., ISBN 978-5-382-01365-7
• Бойко В. С., Гарбер Р. И., Косевич А. М. Обратимая пластичность кристаллов. — М.: Наука, 1991. — 280 с.
• Займовский В. А., Колупаева Т. Л. Необычные свойства обычных материалов. — М.: Наука, 1984.

Ссылки

Эта страница в последний раз была отредактирована 16 марта 2019 в 13:42.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...

Читайте также:

Ковка металла — горячая, холодная ковка... Поршневые компрессоры воздушные масляные... Влагоотделители для компрессора — видео,... Электроды УОНИ — технические характерист...