镍钛诺

编辑:响亮网互动百科 时间:2020-02-23 14:37:36
编辑 锁定
本词条缺少名片图,补充相关内容使词条更完整,还能快速升级,赶紧来编辑吧!
Nitinol,Nitinol一词是指那些接近等原子量NiTi合金的总称。
中文名
镍钛诺
熔    点
1310oC
密    度
6.45 g / cc
电阻率
82 x10 6Ωcm(奥氏体)

镍钛诺历史

编辑

  
镍钛诺材料 镍钛诺材料
在1958年,美国海军实验室的William J. Buehler[1]  和Frederick Wang[2]  发明了一组具有独特形状记忆效应(也称为机械记忆)的工程合金,即Ni-Ti形状记忆合金,并命名为Nitinol合金。Nitinol一词是指那些接近等原子量NiTi合金的总称。词后的n-o-l是美国海军武器实验室的代号。因为该实验室是此类合金的发明者,故取Nitinol此名。Nitinol合金系列中最常用的代表性合金是55-Nitinol合金。此类合金通常成分范围是53~57(重量)%Ni,余量为Ti,是TiNi金属间化合物。
发明之初,镍钛诺的潜在商业价值即被意识到,但由于镍钛诺熔化和加工难度过大,并且也遭遇资金上的短缺,其商业化一直难以实现,直到20世纪90年代,这些困难终于开始得到解决。
形状记忆效应的发现可以追溯到1932年,当时瑞典研究员 Arne Olander[3]  首先在金镉合金中观察到这种特性。20世纪50年代初在铜锌合金中同样观察到该特性[4] 

镍钛诺物理性质

编辑
以下数据测自市面常见的镍钛诺记忆合金
76 x10 6Ωcm(马氏体)
导热:0.18 W / cmoC(奥氏体)
0.086 W / cmoC(马氏体)
热膨胀系数:11 x10 6 /oC(奥氏体)
6.6 x10 6 /oC(马氏体)
导磁率:< 1.002
磁化率: 3.7 x10 6 emu / g(奥氏体)
2.4 x10 6 emu / g(马氏体)
弹性模量: 75 - 83 GPa(奥氏体)
28 40 GPa(马氏体)
屈服强度: 195 - 690 MPa(奥氏体)
70 - 140 MPa(马氏体)
泊松比:0.33

镍钛诺特性

编辑
1、形状记忆特性(shape memory) 形状记忆是当一定形状的母相由Af温度以上冷却到Mf温度以下形成马氏体后,将马氏体在Mf以下温度形变,经加热至Af温度以下,伴随逆相变,材料会自动恢复其在母相时的形状。实际上形状记忆效应是镍钛合金的一个由热诱发的相变过程。
2、超弹性 (superelastic) 所谓的超弹性是指试样在外力作用下产生远大于起弹性极限应变量的应变,在卸载时应变可自动恢复的现象。即在母相状态下,由于外加应力的作用,导致应力诱发马氏体相变发生,从而合金表现出不同于普通材料的力学行为,它的弹性极限远远大于普通材料,并且不再遵守胡克定律。和形状记忆特性相比,超弹性没有热参与。总而言之,超弹性是指在一定形变范围内应力不随应变的增大而增大,可将超弹性分为线性超弹性和非线性超弹性两类。前者的应力-应变曲线中应力与应变接近线性关系。非线性超弹性是指在Af以上一定温度区间内加载和卸载过程中分别发生应力诱发马氏体相变及其逆相变的结果,因此非线性超弹性也称相变伪弹性。镍钛合金的相变伪弹性可达8%左右。 镍钛合金的超弹性可随着热处理的条件的变化而改变,当弓丝被加热到400&ordm;C以上时,超弹性开始下降。
3、口腔内温度变化敏感性:不锈钢丝和CoCr合金牙齿矫形丝的矫治力基本不受口腔内温度的影响。超弹性镍钛合金牙齿矫形丝的矫治力随口腔温度的变化而变化。当变形量一定时。温度升高,矫治力增加。一方面,它可以加速牙齿的运动,这是因为口腔内的温度变化会刺激由于矫治器件造成造成毛细滞息的血流停滞部位的血液流动,从而使得在牙齿移动过程中修复细胞得到充分营养,维持其生机和正常功能。另一方面,正畸医生无法精确控制或测量口腔环境下的矫治力。
4、抗腐蚀性能:有研究表明镍钛丝的抗腐蚀性能与不锈钢丝相仿
5、抗毒性:镍钛形状记忆合金特殊的化学组成,即这是一种镍钛等原子合金,含约50%的镍,而已知镍有致癌和促癌作用。一般情况情况下,表面层钛氧化充当了一种屏障,使Ni-Ti合金具有良好的生物相容性。表面层的TiXOy和TixNiOy能抑制Ni的释放。
6、柔和的矫治力:目前商业上应用的牙齿矫形金属丝包括奥氏体不锈钢丝、钴-铬-镍合金丝、镍铬合金丝、澳大利亚合金丝、金合金丝和ß钛合金丝。关于这些正畸矫正金属丝在拉伸试验和三点弯曲试验条件的载荷-位移曲线。镍钛合金的卸载曲线平台最低也最平,说明它最能提供持久柔和的矫治力。
7、良好的减震特性:由于咀嚼及夜磨牙对于弓丝造成的震动越大,对牙根及牙周组织的损害越大。通过不同弓丝衰减实验的结果研究发现,不锈钢丝震动的振幅比超弹性镍钛丝大,超弹性镍钛弓丝初始震动振幅仅为不锈钢丝的一半,弓丝良好的震动和减震特性对于牙齿的健康很重要,而传统弓丝如不锈钢丝,有加重牙根吸收的倾向。

镍钛诺记忆特性原理

编辑
Nitinol合金如此特殊的特性都来源于一种称为马氏体相变的可逆固态相变 ,在两个不同的相变晶相间,可产生10,000到20,000 psi的机械应力。
在较高的温度下,记忆合金形成一种称为奥氏体的晶体结构(parent phase)。在较低的温度下,记忆合金自发地转换到更复杂的马氏体结构(daughter phase)。奥氏体与马氏体间相互转换的温度通常称为转换温度(transformation temperature),更具体地说,存在有四个转变温度。马氏体开始转变为奥氏体的转变温度称为Ms,在Ms以下某温度保持不变时,少部分的奥氏体组织迅速转变,但不会继续。只有当温度进一步降低,更多的奥氏体才转变为马氏体。最后,温度到达马氏体转变结束温度Mf,马氏体转变结束。与此相反,在合金
完全形成马氏体后受到加热开始形成奥氏体,这种转化的起始温度和终止温度分别称为As与Af。[5] 

镍钛诺应用

编辑
1989年在美国和加拿大进行了一项调查,此项调查涉及7个组织。这项调查关注了评估了未来的技术、市场,预测了未来镍钛合金用途的重要性,下面是重要性的降序排序:(1)联轴器,(2)生物医学和医疗,(3)玩具、新奇物品,(4)制动器5)热引擎,(6)传感器,(7)低温激活模具和内存插槽(8)起重设备。[6] 
镍钛诺医学上的用途 镍钛诺医学上的用途

镍钛诺限制

编辑
镍钛记忆合金作为一个长期植入人体的生物材料(如心脏支架),不仅要有一个良好的生物力学功能,还要有一个良好的耐蚀性和生物相容性。尽管镍钛记忆合金在医学领域应用取得了很大的进步,但是由于镍钛记忆合金仍然含有近50%的镍,镍作为一种潜在的致癌物与过敏原,给镍钛记忆合金作为一种长期植入物带来了巨大的困难。但是镍也表现在大量不锈钢和钴铬合金。通过正确处理(通过电解抛光或钝化)镍钛诺,镍钛诺表面将形成一个非常稳定的二氧化钛保护层,充当一个非常有效的和可自我修复的屏障阻碍镍离子的交换。实验一再表明镍钛诺释放镍离子的速度要慢于不锈钢。今天的镍钛记忆合金血管支架并没有观察到明显的腐蚀或镍的释放,同时患者术后也未产生过敏。
在镍钛诺中总是含有杂质例如Ti2NiOx。所有的金属都含有杂质,这些不可分离的杂质是无处不在的。在一定程度上我们可以控制杂质的大小、分布和类型。理论上说,部分杂质会影响镍钛诺的金属疲劳性,但是到目前为止所有的研究都没有表现出太明显的差异。[7-8] 
另一个镍钛诺面临的主要限制是其本身和其他材料一直难以焊接。在过去的十年,激光焊接镍钛诺已经成为一个相对常规的流程。更多研究包括使用其他方法焊接和与其他金属合金焊接已经取得重要进展。[9] 
参考资料
  • 1.    W.J. Buehler, J.W. Gilfrich & R.C. Wiley, "Effects of low-temperature phase changes on the mechanical properties of alloys near composition TiNi," Journal of Applied Physics 34 (1963) p 475.
  • 2.    F.E. Wang, W.J. Buehler & S.J. Pickart, "Crystal structure and a unique martensitic transition of TiNi," Journal of Applied Physics 36 (1965) p 3232-3239.
  • 3.    Olander, A (1932), J. Amer. Chem. Soc. 54: 3819
  • 4.    Hornbogen, E. (1956), Z. Metallkunde 47: 47
  • 5.    nitinol-facts  .NDC[引用日期2013-04-6]
  • 6.    Miller, Richard K. and Terri Walker (1989), Survey on shape memory alloys, p. 17.
  • 7.    Morgan, N.; A. Wick, J. DiCello, and R. Graham (2006), "Carbon and Oxygen Levels in Nitinol Alloys and the Implications for Medical Device Manufacture and Durability", Proceedings of the International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies (ASM International): 821
  • 8.    Miyazaki, S.; Y Sugaya and K Otsuka (1989), MRS International Meeting On Advanced Materials (Materials Research Society) 9: 257
  • 9.    Hall, Peter (2005), Method of Welding Titanium and Titanium Based Alloys to Ferrous Metals