Kovová slitina nitinol je jednou z nejužitečnějších slitin používaných pro různé účely. Má řadu důležitých aplikací v lékařství.
Co je nitinol?
Jedná se o kovovou slitinu niklu a titanu s některými jedinečnými vlastnostmi. Je také známá jako nikl-titan. Tato slitina vykazuje superelasticitu nebo pseudoelasticitu a vlastnosti tvarové paměti. To znamená, že si tento jedinečný kov dokáže zapamatovat svůj původní tvar a vykazuje velkou pružnost při namáhání.
Složení titanolu
Tato kovová slitina se skládá z niklu a titanu. Obsahuje tyto dva prvky v přibližně stejných atomových procentech. Nikl je známý alergen a může mít také karcinogenní vlastnosti. Z tohoto důvodu vzbuzuje obsah niklu v této slitině velké obavy o její použitelnost ve zdravotnictví.
Výroba nitinolu
Pro výrobu této slitiny je nutná mimořádně přísná kontrola složení. Z tohoto důvodu je příprava této slitiny velmi obtížná. Další překážkou při její přípravě je mimořádná reaktivita titanu. V současné době se pro tento účel používají dvě základní metody tavení:
- Vakuové obloukové přetavování: Při této metodě se mezi vodou chlazenou měděnou destičkou a surovinami vytvoří elektrický oblouk. K tavení složek ve vysokém vakuu se používá vodou chlazená měděná forma, aby se zabránilo vnášení uhlíku.
- Vakuové indukční tavení: Suroviny se zahřívají v uhlíkovém kelímku pomocí střídavého magnetického pole. Toho se rovněž dosahuje ve vysokém vakuu; při tomto procesu se však zavádí uhlík.
Obrázek 1 – Nitinol
Neexistuje žádné významné množství údajů, které by ukazovaly, že produkt jedné metody je lepší než druhé. Obě tyto metody mají různé výhody, které mohou nabídnout. V butikovém měřítku se k tomuto účelu používají i další metody, jako je tavení indukční lebkou, tavení plazmovým obloukem a tavení elektronickým paprskem. V laboratořích se používá také proces fyzikálního napařování.
Symbol nitinolu
Tato kovová slitina se označuje symboly kovů, z nichž se skládá. Vzorec této slitiny je NiTi.
Nitinol Historie
Tento materiál získal svůj název podle svých složek a místa svého objevu. V roce 1962 William J. Buehler a Frederick Wang poprvé objevili jedinečné vlastnosti tohoto kovu v Naval Ordnance Laboratory.
Komercializace této slitiny byla možná až o deset let později. Toto zpoždění bylo způsobeno především obtížností tavení, obrábění a zpracování materiálu.
Vlastnosti nitinolu
Nejunikátnějšími vlastnostmi této slitiny jsou tvarová paměť a superelasticita. Vlastnost tvarové paměti umožňuje tomuto kovu „zapamatovat si“ svůj původní tvar a zachovat si jej při zahřátí nad teplotu přeměny. Děje se tak díky odlišné krystalové struktuře niklu a titanu. Tento pseudoelastický kov také vykazuje neuvěřitelnou pružnost, která je přibližně 10 až 30krát větší než u jakéhokoli běžného kovu.
Zde jsou uvedeny některé základní fyzikální a mechanické vlastnosti této slitiny:
Fyzikální vlastnosti
Vzhled: jedná se o světlý stříbřitý kov.
Hustota: Při vyšších teplotách má měrný odpor 82 ohm-cm a při nižších teplotách 76 ohm-cm.
Tepelná vodivost:
Tepelná vodivost: Tepelná vodivost tohoto kovu je 0,1 W/cm-°C:
Tepelná kapacita: Tento materiál má latentní teplo 5,78 cal/ gm.
Magnetická susceptibilita: Jeho magnetická susceptibilita je 3,8 emu- gm při vysokých teplotách a 2,5 při nízkých teplotách.
Mechanické vlastnosti
Pevnost v tahu:
Typické prodloužení do lomu:
Typická mez kluzu: 560 MPa při vysoké teplotě; 100 MPa při nízké teplotě
Přibližný modul pružnosti: 75 GPa při vysoké teplotě; 28 GPa při nízké teplotě
Přibližný Poissonův poměr: 0,3
Výroba nitinolových zařízení
Obrábění tohoto materiálu za tepla je relativně snadnější než za studena. Obrovská elasticita tohoto materiálu ztěžuje opracování za studena tím, že zvyšuje kontakt s válci. To má za následek extrémní opotřebení nástroje a třecí odpor. Z těchto důvodů je také obrábění této slitiny velmi obtížné. Tomuto účelu nepomáhá ani skutečnost, že tento materiál má špatnou tepelnou vodivost. Na tomto kovu lze poměrně snadno provádět broušení, řezání laserem a elektroerozivní obrábění.
Tepelné zpracování tohoto materiálu je velmi kritické a choulostivé. Kombinace tepelného zpracování a zpracování za studena je důležitá pro kontrolu užitných vlastností tohoto kovu.
Nitinolové dráty
Nitinol se používá k výrobě drátů pro pohony s tvarovou pamětí, které se používají pro četné průmyslové účely. Tento drát se používá pro vodicí dráty, styčníky a ortodontické pilníky. Tento drát je ideální pro aplikace vyžadující vysoké zatěžovací a odlehčovací plošné napětí a také pro obroučky brýlí a antény mobilních telefonů. Hlavní využití tohoto drátu je však ve stentech a koších pro vytahování kamenů.
Nitinolový stent
Tato slitina se používá k výrobě endovaskulárních stentů, které jsou velmi užitečné při léčbě různých srdečních onemocnění. Používá se ke zlepšení průtoku krve zavedením zhrouceného nikl-titanového stentu do žíly a jeho zahřátím. Tyto stenty se také používají jako náhrada stehů.
Nitinolové koše
Koše z titanového niklu se dobře hodí pro mnoho lékařských aplikací, protože je pružnější a méně kolabuje než mnoho jiných kovů. Tento košový nástroj je velmi užitečný pro žlučník.
Použití nitinolu
Zde jsou uvedeny některé hlavní aplikace kovové slitiny nitinolu:
Medicínské aplikace
- Tato slitina je velmi užitečná ve stomatologii, zejména v ortodoncii pro dráty a rovnátka, které spojují zuby. Příkladem jejího ortodontického použití je Sure Smile (typ rovnátek).
- Používá se také v endodoncii především při čištění a tvarování kořenových kanálků.
- V kolorektální chirurgii se používá v různých zařízeních za účelem opětovného spojení střeva po odstranění patologie.
- Dalším významným použitím tohoto kovu v lékařství jsou nitinolové stenty.
- Díky svým biokompatibilním vlastnostem je užitečný v ortopedických implantátech.
- Nitinolové dráty lze použít k označování a lokalizaci nádorů prsu.
- Použití nitinolových trubiček pro různé lékařské účely je stále populárnější.
Průmyslové využití
- Nitinolové drátky se používají v modelech tepelných motorů vyrobených pro demonstrační účely.
- Tento materiál se používá při regulaci teploty. Jeho vlastností měnících tvar lze využít k aktivaci proměnného rezistoru nebo spínače pro regulaci teploty.
- Tento kov se často používá v mechanických hodinářských pružinách.
- Pro svou mechanickou a pružnou paměťovou povahu se používá jako mikrofonní rameno nebo výsuvná anténa v technice mobilních telefonů.
- Nitinolová pružina se používá v různých průmyslových odvětvích za účelem využití superelastických vlastností tohoto kovu.
- Nitinolové plechy se používají k děrování, lisování a hlubokému tažení.
Další využití
- Používá se také jako vložka do golfových holí pro své schopnosti měnit tvar.
- Je oblíbenou volbou pro výrobu extrémně pružných skleněných rámů.
- Nitinol se používá k výrobě samohybných lžiček používaných v kouzelnických show.
Nitinol Dostupnost
Nitinol je k dispozici v různých formách včetně drátů, trubek, plechů a pružin. Společnost NDC je jedním z předních výrobců a dodavatelů této kovové slitiny. Existuje však mnoho dalších dodavatelů nitinolových drátů, trubek, pružin atd. Různé formy tohoto kovu jsou k dispozici také online za rozumné ceny.
Nitinol se počítá mezi nejužitečnější kovové slitiny s četnými průmyslovými a lékařskými aplikacemi. Často je nejlepší volbou pro mnoho aplikací, které vyžadují obrovský pohyb a flexibilitu. Tento materiál však v mnoha náročných aplikacích vykazuje únavové selhání. Odborníci usilovně pracují na tom, aby určili hranice trvanlivosti této kovové slitiny.