Chemistry Learner

Nitinol-metallegering er en af de mest nyttige legeringer, der anvendes til forskellige formål. Den har mange vigtige medicinske anvendelser.

Hvad er nitinol?

Det er en nickel-titan metallegering med nogle unikke egenskaber. Det er også kendt som nikkel-titan. Denne legering udviser superelasticitet eller pseudoelasticitet og formhukommelsesegenskaber. Det betyder, at dette unikke metal kan huske sin oprindelige form og viser stor elasticitet under stress.

Nitinol Sammensætning

Denne metallegering er sammensat af nikkel og titan. Den indeholder disse to grundstoffer i omtrent lige store atomare procentdele. Nikkel er et kendt allergen, og det kan også have kræftfremkaldende egenskaber. Af denne grund har nikkelindholdet i denne legering givet anledning til stor bekymring om dens anvendelighed i den medicinske industri.

Nitinolproduktion

Der kræves en ekstremt streng kontrol af sammensætningen for at fremstille denne legering. Af denne grund er det meget vanskeligt at fremstille denne legering. Titans ekstraordinære reaktivitet er en anden hindring for dens fremstilling. Der anvendes i øjeblikket to primære smeltemetoder til dette formål:

• Vakuumbueomsmeltning: Ved denne metode slås en elektrisk lysbue mellem en vandafkølet kobberstålplade og råmaterialerne. Der anvendes vandkølet kobberform til smeltning af bestanddelene i højt vakuum for at forhindre indføring af kulstof.
• Vakuuminduktionssmeltning: Råmaterialerne opvarmes i en kulstofdigel ved hjælp af vekslende magnetfelter. Dette sker også i højvakuum; der indføres dog kulstof i denne proces.

Billede 1 – Nitinol

Der findes ingen betydelige mængder af data, der viser, at produktet af den ene metode er bedre end det af den anden. Begge metoder har forskellige fordele at tilbyde. Andre metoder som induktionskranesmeltning, plasmabue-smeltning og e-beam-smeltning anvendes også til dette formål i butiksskala. Fysisk dampudfældningsproces anvendes også i laboratorier.

Nitinol Symbol

Denne metallegering betegnes med symbolerne for de metaller, der indgår i den. Formlen for denne legering er NiTi.

Nitinol Historie

Dette materiale har fået sit navn efter sine bestanddele og det sted, hvor det blev opdaget. I 1962 opdagede William J. Buehler og Frederick Wang først de unikke egenskaber ved dette metal på Naval Ordnance Laboratory.

Kommercialisering af denne legering var ikke mulig før ti år senere. Denne forsinkelse skyldtes primært vanskelighederne ved at smelte, bearbejde og behandle materialet.

Nitinol Egenskaber

Formhukommelses- og superelasticitetsegenskaberne er de mest unikke egenskaber ved denne legering. Formhukommelsesegenskaben gør det muligt for dette metal at “huske” sin oprindelige form og bevare den, når det opvarmes over sin omdannelsestemperatur. Det sker på grund af de forskellige krystalstrukturer for nikkel og titan. Dette pseudoelastiske metal viser også en utrolig elasticitet, som er ca. 10 til 30 gange større end for ethvert almindeligt metal.

Her er nogle grundlæggende fysiske og mekaniske egenskaber for denne legering:

Fysiske egenskaber

Udseende: Dette er et lyst sølvfarvet metal.

Tæthed: Dette er et lyst sølvfarvet metal.

Tæthed: Densitet: Densiteten af denne legering er 6,45 gm/ cm3

Smeltepunkt: Dens smeltepunkt er omkring 1310 °C.

Resistivitet: Denne legering har en massefylde på 6,45 gm/ cm3

Smeltepunkt: Dens smeltepunkt er omkring 1310 °C: Den har en resistivitet på 82 ohm-cm ved højere temperaturer og 76 ohm-cm ved lavere temperaturer.

Thermisk ledningsevne: Den har en resistivitet på 82 ohm-cm ved højere temperaturer og 76 ohm-cm ved lavere temperaturer.

Varmeledningsevnen for dette metal er 0,1 W/ cm-°C.

Varmekapacitet: Dets varmekapacitet er 0,077 cal/ gm-°C.

Latent varme: Dette materiale har en latent varme på 5,78 cal/ gm.

Magnetisk følsomhed: Dens magnetiske modtagelighed er 3,8 emu- gm ved høje temperaturer og 2,5 ved lave temperaturer.

Mekaniske egenskaber

Ultimativ trækstyrke: Den maksimale trækstyrke for dette materiale ligger mellem 754 og 960 MPa.

Typisk brudforlængelse:

Typisk brudforlængelse: 15,5 procent

Typisk flydespænding: 560 MPa ved høj temperatur; 100 MPa ved lav temperatur

Opnærmet elasticitetsmodul: 75 GPa ved høj temperatur; 28 GPa ved lav temperatur

Opnærmet Poisson-værdi: 0,3

Fremstilling af nitinol-enheder

Varmbearbejdning af dette materiale er relativt let end koldbearbejdning. Den enorme elasticitet i dette materiale gør koldbearbejdning vanskelig ved at øge valsekontakten. Dette resulterer i ekstrem værktøjsslitage og gnidningsmodstand. Disse årsager gør også bearbejdning af denne legering ekstremt vanskelig. Det faktum, at dette materiale har en dårlig varmeledningsevne, er ikke en hjælp i denne forbindelse. Det er relativt let at udføre slibning, laserskæring og elektrisk udladningsbearbejdning (EDM) på dette metal.

Varmebehandling af dette materiale er meget kritisk og delikat. Kombinationen varmebehandling-koldbearbejdning er vigtig for at kontrollere de nyttige egenskaber ved dette metal.

Nitinoltråde

Nitinol anvendes til fremstilling af formhukommelsesaktuatortråd, der anvendes til mange industrielle formål. Denne tråd anvendes til styretråde, styletter og ortodontiske filer. Denne tråd er ideel til anvendelser, der kræver høje belastnings- og aflastningsplateau-strenge, samt til brillestel og mobiltelefonantenner. De vigtigste anvendelser af denne tråd er dog i stents og kurve til stenudtagning.

Nitinol Stent

Denne legering anvendes til fremstilling af endovaskulære stents, som er meget nyttige til behandling af forskellige hjertesygdomme. Den bruges til at forbedre blodgennemstrømningen ved at indsætte en kollapset nikkeltitan-stent i en vene og opvarme den. Disse stents bruges også som erstatning for suturer.

Nitinolkurv

Nikkeltitan trådkurve er velegnede til mange medicinske anvendelser, da det er mere fjedrende og mindre sammenklappeligt end mange andre metaller. Dette kurvinstrument er meget nyttigt til galdeblæren.

Nitinol Anvendelser

Her er nogle af de vigtigste anvendelser af nitinol-metallegeringen:

Medicinske anvendelser

• Denne legering er meget nyttig inden for tandpleje, især i ortodonti til ledninger og bøjler, der forbinder tænderne. Sure Smile (en type bøjle) er et eksempel på dens ortodontiske anvendelse.
• Det anvendes også i endodonti hovedsageligt under rodkanaler til rengøring og formning af rodkanalerne.
• I kolorektal kirurgi anvendes det i forskellige anordninger med det formål at genforbinde tarmen, efter at patologien er fjernet.
• Nitinolstents er en anden betydelig anvendelse af dette metal i medicin.
• Dets biokompatible egenskaber gør det nyttigt i ortopædiske implantater.
• Nitinoltråde kan bruges til at markere og lokalisere brysttumorer.
• Anvendelsen af nitinolslanger til forskellige medicinske formål er stigende i popularitet.

Industrielle anvendelser

• Nitinoltråde anvendes i modelvarmemotorer, der fremstilles til demonstrationsformål.
• Dette materiale anvendes i temperaturkontroller. Dets formændrende egenskaber kan bruges til at aktivere en variabel modstand eller en kontakt til temperaturstyring.
• Dette metal bruges ofte i mekaniske urfjedre.
• Det bruges som mikrofonbom eller en indtrækkelig antenne i mobiltelefonteknologi på grund af dets mekaniske og fleksible hukommelsesnatur.
• Nitinolfjeder bruges i forskellige industrier med det formål at udnytte de superelastiske egenskaber ved dette metal.
• Nitinolplader anvendes til stansning, stempling og dybtrækning.

Andre anvendelser

• Det anvendes også som indsats til golfkøller på grund af dets formændrende egenskaber.
• Det er et populært valg til fremstilling af ekstremt modstandsdygtige glasrammer.
• Nitinol bruges til at fremstille selvbøjende skeer, der bruges i trylleshows.

Nitinol Tilgængelighed

Nikkeltitan fås i forskellige former, herunder tråde, rør, plader og fjedre. NDC er en af de førende producenter og leverandører af denne metallegering. Der er dog mange andre leverandører af Nitinol-tråde, -rør, -fjedre osv. Forskellige former af dette metal er også tilgængelige online til rimelige priser.

Nitinol regnes blandt de mest nyttige metallegeringer med mange industrielle og medicinske anvendelser. Det er ofte det bedste valg til mange applikationer, der kræver enorm bevægelse og fleksibilitet. Dette materiale har imidlertid vist træthedssvigt i mange krævende anvendelser. Eksperter arbejder hårdt med henblik på at definere holdbarhedsgrænserne for denne metallegering.