نيتينول در قلب، دندان و استخوان
نيتينول در قلب، دندان و استخوان
يكي از مهمترين تركيبات بين فلزي نيتينول (NiTi) است. اين ماده مهمترين تركيب از خانواده آلياژهاي هوشمند (آلياژ نيكل- تيتانيم) بوده و داراي خواص بسيار ويژه اي است كه آن را از ساير مواد حتي از ساير تركيبات بين فلزي متمايز ميكند. NiTi شامل نسبتهاي مساوي از نيكل و تيتانيم است و گاهي اوقات عناصر ديگري براي تنظيم خواص به آن اضافه ميشوند.
خواص و ويژگيهاي NiTi
در مجموعه ويژگيهاي NiTi خواص منحصر به فردي از جمله حافظهپذيري و سازگاري با محيط بدن به چشم ميخورد كه آن را از ساير مواد متمايز كرده و كاربردهاي خاصي را براي اين تركيب به همراه آورده است. بهطور كلي ميتوان خواص و ويژگيهاي NiTi را به صورت زير بيان كرد:
* سوپر الاستيسيته (حافظه مكانيكي): تغيير شكل الاستيكي محض
* حافظه حرارتي: بازيابي شكل ماده بعد از حرارت ديدن
* پلاستيسيته غيرطبيعي: قابليت خمش بالاي ماده بدون شكست يا خستگي
* سازگاري با محيط بدن: مقاومت در برابر خوردگي بالا و هم زيستي عالي با محيط بدن
* مقاومت سايشي خوب و رفتار تريبولوژي ايدهآل
خواص NiTi بهطور قابل ملاحظهاي با كار مكانيكي و در حين عمليات حرارتي قابل بهبود است. چندين پارامتر براي بهبود اين خواص عمده وجود داردكه مهمترين آنها عبارت است از:
1- تركيب شيميايي
2- ميزان كار سرد
3- پارامترهاي عمليات حرارتي
خواص مكانيكي NiTi به حالت فازي آن در يك دماي معين بستگي دارد. NiTi در دماهاي مختلف ميتواند به صورت مارتنزيتي يا آستنيتي حاضر شود. در هر يك از اين حالتها NiTi رفتار مكانيكي متفاوتي را نشان ميدهد. حتي مقاومت الكتريكي و قابليت جذب صدا نيز با تغيير دما تغيير ميكند.
همچنين با توجه به نمودار تنش-كرنش براي اين آلياژ (شكل 2 ) نمي توان مقدار دقيقي را براي مدول يانگ آن گزارش كرد. در حقيقت چندين مدول يانگ را ميتوان برحسب نمودار تنش-كرنش اين آلياژ به دست آورد. اما نكته مهمتر اين است كه هيچ كدام از اين اعداد كاربرد محاسباتي ندارند (براساس الاستيسيته خطي). علت اين امر اين است كه محدوده تغييرات تنش در نمودار تنش- كرنش بين 1 تا 8 درصد داراي مدول يانگي نزديك به صفر است و بدتر از آن، اينكه اين مقدار در هنگام بارگذاري و عدم بارگذاري متفاوت است. تنها راه براي دستيابي به يك مقدار قابل استناد از اين مشخصه (مدول يانگ) استفاده از روشهاي المان محدود براي انتگرال گيري از يك ويژگي هيستروزين غيرخطي پتانسيل خوردگي است.
رفتار حافظهپذيري تركيب بين فلزي NiTi
معرفي آلياژهاي حافظهدار
آلياژهاي حافظهدار يا SMA1ها موادي هستند كه خصوصيات حافظهپذيري دارند. چنانچه يك آلياژ حافظهدار مقداري تغيير شكل دهد و سپس تا دمايي بالاتر از دماي تغيير شكلش گرم شود، ميتواند به شكل اوليه خود باز گردد. دماي تغيير فرم، دماي تبديل فاز آستنيت به مارتنزيت و بالعكس است. اين دو فاز، داراي خواص كاملا متفاوتي هستند.
اولين گامهاي گزارش شده به سمت كشف اثر حافظهپذيري به سال 1930 بر ميگردد. اولاندر و همكارانش رفتار سوپرالاستيك آلياژ Au-Cd را در سال 1932 كشف كردند. مورادين و گرينگر در سال 1938 ، تشكيل و ناپديد شدن فاز مارتنزيت را با كاهش و افزايش دماي آلياژ Cu- Zn مشاهده كردند. پديده اصلي اثر حافظهپذيري كه با رفتار ترموالاستيك فاز مارتنزيتي كنترل ميشود، بهطور گسترده اي در يك دهه بعد توسط كردجامو در سال 1949، ونيز توسط چانگ و ريد در سال 1951، گزارش شد.
معرفي برخي آلياژهاي حافظهدار
- آلياژهاي تيتانيوم/ نيكل مثل نيتينول (Nitinol ) و تينل (Tinel )
- آلياژهاي آلومينيوم / روي / مس
- آلياژهاي نيكل / آلومينيوم / مس
- آلياژ كادميوم / نقره
- آلياژ كادميوم / طلا
- آلياژ قلع / مس
- آلياژ روي / مس
- آلياژ تيتانيم / اينديم
- آلياژ آلومينيوم / نيكل
- آلياژ آهن / پلاتين
- آلياژ مس / منگنز
- آلياژ آهن / منگنز / سيليسيم
اصول حافظهپذيري تركيب NiTi
علت اصلي رفتار سوپرالاستيك و حافظهدار شدن يك استحاله برگشت پذير حالت جامد (استحاله مارتنزيتي) است. در حاليكه همين دگرگوني براي انواع فولادهاي معمولي غيربرگشت پذير است. بنابراين نيروي محركه تغيير فاز، تحت تبريد نسبت به دماهاي بحراني و نيز نقشهاي مكانيكي به شمار ميروند. رفتار منحصر بهفرد NiTi براساس تغيير شكل فازي وابسته به دماي آستنيت به مارتنزيت در مقياس اتمي است. بر اين اساس حافظهپذيري را تغيير شكل مارتنزيتي ترمو الاستيك نيز مينامند. اين تغيير شكل كه باعث بازيابي شكل ميشود، نتيجه نياز ساختار شبكه كريستالي به تطابق با كمترين حالت انرژي براي دماي داده شده است. در NiTi تشابههاي نسبي بين دو فاز منجر به يك تغيير شكل بسيار منظم ميشود، تا جايي كه تغيير مكان اتمهاي منفرد دقيقا قابل پيشبيني خواهد بود و سرانجام منجر به تغيير شكل در مقياس ماكروسكوپي ميشود.
آلياژ حافظهدار NiTi در دو ساختار كريستالي وابسته به دماي متفاوت ميتواند وجود داشته باشد ، مارتنزيت (در دماهاي پايين تر) و آستنيت (در دماهاي بالاتر يا فاز مادر). بسياري از خواص NiTi مارتنزيت و NiTi آستنيت كاملا با هم فرق دارند. زمانيكه NiTi مارتنزيت حرارت داده ميشود، شروع به تبديل به آستنيت ميكند. دماي آغاز اين پديده، دماي شروع آستنيت (As ) ناميده ميشود. دمايي كه اين پديده كامل ميشود دماي پايان آستنيت (Af ) است. زمانيكه NiTi آستنيت سرد ميشود شروع به تبديل شدن به مارتنزيت ميكند، دماي شروع اين پديده را دماي شروع مارتنزيت (Ms) و دماي تكميل اين پديده را دماي پايان مارتنزيت (Af) مينامند. از نقطه نظر كاربردي، NiTi سه شكل مختلف ميتواند داشته باشد: مارتنزيت، مارتنزيت حاصل از تنش (سوپر الاستيك ) و آستنيت. دماهاي بحراني تغيير فاز به شدت به نوع بارگذاري و كار مكانيكي انتخاب شده وابسته است. شكل3 تغيير حالتهاي متالوژيك NiTi را تحت بارگذاري و تغيير دما نشان ميدهد. شكل4 نيز خاصيت حافظهپذيري را با تغيير دما نشان ميدهد. وقتي كه ماده در شكل مارتنزيت است، نرم و انعطافپذير است و به آساني ميتواند تغيير شكل پيدا كند (چيزي شبيه مفرغ نرم (تركيب سرب و قلع )). NiTi در حالت مارتنزيت يك ماده سوپر الاستيك و بسيار كشسان است (مثل لاستيك) ، در حاليكه NiTi آستنيت كاملا سخت و محكم است (مثل تيتانيم). در واقع NiTi داراي هر دوي اين خواص است و حالت ثابت آنها بستگي به دمايي دارد كه ماده استفاده ميشود.
بايد توجه داشت كه كار سرد رفتار مكانيكيNiTi را ارتقا ميدهد و دماي استحاله را كاهش ميدهد. به عنوان مثال يك ماده كار سرد شده نسبت به ماده اي كه كمتر كار سرد روي آن انجام شده اصطلاحا قدري سردتر است. هر ماده كار سرد شده، براي داشتن سوپرالاستيسيته يا حافظهدار شدن بايد از قبل عمليات حرارتي شود.
برنامه ريزي (حافظهدار كردن) تركيب NiTi
استفاده از خاصيت سوپر الاستيك يا حافظه يك طرفه NiTi براي يك كاربرد ويژه نياز به قالبگيري يك تكه NiTi به شكل مطلوب دارد. سپس يك عمليات حرارتي ويژه انجام ميشود تا نمونه به شكل نهايي خود در آيد. عمليات حرارتي مذكور در مورد هر دو شكل سوپر الاستيك و حافظهدار NiTi مشابه است. پارامترهاي موثر بر عمليات حرارتي ( دما و زمان كافي ) براي هماهنگ كردن شكل و خواص قطعه مورد نياز هستند. اين پارامترها معمولا براي هر قطعه دلخواه بايد بهطور تجربي تعيين شوند. بعضي از انواع سريع سرد كردن مثل كوانچ در آب يا سرد كردن سريع در هوا ترجيح داده ميشوند. دو نوع دستورالعمل (SME يا SIM) جهت آموزش حافظه دو طرفه ميتواند مورد استفاده قرار گيرد. در SME نمونه تا زير Mf سرد ميشود و به شكل دلخواه در آورده ميشود. سپس تا دمايي بالاتر از Af گرم ميشود و اجازه داده ميشود تا شكل آستنيتي خود را به دست آورد. اين روش 30-20 بار تكرار ميشود تا روش كامل شود. اكنون نمونه شكل برنامهريزي شده خود را با سرد كردن زيرMf و هر شكل ديگري را با گرم كردن بالايAf به خود ميگيرد. در SIM ، نمونه درست بالاي دماي Ms خم ميشود تا متغيرهاي مرجع مارتنزيت حاصل از تنش توليد شود و سپس تا دماي زير Mf سرد ميشود. با گرم كردن بعدي تا بالاي دماي Af نمونه شكل آستنيتي اصلي خود را ميگيرد.
نویسندگان: طيبه موسوي، محمد حسن عباسي ، فتح الله كريم زاده
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
توضیحات توسط انجمن علمی مهندسی پزشکی
-
مدول یانگ
(به انگلیسی: Young's modulus) یا مدول الاستیسیته. به نسبت تنش به کرنش مواد جامد در پایینتر از حد الاستیک گفته میشود که در این حالت قانون هوک صادق بوده و مدول الاستیک ثابت است.
-
حد الاستیک
استحکام تسلیم یا تنش تسلیم (به انگلیسی: Yield Stress) به میزان تنشی گفته میشود که باعث آغاز تغییر فرم پلاستیک یا شارش ماده میشود. این میزان تا حد زیادی به دقت و قرارداد اندازهگیری آن وابستهاست.
-
قانون هوک
در مکانیک و فیزیک، قانون هوک تقریبی است از رفتار برخی از مواد که آنها را کشسان خطی (ارتجاعی خطی) مینامیم. در این گونه مواد جابجایی/کرنش متناسب است با نیرو/تنش ایجاد کننده آن. به عبارت دیگر: F=-kX
که:
x: جابجایی فنر فشرده یا کشیده شده از نقطه تعادل آن است.
F: نیروی وارده بر فنر
k: ثابت فنر است که یکای آن نیرو بر واحد طول است (در دستگاه SI نیوتن بر متر)
-
استحاله مارتنزیتی
(به انگلیسی: Martensitic transformation) یا استحاله بدون نفوذ به دستهای از استحالههای فازی برشی گفته میشود که بدون نفوذ اتمی انجام میشوند. کرنش برشی لازم برای تبدیل فاز مادر به فاز مارتنزیت حدود ۰٫۲ است.
مکانیزم
استحاله فازی مارتنزیتی توسط حرکت سطح مشترک جداکنندهی فاز مادر از محصولات انجام میشود. در این حالت اتمهای فاز مادر در نزدیکی مرز فازها بصورت محلی به شکل شبکه بلوری فاز محصول بازآرایی میشوند. نیروی محرک اصلی واکنشهای مارتنزیتی اختلاف در انرژی آزاد فازها است
اهمیت
استحالههای مارتنزیتی در بررسی رفتار فولادهای دارای فاز مارتنزیت و آلیاژهای حافظهدار اهمیت بسیاری دارند.
برگرفته از، دانشنامهٔ آزاد ویکیپدیا