Изучение свойств нанокристалического сплава нитинол

3. Введение
Нитинол или никелид титана - интерметаллид (химическое соединение металлов с
фиксированным соотношением между компонентами), NiTi. Название «нитинол»
происходит от аббревиатуры NiTiNOL; NOL — это сокращенное название Лаборатории
морской артиллерии США, где этот материал был разработан в 1962 году.
Нитинол относится к т.н. «умным» материалам. «Умные» или «интеллектуальные»
материалы (smart materials) должны эффективно и самостоятельно действовать в
непредвиденных обстоятельствах или при смене режима работы устройства:
изменении температуры, химического состава среды, облучении и пр. Техника ХХ1
века, от космической до медицинской, будет связана с разработкой функциональных и
«умных» наноматериалов. «Умные» наноматериалы обшивки самолетов и ракет уже
становятся самозалечиваемыми. «Умные» имплантаты в организме человека будут
автономно реагировать на свое состояние и при необходимости выделять нужные
лекарства. «Умный» костюм космонавта, солдата, спасателя будет оптимально
реагировать на механическую, химическую, радиационную опасность прежде, чем сам
человек сумеет ее проанализировать.

4. В нитиноле проявляется эффект памяти формы - физическое явление, при котором
пластически деформированный металл восстанавливает свою первоначальную
форму, обычно при нагреве. Иногда при двух разных температурах металл
«вспоминает» две разные формы.
Если взять обычную металлическую проволоку и пластически ее изогнуть, то
вернуть проволоке ее первоначальную форму можно, только деформируя ее в
обратном направлении. Что происходит с проволокой (изделием) из металла,
который обладает эффектом памяти формы?
Начальная форма задается проволоке или изделию во время изготовления при
высокой температуре. Затем металл охлаждается, при этом изменяется его
внутренняя структура (кристаллическая решетка). В охлажденном состоянии
проволока или изделие легко пластически деформируются, принимая новую форму.
Однако если их нагреть, то их внутренняя структура изменится, и они “вспомнят”
свою первоначальную форму. При этом вся пластическая деформация исчезнет, и
образец может совершить достаточную механическую работу, например, поднять
груз или привести в действие выходное звено механического устройства.

6. Кроме нитинола известно еще примерно 20 сплавов с памятью формы, прежде всего
следует упомянуть Cu Zn Al.
По применению и по изученности нитинол (никелид титана) является лидером
среди материалов с памятью формы.
Никелид титана обладает:
1. Превосходной коррозионной стойкостью.
2. Высокой прочностью.
3. Хорошими характеристиками формозапоминания: высоким коэффициентом
восстановления формы и высокой восстанавливающей силой. Деформация до
8 % может полностью восстанавливаться. Напряжение восстановления при этом
может достигать 800 МПа.
4. Хорошей совместимостью с живыми организмами.
Недостатки:
1. Из-за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород. Чтобы
предотвратить реакции с этими элементами при производстве надо использовать
вакуумное оборудование.
2. Затруднена обработка при изготовлении деталей, особенно резанием (0боротная
сторона высокой прочности).
3. Высокая цена. В конце XX века нитинол стоил чуть дешевле серебра.

7. Примеры применения никелида титана - соединительные
втулки для соединения труб в авиационной, космической и
автомобильной технике, для соединения и ремонта труб
подводных кабелей. Вакуумноплотные втулки из нитинола
выдерживают давление до 80 атмосфер. В современном
самолете их несколько сот и ни разу они не были причиной
аварии. Инертность титана к живым тканям определяет
применимость нитинола в бытовой и медицинской технике.
Для проектирования устройств из нитинола необходимо знать
параметры сплава с эффектом памяти формы, в первую
очередь температуру «возвращения памяти», коэффициент
восстановления формы и восстанавливающую силу.
В нитиноле с однородной нанокристаллической структурой
основные функциональные свойства (максимальная
полностью обратимая деформация, возникающая при этом
восстанавливающая сила) значительно выше.

8. Цель работы:
Сопоставление эффекта запоминания формы для нитинола с обычной структурой и
нитинола с нанокристаллической структурой на примере медицинских клипс
Медицинские клипсы применяются для зажима кровеносных сосудов во время
операции. При этом важно, чтобы время на разведение створок клипсы и на ее
защелкивание было минимальным. Медицинская клипса «Клест» из
наноструктурированного нитинола защелкивается автоматически при
температуре человеческого тела и остается слегка разведенной при нулевой
температуре. Это является ее преимуществом по сравнению с клипсой из
обычного нитинола.

9. Схема работы медицинской клипсы «Клёст»:
1) принудительное разведение створок клипсы в интервале температур 0 - +10°С и
прокалывание ткани;
2) клипирование кровеносного сосуда Т > 37°С; 3) частичное размыкание створок
клипсы в интервале температур + 20 - +25°С

10. Оборудование и материалы:
1.клипсы №1 из нитинола с обычной структурой -2 штуки,
2. клипсы №2 из нитинола с нанокристаллической структурой - 2 штуки,
3. кювета с водой со льдом,
4. тонкие трубочки (какие),
5. пинцет.

11. Порядок выполнения работы:
1. Взять 2 клипсы: обычную (№1) и наноструктурную (№2).
2. Поместить клипсы целиком в воду со льдом.
3. На обе створки клипсы надеть тонкие трубочки и развести их примерно на угол
45°. Петля клипсы остается в холодной воде,
ни в коем случае
не разводить клипсы на воздухе!

12. 4. Трубочки снять. Разведенные клипсы можно оставить в воде со льдом.
Затем пинцетом
(руками нельзя, тепло!)
положить клипсы на стол. Обычная клипса начнет закрываться на воздухе,
вторая (наноструктурная) остается открытой.
5. Пинцетом положить вторую (наноструктурную) клипсу на ладонь. Под действием
тепла тела она начнет закрываться. Если рука холодная, подышать на клипсу.
Она закроется.
6. Положить обе клипсы на лед. Обычная останется закрытой. Наноструктурная
немного разойдется. (Это свойство наноструктурной клипсы позволяет быстро
удалить ее в конце операции.)

13. Выводы:
1. Восстановление формы нитиноловой клипсы с обычной структурой
происходит при комнатной температуре, т.е. примерно при 200 С; для клипсы
из наноструктурированного нитинола температура восстановления формы
примерно равна температуре человеческого тела.
2. Медицинские клипсы из нитинола с наноструктурой удобнее для
хирургической практики, когда многое решает время каждого этапа операции.