Vật liệu Nitinol

Vật liệu Nitinol

Nititol là hợp kim của Niken và Titan với đặc tính độc đáo siêu đàn hồi, giả đàn hồi và trở lại hình dạng cũ. Nititol có khả năng nhớ được hình dạng ban đầu và trở lại hình dạng này khi bị nung nóng. 

Lịch sử ra đời

Tên gọi Nitinol xuất phát từ nơi vật liệu này được phát minh, Nickel Titanium-Naval Ordnance Laboratory (Phòng Thí nghiệm Vũ khí Hải quân). William J. Buehler cùng với Frederick Wang đã phát hiện ra các đặc tính vật liệu trong quá trình nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Vũ khí Hải quân năm 1959. Buehler cố gắng tạo vật liệu cho mũi tên lửa tốt hơn, chống mỏi, chống va đập và chịu nhiệt. Nhận thấy hợp kim titan và niken vói tỷ lệ 1:1 đáp ứng được yêu cầu trên, ông đã trình bày mẫu vật liệu trong cuộc họp phòng thí nghiệm năm 1961. Miếng mẫu được uốn cong như đàn accordion, mọi người đi vòng quang thăm quan. Một người dùng bật lửa hơ vào mẫu, và trước sự ngạc nhiên của mọi người, miếng mẫu hình đàn accordion co lại và trở lại hình dạng cũ trước đó.

Tiềm năng của nitonl được nhận ra ngay lập tức nhưng ứng dụng thương mại chỉ được thực hiện 1 thập kỷ sau đó. Lí do sự chậm chễ này do vật liệu rất khó nóng chảy, xử lý và gia công. Ngay cả khi đã xử lý được thì chi phí xử lý cũng khá lớn chỉ giảm dần sau năm 1980. 

Tính chất cơ học

Hình ảnh 3D cấu trúc trạng hái  austenite và martensite của Nitinol.

Đặc tính độc đáo của Nitinol bắt nguồn từ sự chuyển đổi pha trạng thái rắn đảo ngược gọi là chuyển biến martensite, giứa hai tinh thế chuyển biến martensite khác nhau, dưới ứng suất cơ học 10,000–20,000 psi (69–138 MPa). Ở nhiệt độ cao, nitinol giả định cấu trúc lập phương đơn giản gọi là austenite (hay còn gọi là pha mẹ). Ở nhiệt độ thấp, nitinol tự phát chuyển sang cấu trúc tinh thể đơn tà phức tạp hơn gọi là martensite (pha con). Có 4 điểm nhiệt độ chuyển trạng thái trong quá trình từ austenite sang martensite và từ martensite sang austenite. Bắt đầu ở trạng thái austenite, hợp kim martensite được hình thành khi được làm nguội đến nhiệt độ bắt đầu quá trình martensite gọi là Ms, sau đó quá trình hình thành martensite  hoàn toàn tại nhiệt độ Mf. Khi hợp kim ở trạng thái martensite, austenite bắt đầu hình thành tại nhiệt độ bắt đầu austenite gọi là As và kết thúc ở nhiệt độ Af.

 

Biểu đồ nhiệt quá trình chuyển pha Nitinol.

Giữa chu trình làm nguội và nung nóng có sự trễ nhiệt. Chiều rộng của quá trình trễ này phụ thuộc vào thành phần Nitinol và quá trình xử lý. Giá trị điển hình của khoảng nhiệt độ trễ này là khoảng từ 20 - 50 độ C nhưng có thể giảm hoặc tăng dùng hợp kim và quá trình xử lý.

Cấu trúc tinh thể Martensite có đặc tính độc đáo là chịu biến dạng mà không làm phá vỡ liên kết nguyên tử. Kiểu biến dạng này gọi là sinh đôi, bao gồm việc sắp xếp lại mặt nguyên tử mà không gây trượt, biến dạng vĩnh viễn. Khi nung nóng martensite để trở thành austenite, cấu trúc ban đầu austenitic được khôi phục, bất kể vật liệu tại pha martensite có bị biến dạng hay không. Với cấu trúc này Martensite có thể biến dạng đàn hồi 6-8%. Thuật ngữ "nhớ hình dạng" ám chỉ hình dạng tại pha austenite nhiệt độ cao được nhớ lại, ngay cả khi hợp kim bị biến dạng nghiêm trọng tại pha nhiệt độ thấp hơn. Quá trình làm lạnh pha austenite thành pha martensite, làm biến dạng pha martensite, sau đó nung nóng thành pha austenite, trở lại hình dạng ban đầu không bị biến dạng gọi là hiệu ứng nhớ hình dạng nhiệt. Để trở về hình dạng ban đầu ở pha cha, hợp kim phải được cố định vị trí và nung nóng ở 500 độ C.

Quy trình sản xuất

Nitinol cực kỳ khó sản xuất do yêu cầu kiểm soát thành phần chặt chẽ và khả năng phản ứng cực lớn của titan. Cách cướp nguyên tử titan kết hợp với oxy hoặc các bon từ mạng NiTi sẽ làm cho nhiệt độ chuyển biến thấp hơn nhiều. Có hai cách chế tạo chủ yếu:

Nấu chảy lại hồ quang chân không (Vacuum arc remelting - VAR)

Phương pháp này thực hiện bằng dòng điện hồ quang giữa nguyên liệu thô và tấm đồng làm mát bằng nước. Quá trình nấu chảy thực hiện trong môi trường chân không cao, và khuôn đúc chính là tấm đông làm mát bằng nước.

Nấu chảy bằng từ tường chân không (Vacuum induction melting - VIM)

Phương pháp này thực hiện bằng dòng từ trường xoay chiều nung nóng nguyên liệu thô trong nồi nấu kim loại (thường là bằng các bon). Quá trình này cũng thực hiện trong môi trường chân không.

Mặc dù cả hai phương pháp này đều có ưu điểm riêng nhưng thực tế phương pháp công nghiệp VIM có lượng tạp chất thấp hơn phương pháp công nghiệp VAR, dẫn đến sức bền mỏi tốt hơn. Các phương pháp khác sử dụng ở quy mô nhỏ bao gồm: nấu chảy hồ quang plasma, nấu chảy nồi từ , nấu chảy e-beam.

Gia công nóng nitinol rất dễ dàng, nhưng gia công nguội rất khó bởi tính đàn hồi rất lớn hợp kim làm tăng lực tiếp xúc với khuôn hoặc cuộn cán, dẫn đến lực ma sát và mài mòn dụng cụ rất lớn. Cũng lí do như vậy việc gia công khó do độ dẫn nhiệt của nitinol thấp, dẫn đến rất khó loại bỏ nhiệt. Nitinol gia công dễ dàng bằng các phương pháp như mài mòn (cắt mài mòn), gia công tia lửa điện ( Electrical discharge machining - EDM), cắt laser.

Xử lý nhiệt nitinol rất tinh vi và quan trọng. Đây là quá trình chuyên sâu về kiến thức tinh chỉnh nhiệt độ. Việc kiểm soát thời gian và nhiệt độ hóa già của quá trình ngưng tụ pha giàu Ni, và do đó kiểm soát hàm lượng Niken trong mạng NiTi, hóa già làm tăng nhiệt độ chuyển biến. Việc kết hợp xử lý nhiệt và làm lạnh là yếu tố thiết yếu kiểm soát tính chất nitinol.

Thông số kỹ thuật

Tính chất chuyển trạng thái

Nhiệt độ chuyển trạng thái   từ -200 đến 110 độ C
Nhiệt ẩn chứa chuyển hóa (Latent heat of transformation)     5.78 cal/g
Biến dạng chuyển trạng thái (đối với vật liệu đa tinh thể) cho 1 chu kỳ tối đa 8%
cho 100 chu kỳ  6%
cho 100,000 chu kỳ  4%
Độ trễ ( Hysteresis)   từ 30 đến 50 độ C

Tính chất vật lý

Điểm nóng chảy   1300 độ  C
tỷ trọng   6.45 g/cu.cm
Độ dẫn nhiệt austenite 0.18 W/cm * deg. C
martensite 0.086 W/cm * deg. C
Hệ số giãn nở nhiệt austenite 11.0E-6/deg. C
martensite 6.6E-6/deg. C
Nhiệt lượng riêng   0.20 cal/g * deg. C
khả năng chống ăn mòn   tuyệt vời

 Tính chất điện và từ

Điện trở suất ( [resistance = resistivity *
length / cross-sectional area]
austenite xấp xỉ 100 micro-ohms * cm
martensite xấp xỉ 80 micro-ohms * cm
Độ từ tính   <1.002
Độ nhạy từ   3.0E6 emu/g

 Tính chất cơ học

Mô đun ứng suất (Young's modulus) austenite xấp xỉ 83 GPa
martensite xấp xỉ 28 đến 41 GPa 
Giới hạn chảy (Yield strength) austenite  195 đến 690 MPa 
 martensite 70 đến 140 MPa 
Giới hạn bền kéo (Ultimate tensile strength) ủ toàn phần (fully annealed) 895 MPa
làm cứng nguội (work hardened) 1900 MPa
hệ số Poisson 0.33
độ dãn dài thử kéo đứt ( Elongation at failure) ủ toàn phần (fully annealed) 25 đến 50%
  làm cứng nguội (work hardened)  5 đến 10%
Tính công tác tại nhiệt độ nóng   khá tốt
Tính công tác tại nhiệt độ lạnh   khó
gia công   khó, ưu tiên dùng cách mài mòn

Ứng dụng

Nitinol thường sử dụng cho 4 loại ứng dụng chính

Khôi phục hình dạng

Vật liệu bị làm biến dạng ở nhiệt độ thấp sau đó khôi phục lại hình dạng khi nung nóng nhờ hiệu ứng nhớ hình dạng.

Khôi phục hình dạng hạn chế

Việc khôi phục lại giống như khôi phục hình dạng hoàn toàn nhưng bị ngăn chặn một phần để tạo ra lực căng.

Phục hồi sửa chữa

Vật liệu được làm bé lại ở nhiệt độ thấp đưa vào trong thiết bị, mạch máu ... sau đó nung nóng để trở về hình dạng cũ, dùng gia cố sửa chữa lại mạch máu, thiết bị ... dưới tác dụng lực ép.

Siêu dẻo

Nitinol hoạt động như siêu lò xo qua hiệu ứng siêu dẻo.

Do tính siêu dảo, nitinol có hiệu ứng nhiệt đàn hồi (elastocaloric), có nghĩa là vật liệu nóng lên / lạnh đi dưới tác dụng của lực ứng suất. Khi tác dụng lực kéo lên dây Nitinol, dòng chất lỏng chảy trong dây sẽ nóng lên và chảy đến bộ tỏa nhiệt nóng (HHEX - Hot Heat Exchanger). Liên tục như vậy nhiệt toát ra sẽ dùng để sởi ấm xung quanh. Theo chiều ngược lại khi bỏ lực kéo, dòng chất lỏng chảy trong dây Nitinol sẽ lạnh đi và chảy đến bộ làm mát ( CHEX -Cold Heat Exchanger), dùng để làm mát môi trường xung quanh. Đây là loại vật liệu hứa hẹn nhất trong tương lai.

Trong lĩnh vực robotic, Nitinol thực hiện như một bộ thực thi chuyển động khi có dòng điện hoặc nhiệt độ tác dụng lên sợi Nitinol, sợi dây co lại khi có có điện và dãn ra khi không có điện. Không giống như các kim loại khác, Nitinol co lại dưới tác dụng nhiệt theo chiều dài nhưng giữ nguyên thể tích, và chuyển động nhiệt lớn hơn 100 lần so với các kim loại khác.

Trong y tế

Vít cấy ghép xương (bone staple) dùng Nitinol là ví dụ điển hình về việc áp dụng sự co lại vì nhiệt của vật liệu. Vít được kéo căng ra luồn vào 2 lỗ trên đoạn xương chuẩn bị nối lại, sau đó nung nóng để vít co lại và cố định xương. Kỹ thuật này rất hiệu quả trong việc cố định và điều trị bệnh về xương.

Dùng trong nha khoa đặc biệt là chỉnh nha dùng làm dây và giá đỡ gắn với răng. Niềng răng Sure Smile là ví dụ của vật liệu này trong chỉnh nha.

Ống sten nititol. Ống Nitinol được ép nhỏ lại đưa vào trong mạch máu, sau đó dưới tác dụng của dòng điện ống sẽ to ra chống đỡ bảo vệ cho đoạn mạch bị tổn thương.

Nội nha (Endodontics) dùng làm sạch và tạo hình ống tủy.

Trong phẫu thuật đại trực tràng, nó được sử dụng trong các thiết bị khác nhau cho mục đích kết nối lại ruột sau khi bệnh lý được loại bỏ.

 

Cấy ghép và chỉnh hình.

Dây Nititol dùng để đánh dấu và định vị khối u vú.

Ống cho các ứng dụng y tế.


In bài này   Gửi Email bài này