Материалы с памятью. Эффект "памяти" формы

Основой сплавов с памятью формы, применяемых (разрешенных) в медицине, является соединение титана (Ti) и никеля (Ni) - никелид титана (за рубежом он известен под названием нитинол). Никелид титана обладает хорошей прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, практически полной [биологической] инертностью в организме человека (что позволяет широко использовать никелид титана в качестве имплантатов), высокой демпфирующей способностью (поглощение энергии вибрации) и большой величиной эффекта памяти формы - возникновение большого усилия восстановления первоначальной формы при смене температурного режима.

Никелид титана имеет преимущество в сравнении с другими сплавами, так как на его поверхности образуется защитная оксидная пленка, значительно повышающая степень его биологической инертности и коррозионной стойкости. Оксидная пленка (диоксид титана) самопроизвольно формируется в кислородосодержащей атмосфере за несколько минут, достигая толщины от 10 до 100 нм, представляет собой стойкое керамическое соединение, на котором могут отлагаться плазменные белки, органический и минерализованный матрикс кости. Приживаемость никелид-титановых пористых конструкций связана с взаимодействием их с тканями. В опытах на животных показано, что между контактирующей тканью и никелид-титановым имплантатом имеется связь: соединительная ткань прорастает в поры металлоконструкции, постепенно заполняя их и повторяя рельеф, обеспечивая механическую фиксацию на межфазной границе. При увеличении времени пребывания никелида титана в организме наблюдается уплотнение тканевых структур в порах и вокруг имплантата.

Суть эффекта памяти формы сплава титана и никеля сводится к следующему. В [заданном] высокотемпературном состоянии сплав достаточно пластичен, и ему можно придать необходимую геометрическую форму. При охлаждении до определенной температуры (Мд) конструкция становится эластичной и ее можно деформировать без значительных усилий руками до той формы, при которой ее будет удобно устанавливать. При нагревании до заданной температуры - температуры начала (Анв) и конца (Акв) восстановления исходной формы - конструкция стремится восстановить свою исходную форму (и при этом, в рамках медицинского применения, обеспечивает надежную фиксацию и равномерную компрессию костных отломков). Таким образом, эффекта памяти формы заключается в том, что изделие (имплантат), изготовленный из сплава титана и никеля, и охлажденный ниже определенной температуры, может быть легко деформированы; но при нагреве изделия в интервале температур начала и конца восстановления формы (Анв и Акв) эта деформация устраняется и изделие восстанавливает в точности свою первоначальную форму. Следует заметить, что выше температуры Акв материал проявляет сверхупругость: значительные нелинейные деформации изделия, возникающие при нагрузке, полностью устраняются при разгрузке. Сверхупругие свойства изделия из никелида титана во многом подобно таковому биологических тканей. Поэтому из сплавов на основе никелида титана, в отличие от обычных конструкционных сплавов (нержавеющих сталей, титановых и кобальтовых сплавов), можно создавать конструкции, которые будут вести себя «под нагрузкой» аналогично биологическим тканям - костям, связкам и др.

Для успешного применения металлоконструкций из никелида титана они должны обладать строго регламентированными техническими характеристиками: температурными (Мд, Анв, Акв), деформационными, силовыми, а также высокой надежностью. К деформационным характеристикам относятся предельные величины, на которые конструкцию можно растянуть, сжать или изогнуть. Превышение этих величин может привести к неполному восстановлению исходной формы конструкции при нагреве и потере ее работоспособности. Силовые характеристики включают усилия компрессии (дистракции), которые развивает конструкция при нагреве, и жесткость противодействия внешним нагрузкам. Под надежностью таких конструкций, как правило, понимают способность не разрушаться и не изменять свои температурные и силовые характеристики при многократном воздействии на них циклической нагрузки (не менее 50 000 циклов). Из-за сложной зависимости указанных характеристик от точного химического состава сплава и технологии производства изделий долгое время не удавалось обеспечить их требуемый уровень. Это зачастую приводило к трудностям их установки во время операции, а в некоторых случаях и к неблагоприятному ее исходу. Так, несоблюдение температурных характеристик могло привести либо к тому, что конструкция не возвращалась к исходной форме, либо возвращалась очень быстро, и хирург не успевал установить ее должным образом. Кроме того, требовалось применение сильных хладагентов для предварительной деформации конструкции (жидкий азот, хлорэтил и т.п.). Несоблюдение силовых характеристик также грозит либо слишком малой компрессией (дистракцией), либо опасностью разрушения конструкции и костной структуры.

В последние годы металлургия и технология производства изделий из никелида титана значительно изменились. Так, в «МАТИ-Медтех» при Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского разработана оригинальная технология изготовления изделий из сплавов на основе никелида титана. Эта технология использовалась ЗАО «КИМПФ» для производства различных видов имплантатов с саморегулирующейся компрессией для нейрохирургии, травматологии и ортопедии. Для этих изделий характерна высокая точность (± ГС) поддержания температурных характеристик: Мд = 10 °С; Акв = 27 °С; Анв = 35 °С. Силовые характеристики зависят от назначения имплантатов и соблюдаются с точностью до 100 Н.

В связи с тем, что имплантаты из никелида титана могут оказывать заданную компрессию или дистракцию на структуры организма, большое количество исследований посвящено использованию фиксаторов из указанного выше сплава в травматологии, ортопедии и вертебрологии (изобретено более 200 различных конструкций имплантатов из никелида титана для использования в травматологии и вертебрологии). В хирургии позвоночника указанный сплав применяют для лечения (фиксации) переломов тел позвонков. Имплантаты из никелида титана могут быть успешно использованы для различных видов межтелового спондилодеза в хирургическом лечении дегенеративных поражений поясничного отдела позвоночника. Обладая остеоинтегративными свойствами, никелид титана обеспечивает формирование межтелового костно-металлического блока без использования аутокости, что упрощает операцию и уменьшает ее травматичность. Разработаны современные способы восстановления опороспособности позвоночника с использованием сверхэластичных материалов при невозможности применения донорских костных тканей. Способность конструкций из никелида титана оказывать дистракцию нашла применение в лечении кифотической, сколиотической и кифосколиотической деформаций позвоночника. В торакальной хирургии при коррекции воронко-образной деформации грудной клетки используется опорная пластина из никелида титана, предназначенная для фиксации грудинореберного комплекса после торакопластики.

Разработаны методы оперативного лечения повреждений плечевого пояса, остеосинтеза при суставных переломах, переломах трубчатых костей (в т.ч. установлены показания к применению конструкций из пористого никелида титана для оперативного лечения ложных суставов, импрессионных и многооскольчатых переломов, сопровождающихся дефицитомкостной ткани). Разработаны также щадящие методы лечения с помощью миниатюрных имплантатов при повреждениях плюсневых костей и костей кисти. В нейрохирургии никулид титана применяется для замещения послеоперационных дефектов основания и/или свода черепа (у онкологических больных), что позволяет уменьшить продолжительность оперативного вмешательства, сокращает сроки заживления раневой поверхности и позволяет существенно снизить количество осложнений эндопротезирования (не оказывая отрицательного влияния на непосредственные и отдаленные результаты лечения онкологических больных).

Сплав на основе (пористого) никелида титана применяются в челюстно-лицевой хирургии при протезировании зубов, реконструктивных операциях и др. (пористо-проницаемые дентальные имплантаты из сплавов на основе никелида титана дают возможность создавать надежную опору для несъемных ортопедических конструкций). Одним из перспективных направлений применения имплантатов является офтальмохирургия. Никелид-титановые конструкции используется для формирования полноценной культи глазного яблока после энуклеации для достижения удовлетворительного косметического эффекта. Принципиально новым материалом крепления внутриглазных линз являются эластичные элементы из никелида титана. Тонкие имплантаты могут использоваться для дренирования при лечении разных форм глаукомы. Разработка хирургических способов лечения отслоек сетчатки с использованием интраокулярных имплантатов на основе сплава никеля и титана – одно из наиболее перспективных направлений в этой области. Эндопротезы из никелида титана используются при стентировании трахеи, бронхов, пищевода в случае их стеноза различной этиологии, а также как этап в лечении трахеопищеводных свищей. Так, например, у больных местно-распространенным раком гортани восстановление каркаса гортани после ее резекции протезом из никелид-титанового сплава позволяет обеспечить функции дыхания и голосообразования, что улучшает качество жизни пациентов и возможность проведения лого-восстановительных занятий после операции.

Современные тенденции и перспективы применения сверхэластичных никелид-титановых сплавов в оториноларингологии представлены эндопротезированием и реконструктивным протезированием уха, тимпанопластикой и т.д. В клинической практике широко используется комбинированная герниопластика никелид-титановой сеткой. Экспериментальные исследования показали, возможность использования сетчатых имплантатов из никелида титана в условиях местного бактериального обсеменения. Это позволило применять их для пластики брюшной стенки при параколостомических грыжах, грыжах с лигатурными свищами, кишечными свищами. Также в абдоминальной хирургии разработаны способы создания компрессионных анастомозов (сформированных устройствами из никелида титана) при лечении непроходимости желчных протоков, перфоративных язв желудка, резекции желудка и печени, при компрессионной геморроидэктомии и т.д. Разработан компрессионный имплантат из никелида титана, используемый при наложении кишечного анастомоза бок в бок. В практике урологов применяются сфинктерные протезы из никелида титана для укрепление сфинктера мочевого пузыря. В практике акушеров-гинекологов наложение сверхэластичной скобы из никелида титана на яичники животных с экспериментальным поликистозом вызывает усиление процессов роста и появление зрелых фолликулов, уменьшается содержание кистозно-атрезированных фолликулов и несколько снижается интенсивность пролиферативно-склеротических изменений стромы яичников.

Использование самораскрывающихся окклюдеров из нитинола позволяет выполнять малоинвазивную транскатетерную коррекцию дефекта межпредсердной перегородки. Разработаны петельные фиксаторы из никелида титана для накостного остеосинтеза грудины после продольной стернотомии. Фиксаторы имеют 9 типоразмеров, различающихся длиной ножек, что позволяет использовать их у пациентов разного телосложения. Преимуществами этих фиксаторов являются создание оптимального для остеосинтеза усилия компрессии, отсутствие резорбции кости в месте контакта с фиксатором, возможность применения при остеопорозе и простота установки. Одним из наиболее перспективных направлений использования саморасправляющихся из никелида титана является эндоваскулярная хирургия. Стенты изготовляются из цельной трубки-матрицы благодаря сложной лазерной технологии. Впервые в 1986 г. во Франции Jacques Puel и Ulrich Sigwart произвели имплантацию саморасправляющегося стента из нитинола в коронарную артерию. После первой успешной имплантации такие стенты начали применять во многих странах Европы и Америки для устранения острых осложнений ангиопластики, прежде всего внезапной окклюзии сосуда во время вмешательства. Преимуществами нитиноловых стентов являются их ареактивность, легкость, безопасность и точность доставки, высокая гибкость, оптимальная адаптация к форме и физиологическим изгибам артерии при хорошей радиальной устойчивости. Использование сосудистых эндопротезов-стентов - существенно изменило подход к лечению многих заболеваний сердечнососудистой системы. В настоящее время существует более 60 различных конструкций артериальных стентов.

Долгое время неупругую деформацию считали полностью необратимой. В начале 60-х годов XX в. был открыт обширный класс металлических материалов, у которых элементарный акт неупругой деформации осуществляется за счет структурного превращения. Такие материалы обладают обратимостью неупругой деформации. Явление самопроизвольного восстановления формы – эффект памяти формы (ЭПФ) – может наблюдаться как в изотермических условиях, так и при температурных изменениях. При теплосменах такие металлические материалы могут многократно обратимо деформироваться.

Способность к восстановлению деформации не может быть подавлена даже при высоком силовом воздействии. Уровень реактивных напряжений некоторых материалов с ЭПФ может составлять до 1000 – 1300 МПа.

Эффект памяти формы состоит в том, что образец, имеющий определенную форму в аустенитном состоянии при повышенной температуре, деформируют при более низкой температуре мартенситного превращения. После перегрева, сопровождающегося протеканием обратного превращения, исходная характерная форма восстанавливается. ЭПФ проявляется в сплавах, характеризующихся термоупругим мартенситным превращением, когерентностью решеток исходной аустенитной и мартенситной фаз, сравнительно небольшой величиной гистерезиса структурного превращения, а также малыми изменениями объема при превращениях.

В этих условиях при деформации образуются когерентные с исходной структурой двойниковые мартенситные кристаллы, а при отогреве и обратном превращении эти мартенситные кристаллы исчезают и плавно переходят в решетку исходной фазы. Обратимое движение когерентных межфазных границ при обратном превращении приводит к восстановлению первоначальной формы.

Схема влияния температуры на фазовый состав сплавов с обратимыми мартенситными превращениями приведена на рисунке 10.1

Рисунок 10.1

При охлаждении материала из аустенитного состояния мартенсит начинает образовываться при некоторой температуре М н. При дальнейшем охлаждении количество мартенситной фазы увеличивается, и полное превращение аустенита в мартенсит заканчивается при некоторой температуре М к. Ниже этой температуры термодинамически устойчивой остается только мартенситная фаза.

При нагреве превращение мартенсита в аустенит начинается при некоторой температуре А н и полностью заканчивается при температуре А к. При полном термоциклировании получается гистерезисная петля. Ширина гистерезисной петли по температурной шкале А к – М н или А н – М к может быть различной для разных материалов: широкой или узкой (рисунок 10.1, а и б).

Кроме этих температур обычно рассматривают еще три характеристических температуры: Т о – температура термодинамического равновесия; М д – температура, ниже которой мартенсит может возникнуть не только вследствие понижения температуры, но и под действием механического напряжения; А д – температура, выше которой аустенит может появиться не только под действием температуры, но и под действием механических напряжений. Расположение этих температур относительно петли гистерезиса оказывает влияние на поведение материала при термосиловом воздействии. В случае узкого гистерезиса (рисунок 10.1, б) температура Мд может оказаться выше температуры конца аустенитного превращения А к, а при широком гистерезисе – ниже этой температуры (рисунок 10.1, а).

Тогда для материала с узким гистерезисом наведенный механомартенсит, т. е. мартенсит, образованный под действием внешней нагрузки при температуре ниже М д (но выше А к), будет термодинамически неустойчивым и при разгрузке он должен исчезнуть. На рисунке 10.1 превращение аустенит - мартенсит условно обозначено вертикальными стрелками. В таких материалах наблюдается эффект так называемой сверхупругости , очевидно связанный с этими явлениями.

В случае широкого гистерезиса наведенный механомартенсит будет термодинамически устойчивым и сохраняется при разгрузке. Деформации в этом случае исчезнут только после нагрева, т. е. после завершения превращения мартенсита в аустенит.

Из большого числа сплавов с ЭПФ наиболее перспективными для практического применения являются сплавы Ti – Ni эквиатомного состава (примерно 50: 50 % (ат.)), обычно называемые никелидом титана или нитинолом . Реже используют более дешевые сплавы на основе меди Сu – А1 – Ni и Сu – Al – Zn.

Характеристические температуры превращений ряда двойных сплавов Ti – Ni с ЭПФ разного состава приведены в таблице 10.1 и на рисунке 10.2.

Рисунок 10.2

Из таблицы 10.1 следует, что даже малые отклонения состава сплавов Ti – Ni от стехиометрического приводят к значительному изменению характеристических температур, как по величине, так и по знаку.

Таким образом, варьируя соотношение титана и никеля, можно существенно менять температуры фазовых переходов и влиять на ширину гистерезиса фазовой диаграммы. В разных сплавах с ЭПФ интервал температур фазовых переходов может находиться в пределах от 4,2 до 1300 К.

Температуры мартенситных превращений зависят от состава сплава. Легирование никелида титана железом, марганцем, хромом, ванадием, кобальтом приводит к снижению М н и М к вплоть до –196 о С, а введение Zr, Та, Nb – к их повышению (до +100°С). Медь и кремний в довольно широком интервале составов слабо влияют на температуры превращений.

Впервые обратимые изменения размеров кристаллов мартенсита в сплаве Cu–Al–Ni при изменении температуры обнаружили в 1949 году академик Г.В.Курдюмов и профессор Л.Г. Хандрос. В 1980 году было зарегистрировано их открытие ״явления термоупругого равновесия при фазовых превращениях мартенситного типа, заключающееся в образовании упругих кристаллов мартенсита, границы которых при изменении температуры или поля напряжений перемещаются в сторону мартенситной или исходной фазы с обратимым одновременным изменением геометрической формы образующихся областей твердого тела״.

Это явление было обнаружено при разработке сплава для изделий с высокой коррозионной стойкостью в морской воде, с немагнитностью, высокой удельной прочностью и технологичностью. В процессе термообработки сплав обнаружил новое свойство, которое получило название ״эффект памяти формы״. Изделие из такого сплава получало пластическую деформацию, а затем восстанавливало первоначальную форму в результате нагрева (эффект памяти формы) или сразу после снятия нагрузки (сверхупругость).

Физико-механическая сущность данного явления заключается в том, что мартенситное превращение создает напряжения и деформацию внутренних структурных элементов металла с образованием доменов, ориентированных по разным направлениям. Приложение внешней механической нагрузки при температуре мартенситного превращения и деформация изделия, имеющего такую структуру с легко подвижными границами между кристаллическими зернами и доменами, выстраивает все домены в направлении приложенной нагрузки и деформации изделия. После снятия нагрузки и остывания изделия можно создать другую деформацию, которая будет сохраняться. Если затем нагреть изделие до определенной температуры, то произойдет обратная мартенситное превращение и устранение мартенситной деформации. В результате структура будет иметь только начальные механические напряжения, которые возвращают изделия к исходной форме.

К сплавам с обратным мартенситным превращением и памятью формы относятся Ni–Al, Ni–Co, Ni–Ti, Ti–Nb, Fe–Ni, Cu–Al, Cu–Al–Ni, но шире всего применяются сплавы на основе мононикелида титана NiTi – нитинола. Он обладает прочностью до значений σ В =1200МПа, пластичностью до δ=15%, биологической совместимостью, степень восстановления исходной формы изделия достигает 100%. Сплав является коррозионностойким, вибропоглощающим, температурный интервал изменения формы составляет 10..40 0 С в диапазоне температур от –200 0 С до 150 0 С.

Применяются такие сплавы для создания разворачивающихся конструкций (антенн), термодатчиков, прочных герметичных соединений, демпферов, временных и постоянных медицинских имплантатов. Сейчас разрабатываются материалы, где мартенситное превращение изменяет электрические, магнитные, оптические и другие свойства.

Сверхэластичные Ni-Ti сплавы с эффектом памяти формы - в науке, технике и медицине.

Первое сведения о применении сплавов с памятью формы датируется примерно в XV-XIII вв. до н. э: «… Бог спросил, что он держит в руке. Моисей ответил: «Жезл». «Брось его на землю», - сказал Бог, и жезл внезапно превратился в змея, но когда Моисей взял его в руки, он снова стал жезлом…». Это классический пример применения сплава с памятью формы с многообратимой памятью.

Сегодня библейские легенды превращаются в реальность. Современная история сплавов с памятью формы начинается в конце сороковых годов 20 века, когда когда Курдюмов Г.В. и Хандорсон Л.Г. заметили, что исследуемый ими сплав обладает эффектом памяти формы. Позже этот эффект был признан открытием и получил имя Курдюмова. Уникальный эффект памяти формы быстро получил известность по всему миру и к настоящему времени разработано более 120 сплавов, обладающих способностью к самовосстановлению. Это сплавы на основе металлических систем Au-Cd, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Fe-Mn-S, Fe-Ni, Cu-Al, Cu-Mn, Co-Ni,Ni-Ti, Ni-Al и других.

Эффекты памяти формы, обратимой памяти формы и сверхупругости в вышеназванных сплавах обусловлены макроскопическим отражением микро- и наноструктурных трансформаций кристаллической решетки при полиморфном аустенитно-мартенситном фазовом превращении первого рода и потому эти свойства сохраняются практически на всю жизнь существования конкретного изделия. В жизни реализация физических процессов в металле реализуется примерно следующим образом.

Если приложить небольшое механическое усилие, изделию из такого сплава в охлажденном мартенситном состоянии можно придать любую конфигурацию и даже растянуть на 7-8%, в ряде случаев и до 12%, относительной длины, словно резиновый жгут. Эта конфигурация будет сохраняться до тех пор, пока предмет не нагреют до температуры начала аустенитного превращения, и в процессе нагрева до температуры завершения аустенитного превращения сплав не перейдет в аустенитную фазу, полностью восстанавливая прежнюю форму и реализуя при этом эффект памяти формы.

Если ограничить внешнее воздействие на специальным образом обработанный элемент из сплава с памятью формы лишь нагревом и охлаждением в температурном интервале завершенных аустенитно-мартенситных превращений, то элемент станет самопроизвольно изгибаться, как при нагреве, так и при охлаждении, реализуя эффект обратимой памяти формы. При этом, как и оптимально загруженные силовые элементы любых металлических конструкций, этот элемент может иметь форму работающей на растяжение тонкой прямолинейной проволоки, которая способна практически бесконечно самопроизвольно деформироваться при нагреве и охлаждении на 2% относительной длины, генерируя при нагреве в сотни раз большие, чем биметаллические элементы той же массы усилия.

Эффект сверхупругости реализуется в изделии из сплава с памятью формы, находящемся в температурной зоне стабильного аустенитного состояния. Если при этом деформировать изделии из сплава с памятью формы, стимулируя тем самым мартенситное превращение при постоянной температуре путем принудительного силового воздействия, то после устранения этого воздействия элемент, словно пружина, полностью вернет себе исходную форму. С той лишь разницей, что в отличие от лучших пружин он будет иметь практически неисчерпаемый ресурс, и, имея форму прямолинейной струны, может быть сверхупруго деформирован на 7-8% относительной длины, запасая в десятки раз большую, чем традиционная пружина энергию.

Эффект памяти формы в сплавах, например, на основе Ni-Ti настолько четко выражен, что диапазон температур можно с больщой точностью регулировать от нескольких до десятков градусов, вводя в сплав различные дополнительные легирующие элементы. Кроме того, сплавы на основе Ni-Ti , получившие принятое название во всем мире название нитинол, достаточно технологичны в обработке, устойчивы к коррозии и обладают отличными физико-механическими характеристиками: например, предел прочности нитинола колеблется в пределах 770- 1100МПа, что соответствует аналогичным характеристикам большинства сталей, а демпфирующая способность выше чем у чугуна, высокая пластичность и способность вспоминать форму до миллиона раз. Поверхность нитиноловых элементов, как и у элементов из многих титановых сплавов, покрыта диоксидом титана, что предопределяет их высочайшую коррозионную стойкость к воздействию морской воды, рассолов, большинства кислот и щелочей. Полуфабрикаты из нитинола выпускаются в виде прутков, проволоки, труб и листов
(Рис.1) Единственным недостатком нитнола является его весьма высокая стоимость производства полуфабрикатов, связанная с очень высокой окисляемостью титана, входящего в его состав.

Уникальное сочетание физико-механических свойств позволило использовать сплавы с памятью формы практически во всех областях, где могут использоваться металлические материалы,в том числе, в медицине, космосе, добывающей промышленности, производстве всевозможных температурных датчиков и приводов, робототехнике при создании тепломеханических устройств и отработке уникальных технологий и т.п.

Медицина:

- Перчатки, применяемые в процессе реабилитации, и предназначенные для реактивации групп активных мышц с функциональной недостаточностью (межзапястные, локтевые, плечевые, голеностопные и коленные суставы).

- Противозачаточные спиральки, которые после введения приобретают функциональную форму под воздействием температуры тела.

- Фильтры для введения в сосуды кровеносной системы. Вводятся в виде прямой проволоки с помощью катетера, после чего приобретают форму фильтров, имеющих заданную локацию.

- Зажимы для защемления слабых вен.

- Искусственные мышцы, которые приводятся в действие электрическим током.

- Крепежные штифты и динамические фиксаторы, предназначенные для фиксации протезов на костях (Рис.2).

- Искусственное удлинительное приспособление для так называемых растущих протезов у детей.

- Замещение хрящей головки бедренной кости. Заменяющий материал становится самозажимным под действием сферической формы (головки бедренной кости).

- Стержни для коррекции позвоночника при сколиозе.

- Временные зажимные фиксирующие элементы при имплантации искусственного хрусталика.

- Оправа для очков (нижняя часть). Вследствие эффекта сверхупругоси стеклянные и пластиковые линзы не выскальзывают при охлаждении. Оправа не растягивается при протирке линз и длительном использовании.

- Ортопедические имплантаты.

- Проволока для исправления зубного ряда.

- Нити для наложения хирургических швов.

- Пористые конструкции из нитинола для замещений дефектов костей и лечения инфицированных ран.

- Сетки для грыжеотсечения у людей и животных.

- Новый класс композиционных материалов «биокерамика-никелид титана» для ортопедической стоматологии (брикеты). В таких композитах одна составляющая (никелид титана) обладает сверхэластичностью и памятью формы, а другая сохраняет свойства биокерамики, в результате чего деформация является обратимой.

Тепловые датчики и сигнализация:

- Пожарная сигнализация (Рис.3), противопожарные заслонки.

- Сигнальные устройства для ванн.

- Сетевой предохранитель (защита электрических цепей).

- Устройство автоматического открывания-закрывания окон в теплицах.

- Бойлерные баки тепловой регенерации.

- Электронный контактор.

- Система для предотвращения выхлопа газов, содержащих пары топлива (в автомобилях).

- Устройство для удаления тепла из радиатора.

- Устройство для включения противотуманных фар.

- Регулятор температуры в инкубаторе.

- Регулирующие клапаны охлаждающих и нагревательных устройств, тепловых машин. Чувствительный клапан комнатного кондиционера (регулирует направление ветра в продувочном отверстии кондиционера).

- Кофеварка. Определение температуры кипения, а также для включения-выключения клапанов и переключателей.

- Электро-магнитный кухонный комбайн. Нагрев производится вихревыми токами, возникающими на дне кастрюли под действием магнитных силовых полей. О нагреве предупреждает сигнал, обусловленный действием термоэлемента из никелида титана.

- Герметизация корпусов микросхем.

- Электронная кухонная плита конвекционного типа. Используется датчик из никелида титана для переключения вентиляции при микроволновом нагреве и нагреве циркуляционным горячим воздухом.

- Изготовление разнообразного зажимного инструмента.

Космос:

- Антенны спутников Земли.

- Соединительные муфты, образующие вакуум-плотные соединения, для работы в открытом космосе. Соединительные муфты используются также в авиационной и автомобильной технике.

Робототехника. Создание роботов с плечевой опорой, локтевым шарниром, запястьем и захватом, имеющих пять степеней свободы. Сгибание запястья, сжимание и разжимание захвата обеспечиваются спиралями из сплава Ti - Ni, а действие шарнира и плечевой опоры - удлинением или сокращением проволоки из того же сплава. Положение руки и скорость действия регулируются прямым пропусканием тока с модулированной ширин ой импульса. Плавность действия робота обусловлена тем, что заданная величина усилия (силы восстановления памяти формы) соответствует величине регулируемого параметра (току). Действия робота приближаются к действию мускульного механизма.

Добывающая промышленность. Изготовление полностью автоматизированной интеллектуальной скважинной системы. На существующихпроизводственных мощностях осваивается выпуск высокотехнологичных и высокопроизводительных внутрискважинных устройств на основе конструкций из нитиноловых наноструктурных устройств и пленок, надежных в экстремальных условиях перепадов давлений и температур, компактных, простых в изготовлении и эксплуатации. Использование данных интеллектуальных скважин сделает рентабельным освоение новых труднодоступных месторождений со сложной геологией, возрождение нефтедобычи на законсервированных скважинах, что в итоге обеспечит снижение эксплуатационных затрат нефтяных компаний, расширение их ресурсной базы и повышение бюджетных доходов.

Другие применения. Нитинол используется в приводных устройствах самописцев. Входной сигнал самописца преобразуется в электрический ток, которым нагревается проволока из нитинола. За счет удлинения и сокращения проволоки приводится в движение перо самописца. Так как механизм привода очень прост, поломки случаются крайне редко.

Свойство сверхупругости сплавов с памятью формы используется для создания высокоэффективных пружин и аккумуляторов механической энергии, для создания сверхупругих сферических сегментов, срабатывающих при заданных температурах, антеннах для приемопередающей аппаратуры (Рис.4).

Первое массовое применение проволоки из нитинола было осуществлено в текстильной промышленности (каркасы для бюстгальтеров). К 1986 году таких изделий было произведено более 1,5 млн. штук.

Удивительный, высокотехнологичный, простой в изготовлении и использовании материал с памятью формы постепенно занимает все большее место в нашей жизни. Диапазон применения этих материалов увеличивается изо дня в день и сулит еще много интересного и важного. И можно с уверенностью сказать, что это материал будущего.

Для изготовления всех перечисленных выше устройств, да и не только их, используются прутки, трубки, проволока, листы из нитинола, успешно производимые ООО «НиТиМет Компани» (www.сайт), единственным на сегодняшний день производителем нитинола в Российской Федерации.

1. Ветхий Завет. Казни египетские. Жезл Моисея и жезл гнева Божия (Кн. Исход, гл. 4–11)

2. Лихачев В.А. и др. Эффект памяти формы. Л., Издательство ЛГУ.1987. 216 с.

3. Тихонов А.С. и др. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. М., Машиностроение. 1981. 81 с.

4. Хачин В.Н. Память формы. М., Знание.1984. 62 с.

5. Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. Сплавы с эффектом памяти формы: Пер. с яп. / Под ред. Х. Фунакубо. М., Металлургия. 1990. 224 с.

6. Шишкин С.В., Махутов Н.А. Расчет и проектирование силовых конструкций на сплавах с эффектом памяти формы. Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика». 2007. 412 с.

7. Сплавы с памятью формы в медицине. / В.Э. Гюнтер, В.В. Котенко, М.З. Миргазизов, В.К. Поленичкин, И.А. Витюгов, В.И. Итин, Р.В. Зиганьшин, Ф.Т. Темерханов. Томск: Изд-во Томского университета. 1986. 208 с.

8. Сверхэлластичные сплавы с эффектом памяти формы в науке, технике и медицине. Справочно-библиографические издание./ С.А Муслов, В.А. Андреев, А.Б. Бондарев, П.Ю. Сухочев. М., Издательский дом «Фолиум». 2010. 456 с.

9. Вебсайт ООО «НиТиМет Компани». [Электронный ресурс] NiTiMET COMPANY. URL: http://www..php (дата обращения: 12.02.2013).

Сплавы с памятью формы [Электронный ресурс]// Векипедия. 2013. URL: http://ru.wikipedia.org/ (дата обращения: 12.02.2013).

Эффект памяти или память формы – способность изделия при нагревании восстанавливатьпервоначальную форму, измененную вследствие пластической деформации. Наиболее известным сплавом с эффектом памяти является нитинол.

Восстановление формы обуславливается мартенситным превращением или обратимым двойникованием в структуре металлического материала.

В случае эффекта памяти, возникающего по механизму мартенситного превращения, при нагреве сплава возникают напряжения предварительно деформированной решетки стали. Восстановление прежней формы осуществляется только в случае когерентности деформированной кристаллической решетки материала и мартенситной фазы, образующейся при нагреве. У когерентных кристаллических решеток на границе раздела фаз количество ячеек основной и образующейся фаз сплава одинаково (только направления атомных плоскостей кристаллических решеток немного отличаются). В частично когерентных решетках нарушается регулярность чередования атомных плоскостей, на границе раздела фаз возникает так называемая краевая дислокация. В некогерентных кристаллических решетках направления атомных плоскостей сильно отличаются. Рост кристаллов мартенсита происходит только до некогерентных межфазных границ.

Мартенситная фаза в стали образуется, если свободная энергия системы А ≠ 0. В случае равенства энергии упругой деформации кристаллической решетки стали и энергии образования в ней мартенситной фазы, то А=0 и рост кристаллов мартенсита заканчивается. Такое равновесие зависит от температуры и называется термоупругим.

Восстановление формы по второму механизму связано с образованием двойников в кристаллической решетке металлических материалов при механической нагрузке и их исчезновении при нагреве. Когда стальной образец, находящийся в мартенситном состоянии, деформируют, то происходит передвойникование или переориентация кристаллов мартенсита. Это обуславливает изменение формы образца. При нагревании восстанавливается структура и ориентация кристаллов исходной фазы, что приводит к восстановлению формы изделия. Превышение критического уровня деформации приводит к образованию необратимых двойников, исчезновение которых возможно только при рекристаллизации.

Полное восстановление формы наблюдается для сплавов с термоупругим мартенситом: Cu - Al -(Fe , Ni , Co , Mn ), Ni - Al , Ti - Ni , Ti - Au , Ti - Pd , Ti - Pt , Au - Cd , Ag - Cd , Cu - Zn - Al .

Именно к таким сплавам относится нитинол Ti - Ni . Температурный диапазон эффекта памяти в нитиноле 550-600 0 С. Основные свойства нитинола:

Модуль упругости Е=66,7…72,6 МПа;

Предел прочности σ =735…970 МПа;

Относительное удлинение l =2…27%;

Удельное электрическое сопротивление ρ=65…76 мкОм × см;

Температура плавления Тпл=1250…1310 0 С;

Плотность d =6440 кг/м 3 .

Сплавы с эффектом памяти применяются для трубчатых неразъемных соединений, исключающих необходимость сварки и пайки, в шайбах для электрических контактных соединений , обеспечивающих постоянное давление и, соответственно, сопротивление контакта, самораскрывающихся антеннах космических кораблей и др.