فرادرسآلیاژ هوشمند نیتینول — از صفر تا صد
نیکل تیتانیوم که به نام نیتینول یا نایتینول نیز شناخته می‌شود، آلیاژ فلزی نیکل و تیتانیوم است که در آن، این دو عنصر با درصدهای تقریبا برابری در این آلیاژ وجود دارند. بسته به ترکیب درصد نیکل، آلیاژهای دیگری همچون نیتینول 55 و نیتینول 60 وجود دارند. این آلیاژ، از نوع آلیاژهای هوشمند یا حافظه‌دار به شمار می‌آید. در حقیقت، «اثر حافظه» (Memory Effect) و «شبه الاستیسیته» (Pseudoelasticity)، دو ویژگی منحصر به فرد این نوع از آلیاژها به شمار می‌آید. اثر حافظه را می‌توان به این صورت تعریف کرد که اگر در دمایی خاص، تغییر شکلی بر اثر اعمال نیرو صورت بگیرد، با حذف نیرو، این تغییر شکل، بدون تغییر باقی می‌ماند. اگر در دمایی بالاتر از دمای تغییر شکل، این نیرو حذف شود، به شکل قبلی خود بازمی‌گردد.
شبه‌الاستیسیته یا سوپرالاستیسیته به قابلیتی در یک فلز گفته می‌شود که بعد از حذف نیروی اعمال شده و تغییر شکل، به سرعت به شکل قبلی خود تبدیل شود. نیتینول به طور معمول می‌تواند بین 10-30 بار تغییر شکل دهد و به طور مجدد به شکل قبلی خود برگردد. اینکه نیتینول، رفتاری به صورت سوپرالاستیسیته یا به شکل اثر حافظه داشته باشد، به دمای تغییر شکل (دمای تبدیل) وابسته است. پایین‌تر از «دمای تبدیل» (Transformation Temperature)، اثر حافظه و بالاتر از آن، سوپرالاستیسیته خواهیم داشت.
تاریخچه نیتینول
واژه نیتینول از ترکیبات و مکان کشف این آلیاژ بدست آمده است. «ویلیام بولر» (William Buehler) در کنار «فردریک ونگ» (Fredrick Wang) این خواص را به هنگام تحقیق در «آزمایشگاه سلاح‌های دریایی» (Naval Ordnance Laboratory) در سال 1959 کشف کردند. بولر در تلاش برای ساخت دماغه بهتری برای موشک‌ها بود که در برابر حرارت و نیروی ضربه مقاوم باشد. او متوجه شد که نسبت 1 به ۱ از نیکل و تیتانیوم این کار را انجام می‌دهد. در سال 1961، او نمونه‌ای را در جلسه مدیران آزمایشگاه ارائه داد. در این جلسه، نمونه را همچون یک آکاردئون، تغییر شکل داد و شرکت‌کنندگان در جلسه شروع به خم کردن آن کردند. یکی از شرکت کنندگان، به کمک فندک پیپ خود، نمونه را در معرض حرارت قرار داد و حضار، شگفت‌زده شدند چراکه نمونه آکاردئون‌شکل، در اثر حرارت، به شکل قبلی خود برگشت.
با وجود اینکه به سرعت، کاربردهای این آلیاژ مشخص شد اما تلاش‌ها برای تجاری‌سازی آن تا یک دهه بعد بوقوع پیوست. این تاخیر به دلیل دشواری ذوب، فرآوری و ماشین‌کاری آلیاژ بود. حتی این دشواری، شامل مسائل اقتصادی هم می‌شد که تا سال 1980 ادامه داشت و از این تاریخ به بعد بود که بر این سختی‌ها غلبه شد. البته اثر حافظه، مدت‌ها قبل در آلیاژهای طلا-کادمیم و مس-روی (برنج) کشف شده بود.
مکانیسم نیتینول
خواص ویژه آلیاژ نیتینول ناشی از تبدیل برگشت‌پذیر حالت جامد، موسوم به «استحاله مارتنزیتی» (Martenistic Transformation) بین دو فاز بلوری مارتنزیت است که به تنشی بین 10-20 هزار psi نیاز دارد. در دماهای بالا، نیتینول، ساختار مکعبی «در هم نفوذ کننده» (Interpenetrating) موسوم به «آستنیت» (Austenite) دارد. در دماهای پایین، این آلیاژ به طور خود به خودی به شکلی پیچیده‌تر به نام «مارتنزیت» (Martensite) تبدیل می‌شود. به هنگام تبدیل آستنیت به مارتنزیت و به عکس، چهار «دمای گذار» (Transition Temperature) داریم. اگر با آستنیت شروع کنیم، زمانی که آلیاژ سرد شود، دمایی موسوم به «دمای آغاز مارتنزیت» (Martensite Start Temperature) یا $$M_s$$ خواهیم داشت. به دمایی که در آن، تبدیل (استحاله) به طور کامل انجام بگیرد، دمای پایان مارتنزیت یا $$M_f$$ می‌گویند. زمانی که آلیاژ، به طور کامل به مارتنزیت تبدیل شده باشد، در اثر حرارت، آستنیت با دمای آغاز آستنیت $$(A _ s)$$ شروع به شکل‌گیری می‌کند و این فرآیند، تا رسیدن به دمای پایان آستنیت $$(A_f)$$ ادامه خواهد یافت.
این چرخه سرد و گرم شدن، یک هیسترزیس «Hysteresis» حرارتی یا پسماند حرارتی را نشان می‌دهد. عرض (پهنا) این هیسترزیس به ترکیب دقیق نیتینول و فرآوری آن وابسته است. این عرض به طور معمول بین 20-50 درجه سانتی‌گراد ذکر می‌شود اما میزان آن‌را از طریق تغییر ترکیب آلیاژ و فرآوری می‌توان کم و زیاد کرد.
ابن خواص، دو جنبه مهم دارند. اول اینکه این تبدیل، برگشت‌پذیر است یعنی حرارت دادن آن، بالاتر از دمای تبدیل، ساختار بلوری آن‌را به شکل آستنیت برمی‌گرداند. ویژگی دوم این است که این تبدیلات به صورت آنی رخ می‌دهند. ساختار بلوری مارتنزیت، بدون شکستن پیوندهای اتمی، به طور محدودی دچار تغییر شکل می‌شود. به این نوع از تغییر شکل، «دوقلویی» (Twining) می‌گویند. در اثر این تغییر، صفحات اتمی، بدون تغییر شکل دائمی، آرایش جدیدی به خود می‌گیرند. در این شرایط، کرنشی بین 6-8 درصد خواهیم داشت. زمانی که مارتنزیت در اثر حرارت به آستنیت تبدیل شود، ساختار اصلی آستنیت به طور مجدد، فارغ از تغییر فاز مارتنزیت، بازیابی می‌شود. بنابراین، واژه «حافظه‌دار» (Shape Memory) به حالتی می‌گویند که در آن، شکل آستنیت در دمای بالا، حتی در صورت داشتن تغییر شکل شدید در دمای پایین، ذخیره شود.
اثر حافظه در نیتینول
یکی از دلایلی که سبب می‌شود نیتینول به سختی به شکل اولیه خود بازگردد این است که چنین آلیاژی، یک آلیاژ فلزی معمولی نیست بلکه یک «ترکیب بین‌فلزی» (Intermetallic Compound) به شمار می‌آید. در یک آلیاژ معمولی، اجزا به صورت تصادفی در شبکه بلور قرار گرفته‌اند اما در یک ترکیب بین‌فلزی منظم، اتم‌ها (در اینجا نیکل و تیتانیوم)، هر کدام جایگاه ویژه‌ای در شبکه بلور دارند. بین‌فلزی بودن نیتینول، دلیلی برای پیچیدگی ساخت دستگاه‌های شامل این آلیاژ است.
فرآیندی که در بالا توصیف شد، یعنی سرد کردن آستنیت برای تشکیل مارتنزیت و حرارت دادن آن برای ایجاد آستنیت، به اثر حافظه شناخته می‌شود. بمنظور تثبیت «شکل والد» (Parent Shape)، آلیاژ را تا دمای 500 درجه سانتی‌گراد حرارت می‌دهد که به این فرآیند، «تثبیت شکل» (Shape Setting) می‌گویند. این اثر، نتیجه مستقیم این اصل است که مارتزنیت، در اثر اعمال تنش و سرد کردن، بوجود می‌آید. بنابراین، در یک بازه دمایی مشخص، با اعمال تنش به آستنیت، همزمان با تغییر شکل، مارتنزیت بوجود می‌آید. در این شرایط، به محض حذف تنش، نیتینول به طور خود به خودی به شکل قبلی خود باز می‌گردد. در چنین حالتی، این آلیاژ، رفتاری فنرمانند دارد که دامنه الاستیک آن، 10-۳۰ برابر بزرگتر از یک فنر معمولی است.
گرچه محدودیت‌هایی نیز در اثر حافظه وجود دارد. در حقیقت، این اثر تنها در دمایی بین 0-40 درجه سانتی‌گراد، بالاتر از دمای $$A_f$$ دیده می‌شود. این حد بالایی با نام $$M_d$$ شناخته می‌شود که متناظر با بیشترین دمایی است که همچنان می‌توان مارتنزیت را به کمک القای تنش، ایجاد کرد. پایین‌تر از $$M_d$$، تشکیل مارتنزیت تحت «بار» (Load)، سوپرالاستیسیته و بالاتر از $$M _ d$$، از آن‌جایی که هیچ مارتنزیتی تشکیل نمی‌شود، تغییر شکل دائمی خواهیم داشت.
نیتینول به طور معمول از ترکیب درصد اتمی 50-51 درصد نیکل تشکیل شده است. تغییرات کوچک در این ترکیب درصد، دمای گذار را به طور شدیدی تحت تاثیر قرار می‌دهد. اگر دمای $$A _ f$$، گستره‌ای بین $$-20$$ تا $$110$$ درجه سانتی‌گراد داشته باشد، تا حدی می‌توان دمای تبدیل نیتینول را کنترل کرد. بنابراین به طور معمول، اگر دمای $$A_f$$، پایین‌تر از دمای مرجع باشد، آستنیت یا سوپرالاستیسیته خواهیم داشت و اگر این دما، بالاتر باشد، اثر حافظه یا مارتنزیت خواهیم داشت. دمای مرجع نیز به طور معمول، دمای اتاق یا دمای بدن انسان (۳۷ درجه) تعریف می‌شود.
فرآیند تولید آلیاژ نیتینول
ساخت این آلیاژ به دلیل واکنش‌پذیری بالای تیتانیوم و ترکیب درصد دقیق، فرآیند دشواری به شمار می‌آید. هر اتم تیتانیوم که با اکسیژن یا کربن ترکیب شود، از شبکه $$N i T i$$ حذف و سبب جابجایی ترکیب خواهد شد که به همان نسبت، دمای تبدیل نیز کاهش پیدا می‌کند. امروزه دو روش اصلی برای ذوب وجود دارد:
- کوره ذوب مجدد قوسی تحت خلا (VAR): این روش با ایجاد یک قوس الکتریکی بین مواد خام و صفحه مسی و در شرایط خلا انجام می‌شود.
- کوره ذوب القایی تحت خلا (VIM): این روش به کمک میدان مغناطیسی متناوب برای گرم کردن مواد خام در بوته آهنگری و در شرایط خلا اجرایی است.
با وجود اینکه هرکدام از روش‌ها، مزیت‌های مخصوص به خود را دارند، اما روش VIM، به دلیل وجود «آخال» (Inclusion) و عیوب ریخته‌گری کوچک‌تر، نسبت به روش دیگر، ترجیح داده می‌شود. البته مطالعات نشان داده‌اند که در صورت بکارگیری مواد خام با خلوص بسیار بالا، روش VAR، آخال کمتری را به همراه دارد. از روش‌های دیگری نیز مانند «انباشت بخار فیزیکی» (Physical Vapor Deposition) برای تولید در مقیاس آزمایشگاهی استفاده می‌شود.
«گرم‌کاری» (Hot Working) با این آلیاژ، نسبت به سردکاری، ساده‌تر است. ماشین‌کاری این آلیاژ نیز کار دشواری به شمار می‌آید و از آن‌جایی که هدایت حرارتی نیتینول بسیار پایین است، خارج کردن گرمای حاصل از ماشین‌کاری، دشواری‌های خود را به همراه دارد. به طور معمول، برای سادگی کار از روش‌های برش لیزری و ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی (EDM) استفاده می‌شود.
چالش‌های موجود در بکارگیری نیتینول
همانطور که می‌دانید، نیمی از این آلیاژ را نیکل تشکیل می‌دهد. بنابراین، در صنایع پزشکی در خصوص آزاد شدن نیکل به عنوان یک ماده حساسیت‌زا یا سرطان‌زا نگرانی‌هایی وجود دارد. نیکل همچنین با مقادیر زیادی در فولاد و آلیاژ کروم-کبالت وجود دارد. اگر فرآوری نیتینول به خوبی انجام بگیرد، یک لایه محافظ به صورت $$TiO_2$$ تشکیل خواهد شد که در مقابل تبادل یونی مقاوم خواهد بود. بارها نشان داده شده است که نیتینول، نیکل را با سرعت کمتری نسبت به فولاد آزاد می‌کند. به طور مثال، در گذشته، برخی از ابزارهای پزشکی، بدون فرآوری مناسب تولید می‌شدند که در آن‌ها خوردگی دیده می‌شد. اما استنت‌های امروزی هیچ‌گونه خوردگی یا آزادسازی نیکل را نشان نداده‌اند.
همچون سایر آلیاژها، در نیتینول نیز با آخال روبرو هستیم. اندازه، توزیع و نوع آخال را می‌توان تا حدی کنترل کرد. از چالش‌های دیگر این آلیاژ، جوشکاری آن است که چه بر روی فلزات دیگر و چه بر روی خود، جوشکاری آن با دشواری همراه است. به طور معمول، برای جوشکاری نیتینول به روی خود از جوشکاری لیزری بهره می‌گیرند.
«فرکانس تحرک» (Actuation Frequency) در این آلیاژ، به نحوه کار با حرارت بستگی دارد و این مورد به خصوص به هنگام سرد کردن اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. از روش‌های متعددی برای افزایش عملکرد در این شرایط بهره می‌گیرند که از آن‌جمله می‌توان به استفاده از هوا، هیت‌سینک‌ها، جریان سیال و ... اشاره کرد.
کاربردهای نیتینول
کاربردهای نیتینول به طور معمول در چهار دسته زیر جای می‌گیرند که به کمک این چهار دسته (ویژگی)، دامنه گسترده‌ای از کاربردها را می‌توان برای نیتینول متصور شد.
بازیافت آزاد: با تغییر شکل نیتینول در دمای پایین و حرارت دادن مجدد آن، به شکل اولیه خواهیم رسید که به این حالت، «بازیافت آزاد» (Free Recovery) می‌گویند.
بازیافت محدود: در شرایط «بازیافت محدود» (Constrained Recovery)، از بازیافت جلوگیری و به دنبال آن، تنش ایجاد می‌شود.
تولید کار: در این دسته، به نیتینول فرصت بازیافت (بازگشت به شکل قبل) می‌دهند که در اثر این بازیافت و نیروی اعمال شده، کار انجام می‌شود.
سوپرالاستیسیته: همانطور که گفته شد، تحت شرایطی، نیتینول مانند یک فنر عمل می‌کند. یکی از اصلی‌ترین کاربردهای این دسته، در فناوری‌های روز گسترش پیدا می‌کنند که از آن‌جمله می‌توان به لوله‌های NiTi اشاره کرد. این فرآیند با اعمال یک کشش به لوله ایجاد و سبب می‌شود مایع درون لوله در یک مبدل حرارتی گرم جریان پیدا کند. به طور همزمان، به کمک گرمای آزاد شده، محیط اطراف گرم خواهد شد. در فرآیند معکوس و «باربرداری» (Unloading) لوله، جریان سیال را به مبدل حرارتی سرد منتقل می‌کند که در اثر این اتفاق، لوله‌های NiTi، گرما را از محیط اطراف جذب خواهند کرد و دمای محیط، کاهش پیدا می‌کند.
کابردهای روزمره نیتینول
با توجه به مواردی که مطرح شد، امروزه از نیتینول در کاربردهای زیر بهره می‌گیرند:
- شناخته‌شده‌ترین کاربرد نیتینول در تولید استنت‌های خودانبساطی به کمک برش لیزری است. از لوله‌های نیتینول در بیوپسی، آندوسکوپی و موارد اورتوپدی استفاده می‌شود.
- از فنرهای نیتینول در شیرهای حرارتی همچون سنسور دمایی بهره می‌گیرند.
- به عنوان عملگر فوکوس خودکار در دوربین‌ها و «پایدارکننده نوری تصویر» (Optical Image Stabilizer) در دوربین‌های تلفن همراه بکار می‌رود.
- برای بهبود عملکرد شیرهای پنوماتیک از این آلیاژ بهره می‌گیرند.
- در سازه‌های صنعتی از لوله‌های NiTi برای جبران ترک‌های سیمان استفاده می‌شود به طوریکه در اثر انقباض، ترک‌های بسیار ریز در سیمان پوشش داده می‌شوند.
- در فریم‌های عینک برای جلوگیری از شکستن راحت آن‌ها، از این آلیاژ کمک می‌گیرند.
- از آن‌جایی که این آلیاژ، با تغییر دما، تغییر شکل می‌دهد، از آن در سیستم‌های کنترل دما برای فعال و غیر فعال کردن سوییچ استفاده می‌شود.
- همچنین به کمک «پرکننده‌های نیکلی» (Nickel Fillers)، اتصالات محکمی بین لوله‌های NiTi و فولادی ایجاد خواهد شد.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
- مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
- مجموعه آموزش‌های مهندسی مواد و معدن
- آموزش مهندسی جوش (جوش صنعتی)
- آهن و کاربردهای آن — از صفر تا صد
- سیلیکون و کاربردهای آن — از صفر تا صد
- جدول تناوبی — از صفر تا صد
^^
