نایتینول (نیتینول) چیست؟ آینده‌ای روشن در انتظار آلیاژ هوشمند که می‌تواند شکل خود را تغییر دهد

ما بیش از 10 هزار سال است که از آلیاژهای فلزی استفاده می‌کنیم، از زمانی که قلع و مس با یکدیگر ترکیب شدند تا ماده جدید و بهتری را تشکیل دهند، با نام برنز. امروزه، تقریباً تمام فلزاتی که ما استفاده می‌کنیم نوعی آلیاژ هستند، زیرا آن‌ها به تنهایی از عناصر تشکیل دهنده خود بسیار برتر هستند. ابر آلیاژها یا سوپر آلیاژها نیز آمدند تا خواص آلیاژها را بهبود ببخشند. ابر آلیاژها (Superalloys) گروهی از فلزات هستند که مقاومت در برابر خزش، اکسیداسیون و خوردگی بهتری نسبت به آلیاژهای سنتی دارند و در عین حال خواص مکانیکی عالی را حتی در دماهای بالا حفظ می‌کنند. به یک معنا، آن‌ها به عنوان آلیاژهای با عملکرد بالا عمل می‌کنند.

یکی از ابر آلیاژهای معروف که امروزه بسیار سروصدا بپا کرده و بسیاری آینده‌ای روشن برای آن متصور هستند، نایتینول یا همان نیتینول است. نایتینول یک ابر آلیاژ است زیرا دارای خواص مکانیکی و فیزیکی منحصر به فردی است که آن را از سایر آلیاژها متمایز می‌کند. این خواص عبارتند از اثر حافظه شکل، مقاومت در برابر خوردگی، استحکام و قابلیت شکل پذیری.

نایتینول می تواند پس از تغییر شکل، به شکل اولیه خود بازگردد. این خاصیت، نایتینول را برای کاربردهایی مانند استنت های قلبی، فنرهای خودتنظیم و شیرهای خودکار مناسب می سازد. نایتینول همچنین دارای مقاومت بالایی دربرابر خوردگی است. این خاصیت، نایتینول را برای کاربردهایی مانند کاربردهای پزشکی، کاربردهای صنعتی و کاربردهای دریایی مناسب می سازد. نیتینول دارای استحکام بالایی نیز است. این خاصیت، نایتینول را برای کاربردهایی مانند کاربردهای مکانیکی، کاربردهای هوافضایی و کاربردهای نظامی مناسب می سازد. درنهایت این ابر آلیاژ دارای قابلیت شکل پذیری بالایی است. این خاصیت، نایتینول را برای کاربردهایی مانند کاربردهای پزشکی، کاربردهای صنعتی و کاربردهای الکترونیکی مناسب می‌سازد.

علاوه بر این خواص، نایتینول دارای خواص دیگری نیز هست که آن را به یک ابر آلیاژ تبدیل می‌کند. این خواص عبارتند از مقاومت در برابر سایش، خستگی و دمای بالا. این خواص منحصر به فرد، نایتینول را به یک ابر آلیاژ تبدیل کرده است که می‌تواند در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار گیرد. حال که اندکی با این سوپر آلیاژ شگفت انگیز آشنا شدید، در ادامه با صباپروفیل همراه باشید تا به بررسی بیشتر آن بپردازیم.

نایتینول (نیتینول) چیست؟

نیتینول (به انگلیسی Nitinol) یک ابر آلیاژ متشکل از نیکل و تیتانیوم است که دارای چند ویژگی بسیار جالب و مفید است که آن را از سایر آلیاژها متمایز می‌کند، از جمله اثر حافظه شکل (Shape Memory Effect) و خاصیت ارتجاعی فوق العاده. اگر این دو مورد برای شما ناآشنا هستند نگران نباشید، ما در ادامه به تفصیل آن‌ها را توضیح خواهیم داد.

تاکنون ده‌ها نوع آلیاژ حافظه دار شکلی در دنیا ساخته شده است. نیتینول (آلیاژ نیکل-تیتانیوم) یکی از اولین مواد آلیاژی توسعه یافته و کاربردی است. نیتینول یک آلیاژ دوتایی است که از نیکل و تیتانیوم تشکیل شده است. علاوه بر عملکرد منحصر به فرد حافظه شکل، یک سری خواص عالی نیز دارد و یک ماده کاربردی بسیار خوب است.

اثر حافظه شکل نایتینول به دلیل وجود یک تبدیل فاز مارتنزیتی در این آلیاژ است. در دمای پایین، نایتینول در ساختار مارتنزیتی قرار دارد که دارای شکلی متفاوت از ساختار آستنیتی آن در دمای بالا است. اگر نایتینول در دمای پایین تحت تغییر شکل قرار گیرد، پس از گرم شدن به دمای بالا، به شکل اولیه خود باز می‌گردد.

نام نیتینول از کجا آمده است؟ این نام از ترکیب سه عبارت Nickel، Titanium و Naval Ordnance Laboratory (NOL) گرفته شده است.

Nickel + Titanium + NOL = Nitinol

NOL مخفف Naval Ordnance Laboratory است که یک مرکز تحقیقات و توسعه نظامی ایالات متحده بود که در سال 1945 در واترتاون، مریلند تاسیس شد. در سال 1967، NOL به Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division تغییر نام داد. در سال 1959، گروهی از محققان NOL به رهبری ویلیام بلاند، در حال مطالعه ویژگی‌های نیکل و تیتانیوم بودند. آن‌ها یک نمونه از آلیاژ نیکل-تیتانیوم را تهیه کردند و آن را در دمای پایین قرار دادند. سپس، آن‌ها نمونه را گرم کردند و مشاهده کردند که نمونه به شکل اولیه خود بازمی‌گردد.

Nitinol که در ابتدا صرفاً به عنوان یک آلیاژ مقاوم در برابر خوردگی فرموله شده بود، مشخص شد که دارای خواص خارق العاده‌ای است که به زودی تحت الشعاع قرار گرفت، اما در بیشتر کاربردها، مقاومت در برابر خوردگی چشمگیر آن را تکمیل کرد. این کشف، اثر حافظه شکل را در آلیاژ نیکل-تیتانیوم نشان داد. این خاصیت، کاربردهای مختلفی برای آلیاژ نیکل-تیتانیوم ایجاد کرد. در ابتدا، آلیاژ نیکل-تیتانیوم برای کاربردهای نظامی، مانند ساخت استنت‌های قلبی و فنرهای خودتنظیم، مورد استفاده قرار گرفت. با گذشت زمان، کاربردهای آلیاژ نیکل-تیتانیوم گسترش یافت و امروزه این آلیاژ در صنایع مختلف، مانند پزشکی، صنعت و هوافضا، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نیتینول را می‌توان خم کرد و به اشکال پیچیده‌ای فراتر از نقطه تغییر شکل پلاستیکی اکثر فلزات تبدیل کرد و تقریباً مانند یک سیم انعطاف پذیر عمل می‌کند. این امکان استفاده از آن را در کاربردهای مختلف فراهم کرده است.

نایتینول می تواند تا 30 برابر بیشتر از فلزات معمولی کشیده شود و همچنان به شکل اولیه خود بازگردد. این خاصیت، نایتینول را برای کاربردهایی مانند استنت های قلبی، فنرهای خودتنظیم و شیرهای خودکار مناسب می سازد. این خاصیت به این معنی است که نایتینول می‌تواند پس از تغییر شکل، به شکل اولیه خود بازگردد. منظور از “فلزات معمولی” فلزاتی مانند آهن، آلومینیوم و مس است. این فلزات دارای خاصیت حافظه شکل نیستند و پس از تغییر شکل، به شکل اولیه خود باز نمی‌گردند.

برای مثال، یک استنت قلبی ساخته شده از نایتینول می تواند تا 30 برابر بیشتر از یک استنت قلبی ساخته شده از فلزات معمولی کشیده شود. پس از قرار دادن استنت در رگ مسدود شده، آن را گرم می‌کنند تا به شکل اولیه خود بازگردد و رگ را باز نگه دارد.

شاید حتی خارق العاده‌تر از ویژگی قبلی، توانایی نیتینول در به خاطر سپردن شکل خود باشد. اگر یک تکه سیم نیتینول در دمای معینی، اغلب در حدود 500 درجه سانتی‌گراد، به شکلی درآید، وقتی دوباره به دمای انتقال خود که اغلب به 40 درجه می‌رسد، دوباره به آن شکل باز می‌گردد. این کار را به دلیل پیوند اتمی بین ردیف‌های اتم انجام می‌دهد که سعی می‌کنند در زمان گرم شدن به شکل خود بازگردند. تغییر از دمای گرم به دمای اتاق با عبور مواد از فاز آستنیتی به فاز مارتنزیتی اتفاق می‌افتد.

کاربرد نیتینول

اثر حافظه شکل نایتینول کاربردهای مختلفی دارد. از جمله کاربردهای این آلیاژ می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• استنت‌های قلبی: استنت‌های قلبی از نایتینول ساخته می‌شوند و برای باز نگه داشتن رگ‌های مسدود شده قلب استفاده می‌شوند.
• فنرهای خودتنظیم: فنرهای خودتنظیم از نایتینول ساخته می‌شوند و برای کاربردهایی مانند نگه‌دارنده‌های بار استفاده می‌شوند.
• شیرهای خودکار: شیرهای خودکار از نایتینول ساخته می‌شوند و برای کاربردهایی مانند کنترل جریان آب استفاده می‌شوند.
• ربات‌ها: نایتینول در ساخت ربات‌ها برای کاربردهایی مانند کنترل حرکت استفاده می‌شود.

نایتینول یک آلیاژ با خواص منحصر به فرد است که کاربردهای مختلفی دارد. این آلیاژ به دلیل مقاومت به خوردگی، استحکام و خاصیت حافظه شکل، در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کاربرد نیتینول در پزشکی

استنت وسیله‌ای است که یک ورید یا شریان را باز نگه می‌دارد، این وسیله اغلب زمانی مورد نیاز است که بیمار از شرایطی مانند بیماری شریان محیطی رنج می‌برد. استنت نیتینول شبیه یک استوانه است که سیم آن به صورت شبکه‌ای شبیه تقویت کننده‌ای که روی شلنگ باغچه دیده می‌شود، شکل می‌گیرد.

جراح استنتی را انتخاب می‌کند که قطر خارجی آن – در حالت طبیعی – کمی بزرگ‌تر از قطر شریان آسیب دیده باشد. استنت تا حدود نیمی از قطر نهایی خود فشرده می‌شود و به آن اجازه می‌دهد به راحتی به داخل شریان یا ورید منتقل شود. هنگامی که در جای خود قرار می‌گیرد، گرمای بدن انسان باعث می‌شود که نیتینول شکل اصلی خود را به خاطر بیاورد و با اعمال فشار بیرونی بر روی دیواره ورید، از فرو ریختن آن جلوگیری می‌کند.

کاربرد دیگر نایتینول در پزشکی و در بریس‌ها می‌باشد. بریس‌ها در دندانپزشکی برای تنظیم موقعیت دندان‌ها در طی چند ماه یا سال استفاده می‌شوند. این دستگاه‌ها باید دارای ویژگی‌های خاصی باشند تا بتوانند به طور موثر کار کنند. این ویژگی‌ها عبارتند از:

• قدرت: بریس‌ها باید قوی باشند تا بتوانند نیرو را برای تنظیم موقعیت دندان‌ها اعمال کنند.
• مقاومت در برابر خوردگی: بریس‌ها باید در برابر خوردگی مقاوم باشند تا در طول دوره درمان آسیب نبینند.
• چقرمگی: بریس‌ها باید چقرمگی بالایی داشته باشند تا در برابر ضربات و فشارهای وارد شده آسیب نبینند.

برخی دیگر از کاربردهای نایتینول در پزشکی عبارتند از:

1. بخیه های جراحی: نایتینول به دلیل استحکام بالا، قابلیت شکل پذیری و زیست سازگاری، برای ساخت بخیه های جراحی مناسب است. این بخیه ها معمولاً برای اتصال بافت ها در جراحی استفاده می شوند.
2. گیره های آنوریسم مغزی: نایتینول به دلیل استحکام بالا، قابلیت شکل پذیری و زیست سازگاری، برای ساخت گیره های آنوریسم مغزی مناسب است. این گیره ها معمولاً برای درمان آنوریسم مغزی استفاده می شوند.
3. حلقه های ضد بارداری: نایتینول به دلیل استحکام بالا، قابلیت شکل پذیری و زیست سازگاری، برای ساخت حلقه های ضد بارداری مناسب است. این حلقه ها معمولاً برای پیشگیری از بارداری استفاده می شوند.
4. قلب مصنوعی: نایتینول به دلیل استحکام بالا، قابلیت شکل پذیری و زیست سازگاری، برای ساخت قلب مصنوعی مناسب است. این قلب ها معمولاً برای جایگزینی قلب آسیب دیده استفاده می شوند.
5. میکروسوپمپ های کلیه مصنوعی: نایتینول به دلیل استحکام بالا، قابلیت شکل پذیری و زیست سازگاری، برای ساخت میکروپمپ های کلیه مصنوعی مناسب است. این میکروپمپ ها معمولاً برای جایگزینی کلیه های آسیب دیده استفاده می شوند.

نایتینول یک آلیاژ فلزی است که دارای تمام این ویژگی‌ها است. این آلیاژ به دلیل خاصیت حافظه شکل خود، می‌تواند نیرو را به طور موثر اعمال کند. همچنین، نایتینول در برابر خوردگی مقاوم است و چقرمگی بالایی دارد. به همین دلیل، از نایتینول برای تشکیل ساختار اصلی بسیاری از بریس‌ها و نگهدارنده‌ها استفاده می‌شود.

کاربرد نیتینول در هوافضا

آلیاژ نیکل-تیتانیوم (NiTi) یک آلیاژ فلزی است که دارای خواص مکانیکی و فیزیکی منحصر به فردی است که آن را برای کاربردهای مختلف در صنایع مختلف، از جمله هوافضا، مناسب می سازد. در کاربردهای هوافضا، آلیاژ NiTi عمدتاً برای موارد زیر استفاده می شود:

• اتصالات لوله: آلیاژ NiTi به دلیل استحکام بالا، قابلیت شکل پذیری و مقاومت در برابر خوردگی، برای ساخت اتصالات لوله در هواپیماها مناسب است. این اتصالات معمولاً در سیستم های هیدرولیک، پنوماتیک و سوخت هواپیما استفاده می شوند.
• آنتن های فضاپیما: آلیاژ NiTi به دلیل خواص مکانیکی و فیزیکی خود، برای ساخت آنتن های فضاپیما مناسب است. این آنتن ها معمولاً در معرض شرایط محیطی شدیدی قرار می گیرند و آلیاژ NiTi می تواند این شرایط را تحمل کند.
• اتصال دهنده ها: آلیاژ NiTi به دلیل استحکام بالا و مقاومت در برابر خوردگی، برای ساخت اتصال دهنده ها در هواپیماها و فضاپیماها مناسب است. این اتصال دهنده ها معمولاً برای اتصال قطعات مختلف به یکدیگر استفاده می شوند.
• قطعات اتصال: آلیاژ NiTi به دلیل استحکام بالا، قابلیت شکل پذیری و مقاومت در برابر خوردگی، برای ساخت قطعات اتصال در هواپیماها و فضاپیماها مناسب است. این قطعات معمولاً در معرض نیروهای و تنش های شدیدی قرار می گیرند و آلیاژ NiTi می تواند این شرایط را تحمل کند.
• اتصالات الکتریکی: آلیاژ NiTi به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت شکل پذیری، برای ساخت اتصالات الکتریکی در هواپیماها و فضاپیماها مناسب است. این اتصالات معمولاً در معرض جریان الکتریکی و حرارت قرار می گیرند و آلیاژ NiTi می تواند این شرایط را تحمل کند.
• محرک های الکترومکانیکی: آلیاژ NiTi به دلیل اثر حافظه شکل خود، برای ساخت محرک های الکترومکانیکی در هواپیماها و فضاپیماها مناسب است. این محرک ها معمولاً برای کنترل حرکت قطعات مختلف استفاده می شوند.

کاربرد نیتینول در صنعت خودروسازی

برخی از کاربردهای آلیاژهای NiTi در صنعت خودرو عبارتند از:

• کلاچ های فن ضد حرارت موتور خودرو: آلیاژهای NiTi به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت شکل پذیری، برای ساخت کلاچ های فن ضد حرارت موتور خودرو مناسب هستند. این کلاچ ها معمولاً در معرض دمای بالا و شرایط محیطی شدیدی قرار می گیرند و آلیاژ NiTi می تواند این شرایط را تحمل کند.
• نازل های اگزوز اتوماتیک: آلیاژهای NiTi به دلیل اثر حافظه شکل خود، برای ساخت نازل های اگزوز اتوماتیک مناسب هستند. این نازل ها معمولاً برای کنترل جریان اگزوز استفاده می شوند و آلیاژ NiTi می تواند به طور خودکار شکل خود را تغییر دهد تا جریان اگزوز را تنظیم کند.
• باز و بسته شدن خودکار سوراخ های رادیاتور موتورهای دیزلی: آلیاژهای NiTi به دلیل اثر حافظه شکل خود، برای ساخت سیستم های باز و بسته شدن خودکار سوراخ های رادیاتور موتورهای دیزلی مناسب هستند. این سیستم ها معمولاً برای کنترل دمای موتور استفاده می شوند و آلیاژ NiTi می تواند به طور خودکار شکل خود را تغییر دهد تا جریان هوا را تنظیم کند.
• فنرهای حافظه دار فیلترهای روغن موتور جت: آلیاژهای NiTi به دلیل اثر حافظه شکل خود، برای ساخت فنرهای حافظه دار فیلترهای روغن موتور جت مناسب هستند. این فنرها معمولاً برای کنترل جریان روغن استفاده می شوند و آلیاژ NiTi می تواند به طور خودکار شکل خود را تغییر دهد تا جریان روغن را تنظیم کند.

فرمول شیمیایی نیتینول

فرمول شیمیایی نیتینول NiTi است. این آلیاژ از دو عنصر نیکل و تیتانیوم تشکیل شده است. درصد نیکل در نیتینول معمولاً بین 45 تا 55 درصد است. در برخی از کاربردهای خاص، ممکن است از آلیاژهای نیتینول با درصد نیکل متفاوت استفاده شود. به عنوان مثال، در کاربردهای پزشکی، ممکن است از آلیاژهای نیتینول با درصد نیکل بالاتر استفاده شود تا مقاومت در برابر خوردگی افزایش یابد.

قیمت نیتینول

اگرچه نیتینول در سال 1959 اختراع شد، سال‌ها طول کشید تا این ابر آلیاژ به صورت تجاری در دسترس باشد. بخشی از دلیل این امر سطح بالای کنترل مورد نیاز برای ایجاد آلیاژ است. ذوب مجدد قوس خلاء برای ترکیب تیتانیوم و نیکل، فرآیندی است که با هزینه‌های عملیاتی بالا، استفاده می‌شود. علاوه بر این، مانند بسیاری از آلیاژها، ترکیب برای عملکرد نیتینول بسیار مهم است، تغییر تنها 1٪ در نسبت نیکل به تیتانیوم می‌تواند دمای انتقال – و در نتیجه قابلیت استفاده محصول – را تا 100 درجه سانتی‌گراد تحت تاثیر قرار دهد. این عوامل همراه با هزینه نسبتاً بالای مواد خام مورد نیاز، باعث شده تا قیمت نایتینول بالا باشد.

جمع‌بندی

نیتینول، ماده‌ای است که مانند هیچ چیز دیگری نیست، کاربردهای خلاقانه و منحصر به فردی دارد. در حالی که مقاومت در برابر خوردگی و استحکام بالا آن را به یک ماده عالی برای کاربردهای پزشکی تبدیل می‌کند، کاربردهای متنوع دیگری نیز در صنایع مختلف دارد. نایتینول (Nitinol) یا آلیاژ نیکل-تیتانیوم یکی از آلیاژهای حافظه‌دار مهم است. این آلیاژ از دو عنصر نیکل و تیتانیوم تشکیل شده است و دارای خاصیت «اثر حافظه شکل» است. این خاصیت به این معنی است که نایتینول می‌تواند پس از تغییر شکل، به شکل اولیه خود بازگردد.

در سال‌های اخیر، آلیاژهای نیتینول نقش مهمی را در بسیاری از زمینه‌ها ایفا کرده‌اند، اما همچنان دارای کاستی‌هایی مانند اکسیداسیون آسان، هزینه‌های فرآوری بالا و چرخه‌های تولید طولانی در فرآیند تولید و فرآوری واقعی هستند. با تحقیقات عمیق در مورد خواص آلیاژهای نیکل تیتانیوم و توسعه مداوم فناوری، چشم انداز آلیاژهای نیکل تیتانیوم بهتر و بهتر می شود.

فلزات, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 10 بهمن 1402