鎳鈦諾的概述：超彈性和形狀記憶

世界人口在增長，全球化使許多國家的生活水平提高，人們的壽命也越來越長。隨著生活水平的提高和人們做出的選擇，與生活方式相關的疾病（例如心血管疾病）正在增加。公司競相製造醫療裝置來治癒具有挑戰性的身體狀況和疾病。新型材料是支援此類設計和開發不可或缺的一部分。其中一種材料是鎳鈦諾 （NiTi），這是 William J。 Buehler 於 1959 年在馬里蘭州白橡樹的美國海軍軍械實驗室研究期間偶然發現的。鎳鈦諾在 1980 年代後期開始用於醫療裝置，代表鎳鈦海軍軍械實驗室。

鎳鈦諾是眾多形狀記憶合金 （SMA） 中的一種，它能夠在變形後恢復其原始形狀。SMA 用於從消費類電器到汽車、航空航天和醫療等行業的各種應用，因為它們為設計人員提供了替代傳統材料的難以置信的靈活性，因此獲得了強大的立足點。在醫療器械中，鎳鈦諾因其生物相容性和超彈性而廣受歡迎。鎳鈦諾用於製造支架、導絲、取石籃、過濾器、針頭、牙科銼刀和其他手術器械。（參見圖 1）

圖 1 - 鎳鈦諾元件有多種樣式可供選擇——線材、管材、片材和箔材，以及機加工或成型的形狀。

一、形狀記憶效應

形狀記憶效應最常見的演示是這種金屬的一塊可以變形——例如，透過將一段直線纏繞成一個緊密的線圈——然後透過少量加熱金屬可以完全消除變形 ，例如將其浸入熱水中。當它被加熱時，金屬會立即“記住”它的舊形狀並彈回直導線的形式。當材料在冷卻或加熱到其特徵轉變溫度時發生晶型變化時，就會產生形狀記憶效應。NiTi合金中晶體結構的這種變化是從高於其轉變溫度（奧氏體）的有序立方晶型轉變為低於轉變溫度（馬氏體）的單斜晶相。

大多數商業應用都利用了另一種有用的特性，即其卓越的彈性，通常稱為“超彈性”，當人們在高於轉變溫度的溫度下使合金變形時。在轉變溫度以上，材料處於高溫或奧氏體相。當施加應力時，變形引起應力引起的從奧氏體到變形馬氏體的相變。當施加的應力消除後，材料立即彈回，晶型恢復為奧氏體相。

大多數 NiTi 材料是鎳和鈦的簡單合金，兩種成分的比例各約為 50 原子百分比（鎳的重量約為 55%）。然而，兩種元素比例的細微調整可以使 NiTi 合金的效能產生很大差異，特別是其轉變溫度，即合金的晶體結構從奧氏體變為馬氏體或反之亦然的溫度。如果鎳含量超過 50/50，則轉變溫度會急劇下降，奧氏體屈服強度會增加。將鎳鈦比增加到 51/49 會導致轉變溫度下降 100°C 以上。這種特性對鎳百分比的微小增加的敏感性使得難以製造具有均勻和可重複特性的鎳鈦諾。但是，與此同時，這為製造商提供了一種控制性能和製造具有所需轉變溫度的鑄錠的強大方法。

事實上，轉變溫度對合金成分的敏感性非常高，因此不推薦使用化學方法來指定感興趣的合金。相反，轉變溫度是指定合金的更準確的方法。錠的轉變溫度測量最廣泛使用的方法之一是使用差示掃描量熱儀 （DSC）。ASTM F2004 是 DSC 測試方法的標準。DSC 記錄的轉變資訊型別如圖 2 所示。標記了各種轉變溫度。

圖 2 – 用差示掃描量熱儀 （DSC） 記錄鎳鈦諾錠的各種轉變溫度測量值。

雖然 DSC 用於表徵原材料，但最常為電線或管材等成品指定的溫度是活性奧氏體表面處理 （Active Af） 溫度，該溫度通常由“無彎曲恢復”（BFR） 測試確定。在該測試中，人們在將材料樣品冷卻到馬氏體區域後使其變形，然後記錄在加熱時發生的形狀恢復量。繪製溫度與樣品位移的關係圖，用於確定形狀恢復完成時的溫度 （Active Af）。BFR 是一個非常好的功能測試，顯示出明顯的形狀恢復。ASTM F2082 是 BFR 測試方法的標準。在大多數應用中，指定最終產品 （Active Af） 的轉變溫度就足夠了。但是，如果需要，也可以指定原始錠的轉變溫度。

超彈性 NiTi 合金利用應力誘導的馬氏體轉變來實現難以置信的柔韌性和抗扭結性。例如，旨在在室溫下具有超彈性的合金通常在其活性 Af 溫度略低於室溫的情況下生產，例如在 0 到 20°C 的範圍內。這種材料在體溫（37°C）下也將表現出良好的超彈性。超彈性合金構成最大體積的鎳鈦諾材料。

形狀記憶 NiTi 合金利用材料在加熱到其轉變溫度以上時恢復訓練形狀的能力。因此，要指定的最關鍵特性是轉變溫度。活性 Af 表示加熱時從馬氏體轉變為奧氏體的完成，因此表示形狀恢復完成的溫度。

ASTM F2516 是鎳鈦合金拉伸試驗的主導標準。在典型的拉伸試驗中，樣品被拉至 6% 的應變，然後解除安裝並隨後被拉至破壞。除了其他材料常見的極限抗拉強度和伸長率外，在測試鎳鈦合金時還需要測量其他關鍵引數。當測試在樣品的活性 Af 以上進行時，還記錄上平臺強度、下平臺強度和殘餘伸長率（或永久變形）。由於材料經受迴圈試驗，在載入過程中，材料從奧氏體轉變為應力誘發馬氏體，當樣品解除安裝時，材料反轉為奧氏體。上平臺是在拉伸載入期間記錄的 3% 應變下的應力，下平臺是在樣品解除安裝時記錄的 2。5% 應變下的應力。殘餘伸長率是載入到 6% 應變和解除安裝完成後的應變。圖 3 描述了這些點。

圖 3 – 典型的鎳鈦合金拉伸測試。除了其他材料常見的極限抗拉強度和伸長率外，在測試鎳鈦諾時，還需要測量其他關鍵引數。上平臺強度、下平臺強度和殘餘伸長率（或永久變形）也被記錄下來。

二、加工

鎳鈦諾錠使用真空感應熔鍊和/或真空電弧重熔的組合來熔化。鋼坯經過鍛造和熱軋以形成中間形式，這些中間形式進一步製成棒材、卷材和板材。ASTM F2063 是涵蓋此類軋機形式的鍛造鎳鈦的化學和冶金要求的標準。進一步拉制線圈以製造更小直徑的線材，並將板卷下以製造更薄的片材。用槍對棒材鑽孔以形成“空心管”，然後將其拉成管狀。槍鑽是一種必要的邪惡。它會立即降低該過程的有效產量，因為它會去除大量無法回收的材料——想想棒材重量與管材空心重量。

由於會形成氧化鈦和碳化物，因此控制熔體中的氧和碳含量至關重要。這些硬夾雜物充當基質中的不連續性。這些已成為有關裝置故障和疲勞強度的眾多研究的主題。

冷加工和熱處理（熱機械加工）的結合對於在材料中獲得所需的效能至關重要。在冷加工製造操作（例如拉拔或軋製）期間，鎳鈦諾合金的加工硬化速度非常快。如果材料在經過一定量的冷加工後沒有退火，強度會上升到進一步變形時達到斷裂強度的程度，併發生破壞。

熱處理也用於設定鎳鈦諾元件的最終形狀。如果鎳鈦諾有合理的冷加工量（大約 30% 或更多），400° 到 500°C 的溫度和適當的停留時間將產生一個直的、扁平的或成型的零件。術語“形狀設定”通常用於此過程，成型零件是使用定製夾具建立的。一些常見的熱處理方法是鋼絞線退火（用於直線和管材）、箱式爐、熔鹽浴和流化床。熱處理的另一個目的是確定鎳鈦諾元件的最終機械效能和轉變溫度。材料經過冷加工後，適當的熱處理將在材料中建立可能的最佳形狀記憶或超彈性效能，同時保留足夠的殘餘冷加工效果以抵抗迴圈過程中的永久變形。它還有助於設定部件的 Active Af。

鎳鈦諾管、片材和線材要經過各種加工操作才能製造出器件。鎳鈦諾對無心磨削等研磨技術的材料去除反應良好，但難以透過銑削或車削加工。鐳射和放電加工是管材的常用切割方法。此外，片材還可以進行水射流切割或光化學加工。

三、應用

鎳鈦合金管最廣為人知的應用是透過鐳射切割製造自膨脹支架。它是外周血管應用的熱門選擇。管內徑的同心度控制和良好的表面光潔度是製造支架時獲得良好成品率的關鍵。鎳鈦諾管還用於活檢、內窺鏡檢查和骨科等應用。

鎳鈦諾導絲用於將導管引導到難以到達的身體部位。與不鏽鋼不同，它們是有利的，因為它們具有抗扭結性。金屬絲是有彈性的，它可以在體內沿著曲折的路徑前進而不會損壞。鎳鈦諾將平穩旋轉並傳遞扭矩。鎳鈦諾絲也常用於製造編織支架和過濾器。

鎳鈦諾板很受歡迎，因為它提供了其他形式所不具備的設計靈活性——將產品設計成平面，然後將其成型以製造裝置。可以生產具有非常嚴格的厚度公差和整個表面的均勻厚度控制的板材。這種高工藝能力有利於下游工藝最佳化和自動化——一致的起始板材厚度、受控的後處理將產生可預測的最終尺寸。

鎳鈦諾的一個缺點是它不是不透射線的，這是正確放置支架或將裝置定位在體內的能力的要求。由貴金屬（如鉑和鈀）製成的各種標記系統通常與基於鎳鈦諾的裝置結合使用，以提高輻射不透性。

關於富臨塑膠

我們的目標是力爭將全球最高階的化工產品推薦給國內，併為世界頂尖化工公司和中國企業之間架設一座渠道通暢的橋樑。富臨塑膠自成立以來，業績穩步增長，目前公司下設業務部、開發部。方便及時高效地為客戶提供服務。富臨塑膠在供應商的支援下，為客戶提供高競爭力的產品以及強有力的技術支援。

採購鎳鈦原材料及製品，請立即聯絡我們