Sự kết hợp độc đáo giữa khả năng nhớ hình dạng, tính siêu đàn hồi và tính tương thích sinh học làm cho Nitinol trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng y tế và nha khoa. Các sản phẩm bao gồm dây cung chỉnh nha, bộ lọc và neo xương. ... Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ khá đầu tư vào các ứng dụng ghi nhớ hình dạng, đáng chú ý nhất là trong các động cơ phản lực thương mại mới hơn có thể thay đổi hình dạng để tối ưu hóa tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu ở các tầng bay khác nhau,

1. Vật liệu kim loại nhớ hình Nitinol là gì

      Hầu hết kỹ sư cơ khí không biết nhiều về Nitinol, mặc dù hợp kim rất thú vị Niken-Titanium được phát hiện vào năm 1959 tai phòng thí nghiệm Naval Ordnance ở White Oak, Marryland, Mỹ. Nhóm nghiên cứu đã tình cờ phát hiện ra hợp kim này trong khi tìm kiếm vật liệu có thể được sử dụng trong những công cụ về tháo gỡ mìn. Ngày này, sau hơn 50 năm, Nitinol là vật liệu được lựa chọn cho nhiều ứng dụng trong thiết bị y tế và công nghiệp hàng không vũ trụ.

Nitinol được biết đến chủ yếu với hai đặc trưng độc đáo làm tăng sức hấp hẫn của nó với tư cách một vật liệu chế tạo đó là : nhớ hình dạng và siêu đàn hồi. Nhớ hình là khả năng của một phần được làm từ Nitinol trải qua biến dạng tại một nhiệt độ nào đó và rồi trở về hình dạng bạn đầu của nó, không bị hư hại, khi đốt nóng cao hơn nhiệt độ chuyển đổi của nó. Siêu đàn hồi xảy ra trong khoảng một vài độ cao hơn nhiệt độ chuyển đổi, tại thời điểm này Nitinol thể hiện tính siêu đàn hồi lên tới 30 lần so với hợp kim thông thường.

Những tính chất khó tin này là do vật liệu thay đổi từ “cấu trúc martensitic đơn tà” ở nhiệt độ thấp sang “cấu trúc Austenit khối” ở nhiệt độ cao. Khi Nitinol ở dạng martensictic, nó có thể dễ dàng bị biến dạng thành một hình dạng mới mà nó giữ được. Khi đốt nóng tới nhiệt độ biến đổi, vật thể bị biến dạng chuyển đổi sang cấu trúc austenit và trở lại hình dáng ban đầu của nó. Nhiệt độ biến đổi có thể được điều chỉnh bằng việc thay đổi lượng nhỏ thành phần hợp kim và thông qua tác động nhiệt.

Khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ biến đổi,Nitinol trở nên siêu đàn hồi. Nguyên nhân là bởi martensite hình thành ở nhiệt độ cao, mặc dù nhiệt độ đang nằm trong khoảng austenite. Khi ứng suất được giải phóng, vùng martensite này sẽ trở về cấu trúc austenite.

Nitinol có độ bền mỏi cao. Khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ biến đổi, nó có thể xử lý đến tám phần trăm biến dạng và vẫn trở lại hình dạng ban đầu. Các đặc tính vật lý hấp dẫn khác là tính dẫn nhiệt và điện, tính tương thích sinh học, khả năng chống ăn mòn và khả năng chống gấp khúc.

2. Làm việc với Nitinol

      Để có chức năng nhớ hình dạng, “một phần” của nó phải được thiết lập hình dạng. Phần này được giữ trong khuôn dưới áp suất khi được xử lý nhiệt ở 500 độ C và sau đó được làm nguội nhanh. Sau đó, nếu phần còn lại bị xoắn hoặc biến dạng dưới nhiệt độ biến đổi, nó sẽ trở lại hình dạng đã ghi nhớ sau khi đạt đến nhiệt độ biến đổi trong quá trình hơ nhiệt lại.

Nitinol cũng có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, khả năng này là kết quả của một lớp oxit titan thụ động bảo vệ vật liệu nền khỏi bị ăn mòn và giải phóng niken. “Trên thực tế,” Confluent Medical Technologies, một nhà sản xuất thiết bị y tế ở Fremont, California, Mỹ viết, “nhiều nhà nghiên cứu báo cáo rằng Nitinol chống ăn mòn tốt hơn thép không gỉ. Xử lý bề mặt cũng rất quan trọng để có khả năng tương thích sinh học tốt và hiệu suất chống ăn mòn. ”

Vật liệu dễ mài mòn vì bề mặt cứng titan oxit của nó, Nitinol tạo ra độ mòn dụng cụ đáng kể trên thiết bị phay, tiện và mài.

“Gia công carbide rất được khuyến khích,” Confluent nói. “Trong quá trình mài không tâm, đảm bảo chất bôi trơn làm mát đầy đủ. Nitinol cũng có thể được gia công phóng điện (EDM), cắt tia nước và gia công bằng laser với kết quả xuất sắc. ”

Hãy nhớ rằng Nitinol rất đắt để sản xuất, mua và gia công thiết kế, do đó, để có lãi, những chi phí này phải tương đối nhỏ so với giá của sản phẩm cuối cùng. Craig Bonsignore, phó chủ tịch phụ trách công nghệ ứng dụng của Confluent chỉ ra: ““Đúng với nhiều sản phẩm y tế, trong đó Nitinol cho phép các phương pháp xâm lấn tối thiểu mà nếu không sẽ yêu cầu phẫu thuật tốn kém hơn và / hoặc rủi ro hơn.”

3. Ứng dụng

      Sự kết hợp độc đáo giữa khả năng nhớ hình dạng, tính siêu đàn hồi và tính tương thích sinh học làm cho Nitinol trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng y tế và nha khoa. Các sản phẩm bao gồm dây cung chỉnh nha, bộ lọc và neo xương. Tính chất siêu đàn hồi của Nitinol đặc biệt có lợi cho stent*, thiết bị dạng lưới giúp củng cố cấu trúc mạch máu. Stent Nitinol (hoặc van tim) có thể được nén thành hình dạng vừa với ống thông. Khi ống thông được đặt ở vị trí chính xác trong mạch máu, stent sẽ được giải phóng và trở về hình dạng đã định trước, giữ cho thành mạch máu mở ra.

Bonsignore cho biết: “Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ khá đầu tư vào các ứng dụng ghi nhớ hình dạng, đáng chú ý nhất là trong các động cơ phản lực thương mại mới hơn có thể thay đổi hình dạng để tối ưu hóa tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu ở các tầng bay khác nhau,” . Nitinol cũng là một thành phần quan trọng trong các thiết bị điều khiển bằng robot, bảng điều khiển chuyến bay, càng máy bay và bộ điều khiển được kích hoạt bằng nhiệt.

Các nhà nghiên cứu cũng đã phát triển các hạt nano Nitinol cho các cảm biến điện và nhiệt trong các thiết bị cho ngành hàng không vũ trụ, điện tử, quang học, y sinh và hóa dầu. Các phân tử này cho phép truyền năng lượng điện mà không bị quá nóng. Nitinol cũng được sử dụng để sản xuất gọng kính, robot, thiết bị gia dụng và hệ thống phun nước chữa cháy. Một ứng dụng ít nguy hiểm hơn, Nitinol cho phép những chiếc thìa từ cửa hàng ma thuật có thể uốn cong khi đặt trong nước nóng.

Bonsignore cảnh báo rằng, mặc dù Nitinol có một số đặc trưng rất hấp dẫn, nhưng việc sử dụng nó đi kèm với chi phí đáng kể. Ông khuyên: “Đừng sử dụng Nitinol nếu bạn không cần thiết, hoặc nếu ứng dụng không đủ khả năng”. “Chúng tôi dành một khoảng thời gian đáng kể để cố gắng thuyết phục khách hàng không sử dụng vật liệu này”.

Mặc dù các kỹ sư cần mẫn có thể tạo tiến triển tốt với một số mẫu vật liệu được mua trực tuyến, các công cụ tạo hình đơn giản và lò nung khí, Bonsignore khuyến nghị “việc thu hút một nhà sản xuất đã trải nghiệm với vật liệu để tránh những cạm bẫy phổ biến và đạt được tiến độ nhanh chóng. Nhiều kỹ sư không đánh giá cao tầm quan trọng của quá trình xử lý nhiệt và xử lý bề mặt đối với các đặc tính cơ học và mỏi của vật liệu, vì vậy làm việc với một nhà sản xuất có kinh nghiệm có thể tác động đáng kể đến kết quả đầu ra. 

Tác giả: Trần Thị Hương.

 Source: Mark Crawford, Metal That Remembers Its Shape, The American Society of Mechanical Engineers, Jul 1,2017.

(https://www.asme.org/topics-resources/content/metal-that-remembers-its-shape?fbclid=IwAR2He0oYE-0KwIkKeRZ53YyYUKO6cSTfBW5Xanl0jVfS9-K_1TApiecj6DM)

Chú thích

*Stent: một ống nhựa hoặc kim loại hẹp ngắn thường ở dạng lưới được đưa vào lòng mạch giải phẫu (chẳng hạn như động mạch hoặc ống mật), đặc biệt là để giữ cho lối đi bị tắc nghẽn trước đó được mở.