facebook twitter instagram issuu linkedin research gate youtube ustv

Nauka na wyciągnięcie ręki

Obszar nauk humanistycznych
Obszar nauk społecznych
Obszar nauk ścisłych
Obszar nauk przyrodniczych
Obszar nauk technicznych
Obszar sztuki

Stopy z pamięcią kształtu NiTi

Kierownik projektu: prof. UŚ dr hab. Danuta Stróż z Zakładu Badań Strukturalnych

 

Badania nad nową generacją materiałów, wykazujących niekonwencjonalne właściwości

Stopy z pamięcią kształtu NiTi

zdjecieW Instytucie Nauki o Materiałach UŚ realizowany jest projekt badawczy MNiSW pt. „Kształtowanie struktury i właściwości nanokrystaliczncego stopu NiTi, wykazującego efekt pamięci kształtu”. Jego kierownikiem jest dr hab. Danuta Stróż.  

Stopy z pamięcią kształtu (ang. shape memory alloys) są unikatową klasą stopów metali, które mogą zmieniać kształt, przy podgrzaniu powyżej pewnej temperatury. Dzielą się na trzy grupy: na bazie nikiel-tytan (NiTi), na bazie miedzi i najnowsza generacja (znana od ok. 10-15 lat) ferromagnetyczne, to znaczy takie, gdzie efekt pamięci kształtu może być spowodowany zewnętrznym przyłożeniem pola magnetycznego. Zmiana kształtu polega na powrocie, w odpowiednich warunkach, materiału do kształtu wyjściowego, czyli tego, który został w pewnym sensie „zaprojektowany”. Materiały te wykazują dwie stabilne fazy: wysokotemperaturową (austenit) i niskotemperaturową (martenzyt). W stopach tych może występować: jednokierunkowy efekt pamięci kształtu (materiał odkształcony w niskiej temperaturze – a więc będący w stanie fazy martenzytycznej – po podgrzaniu ulega przemianie odwrotnej do fazy austenitycznej, w efekcie czego wraca do uprzedniego kształtu), dwukierunkowy efekt pamięci kształtu (polega na zachowaniu pamięci kształtu zarówno wysokotemperaturowej fazy macierzystej, jak i niskotemperaturowej fazy martenzytycznej), oraz zjawisko psuedosprężystości (jest ono związane z odwracalną przemianą martenzytyczną pod wpływem naprężenia zewnętrznego).

Wśród tych materiałów ponad 90% komercyjnych zastosowań mają stopy na osnowie NiTi, wykazujące nie tylko najsilniejszy efekt pamięci kształtu w porównaniu z pozostałymi stopami, ale także najlepsze właściwości mechaniczne, np. zdolność tłumienia drgań. Ponadto wykazują one doskonałą biokompatybilność, a zatem nadają się do stosowania jako biomateriały. Implanty ze stopów z pamięcią kształtu umożliwiają usprawnienia i uproszczenie wielu operacji. Ich stosowanie wymaga odpowiedniego doboru sposobu nagrzewania do temperatury odwrotnej przemiany. Można tak dobrać skład stopu, by przemiana i związane z tym odzyskanie kształtu następowały w temperaturze ciała pacjenta. Ze znanych zastosowań można wymienić: klamry do osteosyntezy i leczenia złamań żeber, płytki do osteosyntezy np. szczęki, druty łukowe w ortodoncji, gwoździe kostne, tulejki dystansowe w leczeniu schorzeń kręgosłupa, stenty, filtry do blokady skrzepów krwi czy elementy narzędzi chirurgicznych. Ponadto stopy metali z pamięcią kształtu znalazły zastosowanie w nowoczesnych dziedzinach techniki. Użycie ich umożliwia wprowadzanie nowych zasad konstrukcyjnych, możliwe jest znaczne uproszczenie konstrukcji, miniaturyzacja produktów oraz obniżanie kosztów wytworzenia. Spośród licznych zastosowań można wymienić: trwałe połączenie elektryczne i mechaniczne, temperaturowe zawory bezpieczeństwa w sieci gazowej, czujniki przeciwpożarowe, zabezpieczenie przed spaleniem elektrycznego sprzętu gospodarstwa domowego, systemy regulacyjne w grzejnikach wodnych, systemy regulacji dopływu paliwa i powietrza do gaźnika w silnikach samochodowych, automatyczne systemy zamykania i otwierania okien w szklarniach, elementy siłowe w wyłącznikach obwodów elektrycznych, układy tłumiące drgania i hałas, elementy robotów. Stopy metali z pamięcią kształtu zastępują niekiedy bimetale. Właśnie te, coraz szerzej zakrojone ich zastosowania stawiają coraz wyższe wymagania co do właściwości funkcjonalnych materiałów tj. jedno – lub dwukierunkowego efektu pamięci kształtu i pseudosprężystości, a także innych, np. właściwości plastycznych, sprężystych, zmęczeniowych czy odporności antykorozyjnej. Stąd zagadnienia związane z możliwością kształtowania właściwości materiału z pamięcią kształtu poprzez niekonwencjonalne technologie ich wytwarzania czy ulepszania ich powierzchni, przeżywają falę nowego dużego zainteresowania badaczy.

Istota i mechanizm efektów pamięci kształtu wydają się być znane i zrozumiane, jednakże sekwencja przemian martenzytycznych w stopach NiTi, ich temperatury charakterystyczne bardzo silnie zależą od struktury materiału i są wciąż przedmiotem intensywnych badań. Inną unikalną cechą tego materiału jest jego podatność do amorfizacji w stanie stałym. Stwierdzono możliwość amorfizacji stopu NiTi poprzez napromieniowanie wiązką różnych cząstek a także poprzez mechaniczne stopowanie. Cienkie warstwy stopu NiTi osadzane różnymi metodami są zazwyczaj amorficzne w stanie bezpośrednio po napyleniu. Również metodą szybkiego chłodzenia z fazy ciekłej można uzyskać amorficzne bądź częściowo amorficzne taśmy ze stopu na bazie NiTi.  

zdjecie

Obrazy struktury stopu NiTi zawierającego soczewkowate cząstki
Fazy Ni4Ti3 podczas chłodzenia w elektronowym mikroskopie transmisyjnym.
Przemiana martenzytyczna zachodzi najpierw wokół cząstek (a),
a następnie, po obniżeniu temperatury, w obszarach pomiędzy cząstkami (b)

Rozwój metod intensywnych odkształceń plastycznych stworzył możliwość uzyskania litych nanokrystalicznych materiałów o nowych, unikatowych właściwościach. Wykazano, że takie techniki, jak skręcanie pod wysokim ciśnieniem hydrostatycznym czy wielokrotne kątowe kanałowe prasowanie można z powodzeniem zastosować nie tylko do metali i stopów, ale również do zazwyczaj kruchych faz międzymetalicznych. Uzyskano nanokrystaliczne struktury o zdecydowanie różnych od materiału wyjściowego właściwościach, łączące wysoką wytrzymałość z dobrą ciągliwością i plastycznością. Z tego punktu widzenia zastosowanie intensywnego odkształcenia plastycznego do stopu z pamięcią kształtu NiTi jest bardzo obiecujące. W termosprężystej przemianie martenzytycznej tworzenie się odpowiednich wariantów płytek martenzytu kompensuje odkształcenia sieci wywołane przemianą, a niewielkie resztkowe odkształcenia są sprężyście akomodowane. Zarówno odkształcenia przemiany poszczególnych wariantów martenzytu, jak i tworzenie się powierzchni granicznych pomiędzy płytkami stanowią barierę energetyczną przemiany. W przypadku przemiany martenzytycznej, zachodzącej w nanomateriałach, geometryczne przeszkody, takie jak duża gęstość granic ziaren czy skończony rozmiar nanocząstek również działają przeciwko przemianie, podwyższając jej barierę energetyczną i powodując zmiany w stabilności termicznej martenzytu i drodze jego przemiany.

Początkowo stosowano konwencjonalne walcowanie na zimno, otrzymując częściowo amorficzną i nanokrystaliczną strukturę, wykazującą bardzo dobry efekt nadsprężystości. W późniejszych pracach uzyskano w pełni amorficzną strukturę stosując technikę skręcania pod wysokim ciśnieniem hydrostatycznym. Wstępne badania właściwości mechanicznych nanokrystalicznego stopu NiTi wykazały bardzo duży wzrost jego wytrzymałości przy dobrej plastyczności zarówno w temperaturze pokojowej jak i w podwyższonych temperaturach. Brak jest dotychczas systematycznych badań wpływu warunków technologicznych wytwarzania nanokrystalicznych stopów NiTi na strukturę, przebieg zachodzących przemian w powiązaniu z możliwościami kształtowania właściwości użytkowych tych materiałów. Mechanizmy amorfizacji i późniejszej krystalizacji stopów z pamięcią kształtu NiTi, wpływ składu chemicznego stopu wyjściowego, problem jednorodności amorficznej struktury uzyskanej w wyniku intensywnych odkształceń plastycznych pozostają ciągle otwarte.

Podstawowym celem projektu, realizowanego w Instytucie Nauki o Materiałach, jest określenie mechanizmów amorfizacji i następnej krystalizacji litych stopów NiTi, analiza uzyskanych struktur nanokrystalicznych i ultradrobnoziarnistych w zależności od warunków wytwarzania oraz ocena ich wpływu na przebieg przemian martenzytycznych i właściwości funkcjonalne tych materiałów. Istotą projektu jest fakt, iż przebieg termosprężystej przemiany martenzytycznej, odpowiedzialnej za efekty pamięci kształtu, może ulec istotnej zmianie w ziarnach o wielkości nanometrycznej na skutek znaczącego oddziaływania energii powierzchni granic ziaren oraz wpływu ich otoczenia (ziarna nanokrystaliczne w amorficznej osnowie, materiał w pełni skrystalizowany o strukturze ultradrobnoziarnistej). Przemiana martenzytyczna zachodząca w gruboziarnistych stopach z pamięcią kształtu powoduje powstanie układów samoakomodujących się płytek martenzytu o niskiej energii granic rozdziału, kompensując odkształcenia przemiany. W nanokrystalicznych materiałach, uzyskanych w wyniku intensywnych odkształceń plastycznych, duża gęstość dyslokacji aktywnych podczas odkształcania prowadzi do nieregularnej struktury granic ziaren, rozdrobnienia struktury, a w przypadku stopów NiTi do częściowej bądź całkowitej amorfizacji materiału. Stan ten powoduje zmiany w morfologii tworzącego się, podczas przemiany, martenzytu, zmiany sekwencji danych przemian, a to z kolei wpływa zasadniczo na makroskopowe termosprężyste zachowanie się materiału tj. efekt pamięci kształtu i pseudosprężystość. Stąd, istotną częścią planowanych zadań będą kompleksowe badania strukturalne, w tym również badania in-situ podczas chłodzenia i grzania (rentgenowska analiza fazowa, transmisyjna mikroskopia i dyfrakcja elektronowa, obserwacje wysoko-rozdzielcze) zarówno próbek poddanych intensywnym odkształceniom plastycznym jak i późniejszemu wyżarzaniu w szerokim zakresie temperatur i czasów.

– Chcemy doprowadzić najpierw do stanu amorficznego stopu, a potem, przez odpowiednie wygrzewanie, do otrzymania struktury nanokrystalicznej, która – a są takie przesłanki – mogłaby wykazywać jeszcze lepsze właściwości, niż klasyczne stopy krystaliczne nikiel-tytan – mówi dr hab. Danuta Stróż.

Autorzy projektu mają nadzieję, iż uzyskane wyniki przyczynią się do wyjaśnienia mechanizmu amorfizacji i następnej krystalizacji stopów NiTi poddanych intensywnym odkształceniom plastycznym. Kolejnym celem projektu jest także określenie właściwości użytkowych i mechanicznych badanych stopów w powiązaniu ze strukturą materiału, co pozwoli na wyjaśnienie obserwowanych zmian.

Tekst został również opublikowany w „Gazecie Uniwersyteckiej UŚ” nr 6 (176) marzec 2010.

 

Skróty

Biuletyn Informacji Publicznej
Copyright © 2001-2019
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wszelkie prawa zastrzeżone.