鎳鈦合金是一種形狀記憶合金

1、鎳鈦合金在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用材料科學(xué)與工程學(xué)院08級 熱處理1班 單珺 080102010005一、鎳鈦合金的發(fā)展歷史可分為3 個階段:1、1963 年1986 年, 開展了初步的基礎(chǔ)研究, 包括相變行為、晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織、力學(xué)性能和冶煉加工制備技術(shù)等。20 世紀(jì)70 年代初, 美國Raychem 公司成功研制了NiTiFe 航空用液壓管路接頭和緊固件, 并應(yīng)用于F14 戰(zhàn)斗機(jī)中, 成為鎳鈦合金第一個成功的工業(yè)應(yīng)用實例。、2、1987 年1994 年, 深入細(xì)致地研究了基礎(chǔ)理論, 包括馬氏體的三變體自協(xié)作形狀恢復(fù)機(jī)制、線性超彈性和非線性超彈性的影響因素等 , 這個階段是鎳鈦合金工程的鼎盛時期。3、

2、1995 年至今, 一些新的鎳鈦合金加工技術(shù)和基礎(chǔ)理論問題不斷出現(xiàn), 如鎳鈦合金的表面改性技術(shù)、激光加工技術(shù)和脈動疲勞壽命測試等。二、NiTi合金形狀記憶效應(yīng)的原理和特性所謂形狀記憶效應(yīng)是指NiTi合金對它的金相幾何形狀有“記憶”本領(lǐng)，宏觀而言，將一定形狀的合金試樣，低溫塑形形變后，再將試樣加熱，試樣又回復(fù)到它原來的形狀，同時，產(chǎn)生巨大的回復(fù)力，例如橫截面積為lcm的合金棒，相變時產(chǎn)生850Okg的力。記憶效應(yīng)分三種:(1)單向記憶:低溫金相受力變形，高溫金相回到原狀。C2)雙向記憶:能記住高溫與低溫金相，隨溫度而發(fā)生順、逆性變化。(3)全程記憶:機(jī)理不甚明了，可能是金相中的一種內(nèi)應(yīng)力場起了主

3、要作用。形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)變量依合金的種類而各有所異，約5-20%之間(一般金屬小于0.5%),NiTi合金為8%。形狀記憶合金具有“熱彈性馬氏體型”相變。NiTi合金為例，高溫奧氏體相為體心立方有序晶體結(jié)構(gòu)CaCl型B2晶格，低溫馬氏體相(M)為單斜畸變結(jié)構(gòu)Bl9晶格，從BM，存在一個對雙程記憶效應(yīng)起著重要作用的R相變。在B2=R，R=M和R2=M的順、逆相變中，母和子相中相鄰原子位置不變，只是界面上原子發(fā)生協(xié)作位移-晶體切變。這種切變不但對記憶效應(yīng)和超彈性起了重要作用，而且也使其耐疲勞性能優(yōu)于一般金屬材料。具有記憶效應(yīng)的合金已發(fā)現(xiàn)20余種，實用化潛力大的有鎳基、銅基及鐵基形狀記憶合金。Nli

4、Ti合金為近等原子比的NiTi金屬間化合物。國產(chǎn)的醫(yī)用NiTi合金，Mi含量為50-53%。相變溫度可依臨床而行相應(yīng)的工藝處理;同時亦適當(dāng)改變它的彈性模量。三、鎳鈦合金的相變與性能 鎳鈦合金是一種形狀記憶合金，形狀記憶合金是能將自身的塑性變形在某一特定溫度下自動恢復(fù)為原始形狀的特種合金。它的伸縮率在20%以上，疲勞壽命達(dá)107次，阻尼特性比普通的彈簧高10倍，其耐腐蝕性優(yōu)于目前最好的醫(yī)用不銹鋼，因此可以滿足各類工程和醫(yī)學(xué)的應(yīng)用需求，是一種非常優(yōu)秀的功能材料。顧名思義，鎳鈦合金是由鎳和鈦組成二元合金，由于受到溫度和機(jī)械壓力的改變而存在兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)相，即奧氏體相和馬氏體相。 鎳鈦合金冷卻時的

5、相變順序為母相（奧氏體相）-R相-馬氏體相。 R相是菱方形，奧氏體是溫度較高（大于同樣地:即奧氏體開始的溫度）的時候，或者去處載荷（外力去除）時的狀態(tài)，立方體，堅硬。形狀比較穩(wěn)定。而馬氏體相是溫度相對較低（小于Mf:即馬氏體結(jié)束的溫度）或者加載（受到外力活化）時的狀態(tài)，六邊形，具有延展性，反復(fù)性，不太穩(wěn)定，較易變形。 四、鎳鈦合金的特殊性能 1、形狀記憶特性 形狀記憶是當(dāng)一定形狀的母相由Af溫度以上冷卻到Mf溫度以下形成馬氏體后，將馬氏體在Mf以下溫度形變，經(jīng)加熱至Af溫度以下，伴隨逆相變，材料會自動恢復(fù)其在母相時的形狀。實際上形狀記憶效應(yīng)是鎳鈦合金的一個由熱誘發(fā)的相變過程。 2、超彈性 所謂

6、的超彈性是指試樣在外力作用下產(chǎn)生遠(yuǎn)大于起彈性極限應(yīng)變量的應(yīng)變，在卸載時應(yīng)變可自動恢復(fù)的現(xiàn)象。即在母相狀態(tài)下，由于外加應(yīng)力的作用，導(dǎo)致應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變發(fā)生，從而合金表現(xiàn)出不同于普通材料的力學(xué)行為，它的彈性極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通材料，并且不再遵守虎克定律。和形狀記憶特性相比，超彈性沒有熱參與?？偠灾瑥椥允侵冈谝欢ㄐ巫兎秶鷥?nèi)應(yīng)力不隨應(yīng)變的增大而增大，可將超彈性分為線性超彈性和非線性超彈性兩類。前者的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)力與應(yīng)變接近線性關(guān)系。非線性超彈性是指在Af以上一定溫度區(qū)間內(nèi)加載和卸載過程中分別發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變及其逆相變的結(jié)果，因此非線性超彈性也稱相變偽彈性。鎳鈦合金的相變偽彈性可達(dá)8%左

7、右。 鎳鈦合金的超彈性可隨著熱處理的條件的變化而改變，當(dāng)弓絲被加熱到400ºC以上時，超彈性開始下降。3、抗腐蝕性能：有研究表明鎳鈦絲的抗腐蝕性能與不銹鋼絲相4、抗毒性： 鎳鈦形狀記憶合金特殊的化學(xué)組成,即這是一種鎳鈦等原子合金,含約50% 的鎳, 而已知鎳有致癌和促癌作用。一般情況情況下，表面層鈦氧化充當(dāng)了一種屏障，使Ni-Ti合金具有良好的生物相容性。表面層的TiXOy和TixNiOy能抑制Ni的釋放。 5、柔和的矯治力： 目前商業(yè)上應(yīng)用的牙齒矯形金屬絲包括奧氏體不銹鋼絲、鈷-鉻-鎳合金絲、鎳鉻合金絲、澳大利亞合金絲、金合金絲和鈦合金絲。關(guān)于這些正畸矯正金屬絲在拉伸試驗和三點彎曲

8、試驗條件的載荷-位移曲線。鎳鈦合金的卸載曲線平臺最低也最平，說明它最能提供持久柔和的矯治力。 6、良好的減震特性： 由于咀嚼及夜磨牙對于弓絲造成的震動越大，對牙根及牙周組織的損害越大。通過不同弓絲衰減實驗的結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)，不銹鋼絲震動的振幅比超彈性鎳鈦絲大，超彈性鎳鈦弓絲初始震動振幅僅為不銹鋼絲的一半, 弓絲良好的震動和減震特性對于牙齒的健康很重要，而傳統(tǒng)弓絲如不銹鋼絲，有加重牙根吸收的傾向。 7、生物力學(xué)相容性傳統(tǒng)用于制造介入醫(yī)療器械的材料，如不銹鋼、鈦和鈷鉻合金等，其與人體組織生物力學(xué)相容性比較差，順應(yīng)性很有限，應(yīng)變率在1左右，并且隨著外力的作用明顯呈線性增加或減少。相比之下，人體組織（Na

9、tural materials）如毛發(fā)（Hair）、骨骼（Bone）和肌腱（Tendon）能夠達(dá)到約10的應(yīng)變率，并且其應(yīng)變率與外力呈非線性關(guān)系，當(dāng)導(dǎo)致其發(fā)生形變的外力消失后，其形變能被很小的應(yīng)力所復(fù)原4。人體組織負(fù)荷/非負(fù)荷曲線所圍成的環(huán)具有明顯的滯后性，鎳鈦合金也有著相似的性能。五、鎳鈦合金在腦血管介入器械的應(yīng)用(1)頸動脈支架(Carotid stent) 主要用于治療頸動脈血管的狹窄，預(yù)防腦中風(fēng)。產(chǎn)品采用激光切割鎳鈦管材制成，屬于自擴(kuò)張支架。支架事先處理到需要的尺寸，然后壓握到輸送鞘管內(nèi)（5-6F，約1.67-2 mm），由于材料具有優(yōu)異的超彈性，支架在很小的鞘管內(nèi)不會發(fā)生塑性變形。輸送鞘管到達(dá)頸動脈狹窄部位后，后撤鞘管釋放支架，支架自行恢復(fù)其形狀，同時把狹窄的部位撐開。(2)遠(yuǎn)端保護(hù)器(Embolic protection device) 主要用于在頸動脈支架介入手術(shù)（CAS）中，在病變遠(yuǎn)端血管(顱內(nèi)頸內(nèi)動脈)收集斑塊，防止遠(yuǎn)端腦血管栓塞。產(chǎn)品采用鎳鈦絲材編織或者激光切割鎳鈦微管材制成骨架，定型成規(guī)定尺寸的各種特殊傘狀，然后在上面覆上高分子薄膜，再打上100200微米的孔，固定在導(dǎo)絲上。(3)腦動脈瘤支架(Cerebral