Hợp kim nhớ hình

Lịch sử

Các hợp kim hệ Ni- Ti là các SMA được ứng dụng rộng rài nhất. Các SMA khác bao gồm các họ hợp kim Au- Al- Ni, Cu- Zn- Al và Fe- Mn- Si. Tên gọi chung của các SMA họ Ni- Ti là Nitinol. Lịch sử của các SMA bắt đầu từ năm 1961 khi William J. Buehler, một nhà nghiên cứu tại Naval Ordnance Laboratory, phát hiện ra hiệu ứng nhớ hình ở hợp kim Nitinol (Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory). Phát hiện này là một sự tình cờ may mắn: Tại một cuộc họp của Phòng thí nghiệm, một thanh Nitinol được đem ra trình diễn về khả năng uốn cong nhiều lần. Một trong những người tham gia thuyết trình, TS David S. Muzzey, nung nóng nó bằng cái bật lửa của ông, và thật ngạc nhiên, thanh kim loại phục hồi lại hình dạng ban đầu.

Cấu trúc tinh thể của SMA

Nguyên nhân các SMA có thể “nhớ” được hình dạng của mình vẫn nằm trong màn bí ẩn sau phát minh trên. TS Frederick E. Wang, một chuyên gia trong ngành vật lý tinh thể, là người đầu tiên chỉ ra rằng chính các thay đổi trong cấu trúc ở thang nguyên tử gây ra các tính chất của SMA.

Ông nhận thấy rằng đã có chuyển biến pha ở trạng thái rắn xảy ra đối với các hợp kim này. Chuyển biến pha này, sau này được gọi là chuyển biến martensite, có liên quan mật thiết tới sự thay đổi trong sắp xếp các nguyên tử trong mạng tinh thể của hợp kim. Dưới nhiệt dộ chuyển biến, Nitinol có cấu trúc matensite. Khi thành phần của Nitinol thay đổi, nhiệt độ chuyển biến dao động từ -50 đến 166 ° C. Ở trạng thái martensite, có thể được uốn thành rất nhiều hình dạng khác nhau. Để “định” một “hình dạng gốc” cho Nitinol, người ta giữ nó ở vị trí biến dạng đó và nung lên nhiệt độ khoảng 500 độ C. Nhiệt độ cao làm cho các nguyên tử tự sắp xếp theo các cấu trúc compact (bó gọn) và theo trật tự khả dĩ, kết quả là tạo ra pha lập phương mà ta gọi là austenite. Trên nhiệt độ chuyển biến, nitinol chuyển từ pha M –> pha A và phục hồi “hình dạng gốc” của mình. Các chuyển biến này có thể lặp lại hàng triệu lần mà nitinol vẫn có thể “nhớ” được.

Chế tạo

Có nhiều cách để chế tạo nitinol. kỹ thuật phổ dụng hiện nay để chế tạo hợp kim Ni- Ti bao là các phương pháp nấu chảy chân không (vacuum melting): nấu chảy bằng dòng electron, nấu chảy bằng hồ quang trong chân không, nấu chảy cảm ứng trong chân không. Thỏi đúc được rèn, sau đó được cán thành thanh hoặc kéo dây. Nhiệt độ gia công ~ 700- 900 độ C.

Các hợp kim Ni- Ti cũng có thể gia công nguội được. Quy trình cũng tương tự như gia công dây Titan. Người ta dùng các khuôn kéo có kim cương và cacbit để chế tạo các sản phẩm dạng dây có đường kính 0.075- 1.25 mm. Gia công nguội làm thay đổi mạnh tính chất cơ lý của hợp kim Ni- Ti.

Tính chất

Tính chất của hợp kim Ni- Ti phụ thuộcthành phần hoá học và phương pháp chế tạo:

- Nhiệt độ chảy: 1240 – 1310 độ C

- Tỷ trọng : ~ 6.5 g/cm³

Nitinol có thể sinh ra một lực lớn khi chuyển biến về “hình dạng gốc”. Một vài tính chất đáng chú ý khác là khả năng chống ăn mòn, độ bền cao, phi từ tính, chịu nhiệt và độ dai lớn.

Các tính chất này dẫn đến các ứng dụng tuyệt vời của các Nitinol.

Ứng dụng

Nitinol có rất nhiều ứng dụng trong kỹ thuật quân sự, y học, kỹ thuật an toàn và trong chế tạo robot.

- Trong y học: Chế tạo các loại stent (một loại chi tiết siêu nhỏ cấy vào mạch máu để chống lại sự tắc ngh ẽn mạch máu do bám mỡ), chế tạo các loại nẹp xương, đỡ cột sống, van tim, nẹp chỉnh hình răng,….

- Trong chế tạo các thiết bị an toàn và thiết bị báo cháy,…

- Ứng dụng trong chế tạo đồ gia dụng: sensor nhiệt, bộ phát dao động trong các dụng cụ,…