Ein Überblick über den Nitinol

Eine Nickel-Titan-Legierung, auch Nitinol genannt, ist eine binäre Legierung, die aus Nickel und Titan besteht. Die beiden Elemente haben ungefähr den gleichen Atomprozentsatz (Nitinol 55 und Nitinol 60 sind üblich).

Austenitische Phase und martensitische Phase

Aufgrund von Temperaturschwankungen und mechanischem Druck weist Nitinol zwei verschiedene Kristallstrukturphasen auf, nämlich die austenitische Phase und die martensitische Phase.

Bei Nitinol wird der Austenit als Mutterphase bezeichnet, das ist die Kristallphase, die die Legierung bei hohen Temperaturen aufweist. Wenn die Temperatur sinkt, wandelt sich der Austenit allmählich in Martensit (Unterphase) um.

Bei der Umwandlung von Martensit in Austenit gibt es vier Arten von Temperaturen:

* As: die Temperatur, bei der die Umwandlung von Martensit in Austenit während des Temperaturanstiegs beginnt.

* Af: die Temperatur, bei der die Umwandlung von Martensit in Austenit während des Temperaturanstiegs abgeschlossen ist.

* Ms: die Temperatur, bei der die Umwandlung von Austenit in Martensit während des Temperaturabfalls beginnt.

* Mf: die Temperatur, bei der die Umwandlung von Austenit in Martensit während des Temperaturabfalls abgeschlossen ist.

Die Phasenumwandlung von Nitinol weist eine thermische Hysterese auf, daher ist As nicht gleich Mf, und aus demselben Grund ist Af nicht gleich Ms.

Zwei Eigenschaften von Nitinol

1. Formgedächtnis

Formgedächtnis tritt auf, wenn die Mutterphase einer bestimmten Form von einer Temperatur oberhalb der Af-Temperatur auf eine Temperatur unterhalb der Mf-Temperatur abgekühlt wird und sich vollständig in Martensit umwandelt, wobei der Martensit unterhalb der Mf-Temperatur verformt wird. Nach der Erwärmung auf eine Temperatur unterhalb der Af-Temperatur nimmt das Material durch Phasenumkehr automatisch wieder die Form der Mutterphase an. Der Formgedächtniseffekt ist in der Tat ein thermisch induzierter Phasenübergangsprozess von Nitinol. Er bezieht sich auf die Fähigkeit von Nitinol, sich bei einer bestimmten Temperatur zu verformen und dann die ursprüngliche, nicht verformte Form wiederherzustellen, wenn die Temperatur höher ist als seine "Übergangstemperatur".

2. Superelastizität

Die so genannte Superelastizität bezieht sich auf das Phänomen, dass die Probe unter Einwirkung äußerer Kräfte eine Dehnung erzeugt, die weit über der elastischen Grenzdehnung liegt, und dass sich die Dehnung bei Entlastung automatisch zurückbilden kann. In der Mutterphase löst die Dehnung aufgrund der Einwirkung äußerer Spannungen einen martensitischen Phasenübergang aus, so dass die Legierung ein mechanisches Verhalten zeigt, das sich von dem gewöhnlicher Werkstoffe unterscheidet. Ihre Elastizitätsgrenze ist viel größer als die von gewöhnlichen Werkstoffen. Außerdem folgt sie nicht mehr dem Hooke'schen Gesetz. Im Gegensatz zum Formgedächtniseffekt ist bei der Superelastizität keine Wärme erforderlich.

Anwendungen von Nitinol

1. Brillengestelle

Obwohl viele Anwendungen von Nitinol für die breite Öffentlichkeit unsichtbar sind, sind einige durchaus bekannt. Brillengestelle aus Nitinol können stark verformt werden, kehren dann aber wieder perfekt in ihre ursprüngliche Form zurück. Vor einigen Jahren, als Mobiltelefone ausziehbare Antennen hatten, wurden viele dieser Antennen aus Nitinol hergestellt, so dass sie sich biegen konnten, ohne zu brechen oder sich dauerhaft zu verbiegen.

2. Kieferorthopädie

Eine weitere superelastische Anwendung, bei der Sie oder Ihre Kinder vielleicht schon einmal mit Nitinol in Berührung gekommen sind, sind die Bögen, die von Kieferorthopäden verwendet werden. Der Kieferorthopäde nimmt einen Nitinoldraht und biegt ihn, um ihn an den Zähnen zu befestigen. Da der Draht superelastisch ist, versucht er, in seinen geraden Zustand zurückzukehren, und übt ständig eine Kraft auf die Zähne aus. Auf diese Weise muss der Kieferorthopäde weniger häufig zum Festziehen der Zahnspange aufgesucht werden.

3. Medizinische Geräte

Chirurgische Instrumente und Komponenten aus Nitinol erfüllen zahlreiche Anforderungen, insbesondere in der minimalinvasiven oder arthroskopischen Chirurgie. Sie können die Vorteile der Superelastizität und Ermüdungsbeständigkeit von Nitinol nutzen. Ein gebogenes Werkzeug kann geradegebogen und durch eine Kanüle, ein starres Rohr, eingeführt werden. Nach dem Austritt aus der Kanüle nimmt das Werkzeug wieder seine ursprüngliche Form an. Der Chirurg führt den Eingriff durch, und dann wird das Werkzeug wieder in die Kanüle zurückgezogen, wo es sich wieder aufrichtet und leicht entfernt werden kann.

Die superelastische Qualität von Nitinol und seine Biokompatibilität machen es ideal für die Herstellung vieler Arten von medizinischen Geräten, die in den Körper implantiert werden. Eine Anwendung, die vielen von uns vertraut ist, ist der Stent, eine Vorrichtung, die Blutgefäße stützt und offen hält. Dank der Superelastizität von Nitinol kann ein medizinisches Gerät wie ein Stent oder eine Herzklappe in eine Form gepresst werden, die in einen Katheter passt. Der Katheter wird an der richtigen Stelle im Körper positioniert, das Gerät wird losgelassen, und es nimmt seine ursprüngliche Form wieder an.

Aufgrund der gleichen Superelastizität ist Nitinol das einzige Material, das sich für Stents eignet, die in der Halsschlagader oder in den Blutgefäßen der Beine eingesetzt werden. An diesen gefährdeten Stellen führt ein Schlag auf den Bereich eines Stents zu dessen Verformung, aber ein Nitinol-Stent kehrt in seine vorgesehene Form zurück. Stents aus anderen Materialien würden bei einem solchen Aufprall zerdrückt oder dauerhaft verformt werden.

4. Andere Anwendungen

Eine Reihe weniger bekannter Anwendungen nutzt die Formgedächtnisfähigkeit von Nitinol. Ein bekannter Computerhersteller verwendete eine Nitinolvorrichtung zum Auswerfen von PCMCIA-Karten (Personal Computer Memory Card International Association). Außerdem wird Nitinol in Kupplungen verwendet, die die Enden von Hydraulikschläuchen in Flugzeugen verbinden. In einer weniger ernsthaften Anwendung ermöglicht Nitinol das Biegen von Löffeln aus dem Zauberladen, wenn sie in heißes Wasser gelegt werden.