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Níquel titanio

El níquel titanio , también conocido como nitinol , es una aleación metálica de níquel y titanio , en la que los dos elementos están presentes en porcentajes atómicos aproximadamente iguales. Las diferentes aleaciones se nombran según el porcentaje en peso de níquel; por ejemplo, nitinol 55 y nitinol 60 .

Las aleaciones de nitinol presentan dos propiedades únicas y estrechamente relacionadas: el efecto de memoria de forma y la superelasticidad (también llamada pseudoelasticidad ). La memoria de forma es la capacidad del nitinol de sufrir deformación a una temperatura, permanecer en su forma deformada cuando se elimina la fuerza externa y luego recuperar su forma original, no deformada, al calentarse por encima de su "temperatura de transformación". La superelasticidad es la capacidad del metal de sufrir grandes deformaciones y volver inmediatamente a su forma no deformada al eliminar la carga externa. El nitinol puede deformarse y volver a su forma original de 10 a 30 veces más que los metales alternativos. El que el nitinol se comporte con efecto de memoria de forma o superelasticidad depende de si está por encima de su temperatura de transformación durante la acción. La acción por debajo de la temperatura de transformación exhibe el efecto de memoria de forma y por encima de la temperatura de transformación se comporta superelásticamente.

Historia

La palabra "nitinol" se deriva de su composición y su lugar de descubrimiento: ( Níquel Titanio - Laboratorio de Artillería Naval ) . William J. Buehler [1] junto con Frederick E. Wang , [2] descubrieron sus propiedades durante una investigación en el Laboratorio de Artillería Naval en 1959. [3] [4] Buehler estaba intentando hacer un mejor cono de nariz de misil, que pudiera resistir la fatiga , el calor y la fuerza del impacto . Habiendo descubierto que una aleación 1:1 de níquel y titanio podía hacer el trabajo, en 1961 presentó una muestra en una reunión de gestión de laboratorio. La muestra, doblada como un acordeón , fue pasada de mano en mano y flexionada por los participantes. Uno de ellos aplicó calor de su encendedor de pipa a la muestra y, para sorpresa de todos, la tira en forma de acordeón se contrajo y tomó su forma anterior. [5]

Si bien las posibles aplicaciones del nitinol se hicieron evidentes de inmediato, los esfuerzos prácticos para comercializar la aleación no se produjeron hasta una década después, en la década de 1980, en gran medida debido a la extraordinaria dificultad de fundir, procesar y mecanizar la aleación.

El descubrimiento del efecto de memoria de forma en general se remonta a 1932, cuando el químico sueco Arne Ölander [6] observó por primera vez la propiedad en aleaciones de oro y cadmio. El mismo efecto se observó en Cu-Zn ( latón ) a principios de la década de 1950. [7]

Mecanismo

Vista 3D de las estructuras de austenita y martensita del compuesto NiTi.

Las propiedades inusuales del nitinol se derivan de una transformación de fase de estado sólido reversible conocida como transformación martensítica , entre dos fases de cristal de martensita diferentes, que requiere 69–138 MPa (10 000–20 000 psi) de estrés mecánico.

A altas temperaturas, el nitinol asume una estructura cúbica simple interpenetrante denominada austenita (también conocida como fase madre). A bajas temperaturas, el nitinol se transforma espontáneamente en una estructura cristalina monoclínica más complicada conocida como martensita (fase hija). [8] Hay cuatro temperaturas de transición asociadas a las transformaciones de austenita a martensita y de martensita a austenita. A partir de la austenita completa, la martensita comienza a formarse a medida que la aleación se enfría a la llamada temperatura de inicio de la martensita , o M s , y la temperatura a la que se completa la transformación se denomina temperatura de finalización de la martensita , o M f . Cuando la aleación es completamente martensita y se somete a calentamiento, la austenita comienza a formarse a la temperatura de inicio de la austenita , A s , y termina a la temperatura de finalización de la austenita , A f . [9]

Histéresis térmica de la transformación de fase del nitinol

El ciclo de enfriamiento/calentamiento muestra histéresis térmica . El ancho de la histéresis depende de la composición precisa del nitinol y del procesamiento. Su valor típico es un rango de temperatura que abarca aproximadamente entre 20 y 50 °C (36 y 90 °F), pero se puede reducir o amplificar mediante aleación [10] y procesamiento. [11]

Dos aspectos clave de esta transformación de fase son cruciales para las propiedades del nitinol. En primer lugar, la transformación es "reversible", lo que significa que el calentamiento por encima de la temperatura de transformación revertirá la estructura cristalina a la fase austenítica más simple. El segundo punto clave es que la transformación en ambas direcciones es instantánea.

La estructura cristalina de la martensita (conocida como monoclínica o estructura B19') tiene la capacidad única de sufrir una deformación limitada en algunos aspectos sin romper los enlaces atómicos. Este tipo de deformación se conoce como maclado , que consiste en la reorganización de los planos atómicos sin provocar deslizamiento o deformación permanente. Es capaz de sufrir una deformación de entre el 6 y el 8 % de esta manera. Cuando la martensita se revierte a austenita mediante calentamiento, se restaura la estructura austenítica original, independientemente de si la fase de martensita se deformó. De este modo, se "recuerda" la forma de la fase de austenita de alta temperatura, aunque la aleación se deforme gravemente a una temperatura más baja. [12]

Vista 2D de la estructura cristalina del nitinol durante el ciclo de enfriamiento/calentamiento

Se puede generar una gran cantidad de presión al evitar la reversión de la martensita deformada a austenita, desde 240 MPa (35 000 psi) hasta, en muchos casos, más de 690 MPa (100 000 psi). Una de las razones por las que el nitinol trabaja tan duro para volver a su forma original es que no es simplemente una aleación de metal común, sino lo que se conoce como un compuesto intermetálico . En una aleación común, los componentes están ubicados aleatoriamente en la red cristalina; en un compuesto intermetálico ordenado, los átomos (en este caso, níquel y titanio) tienen ubicaciones muy específicas en la red. [13] El hecho de que el nitinol sea un intermetálico es en gran medida responsable de la complejidad en la fabricación de dispositivos hechos de la aleación. [ ¿ Por qué? ]

El efecto de la composición de nitinol en la temperatura Ms.

Para fijar la "forma original", la aleación debe mantenerse en su posición y calentarse a unos 500 °C (930 °F). Este proceso suele denominarse " fijación de forma" . [14] También se observa un segundo efecto, llamado superelasticidad o pseudoelasticidad, en el nitinol. Este efecto es el resultado directo del hecho de que la martensita se puede formar mediante la aplicación de una tensión, así como mediante enfriamiento. Por tanto, en un determinado rango de temperaturas, se puede aplicar una tensión a la austenita, lo que hace que se forme martensita y, al mismo tiempo, cambie de forma. En este caso, tan pronto como se elimina la tensión, el nitinol volverá espontáneamente a su forma original. En este modo de uso, el nitinol se comporta como un superresorte, que posee un rango elástico de 10 a 30 veces mayor que el de un material de resorte normal. Sin embargo, existen limitaciones: el efecto solo se observa hasta unos 40 °C (72 °F) por encima de la temperatura A f . Este límite superior se denomina M d , [15] que corresponde a la temperatura más alta en la que aún es posible inducir por tensión la formación de martensita. Por debajo de M d , la formación de martensita bajo carga permite la superelasticidad debido al maclado. Por encima de M d , dado que ya no se forma martensita, la única respuesta a la tensión es el deslizamiento de la microestructura austenítica y, por lo tanto, la deformación permanente.

El nitinol se compone típicamente de aproximadamente 50 a 51% de níquel en porcentaje atómico (55 a 56% en porcentaje en peso). [13] [16] Realizar pequeños cambios en la composición puede cambiar significativamente la temperatura de transición de la aleación. Las temperaturas de transformación en nitinol se pueden controlar hasta cierto punto, donde la temperatura A f varía de aproximadamente −20 a +110 °C (−4 a 230 °F). Por lo tanto, es una práctica común referirse a una formulación de nitinol como "superelástica" o "austenítica" si A f es menor que una temperatura de referencia, mientras que como "con memoria de forma" o "martensítica" si es mayor. La temperatura de referencia generalmente se define como la temperatura ambiente o la temperatura corporal humana (37 °C o 99 °F).

Un efecto que se encuentra a menudo en el nitinol es la denominada fase R. La fase R es otra fase martensítica que compite con la fase martensítica mencionada anteriormente. Debido a que no ofrece los grandes efectos de memoria de la fase martensítica, por lo general no es de uso práctico.

Fabricación

El nitinol es extremadamente difícil de fabricar debido al control excepcionalmente estricto de la composición que se requiere y a la tremenda reactividad del titanio. Cada átomo de titanio que se combina con oxígeno o carbono es un átomo que se roba de la red de NiTi, lo que modifica la composición y hace que la temperatura de transformación sea menor.

En la actualidad, se utilizan dos métodos principales de fusión. La refusión por arco al vacío (VAR) se realiza mediante la formación de un arco eléctrico entre la materia prima y una placa de cobre refrigerada por agua. La fusión se realiza en un alto vacío y el molde en sí es de cobre refrigerado por agua. La fusión por inducción al vacío (VIM) se realiza utilizando campos magnéticos alternos para calentar las materias primas en un crisol (generalmente de carbono). Esto también se realiza en un alto vacío. Si bien ambos métodos tienen ventajas, se ha demostrado que un material fundido por VIM de última generación industrial tiene inclusiones más pequeñas que uno de VAR de última generación industrial, lo que conduce a una mayor resistencia a la fatiga. [17] Otras investigaciones indican que la VAR que emplea materias primas de pureza extremadamente alta puede conducir a una cantidad reducida de inclusiones y, por lo tanto, a un mejor comportamiento ante la fatiga. [18] También se utilizan otros métodos a escala de boutique, incluida la fusión por arco de plasma, la fusión por cráneo por inducción y la fusión por haz de electrones. La deposición física de vapor también se utiliza a escala de laboratorio.

El tratamiento térmico del nitinol es un proceso delicado y crítico. Es un proceso que requiere un gran conocimiento para ajustar las temperaturas de transformación. El tiempo y la temperatura de envejecimiento controlan la precipitación de varias fases ricas en níquel y, por lo tanto, controlan la cantidad de níquel que reside en la red NiTi; al agotar la matriz de níquel, el envejecimiento aumenta la temperatura de transformación. La combinación de tratamiento térmico y trabajo en frío es esencial para controlar las propiedades de los productos de nitinol. [19]

Desafíos

Las fallas por fatiga de los dispositivos de nitinol son un tema de discusión constante. Debido a que es el material de elección para aplicaciones que requieren una enorme flexibilidad y movimiento (por ejemplo, stents periféricos, válvulas cardíacas, actuadores termomecánicos inteligentes y microactuadores electromecánicos), está necesariamente expuesto a tensiones de fatiga mucho mayores en comparación con otros metales. Si bien el rendimiento de fatiga controlada por tensión del nitinol es superior al de todos los demás metales conocidos, se han observado fallas por fatiga en las aplicaciones más exigentes; por lo que se están realizando grandes esfuerzos para comprender y definir mejor los límites de durabilidad del nitinol.

El nitinol es mitad níquel, por lo que ha habido una gran preocupación en la industria médica con respecto a la liberación de níquel, un alérgeno conocido y posible carcinógeno. [19] (El níquel también está presente en cantidades sustanciales en el acero inoxidable y las aleaciones de cobalto-cromo que también se utilizan en la industria médica). Cuando se trata (mediante electropulido o pasivación ), el nitinol forma una capa protectora de TiO2 muy estable que actúa como una barrera eficaz y autocurativa contra el intercambio iónico; se ha demostrado repetidamente que el nitinol libera níquel a un ritmo más lento que el acero inoxidable, por ejemplo. Los primeros dispositivos médicos de nitinol se fabricaron sin electropulido y se observó corrosión. [ cita requerida ] Los stents vasculares metálicos autoexpandibles de nitinol de la actualidad no muestran evidencia de corrosión o liberación de níquel, y los resultados en pacientes con y sin alergias al níquel son indistinguibles. [ cita requerida ]

Existen constantes y prolongadas discusiones [¿ por quién? ] con respecto a las inclusiones en nitinol, tanto TiC como Ti2NiOx . Como en todos los demás metales y aleaciones , se pueden encontrar inclusiones en nitinol. El tamaño, la distribución y el tipo de inclusiones se pueden controlar hasta cierto punto. Teóricamente, inclusiones más pequeñas, más redondeadas y en menor cantidad deberían conducir a una mayor durabilidad por fatiga. En la literatura, algunos trabajos tempranos informan que no han logrado mostrar diferencias mensurables, [ 20] [21] mientras que estudios nuevos demuestran una dependencia de la resistencia a la fatiga del tamaño típico de la inclusión en una aleación. [17] [18] [22] [23] [24]

El nitinol es difícil de soldar, tanto a sí mismo como a otros materiales. La soldadura láser de nitinol a sí mismo es un proceso relativamente rutinario. Se han realizado uniones resistentes entre cables de NiTi y cables de acero inoxidable utilizando un relleno de níquel. [25] Se han realizado soldaduras láser y con gas inerte de tungsteno (TIG) entre tubos de NiTi y tubos de acero inoxidable. [26] [27] Se están realizando más investigaciones sobre otros procesos y otros metales a los que se puede soldar nitinol.

La frecuencia de actuación del nitinol depende de la gestión del calor, especialmente durante la fase de enfriamiento. Se utilizan numerosos métodos para aumentar el rendimiento de enfriamiento, como aire forzado, [28] líquidos que fluyen, [29] módulos termoeléctricos (es decir, bombas de calor Peltier o semiconductoras), [30] disipadores de calor, [31] materiales conductores [32] y una mayor relación superficie-volumen [33] (mejoras de hasta 3,3 Hz con cables muy delgados [34] y hasta 100 Hz con películas delgadas de nitinol [35] ). La actuación de nitinol más rápida registrada fue realizada por una descarga de condensador de alto voltaje que calentó un cable SMA en cuestión de microsegundos y dio como resultado una transformación de fase completa (y altas velocidades) en unos pocos milisegundos. [36]

Los avances recientes han demostrado que el procesamiento del nitinol puede ampliar las capacidades termomecánicas, lo que permite incorporar múltiples memorias de forma dentro de una estructura monolítica. [37] [38] La investigación sobre tecnología de memoria múltiple está en curso y puede generar dispositivos de memoria de forma mejorados en el futuro cercano, [39] [40] y la aplicación de nuevos materiales y estructuras de materiales, como materiales híbridos con memoria de forma (SMM) y compuestos con memoria de forma (SMC). [41]

Aplicaciones

Un clip de nitinol doblado y recuperado después de ser colocado en agua caliente

Existen cuatro tipos de aplicaciones comúnmente utilizadas para el nitinol:

Recuperación gratuita
El nitinol se deforma a baja temperatura, permanece deformado y luego se calienta para recuperar su forma original a través del efecto de memoria de forma.
Recuperación limitada
Similar a la recuperación libre, excepto que la recuperación se impide rígidamente y por lo tanto se genera estrés.
Producción de trabajo
Se permite que la aleación se recupere, pero para ello debe actuar contra una fuerza (realizando así trabajo).
Superelasticidad
El nitinol actúa como un súper resorte a través del efecto superelástico.

Los materiales superelásticos sufren una transformación inducida por la tensión y se reconocen comúnmente por su propiedad de "memoria de forma". Debido a su superelasticidad, los cables de NiTi exhiben un efecto "elastocalórico", que es un calentamiento/enfriamiento activado por la tensión. Los cables de NiTi están siendo investigados actualmente como el material más prometedor para la tecnología. El proceso comienza con una carga de tracción sobre el cable, que hace que el fluido (dentro del cable) fluya hacia HHEX (intercambiador de calor caliente). Simultáneamente, se expulsará calor, que se puede utilizar para calentar el entorno. En el proceso inverso, la descarga de tracción del cable hace que el fluido fluya hacia CHEX (intercambiador de calor frío), lo que hace que el cable de NiTi absorba calor del entorno. Por lo tanto, la temperatura del entorno se puede reducir (enfriar).

Los dispositivos elastocalóricos se comparan a menudo con los dispositivos magnetocalóricos como nuevos métodos de calentamiento/enfriamiento eficientes. El dispositivo elastocalórico fabricado con alambres de NiTi tiene una ventaja sobre el dispositivo magnetocalórico fabricado con gadolinio debido a su poder de enfriamiento específico (a 2 Hz), que es 70 veces mejor (7 kWh/kg frente a 0,1 kWh/kg). Sin embargo, el dispositivo elastocalórico fabricado con alambres de NiTi también tiene limitaciones, como su corta vida útil por fatiga y la dependencia de grandes fuerzas de tracción (consumo de energía).

En 1989 se realizó una encuesta en Estados Unidos y Canadá en la que participaron siete organizaciones. La encuesta se centró en predecir la tecnología, el mercado y las aplicaciones futuras de los SMA. Las empresas predijeron los siguientes usos del nitinol en orden decreciente de importancia: (1) Acoplamientos, (2) Biomédico y médico, (3) Juguetes, demostración, artículos novedosos, (4) Actuadores, (5) Motores térmicos, (6) Sensores, (7) Zócalos de memoria de burbuja y matriz activados criogénicamente y, por último, (8) Dispositivos de elevación. [42]

Actuadores térmicos y eléctricos

Aplicaciones biocompatibles y biomédicas

Sistemas de amortiguamiento en ingeniería estructural

Otras aplicaciones y prototipos

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Lectura adicional

Un proceso de fabricación de piezas y formas de Nitinol Tipo 60 que tienen un efecto de memoria de forma, que comprende: seleccionar un Nitinol Tipo 60. Inventor G, Julien, director ejecutivo de Nitinol Technologies, Inc. (estado de Washington)

Enlaces externos

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