Сплавы с эффектом памяти форм

      В медицине используется новый класс  композиционных материалов ”биокерамика–никелид титана”. В таких композитах одна составляющая (никелид титана) обладает сверхэластичностью и памятью формы, а другая — сохраняет свойства биокерамики.

      В качестве керамической составляющей может  выступать фарфор, который широко используется в ортопедической стоматологии и является хрупким материалом. Высокая хрупкость фарфора обусловлена тем, что на границах различных фаз и зерен возникают контактные напряжения, значительно превосходящие уровень средних приложенных напряжений. Релаксация контактных напряжений в керамическом материале возможна, если в зоне этих напряжений происходит диссипация энергии за счет фазового превращения в никелиде титана. Изменение температуры или приложение нагрузки вызывает в никелиде титана мартенситное превращение, что приводит к эффективной релаксации напряжений в матрице при нагружении композиционного материала, позволяя твердой составляющей нести приложенную нагрузку. Известно, что упругое восстановление объема пористых прессовок из порошка сверхупругого никелида титана связано с разрывом межчастичных контактов и определяется прочностью брикета, которая зависит от пористости и величины сил контактного сцепления. Ослабление этих сил путем добавления к порошку никелида титана других компонентов, например мелкодисперсных вольфрама или карбида кремния, значительно повышает упругий эффект, так как прочные одноименные контакты титан–никель заменяются разноименными. Поскольку величина упругого эффекта снижается при уменьшении содержания никелида титана в прессовке, концентрационная зависимость упругого восстановления объема обычно является экстремальной. В композиционном материале ”фарфор–никелид титана” компоненты слабо взаимодействуют и после спекания контакты между керамической и металлической составляющей ослаблены. При нагружении они разрываются в первую очередь и упругое восстановление объема растет. В результате деформация является обратимой и композит проявляет свойства, подобные сверхэластичности. Биосовместимость композиционного материала ”стоматологический фарфор–никелид титана” изучалась гистологическим методом, оценивая реакцию тканей у крыс на имплантацию под кожу передней брюшной стенки образцов из композиционного материала и из фарфора. Характер тканевых реакций, их распространенность и особенности клеточных изменений в обоих случаях оказались однозначными. Таким образом, композиционные материалы ”биокерамика–никелид титана” являются биосовместимыми[1].

      На  рисунке 4 показано восстановление проходимости кровеносного сосуда с помощью спирального эндопротеза с памятью формы. 

      Рис. 4 Спиральный эндопротез 

     Эндопротез  в компактном виде вводится через  пункционное отверстие в сосуд  и по его руслу доставляется в  место сужения сосуда. Здесь протез отсоединяется от доставляющего устройства, разворачивается под действием тепла тела до требуемого диаметра и армирует стенки сосуда, восстанавливая кровоток по артерии. Аналогичным образом проводят расширение и восстанавливают проходимость полых органов: желчных протоков, пищевода, цервикального канала матки и др.

     На  рис. 5 изображена ловушка «Трал» для  извлечения камней из полых органов. Это единственная ловушка из существующих, обеспечивающая легкое освобождение камня простым выпрямлением спиральной бранши, затем коническая ловушка восстанавливается за счет свойства сверхупругости.  

Рис. 5 Схема действия сверхупругого экстрактора «Трал» 

     Так же созданы фиксаторы с памятью формы и саморегулирующиеся компрессии для остеосинтеза и укрепления связочно-хрящевых структур, применяемые в ортопедии, травматологии, кардиологии и нейрохирургии рис. 6 [4]. 

     Рис. 6 Набор фиксаторов для позвоночника

      ВЫВОДЫ 

     Однократно  реализуемый эффект памяти формы  может быть положен в основу проектирования разнообразных устройств перемещения. Это позволяет создавать термочувствительные элементы особо высокой точности. Однако надо иметь в виду, что тепловое расширение осуществляется только в виде удлинений и сокращений размеров тела, в то время как в случае эффекта памяти формы восстанавливаются деформации кручения, изгибные и любые другие. [2].

     К сожалению, пока изделия из никелид-титановых сплавов не получили широкого распространения. Это связано со сложностью металлургического производства. Всего в нескольких странах могут в промышленных масштабах получать полуфабрикаты с требуемым химическим составом и уровнем свойств. Плюс сложная технология переработки полуфабриката в изделие с гарантированными температурами срабатывания требует применения дорогостоящего оборудования и определяет высокий уровень брака. Все это приводит к высокой стоимости изделий.

     Удивительные сплавы с памятью формы постепенно занимают все большее место в нашей жизни. Уже достаточно трудно представить современную стоматологию без композитных материалов на основе NiTi (те же скобы, которые вставляют детям для выпрямления зубов, спиральные эндопротезы для восстановления проходимости кровеносных сосудов, фиксаторы на позвоночник). Доставленные на орбиту в «свернутом» виде солнечные батареи разворачиваются сами на несколько десятков квадратных метров и т.д. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Можно с уверенностью сказать, что это материал будущего.

      ЛИТЕРАТУРА 

1. Корнилов  И.И., Белоусов О.К., Качур Е.В. Никелид  титана и другие сплавы с эффектом “памяти”. М.: Наука, 1977. 179 с.
2. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Ленинград: ЛГУ, 1987. 216 с.
3. Пушин В.Г., Прокошкин С.Д., Валиев Р.З. и др. Сплавы никелида титана с памятью формы. Ч. I. Структура, фазовые превращения и свойства. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 440 с.
4. под редакцией Карабасова Ю. С. Новые материалы. М: МИСИС, 2002. 727 с.