Nitinol

Il nitinol, acronimo di Nichel Titanium Naval Ordinance Laboratory è un intermetallico composto da quantità atomiche pressoché uguali di titanio e nichel studiato e utilizzato nonostante il suo costo relativamente elevato.

Scoperto per caso nel 1959 da un brillante giovane scienziato di nome William J. Buehler, che lavorava presso il Naval Ordinance Laboratory a un progetto per sviluppare un cono di punta per il missile Polaris in grado di resistere al calore del rientro nell’atmosfera terrestre, il nitinol è una lega a memoria di forma.

Negli anni Novanta dello scorso secolo, si iniziò iniziarono a utilizzare il nitinol in molti tipi di applicazioni pratiche: montature per occhiali, antenne per cellulari e inserti per mazze da golf, per citarne alcune. Il nitinol iniziò anche a essere utilizzato in dispositivi medici, come impianti ortopedici e stent arteriosi e venosi.

Proprietà del nitinol

Il nitinol ha un’eccellente resistenza alla corrosione, ottime proprietà elettriche e meccaniche, elevata conducibilità elettrica, elevata duttilità, forte tendenza all’autopassivazione, proprietà paramagnetiche, elevata resistenza alla fatica, basso modulo di Young  e biocompatibilità.

Presenta non solo l’effetto memoria di forma unidirezionale (OWSME), ma anche superelasticità e effetto memoria di forma bidirezionale (TWSME) che è regolabile variando il contenuto di nichel della lega e applicando un trattamento termomeccanico.

Le proprietà del Nitinol si basano sulla sua struttura cristallina dinamica. La struttura molecolare è sensibile allo stress esterno e alla temperatura. Quando è a temperatura ambiente si trova sotto forma di martensite. Se la lega viene piegata, la struttura cristallina aghiforme all’interno dei domini si deforma, creando stress interno.

Quando è riscaldata oltre la sua temperatura di transizione la struttura cristallina cambia da aghiforme a cubica in forma di austenite. La struttura cubica della lega non si adatta allo stesso spazio delle strutture aghiformi dei domini formate quando la lega è stata piegata. La lega minimizza lo stress tornando alla sua forma cubica cristallina. Se la lega non è stata deformata o stressata, i cambiamenti nella struttura cristallina si verificano comunque, ma non si verifica alcun movimento netto.

A seconda della temperatura, dello stato di stress e dello stato di deformazione, possono verificarsi diversi fenomeni, il più interessante dei quali è la deformazione pseudoplastica, l’effetto memoria di forma unidirezionale, l’effetto memoria di forma bidirezionale e la superelasticità.

Nello stato martensitico, è possibile una deformazione apparentemente plastica basata sulla coalescenza di varianti martensitiche, praticamente senza scivolamento di dislocazione, ovvero la deformazione pseudoplastica. Riscaldandosi al di sopra della temperatura di inizio di formazione dell’austenite, un elemento deformato pseudoplasticamente inizia a recuperare la sua forma originale, ovvero l’effetto memoria di forma unidirezionale.

Preparazione

Il requisito di base per la metallurgia di queste leghe è la stretta aderenza alla composizione chimica della lega, che è la condizione principale per ottenere la lega con il comportamento di trasformazione richiesto. Un’altra condizione è l’ottenimento di una eccellente omogeneità microstrutturale della lega, che è anche una condizione per l’affidabilità funzionale e il comportamento di trasformazione garantito.

Sulla base di requisiti specifici per applicazioni quali attuatori e sensori possono essere prodotte varie leghe con l’aggiunta di un altro elemento per ottenere una lega ternaria. Ogni ulteriore elemento di lega ha una certa influenza sulle caratteristiche di trasformazione della lega. Ad esempio, l’aggiunta di Hf, Zr, Au, Pd e Pt causa l’aumento delle temperature di trasformazione di fase, mentre elementi come Fe, Co e V hanno l’effetto opposto. Inoltre le proprietà della lega possono anche essere significativamente influenzate dalle impurità della lega derivanti dal processo di produzione come formatura e trattamento termico.

La produzione di nitinol è un processo molto complesso dal momento che il titanio ha un punto di fusione elevato, una bassa fluidità ovvero viscosità elevata e una predisposizione all’ossidazione ad alte temperature. Queste proprietà rendono il titanio e le sue leghe difficili da fondere. Poiché il nitinol fuso è altamente reattivo, viene comunemente prodotto mediante fusione a induzione sotto vuoto (VIM) o fusione ad arco sotto vuoto (VAR) e successivamente fuso in lingotti.

La purezza metallurgica come struttura dei grani e presenza di impurità, ovviamente, dipende molto dal processo di preparazione. Le leghe di nitinol possono essere chiamate leghe ad alta purezza se contengono <100 ppm di ossigeno e <20 ppm di carbonio. Queste leghe vengono preparate in forni a induzione sotto vuoto in crogioli di grafite con successiva rifusione ripetuta in forni ad arco sotto vuoto.

Ricoprendo il crogiolo di grafite con titanio si forma uno strato di carburo di titanio che agisce come barriera alla diffusione che limita la presenza di carbonio nel nitinol ma, con l’aumentare del tempo di permanenza della massa fusa nel crogiolo, la massa fusa si arricchisce di carbonio.

La tecnologia di fusione a induzione sotto vuoto in crogioli di grafite rappresenta il metodo di preparazione più comune. Quando si utilizza questa tecnologia, la qualità della lega preparata dipende fortemente dal materiale del crogiolo.

Altre procedure di fusione come la fusione a fascio di elettroni, fusione ad arco, fusione sotto vuoto ad alta frequenza in un crogiolo di grafite o fusione al plasma possono essere utilizzate per ottenere il nitinol.

Applicazioni

Trova utilizzo nel campo dell’elettronica nei dispositivi MEMS acronimo di micro electro-mechanical systems che hanno proprietà opto-meccaniche.

L’applicazione del nitinol negli attuatori è particolarmente interessante. A differenza dei sistemi tradizionali, non è necessario utilizzare sistemi complessi e soggetti a guasti per tradurre il movimento lineare e rotatorio nel percorso di movimento complesso di cui si ha bisogno. Gli attuatori in nitinol sono silenziosi, potenti e ad azione rapida e utilizzati, ad esempio, per bloccare i carrelli dei farmaci ospedalieri e per rilasciare carichi utili nei droni.

I fili o i tubi in nitinol utilizzati come attuatori forniscono una soluzione leggera ed efficiente dal punto di vista energetico in molti settori industriali rispetto ai tradizionali attuatori e interruttori ingombranti. In campo aerospaziale è necessario che i materiali siano in grado di resistere alle forti radiazioni del sole, agli impatti di micro asteroidi ad alta velocità, debbano essere leggeri e adattarsi all’interno del razzo.

Grazie alla loro flessibilità gli attuatori in nitinol possono essere contenuti in compartimenti molto piccoli. Una volta fatto il lancio quando la sonda è stata espulsa dal razzo, la luce solare riscalda il nitinol, facendo sì che la struttura possa dispiegarsi.

Inoltre, le proprietà uniche del nitinol hanno trovato applicazioni in componenti aerospaziali, oltre negli attuatori anche nelle strutture alari adattive che rispondono dinamicamente alle mutevoli condizioni ambientali.

La capacità di controllare con precisione la temperatura di transizione del nitinol ha portato al suo uso diffuso in dispositivi medici come stent, guidewire e fili ortodontici, grazie alla loro capacità di adattarsi alle temperature corporee.

La sua capacità di tornare a una forma predeterminata dopo la deformazione lo rende ideale per la chirurgia mininvasiva, in cui gli strumenti sono inseriti attraverso piccole incisioni. Il suo utilizzo consente meno cicatrici, tempi di recupero più rapidi e un rischio ridotto di infezione.

Negli apparecchi ortodontici il filo di nitinol può essere piegato per allinearsi ai denti, fornendo una pressione delicata ma costante fino alla loro allocazione nella posizione desiderata. Inoltre, la capacità della lega di tornare alla sua forma originale assicura che gli apparecchi mantengano la loro efficacia per tutto il periodo di trattamento, rendendolo una scelta popolare per i pazienti ortodontici che cercano un’opzione più discreta e comoda.

I dispositivi cardiovascolari come gli stent e i telai delle valvole cardiache spesso utilizzano componenti in nitinol per la loro resilienza e biocompatibilità con i tessuti umani. La sua capacità di resistere a stress ripetuti senza affaticamento lo rende un materiale ideale per questi dispositivi medici, garantendo efficacia a lungo termine e sicurezza per i pazienti.

Nel settore automobilistico, le leghe di nitinol hanno rivoluzionato la progettazione e le prestazioni dei veicoli. Dai componenti del motore ai sistemi di sicurezza, il materiale ha migliorato l’efficienza del carburante, ridotto il peso e migliorato la durata complessiva.

Oltre a migliorare l’efficienza del carburante e ridurre il peso, le leghe di nitinol hanno anche svolto un ruolo cruciale nel potenziare le prestazioni dei sistemi di sicurezza dei veicoli. Le proprietà uniche del materiale in consentono di creare componenti più resistenti e resistenti, contribuendo alla durata complessiva e alla resistenza agli urti.

Di conseguenza, le case automobilistiche stanno sempre più utilizzando il nitinol nella progettazione di airbag, meccanismi delle cinture di sicurezza e altri dispositivi di sicurezza, consolidando ulteriormente il suo impatto sull’innovazione automobilistica.

l nitinol è utilizzato negli smartphone e nella tecnologia indossabile perché le sue proprietà di lega a memoria di forma consentono ai componenti flessibili di tornare alla loro forma originale. Dalle custodie per telefoni ai cinturini per smartwatch, il filo di nitinol offre durevolezza e flessibilità, rendendolo un materiale ideale per l’elettronica di consumo.

Inoltre la sua versatilità ne estende l’utilizzo oltre gli smartphone e gli smartwatch, come, ad esempio nelle montature per occhiali. Con le montature in nitinol, gli utenti possono godere di occhiali leggeri e comodi che sono resistenti alla flessione o alla rottura, offrendo una soluzione pratica ed elegante per la correzione della vista.

Per le proprietà di smorzamento delle vibrazioni, simili a quelle di una gomma siliconica e per la sua resistenza simile a quella del titanio, può essere utilizzato come componente strutturale. Inoltre, la durezza del nitinol supera quella dell’acciaio rapido, quindi può essere utilizzato in applicazioni ad alta usura.

Uno dei settori in più rapida crescita per le applicazioni del nitinol è nel controllo della temperatura. La regolazione della temperatura per macchine da caffè, fasce per cuffie, porte con chiusura automatica e antenne per dispositivi wireless sono solo alcune delle numerose applicazioni per cui è utilizzato il nitinol.

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