鈦鎳合金的應(yīng)用以及與高分子材料結(jié)合應(yīng)用的未來展望

李佳萱

（南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037）

1 鎳合金的基本性能

（1）記憶形狀性：在一定條件下，對材料進(jìn)行一定限度以內(nèi)的形變，再對材料作用一定的外界條件后，材料原來的形變消失恢復(fù)到原形狀同時(shí)產(chǎn)生巨大回復(fù)力的現(xiàn)象。對于鈦鎳合金的記憶形狀特性可以分為以下三種類型：①單程形狀記憶效應(yīng)：在高溫時(shí)，使鈦鎳合金受力變形到一定形狀，低溫時(shí)可以使其受力變形到任意形狀，恢復(fù)到高溫時(shí)，可以使其重新變?yōu)楦邷叵嗟男螤?，但是再到低溫時(shí)恢復(fù)不到低溫相所有的形狀。②雙稱形狀記憶效應(yīng)：加熱時(shí)可以變?yōu)楦邷叵嗟男螤睿禍貢r(shí)可以變?yōu)榈蜏叵嗟男螤?，可以用過溫度升降自發(fā)可逆地反復(fù)恢復(fù)高低溫相形狀的現(xiàn)象。③全程形狀記憶效應(yīng)：加熱時(shí)可以變?yōu)楦邷叵嗟男螤?，降溫時(shí)變?yōu)榕c高溫相形狀相同而取向相反的形狀，這種效應(yīng)只能再鈦鎳合金種出現(xiàn)。

圖1 記憶效應(yīng)解釋圖

鈦鎳合金是通過熱彈性馬氏體相變而呈現(xiàn)形狀記憶特性的。是在溫度的作用下，材料內(nèi)部熱彈性馬氏體形成變化，消失的相變過程的宏觀表現(xiàn)[1]。

圖2 形狀記憶合金晶體結(jié)構(gòu)變化模型

（2）超彈性：在AF溫度以上時(shí)，產(chǎn)生了熱彈性馬氏體相變的形狀記憶合金在應(yīng)力作用下才能穩(wěn)定存在，但是如果應(yīng)力解除，就會(huì)產(chǎn)生形變，變成最初的形態(tài)，在應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生的宏觀變形也隨著逆相變的消失而完全消失，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系是非常明顯的非線性，這種非線性彈性和相變密切相關(guān)，即超彈性。

圖3 形狀記憶合金發(fā)生超彈性形變的應(yīng)力應(yīng)變曲線

國產(chǎn)的鈦鎳合金對溫度敏感，其應(yīng)力應(yīng)變曲線隨著溫度的升高而增強(qiáng)，并且其在AS～AF之間都有超彈性。

（3）抗腐蝕性：合金元素在鎳中有比較大的固溶度，在鎳基體可溶入更多且有耐腐蝕特性的Cr、Mo、Cu、Ti 等合金元素，它們所組成的鎳基合金具有較好的耐腐蝕性[2]。

（4）生物相容性：生物相容性是指植入的材料是否會(huì)造成組織反應(yīng)。而良好的生物相容性就不會(huì)引起過敏反應(yīng)，不會(huì)與人體發(fā)生任何有害與人體的反應(yīng)。已知元素鎳雖然有劇毒有致癌的作用，長期接觸可能會(huì)引起鼻竇炎、貧血等癥狀。但是鈦及其化合物有良好的生物相容性和力學(xué)性能，鈦在表層充當(dāng)了一種屏障，在表面層的包圍在材料周圍使鈦鎳合金抑制鎳的釋放。使得鈦鎳合金具有了較好的生物相容性。

（5）柔和的矯治力。

（6）良好的減震熱性。

2 鎳合金的廣泛應(yīng)用

應(yīng)用范圍廣：在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用：從鈦鎳合金被發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以來，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于如人體仿生陪、心血管材料、骨科內(nèi)植物、外科和牙科器械口等臨床使用?，F(xiàn)簡要針對目前普遍應(yīng)用于肋骨接骨板治療多發(fā)肋骨骨折以及最普遍應(yīng)用在牙科臨床治療的鈦鎳合金進(jìn)行介紹。

首先是應(yīng)用于肋骨接骨板治療多發(fā)肋骨骨折的鈦鎳合金。在低溫下，鈦鎳合金可以塑性形變到任意形狀，常溫下可以恢復(fù)到原有的記憶形狀。即前文所介紹的形狀記憶效應(yīng)。鈦鎳合金的自動(dòng)握爪能力可保持骨折端穩(wěn)定。因?yàn)殁佹嚭辖鹂梢灾谱鞒删哂凶约訅鹤饔玫难b置，可使每次每個(gè)位置用力相對恒定且保持一致，不僅可為骨折痊愈提供動(dòng)力力學(xué)條件，還可避免人體運(yùn)動(dòng)的影響，導(dǎo)致定變形松動(dòng)。而針對常見的胸部創(chuàng)傷—肋骨骨折，以及多發(fā)肋骨骨折（2 根及以上肋骨骨折）（會(huì)造成連枷胸，在吸氣時(shí)胸腔屬于負(fù)壓，胸壁會(huì)塌陷，而在呼氣時(shí)胸腔壓力升高，胸壁行突出的狀態(tài)。有的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)血液回流的癥狀，造成循環(huán)功能的紊亂，甚至導(dǎo)致休克加重[3]。連枷胸和胸痛和胸廓的穩(wěn)定性破壞更嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致呼吸功能衰竭，而咳嗽無力、肺活量下降、殘疾量減少，都是多發(fā)肋骨骨折的臨床表現(xiàn)。肺的順應(yīng)性下降或者潮氣量降低，同時(shí)也會(huì)伴有呼吸困難或者低氧血癥。）鈦鎳合金肋骨接骨板具有良好的抗扭轉(zhuǎn)能力，并且其生物相容性較好。將鈦鎳合金和電視胸腔鏡技術(shù)相結(jié)合，可以確定骨折數(shù)量以及其具體位置，而且在電視胸腔鏡輔助下鈦鎳合金肋骨接骨板內(nèi)固定治療多發(fā)肋骨骨折患者，各種綜合癥狀要比之前的要輕要少，有利于術(shù)后恢復(fù)以及減輕術(shù)后的恢復(fù)。并且可以有效改善術(shù)后患者的呼吸功能[4]。

為了矯正牙領(lǐng)畸形需要在口腔內(nèi)戴入牙齒矯正器。用牙齒矯正器對牙齒施加一定的力的作用，促使錯(cuò)位的牙齒或領(lǐng)骨向正常的或者想要的方向發(fā)展，以達(dá)到牙齒整形的目的。Miura F等對鎳鈦推簧的研究發(fā)現(xiàn)鎳鈦推簧能在一個(gè)較寬的形變范闈內(nèi)產(chǎn)生較為柔和適合牙齒生 理移動(dòng)的矯治力。鎳鈦推簧產(chǎn)生的力值與制作彈簧的弓絲直徑成正比，與彈簧的圈經(jīng)成反比，所產(chǎn)生的合力具有一定的柔和性[5]。鎳鈦推簧和鎳鈦拉簧結(jié)合使用可以減少鄰牙的旋轉(zhuǎn)與傾斜。鎳鈦推簧置于舌側(cè)制作的推磨牙遠(yuǎn)移矯治器與互斥磁力矯治器推磨牙遠(yuǎn)移的效果進(jìn)行比較．發(fā)現(xiàn)舌側(cè)用鎳鈦推簧的遠(yuǎn)移磨牙矯治器是治療上更好的選擇[6]。它更有效地防止l 磨牙遠(yuǎn)中傾斜，有效促進(jìn)了磨牙整體移動(dòng)。在治療的過程中加力一次就可以使推磨牙遠(yuǎn)移并且有持續(xù)。鎳鈦推簧在前牙擁擠開拓問隙排齊，以及推磨牙遠(yuǎn)移等方面顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。因而在臨床中得到了較廣泛的應(yīng)用。

在航天航空方面的應(yīng)用：鈦鎳合金足夠高的結(jié)合力使其有能力抵抗外界的沖擊力，因此在航天航空行業(yè)有非常高的應(yīng)用頻率。其表面硬度為提高抗咬合、抗劃傷能力提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)，并且可以改善航空航天材料中抗切割劃傷的能力不高的問題。即鈦鎳合金不但具有較好的結(jié)合力，并且其表面性能很高[7]。航空航天工業(yè)的快速發(fā)展后，鈦合金材料在航空航天方面就開始了深入應(yīng)用。道格拉斯DC-7 飛機(jī)是鈦鎳合金首次被應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)艙和隔熱板的設(shè)計(jì)中。之后的首個(gè)高空高速戰(zhàn)略偵察機(jī)SR-71“黑鳥”成功起飛，它被稱為“全鈦”。鈦合金的用量是衡量飛機(jī)選材先進(jìn)程度和航空工業(yè)發(fā)展水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)，與飛機(jī)作戰(zhàn)能力密切相關(guān)。

3 與高分子材料結(jié)合應(yīng)用的未來展望

高分子材料也稱為聚合物材料，是由高分子化合物和其他添加劑所構(gòu)成的材料，其中高分子材料為基體。目前已普遍應(yīng)用于建筑、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、電氣電子工業(yè)等國民經(jīng)濟(jì)主要領(lǐng)域和人們?nèi)粘Ｉ钪校热绺叻肿泳酆喜牧媳揭蚁?、聚丙烯等熱塑性樹脂，是目前國防、尖端行業(yè)不可缺少的材料。因此若能將鈦鎳合金和高分子材料有效的結(jié)合起來有助于性能的提高與優(yōu)化。目前已知將兩者有效的結(jié)合方法是使用連接技術(shù)使兩者有效結(jié)合。而激光焊接是一種可行的更佳的塑料焊接方法。目前可以實(shí)現(xiàn)聚丙烯的激光焊接，并且其優(yōu)化結(jié)果接近母材色度，焊縫沒有卷邊和氣孔，其焊縫拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到21MPa，為母材強(qiáng)度的89%[8]。所以將高分子材料與合金材料結(jié)合應(yīng)用是值得我們研究的一個(gè)方向。