鈦鎳合金的應用以及與高分子材料結合應用的未來展望

李佳萱

（南京林業大學，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，對材料進行一定限度以內的形變，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到原形狀同時產生巨大回復力的現象。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：在高溫時，使鈦鎳合金受力變形到一定形狀，低溫時可以使其受力變形到任意形狀，恢復到高溫時，可以使其重新變為高溫相的形狀，但是再到低溫時恢復不到低溫相所有的形狀。②雙稱形狀記憶效應：加熱時可以變為高溫相的形狀，降溫時可以變為低溫相的形狀，可以用過溫度升降自發可逆地反復恢復高低溫相形狀的現象。③全程形狀記憶效應：加熱時可以變為高溫相的形狀，降溫時變為與高溫相形狀相同而取向相反的形狀，這種效應只能再鈦鎳合金種出現。

圖1 記憶效應解釋圖

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

圖2 形狀記憶合金晶體結構變化模型

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

圖3 形狀記憶合金發生超彈性形變的應力應變曲線

國產的鈦鎳合金對溫度敏感，其應力應變曲線隨著溫度的升高而增強，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造成組織反應。而良好的生物相容性就不會引起過敏反應，不會與人體發生任何有害與人體的反應。已知元素鎳雖然有劇毒有致癌的作用，長期接觸可能會引起鼻竇炎、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性能，鈦在表層充當了一種屏障，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 鎳合金的廣泛應用

應用范圍廣：在醫學方面的應用：從鈦鎳合金被發現可以應用于醫學領域以來，已經被廣泛應用于如人體仿生陪、心血管材料、骨科內植物、外科和牙科器械口等臨床使用。現簡要針對目前普遍應用于肋骨接骨板治療多發肋骨骨折以及最普遍應用在牙科臨床治療的鈦鎳合金進行介紹。

首先是應用于肋骨接骨板治療多發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，常溫下可以恢復到原有的記憶形狀。即前文所介紹的形狀記憶效應。鈦鎳合金的自動握爪能力可保持骨折端穩定。因為鈦鎳合金可以制作成具有自加壓作用的裝置，可使每次每個位置用力相對恒定且保持一致，不僅可為骨折痊愈提供動力力學條件，還可避免人體運動的影響，導致定變形松動。而針對常見的胸部創傷—肋骨骨折，以及多發肋骨骨折（2 根及以上肋骨骨折）（會造成連枷胸，在吸氣時胸腔屬于負壓，胸壁會塌陷，而在呼氣時胸腔壓力升高，胸壁行突出的狀態。有的時候還會出現血液回流的癥狀，造成循環功能的紊亂，甚至導致休克加重[3]。連枷胸和胸痛和胸廓的穩定性破壞更嚴重時，會導致呼吸功能衰竭，而咳嗽無力、肺活量下降、殘疾量減少，都是多發肋骨骨折的臨床表現。肺的順應性下降或者潮氣量降低，同時也會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相結合，可以確定骨折數量以及其具體位置，而且在電視胸腔鏡輔助下鈦鎳合金肋骨接骨板內固定治療多發肋骨骨折患者，各種綜合癥狀要比之前的要輕要少，有利于術后恢復以及減輕術后的恢復。并且可以有效改善術后患者的呼吸功能[4]。

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

在航天航空方面的應用：鈦鎳合金足夠高的結合力使其有能力抵抗外界的沖擊力，因此在航天航空行業有非常高的應用頻率。其表面硬度為提高抗咬合、抗劃傷能力提供了強有力的基礎，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合力，并且其表面性能很高[7]。航空航天工業的快速發展后，鈦合金材料在航空航天方面就開始了深入應用。道格拉斯DC-7 飛機是鈦鎳合金首次被應用在發動機艙和隔熱板的設計中。之后的首個高空高速戰略偵察機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選材先進程度和航空工業發展水平的一項重要指標，與飛機作戰能力密切相關。

3 與高分子材料結合應用的未來展望

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成的材料，其中高分子材料為基體。目前已普遍應用于建筑、交通運輸、農業、電氣電子工業等國民經濟主要領域和人們日常生活中，比如高分子聚合材料苯乙烯、聚丙烯等熱塑性樹脂，是目前國防、尖端行業不可缺少的材料。因此若能將鈦鎳合金和高分子材料有效的結合起來有助于性能的提高與優化。目前已知將兩者有效的結合方法是使用連接技術使兩者有效結合。而激光焊接是一種可行的更佳的塑料焊接方法。目前可以實現聚丙烯的激光焊接，并且其優化結果接近母材色度，焊縫沒有卷邊和氣孔，其焊縫拉伸強度可以達到21MPa，為母材強度的89%[8]。所以將高分子材料與合金材料結合應用是值得我們研究的一個方向。