鎳鈦合金性能及特性
發布時間：2013年05月17日 閱讀次數：988
鎳鈦合金是一種形狀記憶合金，形狀記憶合金是能將自身的塑性變形在某一特定溫度下自動恢復為原始形狀的特種合金。它的伸縮率在20%以上，疲勞壽命達1*10的7次方，阻尼特性比普通的彈簧高10倍，其耐腐蝕性優于目前最好的醫用不銹鋼，因此可以滿足各類工程和醫學的應用需求，是一種非常優秀的功能材料。
記憶合金除具有獨特的形狀記憶功能外，還具有耐磨損、抗腐蝕、高阻尼和超彈性等優異特點。
（一）鎳鈦合金的相變與性能
顧名思義，鎳鈦合金是由鎳和鈦組成二元合金，由于受到溫度和機械壓力的改變而存在兩種不同的晶體結構相，即奧氏體相和馬氏體相。 鎳鈦合金冷卻時的相變順序為母相（奧氏體相）-R相-馬氏體相。 R相是菱方形，奧氏體是溫度較高（大于同樣地:即奧氏體開始的溫度）的時候，或者去處載荷（外力去除Deactivation）時的狀態，立方體，堅硬。形狀比較穩定。而馬氏體相是溫度相對較低（小于Mf:即馬氏體結束的溫度）或者加載（受到外力活化）時的狀態，六邊形，具有延展性，反復性，不太穩定，較易變形。
（二）鎳鈦合金的特殊性能
1、形狀記憶特性（shape memory） 形狀記憶是當一定形狀的母相由Af溫度以上冷卻到Mf溫度以下形成馬氏體后，將馬氏體在Mf以下溫度形變，經加熱至Af溫度以下，伴隨逆相變，材料會自動恢復其在母相時的形狀。實際上形狀記憶效應是鎳鈦合金的一個由熱誘發的相變過程。
2、超彈性 (superelastic) 所謂的超彈性是指試樣在外力作用下產生遠大于起彈性極限應變量的應變，在卸載時應變可自動恢復的現象。即在母相狀態下，由于外加應力的作用，導致應力誘發馬氏體相變發生，從而合金表現出不同于普通材料的力學行為，它的彈性極限遠遠大于普通材料，并且不再遵守虎克定律。和形狀記憶特性相比，超彈性沒有熱參與。總而言之，超彈性是指在一定形變范圍內應力不隨應變的增大而增大，可將超彈性分為線性超彈性和非線性超彈性兩類。前者的應力-應變曲線中應力與應變接近線性關系。非線性超彈性是指在Af以上一定溫度區間內加載和卸載過程中分別發生應力誘發馬氏體相變及其逆相變的結果，因此非線性超彈性也稱相變偽彈性。鎳鈦合金的相變偽彈性可達8%左右。 鎳鈦合金的超彈性可隨著熱處理的條件的變化而改變，當弓絲被加熱到400oC以上時，超彈性開始下降。
3、口腔內溫度變化敏感性：不銹鋼絲和CoCr合金牙齒矯形絲的矯治力基本不受口腔內溫度的影響。超彈性鎳鈦合金牙齒矯形絲的矯治力隨口腔溫度的變化而變化。當變形量一定時。溫度升高，矯治力增加。一方面，它可以加速牙齒的運動，這是因為口腔內的溫度變化會刺激由于矯治器件造成造成毛細滯息的血流停滯部位的血液流動，從而使得在牙齒移動過程中修復細胞得到充分營養，維持其生機和正常功能。另一方面，正畸醫生無法精確控制或測量口腔環境下的矯治力。
4、抗腐蝕性能：有研究表明鎳鈦絲的抗腐蝕性能與不銹鋼絲相仿
5、抗毒性：鎳鈦形狀記憶合金特殊的化學組成,即這是一種鎳鈦等原子合金,含約50%的鎳,而已知鎳有致癌和促癌作用。一般情況情況下，表面層鈦氧化充當了一種屏障，使Ni-Ti合金具有良好的生物相容性。表面層的TiXOy和TixNiOy能抑制Ni的釋放。
6、柔和的矯治力：目前商業上應用的牙齒矯形金屬絲包括奧氏體不銹鋼絲、鈷-鉻-鎳合金絲、鎳鉻合金絲、澳大利亞合金絲、金合金絲和?鈦合金絲。關于這些正畸矯正金屬絲在拉伸試驗和三點彎曲試驗條件的載荷-位移曲線。鎳鈦合金的卸載曲線平臺最低也最平，說明它最能提供持久柔和的矯治力。
7、良好的減震特性：由于咀嚼及夜磨牙對于弓絲造成的震動越大，對牙根及牙周組織的損害越大。通過不同弓絲衰減實驗的結果研究發現，不銹鋼絲震動的振幅比超彈性鎳鈦絲大，超彈性鎳鈦弓絲初始震動振幅僅為不銹鋼絲的一半,弓絲良好的震動和減震特性對于牙齒的健康很重要，而傳統弓絲如不銹鋼絲，有加重牙根吸收的傾向。
（三）鎳鈦合金絲的分類EvansandDurning分類法
1）1940年，黃金弓絲、鈷鉻合金絲和不銹鋼圓絲
2）1960年，馬氏體穩定化合金：多為鎳鈦合金在馬氏體狀態下變形后制得。該種弓絲剛度低，可產生較輕的矯治力。不存在由應力或者溫度引起的馬氏體相變，因此不呈現記憶效應和超彈性。
3）1980年，中國鎳鈦合金和日本鎳鈦合金弓絲，為奧氏體激活合金：即在任何狀態下都呈現奧氏體狀態，置于口內和口外都不具有由溫度引起的馬氏體狀態，馬氏體狀態只能由應力引起，具有超彈性，但是不具備形狀記憶功能。該種弓絲有極佳的回彈性及較低的剛度，能產生較弱的矯治力，。作大的特點是從最初的啟動到最后階段，其產生的力持續恒定，在治療早期牙齒不整齊時，效果較好。去點是常溫下無法彎制成型，不易焊接。若將該公司作為主弓絲，常可引起不希望的擴弓或者縮弓，且難以建立良好的前磨牙、磨牙排列。
4）1990年，馬氏體激活鎳鈦合金：即TTR低于口腔溫度或者與口腔溫度非常相近，在室溫時以一種多元狀態存在，易于變形，置于口腔內時，由應力引起的和室溫引起的馬氏體同時向奧氏體轉變，即存在形狀記憶功能和超彈性。在常溫（25℃左右）及以下溫度易于變形，而當達到一定溫度（32℃左右）以上，又會恢復到原來預成形狀，表現出形狀記憶加超彈性特性。北京圣瑪特科技有限公司的Smart牌和3M公司的NitinolHA牌都是典型的代表產品。熱激活鎳鈦弓絲正因為這種特性，將其維持在常溫及以下溫度狀態可以輕松操作成型，并安放到托槽中就位，而當在口腔中受體溫熱量而激活后，可產生出形狀恢復力，又為矯形提供所需的力量。因熱激活型鎳鈦矯形絲所具有的“遇冷變軟，受熱激活而變得彈性大”的特點，患者可以在醫生的指導下，利用口含冷、熱水的方式改變矯治力，更加方便了矯治者的矯正，減少了初期矯治的不適感。
5）Gradedthermodynamic:增加的熱力學鎳鈦合金：將TTR溫度高于口腔溫度，大概是40℃左右，這樣，當鎳鈦弓絲置于口腔內時，仍然為多元狀態，弓絲較為柔軟，在口含熱水時，才有奧氏體相變。因此，矯治力更加弱，可以作為成人患者和牙周病患者的初始弓絲。Omcro公司生產的含銅鎳鈦絲以及日本低滯后L-H鎳鈦弓絲便具有此種性能。
（四）鎳鈦合金絲的臨床應用：
1、用于患者牙列的早期排齊整平由于鎳鈦合金弓絲的超彈性和形狀記憶性能以及較低的應力-應變曲線，目前臨床上常規將鎳鈦合金弓絲作為最初期納入矯治體系的弓絲，這樣，患者的不適感會大大減低。由于目前存在幾種不同直絲弓矯治技術，MBT技術推薦使用0.016英寸熱激活鎳鈦合金弓絲（HANT絲），DEMON自鎖托槽技術推薦使用由Omcro公司生產的含銅的熱激活鎳鈦合金弓絲（相變溫度大概在40度左右），O-PAK矯治技術推薦使用0.016英寸超彈性鎳鈦合金弓絲用于早期排齊整平。
2、鎳鈦彈簧：鎳鈦推簧與拉簧是一種用于牙齒正畸的彈簧，具有鎳鈦超彈性的特別，適合于正畸矯治開拓牙齒間的間隙和向不同方向牽拉牙齒。鎳鈦螺旋彈簧伸長1mm可產生大約50g的力。鎳鈦螺旋彈簧具有很高的彈性性能，在拉伸狀態下可產生較為柔和、穩定的持續力。力的衰減很小，能產生符合臨床移動牙齒所需的較理想的正畸力。符合生理要求。鎳鈦絲拉簧的高彈性、永久變形率極低,與相同直徑的不銹鋼絲相比,其釋放的矯治力相差3.5-4倍。故在正畸矯治應用中,患者不僅疼痛輕,感覺力量柔和持久,且復診時間減少,縮短了療程,提高了療效,是正畸治療中的一種新的優良的力學裝置。
3、L-H弓絲是日本的Dr.Soma等研究開發的，由Tomy公司生產。“LH”是名自“LowHysteresis”,也就是說，當此弓絲當此弓絲被結扎到托槽上時，即弓絲被激活時產生的應力和移動牙齒時即弓絲慢慢恢復原狀時產生的應力的差距很小。即滯后很小。SOMA等比較了LH弓絲和其他鎳鈦合金絲的應力應變曲線，L-H弓絲的滯后范圍最小，這一特性使弓絲有低載荷和持續輕力的優勢，同時該曲線初始斜度低，說明該弓絲剛度低，其余類型的鎳鈦合金弓絲的滯后曲線表明其剛性較大，顯然L-H弓絲有明顯的機械學優勢。由于LH絲鎳鈦成分中鈦的含量比例較一般鎳鈦弓絲高，因此將其稱之為鈦鎳絲，并有實驗證明其吸震效果較強。LH鎳鈦絲的另一個特點是可以彎制，并可以用熱處理儀器加熱定型，因此LH鎳鈦絲也可以從排齊整平、打開咬合到關閉間隙，以及最后的完成階段，上下各一條弓絲即可以完成治療，只要每一個階段將弓絲取出彎好所需的形狀，再用熱處理儀器將之定形，加強硬度即可。目前在臨床上使用L-H弓絲進行擴弓治療，矯治開頜、偏頜以及反頜，因其力量的持續穩定和柔和，效果較好。同時常常配合使用J鉤來改善弓絲較軟的不足。雖然MEAW技術對于矯治以上錯頜也有理想的效果，但繁復的弓絲彎制常使許多醫師望而卻步。因此有些醫師改采用與力學系統類似的搖椅型鎳鈦弓絲加上前牙垂直牽引，雖然這樣也有類似的效果，但總覺得與MEAW比較時，各個獨立的牙移動的方面不如MEAW技術，原因在于搖椅型鎳鈦絲是一條連續的弓絲，并且亦沒有辦法彎折。因此，托槽粘接的角度與弓絲的搖椅曲度決定了每一顆牙齒的角度，不像MEAW技術中每一個牙齒的角度較有個別調整的空間。使用LH鎳鈦彎上搖椅，再用弓絲成形器在口內彎折后傾彎或者前傾彎，效果相當理想。
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