Material emergente. Nitinol PDF

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descripcion y aplicación de un material nitinol...

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En el estudio de los materiales emergentes, nos referimos a la creación o descubrimiento de nuevos materiales que contribuyen a los cambios y mejores tecnológicas, puesto que con ellos se busca una aplicación en beneficio de la sociedad para que esta siga en mejora continua. Esto es posible mediante el conocimiento de ciencias como son la física, la química, e informática entre otras, actualmente uno de los campos con más ramas en vías de desarrollo en la creación de este tipo de materiales es la nanotecnología que trabaja a nivel atómico, otorgando la posibilidad de una revolución a nivel molecular ya que brindaría propiedades que de manera natural no existen.

Antecedentes El Nitinol (Ni-Ti) es una aleación con memoria, equiatómica (50-50) de níquel y titanio cuya aplicación puede ser de un biomaterial debido sus propiedades mecánicas, resistencia a la fatiga, y resistencia a la corrosión. Dicho material es uno de los más aplicados actualmente siendo desarrollado en 1962 por William Buehler y Frederick Wang, fue descubierto gracias a la observación de su comportamiento de forma, que en comparación con las aleaciones de Au-Cd era superior. 

Efecto de memoria.

Los fundamentos hacia el descubrimiento del efecto memoria dieron comienzo alrededor de 1930, siendo Arne Ölander quien observo el fenómeno en un pseudoelastico de una aleación de Au-Cd. Un poco antes de que la década terminara, en el año 1938, A.B. Greninger y V.G. Mooradian se percataron de una fase (martensítica), que aparecía y desaparecía conforme la temperatura incrementaba o disminuía, fue hasta W. Buehler que dentro de un laboratorio naval de artillería Americana, otorgando un gran paso en los materiales con memoria de forma, actualmente está investigaciones continúan con el objetivo de conocer y establecer la mecánica básica del comportamiento de las aleaciones de forma. La gran mayoría de los metales comienzan a deformarse plásticamente a partir de un 0.2% de elongación cuando son sometidos a un ensayo de tensión, las aleaciones con memoria de forma pueden deformarse hasta un 10% sin llegar a su plasticidad. Una aleación metálica posee memoria de forma sí después de una deformación permanente a baja temperatura, esta recupera su forma inicial con un simple calentamiento.

Características Es capaz de restaurar hasta 5% de recuperación de tensión, con un estrés de recuperación de 50000 psi, cuando este material es sometido a varios ciclos (Un alambre de este material con un diámetro de 0.5 milímetros, es capaz de levantar hasta 7 kilogramos). Es un compuesto intermetálico. El nitinol posee la capacidad de detectar un cambio en la temperatura ambiente y es capaz de convertir su forma a una estructura pre-programada. Mientras es suave y fácilmente deformables en su forma de más baja temperatura (martensita), recupera su forma y rigidez original cuando se calienta hasta su forma de más alta temperatura (austenita). Esto se conoce como efecto de memoria de forma de un solo sentido. La capacidad de las aleaciones con memoria de forma de recuperar una forma preestablecida al calentarse por encima de las temperaturas de transformación y para volver a una cierta forma alternativa al enfriarse se conoce como el efecto de memoria de dos vías de forma.

Propiedades Al evaluar la resistencia eléctrica, esta puede ser iniciada por el calentamiento de Joule, de manera que una corriente eléctrica pasa a través del cable (alambre), donde se puede generar el calor adecuado para causar la transformación de fase, cabe resaltar que en los metales con memoria como es el de este caso, esto puede ocurrir a una temperatura ambiente, estando debajo del punto de transformación. Posee una elasticidad mayor a la de cualquier otro metal o aleación, esto se debe a la transformación martensítica termoelastica entre una fase austenita ( es la fase más dura-resistente, en relación a su estructura cúbica centrada en cara) y un fase martensitica (se da a bajas temperaturas), otorgándole la cualidad de recuperar una forma predeterminada después de haber sufrido una deformación de tipo macroscópica, de igual manera también se le permite ser deformado elásticamente entre un intervalos de 8-10%. 

Fase de transformación Está compuesta de una fase estable, la cual se encuentra por debajo de la temperatura ambiente, la cual mediante tratamientos de betatización y temple (que no son obligatoriamente necesarios para prevenir descomposición en otras fases), dentro del rango de composiciones de Ni-Ti no hay gran diferencia, en caso de que estuviera presente una notoria diferencia, esta se relaciona de manera estequiometrica, y en ocasiones genera precipitados que abren paso a una segunda fase intermetálica.

El rango de composiciones se puede observar en el diagramas de fases, donde la temperatura tiene una relación con la composición química del material, según su composición permite ser aplicada de manera específica a diversas tareas prácticas. Cuando se analiza el control de calidad de dicho material se hace por medio de los casos de análisis relacionados con la temperatura de transformación en lugar de su composición química, esto se debe a que interviene en las fases del material y sus cambios.

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Estructura cristalográfica

Dentro de las características de la fase austenítica, en esta aleación, tenemos que referirnos a una estructura cúbica centrada en cuerpo (BBC) en la cual los átomos de níquel se encuentran en el centro de la red, y los átomos de titanio se encuentran alrededor. 

Resistencia a la corrosión.

Este material en comparación con el acero inoxidable es 316 veces mejor en cuanto a trabajarlo en agua de mar. Su resistencia se debe a que contiene una delgada capa de óxido de titanio, siendo una capa estable y convirtiendo a la aleación en un material muy resistente a los tipos de ataque. Sin embargo las aleaciones de Ni (NiCo, NiCr, NiCrFe, entre otras), se relacionan con la superficie de las reacciones químicas en diversos ambientes, donde puede variar la temperatura y la presión. Por otra parte el titanio se oxida a baja presión o presión atmosférica, pero se involucra con la concentración de oxígeno a la que este expuesto el elemento. 

Propiedades mecánicas.

Son otorgadas según la fase en la que se desenvuelve la aleación, algunas de ellas se observan en la siguiente tabla.

Resistencia máxima a tracción (MPa) Límite elástico (MPa) Módulo elástico (GPa)

la

Austenita (fase dura) 800-1500

Martensita (fase deformable) 103-1100

100-800 70-100

50-300 21-69

La aleación se deforma en la fase martensítica y recupera, de forma reversible, sus dimensiones originales por medio del calentamiento que se encuentra por encima de una temperatura crítica de transición; es decir es un cambio de sólido a sólido en el que se produce una modificación de forma. Estas aleaciones únicas también contienen un comportamiento superelástico, cuando son deformadas a una temperatura que es ligeramente superior a las temperaturas de transformación el efecto es causado por la formación de martensita inducida por el estrés por encima de su temperatura normal de formación. Debido a que se ha formado por encima de su temperatura normal, la martensita vuelve inmediatamente a austenita deformada en cuanto desaparece el estrés.

Este proceso proporciona una gran elasticidad, elasticidad "como de hule" en estas aleaciones, dicho efecto se puede observar en la siguiente gráfica. Las aleaciones superelásticas de NiTi pueden ser deformadas varias veces más que las aleaciones de metales comunes sin que se deforme plásticamente, lo que otorga un comportamiento similar a la goma, sin embargo, sólo es observable en un rango de temperaturas determinadas. 

Pseudoelásticidad

Este fenómeno se produce a temperatura constante, es decir con una microestructura 100% austenita, se presenta por transformación martensítica termoelástica que es inducida por aplicación de una tensión externa. De esta manera la carga puede aumentar hasta que el material se encuentre completamente transformado en martensita, esto es una deformación de vía maclado, una vez que el material se relaja vuelve a su forma de austenita, considerando que no hay gran cambio de temperatura, así pues el material recupera su forma inicial, este deformación de tipo reversible es más mayor que la deformación elástica producida dentro de una sola fase, este comportamiento se representa en la figura.

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Capacidad de amortiguamiento

Esta propiedad se asocia con la disipación de energía, es decir la capacidad de absorber energía, es mayor en la fase martensítica dentro del rango de las temperaturas adecuadas.

Aplicación e Innovación.

Desde el punto de vista de un biomaterial, considerando su biocompatibilidad, podemos encontrar este material en el empleo de implantes para hueso, y stents cardiovasculares (dispositivo que impide que la arteria se cierre de nuevo). Sin embargo existe un riesgo al emplear dicho material puesto que al ser una aleación esta puede liberar los iones Ni 2+ en el cuerpo, para el organismo puede ocasionar alergias. Para este caso se opta por una alternativa, en la cual requiere de un procedimiento de recubrimiento del material con un polímero conductor que lo proteja de la corrosión, ya que puede actuar como una barrera física además de desacelerar la disolución del metal estabilizado en la zona pasiva (austenita).Cabe resaltar que el proceso mencionado sigue en vías de investigación, pero dentro de las diferentes pruebas que se han realizado los mejores candidatos de polímeros conductores son el polipirrol (PPy), este material puede ser formado electroquímicamente, brindando protección de sustratos a la corrosión, cuando este es dopado con distintos aniones que son inhibidores de la corrosión.

En el campo de la medicina este material es visto como un auxiliar de los procesos quirúrgicos, en relación al sistema ósea, puesto que otra manera común de verlo es cuando es empleado en la odontología, ya que es el material que recuerda a la pubertad, siendo los brackets uno de sus usos más populares, por su cualidad de ser superelástico. En la manera que es empleado es ideal por sus características y propiedades que brindan una manera más cómoda de realizar ese cambio estético. En la innovación de este material, para estudio de mecánica de fluidos, se plantea implementarlo como un control proporcional, es decir, este material es posible utilizarlo solo una parte del recobramiento de forma, puesto que el cambio que produce en un rango de temperaturas, permite crear una válvula que controla el flujo de una sustancia, calentando un componente con memoria suficiente como para cerrar la válvula a la cantidad deseada. Dicho estudio se puede realizar con una técnica para posicionarse entre 0.25mm. Así mismo en el campo de la ingeniería química, es utilizado como un acople hidráulico, dichos anclajes son manufacturados como mangas más pequeñas que la tubería de metal a unir, puesto que su diámetro es expandido durante la martensita y, luego de calentarlos a austenita, se encogen y sostienen fuertemente los tubos. Dichos tubos hacen que el acople no pueda recuperar el diámetro con el que fue hecho, la tensión que se genera es en la mayoría de los casos superior a la de una soldadura, la fuerza de unión puede ser mejorada con un revestimiento adhesivo en el forro de la tubería. Parte de este mecanismo es utilizado en el diseño de conectores de tableros de circuitos, ya que los sistemas de conectores eléctricos con aleaciones con memoria son usadas para forzar la apertura de un resorte cuando el conector está caliente, dando lugar a la inserción o el retiro libre de fuerza de un tarjeta del circuito. Un ejemplo de ello es en las válvulas de seguridad que se diseñan para cerrar el flujo de un gas tóxico cuando ocurre un incendio. Si bien algunas características y propiedades de este material lo vuelven bastante atractivo para el diseño de nuevos mecanismos más eficientes en los procesos tanto en la medicina como en la

ingeniería, los conocimientos y alcance que tiene este material aún son bastos, ejemplo de ello es la idea de utilizarlo para crear submarinos que nos permitan conocer las profundidades de los océanos, ya que su alta resistencia a la corrosión, y que sus cambios se presentan con las temperaturas altas, hacen posible crear piezas que sean colocadas en los submarinos para permitir la investigación de esa parte del ecosistema, que hasta hoy en día es una interrogante.

Las altas presiones y bajas temperaturas, vuelven difícil los medios para poder estudiar el campo de la biología marina, que en los últimos años, ha dado pie a muchas aplicaciones médicas, desde tratamientos de enfermedades incurables, hasta el conocimiento de especies increíbles, descubrir lo que está en nuestro mundo es una pieza fundamental para entender toda nuestro composición, el diseño de este tipo de máquinas permitiría que estuviera a nuestro alcance.

Conclusión La tecnología y la humanidad están caminando cada vez más de cerca, puesto que los avances que realice la tecnología repercuten en un nuevo comportamiento o desenvolvimiento social, que impulsa una mejora en los procesos de comunicación así como una mejor compresión de lo que sucede a nuestro alrededor, si bien no siempre la tecnología a mejorado la calidad de personas que construyen la sociedad, si ha sido capaz de brindar herramientas que mejoren la calidad de vida de diversas comunidades, que saben emplear dicho conocimiento en su beneficio y sacar lo mejor de ello. En el caso de los materiales emergentes, las grandes potencias tienen en su campo a especialistas que realizan pruebas y diseños de compuestos que combinan las mejores propiedades y características de algunos elementos, para crear algo verdaderamente útil, tal es el caso del Nitinol, que a pesar de ser una aleación formada simplemente de dos elementos, sus propiedades y características le permiten acoplarse a infinidad de aplicaciones, las cuales siguen en estudio debido a alunas variaciones que se pueden crear dentro de su composición, o dentro de sus fases anteriormente mencionadas. Este material se convierte con una visión a futuro, en la posible respuesta que permita crear maquinas que nos permitan descubrir las profundidades de nuestros océanos, así mismo también los nuevos mundos, ya que es atractivo para las empresas aeroespaciales por sus memoria de forma; Si bien la ciencia nos brinda una amplia gama de conocimiento, su aplicación es lo que motiva a los ingenieros a continuar buscando en todas sus interrogantes, ya sea para hacer más practicas las cosas, o simplemente por la curiosidad de conocer todo lo que este a su alcance.

Referencias. http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec/m6/Nitinol_un %20biomaterial.pdf?fbclid=IwAR1qpZIYUIaVEDOMP Felipe Díaz del Castillo Rodríguez. (2011). Nitinol, un biomaterial con memoria de forma. Diciembre 2011, de UNAM http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1692-17982019000200118&lang=es Diego Andrés Campo-Ceballos, Flaminio Levy-Neto, Emanuelle Pacheco Rocha-Lima. (2019). ESTUDIO TERMOMECÁNICO DE VIGAS VISCOELÁSTICAS COMPÓSITAS DE ALEACIÓN DE NI-TI CON MEMORIA DE FORMA. Diciembre 2019, de Scielo. https://www.seas.es/blog/diseno_mecanico/materiales-con-memoria-de-forma-el-nitinol/#:~:text=Se%20podr %C3%ADan%20definir%20como%20aquellos,por%20cambio%20t%C3%A9rmic Pedro J. Sánchez. (2016). Material de memoria de forma, nitinol. Julio 2016, de Blog Seas....