החומר שזוכר

.התגלה במעבדה של הצי הימי של ארה״ב במקרה כאשר סוגסג בין שני יסודות
...נשמר בסודיות שנים רבות, פותח לייצור אנרגיה חשמלית ושימש לכופף כפיות של קוסמים

קנה דוגמא ?מה זה בדיוק

אנו מיעצים, מהנדסים ומספקים את הניטינול שאתם צריכים

.חברת ״סמארט מטיריאלס" היא מחלקה בתוך קבוצת אוקסיד העוסקת בייעוץ והספקה של חומרים חכמים
.דף זה מתמקד בחומר חכם הנקרא ניטינול, בהמשכו תוכלו להתרשם מאופן פעולתו ושימושו וגם לרכוש דוגמאות להתנסות בעצמכם

רובוט ניטינול

נסיון עשיר של למעלה מ-20 שנה

ניהול עשרות פרוייקטים, מתן יעוץ והדרכה לחברות סטארט-אפ וסטודנטים, אספקה של חומרי הגלם ותכנון המוצר המוגמר.
מחלקת ההנדסה שלנו עומדת לרשותכם לכל שאלה או רעיון לפיתוח, אל תהססו ליצור קשר.

פנו אלינו

נייטינול

ניטינול - ניקל וטיטניום

נייטינול (Nitinol) הוא סגסוגת של שני יסודות מתכת ניקל וטיטניום. לא כל סגסוג של שתי מתכות אלה יכול ל״הפוך״ לניטינול, יש להגיע לאחוז סגסוג מאוד מדוייק עד כדי עשיריות האחוזים.
הניטינול (לעיתים נקרא גם ניטינול או נייטינול) הוא חומר זוכר צורה, כלומר כאשר משנים את הצורה שלו ע״י מתיחה, כיפוף, פיתול או לחיצה הוא יכול לחזור חזרה לצורתו הראשונית.

עקרון הפעולה

לניטינול שתי פאזות (מצבי צבירה). הפאזה הראשונה קרויה אוסטניט (Austenite) והיא גם צורתו הראשונית. במצב זה החומר מצוי בסדר וארגון. הפאזה השנייה קרויה מרטנזיט (Martensite). במצב צבירה זה, החומר מצוי בעצם באי סדר, צורתו מעוותת אך הוא חזק יותר.

מעבר בין מצבי הצבירה מושג ע״י הפעלת כח על החומר. שאיפתו הטבעית של כל חומר בטבע, כמו גם הניטינול, היא חזרה למצב של סדר. יכולתו לחזור מפאזת המרטנזיט לפאזת האוסטניט היא בעזרת אנרגיה קינטית אותה הוא ממיר מאנרגיית חום. משמע, אם נשנה את צורתו של החומר, על מנת להחזיר אותו לצורתו המקורית, נצטרך לחמם אותו.
מאחר ומומנטום החזרה שהניטינול יוצר הוא גדול, החומר מנוצל לגרירה, הרמה, דחיפה וכיוצ״ב.
הניטינול מתחלק לשתי קטגוריות כאשר החלוקה נקבעת על פי אחוזי הניקל והטיטניום בסגסוגת. בתוך הקטגוריות החלוקה ממשיכה למס׳ סוגים ונקבעת על פי הקירבה בתכונות המכאניות.

קטגוריות וסוגים

שתי קטגוריות החלוקה של הניטינול קרויות סופר-אלסטי (Super-Elastic) ו סגסוגת זכרון (Shape Memory). מה שמבדל כל אחת מהם היא טמפ׳ החום הדרושה על מנת לאפשר מעבר מפאזת המרטנזיט חזרה לפאזת האוסטניט.

סופר אלסטי

מעט היסטוריה

בשנות 1962 התגלה החומר בטעות במעבדה לניסויים של הצי הימי של ארצות הברית כשניסו לייצר חומר נגד קורוזיה עם טיטניום וניקל,שכל אחד מהם מצטיין בניגוד קורוזיה. במעבדה גילו להפתעתם שהחומר מתחיל לשנות צורה ולנוע ללא הרף בין מקורות החום והקור במעבדה.

כאשר אנו מתייחסים לסופר אלסטיות, הכוונה היא מודול אלסטיות גבוה של החומר - היכולת לשנות צורה ללא עיבור פלסטי. במילים פשוטות יותר, היכולת לשנות צורה מבלי לפגוע ביכולת לחזור לצורת המקור. למשל גומיה - כאשר נמתח אותה הדבר לא יפגע ביכולתה לחזור בחזרה למימדי המקור שלה כאשר תשוחרר.
המאפיין בכל סוגי הניטינול המשוכיים לקטגוריות זו היא רמת החום הנמוכה הדרושה לצורך המעבר בין מצבי הצבירה והיא עומדת על טווח הנע בין 65°C- עד 45°C.
אחד השימושים החשובים והמהותיים ביותר של הניטינול בשל תכונה זו הוא בפיתוחים בתחום הרפואה. סטנטים העשויים מניטינול הם עמידים בהרבה ומחזיקים לאורך שנים רבות יותר ובכך תורמים להארכת חיי החולה.

סוגי הניטינול הסופר אלסטי

SE508 SE506 SE510
55.8% 55.6% 56% אחוז סגסוג הניקל בחומר
-25°C to 30°C 10°C to 45°C -65 to 10°C תחום טמפ׳ מעבר פאזה
~380MPA ~285 MPA ~475 MPA *הלחץ במעבר פאזה

*לחץ במעבר הפאזה - הכוונה היא לקשיחות החומר. ניתן לראות שככל שאחוז הסגסוג הניקל בחומר גבוה יותר כך גם הקשיחות עולה.

שימושים לסופר אלסטי

סטנט

כפי שהוזכר קודם, אחד השימושים העיקריים לניטינול סופר אלסטי הוא בתחום הרפואה בייצור הסטנטים. סטנט הוא בעצם סוג של תומכן מתכתי המשמש במקרים של הצרויות והיחלשות עורקים (למשל כתוצאה מטרשת עורקים). תהליך הכנסת הסטנט נקרא צינתור. בתהליך זה הסטנט נמצא בקוטרו המינימלי בתוך צינור בדר״כ הוא מחדר דרך עורק הירך וממוקמם באזור המתאים. כאשר הוא שם הוא מנופח עד הגודל המתאים ע״י בלון.

יתרונותיו של הניטינול על פני חומרים אחרים הם עצומים: ראשית, בשל תכונתו זכרון צורה, אין צורך בבלון לניפוחו בתוך הגוף כיוון שחום הגוף מאפשר לו לחזור לצורתו המקורית ובכך ״לגדול״ לקוטר בו יוצר. (הניטינול ביישום סטנטים נקרא גם Self Expanded).
שנית, העורקים בגוף האדם נתונים למאמצים - לחצים מחזוריים כתוצאה מפעימות הלב. מאחר ורוב החומרים עוברים תהליך של עיבור החומר, מאמצים אלו מגבירים את כשל ״התעייפות״ החומר. מאחר ואת הניטינול אין צורך להעביר תהליך זהה, סכנה לתופעה דומה אצלו קטנה.

סגסוגת זיכרון

ניטינול מסוג זה מאופיין בטמפ׳ גבוהה למעבר פאזה, כלומר להבדיל מסופר אלסטי כדי לגרום לניטינול לחזור חזרה לצורותו, נדרש לחמם אותו לתחום טמפ׳ בין 30°C עד 80°C. בעקבות הטמפ׳ היחסית גבוהה הדרושה לשינוי הפאזה ויצירת כח לחזרת הצורה, החומר מתנהג כמו מתכת רגילה קרי פלדה, ורק לאחר קבלת החום הדרוש הוא מתחיל לחזור. בכך, אפשר לתכנן מנגנון מכאני.

לסגסוגת זיכרון יש שני סוגים - טמפ׳ גבוהה וטמפ׳ נמוכה. כאשר טמפ׳ נמוכה מתייחסת לטמפ׳ של גוף האדם (יכול להיות טמפ׳ סביבתית גם) וטמפ׳ גבוהה מתייחסת לטמפ׳ רתיחה. מכיוון שטמפ׳ גבוהה דרושה השקעת אנרגיה חום גבוהה ניתן בכמה מקורות להגיע אליה. שלושת המקורות העיקריים להשגת האנרגיה הם: מים חמים, אש וחשמל.
תחום זה מסוג זה של הניטינול הוא מקור ההשראה הגדול ביותר לחומר. בתחילה, כשהחומר פורסם במקורות מצומצמים (באתה תקופה ללא אינטרנט) לקחו חלק בסוד מספר קטן של אנשים מתוכם קוסמים. הם השתמשו ביכולת של הניטינול מסוג טמפ׳ הגוף כדי לשנות צורה למתכת למשל לכופף כפיות. ואפילו היום, זה מספיק משכנע.

סוגי הניטינול סגסוגת הזיכרון

SM495 SM500
54.5% 55.0% אחוז סגסוג הניקל בחומר
50°C to 80°C 30°C to 50°C תחום טמפ׳ מעבר פאזה
14 second 16.8 second *זמן התקררות למחזור חדש

*הזמן מתייחס למעבר פאזה מאוסטניט לאוסטניט, כאשר הפעולת חזרה היא הפעולה בה מופעל הכח. הזמן מתייחס לחוט בעל קוטר 0.51 מ״מ לאורך של מטר בכיפוף של 180° לשני הסוגים, הקירור נעשה בטמפ׳ חדר ללא הסעה מאולצת.

שימושים לסגסוגת זיכרון

כשגילו את היכולת של הניטינול ישר חשבו על המרת אנרגיה - איך ניתן ע״י הפרש טמפ׳ לבצע עבודה ולהפיק חשמל. בעקבות כך, יוצרו המון סוגים של מכונות חום. נצילותם (היחס בין האנרגיה המתקבלת ביציאה לבין האנרגיה הנכנסת אליה) תלויה מאוד בעיצוב המכונה.
הסיבה לכך שאין שימוש במכונות כאלה בתעשייה היום היא בכל זאת הנצילות הנמוכה שהמכונה מפיקה. בדרף כלל נצילות של טורבינה בחברת חשמל היא כ-30%, ואילו הניטינול מפיק בקושי 2%. ובכל זאת, נעשו ניסיות רבים להפיק חשמל ממקורות חום וקר ממשאבי הטבע וכיום במחקר באונ׳ בניו יורק עדיין הפרוייקט פעיל.

מכונת חום מניטינול

מכונת חום?
או
משאבת חום?

מכונת חום היא מכונה שממירה אנרגית חום לאנרגיה אחרת (לרוב חשמלית). משאבת חום הינה מכונה שלוקחת אנרגיה (בדרך חשמלית) וממירה אותה לחום. למשל, מפזר חום הוא משאבת חום ואילו גנרטור או טורבינת קיטור הם מכונות חום

ישנם המון שימושים בניטינול ברכיבים אלקטרוניים. פרוייקטים רבים מבוססים על קפיצים או חוטים שמחממים אותם ע״י זרם חשמלי והם מחלפים את המנועיים החשמליים. השם הרישמי של ניטינול ביישומים רבים הוא SMA Actuator. היתרונות של הניטינול על המנוע החשמלי הן רבים: יכולת להיות טבול בתוך נוזל, כח רב לעומת מנוע ביחס לגודל, שקט, תנועה חלקה ואקספוטנציאלית. החסרון הוא המחיר שלו, וכן פעולת עבודה ארוכה רציפה.
עוד חסרון גדול לניטינול הוא הגבלת הגודל, כלומר חוטים מעבר לקוטר של כמה ס״מ מאבדים את היכולות המכאניות שלהם, ולכן לא ניתן להתייחס לתכונות של הניטינול בסדרי גודל לינאריים. ככלל, הכוח שהניטינול מפעיל הוא פונקציה של כמות החומר - ככל שיש יותר מולקולות שמושכות חזרה למבנה האוסטנטי, כך הכח מתגבר. שוב, ישנה הגבלת גודל שלאחר מכן האפקט מתהפך, וככל שהחומר יותר גדול תכונות הוחר פוחתות.

טיפולים תרמיים

טיפול תרמי הינו תהליך ייצור לחומרים המלווים בחימומם וקירורם כפונקציה של זמן וטמפ׳. טיפול התרמי למתכות נועד למספר מטרות: חיזוק המתכות, ריכוך המתכות, הגדלת צמיגות המתכות וכו...
הדרך לקבוע את הצורה של הנטינול היא ע״י טיפול תרמי. הטיפול גורם למולקולות בחומר לנוע במהירות ולהתסדר במבנה חדש בצורה החדשה, בנוסף הטיפול קובע את טמפ׳ מעבר הפאזה לאוסטניט.

לאחר סגסוג הניקל והטיטניום ועיבוד בקור לחוט עם הקוטר הרצוי, הניטינול קשיח מאוד ואינו מושפע משינויי טמפ׳, ולכן קשה מאוד להבחין בינו לבין חוט טיטניום רגיל. כעת, ניתן לקבוע צורה לניטינול ע״י קיבוע לצורה אותה אנו רוצים ל״זכור״, לחמם לטמפ׳ 580 מעלות למשך 10-15 דק, ומיד לאחר מכן לטבול במים קרים.
כשטמפ׳ הניטינול מתקררת לטמפ׳ חדר ניתן להרגיש שהחומר רך יותר (עקב שיחרור מאמצים) והוא מכוייל לטמפ׳ בטווח שלפי הספרות. ניתן להגיע לטמפ׳ יותר מדוייקת בטווח האפשרי ע״י טיפול תרמי איכותי במעבדה.
ניתן שוב ושוב ליצור את הצורה שאנו רוצים רק יש לזכור שאיכות החזרה לצורה לאחר חימום קטנה עם המחזורים. זמן הטיפול התרמי תלוי מאוד בצורת החומר גלם, ולכן מומלץ לקבל יעוץ נכון איזה טמפ׳ וכמה זמן לעשות את הטיפול התרמי בכדי לא לגרום לשגיאה גדולה בצורה.

עקרונות העיבור

מכיוון האנרגיה שדורש הניטינול היא אנרגיית חום, לעיתים מחממים אותו יתר על המידה מספר פעמים, זהו הכשל הצורתי הנפוץ, חשוב מאוד לספק לניטינול את החום המקסימלי המומלץ לסוג החומר, למשל אם יש ברשותינו ניטינול סגסוגת זיכרון עם טמפ׳ מעבר של 90 מעלות, נמליץ לא לחרוג מ-110 מעלות בכדי למנוע שגיאת צורה.

העיבור (=התארכות) הניטינול הוא סה״כ 7%. כלומר, בין המעבר פאזות המקסימום שיתארך החומר הוא האחוז הנ״ל. בגלל זה, התכנון להנחת הניטינול ביישומים צריכה להיות שקולה. ככלל הדרך הטובה ביותר לקבל עיבור גדול הוא הארכת החומר והפיכתו לקפיץ או סליל, ובכך להגדיל את נתח העיבור. מלבד קפיץ, זוויות וחיבורים של חומרים נוספים תורמים לניצול מיטבי של ההתארכות.

התארכות הניטינול מלווה תמיד בשינוי פאזה למרטנזיט. ההתנגדות לשינוי תלויה בגיאומטריה ובסוג הניטינול. לעיתים, בכדי להגדיל את ההתארכות לפוטנציאל של 7 אחוז נדרש להפעיל כח חיצוני גדול. ניתן לראות את הדוגמא הנ״ל שמצביעה על יחס העיבור הממוצע בקפיץ ניטינול כתוגבה לכוח חיצוני שמאריך אותו. כאשר נספק חום לניטינול הוא תמיד ישאף לקצר את עצמו, לפעמים כשהכוח גדול מכוח הניטינול לחזרה יווצר שארית אורך.

עקרונות מעבר החום

לפי החוק הראשון של התרמודינמיקה מקור חום נע אל מקור הקור. ידוע כבר כשאנחנו מחממים את הניטינול הוא משנה לפאזת אוסטניט, וכל עוד נספק את החום הדרוש לחזרה עם או בלי כוח חיצוני הוא ישאף לחוזר. ובכדי לגרום ל״מהלך״ כלומר מחזור של פעולה (התארכות התקצרות) נצטרך לקרר את החומר כדי שהוא יוכל להתארך בשנית ולעבור לפאזה השנייה. ישנם מספר דרכים לקרר את החומר או יותר נכון לומר לפזר את החום שבתוכו.
הדרך המהירה לחימום הניטינול הוא להעביר זרם בתוכו. ההתנגדות החשמלית של החומר תיצור חום כפונקציה של הזרם, ככל שהזרם גבוה כך החום יותר גבוה, מכיוון שהחימום הכי מהיר כך גם הקירור הכי מהיר, ולכן אם נצטרך תגובה מהירה לפעולת הניטינול נעדיף להשתמש בחשמל.
התמורה של הניטינול מול המנוע החשמלי הוא היכולת להפעיל את ה״מנוע״ ע״י חום ולא רק חשמל, ולכן יישומים שונים מופילים ע״י מים חמים או טמפ׳ סביבה חמה ואפילו קרינה ע״י השמש.

סגסוגים של ניטינול

לפי משוואת מעבר החום בהסעה, ניתן להגביר את פיזור החום ע״י הגדלה של מקדם הסעת החום. המקדם הוא תכונה של החומר ולא ניתן לשנות אותה, אלא אם משנים את החומר. עם התפתחות השנים והטכנולוגיה בהנדסת חומרים סגסגו עם הניטינול חומרים נוספים שגרמו לתכונות מכאניות שונות. חלק מהתכונות שיפרו את החוזק, את טמפ׳ מעבר הפאזה וגם את מקדם מעבר החום. הניטינול המכאני שמשמש כיום לישומים עם דרישה לפיזור חום מהיר הוא NiTiCu (ניקל, טיטניום ונחושת) לנחושת מקדמי מעבר חום גבוהים ביותר, וסגסוג זה אינו פוגע בשינוי מעברי הפאזה. סוג זה של ניטינול שייך לקטגוריית סגסוגת הזכרון.

?רוצים לדעת עוד

צוות מהנדסי החומרים שלנו ישמח לענות על שאלותיכם וגם ללוות אתכם בפרוייקט משלכם. הצטרפו לעשרות חברות ומעצבים תעשייתיים שנעזרו בנו ובשרותינו וכיום מציגים את האפלקציות שלהם ברשת.

הזמן פגישת ייעוץ

מחירון

למטה מוצעים לכם חומרי גלם והמוצרים שלנו לקנייה, החל מסגסוגת זיכרון וכלה בסופר אלסטי.
מעבר לפריטים המוצעים מטה ניתן לרכוש כמות מסחרית או גדולה יותר. להצעת מחיר פנו אלינו.

קפיץ ניטינול 30°C
69₪ / לקפיץ
קפיץ ניטינול עם טמפ׳ מעבר פאזה נמוכה של 30°C. קפיץ זה חוזר לאורך הראשוני מחום כף היד.
אורך קפיץ 2.5 ס״מ עם יכולת התארכות ל - 5 ס״מ.
קפיץ ניטינול 70°C
79₪ / קפיץ
הקפיץ הנפוץ ביותר להתנסות הנקרא גם Demo Spring, קפיץ זה ״מופעל״ בטמפ׳ 70 מעלות.
אורך הקפיץ הוא 2.5 ס״מ עם יכולת התארכות ל - 10 ס״מ.
חוט ניטינול 70°C משוך
149₪ / מטר
חוט ניטינול בקוטר 1.25 מ״מ SM495 משוך (כלומר ללא זיכרון) המיועד לטיפול תרמי וכיול לטמפ׳ מעבר פאזה בטווח האפשרי.
NiTiwalk - במגוון צבעים
45₪ / לאחד
הרובוט ניטיינול שמצליח ״ללכת״ בעזרת מפזר חום. הרובוט נמצא עדיין בפיתוח, אבל תמיד תוכלו לרכוש את המודל האחרון ולהתנסות.
Color

ייעוץ והכוונה

אנו מעודדים את כל מי שמתעניין בניטינול לפתח פרויקט משל עצמו, אך במהרה תבינו כי פיתוחים גדולים דורשים ידע ונסיון רב.
לנו יש את מה שצריך בכדי להפוך למציאות את הפרוייקט שלכם - צרו קשר וקבעו פגישה.

ייעוץ חומרים
11/12
ייעוץ הנדסי
10/12
ייעוץ עיסקי
9/12
ייעוץ פיתוחי
8/12

הצוות המפתח

הירשמו לעדכונים שלנו

פנו אלינו

אתם ואתן מוזמנים ומוזמנות לפנות אלינו בכל שאלה או בקשה אחד מהצוות שלנו ישמח לענות לשאלתכם.

סמארט מטיריאלס (ארט פרודקטיב בע״מ)


רח׳ כנרת 5, בני ברק
מגדלי ב.ס.ר 3
03-6124241