Vue d'ensemble du Nitinol
L'alliage nickel-titane, également connu sous le nom de nitinol, est un alliage binaire composé de nickel et de titane. Les deux éléments sont à peu près égaux en pourcentage atomique (le Nitinol 55 et le Nitinol 60 sont courants).
Phase austénitique et phase martensitique
En raison des changements de température et de la pression mécanique, le nitinol présente deux phases de structure cristalline différentes, à savoir la phase austénitique et la phase martensitique.
Dans le nitinol, l'austénite est appelée phase mère, c'est-à-dire la phase cristalline de l'alliage à haute température. Lorsque la température diminue, l'austénite se transforme progressivement en martensite (sous-phase).
Dans le processus de transformation de la martensite et de l'austénite, il existe quatre types de températures :
* As : la température à laquelle la martensite commence à se transformer en austénite pendant le processus d'augmentation de la température.
* Af : la température à laquelle la martensite termine sa transformation en austénite pendant le processus d'augmentation de la température.
* Ms : température à laquelle l'austénite commence à se transformer en martensite pendant le processus de baisse de température.
* Mf : température à laquelle l'austénite termine sa conversion en martensite pendant le processus de baisse de température.
La transformation de phase du nitinol présente une hystérésis thermique, de sorte que As n'est pas égal à Mf, pour la même raison, Af n'est pas égal à Ms.
Deux caractéristiques du nitinol
1. Mémoire de forme
La mémoire de forme se produit lorsque la phase mère d'une certaine forme est refroidie d'une température supérieure à Af à une température inférieure à Mf et forme complètement la martensite, déformant la martensite en dessous de la température Mf. Après avoir été chauffé à une température inférieure à la température Af, avec une transformation de phase inverse, le matériau retrouve automatiquement sa forme en phase mère. En fait, l'effet de mémoire de forme est un processus de transition de phase induit thermiquement par le nitinol. Il s'agit de la capacité du nitinol à se déformer à une certaine température et à retrouver sa forme originale, non déformée, lorsque la température est supérieure à sa "température de transition".
2. Superélasticité
La superélasticité désigne le phénomène par lequel l'échantillon produit une déformation bien supérieure à la déformation limite élastique sous l'effet de forces externes et la déformation peut se rétablir automatiquement lors de la décharge. Dans la phase mère, sous l'effet d'une contrainte externe, la déformation déclenche une transition de phase martensitique de sorte que l'alliage présente des comportements mécaniques différents de ceux des matériaux ordinaires. Sa limite élastique est beaucoup plus grande que celle des matériaux ordinaires. Il ne suit plus la loi de Hooke. Par rapport à l'effet de mémoire de forme, la superélasticité n'implique pas de chaleur.
Applications du nitinol
1. Montures de lunettes
Bien que de nombreuses applications du nitinol soient invisibles pour le grand public, certaines sont tout à fait familières. Les montures de lunettes en nitinol peuvent être fortement déformées, puis revenir parfaitement à la normale. De même, il y a quelques années, lorsque les téléphones portables étaient équipés d'antennes extractibles, nombre d'entre elles étaient fabriquées en nitinol, ce qui leur permettait de fléchir sans se casser ou se déformer de façon permanente.
2. Orthodontie
Une autre application superélastique, où vous ou vos enfants avez peut-être fait l'expérience du nitinol, est celle des arcs utilisés par les orthodontistes. L'orthodontiste prend un fil en nitinol et le plie pour le fixer aux dents. Comme le fil est superélastique, il essaie de revenir à son état droit et exerce continuellement une force sur les dents. Cela permet d'espacer les visites chez l'orthodontiste pour resserrer les appareils dentaires.
3. Dispositifs médicaux
Les instruments et composants chirurgicaux en nitinol répondent à de nombreux besoins, en particulier dans le domaine de la chirurgie mini-invasive ou arthroscopique. Ils peuvent tirer parti de la superélasticité et de la résistance à la fatigue du nitinol. Un outil courbé peut être redressé et introduit dans une canule, un tube rigide. Lorsqu'il sort de la canule, l'outil reprend sa forme initiale. Le chirurgien effectue l'intervention, puis l'outil est rétracté dans la canule où il se redresse à nouveau pour être facilement retiré.
La qualité superélastique du nitinol, ainsi que sa biocompatibilité, en font un matériau idéal pour la fabrication de nombreux types de dispositifs médicaux implantés dans le corps. Une application familière à beaucoup d'entre nous est le stent, un dispositif qui soutient les vaisseaux sanguins et les maintient ouverts. La superélasticité du nitinol permet de comprimer un dispositif médical, tel qu'un stent ou une valve cardiaque, pour lui donner une forme qui s'adapte à l'intérieur d'un cathéter. Le cathéter est positionné au bon endroit dans le corps, le dispositif est libéré et reprend sa forme initiale.
Cette même superélasticité fait du nitinol le seul matériau adapté aux endoprothèses utilisées dans l'artère carotide du cou ou dans les vaisseaux sanguins des jambes. Dans ces endroits vulnérables, un coup porté à la zone d'une endoprothèse la fera dévier, mais une endoprothèse en nitinol reprendra sa forme initiale. Les endoprothèses fabriquées dans d'autres matériaux risqueraient d'être écrasées ou déformées de manière permanente par un tel impact.
4. Autres applications
Un certain nombre d'applications moins connues utilisent la capacité de mémoire de forme du nitinol. Un fabricant d'ordinateurs bien connu a utilisé un dispositif en nitinol pour éjecter les cartes PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). Le nitinol est également utilisé dans les raccords qui relient les extrémités des tubes hydrauliques dans les avions. Dans une application moins sérieuse, le nitinol permet aux cuillères du magasin de magie de se plier lorsqu'elles sont placées dans de l'eau chaude.
