Search

Zadatak praktičnog dijela ovog rada bio je osmisliti praktični primjer korištenja legura s pamćenjem oblika. Nakon obavljenog istraživanja pronašao sam primjer nitinol motora koji sam i opisao u predzadnjem poglavlju diplomskog rada. Na temelju tog primjera odlučio sam osmisliti postrojenje za proizvodnju električne energije na temelju nitinol motora. Nitinol motori koriste se kao pogonski strojevi. U praktičnom dijelu prikazan je i izračun snage motora (jednog obruča) koji se kasnije spaja s drugima kako bi se povećala snaga. Snaga jedne opruge ovisi o promjeru žice od koje je napravljena opruga te koliko se opruga izduži. Prilikom osmišljavanja postrojenja bilo je potrebno prvo izračunati koliku bi snagu davao jedan motor s 24 opruge (135 W). Nakon toga bilo je potrebno povećati iznos te snage budući da je za potrebe kućanstva potrebna znatno veća snaga. U sustav solarnih kolektora je ugrađeno 15 obruča (30 opruga svaki) na istu osovinu kako bi se ukupna snaga povećala na 3 kW. S obzirom na to, sustav se isplati za 7 godina. Nakon kućnog sustava odlučio sam dalje povećati snagu te postaviti na izlaz termoelektrane toplane. U tom primjeru postavljeno je četiri sustava motora (svaki motor 700 kW snage). Za svaki sustav je postavljeno 100 obruča; svaki sa 150 opruga. Ukupna snaga iznosi 2 MW te se navedeni sustav isplati za 16.3 godine. Goal of the practical part of this paper was to figure out the practical way of using shape memory alloys. After having done all the research, I have found the example of the nitinol engine which is described in the penultimate chapter of this paper. Based on that example, I came up with the idea of using the nitinol engine for producing electric power. In that facility nitinol engines are used as propulsive machine. In practical part, engine power calculation (of one hoop) is also shown, which is later merged with more hoops for more power. Strength of one spring depends on wire diameter and spring extension. In the process of building the engine, first thing I had to calculate was the maximum power output of one engine with 24 springs (135W). The next task was to increase power output because power consumption of the household is more than 135W. Solar heating system is mounted with 15 hoops (30 spring each) on the same axle to increase power output up to 3 kW. In this configuration system repayment is seven years. After household system, I have decided to further increase the power output and connect it on the hot water output in cogeneration

Za izradu metalnih implantnih materijala najčešće se koriste: (i) nehrđajući čelici, (ii) kobalt- kromove slitine, (iii) titanij i titanijeve legure. Osnovni uvjet za njihovu ugradnju u agresivni biookoliš ljudskog tijela je visoki stupanj korozijske otpornosti, koja je ključni čimbenik biokompatibilnosti. Stoga se reaktivne površine metalnih implantata modificiraju različitim prevlakama, kao što su npr. anorganski (oksidni filmovi), organski (samoorganizirajući filmovi molekula fosfonske kiseline) i biokeramički filmovi (prevlake kalcijevih fosfata ) i dr. U istraživanju korozijske otpornosti metalnih implantnih materijala primjenjuju se elektrokemijske metode budući da su procesi degradacije implantata u agresivnom biookolišu tkivnih tekućina elektrokemijske prirode. U ovom radu elektrokemijske metode su korištene i za: (i) formiranje prevlaka hidroksiapatita (HA) na Nitinolu, kao i za (ii) karakterizaciju korozijske otpornosti modificirane površine Nitinola u in vitro uvjetima realne primjene.

Uz produljenje čovjekove životne dobi, brz način života i porast ukupne populacije, raste i potreba za ugradnjom implantata u ljudsko tijelo kako bi se održala kvaliteta života pojedinca. Uslijed povećane potrebe za ugradnjom implantata, raste i nužnost za detaljnim razumijevanjem interakcija površine implantata s okolnim fiziološkim okruženjem. Nitinol, približno ekviatomska legura nikla i titana (NiTi), je materijal od posebnog interesa u biomedicinskom inženjerstvu zbog svojih specifičnih mikrostrukturnih svojstava (svojstvo “pamćenja” oblika i superelastičnost). Kao implantni materijal, Nitinol se koristi za izradu krvožilnih i plućnih usadaka/stentova i ortodontskih implantata. Tjelesne tkivne tekućine predstavljaju vrlo agresivan okoliš za metalne implantate, stoga je kemijska stabilnost materijala osnovni preduvjet biokompatibilnosti. Relativno dobra korozijska stabilnost površine Nitinola temelji se na spontanom formiranju površinskog oksidnog TiO2 filma. S vremenom, u agresivnim tkivnim tekućinama, koje sadrže visoku koncentraciju kloridnih iona, može doći do lokalnog razaranja oksidnog filma i neželjenog otpuštanja alergenih i toksičnih iona nikla u okolna tkiva. Stoga, da bi se stvorila djelotvorna barijera između agresivnog okruženja i implantata čime bi se produljio njegov vijek trajanja i izbjegle bolne korekcijske operacije, reaktivna površina Nitinola modificira se biokompatibilnim prevlakama. Površina Nitinola modificirana je anorganskim prevlakama (oksidni filmovi dobiveni anodizacijom) i organskim prevlakama (samoorganizirajući filmovi fosfonskih kiselina) kako bi se poboljšala njegova korozijska otpornost i smanjila otpuštena količina iona nikla u okolna tkiva. Elektrokemijska karakterizacija nemodificiranih i modificiranih površina Nitinola provedena je in vitro u simuliranoj tjelesnoj otopini (Hankova otopina) koristeći ac i dc elektrokemijske metode (voltametrija, pulsne metode, impedancijska spektroskopija). Visoko-sofisticirane površinsko-analitičke metode (infracrvena refleksijsko apsorpcijska spektroskopija, rendgenska fotoelektronska spektroskopija i goniometrija) korištene su za površinsku karakterizaciju anorganskih i organskih prevlaka. Kinetika formiranja i rasta oksidnih filmova na Nitinolu je istraživana pod potenciostatskim i galvanostatskim uvjetima. In situ rast amorfnih oksidnih filmova (galvanostatski uvjeti) odvija se pod utjecajem visokog polja kooperativnim mehanizmom ionske vodljivosti (uključuje migraciju iona metala i kisika). Za kristalinične oksidne filmove (potenciostatski uvjeti) utvrđena je dominacija anionskih nad kationskim vakancijama. Elektronska, poluvodička svojstva pasivnih kristaliničnih filmova istražena su u uvjetima u kojima prevladava elektronska vodljivost. Oksidni filmovi na Nitinolu ponašaju se kao n-tip poluvodiča s kisikovim vakancijama kao elektron donorima. Tanki nanometraski oksidni filmovi na Nitinolu, građeni većinom od TiO2 sa samo 2% Ni, pružaju visoku korozijsku otpornost. Modifikacija površine Nitinola samoorganiziranjem fosfonskih kiselina rezultira formiranjem bidentantno kovalentno vezanih fosfonatnih filmova na oksidom prekrivenoj površini Nitinola što je potvrđeno fotoelektronskom spektroskopijom. Rezultati infracrvene spektroskopije pokazali su kako su formirani filmovi visoko uređeni i gusto pakirane strukture. Prema impedancijskim mjerenjima vidljivo je da se fosfonatni filmovi u simuliranoj tjelesnoj tekućini ponašaju kao neidealni dielektrici sa visokim vrijednostima otpora. Međufazna granica Nitinol|fosfonatni film|elektrolit predstavlja blokirajući kontakt koji djelotvorno sprječava odvijanje reakcija prijenosa naboja. Površine Nitinola modificirane anorganskim i organskim filmovima pokazuju povećanu korozijsku otpornost u odnosu na nemodificiranu površinu, čime je ostvaren osnovni preduvjet za povećanje biokompatibilnosti. Formirani sustav Nitinol|film predstavlja novi bioinženjerski materijal za izradu biokompatibilnih implantata.

Produljenjem čovjekove životne dobi, kako bi se održala kvaliteta života pojedinca, raste i potreba za ugradnjom nadomjestaka/implantata u ljudsko tijelo. Porast ukupne populacije u svijetu i povećana potreba za implantatima potiču razvoj biomedicinskih inženjerskih sustava i tehnologija. Za izradu implantata koristi se i materijal Nitinol, približno ekviatomska legura nikla i titana (NiTi). Nitinol posjeduje specifična mikrostrukturna svojstva (svojstvo “pamćenja” oblika i superelastičnosti) i stoga je izuzetno važan u biokemijskom inženjerstvu s primjenom u medicini za izradu krvožilnih i plućnih usadaka (stentova) i ortodontskih implantata. Osnovni uvjet za ugradnju materijala u agresivan biookoliš ljudskog tijela, uz izvrsna mehanička i kemijska svojstva, je i visok stupanj biokompatibilnosti. Relativno dobra biokompatibilnost nemodificirane površine Nitinola temelji se na spontanom formiranju površinskog oksidnog filma koji predstavlja barijeru prijelazu toksičnih iona nikla i korozijskih produkata u biookoliš implantata. Za daljnje povećanje korozijske otpornosti koriste se različite metode modifikacije površine Nitinola kako bi se spriječila degradacija implantata, produljio njegov vijek trajanja i izbjegle bolne korekcijske operacije. Površina Nitinola modificirana je samoorganizirajućim monoslojevima fosfonskih kiselina. Samoorganizirajući monoslojevi predstavljaju jednostavan i jeftin način modifikacije površine uz dodatnu mogućnost naknadne modifikacije završnih skupina formiranih monoslojeva s ciljem dobivanja sustava s novim fizikalno-kemijskim svojstvima. In vitro karakterizacija nemodificiranih i modificiranih površina Nitinola provedena je u simuliranoj tjelesnoj otopini (Hankova otopina) koristeći elektrokemijske metode (ciklička voltametrija i elektrokemijska impedancijska spektroskopija) i goniometriju. Ispitivan je utjecaj pripreme površine prije modifikacije samoorganizirajućim monoslojevima i utjecaj duljine lanca fosfonskih kiselina na barijerne karakteristike modificirane površine Nitinola.