Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu đàn hồi hệ niti( Luận án tiến sĩ)

----------

– 2014


----------

Chuyên n
62520309

TS.

– 2014


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung bản luận án này là công trình nghiên cứu của tôi, các số liệu và
kết quả là trung thực chưa từng được công bố ở công trình nào hoặc cơ sở nào khác dưới dạng
luận án.


ii

LỜI CẢM ƠN
Tác giả uận án xin ch n thành cảm ơn các Th y giáo
iệu và

án kim oại Viện

hoa h c và

ô giáo ộ môn

ơ h c vật

thuật vật iệu Viện Đào tạo Sau Đại h c,

Trường Đại h c Bách Khoa Hà Nội và các đ ng nghiệp đ tạo m i đi u kiện thuận ợi
đóng góp những ý kiến qu

áu cho tác giả trong suốt quá trình h c tập và hoàn thành uận

án
Để có được kết quả nghiên cứu này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tác giả
xin t

ng iết ơn s u sắc nh t đến các Th y giáo hướng d n khoa h c:

ng TS

S TS Tr n V n

guy n Đặng Thủy – ộ môn ơ h c vật iệu và án kim oại đ tận t nh đ nh

hướng hướng d n và tạo đi u kiện tốt nh t gi p đ tác giả trong suốt thời gian h c tập và
hoàn thành uận án
Tác giả xin chân thành cảm ơn nhóm nghiên cứu đ tài Khoa h c và Công nghệ c p
Bộ m số

-01- ) đ gi p đ tác giả có được các số liệu thực nghiệm, hoàn thành

luận án.
Tác giả xin ch n thành cảm ơn sự gi p đ , tạo đi u kiện của bạn bè; sự động viên,
tạo m i đi u kiện v vật ch t, tinh th n của gia đ nh và người thân trong suốt thời gian h c
tập và hoàn thành uận án
Tác giả xin chân thành cảm ơn m i sự gi p đ qu

áu đó

Thanh


iii

MỤC LỤC
Đ

................................................................................................................... i
........................................................................................................................ ii

............................................................................................................................ iii
UV

V T T T.......................................................... vii

1. ác từ viết tắt ......................................................................................................... vii
ác k hiệu............................................................................................................. vii
NG BIỂU......................................................................................... ix
Đ T

............................................................................ x

Đ U ............................................................................................................................... 1
do ựa ch n đ tài ................................................................................................ 1
c đ ch của đ tài .................................................................................................. 2
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 2
hương pháp nghiên cứu.......................................................................................... 2
ngh a khoa h c và thực ti n của đ tài ................................................................. 2
hững kết quả đạt được và điểm mới của đ tài ...................................................... 3
ố c c của uận án .................................................................................................. 3
T
T

U

V T

U S U Đ

iTi V

................................................................................................................... 4

iới thiệu chung v vật iệu siêu đàn h i .............................................................. 4
Vật iệu siêu đàn h i n n đ ng ...................................................................... 4
Vật iệu siêu đàn h i n n sắt .......................................................................... 5
Vật iệu siêu đàn h i iTi và n n iTi ......................................................... 6
T nh h nh nghiên cứu chế tạo và ứng d ng vật iệu siêu đàn h i iTi xốp ........ 10
T nh h nh nghiên cứu chế tạo và ứng d ng vật iệu iTi xốp trên thế giới 10

T nh h nh nghiên cứu chế tạo vật iệu iTi xốp ở Việt am ...................... 11
Yêu c u đối với vật iệu iTi xốp ứng d ng àm miếng đệm đốt sống nh n tạo 12
ác phương pháp chế tạo vật iệu iTi xốp........................................................ 12
hế tạo vật iệu

iTi xốp

ng phương pháp thiêu kết thông thường và

thiêu kết trong chân không .................................................................................... 13
hế tạo vật iệu iTi xốp
hế tạo vật iệu

iTi xốp

ng phương pháp hợp kim hóa cơ h c............. 13
ng phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan

truy n ..................................................................................................................... 14


iv
hế tạo vật iệu iTi xốp

ng phương pháp thiêu kết xung plasma ......... 15

hế tạo vật iệu iTi xốp

ng phương pháp p nóng đẳng t nh................ 15

ựa ch n phương pháp và đ xu t sơ đ công nghệ chế tạo vật iệu

iTi

xốp với đi u kiện th nghiệm Việt am ................................................................ 17
ết uận chương ............................................................................................... 18
S

T UY T

V

T

V T

US UĐ

iTi ............................................................................................................................. 19
thuyết iến dạng vật iệu siêu đàn h i ........................................................... 19
huyển iến pha trong vật liệu siêu đàn h i ............................................... 19
iệu ứng nhớ h nh ....................................................................................... 24
hả n ng siêu đàn h i ................................................................................. 25
ột số yếu tố ảnh hưởng đến các t nh ch t cơ h c của vật iệu siêu đàn h i iTi
.................................................................................................................................... 28
nh hưởng của t

ệ hóa h c của i và Ti .................................................. 28

nh hưởng của phương pháp chế tạo .......................................................... 29

nh hưởng của độ xốp ................................................................................ 30
nh hưởng của x
ơ sở

nhiệt .......................................................................... 30

thuyết phương pháp S S chế tạo vật iệu ............................................ 31
iới thiệu chung v phương pháp S S ....................................................... 31
hiệt động h c và t nh n đ nh của phương pháp S S .............................. 33
ác thông số công nghệ ảnh hưởng đến phản ứng S S ............................. 38
ch thước hạt an đ u của hỗn hợp ột các ch t phản ứng ............... 38
Sự n n chặt hỗn hợp ột an đ u của các ch t phản ứng .................... 45
nh hưởng của hàm ượng ch t pha o ng .......................................... 46
hiệt độ nung sơ ộ ............................................................................. 48
hương pháp m i

a k ch hoạt phản ứng ........................................... 50

uá tr nh hoạt hóa cơ h c hỗn hợp ột an đ u .................................. 52
ết uận chương ............................................................................................... 53
V T

T

U ........................................ 55

hương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 55
hương pháp xác đ nh thành ph n pha của vật liệu .................................... 55
hương pháp xác đ nh độ xốp vật iệu đóng ánh và độ xốp sản ph m nhận
được sau phản ứng SHS ........................................................................................ 56

v
hương pháp xác đ nh sự thay đ i hình thái hạt bột trước và sau quá tr nh
hoạt hóa cơ h c, sự phân bố lỗ xốp và c u trúc lỗ xốp ......................................... 57
hương pháp xác đ nh các tính ch t cơ h c của vật liệu NiTi xốp nhận được
sau phản ứng S S và sau x

nhiệt .................................................................... 57

hương pháp so sánh đối chứng .................................................................. 59
hương pháp ph n t ch nhiệt vi sai ............................................................. 60
Thiết

chế tạo vật iệu ....................................................................................... 60

Thiết

phối liệu ......................................................................................... 60

3.2.2. Thiết b trộn đ ng đ u hóa thành ph n và thiết b hoạt hóa cơ h c hỗn hợp
ột i – Ti ............................................................................................................. 61
3.2.3. Thiết b ép đóng ánh hỗn hợp bột i-Ti an đ u ...................................... 63
3.2.4. Hệ thống thiết b phản ứng SHS .................................................................. 63
Thiết

ph c v quá tr nh chế tạo m u vật iệu iTi xốp .......................... 65

ết uận chương ............................................................................................... 66
U

T

V T

US UĐ

iTi X

........... 67

Vật iệu an đ u .................................................................................................. 67
ột i và Ti an đ u ................................................................................... 67
4.1.2. Tính toán phối liệu ...................................................................................... 68
4.1.3. Hoạt hóa cơ h c/trộn đ ng đ u hóa thành ph n. ......................................... 68
p đóng ánh và nung sơ ộ ....................................................................... 70
4.2. Phản ứng SHS ..................................................................................................... 71
Trường hợp các m u hỗn hợp ột ch được trộn đ ng đ u hoạt hóa cơ h c
với thời gian tMA < 1,5h ......................................................................................... 71
4.2.1.1. Hiện tượng ........................................................................................... 71
4.2.1.2. Kết quả phân tích thành ph n pha........................................................ 73
Trường hợp các m u hỗn hợp bột an đ u được hoạt hóa cơ h c trong thời
gian tMA  1,5h) ..................................................................................................... 78
4.2.2.1. Hiện tượng ........................................................................................... 78
4.2.2.2. Kết quả phân tích thành ph n pha........................................................ 80
4.2.3. Độ xốp, hình thái lỗ xốp sản ph m vật iệu iTi sau phản ứng SHS.......... 83
4.2.3.1. Mặt cắt, mặt g y của sản ph m vật iệu

iTi xốp chế tạo

ng phương

pháp SHS .......................................................................................................... 83
Độ xốp vật iệu iTi xốp chế tạo

ng phương pháp S S ................. 87

ết uận chương ............................................................................................... 91


vi
Đ
T

T

T

T

V T

U iTi X

V S

................................................................................................ 93

ác t nh ch t cơ h c của vật iệu iTi xốp chế tạo

ng phương pháp SHS – MA

.................................................................................................................................... 93
5.1.1. Các tính ch t cơ h c của vật iệu

iTi xốp chế tạo

ng phương pháp S S

– MA không x lý nhiệt ........................................................................................ 93
5.1.
–

ác t nh ch t cơ h c của vật iệu
có x

iTi xốp chế tạo

ng phương pháp S S

nhiệt .............................................................................................. 97

Đánh giá khả n ng siêu đàn h i của vật liệu NiTi xốp chế tạo

ng phương pháp

SHS – MA ................................................................................................................ 101
5.2.1. Kết quả phân tích ph XRD ...................................................................... 101
ết quả ph n t ch nhiệt vi sai .................................................................... 104
So sánh kết quả đạt được với các kết quả đ công ố trên thế giới .................. 109

ác kết quả so sánh v độ xốp k ch thước ỗ xốp .................................... 109
So sánh v các t nh ch t cơ h c ................................................................. 112
ng d ng chế th miếng đệm đốt ưng nh n tạo từ vật iệu

iTi xốp chế tạo

ng phương pháp S S – MA ................................................................................. 116
5.4.1. Miếng đệm đốt sống nh n tạo và các yêu c u ........................................... 116
hế th miếng đệm đốt sống nh n tạo ...................................................... 119
ết uận chương ............................................................................................. 122
K T LU N ....................................................................................................................... 124
TÀI LI U THAM KH O ................................................................................................. 126
T

Đ

U

............................. 132

.......................................................................................................................... 133


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. C
Nitinol:

ợp kim iTi Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory)

SHS:

hản ứng nhiệt độ cao tự an truy n Se f-propagating High-temperature

Synthesis)
ợp kim hóa cơ h c

MA:

echanica

oying)

Thiêu kết ch n không Vacuum Sintering)

VS:

SMAs: Vật iệu nhớ h nh Shape Memory Alloys)
Đông đặc nhanh

RS:

apid So idification)

p nóng đẳng t nh Hot Isostatic Pressing)

HIP:

CF-HIP: p nóng đẳng t nh Capsule Free-Hot Isostatic Pressing)

CS:

Thiêu kết thông thường Conventional Sintering)

SPS:

Thiêu kết xung p asma Spark Plasma Sintering)
actenxit g y nên ởi ứng su t (Stress-Induced Mactenxit)

SIM:

hản ứng ở trạng thái rắn Solid State Reaction)

SSR:

Đ c án

MIM:

ng Melting Injection Mold)

MA:

oạt hóa cơ h c Mechanical Activation)

EDX:

h

tán sắc n ng

ượng tia

ơn-ghen (Energy Dispersive X-ray

Spectroscopy)
SEM:

nh hiển vi điện t qu t Scanning

ectron

XRD:

h nhi u xạ tia ơn-ghen (X-ray Diffraction)

DSC:

h n t ch nhiệt vi sai

Đ

ifferentia Scanning a orimetry)

: Đại h c Bách Khoa

PTN:

Phòng thí nghiệm

2. C
A:

Pha Austenit

M:

Pha Mactenxit

B2:
9’:

iểu mạng ập phương
iểu mạng đơn nghiêng

Mt :

Song tinh Mactenxit

Md :

Song tinh

icrocopy)

actenxit iến dạng

Ms:

hiệt độ ắt đ u

actenxit

Mf:

hiệt độ kết th c

actenxit


viii
As:

hiệt độ ắt đ u ustenit

Af:

hiệt độ kết th c ustenit

s:

ng su t ắt đ u iến dạng song tinh

f:

ng su t kết th c iến dạng song tinh

M s :

hiệt độ ắt đ u chuyển iến

actenxit khi có tải tr ng tác d ng)

M f :

hiệt độ kết th c chuyển iến

actenxit khi có tải tr ng tác d ng)

A s :

hiệt độ ắt đ u chuyển iến ustenit khi có tải tr ng tác d ng)

A f :

hiệt độ kết th c chuyển iến ustenit khi có tải tr ng tác d ng)

Mf:

ng su t ắt đ u chuyển iến

actenxit ở nhiệt độ xác đ nh)

Ms:

ng su t kết th c chuyển iến

actenxit ở nhiệt độ xác đ nh)

Af:

ng su t ắt đ u chuyển iến ustenit ở nhiệt độ xác đ nh)

As:

ng su t kết th c chuyển iến ustenit ở nhiệt độ xác đ nh)

T:

hiệt độ t a ra của phản ứng

Tc:

hiệt độ cháy

Tig:

hiệt độ m i

T0:

hiệt độ môi trường

Tp:

hiệt độ nung sơ ộ

Tad:

hiệt độ đoạn nhiệt

a k ch hoạt phản ứng

k:

Độ d n nhiệt

keff:

Độ d n nhiệt hiệu d ng

Cp :

hiệt dung riêng

:

T tr ng

V:

Tốc độ an truy n sóng cháy tốc độ cháy)

E:

ng ượng hoạt hóa cho phản ứng

R:

ng số kh

tưởng

D0:

ệ số khuếch tán

Deff:

ệ số khuếch tán hiệu d ng

r0:

ch thước hạt kim oại an đ u

rr:

ch thước hạt kim oại không

:

Độ xốp

chảy

ng


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
B ng 1.1. Một số tính ch t cơ h c cơ ản của vật iệu siêu đàn h i iTi đặc. ..................... 7
B ng 1.2. ơ t nh và khả n ng ph c h i iến dạng của vật iệu iTi có độ xốp 8÷60% ..... 8
B ng 2.1. Một vài hợp ch t điển h nh được chế tạo

ng phương pháp S S. ................... 33

B ng 3.1. T nh n ng k thuật của kính hiển vi điện t quét Hitachi S-4800 ...................... 58
B ng 4.1. Chế độ hoạt hóa cơ h c hỗn hợp bột i-Ti an đ u ........................................... 68
ết quả so sánh độ xốp sản ph m vật iệu siêu đàn h i

iTi xốp do đ tài uận

án thực hiện với các công ố trước đ y s d ng phương pháp S S) ............................. 109
So sánh sự khác nhau giữa các phương pháp chế tạo vật iệu iTi xốp .......... 111
ch thước các miếng đệm

x có mặt phẳng song song.............................. 118

ch thước các miếng đệm

x có mặt phẳng không song song................... 118

ch thước các miếng đệm

. ..................................................................... 118


x

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Tháp chuông với các dây ch ng và ứng x của vật iệu siêu đàn h i n n sắt. ..... 6
Hình 1.2. Giản đ trạng thái Ni – Ti. .................................................................................... 7
nh c u tr c tế vi của vật iệu NiTi xốp ............................................................... 9
Hình 1.4. Sơ đ quá tr nh chế tạo vật iệu

iTi xốp b ng phương pháp thiêu kết thông

thường và thiêu kết chân không........................................................................................... 13
Hình 1.5. Sơ đ quá tr nh chế tạo vật liệu NiTi xốp b ng phương pháp hợp kim hóa cơ
h c. ...................................................................................................................................... 14
Hình 1.6. Sơ đ quá tr nh chế tạo vật iệu

iTi xốp b ng phương pháp phản ứng nhiệt độ

cao tự lan truy n. ................................................................................................................. 15
Sơ đ quá tr nh chế tạo vật iệu

iTi xốp

ng phương pháp thiêu kết xung

plasma. ................................................................................................................................. 16
Sơ đ quá tr nh chế tạo vật iệu

iTi xốp

ng phương pháp p nóng đẳng t nh

............................................................................................................................................. 17

Hình 1.9. Đ xu t sơ đ công nghệ chế tạo vật iệu
S S–

iTi xốp b ng phương pháp kết hợp

trong đi u kiện th nghiệm Việt am .............................................................. 17
Đường cong ứng su t – biến dạng của vật liệu siêu đàn h i............................... 19
ha

iTi c u tr c

ustenit

và pha

iTi c u tr c

actenxit

9’ trong các

vật liệu siêu đàn h i. ............................................................................................................ 20
iểu di n hiệu ứng nhớ hình của vật liệu siêu đàn h i thể hiện quá tr nh iến
dạng song tinh

actenxit khi ch t tải. ................................................................................. 21

iểu di n hiệu ứng nhớ hình của vật liệu siêu đàn h i khi nung nóng không tải.
............................................................................................................................................. 22
Nhiệt độ chuyển biến pha khi có tải.................................................................... 22

Đường ch t tải của hiệu ứng siêu đàn h i. .......................................................... 23
Biểu đ ứng su t – biến dạng siêu đàn h i. ........................................................ 24
iểu đ ứng su t – biến dạng – nhiệt độ của vật liệu nhớ hình NiTi. ................ 25
Giản đ pha và hai đường tải tr ng siêu đàn h i. ............................................... 26
Chu trình ch t tải siêu đàn h i. ......................................................................... 27
Hình 2.11. nh hưởng của thành ph n Ni (% nguyên t ) đến nhiệt độ chuyển biến pha c u
tr c

actenxit

s

của vật liệu siêu đàn h i NiTi. ............................................................... 28


xi
ác đường cong ứng su t – iến dạng n n) của vật iệu siêu đàn h i
chế tạo

ng a phương pháp khác nhau các m u th n n hóa già ở nhiệt độ

iTi xốp
C trong

0,5h sau làm nguội trong nước đá). ..................................................................................... 29
Đường cong ứng su t – iến dạng n n) của vật iệu siêu đàn h i
tạo

ng phương pháp

già ở nhiệt độ

iTi xốp chế

-

và phương pháp S với các độ xốp khác nhau các m u hóa

 trong

h r i àm nguội trong nước đá). .......................................... 30

nh hưởng của x

nhiệt đến nhiệt độ chuyển pha của vật iệu siêu đàn h i

NiTi...................................................................................................................................... 31
nh hưởng của x

nhiệt đến giới hạn

n và ứng su t ắt đ u chuyển iến

pha của vật iệu siêu đàn h i iTi. ...................................................................................... 31
Hình 2.16. iểu đ nhiệt độ – thời gian trong phản ứng SHS ............................................ 32
Hình 2.17.

ô h nh chế độ cháy lan truy n và cháy đ ng thời trong các phản ứng SHS. . 34
ối quan hệ entanpy – nhiệt độ của các ch t phản ứng và sản ph m trong các

hệ phản ứng S S không có chuyển pha. ............................................................................. 35
19.

ối quan hệ Δ

một số hợp ch t

98) ∑njCp(Pj) 98) – nhiệt độ đoạn nhiệt Tad) khi t ng hợp

ng phương pháp S S. ........................................................................... 37

nh hưởng của k ch thước hạt ột
tạo vật iệu iTi

i đến tốc độ di chuyển mặt cháy khi chế

ng phương pháp S S. ........................................................................... 43

nh hưởng của k ch thước hạt ột

i đến t tr ng tương đối của sản ph m vật

iệu iTi nhận được sau phản ứng S S. ............................................................................. 43
h X

m u vật iệu iTi chế tạo

ng phương pháp S S .......................... 44

nh 2.23. nh hưởng của t tr ng đóng ánh và nhiệt độ nung sơ ộ đến t tr ng của sản

ph m vật iệu iTi nhận được sau phản ứng S S T
nh 2.24.

: t tr ng

thuyết) .................... 46

nh hưởng của t tr ng đóng ánh và nhiệt độ nung sơ ộ đến tốc độ an

truy n sóng cháy khi chế tạo vật iệu iTi

ng phương pháp S S ................................... 46

nh hưởng của t tr ng đóng ánh đến nhiệt độ cháy của khối p ở nhiệt độ
nung sơ ộ Tp = 200 khi chế tạo vật iệu iTi

ng phương pháp S S. ........................ 47

nh hưởng của t tr ng đóng ánh đến nhiệt độ m i
SHS khi chế tạo vật liệu compoz t
Hình 2.27.

g–Al2O3 .................................................................... 47

ối quan hệ của nhiệt độ cháy và thời gian m i

tương đối trong quá tr nh chế tạo iên kim Ti
Hình 2.28. Đ th

a k ch hoạt phản ứng

a với t tr ng đóng ánh

ng phương pháp phản ứng S S........... 48

iểu th mối quan hệ entanpy – nhiệt độ của vật iệu iTi .................... 49


xii
nh hưởng của nhiệt độ nung sơ ộ Tp đến nhiệt độ cháy Tc khi chế tạo vật iệu
iTi

ng phương pháp S S .............................................................................................. 49

Hình 2.30. nh hưởng của nhiệt độ nung sơ ộ Tp đến ph n thể tích chảy l ng của m u vật
iệu iTi xốp trong quá trình phản ứng SHS....................................................................... 50
Hình 2.31.
m i

nh hưởng của thời gian hoạt hóa cơ h c tMA đến nhiệt độ cháy Tc và nhiệt độ

a k ch hoạt phản ứng Tig trong các phản ứng S S.................................................... 52

Hình 3.1.

áy ph n t ch nhi u xạ ơn-ghen D5000 – SIEMENS. .................................... 55

Hình 3.2. Kính hiển vi điện t qu t ph n xạ trường Hitachi S-4800.................................. 57
Hình 3.3.

áy

TS 8 9

d ng để xác đ nh các tính ch t cơ h c cơ ản của vật liệu NiTi

xốp ...................................................................................................................................... 59
Thiết

ph n t ch nhiệt vi sai S

ett er To edo ........................................... 60

n điện t Scientech với độ ch nh xác

–4

g. ................................................... 61

Hình 3.6.

áy trộn tang trống do nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo. ................................ 61

Hình 3.7.

áy nghi n cánh khu y do nhóm nghiên cứu tự thiết kế chế tạo ..................... 62

Hình 3.8. Các chi tiết c m tang nghi n máy nghi n cánh khu y: ...................................... 62
Hình 3.9. Máy ép thủy lực 1000KN. .................................................................................. 63
Hình 3.10. Sơ đ nguyên lý hệ thống thiết b thí nghiệm thực hiện phản ứng S S chế tạo

vật iệu iTi xốp do nhóm nghiên cứu đ xu t chế tạo ...................................................... 64
Hình 3.11. Hệ thống thiết b m i l a kích hoạt phản ứng S S chế tạo vật iệu iTi xốp do
nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo ...................................................................................... 65
Hình 3.12. T ng hợp hệ thống thiết b thí nghiệm thực hiện phản ứng S S:

điện trở ống

ngang và các thiết b đi u khiển, hiển th + hệ thống c p khí Argon bảo vệ + hệ thống m i
l a b ng cuộn dây W do nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo ............................................... 65
áy cắt d y chế tạo m u th nghiệm ............................................................... 66
Hình 4.1. Kết quả phân tích EDX và ảnh SEM của bột Ni và Ti nguyên liệu. .................. 67
Hình 4.2. nh S

hỗn hợp ột i-Ti sau quá tr nh hoạt hóa cơ h c .............................. 69

Hình 4.3. Ph XRD hỗn hợp bột i-Ti sau quá tr nh hoạt hóa cơ h c 2h. ......................... 70
Hình 4.4. Hình dạng m u hỗn hợp ột i-Ti sau khi p đóng ánh .................................. 70
Hình 4.5. M u

i-Ti sau khi m i

a ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 450÷550

hỗn hợp ột

Ni-Ti ch được trộn hoặc hoạt hóa cơ h c trong thời gian tMA = 0÷1,5h): .......................... 72
Hình 4.6. M u phản ứng S S ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 600C (hỗn hợp bột kim oại iTi an đ u không được hoạt hóa cơ h c). ........................................................................... 72


xiii

Hình 4.7.

nh SEM mặt cắt vật iệu

iTi chế tạo

ng phương pháp phản ứng S S ở

nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 600C (hỗn hợp bột Ni-Ti an đ u không được hoạt hóa cơ h c).
............................................................................................................................................. 73
Hình 4.8. Ph XRD m u th nghiệm sau khi m i l a ở nhiệt độ Tp = 550C (bột ch được
trộn) ..................................................................................................................................... 74
Hình 4.9. Ph XRD m u th nghiệm sau khi m i l a ở nhiệt độ Tp = 550C (bột hoạt hóa
1,0h) ..................................................................................................................................... 75
Hình 4.10. Ph XRD của m u vật iệu

iTi chế tạo

ng phương pháp SHS ở nhiệt độ

nung sơ ộ Tp = 600C (hỗn hợp bột không được hoạt hóa cơ h c). .................................. 76
Hình 4.11. uá tr nh hình thành pha NiTi b ng phản ứng khuếch tán ở trạng thái rắn. .... 77
Hình 4.12. Hình dạng điển hình các m u vật iệu iTi nhận được sau phản ứng SHS. ..... 79
Hình 4.13. M u vật iệu

iTi thực hiện phản ứng S S ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 550 ÷

600C (hỗn hợp bột kim oại được hoạt hóa cơ h c tMA = 1,5 ÷ 2,0h)................................ 79
Hình 4.14. M u vật iệu

iTi chế tạo

ng phương pháp S S phản ứng xảy ra ở chế độ

đ ng thời .............................................................................................................................. 80
Hình 4.15. M u vật iệu

iTi chế tạo

ng phương pháp S S phản ứng xảy ra ở chế độ

đ ng thời .............................................................................................................................. 81
Hình 4.16. Ph XRD vật iệu iTi xốp chế tạo

ng phương pháp S S ở nhiệt độ nung sơ

bộ Tp = (250 ÷ 600)C (hỗn hợp bột được hoạt hóa cơ h c). .............................................. 81
Hình 4.17. Ph X

vật iệu

iTi xốp tự phản ứng khi chế tạo

ng phương pháp S S ở

nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 500C (hỗn hợp bột được hoạt hóa cơ h c). ............................... 82
Hình 4.18. Mặt cắt và mặt g y sản ph m vật iệu

iTi xốp chế tạo

ng phương pháp

SHS–MA. ............................................................................................................................ 83
Hình 4.19. Mặt cắt (d c và ngang) sản ph m vật iệu

iTi xốp chế tạo

ng phương pháp

SHS – MA ở các nhiệt độ nung sơ ộ Tp > 550C. ............................................................. 84
Hình 4.20. Mặt cắt d c sản ph m vật iệu

iTi xốp chế tạo

ng phương pháp S S – MA

ở các nhiệt độ nung sơ ộ Tp < 550C. ................................................................................ 85
Hình 4.21. Mặt cắt ngang sản ph m vật iệu

iTi xốp chế tạo

ng phương pháp S S –

MA ở các nhiệt độ nung sơ ộ Tp < 550C. ........................................................................ 86
Hình 4.22.

nh SEM mặt g y d c sản ph m vật iệu

iTi xốp chế tạo

ng phương pháp

SHS–MA ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 250C. ..................................................................... 86
Hình 4.23.

nh SEM mặt g y d c sản ph m vật iệu

iTi xốp chế tạo

ng phương pháp

SHS – MA ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 300C. ................................................................... 87


xiv
Hình 4.24.

nh SEM mặt g y d c sản ph m vật iệu

iTi xốp chế tạo

ng phương pháp

SHS – MA ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 400C. ................................................................... 87
Hình 4.25.

nh SEM mặt g y ngang sản ph m vật iệu

iTi xốp chế tạo

ng phương

pháp SHS – MA ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 250C. .......................................................... 87
Hình 4.26.

nh SEM mặt g y ngang sản ph m vật iệu

iTi xốp chế tạo

ng phương

pháp SHS – MA ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 300C. .......................................................... 88
Hình 4.27. uan hệ giữa độ xốp trung

nh của sản ph m vật iệu siêu đàn h i iTi xốp và

nhiệt độ nung sơ ộ Tp chênh ệch dao đông trong khoảng

) ................................... 89

Hình 4.28. ơ chế hình thành lỗ xốp do độ xốp an đ u sau khi đóng ánh trong quá tr nh
chế tạo vật iệu iTi xốp b ng phương pháp S S. ............................................................. 90
Hình 4.29.

ô h nh quá tr nh tự lan truy n phản ứng khi chế tạo vật iệu

iTi xốp từ hỗn

hợp bột Ni-Ti b ng phương pháp S S ............................................................................... 91
Hình 5.1. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu

iTi độ xốp

chưa x

nhiệt) ................................................................................................................................... 94
Hình 5.2. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu

iTi độ xốp

chưa x

nhiệt) ................................................................................................................................... 94
Hình 5.3. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu

iTi độ xốp

chưa x

nhiệt) ................................................................................................................................... 95
Hình 5.4. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu

iTi độ xốp

chưa x

nhiệt) ................................................................................................................................... 95
nh ch p các m u vật iệu iTi xốp sau khi th n n chưa x
6.

nh S

mặt g y m u vật iệu

iTi xốp sau khi n n

nhiệt) .......... 96

phá hủy chưa x

nhiệt) ................................................................................................................................... 96
Hình 5.7. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu

iTi độ xốp 55% sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 500C, thời gian x lý tn = 4h. ................................................. 98
Hình 5.8. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu

iTi độ xốp 47% sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 500C, thời gian x lý tn = 4h. ................................................. 98
Hình 5.9. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu

iTi độ xốp 50% sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 450C, thời gian tn = 4,0h......................................................... 99
Hình 5.10. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu

iTi độ xốp 55% sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 500C, thời gian tn = 4,5h......................................................... 99
Hình 5.11. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu

iTi độ xốp 55% sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 500C, thời gian x lý tn = 4h khi nén phá hủy m u. ............. 100


xv
Hình 5.12. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu

iTi độ xốp 50% sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 500C, thời gian x lý tn = 4,5h khi nén phá hủy m u. .......... 100
3.

nh ch p các m u vật iệu siêu đàn h i

iTi xốp được x

nhiệt sau khi th

n n .................................................................................................................................... 101
Hình 5.14. Chuyển biến thuận từ Austenit  Mactenxit của vật liệu siêu đàn h i n n iTi
........................................................................................................................................... 102
Hình 5.15. Ph X

sản ph m vật iệu iTi xốp sau khi biến dạng 3,5%. ..................... 103

Hình 5.16. Ph XRD sản ph m vật iệu iTi xốp sau khi b biến dạng phá hủy. ............ 103

Hình 5.17.

ết quả ph n t ch

S sản ph m vật iệu siêu đàn h i

iTi xốp được chế tạo

b ng phương pháp S S sau quá tr nh n n phá hủy m u. .................................................. 105
Hình 5.18. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu
nhiệt) sau khi x

chưa x

kết quả .............................................................................................. 106

Hình 5.19. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu
nhiệt) sau khi x

iTi độ xốp
iTi độ xốp

chưa x

kết quả .............................................................................................. 107

Hình 5.20. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu iTi độ xốp 55% (sau quá trình
x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 500C, thời gian x lý tn = h) sau khi x

kết quả ............ 107

Hình 5.21. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu iTi độ xốp 50% (sau quá trình
x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 450C, thời gian tn = 4,0h) sau khi x

kết quả .................. 108

Hình 5.22. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu iTi độ xốp 55% (sau quá trình
x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 500C, thời gian x lý tn = 4h) khi nén phá hủy m u sau khi x
kết quả .......................................................................................................................... 108
So sánh ảnh S

t chức xốp của vật iệu iTi do đ tài uận án thực hiện với

các công tr nh đ công ố c ng chế tạo

ng phương pháp phản ứng SHS). .................. 110

So sánh đường cong ứng su t – iến dạng của m u vật iệu siêu đàn h i
xốp do đ tài uận án thực hiện với các công tr nh đ công ố

iTi

iến dạng ở nhiệt độ môi

trường) .............................................................................................................................. 113
So sánh đường cong ứng su t – iến dạng của m u vật iệu
thực hiện với các công tr nh đ công ố khi n n phá hủy m u

iTi xốp do đ tài

iến dạng ở nhiệt độ môi

trường) .............................................................................................................................. 114
Hình 5.26. So sánh đường cong ứng su t – iến dạng của m u vật iệu
ng các phương pháp khác nhau: a phương pháp S kết hợp ch t d
pháp S S–

do đ tài thực hiện; c phương pháp

iTi xốp chế tạo
ay hơi;

phương

................................................ 115

iếng đệm đốt sống nh n tạo chế tạo từ vật iệu siêu đàn h i iTi xốp ....... 116


xvi
ô h nh thay thế miếng đệm đốt sống nh n tạo. ............................................ 117
V tr miếng đệm đốt sống ưng a) và đốt sống c

) trong cơ thể người. ... 117

uy tr nh công nghệ chế tạo th nghiệm miếng đệm đốt sống nh n tạo từ m u
vật iệu iTi xốp chế tạo

ng phương pháp S S – MA. ................................................. 119

Sản ph m vật iệu siêu đàn h i iTi xốp được chế tạo

ng phương pháp S S-

MA:.................................................................................................................................... 120
ch thước các m u miếng đệm đốt sống nh n tạo. ....................................... 120
nh dạng miếng đệm đốt sống nh n tạo sau khi cắt trên máy cắt d y ......... 121
nh dạng miếng đệm đốt sống nh n tạo do đ tài uận án chế tạo th nghiệm
sau khi gia công tinh ch nh ............................................................................................... 122


1

MỞ ĐẦU
L
Hiện nay trên thế giới, vật iệu NiTi (còn được g i ph biến với tên Nitinol) với các
tính ch t siêu đàn h i và hiệu ứng nhớ hình đ thu h t được r t nhi u nghiên cứu và các
nh vực ứng d ng khác nhau. Chúng g m hai hệ vật iệu: NiTi đặc và NiTi xốp.
Vật iệu

iTi đặc do đặc tính r t m m dẻo nên ch ng thường được ứng d ng dưới

dạng vật liệu y sinh trong nh vực ph u thuật tim mạch như: các thiết b bít van tâm th t,
van t m nh [43,69,52], l c Simon để l c các c c máu đông trong động mạch [43], các
stent tự giãn nở trong các mạch máu khi b co cắt hoặc b phình [52] …; trong nh vực
ch nh h nh như: các thiết b ch nh r ng [29], các thiết b nội soi
phân loại van tim nhân tạo [52]…
iệu

b ng [43]; các thiết b

goài các ứng d ng trong nh vực vật liệu y sinh, vật

iTi đặc c n được ứng d ng trong nhi u nh vực khác như: thiết b gia d ng, thiết b

điện t , thời trang, công nghiệp hàng không v tr , động cơ nhiệt [52]…
Vật iệu NiTi xốp, sự quan tâm chủ yếu là các nghiên cứu ứng d ng trong nh vực
vật liệu y sinh để chế tạo xương nhân tạo, miếng đệm đốt sống nh n tạo, các c y gh p mô
thay thế trong cơ thể con người [3,10,68]. Vật liệu NiTi xốp h p d n các nhà nghiên cứu
bởi các tính ch t đặc biệt quý báu [3]: 1- Khả n ng ph c h i lại hình dạng: giúp cho quá
trình c y gh p được di n ra một cách thuận tiện và đảm bảo n đ nh cơ h c với các khớp
xương khác; 2- T nh tương th ch sinh h c cao đối với cơ thể so với các loại vật liệu c y
gh p khác như: th p không g và titan đ được chứng minh không gây nên các d ứng khi
c y gh p vào cơ thể con người); 3- Hệ vật liệu này có: độ b n cao (tránh được biến dạng
phá hủy) độ cứng th p (tránh phản ứng c ng cơ của cơ thể) độ dai va đập cao (tránh v
khi cơ thể vận động); 4-

dạng xốp các mô xương và mô cơ trong cơ thể người có thể

phát triển vào các lỗ xốp và tạo nên liên kết giữa xương nhân tạo và xương, giữa xương
nhân tạo và mô cơ thể; hơn nữa độ xốp lớn với t lệ độ xốp hở cao có thể đảm bảo cho ch t
d ch của cơ thể d dàng truy n qua khi c y ghép.
Việt Nam, các vật liệu y sinh hiện nay đ u phải nhập kh u từ nước ngoài chủ yếu
từ h ng Biorthex Inc., Canada), chúng r t đắt; trong khi đó nhu c u thay thế r t lớn làm
cho các chi phí y tế t ng ên nhi u. Do vậy việc chủ động tiếp cận công nghệ sản xu t vật
iệu y sinh là một hướng nghiên cứu phù hợp và à đ i h i c n thiết.
Đó chính là một trong những lý do tác giả ựa ch n đ tài Nghiên cứu chế tạo vật
liệu siêu đàn hồi hệ NiTi trong đi u kiện thí nghiệm Việt

am Sự thành công của đ tài

uận án sẽ à khởi đ u trong việc chế tạo vật liệu y sinh, thay thế các vật iệu nhập ngoại.


2

2. M
-

ghiên cứu chế tạo vật iệu siêu đàn h i NiTi xốp b ng phương pháp phản ứng

nhiệt độ cao tự lan truy n (SHS) kết hợp với hoạt hóa cơ h c

).

- Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ nung sơ ộ và thời gian hoạt hóa cơ
h c đến khả n ng phản ứng và độ xốp của hệ vật liệu siêu đàn h i NiTi xốp chế tạo b ng
phương pháp S S – MA.
- Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của x lý nhiệt đến các tính ch t cơ h c vật liệu
siêu đàn h i NiTi xốp chế tạo b ng phương pháp SHS – MA.

Đ
Vật liệu siêu đàn h i NiTi xốp với m c đ ch ứng d ng làm vật liệu y sinh (miếng
đệm đốt sống nh n tạo): công nghệ chế tạo và các tính ch t cơ h c.

P
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các vật liệu siêu đàn h i.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và các công nghệ chế tạo vật liệu NiTi xốp.
- Kết hợp nghiên cứu

thuyết với thực nghiệm trên các thiết b hiện đại các phương

pháp phân tích, kiểm tra và phương pháp đối chứng...

Ý
-

ng phương pháp nghiên cứu

thuyết kết hợp với thực nghiệm đ

àm r ảnh

hưởng của các thông số nhiệt động h c đến quá tr nh phản ứng nhiệt độ cao tự an truy n
S S) giữa

i và Ti uận giải được cơ chế iến dạng siêu đàn h i của vật iệu

iTi xốp

thông qua các đường cong ứng su t – iến dạng kết quả ph n t ch thành ph n pha và ph n
t ch nhiệt vi sai
- Việc ứng d ng phương pháp S S –
vật iệu siêu đàn h i

iTi xốp từ ột

hưởng của t nh hoạt hóa

n đ u tiên ở Việt

am đ chế tạo được

i và ột Ti độ tinh khiết 99 9 ) và àm r ảnh

mặt ột nguyên iệu đến khả n ng xảy ra phản ứng tự an

truy n và ch t ượng sản ph m vật iệu nhận được Từ đó xác đ nh được các thông số công
nghệ ch nh ph hợp với các thiết

nghiên cứu hiện có

- uận án đ đ xu t được công nghệ chế tạo vật iệu siêu đàn h i
ỗ xốp hở cao

ng phương pháp S S –

từ ột

iTi xốp có t

ệ

i và ột Ti độ tinh khiết 99 9 ) để

s d ng chế tạo các miếng đệm đốt sống nh n tạo àm ti n đ cho các nghiên cứu phát
triển tiếp theo ở Việt am v
-

nh vực vật iệu y sinh nói chung

ng d ng và tiếp cận được công nghệ chế tạo vật liệu tiên tiến trên thế giới.


3

N
- Vật iệu siêu đàn h i

iTi xốp một oại vật iệu mới với các t nh ch t đặc iệt

n

đ u tiên được nghiên cứu chế tạo ở Việt am.
n đ u tiên phương pháp kết hợp giữa hoạt hóa cơ h c

-

) và phản ứng nhiệt độ

cao tự an truy n S S) được ứng d ng để chế tạo vật iệu siêu đàn h i
tựu này thật sự mới chưa từng được công ố trên thế giới

iTi xốp Thành

ác kết quả nghiên cứu ảnh

hưởng của hoạt hóa cơ h c đến phản ứng S S và ch t ượng sản ph m vật iệu
đ được

S công ố tại

n m

ội ngh quốc tế STS

n thứ

t chức ở

iTi xốp

ng cốc Thái an

.
- uận án xác đ nh được các thông số công nghệ ch nh và mi n khảo sát để chế tạo

vật iệu siêu đàn h i iTi xốp

ng phương pháp S S – MA. Đ àm r ảnh hưởng của các

thông số công nghệ đến quá tr nh SHS – MA và các t nh ch t cơ ản của vật iệu siêu đàn
h i iTi xốp từ đó đ đưa ra chế độ công nghệ chế tạo ph hợp
ng d ng các kết quả nghiên cứu đ chế tạo th thành công hai dạng sản ph m

-

miếng đệm đốt sống nh n tạo m hiệu

- 9

và

-0911).

B
Luận án g m 1 ph n mở đ u, 5 chương kết uận tài iệu tham khảo danh m c các
công tr nh khoa h c đ công ố ph
C

c được ố c c như sau:

ơ

C C

C
C

ơ

C

ơ

C

ơ

C

ơ

C

C
C
C

C
C

C

C

C

C

Kết luận
Tài liệu tham kh o
Danh mụ
ụ ụ

ô

tr

ã ô

bố

ậ


Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full