Độ võng sàn phẳng bê tông cốt thép khi xét đến độ cứng tương đối giữa dầm và sàn

Hồ Ký Thanh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

99(11): 39 - 43

ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG SƠ BỘ ĐẾN QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP
NITI XỐP BẰNG PHƯƠNG PHÁP SHS
Hồ Ký Thanh1,2*; Trần Văn Dũng2; Nguyễn Đặng Thủy2; Trần Đức Thịnh2;
Phương Văn Hiếu2; Nguyễn Huy Hoàng2
1

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên,
2
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

TÓM TẮT
Bài báo này trình bày một số kết quả khảo sát công nghệ tổng hợp hợp kim NiTi xốp bằng phương
pháp SHS. Kết quả thực nghiệm cho thấy, nhiệt độ nung sơ bộ tối thiểu để phản ứng SHS xảy ra là
Tp = 250°C. Khi tăng nhiệt độ nung sơ bộ, thời gian đánh lửa cần thiết giảm. Khi nhiệt độ nung sơ
bộ Tp ≥ 450°C, phản ứng SHS có thể xảy ra ở chế độ đồng thời (tự phản ứng không đánh lửa). Kết
quả phân tích XRD cho thấy, sau phản ứng SHS sản phẩm tồn tại pha NiTi mong muốn là chủ yếu.
Độ xốp của sản phẩm thu được tương đối cao (trong khoảng 44% ÷ 58%), tỉ lệ lỗ xốp hở trên 80%.
Kết quả chụp SEM cho thấy, hình dạng và sự phân bố lỗ xốp tương đối đồng đều theo cả mặt cắt
ngang và mặt cắt dọc mẫu, kích thước các lỗ xốp trong khoảng từ 100 ÷ 500µm.
Từ khóa: phương pháp SHS, NiTi xốp, áp lực ép ban đầu, nhiệt độ nung sơ bộ, hình dạng và sự
phân bố lỗ xốp.

ĐẶT VẤN ĐỀ*
Hệ vật liệu NiTi đang được sử dụng rộng rãi
ngày nay do nó có các tính chất đặc biệt, đó là

khả năng siêu đàn hồi và nhớ hình, nhất là
NiTi đặc. NiTi xốp không có khả năng đàn
hồi và nhớ hình tốt như NiTi đặc nhưng
chúng lại được ứng dụng rất rộng rãi trong
công nghệ y sinh để làm các mô cấy ghép,
xương nhân tạo… Sở dĩ như vậy là vì tính
tương thích sinh học của NiTi, tổ chức xốp
làm cho mô đun đàn hồi của nó giảm tránh
gây căng cứng, tổn thương cho cơ thể và tạo
điều kiện thuận lợi phát triển của mô cơ khi
chúng được ghép vào cơ thể người [1].
NiTi xốp có thể chế tạo bằng nhiều phương
pháp khác nhau như phương pháp thiêu kết
trong chân không (VS), phương pháp thiêu
kết xung plasma (SPS), phương pháp ép nóng
đẳng tĩnh với sự giãn nở của khí Ar (HIP) [1],
phương pháp ép nóng đẳng tĩnh (CF-HIP),
phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan
truyền (SHS), phương pháp thiêu kết thông
thường (CS) [2]. So sánh giữa các phương
pháp này nhận thấy, một vài phương pháp cho
kết quả độ xốp và kích thước lỗ xốp lớn như
phương pháp CS, HIP, CF-HIP, SPS, VS.
Tuy nhiên chúng thường bị giới hạn bởi các
thiết bị đắt tiền. Phương pháp SHS cho kích
*

Tel: 0984 194198, Email:

thước lỗ xốp tương đối lớn (200÷600µm), độ

xốp cao (đến 65%), tỉ lệ độ xốp hở cao (đến
87%) nên vẫn được dùng để tổng hợp NiTi
xốp phục vụ chế tạo các mô xương thay thế
(ActiporeTM, Biorthex, Canada) [1]. Phương
pháp SHS dựa trên tiền đề là các phản ứng tỏa
nhiệt, nhiệt độ cao của phản ứng sẽ nung
nóng các vùng chưa phản ứng tạo điều kiện
để phản ứng tự duy trì và lan truyền (selfpropagated) [3].

Hình 1. Quy trình công nghệ chung tổng hợp NiTi
xốp bằng phương pháp SHS [5].

Có rất nhiều các thông số công nghệ ảnh
hưởng đến quá trình tổng hợp NiTi xốp bằng
phương pháp SHS như: kích thước hạt ban
đầu của các chất phản ứng, độ xốp ban đầu
của mẫu ép trước phản ứng; sự thoát ra của
các khí trong quá trình phản ứng, thành phần
hóa học các chất tham gia phản ứng, nhiệt độ
đánh lửa, sự hoạt hóa cơ học [4], nhiệt độ
39


Hồ Ký Thanh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

nung sơ bộ [5]. Những thông số này không
chỉ ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp NiTi
xốp mà một số thông số còn ảnh hưởng trực

tiếp đến độ xốp, hình thái lỗ xốp của sản
phẩm nhận được sau phản ứng SHS.
Bài báo này trình bày các nghiên cứu về ảnh
hưởng của nhiệt độ nung sơ bộ (TP), áp lực ép
ban đầu (độ xốp ban đầu của mẫu) đến quá
trình tổng hợp NiTi xốp bằng phương pháp
SHS. Thêm vào đó ảnh hưởng của áp lực ép
đến độ xốp, kích thước lỗ xốp của sản phẩm
nhận được sau phản ứng SHS cũng được
khảo sát.
KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
Vật liệu ban đầu sử dụng trong quá trình tổng
hợp NiTi xốp bằng phương pháp SHS (hình
1) là bột thương mại Ni (độ sạch trên 99,9%;
cỡ hạt trung bình khoảng 10µm) và Ti (độ
sạch trên 99,9%; cỡ hạt trung bình khoảng
100µm). Hỗn hợp bột Ni và Ti ban đầu được
phối trộn theo tỉ lệ nguyên tử 50%Ni và
50%Ti, tỷ lệ về nguyên tử được tính toán và
chuyển đổi thành tỷ lệ về khối lượng và xác
định bằng cân điện tử (SCIENTECH, Mỹ) với
độ chính xác đến 10–4gr. Sau đó hỗn hợp bột
Ni + Ti được hoạt hóa cơ học bằng máy
nghiền bi đứng (tốc độ 720vòng/phút trong
thời gian 2h) với tỉ lệ bi: bột được lựa chọn là
10 : 1 trong môi trường khí Ar bảo vệ. Quá
trình đóng khối sơ bộ hỗn hợp bột được thực
hiện trên máy ép thủy lực 100tấn (STENH∅J,
Đan Mạch) với áp lực trong khoảng
(40÷120)MPa tạo thành các mẫu hình trụ có

đường kính d = 16mm, chiều cao h = 45mm.
Phản ứng SHS được thực hiện lần lượt với
các mẫu ép trong lò nung điện trở ống ngang
có khí Ar bảo vệ. Nhiệt độ nung sơ bộ được
khảo sát thay đổi trong phạm vi Tp = 250°C ÷
600°C. Khi nung đến nhiệt độ cần thiết, mẫu
được đánh lửa bằng sợi dây W có nhiệt độ Tig
= 2000°C được điều khiển bằng máy biến thế
một chiều hiệu điện thế lớn nhất là 30V
(LiOA DC.Power, Việt Nam). Kết thúc quá
trình đánh lửa, mẫu được tôi trong nước. Để
xác định thành phần pha sản phẩm sau khi
đánh lửa sử dụng phương pháp phân tích phổ
nhiễu xạ Rơnghen XRD (máy Siemens
D5005, Đức). Độ xốp của mẫu và tỉ lệ độ xốp
hở được xác định bằng phương pháp Ác-si40

99(11): 39 - 43

mét. Cấu trúc tế vi của mẫu được quan sát và
soi chụp trên hiển vi điện tử quét SEM (máy
QUANTA 200, FEI).
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trước khi tiến hành thực nghiệm, các mẫu bột
Ni và Ti được xác định kích cỡ hạt bằng
phương pháp SEM (hình 2), phân tích
thành phần hóa học bằng phương pháp
XRD (hình 4a).

Hình 2. Ảnh SEM các bột Ti (a) và Ni (b) được sử

dụng để tổng hợp NiTi xốp.

Sau khi hoạt hóa cơ học, mẫu được ép sơ bộ
đạt độ xốp trong khoảng 21,9% ÷ 29,0% tùy
thuộc áp lực ép sơ bộ (được xác định thông
qua kích thước và khối lượng mẫu ở trạng
thái xốp so với tỉ trọng đặc theo lý thuyết của
NiTi). Độ xốp ban đầu ảnh hưởng lớn đến quá
trình phản ứng SHS, nếu quá lớn hoặc nhỏ
quá thường làm cho phản ứng không thể tự
duy trì và lan truyền do sự truyền nhiệt kém
hiệu quả, độ xốp ban đầu thường lựa chọn
<40% [4].

Hình 3. Hình dạng mẫu sau phản ứng SHS ở các
nhiệt độ nung sợ bộ (Tp) khác nhau.


Hồ Ký Thanh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

Các hiện tượng quan sát được khi Tp thay đổi
thể hiện trên hình 3 cho thấy, khi mẫu được
đánh lửa ở nhiệt độ Tp ≥ 250°C các mẫu đều
lóe sáng, vệt sáng di chuyển từ vị trí đánh lửa
đến cuối mẫu. Hình dạng các mẫu nhận được
cũng khác nhau rõ rệt, mẫu dài ra, đầu các
mẫu tại vị trí đánh lửa đều xuất hiện một phần
bị chảy lỏng. Phần chảy lỏng này nhiều hay ít

phụ thuộc vào độ lớn của Tp, và tỉ lệ thuận với
Tp (hình 3). Đối với các mẫu có nhiệt độ Tp <
250°C, hiện tượng này không xuất hiện, phản
ứng SHS không xảy ra. Hơn nữa, đối với các
nhiệt độ Tp ≥ 450°C, phản ứng có thể xảy ra
kể cả khi không đánh lửa tạo ra quá trình cháy
đồng thời (simultaneous combustion). Đây là
hiện tượng nổ nhiệt (thermal exploision) [3].

99(11): 39 - 43

nhưng do nhiệt độ Tp quá thấp đã không thể
kích thích sự khuếch tán của Ni vào Ti và
ngược lại. Do đó, phản ứng đã không thể xảy
ra. Đối với các mẫu có sự lóe sáng khi đánh
lửa, kết quả XRD đã cho thấy sự hình thành
của pha liên kim NixTi1–x giữa Ni và Ti (hình
5). Cơ chế tạo thành liên kim NixTi1–x là sự
khuếch tán của Ni vào Ti và ngược lại ở pha
rắn dưới ảnh hưởng của nhiệt độ rất cao tỏa ra
trong quá trình phản ứng giữa chúng [7].
Cũng qua kết quả phân tích XRD nhận thấy,
sự hình thành pha trong phản ứng SHS giữa
Ni và Ti phụ thuộc vào nhiệt độ nung sơ bộ
[6]. Khi nhiệt độ Tp tăng, nhiệt độ cháy giữa
Ni và Ti tỏa ra cũng tăng lên, do đó năng
lượng mà các nguyên tử Ni, Ti nhận được
cũng tăng lên do đó hệ số khuếch tán vào
nhau của chúng cũng tăng lên, phản ứng tạo
thành pha NiTi xảy ra triệt để hơn.

Hình 4. Kết quả phân tích XRD:
(a)mẫu bột ban đầu, (b) mẫu bột sau khi hoạt
hóa cơ học 2h.

Hình 5. Kết quả XRD mẫu NiTi sau khi thực hiện
phản ứng SHS: (a) Tp = 300°C; (b) Tp = 600°C;
(b) Tp = 600°C, mẫu chảy (chế độ lan truyền).

Kết quả phân tích thành phần pha bằng
phương pháp XRD đã cho thấy, đối với các
mẫu không có hiện tượng gì xảy ra khi đánh
lửa (Tp < 250°C), đã không có sự hình thành
pha liên kim giữa Ni và Ti, biểu đồ XRD
tương tự như đối với hỗn hợp bột sau khi hoạt
hóa cơ học (hình 4b). Điều này chứng tỏ rằng,
tuy nhiệt độ đánh lửa cao (Tig = 2000°C)

Hình 6. Ảnh SEM:(a) mặt cắt ngang, (b) mặt cắt
dọc mẫu sau phản ứng SHS.

Hơn nữa, tại đầu đánh lửa, do ảnh hưởng của
nguồn nhiệt đánh lửa và nhiệt độ cháy của
phản ứng cao nên mẫu bị chảy lỏng nhiều
hơn, do đó các mẫu có nhiệt độ Tp cao phần
bị chảy lỏng thường nhiều hơn so với mẫu có
nhiệt độ Tp thấp. Sự chảy lỏng này được quan
sát rõ trên ảnh SEM mặt cắt mẫu (hình 7) khi
có rất nhiều các hạt hình cầu bám trên bề mặt
các lỗ xốp.

41


Hồ Ký Thanh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

99(11): 39 - 43

Kết quả phân tích SEM các mặt cắt mẫu cho
thấy, theo cả chiều ngang và chiều dọc, sự
phân bố lỗ xốp là tương đối đồng đều trên
toàn bộ tiết diện (hình 6). Tuy nhiên, kích
thước lỗ xốp không đồng đều, dao động trong
phạm vi từ 100µm ÷ 500µm.

Hình 8. Quan hệ giữa độ xốp của mẫu NiTi và
nhiệt độ nung sơ bộ Tp.

Hình 7. Ảnh SEM lỗ xốp của mẫu NiTi nhận được
sau phản ứng SHS

Quan sát trên hình 6 và hình 7 nhận thấy, hình
dạng của các lỗ xốp không đối xứng mà có
dạng kênh do nhiều các lỗ xốp liên thông với
nhau do chính khe hở ban đầu của các hạt bột
khi ép sơ bộ và sự lan truyền sóng cháy trong
quá trình phản ứng. Hơn nữa, nhiệt độ cao
của phản ứng chính là quá trình tự thiêu của
mẫu, làm cho các hạt bột dính liền nhau bền

chặt, không còn rời rạc.
Do sự lan truyền của sóng cháy, mặt cháy sẽ
di chuyển tạo nên các vùng nhiệt độ không
đồng đều nhau, vì vậy mẫu thường có xu
hướng nở dọc theo chiều lan truyền sóng cháy
(dọc chiều dài mẫu) [6]. Do đó, các phản ứng
SHS thường cho chiều dài mẫu tăng lên và độ
xốp của mẫu vì thế cũng tăng lên so với độ
xốp ban đầu sau khi ép sơ bộ (thể hiện trên
hình 8). Qua tính toán nhận được độ xốp của
mẫu sau phản ứng SHS trong khoảng 44% ÷
58%, tỉ lệ lỗ xốp hở đạt trên 80%. Từ hình 8
cũng nhận thấy, áp lực ép ban đầu của mẫu và
nhiệt độ Tp ảnh hưởng rất ít đến độ xốp của
mẫu sau phản ứng.
42

Hình 9. Quan hệ giữa nhiệt độ nung sơ bộ Tp và
thời gian đánh lửa tig khi tổng hợp NiTi xốp bằng
phương pháp SHS.

Một kết quả đáng quan tâm nữa là nhiệt độ Tp
ảnh hưởng đáng kể đến thời gian đánh lửa
(tig). Khi nhiệt độ Tp tăng lên, thời gian đánh
lửa kích hoạt phản ứng SHS tương ứng giảm
xuống, nằm trong phạm vi từ 7s ÷ 13s (hình
9). Trong phạm vi độ xốp ban đầu mẫu từ
21,9% ÷ 29,0%, sự chênh lệch thời gian đánh
lửa là không đáng kể. Điều này chứng tỏ rằng
các hạt bột tiếp xúc với nhau tương đối đồng

đều, và sự phù hợp của việc lựa chọn độ xốp
ban đầu để thực hiện quá trình đánh lửa [8].
KẾT LUẬN
Ảnh hưởng của nhiệt độ nung sơ bộ trong
phản ứng SHS tổng hợp NiTi xốp đã được
khảo sát. Kết quả cho thấy, khi hoạt hóa cơ
học hỗn hợp bột Ni + Ti trong 2h bằng máy
nghiền bi đứng bảo vệ bởi khí Ar, nhiệt độ Tp
tối thiểu để phản ứng SHS xảy ra là Tp =
250°C (với nhiệt độ đánh lửa Tig = 2000°C).
Nhiệt độ Tp càng lớn thì phản ứng SHS càng
dễ xảy ra. Nếu nhiệt độ Tp ≥ 450°C, phản ứng
SHS có thể xảy ra cả ở chế độ lan truyền và
đồng thời. Sản phẩm nhận được sau phản ứng


Hồ Ký Thanh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

SHS tồn tại chủ yếu là pha NiTi, bên cạnh đó
là pha NiTi2 với hàm lượng rất nhỏ. Mẫu NiTi
xốp nhận được sau phản ứng SHS có độ xốp
dao động trong khoảng 44% ÷ 58%, tỉ lệ lỗ
xốp hở trên 80%, kích thước các lỗ xốp trong
phạm vi 100µm ÷ 500µm. Nhiệt độ Tp ảnh
hưởng rất ít đến xốp của sản phẩm. Các kết
quả khảo sát cũng cho thấy, khi nhiệt độ Tp
càng cao thì thời gian đánh lửa tương ứng
càng giảm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. A. Bansiddhi, T.D. Sargeant, S.I. Stupp, D.C.
Dunand; Porous NiTi for bone implants: A review;
Acta Biomaterialia 4 (2008), trang 773–782.
[2]. B Yuan et al; A comparative Study of the
Porous TiNi Shape-Memory Alloys Fabricated by
Three Different Processes; J. Metal. and Mater.
Trans. 37A, Vol. 3 (2006), trang 755–761.
[3]. Zuhair A. Munir, Umberto Anselmi
Tamburini; Self-propagating synthesis raction:

99(11): 39 - 43

The synthesis of high-temperature materials by
combustion; Materials Science Reports 3, 1989,
trang 277–365.
[4]. P. Mossino; Some aspects in self-propagating
high-temperature
synthesis;
Ceramics
International 30 (2004), trang 311–332.
[5]. Hồ Ký Thanh, Phan Anh Thư, Hoàng Long,
Trần Văn Dũng, Nguyễn Đặng Thủy; Chế tạo vật
liệu Nitinol xốp bằng phương pháp phản ứng nhiệt
tự lan truyền (SHS); J. Science and Technology of
Metals, số 36 (6/2011), trang 46–50.
[6]. B.Y.Li, L.J.Rong, Y.Y.Li; Synthesis of porous
Ni-Ti shape-memory alloys by SHS: reaction
mechanism and anisotropy pore structure; Acta
Materiala 48 (2000), trang 3895–3904.

[7]. A. D. Bratchikov et al; Self-propagating hightemperature synthesis of titanium nickelide;
Plenum Publishing Corporation (1980), trang 5–8.
[8]. M. Adeli, S. H. Seyedein, M. R. Aboutalebi,
M. Kobashi, N. Kanetake; A study on the
combustion synthesis of titanium aluminide in the
self-propagating mode; J. Alloys and Compounds
497 (2012), trang 100–104.

SUMMARY
INFLUENCE OF PREHEATING TEMPERATURE ON SYNTHESIZING
OF POROUS NITI BY SHS METHOD
Ho Ky Thanh1,2*; Tran Van Dung2; Nguyen Dang Thuy2; Tran Duc Thinh2;
Phuong Van Hieu2; Nguyen Huy Hoang2
1

2

College of Technology - TNU
Hanoi University of Science and Technology

This paper presents the investigation results on synthesizing porous NiTi by self-propagating hightemperature synthesis (SHS). The results showed that, reaction between Ni and Ti occurred at
minimum preheating temperature Tp = 250°C. When preheating temperature increased, ignition
time decreased. When preheating temperature Tp ≥ 450°C, the combustion reaction was able to be
simultaneous mode (thermal explosion). XRD pattern results showed that after SHS reaction,
mainly phase of samples were NiTi. Porosity of samples were relative high (in range of 44% ÷
58%), ratio opened-pore were higher 80%. SEM image results showed that, shape and distribution
of pores were relatively uniform in the longitudinal and cross-sectional samples, pore size was in
range of 100 ÷ 500µm.
Keywords: SHS method, porous NiTi, pre-compression, preheating temperature, shape and
distribution pores.

Ngày nhận bài: 27/9/2012, ngày phản biện:02/10/2012, ngày duyệt đăng:10/12/2012
*

Tel: 0984 194198, Email:

43