vật liệu nhớ hình nitinul

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG NAI
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG SỨC KHỎE

Tiểu luận môn học:Vật Liệu Học
Đề tài: Vật liệu nhớ hình
Gv:Nguyễn Thành Luân

Đồng Nai Tháng 9 Năm 2020


Danh sách sinh viên
Nhóm 5

STT
1
2
3

Họ & Tên
Lê Đình Đơng
Ngơ Dương Đức
Chính
Lê Xn Hồng
Long

MSSV
151901596
151901597
151901673

Nhiệm Vụ

Soạn chương III, IV
Soạn chương IV V,
Tổng hợp, trình bày
Soạn chương I, II


Mục Lục
I.GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU NHỚ HÌNH……..…………4
II. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VẬT LIỆU NHỚ HÌNH………..………5
III. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NHỚ HÌNH. ƯU/ NHƯỢC ĐIỂM..6
IV.SẢN XUẤT VẬT LIỆU NHỚ HÌNH……………………………….8
V.KẾT LUẬN……………………………………………..……………9
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………..…………..9


Giới thiệu sơ lược về vật liệu nhớ hình.

I.

Đặt vấn đề:
Hẳn chúng ta từng thấy một đoạn clip ngắn trên mạng xã hội trong đó mơ tả một
loại vật liệu có khả năng tự tái tạo lại hình dáng ban đầu sau khi bị tác dụng bởi
ngoại lực hoặc các tác nhân khác. Vậy, loại vật liệu mới này là gì? Chúng có tính
chất và ứng dụng ra sao? Hãy cùng tìm hiểu nhé!
2. Vật liệu nhớ hình (Shape memory alloy/ SMA)
- Định nghĩa: Vật liệu nhớ hình có bản chất là hợp kim của hai kim loại là titan và
niken. Các kim loại này thường được biết đến với đặc tính q như nhẹ, cứng,
chịu mài mịn,ma sát, ăn mòn tốt… Sự kết hợp giữa hai kim loại này tạo nên một
loại vật liệu mới hội tụ đủ các tính năng trên đồng thời có thêm một khả năng ghi
nhớ hình dạng và quay về hình dạng ban đầu sau khi chịu lực tác động.

- Bản chất : Khi chịu nhiệt hợp kim này có một hình dạng cụ thể nào đó đã được
gia cơng bằng những phương pháp đặc biệt thì nó sẽ ghi nhớ hình dạng đó. Khi
chịu tác dụng của ngoại lực như uống/kéo… vật bị biến dạng và sau đó, khi tăng
nhiệt độ, vật lập tức tự quay về hình dạng ban đầu mà khơng cần chịu bất kỳ lực
tác động nào.
3. Lịch sử:
1.

Đặc tính đáng nhớ của hợp kim nhớ hình được biết đến từ những thập niên năm
1930.
-

-

-

Năm 1932 Chang và Read nhận thấy tính thuận nghịch của hợp kim Au-Cd
khơng chỉ quan sát ở dạng kim tương học mà còn quan sát sự thay đổi của
suất điện trở.
Năm 1938 Greninger and Mooradian quan sát được hiệu ứng nhớ hình của
hợp kim Cu-Zn và Cu-Sn. Tuy nhiên vào những thập niên năm 1960 thì hợp
kim nhớ hình mới thể hiện lợi ích cơng nghệ.
Năm 1962 Buehler và các đồng nghiệp trong phịng thí nghiệm Naval
Ordnance ở Mỹ khám phá ra hiệu ứng nhớ hình của hợp kim Ni-Ti và gọi là
Nitinol và được ứng dụng đầu tiên trong công nghệ hàng không vào thập
niên năm 1960.


-

II.

Ngày nay các ứng dụng này được phát triển trong các lĩnh vực khác nhau
của khoa học và công nghệ. Về cơ bản, hợp kim nhớ hình (SMA) thể hiện 2
pha tinh thể học hoàn toàn xác định chẳng hạn: austenite và martensite.

Cơ sở khoa học của vật liệu nhớ hình.
1. Cơ sở:
- Các hợp

kim nhớ hình (SMAs) tạo thành từ một nhóm vật liệu thuộc kim
loại với khả năng khơi phục lại chiều dài hoặc hình dạng xác định trước đó
khi chịu một tải trọng nhiệt cơ học thích hợp. Vì đặc tính này nên hợp kim
nhớ hình có lợi ích cơng nghệ rất lớn cho các ứng dụng khác nhau.
- Mặc dù hiệu ứng nhớ hình biểu hiện của các hợp kim nhớ hình khác nhau rất
lớn, nhưng có một điều duy nhất của các hợp kim này là có thể khơi phục lại
một khối lượng lớn sức căng. Đặc biệt quan trọng trong số những hợp kim
có nền Ni-Ti hay nền Cu chẳng hạn như: Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni. Hợp kim nhớ
hình có nền Ni-Ti là hợp kim sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng
thương mại bởi vì nó kết hợp rất tốt giữa đặc tính cơ học và nhớ hình.
- Chính sự thay đổi tinh thể ở cấu trúc phân tử đã tạo nên sự “nhớ hình” của
hợp kim nói trên.
- Nếu ban đầu Nitinol được làm nóng - chuyển sang pha austenitic - và được
tạo hình, đó sẽ là bước ghi nhớ. Khi làm lạnh - pha martensitic - dù bẻ cong,
quấn rối nó như thế nào thì khi được làm nóng lên, nó vẫn trở về hình dạng
như cũ.
2. Các dạng.
+ Hợp kim nhớ hình một chiều.
+ Hợp kim nhớ hình hai chiều.
3. Đặc tính.

- Nitinol có tính dẫn điện và gia cơng cơ khí rất tốt với độ bền rất lâu với các
tác động và khả năng chống ăn mịn cao.
- Nitinol có một khả năng độc đáo là ghi nhớ hình dáng, nó rất dẻo dai nên có
thể làm biến dạng thành nhiều hình khác nhau nhưng nó cũng sẽ trở lại hình
dáng ban đầu khi bị nung nóng và trong q trình trở lại hình dáng ban đầu
nếu nó gặp phải lực cản thì vật liệu này sẽ tạo ra một lực cực kỳ lớn để vượt
qua lực cản đó.
- Tốc độ hồi phục hình dạng rất nhanh, gần như là tức thời.
- Về nguyên lý, đặc tính phi thường này có được là nhờ vào cấu trúc nguyên
tử của các thành phần trong hợp kim. Theo đó, các nguyên tử nickel, titan
và đồng có thể tự sắp xếp theo hai cách khác nhau. Đặc biệt là chúng có


thể chuyển đổi qua lại nhiều lần giữa các cách này. Nhờ vậy nên khi uốn
cong, hợp kim sẽ giữ ngun hình dạng mới cho đến khi nó được “nhắc
nhở” trở lại trạng thái nguyên gốc bằng cách sử dụng nhiệt. Ngồi ra, nó
có thể “nhớ” được hình dạng ban đầu trong vòng 10 triệu chu kỳ trong khi
những hợp kim trước đó có xu hướng mất khả năng phục hồi sau một số lần
nhất định.

III.

Ứng dụng, ưu/ nhược điểm của vật liệu nhớ hình.
1. Ứng

dụng.

Trong cơng nghiệp.
- Bề mặt oxit titan của Nitinol rất cứng nên nếu làm nó trở nên xù xì thì có thể
dùng làm phay, tiện hay mài rất tốt. Nhưng vật liệu này có nhiều ứng dụng hơn

trong cơ khí với các bộ phận cần độ cứng cao và khả năng ghi nhớ hình dáng đóng
vai trị quan trọng.
- Một số ứng dụng tiềm năng có thể kể đến như van nhân tạo, hay trong lĩnh
vực vận tải có thể dùng làm vật liệu cho máy bay hoặc ứng dụng trong những sản
phẩm tiêu dùng như tủ lạnh…
- Khi cấu trúc pha thay đổi, hình dáng và kích thước của chúng cũng thay đổi
theo. Đây là đặc điểm có thể tận dụng cơng biến đổi nhiệt sang công biến dạng của
vật liệu cho các ứng dụng công nghiệp.
- Một ứng dụng chưa được triển khai là pha trộn vào betong để kiểm soát các
vết nứt trong lịng khối bê tơng quan trọng, Dựa vào tính chất của nitinol, khi
betong bị nứt, vỡ sẽ kéo theo nitinol biến dạng, lực phản hồi do chúng sinh ra
nhằm quay về hình dạng ban đều sẽ tác động lên cảm biến và báo về bộ xử lí.
1.2
Trong y học.
- Khả năng ghi nhớ hình dáng, sự dẻo dai, chống ăn mịn cao cùng khả năng
tương thích sinh học làm cho nó trở thành vật liệu tuyệt hảo cho việc ứng
dụng làm những ứng dụng y học như chỉnh hình răng, các bộ lọc, ống đỡ
động mạch, neo xương thiết bị lọc... do lớp oxit titan cực kỳ thụ động đã bảo
vệ vật liệu khơng bị ăn mịn cũng như ảnh hưởng đến khả năng tương thích
sinh học tùy cấu trúc bề mặt. Loại vật liệu này dự tính có thể thay thế thép
không gỉ trong lĩnh vực này.
- Chế tạo các loại stent (một loại chi tiết siêu nhỏ cấy vào mạch máu để chống
lại sự tắc ngẽn mạch máu do bám mỡ), chế tạo các loại nẹp xương, đỡ cột
sống, van tim, nẹp chỉnh hình răng…
1.1


Trong đời sống:
Chế tạo các thiết bị an toàn và thiết bị báo cháy,…
Ứng dụng trong chế tạo đồ gia dụng: sensor nhiệt, bộ phát dao động trong

các dụng cụ,…
Sử dụng dạng lị xo kép để kiểm sốt nhiệt độ, lượng nước trong bồn tắm
nước nóng.
Vật liệu nitinol ít có ứng dụng cụ thể trong đời sống vì thực tế nó là một vật
liệu tuy đã tìm ra từ lâu nhưng những tính năng q của nó mới được phổ
biến và đứa vào sử dụng gần đây.
1.3

-

1.4

Trong công nghệ cao

- Trong máy bay chiến đấu, phải chỉnh hướng chùm laser rất cơng phu bằng
nhiều bộ phận phức tạp. Nay có thể thay thế bằng bộ phận đơn giản dựa trên
nguyên tắc nhớ hình của nitinol. Với dộ đàn hồi lớn của vật liệu nitinol, có thể làm
vỏ những con tàu có cửa nhưng khơng có bản lề lối ra như thơng thường tránh
nhiều ảnh hưởng cản trở khí động. Việc nối dẫn các ống dẫn chất lỏng trong các
máy bay, tên lửa cũng có thể được thực hiện bằng cách dùng các đầu nối bằng vật
liệu nhớ hình, phải làm lạnh bằng nitơ lỏng cho dễ đấu nối biến dạng giãn nở khi
lắp và bó chặt cứng lại khi ở nhiệt độ cao. Hiện cũng đang có nhiều nghiên cứu tìm
cách sử dụng nitinol để biến đổi năng lượng làm động cơ sạch, trực tiếp biến nhiệt
thành cơ.
2. Ưu điểm.
- Độ bền: Tuổi

-

-

đời của sản phẩm làm từ vật liệu được xem là vơ hạn trong
điều kiện bình thường vì chưa có dấu hiệu cho thấy Nitinol bị ảnh hưởng bởi
những thay đổi độ ẩm miễn là nhiệt độ xung quanh nó nhỏ hơn nhiệt độ
dùng để ghi nhớ hình của vật liệu.
Khả năng không nhiễm trùng: Trong cơ thể người, vật liệu không gây ra
phản ứng phụ bên trong con người (hay sinh vật), và cũng khơng giải phóng
ion trong máu. Chính vì vậy mà vật liệu tương thích y sinh là một khía cạnh
quan trọng để được xem xét và sử dụng.
Tính năng nhớ hình: Những nhíp nhớ hình được mở rộng ra và được đặt ở
những chỗ mà người ta mong muốn liên kết các xương gãy lại với nhau.
Nhờ nhiệt độ trong cơ thể mà nhíp có xu hướng khít lại, ép các phần xương
đã tách rời nhau, làm giảm thời gian điều trị.Dụng cụ này là một ống SMA
mà đường kính nhỏ hơn so với vật liệu polyme do hiệu ứng giả đàn hồi của


-

nó. Hơn nữa dụng cụ này cũng có tính linh hoạt và chịu xoắn so với ống
được làm bằng thép không gỉ.
Khả năng hồi phục nhiều lần: Khả năng tự quay lại hình dạng cũ của nitinol
có thể lên đến 10 triệu lần.

3. Nhược điểm.
- Khả năng hàn/

-

kết dính: Lớp oxit này làm cho việc hàn không được thuận
lợi, nếu muốn nối hai vật bằng vật liệu này lại với nhau bằng cách đó thì

trước hết phải loại bỏ lớp oxit trong mơi trường khí trơ và điểm hàn gây ảnh
hưởng nhiệt phải rất nhỏ như kỹ thuật hàn laser. Nitinol hiện tại cho thấy
không thể hàn vào các vật liệu khác vì điểm hàn rất giịn và dễ rớt ra ngồi.
Khả năng chế tạo: Cơng nghệ chế tạo địi hỏi kỹ thuật cao, trước hết là nung
nóng sau đó là làm lạnh nhanh để cố định hình dạng ban đầu của vật liệu.
Khả năng gia công: Các oxit titan/niken rất cứng và khá mài mịn nên khi gia
cơng cắt gọt chúng cần tiêu tốn nhiều năng lượng và vật liệu cắt gọt phải có
độ cứng cao hơn độ cứng của oxit titan.

Sản xuất vật liệu nhớ hình.

IV.
-

-

-

Để làm cho vật liệu ghi nhớ hình dạng mới thì trước hết phải chỉnh nó sang
hình dạng mới và tìm cách cố định nó bằng thứ gì đó có thể chịu được lực
định hình của vật liệu tránh nó trở lại hình dáng ban đầu, sau đó nung nóng
vật liệu lên 500º-550 °C trong một thời gian tùy thuộc vào khối lượng &
phương pháp nung và làm lạnh một cách nhanh chóng. Sau quá trình này thì
hình dáng mới sẽ được ghi nhớ. Sau đó sẽ là q trình nung tăng cứng vật
liệu để đạt yêu cầu phù hợp với ứng dụng của đồ vật.
Các hợp kim Ni-Ti cũng có thể gia cơng nguội. Quy trình gia cơng tương tự
như quy trình gia công dây titan. Người ta dùng các khuôn kéo có kim
cương và cacbit để chế tạo các sản phẩm dạng dây có đường kính từ 0.0751.25mm. Gia cơng nguội làm thay đổi mạnh các tính chất cơ lí của hợp kim
Ni-Ti.
Sau khi vật liệu đã ghi nhớ hình dạng này, chỉ cần chịu biến dạng do lực tác

động, khi bị gia nhiệt lên 55-70oC, vật liệu lập tức sinh ra lực đàn hồi rất lớn
để quay về đúng hình dạng đã ghi nhớ ban đầu. Tùy thuộc vào phương pháp
chế tạo mà tính chất của nitinol thay đổi khác nhau.


Kết luận.

V.

- Ứng dụng của SMA trong lĩnh vực y sinh rất thành cơng vì đặc trưng chức năng
của SMA, làm tăng khả năng cải thiện và việc thực hiện phẫu thuật giảm bớt. Các
hợp kim tương thích y sinh là một trong số những hợp kim có nét đặc trưng quan
trọng nhất đó là ứng dụng để khai thác các hiệu ứng nhớ hình ( 1 chiều, 2 chiều,
giả đàn hồi). Chính vì vậy mà các hợp kim nhớ hình được ứng dụng trong thuật
chỉnh hình, thuật chỉnh răng, tim mạch, cũng như trong việc chế tạo các dụng cụ
phẫu thuật. Trong đó đặc tính đối nghịch tương thích y sinh của Nikel là một trong
những điểm then chốt liên quan đến việc sử dụng hợp kim Ni-Ti.
- Xu hướng phát triển: Hiện người ta đang nghiên cứu để tim ra những phương
pháp kiểm sốt sự “nhớ hình” của SMA bằng nhiều cách khác nhau như sử dụng
dòng điện, hóa chất, ánh sáng, các loại bức xạ…

Tài liệu tham khảo.
-

Mantovani D (2000). Shape memory alloys: Properties and biomedi-cal
applications. Journal of the Minerals, Metals and Materials Socie-ty.

-

Shape Memory Alloy Research Team (Smart) (2001). .

Nguyễn Văn Dán, Công nghệ vật liệu mới, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia
TP.Hồ Chí Minh, 2003.
Youtube. Vật liệu nhớ hình/ shape memory alloy.
Wikipedia : vật liệu nhớ hình.
Shape Memory Applications, Inc. (2001). .

-The end-