Trang 7 Khi ở dạng màng mỏng, hợp kim Nitinol có những ưu điểm: hiệu suất lực lớn trên đơn vị thể tích, có thể hoạt động như cơ cấu chuyển động; thời gian đáp ứng của quá trình hồi phục
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRỊNH XUÂN THẮNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU -o0o - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: KHOA HỌC VẬT LIỆU KHOA HỌC VẬT LIỆU ITIMS 2007 - 2009 HÀ NỘI 2009 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA MÀNG MỎNG NHỚ HÌNH NiTi CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG PHÚN XẠ TRỊNH XUÂN THẮNG Hà Nội - 2009 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204961601000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU -o0o - NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA MÀNG MỎNG NHỚ HÌNH NiTi CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG PHÚN XẠ TRỊNH XUÂN THẮNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU KHOÁ ITIMS 2007 - 2009 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Nguyễn Hữu Lâm Hà Nội - 2009 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung Viện ITIMS nói riêng giảng dậy giúp đỡ em suốt trình học tập nghiên cứu Xin cảm ơn giúp đỡ chân thành tập thể lớp cao học ITIMS khóa 2007-2009 Đặc biệt, em xin chân thành tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Nguyễn Hữu Lâm, người tận tình định hướng hướng dẫn em suốt thời gian thực luận văn tốt nghiệp Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến tồn anh chị thầy Bộ môn vật liệu điện tử-Viện vật lý kỹ thuật-Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện cho em vừa cơng tác,học tập hồn thành luận văn Em xin cảm ơn Phòng vật lý đo lường-Viện vật lý kỹ thuật, Bộ mơn hố trường đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội giúp em thực phép đo đạc thực nghiệm Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người động viên, giúp đỡ em mặt tinh thần lẫn vật chất để em hoàn thành đồ án Hà Nội, ngày thàng 10 năm 2009 Học viên Trịnh Xuân Thắng MỤC LỤC Trang MỤC LỤC MỞ ĐẦU TÓM TẮT CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM NHỚ HÌNH NITINOL I.1.Khái niệm chung hợp kim nhớ hình (SMA) I.2.Tính chất vật lý hợp kim Nitinol I.2.1.Một số thông số vật lý Si, Ti, Ni NiTi I.2.2.Cấu trúc tinh thể Nitinol I.3.Các hiệu ứng nhớ hình hợp kim Nitinol 12 I.3.1.Hiệu ứng nhớ hình chiều 14 I.3.2.Hiệu ứng nhớ hình hai chiều 15 I.3.3.Hiệu ứng siêu đàn hồi nhiệt 16 I.3.3.1.Hiệu ứng siêu đàn hồi 16 I.3.3.2 Hiệu ứng siêu nhiệt 17 I.3.3.3.Hiệu ứng cao su 18 I.4.Một số ứng dụng vật liệu nhớ hình NiTi 19 I.4.1.Ứng dụng y sinh 19 I.4.1.1 Khả tương thích sinh học vật liệu nhớ hình NiTi 19 I.4.1.2.Thiết bị phẫu thuật nối xương bị gãy 20 I.4.1.3.Ứng dụng màng nhớ hình NiTi điều trị bệnh tắc mạch máu 23 I.4.2.Một số ứng dụng vật liệu NiTi công nghiệp 24 I.5.Tổng quan màng mỏng nhớ hình NiTi 25 I.5.1.Một số phương pháp chế tạo màng mỏng nhớ hình NiTi 25 I.5.1.1.Phương pháp phún xạ laser 26 I.5.1.2.Phương pháp bốc bay chùm ion 28 I.5.1.3.Phương pháp phún xạ 29 I.5.2.Ứng dụng màng mỏng nhớ hình NiTi cơng nghệ vi điện tử (MEMS) 30 I.5.2.1.Cấu trúc rầm vi kẹp dựa vật liệu nhớ hình 30 I.5.2.2.Ứng dụng màng nhớ hình hệ MEMS quang 32 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT HỢP KIM NITINOL II.1 Phương pháp phún xạ chế tạo màng mỏng NiTi 34 II.1.1.Cấu trúc hệ chân không phương pháp phún xạ 35 II.1.2.Vật lý trình phún xạ 38 II.1.3 Phân loại phương pháp phún xạ 39 II.1.3.1.Phún xạ cao áp chiều (DC Sputtering) 39 II.1.3.2.Phún xạ cao tần (RF Sputtering) 40 II.1.3.3.Magnetron (Magnetron Sputtering) 41 II.1.3.4.Phún xạ phản ứng (Reactive Sputtering) 43 II.1.4 Các thông số đặc trưng phương pháp phún xạ 43 II.1.4.1.Ảnh hưởng áp suất 43 III.1.4.2.Ảnh hưởng công suất phún xạ 45 III.1.4.3.Ảnh hưởng khoảng cách đế bia 45 III.1.4.4.Tốc độ lắng đọng hiệu suất phún xạ 46 II.2.Làm phiến silíc tẩy lớp oxít tự nhiên 47 II.3.Các phương pháp phân tích 48 II.3.1.Phương pháp phân tích phổ tán sắc lượng tia X (Energy dispersive X-ray spectroscopy-EDX) 48 II.3.2.Phương pháp phân tích quét nhiệt vi sai (Differential scanning calorimeter-DSC) 49 II.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction-XRD) 52 CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ III.1 Khảo sát thành phần nguyên tử Titan Niken màng NiTi 58 III.1.1.Thành phần màng NiTi chế tạo từ đơn bia Ti 59 III.1.2.Thành phần màng NiTi chế tạo phương pháp đồng phún xạ 60 III.2.Kết phân tích ảnh nhiễu xạ tia X (XRD) 63 III.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới cấu trúc màng mỏng 65 III.3 Các biện pháp bóc tách màng Nitinol từ đế Silíc 68 III.4 Kết phân tích quét nhiệt vi sai (DSC) 70 KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 MỞ ĐẦU Hiện việc nghiên cứu vật liệu có tính lạ phục vụ cho yêu cầu khác cơng nghiệp có khả tích hợp với công nghệ vi điện tử (MEMS) vấn đề đặt phịng thí nghiệm ngồi nước Thêm vào với xu hướng thu nhỏ kích thước giảm lượng tiêu thụ linh kiện loại vật liệu dạng màng ưu tiên nghiên cứu Trong xu hướng đó, màng mỏng nhớ hình Nitinol nhà khoa học giới quan tâm tính chất đặc biệt khả ứng dụng rộng rãi y học, quân sự, công nghệ MEMS, công nghiệp đời sống ) Nitinol hợp kim Ni Ti với tỷ lệ thành phần nguyên tử gần 50%Ti:50%Ni Hiệu ứng nhớ hình hợp kim Nitinol lần nghiên cứu phịng thí nghiệm Naval Ordinance Laboratory năm 1962 Khả nhớ hình Nitinol giải thích dựa q trình chuyển pha Austensite pha Martensite bên vật liệu Độ biến dạng đàn hồi hợp kim nhớ hình nói chung hợp kim NiTi nói riêng lớn (có thể đạt đến 10%) so với vật liệu áp điện vật liệu từ giảo (0,005-0,2%) Trong số vật liệu nhớ hình, NiTi đóng vai trị quan trọng tính chất ưu việt hiệu suất lực đơn vị thể tích lớn, tính chống ăn mịn hóa học lớn, khả tương thích sinh học cao Nhờ khả thay đổi ghi nhớ hình dạng thay đổi nhiệt độ, hợp kim nhớ hình Nitinol có ứng dụng quan trọng y học như: điều trị bệnh tim mạch, nắn xương chỉnh hình, nha khoa, đặc biệt sử dụng để điều khiển vận chuyển thuốc tới nơi bị tổn thương thể Hợp kim Nitinol sử dụng làm dụng cụ phẫu thuật phòng mổ với u cầu xác cao, an tồn cho bệnh nhân bác sĩ Do việc nghiên cứu thành cơng vật liệu nhớ hình Nitinol đóng góp đáng kể cho phát triển y học đất nước Với phát triển công nghệ vi điện tử (MEMS), màng mỏng nhớ hình Nitinol thu hút quan tâm nghiên cứu nhiều nhà khoa học giới Khi dạng màng mỏng, hợp kim Nitinol có ưu điểm: hiệu suất lực lớn đơn vị thể tích, hoạt động cấu chuyển động; thời gian đáp ứng q trình hồi phục hình dạng nhỏ; tương thích với quy trình cơng nghệ cơng nghệ vi điện tử Do vậy, hợp kim nhớ hình Nitinol nghiên cứu rộng rãi trở thành vật liệu hứa hẹn cho hệ thống vi điện tử (MEMS) tạo cấu trúc vi gương, vi kẹp, vi cảm biến, cantilever, van chuyển mạch, vi chấp hành (actuator) kích thước micromet Vật liệu Nitinol nghiên cứu phát triển mạnh nước giới như: Hoa Kỳ, Đài Loan, Trung Quốc số nước châu Âu Tuy nhiên Việt Nam chưa có nghiên cứu khoa học trình chế tạo khảo sát tính chất màng Nitinol cơng bố Hiện nay, hai quy trình chế tạo màng nhớ hình NiTi hệ thống vi điện tử (MEMS) thường sử dụng phương pháp phún xạ tạo màng NiTi từ đơn bia gia công từ phiến khối dây hợp kim nhớ hình Cả hai phương pháp gặp khó khăn việc khống chế thành phần màng hợp kim hay tương thích mặt công nghệ cho ứng dụng sau Mặt khác, nhiệt độ chuyển pha màng NiTi phụ thuộc mạnh vào tỷ lệ thành phần Ti Ni mẫu Nó định đến khả ứng dụng màng nhớ hình NiTi Hiệu ứng nhớ hình xảy mạnh thành phần nguyên tử khoảng 50% Ti : 50% Ni Chính nhiều nghiên cứu việc điều khiển thành phần màng NiTi tiến hành Trên sở đó, hướng luận văn nghiên cứu chế tạo màng mỏng Nitinol sử dụng phương pháp đồng phún xạ kết hợp với kỹ thuật công nghệ vi điên tử; nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện cơng nghệ đến chất lượng màng từ tìm điều kiện thích hợp để nâng cao tính chất màng hợp kim nhớ hình Chương I TỔNG QUÁN VỀ HỢP KIM NHỚ HÌNH NITINOL I.1.Khái niệm chung hợp kim nhớ hình (SMA) Tính chất nhớ hình tính chất vật liệu bị biến dạng, có khả khơi phục lại hồi hình dạng ban đầu thơng qua q trình cấp nhiệt Vào năm 1932, lần hiệu ứng nhớ hình quan sát Arne Olader, nhà nghiên cứu người Thụy Điển Ơng quan sát đặc tính nhớ hình hợp kim Vàng (Au) Catmi (Cd) Đó vật liệu biến dạng dẻo làm lạnh khơi phục hình dạng ban đầu cấp nhiệt Sau đó, nhiều hợp kim tìm có đặc tính nhớ hình Năm 1938, Greninger Mooradian nghiên cứu mối liên hệ thay đổi hình dạng thay đổi pha tăng, giảm nhiệt độ hợp kim nhớ hình Cu-Zn Khoảng thập kỷ sau, sở lý thuyết nhiệt động tượng nhớ hình Kurdjumov, Khandros (1949) Chang, Read (1951) công bố rộng rãi Hiện nay, nhiều loại hợp kim nhớ hình (Shape Memory Alloy-SMA) phát Có ba dạng hợp kim nhớ hình hợp kim Cu-Zn-Al-Ni, Cu-Al-Ni Ni-Ti, ngồi số dạng khác hợp kim CuSn, InTi MnCu Từ năm 1990, vật liệu nhớ hình polymer (Shape Memory PolymersSMP) nghiên cứu phát triển ứng dụng trong việc chế tạo robot, dụng cụ thể thao, vật liệu xây dựng…Ngoài ra, cịn có vật liệu nhớ hình dựa thay đổi từ trường đặt vào chúng (Magnetic Shape-Memory -MSM) Những vật liệu nhớ hình từ thường có thời gian phục hồi hình dạng nhanh vật liệu nhớ hình có chế nhớ hình liên quan đến thay đổi nhiệt độ Trong số loại vật liệu nhớ hình, hợp kim TiNi thể đặc tính nhớ hình tốt sử dụng phổ biến Năm 1962, William Bueher, David Goldstein số thành viên phát nghiên cứu hợp kim nhớ hình Nitinol phịng thí nghiệm Naval Ordinance Laboratory Tên hợp kim Nitinol lấy từ tên nguyên tố nơi khám phá nó: Nickel Titanium Naval Ordinance Laboratory Hiệu ứng nhớ hình hợp kim Nitinol thể tốt thành phần nguyên tử gần 50%Ti-50%Ni Độ biến dạng đàn hồi hợp kim nhớ hình nói chung hợp kim NiTi nói riêng lớn (có thể đạt đến 10%) so với vật liệu áp điện vật liệu từ giảo (0,005-0,2%) [5] Trong số vật liệu nhớ hình, NiTi đóng vai trị quan trọng tính chất ưu việt hiệu suất lực đơn vị thể tích lớn, tính chống ăn mịn hóa học lớn, tương thích với quy trình công nghệ công nghệ vi điện tử [6,7] Trong ứng dụng y sinh, hợp kim Nitinol thường phủ thêm lớp màng Ti bên ngồi để tăng tính tương thích sinh học I.2 Tính chất vật lý hợp kim Nitinol I.2.1 Một số thông số vật lý Si, Ti, Ni TiNi Nguyên Nguyên Cấu Nhiệt Độ dẫn Hệ số Nguyên tử tử trúc độ nóng độ nhiệt giãn tố số khối tinh chảy sôi (Wm -1K-1) nhiệt thể (K) (K) Nhiệt nở (10-6K-1) Sillic 14 28,1 KC 1410 2628 150 2,6 Titan 22 47,90 SPXC 1941 3560 21,9 8,6 Niken 28 57,71 LPTM 1728 3186 90,9 13,4 TiNi - - - 1300 - 18(austenite) 11(austenite) Bảng I.1: Một số thông số vật lý Si, Ti, Ni TiNi Các thông số vật lý nguyên tố Silíc, Titan, Niken bảng I.1 ảnh hưởng trực tiếp tới tính chất vật lý màng Nitinol mà cần chế tạo Do nguyên tử khối Ti Ni tương ứng 47,90 57,71 khối lượng Ni hợp kim Nitinol thường chiếm 50-55,6%, thành phần nguyên tử Ni chiếm khoảng 50% (hợp kim thể tính nhớ hình tốt nhất) Người ta thấy pha austenite, hợp kim Nitinol có độ dẫn nhiệt nhỏ hệ số giãn nở nhiệt 11.10-6K-1 Nhiệt độ nóng chảy hợp kim thấp, khoảng 1300 K Tuy nhiên, nhiệt độ nóng chảy khơng ảnh hưởng tới hầu hết ứng dụng hợp kim Nitinol Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào thành phần nguyên tử Titan Niken Trong đó, cấu trúc tinh thể hợp kim Nitinol phụ thuộc vào thành phần nguyên tử nhiệt độ chúng Hợp kim Nitinol tồn pha austenite (hình thành nhiệt độ cao có cấu trúc tinh thể lập phương bền vững), pha martensite (ở nhiệt độ thấp, tồn dạng song tinh) pha trung gian I.2.2 Cấu trúc tinh thể Nitinol Cấu trúc tinh thể hợp kim Nitinol tồn ba pha: austensite, mastensite pha trung gian (R-phase) Thông thường, pha austenite hình thành nhiệt độ cao Nó có cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối bền vững, giống cấu trúc CsCl (cấu trúc B2) Trong cấu trúc này, nguyên tử Ni Ti tạo thành mạng cấu trúc lập phương đơn giản Mỗi nguyên tử Ni tâm hình lập phương tạo nguyên tử Ti ngược lại, nguyên tử Ti bao quanh nguyên tử Ni, tạo thành hình lập phương Hằng số mạng cấu trúc B2 NiTi a=b=c=3,01 0A [8] Hình I.1 mơ hình cấu trúc austenite NiTi với nguyên tử Ti bao quanh nguyên tử Ni Hình I.1: Cấu trúc tinh thể pha austenite NiTi Trong đó, pha martensite tồn nhiệt độ thấp, có tính chất học mềm dễ bị biến dạng Cấu trúc tinh thể tồn dạng đơn tà (cấu trúc B198)