Tổng hợp vật liệu xốp niti bằng phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CÁM ƠN MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài .9 Mục đích Đối tƣợng phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa đề tài 10 Bố cục luận văn .10 Chƣơng I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XỐP NiTi 11 1.1 Tổng quan vật liệu xốp NiTi 11 1.1.1 Vật liệu nhớ hình 11 1.1.2 Chuyển biến pha vật liệu nhớ hình .11 1.1.3 Hiệu ứng nhớ hình .16 1.1.4 Hiệu ứng siêu đàn hồi 18 1.2 Vật liệu xốp NiTi ứng dụng 21 1.2.1 Vật liệu xốp NiTi 21 1.2.2 Các ứng dụng vật liệu xốp NiTi 22 1.3 Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu xốp NiTi 26 1.3.1 Phương pháp ép nóng đẳng tĩnh 26 1.3.2 Phương pháp thiêu kết chân không 27 1.3.3 Phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền 27 1.4 Lựa chọn phƣơng pháp để tổng hợp vật liệu xốp NiTi 28 1.5 Kết luận chƣơng I .29 Chƣơng II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẢN ỨNG NHIỆT ĐỘ CAO TỰ LAN TRUYỀN 30 2.1 Giới thiệu chung 30 2.2 Các thông số ảnh hƣởng đến phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền 33 2.2.1 Kích thước ban đầu chất phản ứng .33 2.2.2 Sự nén chặt hỗn hợp bột ban đầu chất phản ứng 40 2.2.3 Ảnh hưởng mồi lửa kích hoạt phản ứng .43 2.2.4 Nhiệt độ nung sơ 44 2.2.5 Quá trình hoạt hóa học hỗn hợp bột ban đầu 46 2.3 Kết luận chƣơng II 47 Chƣơng III: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 49 3.1 Phƣơng pháp nghiên cứu 49 3.2 Mơ hình thí nghiệm thiết bị 49 3.3 Kết luận chƣơng III 53 Chƣơng IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 54 4.1 Chuẩn bị vật liệu 54 4.1.1 Nguyên liệu 54 4.1.2 Sau q trình hoạt hóa học 55 4.2 Một số tính chất vật liệu xốp NiTi tổng hợp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền 56 4.2.1 Mối quan hệ thời gian hoạt hóa học nhiệt độ nung sơ đến phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền 56 4.2.2 Kết phân tích thành phần pha sau phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền .58 4.2.3 Độ xốp vật liệu xốp NiTi 61 4.2.4 Cơ tính vật liệu xốp NiTi tổng hợp phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền 67 4.3 So sánh kết kết đạt đƣợc với công trình cơng bố vật liệu xốp NiTi 73 4.3.1 Kết so sánh độ xốp, kích thước lỗ xốp 73 4.3.2 Kết so sánh tính chất học 75 4.4 Kết luận chƣơng IV 75 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 77 * Kết luận 77 * Kiến nghị 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Chuyển biến pha Mactenxit – Austenit hệ vật liệu nhớ hình [2] 11 Hình 1.2 Pha Austenit Mactenxit vật liệu nhớ hình [3] 12 Hình 1.5 Nhiệt độ chuyển biến pha chất tải [4] 14 Hình 1.6 Đƣờng chất tải hiệu ứng siêu đàn h i [4] 15 Hình 1.7 Biểu đ ứng suất – biến dạng siêu đàn h i [4] .16 Hình 1.8 Biểu đ ứng suất–biến dạng–nhiệt độ vật liệu nhớ hình NiTi [4] 17 Hình 1.9 Giản đ pha hai đƣờng tải trọng siêu đàn h i [4] 18 Hình 1.10 Chu trình chất tải siêu đàn h i [4] 20 Hình 1.11 Giản đ trạng thái hệ vật liệu NiTi[5] .21 Hình 1.12 Khả tƣơng thích tính NiTi với xƣơng ngƣời .22 Hình 1.13 Lọc Simon chế tạo vật liệu NiTi đặc [8] 23 Hình 1.14 Vị trí miếng đệm đốt sống thể ngƣời [32] .24 Hình 1.15 a- Ảnh SEM vật liệu xốp NiTi sản xuất phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền (65 ± 10% xốp, 100–360μm) 24 Hình 1.6 Quá trình mở cầu nhớ hình [8] 25 Hình 1.17 Các dụng cụ phẫu thuật nội soi [8] 25 Hình 1.18 Phƣơng pháp chế tạo vật liệu xốp NiTi phƣơng pháp ép nóng đẳng tĩnh 26 Hình 1.19 Lị thiêu kết chân khơng (2400oC) 27 Hình 1.20 Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu xốp NiTi phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền 28 Hình 2.1 Biểu đ biểu diễn đƣờng cong nhiệt độ – thời gian phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền [15] 30 Hình 2.2 Sơ đ phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền: 31 Hình 2.3 Sự phụ thuộc tốc độ cháy với kích thƣớc hạt chất phản ứng kim loại (r0) phi kim loại (r1, r2, r3): (I) vùng động học, (II) vùng chuyển tiếp, (III) vùng mao dẫn [22] 38 Hình 2.4 Ảnh hƣởng kích thƣớc hạt aluminium lên tốc độ cháy hỗn hợp Ni – Al: (1) hạt Ni mịn (2) hạt Ni thô, ρ = 40% [23] 39 Hình 2.5 Profile nhiệt độ dọc theo mẫu trình cháy hỗn hợp Ti + C với kích thƣớc hạt titanium khác nhau: (1) r0< 45 μm, (2) r0 = 120  160μm, (3) r0= 250  280μm [23] 39 Hình 2.6 Ảnh hƣởng tỷ trọng đóng bánh nhiệt độ nung sơ đến tỷ trọng sản phẩm NiTi nhận đƣợc sau phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền (TMD: tỷ trọng lý thuyết) [24] .41 Hình 2.7 Ảnh hƣởng tỷ trọng đóng bánh nhiệt độ nung sơ đến tốc độ lan truyền sóng cháy chế tạo NiTi phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền [24] 42 Hình 2.8 Ảnh hƣởng tỷ trọng đóng bánh đến nhiệt độ cháy khối ép nhiệt độ nung sơ Tp = 200oC chế tạo phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền [24] 42 Hình 2.9 Đ thị biểu thị mối quan hệ entanpy-nhiệt độ cho hệ NiTi [30] 45 Hình 2.10 Ảnh hƣởng nhiệt độ nung sơ Tp đến nhiệt độ cháy Tc chế tạo NiTi phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền [24] 46 Hình 2.11 Ảnh hƣởng thời gian hoạt hóa học tMA đến nhiệt độ cháy Tc nhiệt độ kích hoạt phản ứng Tig phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền [21] .47 Hình 3.1 Mơ hình thí nghiệm 50 Hình 3.2 Các thiết bị sử dụng thí nghiệm: a, Cân điện tử; b, Máy nghiền bi cánh khuấy; c, Máy ép thủy lực; d, Lò điện trở; e, Hệ thống m i lửa cuộn dây W; f, Hệ thống máy thử tính MTS 52 Hình 3.3 Sơ đ nguyên lý hệ thống thiết bị thí nghiệm thực phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền chế tạo vật liệu xốp NiTi nhóm nghiên cứu đề xuất 53 Hình 4.1 Kết phân tích XRD hỗn hợp bột Ni bột Ti nguyên liệu 54 Hình 4.2 Ảnh SEM hạt bột Ni (a) hạt bột Ti (b) 54 Hình 4.3 Kết phân tích XRD hỗn hợp bột sau hoạt hóa học 2h 55 Hình 4.4 Ảnh SEM hạt hỗn hợp bột Ni + Ti sau hoạt hóa học 2h 56 Hình 4.5 Hình dạng mẫu sau m i lửa với nhiệt độ nung sơ khác 58 Hình 4.6 Kết phân tích thành phần pha phƣơng pháp XRD sản phẩm thu đƣợc sau phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền với chế độ nung sơ khác .59 Hình 4.7 Quá trình chuyển biến Mactenxit vật liệu Ti-Ni 60 Hình 4.8 a Mặt cắt dọc, b Mặt cắt ngang mẫu sau trình phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền 62 Hình 4.9 Hình ảnh SEM phản ứng tự lan truyền nhiệt độ cao với Tp = 600oC 63 Hình 4.10 Quan hệ độ xốp mẫu NiTi nhiệt độ nung sơ Tp 64 Hình 4.11 Quan hệ nhiệt độ nung sơ Tp thời gian m i lửa Tig tổng hợp vật liệu xốp NiTi phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền 64 Hình 4.12 Ảnh SEM mặt gẫy mẫu sau trình phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền 65 Hình 4.13 Ảnh SEM bề mặt lỗ xốp mẫu sau trình phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền .66 Hình 4.14 Đƣờng cong ứng suất – biến dạng mẫu NiTi xốp tổng hợp phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền (Tp=400°C) .68 Hình 4.15 Đƣờng cong ứng suất – biến dạng mẫu NiTi xốp đƣợc tổng hợp phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền (T p = 400C) sau xử lý nhiệt Tn = 500C 4h 70 Hình 4.16 Đƣờng cong ứng suất – biến dạng nén phá hủy mẫu NiTi xốp tổng hợp phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền (Tp = 500C) sau trình xử lý nhiệt Tn = 550C 4h nén phá hủy mẫu 71 Hình 4.17 Kích thƣớc miếng đệm đốt sống nhân tạo 72 Hình 1.18 Hình dạng miếng đệm đốt sống nhân tạo sau cắt tạo hình máy căt dây 72 Hình 4.19 So sánh tính chất xốp kết đạt đƣợc với kết đƣợc công bố 74 Hình 4.20 So sánh tính chất học kết đạt đƣợc với kết đƣợc công bố 75 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các tính chất pha Austenit Mactenxit [7] 22 Bảng 2.1: Một vài hợp chất điển hình đƣợc tổng hợp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền 32 Bảng 4.1: Khả xảy phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền nhiệt độ nung sơ thời gian hoạt hóa học khác .57 Bảng 4.2: Độ xốp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền với điều kiện thí nghiệm khác 67 Bảng 4.3 Độ xốp sản phẩm vật liệu xốp NiTi chế tạo phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền 73 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn cơng trình nghiên cứu tơi, số liệu kết trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình sở khác dƣới dạng luận văn Ngƣời cam đoan Trần Đức Thịnh LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo, cô giáo, giáo sƣ, tiến sĩ Bộ môn Cơ học vật liệu Cán kim loại, Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, Viện Sau Đại học, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội giảng dạy, giúp nâng cao kiến thức lĩnh vực vật liệu Có đƣợc kết nhƣ ngày hơm ngồi nỗ lực cố gắng thân, tơi cịn nhận đƣợc bảo tận tình thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Trần Văn Dũng, Bộ môn Cơ học vật liệu Cán kim loại, Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Và giúp đỡ, góp ý đ ng chí nghiên cứu sinh H Ký Thanh suốt thời gian học tập, nghiên cứu làm luận văn Đ ng thời xin chân thành cám ơn thành viên nhóm nghiên cứu Bộ môn Cơ học vật liệu Cán kim loại hợp tác nghiên cứu để có đƣợc số liệu, kết giúp tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cám ơn tất giúp đỡ quý báu đó! Tác giả Trần Đức Thịnh MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Trong thời gian gần vật liệu NiTi với tính chất siêu đàn h i hiệu ứng nhớ hình thu hút đƣợc quan tâm nhiều nhà khoa học giới Về tổng thể vật liệu NiTi phân chia thành hai hệ: vật liệu NiTi đặc vật liệu xốp NiTi Vật liệu xốp NiTi hấp dẫn tính chất: 1- tính tƣơng thích sinh học tốt với thể ngƣời; 2- độ bền cao (tránh biến dạng phá hủy), độ cứng thấp (tránh phản ứng căng thể) độ dai va đập cao (tránh vỡ thể vận động); 3- ứng xử nhớ hình tạo điều kiện thuận lợi trình cấy ghép Hiện nƣớc ta, vật liệu y sinh phải nhập từ nƣớc với giá thành cao, nhiên nhu cầu vật liệu y sinh lại lớn để thay chi tiết tiết thể ngƣời, nên lƣợng ngoại tệ lớn Do việc chủ động tiếp cận công nghệ sản xuất vật liệu y sinh hƣớng nghiên cứu phù hợp cần thiết Do việc lựa chọn đề tài “Tổng hợp vật liệu xốp NiTi phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền” điều kiện Việt Nam hoàn toàn hợp lý cấp thiết Kết đạt đƣợc đề tài tiền đề việc chế tạo vật liệu y sinh Mục đích Nghiên cứu chế tạo vật liệu xốp NiTi phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền nghiên cứu số thông số ảnh hƣởng đến công nghệ tổng hợp vật liệu xốp NiTi điều kiện Việt Nam Đối tƣợng phƣơng pháp nghiên cứu - Vật liệu xốp NiTi ứng dụng làm vật liệu y sinh, cơng nghệ tổng hợp tính chất học chúng - Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm thiết bị sẵn có Việt Nam - Ứng dụng số phƣơng pháp phân tích, kiểm tra đại phƣơng pháp đối chứng với tài liệu công bố giới Ý nghĩa đề tài Quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu xốp NiTi phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền thành công ban đầu tạo sở phát triển Việt Nam Việc áp dụng phƣơng pháp nghiên cứu, phân tích tiên tiến để đánh giá tính chất vật liệu xốp NiTi góp phần nghiên cứu, tổng hợp thành công vật liệu xốp NiTi phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền Bố cục luận văn Nội dung luận văn bao g m phần mở đầu, chƣơng cuối luận văn kết luận chung kiến nghị, nhƣ sau:  Phần mở đầu  Chƣơng 1: Tổng quan vật liệu xốp NiTi  Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền  Chƣơng 3: Thiết bị phƣơng pháp thí nghiệm  Chƣơng 4: Kết thảo luận  Kết luận chung kiến nghị  Tài liệu tham khảo 10 Cán kim loại, Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội để thử nén nhằm xác định số tính chất học hệ vật liệu Các mẫu thử nén đƣợc tiến hành máy MTS 809.10 Phịng thí nghiệm Bộ môn Cơ học vật liệu Cán kim loại, Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội với tốc độ biến dạng 0,12x10-3s-1 Các mẫu thử nén điều kiện mơi trƣờng (khoảng 25oC) Hình 4.14 Đường cong ứng suất – biến dạng mẫu NiTi xốp tổng hợp phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền (Tp=400°C) Về tính, quan sát đƣờng cong ứng suất – biến dạng hình 4.14, ta nhận thấy mẫu có khả biến dạng tƣơng đối rõ, mẫu có mức độ biến dạng đàn h i khoảng 2,5% (vùng siêu đàn h i có chuyển biến cấu trúc Austenit  Mactenxit khoảng 1%) Với vật liệu xốp NiTi ta xét khả biến dạng vùng đàn h i vật liệu Ở có chuyển biến cấu trúc Austenit  Mactenxit vật liệu chịu tác dụng tải trọng Sự chuyển biến cấu trúc làm tăng khả biến dạng đàn h i, dẫn đến miền đàn h i vật liệu tăng lên Đối với mẫu thu đƣợc sau phản ứng phản ứng nhiệt độ cao tự lan 68 truyền, chuyển biến cấu trúc Austenit  Mactenxit chƣa rõ ràng Cấu trúc Mactenxit hình thành khiến cho khả biến dạng đàn h i giảm Mặt khác, lỗ xốp vật liệu chế tạo phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền, độ xốp thƣờng có phạm vi dao động lớn (khoảng 10%), trình nguội nhanh làm cho thân mẫu NiTi xốp chịu tác dụng ứng suất nhiệt Khi chịu tải trọng nén từ bên ngoài, mẫu nhanh chóng đạt đến giới hạn phá hủy bị nứt, vỡ Để cải thiện nhƣợc điểm này, phƣơng pháp ủ mẫu nhằm giảm ứng suất nhiệt đƣợc đề xuất để thực Mô đun đàn h i mẫu nhận đƣợc có khác mẫu (tuy không đáng kể) Tùy thuộc độ xốp, mô đun đàn h i hầu hết mẫu giao động khoảng E = 6,5GPa  11,5GPa (pha NiTi trạng thái Austenit) Các điểm gấp khúc đ thị ứng suất – biến dạng đƣợc kỳ vọng điểm chuyển biến pha NiTi từ trạng thái Austenit B2  sang trạng thái Mactenxit B19’ Do vậy, ứng suất gây chuyển biến pha (MS) ứng suất điểm gấp khúc đ thị Chúng không ổn định với mẫu thử, dao động khoảng MS = 120  125 MPa Giới hạn bền nén khoảng b = 130  250MPa 4.2.4.2 Cơ tính sản phẩm vật liệu xốp NiTi sau trình xử lý nhiệt Mục tiêu trình xử lý nhiệt sau tổng hợp vật liệu xốp NiTi nhằm làm giảm ứng suất dƣ t n mẫu, xếp lại tổ chức vật liệu từ tăng khả biến dạng nhƣ khả chựu tải vật liệu Trên sở công bố trƣớc xử lý nhiệt vật liệu xốp NiTi sau chế tạo tác giả lựa chọn nhiệt độ xử lý ủ khoảng nhiệt độ 400°C đến 550°C, thời gian xử lý từ 4h đến 5h, mẫu đƣợc làm nguội lị đến nhiệt độ mơi trƣờng Để đảm bảo khơng có chuyển biến từ pha NiTi mong muốn thành pha không mong muốn nhƣ NiTi2 hay Ni4Ti3 để cấu trúc B19’- Mactenxit chuyển biến cấu trúc B2 – Austenit Kết thử tính (thể đƣờng cong ứng suất- biến dạng hình 4.15) cho thấy sau xử lý nhiệt, tính chất học vật liệu xốp NiTi có thay đổi rõ rệt Khả biến dạng đàn h i đƣợc cải thiện, tăng lên khoảng 3,5% 69 Sự chuyển biến cấu trúc Austenit  Mactenxit trở nên rõ ràng hơn, dẫn tới khả biến dạng đàn hôi tăng lên Mức độ biến dạng siêu đàn h i đạt đƣợc khoảng 2% Điều có đƣợc sau xử lý nhiệt, cấu trúc B19’ - Mactenxit có chuyển biến cấu trúc B2- Austenit, làm tăng khả biến dạng vật liêu, Hơn nữa, ứng suất dƣ vật liệu sau tổng hợp đƣợc khử bỏ, vật liệu biến dạng dễ dàng mà không bị phá hủy Hình 4.15 Đường cong ứng suất – biến dạng mẫu NiTi xốp tổng hợp phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền (Tp = 400C) sau xử lý nhiệt Tn = 500C 4h 70 Hình 4.16 Đường cong ứng suất – biến dạng nén phá hủy mẫu NiTi xốp tổng hợp phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền (Tp = 500C) sau trình xử lý nhiệt Tn = 550C 4h nén phá hủy mẫu Đƣờng cong biến dạng chất tải dỡ tải không trùng nhau, sai khác tùy thuộc vào mức độ biến dạng thử nén với tốc độ dụng cụ biến dạng Điều chất tải vật liệu bị tác dụng ứng suất nén Sau dỡ tải, thân vật liệu t n ứng suất dƣ, có trễ định vật liệu trở hình dạng ban đầu Mô đun đàn h i E vật liệu (pha NiTi kiểu mạng B2 Austenit) sau sử lý nhiệt có thay đổi so với trƣớc biến dạng, nhiên nhỏ (trong khoảng 6,5GPa  8,5GPa) Giới hạn bền vật liệu xốp NiTi sau sử lý nhiệt ứng suất chuyển biến đạt đƣợc khoảng MS = 150MPa, Giới hạn bền nén khoảng b = 150  250MPa tƣơng ứng với mức độ biến dạng khoảng max= 4,0% Ứng dụng chế tạo thử miếng đệm đốt sống nhân tạo 71 Hình 4.17 Kích thước miếng đệm đốt sống nhân tạo Trên sở kích thƣơc miếng đệm đốt sống nhân tạo, mẫu vật liệu xốp NiTi sau phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền đƣợc đem cắt dây theo kích thƣớc (hình 1.18) Sau miếng đệm đốt sống tiếp tục đƣợc gia cơng hiệu chỉnh Hình 1.18 Hình dạng miếng đệm đốt sống nhân tạo sau cắt tạo hình máy căt dây 72 4.3 So sánh kết kết đạt đƣợc với cơng trình cơng bố vật liệu xốp NiTi 4.3.1 Kết so sánh độ xốp, kích thước lỗ xốp Các kết chế tạo vật liệu xốp NiTi phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền đƣợc công bố kết đƣợc thực luận văn thể hiên bảng 4.3 Căn vào vào so sánh ta nhận thấy, sản phẩm vật liệu xốp NiTi luận văn chế tạo có độ xốp tƣơng tự độ xốp sản phẩm nhận đƣợc từ công bố giới trƣớc Bên cạnh kết so sánh cho thấy, điều kiện phản ứng (nhiệt độ nung sơ Tp) sản phẩm vật liệu xốp NiTi đề tài chế tạo so với cơng trình cơng bố có tỷ lệ lỗ xốp hở nhƣ kích thƣớc lỗ xốp tƣơng tự Bảng 4.3 Độ xốp sản phẩm vật liệu xốp NiTi chế tạo phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền Độ xốp Kích thƣớc lỗ Tỷ lệ lỗ xốp Tài liệu Điều kiện phản NiTi, (%) xốp, (m) hở, (%) công bố ứng SHS 44  58 100  700 >60 Đề tài Tp= 250  400oC 6510 100  600 - [10] - 53,27 200  300 51,7 [33] - 57,3 200  500 86 [34] TP = 350oC 30  70 60  100 - [35] Tp= 230  530oC 17  55 100  300 - [24] Tp= 100  300oC TT Ghi So sánh cấu trúc lỗ xốp vật liệu NiTi luận văn công bố chế tạo phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền thể hình 4.19 cho thấy tƣơng đ ng rõ rệt 73 Hình 4.19 So sánh tính chất xốp kết đạt với kết công bố a Ảnh SEM mặt gẫy mẫu vật liệu xốp NiTi tổng hợp phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền (40 - 60%, 100-700μm) nhóm nghiên cứu thực b Ảnh SEM mẫu vật liệu xốp NiTi sản xuất phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền (65 ± 10% xôp), 100–360μm theo công bố[10] 74 4.3.2 Kết so sánh tính chất học Hình 4.20 So sánh tính chất học kết đạt với kết công bố a Đường cong ứng suất – biến dạng mẫu NiTi xốp 47% (xử lý nhiệt Tn = 500oC, tn = 4h) thực phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền b Đường cong ứng suất - biến dạng NiTi (độ xốp 40-50%) tổng hợp phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền theo cơng bố [35] Hình 4.20 thể so sánh tính chất học kết đạt đƣợc với kết theo công bố [35] Mẫu vật liệu xốp NiTi đạt đƣợc kết định, nhƣ giới hạn đàn h i khoảng 130MPa, mức độ biến dạng đàn h i khoảng 3,5% gần nhƣ tƣơng đƣơng với kết đƣợc công bố 4.4 Kết luận chƣơng IV - Kiểm tra độ tinh khiết, kích thƣớc hạt bột Ti Ni ảnh SEM XRD Kết phân tích pha sau phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền Kết phân tích XRD cho thấy pha NiTi thu đƣợc nhƣ mong muốn với chế độ nhiệt nung sơ khác Pha NiTi vật liệu xốp NiTi bao g m hai cấu trúc B2 – Austenit B19’ – Mactenxit Vật liệu xốp NiTi thể tính chất siêu đàn h i chuyển biến cấu trúc B2 ↔ B19’ xảy trình biến dạng Quá trình làm 75 lạnh nhanh vật liệu sau phản ứng xảy nhằm giữ nguyên đƣợc cấu trúc B2Austenit, cấu trúc chuyển biến B2 ↔ B19’ vật liệu siêu đàn h i NiTi Cấu trúc B19’ – Mactenxit xuất trình làm lạnh nhanh - Về độ xốp mẫu dao động nằm khoảng từ 40% - 60% Đây độ xốp phù hợp cho ứng dụng y sinh học vật liệu xốp NiTi Kích thƣớc lỗ xốp nằm khoảng 100µm  700 µm Các lỗ xốp liên thông với tạo thành mạng lƣới lỗ xốp liên kết Cơ tình đƣợc cải thiện đáng kể đƣợc sử lý nhiệt ủ khoảng nhiệt độ 400°C đến 550°C khoảng thời gian từ 4h đến 5h để đảm bảo chuyển biến từ pha NiTi mong muốn thành pha không mong muốn nhƣ NiTi2 hay Ni4Ti3 cấu trúc B19’- Mactenxit chuyển biến cấu trúc B2 – Austenit Khả biến dạng đàn h i đƣợc tăng lên 3,5% (trƣớc ủ 2,5%).Sự chuyển biến cấu trúc Austenit  Mactenxit trở nên rõ ràng hơn, dẫn tới khả biến dạng đàn hôi tăng lên Mức độ biến dạng siêu đàn h i đạt đƣợc khoảng 2%(trƣớc ủ 1%) 76 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ * Kết luận Luận văn chế tạo thành công vật liệu xốp NiTi phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền - Với phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền, vật liệu xốp NiTi đƣợc tổng hợp thành cơng điều kiện phịng thí nghiệm với nhiệt độ nung sơ khác dao động từ 250  600oC Sự ảnh hƣởng nhiệt độ sây sơ thời gian hoạt hóa học đƣợc đề cập Do nhận thấy tăng thời gian hoạt hóa học dẫn đến giảm nhiệt độ nung sơ Và giảm nhiệt độ nung sơ nâng cao độ xốp sản phẩm Độ xốp phụ thuộc vào tải lực ép thời gian hoạt hóa học Độ xốp tăng giảm tải trọng ép tăng thời gian hoạt hóa học Những lý kết luận đƣợc đề cập Độ xốp khoảng 40  60% kích thƣớc lỗ xốp dao động từ 100  700μm - Trƣớc xử lý nhiệt, vật liệu xốp NiTi đạt mức độ biến dạng khoảng 2,5% sản phẩm tƣơng đối giịn, khó biến dạng Hầu nhƣ tất mẫu thử bị nứt bị vỡ trình biến dạng nén Vùng biến dạng đàn h i có chuyển biến cấu trúc B2-Austenit  B19’- Mactenxit đạt khoảng 1% Ứng suất chuyển biến pha khoảng MS = 125MPa, giới hạn bền nén khoảng b = 140MPa mô đun đàn h i khoảng E = 6,5GPa 11,5 GPa - Sau xử lý nhiệt, sản phẩm vật liệu xốp NiTi có chuyển biến tính đáng kể Khả biến dạng tăng lên rõ rệt so với trƣớc xử lý nhiệt (mức độ biến dạng đàn h i đạt đƣợc khoảng 3.5%) Mức độ biến dạng siêu đàn h i đƣợc cải thiện đáng kể (tăng lên khoảng 2%) Ứng suất chuyển biến pha khoảng MS = 130MPa giới hạn bền nén khoảng b = 150MPa Mô đun đàn h i đạt đƣợc khoảng 6,5GPa – 8,5GPa tùy thuộc vào độ xốp nhiệt độ xử lý Ngoài ra, mẫu phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền cịn có nhiều lỗ xốp hở liên thông với Các kết thỏa mãn với tính chất vật liệu ứng dụng y sinh 77 * Kiến nghị Đề tài đề tài nƣớc ta chế tạo vật liệu sinh học tổng hợp vật liệu xốp NiTi phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền Do hạn chế thời gian điều kiện làm việc, nên chƣa thể nghiên cứu sâu Do tơi đề xuất sơ hƣớng nghiên cứu nhƣ sau: Thí nghiệm trên thể sống để kiểm tra tƣơng thích y sinh vật liệu xốp NiTi Kiểm tra tính chất học vật liệu xốp NiTi với điều kiện nhiệt luyện khác nhau( với khoảng nhiệt độ 600C đến 800C khoảng thời gian khác từ 6h – 9h) nhằm xác định rõ ảnh hƣởng nhiệt luyện tới tính chất học vật liệu xốp NiTi 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nimesis Intelligent Materials; THE SHAPE MEMORY ALLOYS (2004 – 2006); www.nimesis.com (ngày 20/8/2012) [2] Ahmed Sabry; Smart materials; Smartstructures.wikispace.com (ngày 20/8/2012); [3] Reginald DesRoches; Application of Shape Memory Alloys Using OpenSEES; OpenSEES Developer Symposium, Richmond, CA (2005) [4] Dimitris C Lagoudas (editor); Shape Memory Alloys: Modeling and Engineering Applications; Springer (2008) [5] A C KNEISSL, E UNTERWEGER, M BRUNCKO, G LOJEN, K MEHRABI, H SCHERNGELL; Microstructure and properties of CuAlNi shape memory alloys; Association of Metallurgical Engineers o Serbia (MjoM), trang 89 100 [6] GEORGE B KAUFFMAN, ISAAC MAYO; The Story of Nitinol: The Serendipitous Discovery of the Memory Metal and Applications; THE CHEMICAL EDUCATOR, Vol 2, No.2, 1997 trang 1-21 [7] The ACTIPORETM PLF Lumbar Fusion System; Surgical Technique Manual; Posterior Approach; BIORTHEX Inc (ActiporeTM Technology), CANADA [8] L.G Machado and M.A Savi; Medical applications of shape memory alloys (Review); Brazilian Journal of Medical and Biological Research, Vol 36 (2003), trang 683 – 691 [9] T W Duerig, A R Ppelton, D Stockel; The Use of Suoerelasticity in Meducine; Nitinol Devices  Components, Inc., Fremont, CA, USA [10] A Bansiddhi, T.D Sargeant, S.I Stupp, D.C Dunand; Porous NiTi for bone implants: A review (Riview); Acta Biomaterialia (2008), trang 773 – 782 [11] Y Sutou, T Omori, K Yamauchi, N Ono, R Kainuma, K Ishida; Effect of grain size and texture on pseudoelasticity in Cu–Al–Mn-based shape memory wire; Acta Materialia 53 (2005), trang 4121 – 4133 79 [12] U Sari, T Kirindi; Effects of deformation on microstructure and mechanical properties of a Cu–Al–Ni shape memory alloy; MATERIALS CHARACTERIZATION 59 (2008); trang 920 – 929 [13] Reginald DesRoches; Application of Shape Memory Alloys Using OpenSEES; OpenSEES Developer Symposium, Richmond, CA (2005) [14] J C Hey and A P Jardine; Shape memory TiNi synthesis from elemental powders; Materials Science and Engineering, A188 (1994), trang 291 – 300 [15] Zuhair A MUNIR and Umberto A TAMBURINI; Self-propagating exothermic reactions: The synthesis of high-temperature materials by combustion; Amsterdam, North-Holland, 1998 [16] A G Mezhanov; Combustion processes that sunthesize materials; J Materials Processing Technology 56, 1996, trang 222-241 [17] Kashinath C Patil, S T Aruna, Tanu Mimani; Combustion synthesis: an update; Current Opinion in Solid State and Materials Science 6, 2002, trang 507512 [18] P Mossino, Some aspects in self-propagating high-temperature synthesis, Ceramics International 30 (2004) trang 311–332 [19] A A Zenin, A G Merzhanov and G A Nersisyan; Thermal wave structure in SHS process (by the example of boride synthesis); Dokl Akad Nauk SSSR, 250, No 4, (1980) trang 880 [20] R Tomasi, Z A Munir; Effect of particle size on the reaction wave propagation in the combustion synthesis of Al2O3–ZrO2–Nb composites; J The American Ceramic Society 82 (8),(1999) trang 1985–1992 [21] C Suryanarayana; Mechanical alloying; Progress in Materials Science, 46, 2001, trang 1-184 [22] John J Moore and H J Feng, Combustion synthesis of advanced materials: Part I reaction parameters, Progress in Materials Science Vol 39, pp 1995, trang 243-275 80 [23] Z A Munir, U Anselmi Tamburini; Self-propagating synthesis raction: The synthesis of high-temperature materials by combustion; Materials Science Reports 3, (1989) trang 277–365 [24] C L Yeh, W Y Sung; Synthesis of NiTi intermetallics by selfpropagating combustion; J Alloys and Compounds 376, 2004, trang 79-88 [25] A K Chaubey, B K Mishra, N K Mukhopadhyay, P S Mukherjee; Effect of compact density and preheating temperature of the Al–Ti–C preform on the fabrication of in situ Mg–TiC composites; J Mater Sci 45, (2001) trang 1507– 1513 [26] M Adeli, S H Seyedein, M R Aboutalebi, M Kobashi, N Kanetake; A study on the combus-tion synthesis of titanium aluminide in the self-propagating mode; Journal of Alloys and Compounds 497, (2010) trang 100–104 [27] A G Merzhanov, V M Shkiro and I P Borovinskaya; U.S Pat No 37226643 (1973) [28] P A Rhein; J Spacecraft and Rockets 6, (1969), 1328 [29] A.D Bratchikov, A.G Merzhanov, V.I Itin, V.N Khachin, E.F Dudarev, V.E Gyunter, V.M Maslov, and D.B Chernov; Self-propagating High-temperature Synthesis of Titanium Nickelide; Plenum Publishing Corporation,1980 trang 5-8 [30] B Y Li, L J Rong, Y.Y Li, V.E Gjunter; Synthesis of porous Ni–Ti shape-memory alloys by self-propagating high-temperature synthesis: reaction mechanism and anisotropy in pore structure; Acta Materialia 48, (2000) trang 3895–3904 [31] Lixiang Zhang , Zhiguo Wang, Thermal investigation of fabricating porous NiTi SMA by SHS, Experimental Thermal and Fluid Science 32 (2008) trang 1255–1263 [32] http://www.designinsite.dk/htmsider/m1310.htm [33] B Yuan, X.P Zhang, C.Y Chung, M.Q Zeng, M Zhu; A Comparative Study of the Porous TiNi Shape-Memory Alloys Fabricated by Three Different 81 Processes; Metallurgical and Materials Transactions A, Vol 37A (2006), trang 755 – 761 [34] C.L Chu, C.Y Chung, P.H Lin, S.D Wang, Fabrication of porous NiTi shape memory alloy for hard tissue implants by combustion synthesis, Materials Science and Engineering A366 (2004) trang 114–119 [35] V.I Itin et al; Mechanical Properties and Shape Memory of porous Nitinol; Materials Characterization 32, 1994, trang 179–187 82 ... chọn nghiên cứu phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền để chế tạo vật liệu xốp NiTi Hình 1.20 Phương pháp tổng hợp vật liệu xốp NiTi phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền 28 1.5 Kết luận... cong nhiệt độ – thời gian phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền [15] Cơ sở phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền dựa khả tỏa nhiệt cao phản ứng để tự trì có hiệu cao Phản ứng tỏa nhiệt. .. hỗn hợp chất phản ứng Tuy nhiên, hệ vật liệu xốp NiTi chế tạo phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền khơng nhƣ Các thí nghiệm chứng minh, phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền chế tạo NiTi