N hh nh nghiên cứu chế tạo và ứng d ng vật iệu ii xốp trên thế giới

Một phần của tài liệu Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu đàn hồi hệ niti (Trang 29)

xếp thẳng hàng do đó vật iệu NiTi xốp ắt chước c u tr c của xương tốt hơn Đi u này có thể nhận được trong Ti xốp nhưng không phải trong vật iệu NiTi xốp trừ khi ch ng chảy liên t c dưới áp ực của hyđrô tạo nên ỗ xốp k o dài trong vật iệu NiTi xốp

Th gradient k ch thước h nh dạng t ệ và đ nh hướng của các ỗ xốp có thể được thiết kế trong các mô xương thay thế àm n i ật các t nh ch t cơ h c của ch ng độ xốp ên trong th p) và các đặc t nh sinh h c độ xốp mặt ớn)

C ố , có thể sung thêm một số nguyên tố vào n n vật iệu NiTi chẳng hạn u Zr hoặc V n đ này đ được nghiên cứu trong khối NiTi đặc để thay đ i nhiệt độ và ứng su t chuyển iến pha nhưng chưa được nghiên cứu đối với vật iệu NiTi xốp và ch ng có thể sẽ tạo ra nhi u cách tiếp cận hơn nữa để đi u ch nh các t nh ch t của vật iệu NiTi xốp

T N T V N

iện tại ở Việt am nhu c u thực v vật iệu y sinh đặc iệt hệ vật iệu siêu đàn h i iTi xốp) à r t lớn, song ch ng ta chưa chế tạo được hoàn toàn phải nhập kh u từ các nước phát triển h nh v vậy việc tiếp cận các hướng nghiên cứu mới nh m àm chủ công nghệ chế tạo vật liệu y sinh kể cả vật iệu siêu đàn h i hệ iTi xốp) à cực k quan tr ng

Việc nghiên cứu công nghệ chế tạo hệ vật iệu iTi đặc iệt à iTi xốp đ được nhen nhóm ở Việt am trong thời gian g n đ y Đến nay, mới ch có một công tr nh khoa h c đ công bố các kết quả nghiên cứu chính thức v công nghệ chế tạo vật liệu siêu đàn h i NiTi xốp đó à áo cáo kết quả Đ tài p ộ 1-01-11 [1]. ông tr nh này tập trung nghiên cứu các kết quả thực nghiệm chế tạo vật iệu siêu đàn h i iTi xốp ng phương pháp từ ột của i và Ti độ tinh khiết đạt 99 9 ): phản ứng nhiệt độ tao tự an truy n SHS) hợp kim hóa cơ h c (MA) và thiêu kết trong ch n không (VS). ác kết quả

cho th y phương pháp phản ứng S S kết hợp với hoạt hóa cơ h c hỗn hợp ột i-Ti à phương pháp tối ưu hơn cả để chế tạo vật iệu siêu đàn h i iTi xốp Sản ph m vật iệu nhận được có các t nh ch t ph hợp yêu c u chế tạo miếng đệm đốt sống nh n tạo hơn so với phương pháp hợp kim hóa cơ h c và phương pháp thiêu kết trong ch n không ặc d mới đạt được các kết quả ước đ u song các nghiên cứu v các thông số công nghệ trong phương pháp phản ứng S S chưa được àm r . Đ y c ng ch nh à một trong những do đ i h i phải triển khai nghiên cứu hoàn thiện việc chế tạo c ng như đánh giá một số t nh ch t cơ h c của hệ vật iệu này

1.3. Y NiTi

- hả ơ h h h ớ ơ đ h ố Đi u này à vô c ng c n thiết ếu cứng quá hoặc m m quá so với xương tại v tr gh p nối có thể g y nên t n thương không mong muốn cho con người như: hiệu ứng ứng su t màng che nếu miếng đệm thay thế quá cứng thậm ch có thể chà xát g y t n thương cho ch nh người được gh p nối; có thể iến dạng do va đập khi con người hoạt động nếu quá m m ơn nữa độ dai va đập và khả n ng đàn h i phải tốt độ nh n của miếng đệm nh n tạo phải đảm ảo tương th ch với miếng đệm nguyên ản ức độ iến dạng của vật iệu yêu c u > trong đó khả n ng ph c h i iến dạng > ô đun đàn h i vật iệu trong khoảng a tương ứng với ph n xốp ên trong và trên ớp v vật iệu xương iới hạn n của vật iệu đạt trên 120MPa, giới hạn chảy đạt trên a hiệt độ chuyển pha actenxit – ustenit của vật iệu tương tự nhiệt độ trong cơ thể người khoảng 37C).

- ộ ố đ ê hả đ ớ h k h h ớ ố hả ớ h họ độ ố h ê đạ ê 5 đ đả ả hấ h ơ h ơ ạ h h đ ơn nữa các công ố đ cho th y độ xốp và k ch thước ỗ xốp ảnh hưởng trực tiếp đến đến các t nh ch t cơ h c của vật iệu [50,74].

- T ơ h h ặ s h họ ớ ơ h : không g y các phản ứng d ứng với cơ thể con người c ng như không àm t n hại sức kh e con người…

1.4. C NiTi

Với các yêu c u đối với vật iệu y sinh như đ tr nh ày trên việc ựa ch n phương pháp chế tạo vật iệu siêu đàn h i NiTi xốp ph hợp à r t c n thiết. Sau đ y sẽ tr nh ày ph n t ch một số phương pháp cơ ản chế tạo vật iệu iTi xốp

1.4.1 C N T

hương pháp thiêu kết thông thường [15,36,59,62,64] và thiêu kết trong chân không [ ] thường được s d ng để chế tạo các vật iệu iTi xốp với độ xốp lớn (trên 85%) dựa trên cơ sở khuếch tán ở trạng thái rắn của các nguyên tố nhờ n ng ượng cao nhận được từ quá trình thiêu kết uá tr nh thiêu kết trong ch n không cho ph p tránh hoàn toàn hiện tượng ô xy hóa vật liệu, ảnh hưởng đến ch t ượng chung của sản ph m c ng như quá tr nh hình thành pha NiTi mong muốn.

Tuy nhiên phương pháp thiêu kết thông thường và thiêu kết trong chân không yêu c u thời gian thiêu kết r t dài (có thể đến 12h, tùy thuộc vào k ch thước hạt ột vật liệu Ni, Ti an đ u) và nhiệt độ thiêu kết r t cao (khoảng > 1000 C) nh m tạo ra được pha NiTi cân b ng Để khống chế và đi u ch nh độ xốp t ệ độ xốp hở, kích thước lỗ xốp của vật liệu NiTi xốp chế tạo b ng các phương pháp này vật liệu ột an đ u thường được trộn với ch t tạo xốp d ay hơi [ 8]

Sơ đ quá tr nh chế tạo vật iệu siêu đàn h i iTi xốp ng các phương pháp này được thể hiện trên hình 1.5.

Hình 1.4. Sơ đồ h h ạ N T ốp bằ h ơ h h ê k h h thiêu k t chân không.

1.4.2. C N T ó

Phương pháp hợp kim hóa cơ h c ) được s d ng khá ph biến trong nh vực luyện kim bột khi nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu gốm (chẳng hạn: TiC, TiB2 …) các liên kim (chẳng hạn: hệ vật liệu Al-Cu-Cr, Ag-Al, Ni-Ti…) … Trong quá tr nh hợp kim hóa cơ h c, nhờ n ng ượng va chạm mà phản ứng khuếch tán ở trạng thái rắn (SSR) xảy ra, nguyên t của nguyên tố này sẽ khuếch tán vào mạng tinh thể của nguyên tố kia hình

t t i ố ệ ết t ô t không r b

thành nên pha mới [25,61,72]. Để nhận được vật liệu ở dạng khối thường phải kết hợp quá trình hợp kim hóa cơ h c với quá tr nh thiêu kết. Mỗi hệ vật liệu khác nhau k ch thước vật liệu an đ u khác nhau, chế độ hợp kim hóa cơ h c khác nhau sẽ làm cho tốc độ khuếch tán khác nhau và do đó yêu c u v thời gian hợp kim hóa c ng khác nhau V vậy việc khảo sát quá trình hợp kim hóa c n thời gian tương đối dài với nhi u kết quả thí nghiệm.

Để chế tạo vật iệu siêu đàn h i hệ i-Ti ng phương pháp hợp kim hóa cơ h c hỗn hợp bột Ni và Ti sau khi hợp kim hóa cơ h c trong một thời gian xác đ nh thường được thiêu kết để nhận được pha mong muốn ác nghiên cứu trước đ y cho th y khi k o dài thời gian hợp kim hóa thường nhận được t chức vô đ nh hình Ni-Ti (với các pha liên kim NiTi2, Ni4Ti3, Ni3Ti … ixTix–1) [1] Sau đó hỗn hợp vô đ nh hình này c n phải được kết tinh ở nhiệt độ nh t đ nh để nhận được các pha tinh thể Đ y c ng ch nh à quá tr nh thiêu kết nếu muốn nhận được vật iệu iTi ở dạng khối xốp. Nhiệt độ kết tinh của vô đ nh hình NixTix–1 không c n quá cao và thời gian không c n dài (nhiệt độ khoảng 973K và thời gian thiêu kết khoảng 5h) [1,61,72].

Sơ đ quá tr nh chế tạo vật liệu NiTi xốp b ng phương pháp hợp kim hóa cơ h c được thể hiện trên h nh .

Hình 1.5. Sơ đồ h ch ạ t li u NiTi xốp bằ h ơ h h k h ơ học.

1.4.3. C N T ộ y

Phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truy n S S) được áp d ng ph iến để sản xu t một số loại vật liệu tiên tiến, chẳng hạn như các gốm, gốm – compozit và một số hợp kim… với hiệu quả kinh tế cao Đến nay đ có hàng ch c công trình công bố nghiên cứu v công nghệ SHS t ng hợp các hệ vật liệu này [3,15,18,23,36,54,56,60, 9 8] Sản ph m vật iệu nhận được sau phản ứng S S thường ở thể rắn do đó thường có độ xốp

t t i ố ệ ết ơ b

cao t ệ ỗ xốp hở ớn uy tr nh công nghệ chế tạo vật iệu ng phương pháp này không đ i h i các thiết th nghiệm đắt ti n và có thể thực hiện trong một thời gian ngắn do vậy chi ph chế tạo vật iệu giảm đáng kể Đ y c ng ch nh à một trong các công nghệ chủ yếu chế tạo vật iệu iTi xốp hiện nay

Sơ đ quá tr nh chế tạo vật iệu iTi xốp ng phương pháp S S được thể hiện như trên hình 1.6.

Hình 1.6. Sơ đồ h h ạ NiTi xốp bằ h ơ h hản ng nhi độ cao tự lan truy n.

1.4.4. C N T plasma

Phương pháp thiêu kết xung p asma S S) c ng à một trong những giải pháp thường được s d ng để chế tạo vật iệu iTi xốp [16,48,74] hược điểm cơ ản của phương pháp này ch nh à đ i h i v thiết khá phức tạp đắt ti n mà trong đi u kiện thực tế Việt am hiện nay r t khó để đáp ứng được nh t à trong sản xu t dưới dạng quy mô công nghiệp.

Sơ đ quá tr nh chế tạo vật iệu siêu đàn h i iTi xốp ng phương pháp này được thể hiện trên h nh .

1.4. C N T ó

hi s d ng phương pháp p nóng đẳng t nh - và ) [ ] vật iệu nhận được có các ưu điểm n i ật so các phương pháp khác ở một số kh a cạnh: các ỗ xốp chủ yếu ở dạng h nh c u do áp ực tác d ng từ các ph a như nhau trong suốt quá tr nh thiêu kết và sự ph n ố ỗ xốp k ch thước ỗ xốp tương đối đ ng đ u

t ố ệ t i r b ơ b t

nh . Sơ đồ h h ạ N T ố ằn h ơ h h ê k plasma [16].

Để khống chế độ xốp và k ch thước của ỗ xốp phương p nóng đẳng t nh thường được kết hợp việc s d ng ch t tạo xốp d ay hơi phối trộn vào hỗn hợp ột an đ u của các ch t phản ứng với t ệ và k ch thước nh t đ nh hi thực hiện quá tr nh thiêu kết, các ch t tạo xốp sẽ ốc hơi để ại khoảng không gian ên trong vật iệu tạo thành các ỗ xốp V vậy sản ph m vật iệu sau khi thiêu kết thường có độ xốp ớn t ệ ỗ xốp hở cao và k ch thước ỗ xốp có thể được đi u khiển ph hợp với yêu c u đặt ra.

Sơ đ chung quá tr nh chế tạo vật iệu iTi xốp ng phương pháp p nóng đẳng t nh được thể hiện như trên h nh 8 [61] Đ u tiên hỗn hợp ột i và Ti được trộn với nhau có thể hoạt hóa cơ h c hoặc không hoạt hóa trước hỗn hợp ột) sau đó ch ng được n n vào khuôn và khuôn được n ng nhiệt đến nhiệt độ thiêu kết giai đoạn - ) uối giai đoạn hỗn hợp ột thiêu kết p đ ng đ u với một áp ực ngày càng t ng cho đến khi đạt được t chức hoàn toàn pha iTi c n ng mong muốn o áp ực p đ ng đ u ở t t cả các ph a ên m u vật iệu nên vật iệu nhận được thường có ỗ xốp dạng c u giai đoạn ).

hược điểm cơ ản của phương pháp p nóng đẳng t nh à khó thực hiện trong đi u kiện thực nghiệm và chế tạo ở Việt am do sự hạn chế của các thiết công nghệ ên cạnh đó k ch thước ỗ xốp của sản ph m vật iệu được chế tạo ng phương pháp này thường không ớn do uôn t n tại áp ực p trong quá tr nh thiêu kết ở trạng thái nóng V vậy để nhận được sản ph m vật iệu iTi có độ xốp cao ng phương pháp p nóng đẳng t nh thường r t khó kh n

nh . Sơ đồ h h ạ NiTi ố ằ h ơ h đ h.

1.4.6. L NiTi V N

Hình 1.9. ấ sơ đồ công ngh h ạ NiTi xốp bằ h ơ h k h SHS – MA đ k h h N .

Qua các kết quả t ng hợp, ph n t ch và đánh giá trên cho th y s d ng phương pháp phản ứng S S chế tạo vật iệu iTi xốp sẽ cho nhi u thuận ợi hơn cả đặc iệt à các vật iệu xốp với m c tiêu ứng d ng trong nh vực y sinh Tuy nhiên các nghiên cứu trước đ y đ cho th y hệ phản ứng giữa i và Ti t a nhiệt yếu V vậy c n phải m i a k ch hoạt phản ứng S S ở nhiệt độ nung sơ ộ tương đối cao Với đi u kiện thực nghiệm trong nước để ựa ch n được các thiết ph hợp cho phương pháp này th việc giảm nhiệt độ nung sơ ộ à yêu c u c n thiết o đó trong sơ đ này thay v ch trộn đ ng đ u hóa thành ph n như các công ố trước đ y hỗn hợp bột i – Ti nguyên ch t sẽ được hoạt hóa

t i t ố ệ b r t ơ ơ b t tr tr ật ệ

cơ h c trước khi tiến hành quá tr nh p đóng ánh h nh 9) ua nghiên cứu c ng cho th y với một số vật iệu được hoạt hóa cơ h c trước khi chế tạo nhiệt độ c n thiết để phản ứng xảy ra giảm đáng kể khi t ng thời gian hoạt hóa cơ h c [ ] ên cạnh đó c n cứ vào giản đ trạng thái hệ i – Ti h nh ) để giữ n đ nh thành ph n pha sau khi phản ứng S S xảy ra sản ph m vật iệu iTi sẽ được àm nguội nhanh trong nước

1.5. K

1. iện nay trên thế giới t n tại ba hệ vật liệu siêu đàn h i chủ yếu g m: vật liệu siêu đàn h i n n đ ng, vật liệu siêu đàn h i n n sắt, vật liệu siêu đàn h i NiTi và n n NiTi. iTi à hệ vật liệu siêu đàn h i được s d ng ph biến nh t hiện nay chủ yếu trong nh vực vật iệu y sinh với dạng: iTi xốp và iTi đặc Cho đến nay ở Việt Nam có r t t công tr nh công bố các kết quả nghiên cứu ch nh thức v vật liệu siêu đàn h i NiTi xốp trong khi đó nhu c u vật iệu này r t ớn. Vì vậy, việc chủ động nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu đàn NiTi xốp c ng như đánh giá các t nh ch t cơ h c của ch ng với m c tiêu ứng d ng trong nh vực y sinh là r t c n thiết.

Để ứng d ng àm vật iệu y sinh chế tạo các miếng đệm đốt sống nh n tạo ngoài yêu c u tương th ch sinh h c với cơ thể người vật iệu siêu đàn h i NiTi xốp c n đảm ảo các yêu c u: mức độ iến dạng > trong đó khả n ng ph c h i iến dạng > 2%; mô đun đàn h i trong khoảng a tương ứng với ph n xốp ên trong và trên ớp v vật iệu xương; giới hạn n của vật iệu đạt > a. hiệt độ chuyển iến pha actenxit – ustenit của vật iệu tương tự nhiệt độ cơ thể người khoảng C). Độ xốp của vật iệu NiTi yêu c u phải đủ ớn thường > ) k ch thước ỗ xốp c ng c n phải ớn thường ch n > m) và t ệ ỗ xốp hở yêu c u đạt trên để đảm ảo ch t d ch cơ thể cơ và mạch máu … có thể truy n qua được

3. h n t ch v các phương pháp chế tạo vật iệu siêu đàn h i NiTi xốp cho th y phương pháp phản ứng SHS kết hợp với hoạt hóa cơ h c có nhi u ưu điểm n i ật hơn

Một phần của tài liệu Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu đàn hồi hệ niti (Trang 29)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(151 trang)