CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.4. Phương pháp nghiên cứu đánh giá tính chất của lớp phủ
2.4.1. Phương pháp đánh giá các tính chất vật lý và cơ học
Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) và nhiệt trọng lượng (TGA) được sử dụng để nghiên cứu khoảng nhiệt độ phân huỷ các tiền chất, sự chuyển pha và hình thành hợp chất mới... Các phương pháp này cho biết quá trình phân huỷ là toả nhiệt hay thu nhiệt, nhiệt độ phân huỷ của các chất và sự biến đổi trọng lượng mẫu khi nhiệt độ nung thay đổi [61, 93, 94]. Trong nghiên cứu này, hỗn hợp sol được nung từ nhiệt độ phòng đến 1000 oC trong môi trường không khí với tốc độ tăng nhiệt là 10oC/phút trên thiết bị Labsys EVO (Setaram Instrumentation – Pháp) của Viện Khoa học vật liệu.
2.4.1.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X
Phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc pha của lớp phủ.
Những đặc trưng quan trọng nhất của các giản đồ nhiễu xạ tia X là vị trí của các vạch nhiễu xạ, cường độ vạch nhiễu xạ và đường cong phân bố của các vạch nhiễu xạ đó. Bằng việc phân tích các giản đồ nhiễu xạ ta có thể thu được các thông tin về định tính, định lượng pha tinh thể, xác định được hệ cấu trúc và các hằng số mạng tinh thể... Trong nghiên cứu vật liệu implant, phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng để đánh giá cấu trúc và thành phần pha của lớp phủ. Trên cơ sở các pic đặc trưng của ngân hàng phổ tiêu chuẩn có thể xác định được cấu trúc, thành phần pha, dạng kết tinh của pha…[62, 65, 83, 85, 90, 94, 95].
44 Giản đồ XRD của mẫu HA được ghi trên máy D8–Advance 5005–tại Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN. Điều kiện ghi: ống phát tia Rơnghen làm bằng Cu với bước sóng kα = 1,5406 Å, nhiệt độ 25 oC, góc quét 2θ tương ứng với mỗi chất, tốc độ quét 0,02 0/s.
Hình 2.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hydroxyapatite (theo tiêu chuẩn của JCPDS: 9-432) 2.4.1.3. Phương pháp đo độ nhám bề mặt (Kính hiển vi 3D)
Phương pháp này được dùng để đánh giá tính chất bề mặt của vật liệu chẳng hạn như độ nhám, sự phá hủy bề mặt …dựa trên sự thay đổi màu sắc của ảnh chụp.
Nguyên tắc đo: Các dải ánh sáng từ thấu kính máy phát nằm rải rác trên bề mặt vật thể đang được đo. Ánh sáng phản xạ được quan sát (thấu kính thu) và độ chênh lệch độ nhấp nhô trên bề mặt vật thể làm cho các dải ánh sáng xuất hiện bị biến dạng. Hình ảnh của những biến dạng này được thực hiện bằng cách sử dụng một cảm biến CMOS, và các tính toán tự động được thực hiện để đo chiều cao nhấp nhô và vị trí tại mỗi điểm.
Hình ảnh thu được là ảnh 3D theo một dải màu từ đỏ, cam, vàng, lục, lam chàm, tím và màu sắc tuy thuộc vào độ nhấp nhô của mẫu. Hình thái bề mặt mẫu được đo trên máy Keyence VR-3000, Nhật Bản.
2.4.1.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét và phổ tán sắc năng lượng tia X a. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Phương pháp hiển vi điện tử quét đã được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu hình thái bề mặt mẫu, nhất là với nghiên cứu mẫu màng mỏng. Nguyên lý của
45 phương pháp: chiếu một chùm tia điện tử đi qua các thấu kính điện tử hội tụ thành một điểm rất nhỏ chiếu lên bề mặt mẫu nghiên cứu. Khi chùm điện tử đập vào mẫu, trên bề mặt mẫu phát ra các chùm điện tử thứ cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua gia tốc điện thế đi vào phần thu sẽ biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng, tín hiệu được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn ảnh. Độ sáng tối trên màn ảnh phụ thuộc vào lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu và phụ thuộc hình dạng bề mặt mẫu nghiên cứu. Ảnh SEM của các mẫu vật liệu phủ HA và FHA được chụp trên thiết bị S4800 của hãng Hitachi, Nhật Bản, Viện khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam với độ phóng đại từ 100 đến 200.000 lần.
Trong nghiên cứu lớp phủ HA trên nền titan sử dụng phương pháp SEM để nghiên cứu hình thái học, kích thước hạt và dạng kết tinh của lớp phủ HA, FHA [53, 80, 96- 98].
b. Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray)
Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử). Tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này.
Trong nghiên cứu lớp phủ HA nền titan, phương pháp này được sử dụng để xác định tỉ lệ thành phần của Ca và P và các thành phần nguyên tố khác trên thiết bị S4800 của hãng Hitachi, Nhật Bản, Viện khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam.
2.4.1.5. Phương pháp đo độ bền bám dính
Trong công nghệ chế tạo lớp phủ, độ bền bám dính là một trong những đặc trưng tính chất quan trọng của lớp phủ bởi nó ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc và quyết định tuổi thọ làm việc của lớp phủ. Do đó việc đánh giá độ bền bám dính có ý nghĩa quan trọng [87, 99, 100]. Ngày nay, có nhiều phương pháp đánh giá độ bền bám dính của phủ như: phương pháp kéo, phương pháp sử dụng tia laser, phương pháp rạch, phương pháp vết lõm. Trong nghiên cứu độ bền bám dính của HA trên nền vật liệu
46 Ti, chúng tôi đã sử dụng hai phương pháp bao gồm: phương pháp kéo đứt và phương pháp rạch.
a. Phương pháp kéo đứt (pull-off)
Phương pháp kéo đứt được sử dụng để đánh giá các lớp phủ có độ bền bám dính không quá lớn, theo nguyên lý sử dụng lực kéo để phá vỡ liên kết giữa lớp phủ và nền kim loại sử dụng máy đo độ bền bám dính PosiTest® AT (V.5.2), Mỹ. Nguyên tắc hoạt động: sử dụng một kẹp cố định để tránh sự lệch hướng trong quá trình thử nghiệm. Dolly là bộ phận tiếp xúc với mẫu làm bằng nhôm với đường kính 20 mm được dán lên bề mặt lớp phủ bằng epoxy (Epoxy Adhesives Araldite® 2011-A/B) và áp tải trọng 2N tại nhiệt độ phòng trong 24 giờ. Trong thử nghiệm, dolly được kéo với tốc độ là 4,0 MPa/s cho đến khi lớp phủ bị phá hủy. Các kết quả lực bám dính sẽ được ghi nhận và lấy giá trị trung bình của ít nhất 3 lần thí nghiệm và được tiến hành tại Viện NIMS, Nhật Bản theo tiêu chuẩn ASTM F1044 – 99.
b. Phương pháp rạch (Scratch test)
Là phương pháp được sử dụng phổ biến để đánh giá độ bền bám dính của lớp phủ. Phương pháp này được đánh giá thông qua lực rạch của mũi nhọn bằng kim cương với kớch thước khoảng 100-200 àm. Lực trờn đầu mũi nhọn được tăng dần đều đến một giá trị nhất định. Sau đó vết rạch được quan sát trên kính hiển vi quang học để xác định vết bong tróc của lớp phủ.Trong nghiên cứu này, phương pháp rạch được sử dụng để đánh giá độ bền bám dính của lớp phủ anốt hóa nền titan. Thiết bị Scratch test ST30, Đức được sử dụng với các thông số như sau: giá trị của tải được tăng dần từ 0,1N đến 30N với tốc độ 0,1 mm/s, chiều dài di chuyển 10 mm với mũi nhọn bằng kim cương với kớch thước 100 àm và được tiến hành tại Viện NIMS, Nhật Bản.