Công trình này trình bày các nghiên cứu về phương pháp SHS để tổng hợp vật liệu xốp Nitinol, trong điều kiện phòng thí nghiệm ở Việt Nam nhằm xác định các điều kiện công nghệ để phản ứng xảy ra đồng thời nghiên cứu thành phần pha và tổ chức tế vi của mẫu sau khi tiến hành phản ứng…
Fabrication of porous Nitinol by Self-propagating High-temperature Synthesis (SHS)
Hồ Ký Thanh a, b , Phan Anh Thư a, Hoàng Long a , Trần Văn Dũng a , Nguyễn Đặng Thủy *a
(a) Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; (b) Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
(*): Email: thuy-cankl@mail.hut.edu.vn
Tóm tắt
Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về công nghệ tổng hợp vật liệu Nitiol (hợp kim NiTi) xốp bằng phương pháp SHS với mục đích ứng dụng làm vật liệu y sinh. Kết quả cho thấy, với nhiệt độ đánh lửa 1400°C, để phản ứng SHS xảy ra, nhiệt độ nung sơ bộ tối thiểu cần phải đạt là 0°C. Sự hoạt hóa cơ học các bột nguyên liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình phản ứng. Sau khi phản ứng thu được pha mong muốn là NiTi. Mẫu có độ xốp cao, tỉ lệ độ xốp hở lớn, đây là yêu cầu để chế tạo các mô cứng cấy ghép cho cơ thể người. Kết quả chụp SEM cũng cho thấy không còn ranh giới giữa các hạt bột rời rạc, Ni và Ti đã khuếch tán hoàn toàn vào nhau. Đây là kết quả tự thiêu kết mà khó có phương pháp thiêu kết nào khác có thể đạt được.
Từ khóa: phản ứng SHS, NiTi xốp, nhiệt độ nung sơ bộ, nhiệt độ đánh lửa.
Abstract
Fabrication of porous Nitinol (NiTi alloy) for biomedical purpose using SHS process has been reported. The results shows that at the ignition temperature of 1400°C, SHS reaction occurs with minimum preheating tempera ture of 0°C. Mechanical activation of raw materials has a direct effect on the reaction process. The desired phase namely NiTi was obtained. The sample has high porosity and high ratio of opened pore which is the requirement of materials using as a hard tissue implant. SEM microphotograph shows that there is no boundary between sep arated powders particles. It means that Ni and Ti were completely diffused to each other, which could not be obtained by other sintering methods.
Keyword: SHS reaction, porous NiTi, preheating temperature, ignition temperature
1. Đặt Vấn Đề
Trong thời gian gần đây, vật liệu Nitinol nói chung và vật liệu xốp Nitinol nói riêng, đặc biệt thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước. Hệ vật liệu Nitinol được ứng dụng rất phổ biến trong nhiòu lĩnh vực như: Hệ thống điều khiển trong các đồ gia dụng; vật liệu y sinh trong lĩnh vực y tế, trong công nghiệp thời trang như quần áo, kính mắt; phủ bề mặt dụng cụ cắt gọt (dạng màng mỏng) do có một số tính chất ưu việt như: tỷ trọng thấp, độ bền mòn rất cao, tính chất siêu đàn hồi.
Đặc biệt hệ vật liệu xốp Nitinol có các tính chất cơ học tương tự như của đĩa đệm xương sống: Modun đàn hồi không quá cao, cã tính siêu đàn hồi thuận lợi cho quá trình làm việc của các bộ phận thay thế, tránh gây căng cơ, tương thích với cơ thể người [1]. Có nhiều phương pháp tổng hợp Nitinol như: Phương pháp nấu chảy (melting); phương pháp PVD; phương pháp luyện kim bột: thiêu kết thông thường (CS); ép nóng đẳng tĩnh (HIP); phản ứng nhiệt tự lan truyền (SHS) [2]. Trong đó, phương pháp phản ứng nhiệt tự lan truyền SHS, theo quy trình trên hình 1, dựa trên tiền đề cơ bản là các phản ứng tỏa nhiệt rất cao.
Phương pháp SHS có một số ưu điểm nổi bật: Sản phẩm có độ sạch cao, quá trình tổng hợp đơn giản, tiết kiệm năng lượng, kiểm soát tỉ lệ hóa học dễ dàng, độ xốp cao, có nhiều lỗ xốp hở.
Hình 1. Quy trình công nghệ chung tổng hợp Nitinol bằng phương pháp SHS
Phương pháp SHS dựa trên tiền đề cơ bản là các phản ứng tỏa nhiệt rất cao. Nhiệt sinh ra từ bề mặt phản ứng sẽ nung nóng các vùng xung quanh, trong đó có vùng chưa phản ứng và kích thích phản ứng tiếp tục diễn ra ở các vùng đó (tự duy trì phản ứng). Trong phương pháp SHS, các mẫu vật liệu thường được đánh lửa bằng nguồn nhiệt có nhiệt độ cao ở một đầu, nhiệt độ này kích thích phản ứng tỏa nhiệt xảy ra. Chính nhiệt lượng tỏa ra này là tác nhân để phản ứng tự duy trì và lan truyền từ điểm đánh lửa đến hết chiều dài mẫu.
Công trình này trình bày các nghiên cứu về phương pháp SHS để tổng hợp vật liệu xốp Nitinol, trong điều kiện phòng thí nghiệm ở Việt Nam nhằm xác định các điều kiện công nghệ để phản ứng xảy ra đồng thời nghiên cứu thành phần pha và tổ chức tế vi của mẫu sau khi tiến hành phản ứng, tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo.
2. Thực nghiệm
Vật liệu ban đầu được sử dụng trong quá trình tổng hợp Nitinol xốp bằng phương pháp SHS là bột thương mại Ni (độ sạch trên 99,9%; cỡ hạt trung bình khoảng 10μm) và Ti (độ sạch trên 99,9%; cỡ hạt trung bình khoảng 100μm). Hỗn hợp bột Ni và Ti ban đầu được phối trộn theo tỉ lệ nguyên tử 50%Ni và 50%Ti, tỷ lệ về nguyên tử được tính toán và chuyển đổi thành tỷ lệ về khối lượng và xác định bằng cân điện tử (SCIENTECH) với độ chính xác (10–4)gr. Sau đó các loại bột này được trộn đồng đều hóa thành phần trên máy trộn tang trống trong 30 ph. Một số mẫu được hoạt hóa cơ học bằng máy nghiền cánh khuấy với tốc độ 720 vg/ph trong thời gian 2h.
Hình 2. Hệ thống lò điện trở ống ngang thực hiện phản ứng SHS
Quá trình ép sơ bộ hỗn hợp bột được thực hiện trên máy ép thủy lực 100 tấn (STEN HØJ) với áp lực 120 MPa nhằm tạo thành các khối mẫu hình trụ có đường kính d = 15mm, chiều cao h = 25mm (hình 4a). Phản ứng SHS được tiến hành đối với các mẫu ép trong lò nung điện trở ống ngang, và được bảo vệ bởi khí Ar theo sơ đồ nguyên lý như trên hình 2. Nhiệt độ nung sơ bộ được khảo sát thay đổi trong phạm vi Tp = (400÷600)°C. Khi nung đạt nhiệt độ cần thiết, mẫu được đánh lửa bằng sợi đốt Cr-Ni ở nhiệt độ Tig = 1400°C được điều khiển bằng máy biến thế có hiệu điện thế lớn nhất là 30V.
Kết thúc quá trình đánh lửa, mẫu được làm nguội nhanh trong nước. Để xác định thành phần pha sản phẩm sau khi đánh lửa sử dụng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen trên máy Siemens D5005. Cấu trúc tế vi của mẫu được quan sát và soi chụp trên hiển vi điện tử quét QUANTA 200.
