Ảnh hưởng của nhiệt độ nung sơ bộ đến quá trình tổng hợp Niti xốp bằng phương pháp SHS

Hồ Ký Thanh và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 99(11): 39 - 43<br /> <br /> ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG SƠ BỘ ĐẾN QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP<br /> NITI XỐP BẰNG PHƯƠNG PHÁP SHS<br /> Hồ Ký Thanh1,2*; Trần Văn Dũng2; Nguyễn Đặng Thủy2; Trần Đức Thịnh2;<br /> Phương Văn Hiếu2; Nguyễn Huy Hoàng2<br /> 1<br /> <br /> Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên,<br /> 2<br /> Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo này trình bày một số kết quả khảo sát công nghệ tổng hợp hợp kim NiTi xốp bằng phương<br /> pháp SHS. Kết quả thực nghiệm cho thấy, nhiệt độ nung sơ bộ tối thiểu để phản ứng SHS xảy ra là<br /> Tp = 250°C. Khi tăng nhiệt độ nung sơ bộ, thời gian đánh lửa cần thiết giảm. Khi nhiệt độ nung sơ<br /> bộ Tp ≥ 450°C, phản ứng SHS có thể xảy ra ở chế độ đồng thời (tự phản ứng không đánh lửa). Kết<br /> quả phân tích XRD cho thấy, sau phản ứng SHS sản phẩm tồn tại pha NiTi mong muốn là chủ yếu.<br /> Độ xốp của sản phẩm thu được tương đối cao (trong khoảng 44% ÷ 58%), tỉ lệ lỗ xốp hở trên 80%.<br /> Kết quả chụp SEM cho thấy, hình dạng và sự phân bố lỗ xốp tương đối đồng đều theo cả mặt cắt<br /> ngang và mặt cắt dọc mẫu, kích thước các lỗ xốp trong khoảng từ 100 ÷ 500µm.<br /> Từ khóa: phương pháp SHS, NiTi xốp, áp lực ép ban đầu, nhiệt độ nung sơ bộ, hình dạng và sự<br /> phân bố lỗ xốp.<br /> <br /> ĐẶT VẤN ĐỀ*<br /> Hệ vật liệu NiTi đang được sử dụng rộng rãi<br /> ngày nay do nó có các tính chất đặc biệt, đó là<br /> khả năng siêu đàn hồi và nhớ hình, nhất là<br /> NiTi đặc. NiTi xốp không có khả năng đàn<br /> hồi và nhớ hình tốt như NiTi đặc nhưng<br /> chúng lại được ứng dụng rất rộng rãi trong<br /> công nghệ y sinh để làm các mô cấy ghép,<br /> xương nhân tạo… Sở dĩ như vậy là vì tính<br /> tương thích sinh học của NiTi, tổ chức xốp<br /> làm cho mô đun đàn hồi của nó giảm tránh<br /> gây căng cứng, tổn thương cho cơ thể và tạo<br /> điều kiện thuận lợi phát triển của mô cơ khi<br /> chúng được ghép vào cơ thể người [1].<br /> NiTi xốp có thể chế tạo bằng nhiều phương<br /> pháp khác nhau như phương pháp thiêu kết<br /> trong chân không (VS), phương pháp thiêu<br /> kết xung plasma (SPS), phương pháp ép nóng<br /> đẳng tĩnh với sự giãn nở của khí Ar (HIP) [1],<br /> phương pháp ép nóng đẳng tĩnh (CF-HIP),<br /> phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan<br /> truyền (SHS), phương pháp thiêu kết thông<br /> thường (CS) [2]. So sánh giữa các phương<br /> pháp này nhận thấy, một vài phương pháp cho<br /> kết quả độ xốp và kích thước lỗ xốp lớn như<br /> phương pháp CS, HIP, CF-HIP, SPS, VS.<br /> Tuy nhiên chúng thường bị giới hạn bởi các<br /> thiết bị đắt tiền. Phương pháp SHS cho kích<br /> *<br /> <br /> Tel: 0984 194198, Email: hkythanh@tnut.edu.vn<br /> <br /> thước lỗ xốp tương đối lớn (200÷600µm), độ<br /> xốp cao (đến 65%), tỉ lệ độ xốp hở cao (đến<br /> 87%) nên vẫn được dùng để tổng hợp NiTi<br /> xốp phục vụ chế tạo các mô xương thay thế<br /> (ActiporeTM, Biorthex, Canada) [1]. Phương<br /> pháp SHS dựa trên tiền đề là các phản ứng tỏa<br /> nhiệt, nhiệt độ cao của phản ứng sẽ nung<br /> nóng các vùng chưa phản ứng tạo điều kiện<br /> để phản ứng tự duy trì và lan truyền (selfpropagated) [3].<br /> <br /> Hình 1. Quy trình công nghệ chung tổng hợp NiTi<br /> xốp bằng phương pháp SHS [5].<br /> <br /> Có rất nhiều các thông số công nghệ ảnh<br /> hưởng đến quá trình tổng hợp NiTi xốp bằng<br /> phương pháp SHS như: kích thước hạt ban<br /> đầu của các chất phản ứng, độ xốp ban đầu<br /> của mẫu ép trước phản ứng; sự thoát ra của<br /> các khí trong quá trình phản ứng, thành phần<br /> hóa học các chất tham gia phản ứng, nhiệt độ<br /> đánh lửa, sự hoạt hóa cơ học [4], nhiệt độ<br /> 39<br /> <br /> Hồ Ký Thanh và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> nung sơ bộ [5]. Những thông số này không<br /> chỉ ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp NiTi<br /> xốp mà một số thông số còn ảnh hưởng trực<br /> tiếp đến độ xốp, hình thái lỗ xốp của sản<br /> phẩm nhận được sau phản ứng SHS.<br /> Bài báo này trình bày các nghiên cứu về ảnh<br /> hưởng của nhiệt độ nung sơ bộ (TP), áp lực ép<br /> ban đầu (độ xốp ban đầu của mẫu) đến quá<br /> trình tổng hợp NiTi xốp bằng phương pháp<br /> SHS. Thêm vào đó ảnh hưởng của áp lực ép<br /> đến độ xốp, kích thước lỗ xốp của sản phẩm<br /> nhận được sau phản ứng SHS cũng được<br /> khảo sát.<br /> KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM<br /> Vật liệu ban đầu sử dụng trong quá trình tổng<br /> hợp NiTi xốp bằng phương pháp SHS (hình<br /> 1) là bột thương mại Ni (độ sạch trên 99,9%;<br /> cỡ hạt trung bình khoảng 10µm) và Ti (độ<br /> sạch trên 99,9%; cỡ hạt trung bình khoảng<br /> 100µm). Hỗn hợp bột Ni và Ti ban đầu được<br /> phối trộn theo tỉ lệ nguyên tử 50%Ni và<br /> 50%Ti, tỷ lệ về nguyên tử được tính toán và<br /> chuyển đổi thành tỷ lệ về khối lượng và xác<br /> định bằng cân điện tử (SCIENTECH, Mỹ) với<br /> độ chính xác đến 10–4gr. Sau đó hỗn hợp bột<br /> Ni + Ti được hoạt hóa cơ học bằng máy<br /> nghiền bi đứng (tốc độ 720vòng/phút trong<br /> thời gian 2h) với tỉ lệ bi: bột được lựa chọn là<br /> 10 : 1 trong môi trường khí Ar bảo vệ. Quá<br /> trình đóng khối sơ bộ hỗn hợp bột được thực<br /> hiện trên máy ép thủy lực 100tấn (STENH∅J,<br /> Đan Mạch) với áp lực trong khoảng<br /> (40÷120)MPa tạo thành các mẫu hình trụ có<br /> đường kính d = 16mm, chiều cao h = 45mm.<br /> Phản ứng SHS được thực hiện lần lượt với<br /> các mẫu ép trong lò nung điện trở ống ngang<br /> có khí Ar bảo vệ. Nhiệt độ nung sơ bộ được<br /> khảo sát thay đổi trong phạm vi Tp = 250°C ÷<br /> 600°C. Khi nung đến nhiệt độ cần thiết, mẫu<br /> được đánh lửa bằng sợi dây W có nhiệt độ Tig<br /> = 2000°C được điều khiển bằng máy biến thế<br /> một chiều hiệu điện thế lớn nhất là 30V<br /> (LiOA DC.Power, Việt Nam). Kết thúc quá<br /> trình đánh lửa, mẫu được tôi trong nước. Để<br /> xác định thành phần pha sản phẩm sau khi<br /> đánh lửa sử dụng phương pháp phân tích phổ<br /> nhiễu xạ Rơnghen XRD (máy Siemens<br /> D5005, Đức). Độ xốp của mẫu và tỉ lệ độ xốp<br /> hở được xác định bằng phương pháp Ác-si40<br /> <br /> 99(11): 39 - 43<br /> <br /> mét. Cấu trúc tế vi của mẫu được quan sát và<br /> soi chụp trên hiển vi điện tử quét SEM (máy<br /> QUANTA 200, FEI).<br /> KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Trước khi tiến hành thực nghiệm, các mẫu bột<br /> Ni và Ti được xác định kích cỡ hạt bằng<br /> phương pháp SEM (hình 2), phân tích<br /> thành phần hóa học bằng phương pháp<br /> XRD (hình 4a).<br /> <br /> Hình 2. Ảnh SEM các bột Ti (a) và Ni (b) được sử<br /> dụng để tổng hợp NiTi xốp.<br /> <br /> Sau khi hoạt hóa cơ học, mẫu được ép sơ bộ<br /> đạt độ xốp trong khoảng 21,9% ÷ 29,0% tùy<br /> thuộc áp lực ép sơ bộ (được xác định thông<br /> qua kích thước và khối lượng mẫu ở trạng<br /> thái xốp so với tỉ trọng đặc theo lý thuyết của<br /> NiTi). Độ xốp ban đầu ảnh hưởng lớn đến quá<br /> trình phản ứng SHS, nếu quá lớn hoặc nhỏ<br /> quá thường làm cho phản ứng không thể tự<br /> duy trì và lan truyền do sự truyền nhiệt kém<br /> hiệu quả, độ xốp ban đầu thường lựa chọn<br />