Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu chế tạo và tính chất lớp phủ cacbon giống kim cương DLC trên nền thép không gỉ 316l định hướng ứng dụng trong y sinh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu công nghệ và chế tạo lớp phủ DLC trên nền thép AISI 316L có cấu trúc và tính chất phù hợp, định hướng ứng dụng trong y sinh. Mẫu DLC-316L có các tính chất: độ cứng trên 10 GPa, chiều dày 1 ÷ 2 µm, độ nhám Rz < 10 nm, chống ăn mòn tốt trong dung dịch HCl 6% và thể hiện tính tương thích sinh học khi ngâm trong dung dịch mô phỏng dịch thể người.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu chế tạo và tính chất lớp phủ cacbon giống kim cương DLC trên nền thép không gỉ 316l định hướng ứng dụng trong y sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đỗ Ngọc Tú NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT LỚP PHỦ CACBON GIỐNG KIM CƯƠNG DLC TRÊN NỀN THÉP KHÔNG GỈ 316L ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội - 2023
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Đinh Văn Hải 2. GS.TS. Nguyễn Trọng Giảng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi giờ , ngày tháng năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Đỗ Ngọc Tú, Đỗ Thành Dũng, Đinh Văn Hải, Nguyễn Trọng Giảng (2019), ‘‘Ảnh hưởng của công suất phún xạ đến sự hình thành màng cacbon giống kim cương phủ trên nền AISI 316L bằng phương pháp phún xạ magnetron’’, Tạp chí Khoa học Công nghệ Kim loại, Số 85, trang 38-44. 2. . Ngoc-Tu Do, Van-Hai Dinh, Le Van Lich, Hong-Hue Dang-Thi and Trong-Giang Nguyen (2021),‘‘Effects of Substrate Bias Voltage on Structure of Diamond-Like Carbon Films on AISI 316L Stainless Steel: A Molecular Dynamics Simulation Study’’, Materials, Vol.14 (17), pp. 4925. 3. Đỗ Ngọc Tú, Đinh Văn Hải, Nguyễn Trọng Giảng, Phạm Văn Liệu (2022), ‘‘Nghiên cứu sự ảnh hưởng của áp suất phún xạ tới độ cứng và hình thái bề mặt của lớp phủ cacbon giản kim cương trên nền thép AISI 316L’’, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 5, trang 15-19.
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Trong số những vật liệu cấy ghép thì thép không gỉ AISI 316L là loại được sử dụng phổ biến nhất vì có cơ tính tốt và khả năng chống ăn mòn cao. Tuy nhiên, dưới tác động chà xát bề mặt trong môi trường cơ thể người, chúng rất dễ bị mài mòn, tạo mảnh vụn, gây nguy cơ huyết khối. Bên cạnh đó việc giải phóng các ion kim loại như Cr hay Ni có thể gây viêm cục bộ hay ung thư. Vì vậy, việc áp dụng các công nghệ biến đổi bề mặt, đặc biệt là lớp phủ, có tiềm năng đáng kể và đang được các nhà kỹ thuật quan tâm. Lớp phủ cacbon giả kim cương (DLC) được biết đến với nhiều đặc tính vượt trội như: hệ số ma sát thấp, độ bóng cao, độ cứng lớn, trơ hóa học và đặc biệt là có tính tương thích sinh học tốt. Tuy nhiên, nghiên cứu chế tạo lớp màng DLC phủ lên thép 316L định hướng ứng dụng làm chi tiết cấy ghép vẫn còn đang tiếp tục được khảo sát. Trước thực tế đó, luận án thực hiện với tên đề tài: ‘‘Nghiên cứu chế tạo và tính chất lớp phủ giả kim cương DLC trên nền thép không gỉ 316l định hướng ứng dụng trong y sinh’’ nhằm mục đích lựa chọn được điều kiện thích hợp để chế tạo màng DLC có khả năng tương thích sinh học tốt đồng thời nâng cao tính chất cơ lý cho vật liệu nền. Các kết quả góp phần vào quá trình nghiên cứu đặc tính cũng như tiềm năng ứng dụng của vật liệu phủ DLC trong lĩnh vực cấy ghép xương 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu công nghệ và chế tạo lớp phủ DLC trên nền thép AISI 316L có cấu trúc và tính chất phù hợp, định hướng ứng dụng trong y sinh. Mẫu DLC-316L có các tính chất: độ cứng trên 10 GPa, chiều dày 1 ÷ 2 µm, độ nhám Rz < 10 nm, chống ăn mòn tốt trong dung dịch HCl 6% và thể hiện tính tương thích sinh học khi ngâm trong dung dịch mô phỏng dịch thể người. 3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm chế tạo màng DLC bằng kỹ thuật phún xạ. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Về khoa học: Đã thiết lập và giải bài toán mô phỏng quá trình tạo màng DLC trên nền thép không gỉ đa nguyên tố (thép AISI 316L) theo nguyên lý phương pháp phún xạ. 1
Đã đánh giá được các thông số ảnh hưởng chính gồm điện áp phân cực anot, áp suất phún xạ, công suất nguồn đến sự hình thành cấu trúc liên kết cacbon-cacbon dạng sp3. Đã chế tạo được lớp màng DLC phủ trên đế AISI 316L có độ cứng, độ nhám, khả khả năng chống ăn mòn hóa học và tương thích sinh học có thể đáp ứng yêu cầu đối với vật liệu y sinh. - Về thực tiễn: Các kết quả và phương pháp trong luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu khác thuộc lĩnh vực liên quan. 5. Những đóng góp mới của luận án - Đã xây dựng được mô hình mô phỏng và các thông số hàm thế thích hợp cho bài toán tạo màng DLC bằng phương pháp phún xạ, có tính đến yếu tố đa nguyên tố của nền thép không gỉ AISI 316L. Kết quả mô phỏng đưa ra bộ thông số công nghệ về điện áp phân cực anot và áp suất khí tối ưu với tỷ lệ liên kết C-C dạng sp3 có trong các màng DLC. Giá trị lớn nhất của tỷ lệ sp3 phụ thuộc điện áp phân cực là 48,5% và theo áp suất là 28,3%. - Đã chế tạo thực nghiệm màng DLC trên đế thép 316L bằng kỹ thuật phún xạ dựa trên một số thông số kết quả mô phỏng. Mẫu vật liệu có chỉ tiêu cơ tính, tính chất sinh-hóa có thể định hướng ứng dụng làm vật liệu y sinh. 6. Cấu trúc của nội dung luận án Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về công nghệ chế tạo màng cacbon giống kim cương. Trình bày về đặc điểm cấu trúc, tính chất và khả năng ứng dụng của màng DLC, cũng các phương pháp chế tạo loại màng này. Phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về tình hình công nghệ chế tạo màng DLC, từ đó rút ra kết luận cho việc chế tạo màng DLC trên nền AISI 316L bằng phương pháp phún xạ. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Trình bày về phương pháp mô phỏng động lực học phân tử, các điều kiện biên và mô hình sử dụng cho quá trình lắng đọng màng DLC trên nền thép không gỉ AISI 316L bằng phương pháp phún xạ; phân tích cơ chế vật lý quá trình phún xạ nhằm rút ra kết luận về các yếu tố ảnh hưởng đến mật độ và tốc độ dòng phún xạ trong quá trình tạo màng; các phép đo, phân tích về màng DLC. Chương 3: Mô phỏng quá trình hình thành và phát triển màng cacbon giống kim cương trên nền thép không gỉ AISI 316L. Phân tích cơ chế hình thành và phát triển cấu trúc màng DLC trên nền AISI 316L 2
theo hai điều kiện khảo sát: điện áp phân cực đế và áp suất phún xạ. Đánh giá tương tác nền-màng theo khả năng xâm nhập bề mặt nền của nguyên tử cacbon và các dạng cấu trúc liên kết có thể hình thành. Các kết quả về tỷ lệ sp3 tổng trong các màng DLC, cũng như sự phân bố của chúng theo chiều dày màng. Điều kiện chế tạo phù hợp nhất để có thể nhận được màng DLC có tỷ lệ lai hóa sp3 cao. Chương 4: Thực nghiệm và kết quả. Tiến hành tạo màng DLC theo hai chế độ công nghệ: công suất và áp suất phún xạ. Phân tích cấu trúc của các loại màng tạo ra và đánh giá các tính chất cơ lý của màng. Kiểm nghiệm chống ăn mòn của các mẫu phủ trong dung dịch HCl và tính tương thích sinh học trong dung dịch mô phỏng người SBF. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÀNG CACBON GIỐNG KIM CƯƠNG 1.1. Màng cacbon giả kim cương Màng cacbon giả kim cương (DLC) là một loại màng có cấu trúc pha trộn giữa sp2 (giống graphit) và sp3 (giống kim cương), trong đó tỷ lệ sp3 chiếm khoảng từ 10% đến 85%. Tùy theo tỷ lệ liên kết sp3 và hydro có trong màng, màng DLC được chia thành màng vô định hình (a:C) hoặc tứ diện (ta:C) có chứa hoặc không chứa hydro. Màng DLC có các tính chất như: độ cứng cao, hệ số ma sát thấp, trơ về mặt hóa học và tính tương thích sinh học tốt. Được ứng dụng làm lớp phủ chịu ma sát và mài mòn trong lĩnh vực ô tô, cơ khí; lớp phủ bảo vệ cho các dụng cụ quang học; lớp phủ sinh học cho các dụng cụ và thiết bị y tế. 1.2. Phương pháp chế tạo 1.2.1. Ngưng đọng hơi hóa học bằng plasma (PACVD) Phương pháp ngưng đọng hơi hóa học bằng plasma sử dụng khí C2H2 hoặc CH4 để tạo ra màng DLC, vì vậy chỉ có thể tạo ra các loại màng DLC có chứa hydro. 1.2.2. Lắng đọng chùm ion (IBD) IBD là kỹ thuật tạo màng sử dụng chùm ion Ar+ bắn phá bia graphit. Tuy nhiên, tốc độ lắng đọng thấp và màng thường mật độ thấp. Ngoài ra, các chất nền cần phải được thao tác để đảm bảo lắng đọng đồng đều. 3
1.2.3. Hồ quang catot Hồ quang catot là một kỹ thuật phức tạp nhưng có thể tạo ra màng DLC có tỷ lệ sp3 rất cao. Tuy nhiên điểm hồ quang hình thành trên catot (graphit) không chỉ nhằm tạo ra plasma mà còn có thể làm giải phóng các cụm hạt kích thước cỡ micromet, dẫn đến màng tạo ra gồ ghề và tồn tại những vết nứt tại các ranh giới hạt. 1.2.4. Bốc bay bằng laze xung (PLD) PLD là kỹ thuật sử dụng chùm laze làm hóa hơi bia graphit trong môi trường chân không cao và có thể tạo ra màng ta:C có tỷ lệ sp3 từ 70 đến 95%. Tuy nhiên phương pháp này thường phát triển ở quy mô phòng thí nghiệm. 1.2.5. Phún xạ Phún xạ là kỹ thuật tạo màng DLC từ bia graphit. Đây là phương pháp có khả năng kiểm soát cao về chất lượng màng DLC và được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp. 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Có nhiều công trình nghiên cứu khác nhau ở trong và ngoài nước về kỹ thuật chế tạo màng DLC. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào đề cập đến việc tạo màng DLC nguyên chất làm lớp phủ cho thép không gỉ AISI 316L. Nghiên cứu về màng DLC bằng mô phỏng hay thực nghiệm thường diễn ra độc lập. Vì vậy cần bổ sung chuỗi liên kết cho nhau giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm nhằm tối ưu hóa quá trình chế tạo. Đây cũng là những vấn để mà luận án đặt ra để nghiên cứu và giải quyết. Kết luận chương 1 DLC là loại màng cacbon vô định hình mang cấu trúc pha trộn giữa kim cương và graphit. Phẩm chất đáng lưu ý đối loại màng này chính là độ cứng, khả năng chống mài mòn, tính trơ về mặt hóa học và tương hợp sinh học. Tính chất của DLC được điều chỉnh nhờ kiểm soát tỷ lệ sp3/sp2 trong màng. Tỷ lệ sp3 chiếm ưu thế sẽ cho kết quả màng có độ cứng cao, ngược lại sẽ nhận được màng có độ cứng thấp. Các phương pháp chế tạo màng DLC có thể kể đến đó là: PECVD, IBD, hồ quang catot, bốc bay xung laze và phún xạ. So với các phương pháp khác, phún xạ mặc dù không tạo ra các màng DLC có tỷ lệ sp3 cao nhất nhưng cho phép tạo ra các màng đơn hoặc đa lớp từ nhiều nguồn vật liệu khác nhau ở nhiệt độ thấp, chất lượng màng đồng đều, khả năng bao phủ và bám dính tốt. Ở Việt Nam, chế tạo lớp phủ DLC (a:C:H) trên đế silic và thép 440C đă được tiến hành bằng kỹ thuật phún xạ. Màng DLC tạo ra có 4
hệ số ma sát thấp, độ cứng cao và thể hiện khả năng chịu mài ṃn tốt trong điều kiện thử nghiệm phòng thí nghiệm. Trên thế giới, nghiên cứu chế tạo các lớp phủ DLC (a:C:H, a:C:Me, a-C:H:X) nhằm nâng cao khả năng chịu mài mòn, chống ăn mòn hóa học và tính tương thích sinh học cho thép 316L diễn ra hết sức mạnh mẽ. Màng DLC có thể bảo vệ chống ăn mòn lỗ cho thép không gỉ, đồng thời tăng cường khả năng sinh học cho chi tiết được phủ khi cấy ghép vào bên trong cơ thể người. Trong phạm vi của luận án, nghiên cứu về màng DLC (a:C) được tiến hành theo phương pháp mô phỏng động lực học phân tử và thực nghiệm chế tạo bằng kỹ thuật phún xạ. Định hướng chế tạo các màng DLC có tỷ lệ sp3 từ 10%÷30%, chiều dày 1 µm ÷ 2 µm, ổn định trong dung dịch HCl 6% và thể hiện tính tương hợp sinh học khi ngâm trong dung dịch mô phỏng dịch thể người. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Mô phỏng động lực học phân tử 2.1.1. Động lực học cổ điển Sự dịch chuyển theo thời gian của các hạt trong hệ được theo dõi qua việc tính tích phân phương trình chuyển động Newton 2. r r ur r  vi  2 ri F i = mi a i = mi = mi 2 (2.1) t t 2.1.2. Động lực học thống kê Một đại lượng vật lý nhận được từ trung bình số học của các giá trị tức thời khác trong điều kiện tổng năng lượng được bảo toàn: tobs 1 Aobs = A t = A((t )) t = lim tobs → tobs 0 A((t ))dt (2.2) 2.1.3. Thế năng tương tác Dạng tổng quát hàm thế năng tương tác nguyên tử: U = U 0 + U1 (ri ) +U 2 (ri , rj ) +  U 3 (ri , rj , rk ) + ... + U N (ri , rj ,., rN ) (2.3) i i j i j k N 2.1.4. Các thuật toán trong mô phỏng MD Vị trí ri và vận tốc vi sau mỗi bước thời gian của nguyên tử được cập nhật bằng cách sử dụng cả giá trị mới và hiện tại của gia tốc ai: 1 ri (t +  t ) = ri (t ) + vi (t ) t + ai (t ) t 2 (2.4) 2 5
1 1 (2.5) vi (t +  t ) = vi (t +  t ) + ai (t +  t ) t 2 2 2.1.5. Điều kiện biên tuần hoàn Điều kiện biên tuần hoàn cho phép giải quyết hai vấn đề: (1) Triệt tiêu hiệu ứng bề mặt; (2) Bổ sung số lượng nguyên tử trong quá trình mô phỏng. Các nguyên tử cũng sẽ tương tác với nhau thông qua các ranh giới tuần hoàn 2.1.6. Xác lập điều kiện cân bằng nhiệt cho hệ mô phỏng Nhiệt độ tức thời được tính toán từ cơ học thống kê 3 N 1 NkBT =  mi vi2 (2.6) 2 i 2 Theo mỗi bước thời gian, sự thay đổi nhiệt độ được kiểm soát bởi hệ số λ: t T 1 (2.7)  = [1 + ( set − 1)] 2 T T 2.1.7. Mô hình mô phỏng sự lắng đọng của nguyên tử cacbon trên nền 316L a) Cấu trúc nguyên tử nền 316L Thép 316L có cấu trúc lập phương tâm mặt, hàm lượng các nguyên tố chính bao gồm 70% Fe, 17% Cr và 13% Ni. Để xây dựng được cấu trúc nền 316L phục vụ cho quá trình mô phỏng, trước tiên cần chuyển đổi phần trăm khối lượng của thép sang phần trăm nguyên tử, rồi sau đó tính số lượng từng nguyên tử tương ứng với thành phần phần hóa học đó. b) Vận tốc và vị trí ban đầu của các nguyên tử cacbon Theo mô hình Thomson, phân bố năng lượng ban đầu của các hạt phún xạ ngay khi nó thoát khỏi bề mặt bia phụ thuộc vào năng lượng các ion đi tới bắn phá bia (EAr+) và năng lượng liên kết bề mặt (Eb): 1 E +E 1− ( )b 2 (2.8)  EAr + f (E)  Eb 3 E 2 (1 + ) E trong đó, = 4 M 1M 2 với M1 và M2 là khối lượng của ion và nguyên (M1 + M 2 )2 tử vật liệu bia. Sự tổn thất năng lượng của một nguyên tử phún xạ khi nó đi qua môi trường khí Ar có thể tính gần đúng như sau EF =( E − kBTg ) exp[n ln Ef / Ei )] + kBTg (2.9) ở đây Ef/Ei = 1-γ/2 là tỷ số của năng lượng trước và sau va chạm. n là số lần va chạm xảy ra trong chất khí. Số va chạm có thể tính như sau 6
dp n= (2.10) k BTg trong đó d là khoảng cách giữa bia và đế. p là áp suất khí phún xạ.  là tiết diện va chạm không đàn hồi. kB hằng số Boltzmann. Tg là nhiệt độ khí phún xạ. Vị trí ban đầu của các nguyên tử cacbon được lấy mẫu ngẫu nhiên phía trên bề mặt đế, cách bề mặt màng đang phát triển một khoảng lớn hơn khoảng cách giới hạn trong tương tác nguyên tử C – bề mặt 316L và nguyên tử C - nguyên tử C. Vị trí này có thể thay đổi theo sự phát triển của màng. c) Các hàm thế tương tác Để mô phỏng sự lắng đọng của màng C trên chất nền AISI 316L, thế tương tác nhúng (EAM) sử dụng cho Fe-Cr-Ni, thế Tersoff cho C- C, thế Morse cho cặp C-Ni và thế Tersoff/ZBL cho các tương tác (Fe, Cr)-C. Phương trình tổng quát thế EAM/FS: N 1 N iN N E = Ei = ij (rij ) + Fi (  i ) (2.11) i =1 2 i =1 j =i1 i =1 Năng lượng E của một hệ nguyên tử tính theo thế Tersoff: 1 1 E = Vij = {f C (rij )[f R (rij ) + bij f A (rij )]} (2.12) 2 i ji 2 i ji Thế tương tác Tersoff/zbl: 1 1 E= Vij = 2 {(1 − f F (rij +  ))VijZBL + f F (rij +  )VijTersoff } (2.13) 2 ji ji Thế năng Morse: 𝐸 = 𝐷0 [𝑒 −2𝛼(𝑟−𝑟0 ) − 2𝑒 −𝛼(𝑟−𝑟0 ) ], r < rc (2.14) 2.2. Kỹ thuật phún xạ 2.2.1. Cơ sở vật lý quá trình phún xạ Trong phún xạ các ion có năng lượng đủ lớn bắn phá bề mặt của bia. Sự va chạm mạnh giữa ion và nguyên tử của bia khiến nguyên tử có thể thoát ra khỏi bề mặt bia. Các nguyên tử thoát khỏi bia tạo ra dòng hơi. Một phần dòng hơi này sẽ lắng đọng lên đế tạo thành màng mỏng. Hiệu suất phún xạ: 3 4m1m2 Ei (2.15) S= 4 (m1 + m2 ) U s 7
Năng lượng các nguyên tử phún xạ: Eb E (2.16) f (E)  ( Eb + E )3 2.2.2. Hiện tượng phóng điện plasma Sự phóng điện phát quang đạt được bằng cách đặt một điện thế giữa hai điện cực trong chất khí. Ban đầu không có dòng điện chạy qua vì tất cả các nguyên tử ở thể khí đều trung tính. Khi đưa một điện tử vào chất khí, nó sẽ được gia tốc bởi điện trường giữa các điện cực. Nếu năng lượng do điện tử tạo ra đủ lớn, một va chạm không đàn hồi với một nguyên tử khí có thể dẫn đến sự kích thích hoặc ion hóa nguyên tử khí. Nếu quá trình ion hóa diễn ra, một điện tử thứ hai được giải phóng vào chất khí. Sau đó, cả hai điện tử sẽ được gia tốc trở lại, tạo ra một điều kiện gọi là sự phân hủy khí. 2.3. Phương pháp đo lường và phân tích 2.3.1. Phổ Raman Phân tích quang phổ Raman giúp xác định tỷ lệ sp2 và sp3 căn cứ vào cường độ tán xạ của chúng trong các màng DLC 2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử quyét Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) đã được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu hình thái bề mặt mẫu và đo chiều dày lớp phủ thông qua mặt cắt mẫu màng mỏng 2.3.3. Phương pháp hiển vi lực nguyên tử Phương pháp hiển vi lực nguyên tử cho phép quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu dò với bề mặt mẫu cần phân tích 2.3.4. Phương pháp thử độ cứng Phép đo độ cứng sử dụng diện tích vết lõm sau khi dỡ tải làm cơ sở để xác định độ cứng. 2.3.5. Phương pháp điện hóa đánh giá tính chất ăn mòn Tốc độ ăn mòn được tính từ đường cong phân cực anốt. Mật độ dòng biểu thị dưới dạng hàm của quá thế η:  = β.log(i/i0) (2.17) 2.3.6. Đánh giá tính tương thích sinh học Khả năng tương thích sinh học của mẫu AISI 316L phủ DLC được đánh giá bằng các thử nghiệm in-vitro khi ngâm trong dung dịch giả cơ thể người (SBF) theo thời gian trong điều kiện nhiệt độ 37 0C và pH khoảng 7,3 ÷ 7,4. 8
Kết luận chương 2 Phương pháp MD cho phép theo dõi diễn biến phát triển của màng DLC trên nền thép 316L. Kỹ thuật phún xạ được sử dụng để tạo ra màng DLC. CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN MÀNG CACBON GIỐNG KIM CƯƠNG TRÊN ĐẾ THÉP KHÔNG GỈ AISI 316L 3.1. Đặt vấn đề Động năng của các nguyên tử phún xạ liên quan tới điều kiện phủ và có thể ước tính theo mối quan hệ: PwVs E (3.1) pg Trong phạm vi nghiên cứu, với mong muốn tìm ra điều kiện cho tỷ lệ sp3 cao nhất, quá trình mô phỏng sẽ tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của điện áp phân cực trên đế và áp suất phún xạ. 3.2. Phương pháp mô phỏng 3.2.1. Xây dựng đế AISI 316L Để đơn giản, đế 316L chỉ xét đến các nguyên tố như Fe, Cr và Ni. Số lượng các nguyên tử Fe, Cr và Ni sử dụng để xây dựng đế 316L được thể hiện như trong bảng 3.1. dưới đây: Bảng 3.1. Số lượng nguyên tử của các nguyên tố Fe, Cr và Ni trong đế 316L Nguyên Khối lượng Thành phần Số lượng TT tố nguyên tử (đvnt) hóa học (%) nguyên tử 1 Fe 55,845 69,5 2069 2 Cr 51,996 18,5 592 3 Ni 58,693 12 339 Tổng - - 100 3000 9
Hình 3.1. Sự sắp xếp của các nguyên tử Fe, Cr và Ni đối với đế 316L Hình 3.1 thể hiện sự sắp xếp của các nguyên tử Fe, Cr và Ni trong đế 316L có kiểu mạng lập phương tâm mặt (hằng số mạng a = 3,548 Å) được xây dựng bởi phần mềm Atomsk. 3.2.2. Xác định vận tốc của các nguyên tử cacbon Tốc độ nguyên tử cacbon tính theo mô hình của Thompson cho bài toán phún xạ: (E + E) 1 1−[ b ]2  E1 f (E) = P (3.2) E E 2 (1 + b )3 E 3.2.3. Vị trí ban đầu của nguyên tử cacbon trong giai đoạn tạo màng Vị trí ban đầu của các nguyên tử cacbon được gieo ngẫu nhiên phía trên bề mặt đế AISI 316L, cách bề mặt màng đang phát triển một khoảng xác định. 3.2.4. Mô hình mô phỏng a) Trường hợp phân cực điện áp trên đế Vị trí nguyên tử cacbon được thiết lập trong vùng không gian phía trên đế, cách bề mặt đế một khoảng 40 Å, chuyển động hướng vuông góc xuống dưới với động năng không đổi 15 eV/nguyên tử. Hình 3.2. Mô hình lắng đọng tạo màng DLC theo điều kiện áp đặt điện áp phân cực trên đế 10
b) Trường hợp ảnh hưởng của áp suất phún xạ Các nguyên tử cacbon có vận tốc khác nhau theo điều kiện áp suất và cho như trong bảng 3.2. Bảng 3.2. Động năng của nguyên tử cacbon theo điều kiện áp suất phún TT Áp suất (mbar) Động năng của Thời gian cấp nguyên tử cacbon nguyên tử vào hộp (eV) mô phỏng (ps) 1 0,0035 21,2 0,05 2 0,004 15,3 0,07 3 0,0045 10,6 0,09 4 0,005 7,5 0,10 5 0,0055 5,3 0,15 6 0,0075 3,8 0,20 Hình 3.3. Mô hình lắng đọng nguyên tử cacbon trên đế 316L trong trường hợp khảo sát sự ảnh hưởng của áp suất phún xạ 3.3. Điều kiện mô phỏng 3.3.1. Hàm thế 3.3.1.1. Tương tác giữa các nguyên tử cacbon Trường lực tác dụng lên mỗi nguyên tử cacbon trong quá trình hình thành và phát triển màng sẽ được tính toán theo hàm thế năng Tersoff 3.3.1.2. Tương tác bề mặt a) Hàm thế năng tương tác giữa nguyên tử cacbon và sắt Đối với tương tác giữa Fe và C, do có tính đến yếu tố va đập của nguyên tử C khi đi đến lắng đọng trên đế (AISI 316L), hàm thế sử dụng cho cặp tương tác này sẽ là hàm Tersoff/zbl b) Hàm thế năng tương tác giữa nguyên tử cacbon và crom Trên cơ sở vận dụng phương pháp tính toán hàm thế theo nguyên tắc của Tersoff và Abell đối với tương tác C-Cr, kết hợp với kết quả nghiên cứu của Henriksson về hệ hợp kim Fe-Cr-C, nhóm nghiên cứu đã tìm ra hệ số chuyển đổi đối với các thông số hàm thế để từ đó có 11
thể tiến hành mô phỏng trong LAMMPS. Hệ số chuyển đổi giữa hai hàm Tersoff và Abell: m= n=1, β = ω, 𝜆1 = 𝛽√2𝑆, 𝜆2 = 𝛽√2/𝑆, λ3 𝐷 𝑆𝐷 = αijk, cosθ0 = -h, 𝐴 = 𝑆−1 𝑒 −𝜆1 𝑟0 , 𝐵 = 𝑆−1 𝑒 −𝜆2 𝑟0 0 0 c) Hàm thế năng tương tác giữa nguyên tử cacbon với niken Các thông số hàm Morsr sử dụng cho mô phỏng như sau: D0 = 2.431 eV, α = 3.295 Å-1, re = 1.763 Å và rc = 11.58 Å. 3.3.1.3. Tương tác giữa các nguyên tử nền 316L Hàm thế năng sử dụng cho các tương tác của nguyên tử đế AISI 316L là thế năng nhúng EAM. 3.3.2. Thiết lập điều kiện cân bằng nhiệt Nhiệt độ tức thời được tính toán từ cơ học thống kê: 3 N 1 Nk BT =  mi vi2 (3.3) 2 i 2 3.4. Kết quả và thảo luận 3.4.1. Đánh giá sự ảnh hưởng của điện áp phân cực trên đế a) Tương tác bề mặt giữa cacbon và đế 316L Hình 3.4 thể hiện sự tương tác bề mặt giữa cacbon và đế AISI 316L. Hình 3.4. Tương tác bề mặt giữa cacbon và đế AISI 316 b) Cơ chế phát triển màng Quá trình tạo mầm và phát triển mầm phụ thuộc vào điện áp phân cực đế theo quy luật: Vs = 60 ÷ 90 V, các mầm có dạng các đảo nhỏ; Vs = 120 ÷ 200 V, phát triển theo dạng kết hợp giữa đảo và lớp; Vs > 200 V, màng phát triển theo dạng lớp. c) Đặc điểm cấu trúc màng Tỷ lệ sp3 phân bố không đều theo chiều dày màng, vùng trung tâm có tỷ lệ sp3 cao nhất. Trường hợp điện áp phân cực trên đế là 120 V, tỷ lệ sp3 là cực đại và đạt 48,3 %. Hình 3.6 thể hiện sự phân bố và tỷ lệ của sp3 theo chiều dày màng ở các điện thế khác nhau. 12
a) Vs = 0 V b) Vs = 120 V c) Vs = 300 V 400 ps 600 ps Hình 3.5. Cơ chế màng tăng trưởng theo điều kiện tác động điện áp phân cực trên đế: C (tím), Fe (xanh thẫm), Cr (đỏ) and Cr (vàng) Hình 3.6. Tỷ lệ sp3 và sự phân bố của chúng theo chiều dày màng 3.4.3. Đánh giá ảnh hưởng của áp suất phún xạ Áp suất tăng, độ nhám tăng. Tỷ lệ sp3 đạt giá trị lớn nhất ở p =0,005 mbar a) p = 0,0035 mbar b) p = 0,005 mbar c) p = 0,0075 mbar 13
Hình 3.16. Tỷ lệ sp3 trong các màng DLC theo áp suất Kết luận rút ra từ chương 3 Điện áp phân cực ảnh hưởng tới ion đi tới va đập vào màng đang phát triển, áp suất ảnh hưởng tới điều kiện plasma và tốc độ nguyên tử cacbon đi tới hình thành màng trên đế. Cả hai thông số này đều góp phần làm gia tăng tỷ lệ sp3 trong các màng DLC. Trong khoảng điện áp phân cực đế từ 60 V đến 120 V, tỷ lệ sp3 tăng lên theo sự gia tăng của điện áp, vượt quá giới hạn này tỷ lệ sp3 sẽ giảm xuống. Ở đây lượng sp3 cao nhất nhận được là 48,5% ứng với điều kiện điện áp phân cực đế 120V. CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 4.1. Chế tạo màng DLC bằng phương pháp phún xạ 4.1.1. Quy trình tạo lớp phủ DLC trên nền thép AISI 316L Hình 4.1. Quy trình tạo màng DLC trên đế thép AISI 316L 14
4.1.2. Chế độ thực nghiệm Bảng 4.1. Chế độ áp suất sử dụng trong quá trình phún xạ Áp Áp Công Thời Lưu suất Nhiệt Tốc độ suất suất gian lượng khí Mẫu chân độ đế quay đế phủ nguồn phủ Ar cấp không (K) (vòng/phút) (mbar) (W) (phút) (cm3/phút) (mbar) A1 0,00005 0,0075 150 180 300 20 10 A2 0,00005 0,0055 150 180 300 20 10 A3 0,00005 0,005 150 180 300 20 10 A4 0,00005 0,0045 150 180 300 20 10 A5 0,00005 0,004 150 180 300 20 10 A6 0,00005 0,0035 150 180 300 20 10 Bảng 4.2. Chế độ công suất sử dụng trong quá trình phún xạ Áp suất Áp Công Thời Nhiệt Lưu lượng Tốc độ chân suất suất gian Mẫu độ đế khí Ar cấp quay đế không, phủ, nguồn phủ (K) (cm3/phút) (vòng/phút) (mbar) (mbar) (W) (phút) C1 0,00005 0,005 50 180 300 20 10 C2 0,00005 0,005 100 180 300 20 10 C3 0,00005 0,005 150 180 300 20 10 C4 0,00005 0,005 200 180 300 20 10 C5 0,00005 0,005 250 180 300 20 10 4.2. Vật liệu và thiết bị 4.2.1. Vật liệu Thép AISI 316L dạng tấm, chiều dày 6 mm cắt thành các loại mẫu có kích thước khác nhau. Trước khi tiến hành phủ, mẫu được mài qua các loại giấy ráp từ cấp 180 đến 2000, tiếp đến đánh bóng bằng nỉ, độ bóng bề mặt mẫu sau đánh bóng đạt Ra = 0,16 - 0,32 µm. Kế tiếp, mẫu được làm sạch trong bể rung siêu âm với các loại dung môi như axeton và metanon (thời gian 20 phút mỗi loại). Bia vật liệu chất phủ (graphit) có độ sạch 99,999%, đường kính 50,8 mm (2 inch), dày 3,175 mm được cung cấp bởi hãng Kurt J. Lesker. 4.2.2. Thiết bị tạo màng DLC Thiết bị phún xạ UNIVEX 400 sử dụng cho quá trình tạo màng DLC như hình 4.2. Hệ thống bao gồm hai phần: phần điều khiển và phần làm việc 15
Hình 4.2. Hệ thống phún xạ Oerlikon Leybold Univex 400 4.3. Ảnh hưởng của áp suất phún xạ 4.3.1. Phổ raman của các mẫu thép AISI 316L phủ DLC Phân tích độ rộng, vị trí đỉnh G và tỷ lệ cường độ ID/IG cho thấy ở áp suất p = 0,005 mbar sp3 sẽ là lớn nhất. Hình 4.3. Phổ Raman của màng DLC phụ thuộc cào áp suất 16