Tên luận án:
Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu đàn hồi hệ NiTi
Ngành:
Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (ứng dụng y sinh)
Tóm tắt nội dung tài liệu:
Luận án "Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu đàn hồi hệ NiTi" tập trung vào việc phát triển vật liệu tiên tiến NiTi xốp cho ứng dụng y sinh, đặc biệt là chế tạo xương nhân tạo và miếng đệm đốt sống nhân tạo. Hiện nay, vật liệu y sinh ở Việt Nam chủ yếu nhập khẩu, do đó việc chủ động tiếp cận công nghệ sản xuất là cần thiết. Mục tiêu chính của luận án là nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu đàn hồi NiTi xốp bằng phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền (SHS) kết hợp với hoạt hóa cơ học (MA), đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ (nhiệt độ nung sơ bộ, hoạt hóa cơ học, xử lý nhiệt) đến khả năng phản ứng, độ xốp và cơ tính của vật liệu. Đối tượng nghiên cứu là vật liệu NiTi xốp với các tính chất cơ học và công nghệ chế tạo phù hợp cho ứng dụng y sinh.
Luận án đã đạt được nhiều kết quả và điểm mới quan trọng. Đây là lần đầu tiên vật liệu siêu đàn hồi NiTi xốp được nghiên cứu chế tạo ở Việt Nam, và cũng là lần đầu tiên phương pháp SHS kết hợp MA được ứng dụng thành công để sản xuất loại vật liệu này, điều chưa từng công bố trên thế giới. Các nghiên cứu đã làm rõ ảnh hưởng của các thông số nhiệt động học đến quá trình phản ứng SHS giữa Ni và Ti, luận giải cơ chế biến dạng siêu đàn hồi, và xác định các thông số công nghệ tối ưu.
Các kết quả nổi bật bao gồm việc chế tạo thành công vật liệu NiTi xốp với pha NiTi cân bằng (cấu trúc B2 Austenit ưu thế), độ xốp trung bình từ 44-58% và tỷ lệ lỗ xốp hở trên 60%, cùng kích thước lỗ xốp dao động 100-700µm. Quá trình xử lý nhiệt (400-500°C, 4-5h) đã cải thiện đáng kể cơ tính, tăng khả năng biến dạng (đạt khoảng 4,0%) và phục hồi biến dạng (đến 2,5%), với giới hạn bền nén > 150MPa. Luận án cũng đã chế tạo thử thành công hai dạng sản phẩm miếng đệm đốt sống nhân tạo (PLB002-0911 và PLB004-0911), khẳng định tính khả thi của công nghệ đề xuất. Phương pháp SHS-MA cho thấy ưu điểm về thời gian chế tạo ngắn và nhiệt độ thấp so với các phương pháp khác, đồng thời mang lại các tính chất vật liệu tương đồng hoặc tốt hơn.
Mục lục chi tiết:
- A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
- 1. Lý do lựa chọn đề tài
- 2. Mục đích của luận án
- 3. Đối tượng nghiên cứu
- 4. Phương pháp nghiên cứu
- 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- 6. Những kết quả đạt được và điểm mới của đề tài
- B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
- CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU SIÊU ĐÀN HỒI NITI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO
- 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu siêu đàn hồi
- 1.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu siêu đàn hồi NiTi xốp
- 1.2.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu NiTi xốp trên thế giới
- 1.2.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu NiTi xốp ở Việt Nam
- 1.3. Yêu cầu đối với vật liệu NiTi xốp ứng dụng làm miếng đệm đốt sống nhân tạo
- 1.4. Các phương pháp chế tạo vật liệu NiTi xốp
- 1.4.1. Chế tạo vật liệu NiTi xốp bằng phương pháp thiêu kết thông thường và thiêu kết trong chân không
- 1.4.1.Chế tạo vật liệu NiTi xốp bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học
- 1.4.3. Chế tạo vật liệu NiTi xốp bằng phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền
- 1.4.4. Chế tạo vật liệu NiTi xốp bằng phương pháp thiêu kết xung plasma
- 1.4.5. Chế tạo vật liệu NiTi xốp bằng phương pháp ép nóng đẳng tĩnh
- 1.4.6. Đề xuất quy trình công nghệ chế tạo vật liệu NiTi xốp phù hợp với điều kiện thí nghiệm Việt Nam
- 1.5. Kết luận chương 1
- CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU VẬT LIỆU SIÊU ĐÀN HỒI NiTi
- 2.1. Cơ sở lý thuyết biến dạng vật liệu siêu đàn hồi
- 2.2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của vật liệu siêu đàn hồi NiTi
- 2.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ hóa học của Ni và Ti
- 2.2.2. Ảnh hưởng của phương pháp chế tạo
- 2.3.3. Ảnh hưởng của độ xốp
- 2.2.4. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt
- 2.3. Cơ sở lý thuyết của phương pháp SHS chế tạo vật liệu
- 2.3.1. Giới thiệu chung về phương pháp SHS
- 2.3.2. Nhiệt động học và tính ổn định của phương pháp SHS
- 2.3.3. Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến phản ứng SHS
- 2.4. Kết luận chương 2
- CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
- 3.1. Phương pháp nghiên cứu
- 3.1.1. Phương pháp xác định thành phần pha của vật liệu
- 3.1.2. Phương pháp xác định độ xốp vật liệu đóng bánh và độ xốp sản phẩm nhận được sau phản ứng SHS
- 3.1.3. Phương pháp xác định sự thay đổi hình thái hạt bột trước và sau quá trình hoạt hóa cơ học, sự phân bố lỗ xốp và cấu trúc lỗ xốp
- 3.1.4. Phương pháp xác định các tính chất cơ học của vật liệu NiTi xốp nhận được sau phản ứng SHS và sau xử lý nhiệt
- 3.1.5. Phương pháp so sánh đối chứng
- 3.1.6. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai
- 3.2. Thiết bị chế tạo vật liệu
- 3.3. Kết luận chương 3
- CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU SIÊU ĐÀN HỒI NiTi XỐP
- 4.1. Vật liệu ban đầu
- 4.1.1. Bột Ni và Ti ban đầu
- 4.1.2. Tính toán phối liệu
- 4.1.3. Hoạt hóa cơ học/trộn đồng đều hóa thành phần.
- 4.1.4. Ép đóng bánh và nung sơ bộ
- 4.2. Phản ứng SHS
- 4.2.1. Trường hợp các mẫu hỗn hợp bột chỉ được trộn đồng đều/hoạt hóa cơ học với thời gian tma < 1,5h
- 4.2.2. Trường hợp các mẫu hỗn hợp bột ban đầu được hoạt hóa cơ học trong thời gian tMA ≥ 1,5h
- 4.2.3. Độ xốp, hình thái lỗ xốp sản phẩm vật liệu NiTi sau phản ứng SHS
- 4.2.3.1. Mặt cắt, mặt gẫy của sản phẩm vật liệu NiTi xốp chế tạo bằng phương pháp SHS
- 4.2.3.2. Độ xốp vật liệu NiTi xốp chế tạo bằng phương pháp SHS
- 4.3. Kết luận chương 4
- CHƯƠNG 5. ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CƠ HỌC VẬT LIỆU NiTi XỐP VÀ SẢN PHẨM CHẾ THỬ TRONG NƯỚC
- 5.1. Các tính chất cơ học của vật liệu NiTi xốp chế tạo bằng phương pháp SHS – MA
- 5.1.1. Các tính chất cơ học của vật liệu NiTi xốp chế tạo bằng phương pháp SHS – MA không xử lý nhiệt
- 5.1.2. Các tính chất cơ học của vật liệu NiTi xốp chế tạo bằng phương pháp SHS – MA có xử lý nhiệt
- 5.2. Đánh giá khả năng siêu đàn hồi của vật liệu NiTi xốp chế tạo bằng phương pháp SHS – MA
- 5.2.1. Kết quả phân tích phổ XRD
- 5.2.2. Kết quả phân tích nhiệt vi sai
- 5.3. So sánh kết quả đạt được với các kết quả đã công bố
- 5.4. Ứng dụng chế thử miếng đệm đốt lưng nhân tạo từ vật liệu NiTi xốp chế tạo bằng phương pháp SHS
- 5.4.1. Miếng đệm đốt sống nhân tạo và các yêu cầu
- 5.4.2. Chế thử miếng đệm đốt sống nhân tạo
- 5.5. Kết luận chương 5
- KẾT LUẬN