Tên luận án:
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
Tóm tắt nội dung tài liệu:
Luận án "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" tập trung giải quyết các hạn chế của thép không gỉ AISI 316L khi ứng dụng làm vật liệu cấy ghép, bao gồm khả năng chống mài mòn kém và nguy cơ giải phóng ion kim loại. Đề tài khai thác tiềm năng của lớp phủ cacbon giống kim cương (DLC) với các đặc tính ưu việt như hệ số ma sát thấp, độ cứng cao, trơ hóa học và tương thích sinh học tốt.
Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo lớp phủ DLC trên nền thép AISI 316L đạt các tính chất cơ lý và sinh học phù hợp cho ứng dụng y sinh, cụ thể là độ cứng trên 10 GPa, chiều dày 1-2 µm, độ nhám Rz dưới 10 nm, khả năng chống ăn mòn tốt trong dung dịch HCl 6% và tương thích sinh học trong dung dịch mô phỏng dịch thể người.
Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết, mô phỏng động lực học phân tử và thực nghiệm chế tạo màng DLC bằng kỹ thuật phún xạ. Luận án đã xây dựng mô hình mô phỏng và xác định các thông số hàm thế phù hợp cho quá trình tạo màng DLC trên nền thép 316L đa nguyên tố. Kết quả mô phỏng đã tối ưu hóa các thông số công nghệ (điện áp phân cực anot và áp suất khí phún xạ) để đạt tỷ lệ liên kết C-C dạng sp³ cao nhất (48,5% theo điện áp và 28,3% theo áp suất).
Về thực nghiệm, luận án đã chế tạo thành công lớp màng DLC trên đế thép 316L với các chỉ tiêu cơ tính và tính chất sinh-hóa đáp ứng định hướng ứng dụng y sinh, bao gồm độ cứng từ 13,5 đến 25,9 GPa, độ nhám lớp phủ Rz từ 3,546 đến 9,704 nm, chiều dày lớp màng từ 1223 đến 2334 nm. Các màng DLC thể hiện khả năng bám dính tốt (cấp HF1 ÷ HF2 theo VDI 3189), chống ăn mòn hiệu quả trong dung dịch HCl và thúc đẩy sự hình thành tinh thể canxi hydroxyapatit trên bề mặt khi ngâm trong dung dịch mô phỏng dịch thể người, cho thấy tính tương thích sinh học vượt trội so với thép nền. Các kết quả này đóng góp quan trọng vào nghiên cứu và ứng dụng vật liệu phủ DLC trong lĩnh vực cấy ghép xương. Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm mô phỏng cơ chế phá hủy bám dính và chế tạo màng Me:DLC.
Mục lục chi tiết:
MỞ ĐẦU
- 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
- 2. Mục tiêu nghiên cứu
- 3. Phương pháp nghiên cứu
- 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Về khoa học:
- Về thực tiễn:
- 5. Những đóng góp mới của luận án
- 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.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
- Chương 3: Mô phỏng quá trình hình thành và phát triển màng cacbon giống kim cương trên nền thép không gỉ AISI 316L.
- Chương 4: Thực nghiệm và kết quả.
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
- 1.2. Phương pháp chế tạo
- 1.2.1. Ngưng đọng hơi hóa học bằng plasma (PACVD)
- 1.2.2. Lắng đọng chùm ion (IBD)
- 1.2.3. Hồ quang catot
- 1.2.4. Bốc bay bằng laze xung (PLD)
- 1.2.5. Phún xạ
- 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
- Kết luận chương 1
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
- 2.1. Mô phỏng động lực học phân tử
- 2.1.1. Động lực học cổ điển
- 2.1.2. Động lực học thống kê
- 2.1.3. Thế năng tương tác
- 2.1.4. Các thuật toán trong mô phỏng MD
- 2.1.5. Điều kiện biên tuần hoàn
- 2.1.6. Xác lập điều kiện cân bằng nhiệt cho hệ mô phỏng
- 2.1.7. Mô hình mô phỏng sự lắng đọng của nguyên tử cacbon trên nền 316L
- a) Cấu trúc nguyên tử nền 316L
- b) Vận tốc và vị trí ban đầu của các nguyên tử cacbon
- c) Các hàm thế tương tác
- 2.2. Kỹ thuật phún xạ
- 2.2.1. Cơ sở vật lý quá trình phún xạ
- 2.2.2. Hiện tượng phóng điện plasma
- 2.3. Phương pháp đo lường và phân tích
- 2.3.1. Phổ Raman
- 2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử quyét
- 2.3.3. Phương pháp hiển vi lực nguyên tử
- 2.3.4. Phương pháp thử độ cứng
- 2.3.5. Phương pháp điện hóa đánh giá tính chất ăn mòn
- 2.3.6. Đánh giá tính tương thích sinh học
- Kết luận chương 2
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
- 3.2. Phương pháp mô phỏng
- 3.2.1. Xây dựng đế AISI 316L
- 3.2.2. Xác định vận tốc của các nguyên tử cacbon
- 3.2.3. Vị trí ban đầu của nguyên tử cacbon trong giai đoạn tạo màng
- 3.2.4. Mô hình mô phỏng
- a) Trường hợp phân cực điện áp trên đế
- b) Trường hợp 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
- 3.3.1.2. Tương tác bề mặt
- a) Hàm thế năng tương tác giữa nguyên tử cacbon và sắt
- b) Hàm thế năng tương tác giữa nguyên tử cacbon và crom
- c) Hàm thế năng tương tác giữa nguyên tử cacbon với niken
- 3.3.1.3. Tương tác giữa các nguyên tử nền 316L
- 3.3.2. Thiết lập điều kiện cân bằng nhiệt
- 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
- b) Cơ chế phát triển màng
- c) Đặc điểm cấu trúc màng
- 3.4.3. Đánh giá ảnh hưởng của áp suất phún xạ
- Kết luận rút ra từ chương 3
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
- 4.1.2. Chế độ thực nghiệm
- 4.2. Vật liệu và thiết bị
- 4.2.1. Vật liệu
- 4.2.2. Thiết bị tạo màng DLC
- 4.3. Ảnh hưởng của áp suất phún xạ
- 4.3.1. Phổ raman của các mẫu thép AISI 316L phủ DLC
- 4.3.2. Nhám bề mặt
- 4.3.3. Độ cứng mẫu phủ
- 4.3.4. Đánh giá khả năng bám dính của màng với nền
- 4.4. Ảnh hưởng của công suất phún xạ
- 4.4.1. Đặc điểm cấu trúc màng qua phân tích Raman
- 4.4.2. Sự ảnh hưởng của công suất phún xạ tới chiều dày lớp phủ
- 4.5. Đánh giá khả năng chống ăn mòn của DLC khi phủ lên thép AISI 316
- 4.6. Đánh giá tương thích sinh học của màng
- 4.6.1. Giá trị pH của SBF sau khi ngâm các mẫu DLC-316L theo thời gian
- 4.6.2. Đặc trưng của bề mặt mẫu phủ ngâm trong dung dịch SBF
- Kết luận chương 4
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
- Kết luận:
- Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- 1. Mô phỏng tách lớp nhằm nghiên cứu cơ chế phá hủy giữa màng và nền, từ đó đánh giá khả năng bám dính.
- 2. Mô phỏng tạo màng Me:DLC.
- 3. Thực nghiệm chế tạo màng Me:DLC.