{E}Hợp kim nhớ hình

Nova

MES LAB Founder
Author
Giới thiệu

Hợp kim nhớ hình (SMA) là các hợ kim có khả năng ghi nhớ hình dạng ban đầu của chúng. Chúng đặc biệt hữu dụng trong rất nhiều lĩnh vực như : y sinh, cơ khí chế tạo, hay chế tạo các bộ tạo xung trong ngành điện. Các ứng dụng ngày càng phong phú đã làm cho vai trò của SMA ngày càng trở nên quan trọng.

Lịch sử

Các hợp kim hệ Ni - Ti là các SMA được ứng dụng rộng rài nhất. Các SMA khác bao gồm các họ hợp kim Au - Al - Ni, Cu - Zn - Al và Fe - Mn - Si. Tên gọi chung của các SMA họ Ni - Ti là Nitinol. Lịch sử của các SMA bắt đầu từ năm 1961 khi William J. Buehler, một nhà nghiên cứu tại Naval Ordnance Laboratory, phát hiện ra hiệu ứng nhớ hình ở hợp kim Nitinol (Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory). Phát hiện này là một sự tình cờ may mắn: Tại một cuộc họp của Phòng thí nghiệm, một thanh Nitinol được đem ra trình diễn về khả năng uốn cong nhiều lần. Một trong những người tham gia thuyết trình, TS David S. Muzzey, nung nóng nó bằng cái bật lửa của ông, và thật ngạc nhiên, thanh kim loại phục hồi lại hình dạng ban đầu.

Cấu trúc tinh thể của SMA

Nguyên nhân các SMA có thể “nhớ” được hình dạng của mình vẫn nằm trong màn bí ẩn sau phát minh trên. TS Frederick E. Wang, một chuyên gia trong ngành vật lý tinh thể, là người đầu tiên chỉ ra rằng chính các thay đổi trong cấu trúc ở thang nguyên tử gây ra các tính chất của SMA.

Ông nhận thấy rằng đã có chuyển biến pha ở trạng thái rắn xảy ra đối với các hợp kim này. Chuyển biến pha này, sau này được gọi là chuyển biến martensite, có liên quan mật thiết tới sự thay đổi trong sắp xếp các nguyên tử trong mạng tinh thể của hợp kim. Dưới nhiệt dộ chuyển biến, Nitinol có cấu trúc matensite. Khi thành phần của Nitinol thay đổi, nhiệt độ chuyển biến dao động từ -50 đến 166 ° C. Ở trạng thái martensite, có thể được uốn thành rất nhiều hình dạng khác nhau. Để “định” một “hình dạng gốc” cho Nitinol, người ta giữ nó ở vị trí biến dạng đó và nung lên nhiệt độ khoảng 500 độ C. Nhiệt độ cao làm cho các nguyên tử tự sắp xếp theo các cấu trúc compact (bó gọn) và theo trật tự khả dĩ, kết quả là tạo ra pha lạp phương mà ta gọi là austenite. Trên nhiệt độ chuyển biến, nitinol chuyển từ pha M –> pha A và phục hồi “hình dạng gốc” của mình. Các chuyển biến này có thể lặp lại hàng triệu lần mà nitinol vẫn có thể “nhớ” được.

Chế tạo

Có nhiều cách để chế tạo nitinol. kỹ thuật phổ dụng hiện nay để chế tạo hợp kim Ni - Ti bao là các phương pháp nấu chảy chân không (vacuum melting): nấu chảy bằng dòng electron, nấu chảy bằng hồ quang trong chân không, nấu chảy cảm ứng trong chân không. Thỏi đúc được rèn, sau đó được cán thành thanh hoặc kéo dây. Nhiệt độ gia công ~ 700 - 900 độ C.

Các hợp kim Ni - Ti cũng có thể gia công nguội được. Quy trình cũng tương tự như gia công dây Titan. Người ta dùng các khuôn kéo có kim cương và cacbit để chế tạo các sản phẩm dạng dây có đường kính 0.075 - 1.25 mm. Gia công nguội làm thay đổi mạnh tính chất cơ lý của hợp kim Ni - Ti.

Tính chất

Tính chất của hợp kim Ni - Ti phụ thuộc TPHH và phương pháp chế tạo:

- Nhiệt độ chảy: 1240 - 1310 độ C
- Tỷ trọng : ~ 6.5 g/cm³
Nitinol có thể sinh ra một lực lớn khi chuyển biến về “hình dạng gốc”. Một vài tính chất đáng chú ý khác là khả năng chống ăn mòn, độ bèn cao, phi từ tính, chịu nhiệt và độ dai lớn.

Các tính chất này dẫn đến các ứng dụng tuyệt vời của các Nitinol.

Ứng dụng

Nitinol có rất nhiều ứng dụng trong kỹ thuật quân sự, y học, kỹ thuật an toàn và trong chế tạo robot.

- Trong y học: Chế tạo các loại stent (một loại chi tiết siêu nhỏ cấy vào mạch máu để chống lại sự tắc ngẽn mạch máu do bám mỡ), chế tạo các loại nẹp xương, đỡ cột sống, van tim, nẹp chỉnh hình răng,….

- Trong chế tạo các thiết bị an toàn và thiết bị báo cháy,…

- Ứng dụng trong chế tạo đồ gia dụng: sensor nhiệt, bộ phát dao động trong các dụng cụ,…

Anh Tuấn (dịch từ http://www.stanford.edu)
 
T

thanhtbg

Re: Hợp kim nhớ hình

Chào anh!Em mới tham gia diễn đàn này
Em đang là SV cơ khí chuyên dùng và đang thực hiện một đề tài NCKH về hợp kim nhớ hình.
Hiện em chưa có tài liệu về loại này.
Anh chia sẻ cho em được không(tài liệu tiếng Việt thì càng tốt)
Thank!
 

Nova

MES LAB Founder
Author

Nova

MES LAB Founder
Author

worm

Well-Known Member
Moderator
Thật khó tưởng tượng chứ không chỉ là "Ấn tượng"!
Sao lại khó nhỉ? Đề tài này thế giới đã có những nghiên cứu từ hơn 40 năm trước, ở VN cũng vào khoảng 20 năm. Những ứng dụng của nó cũng xuất hiện nhiều trong y tế như một số loại van tim nhân tạo ... VTV cũng từng có 1 chương trình về loại vật liệu này cách đây khoảng 10 năm trên VTV2. Nhưng vì nhiều lý do, chủ yếu là giá thành, nên không được phổ cập. Còn đối với dân vật liệu, trong các tài liệu, sách vở về vật liệu đều có nhắc đến loại hợp kim này.
 
N

nguoiphoco

Sao lại khó nhỉ? Đề tài này thế giới đã có những nghiên cứu từ hơn 40 năm trước, ở VN cũng vào khoảng 20 năm. Những ứng dụng của nó cũng xuất hiện nhiều trong y tế như một số loại van tim nhân tạo ... VTV cũng từng có 1 chương trình về loại vật liệu này cách đây khoảng 10 năm trên VTV2. Nhưng vì nhiều lý do, chủ yếu là giá thành, nên không được phổ cập. Còn đối với dân vật liệu, trong các tài liệu, sách vở về vật liệu đều có nhắc đến loại hợp kim này.
Cái này công nhận có lâu rồi, nhưng cậu worm uếch quá, cách đây khoảng 10 năm worm mới độ tuổi học cấp 3 mờ sớm quan tâm tới vấn đề đó.
Bái phục bái phục!
 
T

trEcOn

tình hình là mình đang học môn này (matériaux intelligents), tuy vậy đọc giáo trình của a thầy từ mới nhiều quá, ae nào có từ điển chuyên ngành vật liệu tiếng Pháp có thể share cho mình đc kô ?
 

worm

Well-Known Member
Moderator
Cái này công nhận có lâu rồi, nhưng cậu worm uếch quá, cách đây khoảng 10 năm worm mới độ tuổi học cấp 3 mờ sớm quan tâm tới vấn đề đó.
Bái phục bái phục!
Ha ha, câu đó dành cho Nova thì đúng hơn. Mà cũng nói luôn cho mi biết "đề tài tốt nghiệp của ta là nghiên cứu về hợp kim nhớ hình".

Đã không biết ta là ai thì đi theo chọc nguấy ít thôi kẻo có ngày lại ... cắn nhầm lưỡi.
 
N

nguoiphoco

Ha ha, câu đó dành cho Nova thì đúng hơn. Mà cũng nói luôn cho mi biết "đề tài tốt nghiệp của ta là nghiên cứu về hợp kim nhớ hình".

Đã không biết ta là ai thì đi theo chọc nguấy ít thôi kẻo có ngày lại ... cắn nhầm lưỡi.
Chết thật, đâu dám chọc giận worm, bạn cả nghĩ rồi, đọc mấy bài của bạn tôi đoán bạn tầm độ tuổi 8x, độ chững chạc chưa có, lời nói không chắc chắn.
Thôi bỏ qua đi, mà biết cậu làm đề tài về hợp kim nhớ hình, cậu có tài liệu quý thế post lên đây làm tài liệu cho mọi người tham khảo.
Cậu là thành viên chăm chỉ mà tôi cũng quý mến, nếu cậu điềm đạm hơn tôi nghĩ cậu hơn vài chục tuổi nữa đấy!
 

worm

Well-Known Member
Moderator
Chết thật, đâu dám chọc giận worm, bạn cả nghĩ rồi, đọc mấy bài của bạn tôi đoán bạn tầm độ tuổi 8x, độ chững chạc chưa có, lời nói không chắc chắn.
Thôi bỏ qua đi, mà biết cậu làm đề tài về hợp kim nhớ hình, cậu có tài liệu quý thế post lên đây làm tài liệu cho mọi người tham khảo.
Cậu là thành viên chăm chỉ mà tôi cũng quý mến, nếu cậu điềm đạm hơn tôi nghĩ cậu hơn vài chục tuổi nữa đấy!
Tiếc thật đấy, "mắt kém" nhưng vẫn thích thể hiện "thông thiên nhãn", "tai điếc" mà vẫn muốn khoe tài "thuận phong nhĩ". Cái gì cần thì đến lúc sẽ gửi, mà cái có rồi thì cũng chẳng việc gì phải spam cho chật diễn đàn. Đã không biết tôi là ai, chỉ quen thói nhìn mặt mà bắt hình dong qua những bài viết đủ thể loại thì ... cỡ của nguoiphoco cũng chỉ đến mức khích bác thế thôi, nhàm lắm, giỏi được mỗi cái quy chụp.
 
N

nguoiphoco

Tiếc thật đấy, "mắt kém" nhưng vẫn thích thể hiện "thông thiên nhãn", "tai điếc" mà vẫn muốn khoe tài "thuận phong nhĩ". Cái gì cần thì đến lúc sẽ gửi, mà cái có rồi thì cũng chẳng việc gì phải spam cho chật diễn đàn. Đã không biết tôi là ai, chỉ quen thói nhìn mặt mà bắt hình dong qua những bài viết đủ thể loại thì ... cỡ của nguoiphoco cũng chỉ đến mức khích bác thế thôi, nhàm lắm, giỏi được mỗi cái quy chụp.
Chẳng giấu gì cậu, lúc đầu tớ tò mò vào xem topic, chứ không định post bài, nhưng đọc bài siu tập của bác quản trị Mes tôi nhớ ngày xưa tôi có cái kính làm bằng titan, bẻ 2 mắt kính áp sát nhau mà gọng không gãy, bài siu tầm trên tôi thầy người ta phải dùng nước ở nhiệt độ nào đó khôi phục hình dạng cũ của đoạn dây, khi đổ nước vào xếp thành chữ hot, kính của tôi thì không phải vậy, chỉ là có độ dẻo.
Tôi thấy hay vào post bài để lưu danh sách những bài viết, khi nào rảnh tìm lại bài trong mục những bài đã post để đọc lại topic và xem lại video clip của bác QT post, thấy cậu làm đồ án tôi định nhờ cậu post lên diễn đàn để mọi người tham khảo.
@2nd: Tớ đâu spam nhảm nhí!
@worm: Hãy thận trọng, tâm lành đâu nghĩ điều bậy, tôi đã biết bác có nhiều bài post rất hay, nhưng cần cụ thể hơn để người đọc có thêm tài liệu tham khảo, góp ý nhẹ nhàng đừng coi tôi khích bác. Tôi nói rồi tôi rất quý mến bác nên tôi mới góp ý thôi, chứ còn không tôi cũng chả thèm nói nửa lời bác worrm ah.
 

Nova

MES LAB Founder
Author
...ngày xưa tôi có cái kính làm bằng titan, bẻ 2 mắt kính áp sát nhau mà gọng không gãy, bài siu tầm trên tôi thầy người ta phải dùng nước ở nhiệt độ nào đó khôi phục hình dạng cũ của đoạn dây, khi đổ nước vào xếp thành chữ hot, kính của tôi thì không phải vậy, chỉ là có độ dẻo....
Cái kính của bác nó là hiệu ứng siêu đàn hồi - super elastic effect bác ạ.

Thông thường, khi nghiên cứu hiệu ứng nhớ hình - shape memory effect - thì trước đó người ta hay đề cập đến hiệu ứng siêu đàn hồi và hiệu ứng "cao su" - rubber effect, là những hiệu ứng liên quan đến khả năng năng đàn hồi cao bất thường của vật liệu, lên đến hàng trăm thậm chí hàng nghìn phần trăm - như là cao su vậy.

Với cái kính siêu đàn hồi, khi bác vượt quá giai đoạn đàn hồi, kính bị biến dạng dẻo chẳng hạn (thường gãy hơn là biến dạng dẻo), kính không thể phục hồi hình dạng như cũ, còn hợp kim nhớ hình thì khác (bỏ qua trường hợp gãy nhé). Đó là lý do tại sao người ta ứng dụng hợp kim nhớ hình vào việc chế tạo một số cơ cấu siêu nhỏ, gọi là stent, đưa vào mạch máu người dưới dạng compact - bó gọn. Khi ở trong máu, nhiệt độ máu làm cho bó compact này "nở ra", có tác dụng như một "ống" giúp máu lưu thông tại những chỗ có mỡ bám gây tắc chẳng hạn.

Xin xem video minh họa:


Link thêm Video: http://machinetoolsvn.com/tutorials...-stent-is-[MEDIA=youtube]se-3d[/MEDIA]-heart/

Ứng dụng vật liệu cho Y học rất thú vị, ngoài stent, người ta còn nghiên cứu các vật liệu thay khớp xương, vật liệu hữu cơ thay thế các mô - tissues,...Hồi mình học Master có môn tên là Bio-materials, ở Việt Nam hình như ĐHBK HN mới đưa vào giảng dạy cho SV năm 2007, 2008 bằng tiếng Anh thì phải.
 
Last edited:

TAMAC

Active Member
Đúng là như bạn Worm nêu loại vật liệu có khả năng nhớ hình này đã có từ lâu nhưng các đoạn video và tài liệu của Nova giới thiệu rất hay. Năm 1980 khi còn là SV ĐHBK tôi được xem 1 bộ phim khoa học của Nga có tên là "Trí nhớ kim loại" giới thiệu về cách vá một chi tiết tàu quân sự, chỗ cần vá là ống kín không chui vào được người ta cuộn tấm kim loại (có sẵn các lỗ đinh tán) lại rồi đưa vào trong qua lỗ thủng rồi làm nó nở ra sau đó đinh tán đầu có các hạt nổ được gắn vào và kích nổ thế là hàn kín được lỗ thủng. Vui một chút bây giờ tôi đã hiểu tại sao con rắn hổ mang có thể nằm rất hoành tráng trong bình rượu mà miệng bình rất nhỏ so với con rắn.
 

lddung

Chuyên gia cao cấp
Sao lại khó nhỉ? Đề tài này thế giới đã có những nghiên cứu từ hơn 40 năm trước, ở VN cũng vào khoảng 20 năm. Những ứng dụng của nó cũng xuất hiện nhiều trong y tế như một số loại van tim nhân tạo ... VTV cũng từng có 1 chương trình về loại vật liệu này cách đây khoảng 10 năm trên VTV2. Nhưng vì nhiều lý do, chủ yếu là giá thành, nên không được phổ cập. Còn đối với dân vật liệu, trong các tài liệu, sách vở về vật liệu đều có nhắc đến loại hợp kim này.
Em cũng từng xem VTV khoảng chục năm trước....nhưng em nhớ hồi đó là 1 cái thìa bị bẻ cong..vặn xoắn rồi phục hồi như cũ từ từ,chứ không phải từ 1 "đống dây thép rối rắm" thành chữ HOT trong nháy mắt như thế!Cái đó mới làm em khó có thể tưởng tượng được...:4:
 

worm

Well-Known Member
Moderator
Em cũng từng xem VTV khoảng chục năm trước....nhưng em nhớ hồi đó là 1 cái thìa bị bẻ cong..vặn xoắn rồi phục hồi như cũ từ từ,chứ không phải từ 1 "đống dây thép rối rắm" thành chữ HOT trong nháy mắt như thế!Cái đó mới làm em khó có thể tưởng tượng được...:4:
Vì thế nó mới gọi là hợp kim nhớ hình, chữ HOT đó được tạo ra trước ở khoảng nhiệt độ cao, sau đó để nguội và làm biến dạng linh tinh. Khi nung nóng đến nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ chuyển pha, nó sẽ trở về hình dạng cũ. Và loại hợp kim này được gọi là hợp kim nhớ hình một chiều. Một ví dụ có tác dụng tương tự mà mọi người đều đã biết trong chương trình vật lý ở PTTH là hiện tượng khi 2 thanh kim loại khác nhau (sắt + đồng) được đính chặt với nhau, lúc nung nóng nó sẽ bị uốn và khi nguội thì trở lại trạng thái gần như cũ (nhưng cái này có nguyên nhân do độ giản nỡ nhiệt khác nhau, khác với nguyên nhân của hiệu ứng nhớ hình là do chuyển pha bên trong vật liệu)

Ngoài ra, còn có loại hợp kim nhớ hình hai chiều. Khi nung nóng sẽ có một hình dạng, khi làm nguội lại trở về hình dạng khác. Còn một loại xịn hơn thì có nhiều nấc nhớ hình, khi nung ở nhiệt độ thứ 1 --> hình dạng 1, nung đến cấp nhiệt độ tiếp theo ---> hình dạng 2, nung đến cấp nhiệt độ thứ 3 ---> hình dạng 3.

Nếu mọi người quan tâm, thì trong bài viết sau tôi sẽ bổ sung thêm một số khái niệm, nguyên lý và cơ chế giải thích cho hiện tượng này (chủ yếu mang tính lý thuyết).
 
Last edited:

worm

Well-Known Member
Moderator
khái niệm và các hệ hợp kim nhớ hình

1. Khái niệm:
Hợp kim nhớ hình (Shape Memory Alloys - SMA) là một vật liệu kim loại có những tính chất đặc biệt được phát hiện vào đầu thế kỷ 20 (xem bài viết của Nova). Loại hợp kim này có độ đàn hồi lớn và đặc biệt là khả năng phục hồi hình dạng ban đầu (trước khi bị biến dạng) thông qua xử lý nhiệt. Khi ở trạng thái nguội hoặc nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha, SMA có độ cứng thấp và dễ biến dạng. Khi nung đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển pha, cấu trúc tinh thể của loại hợp kim này thay đổi làm cho nó có khả năng khôi phục lại hình dạng ban đầu. Nếu quá trình này bị cản trở, nó sẽ sinh ra một lực vô cùng lớn.
Đối với hợp kim nhớ hình, điều cần quan tâm trước hết là các nhiệt độ bắt đầu và kết thúc quá trình chuyển pha từ martensit sang austenite và ngược lại.
2. Các hệ hợp kim nhớ hình:
Trên thế giới hiện nay có nhiều hệ hợp kim nhớ hình khác nhau, thậm chí có cả hệ trên cơ sở thép hợp kim. Tuy nhiên, đặc trưng nhất là hai hệ hợp kim Nitinol và Au - Cd.
Hệ hợp kim Nitinol được biết đến và ứng dụng nhiều nhất trong kỹ thuật. Loại hợp kim này có cơ tính và điện tính rất tốt, độ bền mỏi và nhất là khả năng chống ăn mòn cao. Vì vậy, nó được coi là một loại vật liệu đa năng, vừa đóng vai trò phát động, vừa là cảm biến .. Nó cũng là hệ hợp kim nhớ hình được sản xuất nhiều nhất ở dạng thương phẩm, bao gồm các loại ống, sợi, băng, tấm .. Nó được ứng dụng nhiều trong y tế (van tim, van nong ...), công nghiệp vũ trụ (anten, cơ cấu đóng mở các tấm pin mặt trời ...), thậm chí cũng đã từng được giới thiệu trong một số ứng dụng khác như làm vỏ ô tô (khi bị biến dạng sau tai nạn, chỉ cần 1 phích nước nóng cũng có thể khôi phục lại hình dạng ban đầu của vỏ xe).
Hệ hợp kim Au - Cd thì ngược lại, chủ yếu chỉ được dùng trong lĩnh vực nghiên cứu. Do những đặc điểm tạo ra từ các nguyên tố tạo thành, hệ hợp kim này rất thích hợp cho việc nghiên cứu và xác định cấu trúc tinh thể để xác định nguyên nhân tạo ra các đặc tính cho loại vật liệu đặc biệt này. Tuy nhiên, giá thành chế tạo ra nó (hệ hợp kim Au - Cd) thì lại cao nên khả năng ứng dụng bị hạn chế rất nhiều. Một duy trì đơn tinh thể của hệ Au - Cd rất khó khăn, chỉ được duy trì trong những điều kiện đặc biệt ... vừa đủ để thu được các hình ảnh nhiễu xạ (nhờ các đặc tính trơ về hóa học của Au - Cd mới có thể duy trì được ở dạng đơn tinh thể, còn Ni - Ti thì tạo và duy trì đơn tinh thể khó hơn rất nhiều lần).
-----------------------------
Một số tài liệu tham khảo:
1. SMA Company."Introduction to shape memory alloys" http://www.sma-mems.com/intro.htm
2. Chủ biên Lê Công Dưỡng. "Vật liệu học" - NXB KHKT 1997.
3. S.Vatanayon, R.F.Heheman. "Shape memory effect in alloys" - Plenum Press, New York 1975.
và một số tài liệu khác.
 
Top