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

Hồ Ký Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 39 - 43 
 39
ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG SƠ BỘ ĐẾN QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP 
NITI XỐP BẰNG PHƯƠNG PHÁP SHS 
Hồ Ký Thanh1,2*; Trần Văn Dũng2; Nguyễn Đặng Thủy2; Trần Đức Thịnh2; 
Phương Văn Hiếu2; Nguyễn Huy Hoàng2 
1Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên, 
2Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 
TÓM TẮT 
Bài báo này trình bày một số kết quả khảo sát công nghệ tổng hợp hợp kim NiTi xốp bằng phương 
pháp SHS. Kết quả thực nghiệm cho thấy, nhiệt độ nung sơ bộ tối thiểu để phản ứng SHS xảy ra là 
Tp = 250°C. Khi tăng nhiệt độ nung sơ bộ, thời gian đánh lửa cần thiết giảm. Khi nhiệt độ nung sơ 
bộ Tp ≥ 450°C, phản ứng SHS có thể xảy ra ở chế độ đồng thời (tự phản ứng không đánh lửa). Kết 
quả phân tích XRD cho thấy, sau phản ứng SHS sản phẩm tồn tại pha NiTi mong muốn là chủ yếu. 
Độ xốp của sản phẩm thu được tương đối cao (trong khoảng 44% ÷ 58%), tỉ lệ lỗ xốp hở trên 80%. 
Kết quả chụp SEM cho thấy, hình dạng và sự phân bố lỗ xốp tương đối đồng đều theo cả mặt cắt 
ngang và mặt cắt dọc mẫu, kích thước các lỗ xốp trong khoảng từ 100 ÷ 500µm. 
Từ khóa: phương pháp SHS, NiTi xốp, áp lực ép ban đầu, nhiệt độ nung sơ bộ, hình dạng và sự 
phân bố lỗ xốp. 
ĐẶT VẤN ĐỀ* 
Hệ vật liệu NiTi đang được sử dụng rộng rãi 
ngày nay do nó có các tính chất đặc biệt, đó là 
khả năng siêu đàn hồi và nhớ hình, nhất là 
NiTi đặc. NiTi xốp không có khả năng đàn 
hồi và nhớ hình tốt như NiTi đặc nhưng 
chúng lại được ứng dụng rất rộng rãi trong 
công nghệ y sinh để làm các mô cấy ghép, 
xương nhân tạo Sở dĩ như vậy là vì tính 
tương thích sinh học của NiTi, tổ chức xốp 
làm cho mô đun đàn hồi của nó giảm tránh 
gây căng cứng, tổn thương cho cơ thể và tạo 
điều kiện thuận lợi phát triển của mô cơ khi 
chúng được ghép vào cơ thể người [1]. 
NiTi xốp có thể chế tạo bằng nhiều phương 
pháp khác nhau như phương pháp thiêu kết 
trong chân không (VS), phương pháp thiêu 
kết xung plasma (SPS), phương pháp ép nóng 
đẳng tĩnh với sự giãn nở của khí Ar (HIP) [1], 
phương pháp ép nóng đẳng tĩnh (CF-HIP), 
phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan 
truyền (SHS), phương pháp thiêu kết thông 
thường (CS) [2]. So sánh giữa các phương 
pháp này nhận thấy, một vài phương pháp cho 
kết quả độ xốp và kích thước lỗ xốp lớn như 
phương pháp CS, HIP, CF-HIP, SPS, VS. 
Tuy nhiên chúng thường bị giới hạn bởi các 
thiết bị đắt tiền. Phương pháp SHS cho kích 
*
 Tel: 0984 194198, Email: hkythanh@tnut.edu.vn 
thước lỗ xốp tương đối lớn (200÷600µm), độ 
xốp cao (đến 65%), tỉ lệ độ xốp hở cao (đến 
87%) nên vẫn được dùng để tổng hợp NiTi 
xốp phục vụ chế tạo các mô xương thay thế 
(ActiporeTM, Biorthex, Canada) [1]. Phương 
pháp SHS dựa trên tiền đề là các phản ứng tỏa 
nhiệt, nhiệt độ cao của phản ứng sẽ nung 
nóng các vùng chưa phản ứng tạo điều kiện 
để phản ứng tự duy trì và lan truyền (self-
propagated) [3]. 
Hình 1. Quy trình công nghệ chung tổng hợp NiTi 
xốp bằng phương pháp SHS [5]. 
Có rất nhiều các thông số công nghệ ảnh 
hưởng đến quá trình tổng hợp NiTi xốp bằng 
phương pháp SHS như: kích thước hạt ban 
đầu của các chất phản ứng, độ xốp ban đầu 
của mẫu ép trước phản ứng; sự thoát ra của 
các khí trong quá trình phản ứng, thành phần 
hóa học các chất tham gia phản ứng, nhiệt độ 
đánh lửa, sự hoạt hóa cơ học [4], nhiệt độ 
Hồ Ký Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 39 - 43 
 40
nung sơ bộ [5]. Những thông số này không 
chỉ ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp NiTi 
xốp mà một số thông số còn ảnh hưởng trực 
tiếp đến độ xốp, hình thái lỗ xốp của sản 
phẩm nhận được sau phản ứng SHS. 
Bài báo này trình bày các nghiên cứu về ảnh 
hưởng của nhiệt độ nung sơ bộ (TP), áp lực ép 
ban đầu (độ xốp ban đầu của mẫu) đến quá 
trình tổng hợp NiTi xốp bằng phương pháp 
SHS. Thêm vào đó ảnh hưởng của áp lực ép 
đến độ xốp, kích thước lỗ xốp của sản phẩm 
nhận được sau phản ứng SHS cũng được 
khảo sát. 
KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 
Vật liệu ban đầu sử dụng trong quá trình tổng 
hợp NiTi xốp bằng phương pháp SHS (hình 
1) là bột thương mại Ni (độ sạch trên 99,9%; 
cỡ hạt trung bình khoảng 10µm) và Ti (độ 
sạch trên 99,9%; cỡ hạt trung bình khoảng 
100µm). Hỗn hợp bột Ni và Ti ban đầu được 
phối trộn theo tỉ lệ nguyên tử 50%Ni và 
50%Ti, tỷ lệ về nguyên tử được tính toán và 
chuyển đổi thành tỷ lệ về khối lượng và xác 
định bằng cân điện tử (SCIENTECH, Mỹ) với 
độ chính xác đến 10–4gr. Sau đó hỗn hợp bột 
Ni + Ti được hoạt hóa cơ học bằng máy 
nghiền bi đứng (tốc độ 720vòng/phút trong 
thời gian 2h) với tỉ lệ bi: bột được lựa chọn là 
10 : 1 trong môi trường khí Ar bảo vệ. Quá 
trình đóng khối sơ bộ hỗn hợp bột được thực 
hiện trên máy ép thủy lực 100tấn (STENH∅J, 
Đan Mạch) với áp lực trong khoảng 
(40÷120)MPa tạo thành các mẫu hình trụ có 
đường kính d = 16mm, chiều cao h = 45mm. 
Phản ứng SHS được thực hiện lần lượt với 
các mẫu ép trong lò nung điện trở ống ngang 
có khí Ar bảo vệ. Nhiệt độ nung sơ bộ được 
khảo sát thay đổi trong phạm vi Tp = 250°C ÷ 
600°C. Khi nung đến nhiệt độ cần thiết, mẫu 
được đánh lửa bằng sợi dây W có nhiệt độ Tig 
= 2000°C được điều khiển bằng máy biến thế 
một chiều hiệu điện thế lớn nhất là 30V 
(LiOA DC.Power, Việt Nam). Kết thúc quá 
trình đánh lửa, mẫu được tôi trong nước. Để 
xác định thành phần pha sản phẩm sau khi 
đánh lửa sử dụng phương pháp phân tích phổ 
nhiễu xạ Rơnghen XRD (máy Siemens 
D5005, Đức). Độ xốp của mẫu và tỉ lệ độ xốp 
hở được xác định bằng phương pháp Ác-si-
mét. Cấu trúc tế vi của mẫu được quan sát và 
soi chụp trên hiển vi điện tử quét SEM (máy 
QUANTA 200, FEI). 
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
Trước khi tiến hành thực nghiệm, các mẫu bột 
Ni và Ti được xác định kích cỡ hạt bằng 
phương pháp SEM (hình 2), phân tích 
thành phần hóa học bằng phương pháp 
XRD (hình 4a). 
Hình 2. Ảnh SEM các bột Ti (a) và Ni (b) được sử 
dụng để tổng hợp NiTi xốp. 
Sau khi hoạt hóa cơ học, mẫu được ép sơ bộ 
đạt độ xốp trong khoảng 21,9% ÷ 29,0% tùy 
thuộc áp lực ép sơ bộ (được xác định thông 
qua kích thước và khối lượng mẫu ở trạng 
thái xốp so với tỉ trọng đặc theo lý thuyết của 
NiTi). Độ xốp ban đầu ảnh hưởng lớn đến quá 
trình phản ứng SHS, nếu quá lớn hoặc nhỏ 
quá thường làm cho phản ứng không thể tự 
duy trì và lan truyền do sự truyền nhiệt kém 
hiệu quả, độ xốp ban đầu thường lựa chọn 
<40% [4]. 
Hình 3. Hình dạng mẫu sau phản ứng SHS ở các 
nhiệt độ nung sợ bộ (Tp) khác nhau. 
Hồ Ký Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 39 - 43 
 41
Các hiện tượng quan sát được khi Tp thay đổi 
thể hiện trên hình 3 cho thấy, khi mẫu được 
đánh lửa ở nhiệt độ Tp ≥ 250°C các mẫu đều 
lóe sáng, vệt sáng di chuyển từ vị trí đánh lửa 
đến cuối mẫu. Hình dạng các mẫu nhận được 
cũng khác nhau rõ rệt, mẫu dài ra, đầu các 
mẫu tại vị trí đánh lửa đều xuất hiện một phần 
bị chảy lỏng. Phần chảy lỏng này nhiều hay ít 
phụ thuộc vào độ lớn của Tp, và tỉ lệ thuận với 
Tp (hình 3). Đối với các mẫu có nhiệt độ Tp < 
250°C, hiện tượng này không xuất hiện, phản 
ứng SHS không xảy ra. Hơn nữa, đối với các 
nhiệt độ Tp ≥ 450°C, phản ứng có thể xảy ra 
kể cả khi không đánh lửa tạo ra quá trình cháy 
đồng thời (simultaneous combustion). Đây là 
hiện tượng nổ nhiệt (thermal exploision) [3]. 
Hình 4. Kết quả phân tích XRD: 
(a)mẫu bột ban đầu, (b) mẫu bột sau khi hoạt 
hóa cơ học 2h. 
Hình 5. Kết quả XRD mẫu NiTi sau khi thực hiện 
phản ứng SHS: (a) Tp = 300°C; (b) Tp = 600°C; 
(b) Tp = 600°C, mẫu chảy (chế độ lan truyền). 
Kết quả phân tích thành phần pha bằng 
phương pháp XRD đã cho thấy, đối với các 
mẫu không có hiện tượng gì xảy ra khi đánh 
lửa (Tp < 250°C), đã không có sự hình thành 
pha liên kim giữa Ni và Ti, biểu đồ XRD 
tương tự như đối với hỗn hợp bột sau khi hoạt 
hóa cơ học (hình 4b). Điều này chứng tỏ rằng, 
tuy nhiệt độ đánh lửa cao (Tig = 2000°C) 
nhưng do nhiệt độ Tp quá thấp đã không thể 
kích thích sự khuếch tán của Ni vào Ti và 
ngược lại. Do đó, phản ứng đã không thể xảy 
ra. Đối với các mẫu có sự lóe sáng khi đánh 
lửa, kết quả XRD đã cho thấy sự hình thành 
của pha liên kim NixTi1–x giữa Ni và Ti (hình 
5). Cơ chế tạo thành liên kim NixTi1–x là sự 
khuếch tán của Ni vào Ti và ngược lại ở pha 
rắn dưới ảnh hưởng của nhiệt độ rất cao tỏa ra 
trong quá trình phản ứng giữa chúng [7]. 
Cũng qua kết quả phân tích XRD nhận thấy, 
sự hình thành pha trong phản ứng SHS giữa 
Ni và Ti phụ thuộc vào nhiệt độ nung sơ bộ 
[6]. Khi nhiệt độ Tp tăng, nhiệt độ cháy giữa 
Ni và Ti tỏa ra cũng tăng lên, do đó năng 
lượng mà các nguyên tử Ni, Ti nhận được 
cũng tăng lên do đó hệ số khuếch tán vào 
nhau của chúng cũng tăng lên, phản ứng tạo 
thành pha NiTi xảy ra triệt để hơn. 
Hình 6. Ảnh SEM:(a) mặt cắt ngang, (b) mặt cắt 
dọc mẫu sau phản ứng SHS. 
Hơn nữa, tại đầu đánh lửa, do ảnh hưởng của 
nguồn nhiệt đánh lửa và nhiệt độ cháy của 
phản ứng cao nên mẫu bị chảy lỏng nhiều 
hơn, do đó các mẫu có nhiệt độ Tp cao phần 
bị chảy lỏng thường nhiều hơn so với mẫu có 
nhiệt độ Tp thấp. Sự chảy lỏng này được quan 
sát rõ trên ảnh SEM mặt cắt mẫu (hình 7) khi 
có rất nhiều các hạt hình cầu bám trên bề mặt 
các lỗ xốp. 
Hồ Ký Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 39 - 43 
 42
Kết quả phân tích SEM các mặt cắt mẫu cho 
thấy, theo cả chiều ngang và chiều dọc, sự 
phân bố lỗ xốp là tương đối đồng đều trên 
toàn bộ tiết diện (hình 6). Tuy nhiên, kích 
thước lỗ xốp không đồng đều, dao động trong 
phạm vi từ 100µm ÷ 500µm. 
Hình 7. Ảnh SEM lỗ xốp của mẫu NiTi nhận được 
sau phản ứng SHS 
Quan sát trên hình 6 và hình 7 nhận thấy, hình 
dạng của các lỗ xốp không đối xứng mà có 
dạng kênh do nhiều các lỗ xốp liên thông với 
nhau do chính khe hở ban đầu của các hạt bột 
khi ép sơ bộ và sự lan truyền sóng cháy trong 
quá trình phản ứng. Hơn nữa, nhiệt độ cao 
của phản ứng chính là quá trình tự thiêu của 
mẫu, làm cho các hạt bột dính liền nhau bền 
chặt, không còn rời rạc. 
Do sự lan truyền của sóng cháy, mặt cháy sẽ 
di chuyển tạo nên các vùng nhiệt độ không 
đồng đều nhau, vì vậy mẫu thường có xu 
hướng nở dọc theo chiều lan truyền sóng cháy 
(dọc chiều dài mẫu) [6]. Do đó, các phản ứng 
SHS thường cho chiều dài mẫu tăng lên và độ 
xốp của mẫu vì thế cũng tăng lên so với độ 
xốp ban đầu sau khi ép sơ bộ (thể hiện trên 
hình 8). Qua tính toán nhận được độ xốp của 
mẫu sau phản ứng SHS trong khoảng 44% ÷ 
58%, tỉ lệ lỗ xốp hở đạt trên 80%. Từ hình 8 
cũng nhận thấy, áp lực ép ban đầu của mẫu và 
nhiệt độ Tp ảnh hưởng rất ít đến độ xốp của 
mẫu sau phản ứng. 
Hình 8. Quan hệ giữa độ xốp của mẫu NiTi và 
nhiệt độ nung sơ bộ Tp. 
Hình 9. Quan hệ giữa nhiệt độ nung sơ bộ Tp và 
thời gian đánh lửa tig khi tổng hợp NiTi xốp bằng 
phương pháp SHS. 
Một kết quả đáng quan tâm nữa là nhiệt độ Tp 
ảnh hưởng đáng kể đến thời gian đánh lửa 
(tig). Khi nhiệt độ Tp tăng lên, thời gian đánh 
lửa kích hoạt phản ứng SHS tương ứng giảm 
xuống, nằm trong phạm vi từ 7s ÷ 13s (hình 
9). Trong phạm vi độ xốp ban đầu mẫu từ 
21,9% ÷ 29,0%, sự chênh lệch thời gian đánh 
lửa là không đáng kể. Điều này chứng tỏ rằng 
các hạt bột tiếp xúc với nhau tương đối đồng 
đều, và sự phù hợp của việc lựa chọn độ xốp 
ban đầu để thực hiện quá trình đánh lửa [8]. 
KẾT LUẬN 
Ảnh hưởng của nhiệt độ nung sơ bộ trong 
phản ứng SHS tổng hợp NiTi xốp đã được 
khảo sát. Kết quả cho thấy, khi hoạt hóa cơ 
học hỗn hợp bột Ni + Ti trong 2h bằng máy 
nghiền bi đứng bảo vệ bởi khí Ar, nhiệt độ Tp 
tối thiểu để phản ứng SHS xảy ra là Tp = 
250°C (với nhiệt độ đánh lửa Tig = 2000°C). 
Nhiệt độ Tp càng lớn thì phản ứng SHS càng 
dễ xảy ra. Nếu nhiệt độ Tp ≥ 450°C, phản ứng 
SHS có thể xảy ra cả ở chế độ lan truyền và 
đồng thời. Sản phẩm nhận được sau phản ứng 
Hồ Ký Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 39 - 43 
 43
SHS tồn tại chủ yếu là pha NiTi, bên cạnh đó 
là pha NiTi2 với hàm lượng rất nhỏ. Mẫu NiTi 
xốp nhận được sau phản ứng SHS có độ xốp 
dao động trong khoảng 44% ÷ 58%, tỉ lệ lỗ 
xốp hở trên 80%, kích thước các lỗ xốp trong 
phạm vi 100µm ÷ 500µm. Nhiệt độ Tp ảnh 
hưởng rất ít đến xốp của sản phẩm. Các kết 
quả khảo sát cũng cho thấy, khi nhiệt độ Tp 
càng cao thì thời gian đánh lửa tương ứng 
càng giảm. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. A. Bansiddhi, T.D. Sargeant, S.I. Stupp, D.C. 
Dunand; Porous NiTi for bone implants: A review; 
Acta Biomaterialia 4 (2008), trang 773–782. 
[2]. B Yuan et al; A comparative Study of the 
Porous TiNi Shape-Memory Alloys Fabricated by 
Three Different Processes; J. Metal. and Mater. 
Trans. 37A, Vol. 3 (2006), trang 755–761. 
[3]. Zuhair A. Munir, Umberto Anselmi 
Tamburini; Self-propagating synthesis raction: 
The synthesis of high-temperature materials by 
combustion; Materials Science Reports 3, 1989, 
trang 277–365. 
[4]. P. Mossino; Some aspects in self-propagating 
high-temperature synthesis; Ceramics 
International 30 (2004), trang 311–332. 
[5]. Hồ Ký Thanh, Phan Anh Thư, Hoàng Long, 
Trần Văn Dũng, Nguyễn Đặng Thủy; Chế tạo vật 
liệu Nitinol xốp bằng phương pháp phản ứng nhiệt 
tự lan truyền (SHS); J. Science and Technology of 
Metals, số 36 (6/2011), trang 46–50. 
[6]. B.Y.Li, L.J.Rong, Y.Y.Li; Synthesis of porous 
Ni-Ti shape-memory alloys by SHS: reaction 
mechanism and anisotropy pore structure; Acta 
Materiala 48 (2000), trang 3895–3904. 
[7]. A. D. Bratchikov et al; Self-propagating high-
temperature synthesis of titanium nickelide; 
Plenum Publishing Corporation (1980), trang 5–8. 
[8]. M. Adeli, S. H. Seyedein, M. R. Aboutalebi, 
M. Kobashi, N. Kanetake; A study on the 
combustion synthesis of titanium aluminide in the 
self-propagating mode; J. Alloys and Compounds 
497 (2012), trang 100–104. 
SUMMARY 
INFLUENCE OF PREHEATING TEMPERATURE ON SYNTHESIZING 
OF POROUS NITI BY SHS METHOD 
Ho Ky Thanh1,2*; Tran Van Dung2; Nguyen Dang Thuy2; Tran Duc Thinh2; 
Phuong Van Hieu2; Nguyen Huy Hoang2 
1
 College of Technology - TNU 
2Hanoi University of Science and Technology 
This paper presents the investigation results on synthesizing porous NiTi by self-propagating high-
temperature synthesis (SHS). The results showed that, reaction between Ni and Ti occurred at 
minimum preheating temperature Tp = 250°C. When preheating temperature increased, ignition 
time decreased. When preheating temperature Tp ≥ 450°C, the combustion reaction was able to be 
simultaneous mode (thermal explosion). XRD pattern results showed that after SHS reaction, 
mainly phase of samples were NiTi. Porosity of samples were relative high (in range of 44% ÷ 
58%), ratio opened-pore were higher 80%. SEM image results showed that, shape and distribution 
of pores were relatively uniform in the longitudinal and cross-sectional samples, pore size was in 
range of 100 ÷ 500µm. 
Keywords: SHS method, porous NiTi, pre-compression, preheating temperature, shape and 
distribution pores. 
Ngày nhận bài: 27/9/2012, ngày phản biện:02/10/2012, ngày duyệt đăng:10/12/2012 
*
 Tel: 0984 194198, Email: hkythanh@tnut.edu.vn