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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội - 2024

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. Đinh Văn Hải

GS.TS. Nguyễn Trọng Giảng

Hà Nội - 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên

cứu được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất

kì công trình khoa học nào khác. Những số liệu, bảng biểu, hình vẽ xuất phát từ các

nguồn tài liệu khác đã được nghiên cứu sinh trích dẫn một cách đầy đủ, đồng thời ghi

rõ ràng về nguồn gốc theo quy định.

Hà Nội, ngày .... tháng .... năm 2024

Tập thể hướng dẫn

Nghiên cứu sinh

PGS.TS Đinh Văn Hải

GS.TS Nguyễn Trọng Giảng

Đỗ Ngọc Tú

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TL.GIÁM ĐỐC

TRƯỞNG BAN ĐÀO TẠO

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn tới tập thể các thầy hướng

dẫn PGS.TS Đinh Văn Hải và GS.TS Nguyễn Trọng Giảng bởi những chỉ dẫn quý báu

về định hướng nghiên cứu cũng như phương pháp luận và những trợ giúp để tôi hoàn

thành luận án này.

Tôi bày tỏ lời cảm ơn Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện học tập, nghiên

cứu và những giúp đỡ đối với tôi trong quá trình làm luận án.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, cô trong Khoa Kỹ thuật vật liệu -

Trường Vật liệu đã chia sẻ kinh nghiệm khoa học và những hướng dẫn bổ ích trong thời

gian tôi làm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Hà Nội.

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Lãnh đạo và các đồng nghiệp Trường Cơ khí - Ô tô, Trường

Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện, trợ giúp và động viên tôi hoàn thành luận

án.

Tôi gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Lê Văn Lịch và nhóm nghiên cứu đã hỗ

trợ tôi thực hiện các kỹ thuật mô phỏng trên máy tính của LAB.

Tôi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân của tôi - những người luôn

bên cạnh và tiếp sức để tôi hoàn thành luận án.

Tác giả luận án

Đỗ Ngọc Tú

iii 
 
MỤC LỤC 
 
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i 
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii 
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii 
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................vi 
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... viii 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................................ix 
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 
Chương 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO 
MÀNG CACBON GIỐNG KIM CƯƠNG ..................................................................... 4 
1.1. Màng cacbon giống kim cương ................................................................................ 4 
1.2. Phương pháp chế tạo .............................................................................................. 10 
1.2.1. Lắng đọng hơi hóa học bằng plasma ............................................................. 10 
1.2.2. Lắng đọng chùm ion ...................................................................................... 11 
1.2.3. Hồ quang catôt ............................................................................................... 12 
1.2.4. Bốc bay bằng xung laze ................................................................................. 13 
1.2.5. Phún xạ ........................................................................................................... 14 
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................................ 15 
1.3.1. Nghiên cứu trong nước .................................................................................. 15 
1.3.2. Nghiên cứu trên thế giới ................................................................................ 16 
Kết luận chương 1 ......................................................................................................... 18 
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 20 
2.1. Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử ....................................................... 20 
2.1.1. Động lực học cổ điển trong bài toán MD ...................................................... 20 
2.1.2. Cơ học thống kê ............................................................................................. 21 
2.1.3. Thế năng tương tác......................................................................................... 23 
2.1.4. Thuật toán xác định quỹ đạo của các nguyên tử trong mô phỏng MD .......... 28 
2.1.5. Điều kiện biên tuần hoàn ............................................................................... 28 

 
iv 
 
2. Kỹ thuật phún xạ .................................................................................................... 30 
2.1. Cơ sở vật lý quá trình phún xạ ....................................................................... 30 
2.2. Phún xạ sử dụng nguồn điện áp một chiều .................................................... 33 
2.3. Các thông số ảnh hưởng tới tốc độ lắng đọng tạo màng ................................ 35 
3. Phương pháp đo lường và phân tích màng DLC .................................................... 36 
3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X ........................................................................... 36 
3.2. Phổ Raman ..................................................................................................... 36 
3.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét .................................................................. 36 
3.4. Phương pháp hiển vi lực nguyên tử ............................................................... 38 
3.5. Phương pháp thử độ cứng .............................................................................. 39 
3.6. Phương pháp kiểm tra độ bám dính của màng với nền ................................. 39 
3.7. Phương pháp điện hóa đánh giá tính chất ăn mòn ......................................... 40 
3.8. Phương pháp đánh giá tính tương thích sinh học .......................................... 41 
Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 42 
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN MÀNG 
CACBON GIỐNG KIM CƯƠNG TRÊN ĐẾ THÉP KHÔNG GỈ AISI 316L ............ 43 
1. Đặt vấn đề ............................................................................................................... 43 
2. Phương pháp mô phỏng .......................................................................................... 44 
2.1. Xây dựng đế AISI 316L ................................................................................. 44 
2.2. Xác định vận tốc của các nguyên tử cacbon .................................................. 46 
2.3. Vị trí ban đầu của nguyên tử cacbon trong giai đoạn tạo màng .................... 47 
2.4. Mô hình mô phỏng ......................................................................................... 48 
3. Điều kiện mô phỏng ............................................................................................... 51 
3.1. Hàm thế .......................................................................................................... 51 
3.2. Thiết lập điều kiện cân bằng nhiệt ................................................................. 56 
4. Kết quả và thảo luận ............................................................................................... 57 
4.1. Đánh giá sự ảnh hưởng của điện áp phân cực trên đế ................................... 57 
4.3. Đánh giá ảnh hưởng của áp suất phún xạ ...................................................... 65 
Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 69 

 
v 
 
Chương 4. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ................................................................ 70 
1. Chế tạo lớp phủ DLC lên thép 316L bằng phương pháp phún xạ.......................... 70 
1.1. Quy trình tạo lớp phủ DLC trên nền thép AISI 316L .................................... 70 
1.2. Chế độ thực nghiệm ....................................................................................... 71 
2. Vật liệu và thiết bị .................................................................................................. 71 
2.1. Vật liệu ........................................................................................................... 71 
2.2. Thiết bị tạo màng DLC .................................................................................. 72 
2.3. Thiết bị đánh giá tính chất cơ lý .................................................................... 73 
2.4. Thiết bị đánh giá tính chất sinh hóa ............................................................... 76 
3. Ảnh hưởng của áp suất phún xạ ............................................................................. 77 
3.1. Phổ raman của các mẫu thép AISI 316L phủ DLC ....................................... 77 
3.2. Nhám bề mặt .................................................................................................. 78 
3.3. Độ cứng mẫu phủ ........................................................................................... 79 
3.4. Đánh giá khả năng bám dính của màng với nền ............................................ 80 
4. Ảnh hưởng của công suất phún xạ ......................................................................... 81 
4.1. Đặc điểm cấu trúc màng qua phân tích Raman ............................................. 81 
4.2. Sự ảnh hưởng của công suất phún xạ tới chiều dày lớp phủ ......................... 82 
5. Đánh giá khả năng chống ăn mòn của DLC khi phủ lên thép AISI 316L ............. 84 
6. Đánh giá tương thích sinh học của màng ............................................................... 86 
6.1. Giá trị pH của SBF sau khi ngâm các mẫu DLC-316L theo thời gian .......... 86 
6.2. Đặc trưng của bề mặt mẫu phủ ngâm trong dung dịch SBF .......................... 89 
Kết luận chương 4 ......................................................................................................... 90 
KẾT LUN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 91 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUN ÁN ........................ 92 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 93 
 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

a-C

Hydrogen free amorphous carbon film

Màng cacbon vô định hình

không chứa hydro

a-C:H

Hydrogenated amorphous carbon film

Màng cacbon vô định hình có

chứa hydro

a-C:H:Me

Metal-doped amorphous carbon with

hydrogen

Màng cacbon vô định hình chứa

hydro và cấy kim loại

a-C:Me

Metal-doped hydrogen-free

amorphous carbon film

Màng cacbon vô định hình cấy

kim loại, không chứa hydro

AFM

Atomic Force Microscope

Hiển vi lực nguyên tử

Atomsk

Atom, Molecule, Material Software Kit

Chương trình xây dựng và tạo

tệp dữ liệu cho các mô phỏng

quy mô nguyên tử

CVD

Chemical Vapor Deposition

Lắng đọng pha hơi hóa học

DLC

Diamond-Like Carbon

Màng cacbon giống kim cương

DLC-316L

Diamond-Like Carbon film on 316l

stainless steel substrate

Màng DLC phủ trên đế thép

316L

EAM

Embedded Atom Method potential

Thế năng theo mô hình nhúng

nguyên tử

FCVA

Filtered cathodic vacuum arc

Hồ quang chân không catôt

chọn lọc

IBD

Ion beam deposition

Lắng đọng chùm ion

Infrared

Hồng ngoại

LAMMPS

Large-scale Atomic/Molecular

Massively Parallel Simulator

Chương trình mô phỏng động

lực học phân tử

Monte Carlo Simulation

Mô phỏng Monte Carlo

Molecular Dynamic Simulation

Mô phỏng động lực học phân tử

MEMS

Microelectromechanical Systems

Hệ thống vi cơ điện tử

MSIB

Mass selected ion beam

Kỹ thuật chùm ion chọn lọc

OVITO

The Open Visualization Tool

Phần mềm hiển thị và phân tích

dữ liệu đầu ra trong mô phỏng

động lực học phân tử

PLC

Polymer-Like Carbon

Màng cacbon giống polyme

PLD

Pulsed laser deposition

Lắng đọng laze xung

vii

RDF

Radial Distribution Function

Hàm phân bố xuyên tâm

RF-PECVD

Radio Frequency - Plasma Enhanced

Chemical Vapor Deposition

Lắng đọng pha hơi hóa học

được tăng cường bởi plasma tần

số vô tuyến

RMS

Root Mean Square

Giá trị trung bình bình phương

SBF

Simulated Body Fluid

Dung dịch mô phỏng dịch thể

người

SEM

Scanning Electron Microscope

Hiển vi điện tử quét

hybridization

Lai hóa sp

hybridization

Lai hóa sp

ta-C

Tetrahedrally bound hydrogen-free

amorphous carbon film

Màng cacbon vô định hình liên

kết tứ diện có chứa hydro

UBM

Unbalanced magnetron sputtering

Kỹ thuật phún xạ từ trường

không cân bằng

XRD

X-ray Diffraction

Nhiễu xạ tia X

viii 
 
DANH MỤC CÁC BẢNG 
 
Bảng 2.1. Thành phần dung dịch SBF .......................................................................... 42 
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của thép AISI 316L ..................................................... 44 
Bảng 3.2. Số lượng các nguyên tử chính có trong đế 316L .......................................... 45 
Bảng 3.3. Số lượng các nguyên tử Fe, Cr và Ni có trong đế 316L ............................... 45 
Bảng 3.4. Động năng của nguyên tử cacbon tính toán theo điều kiện áp suất phún xạ 50 
Bảng 3.5. Các tham số của hàm thế năng Tersoff sử dụng cho tương tác C-C  ........... 52 
Bảng 3.6. Các tham số thế năng Tersoff/ZBL sử dụng cho tương tác Fe-C  ................ 52 
Bảng 3.7. Các thông số hàm thế sử dụng cho tương tác giữa Cr và C ......................... 55 
Bảng 3.8. Các thông số bậc 1 của hàm thế năng EAM . ............................................... 55 
Bảng 3.9. Các thông số bậc 2 của hàm thế năng EAM . ............................................... 56 
Bảng 4.1. Chế độ áp suất sử dụng trong quá trình phún xạ .......................................... 71 
Bảng 4.2. Chế độ công suất sử dụng trong quá trình phún xạ ...................................... 71 
Bảng 4.3. Độ nhám của các lớp phủ DLC theo điều kiện áp suất khác nhau ............... 79 
Bảng 4.4. Độ cứng của các mẫu DLC-316L theo điều kiện áp suất phún xạ ............... 79 
Bảng 4.5. Ảnh hưởng của công suất tới chiều dày lớp phủ .......................................... 83 
Bảng 4.6. Thông số điện hóa của lớp phủ DLC theo điều kiện công nghệ .................. 84 
 

ix 
 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 
 
Hình 1.1. Cấu hình electron của nguyên tử cacbon ........................................................ 4 
Hình 1.2. Sự định hướng không gian của obitan 2p
x
, 2p
y
 và 2p
z
 . ................................. 4 
Hình 1.3. Tổ hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử và kết quả lai hóa  .................... 5 
Hình 1.4. Sự lai hóa của các obitan nguyên tử cacbon  .................................................. 5 
Hình 1.5. Cấu trúc tinh thể của graphit  .......................................................................... 6 
Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể kim cương và dạng lai hóa obitan sp
3 
 ................................ 6 
Hình 1.7. Sự phân bố của các loại màng cacbon vô định hình trên sơ đồ bậc ba  ......... 7 
Hình 1.8. Bộ truyền bánh răng được phủ lớp WC-DLC  ............................................... 8 
Hình 1.9. Một số bộ phận của thiết bị trợ tim Jarvik Heart 2000 được phủ lớp DLC  ... 9 
Hình 1.10. Sơ đồ hệ PECVD chế tạo màng mỏng DLC  .............................................. 11 
Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý tạo màng bằng kỹ thuật IBD  ........................................... 12 
Hình 1.12. Hệ thống tạo màng hồ quang catôt có bộ lọc từ trường FCVA  ................. 13 
Hình 1.13. Hệ thống tạo màng bằng phương pháp xung laze trong chân không  ........ 14 
Hình 1.14. Sơ đồ chế tạo màng mỏng bằng kỹ thuật phún xạ magnetron  ................... 15 
Hình 2.1. Điều kiện biên tuần hoàn thể hiện theo không gian hai chiều  ..................... 29 
Hình 2.2. Phương pháp phún xạ: a) Cơ chế phún xạ va chạm, b) Phân bố điện thế trong 
phún xạ cao áp một chiều, c) Quá trình trao đổi điện tích trong vỏ catôt-plasma  ....... 30 
Hình 2.3. Sự phụ thuộc của hiệu suất phún xạ vào năng lượng của các ion đi tới bắn phá 
bề mặt bia vật liệu  ......................................................................................................... 33 
Hình 2.4. Sự phân bố điện thế trong phóng điện plasma một chiều :34  V
p
  –  Điện  thế 
plasma, V
f
 – Điện thế nổi, V
dc
 – Điện thế trên catot ..................................................... 34 
Hình 2.5. Phổ Raman của màng DLC: a) Bước sóng 514 nm, b) Bước sóng 244 nm . 36 
Hình 2.6. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét ............................................................. 37 
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý làm việc và kính hiển vi lực nguyên tử ............................. 38 
Hình 2.8. Sơ đồ các cấp độ bám dính của lớp phủ với nền theo hướng dẫn VDI 3198 
 ....................................................................................................................................... 40 
Hình 2.9. Đường cong phân cực anốt: a) đường cong phân cực anốt có thụ động. b) 
đường cong tafel  ........................................................................................................... 41 

 
x 
   
Hình 3.1. Sự sắp xếp của các nguyên tử Fe, Cr và Ni đối với đế 316L ....................... 46 
Hình 3.2. Mô hình lắng đọng tạo màng DLC theo điều kiện điện áp phân cực đế ...... 48 
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 ................................................................................. 51 
Hình 3.4. Mức độ xâm nhập của nguyên tử cacbon vào bên trong nền 316L theo điều 
kiện điện áp phân cực trên đế ........................................................................................ 58 
Hình 3.5. Hàm phân bố xuyên tâm: a) Nền AISI 316L; b) Cặp Fe-C, Cr-C tại lớp chuyển 
tiếp nền-màng ở điều kiện Vs = 120 V .......................................................................... 58 
Hình 3.6. Tương tác bề mặt giữa nguyên tử cacbon và nguyên tử nền 316L: ............. 59 
C (màu tím), Fe (màu xanh lục), Cr (màu đỏ), Ni (màu vàng) ..................................... 59 
Hình 3.7. 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) ................................................................ 60 
Hình 3.8. Hàm phân bố xuyên tâm màng DLC theo tác động của điện áp khác nhau . 61 
Hình 3.9. Sự phân bố sp
3
 (màu cam) bên trong các màng DLC theo tác động của điện 
áp phân cực đế ............................................................................................................... 61 
Hình 3.10. Tỷ lệ sp
3
 tổng trong các màng, phụ thuộc vào điện áp phân cực đế ........... 62 
Hình 3.11. Sự phân bố cấu trúc lai hóa sp
2
 và sp
3
 theo chiều dày màng ...................... 63 
Hình 3.12. Màng DLC hình thành trên nền AISI 316L theo điều kiện áp suất ............ 65 
Hình 3.13. Hình thái bề mặt của các màng DLC theo sự thay đổi của áp suất ............ 65 
Hình 3.14. Sự hình thành và phát triển màng theo điều kiện áp suất sau 500 bước thời 
gian ................................................................................................................................ 66 
Hình 3.15. Hàm RDF của các màng DLC ở điều kiện áp suất khác nhau ................... 67 
Hình 3.16. Tỷ lệ sp
3
 trong các màng DLC phụ thuộc vào điều kiện áp suất phún xạ .. 67 
Hình 3.17. Tỷ lệ liên kết C-C sp
3
 phân bố theo chiều dày màng .................................. 68 
Hình 4.1. Bia graphit độ sạch 99,999% sử dụng cho quá trình chế tạo màng DLC ..... 72 
Hình 4.2. Hệ thống phún xạ Oerlikon Leybold Univex 400 ........................................ 72 
Hình 4.3. Thiết bị nhiễu xạ tia X - D8 ADVANCE - BRUKER AXS ......................... 73 
Hình 4.4. Thiết bị quang phổ micron Raman inVia ..................................................... 74 
Hình 4.5. Hệ kính hiển vi điện tử quét Hitachi SU3800 ............................................... 74 
Hình 4.6. Kính hiển vi lực nguyên tử Multimode-8 ..................................................... 75 

 
xi 
   
Hình 4.7. Thiết bị đo độ cứng Mico Vicker ISOSCAN HV2-AC và Rockwell GALILEO 
DIGI-25RS..................................................................................................................... 75 
Hình 4.8. Thiết bị đo điện hóa Biologic VSP-300 ........................................................ 76 
Hình 4.9. Thiết bị đo độ pH Metler Toledo .................................................................. 76 
Hình 4.10. Phổ Raman của màng DLC phụ thuộc cào áp suất phún xạ ....................... 77 
Hình 4.11. Hình ảnh bề mặt màng DLC chế tạo tại điều kiện áp suất p = 0,005 mbar 78 
Hình 4.12. Độ nhám bề mặt của mẫu DLC-316L tại điều kiện p = 0,004 mbar .......... 78 
Hình 4.13. Kết quả kiểm tra bám dính của màng DLC với nền AISI 316L theo phương 
pháp Rockwell C ........................................................................................................... 80 
Hình 4.14. Phổ Raman của các mẫu DLC-316L phụ thuộc vào công suất phún xạ .... 81 
Hình 4.15. Vị trí đỉnh G và D dịch chuyển phụ thuộc vào công suất phún xạ ............. 82 
Hình 4.16. Cường độ và độ rộng trung bình phổ Raman phụ thuộc vào công suất phún 
xạ ................................................................................................................................... 82 
Hình 1.17. Chiều dày của lớp phủ DLC chế tạo theo điều kiện công suất 200 W ....... 83 
Hình 4.18. Mẫu thép AISI 316L được đánh giá ăn mòn điện hóa ................................ 84 
Hình 4.19. Đường cong phân cực thế năng của thép AISI 316L và mẫu DLC-316L  theo 
các áp suất khác nhau .................................................................................................... 85 
Hình 4.20. Đường cong phân cực thế năng của thép AISI 316L và mẫu DLC-316L theo 
các công suất khác nhau ................................................................................................ 86 
Hình 4.21. Sự biến đổi pH dung dịch SBF chứa mẫu DLC-316L ................................ 87 
Hình 4.22. Kết quả phân tích phổ nguyên tố cho bề mặt mẫu DLC-316L sau khi ngâm 
trong dung dịch SBF ...................................................................................................... 88 
Hình 4.23. Phổ nhiễu xạ XRD của các tinh thể canxi hydroxyapatit xuất hiện trên bề 
mặt mẫu 316L và DLC-316L ........................................................................................ 88 
Hình 4.24. Sự hình thành các tinh thể canxi hydroxyapatit trên bề mặt mẫu DLC-316L 
khi ngâm trong dung dịch SBF theo thời gian: a) ảnh hiển vi quang học; b, c và d) ảnh 
SEM ............................................................................................................................... 89 
Hình 4.25. Ảnh hiển vi điện tử quét phân giải cao chụp bề mặt mẫu 316L (a) và DLC-
316L (b) sau 14 ngày ngâm trong dung dịch SBF ........................................................ 90 

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Sử dụng vật liệu kim loại trong điều trị chấn thương chỉnh hình là một nhu cầu thiết

thực trong đời sống của con người. Sự già hóa dân số, nhu cầu điều trị các tổn thương

về xương, khớp và nha khoa có xu hướng gia tăng. Trong lĩnh vực chấn thương chỉnh

hình, thép không gỉ AISI 316L là loại vật liệu được sử dụng phổ biến. Đây là vật liệu y

sinh có giá thành thấp, tính chất cơ học đảm bảo và khả năng chống chịu tác động hóa

học tốt. Tuy nhiên trong một số trường hợp, chi tiết cấy ghép làm từ thép AISI 316L vẫn

bị mài mòn và ăn mòn, gây phản ứng viêm và cần xử lý phẫu thuật để loại bỏ. Bên cạnh

đó, việc giải phóng các ion Cr và Ni vào cơ thể người có thể làm tăng nguy cơ mắc các

bệnh ung thư đối với người bệnh. Vì vậy để khắc phục những hạn chế này và giúp nâng

cao hơn nữa tính tương thích sinh học, các nhà kỹ thuật đã tiến hành tạo lớp phủ cacbon

giống kim cương (DLC) cho các chi tiết cấy ghép làm từ thép AISI 316L. Các công bố

khoa học về vật liệu DLC cho thấy đây là một loại màng cacbon vô định hình có khả

năng chống mài mòn tốt, trơ hóa học, tương thích với máu, không gây ung thư và đã

được ứng dụng trong y tế.

Ở Việt Nam, những nghiên cứu về màng DLC còn hạn chế ở quy mô phòng thí

nghiệm, bởi khả năng công nghệ và phép phân tích đánh giá chất lượng của màng. Việc

tạo màng DLC trên thép AISI 316L nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ cho chi tiết cấy

ghép y tế chưa được đề cập đến.

Trên thế giới, nhu cầu sử dụng màng DLC trong các lĩnh vực: sản xuất xe hơi, thực

phầm sạch, hóa dược, thiết bị y tế, dụng cụ cắt gọt, khuôn mẫu có xu hướng gia tăng.

Ước tính năm 2022, giá trị thương mại của DLC trong lĩnh vực y tế chiếm khoảng 495,46

tỷ USD và dự kiến tăng lên 718,92 tỷ USD vào năm 2029. Đây là động lực to lớn đối

với các nhà sản xuất để tạo ra những sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng sự đa dạng của

cuộc sống.

Từ những thực tế đó, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài với 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’’ 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 R

< 100 nm, chống chịu ăn

mòn lỗ trong môi trường clorua và tương thích sinh học trong dung dịch mô phỏng dịch

thể người.

3. Đối tượng nghiên cứu

Màng DLC chế tạo bằng phương pháp phún xạ có hàm lượng liên kết sp

nằm trong

khoảng từ 10% đến 30%.

4. Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu công nghệ và thực nghiệm trong buồng phún xạ để tạo màng DLC trên

nền thép AISI 316L.

5. 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.

6. 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.

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 sp

Đã 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.

7. Cấu trúc của 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 lớp phủ 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 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

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 sp

cao.

Chương 4: Thực nghiệm và kết quả. Tiến hành tạo lớp phủ DLC lên thép 316L 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 môi trường clorua và tính tương thích sinh học trong dung dịch mô phỏng

dịch thể người.