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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội - 2024

Công trình được hoàn thành tại:

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1. PGS.TS. Đinh Văn Hải

2. GS.TS. Nguyễn Trọng Giảng

Phản biện 1: TS. Lưu Phương Minh

Phản biện 2: GS.TS. Nguyễn Huy Dân

Phản biện 3: PGS.TS. Phùng Tuấn Anh

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ

cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi 14 giờ, ngày 25 tháng 01 năm 2024

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội

2. Thư viện Quốc gia Việt Nam

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1. Đỗ Ngọc Tú, Đỗ Thành Dũng, Đinh Văn Hải, Nguyễn Trọng Giảng

(2019), Ảnh hưởng của công suất phún xạ đến sự hình thành màng cacbon

giống kim cương phủ trên nền AISI 316L bằng phương pháp phún xạ

magnetron, Tạp chí Khoa học Công nghệ Kim loại, Số 85, trang 38-44.

2. Ngoc-Tu Do, Van-Hai Dinh, Le Van Lich, Hong-Hue Dang-Thi and

Trong-Giang Nguyen (2021), Effects of Substrate Bias Voltage on

Structure of Diamond-Like Carbon Films on AISI 316L Stainless Steel: A

Molecular Dynamics Simulation Study, Materials, Vol.14 (17), pp. 4925.

3. Đỗ Ngọc Tú, Đinh Văn Hải, Nguyễn Trọng Giảng, Phạm Văn Liệu

(2022), Nghiên cứu sự ảnh hưởng của áp suất phún xạ tới độ cứng và hình

thái bề mặt của lớp phủ cacbon giản kim cương trên nền thép AISI 316L,

Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 5, trang 15-19.

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Trong số những vật liệu cấy ghép thì thép không gỉ AISI 316L là

loại được sử dụng phổ biến nhất vì có cơ tính tốt và khả năng chống

ăn mòn cao. Tuy nhiên, dưới tác động chà xát bề mặt trong môi trường

cơ thể người, chúng rất dễ bị mài mòn, tạo mảnh vụn, gây nguy cơ

huyết khối. Bên cạnh đó việc giải phóng các ion kim loại như Cr hay

Ni có thể gây viêm cục bộ hay ung thư. Vì vậy, việc áp dụng các công

nghệ biến đổi bề mặt, đặc biệt là lớp phủ, có tiềm năng đáng kể và

đang được các nhà kỹ thuật quan tâm.

Lớp phủ cacbon giống kim cương (DLC) được biết đến với nhiều

đặc tính vượt trội như: hệ số ma sát thấp, độ bóng cao, độ cứng lớn,

trơ hóa học và đặc biệt là có tính tương thích sinh học tốt. Tuy nhiên,

nghiên cứu chế tạo lớp màng DLC phủ lên thép 316L định hướng ứng

dụng làm chi tiết cấy ghép vẫn còn đang tiếp tục được khảo sát. Trước

thực tế đó, luận án thực hiện với tên đề tài: ‘‘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

< 10 nm, chống ăn mòn tốt trong dung dịch

NaCl 3,5% và thể hiện tính tương thích sinh học khi ngâm trong dung

dịch mô phỏng dịch thể người.

3. 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.

4. 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 và công suất phún xạ đến sự hình thành cấu trúc liên

kết cacbon-cacbon dạng sp

Đã chế tạo được lớp màng 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.

5. Những đóng góp mới của luận án

Đã xây dựng được mô hình mô phỏng và các thông số hàm thế

thích hợp cho bài toán tạo màng DLC bằng phương pháp phún xạ, có

tính đến yếu tố đa nguyên tố của nền thép không gỉ AISI 316L. Kết

quả mô phỏng đưa ra bộ thông số công nghệ về điện áp phân cực anot

và áp suất khí tối ưu với tỷ lệ liên kết C-C dạng sp

có trong các màng

DLC. Giá trị lớn nhất của tỷ lệ sp

phụ thuộc điện áp phân cực là 48,5%

và theo áp suất là 28,3%.

Đã chế tạo thực nghiệm màng DLC trên đế thép 316L bằng kỹ thuật

phún xạ dựa trên một số thông số kết quả mô phỏng. Mẫu vật liệu có

chỉ tiêu cơ tính, tính chất sinh-hóa có thể định hướng ứng dụng làm

vật liệu y sinh.

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. Trình bày về đặc điểm cấu trúc, tính

chất và khả năng ứng dụng của màng DLC, cũng như 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 màng

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 tổng tỷ lệ sp

trong các màng DLC, cũng như sự phân bố

của chúng theo chiều dày màng. Điều kiện chế tạo phù hợp để có thể

nhận được màng DLC có tỷ lệ lai hóa sp

cao.

Chương 4: Thực nghiệm và kết quả. Tiến hành tạo màng DLC 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 dung dịch NaCl

3,5% và tính tương thích sinh học trong dung dịch mô phỏng người

SBF.

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

Màng cacbon giả kim cương (DLC) là một loại màng có cấu trúc

pha trộn giữa sp

(giống graphit) và sp

(giống kim cương), trong đó

tỷ lệ sp

chiếm khoảng từ 10% đến 85%.

Tùy theo tỷ lệ liên kết sp

và hydro có trong màng, màng DLC được

chia thành màng vô định hình (a:C) hoặc tứ diện (ta:C) có chứa hoặc

không chứa hydro.

Màng DLC có các tính chất như: độ cứng cao, hệ số ma sát thấp,

trơ về mặt hóa học và tính tương thích sinh học tốt. Được ứng dụng

làm lớp phủ chịu ma sát và mài mòn trong lĩnh vực ô tô, cơ khí; lớp

phủ bảo vệ cho các dụng cụ quang học; lớp phủ sinh học cho các dụng

cụ và thiết bị y tế.

1.2. Phương pháp chế tạo

1.2.1. Ngưng đọng hơi hóa học bằng plasma (PACVD)

Phương pháp ngưng đọng hơi hóa học bằng plasma sử dụng khí

hoặc CH

để tạo ra màng DLC, vì vậy chỉ có thể tạo ra các loại

màng DLC có chứa hydro.

1.2.2. Lắng đọng chùm ion (IBD)

IBD là kỹ thuật tạo màng sử dụng chùm ion Ar

bắn phá bia

graphit. Tuy nhiên, tốc độ lắng đọng nhỏ và màng thường có mật độ

thấp. Ngoài ra, các chất nền cần phải được thao tác để đảm bảo quá

trình lắng đọng được đồng đều.

1.2.3. Hồ quang catot

Hồ quang catot là một kỹ thuật phức tạp nhưng có thể tạo ra màng

DLC có tỷ lệ sp

rất cao. Tuy nhiên điểm hồ quang hình thành trên

catot (graphit) không chỉ nhằm tạo ra plasma mà còn có thể giải phóng

các cụm hạt kích thước cỡ micromet, dẫn đến màng tạo ra gồ ghề và

tồn tại những vết nứt tại các ranh giới hạt.

1.2.4. Bốc bay bằng xung laze (PLD)

PLD là kỹ thuật sử dụng chùm laze làm hóa hơi bia graphit trong

môi trường chân không cao và có thể tạo ra màng ta:C có tỷ lệ sp

từ

70 đến 95%. Tuy nhiên phương pháp này thường phát triển ở quy mô

phòng thí nghiệm.

1.2.5. Phún xạ

Phún xạ là kỹ thuật tạo màng DLC từ bia graphit. Đây là phương

pháp có khả năng kiểm soát cao về chất lượng màng DLC và được sử

dụng rộng rãi trong công nghiệp.

1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Ở Việt Nam, chế tạo lớp phủ DLC (a:C:H) trên đế silic và thép

440C đã được tiến hành bằng kỹ thuật phún xạ. Màng DLC tạo ra có

hệ số ma sát thấp, độ cứng cao và thể hiện khả năng chịu mài mòn tốt

trong điều kiện thử nghiệm phòng thí nghiệm.

Trên thế giới, nghiên cứu chế tạo các lớp phủ DLC (a:C:H, a:C:Me,

a-C:H:X) nhằm nâng cao khả năng chịu mài mòn, chống ăn mòn hóa

học và tính tương thích sinh học cho thép 316L diễn ra hết sức mạnh

mẽ. Màng DLC có thể bảo vệ chống ăn mòn lỗ cho thép không gỉ,

đồng thời tăng cường khả năng sinh học cho chi tiết được phủ khi cấy

ghép vào bên trong cơ thể người.

Kết luận chương 1

DLC là loại màng cacbon vô định hình mang cấu trúc pha trộn giữa

kim cương và graphit. Phẩm chất đáng lưu ý đối loại màng này chính

là độ cứng, khả năng chống mài mòn, tính trơ về mặt hóa học và tương

hợp sinh học. Tính chất của DLC được điều chỉnh nhờ kiểm soát tỷ lệ

/sp

trong màng. Tỷ lệ sp

chiếm ưu thế sẽ cho màng có độ cứng

cao, ngược lại sẽ nhận được màng độ cứng thấp.

Các phương pháp chế tạo màng DLC có thể kể đến đó là: PECVD,

IBD, hồ quang catot, bốc bay xung laze và phún xạ. So với các phương

pháp khác, phún xạ mặc dù không tạo ra các màng DLC có tỷ lệ sp

cao nhất nhưng cho phép tạo ra các màng đơn hoặc đa lớp từ nhiều

nguồn vật liệu khác nhau ở nhiệt độ thấp, chất lượng màng đồng đều,

khả năng bao phủ và bám dính tốt.

Các công bố khoa học về màng DLC thuần cacbon phủ lên thép

không gỉ 316L định hướng ứng dụng trong y tế chưa được đầy đủ và

rõ ràng.

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Mô phỏng động lực học phân tử

2.1.1. Động lực học cổ điển

Sự dịch chuyển theo thời gian của các hạt trong hệ được theo dõi

qua việc tính tích phân phương trình chuyển động Newton 2.

i i i

F m a m m



= = =



ur r

(2.1)

2.1.2. Động lực học thống kê

Một đại lượng vật lý nhận được từ trung bình số học của các giá trị

tức thời khác trong điều kiện tổng năng lượng được bảo toàn:

( ( )) lim ( ( ))

A A A t A t dt

→

= =  = 



(2.2)

2.1.3. Thế năng tương tác

Dạng tổng quát hàm thế năng tương tác nguyên tử:

0 1 2 3

( ) ( , ) ( , , ) ... ( , ,., )

i i j i j k N i j N

i i j i j k N

U U U r U r r U r r r U r r r

  

= + + + + +

   

(2.3)

2.1.4. Các thuật toán trong mô phỏng MD

Vị trí r

và vận tốc v

sau mỗi bước thời gian của nguyên tử được

cập nhật bằng cách sử dụng cả giá trị mới và hiện tại của gia tốc a

( ) ( ) ( ) ( )

i i i i

r t t r t v t t a t t

  

+ = + +

(2.4)

( ) ( ) ( )

i i i

v t t v t t a t t t

   

+ = + + +

(2.5)

2.1.5. Điều kiện biên tuần hoàn

Điều kiện biên tuần hoàn cho phép giải quyết hai vấn đề: (1) Triệt

tiêu hiệu ứng bề mặt; (2) Bổ sung số lượng nguyên tử trong quá trình

mô phỏng. Các nguyên tử cũng sẽ tương tác với nhau thông qua các

ranh giới tuần hoàn

2.1.6. Xác lập điều kiện cân bằng nhiệt cho hệ mô phỏng

Nhiệt độ tức thời được tính toán từ cơ học thống kê

B i i

Nk T m v=



(2.6)

Theo mỗi bước thời gian, sự thay đổi nhiệt độ được kiểm soát bởi

hệ số λ:

[1 ( 1)]

set







= + −

(2.7)

2.1.7. Mô hình mô phỏng sự lắng đọng của nguyên tử cacbon trên

nền 316L

a) Cấu trúc nguyên tử nền 316L

Thép 316L có cấu trúc lập phương tâm mặt, hàm lượng các nguyên

tố chính bao gồm 70% Fe, 17% Cr và 13% Ni. Để xây dựng được cấu

trúc nền 316L phục vụ cho quá trình mô phỏng, trước tiên cần chuyển

đổi phần trăm khối lượng của thép sang phần trăm nguyên tử, rồi sau

đó tính số lượng từng nguyên tử tương ứng với thành phần phần hóa

học đó.

b) Vận tốc và vị trí ban đầu của các nguyên tử cacbon

Theo mô hình Thomson, sự phân bố năng lượng của các nguyên tử

phún xạ được xác định bởi:

1 ( )

()

(1 )



−



(2.8)

()



(2.9)

trong đó, E

Ar+

là năng lượng của ion; E

là năng lượng liên kết bề mặt

của bia vật liệu; m

và m

là khối lượng ion và nguyên tử phún xạ.

Năng lượng tổn thất khi đi qua mô trường plasma của một nguyên

tử phún xạ:

E =( )exp[ lnE / )]

B g i B g

E k T n E k T−+

(2.10)

ở đây E

= 1-γ/2 là tỷ số của năng lượng trước và sau va chạm. n là

số lần va chạm xảy ra trong chất khí. Số va chạm có thể tính như sau



(2.11)

trong đó d là khoảng cách giữa bia và đế. p là áp suất khí phún xạ.  là

tiết diện va chạm không đàn hồi. k

hằng số Boltzmann. T

là nhiệt độ

khí phún xạ. Vị trí ban đầu của các nguyên tử cacbon được lấy mẫu

ngẫu nhiên phía trên bề mặt đế, cách bề mặt màng đang phát triển một

khoảng lớn hơn khoảng cách giới hạn trong tương tác nguyên tử C –

bề mặt 316L và nguyên tử C - nguyên tử C. Vị trí này có thể thay đổi

theo sự phát triển của màng.

c) Các hàm thế tương tác

Để mô phỏng sự lắng đọng của màng C trên chất nền AISI 316L,

thế tương tác nhúng (EAM) sử dụng cho Fe-Cr-Ni, thế Tersoff cho C-

C, thế Morse cho cặp C-Ni và thế Tersoff/ZBL cho các tương tác (Fe,

Cr)-C.

Phương trình tổng quát thế EAM/FS:

ij ij

1 1 1

( ) ( )

N N N

i i j i i

E E r F



= = = =

= = +

  

(2.12)

Năng lượng E của một hệ nguyên tử tính theo thế Tersoff:

ij ij ij ij ij

{f ( )[ ( ) ( )]}

C R A

i j i i j i

E V r f r b f r



= = +

 

(2.13)

Thế tương tác Tersoff/zbl:

{(1 ( )) ( ) }

ZBL Tersoff

F ij ij F ij ij

j i j i

E V f r V f r V





= = − + + +

 

(2.14)

Thế năng Morse:

  



󰇟



󰇛





󰇜

 



󰇛





󰇜

󰇠, r < r

(2.15)

2.2. Kỹ thuật phún xạ

2.2.1. Cơ sở vật lý quá trình phún xạ

Trong phún xạ các ion có năng lượng đủ lớn bắn phá bề mặt của

bia. Sự va chạm mạnh giữa ion và nguyên tử của bia khiến nguyên tử

có thể thoát ra khỏi bề mặt bia. Các nguyên tử thoát khỏi bia tạo ra

dòng hơi. Một phần dòng hơi này sẽ lắng đọng lên đế tạo thành màng

mỏng.

Hiệu suất phún xạ:

4 ( )

m m U





(2.16)

Mật độ dòng nguyên tử phún xạ:

J S J

(2.17)

Năng lượng các nguyên tử phún xạ:

()



(2.18)

2.2.2. Hiện tượng phóng điện plasma

Sự phóng điện phát quang đạt được bằng cách đặt một điện thế giữa

hai điện cực trong chất khí. Ban đầu không có dòng điện chạy qua vì

tất cả các nguyên tử ở thể khí đều trung tính. Khi đưa một điện tử vào

chất khí, nó sẽ được gia tốc bởi điện trường giữa các điện cực. Nếu

năng lượng do điện tử tạo ra đủ lớn, một va chạm không đàn hồi với

một nguyên tử khí có thể dẫn đến sự kích thích hoặc ion hóa nguyên

tử khí. Nếu quá trình ion hóa diễn ra, một điện tử thứ hai được giải

phóng vào chất khí. Sau đó, cả hai điện tử sẽ được gia tốc trở lại, tạo

ra một điều kiện gọi là sự phân hủy khí.

2.3. Phương pháp đo lường và phân tích

2.3.1. Phổ Raman

Phân tích quang phổ Raman giúp xác định tỷ lệ sp

/sp

theo sự dịch

chuyển vị trí của đỉnh G và tỷ lệ cường độ I

2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử quyét

Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng nghiên cứu

hình thái bề mặt mẫu và đo chiều dày lớp phủ thông qua mặt cắt ngang.

2.3.3. Phương pháp hiển vi lực nguyên tử

Phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM) cho phép thể hiện trạng

thái hình học bề mặt của mẫu 316L được phủ lớp DLC dựa trên nguyên

tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu dò với bề mặt mẫu

cần phân tích.

2.3.4. Phương pháp thử độ cứng

Phép đo độ cứng sử dụng diện tích vết lõm sau khi dỡ tải làm cơ sở

để xác định độ cứng.

2.3.5. Phương pháp điện hóa đánh giá tính chất ăn mòn

Tính chất ăn mòn của các mẫu thử sẽ được đánh giá thông qua thế

oxy hóa khử và mật độ dòng trên đường cong Tafel. Những mẫu có

điện thế lớn và mật độ dòng điện nhỏ sẽ biểu hiện cho khả năng chống

ăn mòn tốt.

2.3.6. Đánh giá tính tương thích sinh học

Khả năng tương thích sinh học của mẫu AISI 316L phủ DLC được

đánh giá bằng các thử nghiệm in-vitro khi ngâm trong dung dịch mô

phỏng dịch thể người (SBF) theo thời gian. Sự hình thành, phát triển

và khả năng bao phủ của các tinh thể canxi hydroxyapatit trên bề mặt

mẫu sẽ là thước đo thể hiện tính tương thích sinh học.

Kết luận chương 2

Phương pháp mô MD cho phép theo dõi quỹ đạo của các nguyên

tử cacbon theo bước thời gian, được sử dụng để nghiên cứu quá trình

hình thành và phát triển cấu trúc trong các màng DLC. Kỹ thuật phún

xạ cho phép tạo màng DLC thuần cacbon từ bia graphit.

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

Động năng của các nguyên tử phún xạ liên quan tới điều kiện phủ

và có thể ước tính theo mối quan hệ:

w s



(3.1)

trong đó, P

là công suất phún xạ; V

là điện áp phân cực anot; P

là

áp suất phún xạ. Công suất ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình phún xạ

và thường được mô phỏng bằng phương pháp Monter-Carlo (không

đề cập đến trong luận án). Luận án sử dụng phương pháp động lực học

phân tử để mô phỏng quá trình hình thành và phát triển màng DLC, vì

vậy điện áp phân cực anot và áp suất phún xạ sẽ được khảo sát trong

bài toán mô phỏng.

3.2. Phương pháp mô phỏng

3.2.1. Xây dựng đế AISI 316L

Đế 316L chứa các nguyên tố Fe, Cr và Ni. Số lượng các nguyên tử

Fe, Cr và Ni trong đế 316L như trong bảng 3.1 và hình 3.1.

Bảng 3.1. Số lượng nguyên tử của các nguyên tố Fe, Cr và Ni trong

đế 316L

Nguyên

tố

Khối lượng

nguyên tử (đvnt)

Thành phần

hóa học (%)

Số lượng

nguyên tử

55,845

69,5

2069

51,996

18,5

592

58,693

339

Tổng

100

3000

Hình 3.1. Sự sắp xếp của các nguyên tử Fe, Cr và Ni đối với đế 316L

3.2.2. Xác định vận tốc của các nguyên tử cacbon

Vận tốc của nguyên tử cacbon được tính từ chính giá trị động năng

của nó. Động năng của nguyên tử cacbon khi tới gần bề mặt đế được

xác định bởi phương trình sau:

K = E

- E

trong đó, E

là năng lượng trung bình của các nguyên tử cacbon ngay

khi thoát ra khỏi bề mặt bia, xác định theo phương trình 2.8; E

là sự

tổn thất năng lượng của nguyên tử cacbon khi đi từ bia tới đế, xác định

theo phương trình 2.10.

3.2.3. Vị trí ban đầu của nguyên tử cacbon trong giai đoạn tạo màng

Vị trí ban đầu của các nguyên tử cacbon được gieo ngẫu nhiên phía

trên bề mặt đế AISI 316L, cách bề mặt màng đang phát triển một

khoảng xác định.

3.2.4. Mô hình mô phỏng

a) Trường hợp phân cực điện áp trên đế

Hình 3.2 là mô hình tạo màng DLC theo sự ảnh hưởng của điện áp

phân cực anot. Vị trí nguyên tử cacbon được thiết lập trong vùng

không gian phía trên đế, cách bề mặt đế một khoảng 40 Å, chuyển

động hướng vuông góc xuống dưới với động năng không đổi 15

eV/nguyên tử.

Hình 3.2. Mô hình lắng đọng tạo màng DLC theo điều kiện áp đặt điện áp

phân cực trên anot

Hình 3.3. Mô hình lắng đọng tạo màng DLC theo điều kiện áp suất phún xạ

b) Trường hợp ảnh hưởng của áp suất phún xạ

Hình 3.3 là mô hình tạo màng DLC theo sự ảnh hưởng của áp suất

phún xạ. Các nguyên tử cacbon có động năng khác nhau theo điều kiện

áp suất và cho như trong bảng 3.2.

Bảng 3.2. Động năng nguyên tử cacbon thay đổi theo áp suất phún xạ

Áp suất (mbar)

Động năng trung bình

của nguyên tử cacbon

(eV)

Thời gian cấp

nguyên tử vào hộp

mô phỏng (ps)

0,0035

21,2

0,05

0,004

15,3

0,07

0,0045

10,6

0,09

0,005

7,5

0,10

0,0055

5,3

0,15

0,0075

3,8

0,20

3.3. Điều kiện mô phỏng

3.3.1. Hàm thế

a) Tương tác giữa các nguyên tử cacbon

Trường lực tác dụng lên mỗi nguyên tử cacbon trong quá trình hình

thành và phát triển màng sẽ được tính toán theo hàm thế năng Tersoff.

b) Tương tác bề mặt

- Hàm thế năng tương tác giữa nguyên tử cacbon và sắt:

Đối với tương tác giữa Fe và C, do có tính đến yếu tố va đập của

nguyên tử C khi đi đến lắng đọng trên đế (AISI 316L), hàm thế sử

dụng cho cặp tương tác này sẽ là hàm Tersoff/zbl

- Hàm thế năng tương tác giữa nguyên tử cacbon và crom:

Trên cơ sở vận dụng phương pháp tính toán hàm thế theo nguyên

tắc của Tersoff và Abell đối với tương tác C-Cr, kết hợp với kết quả

nghiên cứu của Henriksson về hệ hợp kim Fe-Cr-C, nhóm nghiên cứu

đã tìm ra hệ số chuyển đổi đối với các thông số hàm thế để từ đó có

thể tiến hành mô phỏng trong LAMMPS. Hệ số chuyển đổi giữa hai

hàm Tersoff và Abell: m= n=1, β = ω, 



 



, 



 



, λ

ijk

, cosθ

= -h,  

















,  

















- Hàm thế năng tương tác giữa nguyên tử cacbon với niken:

Các thông số hàm Morse sử dụng cho mô phỏng: D

= 2.431 eV, α

= 3.295 Å

-1

, r

= 1.763 Å và r

= 11.58 Å.

c) Tương tác nguyên tử giữa các nguyên tố của nền 316L

Hàm thế năng sử dụng cho các tương tác của nguyên tử đế AISI

316L là thế năng nhúng EAM.

3.3.2. Thiết lập điều kiện cân bằng nhiệt

Nhiệt độ tức thời được tính toán từ cơ học thống kê:

B i i

Nk T m v=



(3.4)

Sau mỗi bước thời gian, sự thay đổi nhiệt độ của hệ được kiểm soát

bởi hệ số λ:

1/2

[1 ( 1)]

set







= + −

(3.5)

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

Hình 3.4 thể hiện sự tương tác bề mặt giữa cacbon và đế AISI 316L.

Hình 3.4. Tương tác bề mặt giữa cacbon và đế AISI 316

b) Quá trình hình thành và phát triển màng

Quá trình tạo mầm và phát triển mầm phụ thuộc vào điện áp phân

cực đế theo quy luật: V

= 60 ÷ 90 V, các mầm có dạng các đảo nhỏ;

= 120 ÷ 200 V, phát triển theo dạng kết hợp giữa đảo và lớp; V

200 V, màng phát triển theo dạng lớp (hình 3.5).

Hình 3.5. Ảnh hưởng của điện áp phân cực anot đến quá trình hình thành

và phát triển màng: C (tím), Fe (xanh thẫm), Cr (đỏ) and Cr (vàng)

a) Vs = 0 V

b) Vs = 120 V

c) Vs = 300 V

400

600 ps