Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ phần zro2 và nhiệt độ thiêu kết đến tính chất vật liệu gốm ôxít nhôm siêu mịn tăng bền bằng ôxít zircon nano

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ THỊ NHUNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ PHẦN ZrO2 VÀ NHIỆT ĐỘ THIÊU KẾT ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT LIỆU GỐM OXIT NHƠM SIÊU MỊN TĂNG BỀN BẰNG OXIT ZIRCO NANO LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS ĐẶNG QUỐC KHÁNH TS TẠ VĂN KHOA HÀ NỘI - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu Các kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình sở khác dạng luận văn Người cam đoan Vũ Thị Nhung Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung i LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cám ơn thầy giáo TS Đặng Quốc Khánh TS Tạ Văn Khoa, người trực tiếp định hướng đề tài tận tình hướng dẫn em hồn thành luận văn Em xin chân thành cám ơn tập thể cán phịng Cơng nghệ Vật liệu – Viện Cơng nghệ - Tổng cục Cơng nghiệp quốc phịng động viên, khích lệ em hoàn thành luận văn Xin chân thành cám ơn thầy cô giáo môn Vật liệu kim loại màu composite thầy cô giáo Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dạy em suốt năm học trường tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành luận văn Cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn chân thành tới người thân gia đình động viên khích lệ em mặt Em xin chân thành cám ơn! Học viên: Vũ Thị Nhung Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung ii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Lĩnh vực ứng dụng vật liệu gốm tiên tiến Bảng 1.2: Cơ lý tính loại gốm Al2O3 làm giáp chống đạn 11 Bảng 2.1: Giá trị KIC số loại vật liệu 31 Bảng 2.2: Một số tính chất đặc trưng Al2O3 ZrO2 33 Bảng 2.3: Sự phụ thuộc kiểu mạng, thông số mạng, thành phần pha ZrO2 vào hàm lượng Y2O3 37 Bảng 2.4: Kết tăng bền cho số vật liệu gốm .40 Bảng 4.1: Thành phần hóa học bột Al2O3 52 Bảng 4.2: Thành phần hóa học bột ZrO2 99,99% + 3% mol Y2O3 54 Bảng 5.1: Tỉ phần pha ZrO2 mẫu trước ép sau thiêu kết nhiệt độ khác 64 Bảng 5.2: Tỉ trọng vật liệu với nhiệt độ thiêu kết thành phần khác nhau65 Bảng 5.3: Một số tính mẫu gốm có thành phần thiêu kết nhiệt khác 68 Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phân bố sản lượng gốm Al2O3 theo lĩnh vực ứng dụng Hình 1.2: Sơ đồ cơng nghệ chế tạo gốm kết cấu Al2O3 12 Hình 1.3: Sự phụ thuộc kích thước hạt vào thời gian nghiền 15 Hình 2.1: Quan hệ ứng suất - biến dạng loại vật liệu 26 Hình 2.2: Mẫu gốm với vết nứt cạnh 29 Hình 2.3: Mơ hình mẫu với vết nứt 29 Hình 2.4: Quan hệ KIC, σ cgh 31 Hình 2.5: Giản đồ trạng thái ZrO2-Al2O3 34 Hình 2.6: Đường cong giãn nở nhiệt hệ gốm có ZrO2 .35 Hình 2.7: Giản đồ pha ZrO2-Y2O3 36 Hình 2.8: Quá trình lan truyền vết nứt 42 Hình 2.9: Quá trình chuyển pha xảy đỉnh vết nứt 42 Hình 2.10: Quá trình chuyển pha tạo vi nứt 44 Hình 3.1: Cân điện tử hệ gá để xác định khối lượng vật nước 45 Hình 3.2: Máy đo độ cứng FM-100 47 Hình 3.3: Sơ đồ đo độ bền uốn theo phương pháp điểm .47 Hình 3.4: Máy đo độ bền uốn TT-HW2-1000 48 Hình 3.5: Thiết bị chụp ảnh SEM Hitachi S-4800 50 Hình 3.6: Thiết bị phân tích nhiễu xạ Rơnghen D5000 51 Hình 4.1: Giản đồ XRD mẫu bột Al2O3 hãng Inframat (150 nm)và Trung Quốc (500 nm) 52 Hình 4.2: Ảnh SEM mẫu bột Al2O3 53 Hình 4.3: Giản đồ XRD mẫu bột ZrO2 .53 Hình 4.4: Ảnh SEM mẫu bột ZrO2 nano 54 Hình 4.5: Sơ đồ công nghệ chế tạo mẫu gốm Al2O3 – ZrO2 55 Hình 4.6: Máy nghiền li tâm hành tinh .57 Hình 4.7: Máy rung siêu âm 57 Hình 4.8: Khn ép tạo hình mẫu nghiên cứu 57 Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung iv Hình 4.9: Máy ép thủy lực 10T 58 Hình 4.10: Tủ sấy Hozyzont SPT200 .59 Hình 4.11: Lị Nabethern 59 Hình 4.12: Sơ đồ thiêu kết chung cho vật liệu gốm 60 Hình 4.13: Mẫu gốm Al2O3 .61 Hình 5.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu ZrO2 sau thiêu kết nhiệt độ khác 62 Hình 5.2: Mối quan hệ tỷ trọng tương nhiệt độ thiêu kết tỷ lệ ZrO2 mẫu gốm 66 Hình 5.3: Ảnh SEM mẫu chứa 20% ZrO2 thiêu kết nhiệt độ 1550 oC (a), 1600 oC (b), 1625 oC (c) 1650 oC (d) 67 Hình 5.4: Mối quan hệ nhiệt độ thiêu kết tỷ phần ZrO2 với độ cứng HV10 mẫu gốm .69 Hình 5.5: Mối quan hệ nhiệt độ thiêu kết tỷ phần ZrO2 với độ bền uốn mẫu gốm .71 Hình 5.6: Mối quan hệ nhiệt độ thiêu kết tỷ phần ZrO2 với độ bền chống phá hủy mẫu gốm 72 Hình 5.7: Ảnh SEM bề mặt mẫu gốm vết đâm thử độ cứng mẫu gốm có hàm lượng 0% ZrO2(a) 10% ZrO2 (b) 73 Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC BẢNG iii DANH MỤC HÌNH VẼ iv MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU GỐM VÀ GỐM TIÊN TIẾN CƠ SỞ ƠXÍT NHƠM 1.1 Khái quát vật liệu gốm .3 1.1.1 Định nghĩa vật liệu gốm 1.1.2 Phân loại vật liệu gốm 1.1.3 Tính chất lĩnh vực ứng dụng vật liệu gốm tiên tiến 1.2 Gốm tiên tiến sở Al2O3 1.2.1 Một vài nét lịch sử phát triển 1.2.2 Các tính chất lĩnh vực ứng dụng .8 1.2.3 Gốm Al2O3 làm giáp chống đạn 1.3 Công nghệ chế tạo gốm tiên tiến sở Al2O3 11 1.3.2 Các phương pháp tạo hình gốm tiên tiến 16 1.3.3 Thiêu kết 18 1.4 Các biện pháp tăng bền vật liệu gốm tiên tiến 22 1.5 Nghiên cứu gốm tiên tiến Việt Nam .23 1.6 Nội dung nghiên cứu luận văn 25 CHƯƠNG CƠ SỞ VỀ BIẾN DẠNG VÀ TĂNG BỀN CỦA HỆ GỐM Al2O3 – ZrO2 26 Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung vi 2.1 Cơ sở biến dạng phá huỷ vật liệu gốm 26 2.1.1 Biến dạng 26 2.1.2 Phá huỷ vật liệu gốm 27 2.2 Đặc trưng pha chủ yếu hệ gốm Al2O3-ZrO2 31 2.2.1 Al2O3 31 2.2.2 ZrO2 32 2.3 Cơ chế tăng bền gốm hệ Al2O3 –ZrO2 (Y2O3) 34 2.3.1 Giản đồ trạng thái ZrO2-Al2O3 34 2.3.2 Giản đồ trạng thái hệ ZrO2-Y2O3 36 2.3.3 Cơ chế tăng bền gốm Al2O3-ZrO2 38 2.3.4 Cơ chế tăng bền nhờ chuyển pha 40 2.4 Các nguyên tắc tối ưu hóa thành phần, cấu trúc tính chất vật liệu gốm .44 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .45 3.1 Các phương pháp khảo sát .45 3.1.1 Đo khối lượng riêng 45 3.1.2 Đo độ cứng 46 3.1.3 Đo độ bền uốn 47 3.1.4 Xác định hệ số chống nứt KIC 48 3.2 Chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua phân tích nhiễu xạ Rơnghen .50 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 52 4.1 Nghiên cứu khảo sát nguyên liệu đầu vào .52 4.1.1 Bột Al2O3 52 4.1.2 Bột ZrO2 53 Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung vii 4.2 Công nghệ chế tạo mẫu nghiên cứu 55 4.2.1 Sơ đồ công nghệ chế tạo mẫu nghiên cứu 55 4.2.2 Trộn hỗn hợp Al2O3 - ZrO2 .56 4.2.3 Tạo hình mẫu nghiên cứu 57 4.2.4 Sấy phôi gốm trước thiêu kết .58 4.2.5 Thiêu kết 59 4.3 Chuẩn bị mẫu 61 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 62 5.1 Thành phần pha cấu trúc vật liệu 62 5.2 Mối quan hệ tỷ trọng tương nhiệt độ thiêu kết tỉ lệ ZrO2 mẫu gốm 65 5.3 Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết tỷ phần ZrO2 đến tính chất học vật liệu gốm sau thiêu kết 68 KẾT LUẬN .74 KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung viii MỞ ĐẦU Vật liệu gốm người phát minh sử dụng từ thời kì đầu văn minh nhân loại Trong suốt trình phát triển mình, vật liệu gốm góp phần quan trọng vào phát triển khoa học kỹ thuật công nghiệp ngành cơng nghiệp hóa chất, xây dựng, luyện kim, công nghệ chế tạo máy, giao thông vận tải, khoa học vũ trụ… Cùng với tiến khoa học, ngày nhiều loại vật liệu phát minh, bao gồm vật liệu gốm tiên tiến Gốm tiên tiến phân thành nhóm chính: vật liệu gốm kết cấu, gốm chức gốm y sinh Từ hai thập kỉ cưới kỉ XX đến nay, người ta chứng kiến gia tăng đáng kể cơng trình nghiên cứu gốm kết cấu tiên tiến, đặc biệt gốm Al2O3 Gốm Al2O3 dùng chủ yếu chi tiết kết cấu chịu tải học, đặc biệt nhiệt độ cao Tuy vậy, hạn chế gốm Al2O3 đặc tính giịn, chịu sốc cơ, sốc nhiệt nên để sử dụng gốm Al2O3 cơng nghiệp, cần có biện pháp khắc phục yếu điểm Với mục đích tạo vật liệu gốm Al2O3 có tính cao, bền cơ, bền nhiệt, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ phần ZrO2 nhiệt độ thiêu kết đến tính chất vật liệu gốm Al2O3 siêu mịn tăng bền ơxít zircon” hình thành Đề tài sử dụng phương pháp luyện kim bột để nghiên cứu, chế tạo vật liệu gốm Al2O3 tăng bền ơxít zircon Đồng thời, khảo sát, đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết tỉ phần ZrO2 đến số tính chất học vật liệu thu được: độ cứng, độ bền uốn, độ bền chống phá hủy Việc nghiên cứu góp phần tìm kiếm công nghệ chế tạo dụng cụ chi tiết gốm kết cấu Al2O3 chất lượng cao, có tính chất đặc biệt Mục đích luận văn: - Nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm Al2O3-ZrO2 theo phương pháp luyện kim bột, với hàm lượng ZrO2 vật liệu biến thiên từ 10% đến 20%, nhiệt độ thiêu Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung Luận văn cao học hạt bột bị lớn lên, làm giảm tính vật liệu Do đó, đề tài lựa chọn nhiệt độ thiêu kết tối ưu cho mẫu 15% ZrO2 1625 oC Do có chất ổn định hóa Y2O3 (3% mol), pha t-ZrO2 tồn nhiệt độ thường Chính nhờ có mặt pha t-ZrO2 mà tỉ trọng độ cứng, độ bền vật liệu cải thiện Điều chứng minh đánh giá tính vật liệu 5.2 Mối quan hệ tỷ trọng tương nhiệt độ thiêu kết tỉ lệ ZrO2 mẫu gốm Để khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ tỉ lệ ZrO2 đến việc kết khối vật liệu tìm nhiệt độ thiêu kết thành phần hóa học thích hợp, đề tài tiến hành thiêu kết nhiệt độ: 1550 oC, 1600 oC, 1625 oC, 1650 oC mẫu gốm có tỉ phần là: 0%, 10%, 15% 20%, lực ép chọn 50 MPa Tỷ trọng thông số quan trọng đặc trưng để đánh giá hiệu trình kết khối vật liệu chế tạo phương pháp luyện kim bột Từ kết đo tỷ trọng, phán đốn sơ tính chất khác vật liệu độ bền, độ cứng…của vật liệu Các mẫu nghiên cứu sau thiêu kết, xác định tỷ trọng phương pháp cân thủy tĩnh dựa định luật Acsimét Kết trình bày bảng 5.2 Bảng 5.2: Tỉ trọng vật liệu với nhiệt độ thiêu kết thành phần khác Nhiệt độ thiêu Thông số Al2O3-10%ZrO2 Al2O3-15%ZrO2 Al2O3-20%ZrO2 kết, oC γlt, (g/cm3) 4,17 4,28 4,38 γtt, (g/cm3) 3,77 3,88 4,2 γtt/ γlt, % 90,36 90,7 95,8 γtt, (g/cm3) 4.03 4,16 4,34 γtt/ γlt, % 96,6 97,24 99,0 γtt, (g/cm3) 4,09 4,23 4,19 γtt/ γlt, % 98,03 98,88 95,57 γtt, (g/cm3) 4,12 4,17 4,01 γtt/ γlt, % 98,75 97,48 91,47 1550 1600 1625 1650 Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 65 Luận văn cao học Dựa vào số liệu thu được, xây dựng giản đồ mối quan hệ tỷ trọng tương nhiệt độ thiêu kết tỷ lệ ZrO2 mẫu gốm hình 5.2 Từ đồ thị hình 5.2, thấy rằng, mẫu vật liệu sau ép áp lực 50 MPa thiêu kết nhiệt độ từ 1550 oC có tỷ trọng cao (trên 90% tỉ trọng lí thuyết) Tại mẫu có hàm lượng ZrO2, tăng nhiệt độ thiêu kết, ban đầu, tỷ trọng tương đối vật liệu tăng đến giá trị cực đại, sau giảm dần Nhiệt độ thiêu kết để đạt giá trị tỉ trọng cao giảm dần tăng hàm lượng ZrO2 Đối với mẫu AZ10 (10% ZrO2), tỷ trọng tương đối đạt cực đại 98,75% thiêu kết nhiệt độ 1650 oC Mẫu AZ15 (15% ZrO2), thiêu kết nhiệt độ 1625 oC thu mẫu gốm có tỷ trọng tương đối cao ( xấp xỉ 99%) Còn mẫu AZ20 (20% ZrO2), tỷ trọng tương đối cao 99% nhiệt độ thiêu kết tối ưu 1600 oC Tỷ trọng tương đối, % 100 98 96 94 AZ10 92 AZ15 90 AZ20 88 86 1550 1600 1625 1650 Nhiệt độ thiêu kết, oC Hình 5.2: Mối quan hệ tỷ trọng tương nhiệt độ thiêu kết tỷ lệ ZrO2 mẫu gốm Nguyên nhân trình thiêu kết xảy trình khuếch tán bề mặt, khuếch tán biên hạt, nhập hạt, chuyển pha, bay ngưng tụ phần tiếp xúc hạt Điều làm cho hạt bột bị co ngót, thay đổi kích thước, lỗ xốp bị triệt tiêu Liên kết hạt tăng cường Kết tỉ trọng vật liệu tăng Nhưng vượt nhiệt độ tối ưu, hạt gốm có xu hướng lớn lên Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 66 Luận văn cao học Khi đó, khơng khí khoảng trống hạt bột khơng kịp dẫn đến tạo thành lỗ xốp kín, làm giảm mật độ mẫu Điều cho thấy, để thu vật liệu có mật độ cao, cần xác định xác nhiệt độ thiêu kết Dựa sở đó, ta xem xét ảnh hưởng thông số nhiệt độ thiêu kết thành phần hóa học tính chất vật liệu gốm sau thiêu kết Hình dạng kích thước hạt bột sau thiêu kết mẫu 20% ZrO2 nhiệt độ khác thể ảnh hiển vi điện tử quét hình 5.3 a) μm b) c) μm d) μm Hình 5.3: Ảnh SEM mẫu chứa 20% ZrO2 thiêu kết nhiệt độ 1550 oC (a), 1600 oC (b), 1625 oC (c) 1650 oC (d) Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 67 Luận văn cao học Quan sát ảnh hiển vi điện tử quét mẫu gốm thiêu kết nhiệt độ khác nhau, thấy, hạt ZrO2 (là hạt có kích thước nhỏ hơn) phân bố biên giới hạt hạt Al2O3 So sánh ảnh SEM cho thấy thay đổi kích thước hạt thiêu kết nhiệt độ khác Các mẫu thiêu kết 1550 oC, ảnh SEM phân biệt rõ loại hạt: hạt Al2O3 dạng đa cạnh, có kích thước trung bình khoảng μm hạt ZrO2 nằm biên giới hạt Al2O3 có kích thước trung bình 0,5 μm Trong đó, nâng nhiệt độ thiêu kết lên 1600 oC, kích thước hạt giảm, cịn cỡ μm hạt Al2O3 cỡ 0,2 μm đối vớ hạt ZrO2 Nguyên nhân: nhiệt độ này, trình khuếch tán bề mặt, khuếch tán biên hạt, nhập hạt, chuyển pha, bay ngưng tụ phần tiếp xúc hạt xuất hiện, làm cho hạt bột bị co ngót dẫn đến giảm kích thước Khi thiêu kết mẫu gốm tăng từ 1600 oC lên 1625 oC 1650 oC, kích thước hạt trung bình tăng lên, cụ thể: kích thước hạt Al2O3 tăng từ μm lên cỡ 1,5 μ tiếp tục tăng lên 2μm nhiệt độ thiêu kết 1650 oC; kích thước hạt ZrO2 tăng từ 0,2μm lên 0,5 μm 1μm Điều xảy trình hạt nhập lại với xảy mạnh Kết phù hợp với kết xác định tỉ trọng tương đối vật liệu 5.3 Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết tỷ phần ZrO2 đến tính chất học vật liệu gốm sau thiêu kết Hiệu tăng bền gốm Al2O3 ơxít zirconi chế chuyển pha tetragonal – monoclin ZrO2 làm giảm động lực phát triển vết nứt Để khảo sát ảnh hưởng hàm lượng ơxít zirconi nhiệt độ thiêu kết, tiến hành kiểm tra, đánh số tính chất vật liệu: độ cứng, độ bền uốn, độ bền chống phá hủy theo phương pháp trình bày chương Kết trình bày bảng sau: Bảng 5.3: Một số tính mẫu gốm có thành phần thiêu kết nhiệt khác Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 68 Luận văn cao học Nhiệt độ thiêu Tỷ phần ZrO2, kết, oC 1550 1600 1625 1650 Độ bền chống Độ cứng HV10, Độ bền uốn, % GPa MPa 10 11 370 15 13,2 387 4,5 20 14,1 410 5,7 10 15 12,7 14,6 389 413 4,8 5,3 20 15,3 465 7,5 10 13 398 5,1 15 17 425 6,6 20 17,4 447 10 14,9 411 5,6 15 15,5 416 20 16,2 421 6,4 phá hủy, MPa.m1/2 Từ bảng kết trên, xây dựng đồ thị hình 5.4, 5.5, 5.6 Sự phụ thuộc độ cứng HV10 vào hàm lượng ZrO2 nhiệt độ thiêu kết Độ cứng, HV10, GPa trình bày hình 5.4 20 18 16 14 12 10 AZ10 AZ15 AZ20 1550 1600 1625 1650 Nhiệt độ thiêu kết, oC Hình 5.4: Mối quan hệ nhiệt độ thiêu kết tỷ phần ZrO2 với độ cứng HV10 mẫu gốm Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 69 Luận văn cao học Với nhiệt độ thiêu kết, tăng hàm lượng ZrO2, độ cứng vật liệu tăng Ví dụ: với mẫu thiêu kết 1625 oC, tăng hàm lượng ZrO2 từ 10% đến 20%, độ cứng HV10 tăng từ 13 GPa lên 17,4 GPa Điều giải thích sau: Các hạt ZrO2 phân tán đồng Al2O3, đóng vai trò chốt cản trở chuyển động lệch, lệch muốn vượt qua cần có thêm lượng, chế hóa bền phân tán Mặt khác, tác dụng ứng suất, xảy tượng chuyển pha t-m ZrO2 Quá trình chuyển pha kèm theo hiệu ứng tăng thể tích, đó, sinh ứng suất nén, triệt tiêu phần ứng suất tác động từ bên Theo lý thuyết sở tăng bền, chuyển pha t-m ZrO2 nguyên nhân làm tăng bền vật liệu Đối với mẫu gốm có hàm lượng ZrO2, ban đầu tăng nhiệt độ thiêu kết, độ cứng vật liệu tăng Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thiêu kết, độ cứng vật liệu bị giảm mạnh Như trường hợp mẫu 20% ZrO2, tăng nhiệt độ thiêu kết từ 1550 oC lên 1625 oC, độ cứng tăng từ 14,1 GPa lên 17,4 GPa Sau đó, giảm xuống 16,2 GPa nhiệt độ thiêu kết tăng lên 1650 oC Để giải thích nguyên nhân tượng này, cần phân tích ảnh hưởng q trình chuyển pha t-m ZrO2, lớn lên hạt, tỉ trọng tương đối vật liệu với độ cứng mẫu Ở giai đoạn đầu, tăng nhiệt độ thiêu kết, xảy chuyển pha m-t ZrO2, tỉ phần pha t-ZrO2 tăng; đồng thời, tỉ trọng vật liệu tăng; đó, kích thước hạt giảm Cả nguyên nhân dẫn tới tăng độ cứng vật liệu Khi nhiệt độ thiêu kết tiếp tục tăng, pha m-ZrO2 chuyển biến hết; hạt bột tăng kích thước, tỉ trọng vật liệu giảm, đó, độ cứng vật liệu giảm theo Hình 5.5 thể phụ thuộc độ bền uốn vật liệu vào thành phần nhiệt độ thiêu kết Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 70 Luận văn cao học Độ bền uốn, MPa 500 400 AZ10 AZ15 300 AZ20 200 1550 1600 1625 1650 Nhiệt độ thiêu kết, oC Hình 5.5: Mối quan hệ nhiệt độ thiêu kết tỷ phần ZrO2 với độ bền uốn mẫu gốm Từ đồ thị, thấy rằng: độ bền uốn mẫu thiêu kết nhiệt độ tăng tỉ lệ thuận với hàm lượng mẫu mẫu có thành phần, độ bền uốn tăng tăng nhiệt độ thiêu kết đến nhiệt độ thiêu kết tối ưu, sau đó, giảm nhiệt độ thiêu kết tiếp tục tăng Ví dụ: Các mẫu gốm có hàm lượng ZrO2 15%, độ bền uốn tăng từ 387 MPa đến 425 MPa nhiệt độ thiêu kết tăng từ 1550 oC lên đến 1625 oC, ứng với giai đoạn tăng tỉ trọng tương đối đồ thị hình 5.2, giảm xuống 416 MPa nhiệt độ thiêu kết tăng lên 1650 oC, ứng với giai đoạn giảm tỉ trọng tương đối đồ thị hình 5.2 Các mẫu thiêu kết 1650 oC, hàm lượng ZrO2 mẫu tăng từ 10% đến 20%, độ bền uốn tăng từ 411 MPa lên 421 MPa Nguyên nhân giải thích tác dụng tăng bền ZrO2 theo chế trình bày chương mối tương quan tỉ trọng tương nhiệt độ thiêu kết đồ thị hình 5.2 Hình 5.6 biểu diễn phụ thuộc độ bền chống phá hủy vật liệu vào thành phần nhiệt độ thiêu kết Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 71 Luận văn cao học Độ bền chống phá hủy KIC, MPa.m1/2 AZ10 AZ15 AZ20 1550 1600 Nhiệt độ thiêu 1625 1650 kết, oC Hình 5.6: Mối quan hệ nhiệt độ thiêu kết tỷ phần ZrO2 với độ bền chống phá hủy mẫu gốm Từ đồ thị, thấy rằng: độ bền chống phá hủy mẫu mẫu có thành phần, độ bền chống phá hủy tăng tăng nhiệt độ thiêu kết đến nhiệt độ thiêu kết tối ưu, sau đó, giảm nhiệt độ thiêu kết tiếp tục tăng; với nhiệt độ thiêu kết, độ bền chống phá hủy tăng tỉ lệ thuận với hàm lượng mẫu Ví dụ: Các mẫu gốm có hàm lượng ZrO2 20%, độ bền chống phá hủy tăng từ 5,7 MPa.m1/2 đến 7,5 MPa.m1/2 nhiệt độ thiêu kết tăng từ 1550 oC lên đến 1625 oC giảm xuống 6,4 MPa.m1/2 nhiệt độ thiêu kết tăng lên 1650 oC Các mẫu thiêu kết 1600 oC, hàm lượng ZrO2 mẫu tăng từ 10% đến 20%, độ bền chống phá hủy tăng từ 4.8 MPa.m1/2 lên 7,5 MPa.m1/2 Nguyên nhân giải thích tác dụng tăng bền ZrO2 theo chế trình bày chương mối tương quan tỉ trọng tương nhiệt độ thiêu kết đồ thị hình 5.2 Cơ chế tăng bền ZrO2 gốm Al2O3 quan sát thấy ảnh FeSEM bề mặt mẫu gốm sau thử độ cứng nhờ phân tích hình dáng, đường vết nứt hình 5.7 Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 72 Luận văn cao học a) 100 µm b) 100 µm Hình 5.7: Ảnh SEM bề mặt mẫu gốm vết đâm thử độ cứng mẫu gốm có hàm lượng 0% ZrO2(a) 10% ZrO2 (b) Hình (a) thể bề mặt mẫu gốm vết đâm thử độ cứng mẫu có 0% ZrO2, hình dạng vết đâm đậm, rõ nét, vết nứt gần đường thẳng Trong khi, hình (b), vết đâm có kích thước nhỏ bị đổi hướng Theo lý thuyết chế tăng bền chương 2, nguyên nhân tác dụng tăng bền pha ZrO2 phân tán vật liệu gốm Khi chuyển hướng, động lực phát triển vết nứt giảm đi, đó, tăng bền cho vật liệu Có thể quan sát hình 5.7 b, kích thước vết nứt giảm rõ rệt sau bị chuyển hướng Qua nghiên cứu trên, đưa kết luận sau: - Các mẫu gốm có chứa 20% ZrO2, thiêu kết 1600 oC đạt tính tốt nhất: độ bền uốn 465 MPa, độ bền chống phá hủy đạt 7,5 MPa.m1/2, độ cứng đạt 15,3 GPa So sánh với kết đề tài cấp Bộ 2005-2008 Viện Công nghệ: độ bền uốn 450 MPa, độ bền chống phá hủy đạt 4,8 MPa.m1/2, độ cứng đạt 17 GPa, thấy cải thiện rõ rệt tính vật liệu, đặc biệt độ bền uốn độ bền chống phá hủy p -Việc đưa ZrO2 biên pháp hiệu nhằm cải thiện tính vật liệu gốm Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 73 Luận văn cao học KẾT LUẬN Nghiên cứu lý thuyết khẳng định: Vật liệu gốm bị phá hủy giòn phát triển khơng kiểm sốt vết nứt Độ bền chống phá hủy xác định thông qua hệ số cường độ ứng suất tới hạn KIC Sử dụng phương pháp vết đâm dùng mũi đo độ cứng Vicker phương pháp phổ biến để xác định KIC Có chế tăng bền chủ yếu vật liệu gốm Al2O3-ZrO2, chế tăng bền chuyển pha t-m ZrO2 vừa có hiệu cao lại dễ thực Từ nghiên cứu đó, rút nguyên tắc tối ưu hóa thành phần, cấu trúc tính chất vật liệu định hướng nghiên cứu công nghệ chế tạo gốm tiên tiến độ bền cao Các nghiên cứu tăng bền gốm kết cấu Al2O3 ZrO2 cho thấy: ZrO2 có tác dụng tăng bền rõ rệt vật liệu gốm kết cấu Al2O3-ZrO2 Khi thêm 20% ZrO2 phân tán vào nên Al2O3, độ bền uốn điểm đạt 465 MPa (tăng 125% so với mẫu gốm 100% Al2O3, KIC đạt 7,5 MPa.m1/2 (tăng 150% so với mẫu gốm 100% Al2O3), độ cứng HV10 đạt 17,4 GPa Nhiệt độ thiêu kết thông số quan trọng thiêu kết mẫu gốm nghiên cứu Lựa chọn nhiệt độ thiêu kết tối ưu loại gốm có tỷ phần ZrO2 khác thu vật liệu gốm có tính chất tốt Trong nghiên cứu, nhiệt độ thiêu kết tối ưu mẫu 20% ZrO2 1600 oC Tại nhiệt độ này, độ bền uốn điểm đạt 465 MPa KIC đạt 7,5 MPam1/2, độ cứng HV10 đạt 15,3 GPa Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 74 Luận văn cao học KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Nghiên cứu làm rõ thêm chế trình thiêu kết giúp cho việc tìm chế độ công nghệ tối ưu chế tạo gốm tiên tiến Al2O3 Nghiên cứu mối quan hệ tương quan cỡ hạt Al2O3 ZrO2 tính chất vật liệu gốm kiểm sốt tính chất vật liệu gốm thu Nghiên cứu thêm đặc trưng nhiệt hệ gốm độ dão, độ chịu sốc nhiệt giúp ứng dụng chúng vào mục đích đặc biệt: chịu mịn nhiệt độ cao Cần nghiên cứu ứng dụng vật liệu gốm kết cấu Việt Nam, đặc biệt lĩnh vực dụng cụ cắt gọt, chế tạo dụng cụ chịu mòn nhiệt độ cao Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 75 Luận văn cao học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alan G Kin, (2002), Ceramic Technology and Processing, Noyes Publications [2] Alexander et al,(1996), “Methode for preparing ceramic composite”, United States Patent 5.482.673 [3] Anya C.C et al., (2000), “A more consistent explanation of the strength of Al2O3/SiC nanocomposite after grinding and annealing”, Ceramics International, 26(4), 427-434 [4] Binner Jon G.P., (1990), Advanced Ceramic Processing And Technology, Noyes Publications [5] Bộ môn Kim loại học nhiệt luyện, (1992), Cơ sở lý thuyết lệch mạng, Đại học Bách Khoa Hà Nội [6] Chao Zhang, Gouping Ling, Jian Li, (2005), “Ultra-toughened Al2O3–TiC– Co ceramic”, Composite Part A, 36(5), 715-718 [7] Choa Y.H., Nakahira A., Niihira K., (2000), “Microstructure and mechanical properties of SiC-platelet reinforced Al2O3/SiC-particle hybrid composites”, Journal Of Materials Science, 35, 3143-3149 [8] Chonghai Xu, Xing Ai, (2001), “Particle Dispersed Ceramic Composite Reinforced with Rare Earth Additions”, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, V.19 N02, 85-88 [9] Cuttler.R.A, Murford.A.C, Vikar.A.V, (1988), “Pressureless sintered Al2O3TiC composites”, Materials Science and Engineer, 105,183-192 [10] Lý Ngọc Doãn, Trần Thế Phương, Trần Văn Dũng, Lê Văn Phúc, Trần Thị Lan Phương, (1990), “Chế tạo gốm cắt gọt”, Báo cáo đề tài [11] Dorre E., Hubner H., (1989), Alumina, Springer-Verlag, Berlin [12] Lê Công Dưỡng, (1997), Vật liệu học, Nhà xuất KHKT, Hà Nội [13] Gatto A., Iuliano L., (1997), “Advanced coated ceramic tools for machining superalloys, International Journal Machine Tools and Manufacture, 37(5), 591-605 Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 76 Luận văn cao học [14] Hartmanora M., Scheneider J., Navratil V., Kundracik F., Schulz H and Lomonova E.E., (2000), “Correlation between microscopy and Macoscopy properties of yttri stabilized Zirconia”, Solid state Ionic, Vol.136-137, 107113 [15] Jamil Duailibi Filho et al., (2004), “Mechanical Properties of AluminaZirconia Composites for Ceramic Abutments”, Material Research, Vol 7, (4), 26-29 [16] Kingery W.D., Bowen H.K and Uhlman D.R, Introduction to ceramics, 2th edition, Wiley-Interscience Publication, John Wiley & Son, Inc., Canada [17] Tạ Văn Khoa, (2012), “Nghiên cứu chế tạo áo giáp chống đạn sở vật liệu gốm Al2O3 để thay sản phẩm nhập ngoại”, Báo cáo tổng kết đề tài [18] Krell A., Blank P., Ma H., Hutzler T and Nebelung M., (2003), “Processing of high density submicrometer Al2O3 for new applications”, Journal Of American Ceramics, 86, 546-553 [19] Lakiza S.N., Lopato L.M., (1997), “System ZrO2-Al2O3”, Journal American Ceramic Society, 80(4), 893-902 [20] Lange F.F., (1982), “Transformation toughening”, Journal Material Science, 17, 247-254 [21] Lee et al, (1989), “Rapid rate sintering of ceramics” United States Patent 490.319 (1989) [22] Lee et al, (1983), “Ceramic Al2O3 substoichiometic TiC body”, United States Patent 4.407.968 [23] Minyoung Lee, Markus P.Borom, (1988), “Rapid rate sintering of Al2O3TiC composite for cutting tool application”, Advanced Ceramic Material, 3(1), 38-44 [24] A.Muchtar and L.C.Lim, (1998) “Identation fracture toughness of high purity submicron alumina”, Acta Mater 46(5) 1683-1690 [25] Trần Thế Phương, (2003), “Nghiên cứu khả tăng bền gốm kết cấu Al2O3 chế tạo phương pháp luyện kim bột”, Luận án tiến sĩ, 2003 Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 77 Luận văn cao học [26] Trần Thế Phương, Trần Văn Dũng, Phạm Văn Cường, (1997), “Alumina ceramics reinforced by TiC and by stabilized ZrO2: Some aspect of technology and application”, Proceedings of the Scientific Weeks of ASEAN [27] Rafferty A., Alsebaie A.M., Olabi A.G, Prescott T., (2009), “Properties of zirconia-toughened-alumina prepared via powder processing and colloidal processing routes”, Journal of Colloid and Interface Science, Vol 329 No2, 310-315 [28] Rittidechan A., Somrita R., Tunkasirib T., (2012), “Effect of adding Y2O3 on structurer and mechanical properties of Al2O3–ZrO2 ceramics”, 8th Asian Meeting on Electronceramics, 39, 433-436 [29] Roy R.S., Guchhait H., Chanda A., Basu D and Mitra M.K., (2007), “Improved sliding wear resistance of alumina with sub-micro grain size: a coMParision with coarser grained material”, J.Eur.Ceram.Soc., 27, 47374743 [30] Sarkar D., Adak S., Mitra M.K, (2006), “Preparation and characterization of an Al2O3–ZrO2 nanocomposite”, Composite Part A, 38(1), 124-131 [31] Shackelford J.F and Doremus R.H, (2008), “Ceramic and glass materials: Structure, properties and processing”, Springer [32] Sherman D and Brandon D., (1999), “Mechanical properties of hard materials and their relation to microstructure”, Advance Engineering Materials, 1,(3-4), 161-181 [33] Silva M.V., Stainer D., Al-Qureshi H.A., Montedo O.R.K, and Hotza D., (2014), “Alumina-Based Ceramics for Armor Application: Mechanical Characterization and Ballistic Testing”, Journal of Ceramics, Vol.2014, pgs [34] Standley A., Sadley L.Y et al, (1994), “Attrition milling of ceramic oxide”, American Ceramic Society Bulletin, (11), 813-817 [35] Phạm Thảo, Vũ Chất Phác, (1997), Luyện kim bột, Tài liệu chuyên khảo Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 78 Luận văn cao học [36] Timms L.A., Ponton C.B., Strangwood M., (2002), “Processing of Al2O3/SiC nanocomposites”, Journal of the European Ceramic Society, 22, 1569-1586 [37] Urretavizcaya G., Porto J.M., (1997), “Pressureless sintering of Al2O3/SiCw materials: Effect of reducing atmosphere”, Journal of the European Ceramic Society, 17 (13), 1555-1563 [38] Wu S and Claussen N., (1994), “Reaction bonding of ZrO2 containing Al2O3”, Solid State Phenomena, Vol 25, 293-300 [39] Zavaliangos A., Zhang J., Krammer M and Groza J.R., (2004) “Temperature evolution during actived sintering”, Mater Sci Eng A., 379, 218-228 [40] Zhang X.H., Liu C.X., (2009), “Toughening mechanism of alumina-matrix ceramic composites with the addition of AlTiC master alloys and ZrO2”, Ceramics International , 35(1), 93-97 [41] Zhuang Y et al., (1998), “Ultra hardening of alumina based materials adding TiO2 into Alumina ceramic cutting tools”, Journal of Japan Society for Precision Engineering, 64 (2), 256-260 Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 79 ... vật liệu gốm - Nghiên cứu hệ hai cấu tử Al2O3 – ZrO2, ảnh hưởng ZrO2 tới tính chất gốm hệ Al2O3 -ZrO2 - Nghiên cứu động học thiêu kết bột Al2O3 hạt mịn, ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết đến tính chất. .. hệ tỷ trọng tương nhiệt độ thiêu kết tỉ lệ ZrO2 mẫu gốm 65 5.3 Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết tỷ phần ZrO2 đến tính chất học vật liệu gốm sau thiêu kết 68 KẾT LUẬN ... tính chất gốm tiên tiến sở Al2O3 - Khảo sát, đánh giá tính chất gốm Al2O3 có tỷ phần ZrO2 khác thiêu kết nhiệt độ < 1700 oC - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết tới tính chất vật liệu gốm tiên