SLIDE THUYẾT TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG - THỦY TINH

SLIDE THUYẾT TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG THỦY TINHThủy tinh là chất vô cơ nóng chảy bị làm quá lạnh về trạng thái rắn mà không kết tinh Thủy tinh là polyme vô cơ, là chất vô định hình I KHÁI NIỆM a) Tinh thể SiO2 b) Thủy tinh SiO2 I PHÂN LOẠI (theo thành phần và đặc tính) THỦY TINH ĐƠN NGUYÊN TỬ có chứa một loại nguyên tố hóa thuộc các nguyên tố nhóm 5,6 trong bảng HTTH như S, Se, As và P THỦY TINH OXYT Đó là thủy tinh đi từ các oxyt B2O3, SiO2, GeO2, P2O5 THỦY TINH HALOGEN Hai halogen có khả năng tạo thủy tinh là BeF2 v.

I KHÁI NIỆM  Thủy tinh chất vô nóng chảy bị làm lạnh trạng thái rắn mà không kết tinh  Thủy tinh polyme vô cơ, chất vơ định hình a) Tinh thể SiO2 b) Thủy tinh SiO2 THỦY TINH OXYT Đó thủy tinh từ oxyt: B 2O3, SiO2, GeO2, P2O5 THỦY TINH ĐƠN NGUYÊN TỬ THỦY TINH HALOGEN …có chứa loại nguyên tố hóa thuộc Hai halogen có khả tạo thủy tinh BeF2 nguyên tố nhóm 5,6 bảng HTTH như: S, Se, As P ZnCl2 Trên sở BeF2 tạo nhiều loại thủy tinh Fluorit I PHÂN LOẠI (theo thành phần đặc tính) THỦY TINH KHANCON THỦY TINH HỖN HỢP …đi từ hợp chất S, Se, Te Đi từ hỗn hợp chất có khả tạo thủy tinh: Các sulfid: GeS2, As2S3 + Oxyt – Hal : PbO- ZnF2 –TeO2 ; ZnCl2- TeO2 Các selenid: As2Se3 , GeSe2 , P2Se3 + Oxyt – Khancon : Sb2O3 – As2S3 ; As2S3 – As2O3– MemOn ( MemOn : Sb2O3, PbO, Các hệ: Ni – Ge – Se ; Mn – Ge – Se ; CuO) Ni – Zn– Se; Ni – Ge – S ; Zn – Ge – Se + Hal – Khancon: As – S –Cl; As – S – Br; As – S – I ; As – Te – I; As - S -Cl –Br –I NHĨM CÁC TÍNH CHẤT ĐƠN GIẢN Gồm tính chất có quy luật biến đổi theo thành phần hóa khơng phức tạp i Tính chất tính tốn định lượng Như khối lượng riêng, chiết suất, hệ số giãn nở nhiệt, số điện môi, mô đun đàn hồi, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, độ tán xạ trung bình thủy tinh NHĨM CÁC TÍNH CHẤT PHỨC TẠP Gồm tính chất biến đổi nhạy theo biến đổi thành phần hóa Chúng phụ thuộc phức tạp vào thành phần hóa khơng tính tốn định lượng Đó độ nhớt, sức căng bề mặt, độ bền hóa, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, tốc độ khuếch tán ion, độ tổn thất điện môi, độ thấu quang, độ cứng, khả kết tinh Độ bền học thủy tinh coi thuộc nhóm đặc biệt 2.1 ĐỘ NHỚT • • Độ nhớt đại lượng đặc trưng dùng đánh giá mức trượt tương đối hai lớp chất lỏng Đặc điểm hệ tạo thủy tinh có độ nhớt lớn Ở nhiệt độ nấu cao độ nhớt thủy tinh lớn gấp 10.000 lần độ nhớt nước 20 C • • Trong thực tế sản xuất, biến đổi độ nhớt thủy tinh theo nhiệt độ có ý nghĩa quan trọng Độ nhớt thay đổi yếu tố nhiệt độ thành phần hóa thủy tinh Sự chuyển động tương đối lớp chất lỏng 2.2 SỨC CĂNG BỀ MẶT • Sức căng bề mặt lượng cần thiết để tạo đơn vị bề mặt phân chia pha (dyn/cm; erg/cm 2; j/m2) • Sức căng bề mặt ảnh hưởng tới khả kết tinh, ảnh hưởng đến tạo bọt khử bọt nấu, trình tạo sợi thủy tinh, liên kết xương – men gốm, ảnh hưởng đến kết khối pha lỏng,… • • Sức căng bề mặt vấn đề đặc biệt quan trọng tạo hình thủy tinh khơng dùng khn Thành phần hóa nhiệt độ yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt thủy tinh 2.3 ĐỘ BỀN HĨA • Độ bền hóa thủy tinh khả chịu đựng tác dụng tác nhân hóa học nước, axit , kiềm… • Mỗi loại thủy tinh có độ bền hóa tùy thuộc vào thành phần điều kiện phá hủy • Loại thủy tinh silicat có độ bền hóa tăng lên thay cấu tử oxyt kiềm oxyt kiềm thổ đưa vào thủy tinh oxyt hóa trị 3,4 • Các silicat Zn, Be, Cd có độ bền nước cao; silicat Mg Sr bền hơn, cịn silicat Pb, Ba bền • Silicat Zircon, Alumosilicat Borosilicate (với B 2O3 5000C), hệ số dẫn nhiệt tăng mạnh xảy chế truyền nhiệt xạ 2.6 TÍNH CHẤT QUANG Là vật liệu suốt nên thủy tinh dùng chiếu sáng làm linh kiện quang học 2.6.1 CHIẾT SUẤT VÀ ĐỘ TÁN SẮC: • • • • Chiết suất độ tán sắc phụ thuộc vào thành phần hóa Các kim loại nặng Pb, Ba, Sb làm tăng chiết suất độ tán sắc Thủy tinh tơi có chiết suất nhỏ thủy tinh ủ có thành phần hóa Người ta dùng phương pháp gia cơng nhiệt để điều chỉnh chiết suất số Abbeovo thủy tinh quang học đến tiêu chuẩn yêu cầu 2.6.2 SỰ PHẢN XẠ ÁNH SÁNG: • Khi ánh sáng từ mơi trường sang môi trường khác, phần ánh sáng bị phản xạ bề mặt phân cách môi trường môi trường suốt • Trong hệ thống quang học phức tạp ( kính hiển vi, kính thiên văn…) có chứa nhiều thấu kính, lăng kính, tổn thất phản xạ đến 75-80% lượng ánh sáng tới • Để khắc phục tượng người ta tìm cách giảm hệ số phản xạ cách phủ lên chi tiết quang học thủy tinh màng mỏng có chiều dày ¼λ tia tới có chiết suất bậc chiết suất thủy tinh Ngược lại, muốn tăng hệ số phản xạ việc phủ lên bề mặt thủy tinh lớp màng có chiết suất lớn chiết suất thủy tinh CHẤT KHỬ BỌT  Các nitrat hay dùng: NaNO3, KNO3, Ba(NO3)2 , dùng NH4NO3, Ca(NO3)2   Nitrat kết hợp với số chất thường dùng: As2O3 (Sb2O3), CeO2, Na2SO4, hợp chất fluor, hợp chất amoni  Na2SO4 nóng chảy 8800C, phân hủy mạnh 1300-13500C tiến hành phản ứng: • SO3 phân hủy lập tức:  Các nitrat kết hợp với hợp chất asen antimoan: + Ở nhiệt độ thấp 800-12000C: + Ở nhiệt độ cao > 13000C: Chất oxy hóa – chất khử   CHẤT OXY HĨA: CHẤT KHỬ: Thường dùng muối nitrat, hợp chất arsenic, peroxyt Carbon (lấy từ mạt cưa, bột than đá, than cốc…) Carbon mangan,… Những hợp chất trình nấu thủy cần phản ứng hết vùng khử bọt, để carbon dư tinh bị phân hủy giải phóng Oxy khơng cháy hết làm thủy tinh có đốm màu đen nâu Ngồi Đa số thủy tinh màu địi hỏi nấu điều kiện oxy hóa cịn sử dụng hóa chất khác : để ngăn cản việc chuyển hóa oxyt nhuộm màu dạng - Kali Acid Tactrat (KHC4H4O6) hóa trị thấp - Oxyt Thiếc (SnO) - Clorua Thiếc (SnCl2.2H2O) - Mạt kim loại thiếc…đặc biệt bột kim loại Al, Mg chất khử mạnh CHẤT TĂNG NHANH QUÁ TRÌNH NẤU Là chất có khả giảm nhiệt độ tạo pha lỏng đầu tiên, giảm độ nhớt, giảm sức căng bề mặt làm thủy tinh nhanh đồng bọt khí dễ dàng  Các hợp chất fluor, muối amoni, clorua natri, oxyt bor, oxyt bari, nitrit…  Các muối Fluor, Oxyt Bor rút ngắn thời gian nấu đến 15 – 16%  Muối Amoni rút ngắn trình nấu đến 10 – 15%  Oxyt Bari rút ngắn thời gian nấu 10 – 15% Hợp chất thường dùng CaF2, Na2AlF6, Na2SiF6 Ngồi ra, người ta cịn dùng oxyt khó chảy, tan thủy tinh có chiết suất cao làm DẠNG TINH THỂ chất gây đục SnO2, CeO2, TiO2, ZrO2, 3MgO.4SiO2.H2O (tan) Thường dùng hợp chất phosphate như: Na2HPO4, CaHPO4, Ca3(PO4)2 với hàm lượng – 8% P2O5 Có thể dùng hợp chất Sulfate CHẤT GÂY ĐỤC DẠNG NHŨ TƯƠNG hay Clo hạn chế chúng tạo hạt đục thơ to làm thủy tinh mờ xấu Tồn thủy tinh dạng bọt khí nhỏ chủ yếu SO2 Loại DẠNG BỌT dùng điều kiện đặc biệt MẢNH THỦY TINH • • • Sử dụng lại mảnh để nấu không nhằm tiết kiệm ngun liệu nhiên liệu mà cịn đóng vai trị quan trọng việc giúp thủy tinh dễ chảy ổn định thơng số kỹ thuật lị nấu Nguồn cung cấp mảnh trước hết từ sản phẩm khơng đạt u cầu q trình sản xuất Ngồi dùng lại thủy tinh chủng loại qua sử dụng Lương mảnh sử dụng lại nằm khoảng 20 – 30% phối liệu NƯỚC Lượng nước trộn phối liệu trước hết làm giảm bay bụi hạt nguyên liệu nhỏ Sự bám dính hạt ngun liệu giúp q trình trộn trở nên đồng hơn, nguyên liệu không bị phân lớp Nước nóng cịn có tác dụng hịa tan phần soda nguyên liệu.  Có thể coi nước phụ gia cơng nghệ, giúp q trình chuẩn bị phối liệu tốt khơng có thành phần sản phẩm cuối ỨNG SUẤT Do thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt thấp nên truyền nhiệt, nhiệt độ thủy tinh không đồng gây ứng suất nhiệt bên thủy tinh Ứng suất vĩnh viễn Ứng suất tạm thời ứng suất nảy sinh trình chuyển thủy nảy sinh trình tiếp tục làm lạnh thủy tinh từ trạng thái dẻo sang trạng thái giòn Khi tinh trạng thái giịn, thực tế độ linh tính linh động thủy tinh biến động thủy tinh khơng Hình giải thích phát sinh ứng suất thủy tinh Ủ THỦY TINH Ủ thủy tinh trình làm nguội chậm để khử ứng suất vĩnh viễn thủy tinh, cho ứng suất vĩnh viễn thủy tinh tồn mức cho phép CHẾ ĐỘ Ủ THỦY TINH (KHỬ ỨNG SUẤT) Giai đoạn 1: Là giai đoạn đốt nóng làm lạnh sản phẩm đến nhiệt độ ủ cao tính với tốc độ khơng gây tượng nứt vỡ Giai đoạn 2: Lưu sản phẩm nhiệt độ ủ cao thời gian định để giảm ứng suất đến mức cho phép Giai đoạn 3: Làm lạnh chậm Làm lạnh sản phẩm với tốc độ cho khơng có tạo thành ứng suất vĩnh viễn vượt mức cho phép τ[phút] Đường phân bố nhiệt độ - thời gian ủ thủy tinh Giai đoạn 4: Giai đoạn làm lạnh nhanh ( tủ thấp đến tthường) Làm lạnh sản phẩm với tốc độ vừa đủ giới hạn ứng suất tam thời Để xây dựng đường cong ủ cho loại sản phẩm cần tính tốn thời gian ứng với giai đoạn: Giai đoạn 1: Đốt nóng làm lạnh sản phẩm đến nhiệt độ ủ cao với vận tốc: V1 = 20/a2 → 30/a2 [0C/phút] Giai đoạn 2: Lưu sản phẩm thủy tinh nhiệt độ ủ cao: τ = 70→120a2[phút] Đối với thủy tinh kỹ thuật ứng suất cho phép 10nm/cm τ = 150 a2[phút] Giai đoạn 3: Làm lạnh chậm V3 = 0,33/a2 →1,3/a2 [0C/phút] Giai đoạn 4: làm lạnh nhanh V4 = 10/a2 [0C/phút] ; thực tế thường lấy 20-30[ 0C/phút] Ở a kích thước sản phẩm [cm] Nếu làm lạnh phía thủy tinh a=1/2 chiều dày thành sản phẩm Nếu làm lạnh phía, ống rỗng, cầu rỗng a=s=r 2-r1 Sản phẩm ống đặc, cầu đặc a=r Chú ý phải lấy kích thước nơi có chiều dày lớn Tôi sản phẩm thủy tinh Tôi thủy tinh q trình gia cơng nhiệt (đốt nóng làm lạnh nhanh) để tạo ứng suất nén dư lớn lớp bên ứng suất kéo bên cách thật đặn hợp lý Do đó, thủy tinh bị phá hủy tạo mảnh vụn nhỏ, vụn khơng sắc cạnh, nên cịn gọi “thủy tinh an tồn” Có thể giải thích tăng độ bền cơ, nhiệt thủy tinh sau: Q trình tơi thủy tinh GIAI ĐOẠN ĐỐT NĨNG: Phải đốt nóng thật đồng sản phẩm cần đến nhiệt độ theo chế độ xác định Nhiệt độ tơi phụ thuộc vào thành phần hóa thủy tinh lớn nhiệt độ chuyển hóa Tg Người ta thường lấy nhiệt độ tơi cao nhiệt độ ủ khoảng 80-100 C GIAI ĐOẠN LÀM LẠNH NHANH: Sau lưu sản phẩm cho cân nhiệt độ thời gian xác định nhiệt độ tôi, ta làm lạnh nhanh sản phẩm Chế độ làm lạnh cần tính tốn cho nhiệt lấy từ bề mặt sản phẩm lớn thời gian ngắn Các phương pháp khơng khí Thủy tinh Tơi Thủy tinh Ủ Kéo (+) Nén (-) 1/ Là mẫu thủy tinh tôi, ứng suất phân bố theo đường cong parabol 2/ Là mẫu thủy tinh ủ lí tưởng coi khơng có ứng suất 3/ 4/ Sự phân bố lại ứng suất thủy tinh ủ tác dụng lực p thẳng đứng lên bề mặt mẫu ... động thủy tinh biến động thủy tinh khơng Hình giải thích phát sinh ứng suất thủy tinh Ủ THỦY TINH Ủ thủy tinh trình làm nguội chậm để khử ứng suất vĩnh viễn thủy tinh, cho ứng suất vĩnh viễn thủy. .. nhiệt độ mềm thủy tinh trở nên dẫn điện Vì nấu thủy tinh dịng điện 2.5 ĐỘ DẪN NHIỆT • • • • Thủy tinh loại vật liệu dẫn nhiệt tương đối so với vật liệu khác Sự dẫn nhiệt thủy tinh dao động mạng...THỦY TINH OXYT Đó thủy tinh từ oxyt: B 2O3, SiO2, GeO2, P2O5 THỦY TINH ĐƠN NGUYÊN TỬ THỦY TINH HALOGEN …có chứa loại nguyên tố hóa thuộc Hai halogen có khả tạo thủy tinh BeF2 nguyên