CHƯƠNG 7. VẬT LIỆU VÔ CƠ – CERAMIC 288 7.1. Khái niệm: 288 7.2. Đặc điểm: 289 7.3. Cơ tính của vật liệu vô cơ 289 7.4. Các loại vật liệu ceramic thông dụng: 296 CHƯƠNG 7 VẬT LIỆU VÔ CƠ – CERAMIC 288 7 1 Khái niệm 288 7 2 Đặc điểm 289 7 3 Cơ tính của vật liệu vô cơ 289 7 4 Các loại vật liệu ceramic thông dụng 296 CHƯƠNG 7 VẬT LIỆU VÔ CƠ – CERAMIC 7 1 Khái niệm.
CHƯƠNG VẬT LIỆU VÔ CƠ – CERAMIC 7.1 Khái niệm: 7.2 Đặc điểm: 7.3 Cơ tính vật liệu vô 7.4 Các loại vật liệu ceramic thông dụng: CHƯƠNG VẬT LIỆU VÔ CƠ – CERAMIC 7.1 Khái niệm: Ceramic vật liệu vô chế tạo cách dùng nguyên liệu dạng hạt (bột ) ép thành hình thiêu kết để tạo thành sản phẩm (luyện kim bột) Sau thiêu kết vật liệu ceramic có lý hóa tính cần thiết Vật liệu vô tạo thành từ hợp chất hóa học nguyên tố kim loại kết hợp với nguyên tố kim loại nguyên tố không kim loại kết hợp với Khoảng 75 % nguyên tố bảng hệ thống tuần hồn ngun tố hóa học tham gia cấu tạo nên vật liệu vô Các nguyên tố khả kết hợp chúng để tạo nên vật liệu vô biểu diễn sơ đồ hình 7.1 C N B O Me Si Hình 7.1 sơ đồ biểu diễn nguyên tố hóa học khả kết hợp chúng để tạo nên vật liệu vô Theo sơ đồ hình 7.1 kim loại kết hợp với bo tạo borit, với bon tạo cac bít với nito tạo nitrit, với oxyt tạo oxyt với Silic tạo silixit Các dạng hợp chất hóa học thường gặp vật liệu vơ là: đơn oxyt kim loại ví dụ Al2O3 gốm cơrinđơng, đơn oxyt bán kim loại (ví dụ SiO thủy tinh thạch anh, hỗn hợp nhiều oxyt kim loại (ví dụ sứ, thủy tinh silicat) ngun tố khơng phải kim loại (ví dụ bo, cacbon) Tùy theo mục đích vật liệu vơ phân loại theo nhiều cách khác nhau: Theo thành phần hóa học, cấu trúc, phương pháp cơng nghệ, lĩnh vực sử dụng, sách vật liệu vô phân chia theo đặc điểm kết hợp trình bày theo ba nhóm - Gốm vật liệu chịu lửa - Thủy tinh gốm thủy tinh - Ximang bê tông 7.2 Đặc điểm: Trong vật liệu ceramic tồn ba pha - Pha tinh thể ( pha hạt ) dạng hợp chất hóa học hay dung dịch rắn, pha chủ yếu định tính chất vật liệu Pha tinh thể thường dùng là: ô xýt, nitrit, borit, cac bit hay kim loại nguyên chất - Pha thủy tinh (vơ định hình) lachất liên kết hạt lại với nhau, chiếm tỷ lệ từ ÷ 40% thể tích - Pha khí: chế tạo luyện kim bột nên sản phẩm có lỗ xốp đinh, chứa khí tạo thành pha khí Pha ảnh hưởng lớn đến số tính chất vật liệu ( độ bền kéo, uốn) Pha khí thường gặp lỗ xốp hở Nếu lỗ xốp kín làm giảm mạnh độ bền 7.3 Cơ tính vật liệu vơ Do chất hóa học cấu trúc quy định, vật liệu vơ có tính chất chung đặc trưng bền hóa học cao, bền nhiệt cao, cách nhiệt tốt số vật liệu có tính chất quang học đặc biệt Đây đặc điểm chủ yếu tính chất vật liệu vơ sở để lựa chọn sử dụng phần lớn vật liệu vô Nhưng mặt khác cấu trúc quy định vật liệu vơ nhìn chung có độ bền học thấp so với vật liệu kim loại có nhứng đặc điểm riêng cần ý chế tạo sử dụng vật liệu 7.3.1 Tính đàn hồi tính giịn Vật liệu vơ vật liệu đàn hồi điển hình Ở nhiệt độ thường tác dụng tải trọng, mối quan hệ ứng suất hình thành vật liệu σ độ biến dạng ε mẫu hoàn toàn tuân theo định luật hooke Trong : E – modun đàn hồi Trên hình 7.2 so sánh mối quan hệ σ ε vật liệu vô vật liệu kim loại Ta nhận thấy giới hạn đàn hồi vật liệu vô bị phá hủy mà khơng có biến dạng dẻo kim loại đặc trưng tính giịn Chính đặc điểm liên kết nguyên tử với góc liên kết xác định lực liên kết lớn, cấu tạo mạng tinh thể phức tạp ngun nhân tạo nên tính giịn vật liệu vô σσ 22 11 εε Hình 7.2 Mối quan hệ ứng suất độ biến dạng – Vật liệu vô – Kim loại 7.3.2 Độ bền học Để đánh giá độ bền vật liệu theo độ bền liên kết nguyên tử người ta đưa khái niệm độ bền lý thuyết Độ bền lý thuyết vật liệu σlt xác định theo cơng thức Orowan: Trong đó: E – modun đàn hồi γ – lượng bề mặt riêng a – Khoảng cách nguyên tử Ví dụ σlt gốm corinđông thiêu kết 50.103MPa thủy tinh Silicat 103MPa Độ bền thực tế vật liệu vô thường có giá trị thấp nhiều so với giá trị lý thuyết Ví dụ độ bền thực tế thủy tinh khoảng 1/100 độ bền lý thuyết Ngun nhân làm giảm độ bền học vật liệu vơ có mặt vết nứt tế vi với chiều dài khoảng 10 -3 đến 100µm Theo Griffith – Orawan tồn vết nứt tế vi vật liệu chịu tải trọng kéo với ứng suất σ0 đỉnh vết nứt có sẵn xuất ứng suất σ xác định sau: Trong : l – chiều dài vết nứt r - bán kính cong đỉnh vết nứt Như tải trọng tác dụng, ứng suất σ lớn chiều dài vết nứt lớn bán kính cong đỉnh vét nứt nhỏ Khi ứng suất vượt độ bền lý thuyết, vết nứt lan rộng phá hủy vật liệu Cũng chế phá hủy vật liệu vô có độ bền nén cao nhiều lần so với độ bền kéo (khoảng 10 lần vật liệu thủy tinh) Để đánh giá dộ bền học vật liệu giòn người ta sử dụng độ dai phá hủy KIC xác định biểu thức sau: Trong : g – hệ số hình dạng vật liệu vết nứt σ - ứng suất phá hủy l – chiều dài vết nứt Giá trị KIC số vật liệu vô sau: Gốm Corinđông (Al2O3) 3.0 – 5.3 MPa.m1/2 Thủy tinh Silicat kiềm: 0.7 – 0.8 MPa.m1/2 Bê tông 0.2 – 1.4 MPa.m1/2 Như yếu tố ảnh hưởng định đến tính vaatjlieeuj vơ có tình trạng khuyết tật bề mặt vật liệu Khi sô lượng vết nứt tế vi tăng, kích thước vết nứt tăng tính giảm mạnh Ở vật liệu vơ tinh thể kích thước hạt tinh thể cấu tạo nên vật liệu có ảnh hưởng rõ tới tính vật liệu Khi kích thước hạt giảm bề mặt ranh giới hạt tăng lên, có tác dụng ngăn chặn làm thay đổi hướng lan truyền vết nứt, đọ bền học vật liêu tăng lên.Khi hàm lượng bọt khí vật liệu tăng đọ bền giảm khơng diện tích chịu lực giảm mà cịn rỗ khí thường tập trung tạp chất ứng suất Hình dạng bọt khí cung ảnh hưởng tới tính, bọt khí dài làm giảm độ bền mạnh bọt khí trịn Độ bền vật liệu vơ cịn phụ thuộc vào điều kiện mơi trường sử dụng 7.3.3 Tính chất nhiệt vật liệu vô Vật liệu vô sử dụng không nhiệt độ thường mà nhiều trường hợp cịn nhiệt độ cao Do bên cạnh tính chất học, tính chất nhiệt giãn nở nhiệt, dẫn nhiệt, truyền nhiệt xạ, độ bền xung nhiệt tính chất quan trọng vật liệu vô 7.3.3.1 Giãn nở nhiệt Nguyên nhân giãn nở vật liệu rắn tác dụng nhiệt độ dao động nhiệt phi điều hòa phần tử cấu tạo nên vật liệu Mức độ dao động phụ thuộc vào yếu tố nguyên tử yếu tố tịnh thể học Để đánh giá mức độ giãn nở nhiệt vật liệu vô nguồi ta thường sử dụng hệ số giãn nở nhiệt dài α Trong : l0 – độ dài ban đầu mẫu ∆l – độ giãn dài mẫu nhiệt độ tăng thêm ∆T độ Người ta quan tâm đến hệ số giãn nở nhiệt thể tích β: Giữa α β có quan hệ gần β ≈ 3α Về lý thuyết nhiệt độ tăng hệ số giãn nở nhiệt tăng, đến nhiệt độ Debye trở nên không đổi, từ dao động nhiệt đạt tần số giới hạn Nhưng thực tế mạng tinh thể có chứa khuyết tật nên hệ số giãn nở nhiệt vật liệu vô số vùng nhiệt độ Vì dẫn hệ số α vật liệu cụ thể cần nói rõ nhiệt độ Khi nhiệt độ tiếp tục tăng giới hạn vaatjlieeuj chuyển trạng thái từ rắn sang mềm dẽ biến dạng dẻo Lúc vật liệu dần khả chịu tải va coi bắt đầu bị phá hủy nhiệt Số TT Vật liệu SiO2 ( thạch anh) 3Al2O3 SiO2 Al2O3 TiO2 ZrSiO4 CaCO3 C - graphit α 10 -7K-1 Vng góc với Song song với trục c trục c 140 90 45 57 -26 115 37 62 - 60 250 10 270 Bảng 7.1 Hệ số giãn nở nhiệt dài α số vật liệu vô tinh thể theo chiều trục khác Đối với vật liệu vơ vơ định hình cáo cấu trúc hoàn toàn đẳng hướng nên hệ số giãn nở nhiệt không đổi theo phương khảo sát Đối với vật liệu thủy tinh hệ số α phụ thuộc vào thành phần hóa học, độ bền liên kết đặc trưng cấu trúc thủy tinh Hệ số giãn nở nhiệt vật liệu đa pha phụ thuộc vào hệ số giãn nở nhiệt pha thành phần Một vật liệu gốm cấu tạo từ n pha có hệ số giãn nở nhiệt xác định theo cơng thức: Trong đó: Ki - modun đàn hồi Ci – hàm lượng phần trăm ρi – Khối lượng riêng pha thứ I vật liệu đa pha 7.3.3.2 Dẫn nhiệt Khả dẫn nhiệt vật liệu thể qua hệ số dẫn nhiệt λ thứ nguyên W/ (m.K) biểu thức sau: Trong đó: dQ – nhiệt lượng truyền qua tiết diện F khối vật liệu thời gian dt với gradient nhiệt độ dT/ dx theo phương x vng góc với F Dẫn nhiệt vật liệu rắn thực nhờ điện tử tự dao động mạng lưới cấu trúc Vật liệu kim loại có khả dẫn nhiệt cao nhờ điện tử tự nó, cịn vật liệu vơ trao đổi nhiệt xảy chủ yếu dao động phi điều hòa nguyên tử cấu tạo nên mạng lưới theo quan điểm lượng tử nhờ lượng tử sóng mạng lưới gọi phonon Theo thuyết phonon hệ số dẫn nhiệt λ vật liệu xác định sau: Trong đó: c – nhiệt dung vật liệu V – tốc độ phonon l – quãng đường tự phonon Hệ số dẫn nhiệt đại lượng phụ thuộc vào nhiệt độ Quy luật phụ thuộc không giống vật liệu tinh thể vật liệu vô định hình Xét ảnh hưởng nhiệt độ đến yếu tố định hệ số dẫn nhiệt vật liệu tịnh thể nêu biểu thức λ, ta thấy nhiệt độ tăng nhiệt dung c tăng đến nhiệt độ Debye c trở nên không đổi, độ dài quãng đường tự phonon l tốc độ truyền sóng mạng lưới v lại giảm độ phi điều hòa dao động mạng tăng Ở nhiệt độ thấp phonon có bước sóng tương đối lớn bị nhiễu Khi nhiệt độ tăng mật độ phonon tăng gây cản trở lẫn nhau, làm giảm l v Đến nhiệt độ xác định l giảm tới cỡ số mạng không giảm thêm nữa, mặt khác c không đổi nên hệ số dẫn nhiệt λ trở nên khơng đổi Tóm lại vật liệu tinh thể có hệ số dẫn nhiệt giảm dần theo nhiệt độ với tốc độ khơng xem hình 7.3 Đối với vật liệu vơ định thủy tinh, cấu trúc có trật tự gần khối đa diện phối trí bản, khơng có trật tự xa, nên độ dài quãng đường tự cxuar phonon bị hạn chế, cỡ khoảng cách ngun tử Do so với vật liệu vơ tinh thể vật liệu thủy tinh có độ dẫn nhiệt thấp có hệ số nhiệt dương, tức nhiệt độ tăng hệ số dẫn nhiệt tăng khoảng cách nguyên tử tăng lên Cần ý thêm khả truyền nhiệt nói chung vật liệu thủy tinh phụ thuộc vào thành phần truyền nhiệt xạ Khả dẫn nhiệt vật liệu vô đa pha, đa tinh thể phụ thuộc lớn vào đặc điểm tổ chức Các yếu tố làm giảm độ dẫn nhiệt vât liệu là: ranh giới hạt, khuyết tật mạng tạp chất Sự có mặt lỗ xốp vật liệu vơ có ảnh hưởng lớn đến độ dẫn nhiệt vật liệu Khơng khí bị giam lỗ xốp có khả dẫn nhiệt nhiệt độ thấp nên làm giảm mạnh độ dẫn nhiệt toàn vật liệu ,W/mK 102 10 400 800 1200 0C Hình 7.3.Sự phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt vào nhiệt độ số vật liệu vô tinh thể – Graphit; – SiC; 3- BeO; 4- Al2O3; Hệ số giãn nở nhiệt vật liệu vơ có chứa lỗ xốp xác định theo biểu thức Trong đó: n = r/k r k hệ số dẫn nhiệt pha rắn pha khí Vk – phần trăm thể tích pha khí Hầu hết vật liệu cách nhiệt sử dụng kỹ thuật vật liệu xốp Do tỷ lệ lỗ xốp vật liệu lớn nên vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ Tuy nhiên nhiệt độ tăng cao khả dẫn nhiệt vật liệu tăng thành phần truyền nhiệt xạ lỗ xốp tăng 7.3.3.3 Độ bền xung nhiệt Phần lớn vật liệu vô có độ dẫn nhiệt tương đối thấp nên nhiệt độ mơi trường thay đổi nhiệt độ vật liệu cân cách chậm chạp Trong trình vùng nhiệt độ khác có giãn nở nhiệt khác dẫn tới hình thành ứng suất phân bố không khối vật liệu Nếu ứng suất vượt giới hạn bền kéo bền nén vật liệu bị phá hủy Khả bền vững học vật liệu vô tác dụng nhiệt độ thay đổi đột ngột gọi độ bền xung nhiệt, xác định khoảng chênh lệch nhiệt độ ∆T lớn số lần thay đổi nhiệt độ đột ngột theo điều kiện quy định tốc độ khoảng nhiệt độ thay đổi, kích thước mẫu,… mà vật liệu chưa bị phá hủy Độ bền xung nhiệt vật liệu vô phụ thuộc phức tạp vào nhiều yếu tố khác độ dẫn nhiệt, độ bền học, tổ chức vi mô vĩ mô vật liệu, điều kiện đo đạc, hình dáng kích thước mẫu thử Để đánh giá cách tương đối độ bền xung nhiệt vật liệu vô cơ, người ta đưa cơng thức tính tốn dựa mối quan hệ với yếu tố ảnh hưởng quan trọng Độ bền xung nhiệt vật liệu thủy tinh tính theo Bartenev Trong đó: σub – giới hạn bền uốn vật liệu µ - hệ số poisson α – hệ số giãn nở nhiệt dài E – modun đàn hồi vật liệu Đối với vật liệu gốm ứng dụng cơng thức Haase 7.3.4 Nhược điểm Ceramic Nhược điểm quan trọng làm hạn chế sử dụng rộng rãi Ceramic tính vật liệu kim loại mà chủ yếu dễ dẫn đến phá hủy giòn cách nguy hiểm với lượng hấp thụ thấp a Phá hủy giòn Ceramic Ở nhiệt độ thường, tác dụng tải trọng kéo ceramic tinh thể lẫn vơ định hình thường bị phá hủy giịn mà khơng xảy biến dạng dẻo trước mà nguyên nhân chủ yếu nứt (đặc biệt nứt bề mặt), rỗng với số lượng lớn đặc thù ceramic khơng từ cấu trúc tinh thể mà cịn từ cơng nghệ chế tạo Ceramic có giá trị KIC nhỏ< 5MPa.m1/2so với vật liệu kim loại (30 – 100MPa.m1/2) Sự phá hủy Ceramic xảy cách phát triển từ từ vết nứt ứng suất tĩnh giá trị vế phải biểu thức Chưa đạt đến KIC Hiện tượng gọi mỏi tĩnh hay phá hủy chậm Dạng phá hủy đặc biệt nhạy cảm với điều kiện môi trường, có nước khí Q trình ăn mòn ứng suất xảy đỉnh vết nứt có kết hợp ứng suất kéo đặt vào hòa tan vật liệu (do ăn mòn) làm cho nứt bị nhọn dài có đủ kích thước để phát triển nhanh Trong trường hợp chịu ứng suất nén, khơng có tập trung ứng suất có nứt ceramic có độ bền trạng thái nén cao kéo thường dùng điều kiện tải trọng nén Độ bền phá hủy Ceramic giòn cải thiện nhiều bề mặt có ứng suất nén dư thực cách b Biểu đồ ứng suất – biến dạng modun phá hủy Do khó chế tạo mẫu kéo khác nhiều kéo nén nên người ta không tiến hành thử kéo mà thử uốn ngang Modun phá hủy hay giới hạn bền uốn ứng suất lớn nhấ hay ứng suất phá hủy thử uốn tiêu tính quan trọng ceramic giịn Giá trị modun phá hủy luôn lớn giới hạn bền kéo Phần đàn hồi biểu đồ ứng suất – biến dạng thử uốn ngang Ceramic thử kéo cho kim loại với quan hệ đường thẳng bậc nhất, tỷ lệ ứng suất biến dạng Hình 7.4 trình bày biểu đồ hai ceramic điển hình oxyt nhơm thủy tinh 40 ứng suất (Psi x 103) 250 200 20 150 100 10 50 Thủy tinh 0.0004 Biến dạng 0.0008 0.0012 ứng suất (MPa) Ơ xyt nhơm 30 Hình Biểu đồ ứng suất biến dạng thử uốn ngang cho alumin thủy tinh 7.4 Các loại vật liệu ceramic thông dụng: 7.4.1 Gốm 7.4.1.1 Bản chất phân loại Gốm loại vật liệu nhân tạo có sớm lịch sử loài người Khái niệm gốm (Ceramic) khởi đầu dùng để vật liệu chế tạo từ đất sét, cao lanh ( gốm đất nung) Sau khái niệm gốm mở rộng bao gồm thêm đồ sứ, vật liệu sở oxyt (ví dụ gốm Al 2O3) vật liệu vô oxyt ( ví dụ SiC) Khái niệm gốm có liên quan đến hai nội dung: Phương pháp công nghệ đặc điểm tổ chức + Phương pháp công nghệ gốm điển hình phương pháp thiêu kết bột tạo hình ngun liệu dạng bột có liên kết tạm thời, sau nung lên nhiệt độ cao để liên kết khối + Tổ chức điển hình gốm đa pha Vì hai pha tạo nên gốm pha tinh thể pha vơ định hình, pha vơ định hình phân bố xen vùng pha tinh thể gắn kết chúng lại với Tỷ lệ hai pha sản phẩm khác 7.4.1.2 Gốm oxyt Gốm oxyt gốm có thành phần hóa học đơn xyt (Al 2O3 TiO2) oxyt phức xác định (ví dụ MgO Al2O3.BaO TiO2) Gốm oxyt có độ tinh khiết hóa học cao hẳn số loại gốm khác (tỷ lệ tạp chất thấp) tỷ lệ pha tinh thể cao hẳn (tỷ lệ pha vơ định hình thấp) Gốm oxyt tạo vật liệu kỹ thuất có độ bền nhiệt độ bền học cao, có tính chất điện từ đặc biệt a Gốm oxyt sở oxyt có nhiệt độ nóng chảy cao Gốm oxyt có cấu trúc sở oxyt có nhiệt độ nóng chảy có tiêu biểu MgO, Al2O3, ZrO2 MgO Al2O3 Khác với vật liệu chịu lửa có thành phân fhoas học tương tự chế tạo theo cơng nghệ gốm thơ có cấu trúc gốm thơ, gốm oxyt có độ tinh khiết cao (98%) chế tạo theo công nghệ gốm tinh, thiêu kết nhiệt độ cao, có tổ chức tinh mịn toàn tổ chức pha Tính chất số loại gốm sở oxyt có nhiệt độ nóng chảy cao trình bày bảng 7.2 Các vật liệu gốm oxyt có nhiều ứng dụng quan trọng kỹ thuật - Gốm Corinđông (α- Al2O3) với độ bền cơ, bền nhiệt (bảng 7.2) bền hóa cao vật liệu quan trọng đa loại gốm oxyt Nó sử dụng làm vật liệu kết cấu cho thiết bị làm việc nhiệt dộ công nghiệp cao nhất, làm chén nồi nấu kim loại thủy tinh, chi tiết máy cho công nghiệp dệt, vật liệu cho công nghiệp điện, điện tử, vật liệu y tế Với độ cứng tế vi 20000MPa sử dụng làm vật liệu cắt gọt, hạt mài - Gốm Pericla (MgO) có tính bật nhiệt độ sử dụng cao điện trở nhiệt độ cao lớn ( bảng 7.2) Gốm Pericla vật liệu kiềm tính, mơi trường khí Chất nóng chảy có tính axit phá hoại mạnh gốm Pericla nhiệt độ cao Gốm Pericla sử dụng làm chén, nồi nấu kim loại, bền với muối clorit florit nóng chảy - Gốm Ziecona (ZrO2) vật liệu có đồng thời nhiều tính q độ bền học cao, nhiệt độ sử dụng cao, giãn nở nhiệt ít, dẫn nhiệt ( bảng 7.2) bền hóa cao sử dụng làm việc nhiệt độ cao, bền xâm thực - Gốm Spinel (MgO Al2O3) có độ bền bền nhiệt cao ( bảng 7.2) sử dụng làm vật liệu kết cấu làm việc nhiệt độ cao, bền với môi trường kiềm 10 Số TT Tính chất Khối lượng riêng Modun đàn hồi E Giới hạn bền nén Giới hạn bền uốn Hệ số giãn nở nhiệt Hệ số dẫn nhiệt Nhiệt độ sử dụng Thứ nguyên Gốm Corinđông (α– Al2O3) Gốm Pericla (MgO) Gốm Ziecona (ZrO2) Gốm Spinel (MgO Al2O3) G/cm3 4.0 3.6 5.6 3.3 103MPa 400 350 200 3.3 MPa 2000 – 3000 800 – 1400 800- 1600 2000 MPa 250 – 400 160 200 180 10-7/K 100 150 20 60 W/m.K 12 40 1900 2400 2300 1950 C Bảng 7.2 Tính chất số gốm oxyt b Gốm sở TiO2 Gốm rutil TiO2, gốm titanat (magie, bari, chì, kẽm, lantan) gốm PTZ (hệ PbO – TiO2 – ZrO2) có tính chất điện đặc biệt ( điện môi, sắt từ, áp điện) sử dụng làm vật liệu kỹ thuật điện Tính chất số gốm trình bày bảng 7.3 Gốm rutil TiO2 có số điện mơi lớn tổn thất điện môi nhỏ bảng 7.3 sử dụng làm vật liệu tụ điện Nhược điểm Gốm rutil TiO hệ số nhiệt dộ số điện mơi mang dấu âm có trị số lớn, có nghĩa nhiệt độ tăng ε giảm mạnh Để điều chỉnh hệ số chuyển thành dương người ta đưa thêm vào thành phần gốm rutil TiO2 số loại oxyt MgO, ZrO2, CeO2, SnO2, La2O3 Riêng ZrO2 MgO ZrO2 cịn làm giảm thay đổi tổn thất điện môi theo tần số nhiệt độ Gốm titanat magie (2MgO TiO 2)hoặc MgO TiO2 có số điện mơi tương đối thấp hệ số nhiệt độ ε tổn thất điện môi bé Tổn thất điện môi nhỏ yêu cầu quan trọng kỹ thuật tần số cao Gốm titanat bari (BaO.TiO2) có số điện mơi đặc biệt lớn, hệ số nhiệt độ tổn thất điện môi lớn Các vật liệu với số điện môi lớn thường có tượng lão hóa nhanh, số điện môi tổn thất điện môi giảm theo thời gian (hằng số điện mơi ε giảm đến 20%) Gốm titanat bari (BaO.TiO2) có tính áp điện nên thay thạch anh làm vật liệu áp điện Gốm thuộc hệ PbO TiO2- PbO.ZrO2 có bổ sung oxyt khác MgO, NiO, CuO, ZnO, Nb2O3, Sb2O3 có tính chất điện mơi áp điện điều 11 chỉnh cải thiện so với gốm TiO2 titanat Nó sử dụng ngày nhiều thực tế 7.4.1.3 Vật liêu vô tinh thể khơng phải oxyt Thuộc nhóm gồm vật liệu sở đơn nguyên tố (Ge, Si, B, C) Các hợp chất không chứa oxy (giữa Si, B, C, N với với kim loại chuyển tiếp) So với gốm oxyt vật liệu vơ khơng phải oxyt địi hỏi điền kiện cơng nghệ chế tạo khó khăn Chúng chế tạo không théo phương pháp gốm ( thiêu kết bột ) mà cịn theo nhiều phương pháp khác hóa học, vật lý a.Vật liệu đơn nguyên tố Gecmani (Ge), Silic (Si) chất bán dẫn quen thuộc kỹ thuật điện điện tử Bo (B) dạng tinh thể có nhiệt độ nóng chảy cao (2300 0C), độ cứng cao ( độ cứng tế vi đạt 20000MPa) Bo dạng sợi sử dụng làm cốt liệu cho vật liệu compozit Bo đồng vị 10 vật liệu chế tạo bảo hiểm cho lò phản ứng hạt nhân Vật liệu đơn nguyên tố quan trọng cacbon C dạng cấu trúc kim cương, graphit, cacbon thủy tinh Giản đồ trạng thái cacbon trình bày hình 7.5 Kim cương dạng thù hình cacbon bền vững áp suất nhiệt độ cao Tạo điều kiện nhiệt động thích hợp cho hình thành kim cương nhiệm vụ kỹ thuật khó khăn Người ta dùng phương pháp nổ tạo sóng áp lực cao để chế tạo hạt kim cương nhỏ từ nguyên liệu bột graphit Kim cương có độ cứng đứng đầu thang độ cứng vật liệu ( độ cứng tế vi 100000MPa) 8000C khơng khí kim cương bắt đầu bị cháy Ứng dụng kim cương công nghiệp chế tạo dụng cụ cắt gọt hạt mài Graphit dạng thù hình bền bon Nó có cấu trúc lục giác lớp , ngời ta phân biệt loại graphit khác - Graphit thiên nhiên thường lẫn nhiều tạp chất dạng tinh thể thô mịn - Graphit điện chế tạo từ cốc dầu mỏ nhiệt độ 2800 – 3000 0C lượng dịng điện trực tiếp có độ cứng độ bền cao graphit thiên nhiên - Graphit tinh thể mịn (bồ hóng) - Graphit nhiệt phân nhận phương pháp nhiệt luyện khí hydrocacbon etan, metan, cho ngưng tụ kết tinh vật liệu đế 12 Lỏng kim cương Áp suất , bar 10 Graphit 10 khí 2000 4000 Nhiệt độ,K Hình 7.5 Giản đồ trạng thái cacsbon hệ tọa độ áp suất – nhiệt độ - Các bon thủy tinh chế tạo từ trình nhiệt phân hợp chất hữu thích hợp Ví dụ xenlulo theo quy trình đặc biệt, sản phẩm nhiệt phân dạng sợi tiếp tục thiêu kết áp lực cao nhiệt độ khoảng 3000 0C bon thủy tinh có cấu trúc sít chặt graphit có độ bền oxy hóa cao Graphit bon thủy tinh có nhiệt độ nóng chảy cao, có độ bền học cao nhiệt độ cao, khơng thấm ướt nhiều chất nóng chảy dẫn điện, dẫn nhiệt tốt nên sử dụng nhiều lĩnh vực kỹ thuật vật liệu chịu lửa, điện cực lò hồ quang, chổi than , thiết bị hóa học nhiệt độ cao, hãm notron lò phản ứng hạt nhân, vật liệu kỹ thuật vũ trụ, vật liệu y tế Vật liệu compozit sợi cacbon polyme kim loại sử dụng công nghiệp hàng không, tên lửa, chế tạo máy Sợi cacbon dùng làm cốt liệu tăng bền cho vật liệu cac bon thủy tinh tạo vật liệu compozit sợi cacbon T T Tính chất Khối lượng riêng Nhiệt độ nóng chảy Modun đàn hồi E Thứ nguyên Kim cương graphit Cacbon thủy tinh Sợi cacbon G/cm3 2,26 1,4 -2.0 1,5 -1.6 1.8 C 4100 3750 2500 - MPa 1200 115 200 500 o Bảng 7.3 Một số tính chất vật liêu cacbon b Vật liệu vô sở hợp chất không chứa oxy 13 Các hợp chất Si, B, C N với ( ví dụ SiC, B 4C, Si3N4, BN) với kim loại chuyển tiếp thuộc nhóm phụ IV B VI B bảng tuần hoàn nguyên tố ( chủ yếu bit silixit) có tính chất nhiệt đặc biệt Chúng sở loạt vật liệu cứng kỹ thuật - Silic cacbit SiC: có độ cứng khả chịu nhiệt cao, có tính bán dẫn SiC với Al2O3 vật liệu gốm cứng nhân tạo quan trọng công nghiệp SiC thường chế tạo từ thạch anh than lò điện hồ quang, ứng dụng SiC vật liệu chịu lửa, hạt mài, đá mài (với chất liên kết gốm silicat, thủy tinh, nhựa fenol),vật liệu bán dẫn Vật liệu SiC dạng khối với 95% SiC chế tạo phương pháp thiêu kết áp lực thiêu kết phản ứng (ví dụ thiêu kết hỗn hợp SiC – Si mơi trường khí CO hỗn hợp SiC –C mơi trường khí Si) vật liệu kết cấu có nhiều triển vọng ứng dụng kỹ thuật tc bin khí Vật liệu SiC thiêu kết với hàm lượng nhỏ SiO sử dụng làm điện trở cho lò điện với nhiệt độ làm việc nhỏ 15700C loại cốt liệu quý cho vật liệu compozit Tính chất Thứ nguyê n SiC Khối lượng riêng G/cm3 3.2 Nhiệt độ nóng chảy Modun đàn hồi E 103 MPa Điện trở suất Ωcm Độ cứng tế vi MPa T T o C 2300 phân hủy 410 – 480 10 105 40000 B4C BN sáu phương BN lập phươn g Si3N4 2.5 2.35 3.5 3.2 2480 3000 450 40 – 90 102 104 70000 3000 109 1015 - 90000 1900 thăng hoa 220 – 360 109 1013 33000 Bảng 7.4 Tính chất số vật liệu vơ khơng phải oxyt - Cácbít Bo (B4C:có nhiệt độ nóng chảy độ cứng cao, tương đối nhẹ, độ bền hóa cao bảng 7.4 sử dụng làm hạt mài, vật liệu chịu mài mòn vật liêu hấp thụ trong, kỹ thuật hạt nhân - Silic nitrit Si3N4: có nhiệt độ nóng chảy độ cứng cao, khả cách điện cao (bảng 7.4) bền oxy hóa đến 14000C, bền axit, kiềm kim loại nóng chảy Tuy nhiên bị kiềm nóng ăn mịn bị oxy hóa khí oxy nhiệt độ cao tạo lớp SiO2 bề mặt Vật liệu Si3N4 dạng khối chế tạo phương pháp thiêu kết áp lực thiêu kết phản ứng (nitrit hóa bột silic nhiệt độ cao) Vật liệu Si 3N4 sử dụng làm chén nấu, vòi đốt, khn ép nóng, số chi tiết kết cấu chế tạo máy tc bin khí Si3N4 chế tạo dạng sợi mảnh sợi SiC dùng làm lớp phủ bảo vệ chống mài mòn cho loại vật liệu khác - Bo nitrit BN có ba dạng thù hình, đáng lưu ý hai dạng thù hình sáu phương (kiểu graphit) lập phương (kiểu kim cương) 14 BN sáu phương có độ cứng thấp, bền với chất nóng chảy xâm thực, khó thấm ướt khó bị oxy hóa, có khả cách điện cao Nó sử dụng làm vật liệu kỹ thuật nhiệt độ cao, nồi chén nấu, chất điện môi vật liệu hấp thụ kỹ thuật hạt nhân BN lập phương tổng hợp nhiệt độ áp suất cao, có độ cứng cao kim cương, bền hóa cao, bền oxy hóa cao đến 20000C, khả cách điện cao Nó sử dụng chủ yếu làm vật liệu cắt gọt, BN dạng sợi dùng để chế tạo quần áo bảo vệ, nỉ, vải lọc, vật liệu cách điện, vật liệu kỹ thuật tên lửa vũ trụ Một số cacbit kim loại chuyển tiếp TiC, VC, Cr 3C2, ZrC, NbC, Mo2C, TaC, WC có nhiệt độ nóng chảy độ cứng cao (bảng 7.5 ) Chúng sử dụng kết hợp với kim loại (ví dụ Co, Ni, Fe với tỷ lệ bé 20% ) để chế tạo hợp kim cứng phương pháp thiêu kết, dùng làm dụng cụ cắt gọt chi tiết mài mịn cao Ngồi loại cacbit dùng để phủ lên vật liệu khác, tạo lớp bảo vệ chống mài mịn Tính chất TC, 0C HV, MPa TiC 3140 3200 VC 2830 2950 Cr3C2 1895 22800 ZrC 3530 2560 NbC 3500 2400 Mo2C 2400 1950 TaC 3780 1790 WC 2600 2180 Bảng 7.5 Nhiệt độ nóng chảy Tc độ cứng vicke HV số bít 7.4.2 Ceramic xốp làm lọc: Thơng dụng loại ceramic xốp với hạt hình cầu, có độ xốp 30 ÷ 40 % có khả lọc tạp chất cỡ hạt đến 10µm.Nếu dùng loại hạt khơng phải hình cầu độ xốp đạt 60 ÷ 70% lc c cht ữ àm Cụng dụng: - Các lọc sở brong: lọc nhiên liệu lỏng, dầu, khơng khí, nước - Các lọc thép khơng gỉ: lọc khí lị cao, khơng khí, axit, kiềm - Các lọc titan: Nước cường toan, khí cháy - Các lọc tantan: lọc axit sunphuric, nitrit, clohydrit 7.4.3 Ceramic xốp công dụng đặc biệt: Là Ceramic sở bột thép không gỉ Cr12Ni9 hợp kim sở Ni, Co, W, Mo dùng để chống đóng băng cánh máy bay Do làm tăng thêm công suất động từ 0,5 ÷ 1,5% 7.4.4 Ceramic xốp chống ma sát: Các ổ trượt chế tạo từ ceramic xốp rẻ tiền loại babit Đặc điểm Ceramic xốp chống ma sát có lỗ xốp (20 ÷ 35% thể tích) chứa dầu bơi trơn, ổn định suốt q trình làm viêc Với áp lực khơng lớn tốc độ vòng nhỏ, dầu chứa lỗ xốp đủ đảm bảo cho máy làm việc lâu dài mà không cần cho thêm dầu mỡ Công dụng sử dụng chủ yếu công nghiệp dệt thực phẩm Gồm có loại sau: - Hợp kim sở sắt ( bạc sắt xốp): Chủ yếu dùng bột sắt, trộn thêm 0,3 ÷ 3% graphit ngồi cho thêm Bột canxi (2,5 ÷ 10%) hay lưu huỳnh (0,8 ÷ 1%), 4% ZnS hay 3,5% CuS Sau thiêu kết xong đem ngâm dầu nóng với thời gian từ 40 ÷ 90 tùy theo yêu cầu độ ngấm dầu 15 - Hợp kim sở đồng (đồng ) Thường dùng hợp kim Cu – Sn, Cu – Sn – Pb- Zn Phổ biến loại hợp kim Cu – Sn dùng 90% bột đồng trộn với 10% bột thiếc, cho thêm ÷ 3% graphit để gảm ma sát - Vật liệu xốp kim loại – Chất dẻo: fro, teflon, fluoran lên bề mặt ổ trượt Latong, thép không gỉ Công dụng: làm ổ trượt không cần bôi trơn mơi trường khơng khí, nước, xăng dầu, số loại axit 7.4.5 Vật liệu ceramic đặc: Loại vật liệu có mật độ cao độ bền cao gần xấp xỉ vật liệu rèn, đúc Ưu điểm: Nổi bật sản xuất hàng loạt chi tiết phức tạp, có dung sai nhỏ khơng cần gia cơng tiếp sau Cơng dụng: chế tạo bánh răng, cam, bánh cóc, vịng bi, mâm bơm cánh quạt, đai ốc đặc biệt Gồm loại sau: - Vật liệu sở sắt: Dùng bột sắt túy hay hợp kim sắt bon, pha thêm nguyên tố Cu, Ni, Cr, P Thông dụng hợp kim Fe – Cu, Fe – Ni, khơng có cacsbon - Vật liệu sở kim loại màu: Ceramic sở kim loại màu thông dụng sở Cu – Al Được sử dụng lĩnh vực đặc biệt - Vật liệu sở bột đồng: dùng bột đồng hay latong, brong có thêm Li, Zn Cơng dụng: làm chổi điện, tiếp điểm, màng lọc, chi tiết chịu ma sát chống mài mòn 16 ... trúc quy định vật liệu vơ nhìn chung có độ bền học thấp so với vật liệu kim loại có nhứng đặc điểm riêng cần ý chế tạo sử dụng vật liệu 7.3.1 Tính đàn hồi tính giịn Vật liệu vơ vật liệu đàn hồi... nguyên nhân tạo nên tính giịn vật liệu vơ σσ 22 11 εε Hình 7.2 Mối quan hệ ứng suất độ biến dạng – Vật liệu vô – Kim loại 7.3.2 Độ bền học Để đánh giá độ bền vật liệu theo độ bền liên kết nguyên... lần vật liệu thủy tinh) Để đánh giá dộ bền học vật liệu giòn người ta sử dụng độ dai phá hủy KIC xác định biểu thức sau: Trong : g – hệ số hình dạng vật liệu vết nứt σ - ứng suất phá hủy l – chiều