Ảnh hưởng của phương pháp nâng nhiệt hai bước. KL 95new KL 69 qxd 1 MỞ ĐẦU Gốm quang học MgAl2O4 là vật liệu tổng hợp với cấu trúc tinh thể dạng spinel nên có các tính chất cơ học và quang học vượt trội như khả năng truyền quang từ vùng tử ngoại đ[.]
Journal of Science and Technology of Cơng trình nghiên cứu 11 Ảnh hưởng phương pháp nâng nhiệt hai bước đến tính truyền quang gốm quang học MgAl2O4 chế tạo thiêu kết xung dòng điện chiều Effect of two-step heating on transparency of MgAl2O4 ceramics fabricated by pulsed electric current sintering process ĐẶNG QUỐC KHÁNH, NGUYỄN NGỌC YẾN, ĐÀO ANH TÚ, LÊ HỒNG THẮNG, LÊ MINH HẢI* Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số Đại Cồ Việt, Hà Nội *Email: hai.leminh@hust.edu.vn Ngày nhận bài: 16/2/2021, Ngày duyệt đăng: 4/4/2021 TÓM TẮT Gốm quang học MgAl2O4 chế tạo từ bột mịn thu qua phản ứng cháy phương pháp thiêu kết xung dòng điện kết hợp sử dụng hai bước nâng nhiệt Mẫu gốm thiêu kết chế độ gia nhiệt bước với nhiệt độ bước 1100 oC giữ nhiệt độ vịng 60 phút, sau tiếp tục nâng lên nhiệt độ bước thay đổi từ 1300 oC đến 1450 oC giữ nhiệt vòng 20 phút áp lực ép 100 MPa Kết cho thấy, mẫu gốm quang học thiêu kết chế độ 1100 oC, giữ nhiệt 60 phút 1400 oC, giữ nhiệt 20 phút có kích thước hạt sau thiêu kết đạt 177 ± nm, tỷ trọng tương đối đạt ≈ 99 % kết truyền quang lên tới 80 % độ cứng HV đạt 18 GPa Các kết cao so với vật liệu MgAl2O4 thiêu kết phương pháp bước nâng nhiệt 1400 oC Từ khóa: gốm quang học, MgAl2O4, thiêu kết dòng xung điện ABSTRACT In this work, MgAl2O4 transparent ceramics was fabricated from combustion-synthesized nanopowders by pulsed electric current sintering (PECS) combined with two-step sintering Ceramic powder was densitified using two-step heating, namely the first-step temperature was 1100 oC with holding time of 60 and the second-step temperatures in range from 1300 oC to 1450 oC with 20 duration The results showed that the transparent ceramic samples sintered at 1100 oC/60 - 1400 oC/20 had grain size of 177 ± nm, relative density about 99 %, transmittance up to 80 %, and Vickers hardness of 18 GPa These values were higher than that of samples obtained by one-step sintering at 1400 oC Keywords: transparent ceramics, MgAl2O4, PECS MỞ ĐẦU Gốm quang học MgAl2O4 vật liệu tổng hợp với cấu trúc tinh thể dạng spinel nên có tính chất học quang học vượt trội khả truyền quang từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại, độ bền cao, khả làm việc nhiệt độ cao, v.v Vì có cấu trúc tinh thể nên chế tạo gốm quang học phải kiểm soát chặt chẽ yếu tố ảnh hưởng đến độ truyền quang vật liệu, bao gồm độ xốp, tạp chất, pha thứ hai; kích thước hạt cần < µm với phân bố kích thước đồng bề mặt mẫu sau gia cơng phải nhẵn bóng Do gốm có nhiệt độ nóng chảy cao nên đa số TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI Số 95 tháng 4/2021 chế tạo phương pháp thiêu kết từ bột với hai cơng đoạn tạo bột thiêu kết Dựa vào yêu cầu chế tạo gốm quang học đề cập trên, quy trình chế tạo phải đáp ứng đồng thời ba yêu cầu gồm tỷ trọng tương đối lớn 99 %, độ lớn 99,5 % kích thước hạt trung bình nhỏ µm với phân bố kích thước hạt đồng [1, 2] Tính chất quang học gốm nhạy cảm với tạp chất, bột ban đầu cần phải có độ cao có pha đồng Ngồi ra, hạt bột phải có kích thước nanomet, kích thước hạt đồng kết tụ hạn chế tối đa Các hạt bột _ DOI: 10.52923/vmfs.jstm.42021.95.02 12 Journal of Science and Technology of Cơng trình nghiên cứu nano MgAl2O4 làm tăng khả khuếch tán biên hạt trình thiêu kết, thúc đẩy trình liên kết hạt để đạt vật liệu khối đặc [3 - 5] Do đó, việc lựa chọn phương pháp tổng hợp bột ảnh hưởng trực tiếp đến tính truyền quang tính chất học gốm quang học Gần đây, phương pháp đốt cháy từ dung dịch hoà tan (Solution Combustion Synthesis, SCS) cho phương pháp hiệu để tổng hợp bột oxit kim loại siêu mịn với pha đồng có độ tinh khiết cao [6] Abhisek Choudhary tiến hành tổng hợp bột MgAl2O4 mịn phương pháp SCS từ muối nitrat ngậm nước Mg(NO3)2.6H2O Al(NO3)3.9H2O nhiên liệu ure Bột thu có diện tích bề mặt lên đến 21,48 m2.g-1 [7] Nhiều loại gốm quang học chế tạo phương pháp thiêu kết dòng xung điện (pulsed electric current sintering - PECS) [25, 9-12,14] Đây kỹ thuật thiêu kết sử dụng lực ép đồng trục xung dòng điện (bật/tắt) chiều để thực trình liên kết hạt bột với tốc độ cao Việc gia nhiệt trực tiếp kết hợp lực ép thúc đẩy trình kết khối tăng tỉ trọng diễn nhanh, cho phép trì kích thước hạt mịn mà đạt tỉ trọng cao [8] Morita cho thấy trình thiêu kết mẫu MgAl2O4 có cấu trúc hạt mịn xảy 20 phút nhiệt độ thấp 1300 oC với lực ép 80 MPa Đối với tốc độ nâng nhiệt 99 % sản xuất Xilong Scientific Co Ltd (Trung Quốc) cân phối liệu theo tỉ lệ thành phần định trước Hỗn hợp hoà tan vào nước cất để tạo dung dịch bão hịa rung siêu âm Sau đó, bột đem nung lò điện trở (HT1300G, Đức) nhiệt độ 500 oC giờ, với tốc độ nâng nhiệt oC/phút Phản ứng có phương trình sau: 3Mg(NO3)2 (dd) + 6Al(NO3)3 (dd) + 20CH4N2O (dd) → 3MgAl2O4(r) + 20CO2(k) + 40H2O(k) + 32N2(k) Bột sau tổng hợp nghiền bi máy nghiền tang trống vòng 48 với tỉ lệ khối lượng bi/bột 20/1 dung mơi ethanol 97 % Sau đó, bột sấy khơ lị nhiệt độ 120 oC vịng 24 nung khơng khí 1100 oC Tiếp theo, bột thiêu kết thiết bị thiêu kết dòng xung điện (LABOX - 1550i75S, Nhật Bản) sử dụng khn graphit có đường kính 10 mm mơi trường chân khơng cao (