Cơ tớnh của vật liệu Trang 4 LỜI NểI ĐẦU ễxit nhụm là một trong cỏc loại vật liệu dựng để chế tạo gốm tiờn tiến được nghiờn cứu và sử dụng rộng rói nhất trong vũng hơn 40 năm gần đõy..
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ LÊ HOÀNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TiO2 TỚI KHẢ NĂNG THIÊU KẾT VÀ TÍNH CHẤT CỦA GỐM TRÊN CƠ SỞ Al2O3 Chuyên ngành: Vật liệu kim loại màu & composite LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRẦN QUỐC LẬP Hà Nội - 2009 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204963931000000 -1- MỤC LỤC Mục lục LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN - VẬT LIỆU GỐM VÀ GỐM TIÊN TIẾN CƠ SỞ ÔXIT NHÔM 1.1 Khái quát vật liệu gốm Trang 6 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 ôxit nhôm 10 1.2.1 Một vài nét lịch sử phát triển 1.2.2 Các tính chất lĩnh vực ứng dụng 1.2.3 Gốm ôxit nhôm làm giáp chống đạn 1.3 Công nghệ chế tạo gốm tiên tiến sở ôxit nhôm 10 12 14 16 1.3.1 Chuẩn bị nguyên liệu Al2O3 phụ gia 1.3.2 Các phương pháp tạo hình gốm tiên tiến 1.3.3 Thiêu kết 1.4 Nghiên cứu gốm tiên tiến việt nam 1.5 Nội dung nghiên cứu luận văn 17 21 23 28 30 Chương 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT - ẢNH HƯỞNG CỦA ÔXIT TITAN TỚI KHẢ NĂNG THIÊU KẾT GỐM CƠ SỞ ÔXIT NHÔM 2.1 Động học thiêu kết bột ôxit nhôm hạt mịn 31 32 2.2 Tính chất hệ hai nguyên Al2O TiO2 2.2.1 Giản đồ pha hai cấu tử Al2 O3 – TiO2 2.2.2 Tính chất hợp chất aluminum titanate 38 38 40 2.3 Ảnh hưởng ôxit titan tới khả hạ thấp nhiệt độ thiêu kết gốm sở ôxit nhôm 42 -2Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 Nguyên liệu phương pháp xử lý 3.1.1 Ơxit nhơm 3.1.2 Ơxit titan 3.1.3 Nghiền trộn phối liệu 46 47 47 49 50 3.2 Chế tạo mẫu nghiên cứu 3.2.1 Ép tạo hình phơi tươi 3.2.2 Thiêu kết 3.3 Chuẩn bị mẫu phương pháp khảo sát 3.3.1 Chuẩn bị mẫu 52 52 53 55 55 3.3.2 Các phương pháp khảo sát 55 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Ảnh hưởng áp suất ép kích thước hạt ơxit nhơm tới tỷ 61 trọng độ bền gốm 4.1.1 Ảnh hưởng áp suất ép tới tỷ trọng gốm 4.1.2 Ảnh hưởng kích thước hạt ơxit nhơm tới độ bền 62 62 gốm 4.2 Kết nghiên cứu ảnh hưởng ôxit titan tới khả hạ 63 thấp nhiệt độ thiêu kết gốm Al2O3 4.2.1 Tương tác Al2 O TiO2 nung 4.2.2 Cơ tính vật liệu 4.2.3 Khối lượng riêng, mật độ khối, độ xốp độ hấp thụ 63 63 65 nước 4.2.4 Mật độ tương đối độ co tuyến tính 4.2.5 Tổ chức tế vi 4.3 Ứng dụng vật liệu vào chế thử giáp chống đạn 70 73 76 81 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 86 -3- LỜI NĨI ĐẦU Ơxit nhơm loại vật liệu dùng để chế tạo gốm tiên tiến nghiên cứu sử dụng rộng rãi vòng 40 năm gần Nguồn nguyên liệu tương đối phong phú rẻ tiền lợi lớn cho ứng dụng thương mại, mặt khác khả làm cao vật liệu làm cho trở nên hấp dẫn nghiên cứu công nghệ vật liệu Gốm ôxit nhôm trội vật liệu gốm tiên tiến khác tính ổn định khả giữ độ bền nhiệt độ cao Ngồi ứng dụng lĩnh vực cơng nghệ khí, chế tạo máy, kéo chuốt dây kim loại dụng cụ cắt gọt kim loại hay công nghiệp điện, điện tử gần gốm ơxit nhơm ngày nghiên cứu sử dụng nhiều ứng dụng chống đạn bảo vệ người Các tính chất gốm có liên quan chặt chẽ tới cơng nghệ thiêu kết, yếu tố có ảnh hưởng đáng kể tới trình thiêu kết chất phụ gia đưa vào Gốm ơxit nhơm nói chung có nhiệt độ thiêu kết cao (> 1600 oC) Điều gây khơng khó khăn tiến hành sản xuất công nghiệp Việt Nam Hơn xu công nghệ nhằm hạ thấp nhiệt độ thiêu kết gốm Al 2O3 dùng vật liệu kích thước nano hay phụ gia Trong chất phụ gia dùng cho mục đích này, đáng lưu ý TiO2 chúng tạo dung dịch rắn với Al2O3 làm biến dạng tinh thể Al2O3 nên với % TiO2 sản phẩm bắt đầu kết khối 1300 oC hạ nhiệt độ thiêu kết corundum (α-Al2O3) xuống (1500 ÷ 1550) oC với mật độ đạt (95 ÷ 96) % Ơxit titan khơng cải thiện tính cho vật liệu lại có khả làm tăng mức độ kết khối hạ thấp nhiệt độ thiêu kết gốm Al2O3 Hiện -4nay chưa có lý thuyết chế tác động TiO2 tới khả thiêu kết gốm Al2 O3 mà có số giả thiết đưa Với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng TiO tới khả thiêu kết tính chất gốm sở Al2O3”, tơi bước đầu nghiên cứu tìm hiểu ảnh hưởng phụ gia TiO2 tới khả thiêu kết tính chất gốm sở ơxit nhơm Từ có sở khoa học để áp dụng cải tiến công nghệ thiêu kết gốm Al2O3 Những kết nghiên cứu đạt nhờ giúp đỡ tận tình thầy cô giáo Bộ môn Vật liệu kim loại màu composite, Phịng thí nghiệm Luyện kim bột - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Phịng Cơng nghệ Vật liệu - Viện Cơng nghệ - Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng Tơi xin chân thành cảm ơn PGS TS Trần Quốc Lập hướng dẫn tận tình trình thực luận văn Xin cảm ơn thầy cô giáo Khoa Khoa học Công nghệ vật liệu đồng nghiệp giúp đỡ tơi hồn thành luận văn -5- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU GỐM VÀ GỐM TIÊN TIẾN CƠ SỞ ÔXIT NHÔM -6- 1.1 KHÁI QUÁT VỀ VẬT LIỆU GỐM Vật liệu gốm người tạo từ sớm loại vật liệu quan tâm nghiên cứu, sản xuất sử dụng suốt trình hình thành phát triển xã hội lồi người 1.1.1 Định nghĩa vật liệu gốm: Có thể định nghĩa vật liệu gốm theo hai khái niệm Theo Kingery, W D cộng sự: vật liệu gốm vật liệu tổng hợp, cấu tạo từ chất vô phi kim Định nghĩa đặc trưng cho lớp vật liệu vô có tính chất khác hẳn vật liệu kim loại Gốm bao gồm vật liệu sành, sứ, vật liệu chịu lửa, vật liệu mài, men, xi măng, thủy tinh mà bao gồm vật liệu từ phi kim, vật liệu cách điện vật liệu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao, vật liệu áp điện, nguyên liệu hạt nhân Theo British Ceramic Society: vật liệu gốm vật liệu thể rắn, sản phẩm q trình tổng hợp, khơng phải kim loại, chất hữu cơ, sản xuất phải qua xử lý nhiệt Vật liệu gốm vật liệu khơng có điện tử tự do, ơxit, nitrit, cacbit, borit, tổ hợp chúng So với kim loại vật liệu gốm có yếu điểm độ bền kéo thấp, tính dịn, hồn tồn khơng có độ dẻo điều kiện sử dụng, nhạy cảm với sốc cơ, sốc nhiệt, nhiên gốm lại có tính chất vượt trội kim loại đặc biệt nhiệt độ cao độ bền dão, độ cứng, tính chống mài mịn, trơ hố học bền ăn mòn nhiệt độ cao 1.1.2 Phân loại vật liệu gốm: Cách phân loại vật liệu gốm phổ biến theo lĩnh vực ứng dụng Theo chia vật liệu gốm thành nhóm sau: -71 Gốm gia dụng: vật liệu gốm tạo nên đồ dùng sinh hoạt chén, bát, đĩa, cốc, bình, lọ, chum, vại Gốm xây dựng: vật liệu gốm tạo nên kết cấu dùng xây dựng gạch, ngói, xi măng, kính Gốm mỹ nghệ: vật liệu gốm tạo nên đồ trang trí, đồ mỹ thuật bình, lọ hoa văn, tranh, tượng Gốm kỹ thuật: loại vật liệu gốm có tính chất đặc biệt sử dụng khoa học kỹ thuật, công nghiệp vật liệu chịu lửa, vật liệu cách điện, vật liệu từ, gốm áp điện, gốm nhiệt, gốm dụng cụ Trong nhóm gốm kỹ thuật lại phân thành nhóm: gốm kỹ thuật công nghiệp gốm tiên tiến 4a Gốm kỹ thuật cơng nghiệp vật liệu gốm có quy trình chế tạo, sản xuất không khắt khe sử dụng với khối lượng lớn công nghiệp gạch chịu lửa, thuỷ tinh công nghiệp, sứ cách điện 4b Gốm tiên tiến (Advanced Ceramic) vật liệu gốm có tính chất cơ, lý, hố đặc biệt sử dụng ngành khoa học, kỹ thuật gốm điện tử, gốm siêu dẫn, gốm dụng cụ, gốm sinh học Với phát triển khoa học, cơng nghệ gốm tiên tiến ngày quan tâm nghiên cứu phát triển Chính mà gốm tiên tiên lại chia thành nhánh theo lĩnh vực khoa học, công nghệ chuyên sâu 4bα Gốm kết cấu (Structural Ceramic) vật liệu gốm có tính chất cơ, lý, hố cao chế tạo thành chi tiết máy, dụng cụ làm việc điều kiện khắc nghiệt: nhiệt độ cao, tốc độ cao, chịu tải lớn, chịu mỏi, chịu mài mịn, mơi trường xâm thực động nổ, cánh tuốc bin khí, dụng cụ cắt gọt Các vật liệu gốm nhóm kể đến nitrit silic, cacbit silic, ôxit nhôm -84bβ Gốm chức (Functional Ceramic) vật liệu gốm có tính chất lý, hố đặc biệt dùng để chế tạo linh kiện đảm nhận chức máy móc, thiết bị đại gốm từ, gốm áp điện, gốm cảm biến, gốm siêu dẫn 4bγ Gốm sinh học (Biological Ceramic) vật liệu gốm dùng để chế tạo phận thay thể người chi tiết xương, giả 1.1.3 Tính chất lĩnh vực ứng dụng vật liệu gốm tiên tiến: Đối với việc phát triển công nghệ mới, vật liệu gốm tiên tiến ngày đóng vai trị quan trọng nhờ tính chất đặc biệt Trong lĩnh vực vật liệu kết cấu, gốm có ưu điểm trội so với kim loại polyme khả làm việc nhiệt độ cao mơi trường ăn mịn mà khơng giảm đáng kể tính theo thời gian Đặc điểm tương tác nguyên tử hợp chất hoá học tạo nên cấu trúc vật liệu làm cho gốm có modul đàn hồi cao, độ cứng, khả chống biến dạng dẻo cao độ chịu mài mòn, chống xâm thực, chống dão nhiệt độ cao vượt trội so với kim loại hợp kim Trong lĩnh vực vật liệu chức năng, gốm có hiệu ứng hoá lý, điện, quang, trội hiệu ứng áp điện, tính chất từ cứng, từ mềm, độ cách điện cao, tính siêu dẫn, phát lượng, hấp phụ Trong lĩnh vực vật liệu sinh học, gốm có độ bền cao, nhẹ, trơ sinh học (biological inert), có tính tương thích (biological compatibility), hoạt tính sinh học cao (biological activity) Vật liệu gốm tiên tiến ngày sử dụng lĩnh vực khoa học, công nghệ đại, nêu bảng -9Bảng 1.1 Lĩnh vực ứng dụng vật liệu gốm tiên tiến [33] Vật liệu ứng dụng Lĩnh vực kỹ thuật Vật liệu Ứng dụng - Vật liệu cách điện Al2O3, - Nền cho mạch IC, thân MgO, AlN điện trở - Vật liệu áp điện BaTiO3, - Máy đánh lửa, siêu âm, Pb(TiZr)O loa áp điện - Vật liệu gốm bán dẫn - Thermistor NTC, PTC, Điện - điện tử BaTiO3 CTR - Varistor - SiC, MoSi2, LaCrO3 - Thanh đốt cho lò điện - β-Al 2O3, ZrO2 - Chất điện giải cho ắc quy, cảm biến nhạy ôxy Lĩnh vực từ - BaO, CuO, Y2O , - Vật liệu siêu dẫn nhiệt SrO.CuO.La 2O3 độ cao - Vật liệu từ cứng: - Nam châm vĩnh cửu BaO.6Fe2 O3 - Vật liệu từ mềm: - Đầu từ, ăng ten, cảm x(NiO,ZnO,MnO).yFe2O3 biến - Al2O3 - Ống phát quang đèn cao áp natri Lĩnh vực quang - Al2O3 , Y2O3 - ThO2 - Laser - SiO2 - Cáp quang - ZrO2, Fe 2O3, SnO2 - Cảm biến đo nồng độ khí Hố học - luyện kim - Al2O3 , ZrO2, MgO - Chén nấu kim loại - MgCr2O4 – TiO2 - Cảm biến đo độ ẩm