Ceramic được coi là nghệthuật và khoa học về sản xuất và sử dụng vật liệu rắn có thành phần xác định tạo thành từ vật liệu vô cơ phi kim loại bằng phương pháp nhiệt.. Vật liệu ceramic bả
Trang 1CHƯƠNG I GIỚI THIỆU
1.1 ĐỊNH NGHĨA VẬT LIỆU SILICAT
Vật liệu silicat là từ được sử dụng cách nay vài chục năm Ngày nay trên cácphương tiện thông tin đại chúng, chúng ta đều thấy người ta sử dụng từ ceramics
Từ ceramic bắt nguồn từ một từ gốc Hy Lạp keramos có nghĩa là đồ gốm, tức
vật liệu được tạo thành từ sự gia công nhiệt nguyên liệu đất sét Tuy nhiên từ keramos
còn có nguồn gốc Sanskrit cổ hơn có nghĩa là “đốt cháy”
Ngày nay định nghĩa này được mở rộng hơn nhiều Ceramic được coi là nghệthuật và khoa học về sản xuất và sử dụng vật liệu rắn có thành phần xác định tạo thành
từ vật liệu vô cơ phi kim loại bằng phương pháp nhiệt Vì thế trong nhiều tài liệu tiếngViệt người ta sử dụng nhóm từ “vật liệu vô cơ phi kim loại” này để chỉ nhóm vật liệuCeramic Vật liệu ceramic bản chất thường là tinh thể và được tạo thành giữa cácnguyên tố kim loại và phi kim loại như nhôm và oxy ( Al2O3), silic và oxy (SiO2), silic
và nitơ (Si3N4)… Định nghĩa này không chỉ bao gồm các vật liệu như đồ gốm sứ, vậtliệu chịu lửa, các sản phẩm từ đất sét, các vật liệu mài, men gốm sứ, xi măng và thủytinh mà còn bao gồm các vật liệu vô cơ phi kim loại từ tính, vật liệu điện từ, gốm đơntinh thể, thủy tinh gốm và nhiều vật liệu ngày nay không còn tồn tại cũng như nhiềuvật liệu mới có mặt cách đây vài năm Thủy tinh khác hơn gốm sứ ở chỗ nó vô địnhhình và không có trật tự xa như tinh thể
Ceramic là một trong 3 nhóm lớn về vật liệu rắn Hai nhóm còn lại là kim loại
và polymer Sự kết hợp của 2 hay 3 nhóm vật liệu này với nhau tạo thành một loại vậtliệu mới có tính chất đặc biệt hơn là vật liệu composit Ví dụ như bê tông gia cố bằngthép, nhựa gia cố bằng sợi thủy tinh hoặc sợi carbon dùng sản xuất tàu thuyền, vợttennis, ván trượt tuyết và xe đạp đua
Vào năm 1974 thị trường ceramic ở Mỹ chỉ là 20 triệu USD Năm 1994 tăngđến 16,7 tỉ USD Năm 2002 là 25 tỉ USD Đến nay nó được đánh giá là tăng đến trên
30 tỉ USD
1
Trang 21.2 PHÂN LOẠI CERAMIC
Ngành kỹ thuật ceramic có thể được phân loại như sau:
Ceramic tiên tiến
Các nhóm trên đều có thể được phân chia thành nhiều nhóm nhỏ Như sau:
GỐM Gạch, ống nước, ngói, gạch lát nền, gạch ốp tường, chậu
hoa,…
SỨ Đồ sứ gia dụng, gạch lát nền và ốp tường, sứ vệ sinh, sứ
điện, sứ mỹ thuật
GẠCH CHỊU LỬA Sản phẩm gạch và khối sử dụng trong Công nghiệp sắt
thép, kim loại không chứa sắt, thủy tinh, xi măng, gốm
sứ, trao đổi nhiệt, dầu khí và công nghiệp hóa chất
THUỶ TINH Thủy tinh phẳng (kính), vật chứa (chai, lọ), thủy tinh gia
dụng, sợi thủy tinh (cách điện) dùng cho vật liệu cáchđiện, các tấm trần và ngói lợp, thủy tinh làm bóng đèn,thủy tinh tiên tiến/đặc biệt dùng trong công nghệ truyềntin (sợi quang học) lưu trữ dữ liệu (công nghệ CD) và in
ấn tài liệu (máy in laser)
VẬT LỆU MÀI Vật liệu mài tự nhiên (đá garnet, kim cương, …) và tổng
hợp (silicon carbide, kim cương, oxit nhôm nóng chảy,
…) sử dụng để nghiền, cắt, đánh bóng, phủ bên ngoài, …
XI MĂNG Sử dụng để sản xuất đường bêtông, cầu, nhà cửa, đập
nước
CERAMIC TIÊN TIẾN
Kết cấu Các bộ phận mài mòn, ceramic sinh học (ghép xương,
…), dụng cụ cắt và các bộ phận trong động cơ
Điện Tụ điện, chất cách điện, chất nền, bó mạch tích hợp, chất
Trang 3Người ta cho rằng sản xuất thủy tinh của người xưa cũng liên quan đến sản xuất
đồ gốm có ảnh hưởng mạnh ở vùng Thượng Ai Cập (Upper Egypt, cách xa châu thổsông Nile nhất) khoảng 8.000 năm trước công nguyên Khoảng 3000 – 4000 năm trướccông nguyên đã hình thành nên 1 trung tâm gốm ở vùng Trung Đông và Ai Cập, trongthời gian này cũng phát hiện ra bàn xoay dùng để tạo hình sản phẩm gốm Trong quátrình nung đồ gốm, sự có mặt của CaO chứa cát kết hợp với soda và sự quá nhiệt của
lò nung có thể là nguyên nhân tạo thành men màu trên đồ gốm Các chuyên gia tinrằng cho đến khoảng 1.500 năm B.C thủy tinh mới được sản xuất một cách độc lậpkhỏi đồ gốm tạo thành một lớp sản phẩm riêng biệt
Thời trung cổ ở Châu Âu, đã có những trung tâm rất lớn sản xuất đồ gốm nhưFaenza ở Ý (từ đó có danh từ faience hay còn gọi là sành), hay Mallorca-một hòn đảo
ở Địa Trung Hải (từ đây có tên mặt hàng majolica, cũng có nghĩa là sành, loại sànhnày xương có màu, xốp, được tráng men đục và trang trí nhiều màu sắc)
Vào những năm 600 trước công nguyên, nước Trung Hoa cổ đã sản xuất được
đồ sứ Đến thế kỷ IX sau công nguyên (đời nhà Đường) nghề sứ Trung Hoa đã rất phát
3
Trang 4triển Và vào đời nhà Thanh (thế kỷ XVI sau công nguyên) thì bước vào thời kỳ cựcthịnh.
Ở Châu Âu, mãi đến năm 1709, một người Đức tên là Johann Friedrich Bottgermới sản xuất được đồ sứ giống đồ sứ Trung Quốc Năm 1759, Josial Wedgwood(người Anh) sản xuất được sành dạng đá (một loại sành có xương mịn, trắng, kết khốitương đối tốt, chất lượng hơn hẳn sành thông thường tuy nhiên vẫn chưa bằng đồ sứ).Trong 1/4 cuối cùng của thế kỷ XVIII, sành dạng đá đã đẩy lùi mặt hàng majolica.Trong thế kỷ XIX, ở Châu Âu mặt hàng này được dùng để thay thế cho đồ sứ đắt tiền.Chỉ sau khi giá cả hàng sứ rẻ đi cộng thêm với những tính chất tuyệt vời của nó thìhàng sứ mới đẩy lùi được mặt hàng sành dạng đá
Ở Việt Nam, ông cha ta đã sản xuất được đồ gốm từ thời thượng cổ cách đây
4500 năm Vào thời đầu các vua Hùng chúng ta đã có gốm Phùng Nguyên, gò Mun(Vĩnh Phú) nung ở nhiệt độ 800 – 9000C, xương bắt đầu được tinh luyện Từ thế kỷ XIchúng ta đã sản xuất được gốm men Đại Việt nổi tiếng với các trung tâm lớn như HàBắc, Thanh Hoá, Thăng Long, Đà Nẵng Từ thời Trần có gốm Thiên Trường (Hà NamNinh) với sản phẩm bát dĩa, bình lọ phủ men ngọc, men màu Cuối thời Trần (thế kỷXIV) bắt đầu hình thành làng gốm Bát Tràng nổi tiếng cho đến ngày nay
Từ thời cổ đến nay, khoa học và ứng dụng ceramic kể cả thủy tinh đã phát triểnmột cách vững chắc Ceramic đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của conngười Chúng ta hãy tìm hiểu kỹ ảnh hưởng của ceramic đến xã hội như thế nào
1.4 ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU CERAMIC ĐẾN XÃ HỘI
1.4.1 Vật liệu chịu lửa
Chúng ta biết rằng kim loại và các hợp kim của chúng được sử dụng để sản xuất
xe hơi, máy móc, máy bay, nhà cửa và vô số ứng dụng khác Nhưng kim loại sẽ khôngsản xuất được nếu không có ứng dụng vật liệu ceramic là vật liệu chịu lửa Vật liệuchịu lửa có thể chịu điều kiện nhiệt độ cao và dễ bay hơi của quá trình luyện kim.Ngoài ra vật liệu chịu lửa còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như hóa chất,dầu khí, trao đổi nhiệt, thủy tinh và công nghiệp gốm sứ
Trang 51.4.2 Xây dựng
Ngành kỹ thuật xây dựng liên quan đến việc xây dựng các trung tâm thươngmại, nhà dân, đường cao tốc, cầu, hệ thống cấp và thoát nước,… Điều này không thểthực hiện mà không có vật liệu ceramic Các sản phẩm sử dụng : gạch lát nền, tường,lợp, xi măng, gạch, thạch cao, ống nước và thủy tinh
Nhà cửa, công sở và xe ôtô của chúng ta nếu không có cửa sổ thì sẽ ra sao? Cửakính cho phép ánh sáng lọt qua Có rất nhiều loại cửa sổ, bao gồm: loại an toàn,nhuộm màu, làm mờ, dát mỏng và không phản chiếu Thêm vào đó, sợi thủy tinh được
sử dụng làm chất cách điện, tấm trần, mái lợp giúp giữ ấm và khô
Gạch đất sét dùng để xây dựng nhà cửa, các công trình do cường độ chịu lực,
độ bền và vẻ đẹp Gạch là sản phẩm duy nhất không bị cháy, nóng chảy, bong, lồi lõm,cong vênh, mục nát, ăn mòn hay bị mối tấn công Gạch có rất nhiều kích cỡ, màu sắc,hình dáng Ngói cũng rất bền và làm đẹp cho công trình xây dựng
1.4.3 Điện chiếu sáng
Một phát minh quan trong làm thay đổi cuộc sống của hàng triệu người là bóngđèn nóng sáng của Thomas Edison năm 1879 Phát minh này không thể thực hiện đượcnếu không có thủy tinh Tính cứng, trong suốt và khả năng chịu được nhiệt độ caotrong môi trường chân không của thủy tinh tạo điều kiện cho việc chế tạo bóng đèn.Sau này, vào giữa thế kỷ 20, phương tiện chiếu sáng tiến bộ hơn với sự ra đời của đènhuỳnh quang, đèn dây tóc, đèn neon, đèn hơi natri chiếu sáng đường phố Đến ngàynay, diod phát sáng (LED) được ứng dụng trong đồng hồ, bảng chỉ đường, truyền tin(mạng sợi quang học), lưu trữ dữ liệu và in tài liệu
5
Trang 6những cơ sỡ dữ liệu lớn và đương nhiên là không có dữ liệu tính toán của máy tính cỡgigabyte, terabyte và exabyte Ngày nay trên thế giới mỗi năm người ta sản xuất hơn
150 triệu đĩa cứng và 50 triệu đầu video
Ceramic cũng được dùng để nâng cao hoạt động thể thao của chúng ta Ví dụngười ta dùng gốm áp điện để tạo những thiết bị thể thao thông minh, như là nhữngmặt hàng thể thao có thể thích ứng với môi trường xung quanh để gia tăng hiệu quảcủa nó Ứng dụng cụ thể là ván trượt tuyết, bóng rổ, bóng chày, và bộ giảm chấn độngcho xe đạp leo núi
Ví dụ, tập đoàn K2 sử dụng một thiết bị đo kiểm tra do Active Control eXpertssản xuất bên trong ván trượt tuyết Thiết bị đo chứa một vật liệu gốm áp điện làm giảmchấn động của băng tuyết, giúp giữ ván trượt chắc trên tuyết và do vậy làm tăng sựvững chắc, khả năng kiểm soát và tốc độ cao nhất
Buji sứ là một chất cách điện có ảnh hưởng sâu rộng đến xã hội Được phátminh đầu tiên vào năm 1860 để đánh lửa nhiên liệu cho động cơ đốt trong và vẫn còn
sử dụng với mục đích này cho tới ngày nay
1.4.5 Truyền tin
Sợi thủy tinh là một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực côngnghệ thông tin Thông tin trước đây được truyền qua hàng trăm sợi dây đồng bây giờđược chứa chỉ trong một sợi silic (thủy tinh) trong suốt, chất lượng cao Sử dụng côngnghệ này cho phép tăng tốc độ và khối lượng thông tin lớn hơn nhiều so với sử dụngdây cáp đồng
Sợi quang học là một sợi cáp chắc chắn để phân phối một loạt dịch vụ có liênquan nhau, như sự kết hợp giọng nói, dữ liệu và hình ảnh Cho dù đó là gì đi nữa, ứngdụng hình ảnh đa phương tiện, truyền dữ liệu tốc độ cao và truy cập intenet, truyềnthông tin hay các dịch vụ theo nhu cầu khác thì sợi quang dẫn sẽ giúp truyền thông tin
dễ dàng hơn
1.4.6 Y học
Ceramic đang gia tăng ứng dụng trong y học Các bác sĩ giải phẫu sử dụng vậtliệu bioceramic để sử và thay thế khớp hông, đầu gối và một số bộ phận khác Ceramiccũng được sử dụng tay thế van tim bị hỏng Trong cơ thể con người, khi cấy hoặc phủ
Trang 7lên các bộ phận thay thế bằng kim loại, vật liệu ceramic có thể mô phỏng sử phát triểncủa xương, thúc đẩy sự hình thành mô và được hệ thống miễn dịch bảo vệ.
Nha sĩ cũng sử dụng ceramic để cấy răng và bọc răng Người ta còn sử dụngnhững quả cầu thủy tinh nhỏ hơn sợi tóc để phân phối và xác định lượng phóng xạ chocác cơ quan bị hư hỏng trong cơ thể Ceramic là một trong số ít vật liệu có độ bền và
ổn định đủ để chịu đựng sự ăn mòn của lưu chất trong cơ thể
Hệ thống hình ảnh quyết định sự chẩn đoán y khoa Vật liệu ceramic hiện đạiđóng vai trò quan trong kỹ thuật siêu âm và X-quang và chụp CT Các bộ phận chuyểnđổi sử dụng chì titanate zirconate (PZT) trên cơ sở ceramic áp điện là bộ phận chínhtrong hệ thống siêu âm Các bộ phận chuyển đổi này tạo ra sóng siêu âm và ghi nhậnnhững tín hiệu phản xạ lại tạo thành hình ảnh
Âm thanh siêu âm được sử dụng để kiểm tra nhiều phần của cơ thể như bụng,ngực, vùng chậu của phụ nữ, tuyến tiền liệt, tuyến giáp, tuyến cận giáp, và hệ mạchmáu Phổ biến nhất là siêu âm cho phụ nữ mang thai ở ba giai đọan Tiến bộ mới làdùng để xem hình ảnh những mảng ung thư hoặc những bất thường trong mạch máu
mà trước nay chưa từng nhìn thấy được Điều này cho phép các bác sĩ xác định chínhxác độ nguy hiểm hơn vì nó cho phép nhìn rõ hơn hình ảnh của của mạch máu, thànhđộng mạch, và chuyển động của các mảng
Scan CT X-quang là một phượng tiện chẩn đoán phổ biến trong các bệnh viện
và trung tâm chẩn đoán y khoa, cho phép chúng ta nhìn thấy những vùng bên trong cơthể con người để dò tìm ung thư và các bệnh khác Để chụp CT, cần có một đầu dò X-quang đủ để ghi nhận hình ảnh có chất lượng cao Năm 1998 Tập doàn y khoa GE đãchế tạo thành công đầu dò chất lượng cao chứa bộ phận phát sáng gián đoạn kiểu nhấpnháy cho hình ảnh tốt hơn giúp hạ thấp cường độ tia X chiếu cho bệnh nhân
1.4.7 Ứng dụng trong lĩnh vực môi trường và không gian
Ceramic đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhiều yêu cầu về môitrường Ceramic giúp giảm thải ô nhiễm, giữ lại những chất độc hại và cô lập chất thảihạt nhân Ngày nay các bộ phận chuyển xúc tác trong xe tải và xe hơi được làm từgốm xốp và giúp chuyển hóa các hydrocarbon độc và hơi CO thành CO2 và nước ítđộc hại nhất Các bộ phận gốm sứ tiên tiến đã được sử dụng trong động cơ diesel và
7
Trang 8ôtô Tính chất nhẹ, chịu được nhiệt độ cao, và chống mài mòn giúp quá trình cháy tốthơn và tiết kiệm nhiều nhiên liệu
Chương trình tàu không gian của NASA cũng trở thành hiện thực khi có nhữngtấm lợp ceramic nhẹ, tái sử dụng được 34.000 tấm cần bảo vệ phi hành gia và phithuyền có khung bằng oxide nhôm chế tạo ở nhiệt độ rất cao (16000C) cho phép đốimặt với bầu khí quyển của trái đất trong chuyến trở về của phi thuyền
Những ứng dụng còn chưa có giới hạn ở đây Trong khi chờ đợi sự ra đời củanhiều ứng dụng mới, chúng ta hãy nắm vững rằng ceramic đã, đang và sẽ còn tiếp tụcgây những ảnh hưởng mang tính quyết định trong tương lai
Trang 9Máy, cối nghiềnDụng cụ màiBột mài
Thiết bị, vật liệu bảo vệ các tia phản xạ
Bao bì tấmhóa họcsợi, vảiquang họcsinh hóa
LaserCửa sổ IRMàu
ĐiệnCao tầnCách điện
Tụ điệnThiết bị dòĐiện cựcNam châmCaplo khí
Hạt nhân
Gốm sứ thủy tinh
Trang 10CHƯƠNG II TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU VÔ
CƠ
2.1 TÍNH CHẤT CƠ:
Do bản chất hóa học và cấu trúc quy định, vật liệu vô cơ có các tính chất chung
đặc trưng là: bền hóa học cao, bền nhiệt cao, cách nhiệt tốt và một số vật liệu có các
tính chất quang học đặc biệt Ðây là đặc điểm chủ yếu về tính chất của vật liệu vô cơ,
là cơ sở chính để lựa chọn, sử dụng đối với phần lớn vật liệu vô cơ
Nhưng mặt khác, cũng do cấu trúc quy định, vật liệu vô cơ nhìn chung có độ
bền cơ học thấp hơn so với vật liệu kim loại và có những đặc điểm riêng cần chú ý khi
chế tạo và sử dụng vật liệu vô cơ
Tính chất cơ là tính chất của vật liệu chịu được những ứng suất phát sinh trong
nó trong 1 thời gian dài mà không bị phá hủy
2.1.1 Tính đàn hồi và tính giòn:
Vật liệu vô cơ là vật liệu đàn hồi điển hình
Ở nhiệt độ thường dưới tác dụng của tải trọng,
mối quan hệ giữa ứng suất hình thành trong vật liệu
( ) và độ biến dạng ( ) của mẫu hoàn toàn tuân theo
định luật Hooke:
2.1.2 Ðộ bền cơ học:
Là tính chất của vật liệu chống lại sự phá hủy do tác động của những ngoại lực
làm cho phân bố hạt xích lại gần nhau (khi nén) hay tách xa nhau ra (khi kéo)
Ðể đánh giá độ bền của vật liệu theo độ bền liên kết nguyên tử, người ta đưa ra
khái niệm độ bền lý thuyết (lt):
2 / 1
) / 2 ( E a
Trong đó: E: modun đàn hồi
: năng lượng bề mặt riênga: khoàng cách nguyên tử
Hình 2.1 Mối quan hệ giữa ứng suất và
độ biến dạng: 1-vật liệu vô cơ; 2-kim loại
Trang 11Ðộ bền thực tế của vật liệu vô cơ thường có giá trị thấp hơn nhiều so với giá trị
lý thuyết (có thể là hàng trăm hay hàng nhìn lần) Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đếnđiều này là như sự giảm tiết diện chịu lực của vật liệu (do có lỗ xốp), sự phân bốkhông đồng đều tải trọng (do sự khác nhau giữa hằng số đàn hồi của các thành phầntrong cấu trúc),…nhưng nguyên nhân chính dẫn đến điều này là sự có mặt của các vếtnứt tế vi với chiều dài khoảng 10-3 đến 100 m Các vết nứt tế vi này xuất hiện bởitính chất bất đẳng hướng nhiệt (tính dị hướng nhiệt) của pha tinh thể có thể hình thànhtrong vật liệu ngay khi không có hay có tải trọng Theo Orowan, do tồn tại vết nứt tế vikhi vật liệu chịu tải trọng kéo với ứng suất o thì tại đỉnh của vết nứt có sẵn sẽ xuấthiện ứng suất được xác định như sau:
2 / 1
) / (
Cũng như cơ chế phá hủy trên, vật liệu vô cơ luôn có độ bền nén cao hơn nhiềulần so với độ bền kéo (đối với vật liệu thủy tinh là khoảng 10 lần)
Ðể đánh giá độ bền cơ học của vật liệu giòn người ta sử dụng độ dai phá hủy
K1C, được xác định:
2 / 1 2
/ 1
1 g .( l) , MPa.m
K C Trong đó: g: hệ số hình dạng
: ứng suất phá hủyl: chiều dài vết nứtNhư vậy yếu tố ảnh hưởng quyết định đến cơ tính của vật liệu vô cơ không phải
là năng lượng liên kết nguyên tử cấu tạo nên nó, mà là tình trạng khuyết tật trong vàtrên bề mặt vật liệu Khi số lượng vết nứt tế vi tăng, kích thước vết nứt tăng thì cơ tínhgiảm mạnh
Ở các vật liệu vô cơ tinh thể, kích thước các hạt tinh thể cấu tạo nên vật liệu cóảnh hưởng rõ đến cơ tính của vật liệu Khi kích thước hạt càng giảm thì bề mặt ranhgiới giữa các hạt tăng lên, sẽ có tác dụng ngăn chặn hay làm thay đổi hướng lan truyềnvết nứt, do vậy độ bền cơ của vật liệu tăng lên
11
