Tài liệu vật liệu kim loại

283 Phần IV vật liệu phi kim loại Ch!ơng ceramic 7. Khái niệm chung 7.. Bản chất phân loại Ceramic hay gọi vật liệu vô đ!ợc tạo thành từ hợp chất hóa học giữa: - kim loại (Me) với kim bao gồm B, C, N, O Si (bán kim loại hay bán dẫn) bao gồm borit, cacbit, nitrit, ôxyt, silixit kim loại hay - kim kết hợp với nh! cacbit, nitrit, ôxyt bo silic (SiC, BN, SiO2) nh! biểu thị hình 7. Hình 7.1 Các khả kết hợp nguyên tố hóa học để tạo nên ceramic Với kết hợp đa dạng nh! làm cho ceramic đa dạng thành phần hóa học tính chất Theo dạng hợp chất hình thành, ceramic có nhiều loại nh!: + đơn ôxyt kim loại (Al2O3 gốm corindon), + đơn ôxyt bán kim loại (SiO2 thủy tinh thạch anh), + hỗn hợp nhiều ôxyt kim loại (sứ, thủy tinh silicat), + đơn nguyên tố (bo, cacbon), + cacbit, nitrit kim loại kim (TiC, SiC, BN, ZrN ) Có thể phân loại ceramic theo thành phần hóa học, theo cấu trúc, theo ph!ơng pháp công nghệ, lĩnh vực sử dụng Theo đặc điểm kết hợp, thịnh hành cách phân loại ceramic làm ba nhóm chính: gốm vật liệu chịu lửa, thủy tinh gốm thủy tinh, ximăng bêtông 283 284 7..2 Liên kết nguyên tử Do ceramic đ!ợc tạo nên từ nguyên tố có chất hóa học khác nhau: kim loại kim, nên có liên kết cấu trúc phức tạp khác với kim loại Khác với kim loại (chủ yếu có liên kết kim loại), ceramic liên kết kim loại mà kết hợp liên kết ion liên kết đồng hóa trị Ví dụ, tỷ lệ liên kết ion nguyên tố K, Mg, Zr, Ti, Al, B, Si, C với ôxy lần l!ợt 90, 80, 67, 63, 60, 45, 40, 22% (phần lại liên kết đồng hóa trị) Chính có liên kết phức hợp nh! l!ợng liên kết ceramic t!ơng đối lớn, khoảng 00 ữ 500kJ/mol (cao kim loại, 60 ữ 250kJ/mol) nên có nhiệt độ nóng chảy cao, mật độ cao, cứng, giòn, suốt cách điện cao Cũng đặc điểm liên kết nh! mà cấu trúc tinh thể ceramic khác với kim loại, cụ thể là: - cấu trúc tinh thể phức tạp, - cấu trúc tinh thể (phức tạp), ceramic tồn trạng thái vô định hình H#y xét cấu trúc 7..3 Trạng thái tinh thể a Kiểu mạng tinh thể số xếp Nh! đ# biết, hợp chất phải trung hòa điện: tổng số điện tích âm anion phải tổng số điện tích d!ơng cation Yếu tố có ảnh h!ởng lớn đến kiểu mạng tinh thể số xếp (phối trí) mạng ceramic t!ơng quan kích th!ớc (bán kính) ion cation anion (rC / rA) Có thể thấy nguyên tử kim loại cho điện tử bị ôxy hóa nên cation th!ờng có kích th!ớc bé anion kim nhận điện tử (bảng 7.), nên rC / rA < ứng với giá trị khác tỷ số mạng tinh thể có kiểu số phối trí - số xếp (số anion lân cận gần với cation bất kỳ) khác nh! biểu thị bảng 7.2 Bảng 7.1 Bán kính ion số cation anion (với số phối trí 6) Cation 3+ Al Ba2+ Ca2+ Cs+ Fe2+ Fe3+ K+ rC, nm 0,053 0,36 0,00 0,70 0,077 0,069 0,38 Cation Mg2+ Mn2+ Na+ Ni2+ Si4+ Ti4+ rC, nm 0,072 0,067 0,02 0,069 0,040 0,06 Anion - Br Cl FIO2 S2 - rA, nm 0,96 0,8 0,33 0,220 0,40 0,84 Khi rC / rA < 0,55, cation nhỏ bị bao quanh gần hai anion Khi tỷ số rC / rA khoảng 0,55 đến 0,225 cation nằm gọn khe hở ba anion xếp xít chặt, nên có số xếp (phối trí) ba Với tỷ số khoảng 0,225 ữ 0,44, cation nằm lỗ hổng hình bốn mặt tạo nên bốn anion, nên có số xếp bốn Nếu rC / rA tăng lên đến 0,44 ữ 0,732, cation nằm lỗ hổng hình tám mặt tạo nên sáu anion, nên có số xếp sáu Khi tỷ số rC / rA đạt 0,732 ữ ,0, cation nằm tâm hình lập ph!ơng với đỉnh tám anion nên có số xếp tám 284 285 Bảng 7.2 rC/rA Số phối trí 40%, sứ: < 5%) mà tỷ lệ, hình dạng, kích th!ớc phân bố có ảnh h!ởng rõ rệt đến tính chất nh! độ bền học, độ dẫn nhiệt, khả hút n!ớc Ví dụ môđun đàn hồi E giảm theo tăng lên thể tích rỗ xốp P theo biểu thức E = E0 ( - ,9P + 0,9P2) E0 môđun đàn hồi gốm đặc, không lỗ xốp Theo thành phần hóa học có loại gốm sau: gốm silicat, gốm ôxyt, gốm ôxyt gốm chịu lửa 7.2.2 Gốm silicat Gốm silicat gọi gốm truyền thống loại chế tạo từ vật liệu silicat thiên nhiên độ thấp, chủ yếu từ đất sét cao lanh để tạo nên sản phẩm gốm xây dựng (gạch, ngói, ống dẫn, sứ vệ sinh ), gốm gia dụng (ấm chén, bát đĩa) gốm công nghiệp (cách điện, bền hóa, nhiệt) Đất sét silicat nhôm gồm có Al2O3, SiO2 n!ớc ngậm Tính chất biến đổi rộng phụ thuộc vào l!ợng tạp chất mà chủ yếu ôxyt (Fe, Ba, Ca, Na, K ) chất hữu Cấu trúc tinh thể đất sét t!ơng đối phức tạp song có đặc tr!ng quan trọng có cấu trúc tầng nên có n!ớc phân tử n!ớc điền kín tầng tạo lớp màng mỏng bao quanh hạt đất sét làm cho hạt dễ dịch chuyển với nhau, tạo độ dẻo cao cho hỗn hợp đất sét - n!ớc Cao lanh (kaolinite) khoáng phổ biến đất sét có công thức Al2(Si2O5)(OH)4 hay Al2O3.2SiO2.2H2O Ngoài đất sét, cao lanh dùng nguyên liệu phụ nh! thạch anh SiO2 làm chất độn, tràng thạch KAlSi3O8 làm trợ dung Ví dụ sứ điển hình chứa 50% đất sét (cao lanh), 25% thạch anh, 25% tràng thạch Quy trình sản xuất gốm silicat nh! sau - Gia công, tuyển chọn nguyên liệu: quặng thô đ!ợc nghiền mịn, sàng để có đ!ợc độ hạt yêu cầu Do nguyên liệu thô th!ờng chứa nhiều FeO, Fe2O3 nên cần thiết (khi cần màu trắng) phải qua tuyển từ khử ôxyt triệt để (< %) - Cân, trộn phối liệu - Nhào luyện phối liệu (đ!a thêm n!ớc vào với l!ợng khác để tạo độ dẻo thích hợp) - Tạo hình sản phẩm theo ba cách tùy thuộc độ ẩm: + ph!ơng pháp bán khô với phối liệu có độ ẩm ữ 2% đ!ợc đầm nén khuôn, + ph!ơng pháp dẻo với phối liệu có độ ẩm ữ 25%, tính dẻo cao đ!ợc tạo dáng tay hay dụng cụ, máy chuyên dùng, + ph!ơng pháp đúc rót với phối liệu có l!ợng n!ớc cao, phối liệu có dạng hồ đ!ợc rót vào khuôn thạch cao, khuôn hút n!ớc để lại sản phẩm mộc - Sấy Ban đầu hạt đất sét đ!ợc bọc n!ớc, sấy n!ớc bay làm khoảng trống hạt giảm gây co rỗng - Nung đến 900 ữ 400oC hay cao tùy thuộc vào thành phần, tính yêu cầu, sản phẩm (gốm xây dựng, gạch 900oC, sứ: 400oC, gốm cao alumin 294 295 600oC) Trong trình nung mật độ gốm tăng lên (do giảm lỗ xốp) tính đ!ợc cải thiện Khi gốm đ!ợc nung đến nhiệt độ cao có xảy số phản ứng đáng quan tâm thủy tinh hóa: hình thành thủy tinh lỏng, chảy vào điền kín lỗ hổng sản phẩm đ!ợc co thêm Khi nguội, pha nóng chảy đông đặc lại tạo liên kết làm bền, sản phẩm Gốm có loại tráng men không tráng men Lớp men đ!ợc nung chảy lần với sản phẩm nung lại lần thứ hai Theo đặc điểm kết cấu x!ơng gốm, ng!ời ta phân biệt hai loại thô tinh Gốm thô có cấu trúc x!ơng tạo hạt vật liệu rắn có kích th!ớc lớn không đồng (ví dụ gạch ngói, gạch chịu lửa) Gốm tinh đ!ợc tạo hạt mịn đồng (ví dụ sứ, gốm, corindon Al2O3) 7.2.3 Gốm ôxyt Gốm ôxyt gốm có thành phần hóa học đơn ôxyt (Al2O3 TiO2) ôxyt phức xác định (ví dụ MgO.Al2O3, BaO.TiO2), nh! thành phần SiO2 Khác với gốm silicat, gốm ôxyt có độ tinh khiết hóa học cao hẳn (tỷ lệ tạp chất thấp) tỷ lệ pha tinh thể cao hẳn (tỷ lệ pha vô định hình thấp) để làm vật liệu kỹ thuật có độ bền nhiệt độ bền học cao, có tính chất điện từ đặc biệt Có thể chia thành ba nhóm nhỏ a Gốm ôxyt sở ôxyt có nhiệt độ nóng chảy cao Với ôxyt có nhiệt độ chảy cao tiêu biểu Al2O3 (2050oC), MgO o (2850 C), ZrO2 (2500 ữ 2600oC), MgO.Al2O3 (235oC) công nghệ gốm tinh (với độ tinh khiết > 98%), thiêu kết nhiệt độ cao với tổ chức tinh mịn hầu nh! toàn tổ chức pha Chúng bao gồm loại sau Gốm corindon (Al2O3 dạng thù hình ) với nhiệt độ sử dụng khoảng 900oC đ!ợc dùng làm chén, nồi nấu kim loại với độ cứng HB 2000 đ!ợc dùng làm vật liệu cắt, hạt mài, chí cấy ghép vào x!ơng Gốm pericla (MgO) với nhiệt độ sử dụng cao tới 2400oC có tính kiềm (badơ) đ!ợc dùng làm nồi nấu chảy kim loại bền với muối clorit fluorit nóng chảy Gốm ziêcona (ZrO2) với nhiệt độ sử dụng cao (2300oC), gi#n nở nhiệt ít, -7 o 20.0 / K, gốm spinel (MgO.Al2O3) đ!ợc dùng vào mục đích đặc biệt nhiệt độ cao b Gốm sở TiO2 Gốm sở TiO2 có tính chất đặc biệt (điện môi, sắt từ, áp điện) đ!ợc sử dụng rộng r#i kỹ thuật điện điện tử Có thể đơn ôxyt nh! gốm rutil (TiO2) hay có pha thêm ôxyt khác để điều chỉnh tính chất điện từ c Gốm sở Fe2O3 ôxyt kim loại nặng Gốm sở Fe2O3 ôxyt kim loại nặng khác thuộc nhóm Fe tạo vật liệu bán dẫn vật liệu từ MeO.Fe2O3 (trong Me Mn, Zn, Ni, Mg, Co, Cu, Cd, Ti ) đ!ợc gọi ferit từ hay đơn giản ferit, thuộc loại vật liệu từ mềm, đ!ợc dùng nhiều kỹ thuật điện tần số cao có điện trở lớn (03 ữ 02 .cm) nên dòng fucô sinh nhỏ, tổn thất điện nhỏ Một ứng dụng quan trọng làm dẫn từ ghép vào vòng cảm ứng nung nóng dòng điện cảm ứng có tần số cao tôi, hàn, nấu chảy mục đích khác 295 296 d Gạch chịu lửa Vật liệu chịu lửa (refractories) loại vật liệu để xây lắp lò (luyện kim, thủy tinh, hơi, nung kim loại, nhiệt luyện ) thiết bị công nghiệp làm việc nhiệt độ cao Theo quy !ớc chung vật liệu đ!ợc coi vật liệu chịu lửa có độ chịu lửa lớn 520oC, tức nhiệt độ khối vật liệu hình chóp với kích th!ớc quy định bị đánh gục Vật liệu chịu lửa thị tr!ờng nhiều dạng nh!ng gạch loại quan trọng phổ biến cả, đ!ợc sản xuất theo công nghệ gốm thô Đây điểm phân biệt quan trọng với gốm ôxyt kể thành phần giống Sau phân biệt loại gạch chịu lửa điển hình Đinat (silica) với thành phần > 93% SiO2 d!ợc sản xuất ph!ơng pháp thiêu kết bột Gạch đinat có tính axit với nhiệt độ làm việc cao (> 550oC) dùng để xây lò coke, vòm lò thủy tinh, vùng nung lò tuynen, số lò luyện kim Samôt gốm thô Al2O3 - SiO2 với nguyên liệu đất sét, cao lanh Theo thành phần hóa học có samôt th!ờng (30 ữ 40% Al2O3) - trung tính samôt bán axit (chỉ chứa 20 ữ 30% Al2O3) Với độ chịu lửa t!ơng đối tốt (~ 400oC) tùy loại chúng đ!ợc dùng lò nung clinke, khí hóa, số lò luyện kim Cao alumin thuộc hệ Al2O3 - SiO2 nh! samôt nh!ng với hàm l!ợng Al2O3 cao (45 ữ 95%) nên độ chịu lửa cao ( 600oC), đ!ợc sử dụng có yêu cầu cao độ chịu lửa mà samôt không đáp ứng Gạch kiềm tính hệ gạch chịu lửa có MgO với thành phần khác nhau: pericla hay manhêzit (MgO), pericla - crômit hay crôm - manhêzit (Cr2O3 - MgO), đôlômit (MgO - CaO) , chúng bền với xỉ kiềm yêu cầu quan trọng với luyện thép số kim loại để tạo xỉ kiềm (CaO), khử tạp chất có hại đ!ợc dùng số lò khác Nh! công dụng gạch chịu lửa khác lớn độ chịu lửa mà chủ yếu môi tr!ờng làm việc (axit, kiềm hay trung tính) e Vật liệu chịu lửa khác Đó loại không sản xuất theo ph!ơng pháp gốm mà dùng cách nấu chảy hay dùng cách thiêu kết bột nh! gốm nh!ng nguyên liệu ôxyt Sản xuất theo cách nấu chảy ôxyt (trong lò điện hồ quang) đ!ợc gốm thô, độ xít chặt cao với tỷ lệ pha vô định hình thấp, có rỗ khí lớn phân bố không gồm corindon (92 ữ 98% Al2O3), corindon mulit (80%Al2O3, 20% SiO2) Với grafit cacbit silic (SiC) có nhiệt độ nóng chảy cao 2300 ữ 2500oC tạo nên vật liệu chịu lửa (bằng ph!ơng pháp thiêu kết bột) có ứng dụng định 7.3 Thủy tinh gốm thủy tinh 7.3. Bản chất phân loại Về mặt chất, phân biệt thủy tinh với gốm vật liệu chịu lửa ở: - thủy tinh có cấu trúc hoàn toàn vô định hình, vật liệu pha đồng (trong gốm phần lớn tinh thể), - thủy tinh sản xuất theo công nghệ nấu chảy tạo hình kéo (tấm, ống, sợi), cán, ép, dập, thổi (gốm theo công nghệ thiêu kết bột) Cũng nh! gốm, thủy tinh đ!ợc sử dụng rộng r#i kỹ thuật đời sống Nguyên liệu để sản xuất thủy tinh phổ biến rẻ tiền nh! gốm, 296 297 dùng cát trắng (SiO2), sôđa (Na2CO3), đá vôi (CaCO3), tràng thạch [(K,Na)AlSi3O8], đôlômit (CaCO3.MgCO3) Theo thành phần hóa học công dụng có loại: thông dụng loại khác 7.3.2 Thủy tinh thông dụng (silicat kiềm - kiềm thổ) Đây loại thủy tinh th!ờng gặp d!ới tên gọi kính với với thành phần: SiO2 (65 ữ 75%), CaO (8 ữ 5%), Na2O (2 ữ 8%) (do có tên silicat - SiO2 - kiềm - Na, kiềm thổ - Ca) với nguyên liệu cát trắng (cung cấp SiO2), đá vôi (CaO), đôlômit (CaO MgO), sôđa (Na2O) Na2O cho vào để làm giảm nhiệt độ nấu chảy hỗn hợp, có thêm K2O, Al2O3, BaO, B2O3 để điều chỉnh tính chất Để tạo độ suốt cao phải khử triệt để ôxyt sắt nguyên liệu (< 0,% Fe2O3 với thủy tinh không màu, < 0,0% với loại quang học), trộn hỗn hợp nấu chảy hoàn toàn Nh! đ# nói, trạng thái thủy tinh vô định hình, nên nung nóng hay làm nguội thay đổi thể tích rõ rệt, khác với vật liệu tinh thể có thay đổi đột ngột nh! biểu thị hình 7.4 Trong vật liệu tinh thể có nhiệt độ kết tinh (nóng chảy) Ts xác định ứng với thay đổi đột ngột thể tích, làm nguội, thủy tinh ngày nhớt (sệt) thể tích giảm liên tục, điểm từ tốc độ bắt đầu giảm chậm đ!ợc gọi nhiệt độ thủy tinh hóa Tg D!ới nhiệt độ vật liệu đ!ợc coi thủy tinh, cao nhiệt độ lần l!ợt chất lỏng nguội chất lỏng Hình 7.14 Sự thay đổi thể tích theo nhiệt độ vật liệu tinh thể vô định hình Trong gia công, chế tạo thủy tinh, ng!ời ta th!ờng quy định nhiệt độ (t!ơng ứng với độ nhớt) sau đây: chảy (02P), tạo hình (04P), hóa mềm (4.07P), ủ (03P) giòn (3.04P), Tg nằm cao nhiệt độ giòn nhiệt độ tạo hình dễ biến dạng thủy tinh cách ép, thổi, kéo ép ph!ơng pháp tạo hình gần nh! dập nóng khuôn cối gang đúc bọc grafit, dùng để chế tạo sản phẩm có thành t!ơng đối dày Thổi ph!ơng pháp tạo hình sản phẩm rỗng, thành mỏng nh! bóng đèn, phích n!ớc, chai, lọ, đồ mỹ nghệ đ!ợc thực cách thủ công hay khí hóa - tự động hóa d!ới trợ giúp áp lực không khí nén Kéo ph!ơng pháp dùng để sản xuất sản phẩm dài nh! mỏng, thanh, ống sợi, chúng có tiết diện ngang không đổi Ví dụ chế tạo kính tấm, thủy tinh nóng chảy đ!ợc kéo dâng lên vào 297 298 khe hai trục đặt mặt thoáng bể nấu nh! thể cán nóng Sau tạo hình thủy tinh, cần làm nguội chậm hay nung nóng lại đến nhiệt độ ủ để làm ứng suất bên (do làm nguội co không phần sản phẩm) Các nguyên công quan trọng ứng suất bên làm giảm mạnh độ bền xung nhiệt (thermal shock) dễ đ!a đến g#y, vỡ Độ bền thủy tinh đ!ợc cải thiện tạo nên lớp ứng suất nén d! bề mặt, nguyên công đ!ợc gọi thao tác giống hệt nh! thép Thủy tinh đ!ợc nung nóng lên cao Tg nh!ng thấp nhiệt độ hóa mềm, sau làm nguội không khí hay không khí nén hay dầu Thoạt tiên bề mặt bị kéo đ!ợc nguội nhanh xuống d!ới nhiệt độ giòn trở nên cứng, không co vào đ!ợc lõi nguội chậm nhiệt độ cao nhiệt độ giòn nên dẻo Khi nguội tiếp theo, lõi cố co lại nh!ng đ# bị vỏ cứng cản trở hay nói khác vỏ bị kéo co vào nên chịu ứng suất nén, lõi bị kéo gi#n nên chịu ứng suất kéo Sự phá hủy ceramic th!ờng xuất phát từ vết nứt bề mặt phát triển lên ứng suất kéo, nên thủy tinh đ# qua ứng suất kéo cho phép tác dụng lớn mức cho phép phần đ# bị ứng suất nén trung hòa Chính nguyên nhân nh! vậy, giới hạn bền kéo thủy tinh th!ờng không 0MPa, sau dễ dàng đạt tới 50MPa Thủy tinh dạng sợi mảnh (đ!ờng kính bé 00àm) có độ bền học đặc biệt cao (sợi mảnh, độ bền cao), tới 000 ữ 500MPa Độ bền tỷ lệ nghịch với đ!ờng kính đ!ợc giải thích xác suất khuyết tật (nứt, rỗ) giảm giảm kích th!ớc 7.3.3 Các thủy tinh khác Đó thủy tinh sở hệ SiO2 - B2O3 - Na2O (borosilicat), SiO2 Al2O3 - Na2O (alumosilicat), SiO2 - PbO - Na2O (chì silicat), đơn ôxyt SiO2 (thạch anh), chí silicat, có tính đặc biệt Các thủy tinh borosilicat, aluminosilicat, aluminoborosilicat (kết hợp hai loại trên) có hệ số gi#n nở nhiệt nhỏ, bền nhiệt tốt, bền hóa cao, d!ợc dùng làm dụng cụ thí nghiệm Thủy tinh chì silicat có số khúc xạ cao, làm thủy tinh quang học phalê Thủy tinh thạch anh suốt vật liệu kỹ thuật có nhiều tính quý nh! hệ số gi#n nở nhiệt nhỏ, bền hóa bền xung nhiệt cao dùng để chế tạo dụng cụ, thiết bị chịu nhiệt cao bền hóa Thủy tinh thạch anh có độ tinh khiết cao, có chứa thêm B2O3 đ!ợc dùng làm cáp (sợi) quang nhờ có phản ứng phản xạ toàn phần sóng ánh sáng truyền lan sợi l!ợng ánh sáng đ!ợc bảo toàn Thủy tinh silicat (trong thành phần hay có SiO2) gồm ôxyt P2O5, B2O3, GeO2 hay ôxyt nh! halogenit (BeF2, AlF2) đ!ợc nghiên cứu sử dụng 7.3.4 Gốm thủy tinh Về mặt thành phần hóa học, gốm thủy tinh có thành phần nh! thủy tinh (ví dụ SiO2 - Al2O3 - Na2O) song có cấu trúc cách chế tạo khác: - Nếu thủy tinh loại vô định hình gốm thủy tinh có cấu trúc giống gốm tinh, kết hợp tinh thể vô định hình - Cách chế tạo khác hẳn gốm tinh: đầu theo công nghệ thủy tinh (nấu chảy, tạo hình, cấu trúc vô định hình), sau đ!ợc xử lý nhiệt theo chế độ xác định để thực trình tạo mầm kết tinh, tạo nên vi tinh thể (< àm) với tổng thể tích 60 ữ 95%, chúng phân bố pha vô định hình, pha vô định hình đóng vai trò chất liên kết Để tạo mầm phải chọn thủy tinh gốc 298 299 phù hợp cho thêm chất xúc tác tạo mầm nh! Pt, TiO2, ZrO2, SnO2, sunfit, fluorit Nhờ kiểm soát đ!ợc thành phần kết tinh (còn gọi phản thủy tinh hóa - devitrification) ng!ời ta tạo nên pha tinh thể khác với tỷ lệ, kích th!ớc, hình dạng phân bố khác nhau, nhờ có tính chất đa dạng phù hợp với mong muốn nh!: không gi#n nở nhiệt, có độ bền học cao chịu mài mòn cao, dễ tạo hình gia công khí, có tính chất điện từ đặc biệt, có tính sinh học (dễ cấy ghép vào tế bào x!ơng, thể sống) 7.4 Ximăng bêtông 7.4. Bản chất Ngoài ph!ơng pháp chế tạo đ# trình bày, vật liệu vô đa pha đ!ợc chế tạo ph!ơng pháp khác (ngoài thiêu kết bột nấu chảy), ph!ơng pháp kết dính thành phần vật liệu rắn với nhiệt độ th!ờng nhờ chất dính kết Đây nguyên lý chế tạo bêtông, loại vật liệu xây dựng quan trọng hàng đầu, nh! sau: cốt liệu rắn (sỏi, cát) với ximăng poclan n!ớc chất dính kết theo tỷ lệ xác định đ!ợc hòa trộn để có hỗn hợp thể nh#o (vữa bêtông), sau ximăng đ# đóng rắn khối vật liệu trở nên liền khối vững 7.4.2 Ximăng Ximăng (cement) chất kết dính thủy lực tác dụng với n!ớc tạo hợp chất có tính kết dính; hợp chất đóng rắn n!ớc sản phẩm đóng rắn bền n!ớc Có loại ximăng sau: - poclan, sở hệ CaO - SiO2 chứa thêm Al2O3, Fe2O3 với nhiều loại biến thể, - alumin, sở hệ CaO - Al2O3 chứa thêm SiO2, Fe2O3, - xỉ lò cao, chứa thêm thạch cao vôi, ximăng poclan phổ thông Các b!ớc sản xuất ximăng poclan nh! sau + nguyên liệu ban đầu gồm đá vôi (cung cấp CaO), đất sét (cung cấp SiO2, Al2O3) quặng sắt đ!ợc cân đong theo phối liệu, nghiền mịn trộn + phối liệu đ!ợc nung luyện lò quay 400 ữ 500oC để tạo khoáng chất nh! 3CaO.SiO2 (viết tắt C3S), 2CaO.SiO2 (C2S), 3CaO.Al2O3 (C3A), 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF), sản phẩm đ!ợc gọi clinke + clinke đ!ợc nghiền mịn đến kích th!ớc 0,5 ữ 50àm d!ới dạng bột gọi ximăng Khi nghiền th!ờng đ!a thêm phụ gia để điều chỉnh vài tính chất ximăng (nh! cho thêm thạch cao để điều chỉnh tốc độ đông kết ximăng) Khi ximăng đ!ợc hòa trộn với n!ớc ta đ!ợc vữa ximăng, bị hyđrat hóa theo phản ứng: (3CaO.SiO2) + 6H2O 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2, (2CaO.SiO2) + 6H2O 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2, Quá trình bắt đầu xảy từ bề mặt hạt ximăng tiếp tục phát triển vào bên hạt Hình 7.5 nêu sơ đồ hyđrat hóa giai đoạn: - trạng thái ban đầu: hỗn hợp vữa ximăng gồm cát, ximăng n!ớc (hình a), - hyđrat hóa phần ximăng, b!ớc đầu nối hạt cát với (hình b), 299 300 - hyđrat hóa hoàn toàn dính kết hạt cát nhờ pha tinh thể hyđrat hóa (hình c) Hình 7.15 Sơ đồ hyđrat hóa đông đặc vữa ximăng Nh! ximăng đủ mịn đ!ợc trộn với đủ l!ợng n!ớc trình diễn hoàn toàn Khi thiếu n!ớc phần ximăng không đ!ợc phản ứng, thừa n!ớc tạo lỗ, kênh chứa n!ớc làm cho vữa ximăng linh động, dễ thao tác nh!ng độ bền sau đóng rắn bị giảm Sau hyđrat hóa giai đoạn kết tinh, tạo tinh thể hyđrat với kích th!ớc ữ 00nm làm cho khối vật liệu trở nên vững có khả chịu tải Để đặc tr!ng cho độ bền có học ximăng, ng!ời ta dùng tiêu "mác" ximăng, đ!ợc quy định giới hạn bền nén mẫu hỗn hợp ximăng - cát (loại quy định) với tỷ lệ : sau 28 ngày bảo d!ỡng điều kiện quy định Ví dụ, theo TCVN 2682 - 992, PC 30 có nghĩa Portland Cement với giới hạn bền nén 30MPa 7.4.3 Bêtông Bêtông đ!ợc chế tạo từ hỗn hợp vật liệu silicat với kích th!ớc hạt khác (ví dụ, gồm sỏi đá dăm kích th!ớc ữ 4cm, cát vàng cỡ hạt 0,ữ 0,2mm, ximăng cỡ hạt 0,5 ữ 50àm) để tạo mật độ cao cho bêtông: hạt cát điền đầy vào chỗ trống viên sỏi, đá dăm, hạt ximăng chen vào khoảng trống hạt cát Ngoài ra, bề mặt hạt cát, sỏi, đá dăm xúc tiến tạo mầm ký sinh (dị thể) cho trình kết tinh hợp chất hyđrat ximăng Nhiều tài liệu coi bêtông loại compozit, để liên tục, khảo sát Cốt liệu bêtông th!ờng đ!ợc sử dụng cát, sỏi, đá vôi, đá granit (có khối l!ợng riêng cỡ ữ 3g/cm3), để có bêtông nhẹ cốt liệu phải loại xốp, có khối l!ợng riêng thấp (~ g/cm3) nh! xỉ lò cao, đá xốp thiên nhiên hay dùng phụ gia tạo bọt khí trình đóng rắn Cơ tính bêtông mang đặc tr!ng ceramic độ bền nén cao, độ bền kéo thấp Giới hạn bền nén bêtông biến đổi rộng tùy thuộc tỷ lệ hỗn hợp, bảo d!ỡng , khoảng ữ 60MPa, giới hạn bền kéo /8 ữ /0 giới hạn bền nén (do có mặt vô số vết nứt lỗ hổng, kênh chứa n!ớc) 7.4.4 Bêtông cốt thép Độ bền (kéo) bêtông đ!ợc tăng lên có cốt thép Vật liệu đ!ợc tạo thành cách đặt thanh, dây, l!ới hỗn hợp bêtông t!ơi Cốt thép 300 30 khối làm cho kết cấu chịu kéo, nén, uốn tốt nứt có phát triển bêtông bị ngăn trở cốt Sở dĩ thép đ!ợc dùng làm cốt bêtông có độ bền kéo cao dẻo thép có hệ số gi#n nở nhiệt gần giống nh! bêtông, không bị ăn mòn nhanh môi tr!ờng bêtông có dính kết t!ơng bêtông Sự dính kết tốt làm tăng bề mặt tiếp súc khóa h#m thép có gân Kỹ thuật làm tăng độ bền bêtông lên mức cao cách tạo ứng suất nén d! dọc theo chiều cốt thép chịu lực đ!ợc gọi kỹ thuật bêtông ứng suất tr!ớc Ph!ơng pháp lợi dụng đặc điểm vật liệu giòn chịu nén tốt chịu kéo nh! ứng suất kéo tác dụng v!ợt ứng suất nén d!, cấu kiện bêtông cốt thép bị phá hủy Có hai cách để tạo ứng suất nén d! tr!ớc bêtông Cách thứ nhất: dây thép độ bền cao đ!ợc đặt khuôn rỗng, đ!ợc kéo với lực kéo lớn giữ căng Sau bêtông đ!ợc đổ vào khuôn đông cứng bỏ lực kéo căng dây thép, lúc dây thép bị co lại (mất phần biến dạng đàn hồi) gây cho cấu kiện bêtông ứng suất nén ứng suất đ!ợc truyền tải tới bêtông thông qua liên kết bêtông - dây đ# đ!ợc hình thành Cách thứ hai: dây thép đ!ợc luồn qua ống kim loại hay cao su đ# có sẵn cấu kiện bêtông đ# đông cứng đ!ợc kéo căng kích đặt vào hai mặt đối diện cấu kiện, làm cho cấu kiện trạng thái nén Tiếp theo vữa bêtông đ!ợc đổ vào lỗ, bao kín lấy dây thép Cấu kiện đ!ợc hoàn thành vữa bêtông đông cứng bảo d!ỡng tốt, dỡ kích Kỹ thuật bêtông ứng suất tr!ớc kỹ thuật cao tiền chế cấu kiện cho cầu, đ!ờng sắt đ!ờng cao tốc 7.5 Vật liệu cốt sợi cho compozit 7.5. Vật liệu cacbon sợi cacbon Cacbon vật liệu đơn nguyên tố quan trọng dạng cấu trúc (thù hình) kim c!ơng, grafit Kim c!ơng nhân tạo đ!ợc dùng làm vật liệu cắt, mài, đ!ợc chế tạo cách nén grafit áp suất nhiệt độ cao mà ứng dụng đ# đ!ợc trình bày ch!ơng tr!ớc (mục 6.4.2b) nói vật liệu cacbon kết cấu Ngoài sử dụng nh! chất dẫn điện để làm điện cực grafit lò hồ quang nấu thép hay nh! vật liệu chịu lửa dạng gạch, nồi nấu , ng!ời ta tạo vật liệu cacbon có tính tốt đ!ợc dùng ngày nhiều kỹ thuật, chúng đ!ợc tạo nên từ pha khí cách nhiệt phân tạo cacbon nguyên tử kết tinh đế có cấu trúc nh! grafit hay t!ơng tự Ng!ời ta chia vật liệu cacbon thành ba nhóm: nhiệt phân, thủy tinh sợi Cacbon nhiệt phân đ!ợc tạo thành từ nhiệt phân hyđrôcacbon nh! êtan, mêtan cho ng!ng tụ, kết tinh vật liệu đế 500oC Loại có cấu trúc tinh thể mịn kết tinh hoàn toàn có h!ớng nên có tính cao (b = 200 ữ 500MPa grafit ữ 30MPa) Cacbon thủy tinh đ!ợc chế tạo từ trình nhiệt phân chất hữu thích hợp để phân hóa thành polyme cacbon, nung nóng lâu (hàng tuần) để pha khí (polyme) khuếch tán khỏi vật liệu Sau xử lý nh! thể tích giảm khoảng 50% tinh thể nhỏ mịn với độ bền t!ơng đối cao (b = 70 ữ 200MPa) Sợi cacbon (carbon fibers) loại vật liệu quan trọng có vai trò ngày lớn kỹ thuật khối l!ợng riêng nhỏ (< 2g/cm3) mà độ bền lại cao 30 302 (b = 2000 ữ 3000MPa) Ng!ời ta chế tạo sợi cacbon từ sợi tơ nhân tạo hay polyacrylonitrile (hình 7.6) Ban đầu sợi ch!a có mạch vòng (hình a), nhiệt độ 200oC bị nhiệt phân tạo mạch vòng (hình b), nhiệt phân xảy môi tr!ờng ôxy hóa tạo đ!ợc l!ợng nhóm xêtôn (C =O) polyme mạch vòng (hình c) Hình 7.16 Chuyển biến hóa học sợi polyacrylonitrile: a sợi ban đầu, b sợi đ!ợc tạo mạch vòng, c ôxy hóa sợi mạch vòng Ph!ơng pháp chế tạo sợi cacbon đ!ợc giới thiệu hình 7.7 Bằng cách nung nóng polyme mạch vòng nhiệt độ cao 500 ữ 2000oC khí trơ tạo n!ớc axit xyanhyđrit (HCN) làm cho O, N H thoát khỏi sợi Trong sợi nguyên tử cacbon mạch vòng có dạng mặt lục giác đáy mạng grafit định h!ớng theo chiều trục sợi Sợi cacbon đ!ợc tạo thành với liên kết đồng hóa trị (không liên kết yếu Van der Waals) nên có độ bền cao theo chiều trục Hiện compozit cốt sợi cacbon đ!ợc phát triển mạnh đ!ợc coi vật liệu kết cấu cao cấp với giá chấp nhận (> 0USD / kg sợi cacbon) Hình 7.17 Sơ đồ chế tạo sợi cacbon từ chất ban đầu polyme: a cuộn sợi polyme, b sợi polyme, c grafit hóa d!ới sức căng (sợi cacbon) 302 303 7.5.2 Sợi bo sợi khác trạng thái liền khối, bo cứng giòn trực tiếp kéo thành sợi đ!ợc, phải chế tạo theo cách khác: cách hoàn nguyên halogenua bo (ví dụ BCl3) hyđrô nhiệt độ cao để tạo bo nguyên tử hình thành tinh thể vô nhỏ mịn (2 ữ 3nm) bề mặt sợi dây vonfram mảnh (đ!ờng kính ữ 00 ữ 200àm) Cuối đ!ợc sợi bo (thực chất sợi vonfram bề mặt có phủ bo) có độ bền cao sợi cacbon (b = 3000 ữ 3500MPa) nh!ng nhiệt độ làm việc thấp (< 500oC so với 2000 ữ 2500oC sợi cacbon) với giá cao hơn, hàng chục USD/kg Cũng cách t!ơng tự nh! bo, tạo sợi cacbit silic có b = 2000 ữ 2500MPa với nhiệt độ làm việc đến 900oC Khác với hai loại sợi có lõi sợi vonfram, sợi ôxyt nhôm sợi đơn tinh thể Al2O3 mảnh (~ 250àm) có b = 2000MPa nhiệt độ làm việc đến 800oC 7.5.3 Râu đơn tinh thể (whiskers) Các đơn tinh thể nhỏ (dài vài mm, đ!ờng kính ~ àm) hầu nh! sai lệch mạng (đúng có lệch xoắn), đ!ợc chế tạo theo ph!ơng pháp đặc biệt đ!ợc gọi râu đơn tinh thể Loại có đ!ờng kính nhỏ, chiều dài lớn đ!ợc coi cốt sợi lý t!ởng cho compozit với độ bền thực tế gần đạt đến độ bền lý thuyết, nh!ng đắt Râu đơn tinh thể hợp chất vô SiC, Al2O3, BeO đ!ợc !a chuộng kim loại nguyên chất phản ứng với Râu đơn tinh thể SiC có b = 20000MPa, BeO - 6900MPa 303 [...]... 295 296 d Gạch chịu lửa Vật liệu chịu lửa (refractories) là loại vật liệu để xây lắp các lò (luyện kim, thủy tinh, hơi, nung kim loại, nhiệt luyện ) và thiết bị công nghiệp làm việc ở nhiệt độ cao Theo quy !ớc chung một vật liệu đ!ợc coi là vật liệu chịu lửa khi nó có độ chịu lửa lớn hơn 520oC, tức nhiệt độ tại đó khối vật liệu hình chóp với kích th!ớc quy định bị đánh gục Vật liệu chịu lửa trên thị... và đ!ờng cao tốc 7.5 Vật liệu cốt sợi cho compozit 7.5. Vật liệu cacbon và sợi cacbon Cacbon là vật liệu đơn nguyên tố quan trọng nhất ở dạng cấu trúc (thù hình) kim c!ơng, grafit Kim c!ơng nhân tạo đ!ợc dùng làm vật liệu cắt, mài, đ!ợc chế tạo bằng cách nén grafit ở áp suất và nhiệt độ rất cao mà ứng dụng của nó đ# đ!ợc trình bày ở ch!ơng tr!ớc (mục 6.4.2b) ở đây chỉ nói về vật liệu cacbon kết cấu... ôxyt khác để điều chỉnh các tính chất điện từ c Gốm trên cơ sở Fe2O3 và ôxyt kim loại nặng Gốm trên cơ sở Fe2O3 và các ôxyt kim loại nặng khác thuộc nhóm Fe tạo ra các vật liệu bán dẫn và vật liệu từ MeO.Fe2O3 (trong đó Me có thể là Mn, Zn, Ni, Mg, Co, Cu, Cd, Ti ) đ!ợc gọi là ferit từ hay đơn giản là ferit, thuộc loại vật liệu từ mềm, đ!ợc dùng rất nhiều trong kỹ thuật điện tần số cao do có điện trở... nên dễ dàng hơn nên độ nhớt giảm đi 7.2 Gốm và vật liệu chịu lửa 7.2. Bản chất và phân loại Gốm là vật liệu nhân tạo có sớm nhất trong lịch sử loài ng!ời Khởi đầu khái niệm gốm đ!ợc dùng để chỉ vật liệu chế tạo từ đất sét, cao lanh (gốm đất nung) Về sau, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, khái niệm này đ!ợc mở rộng và bao gồm thêm đồ sứ, các vật liệu trên cơ sở ôxyt (ví dụ gốm Al2O3) và các... Bản chất Ngoài các ph!ơng pháp chế tạo đ# trình bày, các vật liệu vô cơ đa pha có thể đ!ợc chế tạo bằng ph!ơng pháp khác (ngoài thiêu kết bột và nấu chảy), đó là ph!ơng pháp kết dính các thành phần vật liệu rắn với nhau ở nhiệt độ th!ờng nhờ chất dính kết Đây là nguyên lý chế tạo bêtông, loại vật liệu xây dựng quan trọng hàng đầu, nh! sau: các cốt liệu rắn (sỏi, cát) với ximăng poclan và n!ớc là chất... toàn bộ là tổ chức một pha Chúng bao gồm các loại sau Gốm corindon (Al2O3 ở dạng thù hình ) với nhiệt độ sử dụng khoảng 900oC đ!ợc dùng làm chén, nồi nấu kim loại với độ cứng HB 2000 đ!ợc dùng làm vật liệu cắt, hạt mài, thậm chí cấy ghép vào x!ơng Gốm pericla (MgO) với nhiệt độ sử dụng cao tới 2400oC và có tính kiềm (badơ) đ!ợc dùng làm nồi nấu chảy kim loại bền với muối clorit và fluorit nóng chảy... (SiC) có nhiệt độ nóng chảy cao 2300 ữ 2500oC cũng có thể tạo nên vật liệu chịu lửa (bằng ph!ơng pháp thiêu kết bột) có những ứng dụng nhất định 7.3 Thủy tinh và gốm thủy tinh 7.3. Bản chất và phân loại Về mặt bản chất, có thể phân biệt thủy tinh với gốm và vật liệu chịu lửa ở: - thủy tinh có cấu trúc hoàn toàn là vô định hình, là vật liệu một pha đồng nhất (trong khi đó ở gốm phần lớn là tinh thể),... tích rõ rệt, khác với vật liệu tinh thể có sự thay đổi đột ngột nh! biểu thị ở hình 7.4 Trong khi vật liệu tinh thể có nhiệt độ kết tinh (nóng chảy) Ts xác định ứng với thay đổi đột ngột về thể tích, thì khi làm nguội, thủy tinh ngày một nhớt (sệt) hơn và thể tích giảm đi liên tục, tại điểm từ đó tốc độ bắt đầu giảm chậm hơn đ!ợc gọi là nhiệt độ thủy tinh hóa Tg D!ới nhiệt độ này vật liệu đ!ợc coi là thủy... một số kim loại để có thể tạo ra xỉ kiềm (CaO), khử tạp chất có hại và cũng đ!ợc dùng trong một số lò khác Nh! vậy về công dụng các gạch chịu lửa không có sự khác nhau lớn về độ chịu lửa mà chủ yếu là ở môi tr!ờng làm việc (axit, kiềm hay trung tính) e Vật liệu chịu lửa khác Đó là loại không sản xuất theo ph!ơng pháp gốm mà dùng cách nấu chảy hay vẫn dùng cách thiêu kết bột nh! gốm nh!ng nguyên liệu. .. tiến tạo mầm ký sinh (dị thể) cho quá trình kết tinh của các hợp chất hyđrat của ximăng Nhiều tài liệu coi bêtông là một loại compozit, để liên tục, khảo sát luôn ở đây Cốt liệu của bêtông th!ờng đ!ợc sử dụng là cát, sỏi, đá vôi, đá granit (có khối l!ợng riêng cỡ 2 ữ 3g/cm3), để có bêtông nhẹ cốt liệu phải là loại xốp, có khối l!ợng riêng thấp (~ g/cm3) nh! xỉ lò cao, đá xốp thiên nhiên hay dùng phụ ... có chất hóa học khác nhau: kim loại kim, nên có liên kết cấu trúc phức tạp khác với kim loại Khác với kim loại (chủ yếu có liên kết kim loại) , ceramic liên kết kim loại mà kết hợp liên kết ion... lửa Vật liệu chịu lửa (refractories) loại vật liệu để xây lắp lò (luyện kim, thủy tinh, hơi, nung kim loại, nhiệt luyện ) thiết bị công nghiệp làm việc nhiệt độ cao Theo quy !ớc chung vật liệu. .. 7.5 Vật liệu cốt sợi cho compozit 7.5. Vật liệu cacbon sợi cacbon Cacbon vật liệu đơn nguyên tố quan trọng dạng cấu trúc (thù hình) kim c!ơng, grafit Kim c!ơng nhân tạo đ!ợc dùng làm vật liệu