đề tài gốm thủy tinh

Cấu trúc vi mô gốm thủy tinh gồm các tinh thể nhỏ mịn, phát triển đồng đều trong toàn khối, hầu như không có lỗ xốp : Sự sắp xếp trong cấu trúc của một phân tử gốm thủy tinh Gốm thủy t

ĐỀ TÀI

GỐM THỦY TINH

Mục lục

Trang

I Sơ lượt về gốm thủy tinh

1 Khái niệm 3

2 Lịch sử phát triển 3

4 Những hệ gốm thủy tinh phổ biến 4

3 Tính chất của vật liệu gốm thủy tinh 4

II Quá trình kết tinh của thủy tinh 1.Quá trình tự kết tinh 5

2.Quá trình kết tinh định hướng 7

III.Các phương pháp điều chế gốm thủy tinh 1.Phương pháp thông thường (hai giai đoạn) 8

2 Phương pháp cải tiến (một giai đoạn) .9

V Ưu, nhược điểm 1 Ưu điểm 11

2 Nhược điểm 12

IV Ứng dụng 1.Trong y tế 12

2.Trong gia dụng 13

3 Trong xây dựng 14

4 Trong vũ trụ 15

I SƠ LƯỢC VỀ GỐM THỦY TINH:

1 Khái niệm :

Một loại vật liệu có các tính chất ưu việt của cả gốm và thủy tinh, có thành phần hóa học gần như thủy tinh nhưng về mặt cấu trúc thì khác với thủy tinh và giống gốm Nếu như thủy tinh có cấu trúc vô định hình thì gốm thủy tinh có cấu trúc kết hợp giữa tinh thể và vô định hình Cấu trúc vi mô gốm thủy tinh gồm các tinh thể nhỏ mịn, phát triển đồng đều trong toàn khối, hầu như không có lỗ xốp :

Sự sắp xếp trong cấu trúc của một phân tử gốm thủy tinh

Gốm thủy tinh là những vật liệu đa tinh thể được hình thành từ những thành phần thích hợp được nhiệt luyện và điều chỉnh quá trình kết tinh Thường trong gốm thủy tinh tồn tại 50%-95% thể tích là những tinh thể, còn lại là phần thủy tinh còn dư, một hoặc nhiều hơn những pha tinh thể có thể được tạo thành trong quá trình nhiệt luyện, thành phần của chúng khác với thủy tinh cho trước

2 Lịch sử phát triển:

Gốm thủy tinh được tình cờ phát hiện vào năm 1953 bởi Stanley Donald

Stookey Khi đó ông đang nghiên cứu tại công ty Corning Glass Works về sản phẩm pin lithium Ông tạo ra thủy tinh có chứa các phân tử kết tinh bạc Sau đó, vô tình đưa sản phẩm này tiếp xúc với ngọn lửa 600°C, thay vì thủy tinh bị chảy ra, Stanley lại thấy miếng thủy tinh vẫn không thay đổi về hình dạng Khi làm rơi, miếng thủy tinh không bị vỡ Stanley rất ngạc nhiên bởi độ bền của vật liệu mới tìm thấy và sau đó ông đã giới thiệu ra thị trường loại gốm thủy tinh đầu tiên mang tên fotoceram Sau

đó, gốm thủy tinh được rất nhiều nhà sản xuất khác nhau trên thế giới nghiên cứu chế tạo như hãng Corning Ware – sản xuất nồi và chén đĩa gốm thủy tinh, hãng Schott’s

Ceran – sản xuất mặt bếp các loại, hãng Nippon Electric Glass – sản xuất gốm thủy tinh dùng trong y tế và xây dựng…

Theo thống kê, đến năm 2012 có gần 4.000 sáng chế liên quan đến gốm thủy tinh trên thế giới Nhật Bản có số lượng đăng đăng ký sáng chế dẫn đầu với 1.108 sáng chế Tổ chức sáng chế châu Âu đứng thứ hai với 793 sáng chế và Trung Quốc đứng thứ ba với 670 sáng chế Số lượng sáng chế về gốm thủy tinh phát triển mạnh trong vòng 10 năm gần đây Công ty đứng đầu về số lượng đăng ký sáng chế là

Kyocera corp – Nhật với 199 sáng chế

Tại Việt Nam, các nhà khoa học thuộc Bộ môn Silicat, Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã sản xuất thành công vật liệu gốm thủy tinh

y sinh dùng cấy ghép vĩnh viễn, thay thế xương trong chỉnh hình y tế, có độ bền tương đương với xương người

Khoa công nghệ vật liệu, Trường đại học bách khoa TP.HCM đã tiến hành nghiên cứu khả năng kết tinh của gốm thủy tinh lithium disilicate

3 Những hệ gốm thủy tinh phổ biến :

Li2O-SiO2, Li2O-SiO2-Al2O3, MgO- Li2O-SiO2…

4 Tính chất của vật liệu gốm thủy tinh :

- Điều chỉnh thành phần có tính chất mong muốn như: hệ số giãn nở nhiệt, độ co giãn…

- Có tính chất của gốm: giòn, dễ vỡ, bền cơ ở nhiệt độ cao, bền nhiệt

- Có tính chất của thủy tinh: giòn, độ chắc cao, bền trong môi trường oxi hóa khử, không khí

Sự kết tinh hay hoá mờ của thuỷ tinh để tạo thành gốm thuỷ tinh là một sự biến

đổi hỗn tạp và gồm hai giai đoạn: giai đoạn tạo mầm và giai đoạn mầm phát triển

thành tinh thể Trong giai đoạn tạo mầm nhỏ, thể tích ổn định của pha sản phẩm (tinh

thể) được tạo thành, thường tại các vị trí ưu tiên trong thuỷ tinh ban đầu Những vị trí được ưu tiên là các mặt tiếp xúc bên trong thuỷ tinh ban đầu hoặc bề mặt tự do

Căn cứ vào cơ chế tạo mầm có thể chia làm hai loại kết tinh:

•Kết tinh tự phát hay tự kết tinh

•Kết tinh cưỡng bức hay kết tinh định hướng

1 Quá trình tự kết tinh :

Quá trình tự kết tinh xảy ra kèm theo hiệu ứng toả nhiệt do đó sau khi kết tinh hệ trở nên bền vững hơn Trong quá trình này mầm tinh thể được tạo thành do bản thân chuyển đổi nội tại của hệ tạo thuỷ tinh từ trạng thái ít ổn định nhiệt động về trạng thái

ổn định hơn

Khả năng kết tinh được xác định, đánh giá, và khảo sát thông qua hai dữ kiện: tốc độ tạo mầm (Vtm) và tốc độ phát triển tinh thể (Vft) ứng với hai giai đoạn tạo mầm

và phát triển mầm

Với một hệ cho trước, khi làm lạnh nếu ta xét đến khả năng kết tinh nghĩa là xét đến tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển tinh thể của nó ta sẽ thấy có 5 trường hợp có

thể xảy ra như sau:

Vtm

Vft

Vtm

Vft

Vtm

Vft

Vft

Vtm

t0C

Trường hợp 1: Cực đại tạo mầm nằm

ở nhiệt độ cao hơn cực đại phát triển tinh thể Khi làm lạnh hệ này sẽ thường

bị kết tinh dù tốc độ làm lạnh lớn bao nhiêu cũng vậy.

Trường hợp 2: Ngược lại , luôn cho

thủy tinh vì trong vùng nhiệt độ có khả năng tạo mầm thì tốc độ phát triển tinh thể đã ~ 0 Trong thực tế hay gặp hai vùng nhiệt độ tạo mầm và phát triển tinh thể phủ nhau ( trường hợp 3,4,5).

Trường hợp 3: Khi làm lạnh chậm sẽ

có các tinh thể nhỏ mịn Nếu làm lạnh nhanh trong vùng nhiệt độ tạo mầm không đủ mầm nên xuất hiện trong thủy tinh một ít tinh thể riêng biệt.

Trường hợp 4: Khi làm lạnh nhanh hệ

sẽ tạo thủy tinh Vì khả năng tạo mầm xảy ra khi Vft đã quá bé Nếu làm lạnh chậm thì trong thủy tinh sẽ có một lượng nhỏ tinh thể

Trường hợp 5: Khi làm lạnh nhanh sẽ

tạo các tinh thể thô Nếu làm lạnh chậm lượng mầm xuất hiện đáng kể chịu V

ft bé, không đủ thời gian và vật chất để phát triển nên cho các tinh thể nhỏ mịn.

Ngoài ra, quá trình ngược lại-quá trình đốt nóng thủy tinh và sự kết tinh cũng rất quan trọng Khi đốt nóng (chiều ngược lại với làm lạnh) nếu giữ hệ lâu ở nhiệt độ tạo mầm cực đại sẽ xuất hiện một lượng mầm đáng kể mà khi đốt nóng tiếp lên nhiệt độ

có vận tốc phát triển cực đại sẽ cho nhiều tinh thể nhỏ mịn Ngược lại nếu đốt nóng qua vùng nhiệt độ tạo mầm nhanh sẽ xuất hiện các tinh thể thô

2 Quá trình kết tinh định hướng :

Khi quá trình tự kết tinh xảy ra thường sẽ thu được sản phẩm gốm thuỷ tinh có những tính chất không mong muốn do các tinh thể hình thành định hướng tự do, do đó hầu hết các tính chất của thuỷ tinh đều giảm

Để tiến hành làm đục mờ thuỷ tinh trong điều kiện có kiểm tra cần phải tạo một nồng độ mầm tinh thể cao (1012-1015 mầm/cm3) và phân bố thật đồng đều trong toàn

bộ khối mẫu Điều quan trọng là loại bỏ sự kết tinh của một số mầm trên bề mặt Ta

có thể tạo mầm tinh thể bằng một số phương pháp như sau :

Chuẩn bị một dung dịch keo của các kim loại như Cu, Ag, Au, Pt đưa vào khối nóng chảy Các phân tử keo đó không hoà tan hoàn toàn do đó có thể dùng làm tâm kết tinh khi tôi thuỷ tinh ở nhiệt độ thấp

Thêm các cấu tử như TiO2, P2O5, ZrO2 vào phối liệu ban đầu để nấu thuỷ tinh Ở nhiệt độ cao các ôxit này hoà tan vào khối chất nóng chảy, nhưng ở nhiệt độ thấp khi tôi thì lắng kết thành kết tủa, biến thành tâm kết tinh

Hai phương pháp trên là sự thực hiện tạo mầm dị thể, chỉ đạt kết quả tốt khi đảm bảo hai yếu tố:

+ Sức căng giữa pha mầm và pha kết tinh phải rất bé

+ Cấu trúc tinh thể của pha mầm và của pha kết tinh phải tương tự nhau, đặc biệt

là giá trị khoảng cách giữa các mặt d với các chỉ số hkl(Miller) bé của hai pha đó gần giống nhau Trong trường hợp này có thể phát triển tinh thể theo kiểu epitaxit nếu kích thước của các tế bào tinh thể mầm và của tinh thể kết tinh khác nhau dưới 15%

Tạo mầm đồng thể bằng cách tôi ở nhiệt độ gần nhiệt độ hoá thuỷ tinh Lúc đó sẽ phát sinh ra mầm tinh thể trong toàn khối thuỷ tinh

Sau giai đoạn tạo mầm ở nhiệt độ gần nhiệt độ hoá thuỷ tinh, khi mà độ nhớt của

hệ khá cao còn tốc độ phát triển của tinh thể nhỏ thì phải đun nóng thuỷ tinh lên nhiệt

độ cao hơn Lúc này độ lớn của thuỷ tinh tăng lên trên bề mặt của mầm Do nồng độ của mầm rất cao nên tinh thể được phân bố đồng đều trong toàn bộ khối thuỷ tinh Mỗi tinh thể lớn lên với tốc độ chậm chạp và va chạm với mầm bên cạnh, làm cho kích thước của tinh thể trong vật liệu có giá trị rất bé (10-7-10-6 m) Nhiệt độ phát triển tinh thể thường cao hơn nhiệt độ tạo mầm

Tạo ra gốm thủy tinh trong PTN tại đại học Jena, Đức

Gốm thủy tinh được điều chế giống thủy tinh nhưng cho thêm mầm kết tinh Gốm thủy tinh thường được tạo ra bằng cách: thoạt đầu theo công nghệ thủy tinh (nấu chảy, tạo hình, cấu trúc vô định hình), sau đó được xử lý nhiệt theo chế độ nhiệt luyện xác định để thực hiện quá trình tạo mầm và kết tinh, tạo nên các vi tinh thể Để tạo mầm phải chọn thủy tinh gốc phù hợp và cho thêm các chất xúc tác tạo mầm như Pt, TiO2, ZrO2, SnO2 Thông thường thì gốm thủy tinh không phải là tinh thể hoàn toàn vi cấu trúc gồm 50% đến 95% tinh thể, phần còn lại là thủy tinh Một hoặc nhiều pha tinh thể có thể được hình thành trong quá trình xử lý nhiệt

1 Phương pháp thông thường (hai giai đoạn) :

Phương pháp thông thường để sản xuất gốm thuỷ tinh là tiến tới làm đục mờ thuỷ tinh bằng hai giai đoạn nhiệt luyện (hình 1):

Hình 1: Hai giai đoạn nhiệt luyện

+ Giai đoạn đầu tiên được thực hiện tại một nhiệt độ nhiệt luyện thấp mà ở đó tốc độ tạo mầm cao (xung quanh TN) Ở đây hình thành một mật độ cao của mầm ở khắp bên trong thuỷ tinh Mật độ cao của mầm là rất quan trọng để kích thích hình thành một lượng lớn tinh thể nhỏ trong cấu trúc của gốm thuỷ tinh

+ Giai đoạn thứ hai là giai đoạn nhiệt luyện ở nhiệt độ cao hơn, xung quanh nhiệt

độ Tg để mầm tinh thể lớn lên ở một tốc độ hợp lý

Thuỷ tinh nguyên liệu có thể được tạo hình trước khi nung kết, thông thường thuỷ tinh được tạo hình bằng các phương pháp như đúc và nặn hoặc những phương pháp đặc biệt khác như ép Sản phẩm thuỷ tinh và sự nhiệt luyện sau đó tiêu tốn nhiều năng lượng do đó thường tốn kém

2 Phương pháp cải tiến (một giai đoạn)

Do nhiệt độ tạo mầm và phát triển mầm thường cách xa nhau và do đó đường cong tốc độ tạo mầm và phát triển mầm cách xa nhau (hình 1) Nếu có một vùng rộng chồng lên nhau của chúng thì ta có thể thực hiện một giai đoạn nhiệt luyện ở nhiệt độ

TNG như ở hình 2:

Hình 1.2: Một giai đoạn nhiệt luyện

Đường cong tốc độ, đặc biệt là đường cong tạo mầm nhạy cảm với thành phần và

do đó bằng cách tối ưu hoá thành phần trong một vài trường hợp có thể nhận được sự xen phủ cần thiết

2.1 Phương pháp petrurgic

Phương pháp này dùng để sản xuất một vài loại gốm thuỷ tinh bằng cách điều chỉnh (thường rất chậm) quá trình làm lạnh của thuỷ tinh nguyên liệu từ trạng thái nóng chảy không qua giai đoạn lưu giữ ở một nhiệt độ trung gian Với phương pháp này, cả sự hình thành mầm và phát triển tinh thể đều có thể giữ cùng một vị trí trong quá trình làm lạnh Phương pháp petrurgic tiết kiệm hơn phương pháp truyền thống về mặt năng lượng

2.2 Phương pháp bột

Việc tạo hình bằng cách ép nguội bột sau đó nhiệt luyện ở nhiệt độ cao tới thiêu kết khối chắc đặc là một con đường thông thường để sản xuất gốm sứ và cũng được sử dụng cho những sản phẩm gốm thuỷ tinh Phương pháp này có những giới hạn trong kích thước và hình dạng của các chi tiết sản xuất, thêm vào đó là chi phí cho việc sản xuất bột Phương pháp này chỉ được sử dụng khi xác định đươc một lợi ích chắc chắn Trong đa số trường hợp chỉ có một chút lợi thế trong việc ép khối và nung kết bột bởi

vì sản phẩm gốm thuỷ tinh đòi hỏi một nhiệt độ nung kết cao nhưng tính chất của thành phẩm cũng không khác đáng kể so với gốm thuỷ tinh làm từ các con đường khác

Thường người ta sử dụng bột thuỷ tinh nguyên liệu, để kết khối theo cơ chế

nhớt và sự kết tinh cùng với tương tác của những quá trình này Nếu sự kết tinh quá nhanh, kết quả là mức độ kết tinh cao sẽ ngăn cản sự nung kết ở nhiệt độ thấp và do

đó dẫn đến một lượng xốp không mong muốn Mặt khác, nếu sự nung kết xảy ra hoàn toàn trước sự kết tinh thì thành phẩm không hứa hẹn có gì khác biệt so với các phương pháp khác Trong một vài trường hợp với một tốc độ thích hợp có thể sản xuất được gốm thuỷ tinh chắc đặc bằng một quá trình kết tụ mà trong đó cả sự kết đặc và kết tinh xảy ra đồng thời ở cùng nhiệt độ Việc tối ưu hoá thành phần và nhiệt độ nung kết có thể dẫn tới những vi cấu trúc khác và thậm chí cả những pha tinh thể khác so với những sản phẩm từ phương pháp truyền thống và do đó có những tính chất khác nhau của sản phẩm Việc sử dụng áp suất hỗ trợ cũng có tác dụng như của nhiệt độ, phương pháp này cho những sản phẩm có độ chắc đặc gần như hoàn toàn, tuy nhiên giá thành đắt và kỹ thuật phức tạp

1 Ưu điểm:

Nhờ kiểm soát được thành phần và sự kết tinh (qua quá trình phản ứng thủy tinh hóa - devitrification) người ta có thể tạo nên các pha tinh thể khác nhau về

tỷ lệ, kích thước, hình dạng và sự phân bố khác nhau, nhờ đó gốm thủy tinh có tính chất đa dạng phù hợp với nhiều yêu cầu khác nhau.

Gốm thủy tinh có độ bền cao hơn thủy tinh đối với các lực va đập và lực biến dạng, nếu ống thủy tinh thường có độ bền gãy là 210 - 700 kg/cm2 thì gốm thủy tinh với hình dạng và kích thước tương đương có độ bền gãy là 2.800 -4.200 kg/cm2

Gốm thủy tinh có độ bền mài mòn, tính bền nhiệt cao hơn nhiều so với thủy tinh thường (có thể chịu nhiệt lên đến 1400oC).

Ví dụ: nhiều oxit thủy tinh sẽ nóng chảy ở 600-700oC, còn vật liệu gốm thủy tinh có thành phần như vòn vật liệu gốm thủy tinh có thành phần như vậythì ở 1000-2000oC vẫn giữ được độ bền nhiệt cơ và độ rắn Ngoài ra gốm thủy tinh còn cách nhiệt rất tốt.

Do có tính chất điện từ đặc biệt hay có tính sinh học nên dễ cấy ghép vào

tế bào xương, cơ của cơ thể sống Ứng dụng trong y tế làm vật liệu thay cho răng và xương: còn được gọi là gốm thủy tinh y sinh Đây là loại vật liệu có tính chất sinh học cao so với vật liệu y sinh truyền thống (titan, hợp kim đặc biệt, vật liệu các bon, silicon ) Gốm thủy tinh y sinh có khả năng liên kết sinh hóa với

tế bào sống, giúp cho các tế bào sau khi bị thương tổn tiếp tục tái sinh và liên kết trực tiếp với bề mặt của vật cấy.

Do có hệ số giãn nở nhiệt rất nhỏ, có sức bền, chịu mài mòn, dễ tạo hình bằng gia công cơ khí; hoặc có những đặc điểm về mặt thẩm mỹ như có thể chế tạo trong suốt hoặc không trong suốt, chi phí sản xuất thấp và kỹ thuật đơn giản, nên gốm thủy tinh được sử dụng để sản xuất đồ gia dụng chất lượng cao Nhờ

có khả năng chịu sốc nhiệt cao nên gốm thủy tinh được sử dụng làm nồi nấu,chén bát,bếp nấu là chủ yếu Ngoài ra, gốm thủy tinh còn được sử dụng để làm mặt bếp từ, bếp điện Dùng gốm thủy tinh không chỉ tăng tính thẩm mỹ cho bếp mà còn chống trầy xước, chống sốc nhiệt, giúp bếp được bền dài lâu.

2 Về nhược điểm:

Bên cạnh những ưu điểm vượt bậc và có chất lượng cao hơn hẳn những vật liệu thủy tinh thông thừng mà gốm thủy tinh mang lại, thì vật liệu này còn 1 số nhược điểm cần nhắc đến Đó là, các sản phẩm từ gốm thủy tinh (như nồi, chảo, bếp nấu, chén…v.v ) khá nặng, cồng kềnh và đặc biệt dễ nứt, vỡ nếu bị làm rơi,

nó cũng có thể làm nứt sàn nhà nếu rơi xuống.

1.Trong y tế:

Làm vật liệu thay cho răng và xương, còn được gọi là gốm thủy tinh y sinh Đây

là vật liệu có tính chất sinh học cao so với vật liệu y sinh truyền thống ( titan, hợp kim đặc biệt, vật liệu cacbon, silicon …) Ở nước ta, các nhà khoa học thuộc Bộ môn Silicat, Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã sản xuất thành công vật liệu gốm thủy tinh y sinh dùng cấy ghép vĩnh viễn, thay thế xương trong chỉnh hình y tế, có độ bền tương đương với xương người

Khoa công nghệ vật liệu, Trường đại học bách khoa TP.HCM đã tiến hành nghiên cứu khả năng kết tinh của gốm thủy tinh lithium disilicate Đây là loại gốm thủy tinh mới phát triển trong lĩnh vực nha khoa, có cấu trúc tinh thể dạng tấm lớp hoặc hình que đan xen cài lẫn nhau, có độ bền uốn rất cao, có độ trong mờ cao, có khả năng tự bóng

bề mặt khi nung, đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật và thẩm mỹ, tính tương thích sinh học cao… Trong công nghệ phục hình răng, có thể tạo hình nhanh chóng gốm thủy tinh lithium disilicate bằng phương pháp ép nóng và kỹ thuật CAD- CAM hiện đại, nên có ưu thế vượt trội hơn các vật liệu từ sứ tràng thạch đang phổ biến hiện nay