tổng quan về gốm và gốm cordirite

Mở đầu Công nghiệp gốm sứ ngành cổ truyền phát triển sớm Từ 9000 năm trước công nguyên vật liệu gốm người biết đến sử dụng Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật, vật liệu gốm ngày sử dụng rộng rãi, đặc biệt đời nhiều loại gốm với nhiều đặc tính ưu việt trở thành đề tài nhiều nhà khoa học giới nước quan tâm nghiên cứu Gốm Anorthite Al2O3.CaO.2SiO2 với đặc tính trội khả chịu nhiệt lớn, độ giãn nở nhiệt nhỏ, chịu mài mòn số điện môi ổn định… Với đặc tính gốm Anorthite sử dụng làm vật liệu nền, vật liệu chịu nhiệt ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghệ như: công nghệ xây dựng, điện tử, luyện kim… Do vậy, việc nghiên cứu tổng hợp gốm Anorthite góp phần vào phát triển ngành công nghệ vật liệu gốm Chương 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu chung vật liệu gốm Gốm loại vật liệu có cấu trúc tinh thể bao gồm hợp chất kim loại kim: kim loại với oxi (các oxit), kim loại với nitơ (các nitrua), kim loại với cacbon (các cacbua), kim loại với silic (các silixua), kim loại với lưu huỳnh (các sunfua)… Liên kết chủ yếu vật liệu gốm liên kết ion, nhiên có trường hợp liên kết cộng hóa trị đóng vai trò Vật liệu gốm có nhiều đặc tính quí cơ, nhiệt, điện, từ, quang… đóng vai trò quan trọng hầu hết ngành công nghiệp Về đặc tính cơ, vật liệu gốm có độ rắn cao nên dùng làm vật liệu mài, vật liệu giá đỡ… Về đặc tính nhiệt, vật liệu gốm có nhiệt độ nóng chảy cao, đặc biệt hệ số giãn nở nhiệt thấp nên dùng làm thiết bị đòi hỏi có độ bền nhiệt, chịu xung nhiệt lớn (lót lò, bọc tàu vũ trụ…) Về đặc tính điện, độ dẫn điện vật liệu gốm thay đổi phạm vi rộng từ 10 Ω-1.cm-1 đến 10-12 Ω-1.cm-1 Có loại vật liệu gốm phần tử dẫn điện electron kim loại, có loại vật liệu gốm ion đóng vai trò phần tử dẫn điện Do ta tổng hợp nhiều loại vật liệu gốm kĩ thuật khác gốm cách điện, gốm bán dẫn, gốm siêu dẫn điện… Đặc tính từ vật liệu gốm đa dạng Ta tổng hợp gốm nghịch từ, gốm thuận từ, gốm sắt từ, gốm phản sắt từ với độ từ cảm thay đổi từ đến 10 phụ thuộc đa dạng vào nhiệt độ từ trường Về đặc tính quang, ta tổng hợp loại vật liệu có tính chất quang học khác vật liệu phát quang tác dụng dòng điện (chất điện phát quang), vật liệu phát quang tác dụng ánh sáng (chất lân quang) loại gốm sử dụng thiết bị phát tia laze Vật liệu gốm góp phần đặc biệt quan trọng phát triển ngành khoa học kỹ thuật công nghiệp cuối kỉ XX công nghệ vật liệu xây dựng, công nghệ chế tạo máy, giao thông vận tải, công nghệ thông tin, kỹ thuật điện, từ, quang, công nghệ chinh phục vũ trụ… 1.2 Giới thiệu chung hệ bậc ba CaO-Al2O3-SiO2 1.2.1 Khái quát oxit hệ 1.2.1.1 Canxi oxit (CaO) Canxi oxit chất rắn màu trắng, dạng tinh thể lập phương tâm mặt Về mặt hóa học canxi oxit oxit bazơ, bị kim loại kiềm, nhôm, silic khử kim loại Canxi oxit chủ yếu điều chế từ canxi cacbonat (CaCO 3) cách phân hủy nhiệt khoảng 9000C CaCO3  900  → CaO + CO2 1.2.1.2 Silic oxit (SiO2) Ở điều kiện thường, SiO2 thường tồn dạng thù hình : thạch anh, tridimit cristobalit Mỗi dạng thù hình lại có hai dạng : dạng α bền nhiệt độ thấp dạng β bền nhiệt độ cao Tất dạng tinh thể bao gồm nhóm tứ diện SiO nối với qua nguyên tử oxi chung Trong tứ diện SiO , nguyên tử Si nằm tâm tứ diện liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử oxi nằm đỉnh tứ diện Ở nhiệt độ thường có thạch anh α bền tinh thể khác giả bền Thạch anh nóng chảy 1600-1670 0C nhiệt độ nóng chảy xác định xác biến hóa phần sang dạng đa hình khác với tỉ lệ khác tùy theo điều kiện bên Về mặt hóa học SiO2 trơ, không tác dụng với oxi, clo, brom axit kể đun nóng Nó tác dụng với flo HF điều kiện thường 1.2.1.3 Nhôm oxit Nhôm oxit chất màu trắng, không tan nước dung môi hữu không phân cực; oxit lưỡng tính- hòa tan axit vô cơ, dung dịch kiềm Nhiệt độ nóng chảy khoảng 2000°C Có số phối trí Trong dạng thù hình có dạng quan trọng α, β, γ α−Al2O3 dạng thù hình bền vững nhất, loại có tên corun, tinh thể corun gồm phân mạng xếp khít lục phương ion oxi Cation Al3+ chiếm 2/3 hốc bát diện, hốc T+ T− bỏ trống 1.2.2 Khái quát gốm hệ CaO-Al2O3-SiO2 Giản đồ pha hệ CaO-Al2O3-SiO2 minh họa hình bên dưới: Tồn số hệ bậc hai hệ bâc ba CaO-Al 2O3-SiO2 Mullite (3Al2O3.2SiO2), Wollastonite (CaO.SiO2) Grossite (CaO.2Al2O3) hợp chất bậc ba CaO-Al2O3-SiO2 gồm Gehlenite (2CaO.Al2O3.SiO2) Anorthite (CaO.Al2O3.2SiO2) Nhiệt độ nóng chảy SiO2 tinh khiết 1723°C, với CaO 2570°C Al2O3 2020°C Có hòa tan lẫn tồn giai đoạn kết tinh ion Ca+2, Al +3 Si +4 đủ khác kích thước để ngăn chặn thay ion cho mạng tinh thể Vùng kết tinh Anorthite đặt giản đồ pha hệ bậc ba khu vực Anorthite bao quanh mullite, tridymite, alumina, gehlenite calcium silicate Anorthite nóng chảy 1553°C tương ứng với thành phần % khối lượng sau: 20.1% CaO; 36,7% Al2O3 43,2% SiO2 1.3 Giới thiệu vật liệu gốm Anorthite 1.3.1 Cấu trúc Anorthite Anorthite có công thức chung CaO.Al2O3.2SiO2 hay CaAl2O8 Theo lý thuyết gồm: CaO 21.1%; Al2O3 36.7% SiO2 43.2% khối lượng Anorthite thuộc họ Fenspat, hệ tinh thể đối xứng tam tà Anorthite thuộc hệ tinh thể tam tà, có thông số mạng a=0.81730 nm, b=1.28690 nm, c=1.41 nm, α=93.113, β=115.913, γ =91.261, Z=8 Cấu trúc mạng lưới tinh thể Anorthite gồm tứ diện (Si,Al)-O với ion Ca 2+ chiếm giữ lỗ trống Tại vị trí lỗ trống tứ diện nửa tứ diện chiếm đóng ion Al 3+ 1.3.2 Tính chất gốm Anorthite Độ Mẫu gốm cứng Trọng Khối lượng riêng xạ 6-6.5 2.55-2.67 Hằng số nhiệt điện môi ε gam °C 1Hz 158.08 1556 6.2 Chỉ số khúc lượng Morh g/cm3 Anorthite Bền 1.575-1.591 phân tử 1.5 Nguyên liệu sản xuất gốm Anorthite phương pháp truyền thống Người ta chia làm loại Nguyên liệu dẻo: loại cao lanh đất sét, chúng tạo điều kiện cho phối liệu dẻo Trong mỏ cao lanh, đất sét khoáng caolinit có công thức hoá học Al2O3.2SiO2.2H2O chiếm thành phần chủ yếu Nguyên liệu không dẻo hay nguyên liệu đầy có tác dụng làm giảm co ngót, tạo điều kiện để chống nứt sấy nung đồng thời giảm khả tảo hình Ngoài nguyên liêu đầy đóng vai trò quan trọng việc hình thành tính chất gốm Nguyên liệu đầy điển thạch anh, corundon α-Al2O3, đất sét nung… Chất trợ dung: chức tạo pha lỏng nung- điều kiện thúc đẩy nhanh trình kết khối Điển hình cho loại tràng thạch alkali hay nguyên liệu chứa oxyt kiềm thổ 1.4 Các phương pháp tổng hợp gốm 1.4.1 Phương pháp điều chế gốm truyền thống Có thể mô tả phương pháp gốm truyền thống theo dạng sơ đồ sau: Chuẩn bị Phối liệu Nghiền Trộn Ép viên Nung Sản phẩm Hình 1.1 Phương pháp gốm truyền thống để sản xuất vật liệu gốm Trong sơ đồ: Giai đoạn chuẩn bị phối liệu: tính toán thành phần nguyêu liệu ban đầu (đi từ ôxit, hiđroxit, muối vô ) cho đạt tỷ lệ hợp thức sản phẩm muốn điều chế Giai đoạn nghiền, trộn: nghiền mịn nguyên liệu để tăng diện tích tiếp xúc chất phản ứng khuyếch tán đồng chất hỗn hợp Khi nghiền ta cho lượng dung môi vào cho dễ nghiền Phải chọn loại dung môi để trình nghiền dễ thoát khỏi phối liệu ( dùng rượu etylic, axeton… ) Giai đoạn ép viên: nhằm tăng độ tiếp xúc chất phản ứng Kích thước độ dày viên mẫu tùy thuộc vào khuôn mức độ dẫn nhiệt phối liệu Áp lực nén tùy thuộc vào điều kiện thiết bị đạt tới vài tấn/cm Dùng thiết bị nén tới hàng trăm viên phối liệu chứa khoảng 20% thể tích lỗ xốp mao quản Để thu mẫu phối liệu có độ xốp thấp cần phải sử dụng phương pháp nén nóng (tức vừa nén vừa gia nhiệt) Việc tác động đồng thời nhiệt độ áp suất đòi hỏi phải có thời gian để thu mẫu phối liệu có độ đặc cao Giai đoạn nung: thực phản ứng pha rắn công đoạn xem quan trọng Phản ứng pha rắn thực hoàn toàn, nghĩa sản phẩm có mặt chất ban đầu chưa phản ứng hết nên thường phải tiến hành nghiền trộn lại ép viên, nung lại lần hai Đôi lúc phải tiến hành nung vài lần Bên cạnh phương pháp tổng hợp trình bày có số phương pháp tổng hợp khác như: đồng kết tủa, phân tán pha lỏng lỏng, sol-gel, kết tinh từ dung dịch, điện hoá, tự bốc cháy, thủy nhiệt … ... đặc tính quang, ta tổng hợp loại vật liệu có tính chất quang học khác vật liệu phát quang tác dụng dòng điện (chất điện phát quang), vật liệu phát quang tác dụng ánh sáng (chất lân quang) loại... vai trò phần tử dẫn điện Do ta tổng hợp nhiều loại vật liệu gốm kĩ thuật khác gốm cách điện, gốm bán dẫn, gốm siêu dẫn điện… Đặc tính từ vật liệu gốm đa dạng Ta tổng hợp gốm nghịch từ, gốm thuận...Vật liệu gốm có nhiều đặc tính quí cơ, nhiệt, điện, từ, quang… đóng vai trò quan trọng hầu hết ngành công nghiệp Về đặc tính cơ, vật liệu gốm có độ rắn cao nên dùng