Nghiên cứu về Vật liệu gốm

I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA GỐM VIỆT NAM Nghề làm gốm trong nghề truyền thống lâu đời Việt Nam Kết khảo cổ học viết đồ gốm người việt chế tác, sử dụng cách khoảng 10.000 năm Trải qua năm tháng, gốm sứ không đồ dùng thủ công phục vụ nhu cầu thiết yếu đời sống người: chén, nồi, ấm, đĩa mà thế, gốm sứ trở thành nét đẹp hồn dân tộc, trở thành vẻ đẹp riêng, niềm tự hào riêng nói lên cốt cách, tâm hồn đất nước Để làm đồ gốm người thợ gốm phải qua khâu chọn, xử lý chế đất, tạo dáng, tạo hoa văn, phủ men cuối nung sản phẩm Kinh nghiệm truyền đời làng gốm Bác Tràng là: ‘nhất xương, nhì da, thứ ba dạc lò’ Người thợ gốm quan niệm vật gốm không khác thể sống, vũ trụ thu nhỏ có kết hợp hài hòa ngũ hành là: kim, mộc, thủy, hỏa, thổ Sự phát triển nghề xem hành thông ngũ hành mà hành thông ngũ hành lại nằm trình lao động sáng tạo với trình kĩ thuật chặt chẽ, xác Sau đây, xin nêu vài nét khát quát có mặt gốm qua trình phát triển lịch sử đất nước: Thời tiền sử: sản phẩm đất nung phát cho thấy giai đoạn đầu thường thô có pha lẫn cát tạp chất khác, nặn tay, hoa văn đơn giản phía vạch chéo, vân sóng, vân chải lược Các hoa văn tạo sản phẩm ướt, số tạo bàn dập dùng que nhọn để vẽ, vạch Các nhà chuyên môn cho suốt thời gian dài, từ lúc phát minh đồ gốm tới đầu thời kỳ đồ đồng, phần lớn gốm hình thành bàn tay phụ nữ (vân tay để lại sản phẩm cho thấy điều đó); nung trời, nhiệt độ thường 700ºc Các sản phẩm gốm thời kỳ đồ đựng, đồ đun nấu, cuối ta thấy xuất thêm loại đồ dùng để ăn uống, trang sức Thời kỳ đồ đồng: Ở Việt Nam (cách 4000 năm), hầu hết sản phẩm gốm hình thành bàn xoay cách thành thạo, tạo nên phong phú chủng loại kiểu dáng sản phẩm: sản phẩm đun nấu thấy sản phẩm gốm để chứa đựng, dụng cụ ăn uống, trang sức, công cụ lao động gốm mỹ thuật Về trang trí, gốm đất nung chủ yếu có hoa văn hình hoạ, nét chìm Một số sản phẩm xoa lớp áo nước đất khác màu chưa phải men Các hoa văn trang trí cách tạo dáng gốm giai đoạn có ảnh hưởng đến tạo dáng trang trí đồ đồng thời Thời đại đồ sắt: gốm đất nung sản xuất khắp vùng nước Chất lượng gốm non lửa thô sơ tạo dáng trang trí chưa có thời kỳ đặc sắc phong phú Hiện vật thời kỳ cho thấy nghề gốm gắn bó với nghề nông nam giới đóng vai trò quan trọng trình sản xuất Đến kỷ II trước công nguyên Việt Nam bị rơi vào ách thống trị phong kiến phương Bắc Nghề gốm tiếp tục phát triển vốn kinh nghiệm cổ truyền, có tiếp thu ảnh hưởng gốm Trung Hoa Về chủng loại sản phẩm, xuất thêm loại gốm kiến trúc gạch, ngói Ngoài có tượng động vật nhỏ lợn, bò với kiểu nặn sơ sài Phong cách gốm thời kỳ mang phong cách hán kết hợp hoa văn việt hoa văn hán Nhiều sản phẩm gốm hán khác cải biên theo phong cách Việt Thời Lý - Trần: Thế kỷ X đánh dấu bước ngoặt lịch sử Việt Nam Thời kỳ phục hồi độc lập dân tộc sau mười kỷ đô hộ phong kiến Trung Hoa Suốt bốn kỷ, từ nhà Lý sang nhà Trần, đồ gốm đạt thành tựu rực rỡ Quy mô sản xuất, chủng loại sản phẩm, chất liệu Đều mở rộng Nhiều loại men ứng dụng ổn định công nghệ Đặc biệt men trắng xuất thời kỳ men tro men đất Ba yếu tố tạo nên vẻ đẹp đồ gốm hình dáng, hoa văn trang trí, men màu Sự phát triển kỹ thuật trình độ thẩm mỹ cao tạo nên sản phẩm gốm thời kỳ có ba loại tiếng gốm men trắng ngà chạm đắp nổi, gốm hoa nâu, gốm men ngọc Về tạo dáng gốm Lý - Trần hình mẫu thiên nhiên hoa, cách tạo dáng đồ đồng trước Trang trí gốm Lý - Trần, hoa văn hình học chiếm vị trí phụ Những hoạ tiết hoa lá, chim, thú, người Hoa văn trang trí với cách miêu tả giản dị, mộc mạc gần gũi với thiên nhiên người việt nam Một đặc điểm nét chìm làm "bè" ra, bên rõ cạnh, bên biến dần vào sản phẩm, làm chỗ chảy dồn men, tạo nên độ đậm nhạt cho hoạ tiết gốm men ngọc làm giới hạn để tô nâu Về kỹ thuật, lò nung cho gốm thời Lý - Trần có bước tiến lớn việc sử dụng lò cóc, lò nằm, có lò rồng để nâng nhiệt độ nung cho sản phẩm lên đến 1200ºc – 1280ºc Việc sử dụng bao nung kỹ thuật nung chồng kê (lòng dong) ứng dụng rộng rãi nhiều loại sản phẩm cho thấy đạt trình độ sản xuất gốm cao cấp, gốm men ngọc Nhiều địa phương sản xuất gốm Thanh Hoá, Hà Nội, vùng Nam Định Chứng tỏ hình thành gốm tập trung mang tính chuyên nghiệp Gốm Lý - Trần tạo nên chuyển hoá bước đầu yêu cầu sử dụng với chất liệu Điều thể bước tiến mặt kỹ thuật nghệ thuật, phản ánh tư tưởng lý trình sáng tạo gốm ứng dụng vào đời sống cách tốt đẹp nhất, phù hợp Sau kỷ 14: Nhiều trung tâm sản xuất gốm chuyên môn hoá tiếng Bát Tràng, Thổ Hà, Phù Lãng, Hương Canh, Hàm Rồng, Mỹ Thiện, Phú Vinh Chứng tỏ sức sống mạnh mẽ nghề Nhiều sản phẩm gốm ghi lại địa phương, ngày tháng người sáng tạo Nhiều quốc gia nhập gốm từ Việt Nam, đặc biệt thợ giỏi Nhật Bản bắt chước gốm Việt Nam Tiêu biểu cho kỹ thuật nghệ thuật gốm Việt Nam thời kỳ gốm hoa lam; gốm chạm đắp tinh tế, có sắc riêng Ngoài có loại gốm vẽ men mà người Nhật thời trà đạo ưa chuộng, gọi "hồng an nam" Về kỹ thuật, loại lò rồng cỡ lớn sử dụng rộng rãi, nhiệt độ chế độ nung, điều khiển lửa cách chủ động Loại men tro trấu, tro dùng nhiều Kỹ thuật vẽ hoa đạt tới trình độ thành thục, nét trang trí phóng bút mang nhiều chất hội hoạ Đến thời Gia Long (đầu kỷ XIX), nghề gốm có dấu hiệu xuống dốc việc nhập gốm từ Trung Hoa theo đơn đặt hàng triều đình Huế Một vài sở sản xuất gốm Biên Hoà, Lái Thiêu phát triển loại gốm men lửa trung (thường gọi gốm Biên Hoà) sử dụng rộng rãi địa phương lân cận Đầu kỷ XX, miền Bắc, vài sở nhập thiết bị từ nước nghiên cứu sản xuất đồ sứ, kết không đáng kể Trong năm chiến tranh chống Pháp chống Mỹ, người Việt Nam điều kiện để phát triển nghề thủ công nói chung nghề gốm nói riêng Nghề gốm bị sa sút có lúc tưởng chừng bị nghề Sau ngày đất nước thống nhất, hầu hết nghề thủ công hồi sinh, nghề gốm nghề khôi phục phát triển nhanh Nhiều trung tâm gốm trở lại hoạt động sôi động Bát Tràng, Đông Triều, Phù Lãng, Biên Hoà May mắn thay, lớp nghệ nhân cũ lớp nghệ nhân xuất Sản phẩm gốm Việt Nam từ lâu mặt hàng xuất có giá trị cao hôm mặt hàng lưu niệm thiếu nhiều du khách gần xa II VẬT LIỆU GỐM, GỐM: Khái niệm 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 ( nitrua) kim loại với cabon ( cacbua), kim loại với silic( silisua), kim loại với lưu huỳnh ( sunfua)… liên kết chủ yếu vật liệu gốm liên kết ion nhiên có trường hợp liên kết cộng hóa trị có vai trò chính.Nguyên liệu để sản xuất gốm gồm phần hay tất đất sét haycao lanh Phối liệu để sản xuất gốm tạo hình sản xuất nhiệt độ cao làm cho vật liệu có tính chất lý hóa đặc trưng Từ gốm dùng để sản phẩm làm từ vật liệu gốm III TÍNH CHẤT CHUNG CỦA GỐM: THÀNH PHẦN Thành phần đất sét khoáng alumôsilicát ngậm nước (nAl2O3.mSiO2.pH2O) chúng tạo thành fenspát bị phong hóa Tùy theo điều kiện môi trường mà khoáng tạo có thành phần khác nhau, khoáng caolinit 2SiO2.Al2O3.2H2O khoáng montmôrilonit 4SiO2.Al2O3.nH2O hai khoáng định tính chất quan trọng đất sét độ dẻo, độ co, độ phân tán, khả chịu lửa v.v Ngoài đất sét chứa tạp chất vô hữu thạch anh (SiO2), cacbonat (CaCO3, MgCO3), hợp chất sắt Fe(OH)3, FeS2, tạp chất hữu dạng than bùn Màu sắc đất sét tạp chất vô hữu định TÍNH CHẤT CƠ BẢN Tính chất chủ yếu đất sét tính dẻo đất sét có cấu tạo dạng lớp, có khả trao đổi ion hấp thụ nước nên nhào trộn với nước đất sét bị hidrat hóa tạo thành lớp nước bao quanh tác dụng ngoại lực ác lớp đất sét trượt lên Sự co thể tích nung sấy khô Hiện tượng co thường đôi với tượng nứt, tách, cong vênh Độ co rút tính phần trăm thể tích sau so với thể tích ban đầu khoảng 5-18% Sự thay đổi tính chất hóa lý đất sét sau nung: đất sét gồm nhiều khoáng chất gia nhiệt xảy nhiều trình hóa lý như: nước (lý học), biến đổi thành phần khoáng, biến dổi cấu trúc tinh thể thù hình, tạo pha gây kết khối Do đó, sau nung thành phần khoáng vật liệu gốm mulit 3Al2O3.2SiO2 (A3S2) khoáng làm cho sản phẩm có cường độ cao bền nhiệt TÍNH CHẤT KHÁC Ngoài ra, vật liệu gốm có đặc tính cơ, tính xốp, tính nhiệt, tính từ tính quang, tính điện 3.1 Về đặc tính cơ: vật liệu gốm có độ rắn cao nên dùng làm vật liệu mài, vật liệu giá đỡ 3.2 Về đặc tính xốp: thể khả trương nở thể tích lớn kiểu cấu trúc dạng vảy chồng khít lên nhau, tạo điều kiện cho phân tử nước dễ bám vào khoảng không gian trống làm tăng thể tích lên 16 lần so với ban đầu 3.3 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 ) 3.4 Về đặc tính từ: 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 3.5 Về đặc tính quang: thành phần đất sét có mặt oxit kim loại nhóm II đến nhóm VIB ZnO, Ti2O, BaTi3O… dùng làm chất xúc tác quang hóa 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 3.6 Về đặc tính điện: độ dẫn điện vật liệu gốm thay đổi phạm vi rộng từ 10 Ω-1cm-1 đến 10−12 Ω-1cm-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 kỹ thuật điện khác gốm cách điện, gốm bán dẫn điện, gốm siêu dẫn điện, Tính chất vật liệu gốm phụ thuộc vào thành phần hoá học (độ nguyên chất, lượng loại tạp chất có đó) mà phụ thuộc nhiều vào trạng thái cấu trúc nó: - Đơn tinh thể có cấu trúc lớn - Dạng bột có cấp hạt xác định (nanô, micrô, mili, ) - Dạng sợi có kích thước xác định (micrô, mili, ) - Khối đa tinh thể thiêu kết từ bột - Dạng màng mỏng có độ dày bé cỡ nanô, micrô, mili Ví dụ thành phần hoá học nhôm oxit sản phẩm dạng khối đơn tinh thể α-Al2O3 trơ hoá học, có độ rắn cao dùng làm đá quý (khi có lẫn lượng tạp chất đó), làm kim đĩa hát, làm ổ gối đỡ Nếu sản phẩm dạng vật liệu xốp γ-Al 2O3 có dung tích hấp phụ lớn dùng làm chất mang xúc tác Nếu sản phẩm dạng màng mỏng có độ bền hoá học cao dùng để phủ gốm Nếu sản phẩm dạng sợi dùng làm cốt cách nhiệt cho gốm kim loại Nếu sản phẩm dạng bột α-Al2O3 bột α-Al2O3 tiến hành thiêu kết thành khối IV dùng làm vật liệu cắt gọt, bột mài CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU GỐM: Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, phương pháp cho phép tổng hợp ưu tiên dạng sản phẩm khác (đơn tinh thể có kích thước lớn, bột đa tinh thể có cấp hạt xác định (nanô, micrô, mili), màng mỏng, dạng sợi ) Do xuất phát từ lĩnh vực sử dụng, từ yêu cầu dạng sản phẩm, điều kiện phòng thí nghiệm ta lựa chọn phương pháp thích hợp Vật liệu gốm góp phần đặc biệt quan trọng phát triển ngành khoa học kỹ thuật công nghiệp cuối kỷ 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 Đến lượt mình, nhờ phát triển đặc biệt nhanh chóng khoa học kỹ thuật công nghệ cuối kỷ XX, góp phần cho việc xây dựng nhiều phương pháp tổng hợp nhiều dạng vật liệu có cấu trúc tính chất đặc biệt Có nhiều cách phân loại phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, sau số cách phân loại DỰA VÀO SẢN PHẨM Phân thành: - Tổng hợp vật liệu gốm dạng bột (nanô, micrô, mili, ); - Thiêu kết bột gốm thành linh kiện mong muốn; - Tổng hợp vật liệu gốm dạng màng mỏng; - Tổng hợp vật liệu gốm dạng sợi DỰA VÀO ĐIỀU KIỆN KĨ THUẬT Phân thành: - Phương pháp sử dụng nhiệt độ cao; - Phương pháp tổng hợp áp suất cao; - Phương pháp tổng hợp có sử dụng pha TRONG TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU NÀY Chúng phân thành phương pháp sau: 3.1 Phương pháp gốm truyền thống: Thực phản ứng pha rắn nhiệt độ cao Sản phẩm phương pháp thông thường dạng bột có cấp hạt cỡ milimet Từ sản phẩm tiến hành tạo hình thực trình kết khối thành vật liệu cụ thể Đây phương pháp phát triển lâu đời sang thiên niên kỷ áp dụng rộng rãi 3.2 Các phương pháp precursor: phương pháp dùng thủ thuật hoá học để tăng mức độ tiếp xúc chất phản ứng nhằm tăng tốc độ phản ứng hạ nhiệt độ phản ứng Các phương pháp thường cho sản phẩm gốm dạng bột mịn sản phẩm thu theo phương pháp gốm truyền thống, đạt tới cấp hạt micrô Tuỳ theo mức độ phân tán chất phản ứng phân thành hai phương pháp precursor là: 3.2.1 Phương pháp precursor phân tử: gồm có phương pháp đồng kết tủa phương pháp sol-gel 3.2.2 Phương pháp precursor nguyên tử: gồm có phương pháp đồng tạo phức (phức đa nhân) phương pháp kết tinh tạo dung dịch rắn 3.3 Phương pháp sol-gel: phương pháp thực việc tăng mức độ khuếch tán chất tham gia phản ứng dạng phân tử, sở lí thuyết phương pháp có nhiều nét đặc thù riêng đặc biệt phương pháp tổng hợp vật liệu gốm dạng bột micrô, nanô, màng mỏng, dạng sợi, tách thành phương pháp độc lập 3.4 Phương pháp kết tinh từ pha lỏng đồng thể từ pha thuỷ tinh: Dựa vào giản đồ trạng thái cân pha lỏng pha rắn để kết tinh Phương pháp cho sản phẩm gốm dạng tinh thể lớn (đơn tinh thể đa tinh thể), sản phẩm dạng gốm - thuỷ tinh (GlassCeramics) 3.5 Phương pháp thực phản ứng xâm nhập, phản ứng trao đổi ion cấu trúc mở có sẵn: Đây phương pháp cho phép tổng hợp nhiều hợp chất phần lớn dạng bột 3.6 Phương pháp điện hoá phương pháp hoá học mềm (Soft Chemisty): Các phương pháp điện hoá cho phép tạo vật liệu dạng màng mỏng dạng đơn tinh thể có góc cạnh hoàn chỉnh Sử dụng thủ thuật thực nghiệm đặc biệt hoá học tổng hợp nhiều hợp chất có mức oxi hoá bất thường cấu trúc đặc biệt Sản phẩm phương pháp chủ yếu dạng bột 3.7 Các phương pháp sử dụng áp suất cao phương pháp thuỷ nhiệt: phương pháp cho phép chế tạo chất rắn có kiểu phối trí mới, kiểu liên kết trạng thái oxi hoá bất thường Thực phản ứng nồi hấp cho phép thu đơn tinh thể có kích thước lớn 3.8 Các phương pháp có tham gia pha hơi: phương pháp CVT (Chemical Vapor Transport), phương pháp CVD (Chemical Vapor Decomposition), phương pháp CPE (Chemical Phase Epitaxy), phương pháp MBE (Molecular Beam Epitaxy) cho phép chế tạo nhiều loại vật liệu gốm đa dạng: bột nanô, màng mỏng với bề dày nanô, mircô xen kẽ 3.9 Các phương pháp nuôi đơn tinh thể: phương pháp cho phép chế tạo tinh thể hoàn chỉnh có kích thước lớn với độ nguyên chất cao Hầu hết phương pháp chế tạo vật liệu liên quan đến việc thực phản ứng pha rắn Do đó, trước giới thiệu phương pháp nhận thấy cần thiết phải trình bày số nét lý thuyết phản ứng pha rắn vấn đề nói đến giáo trình hoá vô hoá lý Tài liệu nhằm phục vụ cho nhà hoá học, vật liệu học quan tâm đến vật liệu gốm, đối tượng chủ yếu sinh viên học viên cao học lĩnh vực vật liệu V GỐM DÙNG TRONG KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ, VÔ TUYẾN: Các ngành công nghiệp điện tử toàn cầu không tồn mà đồ gốm Các loại gốm sứ có tính chất điện bao gồm cách điện, bán dẫn, siêu dẫn áp điện quan trọng với sản phẩm điện thoại di động, máy vi tính, truyền hình, sản phẩm điện tử tiêu dùng khác GỐM SỨ CÁCH ĐIỆN 1.1 Khái niệm Sứ vật liệu gốm mịn, không thấm nước, thường có màu trắng học cao, tính ổn ổn định nhiệt hóa học tốt Sứ điện vật liệu sứ cách điện dùng kĩ thuật điên, chủ yếu loại thiết bị cho đường dây truyền tải điện 1.2 Tính chất Cụ thể giai đoạn sau: Thường nghiền trộn phương pháp nghiền ướt máy nghiền bi sử dụng máy nghiền rung để oxit tránh bị nhiễm bẩn, thể tích nước phải đủ để đảm bảo hỗn hợp dạng chảy lỏng, thường 100-200% thể tích bột, thêm vào số phụ gia để có tính chất khác mà mong muốn Thêm vào acceptors dopants tạp lỗ trống oxi ( anion) tạp thành PTZ cứng có số điện áp thấp làm giảm thiệt hại vật liệu, đầu dò siêu âm Thêm vào acceptors dopants tạo lỗ trống kim loại(cation) tạo thành PTZ mềm có số điện áp cap PTZ cứng lại thiệt hại lớn ma sát nội vật liệu, làm thiết bị truyền động, đầu dò viễn thám, điện thấp Ta xử lý nguyên liệu theo quy trình: + Trộn oxit: trộn BaCO3 với TiO2 nhiệt độ khoảng 1100 , kích thước hạt khoảng micromet, sau trình Oxalate giúp dễ điều chỉnh tỉ lệ Ba/Ti, tạo bán tinh thể BT kích thước khoảng 10 micromet + Tiếp tục xử lý Alkoxide: trộn Ba(OH)2 với Ti(OH)3 , dựa vào điều kiện chế phản ứng, tạo thành đơn tinh thể kích thước 50nm Tổng hợp lớp nước hóa họa( Hydrothermal Synthesis): tạo lớp điện môi kích thước bé micromet Xử lý nhiệt trước nung: tạo oxit hoạt tính, đảm bảo độ đồng phối liệu, sau nghiền lại thành bột đem tạo hình Tạo hình: có nhiều phương pháp tạo hình: - Nén khô - Nén đẳng hìn thêm vào số phụ gia để có tính chất khác mà mong muốn thêm vào số phụ gia để có tính chất khác mà mong muốn thêm vào số phụ gia để có tính chất khác mà mong muốn - Đùn… Xử lý nhiệt độ cao, nung kết khối: Thường nung nhiệt độ khoảng 0.8Tnc, với Tnc nhiệt độ nóng chảy phối liệu, giai đoạn quan trọng nhất, cation khuyết tán vào lỗ trống, sai sót, tạo thành cấu trúc áp điện Tại giai đoạn nung kết khối tránh cho chì bay làm thay đổi tỉ lệ chì hỗn hợp cần nung thiêu kết lò kín Mặc dù tổn thấy 23% chì so với ban đầu 2.4 Một số ứng dụng gốm áp điện: Gốm áp điện sử dụng rộng rãi kĩ thuật đời sống Xu hướng nghiên cứu gốm PZT(PbO-ZrO 2-TiO3) chứa phụ gia khác nhằm tạo vật liệu đáp ứng lĩnh vực đời sống 2.4.1 Thiết bị cảm biến Gốm áp điện sử dụng cảm biến ứng suất cảm biến gia tốc, hiệu ứng áp điện trực tiếp Nó có vai trò vô to lớn công nghệ nghiên cứu vật liệu nano, cảm biến thay đổi khoảng cách, lực vô bé, chế tạo vật liệu từ, chế tạo bảng mạch, vi mạch điện tử… có ý nghĩa vô quan trọng thay ngành vật liệu điện tử ngày Chế tạo Cantilever cho mày phân tích nano( AFM, STM…) 2.4.2 Đầu dò siêu âm Ứng dụng nhiều lĩnh vực quân Siêu âm dò quét hữu ích ngành điện tử y tế cho lâm sang ứng dụng khác nhau, từ chẩn đoán để điều trị phẩu thuật: dựa lĩnh vực siêu âm tiếng dội Đầu dò siêu âm chuyển đổi lượng điện vào mẫu khí tạo xung âm chuyển đổi lượng học thành tín hiệu điện phát sóng tán xạ Những tiếng vang thay đổi cường độ theo loại mô cấu trúc thể, tạo hình ảnh 2.4.3 Bộ phận đánh lửa khí Điện áp cao gốm áp điện, áp lực khí gây tình trạng bắt lửa bốc cháy khí Có hai điều kiện để ứng dụng lực khí, ứng dụng bang xung nhanh tăng dần, liên tục 2.4.4 Thiết bị truyền động • • Máy in kim sản phẩm thương mại hóa rộng rãi cách sử dụng gốm sứ thiết bị truyền động Động pieze GỐM TỤ ĐIỆN Sứ tụ điện yêu cầu quan trọng bền điện bền kéo Sứ điện thường phải loại sứ cứng Độ bền điện môi phụ thuộc vào : - Thành phần -Cấu trúc vật liệu - Hình dạng sản phẩm Sứ điện thường phải có hình dạng đặc biệt nhằm kéo dài đường dẫn điện hai điện cực Các loại sứ điện thường có tráng men để nâng cao độ bền độ bền điện Màu men thường có màu tối để tăng khả hấp thụ nhiệt, giảm nhanh lượng ẩm bám bề mặt Hình dạng sứ: thường dạng góc nhọn để tranh tượng điện tích tập trung GỐM TỪ TÍNH 4.1 Khái niệm: Là loại hợp chất gồm oxit sắt từ Fe2O3 Fe3O4 kết hợp với hay nhiều nguyên tố kim loại 4.2 Tính chất: Chúng hợp chất không dẫn điện, từ tính cao chịu nhiệt độ cao Kháng từ thấp có nghĩa từ hóa vật liệu dễ dàng đảo ngược hướng mà không tiêu hao lượng 4.3 Quy trình sản xuất: 4.3.1 Chu trình sản xuất gốm từ tính cao Ferrite Nam châm có từ tính cao (Magnets Ceramic) sản xuất nung thiêu kết (ở 1.000-1.350oC) hỗn hợp sắt oxit (Fe2O3) stronti cacbonat (SrCO3) bari cacbonat (BaCO3) để tạo thành oxit kim loại Trong trình nung, hóa chất khác coban (Co) lanthanum (La) thêm vào để cải thiện hiệu suất từ Sau đó, sản phẩm làm lạnh xay tạo thành hạt nhỏ có kích thước 2μm SrCO3 + Fe2O3 → SrOFe2O3 + CO2 SrOFe2O3 + 5Fe2O3 →SrO.6(Fe2O3) BaCO3 + Fe2O3 → BaOFe2O3 + CO2 BaOFe2O3 + 5Fe2O3 → BaO.6(Fe2O3) Tiếp đó, bột ép khô hay ướt, sấy khô tái thiêu kết Trong giai đoạn này, ta đưa vào từ trường bên vào áp lên vật liệu bột để xếp hạt bột thành dòng Trong lực từ tính áp lên vật liệu, bột ép từ phía với búa thủy động khí để nén để vòng khoảng 0,125 inch (0,32 cm) áp lực búa hay máy khí khoảng 10.000 psi đến 15.000 psi (70 MPa đến 100 MPa) Sau đó, đến trình nén bột kim loại để biến chúng thành hợp chất Quá trình thường gồm giai đoạn:    Trong giai đoạn đầu, vật liệu nén dược làm nóng nhiệt độ thấp, Trong giai đoạn thứ hai, nhiệt độ nâng lên khoảng 70-90% điểm nóng chảy hợp kim kim loại giai đoạn diễn vài vài ngày để hạt nhỏ liên kết với Giai đoạn cuối cùng, nguyên liệu làm lạnh xuống từ từ kiểm soát khoảng nhiệt độ Quá trình ủ: Các hạt kết dính sau trải qua hệ thống sưởi làm mát đem ủ Giai đoạn giúp loại bỏ hoàn toàn tạp chất dư tăng dộ từ tính Cuối trình gia công từ hóa: làm cho bề mặt nhẵn bóng, phủ lớp bảo vệ bên ngoài, vật liệu tiếp tục nạp lượng điện từ trường giúp gắn kết nhóm nguyên tử bên vật liệu tạo thành nam châm vĩnh cửu mạnh 4.3.2 Chu trình sản xuất gốm từ tính mềm: 4.3.2.1 Trộn bột Trong trộn hoạt động, muối kim loại (trong biểu mẫu oxit cacbonat) kiểm tra độ tinh khiết (ppm) Nguyên liệu có dộ tinh khiết cao cần thiết để sản xuất lõi + Trộn ướt (nước sử dụng để hòa trộn): (I) Trọng lượng bột khô (oxit sắt, mangan di-oxit oxit kẽm) = 2,0 kg (II) Trọng lượng nước khử ion hóa= kg (III) Thời gian trộn= Giờ Sau trộn, bùn khô vào lò nướng 150 ℃ đêm cho bột khô hỗn hợp 4.3.2.2 Thiêu kết Sau trộn, bột nung nhiệt độ khoảng 75% nhiệt độ thiêu kết Bột đưa vào khay nhỏ để thiêu đốt nâng nhiệt độ lên 950℃ đồng thời cho Mn, Ni, Zn vào Trong thời gian muối cacbonat chuyển đổi thành oxit tạp chất bị bốc Độ co rút sản phẩm giảm xuống 17-18% thay 20-21%, điều làm giảm khả hình thành vết nứt làm mát sản phẩm thiêu kết 4.3.2.3 Nghiền • • • • Nghiền ướt thực máy cuộn nghiền Hoạt động tương tự hoạt động trộn ướt khác thời gian thực hiện, máy chạy khoảng 20- 24 tiếng, thay tiếng để đảm bảo giảm kích thước hạt từ 26μm Hỗn hợp tiếp tục nung thiêu kết Mn-Zn giúp tăng mật độ lên mức tối đa (4,95g/cm3) kích thước hạt trung bình 8- 10μm tăng độ thấm 4.3.2.4 Sấy phun Trong phun khô, bùn ferrite truyền qua hai vòi phun chất lỏng: Poly vinyl alcohol (PVA) sử dụng chất kết dính Glycerin sử dụng để bôi trơn nước sử dụng để cung cấp số độ ẩm Tất thành phần trộn đồng Đối với kích thước lô 200 kg Hàm lượng phụ gia sau: Poly Vinyl Alcohol = 1.50 Kg Nước / Spirit = 8,0 Kg Glycerin = 1,0 Kg Lưới kích thước hạt = 40-150 gritz 4.3.2.5 Nén Giai đoạn thực máy ép khí, thủy lực đẳng tĩnh Lực nén khoảng từ đến 100 tùy vào diện tích mặt cắt ngang    chất hoạt động ảnh hưởng tới hình thành vết nứt biến dạng sản phẩm trình thiếu kết tính thấm sản phẩm 4.3.2.6 Thiêu kết Đây bước quan trọng việc sản xuất Ở giai đoạn này, sản phẩm đạt tính chất học tốt Quá trình thiêu kết ferrites mangan-kẽm cần kiểm soát thời gian, nhiệt độ không khí giai đoạn chu trình thiêu kết Sưởi ấm dần từ nhiệt độ phòng đến khoảng 800℃ lúc tạp chất, độ ẩm dư, chất kết dính chất bôi trơn đốt cháy Nhiệt độ tiếp tục tăng lên đạt 1325-1375℃, nhiệt độ tăng ta đưa dòng khí tính oxi hóa nhu nitrogen vào lò nung để giảm lượng oxygen không khí lò nhằm đảm bảo chất lượn Mn-Zn Công doạn cuối ủ thành phẩm 800℃ tiếng 4.3.2.7 Gia công Các lõi ferrit bị nghiền bánh xe kim cương tạo thành hình dạng định 4.4 Phân loại ứng dụng Gốm từ tính( ferrit hay ceramic magnets) chia thành loại:    4.4.1 Gốm từ tính cứng 4.4.1.1 Thành phần Ngoài oxit sắt có hợp chất khác gồm bari cacbonat (BaCO 3), stronti cacbonat (SrCO3) hợp chất chứa bari hay stronti như: Strontium ferrite, SrFe12O19 (SRO.6Fe2O3), sử dụng động điện nhỏ, thiết bị vi sóng, ghi âm phương tiện truyền thông, phương tiện truyền thông magneto-quang, viễn thông ngành công nghiệp điện tử Bari ferit, BaFe12O19 (BaO.6Fe2O3), nguyên liệu phổ biến cho ứng dụng nam châm vĩnh cửu ferrites Bari gốm sứ bị ảnh hưởng độ ẩm chống ăn mòn Chúng sử dụng nam châm loa phương tiện để ghi âm từ tính thẻ từ Cobalt ferrite, CoFe2O4 (CoO.Fe2O3), sử dụng số phương tiện truyền thông để ghi âm từ tính 4.4.1.2 Ứng dụng Gốm từ tính độ cứng cao có độ kháng từ cao nên chúng thường sử dụng cho thiết bị đệm nam châm tủ lạnh, đệm loa phóng thanh, động điện nhỏ, bảng hiển thị thiết bị không dây (tai nghe) Ngoài ra, chúng sử dụng dây cáp máy tính nhằm ngăn chặn tiếng ồn điện tần số cao ( nhiễu tần số vô tuyến)   4.4.2 Gốm từ tính mềm 4.4.2.1 Thành phần Ngoài oxit sắt có chứa hợp chất niken, kẽm mangan Ferrit MnZn sử dụng thiết bị có tần số 5Hz Ferrit NiZn thường sử dụng thiết bị có điện trở suất lớn so với ferrit MnZn có tần số 1Hz 4.4.2.2 Ứng dụng Có độ kháng từ thấp Chúng sử dụng ngành công nghiệp điện tử để làm lõi cho cuộn cảm biến áp, chi tiết máy lò vi sóng, sơn radar tạo lớp phủ bên máy bay tàng hình (quân đội) GỐM BÁN DẪN 5.1 Khái niệm vật liệu bán dẫn Ngày chất bán trở thành nguyên liệu thiếu cho nhiều thiết bị điện tử hạ tầng xã hội, tích cực hỗ trợ cho sống hàng ngày Chất bán dẫn có vai trò quan trọng việc điều khiển thiết bị nhiều lĩnh vực khác nhau, ví dụ điều hòa không khí, nâng cao an toàn ô tô, điều trị phẫu thuật laser, chăm sóc y tế nhiều ứng dụng khác Thêm vào đó, tiến công nghệ bán dẫn giúp tối ưu hóa hệ thống, thu nhỏ thiết bị tiết kiệm lượng, giúp ích cho việc bảo vệ môi trường toàn cầu, đem lại sống an toàn thoải mái mở tương lai thịnh vượng Chất bán dẫn phát từ kỷ 19 Năm 1940, bóng bán dẫn phát minh Các Radio thời sử dụng đèn chân không, thay bóng bán dẫn giúp thu nhỏ kích thước cách đáng kể để trở thành di động Silic chất bán dẫn biết đến rộng rãi Linh kiện điện tử sử dụng chất bán dẫn gọi thiết bị bán dẫn, chúng bao gồm vi mạch, mạch tích hợp nhiều bóng bán dẫn Thiết bị bán dẫn gắn bên nhiều thiết bị điện tử, chúng thành phần quan trọng hỗ trợ hàng ngày sống 5.2 Đặc tính vật liệu bán dẫn Cái tên "bán dẫn" biết đến rộng rãi, chất bán dẫn gì? Chất bán dẫn chất có tính chất điện đặc biệt Một chất cho phép dòng điện chạy qua gọi chất dẫn điện, chất không cho dòng điện chạy qua gọi chất cách điện Chất bán dẫn chất có tính chất dẫn điện mức trung gian chất chất dẫn điện chất cách điện Tính dẫn điện chất đặc trưng giá trị điện trở suất Các chất dẫn điện vàng, bạc đồng có điện trở suất nhỏ dễ dàng cho dòng điện chạy qua Các chất cách điện cao su, thủy tinh, gốm sứ có điển trở suất cao khó cho dòng điện qua Chất bán dẫn có tính chất dẫn điện khoảng loại nói Giá trị điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ: với chất bán dẫn nhiệt độ thấp, chúng gần không cho dòng điện qua, nhiệt độ tăng chúng lại cho dòng điện qua cách dễ dàng Các chất bán dẫn tinh khiết không chứa tạp chất gần không dẫn điện Nhưng pha tạp thêm số tạp chất chúng lại trở lên dẫn điện cho dòng điện qua chúng cách dễ dàng Chất bán dẫn bao gồm nguyên tố gọi chất bán dẫn nguyên tố, ví dụ chất bán dẫn phổ biến silic Mặt khác, Các chất bán dẫn tạo thành từ hai hay nhiều thành phần gọi hợp chất bán dẫn, sử dụng laser bán dẫn, điốt phát sáng, vv 5.3 Vật liệu bán dẫn sống hàng ngày Chất bán dẫn sử dụng nào? Vì chất bán dẫn không bày bán cách phổ thông cửa hàng giống thiết bị điện, nên khó hình dung với nhiều người, thực tế, sử dụng nhiều thiết bị điện Ví dụ, cảm biến nhiệt độ điều hòa không khí làm từ chất bán dẫn Nồi cơm điện nấu cơm cách hoàn hảo nhờ hệ thống điều khiển nhiệt độ xác có sử dụng chất bán dẫn Bộ vi xử lý máy tính CPU làm từ nguyên liệu chất bán dẫn Nhiều sản phẩm tiêu dùng kỹ thuật số điện thoại di động, máy ảnh, TV, máy giặt, tủ lạnh bóng đèn LED sử dụng chất bán dẫn Ngoài lĩnh vực điện tử tiêu dùng, chất bán dẫn đóng vai trò trung tâm hoạt động máy ATM, xe lửa, internet, truyền thông nhiều thiết bị khác sở hạ tầng xã hội, chẳng hạn mạng lưới y tế sử dụng để cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe người cao tuổi, vv Thêm vào đó, hệ thống hậu cần hiệu giúp tiết kiệm lượng, thúc đẩy việc bảo tồn môi trường toàn cầu Với phạm vi ứng dụng mình, chất bán dẫn mang lại cho sống sống thoải mái Chất bán dẫn vật chất có điện trở suất nằm trị số điện trở suất chất dẫn điện chất điện môi nhiệt độ phòng: ρ = 10-4 ÷ 107 Ω.m Trong kỹ thuật điện tử sử dụng số chất bán dẫn có cấu trúc đơn tinh thể, quan trọng hai nguyên tố Gecmani Silic Thông thường Gecmani Silic dùng làm chất chính, chất Bo, Indi (nhóm 3), phôtpho, Asen (nhóm 5) làm tạp chất cho vật liệu bán dẫn Đặc điểm cấu trúc mạng tinh thể độ dẫn điện nhỏ nhiệt độ thấp tăng theo lũy thừa với tăng nhiệt độ tăng gấp bội có trộn thêm tạp chất Việc sử dụng gốm sử ngành công nghiệp ngày tăng kết hợp mong muốn cac tính chất điện, khí, vật chất thường tìm thấy đồ gốm Đứng trước nhu cầu người tiêu dùng thiết bị điện tử họ phải nhanh , nhỏ tốn nhà chế tạo thiết bị bán dẫn lợi dụng thành phần gốm tiên tiến để đạt hiệu mong muốn.Việc sản xuất gốm sứ cho nghành công nghiệp điển hình tiêu chuẩn sản xuất gốm cấu trúc , sử dụng phương pháp hình thành đầm nén truyền thống khác biệt lớn yêu cầu độ tinh khiết gốm kiểm soát chặt chề tính chất điện 5.4 Khái niệm Gốm bán dẫn Gốm bán dẫn thực chất mạch tích hợp IC 5.4.1 Mạch tích hợp (IC) Một mạch tích hợp (IC) thiết bị điện tử tạo thành từ nhiều thành phần có chức khác bóng bán dẫn, điện trở, tụ điện, vv… bán dẫn silicon, đóng gói kín để lộ đầu kết nối Hiện nay, kích thước nhỏ linh kiện bên IC đạt đến giá trị giới hạn vào khoảng 10 nanomet (nm: 10-9m), giá trị nhỏ Các Radio bán dẫn, thời niềm đam mê nhiều người, cấu tạo bao gồm bảng mạc in với bóng bán dẫn, điện trở, tụ điện điốt rời rạc, chúng liên kết với Các IC có mật độ tích hợp cao giúp thu nhỏ thiết bị khoảng 1/55000 kích thước, thu nhỏ tỷ lần diện tích so với đài bán dẫn cổ điển Nhờ có độ tích hợp cao, IC với nhiều chức loại nhúng tăng cường đáng kể hiệu suất thiết bị điện tử 5.4.2 Quá trình sản xuất Nhiều IC tạo đế silic (diced), sau người ta tiến hành cắt rời thành nhiều chip IC (Die) Các chip IC đóng gói kín bên lớp vỏ có kích thước to để tiện cho việc gắn chúng lên bảng mạch in, để bảo vệ cho nhân IC bên lớp vỏ Nếu bạn mở vỏ case máy tính để ra, bạn thấy nhiều linh kiện cói nhiều chân thò Đây IC đóng gói kín bên lớp vỏ bọc 5.5 Ứng dụng Gốm bán dẫn Các ví dụ điển hình vật liệu gốm ngành công nghiệp bán dẫn: 5.5.1 Oxide Gốm sứ (SiO2, Al2O3) Thạch anh nóng chảy gốm sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp bán dẫn.Thạch anh truyền thống coi kết tinh, ý nghĩa đề cập đến độ tinh khiết cao, thủy tinh silica, độ tinh khiết cao, kháng hóa chất vật liệu cách nhiệt điện, điều giúp thạch anh trở thành vật liệu ưa thích cho loạt ứng dụng trình bán dẫn, bao gồm việc truyền tải trình oxy hóa thiết bị, nồi nấu kim loại để tạo thỏi silic, epitaxy lò phản ứng lắng đọng silic, wafer, wafer đơn trình thiết bị thành phần gia công phức tạp Hình Thành phần chế biến thạch anh bán dẫn nhôm có độ tinh khiết cao sử dụng rộng rãi thiết bị chế biến wafer bán dẫn Sử dụng alumina khoảng từ độ tinh khiết tiêu chuẩn (99,5%) đến cực độ tinh khiết cao (99,9% ) Alumina cách điện cách nhiệt, độ cứng tương đối cao có khả chống loạt chất hóa học ăn mòn Sự kết hợp thuộc tính tạo nhiều ứng dụng quan trọng ngành công nghiệp bán dẫn 5.5.2 Carbide Gốm sứ (SiC B4C) Hình Thành phần SiC từ Norton Electronics Silicon carbide vật liệu đạt sử dụng nhiều chất bán dẫn quy trình chế tạo đơn wafer Nó sử dụng rộng rãi lò khuếch tán 25 năm qua độ tinh khiết cao độ bền nhiệt cao Cacbua bo gốm tương tự cacbua silic trừ điện trở suất thấp Cacbua bo không sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp bán dẫn, có tiềm ứng dụng công nghệ plasma thành phần khả chống ăn mòn 5.5.3 Nitrit Gốm sứ (Si3N4, AlN, BN) Hình CerbecT bóng silicon nitride từ Norton Cerbec Trong silicon nitride bắt đầu thấy sử dụng ngành công nghiệp bán dẫn nhiệt mở rộng , ăn mòn cao thay kháng thấp cho nhôm, sử dụng truyền thống ngành công nghiệp bán dẫn hình thức vòng bi gốm (xem hình 3).Những bóng gốm cung cấp số tính ổ bi tiêu chuẩn hình thức bôi trơn ít, ma sát thấp, cách điện chống ăn mòn tốt, điện trở silicon nitride số điện môi tương tự alumina, vật liệu mạnh vi mô Việc sử dụng nitride nhôm làm vật liệu kiểm soát chặt chẽ tính chất điện quan trọng cho ứng dụng bàn cặp điện (ESC) dẫn nhiệt cao thực tốt việc mở rộng nhiệt để làm cho silicon nitride nhôm trở thành vật liệu mong muốn để sử dụng ESC, cung cấp fixturing cho wafer silicon môi trường chân không mà không cần dùng kẹp khí Trong việc tạo nitride puck nhôm, loại bột tinh khiết cao lại lần thu xử lý, trải qua trình khác sử dụng để chế tạo điện cực nhúng phương pháp phổ biến Ngành công nghiệp chế biến bán dẫn sử dụng chủ yếu lò khuếch tán BN wafer sử dụng để chủ động silicon dope Boron nitride sử dụng chất cách điện thiết bị cấy ghép ion.Trong số tính chất trội điện môi cao, dẫn nhiệt Không giống thành phần gốm sứ khác, boron nitride có thành phần rắn tất gia công trực tiếp từ nitrided phôi ép nóng lớn tổng hợp từ nguyên liệu B2O3 GỐM SIÊU DẪN 6.1 Hiện tượng siêu dẫn hiên tượng điện trở số vật rắn đột ngột mất, nhiệt độ chúng giảm xuống ngưỡng định 6.2 Khái niệm chất siêu dẫn Chất siêu dẫn chất tồn nhiệt độ cực thấp, dòng điện chạy qua trở kháng 6.3 Vật liệu gốm siêu dẫn Vật liệu gốm siêu dẫn vật liệu chứa hỗn hợp nguyên tố cấu thành yttrium(Y), barium(Ba), oxit kim loại đồng Chất gốm trở nên siêu dẫn nhiệt độ 77K Gốm sử dụng làm chất siêu dẫn có cấu trúc Perovskite Công thức hóa học YBa2Cu3O7 6.4 Ứng dụng - + Sứ định