Đang tải... (xem toàn văn)
Màng gốm các bua Silic đang hứa hẹn sẽ trở thành vật liệu lọc có triển vọng nhất trong công nghệ xử lý nước 1,2, vật liệu lọc khí nóng 3,4, vật liệu hấp phụ và công nghệ phân tách khí 5,6,7,8. So với các vật liệu khác như màng polyme và các vật liệu oxit khác, màng gốm các bua silic thể hiện sự ổn định hóa học tuyệt vời do vậy nó có thể được sử dụng vào công nghệ phân tách trong các điều kiện khắc nghiệt như chất lỏng ăn mòn hoặc khí nóng 4,9. Tuy nhiên, do liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ của cầu liên kết SiC làm cho rất khó khăn để chế tạo được vật liệu gốm có cường độ cao khi thiêu kết ở nhiệt độ thấp. Với yêu cầu nhiệt độ thiêu kết lớn hơn 1900 ◦ C, bằng cách thiêu kết, kết hợp với ép nóng hoặc thiêu kết bằng Plasma trong môi trường chân không 911. Thêm vào đó, các vật liệu này dễ bị nén chặt và yêu cầu tiêu hao năng lượng cao khi thiêu kết bằng phương pháp Plasma tới hơn 1900 oC. Do vậy để tăng độ xốp hở và tính thấm khí cũng như giảm chi phí sản xuất trong điều kiện nhiệt độ cao, việc phát triển các phương pháp gia cố mới nhằm tăng độ bền cho gốm khi được thiêu kết ở nhiệt độ thấp là rất cần thiết. Thông thường, có hai con đường sản xuất gốm xốp SiC (SCPCs) ở nhiệt độ thiêu kết thấp hơn:
LỜI MỞ ĐẦU Màng gốm bua Silic hứa hẹn trở thành vật liệu lọc có triển vọng công nghệ xử lý nước [1,2], vật liệu lọc khí nóng [3,4], vật liệu hấp phụ công nghệ phân tách khí [5,6,7,8] So với vật liệu khác màng polyme vật liệu oxit khác, màng gốm bua silic thể ổn định hóa học tuyệt vời sử dụng vào công nghệ phân tách điều kiện khắc nghiệt chất lỏng ăn mòn khí nóng [4,9] Tuy nhiên, liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ cầu liên kết Si-C làm cho khó khăn để chế tạo vật liệu gốm có cường độ cao thiêu kết nhiệt độ thấp Với yêu cầu nhiệt độ thiêu kết lớn 1900 ◦ C, cách thiêu kết, kết hợp với ép nóng thiêu kết Plasma môi trường chân không [9-11] Thêm vào đó, vật liệu dễ bị nén chặt yêu cầu tiêu hao lượng cao thiêu kết phương pháp Plasma tới 1900 oC Do để tăng độ xốp hở tính thấm khí giảm chi phí sản xuất điều kiện nhiệt độ cao, việc phát triển phương pháp gia cố nhằm tăng độ bền cho gốm thiêu kết nhiệt độ thấp cần thiết Thông thường, có hai đường sản xuất gốm xốp SiC (SCPCs) nhiệt độ thiêu kết thấp hơn: Cách thứ nhất: Sản xuất polycarbosilane (PCS)/polysiloxane để thu gốm xốp SiC (SCPCs) [12,13]: Polycarbosilane Polysiloxane Pha liên kết tạo từ Polycarbosilane/Polysiloxane liên kết SiOC bao gồm hạt SiC môi trường khí trơ khoảng 1000◦C Gốm xốp (SCPCs) tạo phương pháp thường có độ xốp cường độ cao Tuy nhiên kết hợp với oxy làm giảm đáng kể ổn định nhiệt độ pha liên kết gốm môi trường nung Phương pháp tốn phương pháp tạo (SCPCs) từ bột SiC Cách thứ 2: Trong phương pháp khác kỹ thuật phản ứng liên kết chỗ, hạt SiC thiêu kết không khí cách thêm vào ôxit kim loại Các hạt SiC liên kết SiO2, mulit, cordierit [14-16] Tuy nhiên, để đạt cường độ uốn cao cách bổ sung chất trợ nung, kích thước lỗ xốp, độ xốp hở độ thấm khí gốm xốp SiC thường thấp [9,17] Vì gốm xốp SiC với độ thấm khí cường độ cao quan trọng ứng dụng thực tế Như cần thiết phương pháp cải tiến để đạt độ xốp hở cường độ uốn đủ lớn nhiệt độ nhiệt độ nung thấp Nhìn chung, vật liệu gốm với độ xốp hở cao sản xuất việc bổ sung chất tạo độ xốp, ví dụ than chì, polymer hữu vật liệu vô [12,15] Theo nghiên cứu độ xốp hở tính thấm khí mulít liên kết với gốm xốp cacbua silic theo hàm lượng than chì thêm vào [36] Nó cho thấy hệ số thấm khí theo thứ tự nằm khoảng 10-13 m2, thăng hoa than chì cải thiện tính thấm khí thông qua việc mở rộng kích thước lỗ rỗng độ xốp hở Nhưng, cường độ uốn vật liệu lại bị ảnh hưởng nhiều chất tạo xốp [22] Trong nghiên cứu sử dụng than chì để tạo lỗ rỗng cho vật liệu Khi hàm lượng than chì tăng lên độ xốp hở vật liệu gốm tăng từ 30% đến 42%, độ bền uốn lại giảm từ 23 MPa xuống MPa [17] Sau sử dụng bột α-Al2O3 để thúc đẩy trình thiêu kết, than chì vật liệu để tạo độ xốp Khi hàm lượng than chì khoảng 20% độ xốp hở đạt 49,9% cường độ uốn vật liệu gốm đạt 9,8 MPa Như vậy, yêu cầu đặt cần phải có phương pháp cải tiến để có sản phẩm với chất lượng cao Như ta biết loại sợi sử dụng rộng rãi việc tăng cường tính cho hợp kim loại gốm chức [18-20] Các loại sợi tạo gốm chức thông qua biện pháp xử lý luyện, chuyển đổi vi cấu trúc, thông qua hình thức kéo tạo sợi tạo sợi kiểu cầu nối [25] Các sợi gốm (SCPCs) hấp thụ phần lượng gây đứt gãy vật liệu, đóng vai trò thành phần gia cố hạt SiC để tạo thành mạng cấu trúc 3D vững Vì vậy, cách pha α-Al2O3 vào gốm (SCPCs), độ xốp độ bền uốn vật liệu cải thiện đồng thời Trong nghiên cứu này, sợi mullite tạo giới thiệu cách trộn bột α-Al2O3 vào phối liệu ban đầu trình phản ứng liên kết chỗ việc tạo vật liệu (SCPCs) Thêm vào khả tương thích hóa học tốt chi phí thấp, sợi mullite có giãn nở nhiệt phù hợp với SiC [21] Các hệ số giãn nở nhiệt SiC mullite 4,7x10-6 /K, 4,3x10-6 /K Hơn tạo tính thấm khí cao dự tính sợi mulít hình thành Gốm (SCPCs) lưu môi trường nhiệt độ 1400 oC -1550oC vòng h, thành phần pha, vi cấu trúc, độ xốp hở, cường độ uốn, kích thước trung bình lỗ rỗng, độ thấm khí độ bền sốc nhiệt SCPCs kiểm tra Trong đó, nhiệt độ thiêu kết thời gian cần thiết để sản xuất (SCPCs) nghiên cứu cách kỹ Sản xuất gốm xốp SiC 2.1/ Chuẩn bị nguyên liệu a) Bột - SiC (kích cỡ hạt~98µm, độ tinh khiết≥ 99%) sử dụng làm nguyên liệu thô Các bua silic (SiC) tồn chủ yếu dạng thù hình là: α-SiC (6H) - Hexagonal Crystal Structure, tinh thể dạng lục lăng, tạo thành nhiệt độ 1700oC (xem Hình A Hình 1): Hình A: Cấu trúc tinh thể α-SiC (6H) β-SiC (3C) - Cubic Crystal Structure, tinh thể dạng lập phương, tạo thành nhiệt độ thấp 1700oC (xem Hình B): Hình B: Cấu trúc tinh thể β-SiC (3C) *) Trong ứng dụng ta sử dụng α-SiC làm nguyên liệu, hình dạng cấu trúc tinh thể α-SiC phân bố đường kính nguyên liệu thể (Hình 1) (Hình 2) Hình 1: Hình dạng hạt SiC b) Than hoạt tính (kích cỡ hạt ~20µm) thêm vào chất tạo lỗ rỗng c) Ô xít ziếc côn (ZrO2) (kích cỡ hạt~5 µm) sử dụng thêm vào chất trợ nung Cấu trúc tinh thể ô xít ziếc côn (xem Hình C) Hình C: Cấu trúc tinh thể ZrO2 Hình 2: Phân bố cỡ hạt hỗn hợp nguyên liệu thô d) Sợi mulit α-Al2O3 bổ sung chất gia cố tăng cường : Cấu trúc tinh thể mulit (xem Hình C), Hình dạng sợi mulit (xem Hình 3) Hình D: Cấu trúc tinh thể mulit (α-Al2O3) Với hàm lượng khác sợi Mulit (Hình 3: Sợi mulit với độ tinh khiết 99% , đường kính trung bình ~ 11µm chiều dài sợi ~ 60µm) thêm vào hỗn hợp bột gốm chất gia cố tăng cường Hình 3: Hình dạng vi cấu trúc, đường kính chiều dài sợi mulit Mẫu S0 S2 S4 S6 S8 Bảng 1: Thành phần hỗn hợp bột nguyên liệu ban đầu SiC (%) Sợi Mulit (%) ZrO2 (%) 83 81 2 79 77 75 C (%) 15 15 15 15 15 Thành phần mẫu thử nghiệm (Bảng 1) Sau trộn xong, polyvinyl alcohol (PVA) parafin lỏng thêm vào hỗn hợp bột liệu sau đưa vào nghiền bi thêm Hỗn hợp bùn sau nghiền ép thành tròn kích thước (Ф30 mm x mm) dạng dải kích thước (50 mm × mm × mm) màu xanh lực ép MPa Tất mẫu màu xanh sấy khô nhiệt độ 70◦C lò thiêu kết không khí nhiệt độ 1450◦C -1550◦C vòng từ 2÷6 Tốc độ nâng nhiệt 2◦C/phút (khi nhiệt độ 500◦C) trì mức giờ, sau nâng nhiệt lên 1450◦C-1550◦C với tốc độ nâng nhiệt 2◦C/phút Toàn trình sản xuất thể (Hình 4): Hình 4: Toàn quy trình chế tạo gốm xốp SiC có gia cố sợi Mulit 2.2/ Đặc tính vật liệu Các thành phần pha gốm phát thiết bị nhiễu xạ tia X có tên (XRD; D8-Advance, Bruker, Germany) với xạ Cu Kα (có bước sóng 0,154 nm), hoạt động 15 mA, 40 KV chiều rộng bước sóng 0.02◦ với phạm vi quét là: 10-80◦ Vi cấu trúc gốm (SCPCs) quan sát kính hiển vi phát xạ trường điện tử có tên (FESEM, HitachiS-4800, Japan) Cường độ uốn xác định cách thử nghiệm uốn ba điểm (2 gối đỡ mẫu cách 40 mm) tốc độ trượt 0,5 mm/phút Đối với mẫu, ba mẫu vật thử nghiệm Cường độ uốn σ tính toán theo phương trình (1): σ =3FL/2bh2 (1) Ở đây: - σ: Cường độ uốn vật liệu (N/mm2) (Mpa) - F: lực tác dụng mà xảy gãy mẫu vật (đơn vị Niu tơn) - L: khoảng cách gối đỡ mẫu (=40mm) - b: chiều rộng mẫu vật thử nghiệm (mm) - h: chiều cao mẫu vật thử nghiệm (mm) Tốc độ dòng khí qua mẫu gốm (SCPCs) đo thiết bị (PSDA-20) Hệ số thấm khí tính toán phương trình (2) [22]: Ψ=µ*Qt/A*ΔP (2) Trong đó: - Ψ: Hệ số thấm khí (m2) - µ: độ nhớt động học không khí (1,822x10-5Pa.s) [23] - Q: lưu lượng dòng khí (m3/s) - t: độ dày mẫu vật thử nghiệm (m) - A: diện tích lọc (m2) - ΔP:là độ sụt áp (Pa) Hình 5: Sơ đồ thiết bị thử nghiệm tính thấm khí gốm xốp SiC Sơ đồ thiết bị xác định tính thấm khí sử dụng nghiên cứu trình bày (Hình 5) Các mẫu vật có độ dày 2,7÷3 mm, (đường kính 10 mm) cố định miếng đệm silicôn Nguồn khí N2 đến từ xi lanh khí sau qua mẫu Các miếng đệm silicôn sử dụng để ngăn việc vỡ mẫu thử Độ sụt áp ΔP kiểm tra chuyển đổi áp suất đặt đầu dòng khí đo lưu lượng kế đầu Cả ΔP Q tự động ghi lại máy tính Kích thước lỗ xốp gốm thử nghiệm phương pháp áp lực bong bóng khí (GBP) Độ xốp hở đo phương pháp Acsimét sử dụng nước làm môi trường chất lỏng tính theo công thức sau (3) [24]: (3) Trong đó: - ε: Độ xốp hở (%) - G1: khối lượng mẫu khô (g) - G2: khối lượng mẫu bão hòa không khí (g) - G3: khối lượng mẫu bão hòa nước (g) Độ bền sốc nhiệt mẫu kiểm tra từ nhiệt độ phòng tới 800oC với tốc độ nâng nhiệt 5oC/phút giữ 0,5 nhiệt độ 800oC Phương pháp làm mát không khí nước sử dụng lần đo cường độ uốn sau chu kỳ xác định độ bền sốc nhiệt Kết kết luận 3.1/ Ảnh hưởng sợi mulit đến tính chất gốm (SCPCs) 3.1.1/ Độ xốp hở độ bền học Hình 6: Độ xốp cường độ uốn gốm (SCPCs) theo hàm lượng bon hoạt tính mẫu lưu 1450 ◦C (Hình 6) cho thấy thay đổi độ xốp hở cường độ uốn mẫu S0 (không có 15% Cácbon) với mẫu có chứa bon hoạt tính lưu 1450◦C Khi lượng bon hoạt tính tăng từ 0% đến 30%, độ xốp cải thiện đáng kể từ 33,5% đến 52,5% Tuy nhiên, cường độ uốn lại giảm xuống Mpa mối quan hệ tỉ lệ nghịch độ xốp cường độ uốn [22] Việc bổ sung bon hoạt tính làm giảm diện tích tiếp xúc làm yếu liên kết hạt SiC Để chống lại mối quan hệ cạnh tranh việc thêm vật liệu gia cố cần thiết Ôxit kim loại định hình với kích thước nano làm tăng độ bền cho gốm SiC cách tạo liên kết trực tiếp Tuy nhiên, nhiều hạt với kích thước nano bị tích lũy hạt SiC, dẫn đến làm giảm kích thước lỗ rỗng độ xốp hở trì cường độ uốn Các sợi mulit sợi gắn kết hạt để tăng không gian xung quanh hạt SiC qua cầu nối hình que Vì vậy, việc bổ sung sợi mulit cải thiện độ xốp hở mà không gây ảnh hưởng xấu đến cường độ uốn vật liệu gốm (Hình 7) cho thấy sơ đồ thay đổi hạt định hình hình ảnh tương phản qua kính hiển vi điện tử (SEM) Hình 7: Sơ đồ thay đổi hình dạng hạt gia cố tăng cường hình ảnh soi qua kính hiển vi điện tử Để kiểm tra điều này, sợi mulit thêm vào bột SiC Hình 8A cho thấy độ xốp hở cường độ uốn mẫu S0-S8 bổ sung với hàm lượng sợi mulit khác nung 1450◦C Độ xốp hở tăng lên đến 46,8% ứng với 4% sợi mullite Lời giải thích hợp lý cho điều sợi mulit tạo thành mạng lưới 3D làm mở rộng không gian hạt lớn [25] Khi hàm lượng sợi mulit thêm vào lớn mức 4% độ xốp hở lại giảm Việc giảm độ xốp phân tán không đồng sợi mulit dẫn đến chúng tích tụ nhiều xung quanh hạt SiC lớn [34] (Hình 8A) cho thấy thay đổi cường độ uốn theo hàm lượng sợi mulit Cường độ uốn cải thiện đáng kể bổ sung hàm lượng mulit, cường độ uốn thay đổi từ 7,2 MPa mẫu đối chứng đạt cực đại 15,7 MPa mẫu với 4% sợi mulit Điều chế cứng cầu nối hạt trình chuyển pha vật liệu Sơ đồ mô tả chế mà sợi mulit cải thiện cường độ uốn trình bày (Hình 8C) Việc gãy vật liệu xuất phát từ vết nứt tế vi nguyên thủy vi cấu trúc vật liệu vị trí tiếp xúc hạt rắn Các vết nứt tế vi nguyên thủy vi cấu trúc ngừng phát triển có liên kết sợi mulit ngăn ngừa việc bẻ gãy vật liệu Theo cách này, sợi bổ sung bù đắp tác động qua lại độ xốp cường độ uốn (Hình 8A) (Hình 8B) (Hình 8C) 3.1.2/ Dung trọng hệ số dãn nở nhiệt theo bán kính (Hình 8B) minh họa dung trọng hệ số dãn nở nhiệt theo bán kính gốm (SCPCs) theo hàm lượng sợi mulit thiêu kết 1450oC Dung trọng giảm hàm lượng sợi mulit tăng từ đến 6% lại tăng hàm lượng mulit khoảng 6% (từ 1,63g/cm3) đến 8% đồng thời làm thay đổi độ xốp gốm Hệ số dãn nở nhiệt theo bán kính bị ảnh hưởng sợi mulit Các mẫu sợi mulit cho thấy trình thiêu kết có mặt pha lỏng bị co 3,33% kích thước, với mẫu có chứa mulit lại bị mở rộng kích thước 1,2% theo hướng bán kính Có thể thấy sợi mulit xem "cốt thép" làm giảm không gian hạt Theo chế này, sợi mulit tăng cường kiểm soát kích thước theo bán kính mẫu vật 3.2/ Phân tích thành phần vi cấu trúc gốm 10 Hình 9: Phân tích Xray mẫu S0-S8 nung 1450oC lưu không khí (Hình 9) cho thấy nhiễu xạ tia X mẫu gốm (SCPCs) thiêu kết 1450◦C lưu Trong quang phổ, peak SiC mulit ghi nhận tất mẫu Pha cristobalit phát xuất màng SiO2 bề mặt [26] Quá trình oxy hóa bề mặt hạt SiC tạo SiO2 vô định hình mà sau biến đổi thành cristobalit Các peak Zircon quan sát tất mẫu zircon tạo từ SiO2 ZrO2 trình thiêu kết [34] Ngoài ra, peak mulit tăng kết tinh chúng làm tăng hàm lượng sợi mulit Nhìn chung pha liên kết hạt diễn làm theo chế sau: Đầu tiên, phản ứng oxy hóa thụ động xảy bề mặt hạt SiC: SiC + O2 → SiO2(vô định hình) + CO2 Sau đó, nhiệt độ tăng làm thay đổi cấu trúc SiO2 (vô định hình) chuyển sang hình thành pha tinh thể cristobalit: SiO2 (vô định hình) → SiO2 (cristobalite) Thành phần hóa học sợi mulit ký hiệu AlxSi2-xO4-0,5x hình thành cristobalit tạo loại mulit tự nhiên có cấu trúc tinh thể hình kim theo phản ứng sau: AlxSi2-xO4-0,5x + SiO2 → 3Al2O3.2SiO2 (tinh thể hình kim) Từ Hình 10A 10B, kết luận sợi mulit chuyển thành tinh thể mulit hình kim chỗ nối hạt SiC so sánh với sợi mulit mẫu chưa thiêu kết (Hình 3) Hình 10: Phân tích hiển vi điện tử-SEM (Scanning Electron Microscope) phân tích nhiễu xạ tia X-EDS (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy) mẫu S4 hạt SiC (Hình 10A, 10B hiển thị hình thái khác vị trí nối hạt SiC; hình 10C phổ lượng tương ứng với vùng khoanh ô van màu xanh hình 10B) 11 Phân tích EDS thực khu vực đánh dấu (trong Hình 10B) thể (Hình 10C) Kết cho thấy phần nối hạt SiC bao gồm nguyên tố Oxi, Si Al Hình 11: Vi cấu trúc gốm (SCPCs) theo hàm lượng sợi mulit thiêu kết 1450 ◦C lưu môi trường nung 4giờ (A, B, C hình ảnh phân tích SEM mẫu với 0%, 4%, 8% lượng sợi mulit D, E, F hình ảnh phóng đại tương ứng) (Hình 11) cho thấy vi cấu trúc gốm (SCPCs) hàm lượng sợi mulít (0-8%) (Hình 11D) vi cấu trúc mẫu gốm không chứa sợi mulit cho thấy kết nối hạt SiC Còn bổ sung 4% sợi mulit có tiếp xúc mạnh mẽ vị trí hạt SiC lớn (Hình 11B E) Các sợi mulit tạo thành cầu nối tốt, có vai trò kéo dãn khoảng cách hạt SiC Tuy nhiên, liên kết lại không cải thiện tăng hàm lượng sợi mulit Mặt khác, tăng thêm hàm lượng mulit gây tượng tích tụ (như quan sát thấy (Hình 11F) Điều liên quan đến phân tán giai đoạn trộn hỗn hợp bột nguyên liệu ban đầu Các sợi thêm vào phải phân tán đồng để kết nối cách hiệu hạt SiC Vì vậy, sợi mulit phân tán hỗn hợp nguyên liệu, cường độ gốm (SCPCs) cải thiện đáng kể 3.3/ Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết thời gian lưu mẫu 3.3.1/ Nhiệt độ thiêu kết Độ xốp hở độ bền học gốm xốp bị ảnh hưởng nhiều nhiệt độ thiêu kết [27] (Hình 12) thay đổi độ xốp hở cường độ uốn gốm thiêu kết nhiệt độ 14001550◦C lưu không khí Có thể thấy độ xốp hở giảm tăng nhiệt độ thiêu kết, với độ xốp hở lớn đạt 53,5% nhiệt độ nung 1400◦C 12 Hình 12: Độ xốp hở cường độ uốn mẫu S4 với nhiệt độ thiêu kết 1400-1550◦C lưu môi trường nung không khí thường Tuy nhiên nhiệt độ cường độ uốn lại thấp (chỉ đạt 5,1 Mpa-khi độ xốp hở đạt cao nhất) Cường độ uốn tăng gia tăng nhiệt độ thiêu kết Độ bền uốn lớn mẫu pha 4% sợi mulit thiêu kết 1450 ◦C 15,7 MPa Khi nhiệt độ thiêu kết tăng lên đến 1550◦C cường độ uốn giảm đến 7,8 MPa Hình 13: Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) mẫu nung 1400÷1550◦C với thời gian lưu (Hình 13) cho thấy nhiễu xạ tia X mẫu gốm (SCPCs) thiêu kết 1400 -1550◦C lưu không khí Lượng cristobalite tăng nhanh trình oxy hóa, điều phù hợp với chế kết tủa học [27,28] Khi nhiệt độ > 1450◦C, chiều cao peak zircon cristobalit tăng trình oxy hóa nghiêm trọng bua silic Sự gia tăng pha cristobalit thúc đẩy hình thành vi vết nứt hạt SiC trình làm mát sản phẩm [29,30] Ngoài ra, phần zircon bị phân hủy thành SiO2 ZrO2 làm suy yếu kết nối hạt SiC nhiệt độ > 1550◦C [31,32] Do cường độ uốn giảm nhiệt độ thiêu kết > 1450◦C Các phân tích Xray cho thấy pha mulit không thay đổi theo nhiệt độ Để chuẩn bị tối ưu cho mẫu, tất khía cạnh trình tổng hợp gốm (SCPCs) cần xem xét, trình thiêu kết 1450◦C lưu cho phép đạt cường độ uốn 15,7 MPa độ xốp hở 46,8% 3.3.2/ Thời gian lưu sản phẩm 13 Hình 14:(A) Đối chiếu độ xốp hở với lượng mulit khác theo thời gian lưu (B) Đối chiếu cường độ uốn với lượng mulit khác theo thời gian lưu (Hình 14A) cho thấy thay đổi độ xốp hở với lượng mulit khác thiêu kết 1450◦C lưu 0÷6 không khí Độ xốp hở tăng lên sau giảm xuống, thảo luận phần 3.1.1 Với thời gian giữ lâu hơn, độ xốp mở giảm tăng pha lỏng cristobalit, gây tượng co rút nén chặt (Hình 14B) cho thấy cường độ uốn hàm hàm lượng mulit theo thời gian lưu khác Cường độ uốn tăng cường kết kết nối tốt vị trí tiếp xúc hạt SiC xác nhận vi cấu trúc vật liệu (Hình 15) Hình 15: Phân tích hình thái vi cấu trúc (SEM) bề mặt mẫu S4 (nung lưu 1450oC 0÷6 giờ; hình 15A, B, C tương ứng với thời gian lưu giờ, giờ; hình 15D hình ảnh phóng đại từ ô màu xanh bên hình 15C Vi cấu trúc gốm (SCPCs) thay đổi đáng kể thời gian lưu kéo dài tạo điều kiện cho phản ứng xảy hoàn toàn Có nhiều sợi mulit ZrO2 quan sát bề mặt mẫu lưu ZrO2 phát mẫu lưu 14 Các sợi mulit đóng vai trò cầu nối hiệu từ chúng làm tăng độ bền uốn vật liệu gốm [33] Tuy nhiên, thời gian lưu mẫu kéo dài đến trình làm nguội mẫu xuất vi vết nứt, điều hệ số giãn nở nhiệt khác SiC SiO2 (xem hình 15D) Tuy nhiên, cường độ uốn mẫu cao so với mẫu thiêu kết lưu nhờ tầm quan trọng sợi mulit việc ngăn chặn phát triển vi vết nứt [34,35] Sự lan truyền vi vết nứt hấp thụ nhiều lượng biến dạng đàn hồi Như vậy, thấy cường độ uốn cao mẫu S4 16,8 MPa với 6% sợi mulit đạt 15, MPa với 8% mulit Vì vậy, cần quan tâm đến độ bền học độ xốp hở màng hỗ trợ, thời gian lưu tối ưu việc chế tạo gốm xốp (SCPCs) 3.4 Sự phân bố kích thước lỗ rỗng độ thấm khí vật liệu gốm SCPCs Hình 16: Sự phân bố kích thước lỗ rỗng gốm (SCPCs) theo lượng mulit thêm vào thử nghiệm theo phương pháp GBP (Hình 16) cho thấy phân bố kích thước lỗ gốm SCPCs (với lượng mulit khác nhau) theo phương pháp áp suất bóng khí (Gas Bubble Pressure-GBP) Kích thước lỗ rỗng trung bình thực tế mẫu S0 13µm tăng lên 20µm có 4% sợi mulit có mặt sợi mulit làm giảm diện tích tiếp xúc hạt SiC Cùng với hàm lượng mulit tăng lên nữa, kích thước trung bình lỗ xốp lại giảm 14,5µm Sự suy giảm sợi mulit xắp xếp thừa lỗ rỗng dẫn đến giảm kích thước lỗ rỗng bên vật liệu gốm Hình 17A cho thấy dòng khí di chuyển vật liệu gốm (SCPCs) áp suất đặt vào Tốc độ dòng khí chứng minh mối quan hệ tỷ lệ thuận với áp suất Có thể thấy tốc độ dòng khí cao mẫu S4 độ xốp hở cao kích thước lỗ rỗng trung bình lớn hơn, với độ thấm khí tối đa đạt 1600 m3/m2.h.kPa Hình 17B cho thấy thay đổi độ thấm khí với hàm lượng mulit khác Hệ số khí thấm đạt 16,4x10-12 m2 nhiệt độ phòng, nói hệ số thấm khí mẫu S4 gấp lần so với mẫu S0 Bảng cho thấy độ xốp hở, kích thước lỗ rỗng thực tế độ thấm khí loại vật liệu xốp khác Độ thấm khí gốm (SCPCs) xem cao khoảng 8,5 lần so với vật liệu thủy tinh tổng hợp [23], cao 15 lần so với bột mullite [36] Các hệ số thấm cao báo cáo khoảng 10-11÷10-10 m2 với 86% độ xốp hở [37] Ở đây, hệ số thấm khí (SCPCs) nghiên cứu đạt 1,64×10-11 m2 với 46,8% độ xốp hở Tính thấm khí gốm xốp (SCPCs) nghiên cứu này gần đạt tới độ xốp vật liệu xốp (xem Bảng 2) 15 Hình 17: Áp suất khí mẫu chứa 0-8% mulit (A) Sự thay đổi hệ số thấm khí mẫu gốm (theo hàm lượng mulit khác nhau) Vật liệu Gốm xốp Al2O3 [22] Gốm xốp SiC [23] Gốm xốp SiC [36] Gốm xốp SiC [29] Gốm xốp SiC [30] Bọt SiC [37] Bọt SiC [26] Gốm (SCPCs) BẢNG Độ xốp hở (%) Kích thước trung bình lỗ rỗng (µm) 39 8,5 49 7,5 62 20,0 58 15,0 75 6,6 87 34,0 81 150 47 20,0 Hệ số thấm khí (m2) 4,1x10-14 1,9x10-12 1,1x10-12 1,9x10-12 0,8x10-12 2,3x10-11 9,4x10-11 1,64x10-11 3.5) Độ bền sốc nhiệt Hình 18: Cường độ uốn gốm (SCPCs) ứng với số chu kỳ làm nguội - đốt nóng từ nhiệt độ phòng đến 800◦C Độ bền sốc nhiệt gốm (SCPCs) định trực tiếp đến tuổi thọ làm việc chúng nhiệt độ cao Hình 18 cho thấy thay đổi cường độ uốn gốm (SCPCs) từ nhiệt độ phòng tới 800◦C Gốm xốp SiC cường độ uốn nhiệt độ cao khả chống sốc nhiệt chúng [38,39] Độ bền uốn ban đầu gốm (SCPCs) với loại sợi mulit đạt 17,8 MPa giảm theo chu kỳ nóng-lạnh Tuy nhiên, gốm xốp (SCPCs) chứa sợi mulit 16 ổn định tốt sau 60 chu kỳ nóng-lạnh Cường độ uốn (SCPCs) giảm sau nhiều chu kỳ nónglạnh khác biệt hệ số giãn nở nhiệt thành phần pha Hệ số dãn nở nhiệt SiC mulit tương ứng 4,7×10-6/K, 4,3×10-6/K, hệ số dãn nở nhiệt SiO2 0,5×10-6/K Trong chu kỳ xử lý nóng-lạnh, khác biệt hệ số giãn nở nhiệt gây số lượng lớn vết nứt tế vi [40] Cường độ uốn gốm xốp giảm nhẹ làm mát nước Điều tỏa nhiệt từ từ giảm nhanh nhiệt độ dẫn đến vết nứt tế vi phần nối hạt SiC Tuy nhiên, cường độ uốn gốm dần trở nên ổn định sau nhiều chu kỳ hệ số dãn nở nhiệt SiC mulit gần Thành phần pha nơi gắn kết hạt SiC có chứa lượng nhỏ cristobalit sợi mulit chúng ngăn cản lan truyền vết nứt tế vi vị trí nối hạt SiC [41] Do thấy gốm xốp cacbua silic có độ bền sốc nhiệt tốt 4) Ứng dụng thực tế gốm xốp SCPCs Gốm xốp (SCPCs) ứng dụng nhiều công nghệ lọc khí nóng, vật liệu hấp phụ công nghệ phân tách khí So với vật liệu khác màng polyme vật liệu oxit khác, màng gốm bua silic thể ổn định hóa học tuyệt vời, đồng thời có độ bền cao sử dụng vào công nghệ phân tách điều kiện khắc nghiệt chất lỏng ăn mòn khí nóng việc chế tạo vật liệu lọc dạng tấm, dạng tổ ong… Hình 19: Tấm lọc dạng phẳng Hình 20: Vật liệu lọc gốm xốp SiC chế tạo dạng tổ ong 17 Hình 21: Lọc hỗn hợp khí nóng (chất lỏng nóng) có lẫn tạp chất nhà máy công nghiệp KẾT LUẬN Việc tạo hình cách ép khô phản ứng liên kết trực tiếp pha rắn tạo gốm xốp SiC với độ thấm khí cao thành công lớn Các sợi mulit tăng cường cho gốm (SCPCs) qua ba chế: cầu sợi, phân tán vết nứt chế kéo dãn Nhiệt độ tối ưu trình thiêu kết 1450◦C thời gian lưu sản phẩm Việc bổ sung sợi mulit cải thiện độ xốp cường độ uốn tương ứng 5,4% 2,2 lần lên 46,8% 15,7 MPa Kích thước lỗ rỗng tăng 1,53 lần đến 20µm sau bổ sung 4% sợi mulit Nghiên cứu cho thấy bù đắp 18 ảnh hưởng độ xốp đến cường độ uốn gốm xốp cách pha trộn với cá sợi mulit Vấn đề lại cần giải phân tán hiệu kết nối sợi toàn hạt SiC Độ thấm khí đạt 1600 m3/m2.h.KPa hệ số khí thấm 1,64×10-11 m2, gần với thuộc tính vật liệu bọt gốm SiC Vật liệu cho thấy cải thiện đáng kể so với vật liệu gốm xốp có trước Trong thử nghiệm độ bền sốc nhiệt, cường độ uốn gốm (SCPCs) đạt 14,5 MPa sau 60 chu kỳ nóng-lạnh (từ nhiệt độ phòng đến 800◦C), cho thấy khả chống sốc nhiệt tốt Tóm lại, gốm xốp (SCPC) có gia cố sợi Mulit cho thấy tiềm đầy hứa hẹn cho ứng dụng tương lai ngành công nghiệp lọc, đặc biệt lĩnh vực lọc khí nóng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] W.X Deng, X.H Yu, M Sahimi, T.T Tsotsis, Highly permeable porous silicon carbide support tubes for the preparation of nanoporous inorganic membranes, J Membr Sci 451 (2014) 192–204 [2] K.J König, V Boffa, B Buchbjerg, A Farsi, M.L Christensen, G Magnacca, Y.Z Yue, One-step deposition of ultrafiltration SiC membranes on macroporous SiC supports, J.Membr Sci 472 (2014) 232–240 [3] S Heidenreich, W Haag, M Salinger, Next generation of ceramic hot gas filter with safety fuses integrated in venturi ejectors, Flue 108 (2013) 19–23 [4] M Herrmann, G Standke, S Höhn, G Himpel, T Gestrich, High-temperature corrosion of silicon carbide ceramics by coal ashes, Ceram Int 40 (2014)1471–1479 [5] M Nacken, S Heidenreic, M Hackel, G Schaub, Catalytic activation of ceramic filter elements for combined particle separation: NOx removal and VOC total oxidation, Appl Catal B-Environ 70 (2007) 370–376 [6] Y.A Kim, J.H Choi, J Scott, K Chiang, R Amal, Preparation of high porous Pt-V2O5 WO3 /TiO2/SiC filter for simultaneous removal of NO and particulates, Powder Technol 180 (2008) 79–85 [7] B Elyassi, M Sahimi, T.T Tsotsis, Silicon carbide membranes for gas separation applications, J Membr Sci 288 (2007) 290–297 [8] B Elyassi, M Sahimi, T.T Tsotsis, A novel sacrificial interlayer-based method for the preparation of silicon carbide membranes, J Membr Sci 316 (2008) 73–79 [9] Y Zhou, M.B Fukushima, H Miyazaki, Y Yoshizawa, K Hirao, Y Iwamoto, K Sato, Preparation and characterization of tubular porous silicon carbide membrane supports, J.Membr Sci 369 (2011) 112–118 [10] H Yoshihiro, S Naoto, M Naoki, Particle size effect of starting SiC on processing: microstructures and mechanical properties of liquid phase-sintered SiC, J Eur Ceram Soc 30 (2010) 1945–1954 [11] W.W Chen, Y Miyamoto, Fabrication of porous silicon carbide ceramics with high porosity and high strength, J Eur Ceram Soc 34 (2014) 837–840 [12] K.Y Lim, Y.W Kim, I.H Song, Low-temperature processing of porous SiC ceramics, J.Mater Sci 48 (2013) 1973–1979 [13] J.H Eom, Y.W Kim, Low-temperature processing of silicon oxycarbide-bonded silicon carbide, J Am Ceram Soc 93 (2010) 2463–2466 [14] J.H She, Z.Y Deng, J.D Doni, Oxidation bonding of porous silicon carbide ceramics, J.Mater Sci 37 (2002) 3615–3622 [15] S.Q Ding, S.M Zhu, Y.P Zeng, Fabrication of mullite-bonded porous silicon carbide ceramics by in siu reaction bonding, J Eur Ceram Soc 27 (2007) 2095–2102 [16] X.Y Bai, Fabrication and properties of cordierite–mullite bonded porous SiC ceramics, Ceram Int 40 (2014) 6225–6231 [17] S.Q Ding, Y.P Zeng, D.L Jiang, In-situ reaction bonding of porous SiC ceramics, Mater.Charact 59 (2008) 140–143 [18] B.H Kim, Y.H Na, Fabrication of fiber-reinforced porous ceramics of Al2O3 -mullite and SiCmullite systems, Ceram Int 21 (1995) 381–384 [19] Y Wang, H.F Cheng, J Wang, Effects of the single layer CVD SiC interphases on mechanical properties of mullite fiber-reinforced mullite matrix composites fabricated via a sol-gel process, Ceram Int 40 (2014) 4707–4715 [20] S.S Huang, W.C Zhou, F Luo, Mechanical and dielectric properties of short carbon fiber reinforced 19 Al2O3 composites with MgO additive, Ceram Int 40 (2014) 2785–2791 [21] H Schneider, J Schreuer, B Hildmann, Structure and properties of mullite-a review, J.Eur.Ceram Soc 28 (2008) 329–344 [22] T Isobe, Y Kameshimaa, A Nakajima, K Okada, Y Hotta, Gas permeability and mechanical properties of porous alumina ceramics with unidirectionally aligned pores, J.Eur Ceram Soc 27 (2007) 53–59 [23] B Wang, H Zhang, H.T Phuong, F Jin, J.F Yang, K Ishizaki, Gas permeability and adsorbability of the glass-bonded porous silicon carbide ceramics with controlled pore size, Ceram Int 41 (2015) 2279–2285 [24] Z.H Tian, Application of waterlog suspend method for fast detecting and analyzing grain moisture content, J Chin Cereals Oil Assoc 26 (2011)100–102 [25] G Xu, K Wang, Z Zhong, C Chen, P.A Webley, H Wang, SiC nanofibers reinforced porous ceramic hollow fiber membranes, J Mater Chem A 2(2014) 5841–5846 [26] T Tomita, S Kawasak, Effect of viscosity on preparation of foamed silica ceramics by a rapid gelation foaming method, J Porous Mater 12 (2005) 123–129 [27] M Fukushima, Y Zhou, Y Yoshizawa, Fabrication and microstructural characterization of porous SiC membrane supports with Al2O3 −Y2O3 additives, J Membr Sci 339 (2009) 78–84 [28] R.A Howald, I Eliezer, Thermodynamic properties of mullite, J Phys Chem 82 (1978) 2199–2204 [29] J.H Eom, Y.W Kim, I.H Song, Effects of the initial -SiC content on the microstructure mechanical properties, and permeability of macro-porous silicon carbide ceramics, J.Eur.Ceram Soc 32 (2012) 1283–1290 [30] I.H Song, I.M Kwon, H.D Kim, Y.W Kim, Processing of microcellular silicon carbide ceramics with a duplex pore structure, J Eur Ceram Soc 30 (2010) 2671–2676 [31] S.F Wang, C.G Wang, J.L Sun, Fabrication of porous SiC ceramics bonded by in-ituformed zirconite, J Chin Ceram Soc 39 (2011) 502–506 [32] L Weng, W Han, C Hong, Fabrication and thermal shock resistance of HfB2-SiC composite with B4C additives, Mater Sci Poland 29 (2011) 248–252 [33] D Sciti, D.D Fabbriche, S Guicciardi, Combined effect of SiC chopped fibers and SiC whiskers on the toughening of ZrB2, Ceram Int 40 (2014) 4819–4826 [34] F Han, Z.X Zhong, F Zhang, W.H Xing, Y.Q Fan, Preparation and characterization of SiC whisker-reinforced SiC porous ceramics for hot gas filtration, Ind Eng Chem Res 54 (2015) 226– 232 [35] S Lin, Y.M Zhang, J.C Han, Y.F Zhou, Fabrication and characterization of SiC whisker reinforced reaction bonded SiC composite, Ceram Int 39 (2013) 449–455 [36] S.Q Ding, Y.P Zeng, D.L Jiang, Gas permeability behavior of mullite-bonded porous silicon carbide ceramics, J Mater Sci 42 (2007) 7171–7175 [37] M Fukushima, M Nakata, T Ohji, Y.I Yoshizawa, Fabrication and properties of ultra highly porous silicon carbide by the gelation-freezing method, J Eur.Ceram Soc 30 (2010) 2889–2896 [38] S Kitaoka, Y Matsushima, Thermal cyclic fatigue behavior of porous ceramics for gas cleaning, J Am Ceram Soc (2004) 906–913 [39] P Pastila, V Helanti, A.P Nikkila, T Mantyla, Envrionmental effects on microstructure and strength of SiC-based hot gas filters, J Eur Ceram Soc 21 (2001) 1261–1268 [40] L Weng, W Han, C Hong, Fabrication and thermal shock resistance of HfB2-SiC composite with B4C additives, Mater Sci, Poland 29 (2011) 248–252 [41] K Park, T Vasilos, Microstructure and thermal shock resistance of Al2O3 fiber/ZrO2 and SiC fiber/ZrO2 composites fabricated by hot pressing, J Membr.Sci 34 (1999) 2837–2842 20 ... (theo hàm lượng mulit khác nhau) Vật liệu Gốm xốp Al2O3 [22] Gốm xốp SiC [23] Gốm xốp SiC [36] Gốm xốp SiC [29] Gốm xốp SiC [30] Bọt SiC [37] Bọt SiC [26] Gốm (SCPCs) BẢNG Độ xốp hở (%) Kích... d) Sợi mulit α-Al2O3 bổ sung chất gia cố tăng cường : Cấu trúc tinh thể mulit (xem Hình C), Hình dạng sợi mulit (xem Hình 3) Hình D: Cấu trúc tinh thể mulit (α-Al2O3) Với hàm lượng khác sợi Mulit. .. lên 20µm có 4% sợi mulit có mặt sợi mulit làm giảm diện tích tiếp xúc hạt SiC Cùng với hàm lượng mulit tăng lên nữa, kích thước trung bình lỗ xốp lại giảm 14,5µm Sự suy giảm sợi mulit xắp xếp