Nghiên cứu đặc trưng, cấu trúc và tính chất của gốm hàm lượng oxit nhôm cao

nhằm tạo ra phôi mộc từ các vật liệu đã được đồng nhất trước đó; Quá trình sấy để loại bỏ nước tự do nằm ở các lỗ trống giữa các hạt vật liệu và nước liên kết hoá lý gồm nước hấp phụ, nư

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ VĂN THỤ

THÁI NGUYÊN - 2017

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Khoa học

Đại học Thái Nguyên



Người hướng dẫn khoa học:

Phản biện 1: PGS.TS Vũ Đức Lợi - Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa

học và Công nghệ Việt Nam

Phản biện 2: TS Vương Trường Xuân - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đến với TS Lê Văn Thụ Thầy đã giao đề tài, nhiệt tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp tôi thực hiện và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Hoá phân tích nói riêng và trong khoa Hoá học nói chung đã dạy dỗ, chỉ bảo và động viên tôi trong thời gian tôi học tập tại trường Đại học Khoa Học - Đại Học Thái Nguyên

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ của Viện Hoá học-Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự; Khoa hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; Khoa Công nghệ Hoá học, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; Viện kỹ thuật Hoá học, Sinh học và Tài liệu nghiệp vụ, Bộ Công

an đã tạo điều kiện hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong thời gian làm thực nghiệm

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, các bạn học viên cao học của bộ môn Hoá phân tích đã luôn động viên, tận tình giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và thực hiện luận văn này

Hải Phòng, ngày 01 tháng 04 năm 2017

Tác giả luận văn

Đồng Thị Nhung

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN a MỤC LỤC b DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT d DANH MỤC CÁC BẢNG e DANH MỤC CÁC HÌNH f

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Gốm hàm lượng oxit nhôm cao 3

1.1.1 Oxit nhôm 3

1.1.2 Chất kết dính 5

1.1.3 Phụ gia thiêu kết 5

1.2 Công nghệ chế tạo gốmoxit nhôm 6

1.2.1.Công nghệ ép tạo hình 6

1.2.2 Công nghệ sấy phôi gốm 9

1.2.2.1 Mục đích, yêu cầu 9

1.2.2.2 Chế độ sấy 10

1.2.2.3 Phân loại thiết bị sấy 12

1.2.3 Công nghệ nung thiêu kết phôi gốm 13

1.2.3.1 Quá trình xảy ra khi nung thiêu kết phôi gốm 13

1.2.3.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm 17

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 20

2.1 Nguyên vật liệu 20

2.2 Thiết bị 20

2.2.2 Thiết bị phân tích 20

2.3 Thực nghiệm 21

2.4.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 23

2.4.2 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-Ray) 23

2.4.3 Phương pháp phân tích nhiệt (DSC/TGA) 24

2.4.4 Phương pháp phân tích cỡ hạt 25

2.4.5 Xác định tính chất cơ học của vật liệu 25

2.4.5.1 Đánh giá độ cứng của vật liệu gốm cao nhôm 25

2.4.6 Phương pháp cân thủy tĩnh 26

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28

3.1 Phân tích nguyên liệu đầu 28

3.4 Phân tích tính chất gốm cao nhôm ởáp lựcépkhác nhau 32

3.4.2 Phân tíchhình thái học của gốm 33

3.5 Phân tích tính chất của gốm cao nhômở chế độ sấy khác nhau 35

3.6 Phân tích tính chất của gốm cao nhôm ở nhiệt độ thiêu kết khác nhau 49

3.7 Cấu trúc và tính chất của gốm cao nhôm khi bổ sung MgO, TiO2 52

3.7.1 Phân tích thành phần pha của gốm cao nhôm 52

3.7.2 Phân tích nhiễu xạ tia X gốm cao nhôm 54

3.7.3 Chỉ tiêu kỹ thuật của gốm cao nhôm 56

3.7.4 Cấu trúc hình thái học của gốm cao nhôm 57

3.8 Phân tích và so sánh tính chất mẫu gốm chế tạođược với mẫu gốm cao nhôm của Úc 62

3.8.1 Phân tích và so sánh thành phần pha của gốm 63

3.8.2 Phân tích và so sánh hình thái học của gốm 63

3.8.3 Phân tích và so sánh chỉ tiêu kỹ thuật của gốm 64

KẾT LUẬN 66

CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA HỌC VIÊN LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

PVA Poly Vinyl Alcol

PEG Poly Etylen Glycol

SAPI Small Arms Protective Inserts

ESAPI Enhanced SAPI

SEM Scanning Electron Microscope

DSC Differential Scanning Calorimetry

TGA Thermal Gravimetric analysis

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Chỉ tiêu chất lượng chính của gốm cao nhôm 3

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của một số oxit nhôm hoạt tính siêu mịn 4

Bảng 3.1 Phân tích tính chất cơ lý của các mẫu gốm oxit nhôm 31

Bảng 3.2 Phân tích độ cứng và tỷ trọng của gốm ở áp lực ép khác nhau 33

Bảng 3.3 Tính chất của gốm cao nhôm ở nhiệt độ sấy khác nhau 36

Bảng 3.4 Tính chất của gốm cao nhôm ở thời gian sấy khác nhau 39

Bảng 3.5.Tính chất của gốm cao nhôm ở tốc độ sấy khác nhau 48

Bảng 3.6 Phân tích tính chất của gốm cao nhôm ở nhiệt độ thiêu kết khác nhau 50

Bảng 3.7 Chỉ tiêu kỹ thuật của gốm cao nhôm 57

Bảng 3.8 So sánh đỉnh pic và cường độ pic của mẫu gốm chế tạo (a) và gốm cao nhôm của Úc (b) 63

Bảng 3.9 So sánh chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu gốm chế tạo được (a) và gốm cao nhôm của Úc (b) 65

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của Al2O3 4

Hình 1.2 Khuôn định hình tấm gốm kích thước 56 x 56 mm 8

Hình 3.1 Giản đồ phân tích cỡ hạt của -Al2O3, TiO2, MgO 28

Hình 3.2 Phân tích nhiễu xạ tia X của mẫu gốm oxit nhôm ban đầu (mẫu G0)29 Hình 3.3 Ảnh SEM của mẫu gốm oxit nhôm ban đầu (mẫu G0) 30

Hình 3.4 Ảnh SEM bề mặt cắt mẫu gốm cao nhôm ở lực ép khác nhau 34

Hình 3.5 Bề mặt gốm cao nhôm sau khi sấy với tốc độ gia nhiệt 5oC/phút, thời gian giữ nhiệt 24 giờ ở 90oC (a), 100oC (b), 110oC (c), 115oC (d) và 120oC (e)36 Hình 3.6 Ảnh chụp bề mặt gốm cao nhôm sau khi sấy với nhiệt độ sấy 110oC, tốc độ gia nhiệt 5oC/phút trong 15 giờ (a), 20 giờ (b), 24 giờ (c), 38

Hình 3.7 Ảnh chụp bề mặt gốm cao nhôm sau khi nung cùng chế độ với nhiệt độ sấy 110 oC, thời gian sấy 24h, tốc độ gia nhiệt 3oC/ phút (a), 5oC/ phút (b), 7oC/ phút (c), 10oC/ phút (d) 47

Hình 3.8 Giản đồ phân tích nhiệt vi sai phôi gốm mộc sau khi sấy S2 48

Hình 3.9 Quá trình kết khối của các hạt oxit nhôm 51

Hình 3.10 Giản đồ pha hai thành phần Al2O3- TiO2 52

Hình 3.11 Giản đồ pha hai thành phần Al2O3- MgO 53

Hình 3.12 Giản đồ pha ba thành phần Al2O3-TiO2-MgO 54

Hình 3.13 Phân tích nhiễu xạ tia X mẫu gốm cao nhôm (G10) 55

Hình 3.14 Phân tích nhiễu xạ tia X mẫu gốm G10, độ phóng đại 10 lần 56

Hình 3.15 Ảnh SEM của mẫu gốm cao nhôm G3 58

Hình 3.16 Ảnh SEM của mẫu gốm cao nhôm G4 59

Hình 3.17 Ảnh SEM của mẫu gốm cao nhôm G10 59

Hình 3.18 Ảnh mẫu gốm cao nhôm chế tạo được 60

Hình 3.19.Phân tích nhiễu xạ tia X mẫu gốm chế tạo (a) và gốm cao nhôm của Úc (b) 62

Hình 3.20 So sánh ảnh SEM của mẫu gốm chế tạo (a) và gốm cao nhômcủa Úc (b), độ phóng đại 3000 lần 64

MỞ ĐẦU

Người ta phân chia gốm thành hai loại chính là gốm truyền thống và gốm đặc biệt Gốm truyền thống là loại vật liệu vô cơ có cấu trúc đa tinh thể với một lượng pha thủy tinh nhất định được tạo thành từ nguyên liệu bột mịn, chủ yếu là

ra sản phẩm có vi cấu trúc và các chỉ tiêu cơ lý tính theo yêu cầu sử dụng Gốm

-nền gốm) [7, 9] Gốm đặc biệt có nhiều các tính năng quý như: khả năng chịu nhiệt độ cao, chịu tải trọng va đập lớn, có độ bền cao, môđun đàn hồi cao và nhiều tính năng đặc biệt khác mà các gốm truyền thống không có được

Gốm hàm lượng oxit nhôm cao (gọi tắt là gốm cao nhôm) là gốm đơn oxit

như: chịu va đập lớn, có độ bền cao, khả năng chịu lửa cao, cách nhiệt tốt và khả năng chịu được thay đổi nhiệt độ lớn, hệ số dãn nở nhiệt nhỏ và có nhiều tính năng đặc biệt khác [1, 5] Gốm oxit nhôm có thể chế tạo ra các sản phẩm được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật, trong công nghiệp hiện đại kể cả các lĩnh vực cần các chỉ tiêu cơ lý hóa đặc biệt cao như: chế tạo bi nghiền công nghiệp, làm buồng lót động

cơ phản lực, ống phun lửa, ống chịu nhiệt trong lò nung Gốm cao nhôm còn được sử dụng làm áo giáp chống đạn, lá chắn chống đạn, bộ phận chống đạn ốp lên xe tăng, xe thiết giáp quân sự, sàn máy bay trực thăng [4, 16]

Cấu trúc và tính chất của gốm hàm lượng oxit nhôm caophụ thuộc vào các công đoạn chế tạo như: quá trình tạo hình gốm (tạo hình ép khô, bán khô hay ép ẩm ) nhằm tạo ra phôi mộc từ các vật liệu đã được đồng nhất trước đó; Quá trình sấy để loại bỏ nước tự do nằm ở các lỗ trống giữa các hạt vật liệu và nước liên kết hoá lý (gồm nước hấp phụ, nước hydrat hoá và nước trương nở trong các lớp khoáng sét ); Quá trình nung thiêu kết phôi gốm nhằm tạo ra phản ứng ở nhiệt

độ cao của các cấu tử trong nguyên liệu, quá trình kết khối, quá trình xuất hiện pha lỏng, quá trình hoà tan và tái kết tinh các tinh thể nhằm tạo ra vật liệu có vi

cấu trúc mới thể hiện thông qua hình dạng và kích thước các hạt, cách phân bố, hướng và sự tiếp xúc giữa các hạt, số lượng và chất lượng pha thuỷ tinh và sự

vào gốm cao nhômlàmgiảm nhiệt độ thiêu kết, tăng cường sự kết khối và tính chất cơ lý của vật liệu[2, 38, 41]

Từ những vấn đề nêu trên, chúng tôi tiến hành thực hiện luận văn với tiêu

đề “Nghiên cứu đặc trưng, cấu trúc và tính chất của gốm hàm lượng oxit nhôm

cao" với mục tiêu phân tích thành phần vật liệu, mẫu gốm oxit nhôm, phân tích

ảnh hưởng của phương pháp tạo hình phôi gốm mộc, quá trình sấy phôi gốm mộc,

đến cấu trúc và tính chất của vật liệu gốm cao nhôm Phân tích, xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu gốm chế tạo và so sánh với mẫu gốm cao nhôm của nước ngoài

Nội dung nghiên cứu chính của luận văn:

-Phân tích lựa chọn nguyên liệu đầu, mẫu gốm cao nhôm phù hợp

- Phân tích chỉ tiêu kỹ thuật của gốm với thành phần phối liệu khác nhau

- Phân tích cấu trúc hình thái học, độ cứng và tỷ trọng của gốm ở các áp lực

ép khác nhau

- Phân tích nhiệt vi sai, xác định tính chất cơ lý của gốm ứng với tốc độ, thời gian và nhiệt độ sấy khác nhau

- Phân tích chỉ tiêu kỹ thuật của gốm ở các nhiệt độ thiêu kết khác nhau

- Phân tích thành phần pha, nhiễu xạ tia X, cấu trúc hình thái học và chỉ tiêu

kỹ thuật của mẫu gốm cao nhôm chế tạo được

- Phân tích và so sánh tính chất của mẫu gốm chế tạo vớimẫu gốm cao nhôm của nước ngoài

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Gốm hàm lượng oxit nhôm cao

Có hai loại gốm chính là: gốm truyền thống và gốm đặc biệt Gốm truyền thống là gốm có nguyên liệu chế tạo từ đất sét, cao lanh Gốm đặc biệt là gốm được tạo thành từ nguyên liệu như nitrua, cacbua hoặc các đơn oxit Gốm đặc biệt

có nhiều các tính năng quý như: khả năng chịu nhiệt độ cao, chịu tải trọng va đập lớn, có độ bền cao, môđun đàn hồi cao và nhiều tính năng đặc biệt khác mà các gốm truyền thống không có được

Gốm hàm lượng oxit nhôm cao (gốm cao nhôm)là gốm đơn oxit với thành

tốt nên được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật, công nghiệp và an ninh quốc phòng [5, 12, 21].Các chỉ tiêu chất lượng chính của gốm cao nhôm được trình bày tại bảng 1.1

Bảng 1.1 Chỉ tiêu chất lượng chính của gốm cao nhôm

ở dạng tinh khiết, còn dạng β chỉ tạo ra khi có mặt của tạp chất Trong tự nhiên,

làm vật liệu chuyên dụng có những tính năng rất đặc biệt như chống va đập, bi nghiền, [11, 31, 34]

Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của Al 2 O 3

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của một số oxit nhôm hoạt tính siêu mịn

axit và kiềm Ở nhiệt độ cao nó phản ứng được với hydroxit, cacbonat, hidrosunfat

hình 1.1.Thông số kỹ thuật của một số sản phẩm oxit nhôm hoạt tính siêu mịnđược trình bày tại bảng 1.2

1.1.2 Chất kết dính

Chất kết dính được sử dụng để liên kết các hạt bột (oxit nhôm, phụ gia ) trong quá trình tạo hình sản phẩm ban đầu (sản phẩm mộc) Chất kết dính có tác dụng liên kết ban đầu để định hình sản phẩm và sau khi thiêu kếtchúng phải cháy hết, không còn nằm trong sản phẩm gốm [15, 39] Chất kết dính có thể là: tinh bột, keo ATM, Poly vinyl alcol (PVA), Copolime vinyl axetat etylen, PEG (Poly etylen glycol)

1.1.3 Phụ gia thiêu kết

Khác với chất kết dính,phụ gia thiêu kếtdùng trong chế tạo gốm có mục đích khác nhau: tăng hoặc giảm kích thước hạt tinh thể, tăng tốc độ thiêu kết hoặc tốc độ co ngót, giảm nhiệt độ thiêu kết, thay đổi sự phân bố lỗ xốp, thay đổi tính chất vật lý và hóa học, loại bỏ tạp chất Ảnh hưởng cụ thể của quá trình kết khối

và sự lớn hạt khi thiêu kết gốm cao nhôm của các loại oxit thường dùng làm phụ gia thiêu kết được trình bày tại [24, 27, 30].Nói chung, có thể chia phụ giathiêu kết thành 4 loại chính:

- Thúc đẩy quá trình kết khối và kìm hãm sự lớn hạt (tiêu biểu trong nhóm này là MgO);

- Thúc đẩy quá trình kết khối và thúc đẩy sự lớn hạt (tiêu biểu trong nhóm

Trong hệ đa cấu tử, pha α- Al2O3 tương tác với các cấu tử khác, là tạp chất hoặc các chất phụ gia, tạo thành các hợp chất hóa học Tùy thuộc vào điều kiện tương tác (bản chất, độ hoạt hóa và hàm lượng các chất phụ gia, nhiệt độ, ) mà

số lượng, vị trí của các pha mới sẽ được hình thành

* Magie oxit (MgO)tinh khiết có nhiệt độ nóng chảy cao, 2852oC, nhưngnó

dễ tạo pha eutectic với các oxit khác dẫn đến nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều.MgO được sử dụng trong vật liệu gốm nhờ hai đặc tính quan trọng là: độ

làm tăng mật độ của phôi gốm [3] Tuy nhiên, hàm lượng MgO trong gốm phải khống chế hợp lý để tránh gây giòn cho sản phẩm sau khi chế tạo

* Titan dioxit (TiO2): có dạng bột màu trắng, bền nhiệt, tồn tại ở bốn dạng

thù hình: dạng vô định hình và ba dạng tinh thể: anatase, rutile, brookite Pha tinh

bền và chuyển thành rutile khi nung nóng

cách Ti-Ti trong tinh thể dạng rutile (2,96Å) Trong khi đó, khoảng cách Ti-O

1.2 Công nghệ chế tạo gốm oxit nhôm

1.2.1.Công nghệ ép tạo hình

Tạo hình nhằm tạo ra bán thành phẩm mộc có hình dạng và kích thước hình học nhất định từ phối liệu đã được đồng nhất hóa trước đó.Các phương pháp tạo

hình chính gồm: tạo hình đổ rót, tạo hình dẻo, tạo hình ép khô, bán khô hay ép

ẩm, tạo hình màng gốm Phương pháp tạo hình được lựa chọn dựa trên cơ sở hình dạng, kích thước và các yêu cầu chỉ tiêu lý hóa của sản phẩm

Phương pháp tạo hình ép bán khô cho các loại vật liệu bột như phối liệu gốm kỹ thuật, kim loại, graphít, ferit, vật liệu chịu lửa, v.v thông dụng và phổ biến là ép tạo hình chúng trong khuôn kim loại với các chày ép theo phương thẳng đứng Việc tạo hình các sản phẩm từ vật liệu bột và đặc biệt là đối với phối liệu hầu như không có tính dẻo thường gặp nhiều khó khăn Quá trình nén vật liệu trong một khuôn cứng, ma sát của vật liệu với vách khuôn, độ dày không đồng đều của vật liệu theo hướng nén và ma sát trong của khối vật liệu đó sẽ cản trở việc làm chặt đều các bột liệu Điều này dẫn đến các khó khăn trong việc tạo hình

ra sản phẩm như mong muốn Trong nhiều trường hợp gây ra các rạn nứt trên các mặt biên, tạp chất bị mòn ra từ thành khuôn do mài mòn trong quá trình ép gây bẩn phối liệu, sản phẩm Đặc biệt là khó có thể tạo ra sản phẩm có chất lượng đồng nhất trong toàn bộ khối sản phẩm Chính vì vậy, sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sau khi thiêu kết

Trong chế tạo gốm chống đạn, mảnh gốm có hình dạng đơn giản (hình vuông hoặc lục giác đều với độ dầy như nhau) nên phương pháp tạo hình bằng ép khô và bán khôlà phù hợp Chế tạo khuôn định hình tấm gốm dạng hình vuông với các kích thước dài x rộng loại 56 x 56mm được trình bày tại hình 1.2

Giai đoạn tăng dần áp lực: Các hạt tiếp tục di chuyển và bắt đầu xảy ra hiện tượng biến dạng, có sự trượt lên nhau và vỡ hạt Khi đó khoảng cách giữa các hạt ngày càng giảm, giảm lỗ xốp đồng nghĩa với mật độ của sản phẩm tăng lên Tuy nhiên, do tạo hình sản phẩm bằng phương pháp ép nên trong sản phẩm mộc luôn tồn tại ứng suất dư là nguyên nhân chính gây nứt, vỡ, cong vênh sản phẩm Vì vậy, lựa chọn áp lực phù hợp luôn là vấn đề cần được quan tâm

Mặt khác, khi tăng áp lực ép kéo theo sự tăng của trở lực biến dạng chủ yếu

do nội ma sát hình thành khi ép Để tiến hành công nghệ tạo hình bằng ép khô và bán khô, thì cần chú ý các biện pháp sau:

+ Lựa chọn phối liệu phù hợp về thành phần, kích thước liệu tương đối đồng nhất

+ Độ ẩm và chất kết dính liệu phù hợp (khi độ ẩm cao, nhiều chất kết dính thì việc tạo hình ban đầu sẽ dễ dàng hơn nhưng sản phẩm sau khi nung lại có mật

độ không cao, nhiều rỗ xốp, cơ tính không cao Ngược lại, nếu độ ẩm thấp, ít chất kết dính thì lực ép phải lớn, sản phẩm sau khi nung dễ cong vênh, nứt, )

+ Sử dụng phụ gia, chất bôi trơn thích hợp để làm giảm nội ma sát

+ Áp lực ép thích hợp làm tăng độ bền, mật độ của sản phẩm mộc

+ Duy trì lực ép trong khoảng thời gian thích hợp để đảm bảo tốt quá trình thoát khí, triệt tiêu sự đàn hồi tức thời của nguyên liệu khi ép

Các bước sản xuất tối ưu áp dụng cho sản phẩm gốm cao nhôm chống đạn:

- Chuẩn bị liệu: phụ thuộc vào thành phần pha trộn, sự phân tán và những

hệ liên kết (tỉ lệ chất kết dính, nước, thành phần liệu, thời gian khuấy, trộn, )

- Quá trình làm khô liệu (điều chỉnh độ ẩm liệu)

- Quá trình làm sạch khuôn và bôi trơn khuôn ép

Mục đích của quá trình sấy là loại bỏ nước liên kết lý học (còn gọi là nước

tự do, nằm ở các lổ trống giữa các hạt vật liệu) hay nước liên kết hoá lý (bao gồm nước hấp phụ, nước hydrat hoá và ở các loại khoáng sét ba lớp silicat là nước trương nở)

Sản phẩm gốm nói chung là khá dày, lúc sấy nước ở bề mặt dễ bốc hơi gây nên chênh lệch hàm ẩm ở trên bề mặt và trong lòng sản phẩm, do đó nước ở trong lòng sẽ khuyếch tán ra ngoài bề mặt và tiếp tục bốc hơi Như vậy tốc độ sấy chẳng những phụ thuộc vào khả năng bốc hơi trên mặt sản phẩm mà còn phụ thuộc vào tốc độ khuyếch tán nước từ bên trong ra bên ngoài

Yêu cầu chung đối với thiết bị sấy là:

+ Tốc độ sấy lớn nhất cho phép song vẫn đảm bảo được chất lượng sản phẩm

+ Tiêu tốn nhiệt năng riêng ít

+ Sấy đảm bảo đồng đều

+ Cường độ bốc hơi ẩm trên một đơn vị (m3 ) thiết bị lớn

+ Dễ điều chỉnh các thông số của động lực sấy

+ Cơ giới hoá việc bốc dỡ, vận chuyển sản phẩm và đạt điều kiện vệ sinh Trong đó, yêu cầu về đạt độ đồng đều là quan trọng hơn cả Phối liệu chứa nguyên liệu sét và cao lanh nói chung là khó sấy

1.2.2.2 Chế độ sấy

Chế độ sấy là tổng hợp các biện pháp nhằm đảm bảo thời gian nhỏ nhất cần thiết để sấy sản phẩm có tính đến những tính chất, hình dạng, kích thước của chúng và những đặc điểm của các thiết bị sấy, cũng như cách đưa nhiệt đến sản phẩm một cách hợp lý với tổn thất nhiệt nhỏ nhất và hư hỏng sản phẩm ít nhất

Quá trình sấy được đặc trưng bằng 3 giai đoạn: giai đoạn đốt nóng, giai đoạn hằng tốc độ sấy và giai đoạn giảm tốc độ sấy như trình bày tại hình 1.3

Hình 1.3 Các đường cong sấy

- Giai đoạn đầu của quá trình sấy: được đặc trưng bằng sự đốt nóng nhanh bán thành phẩm từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ của chất tải nhiệt đã bão hoà (ở

một hàm ẩm cho trước của chất tải nhiệt) Nhiệt độ của nó tương ứng với các chỉ

số trên nhiệt kế ướt, còn nhiệt độ môi trường tương ứng với các chỉ số trên nhiệt

kế khô

- Giai đoạn thứ hai của quá trình sấy: được đặc trưng bằng đoạn nằm ngang trên đường cong tốc độ sấy, điều đó chỉ ra rằng tốc độ sấy về trị số bằng tốc độ bốc hơi ẩm trên bề mặt của bán thành phẩm Hàm ẩm của bán thành phẩm thay đổi hầu như theo đường thẳng

- Giai đoạn ba của quá trình sấy: được đặc trưng bởi sự giảm tốc độ sấy và

sự tăng nhiệt độ của bán thành phẩm Cường độ tách ẩm của giai đoạn này tỉ lệ với độ ẩm trung bình của vật liệu trong khoảng từ độ ẩm tới hạn đến độ ẩm cuối cùng

Quá trình co ngót khi sấy cũng được đặc trưng bằng 3 giai đoạn:

- Độ co ngót bắt đầu ngay ở giai đoạn 1 cùng với việc bốc hơi bao phủ quanh hạt và độ co tỉ lệ thuận với tốc độ thoát ẩm

- Giai đoạn 2: sản phẩm tiếp tục co và bắt đầu xuất hiện lỗ xốp

- Giai đoạn 3: tiếp tục bay hơi lượng nước tự do và nước hấp phụ, thể tích ngay sau khi bước sang giai đoạn 3 là không đổi, sản phẩm chỉ co ở 2 giai đoạn đầu, lượng nước bay ra ở 2 giai đoạn đầu đạt gần một nửa

Cuối giai đoạn 2, sản phẩm đã bắt đầu mất tính dẻo và chuyển sang trạng thái giòn Như vậy sự co không đều ở giai đoạn này sẽ gây nên biến dạng (biến dạng dẻo) dẫn đến hiện tượng nứt nếu ứng suất vượt quá cường độ phá vỡ của mộc Để tránh biến dạng và nứt phải tìm biện pháp làm cho sản phẩm co đều đặn trong toàn bộ quá trình sấy

Bằng thực nghiệm, người ta xác định sự chênh lệch độ ẩm ở bề mặt và ở tâm sản phẩm Nhưng thật ra độ ẩm ở tâm cũng rất khó xác định một cách chính xác, do đó người ta sử dụng độ ẩm trung bình của sản phẩm Chỉ số gây nứt nẻ

Chỉ số ∆Wmax phụ thuộc vào loại khoáng sét nhiều hơn là chiều dày sản phẩm

1.2.2.3 Phân loại thiết bị sấy

Có nhiều cách để phân loại thiết bị sấy, cụ thể là:

- Theo phương pháp nạp nhiệt: máy sấy đối lưu,máy sấy tiếp xúc

- Theo dạng chất tải nhiệt: máy sấy không khí, máy sấy khí và hơi

- Theo trị số áp suất trong phòng sấy: máy sấy làm việc ở áp suất khí quyển, máy sấy chân không

- Theo phương pháp tác động: máy sấy tuần hoàn, máy sấy liên tục

- Theo hướng chuyển động của vật liệu và chất tải nhiệt trong các máy sấy đối lưu: máy sấy cùng chiều, máy sấy ngược chiều và máy sấy với các dòng cắt nhau

- Theo kết cấu: máy sấy buồng, máy sấy đường hầm, máy sấy băng tải, máy sấy tầng sôi, máy sấy phun, máy sấy thùng quay, máy sấy tiếp xúc, máy sấy thăng hoa, máy sấy bức xạ nhiệt

Để chế tạo gốm oxit nhôm dùng cho mục đích chống đạn thì thiết bị sấy dạng buồng, môi trường sấy không khí, nhiệt đối lưu bằng quạt đối lưu là thiết bị phù hợp với công nghệ sản xuất cũng như điều kiện trang thiết bị nghiên cứu

Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị sấy đối lưu

* Thiết bị sấy đối lưu:

- Gió nóng qua mỗi lần tuần hoàn đều được lọc sạch bằng các bộ lọc nên tránh được các hạt bụi mịn bay theo khí và không bị ô nhiễm trong chu trình khi tuần hoàn cũng như gia nhiệt

- So sánh với loại tủ sấy bề mặt, năng suất sấy của tủ loại này cao hơn từ 3

~ 6 lần Độ dầy của lớp nguyên liệu trên khay sấy được tăng lên gấp 3 lần

- Tủ sấy phù hợp cho nhiều loại nguyên liệu dạng định hình, dạng hạt, dạng cục

- Tủ sấy vận hành ổn định, đơn giản, dễ bảo dưỡng, vệ sinh nhanh, không hỏng vặt

- Tủ được trang bị lọc khí vào, lọc khí ra vì vậy nguyên liệu sấy không bị ô nhiễm, chất lượng sấy cao

- Nguồn nhiệt sấy có thể dùng hơi hoặc điện

Nhiệm vụ nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sấy bao gồm: nhiệt độ sấy, thời gian sấy, chế độ nhiệt và chế độ bảo quản sau sấy đến các chỉ tiêu cơ lý, chất lượng của sản phẩm gốm oxit nhôm chống đạn

1.2.3 Công nghệ nung thiêu kết phôi gốm

1.2.3.1 Quá trình xảy ra khi nung thiêu kết phôi gốm

Nung là khâu quan trọng nhất trong kỹ thuật chế tạo gốm, ảnh hưởng quyết định đến chất lượng của sản phẩm gốm chống đạn Khi nung, trong vật liệu sẽ xảy

ra phản ứng nhiệt độ cao của các cấu tử trong nguyên liệu, quá trình kết khối, quá trình xuất hiện pha lỏng, quá trình hoà tan và tái kết tinh các tinh thể Như vậy, khi nung xảy ra đồng thời các quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất, các quá trình này lại do những biến đổi hoá học và biến đổi pha diễn ra rất phức tạp Tuy nhiên, điều quan trọng nhất là kết quả của quá trình nung: tạo ra vật liệu mới có

vi cấu trúc mới Cấu trúc xương sản phẩm gốm là một hệ thống nhiều pha phức tạp bao gồm các pha thuỷ tinh, pha tinh thể và pha khí Tỉ lệ số lượng của các pha này là thành phần pha của xương sản phẩm, nó xác định tính chất vật lý của xương sản phẩm Vi cấu trúc của vật liệu được định nghĩa như là những đặc điểm vi cấu tạo của vật liệu, thể hiện qua hình dạng và kích thước các hạt, cách phân bố, hướng

và sự tiếp xúc giữa các hạt, số lượng và chất lượng pha thuỷ tinh và sự hiện diện của lỗ xốp [1, 9].

Chúng ta biết rằng pha rắn tinh thể tồn tại dưới hai dạng: các tinh thể đơn (trong đó các đơn vị cấu trúc như nguyên tử, ion, phân tử được sắp xếp lặp đi lặp lại theo chu kỳ một cách hoàn chỉnh và trong suốt toàn bộ mẫu vât), hay dưới dạng pha rắn đa tinh thể Pha tinh thể trong cấu trúc vật liệu gốm là một pha rắn

đa tinh thể, nó được tạo nên từ tập hợp của rất nhiều các hạt tinh thể, hay được gọi ngắn gọn là hạt Các hạt này sắp xếp sát cạnh nhau, cách nhau bởi vùng có cấu trúc không trật tự gọi là biên giới hạt

Quá trình nung không những là điều kiện để hình thành nên vật liệu mới,

mà ngay trong chính bản thân quá trình cũng chứa đựng nguy cơ: có thể làm cho sản phẩm bị biến dạng hay thậm chí phá hoại sự nguyên vẹn của nó, tức là làm cho sản phẩm có thể bị cong vênh hay thậm chí nứt, vỡ

Hình 1.5 Quá trình kết khối các hạt tròn Al 2 O 3 khi nung ở 1750 ÷ 1840 o C

Sản phẩm gốm chỉ được nung đến kết khối, quá trình nung là không thuận nghịch và hầu như không đạt được cân bằng pha (không thực hiện đến cùng)

Hiện tượng kết khối và các quá trình xảy ra đồng thời với nó (phản ứng pha rắn, xuất hiện pha lỏng và tái kết tinh)

Kết khối là quá trình giảm bề mặt (bên trong và bên ngoài hay ở chổ tiếp xúc với nhau) của các phần tử vật chất do xuất hiện hay phát triển mối liên kết giữa các hạt, do sự biến mất của lỗ xốp trong vật liệu để hình thành một khối thể với thể tích bé nhất Quá trình giảm bề mặt xảy ra đồng thời với sự xuất hiện hay

tăng cường các cầu nối giữa các hạt vật thể dưới tác dụng của áp suất hay nhiệt

độ như hình 1.5

Đối với hiện tượng kết khối chỉ có mặt pha rắn có các giả thuyết sau: + Thuyết biến dạng dẻo (Frenkel);

+ Thuyết ngưng tụ và bốc hơi của Kysunsky;

+ Thuyết khuếch tán của Kingery

Hiện nay thuyết khuếch tán được nhiều người thừa nhận hơn cả Coi hai hạt vật thể là có dạng tròn, khi nung chúng sẽ có quá trình khuếch tán vật chất vào nhau như trong hình 1.6

Hình 1.6 Mô tả quá trình khuếch tán vật chất

Thực chất của vấn đề là xét mối liên hệ giữa sự thay đổi thể tích hay chiều dài với nhiệt độ và thời gian kết khối Trường hợp xảy ra khuếch tán thể tích thì mối tương quan giữa chúng có thể biểu diễn bằng phương trình sau:

Trong đó:V- là sự thay đổi thể tích;

n- số điểm tiếp xúc;

σ - Sức căng bề mặt δ- khoảng cách giữa các nguyên tử;

D- hệ số khuyếch tán;

K - hằng số Bolzmann; T- nhiệt độ tuyệt đối (K); a- bán kính lỗ xốp;

t- thời gian

Tuỳ thuộc vào nhiệt độ mà hiện tượng khuếch tán xảy ra ở ranh giới bề mặt hay trong thể tích vật thể mà có sự khác nhau về trị số của hệ số khuếch tán (chủ yếu là sự khuếch tán của các khuyết tật)

Trong quá trình kết khối, thể tích của hệ giảm dần các lỗ xốp sẽ được lấp đầy và biến thành lỗ xốp kín rồi tách ra Độ xốp còn lại chừng 10% thì quá trình kết khối chậm lại song không dừng hẳn Nếu độ xốp đạt khoảng 8-10% thì các hạt không bị ngăn cách bởi các bọt khí nữa mà tiếp xúc với nhau bắt đầu quá trình tái kết tinh Nếu duy trì lâu hay tăng nhiệt độ thì thể tích các hạt có thể đạt và vượt kích thước các hạt vật liệu ban đầu khoảng 2-3 lần

Quá trình tái kết tinh thường tiến hành theo 3 giai đoạn: tạo mầm, các mầm lớn lên thành tinh thể thực sự, các tinh thể trưởng thành Quá trình này xảy ra song song với quá trình kết khối Động lực của quá trình tái kết tinh là năng lượng tự

do của hệ

Năng lượng của mặt lồi nhỏ hơn mặt lõm, dưới tác dụng của chuyển động nhiệt, các nguyên tử vượt qua ranh giới mạng tinh thể mặt lồi làm cho tinh thể mặt lồi ngày một tăng Quá trình tái kết tinh sẽ ngừng khi năng lượng tự do bị triệt tiêu

Quá trình tái kết tinh sẽ tăng mạnh đặc biệt khi có mặt chất khoáng hoá, ngược lại các tạp chất ngăn cản sự lớn lên của tinh thể Khi hiện tượng tái kết tinh xảy ra rất nhanh các tinh thể lớn có thể xuất hiện ứng suất nội làm giảm cường độ

cơ học của mẫu Nếu có mặt tạp chất (kể cả lỗ xốp) thì một mặt cường độ của mẫu giảm, mặt khác quá trình hàn lỗ cũng giảm hay ngưng lại

Quá trình xuất hiện pha lỏng tồn tại trong đại bộ phận gốm khi nung Các yếu tố sau đây của pha lỏng xuất hiện đóng vai trò quan trọng:

Góc thấm ướt của pha lỏng Tốt nhất nằm trong khoảng 900-00 là có góc thấm ướt tốt, có khả năng xâm nhập vào biên giới giữa các hạt pha rắn

Lượng pha lỏng hình thành càng nhiều càng tốt (tuy nhiiên không được quá nhiều dễ làm biến dạng sản phẩm), sẽ tạo điều kiện cho quá trình kết khối mãnh

Quá trình xuất hiện pha lỏng thường kèm theo các tác động sau:

+ Phân bố lại các hạt, tạo nên trật tự mới của vật liệu

+ Pha mới xuất hiện ở thành lỗ xốp có tác dụng hàn các lỗ xốp và làm các hạt đa tinh thể lớn lên

Khi kết thúc quá trình kết khối thì pha rắn tái kết tinh, quá trình sít đặc tăng mạnh, lúc này độ nhớt, độ thấm ướt, sức căng bề mặt của pha lỏng và sự phụ thuộc của chúng vào sự biến thiên nhiệt độ, thời gian lưu rất quan trọng trong việc hình thành nên những lỗ xốp kín trong vật liệu

1.2.3.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

* Thành phần hoá học

Lý thuyết và thực nghiệm đều chỉ ra rằng thành phần hoá học của phối liệu

là yếu tố chủ yếu quyết định đến độ chịu lửa của gốm tức là quyết định nhiệt độ

và khoảng kết khối [13, 14]

* Kích thước và thành phần hạt

Kích thước và thành phần hạt có ảnh hưởng lớn đến quá trình tạo hình và quá trình kết khối [36].Nói chung kích thước hạt càng bé, phối liệu càng kết khối tốt Nếu kích thước hạt đạt độ mịn mong muốn có thể hạ thấp nhiệt độ nung cực

Khi kết khối có mặt pha lỏng kích thước hạt vật liệu ban đầu ảnh hưởng đáng kể đến độ hoà tan của hạt rắn trong pha lỏng dẫn đến làm thay đổi mạnh các tính chất của pha đó Kết quả là làm thay đổi mọi tính chất của sản phẩm

* Mật độ của bán thành phẩm

Độ sít đặc của các hạt nói riêng và sản phẩm nói chung có ảnh hưởng đến quá trình kết khối Mật độ càng cao, kết khối càng thuận lợi Điều này càng có ý nghĩa đáng kể khi nung gốm đặc biệt (từ nguyên liệu ôxit tinh khiết), quá trình kết khối đơn thuần xảy ra ở trạng thái rắn Ép sản phẩm bán khô với áp lực cao thì phôi mộc sẽ rất sít đặc

* Nhiệt độ nung cực đại và thời gian lưu

Nhiệt độ nung hợp lý tmax và thời gian lưu là yếu tố rất cơ bản, có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng sản phẩm nung và do thành phần hoá học của phối liệu quyết định Tuỳ theo thành phần hoá học mà hiện tượng kết khối nói chung hay các phản ứng hoá học giữa các cấu tử nói riêng xảy ra ở trạng thái rắn hay ở giai đoạn đầu là kết khối pha rắn và cuối cùng lại xuất hiện thêm pha lỏng Trường hợp kết khối có mặt pha lỏng thì lượng pha lỏng xuất hiện và tính chất của nó quyết định điều kiện nung

Với phối liệu có khoảng kết khối hẹp thì nên nung ở nhiệt độ nung thực

đó lâu hơn Phối liệu có khoảng kết khối rộng thì cho phép nung ở nhiệt độ cao

ít thì vẫn thu được sản phẩm tốt đồng thời giảm được năng lượng tiêu tốn cho một đơn vị sản phẩm

* Tốc độ nâng và tốc độ giảm nhiệt độ

Tốc độ nâng nhiệt độ lúc nung sản phẩm gốm phụ thuộc chủ yếu là quá trình biến đổi các cấu tử trong phối liệu theo nhiệt độ và đặc tính của từng loại sản phẩm (dày, mỏng, to, nhỏ v.v ), tuỳ thành phần khoáng vật của phối liệu mà ứng với các khoảng nhiệt độ nhất định sẽ xảy ra quá trình biến đổi thù hình, hiệu ứng thu, toả nhiệt, phản ứng hoá học, kết khối, xuất hiện pha lỏng v.v Tóm lại trong quá trình nâng nhiệt thì ta phải quan tâm đến:

+ Các nguyên liệu phụ (nhất là các hợp chất thiên nhiên) như đá vôi,

+ Chiều dày thành, hình dáng sản phẩm

+ Lưu ý đến các khoảng nhiệt độ có các hiệu ứng đột biến (bao gồm cả biến đổi thù hình, phân huỷ )

+ Cấu tạo và loại lò nung

+ Đặc tính của sản phẩm (để chọn nung một lần hay 2 lần, có tráng men hay không, nung trong bao hay nung trần)

+ Tốc độ giảm nhiệt độ không hợp lý lúc làm nguội (trong trường hợp sản phẩm gốm sứ loại đơn giản, thành mỏng, khối lượng bé) còn nguy hiểm hơn tốc

độ nâng nhiệt độ không hợp lý

+ Tốc độ làm nguội chẳng những có ảnh hưởng đến việc phát triển các tinh thể pha rắn mà còn liên quan đến sự xuất hiện ứng suất nội trong sản phẩm chứa pha thuỷ tinh Pha lỏng khi hạ nhiệt độ sẽ chuyển từ trạng thái dẻo nhớt sang giòn kèm theo co thể tích lớn Nếu co không đều (bên ngoài nguội nhanh nên co trước)

sẽ gây ứng suất làm nứt vỡ sản phẩm nhất là loại lớn, dày và hình dạng phức tạp Trường hợp pha rắn có mặt các khoáng có đặc tính biến đổi thù hình mãnh liệt sẽ làm thay đổi cấu trúc và thể tích ở giai đoạn chuyển pha lại càng nguy hiểm nếu chế độ làm nguội không hợp lý

+ Vai trò và tác dụng của chất khoáng hoá: Có vai trò như chất xúc tác, có tác dụng thúc đẩy quá trình kết khối, cải thiện tính chất của sản phẩm nung (tăng

độ bền cơ, bền nhiệt, bền điện), cho phép hạ thấp nhiệt độ nung khi chọn đúng chất khoáng hoá với hàm lượng sử dụng tối ưu Chất khoáng hoá đặc biệt phát huy tác dụng tốt đối với gốm đặc biệt Tuy nhiên với gốm thông dụng khi hàm lượng các phụ gia ≤ 3% mà cải thiện được chất lượng sản phẩm một cách đáng kể thì cũng được gọi là chất khoáng hoá

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên vật liệu

- Máy nghiền bi 04149-05, Mỹ với bi nghiền oxit nhôm,

- Máy ép thuỷ lực, Đức, lực ép lớn nhất 60 tấn;

- Lò nungNabertherm, Đức có khả năng điều chỉnh nhiệt độ theo chu trình,

- Khuôn gốm kim loại kích thước lòng khuôn 56x56 mm

- Thiết bị cắt mẫu gốm

2.2.2 Thiết bị phân tích

- Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM loại S-4800, Hitachi, Nhật Bản, với độ phóng đại 5 ÷ 300.000 lần, đặt tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương

- Máy phân tích nhiệt DSC/TGA, Labsys, Stearam, Pháp, với dải đo từ 25

- Máy phân tích kích thước hạt LA 950, Horiba, Nhật Bảnđặt tại Viện Kỹ thuật Hoá học, Sinh học và Tài liệu nghiệp vụ

- Máy đo độ xốp, đo khối lượng riêng Minidens - Grabner intruments, Australiađặt tại Viện Kỹ thuật Hoá học, Sinh học và Tài liệu nghiệp vụ

- Máy đo nhiễu xạ tia X: loại máy nhiễu xạ kế SIEMENS D5005 (Đức), đặt tại Viện Hoá học-Vật liệu, Bộ Quốc phòng

- Xác định độ bền uốn trên máy Tinius Olsen H100KT Hounfield, Anh đặt tại Viện Kỹ thuật Hoá học, Sinh học và Tài liệu nghiệp vụ

2.3 Thực nghiệm

Tiến hành khảo sát các hệ vật liệu gốm khác nhau với thành phần phối trộn

bày tại bảng 2.1

Quá trình chế tạo mẫu gốm được tiến hành như sau:

Đưa vật liệu gốm với tỉ lệ như trình bày tại bảng 2.1 vào máy nghiền bi với

tỷ lệ 1kg vật liệu + 1,9 kg bi nghiền + 630ml nước cất + 70ml keo PVA 5%, thời gian nghiền trộn trong 4 giờ, tốc độ 120 vòng/phút Lấy sản phẩm ra, để khô tự nhiên ngoài không khí

Bảng 2.1 Thành phần phối trộn các mẫu gốm oxit nhôm

Bột sau khi khô được nghiền nhỏ bằng máy nghiền bi, đưa vào khuôn ép

và ép tạo hình bằng máy ép thuỷ lực, khảo sát với lực ép thay đổi từ 600÷1200

Mẫu sau khi ép có kích thước 56 x 56 x 10 mm được khảo sát ở các chế độ

Mẫu sau khi sấy được xếp vào lò nung theo chiều thẳng đứng, cách nhau tối thiểu 1cm để nhiệt độ nung toả đều trên toàntấm gốm và không xếp chồng lên nhau, rắc lớp bột oxit nhôm để chống dính và tiến hành nung thiêu kết theo qui

Nguyên vật liệu, phôi gốm mộc và các mẫu gốm sau khi thiêu kết được khảo sát, đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu: phân tích kích thước hạt hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích nhiệt (DSC/TGA), xác định tính chất cơ học, nhiễu xạ Rơnghen (X-Ray), cân thủy tĩnh (tỷ trọng biểu kiến, độ xốp)

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)

Nguyên tắc:Chùm electron (được tạo ra tại catot) đi theo một đường thẳng

qua trường điện từ, thấu kính, trường quét rồi hội tụ xuống mẫu nghiên cứu Chùm electron đập vào mẫu phát ra các điện tử phản xạ thứ cấp Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành tín hiệu, chúng được khuếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn ảnh Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn ảnh Độ sáng tối trên màn ảnh tuỳ thuộc lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu, đồng thời phụ thuộc vào khuyết tật bề mặt của mẫu nghiên cứu

Cách tiến hành: Mẫu vật liệu bị phá huỷ ở điều kiện nghiên cứu với kích

thước phù hợp và được gắn lên giá đỡ.Phủ lên bề mặt phá huỷ của mẫu bằng một lớp platin mỏng bằng phương pháp bốc bay trong chân không để tăng độ dẫn điện Mẫu nghiên cứu được đưa vào buồng đo để chụp bề mặt phá huỷ của vật liệu

Thiết bị:Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM loại S-4800, Hitachi, Nhật Bản,

với độ phóng đại 5 ÷ 300.000 lần, đặt tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương

2.4.2 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-Ray)

Nguyên tắc: Các bước sóng

nên có thể xuyên vào chất rắn

Khoảng cách d giữa các lớp

nanoclay và giữa các mặt tinh thể

được xác định theo định luật Bragg: 



sin2

n

Với: d: khoảng cách giữa hai mặt song song,

n: số bậc phản xạ (1, 2, 3, 4….),

θ: góc giữa tia và mặt phẳng pháp tuyến,

tinh thể Từ các cực đại nhiễu xạ trên giản đồ nhiễu xạ tia X, tìm được 2θ thì có

được cấu trúc của mẫu

Cách tiến hành: Mẫu vật liệu cần nghiên cứu được đưa vào vào buồng đo

để tiến hành chụp phổ và máy sẽ tự động ghi lại các đỉnh hấp thụ của vật liệu

Thiết bị: Máy nhiễu xạ Rơnghen Siemens D5000, Đức, ống phát tia Cu

và công nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng

2.4.3 Phương pháp phân tích nhiệt (DSC/TGA)

Nguyên tắc:Khi thay đổi nhiệt độ thì các đại lượng vật lý như năng lượng

chuyển pha, độ nhớt, entropy…, khối lượng của mẫu vật liệu cũng bị thay đổi Phân tích nhiệt là phương pháp đo một cách liên tục các mẫu vật liệu nghiên cứu dưới dạng hàm của nhiệt độ

Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) là phương pháp xác định khối lượng chất bị mất đi (hay nhận vào) do quá trình chuyển pha hoặc xuất hiện các phản ứng hoá học của mẫu vật liệu Đường TGA thay đổi theo trục nhiệt độ dùng để xác định thành phần khối lượng các chất có mặt trong mẫu, dung môi, chất phụ gia…

Phương pháp quét nhiệt vi sai (DSC) là phương pháp phân tích mà khi xuất hiện sự chuyển pha trên mẫu, năng lượng sẽ được thêm vào hoặc mất đi trong

nhau Năng lượng cân bằng này được ghi lại và cung cấp kết quả đo về năng lượng chuyển pha của vật liệu Đường cong DSC thu được thay đổi theo trục nhiệt độ

và xuất hiện các đỉnh thu nhiệt và toả nhiệt ứng với quá trình chuyển pha của mẫu

Cách tiến hành:Lấy mẫu vật liệu cần nghiên cứu cho vào cốc gốm và đặt

vào vào buồng đựng mẫu, mở van bình khí nitơ tạo môi trường khítrơ cho mẫu

Máy sẽ tự động ghi lại và xuất các kết quả ở dạng phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và quét nhiệt vi sai (DSC)

Thiết bị: Máy phân tích nhiệt vi sai (DSC/TGA) NETZSCH STA 409

trường bình thường hoặc môi trường khí trơ (nitơ, argon), đặt tại Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

2.4.4 Phương pháp phân tích cỡ hạt

Cách tiến hành: Pha mẫu trong dung dịch nước với tỷ lệ 2%, khuấy đều,

thêm chất ổn định huyền phù, đổ rót vào phễu đo của máy, đặt chế độ quét từ 10

nm ÷ 100 µm

Thiết bị: Máy phân tích kích thước hạt LA 950, Horiba, Úc đặt tại Phòng

thí nghiệm Vật liệu chuyên dụng, Viện Kỹ thuật Hoá học, Sinh học và Tài liệu nghiệp vụ, Bộ Công an

2.4.5 Xác định tính chất cơ học của vật liệu

2.4.5.1 Đánh giá độ cứng của vật liệu gốm cao nhôm

Mẫu đánh giá độ cứng sau khi gia công bằng phương pháp mài trên đĩa kim cương và đánh bóng bằng bột nhão kim cương có cấp hạt mịn 2-3µm đến siêu mịn 0,5µm được xác định độ cứng HV10 theo tiêu chuẩn TCVN 258:2007 trên máyAVK-CO/Mitsutoyotại Trung tâm Đánh giá Hư hỏng Vật liệu và Trung tâm

đo lường, Viện Công Nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng Độ cứng được

Trong đó: HV : độ cứng Vicker (HV), [kG/mm2]

F : tải trọng, [kG]

d : trung bình cộng đường chéo vết đâm mũi Vicker [ mm]

2.4.5.2 Độ bền uốn

Nguyên tắc: Xác định độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178:2010 (E) bằng

cách sử dụng đầu đo cơ học phá hủy mẫu theo cách tác dụng lực vào giữa mẫu cho đến khi mẫu bị gãy Độ bền uốn được tính theo công thức:

3.F.L =

2.b.a



F: Tải trọng phá huỷ mẫu, N

b: Chiều rộng của mẫu, mm

a: Chiều dày của mẫu, mm

Cách tiến hành: Chế tạo mẫu vật liệu có bề mặt nhẵn, bằng phẳng, không

phồng rộp Cắt mẫu vật liệu thành hình chữ nhật với chiều dài 80 mm, chiều rộng

15 mm và chiều dày theo kích thước thực của mẫu.Để mẫu vật liệu lên gối đỡ, đặt tải trọng ở điểm giữa của khoảng cách 2 gối đỡ và trùng với điểm giữa của mẫu Tiến hành đo trên máy xác định tính chất cơ học với tốc độ uốn 1 mm/phút, máy

sẽ ghi lại lực phá gãy mẫu và tiết diện mẫu để xử lý và tự động cho kết quả Số

Thiết bị: Máy xác định tính chất cơ học, Tinius Olsen H100KU, Hounsfield,

Anh, đặt tại Phòng thí nghiệm Vật liệu chuyên dụng, Viện Kỹ thuật Hoá Sinh và Tài liệu nghiệp vụ, Bộ Công an

2.4.6 Phương pháp cân thủy tĩnh

Sử dụng phương pháp cân thủy tĩnh để xác định tỷ trọng, độ xốp của các mẫu nghiên cứu Phương pháp dựa trên nguyên lý một vật thể rắn ngập trong chất lỏng chịu lực đẩy Acsimet bằng trọng lượng của phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ Các thông số xác định bằng phương pháp cân thủy tĩnh:

- Tỷ trọng biểu kiến của mẫu:

- Độ xốp hở:

Trong đó:

không khí, [g]

graphit: Tỷ trọng biểu kiến của graphit, [g/cm3]

]cm/g[

GG

O H TT am

GG

TT am

0 am







CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân tích nguyên liệu đầu

thước hạt bằng phương pháp tán xạ laser trên máy phân tích kích thước hạt LA

950, Horiba, Nhật Bản Kết quả phân tích cỡ hạt được trình bày tại hình 3.1

(a)

(b) (c) Hình 3.1 Giản đồ phân tích cỡ hạt của -Al 2 O 3 , TiO 2 , MgO

100÷120nm và vùng có xác suất cao nhất là 110nm (khoảng 58%) MgO có kích thước hạt trung bình 120 nm với khoảng 90% phân bố tại vùng 100÷150nm và

với vùng có xác suất cao nhất là 120nm (khoảng 50%) Al2O3 sau khi nghiền phù

ban đầu

3.2 Phân tích mẫu gốm oxit nhôm ban đầu

Chế tạo mẫu gốm chỉ chứa bột nhôm oxit sau khi nghiền (Mẫu G0) với

phân tích nhiễu xạ tia X và hình thái học của sản phẩm thu được, kết quả được

trình bày tại hình 3.2 và hình 3.3

Hình 3.2 Phân tích nhiễu xạ tia X của mẫu gốm oxit nhôm ban đầu (mẫu G0)

Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của mẫu gốm oxit nhôm ban đầu (mẫu G0)

Cps và tại d = 3,483; 1,602 Å với cường độ tương ứng là 480; 530 Cps, còn lại là các pic có cường độ yếu hơn tại d = 1,965; 1,511; 1,405 và 1,374 Å Tại nhiệt độ nung này đã loại bỏ hoàn toàn các chất hữu cơ (chất kết dính, chống dính) của phôi gốm mộc

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau Al2O3

01-082-1468 (D) - Aluminum Oxide - alpha-Al2O3 - Y: 64.36 % - d x by: 1 - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 4.75890 - b 4.75890 - c 12.99190 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3

` - File: Thanh mau Al2O3.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 15 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: