Nghiên cứu tổng hợp gốm kỹ thuật điện cordierit mullit bằng phương pháp sol gel

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHO A HỌC T ự NHIÊN Nghiên cứu tổng hợp gốm kỹ thuật điện Cordierit — mullit phương pháp Sol - gel MÃ SỐ:QT 05 -15 CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI : TS Nghiêm Xuân Thung CÁC C Á N BÔ THAM GIA: GS —TS CN CN CN Phan Vãn Tườna Nguyễn Đình Duẩn Đ ạn Trung Quý Nguyễn Thị Khánh Hoan £5AI h C c Q JỔc '3'A "Ã moi TAM ' '-10 ! rn - ^ HÀ NỘI - 2006 Ị ò t \ Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi I BAO CÁO TO.M TẮT KẾT QUA THỤC HI ẺN a -T ẽ n đề tài: N eh ièn cứu tons hợp 2ỏm kv thuật đién Corđierit — mullit hằn í phươ ns p h p S o l-g e l M ã số: Q T - 15 b- C h ủ trì đé tài: TS N ghiêm X uân Thung: Đ ơn vị cỏns tác: K h ó a H ó a Học c- C ác cán t h a m g ia: Tel: 8210 49 GS - TS Phan V ăn Tường CN N s u v ễ n Đ ình D uẩn CN Đ ặng T r u n s Q uý Hoan CN N s u v ễ n Thị K hánh d, M ục tiêu nội du n g nghiên cứu '■'Mục tiêu cùa đề tài: Vật liệu 2ốm Cordierit, m ullit đặc trim s bời nhiệt độ n ó n s chảy cao 18 00 °c, hóa nén nhiệt độ 1800l’C, chịu ứng suất nhiệt có độ cao kéo Gốm Cordierit, mullit có số điện m i nhỏ = ; có hệ s ố s iã n n nhiệt nhơ a = 2.10'6 20 — 80 0°c Vì chịu sư thay đổi đột ngột nhiệt độ Do c h ú n sừ d ụ n e làm gốm c ách điện, gốm chịu xốc nhiệt, vật liệu chịu lửa Ngoài loại vật liệu gốm có độ xốp tro n s bình sử d u n s làm vật liệu chất mang xúc tác , lọc chất lỏng nhiệt độ cao, làm chất cho c ô n s n s h ệ vi điện tử Đ ể thu t gốm có độ đồ ng cao, th àn h phần tinh kh iết có n h iều ph ns p háp điều chế như: p h n s pháp khu ếch tán rắn — rắn rắn — lỏng, lỏ n s — lỏng, phươna pháp đổna kết tủa, phương pháp sol - gel * N ội dung nghiên cícii: - N ghiên cứu trình tạo Sol — gel củ a hệ gốm - N sh iê n cứu ảnh hưởng chất Urê, đến q u trình tạo gốm - N ghiên cứu trình thiêu kết gôm - N sh iẽ n cứu cấu trúc tính chất sản phẩm g ố m Cordierit mullit e T óm tắt kết đạt - Đ ã khảo sát đựoc điều kiên tạo Sol - gel hệ với tỷ lê thích hợp SiO, : A120 = 2:3 S i : AUO- : M g O = 5:2:2 từ nguyên liệu đầu Na-SiO-, A l(N O ;)? M g ~ ( N O - PH = 4, nhiệt độ sấy 65"c thời gian sấy h _ Đ ã khảo sát ảnh hường Ưrê, B: :i đến q u trình tạo Sol — tzel với tv lè H 2S iO ;:Al(NOO.v(NH-.)iCO = 1:3:9 3% B , ; tro n mẫu - Đ ã xác định điều kiện tạo X erogel °c thời sian sấy 36h - Đã khao sát anh hưởng nhiệt độ nung trình thiêu kết 1000l,c 1100“c 1200"C 1300°c đến hình thành gốm Cordierit mullit - Đã xác định thành phần cấu trúc sản phẩm gốm cordierit Cordierit có cấu trúc tinh thể hệ tam tà với kích thước hạt - ụm tỷ trọng d = 2.5 g /c m \ gốm mullit có cấu trúc tinh thể hệ mật thoi với kích thước hạt - |Jm, tý trọng d = 3,3 g/crrr Với kết đóng góp phần hỗ trợ đào tạo sinh viên bảo vệ thành cơng khóa luận tồt nghiệp, cơng trình khoa học cơng bố hội nghị khoa học phân tích hóa lý sinh tháng 12 - 2005 gửi báo đăng tạp chí Đại học Quốc gia nãm 2006 f, Tình hình kinh phí để tài TT Mục Nội dung Số tiền 109 Tiền điện, nước 600.000 110 Vật tư văn phòng 1.000.000 112 Hội nghị 400.000 114 Thuê mướn 5.500.000 115 Chi phí nghiệp vụ chuyên môn 6.500.000 134 1.000.000 Tổng 15.000.000 Ngà V 27 tháng 03 năm 2006 Ban chủ nhiệm khoa H óa học: Chừ trì đề tài: PGS.TS Trần Thi N hư M TS Nghiêm Xuân Thung Trường Đại học KHTN Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi SCIENTIFIC PROJECT a- T itle o f Project: Studv o f Synthesis of C ordierite - m ullite electric C eram ics from the sol - eel Process b- T h e code o f project: QT - c- T h e Presider: Dr N ghiem Xuan Thuns d- T h e participants: - Prof Dr Phan V a n T u o n g - B.s N guy en D inh D uan - B s D ang Trung Q uy - B s N gu yen Thi K hanh H oan e- P u rp ose and C o n ten ts o f the research * Purpose o f Project: - Cordierite, m ullite ceram ic have m an y attractive ph isical properties such as low dielectric constant (£ = ); low therm al coeffient o f e x p a n sio n a = at 20 - 1000°C; the m elting tem perature 0 ° c so that the m aterials have b e en used in m u ltilay e r ceram ic packaging and esp e c ially in electric industry - The synthesis for electric ceram ic w hich have potential fo r controlling p o w d e r propeties such as state o f aggregation, chem ical purity a n d h om o g en eity are described T hese m ethods w hich are ba se d m ainly on wet c h em ica l techn iqu es are Sol — sel processing, hyd ro therm al synthesis, aerosol generation a n d sp ray - roasting * Reseach conteits: Study o f synthesis ceram ics cordierite —m ullite from the sol —gel process E ffect o f r e , B2Ơ on the crystllization of cordierite, m u llite obtaioned by sol — 2el process Sintering o f cordierite —m ullite ceram ics - Study o f the structure, the properties o f cordierite - m uliite e- T h e results o f the reseach - Suitable conditions o f cordierite, m ullite obtained o f the sol - gel process h ave reseach ed m ol ratio o f H 2S i 3:A (N 3)3 =1:3 and H->Si03: A ( N 3)3 : M g ( N 3)3 = 5:4:2 - O ptim al condition o f the e ffe ct o f U re with m ole ratio Si : A1 : U re = : 3: a nd 3% B2O - O ptim al condition of xero g el obtained have been reseach ed : dry in g at Ỉ0 °c , tim e o f drying 36h - Suitable condition o f cordierite, m ullite ceram ic obtain ed o f the sy n th esin s have been reseached: 1000°c, 1100°c, 120.0°c and 1300°c - Crystal of cordiJi'itc -V1th tn c h n ic prismatiiv rnorpholonv were F'Tm ed Its microstructure exhibitcfu small sized grain about - pm , d = 2.5 C rW d l of mullite has orthorhom hic m orphology: sized s in t - |Jm d = 3.3 s / c m ’ Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Mục lục M đáu Chương 1: T o n s q u a n 1.1 K hái n iệ m 2ốm cordierit mullit 1.1.1 K h i n iệ m tính chất cordierit 1.1.2 K hái n iệ m tính chất mulìit 1.2 Các p h n s pháp tổng hợp gốm 1.2.1 Phương p h p gốm cổ điển 1.2.2 Phư ơng p h p khuếch tán pha rắn pha lòng 1.2.3 Phư ơng p h p C V D 1.2.3 Phư ơng p h p phun nhiệt 1.2.4 Phư ơng p h p kết tính ng chảy 1.2.5 Phư ơng p h p kết túa keo nhôm 1.2 Phương p h p sol - gel 1.2.6.1 C ác hợp chất hữu cùa Si AI 1.2.6 C ác m u ố i vô Si AI 1.2.6 C ác tiến hàn h 1.3 Các lĩnh vực ứng dụng m ullit cordierit 1.4 Đ ôi tượng, m ụ c tiêu nội dung ng hien cứu 1.4.1 Đ ố i tượng nghiên cứu 1.4.2 M ụ c tiêu ng h iên cứu 1.4.3 C ác nội d u n g nghiên cứu ■Chương 2: T hự c n gh iệm phươ ns pháp ng hiên cứu 2.1 H ó a chất, dụ ng cụ thiết bị 2.1.1 H ó a ch ất 2.1.2 D ụ n g cụ 2.1.3 T h iêt bị 2.2 Phương p h p phân tích thành phần hóa học 2.2.1 X c đ ịn h h m lượng S i 2.2.2 X c đ ịn h h m lượng A120 2.2.3 X c đ ịn h h m lượng M g O Chương 3: K ết q u ả thảo luận 3.1 Q u trình thí n gh iệm 3.1.1 K h ả o sát điều kiện tạo thành sol —gel cách tạo axit silisic từ dung dịch m uối N a : SiO ì 3.1.1.1 Đ iề u k iệ n tạo th ành sol - 2el củ a dung d ịc h N a :SiO , 3.1.2 C c h tiến h n h tạo m ẫu 3.2 Kết q u ả n g h iê n cứu 3.2.1 K h ả o sát ả nh hưởng nhiệt độ nung tới h ìn h thành cordierit m u llit 3.2.1.1 K h ả o sát ả nh hưởng củ a nhiệt độ nu ng tới h lnh thành cordierit 3.2.1.2 K h ả o sát ảnh h n s củ a nhiệt độ n u n s tới hình thành m ullit 3.2.2 K h áo sát ảnh h n s thời sian lưu 3.2.3 N g h iê n cứu anh hường cua phụ gia B: U ; Urê q u trình hình thành cordierit mullit 3.2.4 K h ả o sát cấu trúc h ằ n s số m a n s củ a c o rđ ie rit mullit 3.3 T h ả o luận Kết lu ậ n Tài liệu tham kh a o V-, 5 6 7 10 10 10 10 11 11 11 11 11 11 12 12 13 13 13 13 13 13 14 16 16 17 1S 1') 20 21 24 25 Mở đầu G ốm loại vật liệu có vị trí đặc biệt lịch sử loài nsư i cổ đại đương đại chắn tương lai g ốm đưa lại nhiều điều kv diệu khoa học kỹ thuật Sự đời gố m có ảnh h n s dẫn tới cách m a n s troriiĩ ngành điện tử nói riêng kh oa học kỹ thuật nói chung N h m thu nhỏ m áy m óc thiết bị cồng k ề n h thành m áy m óc gọn nhẹ bé nhò thuân lợi sử dụng đặc biệt tiết kiệm lượng đời sống hàng ngàv san xuất nghiên cứu k h o a học Cơng nghệ gốm tạo vật liệu siêu cứng, chịu nhiệt độ cao vật liệu siêu dẫn điều đặc biệt ngu yên liệu đê sản xuất loại g ố m m ới từ nguvên tố phổ biên tự nhiên 0X1, nitơ, cacbon, silic H iện cordierit m ullit xem m ột loai vật liệu 2òm qu a n trọng, hữu ích ứng d ụ n s nhiều ngành cống nghệ như: điện tử, q u a n s học, động nhiệt Vì cordierit m ullit có tính chất hấp dẫn nhiệt độ cao như: bền mặt hóa học với oxi nhiệt độ cao, tính chơng rão cao, hệ số giãn n nhiệt thấp ( 45.10'6) sô điện m ô i nhỏ (£ = ), chịu thay đối đột ngột nhiệt độ, 2Íữ lại tính chất nhiệt độ cao, suốt với tia h ổ n s n s o i bước s ó n s tru n s binh G ơm cordierit, m u llit tạo phương ph áp khác ví dụ như: sol - sel đ n s phân hủy, đ ổ n s kết tủa phun nhiệt phân (spray pyrolyis) lắns đọng hóa học, phân hủy (C hem ical V apour D eposition C V D ) Tuy nhiên phươns pháp sol - gel có nhiều ưu điểm cách phối trộn n g u y ê n liệu ban đầu dẫn đến đồng cao sản phẩm H ơn phương pháp sol - sel tổng hợp cordierit, m u llit tinh k h iết nhiệt độ thấp khoang " c - 1250nc T rẽn sờ chúng tơi chọn để tài: " N g h iê n cứu tổng hợp gôm cordierit m ullit b ầ n s phươ ns pháp sol - g e l ” Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Chương 1: Tổng quan 1.1 K hái niệm vẻ gốm cord ierit mullit 1.1.1 K hái niêm tính ch ất cordierit C ordierit ( M g A l , v S i 2) n hó m silicat vòng hệ tam tà với giá trị thòng số a = A°, b = 10,34A '\ c = 9.62A" a = 107.4°; (3 =95.2": Y = 123.8" có nhóm tứ diện SiOi liên kết với nhau, tro n s ion Si4+ thay thê lio n A l '+ biểu diễn cóng thức: M g :A l3[A lSi?0 1H] hay viết dạng oxit là: M g A l20 S i F e 2+ thay th ế M g :+ đến 10% C ordierit k h ô n g m àu hay có đủ m àu sắc xanh, tím đơi phớt hồng, vàng có lẫn tạp chất T ro n g tự nhiẽn cordierit thường gặp tro n đá nai tinh phiến thạch đá m ác m a bị biên đổi cộm: sinh VỚI khống vật có M g Al N gồi người ta c òn thấy kho án g cordierit hình thành nhiệt độ cao H ợp chất cordierit có dạng thù hình chính: Indialit, ụ - Cordierit T rong indialit d n thù hình bền ò nhiệt độ cao dạng d uy lấy tự nhiên xương gốm (3 ụ - Cordierit tạo hà n h điều kiện đặc biệt Ở1460"c dạng indialit c h u y ê n sang dạng nóng ch ảy k h n g tư n s hợp biến thành m ullit sau c h u y ể n thành pha lỏng từ Forsterit tạo thành Cordierit có hằn.2 số điện m ôi nhỏ (£ = ) tỉ khối d = g / c m \ h ằ n s sô cách điện cao p > I l2Q cm có hệ số giãn nở nhiệt nho a = l - J1 20 - 800"C Do chịu thay đổi đột n s ộ t nhiệt độ hóa bền C hính cordierit ứng d ụ n s làm gôm cách điện, s ò m c h ố n g xóc nhiệt, vật liệu chịu lứa tò hợp với mullit thành vật liệu dùng làm chất n ền cho c ô n g n g h iệ p điện tử [7.9], Hiện cordierit dùng n hiều để làm chất m an g dạng tổ ong cho chất xúc tác xứ lí khí thải động làm chất m an g cho xúc tác hóa dầu làm việc điều kiện nhiệt độ khác nghiệt 1.1.2 Khái niệm tính ch át mullit H ợp chất m ullit (3 A l20 v S i 2) n h ó m alu m in o silic at hệ m ặt thoi với a = 545A 0, b = A 0, c = 2,88A ° a = (3 = Y =90° T h eo [1,3] m ullit m ộ t hợp chất có d n s tinh thể ổn đ ịn h áp xuất khí M ullit x e m n h m ột dung dịch rắn với h m lượng A IịO i trone k h o ả n s 70.5 - 74,5% N 2ƯỜÍ ta cũn g cho biết thành phần m ullit chưa ổn định nằm kh oảng 74 - 83 6% khối lượng A l2O v Tất th àn h phần cù a mullit biểu diễn cơng thức tổng qu át sau: A12(A12 +2xS[2 Khi X = 0.25 ( cf khối lượ n2 AKO ;) có thành phán tương ứne với c o n e thiiv 3A1-.Ov2SìOị gọi m ullit 2:1 Hoc 'hái mLilli: r.on^ ch.:' khoniZ LiMn^ hi'P > < : '2'' r : ’ c J idv b;-‘L: hình duag d—rin +- — — -0 vào nước cất với tỷ lệ : 20 cho qua cột nhựa trao đỏi catiom t d u n s dich thu axit H 2S i M ẫu Mj : H ò a tan lượng muối A1(N0-,)9H; vù M g íN O , >: H :0 UK) d u n s d ịch H ; SiO , khảy m ạnh m áy khay từ cho đôn lúc lư ợ n - muôi tan hết điều c h in h pH dung dịch bang cách nho tư tư N H O H vuo pH = D u n s d ịc h thu suốt dạng Soi tiên hanh say Ju n g diẹh Sol 65"c tron í h , q u trình gcl hóa xẩy hồn tồn, nàng nhict đo say lcn 52 t Itgiụtai Kiioa I iộ ?mien P lià n tích, Ket-noi.com lieu phi Ket-noi.comn ọkho kho tai lieu mien phiH oá, Lý Sinh học V iệt N a m thứ P 0 105°c 36 để làm khô gel, thu X erogel, nghién m ịn chia phần để tiền h n h n g h iê n cứu M ẫu M : M ẫu tiến hành M |, thêm vào lượn ° B ; , 3% X erogel thu được, n g h iề n m ịn chia phần để tiến hành nghiên cưu * Phần : T iến hành xác định tính chất X e ro se l bằn ° phươna pháp phân tích D T A ,T G , X R D , SEM * P h ần : T iế n hành ép viên m y ép lực tấ n /c n r , sử dụne chất kết dính PV A , viên nén d n s đĩa ộ = m m , độ dày 2mm Các viên m ẫ u nung lò điện với tốc độ nâng nhiệt 10'/phút nhiệt độ 1000, 1100, 1200, 1250, ÌSOO^C với thời gian lưu Xác định hàm lượng C o rdierit thu sản ph ẩm g ốm phương pháp phân tích X R D ~ T G , D T A , SEM - G iản đồ ph ân tích nhiệt D TA , T G sh i m áy 2900 - SDT - V3 - O F với tốc đ ộ đốt n ó n s m ẫu 10°/phút tro n? khơns khí truns tâm khoa học vật liệu - Đ H K H T N - H Nội - G iản đồ n hiễu xạ tia - X (X R D ) ghi m áy V N H -H N -SIEM EN S D 5005 tru ng tâm kh oa học vật liệu - Đ H K H T N với só c quay từ 5°^70n, x C u - K a - Á nh hiển vi điện tử (SEM ) chụp kính hiến vi diện tư quét JEO L, SEM - 35 trung tâm KH vật liệu - Đ H K H T N K Ế T Q U Ả V À T H Ả O L U Ậ N - Phân tích nh iệt D T A -T G sử dụnu để phân tích phân hủy nhiệt X erogel sư c h u y ê n pha trình thiêu kêt số m Két trình bày h ìn h S a m p le M a u C o r d e r iie S iz e 32 7 rrg DSC-TGA Method: Romp C o m m e n t V a n 'S a m p le te c / m m I ' k k _ te s i File \TA\D3I.tSDTMJAN.(y&r t 0C1 C p e r a l o r - M 'fin Ruri Doto lS-Mjr-CS 09 C4 Instrument ? Ị •ca -1 ■ - \ \ ! 128 o re/ X ự / 5 ‘ C OS 37*c H ình 1: Giản đồ DTA - Xerogel Quan sát đường DTA hiệu ứng thu nhiệt , / c, 1:0 ,46 c \LI giai đoạn phân hủy H:0 ion NO OH cua Xerogel ket ■' chúng tòi chon vùng nhiệt độ 750'c đê’ nung sơ bỏ mâu gôm nham tạo e rn.it cac exit sinh có điện tích lớn, tinh thể chưa hòan chinh cai thiọn kha nang f IlIii ưnc oxit tạo nên hợp chất Cordierĩt dễ dàng hon - Phân tích nhiều xạ tia X, kẽt q trình bay o bang bang hình Hội iiịịIiị klioci học Pliàn rich, Hố, Lý Sình học 17út Nam nin iliử 2/2005 Báng : H ằ n g số m n g củ a C ordierit nung ỏ nhiệt độ khúc Nhiệt độ a b c ab c/d V d 1000"C 9,744 16.918 9,232 0.5759 0,5456 1512,SS59 2.553S 1100"c 9,752 16,956 9,314 0.5751 0,5493 1540.1! 57 2.5236 Ỉ200"C 9,759 16.995 9,335 0.5742 0.5493 1548.2490 2.5109 1250"c 9,754 16.973 9,334 0.5747 0.550 1545.2S7 2.5 152 1300"c 9,754 16.967 9,331 0,5748 0,550 1544, 2443 2.5169 1200"C (3h) 9,754 16.973 , 33 0.5746 0,499 1545.2870 5152 1200"C (4h) 9,759 16,971 9,330 0.5750 0,5498 1545,2345 5152 1200"C (B ,0,) 9.762 16.969 9,332 0.753 0.5499 1545.S5S6 2-5143 Mau chuẩn 9.7390 17.0800 9.3450 0.5702 , 54 13 1554.467! 5004 Báng : Pic đãc trư n g C ordierit mau M ị M ị sang ỏ 1200"c Pha tinh the d (A) 20 I M, Mị 10,5 8.487 285 300 21,8 4.085 105 IS 28,5 3,35 128 140 3,027 i 50 160 Cordierit - 29.5 V N Ư -H N -SIE M E N S D 5 -M a u 10ŨŨ 1100 Ĩ0 125G 13Ũ0C • 2h Q o O'Vl |N