Nghiên cứu chế tạo gốm hệ al2o3 tio2 mgo định hướng ứng dụng trong chế tạo sản phẩm chống đạn

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 t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

ĐIỀN TRUNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GỐM HỆ Al2O3-TiO2-MgO ĐỊNH HƯỚNG TRONG CHẾ TẠO SẢN PHẨM CHỐNG ĐẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

ĐIỀN TRUNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GỐM HỆ Al2O3-TiO2-MgO ĐỊNH HƯỚNG TRONG CHẾ TẠO SẢN PHẨM CHỐNG ĐẠN

Chuyên ngành : Hóa lý thuyết và hóa lý

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN XUÂN VIẾT

TS LÊ VĂN THỤ

Hà Nội, Năm 2017

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu chung về gốm oxit nhôm 3

1.2 Nguyên liệu dùng để chế tạo gốm oxit nhôm 3

1.2.1 Nhôm hydroxit 3

1.2.2 Oxit nhôm kỹ thuật 4

1.2.3 Chất kết dính 6

1.2.4 Chất phụ gia 6

1.3 Công nghệ nghiền 9

1.3.1 Thiết bị nghiền 9

1.3.2 Máy nghiền bi 10

1.4 Tạo hình gốm sứ 13

1.5 Gốm chống đạn 16

1.6 Công nghệ sấy phôi gốm 20

1.6.1 Mục đích, yêu cầu của công nghệ sấy phôi gốm 20

1.6.2 Chế độ sấy 21

1.6.3 Phân loại các thiết bị sấy 22

1.6.4 Thiết bị sấy 23

1.7 Công nghệ nung thiêu kết phôi gốm 25

1.7.1 Quá trình xảy ra khi nung thiêu kết phôi gốm 25

1.7.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm 29

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2 1 Nguyên vật liệu 32

2.2 Các thiết bị và phương pháp nghiên cứu 32

2.4.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 34

2.4.2 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-Ray) 35

2.4.3 Phương pháp phân tích nhiệt (DSC/TGA) 36

2.4.4 Phương pháp phân tích cỡ hạt 37

2.4.5 Xác định tính chất cơ học của vật liệu 37

2.4.5.1 Đánh giá độ cứng của vật liệu gốm cao nhôm 37

2.4.6 Phương pháp cân thủy tĩnh 38

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40

3.1 Khảo sát kích thước hạt nguyên liệu ban đầu (-Al2O3, TiO2, MgO) 40

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của một số hệ chất chống dính 42

3.2.1 Thông số kỹ thuật của một số hệ chất chống dính khuôn ép thủy lực 42

3.2.2 Ảnh hưởng của chất chống dính đến quá trình tháo khuôn 43

3.2.3 Ảnh hưởng của chất chống dính đến chất lượng bề mặt phôi gốm 44 3.3 Khảo sát ảnh hưởng của chế độ gia công đến chất lượng gốm oxit nhôm 44

3.3.1 Ảnh hưởng của áp lực ép đến tỷ trọng của gốm cao nhôm 44

3.3.2 Ảnh hưởng của áp lực ép đến độ cứng của gốm cao nhôm 45

3.3.3 Ảnh hưởng của lực ép đến cấu trúc bề mặt của gốm oxit nhôm 46

3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến chất lượng phôi gốm 47

3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến chất lượng phôi gốm 49

3.6 Khảo sát gốm cao nhôm khi không bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2) 51 3.6.1 Khảo sát thành phần pha của gốm cao nhôm khi không bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2) 51

3.6.2 Khảo sát các tính chất của gốm cao nhôm khi không bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2) 52

3.7 Khảo sát gốm cao nhôm khi bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2) 54

3.7.1 Khảo sát thành phần pha của gốm cao nhôm khi bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2) 543.7.2 Khảo sát các tính chất của gốm cao nhôm khi bổ sung nano vô

cơ (MgO, TiO2) 58

KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Chỉ tiêu kỹ thuật oxit nhôm hoạt tính siêu mịn của Trung Quốc 5

Bảng 1.2 Kích thước hạt bột sau nghiền 9

Bảng 1.3 Cơ tính của một số vật liệu gốm 17

Bảng 1.4 Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu của gốm cao nhôm 17

Bảng 1.5 Các chỉ tiêu cơ lý của gốm chống đạn trên cơ sở cacbit SiC 18

Bảng 1.6 Các chỉ tiêu cơ lý của gốm chống đạn trên cơ sở oxit nhôm 19

Bảng 2.1 Thành phần hóa học phối trộn của các mẫu gốm oxit nhôm 33

Bảng 3.1 Một số chỉ tiêu kỹ thuật của các mẫu gốm oxit nhôm 40

Bảng 3.2 Nhiệt độ nung phôi gốm theo chế độ HR2/HH3 49

Bảng 3.3 Một số tính chất của mẫu gốm G0 52

Bảng 3.4 Một số chỉ tiêu cơ tính của mẫu gốm G0 52

Bảng 3.5 Một số tính chất của mẫu gốm G10 59

Bảng 3.6 Một số chỉ tiêu cơ tính của mẫu gốm G10 60

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Dạng liên kết hóa học của nhôm Al2O3 5

Hình 1.2 Cấu trúc của MgO 7

Hình 1.3 Các dạng thù hình của TiO 2 8

Hình 1.4 Khuôn định hình tấm gốm kích thước 56 x 56 mm 14

Hình 1.5 Một số vật liệu gốm chống đạn 18

Hình 1.6 Các đường cong sấy 21

Hình 1.7 Thiết bị sấy liên tục dạng băng tải 24

Hình 1.8 Sơ đồ thiết bị sấy đối lưu 25

Hình 1.9 Quá trình kết khối các hạt tròn Al 2 O 3 khi nung ở nhiệt độ 1750 ÷ 1840 o C 26

Hình 1.10 Mô tả quá trình khuyếch tán vật chất khi nung theo Frenkel 27 Hình 2.2 Máy nghiền, trộn nguyên liệu 32

Hình 3.1 Giản đồ phân tích cỡ hạt của -Al 2 O 3 , TiO 2 , MgO 41

Hình 3.2 Áp lực khi tháo khuôn 43

Hình 3.3 Ảnh hưởng của áp lực ép đến tỷ trọng của mẫu gốm oxit nhôm45 Hình 3.5 Ảnh SEM bề mặt mẫu gốm cao nhôm với lực ép khác nhau 46

Hình 3.6 Kích thước lỗ xốp bề mặt của các mẫu ở các chế độ ép khác nhau 47

Hình 3.7 Độ ẩm còn lại của phôi gốm sau các chế độ sấy 48

Hình 3.8 Tỷ trọng của phôi gốm sau sấy ở các nhiệt độ khác nhau 49

Hình 3.9 Độ cứng của mẫu nung ở các chế độ nhiệt khác nhau 50

Hình 3.10 Tỷ trọng các mẫu nung ở các chế độ nhiệt khác nhau 51

Hình 3.11 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gốm oxit nhôm ban đầu (mẫu G0) 51

Hình 3.14 Giản đồ pha hai thành phần Al2O3- MgO 55 Hình 3.16 Giản đồ phân tích nhiễu xạ Rơnghen mẫu gốm cao nhôm (G10) 57 Hình 3.17 Giản đồ phân tích nhiễu xạ Rơnghen mẫu gốm G10, độ phóng đại 10 lần 58 Hình 3.18 Ảnh SEM của mẫu gốm cao nhôm G3, G4, G10 62

MỞ ĐẦU

Gốm được chia 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 cao lanh, đất sét Gốm truyền thống được thiêu kết tại nhiệt độ trên 900oC để tạo ra sản phẩm có vi cấu trúc và các chỉ tiêu cơ lý tính theo yêu cầu sử dụng Gốm đặc biệt là gốm được tạo thành từ các nguyên liệu như: nitrua, cacbua (SiC, B4C, SiN4, TiB2, AlN), các gốm đơn oxit và gốm loại hệ nhị nguyên (như B4C-TiB2-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 với thành phần chính chứa α-Al2O3 trên 90% có nhiều tính chất kỹ thuật ưu việt 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 Trong lĩnh vực an ninh quốc phòng, gốm cao nhôm được sử dụng nhiều 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]

Việc chế tạo gốm cao nhôm bao gồm nhiều công đoạn như: 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 hiện diện của lỗ xốp [28, 29] Bên cạnh

đó, việc nghiên cứu bổ sung hàm lượng TiO2 và MgO tối ưu vào gốm cao nhôm

để giảm nhiệt độ thiêu kết, tăng cường sự kết khối và tính chất cơ lý của vật liệu

là rất cần thiết [2, 38, 41]

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

đề ―Nghiên cứu chế tạo gốm hệ Al 2 O 3 -TiO 2 -MgO định hướng ứng dụng trong sản phẩm chống đạn" với mục tiêu xác định thành phần vật liệu, mẫu gốm oxit

nhôm ban đầu, lựa chọn chất chống dính, xác định ảnh hưởng của phương pháp tạo hình phôi gốm mộc, quá trình sấy phôi gốm mộc, quá trình nung thiêu kết gốm cao nhôm, ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 và MgO đến cấu trúc và tính chất của vật liệu gốm cao nhôm từ đó lựa chọn được thành phần vật liệu, kỹ thuật tối ưu chế tạo gốm cao nhôm Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu gốm cao nhôm chế tạo được và so sánh với mẫu gốm chống đạn của nước ngoài từ đó đánh giá hiệu quả sử dụng của gốm cao nhôm làm vật liệu chống đạn phục vụ

công tác đảm bảo an ninh, quốc phòng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về gốm oxit nhôm

Gốm oxit nhôm hay còn được gọi là gốm cao nhôm là loại gốm đơn oxit,

có nguyên liệu chính là α-Al2O3 Đây là loại gốm đặc biệt có nhiều các tính chất

kỹ thuật ưu việt 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 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 máy bay, tên lửa, tầu vũ trụ, buồng lót động cơ phản lực, ống phun lửa, Trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng thì vật liệu gốm cao nhôm cũng được sử dụng nhiều như: làm áo giáp chống đạn, khiên chống đạn, bộ phận ốp lên xe tăng, xe thiết giáp quân sự, [1, 2]

1.2 Nguyên liệu dùng để chế tạo gốm oxit nhôm

Trên thế giới hàng năm sản xuất hàng triệu tấn Al2O3 kỹ thuật, song chủ yếu chỉ được sử dụng dùng trong ngành luyện nhôm kim loại (chiếm đến 90% sản lượng) Chỉ có khoảng 10% là được sử dụng trong các ngành phi luyện kim như: gốm, thủy tinh, bột mài, cao su, ximăng alumin,

Nguyên liệu chính dùng để sản xuất nhôm oxit chủ yếu là hai loại sau: oxit nhôm và nhôm hydroxit

Công thức chung là Al2O3.nH2O Gồm ba loại phân biệt nhau bởi cấu trúc

và hàm lượng nước liên kết hóa học Khi đốt nóng nhôm hydroxit sẽ xảy ra sự biến đổi không thuận nghịch từ dạng này sang dạng khác

1.2.2 Oxit nhôm kỹ thuật

Oxit nhôm có trọng lượng riêng là 3,96 (g/cm3), nhiệt độ nóng chảy cao khoảng 2054 ÷ 2056oC, có độ dẫn điện thấp (khi ở nhiệt độ cao oxit nhôm vẫn

có độ dẫn điện thấp)

Có 3 dạng thù hình của oxit nhôm là: α, β, γ-Al2O3 Trong đó, dạng thù hình α, γ tồn tại dạng tinh khiết, còn dạng β chỉ tạo ra khi có mặt của tạp chất Trong tự nhiên oxit nhôm tồn tại hai dạng chính, γ-Al2O3 ít bền vững và α-Al2O3bền vững hơn

Dạng α-Al2O3 tồn tại trong tự nhiên, rất cứng, là chất cách điện tốt, nóng chảy tại nhiệt độ cao đến 2045oC, được dùng làm vật liệu chịu lửa, dùng làm bột mài, đá mài, làm vật liệu chuyên dụng có những tính năng rất đặc biệt như chống va đập, chống đạn,

Hình 1.1 Dạng liên kết hóa học của nhôm Al 2 O 3 Bảng 1.1 Chỉ tiêu kỹ thuật oxit nhôm hoạt tính siêu mịn của Trung Quốc

TT Các chỉ tiêu kỹ thuật Loại sản phẩm

1.2.3 Chất kết dính

Chất kết dính được sử dụng để liên kết các hạt bột oxit nhôm, chúng được

sử dụng để tạo hình sản phẩm ban đầu (sản phẩm mộc) Chất kết dính phải có đặc điểm là sau khi thiêu kết, chất kết dính cháy hết và không còn nằm trong sản phẩm gốm Như vậy, chất kết dính chỉ có tác dụng liên kết ban đầu để định hình sản phẩm Chất kết dính có thể là: tinh bột, Polyvinylalcol (PVA), Copolime vinylaxetat etylen, PEG (Polyetylenglycol)

1.2.4 Chất phụ gia

Phụ gia thiêu kết, khác với chất kết dính dùng trong chế tạo gốm với các 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

Nói chung, có thể chia chất phụ gia thành 4 loại chính sau đây:

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

- Thúc đẩy quá trình kết khối và thúc đẩy sự lớn hạt (ví dụ trong nhóm này là TiO2)

- Kìm hãm quá trình kết khối và kìm hãm sự lớn hạt (ví dụ dụ tiêu biểu của nhóm này là Ni2O3)

- Kìm hãm quá trình kết khối và thúc đẩy sự lớn hạt (ví dụ tiêu biểu trong nhóm này là SiO2)

Các tài liệu nghiên cứu [6, 7] chỉ ra 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

Ví dụ của một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của MgO đến kìm hãm sự lớn hạt của gốm cao nhôm: khi thêm 0,25% MgO vào gốm cao nhôm thì tốc độ lớn hạt tại 1650oC, 1700oC, 1750oC và 1800oC lần lượt là 2,8; 2,5; 1,4 và

3.10-8cm/giây, còn khi không thêm MgO, cũng ở nhiệt độ đó thì tốc độ lớn hạt là 10,0; 13,8; 13,4 và 12,5.10-8cm/giây [10]

Trong hệ đa cấu tử, pha α- Al2O3 tương tác với các cấu tử khác, hoặc là tạp chất, hoặc là 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

a) Nano MgO

*Khái quát chung: Oxit magie là một oxit của magiê, còn gọi là Mag Frit

Nó có phân tử gam 40,3 gam/mol, nhiệt độ nóng chảy 2852oC

MgO, cùng với SrO, BaO và CaO, tạo thành nhóm oxit kiềm thổ Chất này có thể lấy từ nguồn: talc, dolomite, magnesium carbonate MgO và ôxít zirconi là hai oxit có nhiệt độ nóng chảy cao nhất Tuy nhiên, MgO dễ dàng tạo pha eutactic với các oxit khác và khi đó nó nóng chảy ở nhiệt độ rất thấp

Hình 1.2 Cấu trúc của MgO

* Tác dụng của nano MgO trong gốm oxit nhôm: Oxit magie được dùng

trong vật liệu gốm nhờ hai đặc tính quan trọng là độ giãn nỡ nhiệt thấp và chất này là một chất trợ chảy (bắt đầu hoạt động từ 1170oC) do vậy làm tăng mật độ của phôi gốm Tuy nhiên, hàm lượng MgO trong gốm phải khống chế hợp lý tránh gây giòn sản phẩm sau chế tạo

b) Nano TiO 2

* Khái quát chung: Titan dioxit là chất bột màu trắng, bền nhiệt Trong tự

nhiên, TiO2 có bốn dạng thù hình: dạng vô định hình và ba dạng tinh thể: anatase, rutile, và brookite Trong đó dạng pha tinh thể rutile là dạng bền phổ biến nhất của TiO2, anatase và brookite là dạng giả bền và chuyển thành rutile khi nung nóng

Trong cấu trúc tinh thể của TiO2 thì mỗi ion Ti4+ được bao quanh bởi sáu ion O2- Khoảng cách Ti-Ti trong tinh thể dạng anatase (3,79Å) lớn hơn khoảng cách Ti-Ti trong tinh thể dạng rutile (2,96Å) Trong khi đó, khoảng cách Ti-O trong tinh thể dạng anatase (degTi-O = 1,934 và 1,980Å) nhỏ hơn khoảng cách Ti-

O trong tinh thể dạng rutile (degTi-O = 1,949 và 1,980Å) Sự khác nhau về cấu trúc mạng tinh thể là nguyên nhân dẫn tới sự khác nhau về khối lượng riêng ()

và cấu trúc vùng điện tử (Eg) giữa hai dạng TiO2

Nano TiO2 giúp hạ thấp nhiệt độ thiêu kết của gốm oxit nhôm Theo một số nghiên cứu, TiO2 có hàm lượng 1% giúp hạ thấp nhiệt độ thiêu kết xuống 100oC

1.3 Công nghệ nghiền

1.3.1 Thiết bị nghiền

Nghiền là quá trình phá hủy vật thể rắn bằng lực cơ học thành các phần

tử, nghĩa là bằng cách đặt vào vật thể rắn các ngoại lực mà các lực này lớn hơn lực hút phân tử của vật thể rắn đó

Yêu cầu:

+ Ít tạo ra bụi;

+ Không làm phần tử nhỏ quá nóng;

+ Điều chỉnh được độ nhỏ vật liệu nghiền;

+ Có thể nghiền được vật liệu ẩm tới 19 – 20 %;

Kích thước hạt bột sau nghiền được đánh giá thông qua bảng 1.2

Bảng 1.2 Kích thước hạt bột sau nghiền

Các loại thiết bị nghiền:

* Nguyên lý nghiền va đập

Máy nghiền bi thuộc loại máy nghiền mịn và sự nghiền xảy ra do sự va đập và chà xát của các viên bi với vật liệu đem nghiền

Máy nghiền bi có nhiều chủng loại, nhưng loại thường được dùng rộng rãi nhất là máy nghiền thùng quay, đó là bộ phận chủ yếu nhất, là một cái thùng rỗng đặt nằm ngang tì lên 2 ổ đỡ, bên trong có chứa nhiều bi cầu hay bi trụ hoặc thanh dài Khi quay thì dưới tác dụng của lực ly tâm, các vật nghiền được ép sát vào mặt trong của vỏ thùng, được nâng lên đến độ cao nào đó Ở độ cao này, dưới tác dụng của trọng lực các vật nghiền rời khỏi mặt thùng và rơi tự do và thực hiện sự va đập và chà xát vật liệu

a.Phân loại dựa vào các tiêu chuẩn sau:

* Kết cấu của máy nghiền:

- Hình trụ một hay nhiều buồng nghiền

* Phương thức tháo sản phẩm :

- Qua ngỗng trục

- Qua sàng hình trụ

- Qua vỏ tang nghiền

b Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền:

Có nhiều yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình nghiền xuất phát từ tính chất của vật liệu nghiền và máy nghiền

- Tính chất của vật liệu nghiền: Độ bền, độ cứng, độ nhớt, độ đồng đều, trạng thái và hình dạng bề mặt, độ ẩm, kích thước, hình dạng và vị trí tương hỗ của các phần tử nghiền, hệ số ma sát giữa các phần tử…là những yếu tố của vật liệu có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình nghiền

- Tính chất của máy nghiền: Hình dạng và trạng thái của bề mặt, vận tốc

và tính chất chuyển động khối lượng của bộ phận làm việc (tỉ số giữa khối lượng của bi nghiền với khối lượng của vật đuợc nghiền), hệ số ma sát của bề mặt nghiền với vật được nghiền…là những yếu tố cấu trúc máy có ảnh hưởng đến quá trình nghiền nhỏ vật liệu

c Cơ sở lý thuyết của quá trình nghiền vỡ vật liệu:

Một vật thể được nghiền vỡ tức là chịu tác động của ngoại lực có trị số vượt các ứng sức bền của vật thể (ứng sức nén) Khi đó, vật thể sẽ chịu những biến dạng, hoặc bị phá vỡ đột ngột, hoặc chịu những biến dạng đàn hồi, biến dạng dẽo và cuối cùng bị phá vỡ Khi vật thể chịu một lực va đập tự do để phá

vỡ, thì lực đó sẽ gây ra những sóng chấn động truyền trong vật thể theo chiều lực đập Chỉ khi lực đập đủ lớn để các sóng chấn động đó truyền hết chiều dài (kích thước) vật thể thì vật thể mới có khả năng bị phá vỡ

Trong quá trình bị phá vỡ, vật thể nếu chưa vỡ cũng đã chịu những biến dạng đàn hồi, nghĩa là đã tốn phần năng lượng nghiền để có những biến dạng đó Khi vật thể vỡ ra sẽ tạo thành những diện tích mới ở những chổ nứt vỡ, lúc đó là lúc tiêu thụ năng lượng để phá vỡ, để tạo ra những diện tích mới Tuy nhiên, đôi

khi vật thể chịu ngoại lực tác động, chưa vỡ hẳn nhưng đã có những vết nứt ngầm với những khe, những diện tích mới nào đó bên trong Cũng có thể những vết nứt ngầm đó khép liền lại do lực hút phân tử của vật thể Như vậy quá trình nghiền sẽ bị tốn một phần năng lượng vô ích đó

1.4 Tạo hình gốm sứ

Tạo hình là tạo cho phối liệu ở dạng đa phân tán có hình dạng và kích thước hình học nhất định, tức là tạo nên bán thành phẩm mộc từ phối liệu đã được đồng nhất hóa từ trước đó

Trong công nghiệp gốm sứ, việc lựa chọn phương pháp tạo hình phù hợp dựa vào hình dạng, kích thước và các yêu cầu chỉ tiêu lý hóa của sản phẩm Có các phương pháp tạo hình chính được phân loại như sau: tạo hình đổ rót, tạo hình dẻo, tạo hình ép khô, bán khô hay ép ẩm, tạo hình màng gốm

Theo 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 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 đó dẫn đến các khó khăn trong việc tạo hình cho sản phẩm không như mong muốn và trong nhiều trường hợp gây ra các rạn nứt trên các mặt bên, tạp chất mòn ra từ thành khuôn do mài mòn trong quá trình ép gây bẩn phối liệu, sản phẩm Đặc biệt 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

Chế tạo khuôn định hình tấm gốm với các kích thước dài x rộng loại

56 x 56mm như trình bày tại hình 1.4

Hình 1.4 Khuôn định hình tấm gốm kích thước 56 x 56 mm

Một số yêu cầu khi thực hiện công nghệ tạo hình bằng ép khô và bán khô:

* Độ ẩm của liệu:

Độ ẩm của liệu không được quá cao, vì nó ảnh hưởng rất nhiều đến mật

độ của sản phẩm, cũng như trạng thái bề mặt của sản phẩm Thông thường với sản phẩm dân dụng độ ẩm thường lựa chọn ≤ 9%, với sản phẩm yêu cầu cao về tính chất cơ lý thì độ ẩm không được phép vượt quá 6%

* Áp lực ép:

Áp lực ép được thực hiện theo 1 chiều hoặc nhiều chiều, phụ thuộc vào hình dáng của sản phẩm, yêu cầu về mật độ Khi ép hai chiều thường đối với mẫu có độ dày nhất định để đảm bảo lực ép phân bố đều, tránh ứng suất gây cong vênh, tăng mật độ xít chặt của sản phẩm sau khi nung

Giai đoạn áp lực ép nhỏ: mật độ phụ thuộc tuyến tính vào lực ép Các hạt liệu di chuyển và định hướng với nhau để đạt mật độ cao nhất, giảm lỗ trống giữa các hạt

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

- 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

- Quá trình ép một trục

- Quá trình làm khô (sấy) và nung phụ thuộc vào độ chịu tải của lò, hình dạng và kích thước của những sản phẩm và vòng nung tối ưu

- Cách xếp mẫu mộc khi nung cũng đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm như: cong vênh, nứt, mức độ đồng đều sản phẩm

1.5 Gốm chống đạn

Sử dụng vật liệu gốm để chống đạn, chống va đập là một ứng dụng mới

có tính khoa học và thực tiễn cao Vật liệu gốm chống đạn ra đời từ những năm

1960 để làm áo chống đạn và ghế ngồi trên máy bay trực thăng Ngày nay, sử dụng gốm ngày càng phát triển và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chống đạn nói riêng và chống va đập nói chung Yêu cầu chính của áo giáp bằng gốm là để ngăn ngừa những mảnh bắn nhỏ và giảm trọng lượng (nhẹ hơn những vật bảo vệ bằng kim loại tương đương) Hiện nay, sự phát triển của áo giáp bằng gốm đang diễn ra rất nhanh và có nhiều tính mới Mục đích chính của áo giáp bằng gốm là bảo vệ người và phương tiện cho lực lượng quân đội và cảnh sát, ngoài ra còn được sử dụng cho ngành không quân như bảo vệ một số phần trên máy bay trực thăng và máy bay chiến đấu

Cơ chế bảo vệ của vật liệu gốm và kim loại là rất khác nhau Kim loại thì hấp thụ năng lượng động lực bắn ra bởi một cơ chế biến dạng dẻo Gốm thì hấp thụ năng lượng động lực bắn ra bởi cơ chế năng lượng do phá vỡ Khi va chạm với đạn, gốm bị nứt lan toả khắp bề mặt do đó chỉ sau một lần bắn nó gần như mất khả năng chống đạn Tuy nhiên, vật liệu gốm làm cho đầu đạn bị biến dạng

và nứt dọc, hấp thụ một phần năng lượng của viên đạn, giảm phần lớn gia tốc đầu đạn, giảm khả năng xuyên sâu so với các vật liệu khác như: thép, composite hay vải sợi chống đạn Do vậy, nếu kết hợp vật liệu gốm với các vật liệu khác thì tăng khả năng chống đạn cao hơn, lưu ý rằng cần phải ghép nhiều tấm gốm thành tấm lớn sẽ tăng khả năng chống đạn nhiều hơn do sự nứt vỡ lan toả khắp

bề mặt của nó Gốm có độ cứng rất cao đồng thời có tỷ trọng cao nên có hạn chế

là rất nặng, chỉ phù hợp để chế tạo các tấm chống đạn nhỏ, xe chống đạn Các tấm chống đạn sử dụng gốm có khả năng chống đạn rất cao, có thể chống đạn cấp IV và cấp V

Có hai loại vật liệu gốm cứng sử dụng để chống đạn: gốm cấu trúc dạng khối và compozit nền gốm Loại gốm dạng khối bao gồm những gốm oxit (hầu như là gốm nhôm), loại gốm không oxit (như loại cacbit SiC, BC, SiN4, TiB2, AlN4) và gốm loại hệ nhị nguyên (như B4C-TiB2-nền gốm)

Bảng 1.3 Cơ tính của một số vật liệu gốm

(g/cm3)

Độ cứng Vicke (GPa)

Độ bền uốn (MPa)

Bảng 1.4 Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu của gốm cao nhôm

a) Gốm chống đạn trên cơ sở cacbit SiC

b) Gốm chống đạn trên cơ sở oxit nhôm

c) Gốm cao nhôm được sử dụng làm áo chống đạn và trên xe quân sự

Hình 1.5 Một số vật liệu gốm chống đạn

Những hệ trên cơ sở Al2O3-SiO2-CaO-MgO, Al2O3-TiO2-MgO, Al2O3ZrO2 với một lượng Al2O3 lần lượt tương ứng là: 96; 97; 98; 98,5; và 99,6% về

-khối lượng là những loại gốm cao nhôm làm áo giáp chống đạn Kích thước hạt

và kích thước tinh thể trung bình của nhôm tương ứng là 0,35÷0,5 m và 1÷3

m Diện tích bề mặt riêng lần lượt tương ứng là 8÷11 m2/g và 2,8÷3,3 m2/g Công ty Yangzhou Beifang Sanshan industrial Ceramics đã sản xuất gốm chống đạn với các loại khác nhau trên cơ sở cacbit SiC theo tiêu chuẩn NIJ 0104.06 và gốm oxit nhôm α-Al2O3 theo tiêu chuẩn NIJ 0101.06 của Mỹ được trình bày trên hình 1.5 và bảng 1.5, bảng 1.6

Bảng 1.5 Các chỉ tiêu cơ lý của gốm chống đạn trên cơ sở cacbit SiC

Bảng 1.6 Các chỉ tiêu cơ lý của gốm chống đạn trên cơ sở oxit nhôm

Nhìn chung loại gốm không oxit sử dụng để làm vật liệu chống đạn có tính chất vật lý cao và mật độ thấp (trừ TiB2-nền gốm) điều này thuận lợi hơn so với gốm oxit nhôm Tuy nhiên, loại gốm này thường được sản xuất bằng phương pháp ép nóng dẫn đến giá thành cao và khó sản xuất hơn so với gốm oxit nhôm Do đó, sử dụng gốm oxit nhôm làm vật liệu chống đạn vẫn được các nước trên thế giới quan tâm và nghiên cứu

1.6 Công nghệ sấy phôi gốm

1.6.1 Mục đích, yêu cầu của công nghệ sấy phôi gốm

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 sứ 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 các yêu cầu trên, yêu cầu về đạt độ đồng đều là quan trọng hơn cả Phối liệu chứa vật chất sét và cao lanh nói chung là khó sấy

1.6.2 Chế độ sấy

Đó 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 cho trong hình 1.6

Hình 1.6 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 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

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

Độ co 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 lổ 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 này đạt gần 1/2

Cuối giai đoạn 2 sản phẩm đã bắt đầu mất tính dẻo chuyển sang trạng thái dòn Như vậy sự co không đều ở giai đoạn này gây nên biến dạng (biến dạng dẻo) Cuối giai đoạn 2 vật thể chuyển sang trạng thái dòn khi co không đều sẽ 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 nẻ nứt

∆Wmax được tính như sau:

∆Wmax = (Wtb - Wm)max (%) Wtb là độ ẩm trung bình của vật thể, Wm là độ ẩm trên bề mặt của sản phẩm Chỉ số ∆Wmax phụ thuộc vào loại khoáng sét nhiều hơn là chiều dày sản phẩm

1.6.3 Phân loại các thiết bị sấy

- Theo phương pháp nạp nhiệt, các máy sấy được chia ra loại đối lưu hay tiếp xúc

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

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

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

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

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

Với sản phẩm 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

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

1.6.4 Thiết bị sấy

Phân loại thiết bị sấy:

- Theo phương pháp nạp nhiệt, các máy sấy được chia ra loại đối lưu hay tiếp xúc

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

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

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

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

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

* Thiết bị sấy liên tục dạng băng tải:

Bộ sấy thứ 1: Gió từ quạt thổi từ cạnh thổi (5) xuống phía dưới và khi gió được làm nóng qua bộ giàn hơi (4), sẽ bay lên và khi đó gió được chia tách

qua bộ chia gió (3), gió được phân tán qua băng tải lưới lên phía trên buồng sấy

Hình 1.7 Thiết bị sấy liên tục dạng băng tải

Quy trình sấy được thực hiện khi khí nóng xuyên qua băng tải lưới theo chiều trên xuống hay từ dưới lên và lấy đi hơi ẩm thoát ra từ nguyên liệu bằng quy trình này, khí nóng tấm sâu vào nguyên liệu và tách hàm ẩm rất nhanh, ổn định Hệ thống ống thoát khí bên trên máy được kết nối với quạt hút và hút toàn

bộ hơi ẩm ra ngoài 1 phần khí nóng được quay vòng trở lại máy sấy nhằm tiết kiệm năng lượng dư thừa, tiết kiệm chi phí nhiên liệu Phần khí ẩm thoát ra ngoài được hệ thống hút khí ẩm chuyên dụng có van tiết chế đặc biệt Các bộ sấy trên - dưới được lắp với số lượng tùy theo yêu cầu, các bộ sấy cũng vậy theo yêu cầu riêng mà có thể trang bị 4 hay 5 bộ sấy như vậy

* Thiết bị sấy đối lưu:

- Gió nóng qua mỗi lần tuần hoàn đều được lọc sạch qua 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

Hình 1.8 Sơ đồ thiết bị sấy đối lưu

- 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 cấp

- Nguồn nhiệt sấy có thể dùng hơi hoặc điện

1.7 Công nghệ nung thiêu kết phôi gốm

1.7.1 Quá trình xảy ra khi nung thiêu kết phôi gốm

Nung là khâu quan trọng nhất trong kỹ thuật sản xuất gốm sứ Nó ảnh hưởng quyết định đến chất lượng sản phẩm Khi nung, cụ thể 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 Tóm lại, nói tổng quát 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

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

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 vật), hay dưới dạng pha rắn đa tinh thể Pha tinh thể trong cấu trúc vật liệu gốm sứ 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

Sản phẩm gốm sứ 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 1.9

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 khuyếch tán của Kingery

Hiện nay thuyết khuyếch tán được nhiều người thừa nhận hơn cả Chúng

ta đi sâu nghiên cứu giả thuyết này Coi hai hạt vật thể là có dạng tròn, khi nung chúng sẽ có quá trình khuyếch tán vật chất vào nhau như trong hình 1.10

Hình 1.10 Mô tả quá trình khuyếch tán vật chất khi nung theo Frenkel

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 khuyếch tán thể tích theo Frenkel mối tương quan giữa chúng có thể biểu diễn bằng phương trình sau:

Trong đó:

V- là sự thay đổi thể tích;

V0- thể tích ban đầu;

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 khuyếch 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 khuyếch tán (chủ yếu là sự khuyếch tán của các khuyết tật, còn gọi là vacance)

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 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 nhiên không được quá nhiều dễ làm biến dạng sản phẩm), sẽ tạo điều kiện cho quá trình kết khối mãnh liệt hơn

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

1.7.2 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 độ chịu lửa của nó tức là quyết định nhiệt độ và khoảng kết khối

* Kích thước và thành phần hạt

Ảnh hưởng đến quá trình tạo hình và quá trình kết khối.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 đại đến khoảng 20÷35oC

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 (chẳng hạn như ) 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 oxit tinh khiết) quá trình kết khối đơn thuần xảy ra ở trạng thái rắn Ép sản phẩm bán khô với áp lực cao 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 chính lại 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 nên nung ở nhiệt độ nung thực thấp hơn nhiệt độ nung lý thuyết từ 20÷30oC và kéo dài thời gian lưu ở nhiệt độ đó lâu hơn Phối liệu có khoảng kết khối rộng cho phép nung ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ lý thuyết 20÷30oC song rút ngắn thời gian lưu ở nhiệt độ đó một ít 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 sứ 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 ), 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