Vật liệu vô cơ ceramic

113 Chơng Vật liệu vô - ceramic Định nghĩa: Vật liệu vô kết hợp kim loại Me, Si với kim B,C,N,O liên kết ion cộng hoá trị N C Phân loại: nhiều cách phân loại Theo đặc điểm kết hợp: nhóm chí nh: O Gốm kim loại chịu lửa B Thuỷ tinh gốm thuỷ tinh Xi măng bê tông Me Theo cấu trúc: nhóm: Si đơn pha: thuỷ tinh SiO2 (chơng 1), gốm đơn oxit Hình 7.1 Khả kết hợp Vật liệu đa pha: hầu hết vật liệu vô Pha chí nh pha tinh thể liên kết với pha thuỷ tinh (vô định hình) : gốm & VL chịu lửa, sứ, gốm thuỷ tinh Ngoài có pha khí công nghệ chế tạo không tránh khỏi chủ động đa vào: gốm xốp, thuỷ tinh xốp, bê tông xốp pha tinh thĨ cã thĨ cã % kh¸c nhau, chøa khut tật, nhiều vết nứt, chúng định tí nh chất ceramic 7.1 Quan hệ cấu trúc tí nh chÊt cđa ceramic Do cÊu tróc cđa vËt liƯu vô tạo thành từ kim loại kim liên kết ion liên kết cộng hoá trị, vÝ dô: oxit : Mg-O, Zr-O, Ti-O , Al-O, B-O , Si-O, C-O % liªn kÕt ion: 80 67 63 60 45 40 22 lại liên kết cộng hoá trị Vật liệu vô bền hoá học, bỊn nhiƯt, c¸ch nhiƯt tèt, mét sè cã tÝ nh chất P ceramic quang đặc biệt kim loạ i Tí nh chất học (nhắc lại biểu đồ kéo) Đàn hồi giòn: cấu trúc, VL bị phá huỷ giòn l Độ bền lý thuyết LT = (2E./a)1/2 - sức căng bề mặt; a- khoảng cách nguyên tử E- môdun đàn hồi LT - vật liệu coranhđông 50.103 MPa, thuỷ tinh SiO2 ~ 8.103 MPa Độ bền thực tế: có nứt tế vi 10-3ữ100 àm ®é bÒn thùc tÕ =1/100 ®é bÒn lý thuyÕt : Khi chịu tảI kéo O thực tế = O(l/r)1/2 l: dàI nứt; r: bán kí nh cong ®Çu vÕt nøt σ thùc vËt liƯu phơ thc vµo σO vµ tû lƯ thn l vµ tû lƯ nghịch với r Khi nứt dài, đầu nhọn: [LT] nứt tăng phá huỷ Chú ý vật liệu vô chịu nén tốt chịu kéo (10 lần) Độ bền vật liệu vô lợng liên kết nguyên tử cấu tạo nên mà số lợng, chiều dài, chiều sâu vết nứt (hình dạng) Vật liệu vô tinh thể: hạt nhỏ độ bền cao Bọt khí 0,1-0,5% hạt nhỏ tròn tăng độ bền, >0,5% bọt dài nhiều độ bền giảm mạnh Bọt khí làm giảm độ dẫn nhiệt 114 7.2 Các vật liệu vô điển hình 7.2.1 Gốm vật liệu chịu lửa Gốm sản phẩm đất nung: Nhiệt độ nung gạch 900oC, sứ 1400, tạo từ nguyên liệu tự nhiên: Kaoliní t Al2O3.2SO2.2H2O Vật liệu bột tạo hình nung vật liệu gốm Cấu trúc: gồm pha tinh thể liên kết pha vô định hình tỷ lệ vô định hình gạch ngói 20-40 %, sứ 50-60%, Al2O3 1% Bọt khí gạch ngói 10-50%, sứ 5% Phân loại o Gốm silicat (gốm truyền thống) màu xỉn chứa oxyt sắt, chế tạo từ silicát thiên nhiên: đất sét, cao lanh (gạch ngói, sứ vệ sinh, ấm chén bát đĩa đồ sứ gia đình) sứ cách điện chế tạo công nghệ gốm thô công nghệ gốm tinh ( hạt nhỏ) o Gèm oxit gèm t¹o tõ mét lo¹i oxyt Al2O3, TiO2, ) oxit phức: MgO.Al2O3, BaO.TiO2 (khác gốm silicat tinh khiÕt cao nªn tû lƯ pha tinh thĨ cao) chế tạo sản phẩm chất lợng cao, tí nh chất điện từ đặc biệt, chế tạo theo công nghệ gốm tinh Al2O3: Phễu sợi máy dệt, chi tiết máy dệt (Al2O3), điện tử, y tế, bột mài TiO2: gốm TiO2 làm tụ điện số điện môi lớn tổn thất điện môi nhỏ, Gốm hệ PbO.TiO2-PbO.ZrO2 có pha thêm MgO.NiO.ZnO gọi tắt gốm PTZ cải thiện tí nh chất điện môi ngày đợc dïng nhiỊu kü tht ®iƯn Fe2O3 + oxit kim loại nhóm TiO2, SnO2, WO3 Gốm bán dẫn Zn(Ti4+(X)Fe2+(2-2X)Fe3+(X))O3 , Ti(x)(Fe3+(2-2x)Fe2+(x))O3 Các vật liệu gốm phioxit Borit, nitơrit, cacbit, vật liệu đơn nguyên tố cacbon Vật liệu chịu lửa (VLCL) Vật liệu chịu lửa To>1520oC, sản xuất công nghiệp gốm thô dùng ngành luyện kim, hoá học, gốm lò nhiệt độ cao VLCL gồm loại sau: Dinat (Silicat) > 93%SiO2 gạch xây lß cèc, lß thủ tinh vïng nung lß tuynen cÊu tạo từ nguyên liệu thiên nhiên: cát thạch anh, quarzit sa thạch Samôt gốm thô alumo-silicat, Al2O3 = 20-45% khoáng chí nh mulit (3Al2O3.2SiO2) cristobalit Sản xuất từ hai nguyên liệu: + Nguyên liệu gầy: cao lanh nung kết khối thành sạn samôt trộn ẩm + Nguyên liệu dẻo: đất sét cao lanh cha nung -tạo hình- nung loại: samôt thờng 30-40%Al2O3 samôt bán axit 20-30%Al2O3 Công dụng xây lò: gốm sứ, ximăng, lò khí , lò luyện kim Vật liệu chịu lửa cao alumin thuộc hệ Alumino-Silicat có Al2O3~45ữ95% khoáng chí nh mulit 3Al2O3.2SiO2 coranh đông -Al2O3 nguyên liệu chế tạo từ khoáng thiên nhiên có tỷ lệ Al2O3 cao:Silimanit, Andaluzit (Al2O3.SiO2) • VËt liƯu cao alumin tÝ nh chịu nhiệt tốt lơn samôt, tí nh hoá học trung tí nh với nhiều môi trờng 115 Vật liệu chịu lửa kiềm tí nh:Pericla (manhêzit) MgO, Crôm-manhêzit MgO- Cr2O3 đặc điểm: chịu nhiệt cao, bền với xỉ kiềm, môi tr−êng nãng ch¶y kiỊm tÝ nh; thủ tinh kiỊm, xØ luyện kim Bazơ, lò xi măng, xây lò hồ quang luyện thép chất lợng cao Vật liệu chịu lửa sở graphit SiC: Samôt graphit 6ữ60%gr-nồi nấu kim loại u điểm dẫn nhiệt nhanh, không thấm ớt kim loại lỏng, bền nhiệt Vật liệu chịu lửa cách nhiệt vật liệu chịu lửa chế tạo đa vào 45-80% khí nên xốp nhẹ Thờng đợc xây phí a để cách nhiệt Ngày dùng vật liệu sợi để cách nhiệt (sợi cacbon, sợi thuỷ tinh,): samôt nhẹ, Đinat nhẹ, Bêtông chịu lửa nhẹ, 7.2.2 Thuỷ tinh gốm thuỷ tinh 7.2.2.1.Thuỷ tinh Cấu trúc vô định hình đợc tạo cách nguội nhanh vật liệu vô nóng chảy- tí nh chất vô định hình vật liệu pha đồng Khái niệm thuỷ tinh để chung vật liệu có cấu trúc vô đinh hình: Thuỷ tinh hữu cơ, thuỷ tinh vô cơ, thuỷ tinh kim loại Công nghệ chế tạo: Nguyên liệu: cát trắng SiO2, sôda Na2CO3, đá vôi CaCO3, tràng thạch (K,Na)AlSi3O8, đôlômit CaCO3.MgCO3, Phối liệu- nấu chảy (14001500oC), tạo hình trạng thái mềm (1000-1200oC) kéo tấm, kéo ống, kéo sợi, cán, ép, dập, thổi, ủ khử (500-600oC) mài, đánh bóng tạo vân hoa sản phẩm Vật liệu thuỷ tinh có tí nh chất quang học đặc biƯt 7.2.2.1.1 Thủ tinh kiỊm- kiỊm thỉ - silicat • Thông dụng nhất, nguyên liệu chí nh để sản xuất cát trắng, đá vôi (tạo CaO), đôlômit (tạo MgO) sôda (tạo Na2O), thành phần: 65-75%SiO2, 8-15% CaO, 12-18% Na20 Rẻ tiền (ngoài tí nh chất chung thuỷ tinh là: suốt, bền hoá, xí t kí n, độ bền nhiệt đạt yêu cầu, nên dùng nhiều xây dựng, bao bì (chai), hoá chất, dợc phẩm, thực phẩm, đồ gia dụng, vỏ bóng đèn điện, hình ti vi Biện pháp tăng bền Tôi nhiệt độ xấp xỉ 900-1000OC (nhiệt độ biến mềm - (10ữ20o)) nguội nhanh Trao ®ỉi ion: thay thÕ c¸c ion Na b»ng c¸c ion khác có kí ch thớc lớn bề mặt tạo ứng suất nén d làm tăng tí nh: kí nh ô tô, cốc tách, thuỷ tinh cách điện, tăng bền 3-10 lần, Tạo sợi thuỷ tinh d