Nghiên cứu tổng hợp bột nano mgal2o4 ứng dụng chế tạo gốm trong suốt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CHU HOÀNG ĐỨC ANH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP BỘT NANO MgAl O ỨNG DỤNG CHẾ TẠO GỐM TRONG SUỐT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2019 LỜI CẢM ƠN Đề tài “Nghiên cứu tổng hợp bột nano MgAl O ứng dụng chế tạo gốm suốt” nội dung chọn để nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp, sau hai năm theo học chương trình cao học chuyên ngành khoa học kỹ thuật vật liệu – vật liệu kim loại trường Đại học Bách khoa Hà Nội Để hồn thành q trình nghiên cứu hoàn thiện luận văn tốt nghiệp em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến, bảo nhiệt tình nhiều thầy Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy cô giáo trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn, thầy cô giáo Bộ môn Vật liệu Kim loại màu Compozit truyền dạy cho em kiến thức môn đại cương mơn chun ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng, tạo điều kiện giúp đỡ em suốt q trình học tập; thầy, giáo phịng thí nghiệm Luyện kim Bột trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện, thời gian để em hồn thành tốt luận văn Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Lê Minh Hải, thầy giáo tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm; tạo điều kiện thuận lợi suốt trình để em hồn thành luận văn Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, đồng nghiệp người tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt q trình học tập , nghiên cứu hồn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Học viên Chu Hoàng Đức Anh MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH ẢNH LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GỐM TRONG SUỐT SPINEL MgAl O Vật liệu gốm suốt 1.1 Vật liệu suốt 1.2 Vật liệu gốm suốt 1.3 Ứng dụng vật liệu gốm suốt 12 Vật liệu gốm suốt Spinel Magie Aluminate (MgAl O ) 13 2.1 Tổng quan vật liệu gốm suốt Spinel MgAl O 13 2.2 Giản đồ pha cấu trúc tinh thể 15 2.3 Tính chất quang học 16 CHƯƠNG II TỔNG HỢP BỘT NANO SPINEL MAGIE ALUMINATE MgAl O 19 Tổng quan phương pháp tổng hợp bột nano spinel MgAl O 19 Phương pháp đốt cháy từ dung dịch hòa tan 23 2.1 Tổng quan phương pháp đốt cháy 23 2.2 Phân loại phản ứng SCS 25 2.3 Nhiệt động học trình SCS 28 2.4 Cơ chế phản ứng SCS 30 Phương pháp SCS bột nano spinel MgAl O 33 CHƯƠNG III: THIÊU KẾT VẬT LIỆU GỐM TRONG SUỐT SPINEL MAGIE ALUMINATE MgAl O 38 Tổng quan phương pháp thiêu kết vật liệu gốm suốt spinel MgAl O 39 Phương pháp thiêu kết xung điện plasma 42 2.1 Tổng quan 42 2.2 Nguyên tác hoạt động chế trình thiêu kết xung điện plasma SPS 44 Thiêu kết gốm suốt spinel MgAl2O4 phương pháp thiêu kết xung điện plasma 47 Tình hình nghiên cứu nước 51 CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM 53 Nguyên liệu ban đầu 53 Quy trình chế tạo 53 Các phương pháp kiểm tra vật liệu 55 3.1 Xác định thành phần pha 55 3.2 Hình thái tổ chức tế vi 56 3.3 Độ cứng Vickers 56 3.4 Độ bền chống phá hủy 56 3.5 Phổ truyền quang 57 CHƯƠNG V: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 58 Tổng hợp bột nano MgAl O phương pháp đốt cháy 58 1.1 Xác định thành phần pha 58 1.2 Hình thái bột MgAl O tổng hợp 59 1.3 Khảo sát ảnh hưởng trình nghiền đến kết tụ bột 60 Chế tạo gốm suốt MgAl O phương pháp thiêu kết xung điện plasma 62 2.1 Tỷ trọng mẫu sau thiêu kết 62 2.2 Tổ chức tế vi mẫu sau thiêu kết 63 2.3 Tính chất quang học 65 2.4 Tính chất học 67 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73 Kết luận 73 Kiến nghị 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.Tính chất quang học học số vật liệu suốt [1] Bảng Các tính chất vật lý spinel MgAl O đa tinh thể [26], [27] 14 Bảng Các nguyên liệu thường xuyên sử dụng trình SCS [46] 26 Bảng Tổng hợp bột MgAl O từ Mg(NO ) , Al(NO ) 34 Bảng Kích thước tinh thể trung bình (D av ) kích thước mạng tinh thể 35 Bảng Biến thiên enthapy tiêu chuẩn nhiệt dung riêng yếu tố phản ứng đốt cháy tạo thành MgAl O [26], [46] 36 Bảng 7: Các chế độ thiêu kết sử dụng để thiêu kết bột gốm MgAl O 54 Bảng Các giá trị độ cứng Vickers với tải trọng 20N mẫu gốm suốt MgAl O thiêu kết nhiệt độ thiêu kết bước khác (1050, 1100, 1150oC) nhiệt độ thiêu kết bước hai 1400oC 68 Bảng Số liệu nghiên cứu hai nghiên cứu khác công bố trước 71 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình Phân loại vật liệu gốm suốt thông dụng Hình Các ứng dụng gốm spinel MgAl O đa tinh thể [26], [27] [28] 15 Hình Giản đồ pha MgO – Al O 16 Hình Cấu trúc mạng tinh thể Magiê Aluminate MgAl O [7] 16 Hình Phổ truyền quang vật liệu gốm spinel MgAl O suốt [28] 16 Hình Đường truyền ánh sáng qua vật liệu suốt [28] 17 Hình Đồ thị độ truyền quang phụ thuộc vào đường kính lỗ xốp mẫu spinel suốt (độ dày mẫu 1mm, độ xốp 0.01%) [30] 17 Hình Quy trình chế tạo spinel MgAl O phương pháp sol-gel [34] 21 Hình Cơ chế phương pháp đốt cháy 23 Hình 10 Tổng hợp Ca Al O theo chế độ đốt cháy thể tích [49] 27 Hình 11 Tổng hợp từ hỗn hợp muối niken nitrat- glyxin theo chế độ đốt cháy tuyến tính [50] 27 Hình 12 Biểu đồ thời gian - nhiệt độ trình tổng hợp Fe O [51] 28 Hình 13 Biểu đồ thời gian - nhiệt độ trình tổng hợp Niken [50] 28 Hình 14 Cơ chế SCS tạo raα-Al O [47] 32 Hình 15 Cơ chế SCSđể tổng hợp hạt nano Ni kim loại nguyên chất [50] 33 Hình 16 Hình ảnh cho thấy mẫu spinel thiêu kết chân không sử dụng bột (a) nung 110oC thiêu kết 1750oC, (b) nung 1200oC thiêu kết 1750oC, (c) nung 1300oC thiêu kết 1750oC (d) nung 1100oC thiêu kết 1650oC, (e) nung 1100oC thiêu kết 1700oC Thời gian nung thời gian thiêu kết 40 Hình 17 Mẫu gốm suốt MgAl O thiêu kết 540oC / 3GPa (A), 540oC / 3.7GPa (B), 540oC / 5GPa (C), 620oC / 3GPa (D), 620oC / 3GPa (E) 620oC /5GPa (F) phổ truyền quang mẫu B ảnh SEM mẫu E [64] 41 Hình 18 Tính truyền quang mẫu gốm spinel (độ dày 1,1mm) chế tạo từ mẫu có giá trị tỉ trọng sau thiêu kết sơ khác (từ trái: 94,9, 97,9 99,5% t.d) [70] 42 Hình 19 So sánh thông số nhiệt độ ép nóng (trái) SPS (phải) [73] 44 Hình 20 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm thiêu kết xung điện plasma (SPS) [77] 45 Hình 21 Dịng điện xung qua hạt bột [79] 46 Hình 22 Đồ thị minh họa cho trình thiêu kết TSS - C TSS - CW [99] 49 Hình 23.Sơ đồ quy trình chế tạo gốm MgAl O phương pháp luyện kim bột 53 Hình 24 Kết XRD sản phẩm thu từ phản ứng cháy trước (a) sau (b) nung khơng khí 1100oC 59 Hình25 Hình ảnh sản phẩm tổng hợp từ phản ứng cháy 59 Hình 26 Ảnh SEM sản phẩm MgAl O thu từ phản ứng cháy trước nung khơng khí với độ phân giải khác 50k (a), 100k (b), phổ EDX tương ứng (c) 60 Hình 27 Ảnh SEM bột chụp với chế độ nghiền khác 61 Hình 28 Đồ thị phân bố kích thước khối kết tụ hạt bột với chế độ nghiền khác 62 Hình 29 Ảnh SEM mẫu khối MgAl O thiêu kết chế độ 1100oC/60 phút – 1400oC/20 phút 64 Hình 30 Đồ thị phân bố kích thước hạt mẫu khối MgAl O thiêu kết chế độ 1100oC/60 phút – 1400oC/20 phút 65 Hình 31 Hình ảnh mẫu gốm suốt MgAl O thiêu kết chế độ thiêu kết hai bước khác 66 Hình 32 Phổ truyền quang mẫu gốm suốt MgAl O dải ánh sáng khả kiến – tử ngoại (280 – 1000 nm) (a) ánh sáng hồng ngoại ( 3500 – 8000 nm) (b) 67 Hình 33 Đồ thị giá trị độ cứng Vickers với tải trọng 20N mẫu gốm suốt MgAl O thiêu kết nhiệt độ thiêu kết bước khác (1050, 1100, 1150oC) nhiệt độ thiêu kết bước hai 1400oC 69 Hình 34 Độ bền chống phá hủy (K IC ) mẫu suốt MgAl O 70 LỜI MỞ ĐẦU Gốm đa tinh thể suốt tìm thấy ứng dụng khác laze thể rắn, kính hồng ngoại vật liệu bảo vệ suốt, thay cho vật liệu thủy tinh, gốm – thủy tinh polyme, khả truyền quang dải rộng từ tia cực tím đến tia hồng ngoại có tính chất học ưu việt Gốm suốt đòi hỏi độ tinh khiết tỷ trọng đặc cao Để đạt sản phẩm có độ cao, cần sử dụng loại bột ban đầu có độ cao sử dụng phương pháp tổng hợp tiên tiến khác nhau, sol - gel, kết tủa hóa học, thủy nhiệt phương pháp đốt cháy Để có tỷ trọng đặc, phương pháp thiêu kết khác sử dụng, thiêu kết chân khơng, ép nóng, ép nóng đẳng tĩnh thiêu kết xung điện plasma Gốm suốt spinel magie aluminate (MgAl O ) nhận quan tâm lớn từ nhà khoa học ngành công nghiệp kết hợp số tính chất quan trọng nhiệt độ nóng chảy cao, tính chất học tốt, khả chống mài mòn cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, số khúc xạ nhỏ (1,71) khả cho phép ánh sáng dải từ UV đến IR truyền qua Tổng hợp bột MgAl O kích thước nano từ muối nitrat kim loại phương pháp đốt cháy từ dung dịch hòa tan coi giải pháp hiệu cho sản phẩm có độ tinh khiết cao với chi phí thấp Sau đó, gốm MgAl O suốt thu trình thiêu kết xung điện plasma, phương pháp có nhiều ưu điểm dễ vận hành, kiểm sốt xác lượng thiêu kết tốc độ thiêu kết cao, độ tái lập cao, an toàn ổn định Hơn nữa, phương pháp thiêu kết hai bước sử dụng để đạt cấu trúc tế vi mong muốn với nhiệt độ thấp khoảng thời gian ngắn Mục tiêu luận văn “Nghiên cứu tổng hợp bột nano MgAl O ứng dụng chế tạo gốm suốt” tìm quy trình chế tạo gốm suốt MgAl O từ muối nitrat kim loại thông qua phương pháp đốt cháy từ dung dịch hòa tan trình thiêu kết xung điện plasma CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GỐM TRONG SUỐT SPINEL MgAl2O4 Vật liệu gốm suốt 1.1 Vật liệu suốt Độ suốt tính chất vật lý vật liệu dùng để đo lường khả vật liệu cho phép ánh sáng truyền qua mà tán xạ Độ đục liên quan mật thiết đến độ suốt; nhiên, ánh sáng bị tán xạ bên vật liệu bề mặt vật liệu [1] Trái ngược với độ suốt đục, độ mờ đục tính chất vật liệu mà ánh sáng khơng thể truyền qua vật liệu Các vật liệu suốt nhóm vật liệu đặc biệt có khả cho phép ánh sáng truyền qua chúng Vật liệu suốt thông thường, chủ yếu bao gồm thủy tinh, gốm thủy tinh polyme, sử dụng ngành công nghiệp sống hàng ngày Những vật liệu có cấu trúc vơ định hình phần tinh thể Ngồi ra, chúng có độ bền học khả chịu nhiệt thấp Hơn nữa, vật liệu suốt thông thường cho phép ánh sáng nhìn thấy truyền qua hấp thụ lượng ánh sáng dải hồng ngoại tử ngoại Cùng với phát triển khoa học công nghệ vật liệu, gốm suốt đời giải vấn đề vật liệu suốt thông thường Khác với vật liệu suốt thơng thường, gốm suốt khơng có hấp thụ ánh sáng dải IR UV Hơn nữa, nhóm vật liệu có cấu trúc tinh thểvà tính chất tương tự loại vật liệu gốm khác (Bảng 1) Bảng 1.Tính chất quang học học số vật liệu suốt [1] Vật liệu Gốm suốt Thủy tinh Gốm Polyme thủy tinh Tính chất YAG Y O Xaphia AlON Spinel BK-7 Gorilla PMMA Hệ số chiết suất 1,89 1,81 1,75 1,80 1,71 1,50 1,49 1,48 Bước sóng (µm) 0,40- 0,255,00 9,60 0,175,30 0,256,00 0,256,50 0,302,50 0,382,00 0,401,08 5,03 3,97 3,69 3,58 2,52 2,42 1,19 247 219 895 379 170 70 - 100 Mô đun Young (GPa) 283 175 345 323 276 78.6 76.7 - Độ cứng Vickers 1130 700 2200 1620 1650 580 649 16 trọng 4,54 Tỷ (g/cm3) Độ bền (MPa) uốn 1.2 Vật liệu gốm suốt Oxit ( Al2O3,ZrO2,Y2O3 ) Gốm suốt Liên Oxit (Spinel MgAl2O4, YAG Y3Al5O12) ( AlON, AlN, MgF2 ) Hình Phân loại vật liệu gốm suốt thông dụng Gốm suốt phân loại thành ba nhóm chính: oxit (corundum αAl O , zirconia ZrO , yttri oxit Y O ,…), liên oxit (spinel MgAl O , yttri nhôm (MPa.m1/2) Trong đó, Benaissa tác giả [105] đề xuất nhiệt độ thiêu kết giảm cách sử dụng tốc độ nâng nhiệt chậm Bột nano spinel MgAl2O4thương mại (S30R, Pháp) có độ tinh khiết cao 99,9% kích thước hạt trung bình 50nm, thiêu kết T = 1300oC, 1350oC 1400oC lực ép 73 MPa với tốc độ nâng nhiệt 100oC/phút đến 800oC sau 10oC/phút đến 1100oC 1oC/ phút để tăng lên đến nhiệt độ cuối Tuy nhiên, phải thời gian dài cho trình thiêu kết sử dụng tốc độ nâng nhiệt chậm Ảnh SEM cho thấy sau thiêu kết bước, cấu trúc tế vi mẫu không đồng nhất, hạt phân bố kích thước khoảng giá trị lớn từ 200nm đến µm Độ truyền quang mẫu giảm tương ứng với việc tăng nhiệt độ thiêu kết Cụ thể, với mẫu thiêu kết 1300oC, truyền quang đạt 70% λ = 550 nm 78% λ = 1100 nm Trong đó, trường hợp nhiệt độ thiêu kết 1400oC, độ truyền quang 6% λ = 550 nm 17% λ = 1100 nm Ngoài ra, mẫu thiêu kết 1300oC sở hữu giá trị độ cứng Vickers lớn 18 GPa; nhiên độ bền chống phá hủy đạt giá trị lớn lên tới 2,2 MPa.m1/2 tương ứng với nhiệt độ thiêu kết 1400oC Như vậy, sử dụng phương pháp thiêu kết hai bước giúp giảm nhiệt độ thiêu kết thời gian thiêu kết; nữa, cấu trúc tế vi mẫu thiêu kết sở hữu khơng kích thước hạt nhỏ µm mà cịn phân bố kích thước đồng Mặt khác, việc tổng hợp bột MgAl2O4 cho phép kiểm sốt tính chất bột ban đầu, từ cải thiện tính chất hiệu suất sản phẩm Các kết trình bày nghiên cứu sở thực tiễn quan trọng để nghiên cứu thêm việc chế tạo gốm suốt MgAl2O4 chất lượng cao từ muối nitrat kim loại 72 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nghiên cứu chứng minh tính khả thi việc sản xuất gốm suốt MgAl2O4 thơng qua q trình đốt cháy từ dung dịch hòa tan thiêu kết xung điện plasma Sản phẩm thu từ phản ứng đốt cháy tồn pha MgAl2O4 Cấu trúc tế vi dạng kết tụ lớn hạt hình cầu Sau nghiền ướt, bột MgAl2O4 đạt phân bố hạt đồng với kích thước nano Tại chế độ nghiền tối ưu 48 với tỷ lệ bi/bột 30/1, kích thước trung bình hạt bột đạt khoảng 20 nm Mẫu gốm suốt MgAl2O4 chế tạo thành công thông qua phương pháp thiêu kết hai bước cách sử dụng bột nano tổng hợp từ phản ứng đốt cháy Cấu trúc tế vi mẫu cho thấy kích thước hạt mịn (480nm) với phân bố kích thước hẹp Độ truyền quang gốm MgAl2O4 sau thiêu kết lên tới 50% ánh sáng khả kiến 80% dải hồng ngoại; nữa, mẫu thiêu kết chế độ1150oC/60 phút - 1400oC/20 phút thể tính chất học tuyệt vời, cụ thể là, độ cứng Vickers có giá trị 29,32 GPa giá trị độ bền chống phá hủy 2,12 MPa.m1/2 Kiến nghị Để cải thiện chất lượng mẫu gốm suốt MgAl2O4, hướng nghiên cứu tập trung vào:  Khảo sát ảnh hưởng thông số phương pháp đốt cháy từ dung dịch hịa tan q trình SPS đến độ suốt mẫu MgAl2O4  Tối ưu hóa q trình cơng nghệ để sản xuất gốm suốt MgAl2O4 chất lượng cao 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 11 12 13 14 15 16 17 Kong L.B., Huang Y.Z., Que W.X cộng (2015), Transparent Ceramics, Springer International Publishing, Cham Apetz R Bruggen M.P (2003) Transparent alumina: a light-scattering model J Am Ceram Soc, 86(3), 480–486 Krell A., Blank P., Ma H cộng (2003) Transparent Sintered Corundum with High Hardness and Strength J Am Ceram Soc, 86(1), 12–18 Krell A Klimke J (2006) Effects of the Homogeneity of Particle Coordination on Solid-State Sintering of Transparent Alumina J Am Ceram Soc, 89(6), 1985–1992 Petit J., Dethare P., Sergent A cộng (2011) Sintering of α-alumina for highly transparent ceramic applications J Eur Ceram Soc, 31(11), 1957–1963 Suárez M., Fernández A., Menéndez J.L cộng (2009) Grain growth control and transparency in spark plasma sintered self-doped alumina materials Scr Mater, 61(10), 931–934 Jin X., Gao L., Sun J (2010) Highly Transparent Alumina Spark Plasma Sintered from Common-Grade Commercial Powder: The Effect of Powder Treatment J Am Ceram Soc, 93(5), 1232–1236 Klimke J., Trunec M., Krell A (2011) Transparent Tetragonal YttriaStabilized Zirconia Ceramics: Influence of Scattering Caused by Birefringence J Am Ceram Soc, 94(6), 1850–1858 Casolco S.R., Xu J., Garay J.E (2008) Transparent/translucent polycrystalline nanostructured yttria stabilized zirconia with varying colors Scr Mater, 58(6), 516–519 Xu G., Zhang X., He W cộng (2006) Preparation of highly dispersed YAG nano-sized powder by co-precipitation method Mater Lett, 60(7), 962–965 Li J.-G., Ikegami T., Lee J.-H cộng (2000) Low-Temperature Fabrication of Transparent Yttrium Aluminum Garnet (YAG) Ceramics without Additives J Am Ceram Soc, 83(4), 961–963 Zych E Brecher C (2000) Temperature dependence of host-associated luminescence from YAG transparent ceramic material J Lumin, 90(3), 89–99 Zhou J., Zhang W., Wang L cộng (2011) Fabrication, microstructure and optical properties of polycrystalline Er3+:Y3Al5O12 ceramics Ceram Int, 37(1), 119–125 Zhang N., Liang B., Wang X.Y cộng (2011) The pressureless sintering and mechanical properties of AlON ceramic Mater Sci Eng A, 528(19), 6259– 6262 Cheng J., Agrawal D., Zhang Y cộng (2001) Microwave reactive sintering to fully transparent aluminum oxynitride (ALON) ceramics J Mater Sci Lett, 20(1), 77–79 Zientara D., Bućko M.M., Lis J (2007) Dielectric properties of aluminium nitride–γ-alon materials J Eur Ceram Soc, 27(13), 4051–4054 Kumar R.S., Rajeswari K., Praveen B cộng (2010) Processing of Aluminum Oxynitride Through Aqueous Colloidal Forming Techniques J Am Ceram Soc, 93(2), 429–435 74 18 Sahin F.C., Kanbur H.E., Apak B (2012) Preparation of AlON ceramics via reactive spark plasma sintering J Eur Ceram Soc, 32(4), 925–929 19 Yoshida K., Ikesue A., Okamoto Y (2004) All ceramic composite with layer by layer and clad-core structure by advanced ceramic technology Conference on Lasers and Electro-Optics, 2004 (CLEO)., pp vol.1- 20 Peters V., Bolz A., Petermann K cộng (2002) Growth of high-melting sesquioxides by the heat exchanger method J Cryst Growth, 237–239, 879–883 21 Patterson M.C.L., DiGiovanni A.A., Fehrenbacher L cộng (2003) Spinel: gaining momentum in optical applications Window and Dome Technologies VIII, International Society for Optics and Photonics, 71–80 22 Bayya S.S., Chin G.D., Villalobos G cộng (2005) VIS-IR transmitting windows Window and Dome Technologies and Materials IX, International Society for Optics and Photonics, 262–272 23 Yanagida T., Itoh T., Takahashi H cộng (2007) Improvement of ceramic YAG(Ce) scintillators to (YGd)3Al5O12(Ce) for gamma-ray detectors Nucl Instrum Methods Phys Res Sect Accel Spectrometers Detect Assoc Equip, 579(1), 23–26 24 Cherepy N.J., Kuntz J.D., Tillotson T.M cộng (2007) Cerium-doped single crystal and transparent ceramic lutetium aluminum garnet scintillators Nucl Instrum Methods Phys Res Sect Accel Spectrometers Detect Assoc Equip, 579(1), 38–41 25 Bartram R.H., Lempicki A., Kappers L.A cộng (2004) Hole traps in Lu2O3:Eu ceramic scintillators II Radioluminescence and thermoluminescence J Lumin, 106(2), 169–176 26 Гусева А.Ф., Балдина Л.И., Черемичкина И.А МОНИТОРИНГ И КАЧЕСТВО ОБРАЗОВАНИЯ в условиях перехода Единого государственного экзамена (ЕГЭ) по химии в штатный режим в 2009 году 27 Mukasyan A.S., Epstein P., Dinka P (2007) Solution combustion synthesis of nanomaterials Proc Combust Inst, 31(2), 1789–1795 28 Rubat du Merac M., Kleebe H.-J., Müller M.M cộng (2013) Fifty Years of Research and Development Coming to Fruition; Unraveling the Complex Interactions during Processing of Transparent Magnesium Aluminate (MgAl2O4) Spinel J Am Ceram Soc, 96(11), 3341–3365 29 Hallstedt B (1992) Thermodynamic Assessment of the System MgO–Al2O3 J Am Ceram Soc, 75(6), 1497–1507 30 Krell A., Hutzler T., Klimke J cộng (2010) Nano-Processing for Larger Fine-Grained Windows of Transparent Spinel Fraunhofer IKTS, 31 31 Krell A., Klimke J., Hutzler T (2009) Advanced spinel and sub-μm Al2O3 for transparent armour applications J Eur Ceram Soc, 29(2), 275–281 32 Krell A., Hutzler T., Klimke J (2006), Physics and Technology of Transparent Ceramic Armor: Sintered Al2O3 vs Cubic Materials, DTIC Document 33 Bafrooei H.B Ebadzadeh T (2013) MgAl2O4 nanopowder synthesis by microwave assisted high energy ball-milling Ceram Int, 39(8), 8933–8940 34 Sanjabi S Obeydavi A (2015) Synthesis and characterization of nanocrystalline MgAl2O4 spinel via modified sol–gel method J Alloys Compd, 645, 535–540 75 35 Duan J., Lu S., Wang X cộng (2017) Synthesis and characterization of porous magnesium aluminate spinel by hydrothermal process IOP Conf Ser Earth Environ Sci, 81, 012028 36 Ianoş R., Lazău I., Păcurariu C cộng (2008) Solution combustion synthesis of MgAl2O4 using fuel mixtures Mater Res Bull, 43(12), 3408–3415 37 Bai J.H Liu J.C (2010) Solution combustion synthesis and sintering behavior of porous MgAl2O4 powders Sci Sinter, 42(2), 133–141 38 Liu G., Li J., Chen K (2013) Combustion synthesis of refractory and hard materials: A review Int J Refract Met Hard Mater, 39, 90–102 39 Holt J.B Munir Z.A (1986) Combustion synthesis of titanium carbide: Theory and experiment J Mater Sci, 21(1), 251–259 40 Kudo H Odawara O (1989) Characteristics of self-propagating reaction in TiN combustion synthesis J Mater Sci, 24(11), 4030–4033 41 Munir Z.A Anselmi-Tamburini U (1989) Self-propagating exothermic reactions: The synthesis of high-temperature materials by combustion Mater Sci Rep, 3(7), 277–365 42 Mimani T Patil K.C (2001) Solution combustion synthesis of nanoscale oxides and their composites Mater Phys Mech, 4(2), 134–137 43 Li F., Ran J., Jaroniec M cộng (2015) Solution combustion synthesis of metal oxide nanomaterials for energy storage and conversion Nanoscale, 7(42), 17590–17610 44 Podbolotov K.B., Khort A.A., Tarasov A.B cộng (2017) Solution Combustion Synthesis of Copper Nanopowders: The Fuel Effect Combust Sci Technol, 189(11), 1878–1890 45 Kumar A., Wolf E.E., Mukasyan A.S (2011) Solution combustion synthesis of metal nanopowders: Nickel—Reaction pathways AIChE J, 57(8), 2207–2214 46 Varma A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S cộng (2016) Solution Combustion Synthesis of Nanoscale Materials Chem Rev, 116(23), 14493–14586 47 Patil K.C., btv (2008), Chemistry of nanocrystalline oxide materials: combustion synthesis, properties and applications, World Scientific, Singapore ; Hackensack, NJ 48 Ianoş R., Lazău I., Păcurariu C cộng (2008) Application of New Organic Fuels in the Direct MgAl2O4 Combustion Synthesis Eur J Inorg Chem, 2008(6), 931–938 49 Ianoş R., Lazău I., Păcurariu C cộng (2009) Fuel mixture approach for solution combustion synthesis of Ca3Al2O6 powders Cem Concr Res, 39(7), 566–572 50 Manukyan K.V., Cross A., Roslyakov S cộng (2013) Solution Combustion Synthesis of Nano-Crystalline Metallic Materials: Mechanistic Studies J Phys Chem C, 117(46), 24417–24427 51 Deshpande K., Mukasyan A., Varma A (2004) Direct Synthesis of Iron Oxide Nanopowders by the Combustion Approach: Reaction Mechanism and Properties Chem Mater, 16(24), 4896–4904 52 Hari Krishna R., Nagabhushana B.M., Sherikar B.N cộng (2015) Luminescence enhancement in monoclinic CaAl2O4:Eu2+, Cr3+ nanophosphor by fuel-blend combustion synthesis Chem Eng J, 267, 317–323 76 53 Ilić S., Zec S., Miljković M cộng (2014) Sol–gel synthesis and characterization of iron doped mullite J Alloys Compd, 612, 259–264 54 Zhou Q., Mou Y., Ma X cộng (2014) Effect of fuel-to-oxidizer ratios on combustion mode and microstructure of Li2TiO3 nanoscale powders J Eur Ceram Soc, 34(3), 801–807 55 Toniolo J.C., Takimi A.S., Bergmann C.P (2010) Nanostructured cobalt oxides (Co3O4 and CoO) and metallic Co powders synthesized by the solution combustion method Mater Res Bull, 45(6), 672–676 56 Roslyakov S.I., Kovalev D.Y., Rogachev A.S cộng (2013) Solution combustion synthesis: Dynamics of phase formation for highly porous nickel Dokl Phys Chem, 449(1), 48–51 57 Ianoş R Lazău R (2009) Combustion synthesis, characterization and sintering behavior of magnesium aluminate (MgAl2O4) powders Mater Chem Phys, 115(2–3), 645–648 58 Choudhary A., Rajeswari K., Rao Y.S cộng (2014) Effect of Fuel Concentration on the Properties of Combustion Synthesized MgAl O Spinel Powders Trans Indian Ceram Soc, 73(4), 303–306 59 Patterson M., Caiazza J.E., Roy D.W (2000) Transparent spinel development Inorganic Optical Materials II, International Society for Optics and Photonics, 59–69 60 Olevsky E.A., Kandukuri S., Froyen L (2007) Consolidation enhancement in spark-plasma sintering: Impact of high heating rates J Appl Phys, 102(11), 114913 61 Bonnefont G., Fantozzi G., Trombert S cộng (2012) Fine-grained transparent MgAl2O4 spinel obtained by spark plasma sintering of commercially available nanopowders Ceram Int, 38(1), 131–140 62 Li J.-G., Ikegami T., Lee J.-H cộng (2000) Fabrication of translucent magnesium aluminum spinel ceramics J Am Ceram Soc, 83(11), 2866–2868 63 Zou Y., He D., Wei X cộng (2010) Nanosintering Mechanism of MgAl2O4 Transparent Ceramics Under High Pressure Mater Chem Phys MATER CHEM PHYS, 123, 529–533 64 Lu T.C., Chang X.H., Qi J.Q cộng (2006) Low-temperature high-pressure preparation of transparent nanocrystalline MgAl2O4 ceramics Appl Phys Lett, 88(21), 213120 65 Swinkels F.B., Wilkinson D.S., Arzt E cộng (1983) Mechanisms of hotisostatic pressing Acta Metall, 31(11), 1829–1840 66 Li W.-B., Ashby M.F., Easterling K.E (1987) On densification and shape change during hot isostatic pressing Acta Metall, 35(12), 2831–2842 67 Zhang W., Lu T., Ma B cộng (2013) Improvement of optical properties of Nd:YAG transparent ceramics by post-annealing and post hot isostatic pressing Opt Mater, 35(12), 2405–2410 68 Tsai D.S., Wang C.T., Yang S.J cộng (1994) Hot Isostatic Pressing of MgAl2O4 Spinel Infrared Windows Mater Manuf Process, 9(4), 709–719 69 DiGiovanni A.A., Fehrenbacher L., Roy D.W (2005) Hard transparent domes and windows from magnesium aluminate spinel Window and Dome Technologies and Materials IX, International Society for Optics and Photonics, 56–64 77 70 Maca K., Trunec M., Chmelik R (2007) Processing and properties of finegrained transparent MgAl∼ 2O∼ ceramics Ceram Silik, 51(2), 94 71 Omori M (2000) Sintering, consolidation, reaction and crystal growth by the spark plasma system (SPS) Mater Sci Eng A, 287(2), 183–188 72 Zavaliangos A., Zhang J., Krammer M cộng (2004) Temperature evolution during field activated sintering Mater Sci Eng A, 379(1–2), 218–228 73 Matizamhuka W.R (2016) Spark plasma sintering (SPS) - an advanced sintering technique for structural nanocomposite materials J South Afr Inst Min Metall, 116(7), 1171–1180 74 Guillon O., Gonzalez‐Julian J., Dargatz B cộng Field-Assisted Sintering Technology/Spark Plasma Sintering: Mechanisms, Materials, and Technology Developments Adv Eng Mater, 16(7), 830–849 75 Castro R Benthem K van, btv (2013), Sintering: Mechanisms of Convention Nanodensification and Field Assisted Processes, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 76 Grasso S., Yoshida H., Porwal H cộng (2013) Highly transparent αalumina obtained by low cost high pressure SPS Ceram Int, 39(3), 3243–3248 77 Orrù R., Licheri R., Locci A.M cộng (2009) Consolidation/synthesis of materials by electric current activated/assisted sintering Mater Sci Eng R Rep, 63(4–6), 127–287 78 Tiwari D., Basu B., Biswas K (2009) Simulation of thermal and electric field evolution during spark plasma sintering Ceram Int, 35(2), 699–708 79 Suarez M., Fernandez A., Menendez J.L cộng (2013) Challenges and Opportunities for Spark Plasma Sintering: A Key Technology for a New Generation of Materials Sintering Applications InTech 80 Rečnik A., Bruley J., Mader W cộng (1994) Structural and spectroscopic investigation of (111) twins in barium titanate Philos Mag B, 70(5), 1021–1034 81 Yoon B.-K., Chin E.-Y., Kang S.-J.L Dedensification During Sintering of BaTiO3 Caused by the Decomposition of Residual BaCO3 J Am Ceram Soc, 91(12), 4121–4124 82 Dang Q.-K Nanko M (2012) Transparent alumina prepared by two-step sintering in pulsed electric current sintering 83 Dang Q.-K., Takei S., Kawahara M cộng (2011) Pulsed electric current sintering of transparent Cr-doped Al2O3 Ceram Int, 37, 957–963 84 Chaim R., Marder-Jaeckel R., Shen J.Z (2006) Transparent YAG ceramics by surface softening of nanoparticles in spark plasma sintering Mater Sci Eng A, 429(1), 74–78 85 Yoshida H., Morita K., Kim B.-N cộng Low-Temperature Spark Plasma Sintering of Yttria Ceramics with Ultrafine Grain Size J Am Ceram Soc, 94(10), 3301–3307 86 Lei L., Fu Z., Wang H cộng (2012) Transparent yttria stabilized zirconia from glycine-nitrate process by spark plasma sintering Ceram Int, 38(1), 23–28 87 Chaim R., Shen Z., Nygren M (2004) Transparent nanocrystalline MgO by rapid and low-temperature spark plasma sintering J Mater Res, 19(9), 2527–2531 88 An L., Ito A., Goto T (2011) Fabrication of transparent Lu3NbO7 by spark plasma sintering Mater Lett, 65(19), 3167–3169 78 89 Xiong Y., Fu Z., Wang Y cộng (2006) Fabrication of transparent AIN ceramics J Mater Sci, 41, 2537–2539 90 Morita K., Kim B.-N., Hiraga K cộng (2008) Fabrication of transparent MgAl2O4 spinel polycrystal by spark plasma sintering processing Scr Mater, 58(12), 1114–1117 91 Wang C Zhao Z (2009) Transparent MgAl2O4 ceramic produced by spark plasma sintering Scr Mater, 61(2), 193–196 92 Frage N., Cohen S., Meir S cộng (2007) Spark plasma sintering (SPS) of transparent magnesium-aluminate spinel J Mater Sci, 42(9), 3273–3275 93 Bernard-Granger G., Benameur N., Guizard C cộng (2009) Influence of graphite contamination on the optical properties of transparent spinel obtained by spark plasma sintering Scr Mater, 60(3), 164–167 94 Mayo M.J (1996) Processing of nanocrystalline ceramics from ultrafine particles Int Mater Rev, 41(3), 85–115 95 Palmour H Hare T.M (1987) Rate Controlled Sintering Revisited Sintering’85 Springer, Boston, MA, 17–34 96 Chu M.-Y., Jonghe L.C., Lin M.K cộng (1991) Precoarsening to improve microstructure and sintering of powder compacts J Am Ceram Soc, 74(11), 2902–2911 97 Chen I.-W Wang X.-H (2000) Sintering dense nanocrystalline ceramics without final-stage grain growth Nature, 404(6774), 168–171 98 Wang X.-H., Chen P.-L., Chen I.-W (2006) Two-Step Sintering of Ceramics with Constant Grain-Size, I Y2O3 J Am Ceram Soc, 89(2), 431–437 99 Lóh N.J., Simão L., Faller C.A cộng (2016) A review of two-step sintering for ceramics Ceram Int, 42(11), 12556–12572 100 Nanko M Dang Q.-K (2014) Two-step pulsed electric current sintering of transparent Al2O3 ceramics Adv Appl Ceram, 113, 80–84 101 Lin F.J., Jonghe L.C., Rahaman M.N (1997) Microstructure Refinement of Sintered Alumina by a Two-Step Sintering Technique J Am Ceram Soc, 80(9), 2269–2277 102 An L., Ito A., Goto T (2011) Two-step pressure sintering of transparent lutetium oxide by spark plasma sintering J Eur Ceram Soc, 31(9), 1597–1602 103 Suarez M., Rocha V., Fernandez A cộng (2014) Synthesis and processing of spinel powders for transparent ceramics Ceram Int, 40(3), 4065–4069 104 Evans A.G Charles E.A Fracture Toughness Determinations by Indentation J Am Ceram Soc, 59(7–8), 371–372 105 Benaissa S., Hamidouche M., Kolli M cộng (2016) Characterization of nanostructured MgAl O ceramics fabricated by spark plasma sintering Ceram Int, 42(7), 8839–8846 79 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 047-053 Preparation of MgAl2O4 Nanopowder using Combustion Synthesis Method and Its Properties Tổng hợp bột nano MgAl2O4 phương pháp đốt cháy khảo sát tính chất Nguyen Ngoc Yen 1, Chu Hoang Duc Anh 1, Bui Thi Ngoc Mai2, Dang Quoc Khanh 1, Le Minh Hai1* Hanoi University of Science and Technology – No 1, Dai Co Viet Str., Hai Ba Trung, Ha Noi, Viet Nam Vietnam Maritime University, 484 Lach Tray, Le Chan, Haiphong, Vietnam Received: June 14, 2018; Accepted: August 29, 2018 Abstract Preparation of a high purity powder is one of the most important steps in producting transparent MgAl2O4 ceramic Additionally, the particles are required to have nanoscale scale, uniform size and least agglomeration, which make diffusion enhanced at grain boundary during sintering process, promote densification to achieve full dense bulk material In present work, solution combustion synthesis was carried out to prepare MgAl2O4 nanopowder from magnesium nitrate hydrate (Mg(NO3)2.6H2O) and aluminum nitrate hydrate (Al(NO3)3.9H2O) as oxidizers and urea CH4N2O as a fuel The obtained products present large agglomerates of nanoscale particles with average size of about 20 nm Investigation into the influence of the milling processing on deagglomeration efficiency and properties of sintered samples showed that increasing milling time and ballto-weight ratio led to reduce agglomerate size and fraction, consequently, enhanced significantly shrinkage value, relative density and compressive strength of sintered MgAl2O4 samples The relative density and the compressive strength achieved highest values of 98% and 155 MPa, respectively, regarding to the powder with milling condition of 48h milling time and 30/1 ball-to-powder ratio Keywords: MgAl2O4, combustion synthesis, ball milling, nanoparticle, agglomerate Tóm tắt Tổng hợp bột với độ cao bước quan trong quy trình chế tạo gốm suốt MgAl2O4 Bên cạnh đó, bột u cầu phải có kích thước nanomét, đồng hạn chế khối tích tụ nhằm mục đích tăng cường khả khuếch tán biên giới hạt trình thiêu kết để thu sản phẩm có tỷ trọng gần đặc Trong nghiên cứu này, phương pháp đốt cháy sử dụng để tổng hợp bột MgAl2O4 kích thước nanomét sử dụng muối (Mg(NO3)2.6H2O) (Al(NO3)3.9H2O) làm chất oxy hóa urea làm nhiên liệu Sản phẩm nhận có dạng khối tích tụ lớn hạt bột nhỏ với kích thước hạt trung bình 20 nm Nghiên cứu ảnh hưởng trình nghiền đến khả tách rời hạt tính chất sản phẩm sau thiêu kết cho thấy kéo dài thời gian nghiền tỷ lệ bi/bột giúp làm giảm kích thước tỷ phần đám bột tích tụ; làm tăng khả co ngót, tỷ trọng độ bền nén mẫu sau thiêu kết Tỷ trọng tương đối độ bền nén mẫu đạt giá trị cao tương ứng 98% 155 MPa Từ khóa: MgAl2O4, phương pháp đốt cháy, nghiền học, hạt nanô, tích tụ Introduction * electromagnetic radiation from ultraviolet through mid-infrared range (0.2 – 5.5 µm) Applications of these materials have been found in a wide range such as solid – state lasers, lighting, scintillators, optical devices, electro-optical devices and biomaterials3–5 Recently, MgAl2O4 Spinel has received a great deal of attention from academia and the industry sector on account of its best combination of several important properties, such as high melting point, hardness, mechanical strength both at room and elevated temperatures, resistance against chemical attack, electrical resistivity, thermal shock resistance; and relatively low density, and thermal expansion Furthermore, fully dense, coefficient1,2 polycrystalline MgAl2O4 spinel is transparent to Transparent ceramics in general and transparent MgAl2O4 in particular have an amount of sites influencing on transparency including pores, impurities, secondary phase, crystalline structure, grain boundary, surface roughness and thickness6–9 Consequently, each step of processing plays a vital Corresponding author: Tel.: (+84) 912.098.484 Email: hai.leminh@hust.edu.vn * 47 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 047-053 role in performance of final ceramics products, especially powder fabrication and sintering The transparency of ceramic is very sensitive to impurities, hence powder must have high purity (> 99.5%) and homogeneous phase Additionally, the particles have nanoscale scale, large specific surface area, uniform particle size and least agglomeration, since nanoscale particles make diffusion enhanced at grain boundary during sintering process, promote densification to achieve full dense bulk material Thus selection of synthesis methods is directly responsible for transparency and mechanical properties of transparent ceramics preheated at 500oC The combustion reaction occurred according to the following reaction to form a voluminous product: 3Mg(NO3)2 (aq) + 6Al(NO3)3 (aq) + 20CH4N2O (aq) → 3MgAl2O4(s) + 20CO2(g) + 40H2O(g) + 32N2(g) The synthesized product was milled for 24, and 48 hours in a highly pure ethanol solution using alumina balls with ball – powder mass ratios of 20/1 and 30/1 The milled powder was dried at 120oC for 24 hours and then calcined at 1100oC for hours The green compacts were formed by uniaxial pressing in a 15 mm inner diameter cylindrical steel die with a uniaxial applied pressure of 550 MPa The compacted samples were then sintered by an electrical resistance heating furnace (Linn HT1600, Germany) at 1550ºC for hours in argon atmosphere Numerous methods have been adapted to synthesize nanoscale MgAl2O4 powders, including physical10 and chemical methods11 Recently, chemical synthesis methods have been received increasing attention due to their ability to produce a large variety of composition and assurance of homogeneous mixing of the constituent particles at atomic level Some chemical methods that have been widely used to synthesize MgAl2O4 nanopowders are such as sol-gel method12, hydrothermal13, chemical precipitation14, and combustion synthesis Among chemical synthesis methods, solution combustion synthesis is a sophisticated approach to synthesize nanoparticles due to low temperature requirement, homogeneous products, and low-cost precursors15–19 Variety of researches reported that solution combustion synthesis have been effective for preparation of ultrafine MgAl2O4 powders20–25 However, powders prepared from solution combustion synthesis route present agglomerates, which considerably influences on their performances Deagglomeration nanoparticle step was often required to isolate the particles The phase analysis was carried out by X-ray diffraction (D5000 Siemens) using Cu Kα radiation The average crystallite sizes of MgAl2O4 spinel were determined by Scherrer method Morphology of synthesized powders and sintered samples was characterized by a field-emitting scanning electron microscope (FE-SEM Hitachi S4800, Japan) Particle size and size distribution were evaluated by ImageJ software through SEM images In addition, energy dispersive analysis (EDX) was performed to identify the elements that present in synthesized powders The compressive strength was tested on MTS 300 machine (USA) Relative density was calculated by Archimedes method in water Results and Discussion X-ray diffraction patterns of combustionsynthesized product before and after annealing at 1100oC in air for hours are shown in Figure XRD pattern of combustion-synthesized product before annealing (red line) showed peaks at 2θ of 36.81o, 44.79o, 59.38o, 65.24° These peaks and their relative intensities correspond to magnesium aluminate spinel phase as given in the ICDD 01-082-2424 file Besides, the broaden peaks reveal a poor crystallinity of the combustion-synthesized product After anealing, almost all of the MgAl2O4 reflections appeared in the XRD pattern (black line) are detected at 2θ of 31.29o, 36.81o, 38.52o, 44.79o, 56.21o, 59.38o and 65.24o corresponding to (220), (311), (222), (400), (422), (511), and (440) diffraction planes The peaks of MgAl2O4 phase are more intense and well-defined Moreover, the small peak width indicates a good crystallinity with a large crystallite size of the annealed product In addition, no peaks of impurities observed indicates that the combustion synthesis process was operated in a very well-controlled condition In the present study, solution combustion synthesis was carried out to prepare MgAl2O4 nanopowder from magnesium nitrate hydrate (Mg(NO3)2.6H2O) and aluminum nitrate hydrate (Al(NO3)3.9H2O) as oxidizers and urea CH4N2O as fuel Influence of milling processing on deagglomeration efficiency and properties of sintered samples was investigated Experimental procedure The starting materials were aluminum nitrate hydrate (Al(NO3)3.9H2O) (99%, Xilong Scientific Co Ltd., China) and magnesium nitrate hydrate (Mg(NO3)2.6H2O) (99%, Xilong Scientific Co Ltd., China) as oxidizers, and urea (CH4N2O) (99%, Xilong Scientific Co Ltd., China) as a fuel Precursor mixture was stoichiometrically balanced by a molar ratio of 3:6:20, and then dissolved in distilled water Subsequently, the solution was placed in an electric resistance furnace (Linn HT1300, Germany) which 48 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 047-053 agglomerates of fine spherical particles Average sizes of particles and agglomerates were 20 nm and µm, respectively Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) pattern acquired at the agglomerates showed that magnesium, aluminum and oxygen were the only detected elements with an atomic ratio approximately 1:2:4 It implied that combustion-synthesized product possessed a relatively high purity a Fig.1 XRD patterns of combustion-synthesized powders before and after annealing at 1100oC in air for hours The average crystallite sizes of MgAl2O4 spinel before and after annealing were determined by Scherrer method from the full width at the half maximum (FWHM) of the MgAl2O4 (311) peak The crystalline size of combustion-synthesized MgAl2O4 before and after annealing were approximately 0.54 and 15.61 nm, respectively This phenomenon revealed that heat treatment recovered considerably internal strains and made the crystallite size increase remarkably b The combustion-synthesized MgAl2O4 product before annealing was voluminous white and occupied the entire volume of container (Figure 2) c Fig.2 Photograph MgAl2O4 product of combustion-synthesized Due to difficulty of observing morphology from the photograph, morphology of the combustionsynthesized product was further characterized by SEM observation As expected, SEM images (Figure 3a and Figure 3b) revealed much better local morphology of product The product was in form of large Fig.3 SEM image of combustion-synthesized MgAl2O4 product before annealing at different magnifications of 50k (a) and 100k (b) and corresponding EDX spectrum (c) 49 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 047-053 Wet-ball-milling was carried out to isolate the MgAl2O4 particles In order to investigate the deagglomeration efficiency, the ball-powder mass ratio was varied from 10/1 to 20/1 and the milling time was varied from 24 to 48 hours Figure displayed SEM images of MgAl2O4 powders milled with different milling conditions It seems that the particle size does not change significantly when changing the milling parameters However, the milling condition has a great influence on deagglomeration of particles As can be seen, the agglomerates were still existed as a large particle at lower ball to powder ratio and shorter milling time Increasing the milling time and ball-topowder ratio, the amount of particle agglomerates significantly decreases The agglomerate-size distribution and the percentage of particle volume of MgAl2O4 powders milled with different milling conditions are presented in Figure Increasing the milling time and ball-to-powder ratio tends to give a narrow size distribution After 24 hours of milling with ball-to-powder ratio of 20/1, the agglomerate size is up to about 80 nm Increasing milling time to 48 hours or ball-to-powder ratio to 30/1 leads to a decrease not only in the agglomerate size to about 22 nm but also the agglomerate proportional volume Moreover, the particle size was homogeneous when the milling time prolonged to 48h with the ball-to-powder ratio of 30/1 To investigate the influence of agglomerate state on sintering ability and microstructure of sintered samples, Figure depicts microstructure of fractured surface of MgAl2O4 samples with different milling conditions corresponding to no-milled powder (Figure 6a) and powder milled in 48 hours with ball-to-powder ratio of 30/1 (Figure 6b) Fig.4 SEM image of MgAl2O4 powders milled for 24 hours with ball/powder ratio of 20/1 (a); for 24 hours with ball/powder ratio of 30/1 (b); for 48 hours with ball/powder ratio of 20/1 (c); for 48 hours with ball/powder ratio of 30/1 (d) Tab.1 Shrinkage value, relative density and compressive strength of sintered MgAl2O4 samples regarding to powders milled at different milling conditions Milling mode Milling time Ball – Powder ratio 20:1 24 hours 30:1 20:1 48 hours 30:1 Without milling Shrinkage (%) Relative density (%) 30.35 32.07 38.84 44.97 18.05 85.79 87.79 92.78 97.77 80.2 50 Compressive strength (MPa) 136.8 140.7 150.9 154.4 65.3 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 047-053 a b c d Fig.5 Agglomerate-size distribution of the MgAl2O4 powders milled for 24 hours with ball/powder ratio of 20/1 (a); for 24 hours with ball/powder ratio of 30/1 (b); for 48 hours with ball/powder ratio of 20/1 (c); for 48 hours with ball/powder ratio of 30/1 (d) a b 5.00um 5.00um Fig.6 SEM image of fracture surface of sintered samples regarding to no - milled powder (a) and powder milled for 48 hours with ball-to-powder ratio of 30/1 (b) 51 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 047-053 References The shrinkage value, relative density and compressive strength of MgAl2O4 sintered samples regarding to powders milled at different milling conditions are presented in Table The shrinkage values were calculated from the change of sample volume before and after sintering in percent Increasing milling time and ball-to-weight ratio led to lower agglomerate size and fraction, consequently, higher shrinkage value, relative density and compressive strength of the sintered MgAl2O4 samples The shrinkage values of sintered MgAl2O4 samples changed from 30% to 45% The relative density and the compressive strength achieved highest values of 98% and 155 MPa, respectively, regarding to powder with milling condition of 48h milling time and 30/1 ball-to-powder ratio [1] Mukasyan, A S., Epstein, P & Dinka, P Solution combustion synthesis of nanomaterials Proc Combust Inst 31, 1789–1795 (2007) [2] Ganesh, I A review on magnesium aluminate (MgAl2O4) spinel: synthesis, processing and applications Int Mater Rev 58, 63–112 (2013) [3] Rubat du Merac, M., Kleebe, H.-J., Müller, M M & Reimanis, I E Fifty Years of Research and Development Coming to Fruition; Unraveling the Complex Interactions during Processing of Transparent Magnesium Aluminate (MgAl2O4) Spinel J Am Ceram Soc 96, 3341–3365 (2013) [4] Patterson, M C L., DiGiovanni, A A., Fehrenbacher, L & Roy, D W Spinel: gaining momentum in optical applications in Window and Dome Technologies VIII 5078, 71–80 (International Society for Optics and Photonics, 2003) It can be summarized that more uniform particle size distribution and less agglomerate proportion the milled powder is, the higher shrinkage value and density the sintered samples achieve This phenomenon might be explained that agglomerates shrink at different rates and pull the compact apart, hence inhomogeneous movements in the green compact prevent during sintering [5] Bayya, S S., Chin, G D., Villalobos, G., Sanghera, J S & Aggarwal, I D VIS-IR transmitting windows in Window and Dome Technologies and Materials IX 5786, 262–272 (International Society for Optics and Photonics, 2005) [6] Kong, L B et al Transparent Ceramics (Springer International Publishing, 2015) doi:10.1007/978-3319-18956-7 Conclusions MgAl2O4 powder was successfully prepare using solution combustion synthesis XRD and EDX results indicated that the relatively high purity of combustion – synthesized product Microstructure was in the form of large agglomerates of fine spherical particles After milled for 48 hours with ball – powder mass ratio of 30/1, MgAl2O4 powder had homogeneous distribution with nanoscale average size of 22 nm The sizes of particle agglomerates strongly influence on the sintering ability and the microstructure of sintered samples Increasing milling time and ball-to-weight ratio led to reduce agglomerate size and fraction, consequently, higher shrinkage value, relative density and compressive strength of sintered MgAl2O4 samples The relative density and the compressive strength achieved highest values of 98% and 155 MPa, respectively, regarding to powder with milling condition of 48 hour milling time and 30/1 ball-topowder ratio [7] Apetz, R & Bruggen, M P Transparent alumina: a light-scattering model J Am Ceram Soc 86, 480– 486 (2003) [8] Krell, A., Hutzler, T & Klimke, J Physics and Technology of Transparent Ceramic Armor: Sintered Al2O3 vs Cubic Materials (DTIC Document, 2006) [9] Krell, A., Klimke, J & Hutzler, T Advanced spinel and sub-μm Al2O3 for transparent armour applications J Eur Ceram Soc 29, 275–281 (2009) [10] Bafrooei, H B & Ebadzadeh, T MgAl2O4 nanopowder synthesis by microwave assisted high energy ball-milling Ceram Int 39, 8933–8940 (2013) [11] Guo, J.-K., Li, J & Kou, H.-M Advanced Ceramic Materials in Modern Inorganic Synthetic Chemistry 463–492 (Elsevier, 2017) doi:10.1016/B978-0-44463591-4.00017-3 [12] Sanjabi, S & Obeydavi, A Synthesis and characterization of nanocrystalline MgAl2O4 spinel via modified sol–gel method J Alloys Compd 645, 535–540 (2015) Acknowledgement This research is funded by Vietnam Ministry of Education and Training through the project number B2018-BKA-63 The authors also sincerely thank to Dr Do Minh Duc for the generous help in testing mechanical strength [13] Duan, J et al Synthesis and characterization of porous magnesium aluminate spinel by hydrothermal process IOP Conf Ser Earth Environ Sci 81, 012028 (2017) [14] Li, H., Liu, Y Q., Liu, H & Yang, Z J Synthesis of magnesium aluminate spinel nano-powders by coprecipitation method Mater Res Innov 19, S9-20S9-23 (2015) 52 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 047-053 combustion synthesis Chem Eng Trans 43, 1801– 1806 (2015) [15] Mazzoni, A D., Sainz, M A., Caballero, A & Aglietti, E F Formation and sintering of spinels (MgAl2O4) in reducing atmospheres Mater Chem Phys 78, 30–37 (2003) [21] Bai, J H & Liu, J C Solution combustion synthesis and sintering behavior of porous MgAl2O4 powders Sci Sinter 42, 133–141 (2010) [16] Munir, Z A & Anselmi-Tamburini, U Selfpropagating exothermic reactions: The synthesis of high-temperature materials by combustion Mater Sci Rep 3, 277–365 (1989) [22] Ianoş, R., Lazău, I., Păcurariu, C & Barvinschi, P Solution combustion synthesis of MgAl2O4 using fuel mixtures Mater Res Bull 43, 3408–3415 (2008) [17] Mimani, T & Patil, K C Solution combustion synthesis of nanoscale oxides and their composites Mater Phys Mech 4, 134–137 (2001) [23] Carvalho, L S et al Effect of Urea Excess on the Properties of the MgAl2O4 Obtained by MicrowaveAssisted Combustion Mater Res 0–0 (2017) doi:10.1590/1980-5373-mr-2017-0189 [18] Li, F., Ran, J., Jaroniec, M & Qiao, S Z Solution combustion synthesis of metal oxide nanomaterials for energy storage and conversion Nanoscale 7, 17590– 17610 (2015) [24] Ianoş, R & Lazău, R Combustion synthesis, characterization and sintering behavior of magnesium aluminate (MgAl2O4) powders Mater Chem Phys 115, 645–648 (2009) [19] Varma, A., Mukasyan, A S., Rogachev, A S & Manukyan, K V Solution Combustion Synthesis of Nanoscale Materials Chem Rev 116, 14493–14586 (2016) [25] Choudhary, A., Rajeswari, K., Rao, Y S & Johnson, R Effect of Fuel Concentration on the Properties of Combustion Synthesized MgAl O Spinel Powders Trans Indian Ceram Soc 73, 303–306 (2014) [20] Moraes, G G., Pozzobom, I E F., Fernandes, C P & De Oliveira, A P N MgAl O foams obtained by 53 ... sử dụng để đạt cấu trúc tế vi mong muốn với nhiệt độ thấp khoảng thời gian ngắn Mục tiêu luận văn ? ?Nghiên cứu tổng hợp bột nano MgAl O ứng dụng chế tạo gốm suốt? ?? tìm quy trình chế tạo gốm suốt. .. I: TỔNG QUAN VỀ GỐM TRONG SUỐT SPINEL MgAl O Vật liệu gốm suốt 1.1 Vật liệu suốt 1.2 Vật liệu gốm suốt 1.3 Ứng dụng vật liệu gốm suốt 12 Vật liệu gốm suốt. ..LỜI CẢM ƠN Đề tài ? ?Nghiên cứu tổng hợp bột nano MgAl O ứng dụng chế tạo gốm suốt? ?? nội dung chọn để nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp, sau hai năm theo học chương