Tài liệu Vật liệu vô cơ - Ceramic pdf

113 Chơng 7 Vật liệu vô cơ - ceramic Định nghĩa: Vật liệu vô cơ là sự kết hợp giữa kim loại Me, Si với á kim B,C,N,O bằng các liên kết ion và cộng hoá trị Phân loại: nhiều cách phân loại Theo đặc điểm kết hợp: 3 nhóm chí nh: Gốm và kim loại chịu lửa Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh Xi măng và bê tông Theo cấu trúc: 2 nhóm: đơn pha: thuỷ tinh SiO 2 (chơng 1), gốm đơn oxit Vật liệu đa pha: hầu hết các vật liệu vô cơ Hình 7.1. Khả năng kết hợp Pha chí nh là các pha tinh thể liên kết với nhau bởi pha thuỷ tinh (vô định hình) : gốm & VL chịu lửa, sứ, gốm thuỷ tinh. Ngoài ra còn có pha khí do công nghệ chế tạo không tránh khỏi cũng có thể do chủ động đa vào: gốm xốp, thuỷ tinh xốp, bê tông xốp các pha tinh thể có thể có % khác nhau, chứa khuyết tật, nhiều vết nứt, chúng quyết định tí nh chất của ceramic. 7.1. Quan hệ giữa cấu trúc và tí nh chất của ceramic Do cấu trúc của vật liệu vô cơ tạo thành từ các kim loại và á kim liên kết ion và liên kết cộng hoá trị, ví dụ: trong oxit : Mg-O, Zr-O , Ti-O , Al-O, B-O , Si-O, C-O % liên kết ion: 80 67 63 60 45 40 22 còn lại là liên kết cộng hoá trị Vật liệu vô cơ bền hoá học, bền nhiệt, cách nhiệt tốt, một số có tí nh chất quang đặc biệt Tí nh chất cơ học (nhắc lại biểu đồ kéo) Đàn hồi giòn: do cấu trúc, VL bị phá huỷ giòn Độ bền lý thuyết LT = (2E. /a) 1/2 E- môdun đàn hồi - sức căng bề mặt; a- khoảng cách nguyên tử LT - vật liệu coranhđông 50.10 3 MPa, thuỷ tinh SiO 2 ~ 8.10 3 MPa Độ bền thực tế: do có nứt tế vi 10 -3 ữ 100 à m độ bền thực tế =1/100 độ bền lý thuyết : Khi chịu tảI kéo O thì thực tế = 2. O (l/r) 1/2 l: dàI nứt; r: bán kí nh cong đầu vết nứt. thực trong vật liệu phụ thuộc vào O và tỷ lệ thuận l và tỷ lệ nghịch với r. Khi nứt dài, đầu nhọn: [ LT ] nứt tăng phá huỷ Chú ý vật liệu vô cơ chịu nén tốt hơn chịu kéo (10 lần) Độ bền vật liệu vô cơ không phải do năng lợng liên kết nguyên tử cấu tạo nên nó mà do số lợng, chiều dài, chiều sâu vết nứt (hình dạng). Vật liệu vô cơ tinh thể: hạt càng nhỏ thì độ bền càng cao Bọt khí 0,1-0,5% hạt nhỏ tròn tăng độ bền, >0,5% bọt càng dài càng nhiều độ bền giảm mạnh. Bọt khí làm giảm độ dẫn nhiệt. Me Si O N C B kim loạ i ceramic P l 114 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.1. Gốm và vật liệu chịu lửa Gốm bằng sản phẩm đất nung: Nhiệt độ nung gạch 900 o C, sứ 1400, tạo từ các nguyên liệu tự nhiên: Kaoliní t Al 2 O 3 .2SO 2 .2H 2 O Vật liệu bột tạo hình nung vật liệu gốm Cấu trúc: gồm các pha tinh thể liên kết bằng pha vô định hình tỷ lệ vô định hình trong gạch ngói 20-40 %, trong sứ 50-60%, Al 2 O 3 1% Bọt khí trong gạch ngói 10-50%, trong sứ 5% Phân loại o Gốm silicat (gốm truyền thống) màu xỉn do 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 bằng công nghệ gốm thô hoặc công nghệ gốm tinh ( hạt nhỏ) o Gốm oxit gốm tạo từ một loại oxyt Al 2 O 3 , TiO 2 , .) hoặc một oxit phức: MgO.Al 2 O 3 , BaO.TiO 2 (khác gốm silicat tinh khiết cao nên tỷ lệ pha tinh thể cao) chế tạo bằng sản phẩm chất lợng cao, và các tí nh chất điện từ đặc biệt, chế tạo theo công nghệ gốm tinh. ắ Al 2 O 3 : Phễu sợi máy dệt, chi tiết máy dệt (Al 2 O 3 ), điện tử, y tế, bột mài. ắ TiO 2 : gốm TiO 2 làm tụ điện hằng số điện môi lớn tổn thất điện môi nhỏ, Gốm hệ PbO.TiO 2 -PbO.ZrO 2 có pha thêm MgO.NiO.ZnO .gọi tắt là gốm PTZ cải thiện các tí nh chất điện môi ngày càng đợc dùng nhiều trong kỹ thuật điện ắ Fe 2 O 3 + oxit kim loại nhóm TiO 2 , SnO 2 , WO 3 . ắ Gốm bán dẫn Zn(Ti 4+ (X) Fe 2+ (2-2X) Fe 3+ (X) )O 3 , Ti (x) (Fe 3+ (2-2x) Fe 2+ (x) )O 3 Các vật liệu gốm phioxit các Borit, nitơrit, cacbit, . vật liệu đơn nguyên tố cacbon Vật liệu chịu lửa (VLCL) Vật liệu chịu lửa T o >1520 o C, sản xuất bằng công nghiệp gốm thô dùng ngành luyện kim, hoá học, gốm . lò nhiệt độ cao. VLCL gồm các loại sau: Dinat (Silicat) > 93%SiO 2 gạch xây lò cốc, lò thuỷ tinh vùng nung lò tuynen cấu tạo từ nguyên liệu thiên nhiên: cát thạch anh, quarzit sa thạch. Samôt gốm thô alumo-silicat, Al 2 O 3 = 20-45% khoáng chí nh là mulit (3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) và cristobalit. Sản xuất từ hai nguyên liệu: + Nguyên liệu gầy: cao lanh nung kết khối thành sạn samôt trộn đều cùng ẩm + Nguyên liệu dẻo: đất sét cùng cao lanh cha nung -tạo hình- nung các loại: samôt thờng 30-40%Al 2 O 3 samôt bán axit 20-30%Al 2 O 3 Công dụng xây lò: gốm sứ, ximăng, lò khí , lò luyện kim Vật liệu chịu lửa cao alumin thuộc hệ Alumino-Silicat có Al 2 O 3 ~45ữ95% khoáng chí nh là mulit 3Al 2 O 3 .2SiO 2 và coranh đông -Al 2 O 3 nguyên liệu chế tạo từ khoáng thiên nhiên có tỷ lệ Al 2 O 3 cao:Silimanit, Andaluzit (Al 2 O 3 .SiO 2 ) Vật liệu cao alumin tí 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- Cr 2 O 3 . đặc điểm: chịu nhiệt cao, bền với xỉ kiềm, môi trờng nóng chảy kiềm tí nh; thuỷ tinh kiềm, xỉ luyện kim Bazơ, lò xi măng, xây lò hồ quang luyện thép chất lợng cao. Vật liệu chịu lửa trên cơ sở graphit và SiC: Samôt graphit 6 ữ 60%gr-nồi nấu kim loại u điểm dẫn nhiệt nhanh, không thấm ớt kim loại lỏng, bền nhiệt Vật liệu chịu lửa cách nhiệt là các vật liệu chịu lửa khi chế tạo đa vào 45-80% khí nên xốp nhẹ. Thờng đợc xây phí a ngoài để cách nhiệt. Ngày nay còn 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 và gốm thuỷ tinh 7.2.2.1.Thuỷ tinh Cấu trúc vô định hình đợc tạo bằng cách nguội nhanh vật liệu vô cơ nóng chảy- tí nh chất vô định hình là vật liệu một pha đồng nhất Khái niệm thuỷ tinh còn để chỉ chung các 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 SiO 2 , sôda Na 2 CO 3 , đá vôi CaCO 3 , tràng thạch (K,Na)AlSi 3 O 8 , đôlômit CaCO 3 .MgCO 3 , .Phối liệu- nấu chảy (1400- 1500 o C), tạo hình ở trạng thái mềm (1000-1200 o C) kéo tấm, kéo ống, kéo sợi, cán, ép, dập, thổi, . ủ khử (500-600 o C) mài, đánh bóng tạo vân hoa sản phẩm. Vật liệu thuỷ tinh có tí nh chất quang học đặc biệt. 7.2.2.1.1. Thuỷ tinh kiềm- kiềm thổ - silicat Thông dụng nhất, nguyên liệu chí nh để sản xuất là cát trắng, đá vôi (tạo CaO), đôlômit (tạo MgO) và sôda (tạo Na 2 O), thành phần: 65-75%SiO 2 , 8-15% CaO, 12-18% Na 2 0 Rẻ tiền (ngoài các tí nh chất chung của thuỷ tinh là: trong suốt, bền hoá, xí t kí n, độ bền cơ và nhiệt đạt yêu cầu, nên dùng nhiều trong xây dựng, bao bì (chai), hoá chất, dợc phẩm, thực phẩm, đồ gia dụng, vỏ bóng đèn điện, màn hình ti vi . Biện pháp tăng bền . Tôi ở nhiệt độ xấp xỉ 900-1000 O C (nhiệt độ biến mềm - (10 ữ 20 o )) nguội nhanh . Trao đổi ion: thay thế các ion Na bằng các ion khác có kí ch thớc lớn hơn trên bề mặt tạo ứng suất nén d làm tăng cơ tí nh: kí nh ô tô, cốc tách, thuỷ tinh cách điện, tăng bền 3-10 lần, . Tạo sợi thuỷ tinh d<100àm có độ bền cao ( K ~1000-1500 MPa ) do í t khuyết tật, hiệu ứng siêu tôi do nguội đột ngột ở nhiệt độ cao siêu đẳng hớng- cách âm , cách nhiệt dùng cho compozit. Ngoài ra thuỷ tinh này còn tạo khối xốp nên cách nhiệt, cách âm 150-400g/dm 3 . 7.2.2.1.2. Thuỷ tinh Boro- Silicat và Alunino-silicat í t dãn nở nhiệt, bền xung nhiệt, bền hoá, dễ nấu chảy. 116 Boro-Silicat: SiO 2 -B 2 O 3 -Na 2 O; Pirex 78%SiO 2 -12,5%B 2 O 3 -9,5%Na 2 O; Alumino- silicat: SiO 2 -Al 2 O 3 -Na 2 O Công dụng: chế tạo dụng cụ hoá học, đo lờng, ống dẫn bình phản ứng, vật liệu kỹ thuật điện, ấm chén chịu nhiệt, nồi chảo đun nấu, vật liệu sợi của thuỷ tinh nhóm này glass E 7.2.2.1.3. Thuỷ tinh chì silicat ắ Chỉ số khúc xạ (n) cao làm đồ quang học (10-18%Pb), phalê18-35%, thành phần SiO 2 -PbO-Na 2 O/K 2 O ắ tạp chất gây màu: Fe 2 O 3 cần hạn chế <0,01% ắ thuỷ tinh phalê 40-80%PbO trong suốt ngăn tia X. 7.2.2.1.4. Thuỷ tinh thạch anh thuỷ tinh đơn oxit SiO 2 nhiệt độ chảy 1700 o C rất cao, khó chế tạo Hai loại: thuỷ tinh thạch anh trong suốt, không trong suốt có chứa bọt khí và cha đồng chất hoàn toàn Trong suốt: hệ số dãn nở nhiệt nhỏ bền xung nhiệt và chịu nhiệt cao chế tạo dụng cụ và thiết bị vhịu nhiệt cao Thuỷ tinh thạch anh tinh khiết cao đèn phát tia tử ngoại Thuỷ tinh thạch anh tinh khiết +B 2 O 3 :cáp quang Thuỷ tinh thạch anh không trong suốt: 5-7% bọt khí độ bền cơ học thấp hơn chế tạo chén nấu, dụng cụ thiết bị chịu nhiệt, bền hoá. 7.2.2.2. Gốm thuỷ tinh - Định nghĩa: là vật liệu có tổ chức kết hợp giữa thuỷ tinh và tinh thể, bao gồm 1 hoặc nhiều pha tinh thể phân bố trên nền vô định hình - Về mặt thành phần hóa học: , gốm thủy tinh cũng có thành phần tơng tự nh thủy tinh (ví dụ SiO 2 - Al 2 O 3 - Na 2 O) - Cách chế tạo: Chế tạo thủy tinh gốc (nấu chảy, tạo hình, cấu trúc vô định hình), sau đó đợc xử lý nhiệt theo chế độ xác định để tạo pha tinh thể, gồm các vi tinh thể (< 1 à m) với tổng thể tí ch 60 ữ 95%, phân bố đều trên nền pha vô định hình, ở đây pha vô định hình đóng vai trò chất liên kết. Các loại thủy tinh gốc thờng gặp: SiO 2 -Al 2 O 3 -LiO 2 , SiO 2 -Al 2 O 3 -MgO và SiO 2 -Al- 2 O 3 -Na 2 O Các chất xúc tác tạo mầm nh Pt, TiO 2 , ZrO 2 , SnO 2 , sunfit, fluorit . Tí nh chất của gốm thuỷ tinh là do pha tinh thể khác nhau với tỷ lệ, kí ch thớc, hình dạng và sự phân bố khác nhau quyết định nh: không giãn nở nhiệt, có độ bền cơ học cao và chịu mài mòn cao, dễ tạo hình bằng gia công cơ khí , có tí nh chất điện từ đặc biệt, có tí nh sinh học (dễ cấy ghép vào tế bào xơng, cơ của cơ thể sống). 7.2.3. Ximăng và bêtông 7.2.3.1. Bản chất Là vật liệu tạo thành nhờ sự kết dí nh các thành phần vật liệu rắn với nhau ở nhiệt độ thờng nhờ chất dí nh kết. Bêtông là loại vật liệu xây dựng quan trọng hàng 117 đầu, đợc tạo thành nhờ liên kết các cốt liệu rắn (sỏi, cát) bởi chất dí nh kết là ximăng poclan + nớc, sau khi ximăng đóng rắn vật liệu trở nên liền khối, vững chắc. 7.4.2. Ximăng a. Ximăng (cement) gồm các loại chí nh sau: - poclan, trên cơ sở hệ CaO - SiO 2 chứa thêm Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 với nhiều loại biến thể, - alumin, trên cơ sở hệ CaO - Al 2 O 3 chứa thêm SiO 2 , Fe 2 O 3 , - xỉ lò cao, chứa thêm thạch cao hoặc vôi, trong đó ximăng poclan là phổ thông và quan trọng nhất. b. Các bớc sản xuất ximăng poclan Phối liệu gồm: đá vôi (cung cấp CaO), đất sét (cung cấp SiO 2 , Al 2 O 3 ) và quặng sắt đợc cân đong theo phối liệu, nghiền mịn rồi trộn đều. nung luyện phối liệu trong lò quay: ở 1400 ữ 1500 o C để tạo ra các khoáng chất nh 3CaO.SiO 2 (viết tắt C 3 S), 2CaO.SiO 2 (C 2 S), 3CaO.Al 2 O 3 (C 3 A), 4CaO.Al 2 O 3 .Fe 2 O 3 (C 4 AF), sản phẩm đợc gọi là clinke. clinke đợc nghiền mịn: đến kí ch thớc 0,5 ữ 50 à m dới dạng bột gọi là ximăng. Khi nghiền thờng đa thêm các phụ gia để điều chỉnh một vài tí nh chất của ximăng (nh cho thêm thạch cao để điều chỉnh tốc độ đông kết của ximăng). c. Cơ chế đóng rắn ximăng Khi ximăng đợc hòa trộn với nớc ta đợc vữa ximăng, nó sẽ bị hyđrat hóa theo các phản ứng: 2 (3CaO.SiO 2 ) + 6H 2 O 3CaO.2SiO 2 .3H 2 O + 3Ca(OH) 2 , 2 (2CaO.SiO 2 ) + 6H 2 O 3CaO.2SiO 2 .3H 2 O + Ca(OH) 2 , . Quá trình này phát triển từ bề mặt các hạt ximăng và tiếp tục vào bên trong hạt theo sơ đồ hyđrat hóa ở các giai đoạn (hình 7.1): - trạng thái ban đầu: hỗn hợp vữa ximăng gồm cát, ximăng và nớc (hình a), - hyđrat hóa một phần của ximăng, bớc đầu nối các hạt cát với nhau (hình b), - hyđrat hóa hoàn toàn và dí nh kết các hạt cát nhờ pha tinh thể hyđrat hóa (c). hạt cát, sỏi (đá dăm) - hạt ximăng a) b) c) ximăng đủ mịn và đợc trộn với đủ lợng nớc thì quá trình diễn ra hoàn toàn. Thiếu nớc một phần ximăng không đợc phản ứng, thừa nớc sẽ tạo ra các lỗ, kênh chứa nớc làm cho vữa ximăng linh động, dễ trộn nhng độ bền sau khi đóng rắn sẽ bị giảm. Sau hyđrat hóa là giai đoạn kết tinh, tạo ra các tinh thể hyđrat với kí ch thớc 10 ữ 100nm làm cho khối vật liệu trở nên vững chắc và có khả năng chịu tải. Hì nh 7.15. Sơ đồ hyđrat hóa và đông đặc của vữa ximăng 118 Độ bền của ximăng, "mác" ximăng, là giới hạn bền nén của mẫu vữa ximăng - cát (tiêu chuẩn) với tỷ lệ 1 : 3 sau 28 ngày bảo dỡng trong điều kiện quy định. Ví dụ, theo TCVN 2682 - 1992, PC 30 có nghĩa là Portland Cement với giới hạn bền nén là 30MPa. 7.4.3. Bêtông Bêtông là hỗn hợp: sỏi hoặc đá dăm kí ch thớc 1 ữ 4cm, cát vàng cỡ hạt 0,1 ữ 0,2mm, ximăng cỡ hạt 0,5 ữ 50 à m) + nớc: hạt cát điền đầy vào chỗ trống giữa các viên sỏi, đá dăm, còn các hạt ximăng sẽ chen vào khoảng trống giữa các hạt cát xí t chặt cao . Ngoài ra, bề mặt của các hạt cát, sỏi, đá dăm là mầm dị thể cho quá trình kết tinh của các hợp chất hyđrat của ximăng. Bêtông đợc coi là một loại compozit: Cốt: cát, sỏi, đá , nền là ximăng đóng rắn 7.4.4. Bêtông cốt thép Độ bền (kéo) của bêtông đợc tăng lên nếu có cốt thép. Thép đợc dùng làm cốt trong bêtông vì ngoài có độ bền kéo cao và dẻo, có hệ số giãn nở nhiệt gần giống nh bêtông, bền ăn mòn trong môi trờng bêtông, cải thiện dí nh kết bằng gai, gân. Bêtông dự ứng lực: dây thép độ bền cao (60Mn) đợc đặt trong côp pha (coffrage), đợc kí ch kéo với lực kéo lớn, bơm đầy bêtông vào khuôn côp pha, chờ đông cứng mới bỏ lực kéo căng dây thép, lúc đó dây thép bị co lại tạo cho cấu kiện bêtông ứng suất nén Cách thứ hai: dây thép đợc luồn qua những ống bằng kim loại hay cao su đặt sẵn trong cấu kiện bêtông. Kéo căng dây thép nhờ các kí ch thuỷ lực tựa vào hai mặt đối diện của cấu kiện, lực kéo sẽ tạo tải trọng nén lên bêtông. Tiếp theo vữa bêtông mới đợc bơm đầy vào lỗ, bao kí n lấy dây thép. Cấu kiện đợc hoàn thành khi vữa bêtông đông cứng và bảo dỡng tốt, chỉ khi đó mới dỡ kí ch ra. Kỹ thuật bêtông dự ứng lực là kỹ thuật cao trong chế tạo các dầm cầu tải trọng lớn. . trong oxit : Mg-O, Zr-O , Ti-O , Al-O, B-O , Si-O, C-O % liên kết ion: 80 67 63 60 45 40 22 còn lại là liên kết cộng hoá trị Vật liệu vô cơ bền hoá học,. 113 Chơng 7 Vật liệu vô cơ - ceramic Định nghĩa: Vật liệu vô cơ là sự kết hợp giữa kim loại Me, Si với á kim B,C,N,O