- Hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao nếu sản l−ợng lớn vì đầu t− ban đầu cao
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 SiO2 (ch−ơng 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 đ−a 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 σLT = (2Ẹγ/a)1/2
E- môdun đàn hồi γ- sức căng bề mặt; a- khoảng cách nguyên tử
σLT - vật liệu coranhđông 50.103 MPa, thuỷ tinh SiO2 ~ 8.103 MPa
• Độ bền thực tế: do có nứt tế vi 10-3ữ100 àm → độ bền thực tế =1/100 độ bền lý thuyết : Khi chịu tảI kéo σO thì thực tế σ = 2. σO(l/r)1/2 l: dàI nứt; r: bán kí nh cong đầu vết nứt.
σ thực trong vật liệu phụ thuộc vào σO và tỷ lệ thuận l và tỷ lệ nghịch với r. Khi nứt dài, đầu nhọn: σ ≥ [σLT] → 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 l−ợng liên kết nguyên tử cấu tạo nên nó mà do số l−ợng, 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 7.2.1. Gốm và vật liệu chịu lửa
Gốm bằng sản phẩm đất nung: Nhiệt độ nung gạch 900oC, sứ 1400, tạo từ các nguyên liệu tự nhiên: Kaoliní t Al2O3.2SO2.2H2O → 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%, Al2O31%
• 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 Al2O3, TiO2,...) hoặc một oxit phức: MgỌAl2O3, BaỌTiO2 (khác gốm silicat tinh khiết cao nên tỷ lệ pha tinh thể cao) chế tạo bằng sản phẩm chất l−ợng cao, và các tí nh chất điện từ đặc biệt, chế tạo theo công nghệ gốm tinh.
ắ Al2O3: Phễu sợi máy dệt, chi tiết máy dệt (Al2O3), điện tử, y tế, bột màị
ắ TiO2: gốm TiO2 làm tụ điện hằng số điện môi lớn tổn thất điện môi nhỏ, Gốm hệ PbỌTiO2-PbỌZrO2 có pha thêm MgỌNiỌZnỌ..gọi tắt là gốm PTZ cải thiện các tí nh chất điện môi ngày càng đ−ợc dùng nhiều trong kỹ thuật điện
ắ Fe2O3 + oxit kim loại nhóm TiO2, SnO2, WO3...
ắ 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 các Borit, nitơrit, cacbit,... vật liệu đơn nguyên tố cacbon
Vật liệu chịu lửa (VLCL)
Vật liệu chịu lửa To>1520oC, sản xuất bằng công nghiệp gốm thô dùng ngành luyện kim, hoá học, gốm... lò nhiệt độ caọ VLCL gồm các loại sau:
• Dinat (Silicat) > 93%SiO2 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, Al2O3 = 20-45% khoáng chí nh là mulit (3Al2O3.2SiO2) 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 ch−a nung -tạo hình- nung
các loại: samôt th−ờng 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 là mulit 3Al2O3.2SiO2 và coranh đông α-Al2O3
nguyên liệu chế tạo từ khoáng thiên nhiên có tỷ lệ Al2O3 cao:Silimanit, Andaluzit (Al2O3.SiO2)
• Vật liệu cao alumin tí nh chịu nhiệt tốt lơn samôt, tí nh hoá học trung tí nh với nhiều môi tr−ờng
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−ờng nóng chảy kiềm tí nh; thuỷ tinh kiềm, xỉ luyện kim Bazơ, lò xi măng, xây lò hồ quang luyện thép chất l−ợng
cao.
• Vật liệu chịu lửa trên cơ sở graphit và 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 là các vật liệu chịu lửa khi chế tạo đ−a vào 45-80%
khí nên xốp nhẹ. Th−ờng đ−ợc 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 7.2.2.1.Thuỷ tinh
• Cấu trúc vô định hình đ−ợc 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 SiO2, sôda Na2CO3, đá vôi CaCO3, tràng thạch (K,Na)AlSi3O8, đôlômit CaCO3.MgCO3,...Phối liệu- nấu chảy (1400-
1500oC), tạo hình ở trạng thái mềm (1000-1200oC) kéo tấm, kéo ống, kéo sợi, cán, ép, dập, thổi,...→ ủ khử σ (500-600oC) → 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 Na2O), thành phần: 65-75%SiO2, 8-15% CaO, 12-18% Na20
• 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, d−ợc phẩm, thực phẩm, đồ gia dụng, vỏ bóng đèn điện, màn hình ti vị..
• Biện pháp tăng bền
. Tôi ở nhiệt độ xấp xỉ 900-1000OC (nhiệt độ biến mềm - (10ữ20o)) nguội nhanh . Trao đổi ion: thay thế các ion Na bằng các ion khác có kí ch th−ớc 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 (σK ~1000-1500 MPa ) do í t khuyết tật, hiệu ứng siêu tôi do nguội đột ngột ở nhiệt độ cao → siêu đẳng h−ớng- cách âm , cách nhiệt dùng cho compozit.
Ngoài ra thuỷ tinh này còn tạo khối xốp nên cách nhiệt, cách âm 150-400g/dm3.
7.2.2.1.2. Thuỷ tinh Boro- Silicat và Alunino-silicat
116
Boro-Silicat: SiO2-B2O3-Na2O; Pirex 78%SiO2-12,5%B2O3-9,5%Na2O; Alumino- silicat: SiO2-Al2O3-Na2O
Công dụng: chế tạo dụng cụ hoá học, đo l−ờng, 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 SiO2-PbO-Na2O/K2O
ắ tạp chất gây màu: Fe2O3 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 SiO2 nhiệt độ chảy 1700oC rất cao, khó chế tạo
Hai loại: thuỷ tinh thạch anh trong suốt, không trong suốt có chứa bọt khí và ch−a 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 +B2O3 :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