3.1. Gốm thủy tinh là gì?
Gốm thủy tinh là loại vật liệu có thành phần hóa học gần như thủy tinh nhưng về mặt cấu trúc thì khác với thủy tinh và giống gốm. Nếu như thủy tinh có cấu trúc vô định hình thì gốm thủy tinh có cấu trúc kết hợp giữa tinh thể và vô định hình. Cấu trúc vi mô gốm thủy tinh gồm các tinh thể nhỏ mịn, phát triển đồng đều trong toàn khối, hầu như không có
3.2. Đặc điểm của gốm thủy tinh:
Đặc điểm của gốm thủy tinh là kết hợp ưu điểm của gốm và thủy tinh.
Nhờ kiểm soát được thành phần và sự kết tinh (qua quá trình phản ứng thủy tinh hóa - devitrification) người ta có thể tạo nên các pha tinh thể khác nhau với tỷ lệ, kích thước, hình dạng và sự phân bố khác nhau, nhờ đó gốm thủy tinh có tính chất đa dạng phù hợp với nhiều yêu cầu khác nhau.
Gốm thủy tinh có độ bền cao đối với các lực va đập và lực biến dạng, nếu ống thủy tinh thường có độ bền gãy là 210 - 700 kg/cm2 thì gốm thủy tinh với hình dạng và kích thước tương đương có độ bền gãy là 2.800 - 4.200 kg/cm2. Gốm thủy tinh có độ bền mài mòn, tính bền nhiệt cao hơn nhiều so với thủy tinh thường. Ví dụ như nhiều ôxit thủy tinh sẽ nóng chảy ở 600 - 700oC, còn vật liệu gốm thủy tinh có thành phần như vậy thì ở 1.000 - 2.000oC vẫn giữ được độ bền cơ và độ rắn. Gốm thủy tinh còn cách nhiệt rất tốt.
Ngoài ra, có thể chế tạo gốm thủy tinh có các tính chất khác biệt để có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ như do có hệ số giãn nở nhiệt rất nhỏ nên gốm thủy tinh thích hợp cho các ứng dụng chống sốc nhiệt; do có sức bền, chịu mài mòn, hệ số giãn nở nhiệt thấp nên dễ tạo hình bằng gia công cơ khí; do có tính chất điện từ đặc biệt hay có tính sinh học nên dễ cấy ghép vào tế bào xương, cơ của cơ thể sống;
hoặc có những đặc điểm về mặt thẩm mỹ như có thể chế tạo trong suốt hoặc không trong suốt nên dùng làm đồ gia dụng vừa bền và đẹp.
Hình: Sự sắp xếp trong cấu trúc của một phân tử gốm thủy tinh
3.3. Chế tạo gốm - thủy tinh như thế nào?
Vật liệu gốm - thủy tinh thường được chế tạo qua hai giai đoạn.
Giai đoạn thứ nhất: Thủy tinh được chế tạo theo quá trình công nghệ sản xuất thủy tinh thông dụng.
Giai đoạn hai: Thủy tinh được tạo hình, làm nguội và nung lại ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Sau giai đoạn thứ hai, đôi khi, quá trình chế tạo cần thêm giai đoạn ba.)
hoặc Fe2O3,…) được bổ sung vào phối liệu thủy tinh nền để thúc đẩy quá trình kết tinh.
Một phương pháp ít được dùng là: tác động và kiểm soát quá trình kết tinh trong thủy tinh nóng chảy ở giai đoạn làm nguội nó. Quá trình này đôi khi được sử dụng để tạo ra các sản phẩm gốm-thủy tinh có hạt (tinh thể) khá thô từ các phế thải công nghiệp để sản xuất vật liệu xây dựng.
Hình: Tạo ra gốm thủy tinh trong PTN tại đại học Jena, Đức
Sản phẩm gốm - thủy tinh cũng được chế tạo bằng cách kết khối-kết tinh đồng thời (concurrent sinter-crystallization) của khối ép từ các hạt thủy tinh. Ưu điểm chủ yếu của quá trình kết khối - kết tinh đồng thời là không sử dụng các tác nhân kết tinh do các bề mặt hạt sẽ tạo các điểm (mầm) kết tinh (nucleation sites). Yếu điểm của công nghệ này là sản phẩm có độ xốp dư 0,5-3%. Tuy nhiên độ xốp dư cũng có thể được giảm thiểu hoặc hạn chế khi sử dụng kỹ thuật ép nóng.
3.4. Đa năng và nhiều ứng dụng:
Ứng dụng trong y tế làm vật liệu thay cho răng và xương: còn được gọi là gốm thủy tinh y sinh. Đây là loại vật liệu có tính chất sinh học cao so với vật liệu y sinh truyền thống (titan, hợp kim đặc biệt, vật liệu các bon, silicon...). Gốm thủy tinh y sinh có khả năng liên kết sinh hóa với tế bào sống, giúp cho các tế bào sau khi bị thương tổn tiếp tục tái sinh và liên kết trực tiếp với bề mặt của vật cấy.
Các sản phẩm gốm - thủy tinh dùng cho xây dựng dân dụng được chế tạo từ các nguồn vật liệu phế thải như: tro đốt rác, xỉ lò cao, xỉ thép, tro nhiệt điện, phế thải khoáng sản,… Thành phần các pha tinh thể chủ yếu trong các sản phẩm gốm-thủy tinh này dao động lớn. Sản phẩm này có giá thành thấp, thường có màu sẫm, bền, cứng và bền hóa học. Chúng được sử dụng cho các vị trí chịu mài mòn và bền hóa học trong lĩnh vực xây dựng (như sản xuất gạch ốp, lát), cũng như trong công nghiệp hóa học, cơ khí, công nghiệp nặng.
Trong gia dụng: do chi phí sản xuất thấp và kỹ thuật đơn giản, gốm thủy tinh được sử dụng để sản xuất đồ gia dụng chất lượng cao. Nhờ có khả năng chịu sốc nhiệt cao nên gốm thủy tinh được sử dụng làm nồi nấu. Nồi gốm thủy tinh có thể nấu trực tiếp trên bếp khi vừa ra khỏi tủ lạnh hay có thể nấu trong lò vi sóng mà không bị rạn nứt. Gốm thủy tinh còn
chỉ tăng tính thẩm mỹ cho bếp mà còn chống trầy xước, chống sốc nhiệt, giúp bếp được bền dài lâu.
Hình: Mặt bếp làm bằng gốm thủy tinh
Trong vũ trụ: gốm thủy tinh bền khi giảm nhiệt độ một cách đột ngột và độ chống mài mòn cao hơn nhiều lần so với kim loại nên gốm thủy tinh được sử dụng để làm các bộ phận chịu lực hoặc để phủ lên kim loại hay làm các khớp nối kín của kim loại và gốm. Do có độ bền nhiệt cao, đặc biệt là đối với các xung nhiệt nên gốm thủy tinh còn được sử dụng để làm lớp vỏ bảo vệ đầu mũi tên lửa. Gốm thủy tinh đã được ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ trong cuối những năm 1950 để bảo vệ thiết bị radar khỏi sự phá hủy của máy bay và tên lửa; đến nay, Nasa đã phủ gốm thủy tinh lên các con tàu vũ trụ của mình.
3.5. Tương lai và hướng nghiên cứu:
Sau hơn 60 năm phát triển, các sản phẩm gốm - thủy tinh rất đa dạng với các tính năng khác thường, và trong tương lai, chúng sẽ còn tiếp tục được phát triển trên các mặt sau đây:
- Về cấp phối: với 10 cấp phối cơ bản, sử dụng phụ gia là một số nguyên tố phù hợp (có khoảng 80 nguyên tố trong Bảng tuần hoàn Mendeleev phù hợp), có thể kết tinh để tạo thành các loại vật liệu gốm-thủy tinh khác nhau;
- Về mặt tạo hình: các sản phẩm với mọi hình dạng. Về nguyên tắc, hình dạng sản phẩm có thể được tạo ra bằng cách: cán, đúc, ép, thổi, kéo hay các phương pháp tạo hình thủy tinh khác hiện có hoặc sẽ được sáng chế; - Về xử lý nhiệt: Sự kết tinh được tạo ra khi làm nguội theo một hoặc nhiều giai đoạn;
- Về vi cấu trúc: Các sản phẩm có thể được chế tạo với cấu trúc hạt nano, cấu trúc hạt mico hay cấu trúc hạt macro; độ kết tinh cao hay thấp; độ xốp bằng không hay thấp; chứa một hay nhiều pha tinh thể; các tinh thể sắp xếp ngẫu nhiên hay theo trật tự; sự kết tinh gây ra trên bề mặt hay bên trong sản phẩm;
- Về tính năng cơ học: Các sản phẩm có độ bền và dai cao hơn nhiều so với thủy tinh, tuy nhiên giới hạn về tính năng cơ học hiện nay sẽ được nâng cao hơn nhờ việc sử dụng phụ gia sợi gia cường, sử dụng các phương pháp hóa học và nhiệt. Các sản phẩm có độ cứng lớn được dùng trong chế tạo máy;
- Về tính năng hóa học: Chế tạo các sản phẩm có độ bền cao hay tái hấp
thu;
- Về tính năng sinh học: Chế tạo các sản phẩm có tính tương thích sinh học, trơ hoặc có hoạt tính sinh học;
- Về tính năng điện và từ: Chế tạo các sản phẩm có hằng số điện môi thấp hay cao, dẫn ion hay cách điện, siêu dẫn, áp điện và từ tính, chịu điện áp cao,…
- Về tính năng quang học: Chế tạo các sản phẩm trong suốt hay có màu, phát quang,…
Với khoảng rộng về giới hạn các tính năng tiềm năng và khả năng thiết kế cấp phối, xử lý nhiệt và hình thành vi cấu trúc, sản phẩm gốm - thủy tinh và công nghệ chế tạo nó có sự kết hợp đa dạng và linh hoạt giữa các tính năng và công nghệ, do đó đảm bảo được sự phát triển liên tục của công nghệ gốm-thủy tinh và đem lại tương lai ngày càng phát triển của các sản phẩm gốm - thủy tinh.
Theo nguồn tài liệu tiếp cận được thì hiện có gần 4.000 sáng chế (SC) liên quan đến gốm thủy tinh trên thế giới. Nhật Bản có số lượng đăng đăng ký SC dẫn đầu với 1.108 SC. Tổ chức sáng chế châu Âu đứng thứ hai với 793 SC và Trung Quốc đứng thứ ba với 670 SC. Số lượng SC về gốm thủy tinh phát triển mạnh trong vòng 10 năm gần đây. Công ty đứng đầu về số lượng đăng ký SC là Kyocera corp – Nhật với 199 SC.
Biểu đồ: Số lượng các SC về gốm thủy tinh từ năm 1993 – 2012.
Nguồn: Wispglobal
Biểu đồ: 5 công ty có số lượng SC về gốm thủy tinh cao nhất.
Tại Việt Nam, các nhà khoa học thuộc Bộ môn Silicat, Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã sản xuất thành công vật liệu gốm thủy tinh y sinh dùng cấy ghép vĩnh viễn, thay thế xương trong chỉnh hình y tế, có độ bền tương đương với xương người. Nhóm đã tiến hành thử nghiệm cấy ghép gốm thủy tinh y sinh trên cơ thể người bệnh (tại các bệnh viện: Tai - Mũi - Họng Trung ương, Bạch Mai, Răng - Hàm - Mặt Trung ương, Bệnh viện K). Trong tất cả các ca phẫu thuật cấy ghép vật liệu gốm thủy tinh y sinh cho người bệnh (dùng thay thế các chi tiết chuỗi xương tai truyền âm thanh; các chi tiết xương tai giữa; thay chân răng và sửa chữa xương hàm mặt; hàn vá phần xương bị khoét bỏ), không có trường hợp nào có phản ứng đào thải. Bệnh nhân chóng lành vết thương, khả năng hồi phục sức khỏe tốt, đặc biệt khả năng khôi phục chức năng của bộ phận điều trị rất cao.
Khoa công nghệ vật liệu, Trường đại học bách khoa TP.HCM đã tiến hành nghiên cứu khả năng kết tinh của gốm thủy tinh lithium disilicate. Đây là loại gốm thủy tinh mới phát triển trong lĩnh vực nha khoa, có cấu trúc tinh thể dạng tấm lớp hoặc hình que đan xen cài lẫn nhau, có độ bền uốn rất cao, có độ trong mờ cao, có khả năng tự bóng bề mặt khi nung, đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật và thẩm mỹ, tính tương thích sinh học cao… Trong công nghệ phục hình răng, có thể tạo hình nhanh chóng
Kết luận : Vật liệu composite gốm hoàn toàn có tiềm năng , phát triển tốt là một vật liệu vượt trội mang ưu điểm của nhiều loại vật liệu , được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp và giá cả tốt ưu đãi
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu sách
1.Vũ Minh Đức, 1999. Công nghệ gốm sứ xây dựng. Nhà xuất bản Xây dựng.
Tài liệu các trang website
1.https://congnghenhat.com/tin-tuc/cong-nghe/gom-thuy-tinh.html 2.https://ttcceramic.com/tim-hieu-ve-gach-ceramic 3.https://gomsuu.com/cau-truc-cua-composite-gom/ 4.https://haihafrp.com/vat-lieu-composite--tiem-nang-va-ung-dung- 57812 5.https://duongvephuvan.blogspot.com/p/blo http://cesti.gov.vn/chi- tiet/2402/khong-gian-cong-nghe/gom-thuy-tinhg-page_1.html 6.https://vibm.vn/Details/id/909/Tuong-lai-cua-vat-lieu-gom %E2%80%93thuy-tinh-%E2%80%93-Phan-1#.Xp69cRw3vIU
