7.2.2.1.Thuỷ tinh
• Cấu trúc vô định hình được tạo bằng cách nguội nhanh vật liệu vô c ơ nóng chảy – tính chất vô định hình là vật liệu một pha đồng nhất.
• Khái niệm thuỷ tinh cònđể 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 tính chất quang học đặc biệt.
7.2.2.1.1. Thuỷ tinh kiềm- kiềm thổ- silicat
• Thông dụng nhất, nguyên liệu chính 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 tính chất chung của thuỷ tinh là: trong suốt, bền hoá, xít kín, độ bền cơ và nhiệt đạt yêu cầu, nên dùng nhiều trong xây dựng, bao bì (chai), hoá chất, dược phẩm,
thực phẩm, đồ gia dụng, vỏ bóng đèn điện, màn hình ti vi...
• Biện pháp tăng bền
- Tôiở nhiệt độ xấp xỉ 900-1000oC (nhiệt độ biến mềm- (10÷20oC) nguội nhanh.
-Trao đổi ion: thay thế các ion Na bằng các ion khác có kích th ước lớn hơn trên bề mặt tạo ứng suất nén dư làm tăng cơ tính: kính ô tô, cốc tách, thuỷ tinh cách điện,..tăng bền 3-10 lần.
- Tạo sợi thuỷ tinh d<100μm có độ bền cao (σK ~1000-1500 MPa ) do ít khuyết tật, hiệu ứng siêu tôi do nguội đột ngột ở nhiệt độ cao → siêu đẳng hướng- 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
Ít dãn nở nhiệt, bền xung nhiệt, bền hoá, dễ nấu chảy.
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 lường, 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
Chỉ số khúc xạ (n) cao làm đồ quang học (10-18%Pb), phalê 18-35%, thành phần SiO2- PbO-Na2O/K2O
Tạp chất gây màu: Fe2O3 cần hạn chế <0,01%
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 1700o
C rất cao, khó chế tạo.
Hai loại: thuỷ tinh thạch anh trong suốt, không trong suốt có chứa bọt khí và chữa 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 chịu 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
-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 tương tự như thủy tinh
(ví dụ SiO2- Al2O3- Na2O)
- Cách chế tạo: Chế tạo thủy tinh gốc (nấu chảy, tạo hình, cấu trúc vô định hình), sau đó được xử lý nhiệt theo chế độ xác định để tạo pha tinh thể, gồm các vi tinh thể (< 1 μm) với
tổng thể tích 60 ÷ 95%, phân bố đều trên nền pha vô định hình,ở đây pha vô định hình đóng
vài trò chất liên kết.
Các loại thủy tinh gốc thường gặp: SiO2-Al2O3-LiO2, SiO2-Al2O3-MgO và SiO2-Al-2O3-Na2O Các chất xúc tác tạo mầm như Pt, TiO2, ZrO2, SnO2, sunfit, fluorit...
Tính chất của gốm thuỷ tinh là do pha tinh thể khác nhau với tỷ lệ, kích th ước, hình dạng và sự phân bố khác nhau quyết định như: không gian nở nhiệt, có độ bền cơ học cao và chịu
mài mòn cao, dễ tạo hình bằng gia công cơ khí, có tính chất điện từ đặc biệt, có tính sinh học
(dễ cấy ghép vào tế bào xương, cơ của cơ thể sống).