1.5. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.5.3. Hình ảnh qt bằng kính hiển vi điện tử SEM [27]
Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
Hình 1.7. Sơ đồ khối các bộ phận của kính hiển vi điện tử quét
Phương pháp SEM được sử dụng để xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt của vật liệu. Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu đươc những bức ảnh 3 chiều chất lượng cao và khơng địi hỏi phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu. Phương phép SEM đặc biệt hữu dụng, bởi vì nó cho độ phóng đại có thể thay đổi từ 10 đến 100000 lần với hình ảnh rõ nét, hiển thị ba chiều phù hợp cho việc phân tích hình dạng và cấu trúc bề mặt.
1.5.4. Phƣơng pháp xác định các tính chất vật lí
1.5.4.1. Xác định độ co ngót khi nung
Mẫu được ép viên (hình trụ) sấy khơ trước khi nung được đo chiều cao, đường kính tương ứng là H0, D0. H, D tương ứng là chiều cao và đường kính của mẫu sau khi nung thiêu kết đã làm nguội về nhiệt độ phịng.
Ta có cơng thức sau: Độ co ngót 0 0 0 0 .100% H D H D H D 1.5.4.2. Xác định độ hút nước
Độ hút nước của vật liệu là khả năng hút và giữ nước của nó ở điều kiện bình thường. Độ hút nước theo khối lượng là tỉ số phần trăm giữa khối lượng nước mà vật liệu hút được với khối lượng của vật liệu ở trạng thái khô.
- Sấy mẫu ở nhiệt độ 105oC-110oC đến khối lượng không đổi. - Để nguội, cân mẫu khô (m0).
- Ngâm mẫu đã cân đến bão hòa nước.
- Vớt mẫu ra, lau nước đọng trên mặt mẫu bằng vải ẩm rồi cân mẫu bão hòa nước (m). Thời gian từ khi vớt mẫu ra đến khi cân không vượt quá 3 phút. Độ hút nước của mẫu được xác định theo công thức:
Độ hút nước 0 .100% m m m
1.5.4.3. Xác định khối lượng riêng bằng phương pháp Acsimet
Thể tích tự nhiên của viên gốm V0 được xác định bằng cách: sau khi ngâm bão hòa viên gốm trong nước ta đem xách định thể tích thơng qua phương pháp đẩy nước. Thể tích dâng lên chính là thể tích tự nhiên của viên gốm. Xác định thể tích tồn đặc của khối gốm bằng cách xác định thể tích gốm dạng bột bằng phương pháp đẩy nước ta được thể tích gốm là Va. Khi đó độ xốp của gốm được tính như sau :
0 0 .100 a V V r V
Cân khối lượng của viên gốm được m(g). Khi đó khối lượng riêng được tính theo cơng thức:
d = m/ Vo
1.5.4.4. Xác định cường độ nén [4]
Cường độ nén là khả năng lớn nhất của vật liệu chống lại sự phá hoại do tải trọng gây ra và được xác định bằng ứng suất tới hạn khi mẫu vật liệu bị phá hủy.
Cường độ nén của sản phẩm phản ánh mức độ kết khối hay mật độ của sản phẩm. Tuy nhiên sản phẩm có cùng mật độ như nhau nhưng độ bền nén có thể khác nhau. Điều đó chứng tỏ chúng phụ thuộc vào cấu trúc cũng như loại liên kết trong sản phẩm.Vì vậy độ bền nén là chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm nhanh chóng cũng như đánh giá cả quy trình cơng nghệ sản xuất ra sản phẩm đó.
Để xác định độ bền nén theo TCVN 6530-1:1999 người ta đặt mẫu trên máy ép thủy lực hoặc máy ép cơ tiêu chuẩn để xác định lực phá hủy.
Hình 1.8. Mơ hình thiết bị đo cường độ kháng nén
Cường độ kháng nén Rn được tính theo cơng thức: Rn=Pmax/F Trong đó: Pmax - Tải trọng nén phá hoại mẫu (N,KN)
F - Tiết diện chịu lực của mẫu (mm2,cm2, m2)
1.5.4.5. Hệ số giản nở nhiệt [4]
Khi vật liệu bị nung nóng, các nguyên tử sẽ nhận thêm năng lượng và dao động quanh vị trí cân bằng. Vì thế, khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử cũng như kích thước của vật liệu tăng lên. Nói cách khác, vật liệu bị nở ra khi đốt nóng và khi làm lạnh xảy ra q trình ngược lại. Hiện tượng đó được gọi là sự giãn nở nhiệt của vật liệu, sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ của vật liệu rắn được biểu diễn bởi công thức: 0 0( 0) t t l l l T T Trong đó:
lt và l0 tương ứng là chiều dài ban đầu và chiều dài cuối cùng khi tăng nhiệt độ của vật liệu từ T0 đến Tt
α: hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài (oC-1)
Vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt càng lớn thì khi thay đổi nhiệt độ, sự co giãn của vật liệu càng lớn làm cho vật liệu bị nứt vỡ. Vì vậy, hệ số giãn nở nhiệt là thơng số vật lí đặc trưng cho độ bền nhiệt của vật liệu.
1.5.4.6. Độ bền sốc nhiệt [4]
Tính chất của vật liệu chống lại sự dao động nhiệt độ không bị phá hủy gọi là Lực nén
độ bền sốc nhiệt. Nguyên nhân vỡ sản phẩm do dao động nhiệt độ là các ứng suất xuất hiện trong sản phẩm do chênh lệch nhiệt độ khi đốt nóng và làm nguội.
Theo TCVN 6530-7:2000, để xác định độ bền sốc nhiệt, người ta nung mẫu 75x50x50mm đến khi nhiệt độ 1000o
-1200oC, sau đó lấy mẫu ra đặt vào khung đỡ và dùng lực bẩy để nâng đầu khung kia cao lên theo phương pháp thẳng đứng với lực đẩy tương ứng 20N. Như vậy mẫu được làm nguội bằng khơng khí và chịu lực uốn khi bẩy. Sau khi bẩy, mẫu được nung và lại tiếp tục quy trình trên cho đến khi mẫu bị vỡ. Số lần quy trình đó được gọi là độ bền sốc nhiệt. Nếu sau 30 chu kỳ mà mẫu chưa vỡ thì có thể dừng và coi độ bền sốc nhiệt lớn hơn 30 lần.
Điều kiện xác định độ bền sốc nhiệt khơng giống như điều kiện sử dụng vì vậy những số liệu đo độ bền sốc nhiệt chỉ có tính chất gần đúng và để so sánh giữa các vật liệu với nhau.
1.5.4.7. Độ chịu lửa [4]
Theo định nghĩa của ISO 836-2001 thì độ chịu lửa là tính chất đặc trưng cho vật liệu chịu lửa bền vững ở nhiệt độ cao trong môi trường và điều kiện sử dụng của vật liệu.
Để xác định độ chịu lửa của vật liệu, theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6530- 4:1999 tương ứng với ISO 528- 1983, người ta tạo mẫu thành côn để đo. Côn này là khối chóp cụt, hai đáy là tam giác đều có cạnh 8,5 và 3mm đặt trên đế chịu lửa sao cho nghiêng với đáy một góc 8o ±1o.
Khi nâng nhiệt độ có pha lỏng xuất hiện, lượng pha lỏng tăng lên, độ nhớt của chúng hạ thấp, đầu côn cong dần dần chạm vào mặt ngang của đế. Tại thời điểm đó gọi là nhiệt độ gục của cơn hay độ chịu lửa. Nếu đầu cơn dính dài trên mặt đế, nhiệt độ tương ứng đã vượt quá độ chịu lửa. Ngược lại, nếu đầu côn chưa chạm đến đế thì nhiệt độ tương ứng sẽ dưới độ chịu lửa.Nếu tăng nhiệt độ nâng nhiệt trong lò sẽ tăng nhiệt độ gục của cơn. Vì thế người ta thực hiện tốc độ nâng nhiệt quy định 4-6o
C/phút bắt đầu từ nhiệt độ kết khối sản phẩm.
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM
2.1. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN 2.1.1. Mục tiêu của luận văn 2.1.1. Mục tiêu của luận văn
Nghiên cứu tổng hợp gốm Diopsit CaO.MgO.2SiO2 và ảnh hưởng của Ziriconi (IV) oxit đến cấu trúc và tính chất của gốm.
2.1.2. Các nội dung nghiên cứu của luận văn
* Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến điều chế gốm Diopsit.
- Chất khống hóa.
- Hàm lượng chất khống hóa. * Nghiên cứu cấu trúc, tính chất của gốm.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của Ziriconi (IV) oxit đến cấu trúc, tính chất của gốm. - Sử dụng các phương pháp: DTA, TG, TMA, XRD, SEM để nghiên cứu cấu trúc, thành phần và tính chất của gốm.
2.2. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HĨA CHẤT 2.2.1. Hóa chất
- Bột talc được lấy từ Thanh Sơn - Phú Thọ - Silic đioxit SiO2
- Canxi cacbonat CaCO3 - Liti axetat CH3COOLi - Natri axetat CH3COONa
- Kali axetat CH3COOK - Ziriconi (IV) oxit ZrO2 - Chất kết dính PVA
Các hóa chất được sử dụng là loại tinh khiết của Trung Quốc.
2.2.2. Dụng cụ
- Cốc thủy tinh, đũa thủy tinh, khay nung mẫu.
- Lị nung, tủ sấy, cân kĩ thuật (chính xác 10-1, 10-2), cân phân tích chính xác
- Máy nghiền bi ( Fristch, Đức).
- Máy nhiễu xạ tia X SIEMEN D 5005 (Đức).
- Máy phân tích nhiệt DTA/TG - Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Máy chụp ảnh SEM (Trung tâm Khoa học Vật liệu- Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên- ĐHQGHN).
- Máy đo cường độ kháng nén IBERTEST (European) của tổng cục đo lường chất lượng Việt Nam.
2.3. THỰC NGHIỆM 2.3.1. Chuẩn bị mẫu
Nghiên cứu này nhằm chế tạo gốm Diopsit dựa trên hệ bậc ba CaO- MgO- SiO2 có sử dụng các chất khống hóa và phụ gia. Các kết quả được so sánh với các kết quả của gốm dựa trên hệ CaO-MgO-SiO2 để tìm ra cách chế tạo sản phẩm có chất lượng mà lại ít tiêu tốn năng lượng.
Các mẫu được chuẩn bị theo tỷ lệ mol CaO : MgO : SiO2 = 1 : 1 : 2 và thêm chất khống hóa và phụ gia ZrO2.
2.3.2. Cách làm
- Cân các phối liệu talc, SiO2, CaCO3, chất khống hóa và chất phụ gia theo
thành phần các mẫu đã được chọn.
- Các nguyên liệu được trộn đều trong máy nghiền hành tinh trong 30 phút với tốc độ 200 vòng/ phút.
- Các nguyên liệu sau khi được trộn đều và nghiền mịn, được tạo độ kết dính bằng PVA, rồi đem ủ một ngày, sau đó đem ra ép viên hình trụ (Φ = 3,59 cm, l ≈ 1cm) bằng máy nén thủy lực.
- Sấy khô mẫu rồi đem nung thiêu kết ở các nhiệt độ 1200oC với thời gian lưu là một giờ [2]. Các sản phẩm thu được tiến hành xác định thành phần, cấu trúc và tính chất.
2.3.3. Phân tích nhiệt của các mẫu nghiên cứu
Mẫu talc sau khi nghiền mịn chúng tơi tiến hành phân tích thành phần hóa học của khống talc tại Viện Vật liệu xây dựng và phân tích nhiễu xạ XRD trên máy D8 ADVANCE BRUKER-LB Đức, góc quay 2 từ 5 -70o, bức xạ Cu-K tại khoa Hóa học trường ĐHKHTN.
2.3.3.2. Khảo sát sự phân hủy nhiệt của talc
Chúng tơi tiến hành khảo sát q trình phân hủy nhiệt của talc bằng phương pháp phân tích nhiệt (DTA,TG) với tốc độ nâng nhiệt: 10o/phút, môi trường: không khí, nhiệt độ cực đại 1200oC, tại Đại học Bách Khoa Hà Nội.
2.2.3.3. Phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp (talc, thạch anh, canxi cacbonat)
Mẫu hỗn hợp bột talc, thạch anh, canxi cacbonat với thành phần: 47,42% talc, 15,03% thạch anh, 37,55% canxi cacbonat (tỷ lệ mol CaO : MgO : SiO2 = 1 : 1 : 2) được trộn đều rồi tiến hành phân tích nhiệt DTA/TG với tốc độ nâng nhiệt: 10o/phút, mơi trường: khơng khí, nhiệt độ cực đại 1200oC, tại Đại học Bách Khoa Hà Nội.
2.3.4. Khảo sát ảnh hƣởng của chất khống hóa đến sự hình thành pha tinh thể gốm
Chất khống hóa có vai trị như chất xúc tác, có tác dụng thúc đẩy quá tình biến đổi thù hình, phân hủy các khống của ngun liệu làm tăng quá trình khuếch tán vật thể trong phối liệu ở trạng thái rắn, cải thiện khả năng kết tinh của pha tinh thể mới tạo thành trong lúc nung, làm tăng hàm lượng hay kích thước của nó. Để khảo sát ảnh hưởng của một vài chất khống hóa lên sự hình thành pha của vật liệu chúng tơi tiến hành khống hóa mẫu với các chất khống hóa: CH3COOLi, CH3COONa, CH3COOK
Cân hàm lượng nguyên liệu talc, thạch anh, canxi cacbonat theo thành phần khối lượng: 47,42% talc, 15,03% thạch anh, 37,55% canxi cacbonat, sau đó lần lượt tiến hành khống hóa với hàm lượng:
+ CH3COOLi (chiếm 2% tổng khối lượng phối liệu). + CH3COONa (chiếm 2% tổng khối lượng phối liệu). + CH3COOK (chiếm 2% tổng khối lượng phối liệu).
Các mẫu sau khi ép viên, sấy khô được nung thiêu kết ở 1200oC trong 1h, rồi tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X để xác định thành phần pha.
2.3.5. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất khống hóa CH3COONa đến sự
hình thành diopsit
Chuẩn bị các mẫu với hàm lượng chất khống hóa CH3COONa thay đổi như trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Thành phần ngun liệu trong các mẫu có chất khống hóa
Mẫu % Bột talc % Thạch anh % CaCO3 % CH3COONa
M0 47,42 15,03 37,55 0 M1 47,42 15,03 37,55 1 M2 47,42 15,03 37,55 2 M3 47,42 15,03 37,55 3 M4 47,42 15,03 37,55 4 M5 47,42 15,03 37,55 5
Các mẫu sau khi nung thiêu kết, được nghiền mịn rồi tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X để xác định thành phần pha.
2.3.6. Nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành Diopsit.
2.3.6.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành Diopsit bằng phương pháp XRD
Chuẩn bị các mẫu với hàm lượng Ziriconi (IV) oxit thay đổi như trong bảng 2.2.
Bảng 2.2: Thành phần nguyên liệu trong các mẫu có ZrO2 Mẫu Bột talc % Thạch anh % CaCO3 % CH3COONa % ZrO2 % M20 47,42 15,03 37,55 2 0 M21 47,42 15,03 37,55 2 0,5 M22 47,42 15,03 37,55 2 1 M23 47,42 15,03 37,55 2 1,5 M24 47,42 15,03 37,55 2 2 M25 47,42 15,03 37,55 2 2,5 M26 47,42 15,03 37,55 2 3
Các mẫu sau khi nung được phân tích nhiễu xạ XRD trên máy D8
ADVANCE BRUKER-LB Đức, góc quay 2 từ 5 -70o, bức xạ Cu-K tại khoa Hóa học trường ĐHKHTN.
2.3.6.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành Diopsit bằng phương pháp SEM
Từ kết quả phân tích XRD chúng tơi xác định được sự hình thành pha tinh thể, từ đó chúng tơi chọn các mẫu M20, M23, M26 điển hình để tiến hành xác định hình thái học bằng phương pháp SEM tại khoa Vật Lý-Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên-ĐHQGHN.
2.3.7. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng Ziriconi (IV) oxit đến các tính chất của vật liệu
2.3.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến độ co ngót của vật liệu
Tiến hành xác định độ co ngót của các mẫu M20, M21, M22, M23, M24, M25, M26 theo mục 1.5.4.1.
2.3.7.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến độ hút nước của vật liệu
M23, M24, M25, M26 nung thiêu kết ở 1200oC lưu trong một giờ được tiến hành xác định độ hút nước theo mục 1.5.4.2
2.3.7.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến khối lượng riêng và độ xốp của vật liệu
Các mẫu M20, M21, M22, M23, M24, M25, M26 được tiến hành xác định khối lượng riêng và độ xốp bằng phương pháp Ascimet theo mục 1.5.4.3
2.3.7.4. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến cường độ kháng nén của vật liệu
Các mẫu M20, M21, M22, M23, M24, M25, M26 được tiến hành đo cường độ kháng nén theo mục 1.5.4.4 tại cục đo lường chất lượng Việt Nam.
2.3.7.5. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu
Các mẫu M20, M23, M26 được tiến hành đo hệ số giãn nở nhiệt theo mục 1.5.4.5 tại Đại học Bách Khoa Hà Nội.
2.3.7.6. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến độ bền sốc nhiệt của vật liệu
Các mẫu M20, M23, M26 được tiến hành đo độ bền sốc nhiệt theo mục 1.5.4.6 tại Viện Vật Liệu Xây dựng.
2.3.7.7. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến độ chịu lửa của vật liệu
Các mẫu M20, M23, M26 được tiến hành đo độ chịu lửa nhiệt theo mục 1.5.4.7 tại Viện Vật Liệu Xây dựng.
Chƣơng 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả phân tích thành phần bột talc
Bảng 3.1 trình bày kết quả phân tích thành phần hóa học của bột talc (hàm lượng các chất được tính theo phần trăm về khối lượng) [2].
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của khống talc
STT Chỉ tiêu Kết quả 1 MKN 4,51% 2 SiO2 60,82% 3 MgO 32,16% 4 CaO 0,22% 5 Al2O3 0,19%