TT Ký hiệu chế độ nhiệt Nhiệt độ nung, oC
1 T1 1300
2 T2 1450
3 T3 1550
4 T4 1600
a. Chất lượng bề mặt của các mẫu sau thiêu kết
Mẫu nung ở chế T1, T2, T3 cho chất lượng bề mặt tương đối tốt, tỷ lệ phế phẩm nứt, vỡ, phồng rộp hầu như không tồn tại. Mẫu nung ở chế độ T3 về cảm quang cho bề mặt đanh chắc hơn.
Mẫu nung ở chế độ T4 xảy ra hiện tượng cong vênh, nứt chi tiết. Kích thước mẫu bị co ngót khá lớn (>10%). Do vậy có thể khẳng định, nhiệt độ T4 đã vượt quá nhiệt độ thiêu kết của phôi gốm và gây nên những khuyết tật kể trên.
b. Kết quả độ cứng của các mẫu sau thiêu kết
Tiến hành đo độ cứng các mẫu ở các chế độ thu được kết quả trên hình 6. Mẫu ở chế độ T1 và T2 cho độ cứng thấp hơn mẫu ở chế độ T3 và T4. Điều này được giải thích là do chuyển biến pha xảy ra khi thiêu kết ở các mẫu T1, T2 chưa xảy ra triệt để nên liên kết các hạt gốm còn kém bền vững, chưa tạo thành pha có độ cứng cao.
Hình 3.9. Độ cứng của mẫu nung ở các chế độ nhiệt khác nhau
c. Tỷ trọng của phôi gốm sau thiêu kết
Do mẫu T4 xảy ra khuyết tật khi nung, do vậy nhiệm vụ khảo sát tỷ trọng của các phôi nung ở các chế độ T1, T2 và T3. Kết quả khảo sát được trình bày trên hình 3.10.
Tỷ trọng của mẫu ở chế độ T3 cao hơn hẳn so với mẫu ở chế độ T1 và T2. Điều này chứng tỏ quá trình thiêu kết đã xảy ra triệt để ở chế độ T3, kích thước lỗ xốp trong mẫu nung ở T3 khá nhỏ mịn nên tỷ trọng cao đáp ứng được yêu cầu của gốm chống đạn. Ở chế độ nung T1 và T2, sự chuyển pha chưa triệt để nên liên kết trong mẫu kém, lỗ xốp còn khá nhiều dẫn đến tỷ trọng của tồn bộ mẫu khơng cao.
Hình 3.10. Tỷ trọng các mẫu nung ở các chế độ nhiệt khác nhau
Như vậy, nhóm nghiên cứu lựa chọn nhiệt độ thiêu kết là 1550oC là phù hợp cho mẫu gốm chế tạo có thành phần như mẫu G10.
3.6. Khảo sát gốm cao nhôm khi không bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2)
3.6.1. Khảo sát thành phần pha của gốm cao nhôm khi không bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2)
Hình 3.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gốm oxit nhôm ban đầu (mẫu G0)
Mẫu nguyên liệu chính dùng để nghiên cứu chế tạo gốm cao nhơm là bột nhôm oxit 99,9% hãng sản xuất Inframat- Mỹ. Kết quả đem phân tích nhiễu xạ
Rơnghen để xác định thành phần pha của mẫu G0 có thành phần như trên bảng 2.1 được trình bày trên hình 3.11.
Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ Rơnghen trên hình 3.11 cho thấy, chỉ xuất hiện một pha duy nhất là -Al2O3 với các pic đặc trưng tại d = 3,483; 1,602 Ao có cường độ lần lượt 480; 530 Cps và d = 2,552; 2,087 Ao có cường độ lần lượt 690 và 680 Cps còn lại là các pic có cường độ yếu hơn như d = 1,965; 1,511; 1,405 và 1,374 Ao. Qua kết quả nghiên cứu cho thấy, sản phẩm tạo ra có thành phần pha chỉ là -Al2O3
3.6.2. Khảo sát các tính chất của gốm cao nhôm khi không bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2) cơ (MgO, TiO2)
Mẫu gốm nhôm oxit (mẫu G0 có 3 mẫu) được tiến hành phối liệu theo thành phần như ở bảng 2.1. Sau khi thiêu kết tại nhiệt độ 1550oC, mẫu được xác định các chỉ tiêu tính chất trên bảng 3.3 và bảng 3.4. Bảng 3.3. Một số tính chất của mẫu gốm G0 STT Mật độ khối, g/cm3 Khối lƣợng riêng, g/cm3 Độ xốp,% Độ hấp thụ nƣớc, % 1 3,48 3,52 3,4238 0,9400 2 3,49 3,53 3,4239 0,9380 3 3,49 3,52 3,4238 0,9430
Bảng 3.4. Một số chỉ tiêu cơ tính của mẫu gốm G0
STT Tothiêu kết, oC Độ cứng HV10 Độ bền uốn, MPa
1 1550 1140 292
2 1550 1142 291
Qua khảo sát ba mẫu gốm oxit nhơm nhóm thành phần mẫu G0 thấy rằng, các chỉ tiêu cơ lý tính của các mẫu gốm là xấp xỉ nhau. Điều này cho thấy công nghệ chế tạo gốm cao nhôm khá ổn định. Sản phẩm tạo ra là khá đồng đều về các chỉ tiêu cơ lý tính, đảm bảo ổn định trong cơng nghệ chế tạo.
Ảnh SEM (hình 3.12) bề mặt mẫu gốm khi khơng có các thành phần nano vơ cơ MgO và TiO2 nung tại nhiệt độ 800oC và 1550oC.
a) Mẫu khi nung ở 800oC
Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của mẫu gốm oxit nhơm G0 trình bày trên hình 3.12 cho thấy, khi chưa sử dụng MgO và TiO2 kích thước nano thì khi nung đến nhiệt độ 800oC trên ảnh SEM (hình 3.12 a) thì thấy rằng, bề mặt có các lỗ xốp màu đen, các hạt oxit nhôm chưa gắn kết được với nhau. Nguyên nhân do tại nhiệt độ 800oC thì nước thốt ra, chất kết dính đã bị cháy hồn tồn để lại các lỗ xốp lớn có màu tối và tại nhiệt độ này chưa có hiện tượng thiêu kết xảy ra. Khi thiêu kết đến nhiệt độ 1550oC quan sát ảnh SEM (hình 3.12 b) cho thấy, trên bề mặt mẫu G0 vẫn còn nhiều lỗ xốp. Quan sát thấy có những lỗ xốp lên tới hơn 2µm, điều này khiến cho tính chất cơ lý của vật liệu gốm giảm rất nhiều, hạn chế khả năng chịu va đập, chống đạn của vật liệu. Có thể thấy, mẫu G0 chưa được thiêu kết hoàn toàn tại nhiệt độ 1550oC và cần phải thiêu kết tại nhiệt độ lớn hơn. Việc bổ sung thành phần TiO2, MgO kích thước nano để làm giảm nhiệt độ thiêu kết của gốm oxit nhôm, nâng cao các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu là cần thiết.
3.7. Khảo sát gốm cao nhôm khi bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2)
3.7.1. Khảo sát thành phần pha của gốm cao nhôm khi bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2).
Quan sát giản đồ pha hình 3.13 cho thấy, khi mẫu gốm oxit nhôm bổ sung TiO2 (từ 1 đến 3% TiO2) thì sẽ hình thành pha β-Al2TiO5 và pha Al2O3 khi được thiêu kết ở 1550oC. Pha β-Al2TiO5 có khả năng làm tăng các chỉ tiêu cơ lý tính của vật liệu gốm. Như vậy, mẫu G1, G2, G3 với việc bổ sung hàm lượng TiO2 tăng dần thì đồng nghĩa với pha β-Al2TiO5 tăng lên, do đó các chỉ tiêu cơ tính của gốm cũng tăng lên đáng kể. Mặt khác khi bổ sung thêm thành phần TiO2 kích cỡ nano thì q trình thiêu kết cũng diễn ra được dễ dàng hơn, do thành phần TiO2 có tác dụng hạ thấp nhiệt độ thiêu kết của mẫu gốm cao nhôm. Các nghiên cứu [6, 7] cho thấy, khi bổ sung 1% TiO2 thì nhiệt độ thiêu kết giảm đi 100oC và quá trình thiêu kết diễn ra được ổn định hơn.
Quan sát giản đồ pha hình 3.14 cho thấy, khi mẫu gốm oxit nhơm bổ sung MgO (mẫu G4) thì sẽ hình thành pha Spinel MgAl2O4 (ss) và pha Al2O3 khi được thiêu kết ở 1550oC. Do đó, khi bổ sung MgO vào gốm oxit nhơm thì pha Spinel-MgAl2O4 có khả năng làm tăng các chỉ tiêu cơ lý tính của vật liệu gốm. Mặt khác, khi bổ sung thêm MgO kích thước hạt nano thì các hạt này cũng làm tăng độ xếp chặt và tính chảy lỗng của vật liệu. Theo một số nghiên cứu [10] thì khi bổ sung thành phần MgO hợp lý cịn có tác dụng làm giảm rất mạnh tốc độ phát triển và sự lớn hạt trong quá trình thiêu kết mẫu gốm oxit nhơm.
Kết quả giản đồ hình 3.15 cho thấy, nền gốm vẫn là -Al2O3 với các vị trí pic trùng khớp hoàn toàn với các pic của giản đồ phân tích nhiễu xạ Rơnghen của nguyên liệu -Al2O3. Tuy nhiên, cường độ pic đã có sự thay đổi rõ rệt. Phần lớn cường độ pic đều có xu hướng tăng hơn so với cường độ pic nguyên liệu đầu như tại d = 2,545; 2,082 và 1,599 Ao lần lượt đạt 1090; 820 và 1140 Cps. Sự thay đổi cường độ pic này là do -Al2O3 đã được thiêu kết ở nhiệt độ cao 1550oC làm cho phần lớn nhôm oxit ban đầu đã được chuyển thành pha gốm dạng coundum. Ngoài ra độ sắc nét của píc cũng thay đổi chứng tỏ quá trình chuyển thành pha corundum rất rõ nét.
Hình 3.15.Giản đồ phân tích nhiễu xạ Rơnghen mẫu gốm cao nhơm (G10)
Khi phóng đại cường độ píc của mẫu gốm cao nhôm trong khoảng nhỏ hơn 100Cps (hình 3.16) cho thấy thêm những pha khác cụ thể: pha Spinel- MgAl2O4 ứng với các pic tại d = 2,813; 2,404; 1,999 Ao và pha Aluminum Titanium-Al3Ti ứng với các pic tại d = 2,303; 1,923 Ao. Trong đó đáng chú ý sự xuất hiện pha spinel sẽ làm tăng khả năng chịu nhiệt của gốm, pha Aluminum Titanium-Al3Ti làm tăng các chỉ tiêu cơ tính của gốm. Kết quả phân tích thành phần pha cũng phù hợp với thành phần phối liệu ban đầu với sự bổ sung MgO và TiO2.
Hình 3.16. Giản đồ phân tích nhiễu xạ Rơnghen mẫu gốm G10, độ phóng đại 10 lần
3.7.2. Khảo sát các tính chất của gốm cao nhơm khi bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2)
Thành phần hóa học và một số chỉ tiêu kỹ thuật của các mẫu gốm sau khi thiêu kết tại nhiệt độ 1550oC trong 2 giờ được trình bày tại bảng 2.1 và bảng 3.1. Kết quả cho thấy, với các mẫu gốm G1, G2, G3 bổ sung nano TiO2 1 ÷ 3%, khơng có MgO, cho các chỉ tiêu kỹ thuật của gốm tăng dần và điều cao hơn so với mẫu gốm G0. Khi thêm 1% MgO (mẫu G4) thì tính chất kỹ thuật của gốm cao hơn so với gốm oxit nhôm ban đầu (mẫu G0), nhưng lại thấp hơn so với các mẫu gốm G1, G2, G3. Điều này được giải thích là do khi bổ sung TiO2 hoặc MgO kích thước cỡ nano thì các hạt kích thước nano này sẽ điền đầy vào các lỗ xốp của oxit nhôm, tăng độ xít chặt của gốm dẫn đến khối lượng riêng tăng lên và cơ lý tính của vật liệu gốm được cải thiện.
Khi so sánh các mẫu G5, G6, G7, G8 có cùng thành phần TiO2 (1%), còn thành phần MgO tăng dần theo thứ tự từ 1%, 3%, 4% và 5% thì các chỉ tiêu cơ tính lại có xu hướng giảm dần (bảng 3.1). Các mẫu quan sát được sau khi thiêu kết thấy rằng, mẫu có hàm lượng MgO càng cao thì khả năng thiêu kết giảm. Khi thiêu kết ở 1550oC thì q trình thiêu kết là chưa hồn tồn, do đó sản phẩm
tạo ra có khối lượng riêng nhỏ, độ xốp cao, các chỉ tiêu cơ tính cũng giảm đi. Như vậy, hàm lượng MgO chỉ nên cho vào 1% là đủ để không làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
Nhìn bảng 2.1 và 3.1 thấy rằng, các mẫu G9, G10, G11 có cùng thành phần MgO (1%), còn thành phần TiO2 tăng dần lần lượt là 3%, 4%, 5% thì các chỉ tiêu cơ lý thu được rất cao. Các chỉ tiêu cơ tính đạt được là cao hơn so với các mẫu nghiên cứu với cùng chế độ thiêu kết. Trong đó, có mẫu G10 là có chỉ tiêu cơ lý là cao nhất, đảm bảo khả năng chịu va đập cao. Như vậy, hàm lượng TiO2 bổ sung vào là 4% thì có chỉ tiêu cơ lý là cao nhất.
Để nghiên cứu rõ hơn về các tính chất đạt được của mẫu gốm oxit nhôm G10, mẫu sau khi thiêu kết được làm sạch rồi tiến hành xác định khối lượng riêng, đo độ cứng, độ bền uốn.... Kết quả thu được trình bày trong bảng 3.5 và bảng 3.6. Bảng 3.5. Một số tính chất của mẫu gốm G10 STT Khối lƣợng riêng , g/cm3 Độ xốp,% Độ hấp thụ nƣớc, % 1 3,79 3,31 0,89 2 3,78 3,30 0,88 3 3,80 3,32 0,90
Kết quả cho thấy, khối lượng riêng của mẫu gốm là 3,79, giữa các mẫu trong nhóm mẫu G10 có sự khác nhau khơng đáng kể, điều này cho thấy sự ổn định, đồng đều trong quá trình chế tạo là rất cao, mẫu gốm G10 có độ xốp thấp do đó độ xếp chặt của gốm là cao, cơ tính tốt. Khối lượng riêng này phù hợp với khối lượng riêng của gốm chứa hàm lượng nhôm oxit cao.
Bảng 3.6. Một số chỉ tiêu cơ tính của mẫu gốm G10
STT Tothiêu kết, oC Độ cứng HV10 Độ bền uốn, MPa
1 1550 1253 375
2 1550 1250 372
3 1550 1255 377
Kết quả đo độ cứng Vicker cho thấy độ cứng trung bình của gốm là 1253Hv10. Sự sai lệch của 3 mẫu trong nhóm mẫu G10 (cùng thành phần) là không đáng kể. Độ bền uốn giữa các mẫu không khác nhau nhiều, độ bền uốn khá cao. Như vậy, giá trị độ cứng, độ bền uốn đo được là rất cao và giá trị này hoàn toàn nằm trong giá trị độ cứng, độ bền uốn của gốm cao nhôm. Kết quả này cũng chứng minh cho sự chuyển hóa từ -Al2O3 thành corinđon như giản đồ phân tích nhiễu xạ Rơnghen trên hình 3.16 và 3.17.
Mẫu vật liệu được tiến hành xử lý sơ bộ bề mặt bằng giấy ráp loại C60, rửa sạch bề mặt, sấy khơ trong dịng khí nóng rồi tiến hành chụp ảnh SEM. Kết quả ảnh SEM của mẫu G3, G4, G10 được trình bày trên hình 3.18.
Hình 3.18 trình bày ảnh hiển vi điện tử quét của các mẫu gốm oxit nhôm chứa 3% TiO2 (mẫu G3) và mẫu gốm oxit nhôm chứa 1% MgO (mẫu G4) cho thấy, khi bổ sung nano TiO2 hay nano MgO thì mẫu gốm được thiêu kết tốt hơn, độ xếp chặt cao hơn và phù hợp với các nghiên cứu chỉ ra rằng khi tăng 1% TiO2 thì nhiệt độ thiêu kết giảm khoảng 100oC. Khi tăng hàm lượng nano TiO2 thì nhiệt độ thiêu kết giảm dần và tại nhiệt độ thiêu kết 1550oC thì mẫu G3 đã xảy ra thiêu kết hoàn toàn. Quan sát cho thấy kích thước hạt tăng nhanh khi tăng hàm lượng TiO2 nên không thể giảm nhiệt độ thiêu kết xuống thấp hơn nữa bằng cách cho thêm hàm lượng TiO2 kích cỡ nano và hàm lượng nano TiO2 tối ưu là khoảng 4% (mẫu G10). Đối với mẫu khi bổ sung thêm nano MgO thì bề mặt mẫu bằng phẳng, nhẵn mịn, hiện tượng rỗ giảm đi do độ chảy loãng của hỗn hợp tăng lên so với gốm oxit nhôm ban đầu. Khi bổ sung đồng thời nano TiO2 và
nano MgO (mẫu G10) thì sẽ phát huy được ưu điểm của cả TiO2 và MgO đồng thời khắc phục các nhược điểm của chúng. Kết quả cho thấy mẫu G10 có các chỉ tiêu kỹ thuật là cao nhất và phù hợp trong chế tạo gốm chống đạn.
Ảnh SEM của mẫu gốm G10 trình bày trên hình 3.18 cho thấy, sự ảnh hưởng rõ rệt của TiO2 và MgO đến tổ chức của gốm trên cơ sở oxit nhôm. Bề mặt mẫu là những pha rắn -Al2O3, MgAl2O4, Al3Ti được sắp xếp chặt sít với nhau tạo thành bề mặt tương đối phẳng với kích thước đồng đều từ 2 8m.
Nguyên nhân là do trong gốm có bổ sung hàm lượng nano MgO và TiO2 dẫn đến khi thiêu kết sẽ điền đầy các lỗ xốp, khả năng xen kẽ cao hơn so với mẫu không được bổ sung các nano vô cơ này.
c) Mẫu G10
Hình 3.17. Ảnh SEM của mẫu gốm cao nhôm G3, G4, G10
Khi bổ sung đồng thời TiO2 và MgO thì MgO sẽ khắc phục hiện tượng lớn lên của hạt so với khi chỉ bổ sung thành phần TiO2 (mẫu G1, G2, G3), đồng thời MgO có tác dụng tăng độ chảy loãng dẫn đến khả năng điền đầy các lỗ xốp sẽ tăng lên. Mặt khác TiO2 cịn có tác dụng làm hạ nhiệt độ thiêu kết của gốm oxit nhôm, tăng độ cứng của vật liệu.
Độ đồng đều và sự sắp xếp chặt khít này đã làm tăng khối lượng riêng và độ cứng của gốm lên rất nhiều. Điều này đã chứng minh cho kết quả khảo sát độ cứng của gốm rất cao đạt 1253 HV10, độ bền uốn 375 MPa và khối lượng riêng đạt 3,79 g/cm3. Gốm chế tạo được đều đạt và vượt các chỉ tiêu cần thiết của gốm nhôm chống đạn ứng dụng trong chế tạo sản phẩm chống đạn cấp cao.
KẾT LUẬN
Qua kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, luận văn rút ra một số kết luận sau:
1. Quy trình chế tạo gốm nhơm oxit như sau: áp lực ép 1100 kG/cm2, sấy ở 110oC trong 24 giờ rồi để nguội, nung từ nhiệt độ phòng đến 300oC với tốc độ