Nhận thấy, khi sử dụng chất chống dính hệ H3 cần áp lực tháo khn khá thấp khoảng 120 kG/cm2, cịn khi sử dụng chất chống dính H1 và H3 cần áp lực tháo khn cao hơn 400 ÷ 500 kG/cm2. Điều này được giải thích là do vật liệu nano oxit nhơm có kích thước nhỏ mịn nên tạo thành các ống mao dẫn hút nước vào bề mặt phơi mộc. Do đó, với chất chống dính hệ nước H1, H2 bề mặt gốm tiếp xúc với lịng khn có độ ẩm cao hơn tăng kết dính với lịng khn và chày ép.
3.2.3. Ảnh hưởng của chất chống dính đến chất lượng bề mặt phơi gốm
Sau khi ép các mẫu sử dụng 03 hệ chống dính. Quan sát bề mặt phôi gốm nhận thấy: các mẫu sử dụng chất chống dính H3 khơng có hiện tượng dính liệu vào lịng khn và mặt chày ép. Cịn các mẫu sử dụng chất chống dính H1, H2 có tỷ lệ phơi dính khn cao hơn. Vị trí dính khn tập trung chủ yếu ở bề mặt chày ép. Cá biệt, có những mẫu sử dụng chất chống dính hệ H1 khơng tách được phôi ra khỏi khuôn. Hiện tượng này phù hợp với kết quả lực ép cần thiết khi tháo khn.
Q trình dính liệu và tăng áp lực tháo khn cịn gây nguy cơ nứt, vỡ sản phẩm mộc. Do vậy làm tăng phế phẩm sau quá trình sấy và nung thiêu kết.
3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của chế độ gia công đến chất lƣợng gốm oxit nhơm
Tiến hành ép các mẫu có cùng khối lượng, cùng chất keo kết dính trong khn kim loại như mẫu G10 nhưng với các chế độ ép (áp lực, thời gian ép) khác nhau. Sau đó tiến hành xác định các chỉ tiêu cơ lý của phôi gốm. Từ đó đánh giá được ảnh hưởng của chế độ gia công đến chất lượng sản phẩm và định hướng về mặt công nghệ chế tạo gốm nano oxit nhôm chất lượng cao để chống đạn.
3.3.1. Ảnh hưởng của áp lực ép đến tỷ trọng của gốm cao nhơm
Kết quả hình 3.3 cho thấy, với các hệ vật liệu khác nhau thì khi tăng áp lực ép đều làm tăng tỷ trọng của mẫu. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng áp lực ép thì tỷ trọng của mẫu hầu như không thay đổi hoặc tăng không đáng kể. Sự thay đổi tỷ trọng có thể được giải thích dựa trên ngun lý áp lực ép tăng làm giảm độ xốp của vật liệu, đồng thời làm tăng liên kết giữa các hạt liệu rời rạc. Mặt khác, với vật liệu bột nói chung vật liệu oxit nhơm nói riêng khi ép khơng thể loại bỏ được hồn toàn lỗ xốp và mức độ giảm thiểu đến giới hạn nhất định thì cho dù có tăng áp lực ép cũng khơng thể làm tỷ trọng của vật liệu tăng lên đáng kể.
Hình 3.3. Ảnh hưởng của áp lực ép đến tỷ trọng của mẫu gốm oxit nhôm
Do đó, với áp lực ép duy trì từ 1100 ÷ 1200 kG/cm2 là đảm bảo được công nghệ tạo hình và chất lượng của gốm oxit nhơm. Điều này phù hợp với những kết quả nghiên cứu trên các hệ vật liệu khác của một số tác giả trong và ngoài nước.
3.3.2. Ảnh hưởng của áp lực ép đến độ cứng của gốm cao nhơm
Hình 3.4. Ảnh hưởng của áp lực ép đến độ cứng HV của mẫu gốm oxit nhôm
Khi tăng áp lực ép, vật liệu trở lên sít chặt hơn nên độ cứng của mẫu sau thiêu kết cũng tăng. Tuy nhiên, khi áp lực ép đạt 1100 ÷ 1200 kG/cm2 thì độ
cứng của mẫu thay đổi rất nhỏ. Trên đồ thị hình 3.4 cũng nhận thấy, khi thành phần phối liệu của mẫu có hàm lượng oxit nhơm cao thì cho độ cứng cao hơn. Do đó, trong chế tạo gốm oxit nhôm chống đạn để đảm bảo độ cứng của sản phẩm nên duy trì áp lực ép trong khoảng 1100 ÷ 1200 kG/cm2.
3.3.3. Ảnh hưởng của lực ép đến cấu trúc bề mặt của gốm oxit nhôm
Tiến hành chụp ảnh SEM bề mặt mẫu gốm ở các áp lực ép khác nhau, sau đó xác định kích thước trung bình của lỗ xốp trên bề mặt. Hình 3.5 là ảnh chụp SEM bề mặt của mẫu gốm với thành phần như mẫu G10 nhưng lực ép khác nhau.
P = 600 kG/cm2 P = 800 kG/cm2
P = 1000 kG/cm2 P = 1200 kG/cm2
Hình 3.5. Ảnh SEM bề mặt mẫu gốm cao nhơm với lực ép khác nhau
Tiến hành chụp ảnh SEM ở các chế độ khác nhau. Thu được kết quả thay đổi kích thước lỗ xốp trên bề mặt theo đồ thị hình 3.6.
Hình 3.6. Kích thước lỗ xốp bề mặt của các mẫu ở các chế độ ép khác nhau
Khi tăng lực ép thì kích thước lỗ xốp trên bề mặt giảm, giảm mạnh nhất khi tăng lực ép từ 600 kG/cm2 tới 800 kG/cm2, sau đó tiếp tục giảm khi áp lực ép đạt 1000 kG/cm2 và hầu như khơng thay đổi khi áp lực ép đạt 1100 ÷ 1200 kG/cm2. Sự thay đổi kích thước lỗ xốp này cũng phù hợp với kết quả thay đổi về độ cứng và tỷ trọng của mẫu đã nghiên cứu ở trên.
Kích thước lỗ xốp của các mẫu khác nhau nguyên nhân là do kích thước và tỷ lệ phối trộn thành phần liệu đầu vào khác nhau. Do vậy, kích thước lỗ xốp cịn phụ thuộc rất lớn vào nguyên vật liệu ban đầu. Thành phần phối liệu của mẫu 4 có kích thước hạt Al2O3 nhỏ mịn, các thành phần tăng bền, giảm nhiệt độ thiêu kết có kích thước nano, do đó lỗ xốp trên bề mặt mẫu sẽ nhỏ. Điều này phù hợp với kết quả nghiên cứu được thể hiện trên hình 3.6.
3.4. Ảnh hƣởng của nhiệt độ sấy đến chất lƣợng phôi gốm
Để nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sấy mẫu, nhóm nghiên cứu quyết định lấy mẫu G10 làm chuẩn, các chỉ tiêu công nghệ như sau: lực ép là 1100 kG/cm2, keo PVA 5%, thành phần như mẫu G10 nhưng thay đổi các chế độ sấy là 90, 100, 110, 115 và 120oC trong 24h tương ứng với mẫu T1, T2, t3, T4 và T5.
Ở chế độ nhiệt HR2/HH3, khi sấy ở nhiệt độ cao thời gian sấy sẽ dài, đồng thời khả năng thốt hơi ẩm trong phơi gốm tốt hơn do tính chất đối lưu của khí và hơi ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ sấy ở các chế độ T3, T4, T5 thì độ ẩm cịn lại trong phơi gốm gần như không thay đổi. Với giá trị độ ẩm ≈ 0,15% là phù hợp cho quá trình nung thiêu kết sản phẩm về sau.
Hình 3.7. Độ ẩm cịn lại của phôi gốm sau các chế độ sấy
Ở nhiệt độ sấy T1 và T2, thời gian sấy ngắn hơn, nhiệt độ thấp hơn do vậy hơi ẩm thốt ra ngồi ít hơn. Kết quả độ ẩm trong phơi cao, không đáp ứng được yêu cầu cho việc nung thiêu kết sản phẩm.
b. Chất lượng bề mặt của các mẫu sau sấy
Bề mặt phôi gốm bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ sấy. Thực nghiệm nhận thấy, các mẫu gốm sấy ở chế độ nhiệt T4 và T5 cho chất lượng bề mặt rất xấu: xuất hiện vết nứt, vết tách, bong tróc vật liệu bề mặt. Còn các mẫu sấy ở chế độ nhiệt T1, T2, T3 hầu như không xuất hiện phế phẩm bề mặt.
Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng này là q trình thốt hơi nước ở nhiệt độ 115 ÷ 120oC kèm theo hiện tượng sơi. Khi đó xuất hiện ứng suất bên trong làm nứt, tách phơi và bong tróc vật liệu ở bề mặt.
c. Tỷ trọng của phôi gốm sau sấy
Nhận thấy tỷ trọng của các mẫu sấy ở nhiệt độ cao T3, T4, T5 cho giá trị cao hơn những mẫu sấy ở nhiệt độ thấp T1 và T2. Do vậy, chất lượng các mẫu
sấy theo chế độ nhiệt T3, T4, T5 đạt yêu cầu về tỷ trọng để chế tạo gốm oxit nhôm chất lượng cao.
Hình 3.8. Tỷ trọng của phơi gốm sau sấy ở các nhiệt độ khác nhau
Căn cứ vào những kết quả ở trên, chế độ xử lý nhiệt T3 là 110oC trong 24h là phù hợp cho gia công sấy chi tiết phôi gốm oxit nhôm chất lượng cao.
3.5. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến chất lƣợng phôi gốm
Căn cứ vào kết quả trên, nhiệm vụ lựa chọn chế độ nung HR2/HH3 để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung theo bảng 3.2 đến chất lượng phôi gốm.
Bảng 3.2. Nhiệt độ nung phôi gốm theo chế độ HR2/HH3
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 cịn 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 vơ 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 nhơm khi khơng 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 công nghệ chế tạo.
Ảnh SEM (hình 3.12) bề mặt mẫu gốm khi khơng có các thành phần nano vô 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 nhơm 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 nhơm 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 nhôm.
Kết quả giản đồ hình 3.15 cho thấy, nền gốm vẫn là -Al2O3 với các vị trí pic trùng khớp hồn tồn 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