a) tinh thể thạch anh (SiO2); b) thủy tinh thạch anh (SiO2); c) thủy tinh natrisilicat (N2O–SiO2)
Trạng thái vơ định hình thu được bằng cách nguội nhanh một hợp chất vơ cơ từ trạng thái lỏng nóng chảy. Có một sốnguyên tốvà hợp chất có khuynh hướng tồn tại ở trạng thái vơ định hình (ví dụ: S, SiO2,B2O3, P2O5,…). Các chất này có đặc điểm chung là có cấu trúc mạng lưới chặt chẽ, mức độliên kết nội tại cao mà biểu hiện là có độnhớt cao khiởtrạng thái nóng chảy. Chính điều này đã gây trởngại cho việc dịch chuyển, sắp xếp nguyên tử đểtạo ra mầm cho sựkết tinh. Cho nên khi hỗn hợp nóng chảy này được làm lạnh đến nhiệt độ khơng khí, q trình kết tinh sẽkhơng xảy ra, mà trạng thái sẽchuyển thành chất lỏng quá nguội và đông cứng lại thành chất rắn thủy tinh.
Bằng cách làm nguội nhanh cũng có thể nhận được trạng thái vơ định hình của nhiều hợp chất vơ cơ nóng chảy có độnhớt khơng cao lắm.
Khác biệt với vật liệu tinh thể, các vật liệu ở trạng thái vơ định hình thủy tinh thay đổi tính chất đều đặn theo nhiệt độ, khơng có điểm đột biến khi chuyển trạng thái. Như vậy, thủy tinh khơng có nhiệt độ nóng chảy xác định như vật liệu tinh thể, nó chuyển trạng thái từtừtrong một khoảng nhiệt độ.
4.1.3. Vật liệu đa pha và đa tinh thể
thủy tinh, gốm đơn oxyt, phần lớn vật liệu vô cơlà vật liệu đa pha.
Trong vật liệu vơ cơ đa pha, pha chính là các pha tinh thể, được liên kết với nhau bởi pha vơ định hình (ví dụ, sứ, gốm chịu lửa, gốm thủy tinh,…) ngồi ra cịn ln có pha khí dưới dạng các bọt khí xen lẫn. Pha khí tồn tại trong vật liệu có trường hợp do điều kiện cơng nghệ khơng thể tránh được, cũng có trường hợp do chủ động đưa vào có mục đích (ví dụ, gốm xốp, thủy tinh xốp, bêtông xốp làm vật liệu nhẹ, cách nhiệt).
Do điều kiện công nghệ quy định, vật liệu vơ cơ tình thểkhơng có cấu trúc đơn tinh thể mà đều là vật liệu đa tinh thể, tức nó được tạo bởi vơ số các hạt tinh thểkích thước nhỏ, phân bốkhơng có quy luật trong vật liệu. Các hạt tinh thểnày hoặc có cùng thành phần hóa học hoặc có thành phần hóa học khác nhau. Các hạt tinh thểtrong vật liệu vơ cơ thường có cấu trúc khơng hồn chỉnh, chứa nhiều khuyết tật.
Tổchức đa pha cũng thểhiện rõởvật liệu compozit là vật liệu được tạo thành do kết hợp hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau nhằm phát huy các ưu điểm, hạn chế nhược điểm của từng loại vật liệu thành phần (ví dụ, compozit sợi thủy tinh– xi măng, sợi thủy tinh-polyme).[2]
4.2. Tính chất cơ học
Do bản chất hóa học và cấu trúc quy định, vật liệu vơ cơ có các tính chất chung đặc trưng là: bền hóa học cao, bền nhiệt cao, cách nhiệt tốt và một số vật liệu có các tính chất quang học đặc biệt. Đây là đặc điểm chủyếu vềtính chất của vật liệu vơ cơ, là cơ sở chính đểlựa chọn, sửdụng đối với phần lớn vật liệu vô cơ.
Nhưng mặt khác, cũng do cấu trúc quy định, vật liệu vơ cơ nhìn chung cóđộ bền cơ học thấp hơn so với vật liệu kim loại và có những đặc điểm riêng cần chú ý khi chế tạo và sửdụng vật liệu.
Trong phạm vi này, chúng ta chỉ xem xét một số đặc điểm về cơ tính và nhiệt tính của vật liệu vơ cơ.
a. Tính đàn hồi và tính giịn
Vật liệu vơ cơ là vật liệu đàn hồi điển hình.Ởnhiệt độ thường dưới tác dụng của tải trọng, mối quan hệgiữaứng suất hình thành trong vật liệu (σ) và độ biến dạng (ɛ) của mẫu hoàn toàn tuân theo định luật Hooke:σ= E.ɛ, E làmô đun đàn hồi.
Ta nhận thấy rằng ở trên giới hạn đàn hồi, vật liệu vô cơ bị phá hủy ngay mà khơng có biến dạng dẻo như kim loại. Đó là đặc trưng của tính giịn.
Chính đặc điểm liên kết nguyên tử với các góc liên kết xác định và lực liên kết lớn, cấu tạo mạng tinh thể phức tạp là những nguyên nhân tạo nên tính giịn của vật liệu vô cơ.
b. Độbền cơ học
Để đánh giá độ bền của vật liệu theo độ bền liên kết nguyên tử, người ta đưa ra khái niệm độ bền lý thuyết. Độbền lý thuyết của vật liệu σlt được xác định theo cơng
thức Orowan:σlt= (2E.γ/ a)1/2
Trong đó E là mơ đun đàn hồi, γ là năng lượng bề mặt riêng, a là khoảng cách ngun tử.
Ví dụ,σltcủa gốm corinđơng thiêu kết 50.103MPa, của thủy tinh silicat 8.103MPa. Độbền thực tếcủa vật liệu vơ cơ thường có giá trị thấp hơn nhiều so với giá trị lý thuyết. Ví dụ, độbền thực tếcủa thủy tinh chỉ bằng khoảng 1/100 độbền lý thuyết.
Nguyên nhân chính làm giảm độ bền cơ học của vật liệu vô cơ là sự có mặt của các vết nứt tế vi với chiều dài trong khoảng 10-3 đến 100 µm. Theo Griffith-Orawan, do tồn tại các vết nứt tếvi khi vật liệu chịu tải trọng kéo với ứng suất σo thì tại đỉnh của vết nứt có sẵn sẽxuất hiệnứng suất σ, được xác định như sau: σ= 2σo(l/r)1/2, trong đól là chiều dài của vết nứt, r là bán kính cong tại đỉnh vết nứt.
Như vậy, cùng một tải trọng tác dụng, ứng suất σ sẽ càng lớn khi chiều dài vết nứt càng lớn và bán kính cong tại đỉnh vết nứt càng nhỏ. Khiứng suất này vượt quá độ bền lý thuyết, vết nứt sẽlan rộng và phá hủy vật liệu.
Cũng do cơ chếphá hủy trên, vật liệu vơ cơ ln có độbền nén cao hơn nhiều lần so với độbền kéo (khoảng 10 lần đối với vật liệu thủy tinh).
Để đánh giá độbền cơ học của vật liệu giòn người ta sửdụng độdai phá hủy KIC, được xác định bởi biểu thức sau: KIC= gσ(π.l)1/2, MPa.m1/2
Trong đóg là hệsốhình dạng (của vật liệu và vết nứt),σ làứng suất phá hủy, l là chiều dài vết nứt.
Như vậy yếu tố ảnh hưởng quyết định đến cơ tính của vật liệu vô cơ không phải năng lượng liên kết ngun tửcấu tạo nên nó, mà là tình trạng khuyết tật trong và trên bề mặt vật liệu. Khi số lượng vết nứt tế vi tăng, kích thước vết nứt tăng thì cơ tính giảm mạnh.
Ở các vật liệu vơ cơ tinh thể, kích thước của các hạt tinh thểcấu tạo nên vật liệu có ảnh hưởng tới cơ tính của vật liệu. Khi kích thước hạt càng giảm thì bề mặt ranh giới giữa các hạt tăng lên, sẽ có tác dụng ngăn chặn hoặc làm thay đổi hướng lan truyền vết nứt, do vậy độbền cơ học của vật liệu tăng lên (định luật Hall-Petch).
Khi hàm lượng các bọt khí trong vật liệu tăng thì độ bền giảm khơng chỉ do diện tích chịu lực giảm, mà cịn do tại các rỗ khí thường tập trung tạp chất và ứng suất. Hình dạng bọt khí cũng ảnh hưởng tới cơ tính. Các bọt khí dài làm giảm độbền mạnh hơn các bọt khí trịn.[2]
4.3. Các loại vật liệu vô cơ và ứng dụng
4.3.1. Gốm và vật liệu chịu lửa
a. Gốm
Là vật liệu vô cơ được chế tạo bằng cách dùng nguyên liệu ở dạng hạt (bột) ép thành hình và thiêu kết để tạo thành sản phẩm (luyện kim bột). Sau khi thiêu kết vật
liệu ceramic đã có ngay các cơ lý hóa tính cần thiết.
Nhiệt độ nung gạch 9000C, sứ 14000C, tạo từ các nguyên liệu tự nhiên: kaolinit Al2O3.2SO2.2H2O.
Cấu trúc gồm các pha tinh thểliên kết bằng pha vơ định hình tỷlệ vơ định hình trong gạch ngói 20-40%, trong sứ 50-60%, Al2O3 1%. Bọt khí trong gạch ngói 10 – 50%, trong sứ5%.
Phân loại
Gốm silicat (gốm truyền thống) có màu xỉn do chứa oxyt sắt, chế tạo từ silicat thiên nhiên như đất sét, cao lanh (gạch ngói, sứ vệ sinh, ấm chén bát đĩa đồ sứ gia đình) sứ cách điện ... chếtạo bằng công nghệgốm thô hoặc công nghệgốm tinh.
Gốm oxyt gốm tạo từ một loại oxyt Al2O3, TiO2... hoặc một oxit phức: MgO.Al2O3, BaO.TiO2 (khác gốm silicat tinh khiết cao nên tỷlệpha tinh thểcao) chế tạo bằng sản phẩm chất lượng cao, và các tính chất điện từ đặc biệt, chế tạo theo công nghệgốm tinh.
Gốm Al2O3 chếtạo phễu sợi máy dệt, chi tiết máy dệt, điện tử, y tế, bột mài. Gốm TiO2 làm tụ điện hằng số điện môi lớn tổn thất điện mơi nhỏ
Gốm hệPb.TiO2 –PbO.ZrO2 có pha thêm MgO, NiO, ZnO... gọi tắt là gốm PTZ cải thiện các tính chất điện mơi ngày càng được dùng nhiều trong kỹthuật điện.
b. Vật liệu chịu lửa
Vật liệu chịu lửa là loại vật liệu chịu được ở nhiệt độ lớn hơn 15200C, sản xuất bằng công nghệgốm thô dùng trong ngành luyện kim, hóa học, gốm... lị nhiệt độcao.
Vật liệu chịu lửa gồm các loại sau:
+ Gạch đinát dùng để xây lò cốc, lò thủy tinh vùng nung lò tuynen cấu tạo từ nguyên liệu thiên nhiên: cát thạch anh, quarzit sa thạch.
+ Gạch samot dùng đểxây lị gốm xứ, xi măng, lị khí, lị luyện kim.
4.3.2. Thủy tinh và gốm thủy tinh
a. Thủy tinh
Thủy tinh vô cơ là vật liệu nhận được bằng cách làm nguội một hợp chất vô cơ từ trạng thái nóng chảy hồn tồn ở nhiệt độ cao đến trạng thái rắn khơng kết tinh. Như vậy thủy tinh có cấu trúc vơ định hình, là vật liệu một pha đồng nhất.
Nguyên liệu chế tạo thủy tinh là cát trắng SiO2, sô đa Na2CO3, đá vôi CaCO3 tràng thạch (K,Na)AlSi3O8, đôlômit CaCO3.MgCO3... Phối liệu được nấu chảyở nhiệt độ 1400-15000C, thỷ tinh ở trạng thái mềm 1000-12000C kéo tấm, kéo ống, kéo sợi, cán, ép, dập, thổi...sau đó ủ khử ứng suất tránh bị nứt vỡ ởnhiệt độ 500-6000C. Trong một số trường hợp sản phẩm sau khi ủ được tiếp tục gia cơngởtrạng thái rắn như mài, đánh bóng,...
chịu nhiệt tương đối cao, cách điện tốt,... nên được sử dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau.
b. Gốm thủy tinh
Gốm thủy tinh là nhóm vật liệu tương đối mới, có tên gọi chưa thống nhất: glass ceramics, stiall, piroceram... Gốm thủy tinh có tổ chức kết hợp giữa vơ định hình và tinh thể, bao gồm một hoặc vài pha tinh thểphân bốtrên nền pha vơ định hình.
Về nguyên tắc gốm thủy tinh có tổ chức giống vật liệu gốm tinh, có thành phần tương tự như thủy tinh.
Tính chất của gốm thủy tinh là do pha tinh thể khác nhau với tỷ lệ, kích thước hình dạng và sựphân bốkhác nhau quyết định như: khơng giãn nởnhiệt, có độ bền cơ học cao và chịu mài mịn cao, dễ tạo hình bằng gia cơng cơ khí, có tính chất điện từ đặc biệt, có tính sinh học (dễcấy ghép vào tế bào xương, cơ của cơ thểsống).
4.3.3. Xi măng và bê tông
a. Xi măng
Xi măng là chất kết dính thủy lực do khi tác dụng với nước tạo ra các hợp chất có tính dính kết, các hợp chất này đóng rắn trong nước và các sản phẩm đóng rắn bền trong nước. Các loại xi măng gồm có:
-Xi măng pooclăngdựa trên cơ sởCaO–SiO2chứa thêm Al2O3.Fe2O3 -Xi măng alumin trên cơ sởCaO–Al2O3 có chứa thêm SiO2.Fe2O3
-Xi măng xỉlị cao giống xi măng pooc lăng nhưng có thêm thạch cao hay vơi.
Trong các loại trên thì xi măng pooclăng là loại thơng dụng nhất. Quá trình sản xuất xi măng pooclăng như sau:
- Nguyên liệu gồm đá vôi, đất sét (cung cấp Al2O3) và quặng sắt (cung cấp Fe2O3) theo tỷlệ quy định được nghiền mịn và trộn đều.
- Phối liệu được nung luyện trong lò quay ở nhiệt độ 1400 – 15000C để tạo ra các khoáng chất như 3CaO.SiO2, 2CaO.SiO2, 3CaO.Al2O3 và 4CaO.Fe2O3 sản phẩm này được gọi là clinke.
- Nghiền mịn clinke đến cỡ hạt 0,5 - 50μm thành dạng bột gọi là xi măng. Trong quá trình nghiền clinke thường cho thêm các chất phụ gia để điều chỉnh một vài tính chất của xi măng (ví dụ thêm thạch cao để điều chỉnh độ đơng kết của xi măng).
Khi hịa tan xi măng với nước sẽbị hydrat hóa theo các phảnứng sau đây: 2(3CaO.SiO2) + 6H2O→ 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2
2(2CaO.SiO2) + 6H2O→ 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2
Nếu xi măng có độmịn đạt yêu cầu và được trộn đủ nước thì q trình hydrat hóa xảy ra hồn tồn. Nếu thiếu nước một phần xi măng không được phảnứng. Nếu thừa nước sẽtạo ra các lỗ, kênh chứa nước làm cho vữa linh động dễ thao tác nhưng độbền sau khi đơng kết sẽ bị giảm. Sau q trình hydrat hóa là giai đoạn kết tinh tạo ra các
tinh thể hydrat với kích thước 1 - 10μm làm cho khối xi măng trở nên vững chắc và chịu được tải trọng yêu cầu.
Hình 4.4.Sơ đồ mơ tảq trình hydrat hóa vàđơng đặc của vữa xi măng
Để đánh giá độ bền cơ học của xi măng ta dùng chỉ tiêu mác xi măng được quy định là giới hạn bền nén của mẫu của hỗn hợp xi măng –cát theo tỷlệ 1/3 bảo dưỡng 28 ngày trong điều kiện quy định. Theo TCVN 2682 – 1992 PC30 là xi măng pooclăng có giới hạn bền nén là 30Mpa
b. Bê tông
Bê tông được chếtạo từhỗn hợp các vật liệu silicat với kích thước hạt khác nhau (ví dụ: sỏi hay đá dặm cỡ 1-4cm, cát vàng cỡ hạt 0,1 -0,2mm, xi măng cỡ hạt 0,5- 50μm. Đểtạo ra mật độ cao cho bê tông: hạt cát điền đầy vào chỗtrống giữa các viên sỏi, đá dăm, còn các hạt xi măng sẽ chen vào khoảng trống giữa các hạt cát. Ngoài ra bề mặt của các hạt cát, sỏi, đá dăm sẽ xúc tiến tạo mầm ký sinh cho quá trình kết tinh của các hợp chất hydrat của xi măng.
Cốt liệu của bê tông thường sử dụng là cát, sỏi, đá vôi, đát granit (khối lượng riêng cỡ 3g/cm3. Đểchếtạo bê tông nhẹcốt liệu phải là loại xốp, khối lượng riêng nhỏ (khoảng 1g/cm3) như xỉ lò cao, đá xốp thiên nhiên hay dùng phụ gia tạo ra bọt khí trong q trình đóng rắn. Cơ tính của bê tơng tương tự như ceramic là có độ bền nén cao, độ bền kéo thấp. Giới hạn bền nén của bê tông thuộc vào tỷ lệ hỗn hợp, bảo dưỡng... dao động từ5- 60Mpa, còn giới hạn bền kéo chỉbằng từ1/8 -1/10 bền nén.
c. Bê tơng cốt thép
Ta bốtrí thêm cốt thép theo quy luật nhất định (thanh, dây, lưới...) trong bê tông tươi sẽtạo ra bê tông cốt thép. Cốt thép trong khối bê tông làm cho kết cấu chịu kéo, nén và uốn tốt hơn. Nếu có hiện tượng nứt trong bê tơng thì sựphát triển của vết nuets cũng bị cốt ngăn cản. Sở dĩ thép được dùng làm cốt trong bê tơng vì ngồiđộbền kéo cao, độ dẻo lớn, thép có hệ số nở nhiệt gần giống bê tông, ăn mịn chậm trong mơi trường bê tơng và dính kết tương đối chắc với bê tơng. Nếu bề mặt thép có gân (thép vằn) sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc và có khả năng khóa hãm.
Để tăng khả năng chịu nén cho bê tông tạo ra ứng suất nén dư dọc theo chiều cốt thép chịu lực chính và gọi là bê tơng ứng suất trước (bê tông ứng lực trước). Phương
pháp này dựa vào đặc điểm của vật liệu giòn là chịu nén tốt hơn chịu kéo và do vậy khi làm việc ứng suất kéo tác dụng vượt quá ứng suất nén dư thì khối bê tơng mới bị phá hủy. Có hai cách tạo bê tơngứng suất trước:
Cách 1, dây thép có độ bền cao được đặt vào khuôn rỗng, được kéo với lực kéo lớn và giữ căng. Sau khi đổ bê tông vào khuôn và đông cứng mới bỏ lực kéo ra. Lúc này do biến dạng đàn hồi bị mất đi dây thép bị co lại gây cho cấu kiện bê tông ứng suất nén doứng suất được truyền tải tới bê tông thông liên kết bê tông dây thép.
Cách 2, dây thép được luồn qua cácống bằng kim loại hay cao su đã có sẵn trong bê tông đãđông cứng và được kéo căng đặt vào hai mặt đối diện của kết cấu, làm cho cấu kiệnở trạng thái nén. Sau đó đổ vào vữa bê tơng vào các lỗbao kín dây thép. Khi