Chương 1: Giới thiệu chung về vật liệu Ceramic 3.1 Thế nào là vật liệu ceramics? Thế nào là vật liệu Silicate 1.1 Thuật ngữ CERAMIC? - Là vật liệu nung – vật liệu có tính chất đạt được nhờ quá trình xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao ( trên 1000oC ) - Có thành phần là vô cơ ( kim loại + phi kim) và thường 2 nguyên tố trở lên - Liên kết ion hay cộng hoá trị hoặc kết hợp cả 2 - Mức độ tinh thể: có độ kết tinh cao- tinh thể, bán tinh thể hoặc vô định hình Vd: thuỷ tinh - Vật liệu truyển thống nguyên liệu tự nhiên - Vật liệu đặc biệt Gốm, vật liệu tiên tiến, vật liệu kĩ thuật 1.2 Vật liệu gốm Silicate - Silicate là vật liệu mà trong thành có chứa Silic và Oxy 20 19-Feb-23 Chỉ một phân gốm sứ cổ điển thuộc vào phần silicate Nhóm silicate thuộc vật liệu ceramic nói chung là đi theo công nghệ nguyên liệu ban đầu – có thành phần vô cơ dạng bột nhờ có nhiệt độ cao mà kết khối 1.3 Thành phần và cấu trúc vật liệu của ceramic “ Thành phần cấu trúc quyết định tính chất của vật liệu “ a) Các dạng liên kết hoá học trong cấu trúc tinh thể Vật liệu rắn có cấu trúc tinh thể là các phần tử cấu tạo nên vật chất có thể là phân tử, nguyên tử, ion, hoặc nhóm chức các phần tử này liên kết với nhau tạo nên mạng lưới các mạng lưới sắp xếp có trật tự và tuần hoàn trong không gian Rắn vô dịnh hình, phi tinh thể các phần tử liên kết với nhau tạo thành mạng lưới mạng lưới sắp xếp ngẫu nhiên và không có trật tự. Liên kết cộng hoá trị và ion có năng lượng liên kết lớn đề thành thành liên kết cần cung cấp cho hệ năng lượng lớn và cao (gọi là nung) Bền hoá học – do kiểu liên kết dẫn đến tính chất cứng và giòn 20 Tính dẫn kém, khó gia công chế tạo Cách nhiệt và cách điện tốt 19-Feb-23 b) Sự sắp xếp của các phần tử Các cấu trúc tinh thể gốm ổn định hình thành khi các anion xung quanh một cation đều tiếp xúc với cation đó. Tinh thể phải trung hòa về điện. Bởi vì các nguyên tố kim loại nhường electron khi bị ion hóa, nên các cation thường nhỏ hơn các anion và do đó, tỷ lệ rc/ra nhỏ hơn 1.
c) Cấu trúc của Silicate ceramics Phần tử cấu tạo của vật liệu silicate là tứ diện [SiO4]4- với nhiều kiểu sắp xếp khác nhau đa dạng hợp chất silicate o cấu trúc tứ diện độc lập 1 số hợp chất có tứ diện [SiO4]4- đứng độc lập không có liên kết, đứng ở vị trí cố định có trật tự để tinh thể trung hoà về điện trong thành phần có ion dương, nằm ở vị trí cố định giúp trung hoà về điện đồng thời tạo thành liên kết hoá học với các tứ diện cấu trúc tứ diện độc lập o Cấu trúc tứ diện dạng chuỗi o Dạng băng – chuỗi kép o Dạng tấm – lớp ( mặt phẳng) o Dạng khung – tứ diện [SiO4]4- nối nhau bằng cách dùng chung O2- ở đỉnh tạo thành khung cấu trúc 20 19-Feb-23 d) Hình vẽ minh hoạ SiO2 ➤ Silica là tinh thể (thạch anh) hoặc vô định hình, như trong thủy tinh (silica nung chảy hoặc thủy tinh thể) Mạng 3D của SiO2 tứ diện trong cristobalit Nhiệt độ nóng chảy cao 1710 °C Thù hình là dạng cấu trúc khác nhau của một hợp chất có cùng công thức hoá học Đá thạch anh (SiO2) có màu trắng trong nhưng đôi khi thạch anh có màu tím bởi vì lẫn tạp chất tạo màu vào trong cấu trúc e) Sự khác biệt SiO2 dạng tinh thể và SiO2 dạng vô định hình 20 Tại sao cấu trúc là tứ diện [SiO4]4- nhưng trong hình chỉ có nguyên tử Si và 3 oxy Bởi vì trong lượt đồ 2D minh hoạ trên 1 mặt phẳng và 1 oxy nằm ở mặt phẳng khác 19-Feb-23 f) Khuyết tật trong chất rắn tinh thể Các phần tử cấu tạo được liên kết với nhau tạo thành mạng lưới các mạng lưới sắp xếp có trật tự tuần hoàn trong không gian vật liệu không có giới hạn Tinh thể trong tự nhiên luôn hữu hạn vì có khuyết tật ( ở biên giới, bề mặt) Chất rắn kết tinh không lý tưởng trong cấu trúc: Ở bất kỳ nhiệt độ nào, chúng chứa nhiều khiếm khuyết khác nhau được gọi là khuyết tật. Có nhiều loại khuyết tật cấu trúc khác nhau trong chất rắn kết tinh thường được phân thành ba nhóm: khuyết tật điểm, Khuyết tật đường khuyết tật mặt phẳng. Khiếm tật Frenkel: mất một nguyên tử hay một ion nhỏ tạo ra vị trí trống trong cấu túc mạng tinh thể các nguyên tử hay ion này sau đó chiếm một vị trí xen kẽ. Khuyết tật Schottky: là một cặp khuyết anion và cation Khuyết tật dạng tạp chất Vd FeO có dạng Fe2+ sẽ có lẫn Fe3+ lưu ý trong tinh thể phải trung hoà về điện khi Fe3+ thay thế Fe2+ thì trong mạng tinh thể sẽ thiếu vị trí Fe2+ để đảm bảo điện tích Việc cấu trúc không lý tưởng có khuyết tật và lẫn tạp chất là tốt hay xấu? o làm thay đổi tính chất vật liệu độ cứng cao hơn, độ dẫn điện cao hơn Ảnh hưởng đến chất lượng vật liệu o Thay đổi độ bền hoá Về mặt công nghệ, khuyết tật ảnh hưởng đến kĩ thuật và việc chế tạo vì khi có khuyết tật dẫn đến chênh lệch thế hoá, tạo ra lỗ trỗng sẽ tạo ra việc khuếch tán Tại sao khi sản xuất ceramic thường dùng nguyên liệu dạng bột mịn? Vì 20 nghiền mịn tạo ra nhiều bề mặt trên bề mặt có nhiều khuyết tật tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, tăng khuyết tật trên vật liệu dễ phản ứng, dễ kết khối.
Sự hiện diện của các khuyết tật cho phép dòng khuếch tán diễn ra nếu cung cấp thêm năng lượng nhiệt giúp chuyển động dễ dàng xảy ra vật liệu dễ kết khối 19-Feb-23 Tại sao vật liệu ở dạng bột khi nung ở nhiệt độ cao thì có thể kết khối rắn chắc? Cơ chế chuyển dời vật chất trong vật liệu (quá trình kết khối) Firing – cung cấp nhiệt để cho vật liệu rắn chắc lại Sintering- quá trình biến đổi vật liệu từ dạng hạt rời ban đầu chỉ liên kết cơ học tạo thành cầu nối và các phản ứng hoá học liên kết với nhau Mô hình gồm nhiều hạt Giai đoạn 1: các hạt bắt đầu tiếp xúc với nhau Giai đoạn 2: nung lên cao đến một mức độ hình thành cầu nối 20 Giai đoạn 3: các hạt bắt đầu kết khối, lực hút làm vật liệu co rút lại, lỗ trống giảm Giai đoạn 4: vật liệu gần như đặc chất, nhưng vẫn còn biên giới hạt Lưu ý: Khi vật liệu có tổ chức cấu trúc càng thô ( càng nhiều hạt thành 1 khối) đường biên càng ít dễ dàng phá vỡ trên đường biên – càng nứt dễ bị nứt liên tục 19-Feb-23 1.4 Tính chất vật liệu ceramics • Nhiệt độ nóng chảy cao (1710oC ) • Kháng hóa chất • Độ dẫn điện kém (nói chung là chất cách điện và nhiệt) • Modul đàn hồi cao • Độ cứng cao, cường độ nén cao • Độ giòn, hầu như không có độ dẻo vì có thể gây ra các vấn đề trong cả quá trình gia công và tính năng của các sản phẩm gốm sứ • Có thể mờ đục, bán trong suốt hoặc trong suốt về mặt quang học • Gốm về cơ bản chịu nén tốt hơn là khi chịu kéo • Một số trường hợp ngoại lệ: gốm áp điện, nhiệt độ chuyển thủy tinh, gốm siêu dẫn, v. b) Các thông số trạng thái • Mật độ: gốm sứ nhẹ hơn kim loại và nặng hơn polyme • Nhiệt độ nóng chảy: cao hơn hầu hết các kim loại Một số đồ gốm phân hủy chứ không tan chảy • Độ dẫn điện và dẫn nhiệt: thấp hơn so với kim loại; nhưng phạm vi giá trị lớn hơn, vì vậy một số gốm sứ là chất cách điện trong khi những loại khác là chất dẫn điện • Giãn nở nhiệt - ít hơn một chút so với kim loại, nhưng tác động gây hại nhiều hơn do giòn c) Về độ bền vật liệu ceramics Về mặt lý thuyết, độ bền của gốm phải cao hơn kim loại vì các loại liên kết cộng hóa trị và ion của chúng mạnh hơn liên kết kim loại Trong thực tế vật liệu ceramics kém hơn vì ceramics có tính chất giòn lại có các khuyết tật • Liên kết trong ceramics cứng hơn và không cho phép trượt dưới áp lực • Không có khả năng trượt khiến gốm sứ khó hấp thụ ứng suất hơn nhiều 20 19-Feb-23 1.2 Sự khuyết tật trong cấu trúc và độ bền Gốm sứ chứa những khiếm khuyết trong cấu trúc tinh thể giống như kim loại – lỗ xốp, lỗ trống ô mạng, chuyển vị của các nguyên tử và vết nứt tế vi Các khuyết tật bên trong có xu hướng tập trung ứng suất, đặc biệt là ứng suất kéo, uốn hoặc va đập • Do đó, gốm sứ dễ bị gãy giòn hơn nhiều so với kim loại • Hiệu suất khó dự đoán hơn nhiều do sự không hoàn hảo ngẫu nhiên và các biến thể xử lý Sự ảnh hưởng của độ xốp đến độ bền: Độ bền giảm theo giá trị độ xốp ( theo hàm số mũ) Các số liệu dao động lớn vì ceramics rất nhạy với khuyết tật có trong vật liệu Cách để gia tăng độ bền vật liệu gốm: • Làm cho nguyên liệu ban đầu đồng đều hơn •Giảm kích thước hạt trong các sản phẩm gốm đa tinh thể • Giảm thiểu độ xốp • Tạo ra vật liệu có bề mặt chịu ứng suất nén • Sử dụng cốt sợi • Xử lý nhiệt 20 19-Feb-23 Chương 2: Công nghệ sản xuất ceramics 2.1 Gốm sứ truyền thống - Đồ đất nung (earrthenware) v. chậu cây - Đồ sứ (porcelain) v. cốc cà phê, đĩa, bát - Bone china – xứ xương, có sử dụng tro xương động vật vd đồ dùng để bàn, đồ lưu niệm 20 19-Feb-23 2.2 Đất nung- earthware Đất nung (Sản phẩm đất sét kết cấu) Nhiệt độ nung: 1000-1180 ̊ C.
Nhiệt độ nung thấp! Khá xốp, cảm giác nhẹ hơn Được tìm thấy trên khắp thế giới Có thể có màu xám, trắng, đỏ, cam, da bò, vàng và/hoặc nâu Đất sét đỏ chứa oxit sắt, tạo màu cho đất sét và giữ nhiệt độ nung thấp. Thường được dùng để làm chậu hoa, gạch, ngói, v.