MỞ ĐẦU Gốm được chia thành hai loại chính là gốm truyền thống và gốm đặc biệt. Gốm truyền thống là loại vật liệu vô cơ có cấu trúc đa tinh thể với một lượng pha thủy tinh nhất định được tạo thành từ nguyên liệu bột mịn, chủ yếu là cao lanh, đất sét. Gốm truyền thống được thiêu kết tại nhiệt độ trên 900 oC để tạo ra sản phẩm có vi cấu trúc và các chỉ tiêu cơ lý tính theo yêu cầu sử dụng. Gốm đặc biệt là gốm được tạo thành từ các nguyên liệu như: nitrua, cacbua (SiC, B 4C, SiN4, TiB2, AlN), các gốm đơn oxit và gốm loại hệ nhị nguyên (như B 4C-TiB2- nền gốm) [7, 9].
Gốm đặc biệt có nhiều các tính năng quý như: khả năng chịu nhiệt độ cao, chịu tải trọng va đập lớn, có độ bền cao, môđun đàn hồi cao và nhiều tính năng đặc biệt khác mà các gốm truyền thống không có được. Gốm hàm lượng oxit nhôm cao (gọi tắt là gốm cao nhôm) là gốm đơn oxit với thành phần chính chứa α-Al2O3 trên 90% có nhiều tính chất kỹ thuật ưu việt như: chịu va đập lớn, có độ bền cao, khả năng chịu lửa cao, cách nhiệt tốt và khả năng chịu được thay đổi nhiệt độ lớn, hệ số dãn nở nhiệt nhỏ và có nhiều tính năng đặc biệt khác [1, 5]. Gốm oxit nhôm có thể chế tạo ra các sản phẩm được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật, trong công nghiệp hiện đại kể cả các lĩnh vực cần các chỉ tiêu cơ lý hóa đặc biệt cao như: chế tạo bi nghiền công nghiệp, làm buồng lót động cơ phản lực, ống phun lửa, ống chịu nhiệt trong lò nung. Trong lĩnh vực an ninh quốc phòng, gốm cao nhôm được sử dụng nhiều làm áo giáp chống đạn, lá chắn chống đạn, bộ phận chống đạn ốp lên xe tăng, xe thiết giáp quân sự, sàn máy bay trực thăng.[4, 16] Việc chế tạo gốm cao nhôm bao gồm nhiều công đoạn như: Tạo hình gốm (tạo hình ép khô, bán khô hay ép ẩm.) nhằm tạo ra phôi mộc từ các vật liệu đã được đồng nhất trước đó.
Quá trình sấy để loại bỏ nước tự do nằm ở các lỗ trống giữa các hạt vật liệu và nước liên kết hoá lý (gồm nước hấp phụ, nước hydrat hoá và nước trương nở trong các lớp khoáng sét. Quá trình nung thiêu 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com kết phôi gốm nhằm tạo ra phản ứng ở nhiệt độ cao của các cấu tử trong nguyên liệu, quá trình kết khối, quá trình xuất hiện pha lỏng, quá trình hoà tan và tái kết tinh các tinh thể nhằm tạo ra vật liệu có vi cấu trúc mới thể hiện thông qua hình dạng và kích thước các hạt, cách phân bố, hướng và sự tiếp xúc giữa các hạt, số lượng và chất lượng pha thuỷ tinh và sự hiện diện của lỗ xốp [28, 29]. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu bổ sung hàm lượng TiO2 và MgO tối ưu vào gốm cao nhôm để giảm nhiệt độ thiêu kết, tăng cường sự kết khối và tính chất cơ lý của vật liệu là rất cần thiết [2, 38, 41]. Từ những vấn đề nêu trên, chúng tôi tiến hành thực hiện luận văn với tiêu đề ―Nghiên cứu chế tạo gốm hệ Al2O3-TiO2-MgO định hướng ứng dụng trong sản phẩm chống đạn" với mục tiêu xác định thành phần vật liệu, mẫu gốm oxit nhôm ban đầu, lựa chọn chất chống dính, xác định ảnh hưởng của phương pháp tạo hình phôi gốm mộc, quá trình sấy phôi gốm mộc, quá trình nung thiêu kết gốm cao nhôm, ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 và MgO đến cấu trúc và tính chất của vật liệu gốm cao nhôm từ đó lựa chọn được thành phần vật liệu, kỹ thuật tối ưu chế tạo gốm cao nhôm.
Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu gốm cao nhôm chế tạo được và so sánh với mẫu gốm chống đạn của nước ngoài từ đó đánh giá hiệu quả sử dụng của gốm cao nhôm làm vật liệu chống đạn phục vụ công tác đảm bảo an ninh, quốc phòng. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1. Giới thiệu chung về gốm oxit nhôm Gốm oxit nhôm hay còn được gọi là gốm cao nhôm là loại gốm đơn oxit, có nguyên liệu chính là α-Al2O3. Đây là loại gốm đặc biệt có nhiều các tính chất kỹ thuật ưu việt như: chịu va đập lớn, có độ bền cao, khả năng chịu lửa cao, cách nhiệt tốt và khả năng chịu được thay đổi nhiệt độ lớn, hệ số dãn nở nhiệt nhỏ và có nhiều tính năng đặc biệt khác.
Gốm oxit nhôm có thể chế tạo ra các sản phẩm được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật, trong công nghiệp hiện đại kể cả các lĩnh vực cần các chỉ tiêu cơ lý hóa đặc biệt cao như: chế tạo máy bay, tên lửa, tầu vũ trụ, buồng lót động cơ phản lực, ống phun lửa,. Trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng thì vật liệu gốm cao nhôm cũng được sử dụng nhiều như: làm áo giáp chống đạn, khiên chống đạn, bộ phận ốp lên xe tăng, xe thiết giáp quân sự,. Nguyên liệu dùng để chế tạo gốm oxit nhôm Trên thế giới hàng năm sản xuất hàng triệu tấn Al2O3 kỹ thuật, song chủ yếu chỉ được sử dụng dùng trong ngành luyện nhôm kim loại (chiếm đến 90% sản lượng). Chỉ có khoảng 10% là được sử dụng trong các ngành phi luyện kim như: gốm, thủy tinh, bột mài, cao su, ximăng alumin,.
Nguyên liệu chính dùng để sản xuất nhôm oxit chủ yếu là hai loại sau: oxit nhôm và nhôm hydroxit. Nhôm hydroxit Nhôm hydroxit (hay còn gọi là hydrat nhôm) Al2O3.nH2O được chế tạo từ bauxite (loại quặng có chứa nhôm hydroxit). Nhôm hydroxit khan là một chất bột trắng vô định hình, dễ vỡ, không hòa tan được vào trong nước. Khi bị ẩm nó có dạng khối keo (gel oxit nhôm, oxit nhôm dạng gelatin).
Nhôm hydroxit được sử dụng để sản xuất mực in, phèn nhôm, các sản phẩm trong y học, corundum nhân tạo, men gốm sứ và các sản phẩm trong dung dịch lọc (lắng cặn, đánh phèn). 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Công thức chung là Al2O3. Gồm ba loại phân biệt nhau bởi cấu trúc và hàm lượng nước liên kết hóa học. Khi đốt nóng nhôm hydroxit sẽ xảy ra sự biến đổi không thuận nghịch từ dạng này sang dạng khác.
Oxit nhôm kỹ thuật Oxit nhôm có trọng lượng riêng là 3,96 (g/cm3), nhiệt độ nóng chảy cao khoảng 2054 ÷ 2056oC, có độ dẫn điện thấp (khi ở nhiệt độ cao oxit nhôm vẫn có độ dẫn điện thấp). Có 3 dạng thù hình của oxit nhôm là: α, β, γ-Al2O3. Trong đó, dạng thù hình α, γ tồn tại dạng tinh khiết, còn dạng β chỉ tạo ra khi có mặt của tạp chất. Trong tự nhiên oxit nhôm tồn tại hai dạng chính, γ-Al2O3 ít bền vững và α-Al2O3 bền vững hơn.
Dạng α-Al2O3 tồn tại trong tự nhiên, rất cứng, là chất cách điện tốt, nóng chảy tại nhiệt độ cao đến 2045oC, được dùng làm vật liệu chịu lửa, dùng làm bột mài, đá mài, làm vật liệu chuyên dụng có những tính năng rất đặc biệt như chống va đập, chống đạn,. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Dạng liên kết hóa học của nhôm Al2O3 Bảng 1. Chỉ tiêu kỹ thuật oxit nhôm hoạt tính siêu mịn của Trung Quốc Loại sản phẩm TT Các chỉ tiêu kỹ thuật B2L - 0,6D B1M - 3D B2M - 0,7D Thành phần hoá học: (%) Al2O3 99,47 99,43 99,0 1 SiO2 0,18 0,15 0,2 Fe2O3 0,01 0,02 0,1 Na2O 0,05 0,21 0,3 2 Độ mịn: Laser PSD - d50 m 0,5 - 0,7 5 0,7 - 0,9 3 Khối lượng riêng (g/cm3) 3,97 3,97 3,94 4 Diện tích bề mặt riêng m2/g 10 2,5 7 Các chỉ tiêu chất lượng đặc trưng của oxit nhôm hoạt tính siêu mịn, Trung Quốc được thể hiện qua bảng 1.
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Chất kết dính Chất kết dính được sử dụng để liên kết các hạt bột oxit nhôm, chúng được sử dụng để tạo hình sản phẩm ban đầu (sản phẩm mộc). Chất kết dính phải có đặc điểm là sau khi thiêu kết, chất kết dính cháy hết và không còn nằm trong sản phẩm gốm. Như vậy, chất kết dính chỉ có tác dụng liên kết ban đầu để định hình sản phẩm.
Chất kết dính có thể là: tinh bột, Polyvinylalcol (PVA), Copolime vinylaxetat etylen, PEG (Polyetylenglycol). Chất phụ gia Phụ gia thiêu kết, khác với chất kết dính dùng trong chế tạo gốm với các mục đích khác nhau: tăng hoặc giảm kích thước hạt tinh thể, tăng tốc độ thiêu kết hoặc tốc độ co ngót, giảm nhiệt độ thiêu kết, thay đổi sự phân bố lỗ xốp, thay đổi tính chất vật lý và hóa học, loại bỏ tạp chất. Nói chung, có thể chia chất phụ gia thành 4 loại chính sau đây: - Thúc đẩy quá trình kết khối và kìm hãm sự lớn hạt (tiêu biểu trong nhóm này phải kể đến MgO); - Thúc đẩy quá trình kết khối và thúc đẩy sự lớn hạt (ví dụ trong nhóm này là TiO2). - Kìm hãm quá trình kết khối và kìm hãm sự lớn hạt (ví dụ dụ tiêu biểu của nhóm này là Ni2O3).
- Kìm hãm quá trình kết khối và thúc đẩy sự lớn hạt (ví dụ tiêu biểu trong nhóm này là SiO2). Các tài liệu nghiên cứu [6, 7] chỉ ra ảnh hưởng cụ thể của quá trình kết khối và sự lớn hạt khi thiêu kết gốm cao nhôm của các loại oxit thường dùng làm phụ gia. Ví dụ của một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của MgO đến kìm hãm sự lớn hạt của gốm cao nhôm: khi thêm 0,25% MgO vào gốm cao nhôm thì tốc độ lớn hạt tại 1650oC, 1700oC, 1750oC và 1800oC lần lượt là 2,8; 2,5; 1,4 và 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.10-8cm/giây, còn khi không thêm MgO, cũng ở nhiệt độ đó thì tốc độ lớn hạt là 10,0; 13,8; 13,4 và 12,5. Trong hệ đa cấu tử, pha α- Al2O3 tương tác với các cấu tử khác, hoặc là tạp chất, hoặc là các chất phụ gia, tạo thành các hợp chất hóa học.
Tùy thuộc vào điều kiện tương tác (bản chất, độ hoạt hóa và hàm lượng các chất phụ gia, nhiệt độ,.) mà số lượng, vị trí của các pha mới sẽ được hình thành. a) Nano MgO *Khái quát chung: Oxit magie là một oxit của magiê, còn gọi là Mag Frit. Nó có phân tử gam 40,3 gam/mol, nhiệt độ nóng chảy 2852oC. MgO, cùng với SrO, BaO và CaO, tạo thành nhóm oxit kiềm thổ.
Chất này có thể lấy từ nguồn: talc, dolomite, magnesium carbonate. MgO và ôxít zirconi là hai oxit có nhiệt độ nóng chảy cao nhất. Tuy nhiên, MgO dễ dàng tạo pha eutactic với các oxit khác và khi đó nó nóng chảy ở nhiệt độ rất thấp.