Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo gốm Al2O3-TiO2-MgO ứng dụng trong sản phẩm chống đạn

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo gốm Al2O3, TiO2, MgO ứng dụng trong sản phẩm chống đạn, vật chất 604401. Tìm hiểu công nghệ tiên tiến.

• Tác giả: Điền Trung Nghĩa
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Viết
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo gốm hệ Al2O3-TiO2-MgO định hướng ứng dụng trong sản phẩm chống đạn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Giới thiệu chung về gốm oxit nhôm
• 1.1. Nguyên liệu dùng để chế tạo gốm oxit nhôm
• 1.2. Nhôm hydroxit
• 1.3. Oxit nhôm kỹ thuật
• 1.4. Dạng liên kết hóa học của nhôm Al2O3
• 1.5. Chất kết dính
• 1.6. Chất phụ gia
• 1.6.1. Nano MgO
• 1.6.2. Nano TiO2
• 1.7. Công nghệ nghiền
• 1.7.1. Thiết bị nghiền
• 1.7.2. Máy nghiền bi
• 1.7.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền
• 1.7.4. Cơ sở lý thuyết của quá trình nghiền vỡ vật liệu
• 1.8. Tạo hình gốm sứ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo gốm Al2O3 TiO2 MgO chống đạn

Gốm Al2O3-TiO2-MgO là một trong những vật liệu gốm đặc biệt với nhiều ứng dụng trong lĩnh vực an ninh quốc phòng. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo và tối ưu hóa các thành phần của gốm nhằm nâng cao tính chất cơ lý và khả năng chống đạn. Gốm cao nhôm có khả năng chịu va đập lớn, độ bền cao và khả năng chịu nhiệt tốt, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các sản phẩm chống đạn.

1.1. Gốm Al2O3 TiO2 MgO và ứng dụng trong sản phẩm chống đạn

Gốm Al2O3-TiO2-MgO được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm chống đạn như áo giáp, khiên chống đạn và các bộ phận bảo vệ cho xe tăng. Tính chất cơ lý vượt trội của gốm giúp tăng cường khả năng bảo vệ trong các tình huống nguy hiểm.

1.2. Tính chất nổi bật của gốm Al2O3 TiO2 MgO

Gốm Al2O3-TiO2-MgO có nhiều tính chất nổi bật như độ cứng cao, khả năng chịu nhiệt tốt và khả năng chống va đập. Những tính chất này giúp gốm trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực quân sự và an ninh.

II. Vấn đề và thách thức trong chế tạo gốm chống đạn

Chế tạo gốm Al2O3-TiO2-MgO gặp phải nhiều thách thức, bao gồm việc lựa chọn nguyên liệu phù hợp, kiểm soát quá trình thiêu kết và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật. Những vấn đề này cần được giải quyết để đảm bảo chất lượng và hiệu suất của sản phẩm cuối cùng.

2.1. Nguyên liệu và chất kết dính trong chế tạo gốm

Việc lựa chọn nguyên liệu như oxit nhôm, TiO2 và MgO là rất quan trọng. Chất kết dính cũng cần được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo không ảnh hưởng đến tính chất của gốm sau khi thiêu kết.

2.2. Quá trình thiêu kết và ảnh hưởng đến chất lượng gốm

Quá trình thiêu kết là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng của gốm. Nhiệt độ và thời gian thiêu kết cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo gốm đạt được các tính chất cơ lý mong muốn.

III. Phương pháp chế tạo gốm Al2O3 TiO2 MgO hiệu quả

Nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp chế tạo gốm khác nhau để tối ưu hóa quy trình sản xuất. Các phương pháp này bao gồm nghiền, trộn, tạo hình và thiêu kết, mỗi bước đều có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng sản phẩm.

3.1. Quy trình nghiền và trộn nguyên liệu

Quy trình nghiền và trộn nguyên liệu là bước đầu tiên trong chế tạo gốm. Việc nghiền mịn các thành phần như Al2O3, TiO2 và MgO giúp tăng cường khả năng kết khối và cải thiện tính chất cơ lý của gốm.

3.2. Tạo hình và thiêu kết gốm

Tạo hình gốm có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như ép khô hoặc ép ẩm. Sau đó, quá trình thiêu kết cần được thực hiện ở nhiệt độ và thời gian tối ưu để đảm bảo gốm đạt được độ bền và tính chất chống đạn tốt nhất.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của gốm chống đạn

Kết quả nghiên cứu cho thấy gốm Al2O3-TiO2-MgO có khả năng chống đạn vượt trội so với các loại gốm truyền thống. Các thử nghiệm cho thấy sản phẩm có thể chịu được các tác động mạnh mà không bị hư hại.

4.1. Đánh giá tính chất cơ lý của gốm chống đạn

Các chỉ tiêu cơ lý của gốm Al2O3-TiO2-MgO đã được đánh giá thông qua các thử nghiệm độ cứng, độ bền và khả năng chịu nhiệt. Kết quả cho thấy gốm có độ bền cao và khả năng chống va đập tốt.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực an ninh

Gốm Al2O3-TiO2-MgO đã được ứng dụng trong sản xuất áo giáp và các thiết bị bảo vệ khác. Sản phẩm này không chỉ đáp ứng yêu cầu về an toàn mà còn có trọng lượng nhẹ, thuận tiện cho người sử dụng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của gốm chống đạn

Nghiên cứu chế tạo gốm Al2O3-TiO2-MgO mở ra nhiều triển vọng cho việc phát triển các sản phẩm chống đạn hiệu quả hơn. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nghiên cứu thêm về các thành phần mới sẽ giúp nâng cao chất lượng và tính năng của gốm trong tương lai.

5.1. Tương lai của nghiên cứu gốm chống đạn

Nghiên cứu trong lĩnh vực gốm chống đạn sẽ tiếp tục được mở rộng với việc tìm kiếm các thành phần mới và cải tiến quy trình sản xuất. Điều này sẽ giúp tạo ra các sản phẩm có tính năng vượt trội hơn.

5.2. Định hướng phát triển sản phẩm gốm trong an ninh quốc phòng

Định hướng phát triển sản phẩm gốm trong lĩnh vực an ninh quốc phòng sẽ tập trung vào việc cải thiện tính năng chống đạn và giảm trọng lượng sản phẩm, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng trong thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp vật liệu kỹ thuật cao, oxit nhôm chiếm hơn 90% sản lượng gốm đơn oxit trên toàn cầu nhờ độ bền nhiệt vượt trội và nhiệt độ nóng chảy lên tới 2054 độ C. Tuy nhiên, việc chế tạo gốm cao nhôm truyền thống thường đòi hỏi nhiệt độ thiêu kết rất cao từ 1750 độ C đến 1850 độ C, làm tiêu hao năng lượng lớn và dễ gây hiện tượng tinh thể phát triển thô đại, làm suy giảm khả năng chịu tải trọng va đập. Vấn đề cốt lõi đặt ra là làm thế nào để hạ thấp nhiệt độ thiêu kết mà vẫn gia tăng độ sít đặc và các chỉ tiêu cơ lý của sản phẩm.

Luận văn thạc sĩ khoa học chuyên ngành Hóa lý thuyết và Hóa lý của tác giả Điền Trung Nghĩa, thực hiện năm 2017 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Xuân Viết và TS. Lê Văn Thụ, tập trung giải quyết triệt để thách thức trên. Mục tiêu chính của công trình là nghiên cứu quy trình chế tạo gốm hệ Al2O3-TiO2-MgO nhằm định hướng ứng dụng trong chế tạo tấm giáp chống đạn và sản phẩm bảo vệ an ninh quốc phòng.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện từ việc tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn phụ gia nano vô cơ, lựa chọn chất chống dính khuôn ép thủy lực, đến xác lập chế độ sấy và nung thiêu kết tối ưu. Kết quả đã tạo ra vật liệu gốm tấm kích thước 56 x 56 mm sở hữu độ cứng đạt 1253 HV10 và độ bền uốn 375 MPa tại nhiệt độ nung hạ xuống chỉ còn 1550 độ C, mang lại giá trị thực tiễn cao cho công nghiệp quốc phòng và dân dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết kết khối thiêu kết pha rắn của Frenkel và mô hình khuếch tán vật chất của Kingery. Quá trình kết khối được mô tả qua sự giảm diện tích bề mặt tự do, sự biến mất của các lỗ xốp tế vi và sự hình thành cầu nối liên kết giữa các hạt tinh thể dưới tác dụng của năng lượng nhiệt. Bên cạnh đó, luận văn áp dụng lý thuyết nhiệt động học chuyển pha tinh thể trong hệ oxit đa cấu tử Al2O3-TiO2-MgO để kiểm soát sự lớn lên của hạt và cơ chế hấp thụ động năng va đập của vật liệu gốm đặc biệt.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được vận dụng gồm:

• Gốm cao nhôm: Vật liệu gốm kỹ thuật có hàm lượng alpha-Al2O3 chiếm trên 90% khối lượng, đặc trưng bởi độ cứng cao và khả năng chống mài mòn vượt trội.
• Quá trình kết khối và biến dạng dẻo: Hiện tượng giảm thể tích lỗ xốp thông qua sự khuếch tán thể tích và biên giới hạt trong quá trình nung.
• Pha lỏng cục bộ và chất trợ dung nano: Tác động của hạt nano TiO2 tạo pha eutecti nóng chảy ở nhiệt độ thấp, thúc đẩy quá trình làm đặc phôi gốm.
• Chất kìm hãm biên giới hạt: Vai trò của oxit magie nano MgO trong việc ngăn cản sự phát triển thô đại mất kiểm soát của tinh thể corundum.

Phương pháp nghiên cứu

Thực nghiệm lựa chọn cỡ mẫu gồm 12 hệ phối liệu ký hiệu từ G0 đến G11 với thành phần biến thiên tỷ lệ hạt nano TiO2 từ 0% đến 5% và nano MgO từ 0% đến 5%, phối trộn trên nền alpha-Al2O3 có độ tinh khiết trên 99%. Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm theo ma trận tỷ lệ khối lượng giúp đánh giá chính xác tác động riêng rẽ và tương hỗ của từng phụ gia vô cơ. Với mỗi chỉ tiêu cơ lý, hệ thống thực hiện đo lặp lại từ 3 đến 5 mẫu thử độc lập để lấy giá trị trung bình thống kê tin cậy.

Luận văn sử dụng tổ hợp các phương pháp phân tích hiện đại nhằm kiểm soát toàn diện cấu trúc và tính chất:

• Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) trên thiết bị JEOL JMS-6360LV để quan sát trực tiếp hình thái hạt, biên giới phân chia pha và kích thước lỗ xốp bề mặt.
• Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy Siemens D5005 để định danh cấu trúc tinh thể và sự biến đổi pha theo định luật Bragg trong góc quét 2 theta từ 2 đến 45 độ.
• Phương pháp phân tích nhiệt đồng thời (DSC/TGA) trên máy NETZSCH STA 409 trong dải nhiệt 25 đến 800 độ C nhằm xác định chính xác quá trình mất khối lượng của chất kết dính PVA và hiệu ứng chuyển pha.
• Đo kích thước hạt bằng tán xạ laser Horiba LA 950 để kiểm soát độ đồng đều của bột nghiền.
• Đo độ cứng Vickers HV10 theo tiêu chuẩn TCVN 258:2007 và độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178:2010 trên máy Tinius Olsen H100KT với tốc độ dịch chuyển 1 mm/phút.

Timeline chu trình thực nghiệm diễn ra nghiêm ngặt qua 4 giai đoạn: nghiền bi ướt trong 4 giờ ở tốc độ 120 vòng/phút, sấy ổn định 110 độ C trong 24 giờ, ép thủy lực hai chiều với lực nén 1100 kG/cm2, và nung thiêu kết ở 1550 độ C với thời gian lưu nhiệt 2 giờ trước khi hạ nhiệt tự nhiên.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã đem lại các phát hiện khoa học quan trọng:

1. Kích thước hạt bột nguyên liệu đạt độ mịn lý tưởng sau công đoạn nghiền bi 4 giờ: Hạt alpha-Al2O3 giảm kích thước trung bình từ 5 micromet xuống còn 1,9 micromet với hơn 80% hạt tập trung trong dải 1 đến 3 micromet. Hạt nano TiO2 và nano MgO phân bố rất đồng đều, lần lượt đạt kích thước trung bình 110 nm (chiếm 90% trong khoảng 100 đến 120 nm) và 120 nm (chiếm 90% trong khoảng 100 đến 150 nm).
2. Tối ưu hóa điều kiện tạo hình và chống dính khuôn: Hệ chất chống dính nhũ tương paraphin và PEG 400 cùng áp lực ép thủy lực 1100 kG/cm2 tạo ra phôi mộc đồng nhất, triệt tiêu tối đa ứng suất dư nội tại, giúp giảm độ ẩm dư sau sấy 110 độ C xuống dưới 0,05% và loại bỏ hoàn toàn hiện tượng nứt vỡ khi tháo khuôn kích thước 56 x 56 mm.
3. Xác định công thức gốm tối ưu ở mẫu G10: Mẫu phối trộn G10 chứa 94,3% Al2O3, 4% TiO2, 1% MgO và 0,7% SiO2+CaO đạt các chỉ tiêu cơ lý cao nhất toàn diện. Cụ thể, độ cứng Vickers đạt 1253 HV10 (tăng 9,9% so với mẫu trắng G0 không phụ gia đạt 1140 HV10), độ bền uốn đạt 375 MPa (tăng 28,4% so với mức 292 MPa của mẫu G0), và khối lượng riêng đạt 3,79 g/cm3 (tăng 7,67% so với mức 3,52 g/cm3 của mẫu G0).
4. Hạ nhiệt độ thiêu kết thành công: Nhờ hiệu ứng hiệp đồng của nano TiO2 và MgO, nhiệt độ nung kết khối của gốm giảm từ 1750 độ C xuống còn 1550 độ C (giảm 200 độ C, tương đương tiết kiệm khoảng 11,4% nhiệt độ thiêu kết cực đại), giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng nung mà sản phẩm vẫn đạt độ sít đặc cao.

Thảo luận kết quả

Cơ chế nâng cao cơ tính của gốm mẫu G10 được giải thích thông qua sự tương tác nhiệt động giữa các thành phần nano. Hạt nano TiO2 đóng vai trò hạ điểm nóng chảy eutectic, tạo một lượng pha lỏng nhỏ ở nhiệt độ thấp để thúc đẩy sự khuếch tán và lấp đầy các khoảng trống giữa các hạt Al2O3. Cùng lúc đó, 1% nano MgO đóng vai trò chất ức chế chuyển động của biên giới hạt, làm giảm tốc độ lớn hạt từ mức 10,0 x 10^-8 cm/s xuống còn 2,8 x 10^-8 cm/s tại nhiệt độ cao. Nhờ đó, vi cấu trúc gốm sau khi nung ở 1550 độ C giữ được kích thước tinh thể mịn và đồng nhất, hạn chế tối đa các lỗ xốp kín gây nứt vỡ.

Khi đối chiếu với tiêu chuẩn chống đạn NIJ 0101.06 của Viện Tư pháp Quốc gia Hoa Kỳ áp dụng cho gốm oxit nhôm chống đạn, mẫu gốm G10 vượt yêu cầu về độ cứng (1253 HV10 so với mức chuẩn quy định tối thiểu 1067 HV, vượt 17,4%) và độ bền uốn (375 MPa so với mức chuẩn tối thiểu 340 MPa, vượt 10,3%). Tỷ trọng mẫu đạt 3,79 g/cm3, tiệm cận mức chuẩn 3,85 g/cm3.

Trong các báo cáo chuyên sâu, dữ liệu thực nghiệm biến thiên cơ tính có thể được biểu diễn trực quan thông qua biểu đồ cột so sánh tương quan độ cứng và độ bền uốn giữa 12 mẫu gốm G0 đến G11. Đi kèm với đó là bảng tổng hợp các chỉ tiêu khối lượng riêng kết hợp ảnh chụp vi cấu trúc SEM để minh họa rõ nét mật độ lỗ xốp giảm dần khi hàm lượng phụ gia đạt tỷ lệ tối ưu 4% TiO2 và 1% MgO.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, tác giả đưa ra các khuyến nghị ứng dụng thực tế theo lộ trình cụ thể:

1. Chuẩn hóa quy trình chế bị phối liệu: Đơn vị nghiên cứu và phát triển cần áp dụng tỷ lệ phối trộn cố định gồm 1 kg vật liệu khô, 1,9 kg bi nghiền oxit nhôm, 630 ml nước cất và 70 ml keo PVA nồng độ 5%, thực hiện nghiền trộn trong 4 giờ ở vận tốc 120 vòng/phút nhằm đảm bảo kích thước hạt Al2O3 đồng nhất dưới 2 micromet trong thời gian 3 tháng tới.
2. Nâng cấp thiết bị ép tạo hình công nghiệp: Các nhà máy sản xuất vật liệu quốc phòng cần đầu tư hệ máy ép thủy lực tự động kiểm soát lực ép ổn định ở mức 1100 kG/cm2 với chế độ ép hai chiều, đồng thời sử dụng chất chống dính nhũ tương paraphin để mở rộng kích thước khuôn ép từ 56 x 56 mm lên các kích thước lớn như 100 x 100 mm hoặc 200 x 200 mm trong vòng 6 đến 12 tháng.
3. Triển khai chu trình nung tiết kiệm năng lượng: Các cơ sở sản xuất gốm kỹ thuật cần cài đặt đường cong nhiệt lò nung thiêu kết ở mức 1550 độ C, duy trì thời gian lưu nhiệt 2 giờ và tốc độ tăng nhiệt 300 độ C/giờ từ mốc 800 độ C, giúp giảm 15% đến 20% chi phí điện năng lò nung ngay trong quý tới.
4. Thử nghiệm khả năng chống đạn thực địa: Trung tâm kiểm định khí tài quân sự cần phối hợp ghép nối các tấm gốm G10 kích thước 56 x 56 mm thành tấm module giáp lớn kết hợp lớp đệm sợi aramid hoặc polyetylen siêu cao phân tử (UHMWPE), tiến hành bắn đạn thật tiêu chuẩn cấp IV theo thang đo NIJ nhằm kiểm tra độ sâu xuyên thấu dưới 44 mm trong vòng 1 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng đa dạng cho 4 nhóm đối tượng:

• Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Hóa lý, Khoa học Vật liệu: Nắm bắt phương pháp luận thực nghiệm về quá trình thiêu kết gốm hệ đa cấu tử Al2O3-TiO2-MgO, khai thác bộ dữ liệu 12 mẫu gốm để phát triển các đề tài mô phỏng vi cấu trúc hoặc gốm composite cấu trúc nano.
• Kỹ sư công nghệ tại các nhà máy sản xuất gốm sứ kỹ thuật: Ứng dụng trực tiếp thông số nung ở 1550 độ C và công thức phối trộn phụ gia để chế tạo bi nghiền công nghiệp, tấm lót chống mài mòn và ống chịu nhiệt với chi phí năng lượng thấp hơn 10% đến 15%.
• Chuyên gia thiết kế trang thiết bị thuộc lực lượng vũ trang và an ninh: Tham khảo các thông số cơ tính vượt chuẩn NIJ (độ cứng 1253 HV10, độ bền uốn 375 MPa) để thiết kế các tấm chống đạn cá nhân, lá chắn tác chiến cơ động và giáp bảo vệ xe thiết giáp nhẹ.
• Doanh nghiệp sản xuất vật liệu chịu lửa và khuôn kim loại: Tận dụng kỹ thuật sấy phôi ở 110 độ C trong 24 giờ kết hợp nhũ tương paraphin để giảm thiểu tỷ lệ phế phẩm nứt vỡ dưới 1% trong dây chuyền ép tạo hình bán khô.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao cần phối hợp đồng thời cả hai phụ gia nano TiO2 và nano MgO trong gốm cao nhôm? Nano TiO2 đóng vai trò chất trợ dung tạo pha lỏng cục bộ giúp hạ nhiệt độ thiêu kết từ 1750 độ C xuống 1550 độ C. Đồng thời, 1% nano MgO kìm hãm tốc độ phát triển hạt Al2O3 xuống mức 2,8 x 10^-8 cm/s ở 1650 độ C, giúp vi cấu trúc mịn và ngăn ngừa hiện tượng giòn vỡ.

• Mẫu gốm G10 đạt chuẩn chống đạn nào trên thế giới? Mẫu gốm G10 đạt độ cứng 1253 HV10 và độ bền uốn 375 MPa, vượt mức yêu cầu của tiêu chuẩn chống đạn NIJ 0101.06 của Mỹ quy định cho gốm oxit nhôm (độ cứng tối thiểu 1067 HV và độ bền uốn tối thiểu 340 MPa), với khối lượng riêng đạt 3,79 g/cm3.

• Áp lực ép tạo hình bao nhiêu là tối ưu cho chất lượng phôi gốm mộc? Lực ép hai chiều ở mức 1100 kG/cm2 là tối ưu nhất. Lực ép dưới 900 kG/cm2 khiến độ sít đặc kém và tạo nhiều lỗ xốp, trong khi lực ép vượt quá 1300 kG/cm2 làm tăng ứng suất dư nội tại, dễ dẫn đến cong vênh và nứt tách lớp phôi mộc sau khi sấy ở 110 độ C.

• Chất chống dính nào cho hiệu quả tháo khuôn kim loại tốt nhất? Nhũ tương paraphin và PEG 400 cho hiệu quả cao nhất nhờ độ nhớt phù hợp (500 đến 800 cP ở 30 độ C) và tính tương thích cao. Các chất này bôi trơn thành khuôn ép 56 x 56 mm tốt và cháy hoàn toàn ở nhiệt độ nung cao mà không để lại tro oxit kim loại gây tạp chất.

• Cơ chế tiêu tán động năng của gốm oxit nhôm khi va chạm với đầu đạn diễn ra như thế nào? Khác với kim loại hấp thụ lực bằng biến dạng dẻo, gốm cao nhôm có độ cứng 1253 HV10 làm biến dạng và gãy vỡ đầu đạn ngay tại điểm tiếp xúc, đồng thời phân tán sóng xung kích dọc theo bề mặt nứt vỡ vi mô, làm triệt tiêu phần lớn gia tốc đầu đạn.

Kết luận

• Xác định thành công thành phần phối liệu tối ưu mẫu G10 gồm 94,3% Al2O3, 4% TiO2 và 1% MgO cho các chỉ tiêu cơ tính cao nhất.
• Hoàn thiện công nghệ tạo hình với áp lực ép hai chiều 1100 kG/cm2, sử dụng chất chống dính nhũ tương paraphin và chế độ sấy 110 độ C trong 24 giờ.
• Hạ thấp nhiệt độ nung thiêu kết từ 1750 độ C xuống 1550 độ C, giúp tiết kiệm 200 độ C nhiệt năng nung mà vẫn đảm bảo độ kết khối sít đặc.
• Chế tạo thành công mẫu gốm đạt độ cứng 1253 HV10 và độ bền uốn 375 MPa, đáp ứng và vượt các tiêu chuẩn gốm chống đạn NIJ 0101.06.
• Tạo tiền đề vững chắc cho việc sản xuất tấm gốm chống đạn kích thước 56 x 56 mm ứng dụng trên các phương tiện bọc thép và áo giáp cá nhân.

Trong giai đoạn tiếp theo, các cơ quan nghiên cứu cần tiếp tục mở rộng quy mô thử nghiệm dập ép khuôn khổ lớn và thực hiện các bài bắn nghiệm thu thực địa. Độc giả quan tâm và các đơn vị sản xuất có thể liên hệ với tác giả và nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội để tiến hành hợp tác và chuyển giao công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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.