TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
57
NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT SỨ CÁCH ĐIỆN CAO THẾ VỚI
HÀM LƯỢNG α-Al2O3 CAO CÓ ĐỘ BỀN CƠ HỌC CAO
AN INVESTIGATION INTO THE PRODUCTION OF HIGH STRENGTH
ALUMINA PORCELAIN FOR HIGH VOLTAGE INSULATORS
Nguyễn Văn Dũng
Ttrường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Đề tài quan tâm đến việc sản xuất sứ với hàm lượng α-Al2O3 cao có độ bền cơ học
cao, dùng làm sứ cách điện cao thế, làm hũ nghiền. α-Al2O3 được cho thêm vào phối liệu với
hàm lượng tối ưu mà không làm thay đổi công nghệ sản xuất gốm truyền thống. Đề tài quan
tâm đến các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm như hàm lượng, cỡ hạt của α-Al2O3
đem dùng, hàm lượng quăc, hàm lượng đất sét và hàm lượng tràng thạch sử dụng trong bài
phối liệu. Một số bài phối liệu tốt đã được nghiên cứu, đánh giá độ bền cơ và một số tính chất
khác để có thể ứng dụng vào sản xuất.
ABSTRACT
This article deals with the production of high strength alumina porcelain used for high
voltage insulators and drum mill bodies. α-Al2O3 is used with an optimal content, and the
production process is similar to that of a traditional one. In this paper, the content and size
distribution of α-Al2O3 and the content of quartz, clay and feldspar in mixture compositions are
investigated to show their effects on the quality of porcelain products. Some batches, which
have been evaluated on their bending strength and other properties, can be applied to such a
production.
1. Phần giới thiệu
Vật liệu sứ có độ bền cơ cao đang là một nhu cầu cần thiết trong công nghiệp
hiện nay, nó được dùng làm các sản phẩm chịu mài mòn, chịu va đập mạnh như bi
nghiền, hũ nghiền, làm các chi tiết bằng sứ trong các thiết bị khác nhau, làm vật liệu
cách điện cao thế v.v...
Đề tài của chúng tôi trước mắt nghiên cứu sứ có độ bền cơ cao làm vật liệu cách
điện cao thế ứng dụng trong mạng lưới truyền dẫn điện, máy điện và khí cụ điện.
Chúng tôi cho thêm vào bài phối liệu sứ cổ điển α-Al2O3 với hàm lượng nhỏ hơn
40% [1] để không làm thay đổi công nghệ sản xuất. Sứ giàu α-Al2O3 đã được chứng
minh là có độ bền cơ học cao và có nhiều tính chất ưu việt hơn sứ giàu mullite hay giàu
quarzt [2,3,4] do α-Al2O3 có độ cứng và nhiệt độ nóng chảy cao, ổn định ở mọi nhiệt độ
mà không bị biến đổi thù hình nên không có các biến đổi thể tích đột ngột làm giảm
chất lượng sứ [5].
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
58
Với việc sử dụng α-Al2O3 làm nguyên liệu sản xuất sứ thì thành phần hoá và
thành phần hạt của α-Al2O3 là các yếu tố cần quan tâm nhất. Thường, khi hàm lượng tạp
chất tăng cao, nhất là các ôxyt kiềm, sẽ làm giảm nhiệt độ kết khối do sự tạo thành pha
lỏng, tuy nhiên chất lượng sản phẩm sẽ giảm đi. Còn về thành phần hạt thì α-Al2O3 có
cỡ hạt trung bình d50 nằm trong khoảng 4-14 µm làm cho sứ có độ bền cơ cao nhất [6].
Ở đây chúng tôi sử dụng α-Al2O3 loại A31 (fine grain alumina) của hãng NIPPON
LIGHT METAL COMPANY, LTD. Đây là sản phẩm dạng bột, là các đa tinh thể màu
trắng cỡ hạt từ 2-20 µm, đường kính hạt trung bình d50 = 4.5 µm [7]. Trong các bài phối
liệu nghiên cứu, nguyên liệu địa phương miền Trung được ưu tiên sử dụng. Đó là cao
lanh A Lưới (CLAL), đất sét Lại Bằng trắng (ĐSLBT), tràng thạch Đại Lộc (TTĐL),
cát Hoà Khánh (CHK). Chúng tôi cũng sử dụng đất sét Trúc Thôn (ĐSTT) vì đây là loại
đất sét chịu lửa rất tốt hiện nay ở Việt Nam, rất cần thiết cho quá trình tạo hình sứ cao
cấp dù chỉ dùng với một lượng nhỏ.
2. Quy trình thực nghiệm
Trên biểu đồ hệ 3 cấu tử T-Q-F để sản xuất gốm sứ [8] chúng tôi chọn 4 bài phối
liệu tương ứng với các điểm 1, 2, 3, 4 trên vùng sứ điện. Hàm lượng Q tăng dần theo
thứ tự từ bài 1 đến bài 4. Từ thành phần hoá của các nguyên liệu chúng tôi tính ra thành
phần khoáng hợp lý, từ đó tính được thành phần cấp phối của các bài phối liệu. Sau khi
khảo sát tính chất của 4 bài phối liệu đầu tiên này để có kết luận về hàm lượng Q tối ưu,
chúng tôi tiếp tục thiết lập sáu bài phối liệu mới để xem xét ảnh hưởng của hàm lượng
tràng thạch, hàm lượng α-Al2O3, ảnh hưởng của đất sét Trúc Thôn đến chất lượng sản
phẩm sau cùng.
Mẫu nung được phân tích các tính chất cơ lý [9,10] và thành phần pha, vi cấu
trúc vật liệu để tìm ra bài phối liệu tối ưu và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến chất
lượng của sứ điện.
3. Kết quả và thảo luận
Thành phần hóa học của các loại nguyên liệu được cho trong bảng 1.
Từ thành phần hóa tính được thành phần khoáng hợp lý, sau đó tính cấp phối các
bài phối liệu thí nghiệm như cho trong bảng 2.
Các tính chất cơ lý của các bài phối liệu sau khi nung tại các nhiệt độ khác nhau
được cho trong bảng 3.
Bảng 1. Thành phần hoá các loại nguyên liệu (% khối lượng)
Ôxit MKN SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Na2O
ĐSTT 6.67 63.06 24.28 0.15 1.1 0.08 0.52 3.60 0.53
ĐSLBT 6.58 62.60 25.44 0.60 1.09 0.08 0.52 3.05 1.09
TTĐL 0.88 71.38 16.03 0.58 0.80 1.04 0.05 3.86 5.40
CHK 0.10 98.60 0.80 0.12 0.17 0.04 0.04 0.12 0.01
α-Al2O3 - 0.02 99.60 0.02 - - - - 0.30
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
59
Trong đó: MKN-mất khi nung
Bảng 2. Thành phần cấp phối của các bài phối liệu (% khối lượng)
Bài PL ĐSTT ĐS
LBT
ĐSTT
đã
nung
CLAL TTĐL CHK
α-
Al2O3
Bài 1 6.57 5.11 - 37.73 23.60 0 27
Bài 2 6.57 5.11 - 34.33 21.80 5.19 27
Bài 3 6.57 5.11 - 32.16 19.96 9.19 27
Bài 4 6.57 5.11 - 24.03 16.35 20.93 27
Bài 5 11.68 - - 37.73 23.60 - 27
Bài 6 11.04 - - 36.00 21.97 - 31
Bài 7 10.40 - - 33.91 20.69 - 35
Bài 8 11.68 - 5 32.73 23.60 - 27
Bài 9 11.68 - - 35.33 26.00 - 27
Bài 10 11.68 - - 31.33 30.00 - 27
Từ các kết quả thu được chúng tôi đã có những thảo luận sau:
3.1. Hàm lượng quartz thích hợp trong bài phối liệu định hưóng
So sánh 4 bài phối liệu đầu tiên 1, 2, 3, 4, chúng tôi thấy khi hàm lượng khoáng
Q tăng dần (tương ứng với lượng cát sử dụng trong các bài phối liệu là 0%, 5.2%, 9.2%
và 21%) thì độ bền uốn và các tính chất cơ lý khác của sản phẩm giảm dần. Như vậy đối
với các loại nguyên liệu đã chọn, thấy rằng bài phối liệu 1 (không sử dụng cát) đạt chất
lượng cao nhất.
3.2. Ảnh hưởng của đất sét
So với bài 1 (dùng 5.11% ĐSLBT và 6.57% ĐSTT, vậy tổng cộng lượng đất sét
sử dụng là 11.68%) thì bài 5 có thành phần phối liệu hoàn toàn giống, tuy nhiên toàn bộ
lượng đất sét sử dụng (11.68%) là Trúc Thôn như đã cho trong bảng 2. So với bài 1 thì
bài 5 có những khác biệt sau:
- Nhiệt độ kết khối là 13000C, độ co khi nung nhỏ hơn bài 1.
- Cường độ bền uốn của bài phối liệu 5 cao hơn hẳn bài 1 tại các nhiệt độ nung
khác nhau (đến 10.2%).
- Độ bền điện của bài 5 cũng đạt giá trị cao nhất (đạt 21 kV.mm-1), hơn hẳn các
bài 1, 2, 3, 4 (hơn 10.5%) như số liệu cho trong bảng 3.
Như vậy, rõ ràng đất sét Trúc Thôn đã tạo điều kiện cho quá trình kết khối sản
phẩm sứ xảy ra tốt hơn khi nung, cho nên tuy đất sét Lại Bằng Trắng khá tốt, có thành
phần hoá tương tự như đất sét Trúc Thôn nhưng không thể thay thế cho đất sét Trúc
Thôn trong các bài phối liệu sứ điện.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
60
Sự không thuận lợi khi sử dụng đất sét Trúc Thôn là phải vận chuyển từ xa
nhưng bù lại nó tốt và ổn định hơn về mặt chất lượng.
Bài phối liệu 5 có nhược điểm là độ co khi sấy và nung cao (độ co tổng theo
chiều dài std = 13.09%, độ co tổng theo bán kính str = 15.47%). Để khắc phục chúng tôi
sử dụng 5% đất sét Trúc Thôn đã nung ở 11000C, nghiền mịn với mục đích giảm độ co
khi sấy và nung (xem bài phối liệu 8). Kết quả thu được là bài phối liệu 8 có độ co tổng
theo chiều dài khi nung std nhỏ hơn khoảng 6% ở nhiệt độ nung13300C, nhưng cường độ
bền uốn cũng nhỏ hơn so với bài 5. Như vậy phương án nung trước một phần đất sét
Trúc Thôn không đem lại kết quả mong muốn.
Bảng 3. Tính chất kỹ thuật của các mẫu thí nghiệm sau khi nung
Bài
phối
liệu
Nhiệt
độ
nung
(oC)
str
(%)
std
(%)
γ
r
(g/
cm3)
γ
v
(g/
cm3)
Xt
(%)
Xbk
(%)
H
(%)
σu
(MPa)
E
(kV/
mm)
1250 16.48 12.76 2.728 2.558 6.023 4.102 1.574 100.28 -
1330 16.84 13.49 2.713 2.611 2.608 0.071 0.023 107.50 19
1
1350 17.39 13.76 2.654 2.639 0.232 0.072 0.027 101.30 -
2 1330 15.41 13.28 2.696 2.619 2.760 0.028 0.063 103.41 19
3 1330 15.24 11.98 2.657 2.607 2.055 0.030 0.079 97.79 19
4 1330 14.67 11.92 2.654 2.540 4.346 0.129 0.329 95.17 19
1280 14.84 12.98 2.714 2.605 3.866 0.919 0.353 114.89 -
1300 15.47 13.09 2.772 2.683 2.683 0.152 0.057 119.69 21
1315 16.36 13.20 2.751 2.665 3.019 0.242 0.092 118.44 -
5
1330 16.65 13.27 2.724 2.628 3.675 0.054 0.021 115.52 -
1300 15.45 12.90 2.701 2.584 4.332 1.587 0.423 120.08 21
6 1350 15.93 12.79 2.737 2.671 2.153 0.159 0.001 126.96 21
7 1330
13.29 12.76 2.729 2.655 2.702 0.579 0.219 130.30 21
8 1330
15.69 12.62 2.749 2.680 2.551 0.491 0.183 114.02 19
1280 15.36 12.94 2.713 2.589 4.571 1.125 0.457 127.63 -
1300 15.47 13.13 2.745 2.670 2.732 0.640 0.140 133.65 23
9
1330 15.89 13.89 2.741 2.654 3.174 0.891 0.354 132.49 -
1300 15.18 12.36 2.701 2.548 6.35 0.208 0.678 117.56 21
1330 15.46 13.76 2.718 2.587 4.819 0.145 0.341 116.50 -
10
1350 15.68 14.18 2.709 2.549 5.906 0.218 0.879 100.32 -
Trong đó: std-độ co tổng theo chiều dài sau nung, str-độ co tổng theo bán kính
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
61
sau nung, γr-khối lượng riêng, γv-khối lượng thể tích, Xt-độ xốp thực, Xbk-độ xốp biểu
kiến, H-độ hút nước, σu-cường độ bền uốn, E-độ bền điện.
3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit nhôm
Để xem xét ảnh hưởng của hàm lượng ôxit nhôm chúng tôi đã tăng hàm lượng
α-Al2O3 từ 27% lên đến 31% và 35%. Kết quả cường độ bền uốn của sản phẩm tăng
lên, xem bảng 3, điều này hoàn toàn phù hợp với các kết quả nghiên cứu từ trước
[1,2,3,4]. Tuy nhiên, trong bài phối liệu tối ưu sau này (bài phối liệu 9, đạt cường độ
bền uốn 133 MPa) chúng tôi vẫn chọn hàm lượng α-Al2O3 là 27% vì nó đáp ứng đủ
cường độ bền uốn cần thiết cho các loại sứ cao thế thông thường, đồng thời đảm bảo
khả năng tạo hình tốt cho phối liệu.
3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng tràng thạch
Tràng thạch Đại Lộc có hàm lượng ôxit kiềm (Na2O% + K2O%) = 9.2%, như
vậy là đạt yêu cầu sử dụng làm chất trợ dung trong các bài phối liệu gốm sứ. Lượng
tràng thạch trong phối liệu bài 5 được tăng từ 23.6% lên 26% và 30% tương ứng hai bài
9 và 10.
Nghiên cứu độ bền uốn của các bài phối liệu 5, 9, 10 (tương ứng với hàm lượng
tràng thạch trong thành phần cấp phối 23.6, 26 và 30% TL) được nung ở nhiệt độ kết
khối tối ưu của chúng, chúng tôi nhận thấy ở bài 9 sứ đạt độ bền cơ cao nhất (tăng hơn
11% so với bài 5 có 23.6% tràng thạch, tăng hơn 13% so với bài 10 có 30% tràng thạch)
cũng như độ bền điện cao nhất (23 kV/mm).
Nhiệt độ kết khối tối ưu của bài 9 là 13000C như kết quả được thể hiện ở bảng 3.
Như vậy chúng ta có thể kết luận là hàm lượng tràng thạch 26% là vừa đủ để hạ
nhiệt độ nung, vừa tạo ra lượng pha lỏng cần thiết làm nền cho các tinh thể trong xương
sứ và tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình kết khối xảy ra khi nung. Điều này sẽ được
thấy rõ hơn khi nghiên cứu vi cấu trúc của sứ trên ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) ở
phần sau.
3.5. Xác định thành phần pha, vi cấu trúc của sứ
Thành phần pha của sứ từ các bài phối liệu nghiên cứu được xác định bằng
phương pháp phân tích XRD. Thí nghiệm được thực hiện tại trường ĐH Khoa học Tự
nhiên Hà Nội trên máy BRUKER 5005 của Đức. Hình 2 đưa ra phổ XRD của sứ từ bài
phối liệu 9. Kết quả từ các phổ XRD cho thấy tỉ lệ pha tinh thể trong xương sứ như sau:
khoáng corundum chiếm 51.50-69.01%, mullite 12.44-21.48%, quartz 17.27-28.54%,
cristobalite 1.28-2.46%. Nó cũng cho thấy trong xương sứ ngoài pha tinh thể còn tồn tại
một lượng khá lớn pha vô định hình (pha thủy tinh), thể hiện ở phần nhô lên ở góc
2θ≈22o, tuy nhiên rất tiếc không thể định lượng chính xác.
Kết quả này thể hiện đúng lý thuyết hình thành gốm sứ, mullite sẽ được hình
thành trong quá trình nung góp phần tạo nên cấu trúc bền vững cho sứ, SiO2 sẽ còn lại