Gốm thủy tinh

Không gian công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> Gốm thủy tinh<br />  hOÀNG LONG<br /> <br /> Một loại vật liệu có các tính chất ưu việt của cả gốm và thủy<br /> tinh, không chỉ sử dụng làm đồ gia dụng, chén đĩa, mà còn được<br /> ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ công nghiệp ô tô, hàng không vũ<br /> trụ, sinh học, y tế, năng lượng, điện tử tới an ninh quốc phòng…<br /> Gốm thủy tinh là loại vật liệu có tạo hình bằng gia công cơ khí; do có thực hiện quá trình tạo mầm và kết<br /> thành phần hóa học gần như thủy tính chất điện từ đặc biệt hay có tính tinh, tạo nên các vi tinh thể. Để tạo<br /> tinh nhưng về mặt cấu trúc thì khác sinh học nên dễ cấy ghép vào tế bào mầm phải chọn thủy tinh gốc phù<br /> với thủy tinh và giống gốm. Nếu như xương, cơ của cơ thể sống; hoặc có hợp và cho thêm các chất xúc tác tạo<br /> thủy tinh có cấu trúc vô định hình thì những đặc điểm về mặt thẩm mỹ như mầm như Pt, TiO2, ZrO2, SnO2... Thông<br /> gốm thủy tinh có cấu trúc kết hợp có thể chế tạo trong suốt hoặc không thường thì gốm thủy tinh không phải<br /> giữa tinh thể và vô định hình. Cấu trúc trong suốt nên dùng làm đồ gia dụng là tinh thể hoàn toàn, vi cấu trúc gồm<br /> vi mô gốm thủy tinh gồm các tinh thể vừa bền và đẹp. 50% đến 95% tinh thể, phần còn lại<br /> nhỏ mịn, phát triển đồng đều trong là thủy tinh. Một hoặc nhiều pha tinh<br /> toàn khối, hầu như không có lỗ xốp. Chế tạo gốm thủy tinh thể có thể được hình thành trong quá<br /> có khó không? trình xử lý nhiệt.<br /> Kết hợp ưu điểm của gốm<br /> Gốm thủy tinh thường được tạo ra<br /> và thủy tinh bằng cách thoạt đầu theo công nghệ<br /> Hiện nay có thể chế tạo gốm thủy<br /> tinh bằng phương pháp cải tiến để<br /> Nhờ kiểm soát được thành phần và sự thủy tinh (nấu chảy, tạo hình, cấu trúc nhiệt độ tạo mầm và phát triển mầm<br /> kết tinh (qua quá trình phản ứng thủy vô định hình), sau đó được xử lý nhiệt gần nhau nhằm tiết kiệm năng lượng<br /> tinh hóa - devitrification) người ta theo chế độ nhiệt luyện xác định để hơn phương pháp truyền thống.<br /> có thể tạo nên các pha tinh thể khác Ngoài ra, cũng có thể chế tạo gốm<br /> nhau với tỷ lệ, kích thước, hình dạng thủy tinh bằng phương pháp bột<br /> và sự phân bố khác nhau, nhờ đó gốm tương tự như cách thông thường<br /> thủy tinh có tính chất đa dạng phù để sản xuất gốm sứ. Trước tiên tạo<br /> hợp với nhiều yêu cầu khác nhau. hình gốm thủy tinh bằng cách ép<br /> Gốm thủy tinh có độ bền cao đối với nguội bột sau đó nhiệt luyện ở nhiệt<br /> các lực va đập và lực biến dạng, nếu độ cao để hình thành khối chắc đặc.<br /> ống thủy tinh thường có độ bền gãy là Phương pháp này ít được sử dụng vì<br /> 210 - 700 kg/cm2 thì gốm thủy tinh với có những yêu cầu về kích thước và<br /> hình dạng và kích thước tương đương Tạo ra gốm thủy tinh trong phòng hình dạng của các chi tiết sản xuất,<br /> có độ bền gãy là 2.800 – 4.200 kg/cm2. thí nghiệm tại đại học Jena, Đức. cũng như chi phí sản xuất cao.<br /> Gốm thủy tinh có độ bền mài mòn,<br /> tính bền nhiệt cao hơn nhiều so với Trước khi nung Sau khi nung<br /> thủy tinh thường. Ví dụ như nhiều ôxit Thủy tinh Thủy tinh<br /> thủy tinh sẽ nóng chảy ở 600 - 700oC,<br /> còn vật liệu gốm thủy tinh có thành<br /> phần như vậy thì ở 1.000 - 2.000oC vẫn<br /> giữ được độ bền cơ và độ rắn. Gốm<br /> thủy tinh còn cách nhiệt rất tốt.<br /> Ngoài ra, có thể chế tạo gốm thủy<br /> tinh có các tính chất khác biệt để có<br /> thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực<br /> khác nhau. Ví dụ như do có hệ số giãn<br /> nở nhiệt rất nhỏ nên gốm thủy tinh<br /> thích hợp cho các ứng dụng chống<br /> Tinh thể Tinh thể<br /> sốc nhiệt; do có sức bền, chịu mài<br /> mòn, hệ số giãn nở nhiệt thấp nên dễ Sự sắp xếp trong cấu trúc của một phân tử gốm thủy tinh.<br /> <br /> STinfo SỐ 5 - 2013 27<br />  Không gian công nghệ<br /> <br /> Đa năng, đa dụng mũi tên lửa. Gốm thủy tinh đã được làm rơi, miếng thủy tinh không bị vỡ.<br /> ứng dụng trong ngành hàng không vũ Stanley rất ngạc nhiên bởi độ bền của<br /> Ứng dụng trong y tế làm vật liệu trụ trong cuối những năm 1950 để bảo vật liệu mới tìm thấy và sau đó ông đã<br /> thay cho răng và xương: còn được gọi vệ thiết bị radar khỏi sự phá hủy của giới thiệu ra thị trường loại gốm thủy<br /> là gốm thủy tinh y sinh. Đây là loại vật máy bay và tên lửa; đến nay, Nasa đã tinh đầu tiên mang tên Fotoceram.<br /> liệu có tính chất sinh học cao so với vật phủ gốm thủy tinh lên các con tàu vũ Sau đó, gốm thủy tinh được rất nhiều<br /> liệu y sinh truyền thống (titan, hợp kim trụ của mình. nhà sản xuất khác nhau trên thế giới<br /> đặc biệt, vật liệu các bon, silicon...). Gốm nghiên cứu chế tạo như hãng Corning<br /> thủy tinh y sinh có khả năng liên kết sinh Nghiên cứu gốm thủy tinh Ware – sản xuất nồi và chén đĩa gốm<br /> hóa với tế bào sống, giúp cho các tế bào thủy tinh, hãng Schott’s Ceran – sản<br /> sau khi bị thương tổn tiếp tục tái sinh và Gốm thủy tinh được tình cờ phát hiện<br /> xuất mặt bếp các loại, hãng Nippon<br /> liên kết trực tiếp với bề mặt của vật cấy. vào năm 1953 bởi Stanley Donald<br /> Electric Glass – sản xuất gốm thủy tinh<br /> Stookey. Khi đó ông đang nghiên cứu<br /> Trong gia dụng: do chi phí sản xuất dùng trong y tế và xây dựng…<br /> tại công ty Corning Glass Works về sản<br /> thấp và kỹ thuật đơn giản, gốm thủy phẩm pin lithium. Ông tạo ra thủy tinh Theo nguồn tài liệu tiếp cận được thì<br /> tinh được sử dụng để sản xuất đồ gia có chứa các phân tử kết tinh bạc. Sau hiện có gần 4.000 sáng chế (SC) liên<br /> dụng chất lượng cao. Nhờ có khả năng đó, vô tình đưa sản phẩm này tiếp xúc quan đến gốm thủy tinh trên thế giới.<br /> chịu sốc nhiệt cao nên gốm thủy tinh với ngọn lửa 600oC, thay vì thủy tinh bị Nhật Bản có số lượng đăng đăng ký SC<br /> được sử dụng làm nồi nấu. Nồi gốm chảy ra, Stanley lại thấy miếng thủy tinh dẫn đầu với 1.108 SC. Tổ chức sáng chế<br /> thủy tinh có thể nấu trực tiếp trên bếp vẫn không thay đổi về hình dạng. Khi châu Âu đứng thứ hai với 793 SC và<br /> khi vừa ra khỏi tủ lạnh hay có thể nấu<br /> trong lò vi sóng mà không bị rạn nứt.<br /> Gốm thủy tinh còn được sử dụng để làm Tỷ lệ đăng ký sáng chế về gốm thủy tinh<br /> mặt bếp từ, bếp điện. Dùng gốm thủy tại các quốc gia trên thế giới<br /> tinh không chỉ tăng tính thẩm mỹ cho<br /> bếp mà còn chống trầy xước, chống sốc Khác Trung Quốc<br /> nhiệt, giúp bếp được bền dài lâu. 13% 18%<br /> Trong xây dựng: nhờ đặc tính chống<br /> chịu nhiệt độ cao nên gốm thủy tinh được Hàn Quốc<br /> sử dụng làm cửa chống cháy trong một 7%<br /> số công trình xây dựng. Một sản phẩm<br /> khác phổ biến trong ngành xây dựng của<br /> gốm thủy tinh là neopariés, tương tự như<br /> đá cẩm thạch nhưng bền hơn. Mỹ<br /> Trong vũ trụ: gốm thủy tinh bền khi 12%<br /> giảm nhiệt độ một cách đột ngột và<br /> độ chống mài mòn cao hơn nhiều lần Nhật<br /> so với kim loại nên gốm thủy tinh được<br /> sử dụng để làm các bộ phận chịu lực<br /> 29%<br /> hoặc để phủ lên kim loại hay làm các<br /> khớp nối kín của kim loại và gốm. Do<br /> có độ bền nhiệt cao, đặc biệt là đối với<br /> Châu Âu<br /> các xung nhiệt nên gốm thủy tinh còn 21%<br /> được sử dụng để làm lớp vỏ bảo vệ đầu Nguồn: Wispglobal<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Nồi gốm thủy tinh có khả năng chịu sốc nhiệt cao Mặt bếp làm bằng gốm thủy tinh<br /> <br /> 28 STinfo SỐ 5 - 2013<br />  Không gian công nghệ<br /> <br /> Số lượng các SC về gốm thủy tinh từ năm 1993 – 2012<br /> 260<br /> 239<br /> 240 225 225 229<br /> 220 214 218<br /> 192 198 194 188<br /> 200<br /> 181<br /> 180 170<br /> 160 145<br /> 140<br /> 119<br /> 120 104<br /> 96<br /> 100 87<br /> 80 72 74 69<br /> 60<br /> 40<br /> 20<br /> 0<br /> 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012<br /> Nguồn: Wispglobal<br /> <br /> Trung Quốc đứng thứ ba với 670 SC. Số<br /> lượng SC về gốm thủy tinh phát triển 5 công ty có số lượng SC về gốm thủy tinh cao nhất<br /> mạnh trong vòng 10 năm gần đây.<br /> Công ty đứng đầu về số lượng đăng ký<br /> KYOCERA CORP 199<br /> SC là Kyocera corp – Nhật với 199 SC.<br /> <br /> Tại Việt Nam, các nhà khoa học thuộc CORNING INCORPORATED 161<br /> Bộ môn Silicat, Khoa Công nghệ Hóa<br /> học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> đã sản xuất thành công vật liệu gốm SCHOTT AG 157<br /> thủy tinh y sinh dùng cấy ghép vĩnh<br /> viễn, thay thế xương trong chỉnh hình<br /> y tế, có độ bền tương đương với xương OHARA INC 90<br /> người. Nhóm đã tiến hành thử nghiệm<br /> cấy ghép gốm thủy tinh y sinh trên<br /> cơ thể người bệnh (tại các bệnh viện: SCHOTT GLAS 86<br /> Tai - Mũi - Họng Trung ương, Bạch Mai,<br /> Răng - Hàm - Mặt Trung ương, Bệnh 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200<br /> viện K). Trong tất cả các ca phẫu thuật<br /> cấy ghép vật liệu gốm thủy tinh y sinh Nguồn: Wispglobal<br /> cho người bệnh (dùng thay thế các chi<br /> tiết chuỗi xương tai truyền âm thanh; Khoa công nghệ vật liệu, Trường đại bề mặt khi nung, đáp ứng được các<br /> các chi tiết xương tai giữa; thay chân học bách khoa TP.HCM đã tiến hành tiêu chuẩn kỹ thuật và thẩm mỹ, tính<br /> răng và sửa chữa xương hàm mặt; hàn nghiên cứu khả năng kết tinh của gốm tương thích sinh học cao… Trong công<br /> vá phần xương bị khoét bỏ), không có thủy tinh lithium disilicate. Đây là loại nghệ phục hình răng, có thể tạo hình<br /> trường hợp nào có phản ứng đào thải. gốm thủy tinh mới phát triển trong nhanh chóng gốm thủy tinh lithium<br /> Bệnh nhân chóng lành vết thương, lĩnh vực nha khoa, có cấu trúc tinh thể disilicate bằng phương pháp ép nóng<br /> khả năng hồi phục sức khỏe tốt, đặc dạng tấm lớp hoặc hình que đan xen và kỹ thuật CAD- CAM hiện đại, nên có<br /> biệt khả năng khôi phục chức năng cài lẫn nhau, có độ bền uốn rất cao, có ưu thế vượt trội hơn các vật liệu từ sứ<br /> của bộ phận điều trị rất cao. độ trong mờ cao, có khả năng tự bóng tràng thạch đang phổ biến hiện nay. �<br /> <br /> <br /> STinfo SỐ 5 - 2013 29<br />