Nghiên cứu công nghệ chế tạo gốm quang học đa tinh thể hạt mịn KO-12 ứng dụng cho hệ quang hồng ngoại

Vật lý<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO GỐM QUANG HỌC<br /> ĐA TINH THỂ HẠT MỊN KO-12 ỨNG DỤNG<br /> CHO HỆ QUANG HỒNG NGOẠI<br /> Nguyễn Ngọc Hưng1*, Nguyễn Khải Hoàn2, Vũ Thị Nhung1,<br /> Vũ Lê Hoàng1, Trần Mạnh Tùng1, Bùi Doãn Đồng1<br /> Tóm tắt: Công nghệ ép nóng được sử dụng để chế tạo gốm quang học đa tinh<br /> thể hạt mịn KO-12 trên cơ sở bột nano MgF2. Nghiên cứu đã xác định được nhiệt độ<br /> và áp lực ép đảm bảo sự lớn lên của hạt nằm trong khoảng giá trị cho phép và thu<br /> được vật liệu với khối lượng riêng cao. Các mẫu vật liệu gốm KO-12 nhận được sau<br /> ép nóng được kiểm tra một số tính chất cơ-lý và quang học của và so sánh với gốm<br /> quang học của Nga. Kết quả cho thấy công nghệ ép nóng cho phép thu được gốm<br /> quang học với các tính chất cơ-lý và quang học theo yêu cầu.<br /> Từ khóa: KO-12, Gốm quang học ép nóng, Ép nóng, Khối lượng riêng cao.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Gốm quang học ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống quang lazer và<br /> hồng ngoại vì có các tính chất cơ lý, quang học tốt hơn so với đơn tinh thể và thuỷ tinh<br /> quang học [1,2]. Các tính chất đó của gốm quang học đa tinh thể phụ thuộc mạnh vào đặc<br /> điểm cấu trúc tinh thể và sự có mặt của các tâm tán xạ (lỗ xốp rỗng, biên giới hạt, pha tạp,<br /> song tinh…) trong cấu trúc vật liệu. Trong gốm quang học đa tinh thể luôn có các tâm tán<br /> xạ nên cường độ ánh sáng truyền qua vật liệu sẽ bị suy giảm [1,2,3].<br /> Sự có mặt và mức độ ảnh hưởng của các tâm tán xạ trong gốm quang học đa tinh thể<br /> phụ thuộc vào công nghệ chế tạo. Trong nghiên cứu [4] đã khẳng định rằng phương pháp<br /> thiêu kết không có áp lực không thể thu được vật liệu gốm quang học KO-12 với cấu trúc<br /> theo yêu cầu và ở nhiệt độ 650-700 oC quá trình kết tinh lại của vật liệu bắt đầu diễn ra<br /> mạnh. Mặt khác, thiêu kết dưới áp lực sẽ làm chậm quá trình kết tinh lại, ngăn cản sự lớn<br /> lên của hạt và đảm bảo thu được vật liệu có khối lượng riêng cao.<br /> Trong bài báo này đưa ra một số kết quả nghiên cứu chế tạo gốm quang học đa tinh thể<br /> hạt mịn KO-12 trong suốt bức xạ hồng ngoại bằng phương pháp ép nóng.<br /> 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Để chế tạo mẫu gốm quang học KO-12 sử dụng bột MgF2 kích thước nano, độ sạch cao<br /> (>99%) với kích thước hạt bột khoảng 30-50 nm [4]. Mẫu ép nguội được ép trên thiết bị ép<br /> thuỷ lực 30 tấn. Sau đó mẫu được ép nóng trong chân không 10-2 mmHg. Nghiên cứu tổ<br /> chức tế vi gốm quang học KO-12 được tiến hành trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) khi<br /> phân tích bề mặt gãy mẫu gốm. Đo khối lượng riêng vật liệu bằng phương pháp cân thuỷ<br /> tĩnh trên thiết bị FA2004.<br /> Độ cứng tế vi Vikker (HV) gốm quang học KO-12 được xác định trên máy đo FM-100<br /> theo công thức sau:<br /> F<br /> HV  1,854 (1)<br /> d2<br /> Trong đó: F – lực tác dụng lên mẫu, kG; d – đường chéo trung bình của vết đâm, mm.<br /> Độ truyền qua hồng ngoại được đo trên thiết bị quang phổ FT/IR-6300. Xác định độ<br /> suy giảm bức xạ hồng ngoại của vật liệu theo theo công thức (GOST 3520-92):<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 104 N.N. Hưng, N.K. Hoàn, …, “Nghiên cứu công nghệ chế tạo… cho hệ quang hồng ngoại.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 1<br />  ( )  lg  ( ) (2)<br /> <br /> Trong đó: δ – chiều dày của mẫu đo, mm;<br /> τ(λ) – hệ số truyền qua của bức xạ hồng ngoại (0< τ(λ) 600 MPa, tỷ<br /> trọng của vật liệu tăng rất chậm. Đặc biệt, ở áp lực ép 800 MPa quan sát thấy có vết nứt<br /> bên trong mẫu vật liệu, có sự phân lớp vật liệu và mẫu cũng rất dễ bị vỡ tại chính chỗ phân<br /> lớp này. Ngoài ra, khi thiêu kết mẫu vật liệu được ép ở áp lực này nhận thấy rằng mẫu<br /> thiêu kết hay bị vỡ. Chính vì vậy, áp lực ép nguội hợp lý để tạo phôi xanh nằm khoảng<br /> 200-500 MPa vừa đảm bảo vật liệu có sự kết khối tốt, có độ bền tránh vỡ khi vận chuyển,<br /> thiêu kết mẫu và cho vào khuôn ép nóng.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Sự phụ thuộc khối lượng riêng của mẫu vào áp lực ép khi ép nguội.<br /> Trong nghiên cứu [1,7,8] đã xác định được rằng sự dịch chuyển cửa sổ truyền qua tại<br /> vùng bước sóng ngắn đối với gốm MgF2 phụ thuộc vào nhiệt độ ép nóng. Đối với vật liệu<br /> gốm quang học được chế tạo từ vật liệu dị hướng quang học MgF2 (ne- no=0,012) thì sự<br /> dịch chuyển vị trí của cửa sổ truyền qua tại vùng bước sóng ngắn là do sự tán xạ ánh sáng<br /> tại pha thứ hai (gọi là pha tạp) và tại pha chính khi mà kích thước hạt tương đương với<br /> bước sóng ánh sáng.<br /> Nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực ép lên tính chất và cấu trúc của vật liệu gốm KO-12<br /> được tiến hành đối với các giá trị áp lực khác nhau và ở hai giá trị nhiệt độ (bảng 1). Lựa<br /> chọn nhiệt độ 700 oC dựa trên kết quả nghiên cứu mà khi đó sẽ thu được kích thước hạt<br /> theo yêu cầu và loại trừ sự thuỷ phân nhiệt bột gốm [10], còn lựa chọn nhiệt độ ép ở 800<br /> o<br /> C khi áp lực ép lớn nhằm phân tích ảnh hưởng của áp lực và nhiệt độ lên tính chất của vật<br /> liệu thu được. Thời gian ép được chọn cố định 25 phút. Tăng thời gian ép là không hợp lý<br /> vì khi đó có khả năng làm tăng kích thước hạt của vật liệu [1,5,7-9].<br /> Bảng 1. Các chế độ công nghệ ép nóng gốm KO-12 được nghiên cứu.<br /> Chế độ ép mẫu Áp lực ép, MPa Nhiệt độ ép, oC Thời gian ép, phút<br /> Chế độ ép 1 50 700 25<br /> Chế độ ép 2 150 700 25<br /> Chế độ ép 3 200 700 25<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 105<br />  Vật lý<br /> <br /> Chế độ ép 4 200 800 25<br /> Kết quả xác định khối lượng riêng, độ cứng tế vi của các mẫu vật liệu thấy rằng (bảng<br /> 2) khối lượng riêng và độ cứng tế vi của vật liệu tăng khi tăng áp lực ép. Khi giá trị áp lực<br /> ép không lớn (50 MPa) khối lượng riêng của vật liệu đã đạt 99,37% so với lý thuyết, còn<br /> khi áp lực ép lớn (200 MPa) khối lượng riêng của vật liệu đạt 99,81%. Như vậy càng tăng<br /> áp lực ép tốc độ tăng khối lượng riêng càng chậm và so với áp lực thấp thì tăng áp lực ép<br /> đến 200 MPa chỉ làm tăng 0,44% khối lượng riêng của vật liệu. Tuy nhiên, áp lực ép càng<br /> cao thì khả năng kết khối của vật liệu càng tốt, cho phép giảm nhiệt độ ép thấp hơn nên<br /> kích thước hạt mịn hơn và vật liệu thu được sẽ có các tính chất cơ-lý tốt hơn [8,9,11].<br /> Bảng 2. Kích thước hạt và tính chất cơ-lý vật liệu gốm KO-12<br /> sau khi ép nóng ở các chế độ khác nhau.<br /> Kích thước Khối lượng<br /> Chế độ ép mẫu Độ cứng tế vi, Gpa<br /> hạt, µm riêng, g/cm3<br /> o<br /> Chế độ ép 1 (50 MPa, 700 C) 0,50-0,55 3,160 5,95<br /> Chế độ ép 2 (150 MPa, 700 oC) 0,40-0,45 3,172 6,80<br /> Chế độ ép 3 (200 MPa, 700 oC) 0,40-0,45 3,174 6,92<br /> o<br /> Chế độ ép 4 (200 MPa, 800 C) 1,50-2,10 3,174 6,93<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) chế độ ép 1 b) chế độ ép 2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> c) chế độ ép 3 d) chế độ ép 4<br /> Hình 2. Cấu trúc tế vi mẫu gốm quang học KO-12 được chế tạo trong nước<br /> với các chế độ ép khác nhau.<br /> <br /> <br /> <br /> 106 N.N. Hưng, N.K. Hoàn, …, “Nghiên cứu công nghệ chế tạo… cho hệ quang hồng ngoại.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Kết quả phân tích cấu trúc các mẫu vật liệu cho thấy (hình 2), chế độ ép 3 đảm bảo thu<br /> được cấu trúc hạt mịn nhất với kích thước hạt khoảng 0,40-0,45 μm. Ở chế độ ép 4, kích<br /> thước hạt lớn lên nhiều nhất (1,5-2,1 μm). Tăng kích thước hạt tinh thể sau khi ép nóng sẽ<br /> làm giảm độ truyền qua của vật liệu, đặc biệt đối với vùng bước sóng ngắn (nhìn thấy) và<br /> hồng ngoại gần [1,2,5].<br /> Kết quả nghiên cứu cũng thấy rằng khi tăng nhiệt độ ép, mặc dù ở áp lực ép lớn (200<br /> MPa), kích thước hạt của vật liệu vẫn tăng mạnh đạt giá trị đến 2,1 µm mặc dù không nhận<br /> thấy sự tăng khối lượng riêng và độ cứng tế vi. Như vậy thấy rằng nhiệt độ ép rất quan<br /> trọng, quyết định đến kích thước hạt của vật liệu; còn áp lực ép, ngoài ảnh hưởng đến kích<br /> thước hạt tinh thể [1,3,11], sẽ quyết định đến khối lượng riêng của vật liệu.<br /> Mẫu vật liệu gốm sau ép nóng được ủ ở nhiệt độ 600 oC và 650 oC với thời gian 30<br /> phút [1,12]. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ủ lên tính chất cơ-lý của vật liệu KO-<br /> 12 được trình bày trong bảng 3 chỉ ra rằng khối lượng riêng của vật liệu KO-12 không bị<br /> thay đổi, độ cứng của mẫu vật liệu sau khi ủ bị giảm đi có thể do giảm ứng suất dư và biến<br /> dạng tế vi trong vật liệu sau khi ép nóng gây nên lưỡng chiết quang do textua [2,3].<br /> Bảng 3. Tính chất vật liệu gốm KO-12 trước và sau khi ủ.<br /> Vật liệu gốm Nhiệt độ ủ, Thời gian Khối lượng Độ cứng tế vi,<br /> o<br /> C ủ, phút riêng, g/cm3 GPa<br /> - - 3,174 6,92<br /> Theo chế độ ép mẫu:<br /> o 600 30 3,173 6,87<br /> 200MPa, 700 C<br /> 650 30 3,174 6,84<br /> Theo<br /> - -<br /> TU 3-3.2321-91<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1 – Chế độ ép 1; 2 – Chế độ ép 2;<br /> 3 – Chế độ ép 3; 4 – Chế độ ép 4.<br /> Hình 3. Độ truyền qua của vật liệu gốm quang học KO-12 được chế<br /> tạo trong nước với các chế độ công nghệ khác nhau.<br /> Kết quả đo kiểm độ truyền qua các mẫu vật liệu gốm KO-12 được ép ở các chế độ ép<br /> khác nhau và ủ 30 phút ở nhiệt độ 600 oC được chỉ ra trong hình 3. Kết quả đo thấy rằng<br /> tăng kích thước hạt thì cửa sổ truyền qua tại vùng ánh sáng bước sóng ngắn (nhìn thấy)<br /> của vật liệu càng dịch chuyển về vùng bước sóng dài hơn.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 107<br />  Vật lý<br /> <br /> Bảng 4. Chỉ số suy giảm bức xạ hồng ngoại mẫu gốm quang học KO-12.<br /> Hệ số suy giảm bức xạ hồng ngoại, cm-1<br /> Bước sóng, µm<br /> Theo TU 3-<br /> Chế độ 1 Chế độ 2 Chế độ 3 Chế độ 4<br /> 3.2321-91<br /> 0,8 ≤ 0,94 0,886 0,698 0,698 1,005<br /> 1,0 ≤ 0,54 0,824 0,522 0,522 0,886<br /> 1,2 ≤ 0,43 0,745 0,420 0,420 0,824<br /> 4,0 ≤ 0,08 0,076 0,070 0,060 0,091<br /> 4,5 ≤ 0,06 0,060 0,060 0,045 0,070<br /> 5,0 ≤ 0,40 0,137 0,131 0,125 0,137<br /> Khi biết độ truyền qua hồng ngoại có thể xác định chỉ số suy giảm bức xạ hồng ngoại<br /> của vật liệu theo công thức:<br /> 1<br />  ( )  lg  ( ) (3)<br /> <br /> Trong đó: δ – chiều dày của mẫu đo, mm; τ(λ) – hệ số truyền qua của bức xạ hồng<br /> ngoại (0< τ(λ)