Tỉ phần oxit zircon đến cơ tính của vật liệu gốm nền oxiy nhôm

Vật lý<br /> <br /> <br /> ¶nh h­ëng cña tû phÇn oxit zircon ®Õn<br /> c¬ tÝnh cña vËt liÖu gèm nÒn oxit nh«m<br /> VŨ THỊ NHUNG*, TẠ VĂN KHOA*, ĐẶNG QUỐC KHÁNH**<br /> Tóm tắt: Với mục tiêu tăng hiệu quả sử dụng cho các vật liệu gốm nền oxít<br /> nhôm, các biện pháp tăng bền là một vấn đề quan trọng hàng đầu khi nghiên cứu<br /> công nghệ chế tạo vật liệu này. Oxít zircon thường được sử dụng để tăng bền<br /> cho các vật liệu gốm do cơ chế chuyển pha tetragonal → monoclin khi có tác<br /> dụng của ứng suất. Nhờ đó, các cơ tính của vật liệu gốm, đặc biệt là độ bền uốn,<br /> độ bền chống phá hủy, độ cứng được cải thiện đáng kể.<br /> Từ khóa: Gốm nền oxít nhôm, Tăng bền bằng chuyển pha oxít zircon.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Vật liệu gốm đã góp phần quan trọng vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật và<br /> công nghiệp như ngành công nghiệp hóa chất, xây dựng, luyện kim, công nghệ chế<br /> tạo máy, giao thông vận tải, khoa học vũ trụ… Cùng với sự tiến bộ của khoa học,<br /> ngày càng nhiều loại vật liệu mới được phát minh, trong đó bao gồm vật liệu gốm<br /> tiên tiến. Gốm tiên tiến được phân thành 3 nhóm chính: vật liệu gốm kết cấu, gốm<br /> chức năng và gốm y sinh. Gốm oxit nhôm có thể được coi là đại diện tiêu biểu của<br /> nhóm gốm kết cấu; được dùng chủ yếu trong các chi tiết kết cấu chịu tải cơ học,<br /> đặc biệt là ở nhiệt độ cao[6]. Bởi vậy, việc tăng bền cho vật liệu gốm nền oxít<br /> nhôm là một vấn đề đáng quan tâm. Có rất nhiều biện pháp tăng bền cho vật liệu<br /> gốm nền oxít nhôm nhưng hiệu quả hơn cả là biện pháp sử dụng oxít zircon dựa<br /> trên đặc tính chuyển pha của oxít zircon[12].<br /> <br /> 2. THỰC NGHIỆM<br /> Các mẫu gốm được chế tạo theo công nghệ luyện kim bột theo sơ đồ sau:<br /> <br /> Nguyên liệu đầu vào Nghiền trộn Sấy, tạo hạt<br /> <br /> <br /> Đánh giá cơ tính Thiêu kết Ép tạo hình<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ công nghệ chế tạo mẫu nghiên cứu.<br /> Bột Al2O3 sử dụng cho nghiên cứu có độ sạch 99,9 %, kích thước hạt trung bình<br /> 150 nm của hãng Inframat (Mỹ). Bột ZrO2 nano có độ sạch 99,99 %, kích thước<br /> hạt trung bình 60 nm của hãng Inframat. Hàm lượng bột ZrO2 nano được thay đổi<br /> từ 0 đến 7%. Bột ZrO2 trước khi nghiền trộn được rung siêu âm 10h trong môi<br /> trường cồn 50% nhằm tăng hiệu quả phân tán ZrO2 đồng đều trong nền Al2O3.<br /> Mẫu bột hỗn hợp Al2O3 + ZrO2 được nghiền trộn trong máy nghiền ly tâm hành<br /> tinh trong 8h. Do kích thước hạt và tỉ trọng của Al2O3 và ZrO2 chênh lệch nhau khá<br /> nhiều nên cần có thêm nguyên công phân tán riêng trong dung môintrước khi trộn<br /> hỗn hợp. Nếu thời gian nghiền 6h, các hạt bột ZrO2 không phân tán đồng đều trên<br /> nền, có hiện tượng kết cụm, dẫn tới nứt bộc phát khi thiêu kết.[13]Các mẫu được<br /> <br /> 120 V.T.Nhung, T.V.Khoa, Đ.Q.Khánh “Ảnh hưởng của tỷ phần ... gốm nền oxít nhôm.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> thiêu kết trên lò Nabertherm ở nhiệt độ 1625oC trong 2h. Sở dĩ lựa chọn nhiệt độ<br /> này vì nhiệt độ thiêu kết pha rắn của các mẫu bột thường nằm trong khoảng 0,7 -<br /> 0,8 nhiệt độ nóng chảy của pha có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất (trong nghiên cứu<br /> này nhiệt độ thiêu kết = (0,7-0,8) *TncAl2O3= 1450- 1650 oC).[13]<br /> Độ bền uốn 4 điểm được đo trên thiết bị kéo nén, độ cứng HV10 được xác định<br /> trên thiết bị AVK-CO/Mitutoyo, hệ số chống nứt xác định bằng phương pháp mũi<br /> đâm HV10. Thành phần pha và cấu trúc vật liệu được đánh giá thông qua giản đồ<br /> nhiễu xạ tia X và ảnh SEM.<br /> <br /> 3. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN<br /> Hình 2 trình bày sự phụ thuộc của độ bền uốn vào hàm lượng ZrO2 nano. Các<br /> mẫu được thiêu kết ở 1625 oC trong thời gian 2h. Từ hình 2 cho thấy độ bền uốn<br /> của gốm Al2O3 tăng khi hàm lượng ZrO2 tăng. Điều đó được giải thích do vai trò<br /> của ZrO2 nano làm ức chế sự phát triển hạt Al2O3 khi thiêu kết và xảy ra cơ chế<br /> tăng bền bằng chuyển pha tetragonal – monoclin của pha ZrO2 khi có tác dụng của<br /> ứng suất cơ học[14].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Sự phụ thuộc của độ bền uốn vào hàm lượng ZrO2.<br /> <br /> Sự phụ thuộc của độ cứng HV10 vào hàm lượng ZrO2 được trình bày trên hình<br /> 3. Khi tăng hàm lượng ZrO2 từ 0 đến 5%, độ cứng HV10 tăng từ 12 GPa lên 17<br /> GPa. Đó là do khi có mặt của ZrO2 tạo thành pha phân tán trong nền Al2O3 có vai<br /> trò ức chế phát triển hạt, dẫn đến vật liệu có cấu trúc hạt mịn, làm tăng độ cứng của<br /> mẫu.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Sự phụ thuộc của độ cứng HV10 vào hàm lượng ZrO2.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 33, 10 - 2014 121<br />  Vật lý<br /> <br /> Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng hàm lượng ZrO2, độ cứng có xu thế giảm. Sự giảm<br /> độ cứng ở đây là do khi hàm lượng ZrO2 cao, sẽ xảy ra sự kết tụ các hạt ZrO2<br /> thành các đám ZrO2 có kích thước lớn. Điều này, có thể được kiểm chứng trên<br /> hình 6: ảnh SEM mẫu có chứa 7% ZrO2. Có thể thấy kích thước hạt của ZrO2 trong<br /> mẫu 7% lớn hơn so với mẫu 5% (Hình 4). Hình 4, hình 5 và hình 6 trình bày ảnh<br /> FE-SEM của mẫu có hàm lượng ZrO2 bằng 5%, 0% và 7% được thiêu kết ở<br /> 1625oC trong 2h. Các mẫu được tẩm thực nhiệt ở 1500oC trong 30 phút. Có thể<br /> thấy rằng đối với mẫu 0% ZrO2, hình ảnh cho thấy cấu trúc của vật liệu chỉ bao<br /> gồm một loại hạt có kích thước khác nhau nằm trong khoảng 0,5m đến 2m.<br /> Điều đó cho thấy các hạt Al2O3 đã lớn lên rất nhiều trong quá trình thiêu kết (Kích<br /> thước hạt trung bình ban đầu cỡ 150 nm).<br /> Đối với mẫu có 5% và 7% ZrO2, hình ảnh cho thấy có hai loại hạt có độ tương<br /> phản khác nhau. Loại thứ nhất có tỷ phần thể tích chiếm đại đa số (hạt đa cạnh,<br /> kích thước lớn) là các hạt Al2O3. Loại thứ 2 có tỷ phần thể tích nhỏ (nằm ở biên<br /> giới hạt Al2O3) là các hạt ZrO2, đã được xác định bằng phân tích EDS được phân<br /> tán khá đồng đều trên toàn bộ mẫu.<br /> <br /> <br /> 2μm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Ảnh FE-SEM của mẫu có Hình 5. Ảnh FE-SEM của mẫu có<br /> hàm lượng 5% ZrO2. hàm lượng 0% ZrO2.<br /> <br /> 2μm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Ảnh Fe-SEM của mẫu có hàm lượng 7%.<br /> <br /> <br /> 122 V.T.Nhung, T.V.Khoa, Đ.Q.Khánh “Ảnh hưởng của tỷ phần ... gốm nền oxít nhôm.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> So sánh kích thước hạt trung bình của các mẫu 0%, 5% ZrO2, 7% cho thấy kích<br /> thước các hạt Al2O3 trong các mẫu giảm dần khi tỉ phần ZrO2 tăng từ 0% đến 7%.<br /> Điều đó khẳng định vai trò ức chế sự phát triển hạt Al2O3 của các hạt ZrO2 nano,<br /> tạo ra cấu trúc hạt mịn, là một trong những nguyên nhân quan trọng nâng cao cơ<br /> tính của vật liệu gốm Al2O3.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Giản đồ XRD của các mẫu 0% và 5 % ZrO2.<br /> <br /> Hình 7 trình bày giản đồ XRD của mẫu 0% và 5% ZrO2 cho thấy mẫu 0% chỉ<br /> bao gồm pha -Al2O3 trong khi mẫu 5% ZrO2 có xuất hiện pha tetragonal ZrO2.<br /> Kết quả này phù hợp với ảnh vi cấu trúc trên hình 4 và hình 5.<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Nghiên cứu đã giải quyết được công nghệ chế tạo vật liệu gốm Al2O3 tăng bền<br /> bằng ZrO2 nano có các hạt ZrO2 nano phân tán đồng đều trên nền Al2O3, do đó<br /> nâng cao cơ tính của vật liệu. Cụ thể là độ bền uốn 4 điểm đạt 450 Mpa, độ cứng<br /> HV10 đạt 17 GPa. Từ vật liệu này có thể được sử dụng để chế tạo các tấm gốm có<br /> kết cấu "mosai" đáp ứng tốt cho chế tạo tấm gốm chống đạn chịu được nhiều phát<br /> bắn trên một mẫu. Đối với gốm sử dụng trong áo giáp chống đạn, HV10> 10 GPa,<br /> độ bền uốn > 250 Mpa đáp ứng tốt yêu cầu chống đạn[1-5].<br /> <br /> Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của đề tài cấp Nhà nước<br /> mã sỗ KC.02.26/06-10<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Jared Henderson, Ballistic body armor, Strategic Standardization, 2008.<br /> [2]. Hystory of Ballistic vest, New World Encyclopedia, 2008.<br /> [3]. Tom Harris, How Body Armor Works, http://www.howstuffworks.com.<br /> [4]. Kata Vitec, Ballistic Body Armour Vests, Soft and Hard Ballistic Inserts,<br /> Ballistic Helmets and Tactical Combat Vests.<br /> [5]. Julie E. Samuels, Ballistic Resistance of Personal Body Armor, NIJ<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 33, 10 - 2014 123<br />  Vật lý<br /> <br /> Standard,0101.04.<br /> [6]. Advanced ceramic armor, Ceradyn. inc, 2003.<br /> [7]. A.Rittidechan, R.Somrita, T.Tunkasirib, (2012), “Effect of adding Y2O3 on<br /> structurer and mechanical properties of Al2O3–ZrO2 ceramics”, Ceramics<br /> International, 10.<br /> [8]. D.Sherman and D.Brandon, (1999), “Mechanical properties of hard<br /> materials and their relation to microstructure”, Adv.Eng.Mater., 1, 161.<br /> [9]. Lee et al, (1983), “Ceramic Al2O3 substoichiometic TiC body”, United<br /> States Patent 4.407.968.<br /> [10] A.Rafferty, A.M.Alsebaie, (2009), “Properties of zirconia-toughened-<br /> . alumina prepared via powder processing and colloidal processing routes”,<br /> Journal of Colloid and Interface Science, 329.<br /> [11] Xu.C, Ai.X, (2001), “Particle Dispersed Ceramic Composite Reinforced with<br /> Rare Earth Additions”, International Journal of Refractory Metals and Hard<br /> Materials, V.19 N02.<br /> [12] Trần Thế Phương - Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu gốm đặc biệt và<br /> chế thử áo giáp chống đạn. Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ -2008.<br /> [13] Tạ Văn Khoa – Nghiên cứu chế tạo áo giáp chống đạn trên cơ sở gốm Al2O3<br /> siêu mịn tăng bền bằng ZrO2 nano để thay thế sản phẩm nhập ngoại – Báo<br /> cáo tổng kết đề tài cấp Nhà Nước – 2012.<br /> <br /> <br /> <br /> ABSTRACT<br /> EFFECT OF ZIRCONIA ON MECHAICAL PROPERTIES<br /> OF CERAMICS BASED ON Al2O3<br /> <br /> To widen the range of uses for ceramic based on aluminum oxide,<br /> strengthening is the most important points when researching on<br /> manufacturing process. Zirconium oxide is always used to strengthen<br /> ceramics because of its phase transition machanisms under mechanical<br /> stress. Thus, the mechanical properties of ceramic materials, especially the<br /> strength, the fracture toughness and the hardness improved significantly.<br /> <br /> Keywords: Ceramics based on aluminum oxide, Zirconium oxide phase transition strengthening.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Nhận bài ngày 10 tháng 7 năm 2014<br /> Hoàn thiện ngày 20 tháng 9 năm 2014<br /> Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 9 năm 2014<br /> <br /> Địa chỉ: * Viện Công nghệ/Tổng cục CN Quốc phòng.<br /> ** Viện Khoa học và Công nghệ Vật liệu/Đại học Bách Khoa Hà Nội.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 124 V.T.Nhung, T.V.Khoa, Đ.Q.Khánh “Ảnh hưởng của tỷ phần ... gốm nền oxít nhôm.”<br />