Tổng hợp và khảo sát một số tính chất của Gốm cordierite

T¹p chÝ Hãa häc, T. 43 (5), Tr. 554 - 558, 2005<br /> <br /> <br /> <br /> tæng hîp vµ kh¶o s¸t mét sè tÝnh chÊt cña GèM<br /> CORDIERITE<br /> §Õn Tßa so¹n 13-10-2004<br /> Phan V¨n T êng , Ng« Sü L ¬ng1, TrÇn Ngäc TuyÒn2, Phan ThÞ Ho ng Oanh2<br /> 1<br /> <br /> 1<br /> Khoa Hãa häc, Tr êng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn, §¹i häc Quèc gia H) Néi<br /> 2<br /> Khoa Hãa häc, Tr êng §¹i häc Khoa häc, §¹i häc HuÕ<br /> <br /> <br /> Summary<br /> Synthesis of cordierite ceramics by the co-precipitation reaction in Aluoi kaolin suspension<br /> system was investigated. Cordierite formation in this system is attributed to the reaction between<br /> SiO2 and sapphirine phase, which resulted from metastable kaolinite and decomposed MgO and<br /> Al2O3 at about 1000oC. Cordierite sintered at 1300oC and it showed a linear thermal expansion<br /> coefficient of 2.8.10-6/oC. Its microstructure exhibited small sized grain (2 µm) with high uniform<br /> grain size distribution. Obtained cordierite which possesses a very low dielectric constant<br /> ( 7.5) and particularlly a very low loss angel (tg < 0.03) can be used as an excellent<br /> insulator material.<br /> <br /> <br /> I - Më §ÇU v Al3+ trong huyÒn phï cao lanh A L4íi víi t¸c<br /> nh©n kÕt tña (NH4)2CO3. Phèi liÖu ®4îc sÊy kh«<br /> Cordierite (2MgO.2Al2O3.5SiO2) l lo¹i vËt ë 105oC v nung s¬ bé ë 700oC trong 3 giê.<br /> liÖu cã h»ng sè ®iÖn m«i bÐ, cã ®é bÒn nhiÖt, MÉu sau khi nung s¬ bé ®4îc t¹o viªn h×nh trô<br /> bÒn c¬, bÒn hãa cao v ®Æc biÖt cã hÖ sè gi.n në ( = 12 mm, h = 1 mm) theo ph4¬ng ph¸p nÐn 1<br /> nhiÖt rÊt bÐ. V× thÕ, gèm cordierite ®4îc sö dông chiÒu b»ng m¸y Ðp thñy lùc DANIR (§an<br /> trong nhiÒu lÜnh vùc [2]. §Ó h¹ thÊp nhiÖt ®é M¹ch) víi lùc Ðp 5.000 KG/cm2.<br /> nung còng nh4 c¶i thiÖn sù thiªu kÕt cña C¸c qu¸ tr×nh x¶y ra khi nung ®4îc kh¶o s¸t<br /> cordierite, ®. cã nhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu trªn m¸y ph©n tÝch nhiÖt 2960 SDT V3.0F (h.ng<br /> tæng hîp cordierite dùa trªn nÒn kho¸ng TA Instruments, Mü), nhiÖt ®é nung cùc ®¹i:<br /> kaolinite [4 - 6]. Trong b i b¸o tr4íc ®©y [1], 1200oC, tèc ®é n©ng nhiÖt 10oC/phót, m«i<br /> chóng t«i giíi thiÖu kÕt qu¶ tæng hîp cordierite tr4êng kh«ng khÝ.<br /> tõ cao lanh H÷u Kh¸nh v cao lanh A L4íi víi<br /> bét Mg(OH)2 theo ph4¬ng ph¸p khuÕch t¸n r¾n - §Ó kh¶o s¸t qu¸ tr×nh h×nh th nh pha<br /> r¾n. Trong b i b¸o n y, chóng t«i giíi thiÖu kÕt cordierit, mÉu PD ®4îc nung ë c¸c nhiÖt ®é:<br /> qu¶ tæng hîp gèm cordierite b»ng ph4¬ng ph¸p 1000oC, 1100oC, 1150oC, 1200oC, 1250oC v<br /> ®ång kÕt tña Mg2+ v Al3+ trong huyÒn phï cao 1300oC trong lß ®iÖn (LENTON, Mü), tèc ®é<br /> lanh A L4íi v kh¶o s¸t mét sè tÝnh chÊt cña nã. n©ng nhiÖt 10oC/phót, thêi gian l4u 3 giê, m«i<br /> tr4êng kh«ng khÝ. MÉu PD sau khi nung ®4îc<br /> II - THùC NGHIÖM ký hiÖu t4¬ng øng theo nhiÖt ®é nung l<br /> PD1000, PD1100, PD1150, PD1200, PD1250 v<br /> Phèi liÖu cordierite (ký hiÖu l PD) ®4îc PD1300. Th nh phÇn pha tinh thÓ cña mÉu sau<br /> ®iÒu chÕ b»ng ph4¬ng ph¸p ®ång kÕt tña Mg2+ khi nung ®4îc kh¶o s¸t b»ng ph4¬ng ph¸p nhiÔu<br /> <br /> 554<br /> x¹ tia X (SIEMENS D5005, §øc) víi Cu nhiÖt ®é tõ 25oC ÷ 800oC.<br /> K , step 0,03o, step time 1s.<br /> §Ó kh¶o s¸t vi cÊu tróc cña gèm cordierite, III - kÕt qu¶ v th¶o luËn<br /> mÉu sau khi nung thiªu kÕt ®4îc m i nh½n bãng<br /> bÒ mÆt v xö lý bÒ mÆt (eching) b»ng dung dÞch 1. Sù h×nh th nh pha cordierite<br /> HF 5% trong thêi gian 10s. MÉu ®4îc ®4îc H×nh 1 tr×nh b y gi¶n ®å DTA v TG cña<br /> quan s¸t b»ng hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (SEM) (h.ng mÉu PD v cao lanh A L4íi (ký hiÖu l CLAL).<br /> JEOL, NhËt B¶n). KÕt qu¶ cho thÊy, ®èi víi mÉu CLAL, pic thu<br /> §iÖn dung (C) v gãc tæn thÊt ®iÖn m«i (tg ) nhiÖt ë 505oC l kÕt qu¶ sù mÊt n4íc hãa häc<br /> ®4îc ®o trªn mÉu h×nh ®Üa ( = 10 mm, h = 1 cña kho¸ng kaolinite øng víi qu¸ tr×nh ph©n hñy<br /> mm), mÉu ®4îc m i nh½n b»ng thiÕt bÞ Labpol kaolinite th nh meta-kaolinite. Pic táa nhiÖt ë<br /> Duo 8 (Anh) cho song ph¼ng v t¹o ®iÖn cùc 977oC øng víi sù t¹o th nh kho¸ng mullite. §èi<br /> b»ng líp phñ b¹c (Ag). Gi¸ trÞ ®iÖn dung v gãc víi mÉu PD, hiÖu øng thu nhiÖt t¹i 238oC v<br /> tæn thÊt ®iÖn m«i cña mÉu ®4îc x¸c ®Þnh ë nhiÖt 416oC t4¬ng øng víi c¸c qu¸ tr×nh mÊt n4íc cña<br /> ®é phßng trong d¶i tÇn sè f = 1 kHz ÷ 1 MHz Al(OH)3 v ph©n hñy cña MgCO3, trong khi ®ã<br /> b»ng thiÕt bÞ ph©n tÝch trë kh¸ng Hioki 3532 hiÖu øng thu nhiÖt t¹i 527oC øng víi qu¸ tr×nh<br /> LCR (NhËt B¶n). mÊt n4íc cÊu tróc cña kaolinite t¹o th nh meta-<br /> kaolinite. §Æc biÖt, trong mÉu PD kh«ng t×m<br /> §Ó x¸c ®Þnh hÖ sè gi.n në nhiÖt, mÉu gèm thÊy hiÖu øng táa nhiÖt ë 1000oC øng víi sù t¹o<br /> cordierite sau khi nung thiªu kÕt ®4îc c¾t viªn th nh mullite. §iÒu n y chøng tá khi nung mÉu<br /> h×nh hép víi kÝch th4íc (2 cm × 0,4 cm × 0,4 PD, ph¶n øng t¹o cordierite kh«ng ®i qua con<br /> cm). MÉu ®4îc ®o trªn thiÕt bÞ Dilatometer ®4êng t¹o pha trung gian mullite.<br /> L75/N1 (h.ng LINSEIS, §øc) trong kho¶ng<br /> <br /> 238<br /> <br /> 416<br /> <br /> 527<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 505<br /> <br /> 997<br /> PD<br /> <br /> 1104<br /> CLAL<br /> <br /> CLAL<br /> <br /> <br /> PD<br /> <br /> 200 400 600 800 1000 1200 o<br /> C<br /> <br /> H×nh 1: Gi¶n ®å DTA v TG cña mÉu PD v cao<br /> lanh A L4íi<br /> <br /> Gi¶n ®å nhiÔu x¹ tia X cña mÉu PD sau khi tr×nh b y ë h×nh 2. KÕt qu¶ cho thÊy, t¹i 1000oC,<br /> nung ë c¸c nhiÖt ®é tõ 1000oC ®Õn 1300oC ®4îc ngo i c¸c pha chñ yÕu l quartz (Q) v<br /> <br /> 555<br /> corundum (A), trong mÉu ®. xuÊt hiÖn pha khi ®i tõ huyÒn phï cao lanh A L4íi víi cÊp h¹t<br /> sapphirine (S) v ®Æc biÖt, kh«ng t×m thÊy pic bÐ v dïng ph4¬ng ph¸p khuÕch t¸n r¾n - láng<br /> nhiÔu x¹ ®Æc tr4ng cña mullite. Pha sapphirine ®Ó bæ sung MgO v Al2O3 th× qu¸ tr×nh h×nh<br /> ph¸t triÓn dÇn tíi 1200oC, trong khi ®ã quartz th nh pha cordierite kh«ng qua giai ®o¹n t¹o<br /> gi¶m dÇn v mÇm tinh thÓ cña cordierite (C) ®. th nh mullite nh4 ph4¬ng ph¸p khuÕch t¸n r¾n -<br /> b¾t ®Çu xuÊt hiÖn. ë 1250oC, pha sapphirine r¾n [1]. C¸c oxit MgO v Al2O3 míi sinh ph¶n<br /> gi¶m h¼n v c4êng ®é pic nhiÔu x¹ cña øng ngay víi meta-kaolinite ®Ó t¹o th nh<br /> cordierite t¨ng râ rÖt. T¹i nhiÖt ®é nung 1300oC, sapphirine, sau ®ã sapphirine ph¶n øng víi SiO2<br /> pha chñ yÕu l cordierite, pha sapphirine tuy vÉn t¹o th nh cordierite. Cã thÓ m« t¶ c¸c ph¶n øng<br /> cßn nh4ng víi l4îng kh«ng ®¸ng kÓ. Nh4 vËy, t¹o th nh cordierite nh4 sau:<br /> 527oC<br /> Al2O3.2SiO2.2H2O Al2O3.2SiO2 + 2H2O<br /> (kaolinite) (meta-kaolinite)<br /> 1000oC<br /> Al2O3.2SiO2 + 4MgO + 3Al2O3 4MgO.4Al2O3.2SiO3<br /> (sapphirine)<br /> 1200oC<br /> 4MgO.4Al2O3.2SiO3 + 8SiO2 2(2MgO.2Al2O3.5SiO2)<br /> C (cordierite)<br /> C: Cordierite (2MgO.2Al2O3.5SiO2)<br /> C S: Sapphirine (4MgO.4Al2O3.2SiO2)<br /> Q: Quartz (SiO2)<br /> C<br /> C C A: Corundum (Al2O3)<br /> <br /> C C C<br /> S S<br /> PD1300<br /> C S<br /> C<br /> S S<br /> C C C S S<br /> C S S<br /> <br /> PD1250<br /> C4êng ®é (Cps)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> S<br /> S<br /> S S SS<br /> C C<br /> S<br /> PD1200<br /> Q S S<br /> S S S<br /> S<br /> <br /> Q<br /> PD1150<br /> <br /> Q S S S<br /> PD1100<br /> Q<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Q S<br /> A S S<br /> Q<br /> A<br /> PD1000<br /> <br /> 10 20 30 40 50 60 70<br /> Gãc nhiÔu x¹ (2 )<br /> H×nh 2: Gi¶n ®å nhiÔu x¹ tia X cña mÉu PD nung ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau<br /> 556<br />  ¶nh SEM cña mÉu gèm cordierite nung ë H×nh 4 tr×nh b y hÖ sè gi.n në nhiÖt ( ) cña<br /> 1300oC ®4îc tr×nh b y ë h×nh 3. KÕt qu¶ cho gèm cordierite ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau. KÕt<br /> thÊy vi cÊu tróc cña mÉu gèm cordierite gåm qu¶ cho thÊy, khi thay ®æi nhiÖt ®é tõ nhiÖt ®é<br /> nh÷ng h¹t cã kÝch th4íc kho¶ng 2 µm víi sù phßng ®Õn 800oC, gi¸ trÞ hÖ sè gi.n në nhiÖt<br /> ph©n bè t4¬ng ®èi ®ång nhÊt, kh«ng t×m thÊy sù trung b×nh cña mÉu kho¶ng 2,8.10-6/oC. KÕt qu¶<br /> ph¸t triÓn kÝch th4íc bÊt th4êng cña c¸c h¹t thu ®4îc phï hîp víi c«ng bè cña Y. Kobayashi<br /> còng nh4 c¸c læ trèng xèp. KÕt qu¶ n y chøng v céng sù [4]. KÕt qu¶ n y chøng tá gèm<br /> tá gèm cordierite thu ®4îc ®. thiªu kÕt rÊt tèt v cordierite thu ®4îc cã hÖ sè gi.n në nhiÖt rÊt bÐ,<br /> cã ®é ch¾c ®Æc cao. ®¹t yªu cÇu kü thuËt cña vËt liÖu bÒn nhiÖt, vËt<br /> liÖu chÞu löa, gèm ®iÖn m«i... [2].<br /> 2. TÝnh chÊt cña gèm cordierit<br /> <br /> 6<br /> <br /> <br /> 5<br /> <br /> HÖ sè gi.n në nhiÖt (10 / C)<br /> -6 0<br /> <br /> 4<br /> <br /> <br /> 3<br /> <br /> <br /> 2<br /> <br /> <br /> 1<br /> <br /> <br /> 0<br /> 100 200 300 400 500 600 700 800<br /> 0<br /> NhiÖt ®é ( C)<br /> H×nh 3: ¶nh SEM cña mÉu PD1300 H×nh 4: HÖ sè gi.n në nhiÖt cña mÉu PD1300<br /> <br /> H×nh 5 tr×nh b y sù phô thuéc cña h»ng sè IV - kÕt luËn<br /> ®iÖn m«i ( ) v gãc tæn thÊt ®iÖn m«i (tg ) cña<br /> gèm cordierite theo tÇn sè. KÕt qu¶ cho thÊy: Phèi liÖu cordierite cã tØ lÖ hîp thøc ®4îc<br /> khi thay ®æi tÇn sè trong kho¶ng tõ 1 KHz ÷ 1 tæng hîp th nh c«ng b»ng ph4¬ng ph¸p ®ång<br /> MHz, gi¸ trÞ ( ) v (tg ) hÇu nh4 kh«ng thay kÕt tña Mg2+ v Al3+ trong huyÒn phï cao lanh A<br /> ®æi ®¸ng kÓ, ( ) dao ®éng trong kho¶ng tõ 7,5 ÷ L4íi b»ng t¸c nh©n kÕt tña (NH4)2CO3. Gèm<br /> 7,8. Khi t¨ng dÇn tÇn sè, gãc tæn thÊt ®iÖn m«i cordierite ch¾c ®Æc víi kÝch th4íc h¹t nhá thu<br /> gi¶m dÇn ®¹t gi¸ trÞ 0,024 ë 0,4 MHz th× kh«ng ®4îc b»ng c¸ch nung thiªu kÕt ë 1300oC trong 3<br /> thay ®æi. C¸c kÕt qu¶ n y chøng tá sù tÝch ®iÖn giê. Sù h×nh th nh pha cordierite cã thÓ tãm t¾t<br /> cña gèm cordierite cã thÓ tù ®iÒu chØnh tøc thêi nh4 sau: MgO v Al2O3 míi sinh t¸c dông víi<br /> víi bÊt kú sù thay ®æi n o cña ®iÖn thÕ. Gi¸ trÞ meta-kaolinite ë 1000oC t¹o th nh sapphirine.<br /> h»ng sè ®iÖn m«i ( ) hÇu nh4 ®éc lËp víi tÇn sè Sau ®ã, sapphirine ph¶n øng víi SiO2 t¹o th nh<br /> còng kh¼ng ®Þnh thªm gèm cordierite thu ®uîc cordierite. Gèm cordierite thu ®4îc cã hÖ sè<br /> l ®¬n pha v ®ång nhÊt th nh phÇn hãa häc. gi.n në nhiÖt thÊp ( = 2,8.10-6/oC), h»ng sè<br /> C¸c kÕt qu¶ kh¶o s¸t tÝnh chÊt ®iÖn cña gèm ®iÖn m«i nhá ( 7,5), gãc tæn thÊt ®iÖn m«i rÊt<br /> cordierite thu ®4îc phï hîp víi c«ng bè cña M. nhá (tg < 0,03) ®¸p øng yªu cÇu vËt liÖu c¸ch<br /> A. Camerucci v céng sù [2]. ®iÖn øng dông trong c«ng nghÖ ®iÖn tö.<br /> <br /> <br /> 557<br />  0.10 10<br /> <br /> (a) (b)<br /> 0.08 9<br /> Tæn thÊt ®iÖn m«i (tg )<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H»ng sè ®iÖn m«i ( )<br /> 0.06 8<br /> <br /> <br /> 0.04 7<br /> <br /> <br /> 0.02 6<br /> <br /> <br /> 0.00 5<br /> 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0<br /> TÇn sè (MHz) TÇn sè (MHz)<br /> H×nh 5: Sù phô thuéc cña h»ng sè ®iÖn m«i ( ) (H. 5a) v tæn thÊt ®iÖn m«i (tg ) (H. 5b)<br /> cña mÉu PD1300 theo tÇn sè<br /> <br /> <br /> T i liÖu tham kh¶o 4. Y. Kobayashi, K. Sumi, E. Kato. Preparation<br /> of dense cordierite ceramics from<br /> 1. Phan V¨n T4êng, TrÇn Ngäc TuyÒn, Lª magnesium compounds and kaolinite<br /> §×nh Quý S¬n, NguyÔn V¨n ThÞnh. T¹p chÝ without additives. Ceramics International,<br /> Hãa häc, T. 42, sè 3 (2004). 26, P. 739 - 743 (2000).<br /> 2. M. A. Camerucci, G. Urretavizcaya, M. S. 5. S. Kurama, E. Ozel, N. Ay. Synthesis and<br /> Castro, A. L. Cavalieri. Journal of the sintering of cordierite at low temperature<br /> European Ceramic Society, 21, P. 2917 - from kaolin and magnesium hydroxide.<br /> 2923 (2001). Engineering Materials, Vols. 264 - 268, P.<br /> 3. R. Goren, A. Mergen, R. Ceylantekin. 925 - 928 (2004).<br /> Engineering Materials Vols. 264 - 268, P. 6. K. Sumi, Y. Kobayashi, E. Kato. J. Am.<br /> 301 - 304 (2004). Ceram. Soc., 81, 4, P. 1029 - 1032 (1998).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 558<br />