intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Vật liệu phi kim loại

Chia sẻ: Nguyễn Thị Giỏi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST
Báo xấu
1.423
lượt xem 473
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bản chất và phân loại: Ceramic hay còn gọi là vật liệu vô cơ được tạo thành từ các hợp chất hóa họ giữa: - Kim loại (Me) với các á kim bao gồm B, C, N, O và Si ( bán kim loại hay bán dẫn) bao gồm các borit, cacbit, nitrit, oxyt, silixit kim loại hay.

Chủ đề:

Bình luận(1) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Vật liệu phi kim loại

  1. 283 PhÇn IV vËt liÖu phi kim lo¹i Ch­¬ng 7 ceramic 7.1. Kh¸i niÖm chung 7.1.1. B¶n chÊt vµ ph©n lo¹i Ceramic hay cßn gäi lµ vËt liÖu v« c¬ ®­îc t¹o thµnh tõ c¸c hîp chÊt hãa häc gi÷a: - kim lo¹i (Me) víi c¸c ¸ kim bao gåm B, C, N, O vµ Si (b¸n kim lo¹i hay b¸n dÉn) bao gåm c¸c borit, cacbit, nitrit, «xyt, silixit kim lo¹i hay - c¸c ¸ kim kÕt hîp víi nhau nh­ c¸c cacbit, nitrit, «xyt cña bo vµ silic (SiC, BN, SiO2) nh­ biÓu thÞ ë h×nh 7.1 H×nh 7.1. C¸c kh¶ n¨ng kÕt hîp gi÷a c¸c nguyªn tè hãa häc ®Ó t¹o nªn ceramic. Víi sù kÕt hîp ®a d¹ng nh­ vËy lµm cho ceramic còng ®a d¹ng vÒ thµnh phÇn hãa häc vµ tÝnh chÊt. Theo c¸c d¹ng hîp chÊt h×nh thµnh, ceramic cã nhiÒu lo¹i nh­: + ®¬n «xyt kim lo¹i (Al2O3 trong gèm corindon), + ®¬n «xyt b¸n kim lo¹i (SiO2 trong thñy tinh th¹ch anh), + hçn hîp nhiÒu «xyt kim lo¹i (sø, thñy tinh silicat), + c¸c ®¬n nguyªn tè (bo, cacbon), + cacbit, nitrit cña kim lo¹i vµ ¸ kim (TiC, SiC, BN, ZrN...). Cã thÓ ph©n lo¹i ceramic theo thµnh phÇn hãa häc, theo cÊu tróc, theo ph­¬ng ph¸p c«ng nghÖ, lÜnh vùc sö dông... Theo c¸c ®Æc ®iÓm kÕt hîp, thÞnh hµnh c¸ch ph©n lo¹i ceramic ra lµm ba nhãm chÝnh: • gèm vµ vËt liÖu chÞu löa, • thñy tinh vµ gèm thñy tinh, • xim¨ng vµ bªt«ng. 283
  2. 284 7.1.2. Liªn kÕt nguyªn tö Do ceramic ®­îc t¹o nªn tõ c¸c nguyªn tè cã b¶n chÊt hãa häc kh¸c nhau: kim lo¹i vµ ¸ kim, nªn cã liªn kÕt vµ cÊu tróc phøc t¹p kh¸c víi kim lo¹i. Kh¸c víi kim lo¹i (chñ yÕu cã liªn kÕt kim lo¹i), trong ceramic kh«ng cã liªn kÕt kim lo¹i mµ lµ kÕt hîp gi÷a liªn kÕt ion vµ liªn kÕt ®ång hãa trÞ. VÝ dô, tû lÖ liªn kÕt ion cña c¸c nguyªn tè K, Mg, Zr, Ti, Al, B, Si, C víi «xy lÇn l­ît lµ 90, 80, 67, 63, 60, 45, 40, 22% (phÇn cßn l¹i lµ liªn kÕt ®ång hãa trÞ). ChÝnh cã liªn kÕt phøc hîp nh­ vËy n¨ng l­îng liªn kÕt trong ceramic t­¬ng ®èi lín, kho¶ng 100 ÷ 500kJ/mol (cao h¬n kim lo¹i, 60 ÷ 250kJ/mol) nªn nã cã nhiÖt ®é nãng ch¶y cao, mËt ®é cao, cøng, gißn, trong suèt vµ c¸ch ®iÖn cao. Còng do ®Æc ®iÓm vÒ liªn kÕt nh­ vËy mµ cÊu tróc tinh thÓ cña ceramic kh¸c víi kim lo¹i, cô thÓ lµ: - cÊu tróc tinh thÓ phøc t¹p, vµ - ngoµi cÊu tróc tinh thÓ (phøc t¹p), trong ceramic cã thÓ tån t¹i c¶ tr¹ng th¸i v« ®Þnh h×nh. H∙y xÐt c¸c cÊu tróc nµy. 7.1.3. Tr¹ng th¸i tinh thÓ a. KiÓu m¹ng tinh thÓ vµ sè s¾p xÕp Nh­ ®∙ biÕt, bÊt cø hîp chÊt nµo còng ph¶i trung hßa vÒ ®iÖn: tæng sè ®iÖn tÝch ©m cña c¸c anion ph¶i b»ng tæng sè ®iÖn tÝch d­¬ng cña c¸c cation. YÕu tè cã ¶nh h­ëng lín ®Õn kiÓu m¹ng tinh thÓ vµ sè s¾p xÕp (phèi trÝ) cña m¹ng ceramic lµ t­¬ng quan vÒ kÝch th­íc (b¸n kÝnh) ion gi÷a cation vµ anion (rC / rA). Cã thÓ thÊy r»ng c¸c nguyªn tö kim lo¹i cho ®i ®iÖn tö khi bÞ «xy hãa nªn cation th­êng cã kÝch th­íc bÐ h¬n anion ¸ kim nhËn ®iÖn tö (b¶ng 7.1), nªn rC / rA < 1. øng víi c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña tû sè nµy m¹ng tinh thÓ sÏ cã c¸c kiÓu vµ sè phèi trÝ - sè s¾p xÕp (sè c¸c anion l©n cËn gÇn nhÊt víi cation bÊt kú) kh¸c nhau nh­ biÓu thÞ ë b¶ng 7.2. B¶ng 7.1. B¸n kÝnh ion cña mét sè cation vµ anion (víi sè phèi trÝ 6) Cation rC, nm Cation rC, nm Anion rA, nm 3+ Al 0,053 Mg2+ 0,072 Br - 0,196 Ba2+ 0,136 Mn2+ 0,067 Cl - 0,181 Ca2+ 0,100 Na+ 0,102 F- 0,133 Cs+ 0,170 Ni2+ 0,069 I- 0,220 Fe2+ 0,077 Si4+ 0,040 O2 - 0,140 Fe3+ 0,069 Ti4+ 0,061 S2 - 0,184 K+ 0,138 Khi rC / rA < 0,155, do cation qu¸ nhá nã chØ bÞ bao quanh gÇn nhÊt bëi hai anion. Khi tû sè rC / rA trong kho¶ng 0,155 ®Õn 0,225 cation n»m gän trong khe hë gi÷a ba anion xÕp xÝt chÆt, nªn cã sè s¾p xÕp (phèi trÝ) lµ ba. Víi tû sè trªn trong kho¶ng 0,225 ÷ 0,414, cation n»m trong lç hæng cña h×nh bèn mÆt t¹o nªn bëi bèn anion, nªn cã sè s¾p xÕp lµ bèn. NÕu rC / rA t¨ng lªn ®Õn 0,414 ÷ 0,732, cation n»m trong lç hæng cña h×nh t¸m mÆt t¹o nªn bëi s¸u anion, nªn cã sè s¾p xÕp lµ s¸u. Khi tû sè rC / rA ®¹t 0,732 ÷ 1,0, cation n»m ë t©m h×nh lËp ph­¬ng víi c¸c ®Ønh lµ t¸m anion nªn cã sè s¾p xÕp lµ t¸m. 284
  3. 285 B¶ng 7.2. Quan hÖ gi÷a rC / rA, sè s¾p xÕp vµ d¹ng ph©n bè ion rC/rA
  4. 286 anion. NhiÒu ceramic th­êng dïng cã cÊu tróc gièng NaCl lµ MgO, MgS, LiF, FeO. CsCl Víi tû sè rCs+ / rCl- = 0,94, m¹ng CsCl sÏ cã sè s¾p xÕp lµ 8, ion Cl - chiÕm vÞ trÝ c¸c ®Ønh h×nh lËp ph­¬ng, cßn t©m khèi lµ cation Cs+, nã nh­ gåm bëi hai m¹ng lËp ph­¬ng ®¬n gi¶n: mét cña cation vµ mét cña anion ®an xen nhau (h×nh 7.3). Sunfit kÏm, kim c­¬ng Víi ZnS, rZn2+ / rS2- < 0,414 nªn cã sè s¾p xÕp lµ 4, tÊt c¶ c¸c anion S2 - h×nh thµnh m¹ng lËp ph­¬ng t©m mÆt, cßn c¸c cation Zn2+ n»m trªn 1/4 c¸c ®­êng chÐo khèi cña h×nh lËp ph­¬ng, so le nhau trªn d­íi nh­ biÓu thÞ ë h×nh 7.4. Nh­ vËy mçi cation Zn2+ ®Òu cã bèn anion S2 - c¸ch ®Òu gÇn nhÊt, vµ ng­îc l¹i. Hîp chÊt MX víi nguyªn tö hãa trÞ cao (hai ®Õn bèn) cã tæ chøc nµy ngoµi ZnS cßn cã ZnTe, SiC. H×nh 7.4. « c¬ së m¹ng tinh thÓ ZnS. H×nh 7.5. « c¬ së m¹ng tinh thÓ kim c­¬ng. Kim c­¬ng, d¹ng thï h×nh cña cacbon, l¹i chiÕm tÊt c¶ c¸c vÞ trÝ cña c¶ Zn lÉn S nh­ biÓu thÞ ë h×nh 7.5. VËy mçi nguyªn tö cacbon liªn kÕt víi bèn nguyªn tö cacbon kh¸c vµ ë ®©y tÊt c¶ liªn kÕt ®Òu hoµn toµn (100%) ®ång hãa trÞ, kh«ng cã liªn kÕt ion. M¹ng nµy cßn ®­îc gäi lµ lËp ph­¬ng kim c­¬ng. c. CÊu tróc MX2 hay M2X NÕu hãa trÞ cña cation vµ anion kh«ng gièng nhau, nªn sè l­îng tham gia kh¸c nhau, chóng t¹o nªn hîp chÊt MmXp, trong ®ã m hoÆc p ≠ 1 hay m vµ p ®Òu kh¸c 1. Kh¶o s¸t tr­êng hîp mét gi¸ trÞ b»ng 1, cßn gi¸ trÞ kia b»ng 2. M¹ng tinh thÓ fluorit canxi CaF2 ®­îc tr×nh bµy ë h×nh 7.6a, t¹o nªn bëi « lËp ph­¬ng t©m mÆt cña Cation Ca2+, t¸m anion F - n»m ë t©m cña t¸m khèi lËp ph­¬ng nhá trong nã. M¹ng tinh thÓ cuprit Cu2O ®­îc tr×nh bµy ë h×nh 7.6b, t¹o nªn bëi « lËp ph­¬ng t©m khèi cña anion O2-, bèn cation Cu+ bè trÝ gièng nh­ bèn nguyªn tö bªn trong cña kim c­¬ng. M¹ng tinh thÓ cña rutin TiO2 ®­îc tr×nh bµy ë 286
  5. 287 h×nh 7.6c, t¹o nªn bëi « chÝnh ph­¬ng (bèn ph­¬ng) t©m khèi cña cation Ti4+ víi a = 0,45nm, c = 0,29nm. Mçi cation Ti 4+ ®­îc s¸u anion O2- gÇn nhÊt bao quanh, cßn mçi anion O2- ®­îc bao quanh gÇn nhÊt bëi ba cation Ti4+. H×nh 7.6. M¹ng tinh thÓ cña: a. CaF2, b. Cu2O, c. TiO2, d. BaTiO3 d. CÊu tróc MmNnXp Mét sè ceramic cã thÓ ®­îc t¹o thµnh trªn c¬ së m¹ng tinh thÓ cña hai hay nhiÒu lo¹i cation (M, N). VÝ dô, titanat bari BaTiO3 cã cÊu tróc m¹ng ®­îc tr×nh bµy ë h×nh 7.6d, trong ®ã Ba2+ n»m ë ®Ønh h×nh lËp ph­¬ng, Ti4+ - t©m khèi h×nh lËp ph­¬ng, O2 - - t©m c¸c mÆt bªn. e. §a diÖn phèi trÝ vµ m¹ng tinh thÓ Nh­ vËy, cã thÓ coi mét c¸ch gÇn ®óng m¹ng tinh thÓ cña phÇn lín c¸c ceramic lµ m¹ng cña c¸c ion, trong ®ã c¸c cation vµ anion chiÕm vÞ trÝ nót m¹ng. Nh­ng do lu«n lu«n cã mét tû lÖ nhÊt ®Þnh liªn kÕt ®ång hãa trÞ nªn trong m¹ng cã sù ®iÒu chØnh vµ s¾p xÕp l¹i, c¸c anion X bao quanh cation Me (kim lo¹i) t¹o ra h×nh ®a diÖn phèi trÝ MeXn. ChØ sè n chÝnh lµ sè s¾p xÕp (phèi trÝ) phô thuéc tû lÖ b¸n kÝnh gi÷a cation vµ anion (rC / rA), cã gi¸ trÞ tõ 2 ®Õn 8 tïy theo kiÓu h×nh ®a diÖn phèi trÝ ë b¶ng 7.2 (cã thÓ cã tr­êng hîp sè phèi trÝ lµ 12). Trong c¸c nhãm ceramic hÖ «xyt phæ biÕn h¬n c¶ lµ ®a diÖn phèi trÝ h×nh bèn mÆt MeO4 (n = 4) vµ h×nh t¸m mÆt MeO6 (n = 6). C¸c ®a diÖn phèi trÝ liªn kÕt víi nhau t¹o ra m¹ng tinh thÓ cña vËt liÖu. Chóng cã thÓ liªn kÕt víi nhau qua ®Ønh hoÆc qua c¹nh hoÆc qua mÆt cña ®a diÖn phèi trÝ. §é bÒn v÷ng cña m¹ng sÏ lín nhÊt khi c¸c ®a diÖn phèi trÝ nèi nhau qua ®Ønh, gi¶m dÇn khi nèi nhau qua c¹nh vµ qua mÆt. 287
  6. 288 VÝ dô nh­ thÊy râ ë h×nh 7.7: ®¬n vÞ cÊu tróc c¬ b¶n cña vËt liÖu silicat lµ khèi bèn mÆt SiO44 - h×nh thµnh nªn bëi c¸c anion O2 - (h×nh a). Víi sù nèi nhau (gãp chung anion O2-) cña c¸c khèi bèn mÆt ®ã mµ mçi h×nh bèn mÆt ®Òu bÞ chia bít anion O2 - cho c¸c h×nh bèn mÆt kh¸c ®Ó h×nh thµnh nªn c¸c cÊu tróc phøc t¹p h¬n n÷a. Mét sè trong c¸c cÊu tróc ®ã ®­îc tr×nh bµy ë c¸c h×nh b,c,d víi c¸c c«ng thøc Si2O76 -, Si3O96 -, Si6O1812 - vµ t¹o nªn m¹ch ®¬n nh­ ë h×nh e víi c«ng thøc (SiO 3 )2n n − H×nh 7.7. C¸c kiÓu s¾p xÕp cña c¸c ®a diÖn phèi trÝ SiO4. f. KhuyÕt tËt trong m¹ng tinh thÓ ceramic KhuyÕt tËt ®iÓm ®ãng vai trß ®Æc biÖt quan träng trong ceramic. H×nh 7.8. S¬ ®å nót trèng vµ nguyªn tö xen kÏ (a) vµ c¸c khuyÕt tËt Frenkel vµ Schotky (b) trong ceramic. Còng gièng nh­ trong kim lo¹i, trong ceramic tån t¹i c¶ hai lo¹i: nguyªn tö xen kÏ vµ nót trèng cña c¶ cation lÉn anion. VÝ dô, ®èi víi NaCl cã thÓ cã c¶ nguyªn tö xen kÏ vµ nót trèng cña c¶ Na+ lÉn Cl -. Tuy nhiªn anion cã kÝch th­íc t­¬ng ®èi lín nªn khi n»m ë vÞ trÝ xen gi÷a nót m¹ng sÏ g©y ra x« lÖch qu¸ m¹nh ®èi víi c¸c ion bao quanh, nªn ®iÒu nµy Ýt x¶y ra (tøc kh«ng cã kh¶ n¨ng x¶y ra 288
  7. 289 anion xen kÏ). Trªn h×nh 7.8 tr×nh bµy s¬ ®å cña nót trèng anion vµ cation vµ nguyªn tö xen kÏ. Do c¸c nguyªn tö trong ceramic tån t¹i nh­ c¸c ion tÝch ®iÖn nªn vÉn ph¶i b¶o ®¶m trung hßa vÒ ®iÖn ngay khi kh¶o s¸t khuyÕt tËt vÒ tæ chøc, do vËy c¸c khuyÕt tËt trong m¹ng tinh thÓ kh«ng x¶y ra ®¬n lÎ. Mét kiÓu khuyÕt tËt nh­ thÕ bao gåm cÆp nót trèng cation - nguyªn tö xen kÏ cation (h×nh 7.8b), x¶y ra khi cation rêi vÞ trÝ quy ®Þnh vµ ®i vµo vÞ trÝ xen kÏ mµ kh«ng cã biÕn ®æi g× vÒ ®iÖn tÝch (khuyÕt tËt nµy ®­îc gäi lµ khuyÕt tËt Frenkel). Mét kiÓu khuyÕt tËt kh¸c th­êng thÊy ë hîp chÊt MX lµ cÆp nót trèng cation - nót trèng anion (h×nh 7.8b) x¶y ra khi mét cation vµ mét anion cïng rêi vÞ trÝ quy ®Þnh bªn trong tinh thÓ vµ c¶ hai ®Òu ®Þnh vÞ ë bÒ mÆt ngoµi (khuyÕt tËt Schotky). Do ph¶i trung hßa vÒ ®iÖn bao giê ®i kÌm víi mét nót trèng anion còng ph¶i cã mét nót trèng cation t­¬ng øng. §¸ng chó ý lµ tû lÖ cation / anion tøc thµnh phÇn cña hîp chÊt kh«ng ¶nh h­ëng ®Õn sù h×nh thµnh c¶ khuyÕt tËt Frenkel lÉn khuyÕt tËt Schotky. NÕu chØ cã nh÷ng khuyÕt tËt ®ã, kh«ng cã khuyÕt tËt kiÓu kh¸c th× vËt liÖu ®­îc gäi lµ hîp thøc (stoichiometric). Sù hîp thøc chØ x¶y ra khi tû lÖ cation / anion chÝnh x¸c, ®óng víi c«ng thøc hãa häc (vÝ dô NaCl, hîp thøc x¶y ra khi tû lÖ ion Na+ / Cl - ®óng b»ng 1). Ceramic kh«ng hîp thøc lµ lo¹i cã sai lÖch nµo ®ã so víi tû lÖ chÝnh x¸c. Sù kh«ng hîp thøc cã thÓ x¶y ra víi ceramic trong ®ã mét trong c¸c ion cã thÓ cã hai hãa trÞ. VÝ dô, trong vustit FeO, Fe cã thÓ tån t¹i ë d¹ng Fe2+ vµ Fe3+ mµ sè l­îng cña mçi lo¹i phô thuéc vµo nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt bao quanh. Sù h×nh thµnh mét cation Fe3+ sÏ ph¸ vì sù trung hßa ®iÖn v× sù t¨ng thªm mét ®iÖn tÝch d­¬ng sÏ ®­îc bï l¹i bëi mét khuyÕt tËt nµo ®ã (vÝ dô b»ng sù t¹o nªn mét nót trèng Fe2+ ®Ó thÕ cho hai ion Fe3+ t¹o thµnh nh­ biÓu thÞ ë h×nh 7.9). Do vËy tinh thÓ kh«ng cßn hîp thøc n÷a v× sè l­îng ion «xy ®∙ nhiÒu h¬n ion s¾t lµ mét mµ tinh thÓ vÉn trung hßa ®iÖn. HiÖn t­îng nµy th­êng gÆp ë «xyt s¾t vµ c«ng thøc hãa häc th­êng ®­îc viÕt b»ng Fe1-xO (trong ®ã x chØ ®iÒu kiÖn cña sù kh«ng hîp thøc khi thiÕu Fe). H×nh 7.9. S¬ ®å biÓu diÔn H×nh 7.10. S¬ ®å biÓu diÔn nguyªn tö mét nót trèng Fe2+ trong FeO t¹p chÊt xen kÏ, thay thÕ anion, thay lµm h×nh thµnh hai cation thÕ cation trong ceramic. Fe3+. g. T¹p chÊt Trong ceramic c¸c nguyªn tö t¹p chÊt cã thÓ h×nh thµnh dung dÞch r¾n thay 289
  8. 290 thÕ vµ xen kÏ nh­ trong kim lo¹i tu©n theo c¸c ®iÒu kiÖn vÒ quan hÖ kÝch th­íc (h×nh 7.10). Ngoµi ra sù thay thÕ còng ph¶i tu©n theo quy t¾c sù gièng nhau nhiÒu nhÊt vÒ ph­¬ng diÖn ®iÖn: nÕu nguyªn tö t¹p chÊt lµ cation trong ceramic, nã sÏ cã nhiÒu kh¶ n¨ng thay thÕ cho cation chÝnh. VÝ dô, ®èi víi NaCl, t¹p chÊt Ca2+ vµ O2- th­êng t­¬ng øng thay thÕ cho Na+ vµ Cl -. Khi c¸c ion t¹p chÊt cã ®iÖn tÝch kh¸c víi ion chÝnh khi thay thÕ, tinh thÓ ph¶i bï l¹i sù kh¸c nhau vÒ ®iÖn ®Ó b¶o ®¶m trung hßa ®iÖn trong chÊt r¾n b»ng c¸ch t¹o nªn c¸c khuyÕt tËt m¹ng nh­ ®∙ tr×nh bµy. Qua c¸c kh¶o s¸t nh­ ®∙ tr×nh bµy, cã thÓ thÊy lµ trong m¹ng tinh thÓ ceramic cã chøa rÊt nhiÒu khuyÕt tËt, ®Æc biÖt lµ c¸c nót trèng, c¸c rç nhá ®­îc coi nh­ c¸c vÕt nøt tÕ vi lu«n cã s½n ë bªn trong còng nh­ trªn bÒ mÆt, ®iÒu nµy ¶nh h­ëng xÊu ®Õn c¬ tÝnh cña ceramic. 7.1.4. Tr¹ng th¸i v« ®Þnh h×nh Tr¹ng th¸i v« ®Þnh h×nh cña ceramic cã thÓ ®­îc t¹o thµnh b»ng c¸c con ®­êng kh¸c nhau. - Mét sè nguyªn tè, hîp chÊt (S, SiO2, B2O3, P2O5...) víi cÊu tróc m¹ng chÆt chÏ, møc ®é liªn kÕt néi t¹i cao nªn ®é sÖt (nhít) cao ë tr¹ng th¸i nãng ch¶y, g©y trë ng¹i cho sù dÞch chuyÓn, s¾p xÕp nguyªn tö trËt tù, t¹o nªn mÇm cho kÕt tinh. Nh÷ng chÊt nµy do b¶n chÊt nh­ vËy nªn hçn hîp nãng ch¶y khi lµm nguéi b×nh th­êng kh«ng cã qu¸ tr×nh kÕt tinh, tr¹ng th¸i nãng ch¶y sÏ chuyÓn thµnh chÊt láng qu¸ nguéi, ®«ng cøng l¹i thµnh chÊt r¾n thñy tinh. C¸c vËt liÖu nµy kh«ng cã nhiÖt ®é nãng ch¶y (kÕt tinh) x¸c ®Þnh nh­ vËt liÖu tinh thÓ, nã chuyÓn tr¹ng th¸i tõ tõ trong mét kho¶ng nhiÖt ®é. - Víi c¸c hîp chÊt cã ®é sÖt (nhít) kh«ng cao l¾m khi lµm nguéi nhanh còng nhËn ®­îc tr¹ng th¸i v« ®Þnh h×nh. H×nh 7.11. S¬ ®å cÊu tróc theo kh«ng gian hai chiÒu cña: a. tinh thÓ th¹ch anh (SiO2), b. thñy tinh th¹ch anh (SiO2), c. thñy tinh natri silicat (Na2O - SiO2). 290
  9. 291 H∙y lÊy thñy tinh SiO2 vµ c¸c dÉn suÊt cña nã lµm vÝ dô (h×nh 7.11). Tinh thÓ th¹ch anh SiO2 ®­îc t¹o thµnh tõ m¹ng l­íi kh«ng gian ba chiÒu cña c¸c khèi bèn mÆt (®a diÖn phèi trÝ) [SiO4]4 - (trªn h×nh chØ vÏ theo kh«ng gian hai chiÒu), c¸c khèi nµy liªn kÕt víi nhau qua ®Ønh, s¾p xÕp mét c¸ch cã quy luËt, trËt tù, cã c¸c yÕu tè ®èi xøng cao (h×nh a). Ng­îc l¹i khi ë tr¹ng th¸i v« ®Þnh h×nh c¸c khèi nµy s¾p xÕp kh«ng theo quy luËt h×nh häc nµo: chóng bÞ x« lÖch nh­ ë thñy tinh th¹ch anh (h×nh b), hay c¸c ion cña chÊt cho thªm (Na+ cña NaO) ph©n bè vµo c¸c vÞ trÝ trèng trong m¹ng vèn ®∙ bÞ x« lÖch nh­ ë thñy tinh silicat (Na2O - SiO2) ë h×nh c, lµm gi¶m møc ®é liªn kÕt cña khung thñy tinh thËm chÝ g©y ®øt m¹ng. 7.1.5. C¬ tÝnh Nh­îc ®iÓm quan träng nhÊt lµm h¹n chÕ sö dông réng r∙i cña ceramic lµ c¬ tÝnh cña nã kÐm vËt liÖu kim lo¹i mµ chñ yÕu lµ do dÔ dÉn ®Õn ph¸ hñy gißn mét c¸ch nguy hiÓm víi n¨ng l­îng hÊp thô rÊt thÊp. a. Ph¸ hñy gißn trong ceramic ë nhÖt ®é th­êng, d­íi t¸c dông cña t¶i träng kÐo c¶ ceramic tinh thÓ lÉn v« ®Þnh h×nh th­êng bÞ ph¸ hñy gißn mµ kh«ng x¶y ra bÊt kú biÕn d¹ng dÎo nµo tr­íc ®ã mµ nguyªn nh©n chñ yÕu do nøt (®Æc biÖt lµ nøt trªn bÒ mÆt), rçng víi sè l­îng lín lµ ®Æc thï cña ceramic kh«ng nh÷ng tõ cÊu tróc tinh thÓ mµ cßn tõ c«ng nghÖ chÕ t¹o (sÏ nãi sau). Nh­ ®∙ biÕt tõ b¶ng 2.1 ceramic cã gi¸ trÞ KIC rÊt nhá (< 5 MPa m ) so víi vËt liÖu kim lo¹i (30 ÷ 100MPa m ). Sù ph¸ hñy cña ceramic x¶y ra b»ng c¸ch ph¸t triÓn tõ tõ cña vÕt nøt khi øng suÊt lµ tÜnh vµ gi¸ trÞ vÕ ph¶i cña biÓu thøc 2.4 [KIC = Yσ πa ] ch­a ®¹t ®Õn KIC. HiÖn t­îng nµy ®­îc gäi lµ mái tÜnh hay ph¸ hñy chËm. D¹ng ph¸ hñy nµy ®Æc biÖt nh¹y c¶m víi ®iÒu kiÖn cña m«i tr­êng, nhÊt lµ khi cã h¬i n­íc trong khÝ quyÓn. Qu¸ tr×nh ¨n mßn d­íi øng suÊt x¶y ra ë ®Ønh vÕt nøt do cã sù kÕt hîp gi÷a øng suÊt kÐo ®Æt vµo vµ sù hßa tan vËt liÖu (do ¨n mßn) lµm cho nøt bÞ nhän vµ dµi ra cho ®Õn khi cã ®ñ kÝch th­íc ®Ó ph¸t triÓn nhanh. Trong tr­êng hîp chÞu øng suÊt nÐn, kh«ng cã tËp trung øng suÊt do cã nøt, chÝnh v× vËy ceramic cã ®é bÒn ë tr¹ng th¸i nÐn cao h¬n kÐo vµ th­êng ®­îc dïng trong ®iÒu kiÖn t¶i träng nÐn. §é bÒn ph¸ hñy cña ceramic gißn ®­îc c¶i thiÖn nhiÒu nÕu trªn bÒ mÆt nã cã øng suÊt nÐn d­ ®­îc thùc hiÖn b»ng c¸ch t«i. b. BiÓu ®å øng suÊt - biÕn d¹ng vµ m«®un ph¸ hñy Do khã chÕ t¹o mÉu kÐo vµ sù kh¸c nhau qu¸ nhiÒu gi÷a kÐo vµ nÐn nªn víi ceramic ng­êi ta kh«ng tiÕn hµnh thö kÐo mµ thö uèn ngang. Nh­ ®∙ biÕt khi thö uèn ë mÆt trªn mÉu chÞu nÐn, mÆt d­íi chÞu kÐo. M«®un ph¸ hñy hay giíi h¹n bÒn uèn lµ øng suÊt lín nhÊt hay øng suÊt khi ph¸ hñy trong thö uèn, lµ chØ tiªu c¬ tÝnh quan träng ®èi víi ceramic gißn. Gi¸ trÞ cña m«®un ph¸ hñy lµ lu«n lu«n lín h¬n giíi h¹n bÒn kÐo. PhÇn ®µn håi trªn biÓu ®å øng suÊt - biÕn d¹ng khi thö uèn ngang cña ceramic còng nh­ khi thö kÐo cho kim lo¹i víi quan hÖ ®­êng th¼ng (bËc nhÊt, tû lÖ) gi÷a øng suÊt vµ biÕn d¹ng. H×nh 7.12 tr×nh bµy biÓu ®å nµy cña hai ceramic ®iÓn h×nh lµ «xyt nh«m (alumin) vµ thñy tinh. M«®un ®µn håi (®é dèc cña ®­êng th¼ng) cña ceramic lín h¬n kim lo¹i Ýt nhiÒu. B¶ng 7.3 liÖt kª hai gi¸ trÞ trªn cña c¸c ceramic phæ biÕn nhÊt. 291
  10. 292 B¶ng 7.3. M«®un ph¸ hñy vµ m«®un ®µn håi cña c¸c ceramic VËt liÖu M«®un ph¸ M«®un ®µn VËt liÖu M«®un ph¸ M«®un ®µn hñy, MPa håi, GPa hñy, MPa håi, GPa TiC 1100 310 MgO 105 210 Al2O3 200-345 370 MgAl2O4 90 240 BeO 140-275 310 Silica nÊu 110 75 ch¶y SiC 170 470 Thñy tinh 70 70 H×nh 7.12. BiÓu ®å øng suÊt - biÕn d¹ng khi thö uèn ngang cho alumin vµ thñy tinh. c. C¬ chÕ biÕn d¹ng dÎo MÆc dÇu ë nhiÖt ®é th­êng ceramic bÞ ph¸ hñy tr­íc khi biÕn d¹ng dÎo, song trong mét sè ®iÒu kiÖn nã còng cã thÓ bÞ biÕn d¹ng dÎo. Tuy nhiªn sù biÕn d¹ng dÎo cho ceramic tinh thÓ vµ v« ®Þnh h×nh cã nh÷ng ®Æc ®iÓm kh¸c nhau. Ceramic tinh thÓ Gièng nh­ kim lo¹i lµ vËt liÖu tinh thÓ, víi ceramic tinh thÓ biÕn d¹ng dÎo còng x¶y ra b»ng sù dÞch chuyÓn cña lÖch. Mét trong nh÷ng nguyªn nh©n cho ®é cøng vµ tÝnh gißn cao cña vËt liÖu nµy lµ do khã tr­ît hay lÖch khã chuyÓn ®éng v× qu¸ Ýt hÖ tr­ît. Sù khã tr­ît cßn do nguyªn nh©n vÒ liªn kÕt ion, ban ®Çu mçi ion ®Òu ®­îc bao bäc bëi c¸c ion kh¸c dÊu nªn cã lùc hót, khi tr­ît ®i mét kho¶ng c¸ch nguyªn tö, c¸c ion cïng dÊu l¹i ®øng ®èi diÖn nhau nªn l¹i n¶y sinh lùc ®Èy. Sù biÕn ®æi b¶n chÊt liªn kÕt nh­ thÕ kh«ng thÓ x¶y ra nªn kh«ng thÓ tr­ît ®­îc (®iÒu nµy kh«ng cã ¶nh h­ëng g× ®Õn kim lo¹i v× c¸c nót m¹ng ®Òu lµ c¸c ion cïng dÊu - cation). Ceramic v« ®Þnh h×nh §èi víi ceramic v« ®Þnh h×nh, biÕn d¹ng dÎo còng kh«ng x¶y ra do kh«ng cã s¾p xÕp nguyªn tö trËt tù, vËt liÖu bÞ biÕn d¹ng b»ng ch¶y nhít gièng nh­ sù 292
  11. 293 biÕn d¹ng cña chÊt láng: tèc ®é biÕn d¹ng tû lÖ thuËn víi øng suÊt ®Æt vµo. D­íi t¸c dông cña øng suÊt tiÕp, c¸c nguyªn tö vµ ion ®­îc tr­ît dÞch ®i víi nhau b»ng c¸ch ph¸ vì vµ h×nh thµnh l¹i liªn kÕt gi÷a c¸c nguyªn tö kh«ng theo c¸ch m« t¶ theo m« h×nh mÆt, ph­¬ng tr­ît víi c¬ chÕ lÖch. Sù ch¶y nhít ®­îc m« t¶ ë h×nh 7.13. H×nh 7.13. M« h×nh ch¶y nhít cña chÊt láng vµ thñy tinh láng d­íi t¸c dông cña øng suÊt ®Æt vµo §é nhít, tÝnh chÊt ®Æc tr­ng cña ch¶y nhít, lµ th­íc ®o søc bÒn chèng biÕn d¹ng cña vËt liÖu v« ®Þnh h×nh. §èi víi ch¶y nhít trong chÊt láng bÞ giíi h¹n bëi hai tÊm ph¼ng song song vµ bÞ t¸c dông cña øng suÊt tiÕp th× ®é nhít η lµ tû sè cña øng suÊt tiÕp τ vµ sù biÕn thiªn cña tèc ®é dÞch chuyÓn dv víi kho¶ng c¸ch dy theo ph­¬ng vu«ng gãc víi c¸c tÊm, tøc lµ F τ η= = A dv dv dy dy nh­ s¬ ®å h×nh 7.13. C¸c ®¬n vÞ ®o cña ®é nhít lµ poise (P) vµ pascal.s (pascal.gi©y, Pa.s); 1P = 1dyne-s/cm2 vµ 1Pa.s = 1N.s/m2, sù chuyÓn ®æi gi÷a chóng nh­ sau: 10P = 1Pa.s. ChÊt láng cã ®é nhít kh¸ thÊp, nh­ n­íc ë nhiÖt ®é th­êng η = 10-3Pa.s, trong khi ®ã thñy tinh cã ®é nhít rÊt cao ë nhiÖt ®é th­êng do liªn kÕt nguyªn tö m¹nh, nh­ng khi nhiÖt ®é t¨ng lªn, lùc lªn kÕt gi¶m ®i, sù chuyÓn ®éng tr­ît hay ch¶y cña c¸c nguyªn tö hay ion trë nªn dÔ dµng h¬n nªn ®é nhít gi¶m ®i. 7.2. Gèm vµ vËt liÖu chÞu löa 7.2.1. B¶n chÊt vµ ph©n lo¹i Gèm lµ vËt liÖu nh©n t¹o cã sím nhÊt trong lÞch sö loµi ng­êi. Khëi ®Çu kh¸i niÖm gèm ®­îc dïng ®Ó chØ vËt liÖu chÕ t¹o tõ ®Êt sÐt, cao lanh (gèm ®Êt nung). VÒ sau, cïng víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc kü thuËt, kh¸i niÖm nµy ®­îc më réng vµ bao gåm thªm ®å sø, c¸c vËt liÖu trªn c¬ së «xyt (vÝ dô gèm Al2O3) vµ c¸c chÊt v« c¬ kh«ng ph¶i lµ «xyt (vÝ dô SiC). Kh¸i niÖm gèm cã liªn quan ®Õn hai néi dung: ph­¬ng ph¸p c«ng nghÖ vµ ®Æc ®iÓm tæ chøc. Ph­¬ng ph¸p c«ng nghÖ gèm ®iÓn h×nh lµ ph­¬ng ph¸p thiªu kÕt bét (nh­ hîp kim bét): khi t¹o h×nh nguyªn liÖu d¹ng bét cã liªn kÕt t¹m thêi, sau ®ã ®­îc nung lªn nhiÖt ®é cao ®Ó liªn kÕt khèi. 293
  12. 294 Tæ chøc ®iÓn h×nh cña gèm lµ ®a pha. Nãi ®a pha v× hai pha chÝnh t¹o nªn gèm lµ pha tinh thÓ vµ pha v« ®Þnh h×nh, trong ®ã pha v« ®Þnh h×nh ph©n bè xen gi÷a c¸c vïng pha tinh thÓ vµ g¾n kÕt chóng l¹i víi nhau. Tû lÖ gi÷a hai pha nµy trong c¸c s¶n phÈm sÏ kh¸c nhau, vÝ dô tû lÖ pha v« ®Þnh h×nh trong g¹ch ngãi lµ 20 ÷ 40%, trong sø - 50 ÷ 65%, gèm Al2O3 - < 1%. Ngoµi hai pha chÝnh ra trong gèm lu«n lu«n cã lç xèp (trong g¹ch: 10 ÷ 50%, gèm nhÑ: > 40%, sø: < 5%) mµ tû lÖ, h×nh d¹ng, kÝch th­íc vµ sù ph©n bè cã ¶nh h­ëng râ rÖt ®Õn c¸c tÝnh chÊt nh­ ®é bÒn c¬ häc, ®é dÉn nhiÖt, kh¶ n¨ng hót n­íc. VÝ dô m«®un ®µn håi E gi¶m ®i theo sù t¨ng lªn cña thÓ tÝch rç xèp P theo biÓu thøc E = E0 (1 - 1,9P + 0,9P2) trong ®ã E0 lµ m«®un ®µn håi cña gèm ®Æc, kh«ng lç xèp. Theo thµnh phÇn hãa häc cã thÓ cã c¸c lo¹i gèm sau: gèm silicat, gèm «xyt, gèm kh«ng ph¶i «xyt vµ gèm chÞu löa. 7.2.2. Gèm silicat Gèm silicat cßn gäi lµ gèm truyÒn thèng lµ lo¹i chÕ t¹o tõ c¸c vËt liÖu silicat thiªn nhiªn ®é s¹ch thÊp, chñ yÕu tõ ®Êt sÐt vµ cao lanh ®Ó t¹o nªn c¸c s¶n phÈm gèm x©y dùng (g¹ch, ngãi, èng dÉn, sø vÖ sinh...), gèm gia dông (Êm chÐn, b¸t ®Üa) vµ gèm c«ng nghiÖp (c¸ch ®iÖn, bÒn hãa, nhiÖt). §Êt sÐt lµ silicat nh«m gåm cã Al2O3, SiO2 vµ n­íc ngËm. TÝnh chÊt cña nã biÕn ®æi réng phô thuéc vµo l­îng t¹p chÊt mµ chñ yÕu lµ c¸c «xyt (Fe, Ba, Ca, Na, K...) vµ mét Ýt chÊt h÷u c¬. CÊu tróc tinh thÓ cña ®Êt sÐt t­¬ng ®èi phøc t¹p song cã ®Æc tr­ng quan träng lµ cã cÊu tróc tÇng nªn khi cã n­íc c¸c ph©n tö n­íc ®iÒn kÝn c¸c tÇng nµy vµ t¹o ra líp mµng máng bao quanh c¸c h¹t ®Êt sÐt lµm cho c¸c h¹t nµy dÔ dÞch chuyÓn víi nhau, t¹o ra ®é dÎo cao cho hçn hîp ®Êt sÐt - n­íc. Cao lanh (kaolinite) lµ kho¸ng phæ biÕn nhÊt cña ®Êt sÐt cã c«ng thøc Al2(Si2O5)(OH)4 hay Al2O3.2SiO2.2H2O. Ngoµi ®Êt sÐt, cao lanh cßn dïng c¸c nguyªn liÖu phô nh­ th¹ch anh SiO2 lµm chÊt ®én, trµng th¹ch KAlSi3O8 lµm trî dung. VÝ dô mét sø ®iÓn h×nh chøa 50% ®Êt sÐt (cao lanh), 25% th¹ch anh, 25% trµng th¹ch. Quy tr×nh s¶n xuÊt gèm silicat nh­ sau. - Gia c«ng, tuyÓn chän nguyªn liÖu: quÆng th« ®­îc nghiÒn mÞn, sµng ®Ó cã ®­îc ®é h¹t yªu cÇu. Do nguyªn liÖu th« th­êng chøa nhiÒu FeO, Fe2O3 nªn khi cÇn thiÕt (khi cÇn mµu tr¾ng) ph¶i qua tuyÓn tõ khö «xyt triÖt ®Ó (< 1%). - C©n, trén phèi liÖu. - Nhµo luyÖn phèi liÖu (®­a thªm n­íc vµo víi l­îng kh¸c nhau ®Ó t¹o ®é dÎo thÝch hîp). - T¹o h×nh s¶n phÈm theo ba c¸ch tïy thuéc ®é Èm: + ph­¬ng ph¸p b¸n kh« víi phèi liÖu cã ®é Èm 8 ÷ 12% ®­îc ®Çm nÐn trong khu«n, + ph­¬ng ph¸p dÎo víi phèi liÖu cã ®é Èm 12 ÷ 25%, tÝnh dÎo cao ®­îc t¹o d¸ng b»ng tay hay dông cô, m¸y chuyªn dïng, + ph­¬ng ph¸p ®óc rãt víi phèi liÖu cã l­îng n­íc cao, phèi liÖu cã d¹ng hå ®­îc rãt vµo khu«n th¹ch cao, khu«n sÏ hót n­íc ®Ó l¹i s¶n phÈm méc. - SÊy. Ban ®Çu c¸c h¹t ®Êt sÐt ®­îc bäc bëi n­íc, khi sÊy h¬i n­íc bay ®i lµm kho¶ng trèng gi÷a c¸c h¹t gi¶m ®i g©y ra co vµ rçng. - Nung ®Õn 900 ÷ 1400oC hay cao h¬n tïy thuéc vµo thµnh phÇn, c¬ tÝnh yªu cÇu, s¶n phÈm (gèm x©y dùng, g¹ch ë 900oC, sø: 1400oC, gèm cao alumin 294
  13. 295 1600oC). Trong qu¸ tr×nh nung mËt ®é cña gèm t¨ng lªn (do gi¶m lç xèp) vµ c¬ tÝnh ®­îc c¶i thiÖn. Khi gèm ®­îc nung ®Õn nhiÖt ®é cao cã x¶y ra mét sè ph¶n øng trong ®ã ®¸ng quan t©m nhÊt lµ sù thñy tinh hãa: sù h×nh thµnh dÇn dÇn thñy tinh láng, ch¶y vµo ®iÒn kÝn c¸c lç hæng vµ s¶n phÈm ®­îc co thªm. Khi nguéi, pha nãng ch¶y ®«ng ®Æc l¹i t¹o ra nÒn liªn kÕt lµm bÒn, ch¾c s¶n phÈm. Gèm cã lo¹i tr¸ng men vµ kh«ng tr¸ng men. Líp men cã thÓ ®­îc nung ch¶y cïng mét lÇn víi s¶n phÈm hoÆc nung l¹i lÇn thø hai. Theo ®Æc ®iÓm kÕt cÊu cña x­¬ng gèm, ng­êi ta ph©n biÖt hai lo¹i th« vµ tinh. Gèm th« cã cÊu tróc x­¬ng t¹o bëi c¸c h¹t vËt liÖu r¾n cã kÝch th­íc lín vµ kh«ng ®ång ®Òu (vÝ dô g¹ch ngãi, g¹ch chÞu löa). Gèm tinh ®­îc t¹o bëi c¸c h¹t mÞn vµ ®ång ®Òu (vÝ dô sø, gèm, corindon Al2O3). 7.2.3. Gèm «xyt Gèm «xyt lµ gèm cã thµnh phÇn hãa häc lµ mét ®¬n «xyt (Al2O3 hoÆc TiO2) hoÆc mét «xyt phøc x¸c ®Þnh (vÝ dô MgO.Al2O3, BaO.TiO2), nh­ vËy trong thµnh phÇn kh«ng cã SiO2. Kh¸c víi gèm silicat, gèm «xyt cã ®é tinh khiÕt hãa häc cao h¬n h¼n (tû lÖ t¹p chÊt rÊt thÊp) vµ tû lÖ pha tinh thÓ còng cao h¬n h¼n (tû lÖ pha v« ®Þnh h×nh rÊt thÊp) ®Ó lµm vËt liÖu kü thuËt cã ®é bÒn nhiÖt vµ ®é bÒn c¬ häc rÊt cao, cã c¸c tÝnh chÊt ®iÖn vµ tõ ®Æc biÖt. Cã thÓ chia thµnh ba nhãm nhá. a. Gèm «xyt trªn c¬ së c¸c «xyt cã nhiÖt ®é nãng ch¶y cao Víi c¸c «xyt cã nhiÖt ®é ch¶y cao tiªu biÓu lµ Al2O3 (2050oC), MgO (2850 C), ZrO2 (2500 ÷ 2600oC), MgO.Al2O3 (2135oC) b»ng c«ng nghÖ gèm tinh o (víi ®é tinh khiÕt > 98%), thiªu kÕt ë nhiÖt ®é cao víi tæ chøc tinh mÞn vµ hÇu nh­ toµn bé lµ tæ chøc mét pha. Chóng bao gåm c¸c lo¹i sau. Gèm corindon (Al2O3 ë d¹ng thï h×nh α) víi nhiÖt ®é sö dông kho¶ng 1900oC ®­îc dïng lµm chÐn, nåi nÊu kim lo¹i víi ®é cøng HB 2000 ®­îc dïng lµm vËt liÖu c¾t, h¹t mµi, thËm chÝ cÊy ghÐp vµo x­¬ng. Gèm pericla (MgO) víi nhiÖt ®é sö dông cao tíi 2400oC vµ cã tÝnh kiÒm (bad¬) ®­îc dïng lµm nåi nÊu ch¶y kim lo¹i bÒn víi muèi clorit vµ fluorit nãng ch¶y. Gèm ziªcona (ZrO2) víi nhiÖt ®é sö dông cao (2300oC), gi∙n në nhiÖt Ýt, -7 o 20.10 / K, vµ gèm spinel (MgO.Al2O3) ®­îc dïng vµo c¸c môc ®Ých ®Æc biÖt ë nhiÖt ®é cao. b. Gèm trªn c¬ së TiO2 Gèm trªn c¬ së TiO2 cã c¸c tÝnh chÊt ®Æc biÖt (®iÖn m«i, s¾t tõ, ¸p ®iÖn) ®­îc sö dông réng r∙i trong kü thuËt ®iÖn vµ ®iÖn tö. Cã thÓ chØ lµ ®¬n «xyt nh­ gèm rutil (TiO2) hay cã pha thªm c¸c «xyt kh¸c ®Ó ®iÒu chØnh c¸c tÝnh chÊt ®iÖn tõ. c. Gèm trªn c¬ së Fe2O3 vµ «xyt kim lo¹i nÆng Gèm trªn c¬ së Fe2O3 vµ c¸c «xyt kim lo¹i nÆng kh¸c thuéc nhãm Fe t¹o ra c¸c vËt liÖu b¸n dÉn vµ vËt liÖu tõ. MeO.Fe2O3 (trong ®ã Me cã thÓ lµ Mn, Zn, Ni, Mg, Co, Cu, Cd, Ti...) ®­îc gäi lµ ferit tõ hay ®¬n gi¶n lµ ferit, thuéc lo¹i vËt liÖu tõ mÒm, ®­îc dïng rÊt nhiÒu trong kü thuËt ®iÖn tÇn sè cao do cã ®iÖn trë rÊt lín (103 ÷ 1012 Ω.cm) nªn dßng fuc« sinh ra rÊt nhá, tæn thÊt ®iÖn rÊt nhá. Mét øng dông quan träng cña nã lµ lµm dÉn tõ ghÐp vµo vßng c¶m øng khi nung nãng b»ng dßng ®iÖn c¶m øng cã tÇn sè cao khi t«i, hµn, nÊu ch¶y vµ c¸c môc ®Ých kh¸c. 295
  14. 296 d. G¹ch chÞu löa VËt liÖu chÞu löa (refractories) lµ lo¹i vËt liÖu ®Ó x©y l¾p c¸c lß (luyÖn kim, thñy tinh, h¬i, nung kim lo¹i, nhiÖt luyÖn...) vµ thiÕt bÞ c«ng nghiÖp lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao. Theo quy ­íc chung mét vËt liÖu ®­îc coi lµ vËt liÖu chÞu löa khi nã cã ®é chÞu löa lín h¬n 1520oC, tøc nhiÖt ®é t¹i ®ã khèi vËt liÖu h×nh chãp víi kÝch th­íc quy ®Þnh bÞ ®¸nh gôc. VËt liÖu chÞu löa trªn thÞ tr­êng cã thÓ ë nhiÒu d¹ng nh­ng g¹ch lµ lo¹i quan träng vµ phæ biÕn h¬n c¶, ®­îc s¶n xuÊt theo c«ng nghÖ gèm th«. §©y lµ ®iÓm ph©n biÖt quan träng víi c¸c gèm «xyt kÓ trªn trong khi vÒ thµnh phÇn cã thÓ gièng nhau. Sau ®©y ph©n biÖt c¸c lo¹i g¹ch chÞu löa ®iÓn h×nh. §inat (silica) víi thµnh phÇn > 93% SiO2 d­îc s¶n xuÊt b»ng ph­¬ng ph¸p thiªu kÕt bét. G¹ch ®inat cã tÝnh axit víi nhiÖt ®é lµm viÖc cao (> 1550oC) dïng ®Ó x©y lß coke, vßm lß thñy tinh, c¸c vïng nung trong lß tuynen, mét sè lß luyÖn kim. Sam«t lµ gèm th« Al2O3 - SiO2 víi nguyªn liÖu chÝnh lµ ®Êt sÐt, cao lanh. Theo thµnh phÇn hãa häc cã sam«t th­êng (30 ÷ 40% Al2O3) - trung tÝnh vµ sam«t b¸n axit (chØ chøa 20 ÷ 30% Al2O3). Víi ®é chÞu löa t­¬ng ®èi tèt (~ 1400oC) tïy tõng lo¹i chóng ®­îc dïng trong lß nung clinke, khÝ hãa, h¬i vµ mét sè lß luyÖn kim. Cao alumin còng thuéc hÖ Al2O3 - SiO2 nh­ sam«t nh­ng víi hµm l­îng Al2O3 cao h¬n (45 ÷ 95%) nªn ®é chÞu löa cao h¬n (≥ 1600oC), ®­îc sö dông khi cã yªu cÇu cao vÒ ®é chÞu löa mµ sam«t kh«ng ®¸p øng næi. G¹ch kiÒm tÝnh lµ hÖ g¹ch chÞu löa cã MgO víi c¸c thµnh phÇn kh¸c nhau: pericla hay manhªzit (MgO), pericla - cr«mit hay cr«m - manhªzit (Cr2O3 - MgO), ®«l«mit (MgO - CaO)..., chóng rÊt bÒn víi xØ kiÒm lµ yªu cÇu rÊt quan träng víi luyÖn thÐp vµ mét sè kim lo¹i ®Ó cã thÓ t¹o ra xØ kiÒm (CaO), khö t¹p chÊt cã h¹i vµ còng ®­îc dïng trong mét sè lß kh¸c. Nh­ vËy vÒ c«ng dông c¸c g¹ch chÞu löa kh«ng cã sù kh¸c nhau lín vÒ ®é chÞu löa mµ chñ yÕu lµ ë m«i tr­êng lµm viÖc (axit, kiÒm hay trung tÝnh). e. VËt liÖu chÞu löa kh¸c §ã lµ lo¹i kh«ng s¶n xuÊt theo ph­¬ng ph¸p gèm mµ dïng c¸ch nÊu ch¶y hay vÉn dïng c¸ch thiªu kÕt bét nh­ gèm nh­ng nguyªn liÖu kh«ng ph¶i lµ «xyt. S¶n xuÊt theo c¸ch nÊu ch¶y «xyt (trong lß ®iÖn hå quang) ®­îc gèm th«, ®é xÝt chÆt cao víi tû lÖ pha v« ®Þnh h×nh thÊp, cã rç khÝ lín vµ ph©n bè kh«ng ®Òu gåm corindon (92 ÷ 98% Al2O3), corindon mulit (80%Al2O3, 20% SiO2)... Víi grafit vµ cacbit silic (SiC) cã nhiÖt ®é nãng ch¶y cao 2300 ÷ 2500oC còng cã thÓ t¹o nªn vËt liÖu chÞu löa (b»ng ph­¬ng ph¸p thiªu kÕt bét) cã nh÷ng øng dông nhÊt ®Þnh. 7.3. Thñy tinh vµ gèm thñy tinh 7.3.1. B¶n chÊt vµ ph©n lo¹i VÒ mÆt b¶n chÊt, cã thÓ ph©n biÖt thñy tinh víi gèm vµ vËt liÖu chÞu löa ë: - thñy tinh cã cÊu tróc hoµn toµn lµ v« ®Þnh h×nh, lµ vËt liÖu mét pha ®ång nhÊt (trong khi ®ã ë gèm phÇn lín lµ tinh thÓ), - thñy tinh s¶n xuÊt theo c«ng nghÖ nÊu ch¶y vµ t¹o h×nh tiÕp theo b»ng kÐo (tÊm, èng, sîi), c¸n, Ðp, dËp, thæi (gèm theo c«ng nghÖ thiªu kÕt bét). Còng nh­ gèm, thñy tinh ®­îc sö dông rÊt réng r∙i trong kü thuËt vµ ®êi sèng. Nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt thñy tinh còng phæ biÕn vµ rÎ tiÒn nh­ gèm, nã 296
  15. 297 dïng c¸t tr¾ng (SiO2), s«®a (Na2CO3), ®¸ v«i (CaCO3), trµng th¹ch [(K,Na)AlSi3O8], ®«l«mit (CaCO3.MgCO3)... Theo thµnh phÇn hãa häc vµ c«ng dông cã thÓ cã c¸c lo¹i: th«ng dông vµ c¸c lo¹i kh¸c. 7.3.2. Thñy tinh th«ng dông (silicat kiÒm - kiÒm thæ) §©y lµ lo¹i thñy tinh th­êng gÆp d­íi tªn gäi lµ kÝnh víi víi c¸c thµnh phÇn: SiO2 (65 ÷ 75%), CaO (8 ÷ 15%), Na2O (12 ÷ 18%)... (do vËy cã tªn lµ silicat - SiO2 - kiÒm - Na, kiÒm thæ - Ca) víi nguyªn liÖu c¸t tr¾ng (cung cÊp SiO2), ®¸ v«i (CaO), ®«l«mit (CaO vµ MgO), s«®a (Na2O). Na2O cho vµo ®Ó lµm gi¶m nhiÖt ®é nÊu ch¶y cña hçn hîp, ngoµi ra cã thÓ cã thªm mét Ýt K2O, Al2O3, BaO, B2O3 ®Ó ®iÒu chØnh tÝnh chÊt. §Ó t¹o ®é trong suèt cao ph¶i khö rÊt triÖt ®Ó «xyt s¾t trong nguyªn liÖu (< 0,1% Fe2O3 víi thñy tinh kh«ng mµu, < 0,01% víi lo¹i quang häc), trén ®Òu hçn hîp vµ nÊu ch¶y hoµn toµn. Nh­ ®∙ nãi, ë mäi tr¹ng th¸i thñy tinh ®Òu lµ v« ®Þnh h×nh, nªn khi nung nãng hay lµm nguéi kh«ng cã thay ®æi thÓ tÝch râ rÖt, kh¸c víi vËt liÖu tinh thÓ cã sù thay ®æi ®ét ngét nh­ biÓu thÞ ë h×nh 7.14. Trong khi vËt liÖu tinh thÓ cã nhiÖt ®é kÕt tinh (nãng ch¶y) Ts x¸c ®Þnh øng víi thay ®æi ®ét ngét vÒ thÓ tÝch, th× khi lµm nguéi, thñy tinh ngµy mét nhít (sÖt) h¬n vµ thÓ tÝch gi¶m ®i liªn tôc, t¹i ®iÓm tõ ®ã tèc ®é b¾t ®Çu gi¶m chËm h¬n ®­îc gäi lµ nhiÖt ®é thñy tinh hãa Tg. D­íi nhiÖt ®é nµy vËt liÖu ®­îc coi lµ thñy tinh, cao h¬n nhiÖt ®é nµy lÇn l­ît lµ chÊt láng qu¸ nguéi vµ chÊt láng. H×nh 7.14. Sù thay ®æi thÓ tÝch theo nhiÖt ®é cña vËt liÖu tinh thÓ vµ v« ®Þnh h×nh. Trong gia c«ng, chÕ t¹o thñy tinh, ng­êi ta th­êng quy ®Þnh c¸c nhiÖt ®é (t­¬ng øng víi c¸c ®é nhít) sau ®©y: ch¶y (102P), t¹o h×nh (104P), hãa mÒm (4.107P), ñ (1013P) vµ gißn (3.1014P), trong ®ã Tg n»m ë cao h¬n nhiÖt ®é gißn. ë nhiÖt ®é t¹o h×nh rÊt dÔ biÕn d¹ng thñy tinh b»ng c¸ch Ðp, thæi, kÐo. Ðp lµ ph­¬ng ph¸p t¹o h×nh gÇn nh­ dËp nãng trong khu«n cèi b»ng gang ®óc bäc grafit, dïng ®Ó chÕ t¹o c¸c s¶n phÈm cã thµnh t­¬ng ®èi dµy. Thæi lµ ph­¬ng ph¸p t¹o h×nh c¸c s¶n phÈm rçng, thµnh máng nh­ bãng ®Ìn, phÝch n­íc, chai, lä, ®å mü nghÖ... cã thÓ ®­îc thùc hiÖn mét c¸ch thñ c«ng hay c¬ khÝ hãa - tù ®éng hãa d­íi sù trî gióp cña ¸p lùc kh«ng khÝ nÐn. KÐo lµ ph­¬ng ph¸p dïng ®Ó s¶n xuÊt c¸c s¶n phÈm dµi nh­ tÊm máng, thanh, èng vµ sîi, chóng cã tiÕt diÖn ngang kh«ng ®æi. VÝ dô khi chÕ t¹o kÝnh tÊm, thñy tinh nãng ch¶y ®­îc kÐo d©ng lªn vµo 297
  16. 303 7.5.2. Sîi bo vµ c¸c sîi kh¸c ë tr¹ng th¸i liÒn khèi, bo rÊt cøng vµ gißn kh«ng thÓ trùc tiÕp kÐo thµnh sîi ®­îc, do vËy ph¶i chÕ t¹o nã theo c¸ch kh¸c: b»ng c¸ch hoµn nguyªn mét halogenua bo (vÝ dô BCl3) b»ng hy®r« ë nhiÖt ®é cao ®Ó t¹o ra bo nguyªn tö råi h×nh thµnh c¸c tinh thÓ v« cïng nhá mÞn (2 ÷ 3nm) trªn bÒ mÆt sîi d©y vonfram rÊt m¶nh (®­êng kÝnh 10 ÷ 15 cho ®Õn 100 ÷ 200µm). Cuèi cïng ®­îc sîi bo (thùc chÊt lµ sîi vonfram bÒ mÆt cã phñ bo) cã ®é bÒn cßn cao h¬n c¶ sîi cacbon (σb = 3000 ÷ 3500MPa) nh­ng nhiÖt ®é lµm viÖc thÊp h¬n (< 500oC so víi 2000 ÷ 2500oC cña sîi cacbon) víi gi¸ cao h¬n, hµng chôc USD/kg. Còng b»ng c¸ch t­¬ng tù nh­ bo, cã thÓ t¹o ra c¸c sîi cacbit silic cã σb = 2000 ÷ 2500MPa víi nhiÖt ®é lµm viÖc ®Õn 900oC. Kh¸c víi hai lo¹i sîi trªn cã lâi lµ sîi vonfram, sîi «xyt nh«m lµ sîi ®¬n tinh thÓ Al2O3 kh¸ m¶nh (~ 250µm) cã σb = 2000MPa vµ nhiÖt ®é lµm viÖc ®Õn 800oC. 7.5.3. R©u ®¬n tinh thÓ (whiskers) C¸c ®¬n tinh thÓ rÊt nhá (dµi vµi mm, ®­êng kÝnh ~ 1µm) hÇu nh­ kh«ng cã sai lÖch m¹ng (®óng ra chØ cã mét lÖch xo¾n), ®­îc chÕ t¹o theo ph­¬ng ph¸p ®Æc biÖt ®­îc gäi lµ r©u ®¬n tinh thÓ. Lo¹i cã ®­êng kÝnh cµng nhá, chiÒu dµi cµng lín ®­îc coi lµ cèt sîi lý t­ëng cho compozit víi ®é bÒn thùc tÕ gÇn ®¹t ®Õn ®é bÒn lý thuyÕt, nh­ng rÊt ®¾t. R©u ®¬n tinh thÓ hîp chÊt v« c¬ SiC, Al2O3, BeO ®­îc ­a chuéng h¬n kim lo¹i nguyªn chÊt do Ýt ph¶n øng víi nÒn. R©u ®¬n tinh thÓ SiC cã σb = 20000MPa, BeO - 6900MPa. 303
  17. 303 7.5.2. Sîi bo vµ c¸c sîi kh¸c ë tr¹ng th¸i liÒn khèi, bo rÊt cøng vµ gißn kh«ng thÓ trùc tiÕp kÐo thµnh sîi ®­îc, do vËy ph¶i chÕ t¹o nã theo c¸ch kh¸c: b»ng c¸ch hoµn nguyªn mét halogenua bo (vÝ dô BCl3) b»ng hy®r« ë nhiÖt ®é cao ®Ó t¹o ra bo nguyªn tö råi h×nh thµnh c¸c tinh thÓ v« cïng nhá mÞn (2 ÷ 3nm) trªn bÒ mÆt sîi d©y vonfram rÊt m¶nh (®­êng kÝnh 10 ÷ 15 cho ®Õn 100 ÷ 200µm). Cuèi cïng ®­îc sîi bo (thùc chÊt lµ sîi vonfram bÒ mÆt cã phñ bo) cã ®é bÒn cßn cao h¬n c¶ sîi cacbon (σb = 3000 ÷ 3500MPa) nh­ng nhiÖt ®é lµm viÖc thÊp h¬n (< 500oC so víi 2000 ÷ 2500oC cña sîi cacbon) víi gi¸ cao h¬n, hµng chôc USD/kg. Còng b»ng c¸ch t­¬ng tù nh­ bo, cã thÓ t¹o ra c¸c sîi cacbit silic cã σb = 2000 ÷ 2500MPa víi nhiÖt ®é lµm viÖc ®Õn 900oC. Kh¸c víi hai lo¹i sîi trªn cã lâi lµ sîi vonfram, sîi «xyt nh«m lµ sîi ®¬n tinh thÓ Al2O3 kh¸ m¶nh (~ 250µm) cã σb = 2000MPa vµ nhiÖt ®é lµm viÖc ®Õn 800oC. 7.5.3. R©u ®¬n tinh thÓ (whiskers) C¸c ®¬n tinh thÓ rÊt nhá (dµi vµi mm, ®­êng kÝnh ~ 1µm) hÇu nh­ kh«ng cã sai lÖch m¹ng (®óng ra chØ cã mét lÖch xo¾n), ®­îc chÕ t¹o theo ph­¬ng ph¸p ®Æc biÖt ®­îc gäi lµ r©u ®¬n tinh thÓ. Lo¹i cã ®­êng kÝnh cµng nhá, chiÒu dµi cµng lín ®­îc coi lµ cèt sîi lý t­ëng cho compozit víi ®é bÒn thùc tÕ gÇn ®¹t ®Õn ®é bÒn lý thuyÕt, nh­ng rÊt ®¾t. R©u ®¬n tinh thÓ hîp chÊt v« c¬ SiC, Al2O3, BeO ®­îc ­a chuéng h¬n kim lo¹i nguyªn chÊt do Ýt ph¶n øng víi nÒn. R©u ®¬n tinh thÓ SiC cã σb = 20000MPa, BeO - 6900MPa. 303
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2