Vật liệu vô cơ - Ceramic

Chia sẻ: Nguyen Hoang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

442
lượt xem 170
download

Vật liệu vô cơ - Ceramic

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vật liệu vô cơ là sự kết hợp giữa kim loại Me, Si, với á kim B, C, N, O bằng các liên kết ion và cộng hóa trị. Phân loại: nhiều cách phân loại.
Theo đặc điểm kết hợp_ 3 nhóm chính: Gốm và kim loại chịu lửa, Thủy tinh và gốm thủy tinh, Xi măng và bê tông.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Vật liệu vô cơ - Ceramic

113 Ch−¬ng 7 VËt liÖu v« c¬ - ceramic §Þnh nghÜa: VËt liÖu v« c¬ lµ sù kÕt hîp gi÷a kim lo¹i Me, Si víi ¸ kim B,C,N,O b»ng c¸c liªn kÕt ion vµ céng ho¸ trÞ C N Ph©n lo¹i: nhiÒu c¸ch ph©n lo¹i Theo ®Æc ®iÓm kÕt hîp: 3 nhãm chÝ nh: Gèm vµ kim lo¹i chÞu löa B O Thuû tinh vµ gèm thuû tinh Xi m¨ng vµ bª t«ng Theo cÊu tróc: 2 nhãm: Me Si • ®¬n pha: thuû tinh SiO2 (ch−¬ng 1), gèm ®¬n oxit • VËt liÖu ®a pha: hÇu hÕt c¸c vËt liÖu v« c¬ H×nh 7.1. Kh¶ n¨ng kÕt hîp Pha chÝ nh lµ c¸c pha tinh thÓ liªn kÕt víi nhau bëi pha thuû tinh (v« ®Þnh h×nh) : gèm & VL chÞu löa, sø, gèm thuû tinh. Ngoµi ra cßn cã pha khÝ do c«ng nghÖ chÕ t¹o kh«ng tr¸nh khái còng cã thÓ do chñ ®éng ®−a vµo: gèm xèp, thuû tinh xèp, bª t«ng xèp c¸c pha tinh thÓ cã thÓ cã % kh¸c nhau, chøa khuyÕt tËt, nhiÒu vÕt nøt, chóng quyÕt ®Þnh tÝ nh chÊt cña ceramic. 7.1. Quan hÖ gi÷a cÊu tróc vµ tÝ nh chÊt cña ceramic Do cÊu tróc cña vËt liÖu v« c¬ t¹o thµnh tõ c¸c kim lo¹i vµ ¸ kim liªn kÕt ion vµ liªn kÕt céng ho¸ trÞ, vÝ dô: trong oxit : Mg-O, Zr-O, Ti-O , Al-O, B-O , Si-O, C-O % liªn kÕt ion: 80 67 63 60 45 40 22 cßn l¹i lµ liªn kÕt céng ho¸ trÞ VËt liÖu v« c¬ bÒn ho¸ häc, bÒn nhiÖt, c¸ch nhiÖt tèt, mét sè cã tÝ nh chÊt quang ®Æc biÖt P ceramic kim lo¹ i TÝ nh chÊt c¬ häc (nh¾c l¹i biÓu ®å kÐo) • §µn håi gißn: do cÊu tróc, VL bÞ ph¸ huû gißn • §é bÒn lý thuyÕt σLT = (2E.γ/a)1/2 ∆l E- m«dun ®µn håi γ- søc c¨ng bÒ mÆt; a- kho¶ng c¸ch nguyªn tö σLT - vËt liÖu coranh®«ng 50.103 MPa, thuû tinh SiO2 ~ 8.103 MPa • §é bÒn thùc tÕ: do cã nøt tÕ vi 10-3÷100 µm → ®é bÒn thùc tÕ =1/100 ®é bÒn lý thuyÕt : Khi chÞu t¶I kÐo σO th× thùc tÕ σ = 2. σO(l/r)1/2 l: dµI nøt; r: b¸n kÝ nh cong ®Çu vÕt nøt. σ thùc trong vËt liÖu phô thuéc vµo σO vµ tû lÖ thuËn l vµ tû lÖ nghÞch víi r. Khi nøt dµi, ®Çu nhän: σ ≥ [σLT] → nøt t¨ng → ph¸ huû Chó ý vËt liÖu v« c¬ chÞu nÐn tèt h¬n chÞu kÐo (10 lÇn) • §é bÒn vËt liÖu v« c¬ kh«ng ph¶i do n¨ng l−îng liªn kÕt nguyªn tö cÊu t¹o nªn nã mµ do sè l−îng, chiÒu dµi, chiÒu s©u vÕt nøt (h×nh d¹ng). • VËt liÖu v« c¬ tinh thÓ: h¹t cµng nhá th× ®é bÒn cµng cao Bät khÝ 0,1-0,5% h¹t nhá trßn t¨ng ®é bÒn, >0,5% bät cµng dµi cµng nhiÒu ®é bÒn gi¶m m¹nh. Bät khÝ lµm gi¶m ®é dÉn nhiÖt.
114 7.2. C¸c vËt liÖu v« c¬ ®iÓn h×nh 7.2.1. Gèm vµ vËt liÖu chÞu löa Gèm b»ng s¶n phÈm ®Êt nung: NhiÖt ®é nung g¹ch 900oC, sø 1400, t¹o tõ c¸c nguyªn liÖu tù nhiªn: KaolinÝ t Al2O3.2SO2.2H2O → VËt liÖu bét t¹o h×nh nung vËt liÖu gèm • CÊu tróc: gåm c¸c pha tinh thÓ liªn kÕt b»ng pha v« ®Þnh h×nh tû lÖ v« ®Þnh h×nh trong g¹ch ngãi 20-40 %, trong sø 50-60%, Al2O3 1% • Bät khÝ trong g¹ch ngãi 10-50%, trong sø 5% • Ph©n lo¹i o Gèm silicat (gèm truyÒn thèng) mµu xØn do chøa oxyt s¾t, chÕ t¹o tõ silic¸t thiªn nhiªn: ®Êt sÐt, cao lanh (g¹ch ngãi, sø vÖ sinh, Êm chÐn b¸t ®Üa ®å sø gia ®×nh) sø c¸ch ®iÖn ... chÕ t¹o b»ng c«ng nghÖ gèm th« hoÆc c«ng nghÖ gèm tinh ( h¹t nhá) o Gèm oxit gèm t¹o tõ mét lo¹i oxyt Al2O3, TiO2,...) hoÆc mét oxit phøc: MgO.Al2O3, BaO.TiO2 (kh¸c gèm silicat tinh khiÕt cao nªn tû lÖ pha tinh thÓ cao) chÕ t¹o b»ng s¶n phÈm chÊt l−îng cao, vµ c¸c tÝ nh chÊt ®iÖn tõ ®Æc biÖt, chÕ t¹o theo c«ng nghÖ gèm tinh. Al2O3: PhÔu sîi m¸y dÖt, chi tiÕt m¸y dÖt (Al2O3), ®iÖn tö, y tÕ, bét mµi. TiO2: gèm TiO2 lµm tô ®iÖn h»ng sè ®iÖn m«i lín tæn thÊt ®iÖn m«i nhá, Gèm hÖ PbO.TiO2-PbO.ZrO2 cã pha thªm MgO.NiO.ZnO...gäi t¾t lµ gèm PTZ c¶i thiÖn c¸c tÝ nh chÊt ®iÖn m«i ngµy cµng ®−îc dïng nhiÒu trong kü thuËt ®iÖn Fe2O3 + oxit kim lo¹i nhãm TiO2, SnO2, WO3... Gèm b¸n dÉn Zn(Ti4+(X)Fe2+(2-2X)Fe3+(X))O3 , Ti(x)(Fe3+(2-2x)Fe2+(x))O3 .... • C¸c vËt liÖu gèm phioxit c¸c Borit, nit¬rit, cacbit,... vËt liÖu ®¬n nguyªn tè cacbon VËt liÖu chÞu löa (VLCL) VËt liÖu chÞu löa To>1520oC, s¶n xuÊt b»ng c«ng nghiÖp gèm th« dïng ngµnh luyÖn kim, ho¸ häc, gèm... lß nhiÖt ®é cao. VLCL gåm c¸c lo¹i sau: • Dinat (Silicat) > 93%SiO2 g¹ch x©y lß cèc, lß thuû tinh vïng nung lß tuynen cÊu t¹o tõ nguyªn liÖu thiªn nhiªn: c¸t th¹ch anh, quarzit sa th¹ch. • Sam«t gèm th« alumo-silicat, Al2O3 = 20-45% kho¸ng chÝ nh lµ mulit (3Al2O3.2SiO2) vµ cristobalit. S¶n xuÊt tõ hai nguyªn liÖu: + Nguyªn liÖu gÇy: cao lanh nung kÕt khèi thµnh s¹n sam«t trén ®Òu cïng Èm + Nguyªn liÖu dÎo: ®Êt sÐt cïng cao lanh ch−a nung -t¹o h×nh- nung c¸c lo¹i: sam«t th−êng 30-40%Al2O3 sam«t b¸n axit 20-30%Al2O3 C«ng dông x©y lß: gèm sø, xim¨ng, lß khÝ , lß luyÖn kim • VËt liÖu chÞu löa cao alumin thuéc hÖ Alumino-Silicat cã Al2O3~45÷95% kho¸ng chÝ nh lµ mulit 3Al2O3.2SiO2 vµ coranh ®«ng α-Al2O3 nguyªn liÖu chÕ t¹o tõ kho¸ng thiªn nhiªn cã tû lÖ Al2O3 cao:Silimanit, Andaluzit (Al2O3.SiO2) • VËt liÖu cao alumin tÝ nh chÞu nhiÖt tèt l¬n sam«t, tÝ nh ho¸ häc trung tÝ nh víi nhiÒu m«i tr−êng
115 • VËt liÖu chÞu löa kiÒm tÝ nh:Pericla (manhªzit) MgO, Cr«m-manhªzit MgO- Cr2O3. ®Æc ®iÓm: chÞu nhiÖt cao, bÒn víi xØ kiÒm, m«i tr−êng nãng ch¶y kiÒm tÝ nh; thuû tinh kiÒm, xØ luyÖn kim Baz¬, lß xi m¨ng, x©y lß hå quang luyÖn thÐp chÊt l−îng cao. • VËt liÖu chÞu löa trªn c¬ së graphit vµ SiC: Sam«t graphit 6÷60%gr-nåi nÊu kim lo¹i −u ®iÓm dÉn nhiÖt nhanh, kh«ng thÊm −ít kim lo¹i láng, bÒn nhiÖt • VËt liÖu chÞu löa c¸ch nhiÖt lµ c¸c vËt liÖu chÞu löa khi chÕ t¹o ®−a vµo 45-80% khÝ nªn xèp nhÑ. Th−êng ®−îc x©y phÝ a ngoµi ®Ó c¸ch nhiÖt. Ngµy nay cßn dïng vËt liÖu sîi ®Ó c¸ch nhiÖt (sîi cacbon, sîi thuû tinh,…): sam«t nhÑ, §inat nhÑ, Bªt«ng chÞu löa nhÑ,… 7.2.2. Thuû tinh vµ gèm thuû tinh 7.2.2.1.Thuû tinh • CÊu tróc v« ®Þnh h×nh ®−îc t¹o b»ng c¸ch nguéi nhanh vËt liÖu v« c¬ nãng ch¶y- tÝ nh chÊt v« ®Þnh h×nh lµ vËt liÖu mét pha ®ång nhÊt • Kh¸i niÖm thuû tinh cßn ®Ó chØ chung c¸c vËt liÖu cã cÊu tróc v« ®inh h×nh: Thuû tinh h÷u c¬, thuû tinh v« c¬, thuû tinh kim lo¹i • C«ng nghÖ chÕ t¹o: Nguyªn liÖu: c¸t tr¾ng SiO2, s«da Na2CO3, ®¸ v«i CaCO3, trµng th¹ch (K,Na)AlSi3O8, ®«l«mit CaCO3.MgCO3,...Phèi liÖu- nÊu ch¶y (1400- 1500oC), t¹o h×nh ë tr¹ng th¸i mÒm (1000-1200oC) kÐo tÊm, kÐo èng, kÐo sîi, c¸n, Ðp, dËp, thæi,...→ ñ khö σ (500-600oC) → mµi, ®¸nh bãng → t¹o v©n hoa → s¶n phÈm. • VËt liÖu thuû tinh cã tÝ nh chÊt quang häc ®Æc biÖt. 7.2.2.1.1. Thuû tinh kiÒm- kiÒm thæ - silicat • Th«ng dông nhÊt, nguyªn liÖu chÝ nh ®Ó s¶n xuÊt lµ c¸t tr¾ng, ®¸ v«i (t¹o CaO), ®«l«mit (t¹o MgO) vµ s«da (t¹o Na2O), thµnh phÇn: 65-75%SiO2, 8-15% CaO, 12-18% Na20 • RÎ tiÒn (ngoµi c¸c tÝ nh chÊt chung cña thuû tinh lµ: trong suèt, bÒn ho¸, xÝ t kÝ n, ®é bÒn c¬ vµ nhiÖt ®¹t yªu cÇu, nªn dïng nhiÒu trong x©y dùng, bao b× (chai), ho¸ chÊt, d−îc phÈm, thùc phÈm, ®å gia dông, vá bãng ®Ìn ®iÖn, mµn h×nh ti vi... • BiÖn ph¸p t¨ng bÒn . T«i ë nhiÖt ®é xÊp xØ 900-1000OC (nhiÖt ®é biÕn mÒm - (10÷20o)) nguéi nhanh . Trao ®æi ion: thay thÕ c¸c ion Na b»ng c¸c ion kh¸c cã kÝ ch th−íc lín h¬n trªn bÒ mÆt t¹o øng suÊt nÐn d− lµm t¨ng c¬ tÝ nh: kÝ nh « t«, cèc t¸ch, thuû tinh c¸ch ®iÖn,..t¨ng bÒn 3-10 lÇn, . T¹o sîi thuû tinh d
116 Boro-Silicat: SiO2-B2O3-Na2O; Pirex 78%SiO2-12,5%B2O3-9,5%Na2O; Alumino- silicat: SiO2-Al2O3-Na2O C«ng dông: chÕ t¹o dông cô ho¸ häc, ®o l−êng, èng dÉn b×nh ph¶n øng, vËt liÖu kü thuËt ®iÖn, Êm chÐn chÞu nhiÖt, nåi ch¶o ®un nÊu, vËt liÖu sîi cña thuû tinh nhãm nµy glass E 7.2.2.1.3. Thuû tinh ch× silicat ChØ sè khóc x¹ (n) cao lµm ®å quang häc (10-18%Pb), phalª18-35%, thµnh phÇn SiO2-PbO-Na2O/K2O t¹p chÊt g©y mµu: Fe2O3 cÇn h¹n chÕ
117 ®Çu, ®−îc t¹o thµnh nhê liªn kÕt c¸c cèt liÖu r¾n (sái, c¸t) bëi chÊt dÝ nh kÕt lµ xim¨ng poclan + n−íc, sau khi xim¨ng ®ãng r¾n vËt liÖu trë nªn liÒn khèi, v÷ng ch¾c. 7.4.2. Xim¨ng a. Xim¨ng (cement) gåm c¸c lo¹i chÝ nh sau: - poclan, trªn c¬ së hÖ CaO - SiO2 chøa thªm Al2O3, Fe2O3 víi nhiÒu lo¹i biÕn thÓ, - alumin, trªn c¬ së hÖ CaO - Al2O3 chøa thªm SiO2, Fe2O3, - xØ lß cao, chøa thªm th¹ch cao hoÆc v«i, trong ®ã xim¨ng poclan lµ phæ th«ng vµ quan träng nhÊt. b. C¸c b−íc s¶n xuÊt xim¨ng poclan Phèi liÖu gåm: ®¸ v«i (cung cÊp CaO), ®Êt sÐt (cung cÊp SiO2, Al2O3) vµ quÆng s¾t ®−îc c©n ®ong theo phèi liÖu, nghiÒn mÞn råi trén ®Òu. nung luyÖn phèi liÖu trong lß quay: ë 1400 ÷ 1500oC ®Ó t¹o ra c¸c kho¸ng chÊt nh− 3CaO.SiO2 (viÕt t¾t C3S), 2CaO.SiO2 (C2S), 3CaO.Al2O3 (C3A), 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF), s¶n phÈm ®−îc gäi lµ clinke. clinke ®−îc nghiÒn mÞn: ®Õn kÝ ch th−íc 0,5 ÷ 50µm d−íi d¹ng bét gäi lµ xim¨ng. Khi nghiÒn th−êng ®−a thªm c¸c phô gia ®Ó ®iÒu chØnh mét vµi tÝ nh chÊt cña xim¨ng (nh− cho thªm th¹ch cao ®Ó ®iÒu chØnh tèc ®é ®«ng kÕt cña xim¨ng). c. C¬ chÕ ®ãng r¾n xim¨ng Khi xim¨ng ®−îc hßa trén víi n−íc ta ®−îc v÷a xim¨ng, nã sÏ bÞ hy®rat hãa theo c¸c ph¶n øng: 2 (3CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2, 2 (2CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2, ............................................................................................... Qu¸ tr×nh nµy ph¸t triÓn tõ bÒ mÆt c¸c h¹t xim¨ng vµ tiÕp tôc vµo bªn trong h¹t theo s¬ ®å hy®rat hãa ë c¸c giai ®o¹n (h×nh 7.1): - tr¹ng th¸i ban ®Çu: hçn hîp v÷a xim¨ng gåm c¸t, xim¨ng vµ n−íc (h×nh a), - hy®rat hãa mét phÇn cña xim¨ng, b−íc ®Çu nèi c¸c h¹t c¸t víi nhau (h×nh b), - hy®rat hãa hoµn toµn vµ dÝ nh kÕt c¸c h¹t c¸t nhê pha tinh thÓ hy®rat hãa (c). h¹t c¸t, sái (®¸ d¨m) - h¹t xim¨ng H× nh 7.15. S¬ ®å hy®rat hãa vµ ®«ng ®Æc cña v÷a xim¨ng a) b) c) xim¨ng ®ñ mÞn vµ ®−îc trén víi ®ñ l−îng n−íc th× qu¸ tr×nh diÔn ra hoµn toµn. ThiÕu n−íc mét phÇn xim¨ng kh«ng ®−îc ph¶n øng, thõa n−íc sÏ t¹o ra c¸c lç, kªnh chøa n−íc lµm cho v÷a xim¨ng linh ®éng, dÔ trén nh−ng ®é bÒn sau khi ®ãng r¾n sÏ bÞ gi¶m. Sau hy®rat hãa lµ giai ®o¹n kÕt tinh, t¹o ra c¸c tinh thÓ hy®rat víi kÝ ch th−íc 10 ÷ 100nm lµm cho khèi vËt liÖu trë nªn v÷ng ch¾c vµ cã kh¶ n¨ng chÞu t¶i.
118 §é bÒn cña xim¨ng, "m¸c" xim¨ng, lµ giíi h¹n bÒn nÐn cña mÉu v÷a xim¨ng - c¸t (tiªu chuÈn) víi tû lÖ 1 : 3 sau 28 ngµy b¶o d−ìng trong ®iÒu kiÖn quy ®Þnh. VÝ dô, theo TCVN 2682 - 1992, PC 30 cã nghÜa lµ Portland Cement víi giíi h¹n bÒn nÐn lµ 30MPa. 7.4.3. Bªt«ng Bªt«ng lµ hçn hîp: sái hoÆc ®¸ d¨m kÝ ch th−íc 1 ÷ 4cm, c¸t vµng cì h¹t 0,1÷ 0,2mm, xim¨ng cì h¹t 0,5 ÷ 50µm) + n−íc: h¹t c¸t ®iÒn ®Çy vµo chç trèng gi÷a c¸c viªn sái, ®¸ d¨m, cßn c¸c h¹t xim¨ng sÏ chen vµo kho¶ng trèng gi÷a c¸c h¹t c¸t → xÝ t chÆt cao . Ngoµi ra, bÒ mÆt cña c¸c h¹t c¸t, sái, ®¸ d¨m lµ mÇm dÞ thÓ cho qu¸ tr×nh kÕt tinh cña c¸c hîp chÊt hy®rat cña xim¨ng. Bªt«ng ®−îc coi lµ mét lo¹i compozit: Cèt: c¸t, sái, ®¸ , nÒn lµ xim¨ng ®ãng r¾n 7.4.4. Bªt«ng cèt thÐp §é bÒn (kÐo) cña bªt«ng ®−îc t¨ng lªn nÕu cã cèt thÐp. ThÐp ®−îc dïng lµm cèt trong bªt«ng v× ngoµi cã ®é bÒn kÐo cao vµ dÎo, cã hÖ sè gi·n në nhiÖt gÇn gièng nh− bªt«ng, bÒn ¨n mßn trong m«i tr−êng bªt«ng, c¶i thiÖn dÝ nh kÕt b»ng gai, g©n. Bªt«ng dù øng lùc: d©y thÐp ®é bÒn cao (60Mn) ®−îc ®Æt trong c«p pha (coffrage), ®−îc kÝ ch kÐo víi lùc kÐo lín, b¬m ®Çy bªt«ng vµo khu«n c«p pha, chê ®«ng cøng míi bá lùc kÐo c¨ng d©y thÐp, lóc ®ã d©y thÐp bÞ co l¹i t¹o cho cÊu kiÖn bªt«ng øng suÊt nÐn C¸ch thø hai: d©y thÐp ®−îc luån qua nh÷ng èng b»ng kim lo¹i hay cao su ®Æt s½n trong cÊu kiÖn bªt«ng. KÐo c¨ng d©y thÐp nhê c¸c kÝ ch thuû lùc tùa vµo hai mÆt ®èi diÖn cña cÊu kiÖn, lùc kÐo sÏ t¹o t¶i träng nÐn lªn bªt«ng. TiÕp theo v÷a bªt«ng míi ®−îc b¬m ®Çy vµo lç, bao kÝ n lÊy d©y thÐp. CÊu kiÖn ®−îc hoµn thµnh khi v÷a bªt«ng ®«ng cøng vµ b¶o d−ìng tèt, chØ khi ®ã míi dì kÝ ch ra. Kü thuËt bªt«ng dù øng lùc lµ kü thuËt cao trong chÕ t¹o c¸c dÇm cÇu t¶i träng lín.