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
Ph©n lo¹i: nhiÒu c¸ch ph©n lo¹i
Theo ®Æc ®iÓm kÕt hîp: 3 nhãm chÝ nh:
Gèm vµ kim lo¹i chÞu löa
Thuû tinh vµ gèm thuû tinh
Xi m¨ng vµ bª t«ng
Theo cÊu tróc: 2 nhãm:
• ®¬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
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
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.
Me Si
O
N
C
B
kim lo¹ i
ceramic
P
∆l
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.
¾ Al2O3: PhÔu sîi m¸y dÖt, chi tiÕt m¸y dÖt (Al2O3), ®iÖn tö, y tÕ, bét mµi.
¾ 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
¾ Fe2O3 + oxit kim lo¹i nhãm TiO2, SnO2, WO3...
¾ 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<100µm cã ®é bÒn cao (σK ~1000-1500 MPa ) do Ý t khuyÕt
tËt, hiÖu øng siªu t«i do nguéi ®ét ngét ë nhiÖt ®é cao → siªu ®¼ng h−íng- c¸ch
©m , c¸ch nhiÖt dïng cho compozit.
Ngoµi ra thuû tinh nµy cßn t¹o khèi xèp nªn c¸ch nhiÖt, c¸ch ©m 150-400g/dm3.
7.2.2.1.2. Thuû tinh Boro- Silicat vµ Alunino-silicat
Ý t d·n në nhiÖt, bÒn xung nhiÖt, bÒn ho¸, dÔ nÊu ch¶y.
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
¾ ChØ sè khóc x¹ (n) cao lµm ®å quang häc (10-18%Pb), phalª18-35%, thµnh
phÇn SiO2-PbO-Na2O/K2O
¾ t¹p chÊt g©y mµu: Fe2O3 cÇn h¹n chÕ <0,01%
¾ thuû tinh phalª 40-80%PbO trong suèt ng¨n tia X.
7.2.2.1.4. Thuû tinh th¹ch anh
thuû tinh ®¬n oxit SiO2 nhiÖt ®é ch¶y 1700oC rÊt cao, khã chÕ t¹o
Hai lo¹i: thuû tinh th¹ch anh trong suèt, kh«ng trong suèt cã chøa bät khÝ vµ
ch−a ®ång chÊt hoµn toµn
Trong suèt: hÖ sè d·n në nhiÖt nhá bÒn xung nhiÖt vµ chÞu nhiÖt cao chÕ t¹o dông
cô vµ thiÕt bÞ vhÞu nhiÖt cao
Thuû tinh th¹ch anh tinh khiÕt cao ®Ìn ph¸t tia tö ngo¹i
Thuû tinh th¹ch anh tinh khiÕt +B2O3 :c¸p quang
Thuû tinh th¹ch anh kh«ng trong suèt: 5-7% bät khÝ ®é bÒn c¬ häc thÊp h¬n chÕ
t¹o chÐn nÊu, dông cô thiÕt bÞ chÞu nhiÖt, bÒn ho¸.
7.2.2.2. Gèm thuû tinh
- §Þnh nghÜa: lµ vËt liÖu cã tæ chøc kÕt hîp gi÷a thuû tinh vµ tinh thÓ, bao gåm 1
hoÆc nhiÒu pha tinh thÓ ph©n bè trªn nÒn v« ®Þnh h×nh
- VÒ mÆt thµnh phÇn hãa häc:, gèm thñy tinh còng cã thµnh phÇn t−¬ng tù nh−
thñy tinh (vÝ dô SiO2 - Al2O3 - Na2O)
- C¸ch chÕ t¹o: ChÕ t¹o thñy tinh gèc (nÊu ch¶y, t¹o h×nh, cÊu tróc v« ®Þnh h×nh),
sau ®ã ®−îc xö lý nhiÖt theo chÕ ®é x¸c ®Þnh ®Ó t¹o pha tinh thÓ, gåm c¸c vi tinh
thÓ (< 1
µ
m) víi tæng thÓ tÝ ch 60 ÷ 95%, ph©n bè ®Òu trªn nÒn pha v« ®Þnh h×nh, ë
®©y pha v« ®Þnh h×nh ®ãng vai trß chÊt liªn kÕt.
C¸c lo¹i thñy tinh gèc th−êng gÆp: SiO2-Al2O3-LiO2, SiO2-Al2O3-MgO vµ SiO2-Al-
2O3-Na2O
C¸c chÊt xóc t¸c t¹o mÇm nh− Pt, TiO2, ZrO2, SnO2, sunfit, fluorit...
TÝ nh chÊt cña gèm thuû tinh lµ do pha tinh thÓ kh¸c nhau víi tû lÖ, kÝ ch th−íc,
h×nh d¹ng vµ sù ph©n bè kh¸c nhau quyÕt ®Þnh nh−: kh«ng gi·n në nhiÖt, cã ®é
bÒn c¬ häc cao vµ chÞu mµi mßn cao, dÔ t¹o h×nh b»ng gia c«ng c¬ khÝ , cã tÝ nh
chÊt ®iÖn tõ ®Æc biÖt, cã tÝ nh sinh häc (dÔ cÊy ghÐp vµo tÕ bµo x−¬ng, c¬ cña c¬
thÓ sèng).
7.2.3. Xim¨ng vµ bªt«ng
7.2.3.1. B¶n chÊt
Lµ vËt liÖu t¹o thµnh nhê sù kÕt dÝ nh c¸c thµnh phÇn vËt liÖu r¾n víi nhau ë nhiÖt
®é th−êng nhê chÊt dÝ nh kÕt. Bªt«ng lµ lo¹i vËt liÖu x©y dùng quan träng hµng
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 ÷ 50
µ
m 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
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.
H× nh 7.15. S¬ ®å hy®rat hãa vµ
®«ng ®Æc cña v÷a xim¨ng