LỜI MỞ ĐẦUTrong đời sống con người, gốm sứ là một loại đồ dùng rất phổ biến ởmọi thời đại luôn luôn có mặt và đáp ứng được nhu cầu thẩm mỹ trongđời sống lẫn nhu cầu trong sinh hoạt đời t
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HUẾ
-BÁO CÁO ĐỀ TÀI MÔN HỌC NHẬP MÔN NGÀNH CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
Đề tài tiểu luận :
COMPOSITE GỐM - VẬT LIỆU CHO TƯƠNG
LAI
SNTH : BÙI VĂN LINH LỚP : K43
GVHD : NGUYỄN ĐỨC VŨ QUYÊN
Trang 2-Hu , 4/2020 - ế,
4/2020 -MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 2
CHƯƠNG 1 3
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE 3
1 Khái niệm 3
2 Phân loại 5
2.1 Phân loại theo hình dạng: 5
2.2 Phân loại theo bản chất và vật liệu thành phần: 5
3 Vật liệu và thành phần của composite 6
3.1 Vật liệu nền: 6
3.2 Vật liệu gia cường: 6
3.3 Vùng trung gian trong composite: 8
3.4 Các chất phụ gia: 8
4 Composite nền nhựa 9
5 Composite nền kim loại 10
6 Composite nền gốm 10
CHƯƠNG 2 12
COMPOSITE GỐM 12
I Giới thiệu: 12
1 Các loại composite gốm 14
Trang 32 Gạch ceramic 14
2.1 Gạch Ceramic là gì? 15
2.2 Đặc điểm của gạch Ceramic: 16
2.3 Gạch Ceramic có mấy loại? 17
2.4 Phân loại theo công nghệ sản xuất: gạch men bóng và gạch men mờ 17
2.5 Phân loại theo độ hút nước: 18
2.6 Phân loại theo kỹ thuật ép và đùn: 18
2.7 Phân loại theo màu sắc của xương: trắng, đỏ hay hơi trắng 19
2.8 Phân loại theo sự đa dạng của hình dạng, kích thước: 19
2.9 Phân loại theo công năng: ốp hay lát; trong nhà hay ngoài trời 20
2.10 Ưu điểm của loại gạch Ceramic: 21
3 Ceramic – thủy tinh (gốm thủy tinh) 23
3.1 Gốm thủy tinh là gì? 23
3.2 Đặc điểm của gốm thủy tinh: 24
3.3 Chế tạo gốm - thủy tinh như thế nào? 25
3.4 Đa năng và nhiều ứng dụng: 27
3.5 Tương lai và hướng nghiên cứu: 29
TÀI LIỆU THAM KHẢO 37
Trang 4LỜI MỞ ĐẦU
Trong đời sống con người, gốm sứ là một loại đồ dùng rất phổ biến ởmọi thời đại luôn luôn có mặt và đáp ứng được nhu cầu thẩm mỹ trongđời sống lẫn nhu cầu trong sinh hoạt đời thường, không những thế gốm
sứ còn là vật liệu quan trong các nghành công nghiệp khác Vì vậy, gốm
sứ là một trong những vật liệu quan trọng trong đời sống con người.Hiện nay, gốm sứ rất phong phú và đa dạng nhiều mẫu mã và những sảnphẩm làm từ gốm sứ được phục vụ trong nhiều ngành công nghiệp khácnhau , để thỏa mãn những yêu cầu khắt khe của vật liệu tương lai , nhucầu về một vật liệu nhẹ hơn cứng hơn , mỏng hơn , dày hơn , và linhhoạt hơn hoặc cứng nhắc, cũng như chịu được nhiệt và chống mài mòn
vì vậy các nhà khoa học đã cải tiến gốm cho ra đời nhiều loại gốm sứphục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau Đặc biệt trong những năm gầnđây, Việt Nam đang là một trong những nước dẫn đầu về đầu tư cho cơ
sở hạ tầng, đạt khoảng 5,7% GDP, cao nhất trong khu vực Đông Nam Á
và đứng thứ hai tại châu Á sau Trung Quốc Hàng loạt các công trình hạtầng được khởi công xây dựng và hoàn thiện, hệ thống giao thông được
mở rộng, các cảng biển, hàng không được nâng cấp tạo thuận lợi chogiao thông, vận tải nguyên, nhiên liệu sản xuất cũng như các loại sảnphẩm vật liệu xây dựng
Vì vậy, đề tài tiểu luận COMPOSITE GỐM - VẬT LIỆU CHO
TƯƠNG LAI nhằm vào trình bày cho chúng ta thấy một vật liệu mới
hoàn toàn mang những ưu điểm của nhiều loại vật liệu khácnhau,composite gốm hoàn toàn là một vật liệu tiềm năng cho tương lai
Trang 5CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE
1 Khái niệm
Vật liệu composite là vật liệu được tổ hợp từ hai hoặc nhiều loại vật
liệu khác nhau Vật liệu mới được tạo thành có tính chất ưu việt hơnnhiều so với từng loại vật liệu thành phần riêng rẽ Về mặt cấu tạo, vật
liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn phân bố đều trên một pha nền liên tục Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi là
composite hỗn tạp Pha gián đoạn thường có tính chất trội hơn pha liêntục
Pha liên tục gọi là nền (matrice) Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu
giacường (reenforce)
Trang 61.1 Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào những
đặc tính sau đây:
- Cơ tính của các vật liệu thành phần Các vật liệu
thành phần có cơ tính tốt thì vật liệu composite cũng
có cơ tính tốt và tốt hơn tính chất của từng vật liệu thành phần
- Luật phân bố hình học của vật liệu cốt Khi vật liệu liệu cốt phân bố không đồng đều, vật liệu composite
bị phá huỷ trước hết ở những nơi kít vật liệu cốt Với composite cốt sợi, phương của sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu, có thể điều chỉnh được tính dị hướng này theo ý muốn để chế tạo được vật liệu
cũng như phương án công nghệ phù hợp với yêu cầu
- Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần Vật liệu cốt và nền phải liên kết chặt chẽ với nhau mới cókhả năng tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau
Ví dụ: liên kết giữa cốt thép và xi măng trong bê
tông
Trang 72 Phân loại
2.1 Phân loại theo hình dạng:
Gồm: Composite sợi, composite vảy, composite hạt, compositeđiền đầy, Composite phiến
2.2 Phân loại theo bản chất và vật liệu thành phần:
- Composite nền hữu cơ: nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu
cơ hoặc sợi khoáng hoặc sợi kim loại
- Composite nền kim loại: nền là các kim loại như titan,nhôm, đồng, cốt thường là sợi kim loại hoặc sợikhoáng như B, C, SiC
- Composite nền gốm: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợihoặc hạt kim loại hoặc cũng có thể là hạt gốm
Trang 82 Vật liệu và thành phần của composite
Trang 9Bảng 1 cho thấy các hằng số đàn hồi của composite tương ứng với sơ
đồ cốt trên hình 2 (nền epoxy cốt sợi thuỷ tinh):
Bảng 1 Mô đun đàn hồi của composite polyme epoxy-thủy tinh với cấu trúc khác nhau.
Từ bảng 1 chúng ta nhận xét là với composite epoxy-thuỷ tinh đangxét, việc thay đổi cấu trúc cốt làm thay đổi đáng kể mođun đàn hồi và
hệ số poát xông của composite, nhưng ít làm ảnh hưởng tới môđuntrượt Điều này cũng có nghĩa là khi kết cấu làm việc trong các trườnghợp chịu ứng suất-biến dạng trượt, với vật liệu epoxy-thuỷ tinh đangxét, chúng ta có thể thay thế các vật liệu 3D bằng các vật liệu 1D, 2Dđơn giản và rẻ hơn nhiều lần
b) Cốt dạng vải
c) Cốt dạng hạt
Trang 103.3 Vùng trung gian trong composite:
Vùng trung gian là vùng tiếp xúc giữa cốt và nền và nó thường là
yếu tố có tính quyết định đến các tính chất cơ học và các thuộc tính khácnữa của composite Vùng trung gian chính là nơi chuyển tải trọng từ nềnsang cốt nên tác động đầu tiên của nó chính là tác động đến độ bền Cónhiều yếu tố tác động đến thành phần và thể tích của vùng chuyển tiếpĐầu tiên, là tính thấm ướt, tức là pha nền ở trạng thái lỏng phải dễ dàngthấm ướt pha gia cường trước khi đóng rắn Nhưng thực tế không phảilúc nào cũng có liên kếte nền - cốt lý tưởng do bản chất hoá lý của cácvật liệu rất khác nhau Trong trường hợp này, cần phải thêm chất thấmướt để cải thiện khả năng thấm ướt cốt - nền
3.4 Các chất phụ gia:
Chất phụ gia là những vật liệu liệu nhằm cải thiện một số tính
chất của composite như:
- Tính dẫn điện, dẫn nhiệt: thường dùng bột, sợi hoặc vảy kim loại như
Fe, CU, Al,… hoặc bi tráng kim loại
- Bôi trơn khi dỡ khuôn
- Tạo màu
- Chống co ngót
Trang 113 Composite nền nhựa
Các loại nhựa như êpoxy, phênolformaldehyt, polyeste… đều có tínhthấm ướt tốt đối với vật liệu gia cường dạng hữu cơ, bởi vậy công đoạntrộn nhựa với cốt rất thuận lợi và đơn giản Riêng đối với cốt là vật liệu
vô cơ, ví dụ như các loại sợi gốm, có tính thấm ướt rất kém nên trướckhi trộn phải có công đoạn bọc hoặc thấm lên trên cốt
Đối với dạng vải, có nhiều cách để chế tạo bán thành phẩm
Ví dụ : Nhúng tấm vải vào thùng nhựa rồi xếp thành từng lớp và tiến
hành ép, hoặc trải từng lớp vải vào lòng khuôn rồi phun hoặc quét nhựa,lại trải vải, lại quét nhựa… Lặp lại quy trình như vậy cho đến khi đạtchiều dày yêu cầu
Trang 124 Composite nền kim loại
Trong vật liệu composite nền kim loại, thường dùng nhiều trong kỹ
thuật là vật liệu tổ hợp nền kim loại màu do những tính chất ưu việt
mà các kim loại đen không có được, ví dụ như nhẹ, bền ở nhiệt độcao, chịu mài mòn tốt… nhưng công nghệ chế tạo lại đơn giản hơn
Một số loại composite nền kim loại có thể kể đến như sau:
- Composite nền nhôm cốt hạt
- Composite nền nhôm cốt sợi
- Composite nền đồng hạt thép
5 Composite nền gốm
Vật liệu composite nền gốm (ceramic matrix composite, CMC) đã
được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhằm khắc phục những nhượcđiểm của vật liệu gốm nguyên khối, đó là tính dòn cố hữu và khảnăng ứng dụng hạn chế của vật liệu gốm nguyên khối Vật liệucomposite nền gốm thường dùng để chế tạo các chi tiết làm việc trongmôi trường rất khắc nghiệt như: động cơ tên lửa và động cơ phản lực,động cơ khí trong nhà máy năng lượng, vỏ cách nhiệt của tàu khônggian, lớp lót đầu tiên của buồng phản ứng nấu chảy, phanh máy bay,
lò nhiệt luyện… đây là môi trường làm việc có nhiệt độ rất cao nhưngrất khó làm nguội bằng chất lỏng thông thường Mặt khác, khi thaythế các siêu hợp hợp kim bằng vật liệu gốm composite còn tiết kiện
Trang 13được khá nhiều khối lượng, điều vô cùng quan trọng đối với ngànhhàng không vũ trụ.
Trong composite nền gốm, vật liệu cốt có thể là cốt dạng không liên
tục kiểu hạt, sợi ngắn hoặc lát vụn Cũng có thể dùng cốt liên tụcdạng sợi Trong trường hợp cốt gián đoạn, việc tăng độ bền và độ dai
va đập chỉ có thể tăng đến một giới hạn nào đó nhưng vẫn đủ để sửdụng Một ví dụ composite nền gốm sợi vụn dùng trong lĩnh vực dụng
cụ cắt là composite SiC/Si3N4, trong đó SiC là pha gia cường, cònSi3N4 đóng vai trò vật liệu nền
Trang 14CHƯƠNG 2 COMPOSITE GỐM
(Việc đưa các cốt sợi như sợi kim loại để chế tạo composite góp phần làm hạn chế tính giòn của gốm Hiện nay phát triển rất mạnh xu thế vật liệu composite nền gốm trên cơ sở cốt sợi kim loại và các oxit kim loại, sợi gốm, sợi cacbon)
I Giới thiệu:
Với định nghĩa nêu ở CHƯƠNG 1, chúng ta có thể coi gốm sứ là vật
liệu composite Khác với các loại vật liệu khác, trong vật liệucomposite phải có tác dụng tương hỗ giữa các cấu từ thành phần Từ
vật liều thành phần (pha) A và B tạo ra được vật liệu C có tính chất
tốt hơn các vật liệu A, B riêng biệt hay hỗn hợp của chúng
Vật liệu composite gốm gồm pha rắn phân tán có thể tích Vs, pha nền
có thể tích Vm và pha khí phân tán (lỗ xốp) có thể tích Vg Compositegốm được chia thành các hệ sau:
- Hệ hai pha, gồm “pha tinh thể ceramic” + “pha khí” (lỗ xốp) Sốlượng lỗ xốp, độ xốp, hình dạng lỗ xốp, kích thước hạt tinh thể,mức độ kết khối trong vùng tiếp xúc giữa các hạt đều ảnh hưởnglớn đến tính chất cơ học của vật liệu
- Hệ gồm “pha tinh thể ceramic” + “pha thủy tinh” + “pha khí”(lỗ xốp) đặc trưng cho các loại gốm truyền thống Tính chất cơhọc của vật liệu chịu ảnh hưởng của hình dạng các hạt tinh thể(hạt có cạnh sắc làm tăng cường độ của hệ nhưng lại tạo điều
Trang 15kiện cho các vi nứt phát triển) Các hạt phân bố ngẫu nhiêntrong pha nền liên kết chúng lại với nhau Dưới kinh hiển viquang học, có thể nhìn thấy rõ tổ hợp hạt do các hạt liên kết lạivới nhau (có đường kính đến 300μm hay hơn nữa đối với vậtm hay hơn nữa đối với vậtliệu sành dạng đá) hoặc có thể nhìn thấy các hạt định hướngtheo một hướng nào đó làm cho vật liệu có tính bất đẳng hướng.
- Hệ gồm “pha tinh thể ceramic” + “pha tinh thể ceramic”, yêucầu tính chất của hai pha tinh thể ceramic trên không quá khácnhau Trong trường hợp này, cả hai pha tinh thể đều quyết địnhtính chất của composite
- Một trong hai “pha tinh thể ceramic” trên ở dạng phân tán, cóthể là whisker Đó là những râu đơn tinh thể có độ bền rất cao,đường kính khoảng 1μm hay hơn nữa đối với vậtm và chiueefu dài 3-4mm Râu đơn tỉnhthể có tính chất tốt hơn rất nhiều so với các dạng khác Ví dụwhisker Al2O3 có đường kính 5-11μm hay hơn nữa đối với vậtm (khối lượng riêng 4g/cm3, độ bền kéo 15Gpa, bền nhiệt độ đến 1200ºC), haywhisker SiC (khối lượng riêng 3,2g/cm3, độ bền kéo 21 GPa,bền nhiệt độ đến 1600°C) Whisker làm tăng độ bền của vật liệulên rất nhiều
- Hệ gốm “pha tinh thể ceramic” + “pha kim loại” (cermet) Tùytheo tỷ lệ giữa hai cấu tử, nếu “pha kim loại” chiếm phần lớn thìcomposite thể hiện tính kim loại (có tính dẻo, độ bền va đập),ngược lại nếu “pha tinh thể ceramic” chiếm phần lớn thì
Trang 16composite dòn, tuy nhiên các tính chất ở nhiệt độ cao lại đượcbảo đảm.
1 Các loại composite gốm
- Gạch nung: ceramic (gạch ceramic,….)
- Sứ, sành dạng đá: ceramic – thủy tinh (gốm thủy tinh,….)
2 Gạch ceramic
Gạch Ceramic được sử dụng phổ biến và thông dụng trên thị trường
hiện nay Đây là loại gạch ốp lát có đặc tính nổi trội về độ dày và độcứng của gạch, dễ thi công
Trang 172.1 Gạch Ceramic là gì?
Gạch Ceramic là gạch không đồng chất bao gồm: phần xương
gạch và lớp men mỏng tráng phủ bề mặt được in những họa tiết, hoa
văn, màu sắc khác nhau
Cấu trúc chất liệu chính sản xuất phần xương gạch gồm 70% đấtsét và 30 phần trăm là tràng thạch, penphat
Trên quy trình sản suất gạch Ceramic trải qua 4 bước:
– Phần làm xương: Các nguyên liệu được nghiền mịn, tạo hình và
ép sấy khô Khi ép phải ép bằng máy ép có áp lực cao và sử dụng côngnghệ nung hiện đại để đảm bảo chất lượng của viên gạch sau khi ra lò
– Phần tráng men: Gạch được tráng một lớp men mỏng trên bềmặt
– In lụa: Bề mặt được in nhiều họa tiết hoa văn màu sắc trang tríkhác nhau
– Nung gạch: Sau khi trải qua các bước trên gạch được đưa vào lònung, nung với nhiệt độ từ 1100 độ đến 1180 độ C trong thời gian tối đa
là 45 phút
Trang 182.2 Đặc điểm của gạch Ceramic:
Gạch men đa dạng mẫu mã đáp ứng được yêu cầu thẩm mỹ cho mọikhông gian, kiến trúc nhà ở Đây là một trong những ưu điểm nổi bật củagạch Ceramic giúp cho người tiêu dùng có thể dễ dàng lựa chọn đượcmẫu gạch phù hợp nhất với không gian kiến trúc của gia đình mình bởimỗi không gian có những đòi hỏi chọn lựa gạch ốp lát khác nhau
Trang 19Màu sắc của gạch ốp lát Ceramic cũng tương đối đa dạng tương thíchvới nhiều kích thước khác nhau Hơn nữa, gạch Ceramic còn có nhiềuhọa tiết hoa văn đa dạng, chân thực, tạo nên sự thu hút từ chiều sâu vôcùng tinh tế Chính nhờ điều này nên khi sử dụng gạch ốp lát Ceramic cóthể dễ dàng ăn gian được chiều rộng cho không gian.
Nước men của gạch Ceramic đẹp bởi công nghệ tráng men cho ra bề mặtbóng nhờ lớp chì Lớp chì giúp cho bề mặt gạch ốp lát Ceramic đượcbóng sáng hơn Tuy nhiên, khi chì tiếp xúc với cơ thể có thể làm hại đếnsức khỏe của người sử dụng Và bề mặt bóng kiếng đó qua thời gian sửdụng thường bị mờ, xước và xuống cấp
2.3 Gạch Ceramic có mấy loại?
Gạch men đa dạng về chủng loại màu sắc kích thước, họa tiết hoa văn.Vậy người ta phân loại gạch dựa vào đâu?
2.4 Phân loại theo công nghệ sản xuất: gạch men bóng và gạch
men mờ.
Gạch men bóng là loại gạch có bề mặt được bao phủ một lớp men màu,
khiến cho viên gạch có sự độc đáo ở cả góc độ thẩm mỹ và góc độ côngnghệ Tất cả những đặc tính đó phụ thuộc vào từng loại men
Gạch men mờ là loại gạch đồng chất trên cả viên gạch và không cần
tráng một lớp men trên bề mặt gạch Màu sắc và hoa văn của gạch khôngtráng men sẽ được pha trộn màu hoặc chất liệu khác với xương của gạch
Trang 20sau đó được nung với nhiệt độ cao Bề mặt gạch chắc chắn không bịbong tróc hay nứt vỡ trong suốt quá trình sử dụng.
Vì thế mà gạch men mang vẻ đẹp chiều sâu hơn dòng gạch men bóng.Dòng gạch Ceramic men khô sẽ hạn chế khả năng trợn trượt tốt có thể
sử dụng cho không gian nhà tắm hoặc không gian ngoại thất Đảm bảo
an toàn cho người sử dụng
2.5 Phân loại theo độ hút nước:
Xương gạch có các lỗ vi thể liên kết với nhau và chỉ được nhìn thấythông qua kính hiển vi chuyên dụng Những lỗ vi thể này sẽ quyết định
độ hút nước của gạch dưới các điều kiện khác nhau
2.6 Phân loại theo kỹ thuật ép và đùn:
Ép và đùn là hai kỹ thuật có thể ứng dụng trong việc sản xuất gạchCeramic Gạch ép được tạo hình bằng cách dùng máy tạo áp lực ép lênbột liệu Gạch đùn được hình thành bằng cách cho nguyên liệu ở dạng
bột nhão, sau đó đùn qua một lỗ đặc biệt để tạo hình.