283 283 Phần IV vật liệu phi kim loại Chương 7 ceramic 7.1. Khái niệm chung 7.1.1. Bản chất và phân loại Ceramic hay còn gọi là vật liệu vô cơ được tạo thành từ các hợp chất hóa học 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, ôxyt, silixit kim loại hay - các á kim kết hợp với nhau như các cacbit, nitrit, ôxyt của bo và silic (SiC, BN, SiO 2 ) như biểu thị ở hình 7.1 Hình 7.1. Các khả năng kết hợp giữa các nguyên tố hóa học để tạo nên ceramic. Với sự kết hợp đa dạng như vậy làm cho ceramic cũng đa dạng về thành phần hóa học và tính chất. Theo các dạng hợp chất hình thành, ceramic có nhiều loại như: + đơn ôxyt kim loại (Al 2 O 3 trong gốm corindon), + đơn ôxyt bán kim loại (SiO 2 trong thủy tinh thạch anh), + hỗn hợp nhiều ôxyt kim loại (sứ, thủy tinh silicat), + các đơn nguyên tố (bo, cacbon), + cacbit, nitrit của kim loại và á kim (TiC, SiC, BN, ZrN .). Có thể phân loại ceramic theo thành phần hóa học, theo cấu trúc, theo phương pháp công nghệ, lĩnh vực sử dụng . Theo các đặc điểm kết hợp, thịnh hành cách phân loại ceramic ra làm ba nhóm chính: gốm và vật liệu chịu lửa, thủy tinh và gốm thủy tinh, ximăng và bêtông. 284 284 7.1.2. Liên kết nguyên tử Do ceramic được tạo nên từ các nguyên tố có bản chất hóa học khác nhau: kim loại và á kim, nên có liên kết và cấu trúc phức tạp khác với kim loại. Khác với kim loại (chủ yếu có liên kết kim loại), trong ceramic không có liên kết kim loại mà là kết hợp giữa liên kết ion và liên kết đồng hóa trị. Ví dụ, tỷ lệ liên kết ion của các nguyên tố K, Mg, Zr, Ti, Al, B, Si, C với ôxy lần lượt là 90, 80, 67, 63, 60, 45, 40, 22% (phần còn lại là liên kết đồng hóa trị). Chính có liên kết phức hợp như vậy năng lượng liên kết trong ceramic tương đối lớn, khoảng 100 ữ 500 kJ/mol (cao hơn kim loại, 60 ữ 250 kJ/mol ) nên nó có nhiệt độ nóng chảy cao, mật độ cao, cứng, giòn, trong suốt và cách điện cao. Cũng do đặc điểm về liên kết như vậy mà cấu trúc tinh thể của ceramic khác với kim loại, cụ thể là: - cấu trúc tinh thể phức tạp, và - ngoài cấu trúc tinh thể (phức tạp), trong ceramic có thể tồn tại cả trạng thái vô định hình. Hy xét các cấu trúc này. 7.1.3. Trạng thái tinh thể a. Kiểu mạng tinh thể và số sắp xếp Như đ biết, bất cứ hợp chất nào cũng phải trung hòa về điện: tổng số điện tích âm của các anion phải bằng tổng số điện tích dương của các cation. Yếu tố có ảnh hưởng lớn đến kiểu mạng tinh thể và số sắp xếp (phối trí) của mạng ceramic là tương quan về kích thước (bán kính) ion giữa cation và anion (r C / r A ). Có thể thấy rằng các nguyên tử kim loại cho đi điện tử khi bị ôxy hóa nên cation thường có kích thước bé hơn anion á kim nhận điện tử (bảng 7.1), nên r C / r A < 1. ứ ng với các giá trị khác nhau của tỷ số này mạng tinh thể sẽ có các kiểu và số phối trí - số sắp xếp (số các anion lân cận gần nhất với cation bất kỳ) khác nhau như biểu thị ở bảng 7.2. Bảng 7.1 . Bán kính ion của một số cation và anion (với số phối trí 6) Cation r C , nm Cation r C , nm Anion r A, nm Al 3+ 0,053 Mg 2+ 0,072 Br - 0,196 Ba 2+ 0,136 Mn 2+ 0,067 Cl - 0,181 Ca 2+ 0,100 Na + 0,102 F - 0,133 Cs + 0,170 Ni 2+ 0,069 I - 0,220 Fe 2+ 0,077 Si 4+ 0,040 O 2 - 0,140 Fe 3+ 0,069 Ti 4+ 0,061 S 2 - 0,184 K + 0,138 Khi r C / r A < 0,155, do cation quá nhỏ nó chỉ bị bao quanh gần nhất bởi hai anion. Khi tỷ số r C / r A trong khoảng 0,155 đến 0,225 cation nằm gọn trong khe hở giữa ba anion xếp xít chặt, nên có số sắp xếp (phối trí) là ba. Với tỷ số trên trong khoảng 0,225 ữ 0,414, cation nằm trong lỗ hổng của hình bốn mặt tạo nên bởi bốn anion, nên có số sắp xếp là bốn. Nếu r C / r A tăng lên đến 0,414 ữ 0,732, cation nằm trong lỗ hổng của hình tám mặt tạo nên bởi sáu anion, nên có số sắp xếp là sáu. Khi tỷ số r C / r A đạt 0,732 ữ 1,0, cation nằm ở tâm hình lập phương với các đỉnh là tám anion nên có số sắp xếp là tám. 285 285 Bảng 7.2. Quan hệ giữa r C / r A , số sắp xếp và dạng phân bố ion r C /r A <0,155 0,155- 0,225 0,225-0,414 0,414-0,732 0,732-1,0 Số phối trí 2 3 4 6 8 Dạng phân bố ion b. Cấu trúc MX Nhiều ceramic là hợp chất trong đó cation và anion cùng hóa trị nên số lượng nguyên tử tham gia bằng nhau, tạo nên công thức MX (M - cation kim loại, X- anion á kim). Muối ăn NaCl Hình 7.2 . ô cơ sở mạng tinh thể NaCl. Hình 7.3. ô cơ sở mạng tinh thể CsCl. Với tỷ số r Na+ / r Cl- = 0,56, mạng NaCl sẽ có số sắp xếp là 6, ion Na + nằm ở tâm hình tám mặt của mạng lập phương tâm mặt (A1) như biểu thị ở hình 7.2. Vậy có thể hình dung mạng tinh thể NaCl như là mạng lập phương tâm mặt của các anion Cl - , còn các cation Na + nằm vào tất cả các lỗ hổng tám mặt của các ion Cl - với vị trí trung tâm của khối và các cạnh bên của hình lập phương. Có thể xem mạng như gồm bởi hai mạng lập phương tâm mặt: một của cation và một của 286 286 anion. Nhiều ceramic thường dùng có cấu trúc giống NaCl là MgO, MgS, LiF, FeO. CsCl Với tỷ số r Cs+ / r Cl- = 0,94, mạng CsCl sẽ có số sắp xếp là 8, ion Cl - chiếm vị trí các đỉnh hình lập phương, còn tâm khối là cation Cs + , nó như gồm bởi hai mạng lập phương đơn giản: một của cation và một của anion đan xen nhau (hình 7.3). Sunfit kẽm, kim cương Với ZnS, r Zn2+ / r S2- < 0,414 nên có số sắp xếp là 4, tất cả các anion S 2 - hình thành mạng lập phương tâm mặt, còn các cation Zn 2+ nằm trên 1/4 các đường chéo khối của hình lập phương, so le nhau trên dưới như biểu thị ở hình 7.4. Như vậy mỗi cation Zn 2+ đều có bốn anion S 2 - cách đều gần nhất, và ngược lại. Hợp chất MX với nguyên tử hóa trị cao (hai đến bốn) có tổ chức này ngoài ZnS còn có ZnTe, SiC. Hình 7.4. ô cơ sở mạng tinh thể ZnS. Hình 7.5. ô cơ sở mạng tinh thể kim c!ơng. Kim cương, dạng thù hình của cacbon, lại chiếm tất cả các vị trí của cả Zn lẫn S như biểu thị ở hình 7.5. Vậy mỗi nguyên tử cacbon liên kết với bốn nguyên tử cacbon khác và ở đây tất cả liên kết đều hoàn toàn (100%) đồng hóa trị, không có liên kết ion. Mạng này còn được gọi là lập phương kim cương. c. Cấu trúc MX 2 hay M 2 X Nếu hóa trị của cation và anion không giống nhau, nên số lượng tham gia khác nhau, chúng tạo nên hợp chất M m X p , trong đó m hoặc p 1 hay m và p đều khác 1. Khảo sát trường hợp một giá trị bằng 1, còn giá trị kia bằng 2. Mạng tinh thể fluorit canxi CaF 2 được trình bày ở hình 7.6a, tạo nên bởi ô lập phương tâm mặt của Cation Ca 2+ , tám anion F - nằm ở tâm của tám khối lập phương nhỏ trong nó. Mạng tinh thể cuprit Cu 2 O được trình bày ở hình 7.6b, tạo nên bởi ô lập phương tâm khối của anion O 2- , bốn cation Cu + bố trí giống như bốn nguyên tử bên trong của kim cương. Mạng tinh thể của rutin TiO 2 được trình bày ở 287 287 hình 7.6c, tạo nên bởi ô chính phương (bốn phương) tâm khối của cation Ti 4+ với a = 0,45 nm , c = 0,29 nm . Mỗi cation Ti 4+ được sáu anion O 2- gần nhất bao quanh, còn mỗi anion O 2- được bao quanh gần nhất bởi ba cation Ti 4+ . Hình 7.6. Mạng tinh thể của: a. CaF 2 , b. Cu 2 O, c. TiO 2 , d. BaTiO 3 d. Cấu trúc M m N n X p Một số ceramic có thể được tạo thành trên cơ sở mạng tinh thể của hai hay nhiều loại cation (M, N). Ví dụ, titanat bari BaTiO 3 có cấu trúc mạng được trình bày ở hình 7.6d, trong đó Ba 2+ nằm ở đỉnh hình lập phương, Ti 4+ - tâm khối hình lập phương, O 2 - - tâm các mặt bên. e. Đa diện phối trí và mạng tinh thể Như vậy, có thể coi một cách gần đúng mạng tinh thể của phần lớn các ceramic là mạng của các ion, trong đó các cation và anion chiếm vị trí nút mạng. Nhưng do luôn luôn có một tỷ lệ nhất định liên kết đồng hóa trị nên trong mạng có sự điều chỉnh và sắp xếp lại, các anion X bao quanh cation Me (kim loại) tạo ra hình đa diện phối trí MeX n . Chỉ số n chính là số sắp xếp (phối trí) phụ thuộc tỷ lệ bán kính giữa cation và anion (r C / r A ), có giá trị từ 2 đến 8 tùy theo kiểu hình đa diện phối trí ở bảng 7.2 (có thể có trường hợp số phối trí là 12). Trong các nhóm ceramic hệ ôxyt phổ biến hơn cả là đa diện phối trí hình bốn mặt MeO 4 (n = 4) và hình tám mặt MeO 6 (n = 6). Các đa diện phối trí liên kết với nhau tạo ra mạng tinh thể của vật liệu . Chúng có thể liên kết với nhau qua đỉnh hoặc qua cạnh hoặc qua mặt của đa diện phối trí. Độ bền vững của mạng sẽ lớn nhất khi các đa diện phối trí nối nhau qua đỉnh, giảm dần khi nối nhau qua cạnh và qua mặt. 288 288 Ví dụ như thấy rõ ở hình 7.7: đơn vị cấu trúc cơ bản của vật liệu silicat là khối bốn mặt SiO 4 4 - hình thành nên bởi các anion O 2 - (hình a). Với sự nối nhau (góp chung anion O 2- ) của các khối bốn mặt đó mà mỗi hình bốn mặt đều bị chia bớt anion O 2 - cho các hình bốn mặt khác để hình thành nên các cấu trúc phức tạp hơn nữa. Một số trong các cấu trúc đó được trình bày ở các hình b,c,d với các công thức Si 2 O 7 6 - , Si 3 O 9 6 - , Si 6 O 18 12 - và tạo nên mạch đơn như ở hình e với công thức () n2 n 3 SiO Hình 7.7. Các kiểu sắp xếp của các đa diện phối trí SiO 4 . f. Khuyết tật trong mạng tinh thể ceramic Khuyết tật điểm đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong ceramic. Hình 7.8. Sơ đồ nút trống và nguyên tử xen kẽ (a) và các khuyết tật Frenkel và Schotky (b) trong ceramic. Cũng giống như trong kim loại, trong ceramic tồn tại cả hai loại: nguyên tử xen kẽ và nút trống của cả cation lẫn anion. Ví dụ, đối với NaCl có thể có cả nguyên tử xen kẽ và nút trống của cả Na + lẫn Cl - . Tuy nhiên anion có kích thước tương đối lớn nên khi nằm ở vị trí xen giữa nút mạng sẽ gây ra xô lệch quá mạnh đối với các ion bao quanh, nên điều này ít xảy ra (tức không có khả năng xảy ra 289 289 anion xen kẽ). Trên hình 7.8 trình bày sơ đồ của nút trống anion và cation và nguyên tử xen kẽ. Do các nguyên tử trong ceramic tồn tại như các ion tích điện nên vẫn phải bảo đảm trung hòa về điện ngay khi khảo sát khuyết tật về tổ chức, do vậy các khuyết tật trong mạng tinh thể không xảy ra đơn lẻ. Một kiểu khuyết tật như thế bao gồm cặp nút trống cation - nguyên tử xen kẽ cation (hình 7.8b), xảy ra khi cation rời vị trí quy định và đi vào vị trí xen kẽ mà không có biến đổi gì về điện tích (khuyết tật này được gọi là khuyết tật Frenkel). Một kiểu khuyết tật khác thường thấy ở hợp chất MX là cặp nút trống cation - nút trống anion (hình 7.8b) xảy ra khi một cation và một anion cùng rời vị trí quy định bên trong tinh thể và cả hai đều định vị ở bề mặt ngoài (khuyết tật Schotky). Do phải trung hòa về điện bao giờ đi kèm với một nút trống anion cũng phải có một nút trống cation tương ứng. Đáng chú ý là tỷ lệ cation / anion tức thành phần của hợp chất không ảnh hưởng đến sự hình thành cả khuyết tật Frenkel lẫn khuyết tật Schotky. Nếu chỉ có những khuyết tật đó, không có khuyết tật kiểu khác thì vật liệu được gọi là hợp thức (stoichiometric). Sự hợp thức chỉ xảy ra khi tỷ lệ cation / anion chính xác, đúng với công thức hóa học (ví dụ NaCl, hợp thức xảy ra khi tỷ lệ ion Na + / Cl - đúng bằng 1). Ceramic không hợp thức là loại có sai lệch nào đó so với tỷ lệ chính xác. Sự không hợp thức có thể xảy ra với ceramic trong đó một trong các ion có thể có hai hóa trị. Ví dụ, trong vustit FeO, Fe có thể tồn tại ở dạng Fe 2+ và Fe 3+ mà số lượng của mỗi loại phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất bao quanh. Sự hình thành một cation Fe 3+ sẽ phá vỡ sự trung hòa điện vì sự tăng thêm một điện tích dương sẽ được bù lại bởi một khuyết tật nào đó (ví dụ bằng sự tạo nên một nút trống Fe 2+ để thế cho hai ion Fe 3+ tạo thành như biểu thị ở hình 7.9). Do vậy tinh thể không còn hợp thức nữa vì số lượng ion ôxy đ nhiều hơn ion sắt là một mà tinh thể vẫn trung hòa điện. Hiện tượng này thường gặp ở ôxyt sắt và công thức hóa học thường được viết bằng Fe 1-x O (trong đó x chỉ điều kiện của sự không hợp thức khi thiếu Fe). Hình 7.9. Sơ đồ biểu diễn một nút trống Fe 2+ trong FeO làm hình thành hai cation Fe 3+ . Hình 7.10. Sơ đồ biểu diễn nguyên tử tạp chất xen kẽ, thay thế anion, thay thế cation trong ceramic. g. Tạp chất Trong ceramic các nguyên tử tạp chất có thể hình thành dung dịch rắn thay 290 290 thế và xen kẽ như trong kim loại tuân theo các điều kiện về quan hệ kích thước (hình 7.10). Ngoài ra sự thay thế cũng phải tuân theo quy tắc sự giống nhau nhiều nhất về phương diện điện: nếu nguyên tử tạp chất là cation trong ceramic, nó sẽ có nhiều khả năng thay thế cho cation chính. Ví dụ, đối với NaCl, tạp chất Ca 2+ và O 2- thường tương ứng thay thế cho Na + và Cl - . Khi các ion tạp chất có điện tích khác với ion chính khi thay thế, tinh thể phải bù lại sự khác nhau về điện để bảo đảm trung hòa điện trong chất rắn bằng cách tạo nên các khuyết tật mạng như đ trình bày. Qua các khảo sát như đ trình bày, có thể thấy là trong mạng tinh thể ceramic có chứa rất nhiều khuyết tật, đặc biệt là các nút trống, các rỗ nhỏ được coi như các vết nứt tế vi luôn có sẵn ở bên trong cũng như trên bề mặt, điều này ảnh hưởng xấu đến cơ tính của ceramic. 7.1.4. Trạng thái vô định hình Trạng thái vô định hình của ceramic có thể được tạo thành bằng các con đường khác nhau. - Một số nguyên tố, hợp chất (S, SiO 2 , B 2 O 3 , P 2 O 5 .) với cấu trúc mạng chặt chẽ, mức độ liên kết nội tại cao nên độ sệt (nhớt) cao ở trạng thái nóng chảy, gây trở ngại cho sự dịch chuyển, sắp xếp nguyên tử trật tự, tạo nên mầm cho kết tinh. Những chất này do bản chất như vậy nên hỗn hợp nóng chảy khi làm nguội bình thường không có quá trình kết tinh, trạng thái nóng chảy sẽ chuyển thành chất lỏng quá nguội, đông cứng lại thành chất rắn thủy tinh. Các vật liệu này không có nhiệt độ nóng chảy (kết tinh) xác định như vật liệu tinh thể, nó chuyển trạng thái từ từ trong một khoảng nhiệt độ. - Với các hợp chất có độ sệt (nhớt) không cao lắm khi làm nguội nhanh cũng nhận được trạng thái vô định hình. Hình 7.11. Sơ đồ cấu trúc theo không gian hai chiều của: a. tinh thể thạch anh (SiO 2 ), b. thủy tinh thạch anh (SiO 2 ), c. thủy tinh natri silicat (Na 2 O - SiO 2 ). 291 291 Hy lấy thủy tinh SiO 2 và các dẫn suất của nó làm ví dụ (hình 7.11). Tinh thể thạch anh SiO 2 được tạo thành từ mạng lưới không gian ba chiều của các khối bốn mặt (đa diện phối trí) [SiO 4 ] 4 - (trên hình chỉ vẽ theo không gian hai chiều), các khối này liên kết với nhau qua đỉnh, sắp xếp một cách có quy luật, trật tự, có các yếu tố đối xứng cao (hình a). Ngược lại khi ở trạng thái vô định hình các khối này sắp xếp không theo quy luật hình học nào: chúng bị xô lệch như ở thủy tinh thạch anh (hình b), hay các ion của chất cho thêm (Na + của NaO) phân bố vào các vị trí trống trong mạng vốn đ bị xô lệch như ở thủy tinh silicat (Na 2 O - SiO 2 ) ở hình c, làm giảm mức độ liên kết của khung thủy tinh thậm chí gây đứt mạng. 7.1.5. Cơ tính Nhược điểm quan trọng nhất làm hạn chế sử dụng rộng ri của ceramic là cơ tính của nó kém vật liệu kim loại mà chủ yếu là do dễ dẫn đến phá hủy giòn một cách nguy hiểm với năng lượng hấp thụ rất thấp. a. Phá hủy giòn trong ceramic ở nhệt độ thường, dưới tác dụng của tải trọng kéo cả ceramic tinh thể lẫn vô định hình thường bị phá hủy giòn mà không xảy ra bất kỳ biến dạng dẻo nào trước đó mà nguyên nhân chủ yếu do nứt (đặc biệt là nứt trên bề mặt), rỗng với số lượng lớn là đặc thù của ceramic không những từ cấu trúc tinh thể mà còn từ công nghệ chế tạo (sẽ nói sau). Như đ biết từ bảng 2.1 ceramic có giá trị K IC rất nhỏ (< 5 MPa m ) so với vật liệu kim loại (30 ữ 100MPa m ). Sự phá hủy của ceramic xảy ra bằng cách phát triển từ từ của vết nứt khi ứng suất là tĩnh và giá trị vế phải của biểu thức 2.4 [K IC = Y a ] chưa đạt đến K IC . Hiện tượng này được gọi là mỏi tĩnh hay phá hủy chậm . Dạng phá hủy này đặc biệt nhạy cảm với điều kiện của môi trường, nhất là khi có hơi nước trong khí quyển. Quá trình ăn mòn dưới ứng suất xảy ra ở đỉnh vết nứt do có sự kết hợp giữa ứng suất kéo đặt vào và sự hòa tan vật liệu (do ăn mòn) làm cho nứt bị nhọn và dài ra cho đến khi có đủ kích thước để phát triển nhanh. Trong trường hợp chịu ứng suất nén, không có tập trung ứng suất do có nứt, chính vì vậy ceramic có độ bền ở trạng thái nén cao hơn kéo và thường được dùng trong điều kiện tải trọng nén. Độ bền phá hủy của ceramic giòn được cải thiện nhiều nếu trên bề mặt nó có ứng suất nén dư được thực hiện bằng cách tôi. b. Biểu đồ ứng suất - biến dạng và môđun phá hủy Do khó chế tạo mẫu kéo và sự khác nhau quá nhiều giữa kéo và nén nên với ceramic người ta không tiến hành thử kéo mà thử uốn ngang. Như đ biết khi thử uốn ở mặt trên mẫu chịu nén, mặt dưới chịu kéo. Môđun phá hủy hay giới hạn bền uốn là ứng suất lớn nhất hay ứng suất khi phá hủy trong thử uốn, là chỉ tiêu cơ tính quan trọng đối với ceramic giòn. Giá trị của môđun phá hủy là luôn luôn lớn hơn giới hạn bền kéo. Phần đàn hồi trên biểu đồ ứng suất - biến dạng khi thử uốn ngang của ceramic cũng như khi thử kéo cho kim loại với quan hệ đường thẳng (bậc nhất, tỷ lệ) giữa ứng suất và biến dạng. Hình 7.12 trình bày biểu đồ này của hai ceramic điển hình là ôxyt nhôm (alumin) và thủy tinh. Môđun đàn hồi (độ dốc của đường thẳng) của ceramic lớn hơn kim loại ít nhiều. Bảng 7.3 liệt kê hai giá trị trên của các ceramic phổ biến nhất. 292 292 Bảng 7.3. Môđun phá hủy và môđun đàn hồi của các ceramic Vật liệu Môđun phá hủy, MPa Môđun đàn hồi, GPa Vật liệu Môđun phá hủy, MPa Môđun đàn hồi, GPa TiC 1100 310 MgO 105 210 Al 2 O 3 200-345 370 MgAl 2 O 4 90 240 BeO 140-275 310 Silica nấu chảy 110 75 SiC 170 470 Thủy tinh 70 70 Hình 7.12. Biểu đồ ứng suất - biến dạng khi thử uốn ngang cho alumin và thủy tinh. c. Cơ chế biến dạng dẻo Mặc dầu ở nhiệt độ thường ceramic bị phá hủy trước khi biến dạng dẻo, song trong một số điều kiện nó cũng có thể bị biến dạng dẻo. Tuy nhiên sự biến dạng dẻo cho ceramic tinh thể và vô định hình có những đặc điểm khác nhau. Ceramic tinh thể Giống như kim loại là vật liệu tinh thể, với ceramic tinh thể biến dạng dẻo cũng xảy ra bằng sự dịch chuyển của lệch. Một trong những nguyên nhân cho độ cứng và tính giòn cao của vật liệu này là do khó trượt hay lệch khó chuyển động vì quá ít hệ trượt. Sự khó trượt còn do nguyên nhân về liên kết ion, ban đầu mỗi ion đều được bao bọc bởi các ion khác dấu nên có lực hút, khi trượt đi một khoảng cách nguyên tử, các ion cùng dấu lại đứng đối diện nhau nên lại nảy sinh lực đẩy. Sự biến đổi bản chất liên kết như thế không thể xảy ra nên không thể trượt được (điều này không có ảnh hưởng gì đến kim loại vì các nút mạng đều là các ion cùng dấu - cation). Ceramic vô định hình Đối với ceramic vô định hình, biến dạng dẻo cũng không xảy ra do không có sắp xếp nguyên tử trật tự, vật liệu bị biến dạng bằng chảy nhớt giống như sự [...]... sắt và đường cao tốc 7. 5 Vật liệu cốt sợi cho compozit 7. 5.1 Vật liệu cacbon và sợi cacbon Cacbon là vật liệu đơn nguyên tố quan trọng nhất ở dạng cấu trúc (thù hình) kim cương, grafit Kim cương nhân tạo được dùng làm vật liệu cắt, mài, được chế tạo bằng cách nén grafit ở áp suất và nhiệt độ rất cao mà ứng dụng của nó đ được trình bày ở chương trước (mục 6.4.2b) ở đây chỉ nói về vật liệu cacbon kết... trở nên dễ dàng hơn nên độ nhớt giảm đi 7. 2 Gốm và vật liệu chịu lửa 7. 2.1 Bản chất và phân loại Gốm là vật liệu nhân tạo có sớm nhất trong lịch sử loài người Khởi đầu khái niệm gốm được dùng để chỉ vật liệu chế tạo từ đất sét, cao lanh (gốm đất nung) Về sau, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, khái niệm này được mở rộng và bao gồm thêm đồ sứ, các vật liệu trên cơ sở ôxyt (ví dụ gốm Al2O3)... bền cơ học cao và chịu mài mòn cao, dễ tạo hình bằng gia công cơ khí, có tính chất điện từ đặc biệt, có tính sinh học (dễ cấy ghép vào tế bào xương, cơ của cơ thể sống) 7. 4 Ximăng và bêtông 7. 4.1 Bản chất Ngoài các phương pháp chế tạo đ trình bày, các vật liệu vô cơ đa pha có thể được chế tạo bằng phương pháp khác (ngoài thiêu kết bột và nấu chảy), đó là phương pháp kết dính các thành phần vật liệu... 295 296 d Gạch chịu lửa Vật liệu chịu lửa (refractories) là loại vật liệu để xây lắp các lò (luyện kim, thủy tinh, hơi, nung kim loại, nhiệt luyện ) và thiết bị công nghiệp làm việc ở nhiệt độ cao Theo quy ước chung một vật liệu được coi là vật liệu chịu lửa khi nó có độ chịu lửa lớn hơn 1520oC, tức nhiệt độ tại đó khối vật liệu hình chóp với kích thước quy định bị đánh gục Vật liệu chịu lửa trên thị... (SiC) có nhiệt độ nóng chảy cao 2300 ữ 2500oC cũng có thể tạo nên vật liệu chịu lửa (bằng phương pháp thiêu kết bột) có những ứng dụng nhất định 7. 3 Thủy tinh và gốm thủy tinh 7. 3.1 Bản chất và phân loại Về mặt bản chất, có thể phân biệt thủy tinh với gốm và vật liệu chịu lửa ở: - thủy tinh có cấu trúc hoàn toàn là vô định hình, là vật liệu một pha đồng nhất (trong khi đó ở gốm phần lớn là tinh thể),... biến và rẻ tiền như gốm, nó 296 2 97 dùng cát trắng (SiO2), sôđa (Na2CO3), đá vôi (CaCO3), tràng thạch [(K,Na)AlSi3O8], đôlômit (CaCO3.MgCO3) Theo thành phần hóa học và công dụng có thể có các loại: thông dụng và các loại khác 7. 3.2 Thủy tinh thông dụng (silicat kiềm - kiềm thổ) Đây là loại thủy tinh thường gặp dưới tên gọi là kính với với các thành phần: SiO2 (65 ữ 75 %), CaO (8 ữ 15%), Na2O (12 ữ 18%)... nguyên liệu (< 0,1% Fe2O3 với thủy tinh không màu, < 0,01% với loại quang học) , trộn đều hỗn hợp và nấu chảy hoàn toàn Như đ nói, ở mọi trạng thái thủy tinh đều là vô định hình, nên khi nung nóng hay làm nguội không có thay đổi thể tích rõ rệt, khác với vật liệu tinh thể có sự thay đổi đột ngột như biểu thị ở hình 7. 14 Trong khi vật liệu tinh thể có nhiệt độ kết tinh (nóng chảy) Ts xác định ứng với thay... thủy tinh hóa Tg Dưới nhiệt độ này vật liệu được coi là thủy tinh, cao hơn nhiệt độ này lần lượt là chất lỏng quá nguội và chất lỏng Hình 7. 14 Sự thay đổi thể tích theo nhiệt độ của vật liệu tinh thể và vô định hình Trong gia công, chế tạo thủy tinh, người ta thường quy định các nhiệt độ (tương ứng với các độ nhớt) sau đây: chảy (102P), tạo hình (104P), hóa mềm (4.107P), ủ (1013P) và giòn (3.1014P),... cơ học, độ dẫn nhiệt, khả năng hút nước Ví dụ môđun đàn hồi E giảm đi theo sự tăng lên của thể tích rỗ xốp P theo biểu thức E = E0 (1 - 1,9P + 0,9P2) trong đó E0 là môđun đàn hồi của gốm đặc, không lỗ xốp Theo thành phần hóa học có thể có các loại gốm sau: gốm silicat, gốm ôxyt, gốm không phải ôxyt và gốm chịu lửa 7. 2.2 Gốm silicat Gốm silicat còn gọi là gốm truyền thống là loại chế tạo từ các vật. .. hạt vật liệu rắn có kích thước lớn và không đồng đều (ví dụ gạch ngói, gạch chịu lửa) Gốm tinh được tạo bởi các hạt mịn và đồng đều (ví dụ sứ, gốm, corindon Al2O3) 7. 2.3 Gốm ôxyt Gốm ôxyt là gốm có thành phần hóa học là một đơn ôxyt (Al2O3 hoặc TiO2) hoặc một ôxyt phức xác định (ví dụ MgO.Al2O3, BaO.TiO2), như vậy trong thành phần không có SiO2 Khác với gốm silicat, gốm ôxyt có độ tinh khiết hóa học . 283 283 Phần IV vật liệu phi kim loại Chương 7 ceramic 7. 1. Khái niệm chung 7. 1.1. Bản chất và phân loại Ceramic hay còn gọi là vật liệu vô cơ được tạo. cầu, đường sắt và đường cao tốc. 7. 5. Vật liệu cốt sợi cho compozit 7. 5.1. Vật liệu cacbon và sợi cacbon Cacbon là vật liệu đơn nguyên tố quan trọng nhất