Bài giảng Vật liệu vô cơ - Ceramic

Click to edit Master title style Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level ‹#› CHƯƠNG 7: VẬT LIỆU VÔ CƠ - CERAMIC CHƯƠNG 7: VẬT LIỆU VÔ CƠ - CERAMIC 7.1. Khái niệm chung Hợp chất giữa Me, Si + O, C, N, B; Phân loại: Gốm và kim loại chịu lửa; Thủy tinh và gốm thủy tinh; Xi măng và bê tông: 7.1. Khái niệm chung Đơn pha (SiO2, gốm đơn oxyt ); Đa pha (hầu hết vật liệu vô cơ): pha tinh thể và vô định hình + pha khí và khuyết tật; Cấu trúc: → Đặc điểm tổ chức và công nghệ chế tạo quyết định cơ tính của Ceramic. 7.1. Khái niệm chung Bền hóa học, bền nhiệt, cách nhiệt tốt,…; Cơ tính: dễ bị phá hủy giòn, σb thực tế = 1/100 σb lý thuyết, chịu nén tốt hơn chịu kéo 10 lần; Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.1. Gốm và vật liệu chịu lửa a) Gốm: sản phẩm đất nung (Al2O3.2SiO2.2H2O) với đặc trưng công nghệ và tổ chức điển hình: - Công nghệ: chế tạo bằng phương pháp thiêu kết bột; - Tổ chức: đa pha : pha tinh thể, pha vô định hình & pha khí; - Phân loại: gốm silicat, gốm ôxyt, gốm chịu lửa,… 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.1. Gốm và vật liệu chịu lửa Gốm Silicat: màu xỉn do chứa oxyt sắt, chế tạo từ silicát thiên nhiên: đất sét, cao lanh (gạch ngói, sứ vệ sinh, ấm chén bát đĩa đồ sứ gia đình) sứ cách điện ... chế tạo bằng công nghệ gốm thô hoặc công nghệ gốm tinh; 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.1. Gốm và vật liệu chịu lửa Gốm oxit: đơn oxyt (Al2O3, TiO2,...) hoặc oxit phức: MgO.Al2O3, BaO.TiO2 (độ tinh khiết cao → tỷ lệ pha tinh thể cao) chế tạo theo công nghệ gốm tinh. 4 μm Al2O3 (19000C): điện tử, y tế, bột mài; MgO, ZrO2 (2400 0C): sử dụng cho mục đích đặc biệt ở nhiệt độ cao; TiO2: vật liệu điện từ đặc biệt; - Fe2O3 + oxit kim loại nhóm TiO2, SnO2, WO3... vật liệu bán dẫn và điện từ; 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.1. Gốm và vật liệu chịu lửa b) Vật liệu chịu lửa: T>1520oC, sản xuất bằng công nghệ gốm thô dùng cho lò nhiệt độ cao: Đinat (silica) > 93% SiO2 có tính axit với Tlv cao (> 1550oC) Samôt : Al2O3 (20  40%) - SiO2 (Al2O3) Tlv ~ 1400oC; Gạch kiềm tính : có MgO với các thành phần khác nhau: pericla hay manhêzit (MgO), crôm - manhêzit (Cr2O3 - MgO), đôlômit (MgO - CaO)..., rất bền với xỉ kiềm là yêu cầu rất quan trọng với luyện thép; Vật liệu chịu lửa trên cơ sở graphit và SiC; 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.2. Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh Thủy tinh: cấu trúc vô định hình tạo bằng cách nguội nhanh vật liệu vô cơ nóng chảy; nguyên liệu: cát trắng (SiO2), sôđa (Na2CO3), đá vôi (CaCO3), tràng thạch [(K,Na)AlSi3O8], đôlômit (CaCO3.MgCO3); 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.2. Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh Thủy tinh thông dụng (silicat kiềm - kiềm thổ): - SiO2 (65  75%), CaO (8  15%), Na2O (12  18) Na2O làm giảm nhiệt độ chảy của hỗn hợp; K2O, Al2O3, BaO, B2O3 để điều chỉnh tính chất; khử rất triệt để ôxyt sắt trong nguyên liệu (< 0,1% Fe2O3 với thủy tinh không màu, < 0,01% với loại quang học); 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.2. Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh Thuỷ tinh Boro- Silicat và Alunino-silicat - ít dãn nở nhiệt, bền xung nhiệt, bền hoá, dễ nấu chảy; - Boro-Silicat: SiO2-B2O3-Na2O; - Pirex 78%SiO2-12,5%B2O3-9,5%Na2O; - Alumino- silicat: SiO2-Al2O3-Na2O; 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.1. Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh Thuỷ tinh chì silicat : thành phần SiO2-PbO-Na2O/K2O, chỉ số khúc xạ (n) cao ; tạp chất gây màu: Fe2O3 cần hạn chế <0,01%; thủy tinh quang học (10-18%PbO), phalê (18-35%PbO); - thuỷ tinh phalê (40-80%PbO) trong suốt ngăn tia X. 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.2. Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh Gốm thuỷ tinh: - thành phần tương tự thủy tinh cấu trúc giống gốm tinh, kết hợp giữa tinh thể và vô định hình; nấu chảy và xử lý nhiệt tạo các vi tinh thể < 1m, (60  95%V) chất xúc tác tạo mầm: Pt, TiO2, ZrO2, SnO2, sunfit, fluorit... không giãn nở nhiệt, độ bền cơ học, chịu mài mòn cao, dễ tạo hình bằng gia công CK, tính điện từ đặc biệt, có tính sinh học; 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.3. Xi măng và bê tông Xi măng: tác dụng với nước tạo ra các hợp chất có tính kết dính; - Poclan: CaO - SiO2 thêm Al2O3, Fe2O3 với nhiều loại biến thể Alumin: CaO - Al2O3 thêm SiO2, Fe2O3; Các bước sản xuất ximăng poclan: + Phối liệu từ đá vôi (CaO), đất sét (SiO2, Al2O3) và quặng sắt; + Nung lò quay ở 1400  1500oC để tạo ra các khoáng chất như 3CaO.SiO2 (C3S), C2S, C3A, C4AF → clinke; + nghiền mịn (0,5  50m) → ximăng, cho thêm các phụ gia để điều chỉnh một vài tính chất của ximăng (VD: thạch cao) 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.3. Xi măng và bê tông Xi măng: các phản ứng hyđrat hóa : 2(3CaO.SiO2) + 6H2O  3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2, 2 (2CaO.SiO2) + 6H2O  3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2, 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.3. Xi măng và bê tông Xi măng: các phản ứng hyđrat hóa : 2(3CaO.SiO2) + 6H2O  3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2, 2 (2CaO.SiO2) + 6H2O  3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2, tạo ra các tinh thể hyđrat (10  100nm); TCVN 2682 - 1992, quy định σbn mẫu hỗn hợp ximăng – cát tỷ lệ 1:3 sau 28 ngày, VD: PC 30; 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.3. Xi măng và bê tông Bê tông: hỗn hợp sỏi hoặc đá dăm (1-4cm), cát vàng (0,1-0,2mm), ximăng (0,5-50μm) + nước; 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.3. Xi măng và bê tông Bê tông cốt thép: tăng độ bền kéo cho bê tông; - Thép có độ giãn nở nhiệt giống bê tông, bền ăn mòn trong bê tông, cải thiện kết dính bằng gai, gân; - Tăng cường độ bền kéo bằng kỹ thuật dự ứng lực;