Nghiên cứu chế tạo gốm cordierite-zircon bền sốc nhiệt

- NGUYỄN VĂN TRUNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GỐM CORDIERITE-ZIRCON BỀN SỐC NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU SILICAT Hà Nội – Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- NGUYỄN VĂN TRUNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GỐM CORDIERITE-ZIRCON BỀN SỐC NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU SILICAT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS.
- VŨ THỊ NGỌC MINH Hà Nội – Năm 2018 Luận văn cao học HV: Nguyễn Văn Trung - Lớp CNVL Silicat 2015B GVHD: TS.Vũ Thị Ngọc Minh i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực hiện đề tài "Nghiên cứu, chế tạo gốm cordierite - zircon bền sốc nhiệt", tôi đã đƣợc sự giúp đỡ của Viện Đào tạo sau đại học - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Kỹ thuật Hóa học và bộ môn Công nghệ vật liệu Silicat tạo điều kiện tốt nhất để hoàn thành đề tài.
- Xin cảm ơn Phòng thí nghiệm Bộ môn Silicat, Phòng thí nghiệm Trung tâm Gốm sứ - Thủy tinh -Viện Vật liệu xây dựng…đã tạo điều kiện cho tôi thực nghiệm, phân tích, đánh giá các mẫu vật liệu của đề tài.
- 3 1.1.2 Tính chất vật liệu cordierite.
- 9 1.2.2 Tính chất vật liệu gốm zirconia.
- 18 1.4 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU GỐM CORDIERITE-ZIRCON.
- 23 1.6 Ứng dụng của vật liệu gốm cordierite và cordierite-zircon.
- 35 2.5.1 Thành phần hạt của phối liệu.
- 35 2.5.2 Thành phần hóa của phối liệu.
- 35 2.6 Quy trình chế tạo vật liệu.
- 38 2.7.1 Phân tích thành phần hóa.
- 38 2.7.2 Phân tích thành phần khoáng.
- 38 2.7.3 Phân tích hệ số giãn nở nhiệt.
- 40 2.7.8 Phƣơng pháp phân tích thành phần hạt bằng tán xạ laser.
- 42 2.7.9 Phƣơng pháp xác định độ chịu tải ở nhiệt độ cao.
- 44 3.1 Kết quả phân tích thành phần hạt.
- 48 3.4 Đƣờng cong nung vật liệu.
- 49 3.5 Các tính chất của vật liệu thu đƣợc sau sung.
- 53 3.5.3 Hệ số giãn nở nhiệt.
- 63 3.9 Khả năng chịu tải ở nhiệt độ cao.
- 5 Hình 4 Hệ số giãn nở nhiệt theo nhiệt độ.
- 26 Hình 19 Vật liệu lọc.
- 34 Hình 28 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu.
- 37 Hình 29 Sơ đồ thử nghiệm chịu tải ở nhiệt độ cao.
- 43 Hình 30 Kết quả phân tích thành phần hạt.
- 48 Hình 36 Đƣờng cong nung cho nhiệt độ 1250oC.
- 49 Hình 37 Mẫu sản phẩm cordierite thuần tuý (Z0) ở 4 nhiệt độ nung.
- 50 Hình 38 Mẫu sản phẩm Z5, Z10 thu đƣợc ở 4 nhiệt độ nung.
- 51 Hình 39 Mẫu sản phẩm Z15, Z20 thu đƣợc ở 4 nhiệt độ nung.
- 51 Hình 40 Sự biến đổi ngoại quan qua các nhiệt độ.
- 55 Hình 43 Ảnh SEM của vật liệu.
- 56 Hình 44 Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu ở nhiệt độ đích 1250 oC.
- 58 Hình 45 Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu ở nhiệt độ đích 1300 oC.
- 59 Hình 46 Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu ở nhiệt độ đích 1350 oC.
- 60 Hình 47 Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu ở nhiệt độ đích 1400 oC.
- 64 Hình 52 Thử nghiệm độ chịu tải ở nhiệt độ cao.
- 9 Bảng 3 Thành phần hóa cao lanh Phú Thọ.
- 30 Bảng 4 Thành phần hóa cao lanh Phú Thọ quy về % khối lƣợng sau nung.
- 30 Bảng 5 Thành phần hóa talc Phú Thọ.
- 31 Bảng 6 Thành phần hóa Talc quy về % khối lƣợng sau nung.
- 32 Bảng 8 Tổng hợp thành phần hóa các nguyên liệu.
- 32 Bảng 9 Thành phần hóa zircon Nhật Bản.
- 33 Bảng 12 Thành phần hóa YSZ Trung Quốc % khối lƣợng sau nung.
- 57 Bảng 19 Hệ số giãn nở nhiệt α của mẫu nung ở nhiệt độ đích 1250 oC.
- 57 Bảng 20 Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu nung ở nhiệt độ đích 1300 oC.
- 58 Bảng 21 Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu nung ở nhiệt độ đích 1350 oC.
- 59 Bảng 22 Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu nung ở nhiệt độ đích 1400 oC.
- 63 Bảng 25 Kết quả độ biến dạng dƣới tải trọng ở các nhiệt độ.
- khối lƣợng YSZ trong phối liệu Luận văn cao học HV: Nguyễn Văn Trung - Lớp CNVL Silicat 2015B GVHD: TS.Vũ Thị Ngọc Minh 1 GIỚI THIỆU Hiện nay, trong sự phát triển chung của nền kinh tế, ngành công nghiệp sản xuất vật liệu silicat cũng phát triển từng ngày.
- Đặc trƣng của ngành công nghiệp sản xuất vật liệu silicat gắn liền với quá trình nung luyện, kết khối trong các hệ thống lò công nghiệp khác nhau.
- Để làm đƣợc điều này thì cần sử dụng các vật liệu chịu lửa làm tấm kê, giá đỡ, đế, trụ đỡ chịu lực…Yêu cầu đối với các tấm kê, trụ đỡ này là có khả năng chịu lực, chịu lửa và có độ bền sốc nhiệt tốt do khi nung thƣờng ở nhiệt độ cao và trải qua nhiều chu kỳ nhiệt độ thay đổi.
- Trong thực tế sản xuất loại vật liệu chịu lửa thƣờng đƣợc sử dụng làm giá đỡ, trụ nung là vật liệu cordierite, cordierite-mulite, silic cacbua và gạch cao nhôm trong đó silic cacbua phổ biến hơn.
- Cordierite là vật liệu gốm có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp có thể chịu đƣợc số chu kỳ nung lớn, tuy nhiên cƣờng độ và độ chịu lửa không bằng silic cacbua nên ứng dụng còn hạn hẹp.
- Điều này không chỉ giúp mở rộng khoảng nhiệt độ thiêu kết mà còn cải thiện các tính chất nhƣ độ bền cơ học và độ bền sốc nhiệt.
- Trong đó loại phổ biến nhất là α – cordierite dạng lục phƣơng (hexagonal) ổn định ở nhiệt độ lớn hơn 830 oC.
- Hai dạng còn lại ít gặp hơn là β – cordierite ổn định ở nhiệt độ thấp hơn 830 oC và một trạng thái bán ổn định µ - cordierite hình thành trong quá trình kết tinh thủy tinh ở nhiệt độ dƣới 900 oC.
- Vì thế, khi trộn nguyên liệu ban đầu là các oxit MgO, Al2O3 và SiO2 với tỷ lệ đúng với công thức phân tử của cordierite là 2MgO.2Al2O3.5SiO2, rồi nung nóng chảy hoàn toàn hỗn hợp, thì điểm biểu diễn thành phần pha lỏng ứng Luận văn cao học HV: Nguyễn Văn Trung - Lớp CNVL Silicat 2015B GVHD: TS.Vũ Thị Ngọc Minh 5 với vị trí M ở trên giản đồ cũng trùng với điểm biểu diễn thành phần của cordierite.
- Nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp MgO, Al2O3 và SiO2 có thành phần ứng với tỷ lệ hợp thức của cordierite khá cao (khoảng 1460oC).
- Quá trình làm nguội pha lỏng phải đƣợc thực hiện rất chậm để tạo thuận lợi cho mullite tan hoàn toàn vào pha lỏng, tạo thành cordierite Luận văn cao học HV: Nguyễn Văn Trung - Lớp CNVL Silicat 2015B GVHD: TS.Vũ Thị Ngọc Minh 6 và nhƣ vậy thành phần pha tinh thể của sản phẩm sẽ là đơn pha α-cordierite.
- Chính vì vậy, để nghiên cứu chế tạo vật liệu cordierite thì hƣớng nghiên cứu đƣa thêm phụ gia nhƣ ZrO2 để làm giảm nhiệt độ kết khối, mở rộng khoảng kết khối đƣợc tập trung.
- 1.1.2 Tính chất vật liệu cordierite Tinh thể cordierite có nhiều đặc tính quý nhƣ có hệ số giãn nở nhiệt thấp, tổn thất điện môi nhỏ, bền cơ, bền hóa cao.
- Gốm cordierite có độ bền sốc nhiệt rất tốt, dễ tạo xốp nên đƣợc ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghệ mà có sự biến đổi rất nhanh về nhiệt độ nhƣ làm bộ lọc trong các động cơ, làm chất mang xúc tác, làm vật liệu lót trong công nghệ hàn hồ quang (Mig-Mag.
- Khi vật liệu đƣợc gia nhiệt, các nguyên tử bên trong nhận năng lƣợng dao động.
- Sự dao động này làm thay đổi kích thƣớc vật liệu.
- Nếu sự thay đổi nhỏ, ít làm ảnh hƣởng tới tính chất cơ của vật liệu, nếu thay đổi lớn có thể phá hủy vật liệu.
- Vì vậy, hệ số giãn nở nhiệt đƣợc sử dụng để biểu diễn sự giãn nở của vật liệu theo nhiệt độ.
- Hệ số giãn nở nhiệt đƣợc chia làm hai loại, bao gồm.
- Hệ số giãn nở nhiệt theo thể tích: sự thay đổi thể tích theo nhiệt độ  Hệ số giãn nở nhiệt dài: sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ Đơn vị tính là là K-1.
- Tinh thể cordierite là vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ trong khoảng từ 25 đến 1000 oC chỉ vào khoảng 2-3x10-6/oC.
- Hệ số giãn nở nhiệt của gốm cordierite phụ thuộc vào trục tinh thể.
- Khi thiêu kết trong một khối thống nhất thì sự phát triển theo hai hƣớng sẽ dẫn tới sự cân bằng và hệ số giãn nở nhiệt của toàn khối rất thấp.[7] Luận văn cao học HV: Nguyễn Văn Trung - Lớp CNVL Silicat 2015B GVHD: TS.Vũ Thị Ngọc Minh 7 Hình 4 Hệ số giãn nở nhiệt theo nhiệt độ[7.
- Khi vật liệu làm việc trong môi trƣờng có nhiệt độ thay đổi đột ngột.
- Gradient nhiệt độ trong bản thân vật liệu có sự chênh lệch lớn giữa bên trong và bên ngoài vật liệu.
- Điều này tạo ra một ứng suất bên trong vật liệu, dễ gây phá hủy vật liệu.
- Để đặc trƣng cho tính bền của vật liệu trong môi trƣờng có nhiệt độ thay đổi, độ bền sốc nhiệt đƣợc dùng.
- Khoảng chênh lệch nhiệt độ lớn nhất mà vật liệu vẫn làm việc đƣợc (đơn vị là nhiệt độ.
- Tần suất làm việc ở một khoảng nhiệt độ (đơn vị là chu kỳ) Vật liệu có độ bền sốc nhiệt lớn tức là có khả năng làm việc ở môi trƣờng có sự thay đổi nhiệt độ lớn.
- Độ bền sốc nhiệt liên quan mật thiết đến hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu.
- Vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt lớn thì kém bền sốc nhiệt và ngƣợc lại.
- Tinh thể cordierite có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ nên vật liệu có nguồn gốc từ cordierite có độ bền sốc nhiệt cao.
- Cordierite có hệ số dẫn nhiệt cao 3.0 W/m.K nên gốm cordierite bền nhiệt khi có sự thay đổi nhiệt độ lớn.
- Luận văn cao học HV: Nguyễn Văn Trung - Lớp CNVL Silicat 2015B GVHD: TS.Vũ Thị Ngọc Minh ôi Gốm cordierite có hằng số điện môi thấp khi ở nhiệt độ thƣờng, dao động từ 4,5-5,4.
- Vì vậy gốm cordierite cách điện ở nhiệt độ thƣờng.
- Khi ứng dụng trong thực tế ngƣời ta còn quan tâm đến các tính chất nhƣ khối lƣợng thể tích, cƣờng độ uốn, cƣờng độ nén để lựa chọn, đánh giá chất lƣợng vật liệu gốm kỹ thuật.
- Bảng 2 Tính chất của khoáng zircon trong tự nhiên Khoáng Công thức cấu tạo Kiểu tinh thể Mật độ Độ cứng Màu Zirconsilicat ZrSiO4 tetragonal 4,67 7,5 Vàng, nâu, đỏ nâu, trong Beddleyite ZrO2i monoclinic nâu đến đen Zircon oxit hay zirconia (ZrO2) có nhiệt độ nóng chảy rất cao trên 2700oC và độ dẫn nhiệt thấp.
- Cấu trúc tinh thể có tính biến đổi pha thù hình khi thay đổi nhiệt độ.
- Zirconia có ba dạng thù hình chính: Dạng đơn tà (m-ZrO2) tồn tại trong khoảng nhiệt độ dƣới 1170oC.
- Chính vì vậy zirconia có hệ số giãn nở nhiệt cao, khoảng 10x10-6 oC-1.
- Vì vậy zirconia gây nên các vết nứt tế vi trong cấu trúc mạng làm suy yếu cƣờng độ hệ vật liệu.
- Ở nhiệt độ dƣới 1170oC, thành phần pha của zirconia là dạng đơn tà.
- Quá trình chuyển pha từ dạng đơn tà sang dạng tứ phƣơng khi gia nhiệt biến đổi rất nhanh kèm theo thay đổi thể tích từ gây nên hiện tƣợng phá hủy đột ngột cấu trúc toàn hệ thống của vật liệu.
- Với lƣợng phụ gia thích hợp, cấu trúc pha ổn định lập phƣơng và tứ phƣơng đƣợc duy trì trong hệ vật liệu khi đốt nóng hoặc làm nguội.
- Khi có phụ gia ổn định phù hợp, một phần zirconia ở dạng lập phƣơng chuyển sang dạng tứ phƣơng ở nhiệt độ trên 1170oC .
- PSZ đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nhiệp nhiệt, đặc biệt trong những khu vực đòi hỏi nhiệt độ cao, khắc nghiệt.
- Với cấu trúc này, quá trình thay đổi nhiệt độ hoàn toàn không dẫn tới sự biến đổi đa pha thù hình cho tới 2500oC.
- Nhƣ vậy nếu đƣa vào hệ vật liệu sẽ không làm ảnh hƣởng quá nhiều đến tính chất giãn nở nhiệt thấp của bản thân vật liệu.
- 1.2.2 Tính chất vật liệu gốm zirconia Zirconia có độ chịu lửa cao.
- Sau khi làm bền thu đƣợc vật liệu zirconia có tính chất nhiệt ƣu việt.
- Ngoài ra vật liệu gốm zirconia có mật độ cao, độ cứng cao nên đƣợc dùng trong nhiều ứng dụng nhƣ dụng cụ cắt gọt, chi tiết máy, lót lò, van, piston và làm răng nhân tạo

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt