- Gốm thuỷ tinh là những vật liệu đa tinh thể của cấu trúc vi mô mà được tạo thành bởi sự kết tinh kiểm soát của thuỷ tinh. - Nó là những vật liệu đa tinh thể có hạt nhỏ được tạo thành khi thuỷ tinh với thành phần thích hợp được xử lý nhiệt và trải qua sự kết tinh kiểm soát để có năng lượng thấp hơn. - Thông thường thì gốm thuỷ tinh không phải là tinh thể hoàn toàn. - Tiêu biểu vi cấu trúc là 50% đến 95% tinh thể với phần còn lại là thuỷ tinh. - Một hoặc nhiều pha tinh thể có thể được hình thành trong khi xử lý nhiệt. - Những tính chất cơ học của gốm thuỷ tinh là cao hơn của thuỷ tinh ban đầu. - Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và tính chất của vật liệu gốm - thuỷ tinh hệ CaO-MgO-SiO2”. - GIỚI THIỆU CHUNG VỀ GỐM THUỶ TINH. - 1.1.1 GỐM THUỶ TINH. - Gốm thuỷ tinh là những vật liệu đa tinh thể được tạo thành khi những thành phần thuỷ tinh thích hợp được nhiệt luyện và điều chỉnh quá trình kết tinh. - 1.1.1.1 Tính chất của gốm thuỷ tinh [7]. - Gốm thuỷ tinh có những tính chất quan trọng như. - Do đó có khả năng chọn hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu gốm thuỷ tinh cũng như của vật liệu kim loại. - Các mẫu gốm thuỷ tinh có hệ số giãn nở nhiệt bé hoặc âm rất bền đối với xung nhiệt. - Vật liệu gốm thuỷ tinh bền nhiệt hơn vật liệu thuỷ tinh có cùng thành phần. - Vật liệu gốm thuỷ tinh có đặc tính cách nhiệt rất tốt, đặc biệt khi thành phần không chứa kiềm. - Tính chất quang của vật liệu gốm thuỷ tinh phụ thuộc vào pha tinh thể có trong đó, nó có thể trong suốt hoặc không trong suốt đối với ánh sáng tuỳ thuộc vào kích thước tinh thể. - Khác với vật liệu gốm sản xuất theo phương pháp nén ép thông thường gốm thuỷ tinh có độ rỗng bằng không. - QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA THUỶ TINH [19]. - Sự kết tinh, hay hoá mờ, của thuỷ tinh để tạo thành gốm thuỷ tinh là một sự biến đổi hỗn tạp và gồm hai giai đoạn: giai đoạn tạo mầm và giai đoạn mầm phát triển thành tinh thể. - Sau cùng là thường không mong muốn như kết quả vi cấu trúc gốm thuỷ tinh thường chứa những tinh thể định hướng lớn là có hại đến các tính chất cơ học.. - Tốc độ của sự tạo mầm phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ. - Một khi mầm đã được hình thành ổn định thì sự phát triển tinh thể bắt đầu. - Sự phát triển kéo theo sự chuyển động của các nguyên tử/các phân tử từ thuỷ tinh, ngang qua bề mặt tinh thể thuỷ tinh và vào trong tinh thể. - Việc điều khiển quá trình này là do sự khác nhau trong thể tích hoặc năng lượng hoá học tự do (Gv giữa thuỷ tinh và trạng thái tinh thể.. - Giai đoạn tạo mầm · Giai đoạn mầm phát triển thành tinh thể Căn cứ vào cơ chế tạo mầm có thể chia làm hai loại kết tinh. - Ngược lại nếu đốt nóng qua vùng nhiệt độ tạo mầm nhanh sẽ xuất hiện các tinh thể thô. - Quá trình kết tinh định hướng Khi quá trình tự kết tinh xảy ra thường sẽ thu được sản phẩm gốm thuỷ tinh có những tính chất không mong muốn do các tinh thể hình thành định hướng tự do, do đó hầu hết các tính chất của thuỷ tinh đều giảm. - Ta có thể tạo mầm tinh thể bằng một số phương pháp như sau [2]: Chuẩn bị một dung dịch keo của các kim loại như Cu, Ag, Au, Pt đưa vào khối nóng chảy. - Tạo mầm đồng thể bằng cách tôi ở nhiệt độ gần nhiệt độ hoá thuỷ tinh. - Lúc đó sẽ phát sinh ra mầm tinh thể trong toàn khối thuỷ tinh. - Trong trường hợp này có thể phát triển tinh thể theo kiểu epitaxit nếu kích thước của các tế bào tinh thể mầm và của tinh thể kết tinh khác nhau dưới 15%. - Sau giai đoạn tạo mầm ở nhiệt độ gần nhiệt độ hoá thuỷ tinh khi mà độ nhớt của hệ khá cao còn tốc độ lớn của tinh thể thì bé thì phải đun nóng thuỷ tinh lên nhiệt độ cao hơn. - Do nồng độ của mầm rất cao nên tinh thể được phân bố đồng đều trong toàn bộ khối thuỷ tinh. - Nhiệt độ phát triển tinh thể thường cao hơn nhiệt độ tạo mầm.. - 1.1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ GỐM THUỶ TINH . - Mật độ cao của mầm là rất quan trọng để kích thích hình thành một lượng lớn tinh thể nhỏ trong cấu trúc của gốm thuỷ tinh. - Giai đoạn thứ hai là giai đoạn nhiệt luyện ở nhiệt độ cao hơn, xung quanh nhiệt độ Tg để mầm tinh thể lớn lên ở một tốc độ hợp lý. - Với phương pháp này, cả sự hình thành mầm và phát triển tinh thể đều có thể giữ cùng một vị trí trong quá trình làm lạnh. - Việc tối ưu hoá thành phần và nhiệt độ nung kết có thể dẫn tới những vi cấu trúc khác và thậm chí cả những pha tinh thể khác so với những sản phẩm từ phương pháp truyền thống và do đó có những tính chất khác nhau của sản phẩm. - GỐM THUỶ TINH TRÊN HỆ BẬC BA CaO-MgO-SiO2 1.2.1. - Sơ đồ biến đổi dạng tinh thể của silic đioxit: tridimit. - Khái quát về gốm thuỷ tinh hệ CaO-MgO-SiO2 [16]. - Tinh thể đơn tà, có d=3. - Monticellite CaO.MgO.SiO2 thuộc họ Olevin (Mg,Fe)2SiO4 xếp chặt theo luật 6 phương ABABB theo hướng [100], tinh thể hệ trực thoi. - Trong khi đó phản ứng pha rắn phụ thuộc vào sự xắp xếp của các cấu tử phản ứng trong mạng lưới tinh thể. - Cấu trúc tinh thể và khuyết tật mạng lưới có ảnh hưởng quyết định đến khả năng phản ứng của chất rắn. - Giai đoạn tạo mầm tinh thể sản phẩm trên bề mặt tiếp xúc pha. - Sự hình thành lớp tinh thể như vậy gọi là quá trình tạo mầm tinh thể.. - Quá trình tạo mầm tinh thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó cấu trúc tinh thể của chất tham gia và sản phẩm tạo thành là yếu tố đóng vai trò quan trong nhất. - Trong khi đó tinh thể spinel MgAl2O4 thuộc hệ lập phương. - Điều này chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cao tại các ion ở bề mặt tiếp xúc. - Một yếu tố đóng vai trò quan trọng đối với quá trình tạo mầm tinh thể sản phẩm là nhiệt độ nung. - Giai đoạn phát triển mầm tinh thể sản phẩm.. - Sau khi hình thành một lớp mầm tinh thể sản phẩm thì đến giai đoạn phát triển của lớp tinh thể đó. - Như vậy: tốc độ phát triển tinh thể sản phẩm về phía phải nhanh gấp 3 lần về phía trái. - Một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để chuẩn bị chất rắn đa tinh thể (dạng bột) là thực hiện phản ứng trực tiếp hỗn hợp các nguyên liệu ban đầu ở pha rắn. - Nhiệt độ nung · Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng. - Do vậy tốc độ phản ứng pha rắn phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ nung. - Các chất ban đầu có cấu trúc kém bền, hoặc tinh thể có nhiều khuyết tật thì có hoạt tính hơn thì dễ tham gia phản ứng hơn. - Nhiễu xạ tia X (XRD) là một trong những phương pháp hiện đại được dùng để xác định thành phần pha tinh thể của vật liệu. - Nguyên tắc của phương pháp này là khi chiếu một chùm tia X đơn sắc song song vào vật liệu có cấu trúc tinh thể thì xảy ra hiện tượng khuếch tán tia X. - Sự giao thoa của các tia khuếch tán sau khi đi qua mạng tinh thể gọi là sự nhiễu xạ tia X. - Trong mạng tinh thể các nguyên tử tạo thành mặt phẳng nút. - trong đó: dhkl - khoảng cách giữa 2 mặt phẳng nút mạng tinh thể. - Hệ tinh thể. - của một số hệ tinh thể. - Để xác định thành phần pha tinh thể của các mẫu nghiên cứu trong luận văn, chúng tôi tiến hành ghi giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị D8 ADVANCE BRUKER – (Đức), góc quay 2. - Chúng tôi điều chế gốm thuỷ tinh dựa trên sơ đồ khối như sau:. - Khảo sát ảnh hưởng của thành phần, nhiệt độ và thời gian ủ tới quá trình hình thành pha tinh thể trong gốm thuỷ tinh. - Các mẫu được nghiên cứu ở các nhiệt độ ủ khác nhau. - Tất cả các mẫu đều tạo thành 2 pha tinh thể là Diopside và Wollastonite. - Ảnh hưởng của các chất phụ gia vào làm thay đổi sự kết tinh, tăng tỉ lệ tinh thể. - Hình thành trương giai đoạn đầu của các tinh thể trong gốm thuỷ tinh. - Các pha tạo thành ở các mẫu có giá trị dhkl khá gần nhau, chứng tỏ các tinh thể được tạo thành là hoàn chỉnh.. - Cường độ các pha tinh thể Qua đồ thị ta thấy với cùng thành phần như nhau, sự tạo thành tinh thể được thể hiện ở cường độ mạnh nhất tại nhiệt độ ủ là 8500C. - Khi ủ ở nhiệt độ cao hơn cũng không giúp cho sự tạo thành tinh thể tốt hơn.. - Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ co ngót vào nhiệt độ ủ của các mẫu. - Điều này chứng tỏ các mẫu trong quá trình ủ dẫn đến sự hoàn chỉnh tinh thể vì thế ta chọn nhiệt độ ủ 8500C là phù hợp.. - Khi nhiệt độ ủ tăng, khối lượng riêng của các mẫu tăng. - Khi nhiệt độ ủ tăng, hệ số giãn nở nhiệt của các mẫu giảm.. - Tại nhiệt độ 10800C xuất hiện một hiệu ứng toả nhiệt, tuy rất nhỏ, đây có thể là một quá trình hình thành một pha tinh thể nào đó. - Dựa trên giản đồ phân tích nhiệt ta chọn nhiệt độ nung sơ bộ ở khoảng 700-8000C nhằm nâng cao diện tích bề mặt hạt và cấu trúc tinh thể chưa ổn định.. - Từ kết quả cho ta thấy sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung và hỗn hợp phụ gia ảnh hưởng đến quá trình hình thành và kết tinh tinh thể trong sản phẩm.. - Pha tinh thể Wollastonite được tạo thành trong tất cả các mẫu ở các điều kiện khác nhau. - Điều này có thể được giải thích do khi tăng nhiệt độ thiêu kết, tăng thời gian lưu giúp tăng pha thuỷ tinh trong gốm tạo cho các tinh thể được tạo thành tập hợp lại với nhau dễ dàng hơn.. - Độ bền nén của mẫu gốm cao hơn so với độ bền nén của các mẫu gốm thuỷ tinh điều chế được ở trên. - Điều này có thể là do trong các mẫu gốm thuỷ tinh, hình thành pha thuỷ tinh lớn nên có độ bền kém hơn mẫu gốm chứa nhiều tinh thể hơn.. - Các hiệu ứng toả nhiệt tại 1306,20C và 14000C ứng với quá trình tạo thành thêm tinh thể mới.. - Hệ số giãn nở nhiệt của các mẫu gốm có giá trị nhỏ hơn của các mẫu gốm-thuỷ tinh. - Điều này có thể là do trong các mẫu gốm sự tạo thành pha thuỷ tinh kém hơn trong mẫu gốm thuỷ tinh.. - Thu được sản phẩm chứa pha tinh thể Diopside – Wollastonite và pha thuỷ tinh.. - Pha tinh thể thu được có ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của sản phẩm.. - Khi sử dụng hỗn hợp phụ gia B2O3, P2O5, Na2O và CaF2 đã giảm được nhiệt độ thiêu kết xuống 11000C (ủ ở 8000C) thấp hơn so với lý thuyết (13200C) và có ảnh hưởng đến sự tạo thành pha tinh thể của sản phẩm. - Trường hợp 1: Cực đại tạo mầm nằm ở nhiệt độ cao hơn cực đại phát triển tinh thể. - Trường hợp 2: Ngược lại , luôn cho thủy tinh vì trong vùng nhiệt độ có khả năng tạo mầm thì tốc độ phát triển tinh thể đã ~ 0. - Trong thực tế hay gặp hai vùng nhiệt độ tạo mầm và phát triển tinh thể phủ nhau ( trường hợp 3,4,5). - Trường hợp 3: Khi làm lạnh chậm sẽ có các tinh thể nhỏ mịn. - Nếu làm lạnh nhanh trong vùng nhiệt độ tạo mầm không đủ mầm nên xuất hiện trong thủy tinh một ít tinh thể riêng biệt. - Trường hợp 5: Khi làm lạnh nhanh sẽ tạo các tinh thể thô