Vật liệu phi kim loại
Bản chất và phân loại: Ceramic hay còn gọi là vật liệu vô cơ được tạo thành từ các hợp chất hóa họ 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, oxyt, silixit kim loại hay.
283
PhÇn IV vËt liÖu phi kim lo¹i
Ch¬ng 7 ceramic
7.1. Kh¸i niÖm chung
7.1.1. B¶n chÊt vµ ph©n lo¹i
Ceramic hay cßn gäi lµ vËt liÖu v« c¬ ®îc t¹o thµnh tõ c¸c hîp chÊt hãa
häc gi÷a:
- kim lo¹i (Me) víi c¸c ¸ kim bao gåm B, C, N, O vµ Si (b¸n kim lo¹i hay
b¸n dÉn) bao gåm c¸c borit, cacbit, nitrit, «xyt, silixit kim lo¹i hay
- c¸c ¸ kim kÕt hîp víi nhau nh c¸c cacbit, nitrit, «xyt cña bo vµ silic
(SiC, BN, SiO2) nh biÓu thÞ ë h×nh 7.1
H×nh 7.1. C¸c kh¶ n¨ng kÕt hîp
gi÷a c¸c nguyªn tè hãa häc ®Ó t¹o
nªn ceramic.
Víi sù kÕt hîp ®a d¹ng nh vËy lµm cho ceramic còng ®a d¹ng vÒ thµnh
phÇn hãa häc vµ tÝnh chÊt. Theo c¸c d¹ng hîp chÊt h×nh thµnh, ceramic cã nhiÒu
lo¹i nh:
+ ®¬n «xyt kim lo¹i (Al2O3 trong gèm corindon),
+ ®¬n «xyt b¸n kim lo¹i (SiO2 trong thñy tinh th¹ch anh),
+ hçn hîp nhiÒu «xyt kim lo¹i (sø, thñy tinh silicat),
+ c¸c ®¬n nguyªn tè (bo, cacbon),
+ cacbit, nitrit cña kim lo¹i vµ ¸ kim (TiC, SiC, BN, ZrN...).
Cã thÓ ph©n lo¹i ceramic theo thµnh phÇn hãa häc, theo cÊu tróc, theo
ph¬ng ph¸p c«ng nghÖ, lÜnh vùc sö dông...
Theo c¸c ®Æc ®iÓm kÕt hîp, thÞnh hµnh c¸ch ph©n lo¹i ceramic ra lµm ba
nhãm chÝnh:
• gèm vµ vËt liÖu chÞu löa,
• thñy tinh vµ gèm thñy tinh,
• xim¨ng vµ bªt«ng.
283
284
7.1.2. Liªn kÕt nguyªn tö
Do ceramic ®îc t¹o nªn tõ c¸c nguyªn tè cã b¶n chÊt hãa häc kh¸c nhau:
kim lo¹i vµ ¸ kim, nªn cã liªn kÕt vµ cÊu tróc phøc t¹p kh¸c víi kim lo¹i.
Kh¸c víi kim lo¹i (chñ yÕu cã liªn kÕt kim lo¹i), trong ceramic kh«ng cã
liªn kÕt kim lo¹i mµ lµ kÕt hîp gi÷a liªn kÕt ion vµ liªn kÕt ®ång hãa trÞ. VÝ dô, tû
lÖ liªn kÕt ion cña c¸c nguyªn tè K, Mg, Zr, Ti, Al, B, Si, C víi «xy lÇn lît lµ 90,
80, 67, 63, 60, 45, 40, 22% (phÇn cßn l¹i lµ liªn kÕt ®ång hãa trÞ). ChÝnh cã liªn
kÕt phøc hîp nh vËy n¨ng lîng liªn kÕt trong ceramic t¬ng ®èi lín, kho¶ng 100
÷ 500kJ/mol (cao h¬n kim lo¹i, 60 ÷ 250kJ/mol) nªn nã cã nhiÖt ®é nãng ch¶y
cao, mËt ®é cao, cøng, gißn, trong suèt vµ c¸ch ®iÖn cao.
Còng do ®Æc ®iÓm vÒ liªn kÕt nh vËy mµ cÊu tróc tinh thÓ cña ceramic
kh¸c víi kim lo¹i, cô thÓ lµ:
- cÊu tróc tinh thÓ phøc t¹p, vµ
- ngoµi cÊu tróc tinh thÓ (phøc t¹p), trong ceramic cã thÓ tån t¹i c¶ tr¹ng
th¸i v« ®Þnh h×nh.
H∙y xÐt c¸c cÊu tróc nµy.
7.1.3. Tr¹ng th¸i tinh thÓ
a. KiÓu m¹ng tinh thÓ vµ sè s¾p xÕp
Nh ®∙ biÕt, bÊt cø hîp chÊt nµo còng ph¶i trung hßa vÒ ®iÖn: tæng sè ®iÖn
tÝch ©m cña c¸c anion ph¶i b»ng tæng sè ®iÖn tÝch d¬ng cña c¸c cation. YÕu tè cã
¶nh hëng lín ®Õn kiÓu m¹ng tinh thÓ vµ sè s¾p xÕp (phèi trÝ) cña m¹ng ceramic lµ
t¬ng quan vÒ kÝch thíc (b¸n kÝnh) ion gi÷a cation vµ anion (rC / rA). Cã thÓ thÊy
r»ng c¸c nguyªn tö kim lo¹i cho ®i ®iÖn tö khi bÞ «xy hãa nªn cation thêng cã
kÝch thíc bÐ h¬n anion ¸ kim nhËn ®iÖn tö (b¶ng 7.1), nªn rC / rA < 1. øng víi c¸c
gi¸ trÞ kh¸c nhau cña tû sè nµy m¹ng tinh thÓ sÏ cã c¸c kiÓu vµ sè phèi trÝ - sè s¾p
xÕp (sè c¸c anion l©n cËn gÇn nhÊt víi cation bÊt kú) kh¸c nhau nh biÓu thÞ ë
b¶ng 7.2.
B¶ng 7.1. B¸n kÝnh ion cña mét sè cation vµ anion (víi sè phèi trÝ 6)
Cation rC, nm Cation rC, nm Anion rA, nm
3+
Al 0,053 Mg2+ 0,072 Br -
0,196
Ba2+ 0,136 Mn2+ 0,067 Cl - 0,181
Ca2+ 0,100 Na+ 0,102 F- 0,133
Cs+ 0,170 Ni2+ 0,069 I- 0,220
Fe2+ 0,077 Si4+ 0,040 O2 - 0,140
Fe3+ 0,069 Ti4+ 0,061 S2 - 0,184
K+ 0,138
Khi rC / rA < 0,155, do cation qu¸ nhá nã chØ bÞ bao quanh gÇn nhÊt bëi hai
anion. Khi tû sè rC / rA trong kho¶ng 0,155 ®Õn 0,225 cation n»m gän trong khe hë
gi÷a ba anion xÕp xÝt chÆt, nªn cã sè s¾p xÕp (phèi trÝ) lµ ba. Víi tû sè trªn trong
kho¶ng 0,225 ÷ 0,414, cation n»m trong lç hæng cña h×nh bèn mÆt t¹o nªn bëi bèn
anion, nªn cã sè s¾p xÕp lµ bèn. NÕu rC / rA t¨ng lªn ®Õn 0,414 ÷ 0,732, cation n»m
trong lç hæng cña h×nh t¸m mÆt t¹o nªn bëi s¸u anion, nªn cã sè s¾p xÕp lµ s¸u.
Khi tû sè rC / rA ®¹t 0,732 ÷ 1,0, cation n»m ë t©m h×nh lËp ph¬ng víi c¸c ®Ønh lµ
t¸m anion nªn cã sè s¾p xÕp lµ t¸m.
284
285
B¶ng 7.2. Quan hÖ gi÷a rC / rA, sè s¾p xÕp vµ d¹ng ph©n bè ion
rC/rA 286
anion. NhiÒu ceramic thêng dïng cã cÊu tróc gièng NaCl lµ MgO, MgS, LiF,
FeO.
CsCl
Víi tû sè rCs+ / rCl- = 0,94, m¹ng CsCl sÏ cã sè s¾p xÕp lµ 8, ion Cl - chiÕm vÞ
trÝ c¸c ®Ønh h×nh lËp ph¬ng, cßn t©m khèi lµ cation Cs+, nã nh gåm bëi hai m¹ng
lËp ph¬ng ®¬n gi¶n: mét cña cation vµ mét cña anion ®an xen nhau (h×nh 7.3).
Sunfit kÏm, kim c¬ng
Víi ZnS, rZn2+ / rS2- < 0,414 nªn cã sè s¾p xÕp lµ 4, tÊt c¶ c¸c anion S2 - h×nh
thµnh m¹ng lËp ph¬ng t©m mÆt, cßn c¸c cation Zn2+ n»m trªn 1/4 c¸c ®êng chÐo
khèi cña h×nh lËp ph¬ng, so le nhau trªn díi nh biÓu thÞ ë h×nh 7.4. Nh vËy
mçi cation Zn2+ ®Òu cã bèn anion S2 - c¸ch ®Òu gÇn nhÊt, vµ ngîc l¹i. Hîp chÊt
MX víi nguyªn tö hãa trÞ cao (hai ®Õn bèn) cã tæ chøc nµy ngoµi ZnS cßn cã
ZnTe, SiC.
H×nh 7.4. « c¬ së m¹ng tinh thÓ ZnS. H×nh 7.5. « c¬ së m¹ng tinh thÓ
kim c¬ng.
Kim c¬ng, d¹ng thï h×nh cña cacbon, l¹i chiÕm tÊt c¶ c¸c vÞ trÝ cña c¶ Zn
lÉn S nh biÓu thÞ ë h×nh 7.5. VËy mçi nguyªn tö cacbon liªn kÕt víi bèn nguyªn
tö cacbon kh¸c vµ ë ®©y tÊt c¶ liªn kÕt ®Òu hoµn toµn (100%) ®ång hãa trÞ, kh«ng
cã liªn kÕt ion. M¹ng nµy cßn ®îc gäi lµ lËp ph¬ng kim c¬ng.
c. CÊu tróc MX2 hay M2X
NÕu hãa trÞ cña cation vµ anion kh«ng gièng nhau, nªn sè lîng tham gia
kh¸c nhau, chóng t¹o nªn hîp chÊt MmXp, trong ®ã m hoÆc p ≠ 1 hay m vµ p ®Òu
kh¸c 1. Kh¶o s¸t trêng hîp mét gi¸ trÞ b»ng 1, cßn gi¸ trÞ kia b»ng 2.
M¹ng tinh thÓ fluorit canxi CaF2 ®îc tr×nh bµy ë h×nh 7.6a, t¹o nªn bëi «
lËp ph¬ng t©m mÆt cña Cation Ca2+, t¸m anion F - n»m ë t©m cña t¸m khèi lËp
ph¬ng nhá trong nã. M¹ng tinh thÓ cuprit Cu2O ®îc tr×nh bµy ë h×nh 7.6b, t¹o
nªn bëi « lËp ph¬ng t©m khèi cña anion O2-, bèn cation Cu+ bè trÝ gièng nh bèn
nguyªn tö bªn trong cña kim c¬ng. M¹ng tinh thÓ cña rutin TiO2 ®îc tr×nh bµy ë
286
287
h×nh 7.6c, t¹o nªn bëi « chÝnh ph¬ng (bèn ph¬ng) t©m khèi cña cation Ti4+ víi a
= 0,45nm, c = 0,29nm. Mçi cation Ti 4+ ®îc s¸u anion O2- gÇn nhÊt bao quanh,
cßn mçi anion O2- ®îc bao quanh gÇn nhÊt bëi ba cation Ti4+.
H×nh 7.6. M¹ng tinh thÓ cña:
a. CaF2,
b. Cu2O,
c. TiO2,
d. BaTiO3
d. CÊu tróc MmNnXp
Mét sè ceramic cã thÓ ®îc t¹o thµnh trªn c¬ së m¹ng tinh thÓ cña hai hay
nhiÒu lo¹i cation (M, N). VÝ dô, titanat bari BaTiO3 cã cÊu tróc m¹ng ®îc tr×nh
bµy ë h×nh 7.6d, trong ®ã Ba2+ n»m ë ®Ønh h×nh lËp ph¬ng, Ti4+ - t©m khèi h×nh
lËp ph¬ng, O2 - - t©m c¸c mÆt bªn.
e. §a diÖn phèi trÝ vµ m¹ng tinh thÓ
Nh vËy, cã thÓ coi mét c¸ch gÇn ®óng m¹ng tinh thÓ cña phÇn lín c¸c
ceramic lµ m¹ng cña c¸c ion, trong ®ã c¸c cation vµ anion chiÕm vÞ trÝ nót m¹ng.
Nhng do lu«n lu«n cã mét tû lÖ nhÊt ®Þnh liªn kÕt ®ång hãa trÞ nªn trong m¹ng cã
sù ®iÒu chØnh vµ s¾p xÕp l¹i, c¸c anion X bao quanh cation Me (kim lo¹i) t¹o ra
h×nh ®a diÖn phèi trÝ MeXn. ChØ sè n chÝnh lµ sè s¾p xÕp (phèi trÝ) phô thuéc tû lÖ
b¸n kÝnh gi÷a cation vµ anion (rC / rA), cã gi¸ trÞ tõ 2 ®Õn 8 tïy theo kiÓu h×nh ®a
diÖn phèi trÝ ë b¶ng 7.2 (cã thÓ cã trêng hîp sè phèi trÝ lµ 12).
Trong c¸c nhãm ceramic hÖ «xyt phæ biÕn h¬n c¶ lµ ®a diÖn phèi trÝ h×nh
bèn mÆt MeO4 (n = 4) vµ h×nh t¸m mÆt MeO6 (n = 6). C¸c ®a diÖn phèi trÝ liªn kÕt
víi nhau t¹o ra m¹ng tinh thÓ cña vËt liÖu. Chóng cã thÓ liªn kÕt víi nhau qua
®Ønh hoÆc qua c¹nh hoÆc qua mÆt cña ®a diÖn phèi trÝ. §é bÒn v÷ng cña m¹ng sÏ
lín nhÊt khi c¸c ®a diÖn phèi trÝ nèi nhau qua ®Ønh, gi¶m dÇn khi nèi nhau qua
c¹nh vµ qua mÆt.
287
288
VÝ dô nh thÊy râ ë h×nh 7.7: ®¬n vÞ cÊu tróc c¬ b¶n cña vËt liÖu silicat lµ
khèi bèn mÆt SiO44 - h×nh thµnh nªn bëi c¸c anion O2 - (h×nh a). Víi sù nèi nhau
(gãp chung anion O2-) cña c¸c khèi bèn mÆt ®ã mµ mçi h×nh bèn mÆt ®Òu bÞ chia
bít anion O2 - cho c¸c h×nh bèn mÆt kh¸c ®Ó h×nh thµnh nªn c¸c cÊu tróc phøc t¹p
h¬n n÷a. Mét sè trong c¸c cÊu tróc ®ã ®îc tr×nh bµy ë c¸c h×nh b,c,d víi c¸c c«ng
thøc Si2O76 -, Si3O96 -, Si6O1812 - vµ t¹o nªn m¹ch ®¬n nh ë h×nh e víi c«ng thøc
(SiO 3 )2n n −
H×nh 7.7. C¸c kiÓu s¾p xÕp cña c¸c ®a diÖn phèi trÝ SiO4.
f. KhuyÕt tËt trong m¹ng tinh thÓ ceramic
KhuyÕt tËt ®iÓm ®ãng vai trß ®Æc biÖt quan träng trong ceramic.
H×nh 7.8. S¬ ®å nót trèng vµ nguyªn tö xen kÏ (a) vµ
c¸c khuyÕt tËt Frenkel vµ Schotky (b) trong ceramic.
Còng gièng nh trong kim lo¹i, trong ceramic tån t¹i c¶ hai lo¹i: nguyªn tö
xen kÏ vµ nót trèng cña c¶ cation lÉn anion. VÝ dô, ®èi víi NaCl cã thÓ cã c¶
nguyªn tö xen kÏ vµ nót trèng cña c¶ Na+ lÉn Cl -. Tuy nhiªn anion cã kÝch thíc
t¬ng ®èi lín nªn khi n»m ë vÞ trÝ xen gi÷a nót m¹ng sÏ g©y ra x« lÖch qu¸ m¹nh
®èi víi c¸c ion bao quanh, nªn ®iÒu nµy Ýt x¶y ra (tøc kh«ng cã kh¶ n¨ng x¶y ra
288
289
anion xen kÏ). Trªn h×nh 7.8 tr×nh bµy s¬ ®å cña nót trèng anion vµ cation vµ
nguyªn tö xen kÏ.
Do c¸c nguyªn tö trong ceramic tån t¹i nh c¸c ion tÝch ®iÖn nªn vÉn ph¶i
b¶o ®¶m trung hßa vÒ ®iÖn ngay khi kh¶o s¸t khuyÕt tËt vÒ tæ chøc, do vËy c¸c
khuyÕt tËt trong m¹ng tinh thÓ kh«ng x¶y ra ®¬n lÎ. Mét kiÓu khuyÕt tËt nh thÕ
bao gåm cÆp nót trèng cation - nguyªn tö xen kÏ cation (h×nh 7.8b), x¶y ra khi
cation rêi vÞ trÝ quy ®Þnh vµ ®i vµo vÞ trÝ xen kÏ mµ kh«ng cã biÕn ®æi g× vÒ ®iÖn
tÝch (khuyÕt tËt nµy ®îc gäi lµ khuyÕt tËt Frenkel). Mét kiÓu khuyÕt tËt kh¸c
thêng thÊy ë hîp chÊt MX lµ cÆp nót trèng cation - nót trèng anion (h×nh 7.8b)
x¶y ra khi mét cation vµ mét anion cïng rêi vÞ trÝ quy ®Þnh bªn trong tinh thÓ vµ c¶
hai ®Òu ®Þnh vÞ ë bÒ mÆt ngoµi (khuyÕt tËt Schotky). Do ph¶i trung hßa vÒ ®iÖn bao
giê ®i kÌm víi mét nót trèng anion còng ph¶i cã mét nót trèng cation t¬ng øng.
§¸ng chó ý lµ tû lÖ cation / anion tøc thµnh phÇn cña hîp chÊt kh«ng ¶nh
hëng ®Õn sù h×nh thµnh c¶ khuyÕt tËt Frenkel lÉn khuyÕt tËt Schotky. NÕu chØ cã
nh÷ng khuyÕt tËt ®ã, kh«ng cã khuyÕt tËt kiÓu kh¸c th× vËt liÖu ®îc gäi lµ hîp
thøc (stoichiometric). Sù hîp thøc chØ x¶y ra khi tû lÖ cation / anion chÝnh x¸c,
®óng víi c«ng thøc hãa häc (vÝ dô NaCl, hîp thøc x¶y ra khi tû lÖ ion Na+ / Cl -
®óng b»ng 1). Ceramic kh«ng hîp thøc lµ lo¹i cã sai lÖch nµo ®ã so víi tû lÖ chÝnh
x¸c. Sù kh«ng hîp thøc cã thÓ x¶y ra víi ceramic trong ®ã mét trong c¸c ion cã
thÓ cã hai hãa trÞ. VÝ dô, trong vustit FeO, Fe cã thÓ tån t¹i ë d¹ng Fe2+ vµ Fe3+ mµ
sè lîng cña mçi lo¹i phô thuéc vµo nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt bao quanh. Sù h×nh thµnh
mét cation Fe3+ sÏ ph¸ vì sù trung hßa ®iÖn v× sù t¨ng thªm mét ®iÖn tÝch d¬ng sÏ
®îc bï l¹i bëi mét khuyÕt tËt nµo ®ã (vÝ dô b»ng sù t¹o nªn mét nót trèng Fe2+ ®Ó
thÕ cho hai ion Fe3+ t¹o thµnh nh biÓu thÞ ë h×nh 7.9). Do vËy tinh thÓ kh«ng cßn
hîp thøc n÷a v× sè lîng ion «xy ®∙ nhiÒu h¬n ion s¾t lµ mét mµ tinh thÓ vÉn trung
hßa ®iÖn. HiÖn tîng nµy thêng gÆp ë «xyt s¾t vµ c«ng thøc hãa häc thêng ®îc
viÕt b»ng Fe1-xO (trong ®ã x chØ ®iÒu kiÖn cña sù kh«ng hîp thøc khi thiÕu Fe).
H×nh 7.9. S¬ ®å biÓu diÔn H×nh 7.10. S¬ ®å biÓu diÔn nguyªn tö
mét nót trèng Fe2+ trong FeO t¹p chÊt xen kÏ, thay thÕ anion, thay
lµm h×nh thµnh hai cation thÕ cation trong ceramic.
Fe3+.
g. T¹p chÊt
Trong ceramic c¸c nguyªn tö t¹p chÊt cã thÓ h×nh thµnh dung dÞch r¾n thay
289
290
thÕ vµ xen kÏ nh trong kim lo¹i tu©n theo c¸c ®iÒu kiÖn vÒ quan hÖ kÝch thíc
(h×nh 7.10). Ngoµi ra sù thay thÕ còng ph¶i tu©n theo quy t¾c sù gièng nhau nhiÒu
nhÊt vÒ ph¬ng diÖn ®iÖn: nÕu nguyªn tö t¹p chÊt lµ cation trong ceramic, nã sÏ cã
nhiÒu kh¶ n¨ng thay thÕ cho cation chÝnh. VÝ dô, ®èi víi NaCl, t¹p chÊt Ca2+ vµ O2-
thêng t¬ng øng thay thÕ cho Na+ vµ Cl -. Khi c¸c ion t¹p chÊt cã ®iÖn tÝch kh¸c
víi ion chÝnh khi thay thÕ, tinh thÓ ph¶i bï l¹i sù kh¸c nhau vÒ ®iÖn ®Ó b¶o ®¶m
trung hßa ®iÖn trong chÊt r¾n b»ng c¸ch t¹o nªn c¸c khuyÕt tËt m¹ng nh ®∙ tr×nh
bµy.
Qua c¸c kh¶o s¸t nh ®∙ tr×nh bµy, cã thÓ thÊy lµ trong m¹ng tinh thÓ
ceramic cã chøa rÊt nhiÒu khuyÕt tËt, ®Æc biÖt lµ c¸c nót trèng, c¸c rç nhá ®îc coi
nh c¸c vÕt nøt tÕ vi lu«n cã s½n ë bªn trong còng nh trªn bÒ mÆt, ®iÒu nµy ¶nh
hëng xÊu ®Õn c¬ tÝnh cña ceramic.
7.1.4. Tr¹ng th¸i v« ®Þnh h×nh
Tr¹ng th¸i v« ®Þnh h×nh cña ceramic cã thÓ ®îc t¹o thµnh b»ng c¸c con
®êng kh¸c nhau.
- Mét sè nguyªn tè, hîp chÊt (S, SiO2, B2O3, P2O5...) víi cÊu tróc m¹ng chÆt
chÏ, møc ®é liªn kÕt néi t¹i cao nªn ®é sÖt (nhít) cao ë tr¹ng th¸i nãng ch¶y, g©y
trë ng¹i cho sù dÞch chuyÓn, s¾p xÕp nguyªn tö trËt tù, t¹o nªn mÇm cho kÕt tinh.
Nh÷ng chÊt nµy do b¶n chÊt nh vËy nªn hçn hîp nãng ch¶y khi lµm nguéi b×nh
thêng kh«ng cã qu¸ tr×nh kÕt tinh, tr¹ng th¸i nãng ch¶y sÏ chuyÓn thµnh chÊt
láng qu¸ nguéi, ®«ng cøng l¹i thµnh chÊt r¾n thñy tinh. C¸c vËt liÖu nµy kh«ng cã
nhiÖt ®é nãng ch¶y (kÕt tinh) x¸c ®Þnh nh vËt liÖu tinh thÓ, nã chuyÓn tr¹ng th¸i
tõ tõ trong mét kho¶ng nhiÖt ®é.
- Víi c¸c hîp chÊt cã ®é sÖt (nhít) kh«ng cao l¾m khi lµm nguéi nhanh
còng nhËn ®îc tr¹ng th¸i v« ®Þnh h×nh.
H×nh 7.11. S¬ ®å cÊu tróc theo kh«ng gian hai chiÒu cña:
a. tinh thÓ th¹ch anh (SiO2), b. thñy tinh th¹ch anh (SiO2),
c. thñy tinh natri silicat (Na2O - SiO2).
290
291
H∙y lÊy thñy tinh SiO2 vµ c¸c dÉn suÊt cña nã lµm vÝ dô (h×nh 7.11). Tinh
thÓ th¹ch anh SiO2 ®îc t¹o thµnh tõ m¹ng líi kh«ng gian ba chiÒu cña c¸c khèi
bèn mÆt (®a diÖn phèi trÝ) [SiO4]4 - (trªn h×nh chØ vÏ theo kh«ng gian hai chiÒu), c¸c
khèi nµy liªn kÕt víi nhau qua ®Ønh, s¾p xÕp mét c¸ch cã quy luËt, trËt tù, cã c¸c
yÕu tè ®èi xøng cao (h×nh a). Ngîc l¹i khi ë tr¹ng th¸i v« ®Þnh h×nh c¸c khèi nµy
s¾p xÕp kh«ng theo quy luËt h×nh häc nµo: chóng bÞ x« lÖch nh ë thñy tinh th¹ch
anh (h×nh b), hay c¸c ion cña chÊt cho thªm (Na+ cña NaO) ph©n bè vµo c¸c vÞ trÝ
trèng trong m¹ng vèn ®∙ bÞ x« lÖch nh ë thñy tinh silicat (Na2O - SiO2) ë h×nh c,
lµm gi¶m møc ®é liªn kÕt cña khung thñy tinh thËm chÝ g©y ®øt m¹ng.
7.1.5. C¬ tÝnh
Nhîc ®iÓm quan träng nhÊt lµm h¹n chÕ sö dông réng r∙i cña ceramic lµ
c¬ tÝnh cña nã kÐm vËt liÖu kim lo¹i mµ chñ yÕu lµ do dÔ dÉn ®Õn ph¸ hñy gißn
mét c¸ch nguy hiÓm víi n¨ng lîng hÊp thô rÊt thÊp.
a. Ph¸ hñy gißn trong ceramic
ë nhÖt ®é thêng, díi t¸c dông cña t¶i träng kÐo c¶ ceramic tinh thÓ lÉn
v« ®Þnh h×nh thêng bÞ ph¸ hñy gißn mµ kh«ng x¶y ra bÊt kú biÕn d¹ng dÎo nµo
tríc ®ã mµ nguyªn nh©n chñ yÕu do nøt (®Æc biÖt lµ nøt trªn bÒ mÆt), rçng víi sè
lîng lín lµ ®Æc thï cña ceramic kh«ng nh÷ng tõ cÊu tróc tinh thÓ mµ cßn tõ c«ng
nghÖ chÕ t¹o (sÏ nãi sau).
Nh ®∙ biÕt tõ b¶ng 2.1 ceramic cã gi¸ trÞ KIC rÊt nhá (< 5 MPa m ) so víi
vËt liÖu kim lo¹i (30 ÷ 100MPa m ). Sù ph¸ hñy cña ceramic x¶y ra b»ng c¸ch
ph¸t triÓn tõ tõ cña vÕt nøt khi øng suÊt lµ tÜnh vµ gi¸ trÞ vÕ ph¶i cña biÓu thøc 2.4
[KIC = Yσ πa ] cha ®¹t ®Õn KIC. HiÖn tîng nµy ®îc gäi lµ mái tÜnh hay ph¸
hñy chËm. D¹ng ph¸ hñy nµy ®Æc biÖt nh¹y c¶m víi ®iÒu kiÖn cña m«i trêng, nhÊt
lµ khi cã h¬i níc trong khÝ quyÓn. Qu¸ tr×nh ¨n mßn díi øng suÊt x¶y ra ë ®Ønh
vÕt nøt do cã sù kÕt hîp gi÷a øng suÊt kÐo ®Æt vµo vµ sù hßa tan vËt liÖu (do ¨n
mßn) lµm cho nøt bÞ nhän vµ dµi ra cho ®Õn khi cã ®ñ kÝch thíc ®Ó ph¸t triÓn
nhanh.
Trong trêng hîp chÞu øng suÊt nÐn, kh«ng cã tËp trung øng suÊt do cã
nøt, chÝnh v× vËy ceramic cã ®é bÒn ë tr¹ng th¸i nÐn cao h¬n kÐo vµ thêng ®îc
dïng trong ®iÒu kiÖn t¶i träng nÐn. §é bÒn ph¸ hñy cña ceramic gißn ®îc c¶i
thiÖn nhiÒu nÕu trªn bÒ mÆt nã cã øng suÊt nÐn d ®îc thùc hiÖn b»ng c¸ch t«i.
b. BiÓu ®å øng suÊt - biÕn d¹ng vµ m«®un ph¸ hñy
Do khã chÕ t¹o mÉu kÐo vµ sù kh¸c nhau qu¸ nhiÒu gi÷a kÐo vµ nÐn nªn
víi ceramic ngêi ta kh«ng tiÕn hµnh thö kÐo mµ thö uèn ngang. Nh ®∙ biÕt khi
thö uèn ë mÆt trªn mÉu chÞu nÐn, mÆt díi chÞu kÐo.
M«®un ph¸ hñy hay giíi h¹n bÒn uèn lµ øng suÊt lín nhÊt hay øng suÊt khi
ph¸ hñy trong thö uèn, lµ chØ tiªu c¬ tÝnh quan träng ®èi víi ceramic gißn. Gi¸ trÞ
cña m«®un ph¸ hñy lµ lu«n lu«n lín h¬n giíi h¹n bÒn kÐo. PhÇn ®µn håi trªn biÓu
®å øng suÊt - biÕn d¹ng khi thö uèn ngang cña ceramic còng nh khi thö kÐo cho
kim lo¹i víi quan hÖ ®êng th¼ng (bËc nhÊt, tû lÖ) gi÷a øng suÊt vµ biÕn d¹ng.
H×nh 7.12 tr×nh bµy biÓu ®å nµy cña hai ceramic ®iÓn h×nh lµ «xyt nh«m (alumin)
vµ thñy tinh. M«®un ®µn håi (®é dèc cña ®êng th¼ng) cña ceramic lín h¬n kim
lo¹i Ýt nhiÒu. B¶ng 7.3 liÖt kª hai gi¸ trÞ trªn cña c¸c ceramic phæ biÕn nhÊt.
291
292
B¶ng 7.3. M«®un ph¸ hñy vµ m«®un ®µn håi cña c¸c ceramic
VËt liÖu M«®un ph¸ M«®un ®µn VËt liÖu M«®un ph¸ M«®un ®µn
hñy, MPa håi, GPa hñy, MPa håi, GPa
TiC 1100 310 MgO 105 210
Al2O3 200-345 370 MgAl2O4 90 240
BeO 140-275 310 Silica nÊu 110 75
ch¶y
SiC 170 470 Thñy tinh 70 70
H×nh 7.12. BiÓu ®å øng suÊt -
biÕn d¹ng khi thö uèn ngang
cho alumin vµ thñy tinh.
c. C¬ chÕ biÕn d¹ng dÎo
MÆc dÇu ë nhiÖt ®é thêng ceramic bÞ ph¸ hñy tríc khi biÕn d¹ng dÎo,
song trong mét sè ®iÒu kiÖn nã còng cã thÓ bÞ biÕn d¹ng dÎo. Tuy nhiªn sù biÕn
d¹ng dÎo cho ceramic tinh thÓ vµ v« ®Þnh h×nh cã nh÷ng ®Æc ®iÓm kh¸c nhau.
Ceramic tinh thÓ
Gièng nh kim lo¹i lµ vËt liÖu tinh thÓ, víi ceramic tinh thÓ biÕn d¹ng dÎo
còng x¶y ra b»ng sù dÞch chuyÓn cña lÖch. Mét trong nh÷ng nguyªn nh©n cho ®é
cøng vµ tÝnh gißn cao cña vËt liÖu nµy lµ do khã trît hay lÖch khã chuyÓn ®éng v×
qu¸ Ýt hÖ trît. Sù khã trît cßn do nguyªn nh©n vÒ liªn kÕt ion, ban ®Çu mçi ion
®Òu ®îc bao bäc bëi c¸c ion kh¸c dÊu nªn cã lùc hót, khi trît ®i mét kho¶ng
c¸ch nguyªn tö, c¸c ion cïng dÊu l¹i ®øng ®èi diÖn nhau nªn l¹i n¶y sinh lùc ®Èy.
Sù biÕn ®æi b¶n chÊt liªn kÕt nh thÕ kh«ng thÓ x¶y ra nªn kh«ng thÓ trît ®îc
(®iÒu nµy kh«ng cã ¶nh hëng g× ®Õn kim lo¹i v× c¸c nót m¹ng ®Òu lµ c¸c ion cïng
dÊu - cation).
Ceramic v« ®Þnh h×nh
§èi víi ceramic v« ®Þnh h×nh, biÕn d¹ng dÎo còng kh«ng x¶y ra do kh«ng
cã s¾p xÕp nguyªn tö trËt tù, vËt liÖu bÞ biÕn d¹ng b»ng ch¶y nhít gièng nh sù
292
293
biÕn d¹ng cña chÊt láng: tèc ®é biÕn d¹ng tû lÖ thuËn víi øng suÊt ®Æt vµo. Díi
t¸c dông cña øng suÊt tiÕp, c¸c nguyªn tö vµ ion ®îc trît dÞch ®i víi nhau b»ng
c¸ch ph¸ vì vµ h×nh thµnh l¹i liªn kÕt gi÷a c¸c nguyªn tö kh«ng theo c¸ch m« t¶
theo m« h×nh mÆt, ph¬ng trît víi c¬ chÕ lÖch. Sù ch¶y nhít ®îc m« t¶ ë h×nh
7.13.
H×nh 7.13. M« h×nh ch¶y nhít
cña chÊt láng vµ thñy tinh
láng díi t¸c dông cña øng
suÊt ®Æt vµo
§é nhít, tÝnh chÊt ®Æc trng cña ch¶y nhít, lµ thíc ®o søc bÒn chèng biÕn
d¹ng cña vËt liÖu v« ®Þnh h×nh. §èi víi ch¶y nhít trong chÊt láng bÞ giíi h¹n bëi
hai tÊm ph¼ng song song vµ bÞ t¸c dông cña øng suÊt tiÕp th× ®é nhít η lµ tû sè cña
øng suÊt tiÕp τ vµ sù biÕn thiªn cña tèc ®é dÞch chuyÓn dv víi kho¶ng c¸ch dy theo
ph¬ng vu«ng gãc víi c¸c tÊm, tøc lµ
F
τ
η= = A
dv dv
dy dy
nh s¬ ®å h×nh 7.13.
C¸c ®¬n vÞ ®o cña ®é nhít lµ poise (P) vµ pascal.s (pascal.gi©y, Pa.s);
1P = 1dyne-s/cm2 vµ 1Pa.s = 1N.s/m2, sù chuyÓn ®æi gi÷a chóng nh sau:
10P = 1Pa.s.
ChÊt láng cã ®é nhít kh¸ thÊp, nh níc ë nhiÖt ®é thêng η = 10-3Pa.s,
trong khi ®ã thñy tinh cã ®é nhít rÊt cao ë nhiÖt ®é thêng do liªn kÕt nguyªn tö
m¹nh, nhng khi nhiÖt ®é t¨ng lªn, lùc lªn kÕt gi¶m ®i, sù chuyÓn ®éng trît hay
ch¶y cña c¸c nguyªn tö hay ion trë nªn dÔ dµng h¬n nªn ®é nhít gi¶m ®i.
7.2. Gèm vµ vËt liÖu chÞu löa
7.2.1. B¶n chÊt vµ ph©n lo¹i
Gèm lµ vËt liÖu nh©n t¹o cã sím nhÊt trong lÞch sö loµi ngêi. Khëi ®Çu
kh¸i niÖm gèm ®îc dïng ®Ó chØ vËt liÖu chÕ t¹o tõ ®Êt sÐt, cao lanh (gèm ®Êt
nung). VÒ sau, cïng víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc kü thuËt, kh¸i niÖm nµy ®îc
më réng vµ bao gåm thªm ®å sø, c¸c vËt liÖu trªn c¬ së «xyt (vÝ dô gèm Al2O3) vµ
c¸c chÊt v« c¬ kh«ng ph¶i lµ «xyt (vÝ dô SiC). Kh¸i niÖm gèm cã liªn quan ®Õn hai
néi dung: ph¬ng ph¸p c«ng nghÖ vµ ®Æc ®iÓm tæ chøc.
Ph¬ng ph¸p c«ng nghÖ gèm ®iÓn h×nh lµ ph¬ng ph¸p thiªu kÕt bét (nh
hîp kim bét): khi t¹o h×nh nguyªn liÖu d¹ng bét cã liªn kÕt t¹m thêi, sau ®ã ®îc
nung lªn nhiÖt ®é cao ®Ó liªn kÕt khèi.
293
294
Tæ chøc ®iÓn h×nh cña gèm lµ ®a pha. Nãi ®a pha v× hai pha chÝnh t¹o nªn
gèm lµ pha tinh thÓ vµ pha v« ®Þnh h×nh, trong ®ã pha v« ®Þnh h×nh ph©n bè xen
gi÷a c¸c vïng pha tinh thÓ vµ g¾n kÕt chóng l¹i víi nhau. Tû lÖ gi÷a hai pha nµy
trong c¸c s¶n phÈm sÏ kh¸c nhau, vÝ dô tû lÖ pha v« ®Þnh h×nh trong g¹ch ngãi lµ
20 ÷ 40%, trong sø - 50 ÷ 65%, gèm Al2O3 - < 1%. Ngoµi hai pha chÝnh ra trong
gèm lu«n lu«n cã lç xèp (trong g¹ch: 10 ÷ 50%, gèm nhÑ: > 40%, sø: < 5%) mµ tû
lÖ, h×nh d¹ng, kÝch thíc vµ sù ph©n bè cã ¶nh hëng râ rÖt ®Õn c¸c tÝnh chÊt nh
®é bÒn c¬ häc, ®é dÉn nhiÖt, kh¶ n¨ng hót níc. VÝ dô m«®un ®µn håi E gi¶m ®i
theo sù t¨ng lªn cña thÓ tÝch rç xèp P theo biÓu thøc
E = E0 (1 - 1,9P + 0,9P2)
trong ®ã E0 lµ m«®un ®µn håi cña gèm ®Æc, kh«ng lç xèp.
Theo thµnh phÇn hãa häc cã thÓ cã c¸c lo¹i gèm sau: gèm silicat, gèm
«xyt, gèm kh«ng ph¶i «xyt vµ gèm chÞu löa.
7.2.2. Gèm silicat
Gèm silicat cßn gäi lµ gèm truyÒn thèng lµ lo¹i chÕ t¹o tõ c¸c vËt liÖu
silicat thiªn nhiªn ®é s¹ch thÊp, chñ yÕu tõ ®Êt sÐt vµ cao lanh ®Ó t¹o nªn c¸c s¶n
phÈm gèm x©y dùng (g¹ch, ngãi, èng dÉn, sø vÖ sinh...), gèm gia dông (Êm chÐn,
b¸t ®Üa) vµ gèm c«ng nghiÖp (c¸ch ®iÖn, bÒn hãa, nhiÖt).
§Êt sÐt lµ silicat nh«m gåm cã Al2O3, SiO2 vµ níc ngËm. TÝnh chÊt cña nã
biÕn ®æi réng phô thuéc vµo lîng t¹p chÊt mµ chñ yÕu lµ c¸c «xyt (Fe, Ba, Ca,
Na, K...) vµ mét Ýt chÊt h÷u c¬. CÊu tróc tinh thÓ cña ®Êt sÐt t¬ng ®èi phøc t¹p
song cã ®Æc trng quan träng lµ cã cÊu tróc tÇng nªn khi cã níc c¸c ph©n tö níc
®iÒn kÝn c¸c tÇng nµy vµ t¹o ra líp mµng máng bao quanh c¸c h¹t ®Êt sÐt lµm cho
c¸c h¹t nµy dÔ dÞch chuyÓn víi nhau, t¹o ra ®é dÎo cao cho hçn hîp ®Êt sÐt - níc.
Cao lanh (kaolinite) lµ kho¸ng phæ biÕn nhÊt cña ®Êt sÐt cã c«ng thøc
Al2(Si2O5)(OH)4 hay Al2O3.2SiO2.2H2O. Ngoµi ®Êt sÐt, cao lanh cßn dïng c¸c
nguyªn liÖu phô nh th¹ch anh SiO2 lµm chÊt ®én, trµng th¹ch KAlSi3O8 lµm trî
dung. VÝ dô mét sø ®iÓn h×nh chøa 50% ®Êt sÐt (cao lanh), 25% th¹ch anh, 25%
trµng th¹ch.
Quy tr×nh s¶n xuÊt gèm silicat nh sau.
- Gia c«ng, tuyÓn chän nguyªn liÖu: quÆng th« ®îc nghiÒn mÞn, sµng ®Ó
cã ®îc ®é h¹t yªu cÇu. Do nguyªn liÖu th« thêng chøa nhiÒu FeO, Fe2O3 nªn khi
cÇn thiÕt (khi cÇn mµu tr¾ng) ph¶i qua tuyÓn tõ khö «xyt triÖt ®Ó (< 1%).
- C©n, trén phèi liÖu.
- Nhµo luyÖn phèi liÖu (®a thªm níc vµo víi lîng kh¸c nhau ®Ó t¹o ®é
dÎo thÝch hîp).
- T¹o h×nh s¶n phÈm theo ba c¸ch tïy thuéc ®é Èm:
+ ph¬ng ph¸p b¸n kh« víi phèi liÖu cã ®é Èm 8 ÷ 12% ®îc ®Çm nÐn
trong khu«n,
+ ph¬ng ph¸p dÎo víi phèi liÖu cã ®é Èm 12 ÷ 25%, tÝnh dÎo cao ®îc t¹o
d¸ng b»ng tay hay dông cô, m¸y chuyªn dïng,
+ ph¬ng ph¸p ®óc rãt víi phèi liÖu cã lîng níc cao, phèi liÖu cã d¹ng
hå ®îc rãt vµo khu«n th¹ch cao, khu«n sÏ hót níc ®Ó l¹i s¶n phÈm méc.
- SÊy. Ban ®Çu c¸c h¹t ®Êt sÐt ®îc bäc bëi níc, khi sÊy h¬i níc bay ®i
lµm kho¶ng trèng gi÷a c¸c h¹t gi¶m ®i g©y ra co vµ rçng.
- Nung ®Õn 900 ÷ 1400oC hay cao h¬n tïy thuéc vµo thµnh phÇn, c¬ tÝnh
yªu cÇu, s¶n phÈm (gèm x©y dùng, g¹ch ë 900oC, sø: 1400oC, gèm cao alumin
294
295
1600oC). Trong qu¸ tr×nh nung mËt ®é cña gèm t¨ng lªn (do gi¶m lç xèp) vµ c¬
tÝnh ®îc c¶i thiÖn. Khi gèm ®îc nung ®Õn nhiÖt ®é cao cã x¶y ra mét sè ph¶n
øng trong ®ã ®¸ng quan t©m nhÊt lµ sù thñy tinh hãa: sù h×nh thµnh dÇn dÇn thñy
tinh láng, ch¶y vµo ®iÒn kÝn c¸c lç hæng vµ s¶n phÈm ®îc co thªm. Khi nguéi,
pha nãng ch¶y ®«ng ®Æc l¹i t¹o ra nÒn liªn kÕt lµm bÒn, ch¾c s¶n phÈm.
Gèm cã lo¹i tr¸ng men vµ kh«ng tr¸ng men. Líp men cã thÓ ®îc nung
ch¶y cïng mét lÇn víi s¶n phÈm hoÆc nung l¹i lÇn thø hai.
Theo ®Æc ®iÓm kÕt cÊu cña x¬ng gèm, ngêi ta ph©n biÖt hai lo¹i th« vµ
tinh. Gèm th« cã cÊu tróc x¬ng t¹o bëi c¸c h¹t vËt liÖu r¾n cã kÝch thíc lín vµ
kh«ng ®ång ®Òu (vÝ dô g¹ch ngãi, g¹ch chÞu löa). Gèm tinh ®îc t¹o bëi c¸c h¹t
mÞn vµ ®ång ®Òu (vÝ dô sø, gèm, corindon Al2O3).
7.2.3. Gèm «xyt
Gèm «xyt lµ gèm cã thµnh phÇn hãa häc lµ mét ®¬n «xyt (Al2O3 hoÆc
TiO2) hoÆc mét «xyt phøc x¸c ®Þnh (vÝ dô MgO.Al2O3, BaO.TiO2), nh vËy trong
thµnh phÇn kh«ng cã SiO2.
Kh¸c víi gèm silicat, gèm «xyt cã ®é tinh khiÕt hãa häc cao h¬n h¼n (tû lÖ
t¹p chÊt rÊt thÊp) vµ tû lÖ pha tinh thÓ còng cao h¬n h¼n (tû lÖ pha v« ®Þnh h×nh rÊt
thÊp) ®Ó lµm vËt liÖu kü thuËt cã ®é bÒn nhiÖt vµ ®é bÒn c¬ häc rÊt cao, cã c¸c tÝnh
chÊt ®iÖn vµ tõ ®Æc biÖt. Cã thÓ chia thµnh ba nhãm nhá.
a. Gèm «xyt trªn c¬ së c¸c «xyt cã nhiÖt ®é nãng ch¶y cao
Víi c¸c «xyt cã nhiÖt ®é ch¶y cao tiªu biÓu lµ Al2O3 (2050oC), MgO
(2850 C), ZrO2 (2500 ÷ 2600oC), MgO.Al2O3 (2135oC) b»ng c«ng nghÖ gèm tinh
o
(víi ®é tinh khiÕt > 98%), thiªu kÕt ë nhiÖt ®é cao víi tæ chøc tinh mÞn vµ hÇu nh
toµn bé lµ tæ chøc mét pha. Chóng bao gåm c¸c lo¹i sau.
Gèm corindon (Al2O3 ë d¹ng thï h×nh α) víi nhiÖt ®é sö dông kho¶ng
1900oC ®îc dïng lµm chÐn, nåi nÊu kim lo¹i víi ®é cøng HB 2000 ®îc dïng
lµm vËt liÖu c¾t, h¹t mµi, thËm chÝ cÊy ghÐp vµo x¬ng.
Gèm pericla (MgO) víi nhiÖt ®é sö dông cao tíi 2400oC vµ cã tÝnh kiÒm
(bad¬) ®îc dïng lµm nåi nÊu ch¶y kim lo¹i bÒn víi muèi clorit vµ fluorit nãng
ch¶y.
Gèm ziªcona (ZrO2) víi nhiÖt ®é sö dông cao (2300oC), gi∙n në nhiÖt Ýt,
-7 o
20.10 / K, vµ gèm spinel (MgO.Al2O3) ®îc dïng vµo c¸c môc ®Ých ®Æc biÖt ë
nhiÖt ®é cao.
b. Gèm trªn c¬ së TiO2
Gèm trªn c¬ së TiO2 cã c¸c tÝnh chÊt ®Æc biÖt (®iÖn m«i, s¾t tõ, ¸p ®iÖn)
®îc sö dông réng r∙i trong kü thuËt ®iÖn vµ ®iÖn tö. Cã thÓ chØ lµ ®¬n «xyt nh
gèm rutil (TiO2) hay cã pha thªm c¸c «xyt kh¸c ®Ó ®iÒu chØnh c¸c tÝnh chÊt ®iÖn
tõ.
c. Gèm trªn c¬ së Fe2O3 vµ «xyt kim lo¹i nÆng
Gèm trªn c¬ së Fe2O3 vµ c¸c «xyt kim lo¹i nÆng kh¸c thuéc nhãm Fe t¹o ra
c¸c vËt liÖu b¸n dÉn vµ vËt liÖu tõ.
MeO.Fe2O3 (trong ®ã Me cã thÓ lµ Mn, Zn, Ni, Mg, Co, Cu, Cd, Ti...) ®îc
gäi lµ ferit tõ hay ®¬n gi¶n lµ ferit, thuéc lo¹i vËt liÖu tõ mÒm, ®îc dïng rÊt nhiÒu
trong kü thuËt ®iÖn tÇn sè cao do cã ®iÖn trë rÊt lín (103 ÷ 1012 Ω.cm) nªn dßng
fuc« sinh ra rÊt nhá, tæn thÊt ®iÖn rÊt nhá. Mét øng dông quan träng cña nã lµ lµm
dÉn tõ ghÐp vµo vßng c¶m øng khi nung nãng b»ng dßng ®iÖn c¶m øng cã tÇn sè
cao khi t«i, hµn, nÊu ch¶y vµ c¸c môc ®Ých kh¸c.
295
296
d. G¹ch chÞu löa
VËt liÖu chÞu löa (refractories) lµ lo¹i vËt liÖu ®Ó x©y l¾p c¸c lß (luyÖn kim,
thñy tinh, h¬i, nung kim lo¹i, nhiÖt luyÖn...) vµ thiÕt bÞ c«ng nghiÖp lµm viÖc ë
nhiÖt ®é cao. Theo quy íc chung mét vËt liÖu ®îc coi lµ vËt liÖu chÞu löa khi nã
cã ®é chÞu löa lín h¬n 1520oC, tøc nhiÖt ®é t¹i ®ã khèi vËt liÖu h×nh chãp víi kÝch
thíc quy ®Þnh bÞ ®¸nh gôc. VËt liÖu chÞu löa trªn thÞ trêng cã thÓ ë nhiÒu d¹ng
nhng g¹ch lµ lo¹i quan träng vµ phæ biÕn h¬n c¶, ®îc s¶n xuÊt theo c«ng nghÖ
gèm th«. §©y lµ ®iÓm ph©n biÖt quan träng víi c¸c gèm «xyt kÓ trªn trong khi vÒ
thµnh phÇn cã thÓ gièng nhau. Sau ®©y ph©n biÖt c¸c lo¹i g¹ch chÞu löa ®iÓn h×nh.
§inat (silica) víi thµnh phÇn > 93% SiO2 dîc s¶n xuÊt b»ng ph¬ng ph¸p
thiªu kÕt bét. G¹ch ®inat cã tÝnh axit víi nhiÖt ®é lµm viÖc cao (> 1550oC) dïng ®Ó
x©y lß coke, vßm lß thñy tinh, c¸c vïng nung trong lß tuynen, mét sè lß luyÖn
kim.
Sam«t lµ gèm th« Al2O3 - SiO2 víi nguyªn liÖu chÝnh lµ ®Êt sÐt, cao lanh.
Theo thµnh phÇn hãa häc cã sam«t thêng (30 ÷ 40% Al2O3) - trung tÝnh vµ sam«t
b¸n axit (chØ chøa 20 ÷ 30% Al2O3). Víi ®é chÞu löa t¬ng ®èi tèt (~ 1400oC) tïy
tõng lo¹i chóng ®îc dïng trong lß nung clinke, khÝ hãa, h¬i vµ mét sè lß luyÖn
kim.
Cao alumin còng thuéc hÖ Al2O3 - SiO2 nh sam«t nhng víi hµm lîng
Al2O3 cao h¬n (45 ÷ 95%) nªn ®é chÞu löa cao h¬n (≥ 1600oC), ®îc sö dông khi
cã yªu cÇu cao vÒ ®é chÞu löa mµ sam«t kh«ng ®¸p øng næi.
G¹ch kiÒm tÝnh lµ hÖ g¹ch chÞu löa cã MgO víi c¸c thµnh phÇn kh¸c nhau:
pericla hay manhªzit (MgO), pericla - cr«mit hay cr«m - manhªzit (Cr2O3 - MgO),
®«l«mit (MgO - CaO)..., chóng rÊt bÒn víi xØ kiÒm lµ yªu cÇu rÊt quan träng víi
luyÖn thÐp vµ mét sè kim lo¹i ®Ó cã thÓ t¹o ra xØ kiÒm (CaO), khö t¹p chÊt cã h¹i
vµ còng ®îc dïng trong mét sè lß kh¸c.
Nh vËy vÒ c«ng dông c¸c g¹ch chÞu löa kh«ng cã sù kh¸c nhau lín vÒ ®é
chÞu löa mµ chñ yÕu lµ ë m«i trêng lµm viÖc (axit, kiÒm hay trung tÝnh).
e. VËt liÖu chÞu löa kh¸c
§ã lµ lo¹i kh«ng s¶n xuÊt theo ph¬ng ph¸p gèm mµ dïng c¸ch nÊu ch¶y
hay vÉn dïng c¸ch thiªu kÕt bét nh gèm nhng nguyªn liÖu kh«ng ph¶i lµ «xyt.
S¶n xuÊt theo c¸ch nÊu ch¶y «xyt (trong lß ®iÖn hå quang) ®îc gèm th«,
®é xÝt chÆt cao víi tû lÖ pha v« ®Þnh h×nh thÊp, cã rç khÝ lín vµ ph©n bè kh«ng ®Òu
gåm corindon (92 ÷ 98% Al2O3), corindon mulit (80%Al2O3, 20% SiO2)...
Víi grafit vµ cacbit silic (SiC) cã nhiÖt ®é nãng ch¶y cao 2300 ÷ 2500oC
còng cã thÓ t¹o nªn vËt liÖu chÞu löa (b»ng ph¬ng ph¸p thiªu kÕt bét) cã nh÷ng
øng dông nhÊt ®Þnh.
7.3. Thñy tinh vµ gèm thñy tinh
7.3.1. B¶n chÊt vµ ph©n lo¹i
VÒ mÆt b¶n chÊt, cã thÓ ph©n biÖt thñy tinh víi gèm vµ vËt liÖu chÞu löa ë:
- thñy tinh cã cÊu tróc hoµn toµn lµ v« ®Þnh h×nh, lµ vËt liÖu mét pha ®ång
nhÊt (trong khi ®ã ë gèm phÇn lín lµ tinh thÓ),
- thñy tinh s¶n xuÊt theo c«ng nghÖ nÊu ch¶y vµ t¹o h×nh tiÕp theo b»ng
kÐo (tÊm, èng, sîi), c¸n, Ðp, dËp, thæi (gèm theo c«ng nghÖ thiªu kÕt bét).
Còng nh gèm, thñy tinh ®îc sö dông rÊt réng r∙i trong kü thuËt vµ ®êi
sèng. Nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt thñy tinh còng phæ biÕn vµ rÎ tiÒn nh gèm, nã
296
297
dïng c¸t tr¾ng (SiO2), s«®a (Na2CO3), ®¸ v«i (CaCO3), trµng th¹ch
[(K,Na)AlSi3O8], ®«l«mit (CaCO3.MgCO3)...
Theo thµnh phÇn hãa häc vµ c«ng dông cã thÓ cã c¸c lo¹i: th«ng dông vµ
c¸c lo¹i kh¸c.
7.3.2. Thñy tinh th«ng dông (silicat kiÒm - kiÒm thæ)
§©y lµ lo¹i thñy tinh thêng gÆp díi tªn gäi lµ kÝnh víi víi c¸c thµnh
phÇn: SiO2 (65 ÷ 75%), CaO (8 ÷ 15%), Na2O (12 ÷ 18%)... (do vËy cã tªn lµ
silicat - SiO2 - kiÒm - Na, kiÒm thæ - Ca) víi nguyªn liÖu c¸t tr¾ng (cung cÊp SiO2),
®¸ v«i (CaO), ®«l«mit (CaO vµ MgO), s«®a (Na2O). Na2O cho vµo ®Ó lµm gi¶m
nhiÖt ®é nÊu ch¶y cña hçn hîp, ngoµi ra cã thÓ cã thªm mét Ýt K2O, Al2O3, BaO,
B2O3 ®Ó ®iÒu chØnh tÝnh chÊt. §Ó t¹o ®é trong suèt cao ph¶i khö rÊt triÖt ®Ó «xyt s¾t
trong nguyªn liÖu (< 0,1% Fe2O3 víi thñy tinh kh«ng mµu, < 0,01% víi lo¹i quang
häc), trén ®Òu hçn hîp vµ nÊu ch¶y hoµn toµn.
Nh ®∙ nãi, ë mäi tr¹ng th¸i thñy tinh ®Òu lµ v« ®Þnh h×nh, nªn khi nung
nãng hay lµm nguéi kh«ng cã thay ®æi thÓ tÝch râ rÖt, kh¸c víi vËt liÖu tinh thÓ cã
sù thay ®æi ®ét ngét nh biÓu thÞ ë h×nh 7.14. Trong khi vËt liÖu tinh thÓ cã nhiÖt
®é kÕt tinh (nãng ch¶y) Ts x¸c ®Þnh øng víi thay ®æi ®ét ngét vÒ thÓ tÝch, th× khi
lµm nguéi, thñy tinh ngµy mét nhít (sÖt) h¬n vµ thÓ tÝch gi¶m ®i liªn tôc, t¹i ®iÓm
tõ ®ã tèc ®é b¾t ®Çu gi¶m chËm h¬n ®îc gäi lµ nhiÖt ®é thñy tinh hãa Tg. Díi
nhiÖt ®é nµy vËt liÖu ®îc coi lµ thñy tinh, cao h¬n nhiÖt ®é nµy lÇn lît lµ chÊt
láng qu¸ nguéi vµ chÊt láng.
H×nh 7.14. Sù thay ®æi thÓ tÝch
theo nhiÖt ®é cña vËt liÖu tinh thÓ
vµ v« ®Þnh h×nh.
Trong gia c«ng, chÕ t¹o thñy tinh, ngêi ta thêng quy ®Þnh c¸c nhiÖt ®é
(t¬ng øng víi c¸c ®é nhít) sau ®©y: ch¶y (102P), t¹o h×nh (104P), hãa mÒm
(4.107P), ñ (1013P) vµ gißn (3.1014P), trong ®ã Tg n»m ë cao h¬n nhiÖt ®é gißn.
ë nhiÖt ®é t¹o h×nh rÊt dÔ biÕn d¹ng thñy tinh b»ng c¸ch Ðp, thæi, kÐo. Ðp
lµ ph¬ng ph¸p t¹o h×nh gÇn nh dËp nãng trong khu«n cèi b»ng gang ®óc bäc
grafit, dïng ®Ó chÕ t¹o c¸c s¶n phÈm cã thµnh t¬ng ®èi dµy. Thæi lµ ph¬ng ph¸p
t¹o h×nh c¸c s¶n phÈm rçng, thµnh máng nh bãng ®Ìn, phÝch níc, chai, lä, ®å
mü nghÖ... cã thÓ ®îc thùc hiÖn mét c¸ch thñ c«ng hay c¬ khÝ hãa - tù ®éng hãa
díi sù trî gióp cña ¸p lùc kh«ng khÝ nÐn. KÐo lµ ph¬ng ph¸p dïng ®Ó s¶n xuÊt
c¸c s¶n phÈm dµi nh tÊm máng, thanh, èng vµ sîi, chóng cã tiÕt diÖn ngang
kh«ng ®æi. VÝ dô khi chÕ t¹o kÝnh tÊm, thñy tinh nãng ch¶y ®îc kÐo d©ng lªn vµo
297
303
7.5.2. Sîi bo vµ c¸c sîi kh¸c
ë tr¹ng th¸i liÒn khèi, bo rÊt cøng vµ gißn kh«ng thÓ trùc tiÕp kÐo thµnh sîi
®îc, do vËy ph¶i chÕ t¹o nã theo c¸ch kh¸c: b»ng c¸ch hoµn nguyªn mét
halogenua bo (vÝ dô BCl3) b»ng hy®r« ë nhiÖt ®é cao ®Ó t¹o ra bo nguyªn tö råi
h×nh thµnh c¸c tinh thÓ v« cïng nhá mÞn (2 ÷ 3nm) trªn bÒ mÆt sîi d©y vonfram rÊt
m¶nh (®êng kÝnh 10 ÷ 15 cho ®Õn 100 ÷ 200µm). Cuèi cïng ®îc sîi bo (thùc
chÊt lµ sîi vonfram bÒ mÆt cã phñ bo) cã ®é bÒn cßn cao h¬n c¶ sîi cacbon (σb =
3000 ÷ 3500MPa) nhng nhiÖt ®é lµm viÖc thÊp h¬n (< 500oC so víi 2000 ÷
2500oC cña sîi cacbon) víi gi¸ cao h¬n, hµng chôc USD/kg.
Còng b»ng c¸ch t¬ng tù nh bo, cã thÓ t¹o ra c¸c sîi cacbit silic cã σb =
2000 ÷ 2500MPa víi nhiÖt ®é lµm viÖc ®Õn 900oC. Kh¸c víi hai lo¹i sîi trªn cã lâi
lµ sîi vonfram, sîi «xyt nh«m lµ sîi ®¬n tinh thÓ Al2O3 kh¸ m¶nh (~ 250µm) cã σb
= 2000MPa vµ nhiÖt ®é lµm viÖc ®Õn 800oC.
7.5.3. R©u ®¬n tinh thÓ (whiskers)
C¸c ®¬n tinh thÓ rÊt nhá (dµi vµi mm, ®êng kÝnh ~ 1µm) hÇu nh kh«ng
cã sai lÖch m¹ng (®óng ra chØ cã mét lÖch xo¾n), ®îc chÕ t¹o theo ph¬ng ph¸p
®Æc biÖt ®îc gäi lµ r©u ®¬n tinh thÓ. Lo¹i cã ®êng kÝnh cµng nhá, chiÒu dµi cµng
lín ®îc coi lµ cèt sîi lý tëng cho compozit víi ®é bÒn thùc tÕ gÇn ®¹t ®Õn ®é
bÒn lý thuyÕt, nhng rÊt ®¾t. R©u ®¬n tinh thÓ hîp chÊt v« c¬ SiC, Al2O3, BeO
®îc a chuéng h¬n kim lo¹i nguyªn chÊt do Ýt ph¶n øng víi nÒn. R©u ®¬n tinh thÓ
SiC cã σb = 20000MPa, BeO - 6900MPa.
303
303
7.5.2. Sîi bo vµ c¸c sîi kh¸c
ë tr¹ng th¸i liÒn khèi, bo rÊt cøng vµ gißn kh«ng thÓ trùc tiÕp kÐo thµnh sîi
®îc, do vËy ph¶i chÕ t¹o nã theo c¸ch kh¸c: b»ng c¸ch hoµn nguyªn mét
halogenua bo (vÝ dô BCl3) b»ng hy®r« ë nhiÖt ®é cao ®Ó t¹o ra bo nguyªn tö råi
h×nh thµnh c¸c tinh thÓ v« cïng nhá mÞn (2 ÷ 3nm) trªn bÒ mÆt sîi d©y vonfram rÊt
m¶nh (®êng kÝnh 10 ÷ 15 cho ®Õn 100 ÷ 200µm). Cuèi cïng ®îc sîi bo (thùc
chÊt lµ sîi vonfram bÒ mÆt cã phñ bo) cã ®é bÒn cßn cao h¬n c¶ sîi cacbon (σb =
3000 ÷ 3500MPa) nhng nhiÖt ®é lµm viÖc thÊp h¬n (< 500oC so víi 2000 ÷
2500oC cña sîi cacbon) víi gi¸ cao h¬n, hµng chôc USD/kg.
Còng b»ng c¸ch t¬ng tù nh bo, cã thÓ t¹o ra c¸c sîi cacbit silic cã σb =
2000 ÷ 2500MPa víi nhiÖt ®é lµm viÖc ®Õn 900oC. Kh¸c víi hai lo¹i sîi trªn cã lâi
lµ sîi vonfram, sîi «xyt nh«m lµ sîi ®¬n tinh thÓ Al2O3 kh¸ m¶nh (~ 250µm) cã σb
= 2000MPa vµ nhiÖt ®é lµm viÖc ®Õn 800oC.
7.5.3. R©u ®¬n tinh thÓ (whiskers)
C¸c ®¬n tinh thÓ rÊt nhá (dµi vµi mm, ®êng kÝnh ~ 1µm) hÇu nh kh«ng
cã sai lÖch m¹ng (®óng ra chØ cã mét lÖch xo¾n), ®îc chÕ t¹o theo ph¬ng ph¸p
®Æc biÖt ®îc gäi lµ r©u ®¬n tinh thÓ. Lo¹i cã ®êng kÝnh cµng nhá, chiÒu dµi cµng
lín ®îc coi lµ cèt sîi lý tëng cho compozit víi ®é bÒn thùc tÕ gÇn ®¹t ®Õn ®é
bÒn lý thuyÕt, nhng rÊt ®¾t. R©u ®¬n tinh thÓ hîp chÊt v« c¬ SiC, Al2O3, BeO
®îc a chuéng h¬n kim lo¹i nguyªn chÊt do Ýt ph¶n øng víi nÒn. R©u ®¬n tinh thÓ
SiC cã σb = 20000MPa, BeO - 6900MPa.
303