CHƯƠNG I GIỚI THIỆU 1.1 ĐỊNH NGHĨA VẬT LIỆU SILICAT Vật liệu silicat từ sử dụng cách vài chục năm Ngày phương tiện thông tin đại chúng, thấy người ta sử dụng từ ceramics Từ ceramic bắt nguồn từ từ gốc Hy Lạp keramos có nghĩa đồ gốm, tức vật liệu tạo thành từ gia công nhiệt ngun liệu đất sét Tuy nhiên từ keramos cịn có nguồn gốc Sanskrit cổ có nghĩa “đốt cháy” Ngày định nghĩa mở rộng nhiều Ceramic coi nghệ thuật khoa học sản xuất sử dụng vật liệu rắn có thành phần xác định tạo thành từ vật liệu vô phi kim loại phương pháp nhiệt Vì nhiều tài liệu tiếng Việt người ta sử dụng nhóm từ “vật liệu vô phi kim loại” để nhóm vật liệu Ceramic Vật liệu ceramic chất thường tinh thể tạo thành nguyên tố kim loại phi kim loại nhôm oxy ( Al 2O3), silic oxy (SiO2), silic nitơ (Si3N4)… Định nghĩa không bao gồm vật liệu đồ gốm sứ, vật liệu chịu lửa, sản phẩm từ đất sét, vật liệu mài, men gốm sứ, xi măng thủy tinh mà cịn bao gồm vật liệu vơ phi kim loại từ tính, vật liệu điện từ, gốm đơn tinh thể, thủy tinh gốm nhiều vật liệu ngày khơng cịn tồn nhiều vật liệu có mặt cách vài năm Thủy tinh khác gốm sứ chỗ vơ định hình khơng có trật tự xa tinh thể Ceramic nhóm lớn vật liệu rắn Hai nhóm lại kim loại polymer Sự kết hợp hay nhóm vật liệu với tạo thành loại vật liệu có tính chất đặc biệt vật liệu composit Ví dụ bê tông gia cố thép, nhựa gia cố sợi thủy tinh sợi carbon dùng sản xuất tàu thuyền, vợt tennis, ván trượt tuyết xe đạp đua Vào năm 1974 thị trường ceramic Mỹ 20 triệu USD Năm 1994 tăng đến 16,7 tỉ USD Năm 2002 25 tỉ USD Đến đánh giá tăng đến 30 tỉ USD 1.2 PHÂN LOẠI CERAMIC Ngành kỹ thuật ceramic phân loại sau:  Các sản phẩm gốm (sản xuất từ đất sét)  Sứ  Gạch chịu lửa  Thủy tinh  Vật liệu mài  Xi măng  Ceramic tiên tiến Các nhóm phân chia thành nhiều nhóm nhỏ Như sau: GỐM Gạch, ống nước, ngói, gạch lát nền, gạch ốp tường, chậu hoa,… SỨ Đồ sứ gia dụng, gạch lát ốp tường, sứ vệ sinh, sứ điện, sứ mỹ thuật GẠCH CHỊU LỬA Sản phẩm gạch khối sử dụng Công nghiệp sắt thép, kim loại không chứa sắt, thủy tinh, xi măng, gốm sứ, trao đổi nhiệt, dầu khí cơng nghiệp hóa chất THUỶ TINH Thủy tinh phẳng (kính), vật chứa (chai, lọ), thủy tinh gia dụng, sợi thủy tinh (cách điện) dùng cho vật liệu cách điện, trần ngói lợp, thủy tinh làm bóng đèn, thủy tinh tiên tiến/đặc biệt dùng công nghệ truyền tin (sợi quang học) lưu trữ liệu (công nghệ CD) in ấn tài liệu (máy in laser) VẬT LỆU MÀI Vật liệu mài tự nhiên (đá garnet, kim cương, …) tổng hợp (silicon carbide, kim cương, oxit nhơm nóng chảy, …) sử dụng để nghiền, cắt, đánh bóng, phủ bên ngồi, … XI MĂNG Sử dụng để sản xuất đường bêtông, cầu, nhà cửa, đập nước CERAMIC TIÊN TIẾN Kết cấu Các phận mài mòn, ceramic sinh học (ghép xương, …), dụng cụ cắt phận động Điện Tụ điện, chất cách điện, chất nền, bó mạch tích hợp, chất áp điện, từ tính siêu dẫn Chất phủ Các thành phần động cơ, dụng cụ cắt phận mài mịn Hóa chất môi trường Bộ phận lọc, màng, xúc tác, chất mang xúc tác 1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Các nhà khảo cổ học phát đồ gốm nhân tạo có mặt cách 24.000 năm trước cơng nguyên Chúng tìm thấy Czechoslovakia dạng tượng người nhỏ, lót bi Các đồ gốm làm từ mỡ động vật xương trộn với tro xương loại vật liệu giống đất sét mịn Sau tạo hình, chúng nung nhiệt độ khoảng 500 – 800 0C lị nung có vịm hình móng ngựa, phần chơn đất tường hoàng thổ Tuy nhiên chưa rõ ứng dụng Vật dụng tìm thấy có ứng dụng bình gốm có mặt khoảng 9.000 năm trước cơng ngun Các bình có lẽ dùng để chứa ngũ cốc thức ăn Người ta cho sản xuất thủy tinh người xưa liên quan đến sản xuất đồ gốm có ảnh hưởng mạnh vùng Thượng Ai Cập (Upper Egypt, cách xa châu thổ sông Nile nhất) khoảng 8.000 năm trước công nguyên Khoảng 3000 – 4000 năm trước công nguyên hình thành nên trung tâm gốm vùng Trung Đông Ai Cập, thời gian phát bàn xoay dùng để tạo hình sản phẩm gốm Trong trình nung đồ gốm, có mặt CaO chứa cát kết hợp với soda q nhiệt lị nung nguyên nhân tạo thành men màu đồ gốm Các chuyên gia tin khoảng 1.500 năm B.C thủy tinh sản xuất cách độc lập khỏi đồ gốm tạo thành lớp sản phẩm riêng biệt Thời trung cổ Châu Âu, có trung tâm lớn sản xuất đồ gốm Faenza Ý (từ có danh từ faience hay cịn gọi sành), hay Mallorca-một đảo Địa Trung Hải (từ có tên mặt hàng majolica, có nghĩa sành, loại sành xương có màu, xốp, tráng men đục trang trí nhiều màu sắc) Vào năm 600 trước công nguyên, nước Trung Hoa cổ sản xuất đồ sứ Đến kỷ IX sau công nguyên (đời nhà Đường) nghề sứ Trung Hoa phát triển Và vào đời nhà Thanh (thế kỷ XVI sau cơng ngun) bước vào thời kỳ cực thịnh Ở Châu Âu, đến năm 1709, người Đức tên Johann Friedrich Bottger sản xuất đồ sứ giống đồ sứ Trung Quốc Năm 1759, Josial Wedgwood (người Anh) sản xuất sành dạng đá (một loại sành có xương mịn, trắng, kết khối tương đối tốt, chất lượng hẳn sành thông thường nhiên chưa đồ sứ) Trong 1/4 cuối kỷ XVIII, sành dạng đá đẩy lùi mặt hàng majolica Trong kỷ XIX, Châu Âu mặt hàng dùng để thay cho đồ sứ đắt tiền Chỉ sau giá hàng sứ rẻ cộng thêm với tính chất tuyệt vời hàng sứ đẩy lùi mặt hàng sành dạng đá Ở Việt Nam, ông cha ta sản xuất đồ gốm từ thời thượng cổ cách 4500 năm Vào thời đầu vua Hùng có gốm Phùng Ngun, gị Mun (Vĩnh Phú) nung nhiệt độ 800 – 9000C, xương bắt đầu tinh luyện Từ kỷ XI sản xuất gốm men Đại Việt tiếng với trung tâm lớn Hà Bắc, Thanh Hố, Thăng Long, Đà Nẵng Từ thời Trần có gốm Thiên Trường (Hà Nam Ninh) với sản phẩm bát dĩa, bình lọ phủ men ngọc, men màu Cuối thời Trần (thế kỷ XIV) bắt đầu hình thành làng gốm Bát Tràng tiếng ngày Từ thời cổ đến nay, khoa học ứng dụng ceramic kể thủy tinh phát triển cách vững Ceramic đóng vai trị quan trọng phát triển người Chúng ta tìm hiểu kỹ ảnh hưởng ceramic đến xã hội 1.4 ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU CERAMIC ĐẾN XÃ HỘI 1.4.1 Vật liệu chịu lửa Chúng ta biết kim loại hợp kim chúng sử dụng để sản xuất xe hơi, máy móc, máy bay, nhà cửa vô số ứng dụng khác Nhưng kim loại khơng sản xuất khơng có ứng dụng vật liệu ceramic vật liệu chịu lửa Vật liệu chịu lửa chịu điều kiện nhiệt độ cao dễ bay q trình luyện kim Ngồi vật liệu chịu lửa ứng dụng lĩnh vực khác hóa chất, dầu khí, trao đổi nhiệt, thủy tinh công nghiệp gốm sứ 1.4.2 Xây dựng Ngành kỹ thuật xây dựng liên quan đến việc xây dựng trung tâm thương mại, nhà dân, đường cao tốc, cầu, hệ thống cấp thoát nước,… Điều khơng thể thực mà khơng có vật liệu ceramic Các sản phẩm sử dụng : gạch lát nền, tường, lợp, xi măng, gạch, thạch cao, ống nước thủy tinh Nhà cửa, công sở xe ơtơ khơng có cửa sổ sao? Cửa kính cho phép ánh sáng lọt qua Có nhiều loại cửa sổ, bao gồm: loại an tồn, nhuộm màu, làm mờ, dát mỏng khơng phản chiếu Thêm vào đó, sợi thủy tinh sử dụng làm chất cách điện, trần, mái lợp giúp giữ ấm khô Gạch đất sét dùng để xây dựng nhà cửa, cơng trình cường độ chịu lực, độ bền vẻ đẹp Gạch sản phẩm khơng bị cháy, nóng chảy, bong, lồi lõm, cong vênh, mục nát, ăn mòn hay bị mối cơng Gạch có nhiều kích cỡ, màu sắc, hình dáng Ngói bền làm đẹp cho cơng trình xây dựng 1.4.3 Điện chiếu sáng Một phát minh quan làm thay đổi sống hàng triệu người bóng đèn nóng sáng Thomas Edison năm 1879 Phát minh thực khơng có thủy tinh Tính cứng, suốt khả chịu nhiệt độ cao môi trường chân không thủy tinh tạo điều kiện cho việc chế tạo bóng đèn Sau này, vào kỷ 20, phương tiện chiếu sáng tiến với đời đèn huỳnh quang, đèn dây tóc, đèn neon, đèn natri chiếu sáng đường phố Đến ngày nay, diod phát sáng (LED) ứng dụng đồng hồ, bảng đường, truyền tin (mạng sợi quang học), lưu trữ liệu in tài liệu 1.4.4 Ứng dụng điện Ngành kỹ thuật điện rộng lớn không tồn khơng có ceramic Các sản phẩm gốm sứ có tính chất điện đáng quan tâm cách điện, bán dẫn, siêu dẫn, áp điện từ tính Ceramics có tính định sản phẩm điện thoại di động, máy tính, truyền hình sản phẩm điện khác Lưu trữ liệu từ tính phát triển song song với chip siêu dẫn máy tính xác định có khả tính tốn lưu trữ thơng tin khơng thua Khơng có lưu trữ từ tính khơng có Internet, khơng có máy tính cá nhân, khơng có sỡ liệu lớn đương nhiên khơng có liệu tính tốn máy tính cỡ gigabyte, terabyte exabyte Ngày giới năm người ta sản xuất 150 triệu đĩa cứng 50 triệu đầu video Ceramic dùng để nâng cao hoạt động thể thao Ví dụ người ta dùng gốm áp điện để tạo thiết bị thể thao thông minh, mặt hàng thể thao thích ứng với môi trường xung quanh để gia tăng hiệu Ứng dụng cụ thể ván trượt tuyết, bóng rổ, bóng chày, giảm chấn động cho xe đạp leo núi Ví dụ, tập đồn K2 sử dụng thiết bị đo kiểm tra Active Control eXperts sản xuất bên ván trượt tuyết Thiết bị đo chứa vật liệu gốm áp điện làm giảm chấn động băng tuyết, giúp giữ ván trượt tuyết làm tăng vững chắc, khả kiểm soát tốc độ cao Buji sứ chất cách điện có ảnh hưởng sâu rộng đến xã hội Được phát minh vào năm 1860 để đánh lửa nhiên liệu cho động đốt cịn sử dụng với mục đích ngày 1.4.5 Truyền tin Sợi thủy tinh cách mạng khoa học kỹ thuật lĩnh vực công nghệ thông tin Thông tin trước truyền qua hàng trăm sợi dây đồng chứa sợi silic (thủy tinh) suốt, chất lượng cao Sử dụng công nghệ cho phép tăng tốc độ khối lượng thông tin lớn nhiều so với sử dụng dây cáp đồng Sợi quang học sợi cáp chắn để phân phối loạt dịch vụ có liên quan nhau, kết hợp giọng nói, liệu hình ảnh Cho dù nữa, ứng dụng hình ảnh đa phương tiện, truyền liệu tốc độ cao truy cập intenet, truyền thông tin hay dịch vụ theo nhu cầu khác sợi quang dẫn giúp truyền thông tin dễ dàng 1.4.6 Y học Ceramic gia tăng ứng dụng y học Các bác sĩ giải phẫu sử dụng vật liệu bioceramic để sử thay khớp hông, đầu gối số phận khác Ceramic sử dụng tay van tim bị hỏng Trong thể người, cấy phủ lên phận thay kim loại, vật liệu ceramic mơ sử phát triển xương, thúc đẩy hình thành mô hệ thống miễn dịch bảo vệ Nha sĩ sử dụng ceramic để cấy bọc Người ta sử dụng cầu thủy tinh nhỏ sợi tóc để phân phối xác định lượng phóng xạ cho quan bị hư hỏng thể Ceramic số vật liệu có độ bền ổn định đủ để chịu đựng ăn mòn lưu chất thể Hệ thống hình ảnh định chẩn đốn y khoa Vật liệu ceramic đại đóng vai trò quan kỹ thuật siêu âm X-quang chụp CT Các phận chuyển đổi sử dụng chì titanate zirconate (PZT) sở ceramic áp điện phận hệ thống siêu âm Các phận chuyển đổi tạo sóng siêu âm ghi nhận tín hiệu phản xạ lại tạo thành hình ảnh Âm siêu âm sử dụng để kiểm tra nhiều phần thể bụng, ngực, vùng chậu phụ nữ, tuyến tiền liệt, tuyến giáp, tuyến cận giáp, hệ mạch máu Phổ biến siêu âm cho phụ nữ mang thai ba giai đọan Tiến dùng để xem hình ảnh mảng ung thư bất thường mạch máu mà trước chưa nhìn thấy Điều cho phép bác sĩ xác định xác độ nguy hiểm cho phép nhìn rõ hình ảnh của mạch máu, thành động mạch, chuyển động mảng Scan CT X-quang phượng tiện chẩn đoán phổ biến bệnh viện trung tâm chẩn đoán y khoa, cho phép nhìn thấy vùng bên thể người để dị tìm ung thư bệnh khác Để chụp CT, cần có đầu dị Xquang đủ để ghi nhận hình ảnh có chất lượng cao Năm 1998 Tập doàn y khoa GE chế tạo thành cơng đầu dị chất lượng cao chứa phận phát sáng gián đoạn kiểu nhấp nháy cho hình ảnh tốt giúp hạ thấp cường độ tia X chiếu cho bệnh nhân 1.4.7 Ứng dụng lĩnh vực mơi trường khơng gian Ceramic đóng vai trị quan trọng việc đáp ứng nhiều yêu cầu môi trường Ceramic giúp giảm thải ô nhiễm, giữ lại chất độc hại cô lập chất thải hạt nhân Ngày phận chuyển xúc tác xe tải xe làm từ gốm xốp giúp chuyển hóa hydrocarbon độc CO thành CO nước độc hại Các phận gốm sứ tiên tiến sử dụng động diesel ơtơ Tính chất nhẹ, chịu nhiệt độ cao, chống mài mòn giúp trình cháy tốt tiết kiệm nhiều nhiên liệu Chương trình tàu khơng gian NASA trở thành thực có lợp ceramic nhẹ, tái sử dụng 34.000 cần bảo vệ phi hành gia phi thuyền có khung oxide nhơm chế tạo nhiệt độ cao (1600 0C) cho phép đối mặt với bầu khí trái đất chuyến trở phi thuyền Những ứng dụng chưa có giới hạn Trong chờ đợi đời nhiều ứng dụng mới, nắm vững ceramic đã, tiếp tục gây ảnh hưởng mang tính định tương lai Động (diesel) Turbin Thiết bị trao đổi nhiệt Che anten Phủ sắt Máy, cối nghiền Dụng cụ mài Bột mài Miếng ma sát, sợi khuôn Vật liệu mài Cơ nhiệt Vật liệu bền ma sát Gạch Chén nung Sợi cách nhiệt Hạt nhân Vật liệu chịu lửa Mỹ thuật Chén dĩa Sứ vệ sinh Gạch Gốm sứ thủy tinh Đất nung GỐM Thủy tinh Thiết bị trao đổi nhiệt Thiết bị chống cháy Thiết bị, vật liệu bảo vệ tia phản xạ Bao bì hóa học sợi, vải quang học sinh hóa Quang học Ngói Gạch ống Laser Cửa sổ IR Màu Gốm kim loại Gốm điện Tôn tráng men Gốm kim loại (cernet) Vật liệu chống thấm Điện Cao tần Cách điện Tụ điện Thiết bị dò Điện cực Nam châm Caplo khí Áp điện CHƯƠNG II TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU VƠ CƠ 2.1 TÍNH CHẤT CƠ: Do chất hóa học cấu trúc quy định, vật liệu vơ có tính chất chung đặc trưng là: bền hóa học cao, bền nhiệt cao, cách nhiệt tốt số vật liệu có tính chất quang học đặc biệt Ðây đặc điểm chủ yếu tính chất vật liệu vơ cơ, sở để lựa chọn, sử dụng phần lớn vật liệu vô Nhưng mặt khác, cấu trúc quy định, vật liệu vơ nhìn chung có độ bền học thấp so với vật liệu kim loại có đặc điểm riêng cần ý chế tạo sử dụng vật liệu vô Tính chất tính chất vật liệu chịu ứng suất phát sinh trong thời gian dài mà khơng bị phá hủy 2.1.1 Tính đàn hồi tính giịn: Vật liệu vơ vật liệu đàn hồi điển hình Ở nhiệt độ thường tác dụng tải trọng, mối quan hệ ứng suất hình thành vật liệu (  ) độ biến dạng (  ) mẫu hoàn tồn tn theo định luật Hooke: Trong đó: E: modun đàn hồi   E. Hình 2.1 Mối quan hệ ứng suất độ biến dạng: 1-vật liệu vô cơ; 2-kim 2.1.2 Ðộ bền học: loại Là tính chất vật liệu chống lại phá hủy tác động ngoại lực làm cho phân bố hạt xích lại gần (khi nén) hay tách xa (khi kéo) Ðể đánh giá độ bền vật liệu theo độ bền liên kết nguyên tử, người ta đưa khái niệm độ bền lý thuyết (  lt ):  lt (2.E. / a ) / Trong đó: (theo Orowan) E: modun đàn hồi  : lượng bề mặt riêng a: khoàng cách nguyên tử 10 Ðộ bền thực tế vật liệu vơ thường có giá trị thấp nhiều so với giá trị lý thuyết (có thể hàng trăm hay hàng nhìn lần) Có nhiều ngun nhân dẫn đến điều giảm tiết diện chịu lực vật liệu (do có lỗ xốp), phân bố không đồng tải trọng (do khác số đàn hồi thành phần cấu trúc),…nhưng nguyên nhân dẫn đến điều có mặt vết nứt tế vi với chiều dài khoảng 10-3 đến 100 m Các vết nứt tế vi xuất tính chất bất đẳng hướng nhiệt (tính dị hướng nhiệt) pha tinh thể hình thành vật liệu khơng có hay có tải trọng Theo Orowan, tồn vết nứt tế vi vật liệu chịu tải trọng kéo với ứng suất  o đỉnh vết nứt có sẵn xuất ứng suất  xác định sau:  2. o (l / r ) / Trong đó: l: chiều dài vết nứt r: bán kính cong đỉnh vết nứt Như vậy, với tải trọng tác dụng, ứng suất  lớn chiều dài vết nứt lớn bán kính cong đỉnh vết nứt nhỏ Khi ứng suất vượt độ bền lý thuyết, vết nứt lan rộng phá hủy vật liệu Cũng chế phá hủy trên, vật liệu vơ ln có độ bền nén cao nhiều lần so với độ bền kéo (đối với vật liệu thủy tinh khoảng 10 lần) Ðể đánh giá độ bền học vật liệu giòn người ta sử dụng độ dai phá hủy K1C, xác định: K 1C  g  ( l ) / , MPa.m / Trong đó: g: hệ số hình dạng  : ứng suất phá hủy l: chiều dài vết nứt Như yếu tố ảnh hưởng định đến tính vật liệu vơ lượng liên kết nguyên tử cấu tạo nên nó, mà tình trạng khuyết tật bề mặt vật liệu Khi số lượng vết nứt tế vi tăng, kích thước vết nứt tăng tính giảm mạnh Ở vật liệu vơ tinh thể, kích thước hạt tinh thể cấu tạo nên vật liệu có ảnh hưởng rõ đến tính vật liệu Khi kích thước hạt giảm bề mặt ranh giới hạt tăng lên, có tác dụng ngăn chặn hay làm thay đổi hướng lan truyền vết nứt, độ bền vật liệu tăng lên 11 Khi hàm lượng bọt khí vật liệu tăng độ bền giảm khơng diện tích chịu lực giảm mà cịn lỗ khí thường tập trung tạp chất ứng suất Hình dạng bọt khí ảnh hưởng tới tính Các bọt khí dài làm giảm độ bền mạnh bọt khí trịn Cũng cần ý hàm lượng bọt khí thấp (0,1-0,5%) kích thước bọt nhỏ lại làm tăng độ bền Trong trường hợp lỗ hổng cực mịn đóng vai trị trung tâm hấp thụ lượng, có tác dụng ngăn chặn lan truyền vết nứt giải tỏa ứng suất phá hủy vật liệu Ðộ bền vật liệu vơ cịn phụ thuộc vào điều kiện môi trường sử dụng 2.2 TÍNH CHẤT NHIỆT: Vật liệu vơ khơng sử dụng nhiệt độ thường mà nhiều trường hợp sử dụng nhiệt độ cao Do đó, bên cạch tính chất học tính chất nhiệt tính chất quan trọng vật liệu vô 2.2.1 Giãn nở nhiệt: Nguyên nhân giãn nở vật liệu rắn tác dụng nhiệt độ dao động nhiệt phi điều hòa phần tử cấu tạo nên vật liệu Mức độ dao động phụ thuộc vào yếu tố nguyên tử (loại độ bền liên kết hóa học,…) yếu tố tinh thể học (tính dị hướng hay đẳng hướng,…) Ðể đánh giá mức độ giãn nở nhiệt vật liệu vô người ta thường sử dụng hệ số giãn nở nhiệt dài  :  l.( l o T ) Trong đó: lo: độ dài ban đầu mẫu l : độ giãn dài mẫu nhiệt độ tăng thêm T độ Người ta quan tâm đến hệ số giãn nở nhiệt thể tích   V /(Vo T ) Giữa   có quan hệ gần  3 Khi nhiệt độ tiếp tục tăng giới hạn đó, vật liệu chuyển trạng thái từ rắn sang mềm, biến dạng dẻo Lúc vật liệu dần khả chịu tải coi bắt đầu bị phá hủy nhiệt Ðối với vật liệu vô tinh thể, hệ số giãn nở nhiệt phụ thuộc lớn vào hướng trục tinh thể 12 Bảng 2.1 Hệ số giãn nở nhiệt dài  số vật liệu vô tinh thể theo chiều trục khác STT  , 10-7 K-1 Vật liệu SiO2 (thạch anh) 3Al2O3.2SiO2 Al2O3.TiO2 ZrSiO4 CaCO3 C (graphit) Vng góc trục c 140 45 -26 37 -60 10 Song song trục c 90 57 115 62 250 270 Ðối với vật liệu vô vô định hình, cấu trúc hồn tồn đẳng hướng nên hệ số giãn nở nhiệt không đổi theo phương khảo sát Ðối với vật liệu thủy tinh, hệ số giãn nở nhiệt phụ thuộc vào thành phần hóa học, độ bền liên kết đặc trưng cấu trúc thủy tinh Hệ số giãn nở nhiệt vật liệu đa pha phụ thuộc vào hệ số giãn nở nhiệt pha thành phần Một vật liệu gốm cấu tạo từ n pha có hệ số giãn nở nhiệt xác định theo:  K i c i  i     i     K i c i      i   Trong đó: Ki: modun đàn hồi ci: hàm lượng phần trăm  i : khối lượng riêng pha thứ i vật liệu đa pha 2.2.2 Dẫn nhiệt: Khả dẫn nhiệt vật liệu thể qua hệ số dẫn nhiệt  [W/(m.K)]: dQ / dt   F ( dT / dx) Trong đó: dQ: nhiệt lượng truyền qua tiết diện F khối vật liệu thời gian dt với gradien nhiệt độ dT/dx theo phương x vng góc với F 13 Dẫn nhiệt vật liệu rắn thực nhờ điện tử tự dao động mạng lưới cấu trúc Vật liệu kim loại có khả dẫn nhiệt cao nhờ điện tử tự nó, cịn vật liệu vơ trao đổi nhiệt xảy chủ yếu dao động phi điều hòa nguyên tử cấu tạo nên mạng lưới Theo thuyết photon: Trong đó:  c.v.l / c: nhiệt dung vật liệu v: tốc độ photon (tốc độ truyền dao động mạng lưới) l: quãng đường tự photon Hệ số dẫn nhiệt đại lượng phụ thuộc vào nhiệt độ Quy luật không giống vật liệu tinh thể vơ định hình Lý thuyết photon nhấn mạnh ảnh hưởng độ phi điều hòa dao động mạng đến khả dẫn nhiệt Từ hiểu vật liệu gồm ngun tố có khối lượng nguyên tử lớn thường có độ dẫn nhiệt nhỏ Ðối với vật liệu vô vô định thủy tinh, cấu trúc có trật tự gần khơng có trật tự xa nên độ dài quãng đường tự photon bị hạn chế, cỡ khoảng Hình 2.2 Sự phụ thuộc cua hệ số dẫn nhiệt  nhiệt độ số vật liệu vô tinh thể, vật liệu thủy tinh có độ dẫn nhiệt thấp tinh thể: 1-graphit; 2-SiC; 3-BeO; 4-Al2O3; 5-mulit có hệ số nhiệt dương, tức nhiệt độ tăng hệ số dẫn nhiệt tăng cách ngun tử Do đó, so với vật liệu vô khoảng cách nguyên tử tăng lên Cần ý thêm khả truyền nhiệt nói chung vật liệu thủy tinh cịn phụ thuộc vào thành phần truyền nhiệt xạ Khả dẫn nhiệt vật liệu vô đa pha, đa tinh thể phụ thuộc lớn vào đặc điểm tổ chức Các yếu tố làm giảm độ dẫn nhiệt vật liệu ranh giới hạt, khuyết tật mạng tạp chất Về nguyên tắc, vật liệu đơn tinh thể có độ dẫn nhiệt cao vật liệu đa tinh thể, vật liệu tinh thể có độ dẫn nhiệt cao vật liệu vơ định hình Riêng vật liệu gốm bán dẫn thủy tinh bán dẫn có độ dẫn nhiệt đặc biệt cao có mặt điện tử tự 14 Sự có mặt lỗ xốp vật liệu vơ có ảnh hưởng lớn đến độ dẫn nhiệt vật liệu Khơng khí bị giam lỗ xốp có khả dẫn nhiệt nhiệt độ thấp nên làm giảm mạnh độ dẫn nhiệt toàn vật liệu Hệ số giãn nở nhiệt vật liệu vơ có chứa lỗ xốp xác định theo cơng thức:   r Trong đó:  2.V k [(1  n) /(1  2n)]  V k [(1  n) /(1  2n)] n  r /  k  r ,  k : hệ số dẫn nhiệt pha rắn pha khí Vk: phần trăm thể tích pha khí Hầu hết vật liệu cách nhiệt vật liệu xốp Do tỷ lệ lỗ xốp vật liệu lớn nên vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ Tuy nhiên nhiệt độ tăng cao khả dẫn nhiệt vật liệu tăng thành phần truyền nhiệt xạ lỗ xốp tăng 2.2.3 Truyền nhiệt xạ: Ngoài khả truyền nhiệt dẫn nhiệt, vật liệu vơ cịn có khả truyền nhiệt xạ qua pha vơ định hình pha khí Ðối với vật liệu vơ có tỷ lệ pha vơ định hình pha khí (trong lỗ xốp) cao, nhiệt độ tăng vai trị truyền nhiệt xạ tăng lên chiếm ưu so với truyền nhiệt dẫn nhiệt Hệ số truyền nhiệt xạ  bx xác định:  bx (16 / 3). n l.T / a Trong đó:  : số Stefan-Boltzmann n: số khúc xạ tia hồng ngoại l: quãng đường tự photon tia hồng ngoại a: hệ số hấp thụ T: nhiệt độ Do hệ số truyền nhiệt xạ phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm T nên tăng nhanh theo nhiệt độ Khả cho tia hồng ngoại qua pha vơ định hình pha khí cao nhiệt xạ truyền qua mạnh Truyền nhiệt xạ vật liệu vô thường bắt đầu đáng kể từ nhiệt độ 3000C Kích thước lỗ xốp có ảnh hưởng đến khả truyền nhiệt xạ vật liệu Các lỗ xốp kích thước lớn làm tăng truyền nhiệt xạ 2.2.4 Ðộ bền xung nhiệt: 15 Phần lớn vật liệu vô thường có độ dẫn nhiệt thấp nên nhiệt độ mơi trường thay đổi nhiệt độ vật liệu cân cách chậm chạp Trong trình này, vùng nhiệt độ khác có giãn nở nhiệt khác dẫn tới hình thành ứng suất không khối vật liệu Nếu ứng suất vượt giới hạn bền kéo hay bền nén vật liệu vật liệu bị phá hủy Khả bền vững học vật liệu vô tác dụng nhiệt độ thay đổi đột ngột gọi độ bền xung nhiệt, xác định khoảng chênh lệch nhiệt độ T lớn hay số lần thay đổi nhiệt độ đột ngột theo điều kiện quy định tốc độ khoảng nhiệt độ thay đổi, kích thước mẫu,… mà vật liệu chưa bị phá hủy Ðộ bền xung nhiệt vật liệu vô phụ thuộc phức tạp vào nhiều yếu tố khác độ dẫn nhiệt, độ bền học, điều kiện đo đạc, hình dáng kích thước mẫu,… Ðể đánh giá cách tương đối độ bền xung nhiệt vật liệu vô cơ, người ta đưa công thức tính tốn dựa mối quan hệ với yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất, theo Bartenev: u T (3 / 2). b (1   ) /( E ) Trong đó:  b u : giới hạn bền uốn vật liệu  : hệ số Poisson  : hệ số giãn nở nhiệt dài E: modun đàn hồi vật liệu Ðối với vật liệu gốm ứng dụng cơng thức Haase: T  b /( E ) Trong đó:  b : giới hạn bền kéo 2.3 TÍNH CHẤT QUANG: Do cấu trúc vùng lượng điện tử mình, vật liệu vơ suốt ánh sáng nhìn thấy (như thủy tinh,…) Dó ngồi phản xạ hấp thụ, cần khảo sát tượng khúc xạ truyền qua 2.3.1 Khúc xạ: Tia sáng truyền tới bề mặt vật liệu suốt bị giảm tốc độ kết bị lệch hướng mặt giới hạn Hiện tượng gọi khúc xạ Chỉ số khúc xạ (chiết suất) n chất định nghĩa tỷ số tốc độ chân không c tốc độ môi trường v, tức là: n=c/v=   /     r  r 16 v 1 /   c 1 /   o Trong đó:  ,  : số điện môi, độ thẩm từ chân không  ,  : số điện môi, độ thẩm từ môi trường  r ,  r : số điện môi độ thẩm từ tương đối Độ lớn n phụ thuộc vào sóng ánh sáng Hiệu ứng chứng minh tán sắc ánh sáng quen thuộc, tức phân tách chùm tia sáng trắng thành tia thành phần mầu sắc khác lăng kính thủy tinh Chiết suất không ảnh hưởng đến quang lộ ánh sáng, mà giải thích ảnh hưởng đến phần ánh sáng bị phản xạ từ bề mặt: Bởi truyền chậm xạ điện từ môi trường phân cực điện tử gây ra, nên kích thước nguyên tử hay ion cấu thành có ảnh hưởng đáng kể đến độ lớn hiệu ứng Nói chung, nguyên tử hay ion lớn phân cực điện tử mạnh, tốc độ sáng chậm chiết suất lớn Chiết suất thủy tinh Na-Ca tiêu biểu gần 1,5 Khi cho thêm ion lớn bari chì (bằng BaO PbO) vào thủy tinh làm tăng chiết suất lên đáng kể Ví dụ thuỷ tinh nhiều chì (chứa tới 90% trọng lượng PbO) có chiết suất khoảng 2,1 Các gốm tinh thể có cấu trúc lập phương thuỷ tinh có tính chất đẳng hướng (nghĩa không phụ thuộc vào hướng tinh thể) Mặt khác tinh thể khơng lập phương lại có chiết suất n bất đẳng hướng, tức chiết suất lớn dọc theo hướng có mật độ ion cao Bảng 2.2 Chiết suất số vật liệu Vật liệu Gốm thuỷ tinh SiO2 Gốm thuỷ tinh Na-Ca Corundun Periclaz Thạch anh Spinel Chiết suất trung bình 1,458 1,51 1,76 1,74 1,55 1,72 2.3.2 Phản xạ: Khi xạ ánh sáng từ môi trường sang môi trường khác, phần ánh sáng bị xạ mặt phân cách hai môi trường hai môi trường 17 suốt Độ phản xạ R biểu thị phần ánh sáng bị phản xạ mặt phân cách, tức là: R = IR / I0 Trong đó: IR, I0 cường độ chùm phản xạ chùm tới Nếu ánh sáng tới vng góc với mặt giới hạn: R = [(n2 – n1)/(n2 + n1)]2 Trong đó: n1, n2 chiết suất hai mơi trường Nếu ánh sáng tới khơng vng góc với mặt phân cách R phụ thuộc vào góc tới Khi ánh sáng truyền từ chân khơng hay khơng khí vào chất rắn s thì: R = [(ns – 1)/(ns + 1)]2 Từ ta thấy chiết suất vật rắn cao độ phản xạ lớn Đối với thuỷ tinh silicat tiêu biểu, độ phản xạ khoảng 0,05 Chiết suất vật rắn phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, độ phản xạ biến đổi theo bước sóng Tổn hao phản xạ thấu kính dụng cụ quang học giảm đáng kể phủ lên bề mặt phản xạ lớp mỏng vật liệu điện môi MgF 2.3.3 Hấp thụ: Các vật liệu suốt hay đục ánh sáng nhìn thấy Những vật liệu có khe vùng lớn 3,1 eV không hấp thụ ánh sáng nhìn thấy Nếu độ tinh khiết cao chúng suốt Mặt khác vật liệu có khe vùng hẹp 1,8 eV chúng hấp thụ tồn phổ ánh sáng nhìn thấy chúng đục Cịn vật liệu có khe vùng nằm khoảng 1,8 eV 3,1 eV hấp thụ phần phổ ánh sáng nhìn thấy ta nhìn thấy chúng mờ có màu Mỗi vật liệu trở nên đục số bước sóng định tuỳ thuộc vào độ rộng khe vùng Eg Ví dụ kim cương có khe vùng 5,6 eV trở nên đục xạ có bước sóng ngắn 0,22 m Cũng đường ánh sáng, cường độ xạ bị hấp thụ phụ thuộc vào đặc tính mơi trường Cường độ xạ T (truyền qua không bị hấp thụ) giảm liên tục theo khoảng cách x mà ánh sáng qua: T 0 e  x Trong đó: 0 : cường độ xạ tới không phản xạ 18  : hệ số hấp thụ (mm-1), đặc trưng riêng vật liệu thay đổi theo bước sóng xạ tới x: khoảng cách Các vật liệu có giá trị  lớn coi chất hấp thụ mạnh 2.3.4 Truyền qua: Xét trường hợp ánh sáng qua vật rắn suốt Đối với chùm tia tới có cường độ I0 chiếu vào mặt trước của mẫu chất có độ dày l hệ số hấp thụ  , cường độ truyền qua mặt sau mẫu là: I T  I (1  R ).2.e  t Trong đó: R: độ phản xạ Như vậy, thành phần tia tới truyền 2.3.trong Sự biến bước củatổn tỷ quaHình vật liệu suốtđổi phụtheo thuộc vàosóng phần ánh sáng truyền qua, hấp thụ phản xạ haoqua hấp thụthủytinh phảnxanh xạ Hơn nữa, thông loại số độ hấp thụ, độ phản xạ độ truyền qua phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng phải thoả mãn biểu thức: I0 = IA + IT + IR Trong đó: I0: cường độ chùm ánh sáng tới IA, IT, IR: cường độ chùm ánh sáng hấp thụ, truyền qua, phản xạ 2.4 TÍNH CHẤT ĐIỆN: Một đặc tính điện quan trọng vật liệu rắn khả dẫn điện Độ dẫn điện nghịch đảo điện trở suất:    (.m)  Căn vào khả dẫn điện vật liệu rắn chia thành loại: dẫn điện, bán dẫn điện môi Những chất dẫn điện tốt thường có độ dẫn điện khoảng 10 (.m)  , chất bán dẫn có độ dẫn điện từ 10 -6–104 (.m)  , chất điện môi 10 -10–10-20 19 (.m)  Các vật liệu gốm thường vật liệu cách điện nhiệt độ phịng có độ dẫn điện bảng sau: Bảng 2.3 Độ dẫn điện nhiệt độ phòng số vật liệu Vật liệu Độ dẫn điện, (.m)  Corundum Sứ Thuỷ tinh Na-Ca Mica 10-10 – 10-12 10-10 – 10-12 < 10-10 10-10 – 10-15  Hằng số điện môi tỷ số:  r  (  : độ thẩm môi trường điện môi;  : độ thẩm chân không có giá trị 8,85.10 -12 F/m) Hằng số điện mơi tính chất xem thiết kết tụ điện Bảng 2.4 Hằng số điện môi độ bền điện môi số vật liệu Vật liệu Gốm titanat Mica Steatit Thuỷ tinh (MgO-SiO2) Sứ Hằng số điện môi 60 Hz MHz 15 – 10000 5,4 – 5,7 5,5 – 7,5 6,9 6,9 6,0 6,0 Độ bền điện môi 104 V/m 200 – 1180 3940 – 7875 790 – 1380 985 160 - 1575 Nhiều loại gốm, kể thuỷ tinh, sứ steatit mica có độ ổn định kích thước độ bền học cao thường ứng dụng làm đế cầu dao, cách điện đường dây tải điện,…Ngoài titan oxit, gốm titanat chế tạo với số điện mơi cao làm cho chúng có ứng dụng đặc biệt tụ điện Đặc tính điện khác tương đối quan trọng số vật liệu tính sắt điện, hoả điện tính áp điện Một mặt góp phần xác định tính đối xứng tinh thể, mặt khác cho phép sử dụng tinh thể với hiệu ứng đặc biệt để chế tạo thiết bị đặc biệt kỹ thuật Sắt điện: tính phân cực tự phát tức phân cực vắng mặt điện trường chất điện môi Tương tự vật liệu sắt từ, chúng cho từ tính vĩnh cửu Trong vật liệu sắt điện phải tồn lưỡng cực điện vĩnh cửu Ví dụ 20 ... Bảng 2.3 Độ dẫn điện nhiệt độ phòng số vật liệu Vật liệu Độ dẫn điện, (.m)  Corundum Sứ Thuỷ tinh Na-Ca Mica 10 -10 – 10 -12 10 -10 – 10 -12 < 10 -10 10 -10 – 10 -15  Hằng số điện môi tỷ số:  r ... nhiệt vật liệu ranh giới hạt, khuyết tật mạng tạp chất Về nguyên tắc, vật liệu đơn tinh thể có độ dẫn nhiệt cao vật liệu đa tinh thể, vật liệu tinh thể có độ dẫn nhiệt cao vật liệu vơ định hình... cao Bảng 2.2 Chiết suất số vật liệu Vật liệu Gốm thuỷ tinh SiO2 Gốm thuỷ tinh Na-Ca Corundun Periclaz Thạch anh Spinel Chiết suất trung bình 1, 458 1, 51 1,76 1, 74 1, 55 1, 72 2.3.2 Phản xạ: Khi xạ