Trang chủ / Công trình nghiên cứu / Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit titan tới tính chất của gốm ôxit nhôm
adv.

Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit titan tới tính chất của gốm ôxit nhôm

06/12/2017

Những kết quả nghiên cứu thu được sẽ mở ra triển vọng về khả năng chế tạo trong nước vật liệu gốm tiên tiến nền ôxit nhôm sử dụng trong các lĩnh vực đặc biệt như làm vật liệu chống đạn.

The effect of oxyde titania content on alumina ceramic’s properties

Vũ Lê Hoàng1, Trần Quốc Lập2, Trần Thế Phương1, Tạ Văn Khoa1 1) Viện Công nghệ, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng 2) Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

TÓM TẮT

    Những nghiên cứu về ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 tới một số tính chất của gốm Al2O3 được đề cập trong bài báo này. Các thí nghiệm đã được tiến hành với các mẫu gốm hệ Al2O3-CaO-SiO2-MgO có hàm lượng α-Al2O3 từ 96 đến 98%, TiO2 được đưa vào với hàm lượng từ 1 đến 3% với vai trò phụ gia hạ thấp nhiệt độ thiêu kết. Kết quả cho thấy có thể hạ thấp nhiệt độ thiêu kết xuống 1500, 1550°C đối với gốm Al2O3 có (1 – 2)% TiO2 mà vẫn đảm bảo cơ tính theo yêu cầu sử dụng.

ABSTRACT

    The effect of TiO2 content on Al2O3 ceramic properties is reviewed in this paper. The experiments were per- formed for ceramic samples based on Al2O3-CaO-SiO2-MgO system with α-Al2O3 content of 96 to 98% and TiO2 content of 1 to 3% added to lower sintering temperature. The results showed that Al2O3 ceramics with 1 to 2% TiO2 may be sintered at 1500 and 1550°C, but its mechanical properties satisfied application requirements.

1. Đặt vấn đề

    Trong một công bố trước đây, chúng tôi đã đề cập đến khả năng hạ thấp nhiệt độ thiêu kết của gốm Al2O3 xuống dưới 1600°C khi dùng phụ gia TiO2 [1]. Gốm Al2O3 và 1% phụ gia TiO2 sau khi thiêu kết ở 1550°C có các thông số về mật độ, độ xốp, độ hấp thụ nước vượt trội so với gốm không có TiO2 thiêu kết ở cùng nhiệt độ. Đó có thể là sự kết hợp của cả việc tạo dung dịch rắn của TiO2 với Al2O3 làm tăng hệ số khuếch tán lẫn việc TiO2 làm biến dạng mạng, tăng độ lớn tinh thể Al2O3 và độ linh động của chúng khi nung [2, 3].

    Để mở rộng phạm vi ứng dụng của phụ gia TiO2 đối với gốm tiên tiến cơ sở Al2O3, cần nghiên cứu tìm hiểu những tương tác giữa Al2O3 và TiO2 tại nhiệt độ gần với nhiệt độ thiêu kết và những ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 tới một số tính chất cơ- lý của vật liệu. Những kết quả nghiên cứu thu được sẽ mở ra triển vọng về khả năng chế tạo trong nước vật liệu gốm tiên tiến nền ôxit nhôm sử dụng trong các lĩnh vực đặc biệt như làm vật liệu chống đạn.

2. Thực Nghiệm

    Nguyên liệu được sử dụng để nghiên cứu là bột ôxit nhôm α-Al2O3 mác B2M-07D của hãng Keifeng Special Refractories với các thông số: dạng thù hình α(corudum), độ sạch: 99,43% Al2O3, kích thước hạt trung bình 0,74 μm, tỷ trọng 3,94 g/cm3. Hỗn hợp bột gồm Al2O3, các phụ gia SiO2, MgO, CaO và TiO2 với các phương án thành phần như trong bảng 1.

Bảng 1

Bảng 1. Thành phần phối liệu

    Bột được nghiền trộn trong máy li tâm hành tinh trong 4h với tỉ lệ bi/bột là 2/1. Sau đó bột được tẩm chất kết dính PVA, ép thành các mẫu dưới áp suất 1T/cm2, thiêu kết ở các nhiệt độ 1500 và 1550°C trong vòng 1h.

    Các mẫu gốm sau khi chế tạo đã được kiểm tra độ cứng Vickers Hv10 theo tiêu chuẩn ASTM C 1327 - 03, độ bền uốn được đo bằng phương pháp 4 điểm theo tiêu chuẩn ASTM C 1161 – 02c, độ dai phá hủy KIC được xác định theo phương pháp vết đâm Vickers. Độ hấp thụ nước, mật độ khối, khối lượng riêng và độ xốp của các mẫu được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C 373 – 88 (Reapproved 1999).

3. Kết Quả và Thảo Luận

3.1. Khối lượng riêng, mật độ khối, độ xốp và độ hấp thụ nước

    Khả năng kết khối của gốm Al2O3 khi thiêu kết thể hiện qua các thông số lý tính như: khối lượng riêng, mật độ khối, độ xốp và độ hấp thụ nước. Từ các kết quả đo được đưa ra trong bảng 2, có thể thấy ở 1550°C, các mẫu AT1 kết khối tốt nhất với khối lượng riêng và mật độ khối cao nhất.

Bảng 2

Bảng 2. Khối lượng riêng, mật độ khối, độ xốp và độ hấp thụ nước của các mẫu gốm Al2O3 với phụ gia TiO2.

    Các giá trị này giảm dần khi tăng hàm lượng TiO2. Cùng với sự giảm dần mật độ là sự tăng độ xốp và độ hấp thụ nước, thấp nhất là AT1 đến AT2 tăng nhẹ, từ AT2 đến AT3 các giá trị này gần như không thay đổi. Khi hạ nhiệt độ thiêu kết xuống 1500°C, các giá trị này có sự thay đổi khác biệt theo hàm lượng TiO2. Lúc này các mẫu kết khối tốt nhất là AT2 với khối lượng riêng và mật độ khối cao nhất, độ xốp và độ hấp thụ nước thấp nhất, còn các mẫu kết khối kém nhất lại là AT1.

    Mật độ tương đối γ của các mẫu cũng biến thiên theo khối lượng riêng và mật độ khối. ở nhiệt độ thiêu kết 1550°C các mẫu AT1 (1% TiO2) có γ cao nhất, còn ở nhiệt độ 1500°C các mẫu AT2 (2% TiO2) có γ cực đại. Nói chung, các mẫu thiêu kết đều đạt mật độ tương đối trên 0,955 (95,5%) và các mẫu có 1% TiO2 đạt γ cao nhất là 0,9743 khi thiêu kết ở 1550°C. Khi thiêu kết ở 1550°C các mẫu có mật độ tương đối cao hơn khi thiêu kết ở 1500°C. Mối quan hệ giữa các tính chất trên của gốm với hàm lượng phụ gia TiO2 ở các nhiệt độ thiêu kết được thể hiện trên hình 2.

Hình 2

Hình 2. Mối quan hệ giữa khối lượng riêng, mật độ khối, độ xốp, độ hấp thụ nước và mật độ tương đối của gốm với hàm lượng TiO2

3.2. Cơ tính của vật liệu

    Cơ tính của gốm kết cấu cơ sở ôxit nhôm được đặc trưng bởi 3 đại lượng chính là độ bền uốn (σu), độ cứng Vickers (Hv) độ dai phá hủy KIC (gốm ôxit nhôm có cơ tính tổng hợp tốt phải đảm bảo được các yếu tố trên theo yêu cầu sử dụng làm vật liệu chống đạn).

    Có thể thấy sự tương đồng giữa lý tính và cơ tính của vật liệu. Các thông số về mật độ, độ xốp, độ hấp thụ nước thể hiện khả năng kết khối và có ảnh hưởng đến cơ tính. Kết quả đo cơ tính các mẫu gốm được nêu trong bảng 3 và hình 3 có thể thấy cơ tính tổng hợp tốt tương ứng với khả năng kết khối cao của các mẫu sau khi thiêu kết. Độ bền uốn, độ cứng và độ dai phá hủy KIC đều tăng khi tăng hàm lượng TiO2 từ 1 đến 2% ở nhiệt độ thiêu kết 1500°C. Các mẫu có cơ tính tốt nhất là AT2 với 2% TiO2. ở nhiệt độ thiêu kết cao hơn là 1550°C, độ cứng, độ dai phá hủy KIC vẫn tăng theo hàm lượng TiO2 từ 1 đến 2%, độ bền uốn cao nhất với hàm lượng 1% TiO2 và giảm nhẹ đến 2% TiO2.

Bảng 3

Bảng 3. Các đặc trưng cơ tính của các mẫu gốm Al2O3 với phụ gia TiO2

Hình 3

Hình 3. Mối quan hệ giữa các đặc trưng cơ tính của gốm và hàm lượng TiO2.

    Khi hàm lượng TiO2 lớn hơn 2% lượng pha tialite Al2TiO5 sinh ra nhiều hơn. Pha này có tác dụng thúc đẩy kết khối nhưng cần hạn chế số lượng do làm nở hạt mạnh và có ảnh hưởng xấu đến cơ tính [4, 5, 6]. Có lẽ vậy mà các mẫu AT2.5 và AT3 có cơ tính kém hơn các mẫu AT1 và AT2. Nói chung, các mẫu gốm với (1 - 2)% TiO2 có cơ tính đảm bảo yêu cầu làm giáp chống đạn (Hv ≥ 10GPa, KIC ≥ 3 MPa.m1/2 và σu ≥ 250 MPa) [7]. Điều này cho thấy có thể sử dụng tối đa 2% TiO2 làm phụ gia thiêu kết và có thể hạ thấp nhiệt độ thiêu kết gốm Al2O3 xuống đến 1500°C.

3.3. Tổ chức tế vi

    Các mẫu thiêu kết ở 1500°C

    Trên hình 4 là ảnh SEM của các mẫu AT1 và AT2 sau khi thiêu kết ở 1500°C. Có thể thấy không có sự khác nhau nhiều về kích thước và hình dạng hạt ở cả 2 mẫu. Phần lớn các hạt có kích thước khoảng (3 - 5) μm, xen lẫn một số ít các hạt có kích thước lớn hơn khoảng (7 - 10) μm và một số hạt nhỏ cỡ 1μm. Hình dạng hạt đa dạng gồm cả những hạt tương đối đồng đều 3 kích thước lẫn những hạt có 1 kích thước lớn hơn nhiều so với 2 kích thước còn lại (hạt dài) do bột đã trải quá trình nghiền trộn cơ học trước đó. Mẫu AT2 có xu hướng kéo dài các hạt hơn so với mẫu AT1 ở nhiệt độ thiêu kết này.

Hình 4, 5

Hình 4 và 5

    Các mẫu thiêu kết ở 1550°C

    Ở nhiệt độ thiêu kết cao hơn (1550°C) đã thấy sự khác nhau về kích thước hạt của mẫu AT1 (hình 5a) và mẫu AT2 (hình 5b). Sự nở hạt ở mẫu AT2 diễn ra nhanh hơn đối với mẫu AT1 do hàm lượng TiO2 cao hơn. Hầu hết các hạt của AT2 có kích thước khoảng (10 - 12) μm, trong khi AT1 chỉ có một số hạt có kích thước này còn lại chủ yếu là các hạt có kích thước cỡ (5 - 7) μm và các hạt nhỏ hơn cỡ (2 - 3) μm. Vì vậy nên thiêu kết các mẫu có 2% TiO2 ở nhiệt độ thấp hơn 1550°C.

4. Kết Luận

    - Dùng phụ gia TiO2 đã hạ thấp được nhiệt độ thiêu kết gốm Al2O3 xuống 1550°C và 1500°C. Các mẫu sử dụng từ 1 đến 2% TiO2 đều đáp ứng yêu cầu cơ tính của gốm làm giáp chống đạn (Hv = (10,60 - 12,19)GPa, KIC = (3,32 – 3,67) MPa.m1/2 và σu = 247 – 255MPa), độ xốp và độ hấp thụ nước thấp (P = 0,12 - 0,18%; A = 0,031 - 0,048%), mật độ tương đối đạt (95,9 - 97,4)%.

    - Hàm lượng phụ gia TiO2 có thể sử dụng tối đa cho gốm Al2O3 là 2% vì khi dùng hàm lượng TiO2 tới 3% thì độ bền uốn và độ dai phá hủy của gốm giảm đáng kể. Nếu dùng 1% TiO2 nên thiêu kết ở 1550°C để đảm bảo mật độ và cơ tính, nếu dùng 2% TiO2 nên thiêu kết ở 1500°C để hạt không nở quá lớn. Khi sử dụng phụ gia TiO2 thì không nên thiêu kết gốm ở trên 1550°C vì ở nhiệt độ cao hơn TiO2 làm giảm mạnh cơ tính vật liệu.

[symple_box color="gray" text_align="left" width="100%" float="none"]

Tài Liệu Trích dẫn

  1. Vũ Lê Hoàng, Trần Thế Phương. ảnh hưởng của TiO2 tới khả năng hạ thấp nhiệt độ thiêu kết gốm α-Al2O3. Tạp chí Khoa học Công nghệ Kim loại, Số 21, tháng 12/2008.
  2. V. S. Bakunov, V. L. Balkevich, A. S. Blasov, I. Guzman, E. S. Lukin, D. N. Poluboiarinov, R. Popilskyi. Keramika iz vysokoognheipornyx okislov. Moskva “Metallurgia” 1977.
  3. Nguyễn Đăng Hùng. Công nghệ sản xuất vật liệu chịu lửa. Nhà xuất bản Bách Khoa – Hà Nội, 2006.
  4. S. M. Lang, C. L. Fillmore and L. H. Maxwell. The system Beryllia-Alumina-Titania: Phase relations and General physical properties of three-component porcelains. Journal of Research of the National Bureau of Standards, Vol 48, No 4, April 1952.
  5. M. Mann, G. E. Shter, G. S. Grader. Morphological and phase composition changes during sintering of ultra- light Al2O3/TiO2 foams. J. Mater. Res., Vol 17, No 4, April 2002.
  6. M. Mann, G. E. Shter, G. S. Grader. Effect of sintering on TiO2-impregnated alumina foams. Journal of Materials Science 37 (2002) 4049-4055.
  7. Eugene Mevedovski. Alumina Ceramics for Ballistic Protection, Part 1 - 2. American Ceramic Society Bulletin, Vol 81, No 3 - 4, March 2002.
  8. Wenming Zeng, Lian Gao, Linhua Gui, Jinkun Guo. Sintering kinetics of α-Al 2O3 powder. Ceramics International 25 (1999) 723-726.

[/symple_box][symple_clear_floats]