Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo gốm hệ Al2O3-TiO2-MgO định hướng ứng dụng trong sản phẩm chống đạn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:77

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu xác địnhthành phần vật liệu, mẫu gốm oxit nhôm ban đầu, lựa chọn chất chống dính, xác địnhảnh hưởng của phương pháptạo hình phôi gốm mộc, quá trình sấy phôi gốm mộc, quá trình nung thiêu kết gốm cao nhôm, ảnh hưởng của hàm lượng TiO2và MgO đến cấu trúc và tính chất của vật liệu gốm cao nhôm từ đó lựa chọn được thành phần vật liệu, kỹ thuật tối ưu chế tạo gốm cao nhôm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo gốm hệ Al2O3-TiO2-MgO định hướng ứng dụng trong sản phẩm chống đạn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- ĐIỀN TRUNG NGHĨA NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GỐM HỆ Al2O3-TiO2-MgO ĐỊNH HƢỚNG TRONG CHẾ TẠO SẢN PHẨM CHỐNG ĐẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2017
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- ĐIỀN TRUNG NGHĨA NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GỐM HỆ Al2O3-TiO2-MgO ĐỊNH HƢỚNG TRONG CHẾ TẠO SẢN PHẨM CHỐNG ĐẠN Chuyên ngành : Hóa lý thuyết và hóa lý Mã số : 60440119 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN XUÂN VIẾT TS. LÊ VĂN THỤ Hà Nội, Năm 2017
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 3 1.1. Giới thiệu chung về gốm oxit nhôm ........................................................ 3 1.2. Nguyên liệu dùng để chế tạo gốm oxit nhôm .......................................... 3 1.2.1. Nhôm hydroxit .................................................................................. 3 1.2.2. Oxit nhôm kỹ thuật ........................................................................... 4 1.2.3. Chất kết dính ..................................................................................... 6 1.2.4. Chất phụ gia ...................................................................................... 6 1.3. Công nghệ nghiền .................................................................................... 9 1.3.1. Thiết bị nghiền .................................................................................. 9 1.3.2. Máy nghiền bi ................................................................................. 10 1.4. Tạo hình gốm sứ ..................................................................................... 13 1.5. Gốm chống đạn ...................................................................................... 16 1.6. Công nghệ sấy phôi gốm ........................................................................ 20 1.6.1. Mục đích, yêu cầu của công nghệ sấy phôi gốm ............................ 20 1.6.2. Chế độ sấy ....................................................................................... 21 1.6.3. Phân loại các thiết bị sấy ................................................................. 22 1.6.4. Thiết bị sấy ...................................................................................... 23 1.7. Công nghệ nung thiêu kết phôi gốm ...................................................... 25 1.7.1. Quá trình xảy ra khi nung thiêu kết phôi gốm ................................ 25 1.7.2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm ....................... 29 CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........... 32 2. 1. Nguyên vật liệu ................................................................................ 32 2.2. Các thiết bị và phương pháp nghiên cứu ........................................... 32 2.3. Phương pháp chế tạo gốm cao nhôm ..................................................... 33
2.4.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)............................................ 34 2.4.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-Ray) ....................................... 35 2.4.3. Phương pháp phân tích nhiệt (DSC/TGA) .......................................... 36 2.4.4. Phương pháp phân tích cỡ hạt ......................................................... 37 2.4.5. Xác định tính chất cơ học của vật liệu ................................................ 37 2.4.5.1. Đánh giá độ cứng của vật liệu gốm cao nhôm ............................. 37 2.4.6. Phương pháp cân thủy tĩnh ............................................................. 38 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 40 3.1. Khảo sát kích thước hạt nguyên liệu ban đầu (-Al2O3, TiO2, MgO) ... 40 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của một số hệ chất chống dính .............................. 42 3.2.1. Thông số kỹ thuật của một số hệ chất chống dính khuôn ép thủy lực ................................................................................................................... 42 3.2.2. Ảnh hưởng của chất chống dính đến quá trình tháo khuôn ............ 43 3.2.3. Ảnh hưởng của chất chống dính đến chất lượng bề mặt phôi gốm 44 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của chế độ gia công đến chất lượng gốm oxit nhôm ....................................................................................................................... 44 3.3.1. Ảnh hưởng của áp lực ép đến tỷ trọng của gốm cao nhôm ............ 44 3.3.2. Ảnh hưởng của áp lực ép đến độ cứng của gốm cao nhôm ............ 45 3.3.3. Ảnh hưởng của lực ép đến cấu trúc bề mặt của gốm oxit nhôm .... 46 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến chất lượng phôi gốm ......................... 47 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến chất lượng phôi gốm ....................... 49 3.6. Khảo sát gốm cao nhôm khi không bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2) . 51 3.6.1. Khảo sát thành phần pha của gốm cao nhôm khi không bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2) .................................................................................... 51 3.6.2. Khảo sát các tính chất của gốm cao nhôm khi không bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2) ......................................................................................... 52 3.7. Khảo sát gốm cao nhôm khi bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2) ............ 54
3.7.1. Khảo sát thành phần pha của gốm cao nhôm khi bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2). ............................................................................................. 54 3.7.2. Khảo sát các tính chất của gốm cao nhôm khi bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO 2) ....................................................................................... 58 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 65
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Chỉ tiêu kỹ thuật oxit nhôm hoạt tính siêu mịn của Trung Quốc ....... 5 Bảng 1.2. Kích thước hạt bột sau nghiền ............................................................ 9 Bảng 1.3. Cơ tính của một số vật liệu gốm ....................................................... 17 Bảng 1.4. Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu của gốm cao nhôm .............................. 17 Bảng 1.5. Các chỉ tiêu cơ lý của gốm chống đạn trên cơ sở cacbit SiC ........... 18 Bảng 1.6. Các chỉ tiêu cơ lý của gốm chống đạn trên cơ sở oxit nhôm............ 19 Bảng 2.1. Thành phần hóa học phối trộn của các mẫu gốm oxit nhôm ............ 33 Bảng 3.1. Một số chỉ tiêu kỹ thuật của các mẫu gốm oxit nhôm ...................... 40 Bảng 3.2. Nhiệt độ nung phôi gốm theo chế độ HR2/HH3 .............................. 49 Bảng 3.3. Một số tính chất của mẫu gốm G0 .................................................... 52 Bảng 3.4. Một số chỉ tiêu cơ tính của mẫu gốm G0 ......................................... 52 Bảng 3.5. Một số tính chất của mẫu gốm G10 .................................................. 59 Bảng 3.6. Một số chỉ tiêu cơ tính của mẫu gốm G10 ....................................... 60
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Dạng liên kết hóa học của nhôm Al2O3........................................... 5 Hình 1.2. Cấu trúc của MgO ............................................................................ 7 Hình 1.3. Các dạng thù hình của TiO2 ............................................................ 8 Hình 1.4. Khuôn định hình tấm gốm kích thƣớc 56 x 56 mm..................... 14 Hình 1.5. Một số vật liệu gốm chống đạn ...................................................... 18 Hình 1.6. Các đƣờng cong sấy ........................................................................ 21 Hình 1.7. Thiết bị sấy liên tục dạng băng tải ................................................ 24 Hình 1.8. Sơ đồ thiết bị sấy đối lƣu ................................................................ 25 Hình 1.9. Quá trình kết khối các hạt tròn Al2O3 khi nung ở nhiệt độ 1750 ÷ 1840oC................................................................................................................ 26 Hình 1.10. Mô tả quá trình khuyếch tán vật chất khi nung theo Frenkel . 27 Hình 2.2. Máy nghiền, trộn nguyên liệu ........................................................ 32 Hình 3.1. Giản đồ phân tích cỡ hạt của -Al2O3, TiO2, MgO ..................... 41 Hình 3.2. Áp lực khi tháo khuôn .................................................................... 43 Hình 3.3. Ảnh hƣởng của áp lực ép đến tỷ trọng của mẫu gốm oxit nhôm45 Hình 3.5. Ảnh SEM bề mặt mẫu gốm cao nhôm với lực ép khác nhau ..... 46 Hình 3.6. Kích thƣớc lỗ xốp bề mặt của các mẫu ở các chế độ ép khác nhau ........................................................................................................................... 47 Hình 3.7. Độ ẩm còn lại của phôi gốm sau các chế độ sấy........................... 48 Hình 3.8. Tỷ trọng của phôi gốm sau sấy ở các nhiệt độ khác nhau .......... 49 Hình 3.9. Độ cứng của mẫu nung ở các chế độ nhiệt khác nhau ................ 50 Hình 3.10. Tỷ trọng các mẫu nung ở các chế độ nhiệt khác nhau .............. 51 Hình 3.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gốm oxit nhôm ban đầu (mẫu G0)..................................................................................................................... 51 Hình 3.13. Giản đồ pha hai thành phần Al2O3- TiO2................................... 55
Hình 3.14. Giản đồ pha hai thành phần Al2O3- MgO .................................. 55 Hình 3.16. Giản đồ phân tích nhiễu xạ Rơnghen mẫu gốm cao nhôm (G10) ........................................................................................................................... 57 Hình 3.17. Giản đồ phân tích nhiễu xạ Rơnghen mẫu gốm G10, độ phóng đại 10 lần ...................................................................................................................... 58 Hình 3.18. Ảnh SEM của mẫu gốm cao nhôm G3, G4, G10 ....................... 62
MỞ ĐẦU Gốm được chia thành hai loại chính là gốm truyền thống và gốm đặc biệt. Gốm truyền thống là loại vật liệu vô cơ có cấu trúc đa tinh thể với một lượng pha thủy tinh nhất định được tạo thành từ nguyên liệu bột mịn, chủ yếu là cao lanh, đất sét. Gốm truyền thống được thiêu kết tại nhiệt độ trên 900 oC để tạo ra sản phẩm có vi cấu trúc và các chỉ tiêu cơ lý tính theo yêu cầu sử dụng. Gốm đặc biệt là gốm được tạo thành từ các nguyên liệu như: nitrua, cacbua (SiC, B 4C, SiN4, TiB2, AlN), các gốm đơn oxit và gốm loại hệ nhị nguyên (như B 4C-TiB2- nền gốm) [7, 9]. Gốm đặc biệt có nhiều các tính năng quý như: khả năng chịu nhiệt độ cao, chịu tải trọng va đập lớn, có độ bền cao, môđun đàn hồi cao và nhiều tính năng đặc biệt khác mà các gốm truyền thống không có được. Gốm hàm lượng oxit nhôm cao (gọi tắt là gốm cao nhôm) là gốm đơn oxit với thành phần chính chứa α-Al2O3 trên 90% có nhiều tính chất kỹ thuật ưu việt như: chịu va đập lớn, có độ bền cao, khả năng chịu lửa cao, cách nhiệt tốt và khả năng chịu được thay đổi nhiệt độ lớn, hệ số dãn nở nhiệt nhỏ và có nhiều tính năng đặc biệt khác [1, 5]. Gốm oxit nhôm có thể chế tạo ra các sản phẩm được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật, trong công nghiệp hiện đại kể cả các lĩnh vực cần các chỉ tiêu cơ lý hóa đặc biệt cao như: chế tạo bi nghiền công nghiệp, làm buồng lót động cơ phản lực, ống phun lửa, ống chịu nhiệt trong lò nung... Trong lĩnh vực an ninh quốc phòng, gốm cao nhôm được sử dụng nhiều làm áo giáp chống đạn, lá chắn chống đạn, bộ phận chống đạn ốp lên xe tăng, xe thiết giáp quân sự, sàn máy bay trực thăng...[4, 16] Việc chế tạo gốm cao nhôm bao gồm nhiều công đoạn như: Tạo hình gốm (tạo hình ép khô, bán khô hay ép ẩm...) nhằm tạo ra phôi mộc từ các vật liệu đã được đồng nhất trước đó. Quá trình sấy để loại bỏ nước tự do nằm ở các lỗ trống giữa các hạt vật liệu và nước liên kết hoá lý (gồm nước hấp phụ, nước hydrat hoá và nước trương nở trong các lớp khoáng sét...). Quá trình nung thiêu 1
kết phôi gốm nhằm tạo ra phản ứng ở nhiệt độ cao của các cấu tử trong nguyên liệu, quá trình kết khối, quá trình xuất hiện pha lỏng, quá trình hoà tan và tái kết tinh các tinh thể nhằm tạo ra vật liệu có vi cấu trúc mới thể hiện thông qua hình dạng và kích thước các hạt, cách phân bố, hướng và sự tiếp xúc giữa các hạt, số lượng và chất lượng pha thuỷ tinh và sự hiện diện của lỗ xốp [28, 29]. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu bổ sung hàm lượng TiO2 và MgO tối ưu vào gốm cao nhôm để giảm nhiệt độ thiêu kết, tăng cường sự kết khối và tính chất cơ lý của vật liệu là rất cần thiết [2, 38, 41]. Từ những vấn đề nêu trên, chúng tôi tiến hành thực hiện luận văn với tiêu đề ―Nghiên cứu chế tạo gốm hệ Al2O3-TiO2-MgO định hướng ứng dụng trong sản phẩm chống đạn" với mục tiêu xác định thành phần vật liệu, mẫu gốm oxit nhôm ban đầu, lựa chọn chất chống dính, xác định ảnh hưởng của phương pháp tạo hình phôi gốm mộc, quá trình sấy phôi gốm mộc, quá trình nung thiêu kết gốm cao nhôm, ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 và MgO đến cấu trúc và tính chất của vật liệu gốm cao nhôm từ đó lựa chọn được thành phần vật liệu, kỹ thuật tối ưu chế tạo gốm cao nhôm. Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu gốm cao nhôm chế tạo được và so sánh với mẫu gốm chống đạn của nước ngoài từ đó đánh giá hiệu quả sử dụng của gốm cao nhôm làm vật liệu chống đạn phục vụ công tác đảm bảo an ninh, quốc phòng. 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về gốm oxit nhôm Gốm oxit nhôm hay còn được gọi là gốm cao nhôm là loại gốm đơn oxit, có nguyên liệu chính là α-Al2O3. Đây là loại gốm đặc biệt có nhiều các tính chất kỹ thuật ưu việt như: chịu va đập lớn, có độ bền cao, khả năng chịu lửa cao, cách nhiệt tốt và khả năng chịu được thay đổi nhiệt độ lớn, hệ số dãn nở nhiệt nhỏ và có nhiều tính năng đặc biệt khác. Gốm oxit nhôm có thể chế tạo ra các sản phẩm được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật, trong công nghiệp hiện đại kể cả các lĩnh vực cần các chỉ tiêu cơ lý hóa đặc biệt cao như: chế tạo máy bay, tên lửa, tầu vũ trụ, buồng lót động cơ phản lực, ống phun lửa,.... Trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng thì vật liệu gốm cao nhôm cũng được sử dụng nhiều như: làm áo giáp chống đạn, khiên chống đạn, bộ phận ốp lên xe tăng, xe thiết giáp quân sự,...[1, 2] 1.2. Nguyên liệu dùng để chế tạo gốm oxit nhôm Trên thế giới hàng năm sản xuất hàng triệu tấn Al2O3 kỹ thuật, song chủ yếu chỉ được sử dụng dùng trong ngành luyện nhôm kim loại (chiếm đến 90% sản lượng). Chỉ có khoảng 10% là được sử dụng trong các ngành phi luyện kim như: gốm, thủy tinh, bột mài, cao su, ximăng alumin,... Nguyên liệu chính dùng để sản xuất nhôm oxit chủ yếu là hai loại sau: oxit nhôm và nhôm hydroxit. 1.2.1. Nhôm hydroxit Nhôm hydroxit (hay còn gọi là hydrat nhôm) Al2O3.nH2O được chế tạo từ bauxite (loại quặng có chứa nhôm hydroxit). Nhôm hydroxit khan là một chất bột trắng vô định hình, dễ vỡ, không hòa tan được vào trong nước. Khi bị ẩm nó có dạng khối keo (gel oxit nhôm, oxit nhôm dạng gelatin). Nhôm hydroxit được sử dụng để sản xuất mực in, phèn nhôm, các sản phẩm trong y học, corundum nhân tạo, men gốm sứ và các sản phẩm trong dung dịch lọc (lắng cặn, đánh phèn)... 3
Công thức chung là Al2O3.nH2O. Gồm ba loại phân biệt nhau bởi cấu trúc và hàm lượng nước liên kết hóa học. Khi đốt nóng nhôm hydroxit sẽ xảy ra sự biến đổi không thuận nghịch từ dạng này sang dạng khác. 1.2.2. Oxit nhôm kỹ thuật Oxit nhôm có trọng lượng riêng là 3,96 (g/cm3), nhiệt độ nóng chảy cao khoảng 2054 ÷ 2056oC, có độ dẫn điện thấp (khi ở nhiệt độ cao oxit nhôm vẫn có độ dẫn điện thấp). Có 3 dạng thù hình của oxit nhôm là: α, β, γ-Al2O3. Trong đó, dạng thù hình α, γ tồn tại dạng tinh khiết, còn dạng β chỉ tạo ra khi có mặt của tạp chất. Trong tự nhiên oxit nhôm tồn tại hai dạng chính, γ-Al2O3 ít bền vững và α-Al2O3 bền vững hơn. Dạng α-Al2O3 tồn tại trong tự nhiên, rất cứng, là chất cách điện tốt, nóng chảy tại nhiệt độ cao đến 2045oC, được dùng làm vật liệu chịu lửa, dùng làm bột mài, đá mài, làm vật liệu chuyên dụng có những tính năng rất đặc biệt như chống va đập, chống đạn,... 4
Hình 1.1. Dạng liên kết hóa học của nhôm Al2O3 Bảng 1.1. Chỉ tiêu kỹ thuật oxit nhôm hoạt tính siêu mịn của Trung Quốc Loại sản phẩm TT Các chỉ tiêu kỹ thuật B2L - 0,6D B1M - 3D B2M - 0,7D Thành phần hoá học: (%) Al2O3 99,47 99,43 99,0 1 SiO2 0,18 0,15 0,2 Fe2O3 0,01 0,02 0,1 Na2O 0,05 0,21 0,3 2 Độ mịn: Laser PSD - d50 m 0,5 - 0,7 5 0,7 - 0,9 3 Khối lượng riêng (g/cm3) 3,97 3,97 3,94 4 Diện tích bề mặt riêng m2/g  10  2,5 7 Các chỉ tiêu chất lượng đặc trưng của oxit nhôm hoạt tính siêu mịn, Trung Quốc được thể hiện qua bảng 1.1. 5
1.2.3. Chất kết dính Chất kết dính được sử dụng để liên kết các hạt bột oxit nhôm, chúng được sử dụng để tạo hình sản phẩm ban đầu (sản phẩm mộc). Chất kết dính phải có đặc điểm là sau khi thiêu kết, chất kết dính cháy hết và không còn nằm trong sản phẩm gốm. Như vậy, chất kết dính chỉ có tác dụng liên kết ban đầu để định hình sản phẩm. Chất kết dính có thể là: tinh bột, Polyvinylalcol (PVA), Copolime vinylaxetat etylen, PEG (Polyetylenglycol)... 1.2.4. Chất phụ gia Phụ gia thiêu kết, khác với chất kết dính dùng trong chế tạo gốm với các mục đích khác nhau: tăng hoặc giảm kích thước hạt tinh thể, tăng tốc độ thiêu kết hoặc tốc độ co ngót, giảm nhiệt độ thiêu kết, thay đổi sự phân bố lỗ xốp, thay đổi tính chất vật lý và hóa học, loại bỏ tạp chất. Nói chung, có thể chia chất phụ gia thành 4 loại chính sau đây: - Thúc đẩy quá trình kết khối và kìm hãm sự lớn hạt (tiêu biểu trong nhóm này phải kể đến MgO); - Thúc đẩy quá trình kết khối và thúc đẩy sự lớn hạt (ví dụ trong nhóm này là TiO2). - Kìm hãm quá trình kết khối và kìm hãm sự lớn hạt (ví dụ dụ tiêu biểu của nhóm này là Ni2O3). - Kìm hãm quá trình kết khối và thúc đẩy sự lớn hạt (ví dụ tiêu biểu trong nhóm này là SiO2). Các tài liệu nghiên cứu [6, 7] chỉ ra ảnh hưởng cụ thể của quá trình kết khối và sự lớn hạt khi thiêu kết gốm cao nhôm của các loại oxit thường dùng làm phụ gia. Ví dụ của một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của MgO đến kìm hãm sự lớn hạt của gốm cao nhôm: khi thêm 0,25% MgO vào gốm cao nhôm thì tốc độ lớn hạt tại 1650oC, 1700oC, 1750oC và 1800oC lần lượt là 2,8; 2,5; 1,4 và 6
3.10-8cm/giây, còn khi không thêm MgO, cũng ở nhiệt độ đó thì tốc độ lớn hạt là 10,0; 13,8; 13,4 và 12,5.10-8cm/giây [10]. Trong hệ đa cấu tử, pha α- Al2O3 tương tác với các cấu tử khác, hoặc là tạp chất, hoặc là các chất phụ gia, tạo thành các hợp chất hóa học. Tùy thuộc vào điều kiện tương tác (bản chất, độ hoạt hóa và hàm lượng các chất phụ gia, nhiệt độ,...) mà số lượng, vị trí của các pha mới sẽ được hình thành. a) Nano MgO *Khái quát chung: Oxit magie là một oxit của magiê, còn gọi là Mag Frit. Nó có phân tử gam 40,3 gam/mol, nhiệt độ nóng chảy 2852oC. MgO, cùng với SrO, BaO và CaO, tạo thành nhóm oxit kiềm thổ. Chất này có thể lấy từ nguồn: talc, dolomite, magnesium carbonate. MgO và ôxít zirconi là hai oxit có nhiệt độ nóng chảy cao nhất. Tuy nhiên, MgO dễ dàng tạo pha eutactic với các oxit khác và khi đó nó nóng chảy ở nhiệt độ rất thấp. Hình 1.2. Cấu trúc của MgO * Tác dụng của nano MgO trong gốm oxit nhôm: Oxit magie được dùng trong vật liệu gốm nhờ hai đặc tính quan trọng là độ giãn nỡ nhiệt thấp và chất này là một chất trợ chảy (bắt đầu hoạt động từ 1170oC) do vậy làm tăng mật độ của phôi gốm. Tuy nhiên, hàm lượng MgO trong gốm phải khống chế hợp lý tránh gây giòn sản phẩm sau chế tạo. b) Nano TiO2 7
* Khái quát chung: Titan dioxit là chất bột màu trắng, bền nhiệt. Trong tự nhiên, TiO2 có bốn dạng thù hình: dạng vô định hình và ba dạng tinh thể: anatase, rutile, và brookite. Trong đó dạng pha tinh thể rutile là dạng bền phổ biến nhất của TiO2, anatase và brookite là dạng giả bền và chuyển thành rutile khi nung nóng. Hình 1.3. Các dạng thù hình của TiO2 Trong cấu trúc tinh thể của TiO2 thì mỗi ion Ti4+ được bao quanh bởi sáu ion O2-. Khoảng cách Ti-Ti trong tinh thể dạng anatase (3,79Å) lớn hơn khoảng cách Ti-Ti trong tinh thể dạng rutile (2,96Å). Trong khi đó, khoảng cách Ti-O trong tinh thể dạng anatase (degTi-O = 1,934 và 1,980Å) nhỏ hơn khoảng cách Ti- O trong tinh thể dạng rutile (degTi-O = 1,949 và 1,980Å). Sự khác nhau về cấu trúc mạng tinh thể là nguyên nhân dẫn tới sự khác nhau về khối lượng riêng () và cấu trúc vùng điện tử (Eg) giữa hai dạng TiO2. * Tác dụng của nano TiO2 trong gốm oxit nhôm: Nano TiO2 giúp hạ thấp nhiệt độ thiêu kết của gốm oxit nhôm. Theo một số nghiên cứu, TiO2 có hàm lượng 1% giúp hạ thấp nhiệt độ thiêu kết xuống 100oC 8
1.3. Công nghệ nghiền 1.3.1. Thiết bị nghiền Nghiền là quá trình phá hủy vật thể rắn bằng lực cơ học thành các phần tử, nghĩa là bằng cách đặt vào vật thể rắn các ngoại lực mà các lực này lớn hơn lực hút phân tử của vật thể rắn đó. Yêu cầu: + Ít tạo ra bụi; + Không làm phần tử nhỏ quá nóng; + Điều chỉnh được độ nhỏ vật liệu nghiền; + Có thể nghiền được vật liệu ẩm tới 19 – 20 %; Kích thước hạt bột sau nghiền được đánh giá thông qua bảng 1.2. Bảng 1.2. Kích thước hạt bột sau nghiền Các loại thiết bị nghiền: * Nguyên lý nghiền va đập 9
* Nguyên lý nghiền chà xát * Nguyên lý cắt nghiến * Nguyên lý ép dập 1.3.2. Máy nghiền bi Máy nghiền bi là thiết bị nghiền ướt phù hợp với quy mô và yêu cầu nghiền trộn vật liệu oxit nhôm để chế tạo vật liệu chống đạn 10
Máy nghiền bi thuộc loại máy nghiền mịn và sự nghiền xảy ra do sự va đập và chà xát của các viên bi với vật liệu đem nghiền. Máy nghiền bi có nhiều chủng loại, nhưng loại thường được dùng rộng rãi nhất là máy nghiền thùng quay, đó là bộ phận chủ yếu nhất, là một cái thùng rỗng đặt nằm ngang tì lên 2 ổ đỡ, bên trong có chứa nhiều bi cầu hay bi trụ hoặc thanh dài. Khi quay thì dưới tác dụng của lực ly tâm, các vật nghiền được ép sát vào mặt trong của vỏ thùng, được nâng lên đến độ cao nào đó. Ở độ cao này, dưới tác dụng của trọng lực các vật nghiền rời khỏi mặt thùng và rơi tự do và thực hiện sự va đập và chà xát vật liệu. a. Phân loại dựa vào các tiêu chuẩn sau: * Chế độ làm việc: - Làm việc theo chu kỳ. - Làm việc liên tục. * Phương Pháp nghiền: - Nghiền khô. - Nghiền ướt. * Kết cấu của máy nghiền: - Hình trụ một hay nhiều buồng nghiền. - Hình nón. * Kết cấu truyền động: - Truyền động tâm. - Truyền động chu vi. * Sơ đồ vận chuyển: - Sơ đồ nghiền hở. - Sơ đồ nghiền kín. * Sự chuyển động của bi nghiền: - Bi rung. - Bi quay. 11
* Phương thức tháo sản phẩm : - Qua ngỗng trục. - Qua sàng hình trụ. - Qua vỏ tang nghiền. b. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền: Có nhiều yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình nghiền xuất phát từ tính chất của vật liệu nghiền và máy nghiền. - Tính chất của vật liệu nghiền: Độ bền, độ cứng, độ nhớt, độ đồng đều, trạng thái và hình dạng bề mặt, độ ẩm, kích thước, hình dạng và vị trí tương hỗ của các phần tử nghiền, hệ số ma sát giữa các phần tử…là những yếu tố của vật liệu có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình nghiền. - Tính chất của máy nghiền: Hình dạng và trạng thái của bề mặt, vận tốc và tính chất chuyển động khối lượng của bộ phận làm việc (tỉ số giữa khối lượng của bi nghiền với khối lượng của vật đuợc nghiền), hệ số ma sát của bề mặt nghiền với vật được nghiền…là những yếu tố cấu trúc máy có ảnh hưởng đến quá trình nghiền nhỏ vật liệu. c. Cơ sở lý thuyết của quá trình nghiền vỡ vật liệu: Một vật thể được nghiền vỡ tức là chịu tác động của ngoại lực có trị số vượt các ứng sức bền của vật thể (ứng sức nén). Khi đó, vật thể sẽ chịu những biến dạng, hoặc bị phá vỡ đột ngột, hoặc chịu những biến dạng đàn hồi, biến dạng dẽo và cuối cùng bị phá vỡ. Khi vật thể chịu một lực va đập tự do để phá vỡ, thì lực đó sẽ gây ra những sóng chấn động truyền trong vật thể theo chiều lực đập. Chỉ khi lực đập đủ lớn để các sóng chấn động đó truyền hết chiều dài (kích thước) vật thể thì vật thể mới có khả năng bị phá vỡ. Trong quá trình bị phá vỡ, vật thể nếu chưa vỡ cũng đã chịu những biến dạng đàn hồi, nghĩa là đã tốn phần năng lượng nghiền để có những biến dạng đó. Khi vật thể vỡ ra sẽ tạo thành những diện tích mới ở những chổ nứt vỡ, lúc đó là lúc tiêu thụ năng lượng để phá vỡ, để tạo ra những diện tích mới. Tuy nhiên, đôi 12