Vật liệu học_Chương 7

Chia sẻ: L Le Dinh Minh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

257
lượt xem 157
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vật liệu vô cơ là sự kết hợp giữa kim loại Me, Si với á kim B, C, N, O bằng các liên kết ion và cộng hóa trị.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Vật liệu học_Chương 7

113 Ch−¬ng 7 VËt liÖu v« c¬ - ceramic §Þnh nghÜa: VËt liÖu v« c¬ lµ sù kÕt hîp gi÷a kim lo¹i Me, Si víi ¸ kim B,C,N,O b»ng c¸c liªn kÕt ion vµ céng ho¸ trÞ C N Ph©n lo¹i: nhiÒu c¸ch ph©n lo¹i Theo ®Æc ®iÓm kÕt hîp: 3 nhãm chÝ nh: Gèm vµ kim lo¹i chÞu löa B O Thuû tinh vµ gèm thuû tinh Xi m¨ng vµ bª t«ng Theo cÊu tróc: 2 nhãm: Me Si • ®¬n pha: thuû tinh SiO2 (ch−¬ng 1), gèm ®¬n oxit • VËt liÖu ®a pha: hÇu hÕt c¸c vËt liÖu v« c¬ H×nh 7.1. Kh¶ n¨ng kÕt hîp Pha chÝ nh lµ c¸c pha tinh thÓ liªn kÕt víi nhau bëi pha thuû tinh (v« ®Þnh h×nh) : gèm & VL chÞu löa, sø, gèm thuû tinh. Ngoµi ra cßn cã pha khÝ do c«ng nghÖ chÕ t¹o kh«ng tr¸nh khái còng cã thÓ do chñ ®éng ®−a vµo: gèm xèp, thuû tinh xèp, bª t«ng xèp c¸c pha tinh thÓ cã thÓ cã % kh¸c nhau, chøa khuyÕt tËt, nhiÒu vÕt nøt, chóng quyÕt ®Þnh tÝ nh chÊt cña ceramic. 7.1. Quan hÖ gi÷a cÊu tróc vµ tÝ nh chÊt cña ceramic Do cÊu tróc cña vËt liÖu v« c¬ t¹o thµnh tõ c¸c kim lo¹i vµ ¸ kim liªn kÕt ion vµ liªn kÕt céng ho¸ trÞ, vÝ dô: trong oxit : Mg-O, Zr-O, Ti-O , Al-O, B-O , Si-O, C-O % liªn kÕt ion: 80 67 63 60 45 40 22 cßn l¹i lµ liªn kÕt céng ho¸ trÞ VËt liÖu v« c¬ bÒn ho¸ häc, bÒn nhiÖt, c¸ch nhiÖt tèt, mét sè cã tÝ nh chÊt quang ®Æc biÖt P ceramic kim lo¹ i TÝ nh chÊt c¬ häc (nh¾c l¹i biÓu ®å kÐo) • §µn håi gißn: do cÊu tróc, VL bÞ ph¸ huû gißn • §é bÒn lý thuyÕt σLT = (2E.γ/a)1/2 ∆l E- m«dun ®µn håi γ- søc c¨ng bÒ mÆt; a- kho¶ng c¸ch nguyªn tö σLT - vËt liÖu coranh®«ng 50.103 MPa, thuû tinh SiO2 ~ 8.103 MPa • §é bÒn thùc tÕ: do cã nøt tÕ vi 10-3÷100 µm → ®é bÒn thùc tÕ =1/100 ®é bÒn lý thuyÕt : Khi chÞu t¶I kÐo σO th× thùc tÕ σ = 2. σO(l/r)1/2 l: dµI nøt; r: b¸n kÝ nh cong ®Çu vÕt nøt. σ thùc trong vËt liÖu phô thuéc vµo σO vµ tû lÖ thuËn l vµ tû lÖ nghÞch víi r. Khi nøt dµi, ®Çu nhän: σ ≥ [σLT] → nøt t¨ng → ph¸ huû Chó ý vËt liÖu v« c¬ chÞu nÐn tèt h¬n chÞu kÐo (10 lÇn) • §é bÒn vËt liÖu v« c¬ kh«ng ph¶i do n¨ng l−îng liªn kÕt nguyªn tö cÊu t¹o nªn nã mµ do sè l−îng, chiÒu dµi, chiÒu s©u vÕt nøt (h×nh d¹ng). • VËt liÖu v« c¬ tinh thÓ: h¹t cµng nhá th× ®é bÒn cµng cao Bät khÝ 0,1-0,5% h¹t nhá trßn t¨ng ®é bÒn, >0,5% bät cµng dµi cµng nhiÒu ®é bÒn gi¶m m¹nh. Bät khÝ lµm gi¶m ®é dÉn nhiÖt.
114 7.2. C¸c vËt liÖu v« c¬ ®iÓn h×nh 7.2.1. Gèm vµ vËt liÖu chÞu löa Gèm b»ng s¶n phÈm ®Êt nung: NhiÖt ®é nung g¹ch 900oC, sø 1400, t¹o tõ c¸c nguyªn liÖu tù nhiªn: KaolinÝ t Al2O3.2SO2.2H2O → VËt liÖu bét t¹o h×nh nung vËt liÖu gèm • CÊu tróc: gåm c¸c pha tinh thÓ liªn kÕt b»ng pha v« ®Þnh h×nh tû lÖ v« ®Þnh h×nh trong g¹ch ngãi 20-40 %, trong sø 50-60%, Al2O3 1% • Bät khÝ trong g¹ch ngãi 10-50%, trong sø 5% • Ph©n lo¹i o Gèm silicat (gèm truyÒn thèng) mµu xØn do chøa oxyt s¾t, chÕ t¹o tõ silic¸t thiªn nhiªn: ®Êt sÐt, cao lanh (g¹ch ngãi, sø vÖ sinh, Êm chÐn b¸t ®Üa ®å sø gia ®×nh) sø c¸ch ®iÖn ... chÕ t¹o b»ng c«ng nghÖ gèm th« hoÆc c«ng nghÖ gèm tinh ( h¹t nhá) o Gèm oxit gèm t¹o tõ mét lo¹i oxyt Al2O3, TiO2,...) hoÆc mét oxit phøc: MgO.Al2O3, BaO.TiO2 (kh¸c gèm silicat tinh khiÕt cao nªn tû lÖ pha tinh thÓ cao) chÕ t¹o b»ng s¶n phÈm chÊt l−îng cao, vµ c¸c tÝ nh chÊt ®iÖn tõ ®Æc biÖt, chÕ t¹o theo c«ng nghÖ gèm tinh. ¾ Al2O3: PhÔu sîi m¸y dÖt, chi tiÕt m¸y dÖt (Al2O3), ®iÖn tö, y tÕ, bét mµi. ¾ TiO2: gèm TiO2 lµm tô ®iÖn h»ng sè ®iÖn m«i lín tæn thÊt ®iÖn m«i nhá, Gèm hÖ PbO.TiO2-PbO.ZrO2 cã pha thªm MgO.NiO.ZnO...gäi t¾t lµ gèm PTZ c¶i thiÖn c¸c tÝ nh chÊt ®iÖn m«i ngµy cµng ®−îc dïng nhiÒu trong kü thuËt ®iÖn ¾ Fe2O3 + oxit kim lo¹i nhãm TiO2, SnO2, WO3... ¾ Gèm b¸n dÉn Zn(Ti4+(X)Fe2+(2-2X)Fe3+(X))O3 , Ti(x)(Fe3+(2-2x)Fe2+(x))O3 .... • C¸c vËt liÖu gèm phioxit c¸c Borit, nit¬rit, cacbit,... vËt liÖu ®¬n nguyªn tè cacbon VËt liÖu chÞu löa (VLCL) VËt liÖu chÞu löa To>1520oC, s¶n xuÊt b»ng c«ng nghiÖp gèm th« dïng ngµnh luyÖn kim, ho¸ häc, gèm... lß nhiÖt ®é cao. VLCL gåm c¸c lo¹i sau: • Dinat (Silicat) > 93%SiO2 g¹ch x©y lß cèc, lß thuû tinh vïng nung lß tuynen cÊu t¹o tõ nguyªn liÖu thiªn nhiªn: c¸t th¹ch anh, quarzit sa th¹ch. • Sam«t gèm th« alumo-silicat, Al2O3 = 20-45% kho¸ng chÝ nh lµ mulit (3Al2O3.2SiO2) vµ cristobalit. S¶n xuÊt tõ hai nguyªn liÖu: + Nguyªn liÖu gÇy: cao lanh nung kÕt khèi thµnh s¹n sam«t trén ®Òu cïng Èm + Nguyªn liÖu dÎo: ®Êt sÐt cïng cao lanh ch−a nung -t¹o h×nh- nung c¸c lo¹i: sam«t th−êng 30-40%Al2O3 sam«t b¸n axit 20-30%Al2O3 C«ng dông x©y lß: gèm sø, xim¨ng, lß khÝ , lß luyÖn kim • VËt liÖu chÞu löa cao alumin thuéc hÖ Alumino-Silicat cã Al2O3~45÷95% kho¸ng chÝ nh lµ mulit 3Al2O3.2SiO2 vµ coranh ®«ng α-Al2O3 nguyªn liÖu chÕ t¹o tõ kho¸ng thiªn nhiªn cã tû lÖ Al2O3 cao:Silimanit, Andaluzit (Al2O3.SiO2) • VËt liÖu cao alumin tÝ nh chÞu nhiÖt tèt l¬n sam«t, tÝ nh ho¸ häc trung tÝ nh víi nhiÒu m«i tr−êng
115 • VËt liÖu chÞu löa kiÒm tÝ nh:Pericla (manhªzit) MgO, Cr«m-manhªzit MgO- Cr2O3. ®Æc ®iÓm: chÞu nhiÖt cao, bÒn víi xØ kiÒm, m«i tr−êng nãng ch¶y kiÒm tÝ nh; thuû tinh kiÒm, xØ luyÖn kim Baz¬, lß xi m¨ng, x©y lß hå quang luyÖn thÐp chÊt l−îng cao. • VËt liÖu chÞu löa trªn c¬ së graphit vµ SiC: Sam«t graphit 6÷60%gr-nåi nÊu kim lo¹i −u ®iÓm dÉn nhiÖt nhanh, kh«ng thÊm −ít kim lo¹i láng, bÒn nhiÖt • VËt liÖu chÞu löa c¸ch nhiÖt lµ c¸c vËt liÖu chÞu löa khi chÕ t¹o ®−a vµo 45-80% khÝ nªn xèp nhÑ. Th−êng ®−îc x©y phÝ a ngoµi ®Ó c¸ch nhiÖt. Ngµy nay cßn dïng vËt liÖu sîi ®Ó c¸ch nhiÖt (sîi cacbon, sîi thuû tinh,…): sam«t nhÑ, §inat nhÑ, Bªt«ng chÞu löa nhÑ,… 7.2.2. Thuû tinh vµ gèm thuû tinh 7.2.2.1.Thuû tinh • CÊu tróc v« ®Þnh h×nh ®−îc t¹o b»ng c¸ch nguéi nhanh vËt liÖu v« c¬ nãng ch¶y- tÝ nh chÊt v« ®Þnh h×nh lµ vËt liÖu mét pha ®ång nhÊt • Kh¸i niÖm thuû tinh cßn ®Ó chØ chung c¸c vËt liÖu cã cÊu tróc v« ®inh h×nh: Thuû tinh h÷u c¬, thuû tinh v« c¬, thuû tinh kim lo¹i • C«ng nghÖ chÕ t¹o: Nguyªn liÖu: c¸t tr¾ng SiO2, s«da Na2CO3, ®¸ v«i CaCO3, trµng th¹ch (K,Na)AlSi3O8, ®«l«mit CaCO3.MgCO3,...Phèi liÖu- nÊu ch¶y (1400- 1500oC), t¹o h×nh ë tr¹ng th¸i mÒm (1000-1200oC) kÐo tÊm, kÐo èng, kÐo sîi, c¸n, Ðp, dËp, thæi,...→ ñ khö σ (500-600oC) → mµi, ®¸nh bãng → t¹o v©n hoa → s¶n phÈm. • VËt liÖu thuû tinh cã tÝ nh chÊt quang häc ®Æc biÖt. 7.2.2.1.1. Thuû tinh kiÒm- kiÒm thæ - silicat • Th«ng dông nhÊt, nguyªn liÖu chÝ nh ®Ó s¶n xuÊt lµ c¸t tr¾ng, ®¸ v«i (t¹o CaO), ®«l«mit (t¹o MgO) vµ s«da (t¹o Na2O), thµnh phÇn: 65-75%SiO2, 8-15% CaO, 12-18% Na20 • RÎ tiÒn (ngoµi c¸c tÝ nh chÊt chung cña thuû tinh lµ: trong suèt, bÒn ho¸, xÝ t kÝ n, ®é bÒn c¬ vµ nhiÖt ®¹t yªu cÇu, nªn dïng nhiÒu trong x©y dùng, bao b× (chai), ho¸ chÊt, d−îc phÈm, thùc phÈm, ®å gia dông, vá bãng ®Ìn ®iÖn, mµn h×nh ti vi... • BiÖn ph¸p t¨ng bÒn . T«i ë nhiÖt ®é xÊp xØ 900-1000OC (nhiÖt ®é biÕn mÒm - (10÷20o)) nguéi nhanh . Trao ®æi ion: thay thÕ c¸c ion Na b»ng c¸c ion kh¸c cã kÝ ch th−íc lín h¬n trªn bÒ mÆt t¹o øng suÊt nÐn d− lµm t¨ng c¬ tÝ nh: kÝ nh « t«, cèc t¸ch, thuû tinh c¸ch ®iÖn,..t¨ng bÒn 3-10 lÇn, . T¹o sîi thuû tinh d
116 Boro-Silicat: SiO2-B2O3-Na2O; Pirex 78%SiO2-12,5%B2O3-9,5%Na2O; Alumino- silicat: SiO2-Al2O3-Na2O C«ng dông: chÕ t¹o dông cô ho¸ häc, ®o l−êng, èng dÉn b×nh ph¶n øng, vËt liÖu kü thuËt ®iÖn, Êm chÐn chÞu nhiÖt, nåi ch¶o ®un nÊu, vËt liÖu sîi cña thuû tinh nhãm nµy glass E 7.2.2.1.3. Thuû tinh ch× silicat ¾ ChØ sè khóc x¹ (n) cao lµm ®å quang häc (10-18%Pb), phalª18-35%, thµnh phÇn SiO2-PbO-Na2O/K2O ¾ t¹p chÊt g©y mµu: Fe2O3 cÇn h¹n chÕ
117 ®Çu, ®−îc t¹o thµnh nhê liªn kÕt c¸c cèt liÖu r¾n (sái, c¸t) bëi chÊt dÝ nh kÕt lµ xim¨ng poclan + n−íc, sau khi xim¨ng ®ãng r¾n vËt liÖu trë nªn liÒn khèi, v÷ng ch¾c. 7.4.2. Xim¨ng a. Xim¨ng (cement) gåm c¸c lo¹i chÝ nh sau: - poclan, trªn c¬ së hÖ CaO - SiO2 chøa thªm Al2O3, Fe2O3 víi nhiÒu lo¹i biÕn thÓ, - alumin, trªn c¬ së hÖ CaO - Al2O3 chøa thªm SiO2, Fe2O3, - xØ lß cao, chøa thªm th¹ch cao hoÆc v«i, trong ®ã xim¨ng poclan lµ phæ th«ng vµ quan träng nhÊt. b. C¸c b−íc s¶n xuÊt xim¨ng poclan Phèi liÖu gåm: ®¸ v«i (cung cÊp CaO), ®Êt sÐt (cung cÊp SiO2, Al2O3) vµ quÆng s¾t ®−îc c©n ®ong theo phèi liÖu, nghiÒn mÞn råi trén ®Òu. nung luyÖn phèi liÖu trong lß quay: ë 1400 ÷ 1500oC ®Ó t¹o ra c¸c kho¸ng chÊt nh− 3CaO.SiO2 (viÕt t¾t C3S), 2CaO.SiO2 (C2S), 3CaO.Al2O3 (C3A), 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF), s¶n phÈm ®−îc gäi lµ clinke. clinke ®−îc nghiÒn mÞn: ®Õn kÝ ch th−íc 0,5 ÷ 50µm d−íi d¹ng bét gäi lµ xim¨ng. Khi nghiÒn th−êng ®−a thªm c¸c phô gia ®Ó ®iÒu chØnh mét vµi tÝ nh chÊt cña xim¨ng (nh− cho thªm th¹ch cao ®Ó ®iÒu chØnh tèc ®é ®«ng kÕt cña xim¨ng). c. C¬ chÕ ®ãng r¾n xim¨ng Khi xim¨ng ®−îc hßa trén víi n−íc ta ®−îc v÷a xim¨ng, nã sÏ bÞ hy®rat hãa theo c¸c ph¶n øng: 2 (3CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2, 2 (2CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2, ............................................................................................... Qu¸ tr×nh nµy ph¸t triÓn tõ bÒ mÆt c¸c h¹t xim¨ng vµ tiÕp tôc vµo bªn trong h¹t theo s¬ ®å hy®rat hãa ë c¸c giai ®o¹n (h×nh 7.1): - tr¹ng th¸i ban ®Çu: hçn hîp v÷a xim¨ng gåm c¸t, xim¨ng vµ n−íc (h×nh a), - hy®rat hãa mét phÇn cña xim¨ng, b−íc ®Çu nèi c¸c h¹t c¸t víi nhau (h×nh b), - hy®rat hãa hoµn toµn vµ dÝ nh kÕt c¸c h¹t c¸t nhê pha tinh thÓ hy®rat hãa (c). h¹t c¸t, sái (®¸ d¨m) - h¹t xim¨ng H× nh 7.15. S¬ ®å hy®rat hãa vµ ®«ng ®Æc cña v÷a xim¨ng a) b) c) xim¨ng ®ñ mÞn vµ ®−îc trén víi ®ñ l−îng n−íc th× qu¸ tr×nh diÔn ra hoµn toµn. ThiÕu n−íc mét phÇn xim¨ng kh«ng ®−îc ph¶n øng, thõa n−íc sÏ t¹o ra c¸c lç, kªnh chøa n−íc lµm cho v÷a xim¨ng linh ®éng, dÔ trén nh−ng ®é bÒn sau khi ®ãng r¾n sÏ bÞ gi¶m. Sau hy®rat hãa lµ giai ®o¹n kÕt tinh, t¹o ra c¸c tinh thÓ hy®rat víi kÝ ch th−íc 10 ÷ 100nm lµm cho khèi vËt liÖu trë nªn v÷ng ch¾c vµ cã kh¶ n¨ng chÞu t¶i.
118 §é bÒn cña xim¨ng, "m¸c" xim¨ng, lµ giíi h¹n bÒn nÐn cña mÉu v÷a xim¨ng - c¸t (tiªu chuÈn) víi tû lÖ 1 : 3 sau 28 ngµy b¶o d−ìng trong ®iÒu kiÖn quy ®Þnh. VÝ dô, theo TCVN 2682 - 1992, PC 30 cã nghÜa lµ Portland Cement víi giíi h¹n bÒn nÐn lµ 30MPa. 7.4.3. Bªt«ng Bªt«ng lµ hçn hîp: sái hoÆc ®¸ d¨m kÝ ch th−íc 1 ÷ 4cm, c¸t vµng cì h¹t 0,1÷ 0,2mm, xim¨ng cì h¹t 0,5 ÷ 50µm) + n−íc: h¹t c¸t ®iÒn ®Çy vµo chç trèng gi÷a c¸c viªn sái, ®¸ d¨m, cßn c¸c h¹t xim¨ng sÏ chen vµo kho¶ng trèng gi÷a c¸c h¹t c¸t → xÝ t chÆt cao . Ngoµi ra, bÒ mÆt cña c¸c h¹t c¸t, sái, ®¸ d¨m lµ mÇm dÞ thÓ cho qu¸ tr×nh kÕt tinh cña c¸c hîp chÊt hy®rat cña xim¨ng. Bªt«ng ®−îc coi lµ mét lo¹i compozit: Cèt: c¸t, sái, ®¸ , nÒn lµ xim¨ng ®ãng r¾n 7.4.4. Bªt«ng cèt thÐp §é bÒn (kÐo) cña bªt«ng ®−îc t¨ng lªn nÕu cã cèt thÐp. ThÐp ®−îc dïng lµm cèt trong bªt«ng v× ngoµi cã ®é bÒn kÐo cao vµ dÎo, cã hÖ sè gi·n në nhiÖt gÇn gièng nh− bªt«ng, bÒn ¨n mßn trong m«i tr−êng bªt«ng, c¶i thiÖn dÝ nh kÕt b»ng gai, g©n. Bªt«ng dù øng lùc: d©y thÐp ®é bÒn cao (60Mn) ®−îc ®Æt trong c«p pha (coffrage), ®−îc kÝ ch kÐo víi lùc kÐo lín, b¬m ®Çy bªt«ng vµo khu«n c«p pha, chê ®«ng cøng míi bá lùc kÐo c¨ng d©y thÐp, lóc ®ã d©y thÐp bÞ co l¹i t¹o cho cÊu kiÖn bªt«ng øng suÊt nÐn C¸ch thø hai: d©y thÐp ®−îc luån qua nh÷ng èng b»ng kim lo¹i hay cao su ®Æt s½n trong cÊu kiÖn bªt«ng. KÐo c¨ng d©y thÐp nhê c¸c kÝ ch thuû lùc tùa vµo hai mÆt ®èi diÖn cña cÊu kiÖn, lùc kÐo sÏ t¹o t¶i träng nÐn lªn bªt«ng. TiÕp theo v÷a bªt«ng míi ®−îc b¬m ®Çy vµo lç, bao kÝ n lÊy d©y thÐp. CÊu kiÖn ®−îc hoµn thµnh khi v÷a bªt«ng ®«ng cøng vµ b¶o d−ìng tèt, chØ khi ®ã míi dì kÝ ch ra. Kü thuËt bªt«ng dù øng lùc lµ kü thuËt cao trong chÕ t¹o c¸c dÇm cÇu t¶i träng lín.