Tỉ phần oxit zircon đến cơ tính của vật liệu gốm nền oxiy nhôm

Với mục tiêu tăng hiệu quả sử dụng cho các vật liệu gốm nền oxít nhôm, các biện pháp tăng bền là một vấn đề quan trọng hàng đầu khi nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu này. Oxít zircon thường được sử dụng để tăng bền cho các vật liệu gốm do cơ chế chuyển pha tetragonal → monoclin khi có tác dụng của ứng suất. Nhờ đó, các cơ tính của vật liệu gốm, đặc biệt là độ bền uốn, độ bền chống phá hủy, độ cứng được cải thiện đáng kể. Mời các bạn tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tỉ phần oxit zircon đến cơ tính của vật liệu gốm nền oxiy nhômVật lý ¶nh hëng cña tû phÇn oxit zircon ®Õn c¬ tÝnh cña vËt liÖu gèm nÒn oxit nh«m VŨ THỊ NHUNG*, TẠ VĂN KHOA*, ĐẶNG QUỐC KHÁNH** Tóm tắt: Với mục tiêu tăng hiệu quả sử dụng cho các vật liệu gốm nền oxít nhôm, các biện pháp tăng bền là một vấn đề quan trọng hàng đầu khi nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu này. Oxít zircon thường được sử dụng để tăng bền cho các vật liệu gốm do cơ chế chuyển pha tetragonal → monoclin khi có tác dụng của ứng suất. Nhờ đó, các cơ tính của vật liệu gốm, đặc biệt là độ bền uốn, độ bền chống phá hủy, độ cứng được cải thiện đáng kể.Từ khóa: Gốm nền oxít nhôm, Tăng bền bằng chuyển pha oxít zircon. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Vật liệu gốm đã góp phần quan trọng vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật vàcông nghiệp như ngành công nghiệp hóa chất, xây dựng, luyện kim, công nghệ chếtạo máy, giao thông vận tải, khoa học vũ trụ… Cùng với sự tiến bộ của khoa học,ngày càng nhiều loại vật liệu mới được phát minh, trong đó bao gồm vật liệu gốmtiên tiến. Gốm tiên tiến được phân thành 3 nhóm chính: vật liệu gốm kết cấu, gốmchức năng và gốm y sinh. Gốm oxit nhôm có thể được coi là đại diện tiêu biểu củanhóm gốm kết cấu; được dùng chủ yếu trong các chi tiết kết cấu chịu tải cơ học,đặc biệt là ở nhiệt độ cao[6]. Bởi vậy, việc tăng bền cho vật liệu gốm nền oxítnhôm là một vấn đề đáng quan tâm. Có rất nhiều biện pháp tăng bền cho vật liệugốm nền oxít nhôm nhưng hiệu quả hơn cả là biện pháp sử dụng oxít zircon dựatrên đặc tính chuyển pha của oxít zircon[12]. 2. THỰC NGHIỆM Các mẫu gốm được chế tạo theo công nghệ luyện kim bột theo sơ đồ sau: Nguyên liệu đầu vào Nghiền trộn Sấy, tạo hạt Đánh giá cơ tính Thiêu kết Ép tạo hình Hình 1. Sơ đồ công nghệ chế tạo mẫu nghiên cứu. Bột Al2O3 sử dụng cho nghiên cứu có độ sạch 99,9 %, kích thước hạt trung bình150 nm của hãng Inframat (Mỹ). Bột ZrO2 nano có độ sạch 99,99 %, kích thướchạt trung bình 60 nm của hãng Inframat. Hàm lượng bột ZrO2 nano được thay đổitừ 0 đến 7%. Bột ZrO2 trước khi nghiền trộn được rung siêu âm 10h trong môitrường cồn 50% nhằm tăng hiệu quả phân tán ZrO2 đồng đều trong nền Al2O3.Mẫu bột hỗn hợp Al2O3 + ZrO2 được nghiền trộn trong máy nghiền ly tâm hànhtinh trong 8h. Do kích thước hạt và tỉ trọng của Al2O3 và ZrO2 chênh lệch nhau khánhiều nên cần có thêm nguyên công phân tán riêng trong dung môintrước khi trộnhỗn hợp. Nếu thời gian nghiền 6h, các hạt bột ZrO2 không phân tán đồng đều trênnền, có hiện tượng kết cụm, dẫn tới nứt bộc phát khi thiêu kết.[13]Các mẫu được120 V.T.Nhung, T.V.Khoa, Đ.Q.Khánh “Ảnh hưởng của tỷ phần ... gốm nền oxít nhôm.”Nghiên cứu khoa học công nghệthiêu kết trên lò Nabertherm ở nhiệt độ 1625oC trong 2h. Sở dĩ lựa chọn nhiệt độnày vì nhiệt độ thiêu kết pha rắn của các mẫu bột thường nằm trong khoảng 0,7 -0,8 nhiệt độ nóng chảy của pha có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất (trong nghiên cứunày nhiệt độ thiêu kết = (0,7-0,8) *TncAl2O3= 1450- 1650 oC).[13] Độ bền uốn 4 điểm được đo trên thiết bị kéo nén, độ cứng HV10 được xác địnhtrên thiết bị AVK-CO/Mitutoyo, hệ số chống nứt xác định bằng phương pháp mũiđâm HV10. Thành phần pha và cấu trúc vật liệu được đánh giá thông qua giản đồnhiễu xạ tia X và ảnh SEM. 3. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN Hình 2 trình bày sự phụ thuộc của độ bền uốn vào hàm lượng ZrO2 nano. Cácmẫu được thiêu kết ở 1625 oC trong thời gian 2h. Từ hình 2 cho thấy độ bền uốncủa gốm Al2O3 tăng khi hàm lượng ZrO2 tăng. Điều đó được giải thích do vai tròcủa ZrO2 nano làm ức chế sự phát triển hạt Al2O3 khi thiêu kết và xảy ra cơ chếtăng bền bằng chuyển pha tetragonal – monoclin của pha ZrO2 khi có tác dụng củaứng suất cơ học[14]. Hình 2. Sự phụ thuộc của độ bền uốn vào hàm lượng ZrO2. Sự phụ thuộc của độ cứng HV10 vào hàm lượng ZrO2 được trình bày trên hình3. Khi tăng hàm lượng ZrO2 từ 0 đến 5%, độ cứng HV10 tăng từ 12 GPa lên 17GPa. Đó là do khi có mặt của ZrO2 tạo thành pha phân tán trong nền Al2O3 có vaitrò ức chế phát triển hạt, dẫn đến vật liệu có cấu trúc hạt mịn, làm tăng độ cứng củamẫu. Hình 3. Sự phụ thuộc của độ cứng HV10 vào hàm lượng ZrO2.Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 33, 10 - 2014 121 Vật lý Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng hàm lượng ZrO2, độ cứng có xu thế giảm. Sự giảmđộ cứng ở đây là do khi hàm lượng ZrO2 cao, sẽ xảy ra sự kết tụ các hạt ZrO2thành các đám ZrO2 có kích thước lớn. Điều này, có thể được kiểm chứng trênhình 6: ảnh SEM mẫu có chứa 7% ZrO2. Có thể thấy kích thước hạt của ZrO2 trongmẫu 7% lớn hơn so với mẫu 5% (Hình 4). Hình 4, ...