Ảnh hưởng của TiO2 tới khả năng hạ thấp nhiệt độ thiêu kết gốm α-Al2O3

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Khả năng kết khối của vật liệu:

   Khả năng kết khối của vật liệu được thể hiện qua mật độ khối, khối lượng riêng, độ hấp thụ nước và độ xốp. Những thông số trên của các mẫu được biểu thị trong bảng 2.

   Có thể thấy vai trò tăng cường khả năng kết khối gốm của phụ gia TiO₂. Mặc dù có khối lượng riêng gần như nhau nhưng các mẫu IIb có 1% TiO₂ nên mật độ khối cao hơn các mẫu IIa không có TiO₂ thiêu kết ở cùng nhiệt độ. Mức độ sít chặt thể hiện qua tỉ số mật độ khối/khối lượng riêng đối với loại IIa là 0,96 còn đối với loại IIb là 0,99. Rõ rệt nhất là độ xốp và độ hấp thụ nước của loại IIb thấp hơn loại IIa rất nhiều (bảng 2).

Loại	Mật độ khối, g/cm3	Khối lượng riêng, g/cm3	Độ xốp, %	Độ hấp thụ nước, %
II a	3,6377	3,7881	3,4236	0,9380
II b	3,7760	3,7878	0,3118	0,0826

    Bảng 2: Mật độ khối, khối lượng riêng, độ hấp thụ nước và độ xốp của vật liệu.

3.2. Cơ tính của vật liệu:

   Các thông số về cơ tính của các mẫu đã được khảo sát và thể hiện ở bảng 3.

Loại	Tthiêu kết, oC	Độ cứng Hv10	Độ bền uốn, MPa
II a	1550	1154	190
II b	1550	1063	186
A14	1600	1129	279

 Bảng 3: Các thông số cơ tính của các mẫu vật liệu.

   Do TiO₂ làm lớn hạt khi thiêu kết nên không cải thiện mà còn làm giảm cơ tính của gốm. Tuy nhiên trong thành phần các mẫu gốm có MgO là yếu tố khống chế sự lớn lên của hạt tinh thể nên hạn chế phần nào ảnh hưởng xấu đến cơ tính của TiO₂. Có thể thấy độ cứng và độ bền uốn của các mẫu IIb (có phụ gia TiO₂) không thấp hơn nhiều so với các mẫu IIa (không có TiO₂) nhưng mức độ kết khối của các mẫu IIb thể hiện sự vượt trội. Các mẫu A14 (không có TiO₂) được thiêu kết ở nhiệt độ cao (1600°C) chỉ tăng được độ bền uốn so với các mẫu thiêu kết ở nhiệt độ thấp hơn (1550°C), còn độ cứng thì không có sự khác biệt đáng kể.

3.3. Tổ chức tế vi:

Hình 1. ảnh SEM của cá mẫu: IIa (a,b) và IIb (c,d)

   Hình 1 là ảnh SEM của các mẫu IIa và IIb mà từ đó ta thấy rõ mức độ thiêu kết của từng mẫu qua tổ chức tế vi của chúng. Cùng thiêu kết ở nhiệt độ thấp hơn 1600°C (1550°C) nhưng cấu trúc của IIa (không có TiO₂) còn rất nhiều lỗ xốp, có lỗ còn lớn hơn 2 μm, trong khi cấu trúc của IIb (có TiO₂) không có hiện tượng này. Kích thước hạt của IIb cũng không lớn hơn mà tương đương kích thước hạt của IIa (3 – 5 (m). Điều này cho thấy sự nở hạt trong quá trình thiêu kết khi có phụ gia TiO₂ đã được hạn chế do có MgO trong thành phần vật liệu. Độ cứng khá cao của mẫu IIa (1154 Hv) có thể được đo ở những vùng không xốp nên cũng không thể phản ánh toàn diện như độ cứng của mẫu IIb (1063 Hv). Tóm lại khả năng kết khối tốt hơn của gốm có phụ gia TiO₂ khi thiêu kết đã được thể hiện rõ trong tổ chức tế vi của các mẫu.

   Trong những giả thiết về cơ chế thúc đẩy thiêu kết của TiO₂, TS Nguyễn Đăng Hùng cho rằng: khi nung nóng lên do bán kính ion Ti ⁴⁺ (0,64A ^o ) gần Al ³⁺ (0,57A ^o ) nghĩa là chỉ khác nhau 10 – 15% nên đầu tiên chúng tạo thành dung dịch rắn, sau đó ở nhiệt độ cao một phần Ti ⁴⁺ chuyển thành Ti ³⁺ với bán kính ion 0,69. Do đó mạng tinh thể corundum bị biến dạng và làm cho nó hoạt động hơn, kết khối tốt hơn. Tác dụng của phụ gia TiO₂ là rút ngắn khoảng kết khối, do đó hạ thấp nhiệt độ nung [2]. Còn theo V. C. Bakunov và các cộng sự, cơ chế tác động của TiO₂ là do nó hình thành dung dịch rắn với Al₂O₃, nên làm tăng nồng độ nút trống trong mạng tinh thể và do đó làm tăng hệ số khuếch tán vật chất khi thiêu kết [1].

   Từ những kết quả thực nghiệm thu được, chúng tôi cho rằng tác động làm tăng mức độ kết khối và hạ thấp nhiệt độ thiêu kết gốm của TiO₂ có thể là sự kết hợp của cả việc tạo dung dịch rắn của TiO₂ với Al₂O₃ làm tăng hệ số khuếch tán lẫn khả năng TiO₂ làm biến dạng mạng, tăng độ lớn tinh thể Al₂O₃ và độ linh động của chúng khi nung.

4. KẾT LUẬN

   – Gốm oxit nhôm hệ Al₂O₃ – CaO – SiO₂ – MgO (98% Al₂O₃) với 1% TiO₂ khi thiêu kết ở nhiệt độ 1550°C đã đạt trạng thái kết khối tốt (mật độ khối/khối lượng riêng ≈0,99), độ xốp và độ hấp thụ nước giảm rõ rệt so với trường hợp thiêu kết cùng nhiệt độ nhưng không dùng phụ gia TiO₂. – Độ cứng của gốm có phụ gia thiêu kết TiO₂ đạt trên 10 GPa (1063 Hv), độ bền uốn còn thấp hơn các mẫu không có TiO₂ thiêu kết ở 1600°C có thể do sự nở hạt làm giảm cơ tính của gốm khi có mặt TiO₂ chưa được hạn chế triệt để. – Dùng phụ gia TiO₂ có thể hạ thấp nhiệt độ thiêu kết gốm Al₂O₃ xuống 1550°C nhưng vẫn đảm bảo khả năng kết khối và cơ tính của vật liệu.

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

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. 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.
2. Nguyễn Đăng Hùng. Công nghệ sản xuất vật liệu chịu lửa. Nhà xuất bản Bách Khoa – Hà Nội, 2006.
3. Eugene Mevedovski. Alumina Ceramics for Ballistic Protection. American Ceramic Society Bulletin, Vol 81, No 3, March 2002.
4. 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.
5. Wenming Zeng, Lian Gao, Linhua Gui, Jinkun Guo. Sintering kinetics of α-Al₂O₃ powder. Ceramics International 25 (1999) 723-726.

[/symple_box][symple_clear_floats]