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. 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. 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. 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
