Cấu trúc của composite gốm

Cấu trúc của composite gốm

Composite là loại vật liệu nhiều pha khác nhau về mặt hóa học, hầu như không tan vào nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha, kết hợp lại, tận dụng và phát triển những tính chất ưu việt của từng pha trong nó.

Với định nghĩa trên, chúng ta có thể coi gốm sứ là vật liệu composite. Khác với các loại vật liệu khác, trong vật liệu composite phải có tác dụng tương hỗ giữa các cấu từ thành phần. Từ vật liều thành phần (pha) A và B tạo ra được vật liệu C có tính chất tốt hơn các vật liệu A, B riêng biệt hay hỗn hợp của chúng.

Trong thực tế, phần lớn composite là loại hai pha gồm nền (matrix) là pha liên tục trong toàn khối, cốt là pha phân bố gián đoạn. Tính chất của vật liệu composite phục thuộc vào các thông số chủ yếu sau:

  • Tính chất các pha thành phần (kể cả lỗ xốp), chẳng hạn tính chất cơ học như cường độ, độ đàn hồi; tính bất đẳng hướng của từng pha riêng biệt.
  • Phần thể tích của từng pha; hình dáng hình học, sự phân bố của các pha trong hệ kể cả lỗ xốp. Ví dụ: số lượng, hướng phân bố và khoảng cách trung bình giữa các hạt tinh thể của pha phân tán v.v…
  • Tác dụng tương hỗ (liên kết) giữa các pha với nhau và tính chất của mối tiếp xúc. Thông số này thể hiện ở khả năng chuyển tải trọng từ pha nền (m) sang các hạt của pha phân tán (f) và ngược lại, ở liên kết tại chỗ tiếp xúc giữa các pha.
  • Quá trình hình thành các pha trong vật liệu, chẳng hạn như yếu tố thời gian, công nghệ và ứng suất dư trong vật liệu.

Một yếu tố trong các thông số trên là bề mặt bên trong – hay biên giới các pha – cụ thể là tổng diện tích tiếp xúc giữa các pha riêng biệt với nhau, đóng vai trò rất quan trọng trong tính chất của vật liệu composite. Không chỉ diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các pha – nơi hình thành nên sự cố kết giữa chúng – mà ngay cả vùng chung quanh bề mặt này cũng góp phần tạo nên yếu tố bề mặt bên trong. Ứng suất từ pha A chuyển sang pha B, hoặc qua sự tiếp xúc trực tiếp (ít xảy ra hơn), hoặc qua các lớp kết dính giữa chúng (có chiều dày từ 1-2 phân tử đến kích thước vĩ mô), Liên kết (thể hiện qua cường độ của mối tiếp xúc ở biên giới giữa các hạt) có thể có bản chất là cơ học, vật lý hay hóa học. Liên kết cơ học (sự cố kết) xuất hiện do sự xâm nhập của pha lỏng ban đầu vào các lỗ xốp của pha rắn, hay do sự siết chặt vào nhau của một pha vào pha thứ hai dưới ảnh hưởng của chênh lệch hệ số dãn nở nhiệt khi cùng co ngót. Liên kết hóa học là liên kết ion hay cộng hóa trị, có cường độ lý thuyết 7-70 GPa, Liên kết vật lý nhỏ hơn liên kết hóa học của một bậc xuất hiện dưới tác động liên phân tử và liên kết Van der Waals.

Khi nung đến nhiệt độ kết nối, quá trình kết khối xảy ra và xương gốm hình thành. Đối với bột kim loại, nhiệt độ kết khối bằng 0,3 Tnc (Tnc là nhiệt độ nóng chảy tính theo K), đối với bột oxyt bằng 0,8-0,9Tcl (Tcl là nhiệt độ chịu lửa tính theo K). Quá trình kết khối có thể là kết khối pha rắn hay có mặt pha lỏng. Pha lỏng nóng chảy xuất hiện là do một phần vật chất tinh thể hay hỗn hợp euteeti nóng chảy tại một nhiệt độ xác định và thường xuất hiện tại chỗ tiếp xúc giữa các hạt. Khi làm nguội, các mầm tinh thể sẽ tác ra từ pha lỏng nóng chảy để tái kết tinh, phần còn lại sẽ biến thành pha thủy tinh. Kết quả, xươn ggoosm được tạo nên từ các phần tử rắn tạo cường độ (các hạt tinh thể và pha thủy tinh) cũng như các yếu tố không tạo nên cường độ cơ học (biên giới hạt, lỗ xốp, khuyết tật cấu trúc).

Vật liệu composite gốm gồm pha rắn phân tán có thể tích Vs, pha nền có thể tích Vm và pha khí phân tán (lỗ xốp) có thể tích Vg. Composite gốm được chia thành các hệ sau:

  • Hệ hai pha, gồm “pha tinh thể ceramic” + “pha khí” (lỗ xốp). Số lượng lỗ xốp, độ xốp, hình dạng lỗ xốp, kích thước hạt tinh thể, mức độ kết khối trong vùng tiếp xúc giữa các hạt đều ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học của vật liệu.
  • Hệ gồm “pha tinh thể ceramic” + “pha thủy tinh” + “pha khí” (lỗ xốp) đặc trưng cho các loại gốm truyền thống. Tính chất cơ học của vật liệu chịu ảnh hưởng của hình dạng các hạt tinh thể (hạt có cạnh sắc làm tăng cường độ của hệ nhưng lại tạo điều kiện cho các vi nứt phát triển). Các hạt phân bố ngẫu nhiên trong pha nền liên kết chúng lại với nhau. Dưới kinh hiển vi quang học, có thể nhìn thấy rõ tổ hợp hạt do các hạt liên kết lại với nhau (có đường kính đến 300μm hay hơn nữa đối với vật liệu sành dạng đá) hoặc có thể nhìn thấy các hạt định hướng theo một hướng nào đó làm cho vật liệu có tính bất đẳng hướng.
  • Hệ gồm “pha tinh thể ceramic” + “pha tinh thể ceramic”, yêu cầu tính chất của hai pha tinh thể ceramic trên không quá khác nhau. Trong trường hợp này, cả hai pha tinh thể đều quyết định tính chất của composite.
  • Một trong hai “pha tinh thể ceramic” trên ở dạng phân tán, có thể là whisker. Đó là những râu đơn tinh thể có độ bền rất cao, đường kính khoảng 1μm và chiueefu dài 3-4mm. Râu đơn tỉnh thể có tính chất tốt hơn rất nhiều so với các dạng khác. Ví dụ whisker Al2O3 có đường kính 5-11μm (khối lượng riêng 4 g/cm3, độ bền kéo 15Gpa, bền nhiệt độ đến 1200ºC), hay whisker SiC (khối lượng riêng 3,2g/cm3, độ bền kéo 21 GPa, bền nhiệt độ đến 1600°C). Whisker làm tăng độ bền của vật liệu lên rất nhiều.
  • Hệ gốm “pha tinh thể ceramic” + “pha kim loại” (cermet). Tùy theo tỷ lệ giữa hai cấu tử, nếu “pha kim loại” chiếm phần lớn thì composite thể hiện tính kim loại (có tính dẻo, độ bền va đập), ngược lại nếu “pha tinh thể ceramic” chiếm phần lớn thì composite dòn, tuy nhiên các tính chất ở nhiệt độ cao lại được bảo đảm.

Như đã nói ở trên, yếu tố bề mặt bên trong còn bao gồm cả cường độ chỗ tiếp xúc giữa hai pha, phụ thuộc vào liên kết cơ học, liên kết hóa học hay liên kết vật lý. Vùng tiếp xúc có mối liên kết tốt khi pha nền (pha kết dính) có khả năng thấm ướt pha rắn tinh thể, liên kết chúng lại với nhau chặt đến nỗi các lực tác dụng không thể phá vỡ được.

Các loại composite gốm:

Gạch nung: ceramic – lỗ xốp

Sứ, sành dạng đá: ceramic – thủy tinh

Gomsuu,

Ghi rõ nguồn https://gomsuu.com khi copy hoặc trích dẫn bài viết.

Leave a comment

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *