VẬT LIỆU VÔ CƠ – CERAMIC (Cơ học ứng dụng)

CHƯƠNG 7. VẬT LIỆU VÔ CƠ – CERAMIC
7.1. Khái niệm:
7.2. Đặc điểm:
7.3. Cơ tính của vật liệu vơ cơ
7.4. Các loại vật liệu ceramic thơng dụng:

CHƯƠNG 7. VẬT LIỆU VƠ CƠ – CERAMIC

7.1. Khái niệm:
Ceramic là vật liệu vô cơ được chế tạo bằng cách dùng nguyên liệu ở
dạng hạt (bột ) ép thành hình và thiêu kết để tạo thành sản phẩm (luyện kim bột).
Sau khi thiêu kết vật liệu ceramic đã có ngay các cơ lý hóa tính cần thiết.
Vật liệu vô cơ được tạo thành từ các hợp chất hóa học của các nguyên tố kim
loại kết hợp với các nguyên tố không phải kim loại hoặc của các nguyên tố
không kim loại kết hợp với nhau.
Khoảng 75 % nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học
tham gia cấu tạo nên vật liệu vơ cơ. Các ngun tố chính và những khả năng kết
hợp giữa chúng để tạo nên vật liệu vô cơ được biểu diễn bằng sơ đồ trên hình
7.1
C

N

B

O

Me

Si

Hình 7.1 sơ đồ biểu diễn các nguyên tố hóa học và khả năng kết hợp giữa
chúng để tạo nên các vật liệu vơ cơ
Theo sơ đồ hình 7.1. một kim loại nào đó có thể kết hợp với bo tạo ra
borit, với các bon tạo ra cac bít với nito tạo ra nitrit, với oxyt tạo ra oxyt với
Silic tạo ra silixit.
Các dạng hợp chất hóa học thường gặp trong vật liệu vơ cơ là: đơn oxyt
kim loại ví dụ Al2O3 trong gốm cơrinđơng, đơn oxyt bán kim loại (ví dụ SiO 2
trong thủy tinh thạch anh, hỗn hợp nhiều oxyt kim loại (ví dụ như sứ, thủy tinh
silicat) các nguyên tố khơng phải là kim loại (ví dụ bo, cacbon).
Tùy theo mục đích của vật liệu vơ cơ có thể phân loại theo nhiều cách khác
nhau: Theo thành phần hóa học, cấu trúc, phương pháp công nghệ, lĩnh vực sử
dụng, nhưng ở đây cuốn sách này vật liệu vô cơ được phân chia theo đặc điểm
kết hợp và trình bày theo ba nhóm chính.
- Gốm và vật liệu chịu lửa
1


- Thủy tinh và gốm thủy tinh
- Ximang và bê tông

7.2. Đặc điểm:
Trong vật liệu ceramic bao giờ cũng tồn tại ba pha.
- Pha tinh thể ( pha hạt ) ở dạng hợp chất hóa học hay dung dịch rắn, là
pha chủ yếu quyết định các tính chất của vật liệu. Pha tinh thể thường dùng là: ô
xýt, nitrit, borit, cac bit hay kim loại nguyên chất.
- Pha thủy tinh (vơ định hình) lachất liên kết các hạt lại với nhau, chiếm tỷ
lệ từ 1 ÷ 40% thể tích
- Pha khí: do được chế tạo bằng luyện kim bột nên trong sản phẩm bao
giờ cũng có lỗ xốp nhất đinh, trong đó chứa các khí và tạo thành pha khí. Pha
này ảnh hưởng rất lớn đến một số tính chất của vật liệu ( độ bền kéo, uốn). Pha

khí thường gặp là các lỗ xốp hở. Nếu là các lỗ xốp kín sẽ làm giảm mạnh độ
bền.

7.3. Cơ tính của vật liệu vơ cơ
Do bản chất hóa học và cấu trúc quy định, vật liệu vơ cơ có các tính chất
chung đặc trưng là bền hóa học cao, bền nhiệt cao, cách nhiệt tốt và một số vật
liệu có các tính chất quang học đặc biệt. Đây là đặc điểm chủ yếu về tính chất
của vật liệu vơ cơ là cơ sở chính để lựa chọn sử dụng đối với phần lớn vật liệu
vô cơ.
Nhưng mặt khác cũng do cấu trúc quy định vật liệu vơ cơ nhìn chung có
độ bền cơ học thấp hơn so với vật liệu kim loại và có nhứng đặc điểm riêng cần
chú ý khi chế tạo và sử dụng vật liệu.
7.3.1. Tính đàn hồi và tính giịn.
Vật liệu vơ cơ là vật liệu đàn hồi điển hình. Ở nhiệt độ thường dưới tác
dụng của tải trọng, mối quan hệ giữa ứng suất hình thành trong vật liệu σ và độ
biến dạng ε của mẫu hồn tồn tn theo định luật hooke
Trong đó : E – modun đàn hồi
Trên hình 7.2. có thể so sánh mối quan hệ giữa σ và ε của vật liệu vô cơ
và vật liệu kim loại. Ta nhận thấy rằng ở trên giới hạn đàn hồi vật liệu vô cơ bị
phá hủy ngay mà khơng có biến dạng dẻo như kim loại đó là đặc trưng của tính
giịn.
Chính đặc điểm liên kết nguyên tử với các góc liên kết xác định và lực
liên kết lớn, cấu tạo mạng tinh thể phức tạp là những ngun nhân tạo nên tính
giịn của vật liệu vô cơ.

2


σσ

22
11

εε

Hình 7.2. Mối quan hệ giữa ứng suất và độ biến dạng
1 – Vật liệu vô cơ
2 – Kim loại
7.3.2. Độ bền cơ học.
Để đánh giá độ bền của vật liệu theo độ bền liên kết nguyên tử người ta
đưa ra khái niệm độ bền lý thuyết.
Độ bền lý thuyết của vật liệu σlt được xác định theo công thức Orowan:
Trong đó: E – modun đàn hồi
γ – năng lượng bề mặt riêng
a – Khoảng cách nguyên tử
Ví dụ σlt của gốm corinđông thiêu kết 50.103MPa của thủy tinh Silicat 8.
103MPa
Độ bền thực tế của vật liệu vô cơ thường có giá trị thấp hơn nhiều so với
giá trị lý thuyết. Ví dụ độ bền thực tế của thủy tinh chỉ bằng khoảng 1/100 độ
bền lý thuyết của nó.
Nguyên nhân chính làm giảm độ bền cơ học của vật liệu vơ cơ là sự có
mặt của các vết nứt tế vi với chiều dài trong khoảng 10 -3 đến 100µm. Theo
Griffith – Orawan do tồn tại các vết nứt tế vi khi vật liệu chịu tải trọng kéo với
ứng suất σ0 thì tại đỉnh của vết nứt có sẵn sẽ xuất hiện ứng suất σ được xác định
như sau:
Trong đó : l – chiều dài của vết nứt
r - bán kính cong tại đỉnh vết nứt
Như vậy cùng một tải trọng tác dụng, ứng suất σ sẽ càng lớn khi chiều dài
vết nứt càng lớn và bán kính cong tại đỉnh vét nứt càng nhỏ. Khi ứng suất này
vượt quá độ bền lý thuyết, vết nứt sẽ lan rộng và phá hủy vật liệu.

Cũng do cơ chế phá hủy trên vật liệu vơ cơ ln có độ bền nén cao hơn nhiều
lần so với độ bền kéo (khoảng 10 lần đối với vật liệu thủy tinh).
3


Để đánh giá dộ bền cơ học của vật liệu giòn người ta sử dụng độ dai phá
hủy KIC được xác định bởi biểu thức sau:
Trong đó : g – hệ số hình dạng của vật liệu và vết nứt
σ - ứng suất phá hủy
l – chiều dài vết nứt
Giá trị KIC của một số vật liệu vô cơ như sau:
Gốm Corinđông (Al2O3)
3.0 – 5.3 MPa.m1/2
Thủy tinh Silicat kiềm:
0.7 – 0.8 MPa.m1/2
Bê tông
0.2 – 1.4 MPa.m1/2
Như vậy yếu tố ảnh hưởng quyết định đến cơ tính của vaatjlieeuj vơ có là
tình trạng khuyết tật trong và trên bề mặt vật liệu. Khi sơ lượng vết nứt tế vi
tăng, kích thước vết nứt tăng thì cơ tính giảm mạnh. Ở các vật liệu vơ cơ tinh thể
kích thước của các hạt tinh thể cấu tạo nên vật liệu có ảnh hưởng rõ tới cơ tính
của vật liệu. Khi kích thước hạt càng giảm thì bề mặt ranh giới giữa các hạt tăng
lên, sẽ có tác dụng ngăn chặn hoặc làm thay đổi hướng lan truyền vết nứt, do
vậy đọ bền cơ học của vật liêu tăng lên.Khi hàm lượng các bọt khí trong vật liệu
tăng thì đọ bền giảm khơng chỉ do diện tích chịu lực giảm mà cịn do tại các rỗ
khí thường tập trung tạp chất và ứng suất. Hình dạng bọt khí cung ảnh hưởng tới
cơ tính, các bọt khí dài làm giảm độ bền mạnh hơn các bọt khí trịn. Độ bền của
vật liệu vơ cơ cịn phụ thuộc vào điều kiện và môi trường sử dụng .
7.3.3. Tính chất nhiệt của vật liệu vơ cơ.
Vật liệu vô cơ được sử dụng không chỉ ở nhiệt độ thường mà trong nhiều

trường hợp còn ở nhiệt độ cao. Do đó bên cạnh các tính chất cơ học, các tính
chất nhiệt như giãn nở nhiệt, dẫn nhiệt, truyền nhiệt bức xạ, độ bền xung nhiệt là
những tính chất quan trọng của vật liệu vô cơ
7.3.3.1. Giãn nở nhiệt.
Nguyên nhân giãn nở của vật liệu rắn dưới tác dụng của nhiệt độ là dao
động nhiệt phi điều hòa của các phần tử cấu tạo nên vật liệu. Mức độ của dao
động này phụ thuộc vào các yếu tố nguyên tử và các yếu tố tịnh thể học.
Để đánh giá mức độ giãn nở nhiệt của vật liệu vô cơ nguồi ta thường sử
dụng hệ số giãn nở nhiệt dài α.
Trong đó : l0 – độ dài ban đầu của mẫu
∆l – độ giãn dài của mẫu khi nhiệt độ tăng thêm ∆T độ
Người ta quan tâm đến hệ số giãn nở nhiệt thể tích β:
Giữa α và β có quan hệ gần đúng β ≈ 3α
Về lý thuyết khi nhiệt độ tăng thì hệ số giãn nở nhiệt tăng, và đến nhiệt độ
Debye sẽ trở nên khơng đổi, vì từ đây dao động nhiệt đã đạt tần số giới hạn.
Nhưng trong thực tế các mạng tinh thể đều có chứa khuyết tật nên hệ số giãn nở
nhiệt của vật liệu vô cơ không phải là hằng số trong mọi vùng nhiệt độ. Vì vậy
khi chỉ dẫn hệ số α của một vật liệu cụ thể cần nói rõ là ở nhiệt độ nào. Khi nhiệt
độ tiếp tục tăng quá một giới hạn nào đó vaatjlieeuj sẽ chuyển trạng thái từ rắn
4


sang mềm dẽ biến dạng dẻo. Lúc này vật liệu mất dần khả năng chịu tải va được
coi là bắt đầu bị phá hủy do nhiệt.
Số
TT

Vật liệu

1

2
3
4
5
6

SiO2 ( thạch anh)
3Al2O3. 2 SiO2
Al2O3. TiO2
ZrSiO4
CaCO3
C - graphit

α . 10 -7K-1
Vng góc với
Song song với
trục c
trục c
140
90
45
57
-26
115
37
62
- 60
250
10
270

Bảng 7.1. Hệ số giãn nở nhiệt dài α của một số vật liệu vô cơ tinh thể theo
các chiều trục khác nhau
Đối với các vật liệu vơ cơ vơ định hình do cáo cấu trúc hồn tồn đẳng
hướng nên hệ số giãn nở nhiệt khơng đổi theo mọi phương khảo sát. Đối với vật
liệu thủy tinh hệ số α phụ thuộc vào thành phần hóa học, độ bền liên kết và đặc
trưng cấu trúc của thủy tinh đó. Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu đa pha phụ
thuộc vào hệ số giãn nở nhiệt của các pha thành phần. Một vật liệu gốm cấu tạo
từ n pha có hệ số giãn nở nhiệt xác định theo cơng thức:
Trong đó: Ki - modun đàn hồi
Ci – hàm lượng phần trăm
ρi – Khối lượng riêng của pha thứ I trong vật liệu đa pha
7.3.3.2. Dẫn nhiệt
Khả năng dẫn nhiệt của vật liệu được thể hiện qua hệ số dẫn nhiệt λ thứ nguyên
W/ (m.K) trong biểu thức sau:
Trong đó: dQ – nhiệt lượng truyền qua tiết diện F của khối vật liệu trong thời
gian dt với gradient nhiệt độ dT/ dx theo phương x vng góc với F.
Dẫn nhiệt trong các vật liệu rắn được thực hiện nhờ các điện tử tự do và
sự dao động của mạng lưới cấu trúc. Vật liệu kim loại có khả năng dẫn nhiệt cao
là nhờ các điện tử tự do của nó, cịn trong vật liệu vơ cơ sự trao đổi nhiệt xảy ra
chủ yếu là do dao động phi điều hòa của các nguyên tử cấu tạo nên mạng lưới
theo quan điểm lượng tử chính là nhờ các lượng tử của sóng mạng lưới gọi là
các phonon. Theo thuyết phonon hệ số dẫn nhiệt λ của vật liệu được xác định
như sau:
Trong đó: c – nhiệt dung của vật liệu
V – tốc độ của phonon
l – quãng đường tự do của phonon
Hệ số dẫn nhiệt là đại lượng phụ thuộc vào nhiệt độ. Quy luật phụ thuộc
này không giống nhau ở vật liệu tinh thể và vật liệu vơ định hình.
5

Xét ảnh hưởng của nhiệt độ đến các yếu tố quyết định hệ số dẫn nhiệt của
vật liệu tịnh thể như đã nêu trong biểu thức của λ, ta thấy khi nhiệt độ tăng thì
nhiệt dung c tăng đến nhiệt độ Debye c trở nên không đổi, trong khi độ dài
quãng đường tự do của phonon l và tốc độ truyền sóng mạng lưới v lại giảm do
độ phi điều hòa của dao động mạng tăng. Ở nhiệt độ thấp các phonon có bước
sóng tương đối lớn và ít bị nhiễu. Khi nhiệt độ tăng thì mật độ phonon tăng gây
cản trở lẫn nhau, làm giảm l và v. Đến một nhiệt độ xác định l sẽ giảm tới cỡ
hằng số mạng và không giảm thêm nữa, mặt khác c đã không đổi nên hệ số dẫn
nhiệt λ trở nên khơng đổi. Tóm lại các vật liệu tinh thể có hệ số dẫn nhiệt giảm
dần theo nhiệt độ nhưng với tốc độ khơng đều. xem hình 7.3
Đối với các vật liệu vơ cơ định hình như thủy tinh, do cấu trúc chỉ có trật
tự gần của các khối đa diện phối trí cơ bản, khơng có trật tự xa, nên độ dài
quãng đường tự do cxuar phonon rất bị hạn chế, chỉ ở cỡ khoảng cách nguyên
tử. Do đó so với vật liệu vô cơ tinh thể vật liệu thủy tinh có độ dẫn nhiệt thấp
hơn và có hệ số nhiệt dương, tức khi nhiệt độ tăng thì hệ số dẫn nhiệt sẽ tăng
một ít do khoảng cách nguyên tử tăng lên. Cần chú ý thêm rằng khả năng truyền
nhiệt nói chung của vật liệu thủy tinh cịn phụ thuộc vào thành phần truyền nhiệt
bức xạ của nó.
Khả năng dẫn nhiệt của vật liệu vô cơ đa pha, đa tinh thể phụ thuộc rất lớn
vào đặc điểm tổ chức của nó. Các yếu tố chính làm giảm độ dẫn nhiệt của vât
liệu này là: ranh giới giữa các hạt, khuyết tật mạng và tạp chất.
Sự có mặt của lỗ xốp trong vật liệu vơ cơ có ảnh hưởng rất lớn đến độ dẫn nhiệt
của vật liệu. Khơng khí bị giam trong các lỗ xốp có khả năng dẫn nhiệt kém ở
nhiệt độ thấp nên làm giảm mạnh độ dẫn nhiệt của toàn vật liệu.

,W/mK
1
2

102

3

4

10

5

400

800 6

1200

0C


Hình 7.3.Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt  vào nhiệt độ của một số vật
liệu vô cơ tinh thể 1 – Graphit; 2 – SiC;
3- BeO; 4- Al2O3;
Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu vơ cơ có chứa lỗ xốp có thể xác định theo
biểu thức.
Trong đó: n = r/k
r và k hệ số dẫn nhiệt của pha rắn và pha khí
Vk – phần trăm thể tích của pha khí
Hầu hết các vật liệu cách nhiệt sử dụng trong kỹ thuật là các vật liệu xốp. Do tỷ
lệ lỗ xốp trong vật liệu lớn nên vật liệu có hệ số dẫn nhiệt rất nhỏ. Tuy nhiên khi

nhiệt độ tăng cao thì khả năng dẫn nhiệt của vật liệu này sẽ tăng do thành phần
truyền nhiệt bức xạ của lỗ xốp tăng.
7.3.3.3. Độ bền xung nhiệt
Phần lớn các vật liệu vơ cơ có độ dẫn nhiệt tương đối thấp nên khi nhiệt
độ mơi trường thay đổi thì nhiệt độ trong vật liệu được cân bằng một cách chậm
chạp. Trong quá trình này tại các vùng nhiệt độ khác nhau có sự giãn nở nhiệt
khác nhau dẫn tới hình thành ứng suất phân bố không đều trong khối vật liệu.
Nếu ứng suất này vượt quá giới hạn bền kéo hoặc bền nén của vật liệu thì nó sẽ
bị phá hủy. Khả năng bền vững cơ học của vật liệu vô cơ dưới tác dụng nhiệt độ
thay đổi đột ngột được gọi là độ bền xung nhiệt, xác định bằng khoảng chênh
lệch nhiệt độ ∆T lớn nhất hoặc số lần thay đổi nhiệt độ đột ngột theo các điều
kiện quy định về tốc độ và khoảng nhiệt độ thay đổi, kích thước mẫu,… mà vật
liệu chưa bị phá hủy. Độ bền xung nhiệt của vật liệu vô cơ phụ thuộc phức tạp
vào nhiều yếu tố khác nhau như độ dẫn nhiệt, độ bền cơ học, tổ chức vi mô và vĩ
mơ của vật liệu, điều kiện đo đạc, hình dáng và kích thước mẫu thử.
Để đánh giá một cách tương đối độ bền xung nhiệt của vật liệu vô cơ, người
ta đưa ra các cơng thức tính tốn dựa trên mối quan hệ của nó với các yếu tố ảnh
hưởng quan trọng nhất.
Độ bền xung nhiệt của vật liệu thủy tinh có thể được tính theo Bartenev
Trong đó: σub – giới hạn bền uốn của vật liệu
µ - hệ số poisson
α – hệ số giãn nở nhiệt dài
E – modun đàn hồi của vật liệu
Đối với vật liệu gốm có thể ứng dụng công thức của Haase
7.3.4. Nhược điểm của Ceramic
Nhược điểm quan trọng nhất làm hạn chế sử dụng rộng rãi của Ceramic là cơ
tính của kém vật liệu kim loại mà chủ yếu là do dễ dẫn đến phá hủy giòn một
cách nguy hiểm với năng lượng hấp thụ rất thấp
7

a. Phá hủy giòn trong Ceramic
Ở nhiệt độ thường, dưới tác dụng của tải trọng kéo cả ceramic tinh thể lẫn
vơ định hình thường bị phá hủy giịn mà khơng xảy ra bất kỳ biến dạng dẻo nào
trước đó mà nguyên nhân chủ yếu do nứt (đặc biệt là nứt trên bề mặt), rỗng với
số lượng lớn là đặc thù của ceramic không những từ cấu trúc tinh thể mà cịn từ
cơng nghệ chế tạo. Ceramic có giá trị KIC rất nhỏ< 5MPa.m1/2so với vật liệu kim
loại (30 – 100MPa.m1/2). Sự phá hủy của Ceramic xảy ra bằng cách phát triển từ
từ của vết nứt khi ứng suất là tĩnh và giá trị vế phải của biểu thức
Chưa đạt đến KIC. Hiện tượng này được gọi là mỏi tĩnh hay phá hủy chậm.
Dạng phá hủy này đặc biệt nhạy cảm với điều kiện của mơi trường, nhất là khi
có hơi nước trong khí quyển. Q trình ăn mịn dưới ứng suất xảy ra ở đỉnh vết
nứt do có sự kết hợp giữa ứng suất kéo đặt vào và sự hòa tan vật liệu (do ăn
mòn) làm cho nứt bị nhọn và dài ra cho đến khi có đủ kích thước để phát triển
nhanh.
Trong trường hợp chịu ứng suất nén, không có tập trung ứng suất do có nứt
chính vì vậy ceramic có độ bền ở trạng thái nén cao hơn kéo và thường được
dùng trong điều kiện tải trọng nén. Độ bền phá hủy của Ceramic giòn được cải
thiện nhiều nếu trên bề mặt nó có ứng suất nén dư được thực hiện bằng cách tôi.
b. Biểu đồ ứng suất – biến dạng và modun phá hủy
Do khó chế tạo mẫu kéo và sự khác nhau quá nhiều giữa kéo và nén nên
người ta không tiến hành thử kéo mà thử uốn ngang.
Modun phá hủy hay giới hạn bền uốn là ứng suất lớn nhấ hay ứng suất khi
phá hủy trong thử uốn là chỉ tiêu cơ tính quan trọng đối với ceramic giòn. Giá trị
của modun phá hủy là luôn luôn lớn hơn giới hạn bền kéo. Phần đàn hồi trên
biểu đồ ứng suất – biến dạng khi thử uốn ngang của Ceramic cũng như khi thử
kéo cho kim loại với quan hệ đường thẳng bậc nhất, tỷ lệ giữa ứng suất và biến
dạng. Hình 7.4. trình bày biểu đồ này của hai ceramic điển hình là oxyt nhơm và
thủy tinh
40

ứng suất (Psi x 103)

250
0
200

20

150
0
100

10
50

Thủy tinh
0

0.0004
Biến dạng

0.0008
8

0.0012

ứng suất (MPa)

Ô xyt nhôm

30


Hình 7. 4. Biểu đồ ứng suất biến dạng khi thử uốn ngang cho alumin và
thủy tinh

7.4. Các loại vật liệu ceramic thông dụng:
7.4.1. Gốm.
7.4.1.1. Bản chất và phân loại
Gốm là loại vật liệu nhân tạo có sớm nhất trong lịch sử loài người. Khái
niệm gốm (Ceramic) khởi đầu được dùng để chỉ vật liệu chế tạo từ đất sét, cao
lanh ( gốm đất nung). Sau này khái niệm về gốm được mở rộng và bao gồm
thêm đồ sứ, các vật liệu trên cơ sở oxyt. (ví dụ gốm Al 2O3) và các vật liệu vô cơ
không phải oxyt ( ví dụ SiC).
Khái niệm gốm có liên quan đến hai nội dung: Phương pháp công nghệ và đặc
điểm tổ chức.
+ Phương pháp cơng nghệ gốm điển hình là phương pháp thiêu kết bột khi
tạo hình ngun liệu dạng bột có liên kết tạm thời, sau đó được nung lên nhiệt
độ cao để liên kết khối.
+ Tổ chức điển hình của gốm là đa pha. Vì hai pha chính tạo nên gốm là pha
tinh thể và pha vơ định hình, trong đó pha vơ định hình phân bố xen giữa các
vùng pha tinh thể và gắn kết chúng lại với nhau. Tỷ lệ giữa hai pha này trong các
sản phẩm sẽ khác nhau.
7.4.1.2. Gốm oxyt
Gốm oxyt là gốm có thành phần hóa học là một đơn ơ xyt (Al 2O3 hoặc TiO2)
hoặc một oxyt phức xác định (ví dụ MgO. Al2O3.BaO. TiO2)
Gốm oxyt có độ tinh khiết hóa học cao hơn hẳn một số loại gốm khác (tỷ lệ tạp
chất rất thấp) và tỷ lệ pha tinh thể cũng cao hơn hẳn (tỷ lệ pha vơ định hình rất
thấp). Gốm oxyt tạo ra các vật liệu kỹ thuất có độ bền nhiệt và độ bền cơ học rất

cao, có các tính chất điện và từ đặc biệt.
a. Gốm oxyt trên cơ sở các oxyt có nhiệt độ nóng chảy cao.
Gốm oxyt có cấu trúc trên cơ sở các oxyt có nhiệt độ nóng chảy có tiêu
biểu là
MgO, Al2O3, ZrO2 và MgO. Al2O3
Khác với các vật liệu chịu lửa có thành phân fhoas học tương tự được chế tạo
theo công nghệ gốm thơ và có cấu trúc gốm thơ, các gốm oxyt có độ tinh khiết
cao hơn (98%) được chế tạo theo cơng nghệ gốm tinh, thiêu kết ở nhiệt độ cao,
có tổ chức tinh mịn và hầu như toàn bộ tổ chức là một pha.
Tính chất của một số loại gốm trên cơ sở oxyt có nhiệt độ nóng chảy cao được
trình bày ở bảng 7.2.
Các vật liệu gốm oxyt có nhiều ứng dụng quan trọng trong kỹ thuật
- Gốm Corinđông (α- Al2O3) với độ bền cơ, bền nhiệt (bảng 7.2) và bền
hóa rất cao là một vật liệu quan trọng và đa năng nhất trong các loại gốm oxyt.
Nó được sử dụng làm vật liệu kết cấu cho các thiết bị làm việc ở nhiệt dộ công
nghiệp cao nhất, làm chén và nồi nấu kim loại và thủy tinh, chi tiết máy cho
công nghiệp dệt, vật liệu cho công nghiệp điện, điện tử, vật liệu y tế. Với độ
cứng tế vi 20000MPa nó được sử dụng làm vật liệu cắt gọt, hạt mài.
9


- Gốm Pericla (MgO) có tính năng nổi bật là nhiệt độ sử dụng rất cao và
điện trở ở nhiệt độ cao rất lớn ( bảng 7.2). Gốm Pericla là vật liệu kiềm tính, mơi
trường khí và
Chất nóng chảy có tính axit phá hoại mạnh gốm Pericla ở nhiệt độ cao. Gốm
Pericla được sử dụng làm chén, nồi nấu kim loại, nó cũng bền với các muối
clorit và florit nóng chảy.
- Gốm Ziecona (ZrO2) là vật liệu có đồng thời nhiều tính năng quý như độ
bền cơ học cao, nhiệt độ sử dụng cao, giãn nở nhiệt ít, dẫn nhiệt kém ( bảng 7.2)
và bền hóa cao được sử dụng làm việc ở nhiệt độ cao, bền xâm thực.

- Gốm Spinel (MgO. Al2O3) có độ bền và bền nhiệt rất cao ( bảng 7.2)
được sử dụng làm vật liệu kết cấu làm việc ở nhiệt độ cao, bền với môi trường
kiềm.

10


Số
TT
1
2
3
4
5
6
7

Tính chất
Khối lượng
riêng
Modun đàn
hồi E
Giới hạn bền
nén
Giới hạn bền
uốn
Hệ số giãn
nở nhiệt
Hệ số dẫn
nhiệt

Nhiệt độ sử
dụng

Thứ
nguyên

Gốm
Corinđông
(α– Al2O3)

Gốm
Pericla
(MgO)

Gốm
Ziecona
(ZrO2)

Gốm
Spinel
(MgO.
Al2O3)

G/cm3

4.0

3.6

5.6

3.3

103MPa

400

350

200

3.3

MPa

2000 –
3000

800 – 1400

800- 1600

2000

MPa

250 – 400

160

200

180

10-7/K

100

150

20

60

W/m.K

12

40

2

6

1900

2400

2300

1950

0

C

Bảng 7.2. Tính chất của một số gốm oxyt
b. Gốm trên cơ sở TiO2
Gốm rutil TiO2, gốm titanat (magie, bari, chì, kẽm, lantan) và gốm PTZ (hệ
PbO – TiO2 – ZrO2) có các tính chất điện đặc biệt ( điện môi, sắt từ, áp điện)
được sử dụng làm vật liệu kỹ thuật điện. Tính chất của một số gốm được trình
bày ở bảng 7.3
Gốm rutil TiO2 có hằng số điện môi lớn và tổn thất điện môi nhỏ bảng 7.3
được sử dụng làm vật liệu tụ điện. Nhược điểm của Gốm rutil TiO 2 là hệ số nhiệt
dộ của hằng số điện mơi mang dấu âm và có trị số lớn, có nghĩa khi nhiệt độ
tăng thì ε giảm mạnh. Để điều chỉnh hệ số này chuyển nó thành dương người ta
đưa thêm vào thành phần gốm rutil TiO2 một số loại oxyt như MgO, ZrO2, CeO2,
SnO2, La2O3. Riêng ZrO2 hoặc MgO. ZrO2 cịn có thể làm giảm sự thay đổi của
tổn thất điện môi theo tần số và nhiệt độ.
Gốm titanat magie (2MgO. TiO 2)hoặc MgO. TiO2 có hằng số điện mơi tương
đối thấp nhưng hệ số nhiệt độ của ε và tổn thất điện môi bé. Tổn thất điện môi
nhỏ là yêu cầu quan trọng kỹ thuật tần số cao.
Gốm titanat bari (BaO.TiO2) có hằng số điện môi đặc biệt lớn, hệ số nhiệt độ
và tổn thất điện môi cũng lớn. Các vật liệu với hằng số điện mơi lớn thường có
hiện tượng lão hóa nhanh, do đó hằng số điện mơi và tổn thất điện mơi giảm
theo thời gian (hằng số điện mơi ε có thể giảm đến 20%). Gốm titanat bari
(BaO.TiO2) có tính áp điện nên có thể thay thạch anh làm vật liệu áp điện.
Gốm thuộc hệ PbO. TiO2- PbO.ZrO2 và có bổ sung các oxyt khác như MgO,
NiO, CuO, ZnO, Nb2O3, Sb2O3 có các tính chất điện mơi và áp điện được điều

11


chỉnh và cải thiện hơn so với gốm TiO2 và titanat thuần. Nó được sử dụng ngày
càng nhiều trong thực tế.
7.4.1.3. Vật liêu vô cơ tinh thể không phải là oxyt
Thuộc nhóm này gồm các vật liệu trên cơ sở các đơn nguyên tố (Ge, Si, B, C)
và
Các hợp chất không chứa oxy (giữa Si, B, C, N với nhau và với kim loại chuyển
tiếp). So với gốm oxyt vật liệu vơ cơ khơng phải oxyt địi hỏi điền kiện cơng
nghệ chế tạo khó khăn hơn. Chúng được chế tạo không chỉ théo phương pháp
gốm ( thiêu kết bột ) mà cịn theo nhiều phương pháp khác như hóa học, vật lý...
a.Vật liệu đơn nguyên tố
Gecmani (Ge), Silic (Si) là các chất bán dẫn quen thuộc trong kỹ thuật
điện và điện tử. Bo (B) ở dạng tinh thể có nhiệt độ nóng chảy cao (2300 0C), độ
cứng rất cao ( độ cứng tế vi đạt 20000MPa). Bo ở dạng sợi được sử dụng làm
cốt liệu cho vật liệu compozit. Bo đồng vị 10 là vật liệu chế tạo thanh bảo hiểm
cho lò phản ứng hạt nhân.
Vật liệu đơn nguyên tố quan trọng nhất là cacbon C ở các dạng cấu trúc
kim cương, graphit, cacbon thủy tinh. Giản đồ trạng thái của cacbon được trình
bày trên hình 7.5
Kim cương là một dạng thù hình của cacbon bền vững ở áp suất và nhiệt
độ cao. Tạo điều kiện nhiệt động thích hợp cho sự hình thành kim cương là
nhiệm vụ kỹ thuật khó khăn. Người ta dùng phương pháp nổ tạo sóng áp lực cao
để chế tạo các hạt kim cương nhỏ từ nguyên liệu bột graphit. Kim cương có độ
cứng đứng đầu trong thang độ cứng vật liệu ( độ cứng tế vi 100000MPa) ở
8000C trong khơng khí kim cương bắt đầu bị cháy.
Ứng dụng của kim cương trong công nghiệp là chế tạo dụng cụ cắt gọt và
hạt mài.
Graphit là dạng thù hình bền nhất của các bon. Nó có cấu trúc lục giác lớp ,

ngời ta phân biệt các loại graphit khác nhau.
- Graphit thiên nhiên thường lẫn nhiều tạp chất có thể ở dạng tinh thể thơ
hoặc mịn
- Graphit điện chế tạo từ cốc dầu mỏ ở nhiệt độ 2800 – 3000 0C bằng năng
lượng dòng điện trực tiếp có độ cứng và độ bền cao hơn graphit thiên nhiên.
- Graphit tinh thể mịn (bồ hóng)
- Graphit nhiệt phân nhận được bằng phương pháp nhiệt luyện khí
hydrocacbon như etan, metan,... rồi cho ngưng tụ kết tinh trên một vật liệu đế.

12


Lỏng

kim cương

Áp suất , bar

10
4
Graphit
10
2
khí

2000

4000

Nhiệt độ,K

Hình 7.5. Giản đồ trạng thái của cacsbon trong hệ tọa độ áp suất – nhiệt độ.
- Các bon thủy tinh được chế tạo từ q trình nhiệt phân một hợp chất hữu cơ
thích hợp. Ví dụ xenlulo theo một quy trình đặc biệt, sản phẩm nhiệt phân ở
dạng sợi tiếp tục được thiêu kết dưới áp lực cao và nhiệt độ khoảng 3000 0C các
bon thủy tinh có cấu trúc sít chặt hơn graphit và có độ bền oxy hóa rất cao.
Graphit và các bon thủy tinh có nhiệt độ nóng chảy rất cao, có độ bền cơ học
cao ở nhiệt độ cao, khơng thấm ướt nhiều chất nóng chảy dẫn điện, dẫn nhiệt tốt
nên được sử dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật như vật liệu chịu lửa, điện cực
lò hồ quang, chổi than , thiết bị hóa học nhiệt độ cao, bộ hãm notron trong lò
phản ứng hạt nhân, vật liệu kỹ thuật vũ trụ, vật liệu y tế...Vật liệu compozit sợi
cacbon nền polyme hoặc kim loại sử dụng trong công nghiệp hàng không, tên
lửa, chế tạo máy. Sợi cacbon cũng được dùng làm cốt liệu tăng bền cho chính
vật liệu cac bon thủy tinh tạo ra vật liệu compozit sợi cacbon.
T
T
1
2
3

Tính chất
Khối lượng
riêng
Nhiệt độ nóng
chảy
Modun đàn hồi
E

Thứ
nguyên

Kim
cương

graphit

Cacbon
thủy tinh

Sợi
cacbon

G/cm3

2,26

1,4 -2.0

1,5 -1.6

1.8

C

4100

3750

2500

-

MPa

1200

115

200

500

o

Bảng 7.3. Một số tính chất của vật liêu cacbon
b. Vật liệu vô cơ trên cơ sở các hợp chất không chứa oxy
13


Các hợp chất của Si, B, C và N với nhau ( ví dụ SiC, B 4C, Si3N4, BN) và
với kim loại chuyển tiếp thuộc các nhóm phụ IV B và VI B của bảng tuần hoàn
các nguyên tố ( chủ yếu là các bit và silixit) có những tính chất cơ và nhiệt đặc
biệt. Chúng là cơ sở của một loạt các vật liệu cứng trong kỹ thuật.
- Silic cacbit SiC: có độ cứng và khả năng chịu nhiệt rất cao, có tính bán
dẫn. SiC cùng với Al2O3 là các vật liệu gốm cứng nhân tạo quan trọng nhất trong
công nghiệp. SiC thường được chế tạo từ thạch anh và than trong lò điện hồ
quang, ứng dụng của SiC là vật liệu chịu lửa, hạt mài, đá mài (với các chất liên
kết là gốm silicat, thủy tinh, nhựa fenol),vật liệu bán dẫn. Vật liệu SiC dạng khối
với hơn 95% SiC chế tạo bằng phương pháp thiêu kết dưới áp lực hoặc thiêu kết
phản ứng (ví dụ thiêu kết hỗn hợp SiC – Si trong mơi trường khí CO hoặc hỗn

hợp SiC –C trong mơi trường khí Si) là vật liệu kết cấu có nhiều triển vọng ứng
dụng trong kỹ thuật tc bin khí. Vật liệu SiC thiêu kết với hàm lượng nhỏ SiO 2
được sử dụng làm thanh điện trở cho các lò điện với nhiệt độ làm việc nhỏ hơn
15700C là loại cốt liệu quý cho vật liệu compozit.
Tính chất

Thứ
ngu
n

SiC

1

Khối lượng
riêng

G/cm3

3.2

2

Nhiệt độ
nóng chảy

3

Modun đàn
hồi E

103
MPa

4

Điện trở suất

Ωcm

5

Độ cứng tế vi

MPa

T
T

o

C

2300
phân
hủy
410 –
480
10 105
40000

B4C

BN sáu
phương

BN lập
phươn
g

Si3N4

2.5

2.35

3.5

3.2

2480

3000

450

40 – 90

102 104
70000

3000

109

1015

-

90000

1900
thăng
hoa
220 –
360
109 1013
33000

Bảng 7.4. Tính chất của một số vật liệu vơ cơ khơng phải oxyt
- Cácbít Bo (B4C:có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng rất cao, tương đối
nhẹ, độ bền cơ và hóa cao ở bảng 7.4. nó được sử dụng làm hạt mài, vật liệu
chịu mài mòn và vật liêu hấp thụ trong, kỹ thuật hạt nhân.
- Silic nitrit Si3N4: có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng cao, khả năng cách
điện cao (bảng 7.4) và bền oxy hóa đến 14000C, bền đối với axit, kiềm và kim
loại nóng chảy. Tuy nhiên nó bị kiềm nóng ăn mịn và bị oxy hóa trong khí oxy
ở nhiệt độ cao tạo ra lớp SiO2 trên bề mặt.
Vật liệu Si3N4 dạng khối được chế tạo bằng phương pháp thiêu kết áp lực hoặc
thiêu kết phản ứng (nitrit hóa bột silic ở nhiệt độ cao). Vật liệu Si 3N4 được sử
dụng làm chén nấu, vịi đốt, khn ép nóng, một số chi tiết kết cấu trong chế tạo

máy và tc bin khí. Si3N4 cũng được chế tạo ở dạng sợi mảnh như sợi SiC và
còn dùng làm lớp phủ bảo vệ chống mài mòn cho các loại vật liệu khác.
- Bo nitrit BN có ba dạng thù hình, trong đó đáng lưu ý nhất là hai dạng
thù hình sáu phương (kiểu graphit) và lập phương (kiểu kim cương).
14


BN sáu phương có độ cứng thấp, bền với các chất nóng chảy xâm thực, khó
thấm ướt và khó bị oxy hóa, có khả năng cách điện cao. Nó được sử dụng làm
vật liệu kỹ thuật nhiệt độ cao, nồi chén nấu, chất điện môi và vật liệu hấp thụ
trong kỹ thuật hạt nhân.
BN lập phương được tổng hợp ở nhiệt độ và áp suất cao, có độ cứng cao như
kim cương, bền hóa cao, bền oxy hóa cao đến 20000C, khả năng cách điện cao.
Nó được sử dụng chủ yếu làm vật liệu cắt gọt, BN dạng sợi dùng để chế tạo
quần áo bảo vệ, nỉ, vải lọc, vật liệu cách điện, vật liệu kỹ thuật tên lửa và vũ trụ.
Một số cacbit của các kim loại chuyển tiếp như TiC, VC, Cr 3C2, ZrC, NbC,
Mo2C, TaC, WC... có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng rất cao (bảng 7.5 ). Chúng
được sử dụng kết hợp với kim loại (ví dụ Co, Ni, Fe với tỷ lệ bé hơn 20% ) để
chế tạo các hợp kim cứng bằng phương pháp thiêu kết, dùng làm dụng cụ cắt gọt
các chi tiết mài mịn cao. Ngồi ra các loại cacbit trên cũng được dùng để phủ
lên các vật liệu khác, tạo lớp bảo vệ chống mài mịn.
Tính chất
TC, 0C
HV, MPa

TiC
3140
3200
0

VC
2830
2950
0

Cr3C2
1895
22800

ZrC
3530
2560
0

NbC
3500
2400
0

Mo2C
2400
1950
0

TaC
3780
1790
0

WC

2600
2180
0

Bảng 7.5. Nhiệt độ nóng chảy Tc và độ cứng vicke HV của một số các bít
7.4.2. Ceramic xốp làm tấm lọc:
Thơng dụng nhất là loại ceramic xốp với hạt hình cầu, có độ xốp 30 ÷ 40
% có khả năng lọc các tạp chất cỡ hạt đến 10µm.Nếu dùng loại hạt khơng phải
hình cầu độ xốp đạt được 60 ÷ 70% lc c tp cht 1 ữ 2 àm.
Cụng dng:
- Cỏc lọc trên cơ sở brong: lọc nhiên liệu lỏng, dầu, khơng khí, nước.
- Các lọc bằng thép khơng gỉ: lọc khí lị cao, khơng khí, axit, kiềm.
- Các lọc bằng titan: Nước cường toan, các khí cháy.
- Các lọc bằng tantan: lọc axit sunphuric, nitrit, clohydrit.
7.4.3. Ceramic xốp công dụng đặc biệt:
Là Ceramic trên cơ sở bột thép không gỉ Cr12Ni9 và các hợp kim trên cơ
sở Ni, Co, W, Mo dùng để chống đóng băng trên đi và cánh của máy bay. Do
vậy làm tăng thêm công suất động cơ từ 0,5 ÷ 1,5%.
7.4.4. Ceramic xốp chống ma sát:
Các ổ trượt chế tạo từ ceramic xốp rẻ tiền hơn các loại babit. Đặc điểm
của Ceramic xốp chống ma sát là do có các lỗ xốp (20 ÷ 35% thể tích) chứa dầu
bơi trơn, ổn định trong suốt q trình làm viêc. Với áp lực khơng lớn và tốc độ
vịng nhỏ, dầu chứa trong các lỗ xốp đủ đảm bảo cho máy làm việc lâu dài mà
không cần cho thêm dầu mỡ. Công dụng sử dụng chủ yếu trong công nghiệp dệt
và thực phẩm. Gồm có các loại sau:
- Hợp kim trên cơ sở sắt ( bạc sắt xốp): Chủ yếu dùng bột sắt, trộn thêm 0,3 ÷
3% graphit ngồi ra có thể cho thêm. Bột canxi (2,5 ÷ 10%) hay lưu huỳnh (0,8
÷ 1%), 4% ZnS hay 3,5% CuS. Sau khi thiêu kết xong đem ngâm trong dầu
nóng với thời gian từ 40 ÷ 90 giờ tùy theo yêu cầu độ ngấm dầu.
15

- Hợp kim trên cơ sở đồng (đồng thanh ). Thường dùng hợp kim Cu – Sn, Cu –
Sn – Pb- Zn. Phổ biến nhất là loại hợp kim Cu – Sn dùng 90% bột đồng trộn với
10% bột thiếc, cho thêm 1 ÷ 3% graphit để gảm ma sát.
- Vật liệu xốp kim loại – Chất dẻo: fro, teflon, fluoran lên bề mặt các ổ trượt
bằng Latong, thép không gỉ...
Công dụng: làm ổ trượt không cần bôi trơn trong mơi trường khơng khí, nước,
xăng dầu, một số loại axit.
7.4.5. Vật liệu ceramic đặc:
Loại vật liệu này có mật độ cao và độ bền cao gần xấp xỉ vật liệu rèn, đúc.
Ưu điểm: Nổi bật của nó là có thể sản xuất hàng loạt các chi tiết phức tạp, có
dung sai nhỏ và khơng cần gia cơng tiếp sau đó.
Cơng dụng: chế tạo bánh răng, cam, bánh cóc, vịng bi, mâm bơm cánh quạt, đai
ốc đặc biệt...
Gồm các loại sau:
- Vật liệu trên cơ sở sắt: Dùng bột sắt thuần túy hay hợp kim sắt các bon,
pha thêm các nguyên tố Cu, Ni, Cr, P. Thông dụng nhất hiện nay là hợp kim Fe –
Cu, Fe – Ni, khơng có cacsbon.
- Vật liệu trên cơ sở kim loại màu: Ceramic trên cơ sở kim loại màu thông
dụng nhất là trên cơ sở Cu – Al. Được sử dụng trong các lĩnh vực đặc biệt
- Vật liệu trên cơ sở bột đồng: dùng bột đồng hay latong, brong có thêm
Li, Zn
Cơng dụng: làm các chổi điện, tiếp điểm, màng lọc, chi tiết chịu ma sát và chống
mài mòn.

16