Nghiên cứu nâng cao độ bền cơ, độ bền nhiệt cho gốm sứ gia dụng

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

LỜI CẢM ƠN
Sau hơn 3 tháng làm việc chúng em với sự lỗ lực của bản thân, cùng
với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn, các anh chị ở Viện nghiên
cứu sành sứ thủy tinh công nghiệp, các bạn trong lớp, sự động viên của gia
đình và người thân chúng em đã hồn thành được đề tài tốt nghiệp của mình.
Trong qúa trình làm đề tài chúng em còn nhiều điều chưa đạt được như mong
muốn. Chúng em kính mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô, các
anh chị và các bạn để đề tài sẽ hoàn thiện hơn. Với mong muốn đề tài sau này
sẽ được hồn thiện có sản phẩm ứng dụng vào trong đời sống.
Một lần nữa, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy
NGUYỄN THÀNH ĐƠNG, anh NGUYỄN TIẾN ĐIỆP - phó viên trưởng
Viện nghiên cứu sành sứ và thủy tinh công nghiệp, đã trực tiếp hướng dẫn và
chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình làm đề tài. Chúng em cũng xin cảm ơn
các thầy cô trong bộ môn, các anh chị viện nghiên cứu đã tạo mọi điều kiện
tốt nhất cho chúng em trong quá trình làm đề tài. Cuối cùng, lời cảm ơn mà
chúng em muốn gửi tới đó chính là gia đình chúng em, người thân của chúng
em đã giúp đỡ và động viên chúng em trong những năm tháng học đại học để
chúng em có được kết quả như ngày hôm nay.
Xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Sơn Tùng
Nguyễn Đại Binh

1


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

MỤC LỤC
Trang

LỜI CẢM ƠN....................................................................1
MỤC LỤC..........................................................................................................................2

PHẦN MỞ ĐẦU................................................................4
PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT........6
1.1. Giới thiệu công nghệ sản xuất sứ gia dụng........................................6
1.2. Độ bền cơ học và các yếu tố ảnh hưởng.............................................8
1.2.1. Biến dạng đàn hồi của vật liệu gốm..............................................8
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cơ của vật liệu gốm................8
1.3. Độ bền nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng..............................................10
1.3.1. Khái niệm......................................................................................10
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng..................................................................10
1.4. Các phương pháp làm tăng độ bền cơ, bền nhiệt............................11
1.4.1. Tăng độ bền cơ.............................................................................11
1.4.2. Tăng độ bền nhiệt.........................................................................12
1.5. Men và tính chất của men..................................................................12
1.5.1. Khái niệm......................................................................................12
1.5.2. Tính chất của men........................................................................13
1.6. Đặc điểm của một số hệ vật liệu gốm bền sốc nhiệt, bền cơ...........15
1.6.1. Hệ vật liệu bền nhiệt cordierit
Mg2Al4Si5O18(2MgO.2Al2O3.5SiO2)........................................................15
1.6.2. Hệ vật liệu Mullit (3Al2O3.2SiO2).................................................15
1.6.3. Hệ vật liệu Corindon, corindon-Mullit........................................16
1.6.4. Hệ vật liệu zirconia ổn định ZrO2................................................17

1.6.5. Hệ thủy tinh bền nhiệt thạch anh SiO2.......................................17
1.7. Định hướng nghiên cứu.....................................................................19

PHẦN II. PHẦN THỰC NGHIỆM...............................20
2.1. Trình tự thực nghiệm:.......................................................................20

2


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

2.2. Lựa chọn nguyên liệu.........................................................................20
2.2.1. Các nguyên liệu dẻo.....................................................................20
2.2.2. Các nguyên liệu gầy.....................................................................21
2.2.3. Các nguyên liệu khác...................................................................21
2.3. Các thiết bị dùng để thí nghiệm........................................................22
2.3.1. Máy nghiền bi sứ siêu tốc (hình 2)..............................................22
2.3.2. Máy ép thủy lực (hình 3)..............................................................22
2.3.3. Tủ sấy (hình 4.1, 4.2)...................................................................23
2.3.4. Lị hầu (hình 5.1, 5.2)...................................................................24
2.3.5. Máy thử cường độ uốn (hình 6)..................................................26
2.3.6. Các thiết bị khác...........................................................................26
2.4. Xây dựng các bài phối liệu nghiên cứu.............................................28
2.4.1. Bài phối liệu đối chứng................................................................28
2.4.1.1. Kết quả khảo sát của mẫu đối chứng...................................29
2.4.2. Các bài phối liệu nghiên cứu......................................................31
2.4.2.1. Khảo sát phối liệu theo phương án mới lần 1.......................31
2.4.2.2. Khảo sát phối liệu theo phương án mới lần 2.......................36

2.4.2.3. Khảo sát phối liệu theo phương án mới lần 3.......................44

PHẦN KẾT LUẬN.........................................................51
1. Bổ xung các cấu tử Samot và Hydroxit nhôm:.....................................51
2. Bổ xung các cấu tử Talc, Samot và Hydroxit nhôm:............................51
3. Bổ xung các cấu tử Talc, Samot và Hydroxit nhôm:............................51

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................52

3


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

PHẦN MỞ ĐẦU
Chúng ta đều biết rằng ngành sản xuất gốm sứ gia dụng đã ra đời từ rất
lâu, cách đây hàng nghìn năm. Theo lịch sử phát triển của ngành sản xuất
gốm sứ thì ngành sản xuất gốm gia dụng nói riêng cũng ngày càng được phát
triển mạnh mẽ và nâng cao về chất lượng và số lượng. Các sản phẩm gốm sứ
gia dụng trước đây như: bát, đĩa, chén, ấm,… với quy trình cơng nghệ sản
xuất, q trình nung luyện tạo nên các sản phẩm có khả năng làm việc ở nhiệt
độ thường không cao và có độ bền cơ khơng cao. Các sản phẩm này dễ bị sứt,
vỡ và không chịu được sự biến đổi nhiệt độ lớn. Do đó, khơng đạt được nhiều
u cầu kỹ thuật mới đặt ra.
Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật các công nghệ sản xuất
mới ra đời bên cạnh việc phát triển các sản phẩm sứ gia dụng dùng ở nhiệt độ
thường với điều kiện sinh hoạt thường ngày của người dân. Chúng ta còn
đang mở rộng phát triển sứ gia dụng trong một số lĩnh vực khác như: các sản

phẩm làm nồi nấu lẩu, có thể sử dụng được trong lị vi sóng sử dụng để nấu
chín thức ăn,… nhưng vẫn đảm bảo sản phẩm không bị nứt vỡ hay biến dạng,
đồng thời đảm bảo các quy định về an toàn vệ sinh thực phẩm, môi trường
không gây độc hại, nguy hiểm đến sức khỏe của người sử dụng. Chính vì vậy
mà chúng em chọn đề tài nghiên cứu tốt nghiệp với nội dung:
“Nghiên cứu nâng cao độ bền cơ, độ bền nhiệt cho gốm sứ gia dụng”.
Tình hình nghiên cứu ở nước ngồi:
Vật liệu gốm bền sốc nhiệt chất lượng cao dùng làm đồ đun nấu đã được
sản xuất ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Nhật, Đức, Hàn Quốc,....
Vào thập niên cuối thế kỷ 20, song hành với việc phát triển sản phẩm lị vi
sóng, nồi cơm điện và các sản phẩm đun nấu giá trị cao, các nước này đã có
sự tập trung đầu tư nghiên cứu dịng vật liệu gốm sạch, độ bền nhiệt cao. So
với gốm truyền thống chúng có những đặc tính kỹ thuật tốt hơn rất nhiều đặc
biệt là độ sạch và tính bền sốc nhiệt do được đi từ nguyên liệu có độ sạch cao
và q trình tổng hợp có xử lý tạo các khoáng bền nhiệt cao như mullit,
cordierit, coridon – periclaz, zirconia - tinh thể dạng monoclinic.... Các
khống này có khả năng chịu bền sốc nhiệt cao, chịu tác động trực tiếp ngọn
lửa cao nhiệt tốt. Một số loại cịn có khả năng chịu bền xung nhiệt cao như
gốm tổng hợp có bổ xung bột ZrO2, bột thủy tinh thạch anh.... Hiện nay,
Trung Quốc là nước sản xuất và sử dụng nhiều nhất loại sản phẩm này do tính
4


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

chất của vật liệu gốm rất được ưa chuộng cho đun nấu những món ăn Á
Đơng.
Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Dòng sản phẩm gốm chất lượng cao, có xử lý nhiệt tạo các khống với
tính bền sốc nhiệt và bền cơ cao, giúp cho số lần sử dụng khơng bị hạn chế.
Ngồi ra sản phẩm này có thể được tráng một lớp men với các tính chất nhiệt,
hóa tốt cho phép tăng tính thẩm mỹ và vệ sinh khi sử dụng. Loại sản phẩm
này ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là nhấp khẩu ở các nước như Mỹ, Hàn
Quốc, Trung Quốc….
Nhu cầu về dòng sản phẩm gốm chất lượng cao dùng làm dụng cụ đun
nấu như nồi lẩu, nồi om, nồi hấp, nồi sắc thuốc trên thị trường Việt Nam và
các nước Á Đông ngày càng gia tăng. Trong khi đó, chất lượng sản phẩm trên
thị trường hiện không đủ cung cấp chưa đáp ứng được nhu cầu của thị trường.
Hiện nay, Việt Nam chưa có đơn vị nào nghiên cứu theo hướng ứng dụng vật
liệu gốm và men bền sốc nhiệt vào làm dụng cụ đun nấu cao cấp.
Kết luận
Trước tình hình phát triển của công nghệ sản xuất gốm sứ gia dụng
trong nước và nước ngoài ngày càng mạnh mẽ. Việc nghiên cứu nâng cao
chất lượng cho gốm gia dụng, đặc biệt là độ bền cơ, bền nhiệt là rất cần thiết
và có tính thực tiễn cao.

5


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Giới thiệu công nghệ sản xuất sứ gia dụng
Công nghệ sản xuất gốm sứ gia dụng được mô tả tổng quát bằng sơ đồ
dưới đây.
Nguyên liệu

Cân định lượng

Chế tạo phối liệu dẻo,
phối liệu đổ rót
Tạo hình

Sấy, sửa mộc

Tráng men, trang
trí
Nung

Thuyết minh sơ đồ:

Phân loại

Các nguyên liệu (cao lanh, đất sét, thạch anh, fenpat,...), được đem cân
bằng cân định lượng theo bài phối liệu đã tính tốn trước. Sau khi cân phối
liệu sẽ được đổ vào máy nghiền bi ướt để nghiền mịn với cỡ hạt có độ sót
sàng 63m là không quá 5%.
Phối liệu sau khi đã được nghiền mịn được chế tạo làm phối liệu dẻo
(hoặc phối liệu hồ đổ rót) tùy thuộc vào loại sản phẩm sứ gia dụng sau này ta
6


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

cần chế tạo. Sau khi tạo phối liệu ta đem phối liệu đi tạo hình sản phẩm bằng
phương pháp ép xoay (đối với phối liệu dẻo), hoặc đổ rót (đối với phối liệu hồ
đổ rót).
Sản phẩm đã được tạo hình sẽ được đem đi sấy khơ ở nhiệt độ sấy thích
hợp, sau đó được đem đi sửa mộc. Sản phẩm mộc sau khi sửa sẽ được đem di
tráng men và trang trí hoa văn tùy thuộc yêu cầu của loại sản phẩm.
Sản phẩm mộc sau khi đã được tráng men, trang trí sẽ đem đi nung tại
nhiệt độ nung thích hợp nhằm tạo ra sản phẩm đạt được các tính chất kỹ thuật
theo yêu cầu.
Cuối cùng sản phẩm sau nung sẽ được đem phân loại để loại bỏ các sản
phẩm không đạt yêu cầu về chất lượng đề ra ban đầu, các sản phẩm đạt yêu
cầu được đóng gói và xếp vào kho chứa sản phẩm.
Nhận xét:
Qua dây chuyền công nghệ sản xuất sứ gia dụng như trên, để nâng cao
được độ bền cơ và bền nhiệt cho sản phẩm sứ gia dụng ta có thể tác động đến
các công đoạn chủ yếu như sau:
+ Tác động đến bài phối liệu: mục đích là ta đi điều chỉnh thành
phần các nguyên liệu nhằm để tạo ra bài phối liệu tối ưu nhất, để đạt được
điều mong muốn của đề tài là nâng cao được độ bền cơ và bền nhiệt. Vì thế,
bài phối liệu phải:
- Tạo ra được các khống có đặc tính tốt để làm tăng độ bền cơ, bền
nhiệt tức đó là các khống có cường độ cao và có hệ số giãn nở nhiệt thấp
như: khoáng Mullite, Cordierite,....
- Các khoáng đã được tạo ra phải sắp xếp liên kết tốt với nhau, với
hàm lượng pha thủy tinh hợp lý.
+ Tác động đến giai đoạn tạo hình: mục đích là ta đi lựa chọn
phương pháp tạo hình thích hợp để tạo ra được mẫu sản phẩm có độ xít đặc
cao, ít lỗ xốp.
- Trong q trình thí nghiệm nghiên cứu của đề tài ta dùng phương
pháp ép bán khô.

- Thực tế của sản xuất sau này thì khác, với đặc thù của sản phẩm
gốm sứ gia dụng (và đề tài mong muốn sản xuất các mặt hàng nồi nấu lẩu; bát
to, đĩa dùng trong lò vi sóng,...) thì phương pháp được dùng để sản xuất là ép

7


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

dẻo hoặc hồ đổ rót tùy thuộc vào hình dạng phức tạp của sản phẩm hay
khơng.
1.2. Độ bền cơ học và các yếu tố ảnh hưởng
1.2.1. Biến dạng đàn hồi của vật liệu gốm
Sự phá hủy do tác động cơ học đối với đa số vật liệu gốm ở nhiệt độ
thường mang đặc tính giịn, nghĩa là sự phá hủy xảy ra khi vật liệu có một độ
biến dạng đàn hồi nhỏ.
Biến dạng đàn hồi trong vật liệu được xác lập bởi sự tăng khoảng cách
của các nguyên tử, ion, nhóm nguyên tử làm cho mẫu nở ra, làm tăng năng
lượng mạng lưới tinh thể trong cấu trúc gốm. Thể hiện qua biểu thức của định
luật Hook:
  E.

Với: -  : ứng suất max.
- E: modun đàn hồi (modun Young).
-  : độ dãn dài tương đối (biến dạng đàn hồi).
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cơ của vật liệu gốm
Với các vật liệu gốm thơng thường có độ bền cơ tính theo lý thuyết từ
(1 – 10).105 KG/cm2. Độ bền thực tế nhỏ hơn nhiều do các nguyên nhân sau:

a. Ảnh hưởng của bề mặt
Nếu vật liệu nhẵn bóng khơng có vết nứt độ bền cơ sẽ lớn hơn bề mặt
có vết nứt xước vì đây chính là tâm điểm làm phá hủy vật liệu - vết nứt tế vi.
Nguyên nhân:
+ Trong quá trình tạo hình chưa làm nhẵn vật liệu, quá trình bảo quản,
vận chuyển: trên bề mặt vật liệu có thể hình thành các vết xâm thực do bị mơi
trường ẩm tác động hoặc các vết xước do va chạm với các vật rắn khác.
+ Các ứng suất nhiệt gây vết nứt tế vi được hình thành do sự khác biệt
hệ số giãn nở nhiệt giữa các tinh thể, giữa các pha khác nhau trên vùng bề mặt
vật liệu hoặc do khác biệt hệ số giãn nở nhiệt giữa phần trong và phần bề mặt
vật liệu khi đốt nóng và làm nguội.
+ Do sự biến đổi thù hình làm biến đổi thể tích dẫn đến sự giãn nở gây
ra ứng suất gây nứt,....
b. Ảnh hưởng của lỗ xốp
8


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

Ta biết rằng có nhiều hình thái của lỗ xốp có tác động đến độ bền cơ
khác nhau:
+ Lỗ xốp kín: phân bố bên trong cấu trúc vật liệu.
Nếu các lỗ xốp này có kích thước nhỏ (trạng thái vi mơ) và phân bố
đồng đều sẽ có lợi về mặt cơ học.
Nếu các lỗ xốp này lớn nó là một túi chứa khí khi nung ở nhiệt độ cao
khơng khí trong lỗ xốp giãn nở vì nhiệt lớn, khi đó lỗ xốp bị phá hủy tạo ra
ứng suất, sẽ tạo ra vết nứt phá hủy sản phẩm, sản phẩm mất cường độ nhanh
chóng.

+ Lỗ xốp hở, xuyên: các lỗ xốp này chính là nơi để các tác nhân hóa
học, khí, lỏng xâm thực vào sản phẩm gây phá hủy sản phẩm làm độ bền cơ
giảm mạnh.
c. Ảnh hưởng của hàm lượng pha thủy tinh, pha tinh thể
Ta biết rằng, pha thủy tinh có độ bền cơ thấp hơn pha tinh thể. Ta có
thể lấy modun đàn hồi làm ví dụ:
Ephaathuytinh ~ 0,7.106 KG/cm2.
Ephaatinhthe: corindon: (3,4 – 4).106 KG/cm2.
Mullit:

(1,1 – 1,5) .106 KG/cm2.

Thạch anh: 0,9.106 KG/cm2.
Qua số liệu cho ta thấy, lượng pha thủy tinh trong vật liệu càng cao thì
độ bền cơ học của vật liệu càng thấp. Tăng lượng pha tinh thể đặc biệt là
mullit và corindon làm tăng độ bền cơ. Tuy nhiên, nếu hàm lượng pha thủy
tinh trong vật liệu quá thấp, không đủ liên kết thì độ xốp sẽ tăng lên và độ bền
cơ học của vật liệu lại giảm xuống. Do vậy việc điều chỉnh hợp lý tỷ lệ giữa
lượng pha thủy tinh và pha tinh thể có tầm quan trọng để tăng độ bền cơ học
của vật liệu.
d. Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng của pha tinh thể
Quan hệ giữa kích thước hạt pha tinh thể và độ bền thực tế  của gốm
được diễn tả bằng biểu thức:

 = k.d-g
Trong đó: - k: hệ số Knudsen.
- d: kích thước hạt.
9

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

- g: hắng số, đối với gốm g = 0,75.
Qua biểu thức ta thấy rằng, độ bền cơ của gốm tăng khi kích thước hạt
giảm xuống. Thực chất ảnh hưởng của kích thước hạt đến độ bền cơ học của
gốm là ở chỗ: tại bề mặt phân giới giữa các hạt, giữa các hạt và pha thủy tinh
có tạo nên ứng suất nhiệt do hệ số giãn nở nhiệt khác nhau giữa chúng. Kích
thước hạt cũng như sự khác biệt của hệ số giãn nở nhiệt giữa các thành phần
cấu trúc càng lớn thì đại lượng ứng suất càng lớn, càng tạo nhiều vết nứt tế vi
bên trong vật thể và làm giảm độ bền cơ của vật liệu.
Hình dạng các hạt có ảnh hưởng đến độ bền cơ của gốm. Các tinh thể
tạo với nhau thành các kết hạch, hoặc có dạng hình kim (như tinh thể Mullit)
phân bố đan xen với nhau và nằm đều trong nền pha thủy tinh có ảnh hưởng
tốt đẹp đến độ bền cơ học.
1.3. Độ bền nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng
1.3.1. Khái niệm
Độ bền nhiệt hay độ bền chống ứng suất nhiệt là khả năng chống lại sự
phá hủy của vật liệu khi có ứng suất nhiệt hình thành trong vật liệu. Ứng suất
nhiệt sinh ra khi đốt nóng hoặc làm nguội vật liệu chủ yếu là so sự giãn nở
nhiệt và do chênh lệch nhiệt độ giữa các phần khác nhau của vật liệu.
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng
Độ bền nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố: hệ số dẫn nhiệt  và độ
dẫn nhiệt a.
+ Hệ số dẫn nhiệt  : là đại lượng vật lý đo lường khả năng dẫn nhiệt
của vật liệu (W/m.0C).
+ Độ dẫn nhiệt a: đặc trưng cho vận tốc lan truyền nhiệt độ trong vật
liệu gốm khi thay đổi điều kiện đốt nóng.
a


[ m 2 / h]
C bk

Với: - C: nhiệt dung hay tỷ nhiệt của vật liệu gốm [kcal/kg.0C].
- bk : khối lượng thể tích hay khối lượng biểu kiến [g/cm3].
Nếu vật liệu có khả năng dẫn nhiệt tốt  gradt theo thời gian chênh
lệch nhiệt độ lớp bề mặt và lớp sâu trong vật liệu nhỏ, do đó khả năng phá
hủy vật liệu nhỏ

10


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

Khi  , a lớn thì vât liệu gốm ít xuất hiện ứng suất nhiệt lớn, khả năng
phá hủy vật liệu sẽ nhỏ khi đó vật liệu sẽ bền nhiệt cao và ngược lại.
Ngồi ra cịn các yếu tố khác cũng có ảnh hưởng tới độ bền nhiệt như:
độ xốp, các vết nứt tế vi trong cấu trúc vật liệu. Độ giãn nở nhiệt  cũng là
một yếu tố có ảnh hưởng lớn đến độ bền nhiệt:
+ Trong sản phẩm gốm có chứa các pha khác nhau: pha thuỷ tinh, pha
tinh thể, pha khí mỗi pha có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau khi có sự thay đổi
nhiệt độ sẽ gây lên các biến đổi trong sản phẩm và có thể gây nên các vết nứt
tế vi gây phá huỷ sản phẩm.
+ Ngay trong bản thân của từng tinh thể có cùng hệ số giãn nở nhiệt,
nhưng chúng sắp xếp khác nhau theo nhiều hướng. Vì thế khi có sự thay đổi
nhiệt độ các tinh thể giãn nở theo các hướng khác nhau cũng có thể gây ra các

vết nứt tế vi làm ảnh hưởng đến độ bền nhiệt.
+ Cịn có sự khác nhau hệ số giãn nở nhiệt giữa các lớp vật liệu, giữa
phần trong và phần bề ngồi... cũng có ảnh hưởng đến độ bền nhiệt (đặc biệt
ở các tinh thể dị hướng, hệ số giãn nở nhiệt theo một phương có thể trở lên
âm và do vậy độ giãn nở nhiệt thể tích trở lên rất nhỏ, những loại vật liệu như
vậy rất quý trong trường hợp địi hỏi độ bền nhiệt cao ví dụ: titanat (Al 2TiO5,
cordierit, Liti alumosilicat,....)
1.4. Các phương pháp làm tăng độ bền cơ, bền nhiệt
Qua các nhận định về các yếu tố ảnh hưởng tới độ bền cơ, bền nhiệt ở
trên một câu hỏi được đặt ra là chúng ta phải làm gì để tăng được độ bền cơ,
bền nhiệt cho vật liệu gốm gia dụng?
1.4.1. Tăng độ bền cơ
Để tăng độ bền cơ chúng ta có thể tác động đến các yếu tố sau:
+ Đối với phối liệu xương:
- Tăng hàm lượng oxit nhôm Al 2O3 để tăng hàm lượng pha tinh thể:
mullit, corindon, hay tăng hàm lượng các oxit khác để tạo ra hệ Mullit –
cordierit (hoặc Cordierit – mullit), ....
- Cải thiện tính chất của pha thủy tinh: tức là làm cách nào để tăng
cường độ cho pha thủy tinh, giảm pha thủy tinh tới mức tối thiểu đảm bảo để
đủ liên kết các pha tinh thể và lấp đầy các lỗ trống.

11


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

- Vì là sản phẩm gốm gia dụng có độ hút nước H < 0,5%, ta phải làm
cách nào để hút chân khơng triệt để, để tách hồn tồn pha khí sao cho sản

phẩm có mật độ cao.
+ Đối với phối liệu men phủ:
- Ta cũng cần tạo ra bài phối liệu men phù hợp với xương, và cũng tìm
cách làm tăng độ bền cơ của men, tạo ra bài men có hệ số giãn nở nhiệt tương
ứng với hệ số giãn nở nhiệt của xương.
1.4.2. Tăng độ bền nhiệt
Ta biết nguyên nhân chính ảnh hưởng tới độ bền nhiệt là do ứng suất,
và cấu trúc liên kết bên trong của sản phẩm.
Sản phẩm tăng độ bền cơ thì độ bền sốc nhiệt cũng tăng.
Ta cần lựa chọn bài phối liệu phù hợp để làm tăng  và a tăng được
độ bền nhiệt.
Cần phải giảm hệ số giãn nở nhiệt, tạo ra các tinh thể quý có hệ số
giãn nở nhiệt thấp như Cordierit, giảm lượng thạch anh tàn dư trong sản phẩm
(vì nó gây ra giãn nở nhiệt lớn). Đặc biệt là hệ cordierit là hệ có tác dụng làm
tăng độ bền nhiệt rất tốt cho sản phẩm.
1.5. Men và tính chất của men
1.5.1. Khái niệm
Men gốm là một lớp thủy tinh có chiều dày từ 0,1 – 0,3 mm phủ lên
bề mặt xương gốm. Lớp thuỷ tinh này hình thành trong q trình nung và có
tác dụng làm cho bề mặt sản phẩm trở nên sít đặc, nhẵn, bóng.
Men gốm tuy bản chất là thủy tinh nhưng phối liệu khơng hồn tồn
giống, bởi thủy tinh thơng thường khi nấu có thể chứa trong bể khuấy cho
đồng nhất và khử bọt. Men khi nóng chảy phải đồng nhất mà không cần một
sự trợ giúp cơ học nào, nên phối liệu phải khơng có vật chất nào khơng thể tạo
pha thủy tinh.
- Do đó, điều cần thiết đầu tiên là phải tạo được một hỗn hợp chảy
lỏng đồng nhất ở nhiệt độ mong muốn.
Trong q trình nóng chảy và ngay sau đó, các ơxít trong men phản
ứng với bề mặt xương gốm để tạo nên một lớp trung gian. Phản ứng này rất
quan trọng vì nó ảnh hưởng đến độ bền cơ học của men, nó khơng chỉ phụ

thuộc thành phần hóa học chung của men mà cịn phụ thuộc từng ơxít riêng.

12


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

- Do đó, điều cần thiết thứ hai là thành phần hóa của men phải gần
giống thành phần hóa của xương gốm.
Q trình làm nguội (giảm nhiệt độ) xảy ra ngược với quá trình nung
(tăng nhiệt độ). Nếu hệ số giãn nở nhiệt của men và xương không phù hợp
nhau sẽ gây ra bong hoặc nứt men.
- Do đó, điều cần thiết thứ ba là hệ số giãn nở nhiệt của men và
xương phải phù hợp nhau.
Men nung xong phải cứng, nhẵn, bóng (ngoại trừ men mat). Bên cạnh
đó, tính trong suốt, khơng màu, tính sáng bóng của men không phải lúc nào
cũng như mong muốn. Nếu xương gốm có màu thì phải dùng men đục để che
lấp màu của xương, ngồi ra có thể chế tạo men mat (bề mặt như sáp), men
kết tinh và vô số men màu khác.
- Do đó, điều cần thiết thứ tư là thành phần hóa của men phải được
điều chỉnh sao cho men có được các tính chất cơ - lý – hố - quang mong
muốn.
1.5.2. Tính chất của men
Men có rất nhiều tính chất như: độ nhớt, sức căng bề mặt, độ giãn nở
nhiệt, độ cứng, độ đàn hồi và độ mài mòn. Nhưng ở đây ta chú ý nhiều nhất
đến độ giãn nở nhiệt của men là một tính chất rất quan trọng nó liên quan đến
hệ số giãn nở nhiệt của men. Vì để đánh giá mức độ phù hợp xương và men ta
cần phải xác định được hệ số giãn nở nhiệt của chúng.

Men liên kết được với xương tốt và không bị nứt hoặc bong men trong
một khoảng nhiệt độ tương đối rộng không những được quyết định bởi hệ số
giãn nở nhiệt trung bình của xương và men. Mà còn vào sự phù hợp của
đường cong giãn nở nhiệt của men và xương từ nhiệt độ bắt đầu biến mềm
của men đến tận nhiệt độ bình thường.
Trường hợp hệ số giãn nở nhiệt của men lớn hơn của xương quá một
giới hạn, khi làm nguội trong lớp men xuất hiện ứng suất kéo và men bị nứt.
Ngược lại, hệ số giãn nở nhiệt của xương lớn hơn của men, khi làm nguội
xương co nhiều hơn và tạo ra ứng suất nén lên lớp men làm men dễ bị bong
ra.
Đối với sản phẩm gốm dạng tấm mỏng, chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt
giữa xương và men thường gây nên hiện tượng cong vênh sản phẩm.
Qua các phân tích ở trên về các tính chất của xương và men ta đưa ra
một số nhận xét sau:

13


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

Nhận xét:
Như chúng ta đã biết độ bền cơ và bền nhiệt của vật liệu gốm sứ có
mối quan hệ tương hỗ. Độ bền nhiệt tăng kéo theo độ bền cơ tăng và ngược
lại. Nguyên nhân của mối quan hệ này là do:
Độ bền cơ và bền nhiệt đều phụ thuộc vào ứng suất của cấu trúc vật
liệu. Bền nhiệt cao tức là ứng suất do dao động nhiệt tạo ra không phá vỡ
được liên kết của vật liệu, cấu trúc vật liệu cân bằng và ổn định dẫn đến độ
bền cơ tăng và ngược lại.

Với mục đích nâng cao độ bền cơ và bền nhiệt của vật liệu gốm sứ gia
dụng để đạt được hiệu quả tối ưu ta phải chú ý đến tương tác giữa xương và
men.
Sự chênh lệch hệ số giãn nở của men và mộc trong phạm vi hẹp khơng
gây khuyết tật vì men có khả năng đàn hồi trong một phạm vi nhất định.
Trong các trường hợp thì độ bền cơ học của sản phẩm tăng nếu men ở trạng
thái bị nén do đó cần sử dụng men có hệ số giãn nở nhỏ hơn hệ số giãn nở của
xương gốm một ít. Tuy nhiên, nếu chênh lệch quá nhiều, ứng lực sinh ra lớn
hơn độ bền thì sẽ có hiện tượng nứt hoặc bong men.
Một vấn đề cần quan tâm khi muốn xương và men phù hợp với nhau
là phải tạo ra lớp trung gian có độ dày nhất định.
Tất cả các loại men trong q trình nung đều có gắn ít hoặc nhiều đối
với xương sản phẩm. W.Sterger cho rằng khi nung men cần phải tạo ra giữa
xương và men một lớp trung gian hay lớp quá độ. Lớp này trong một chừng
mực nào đó góp phần điều hịa ứng lực xuất hiện giữa xương và men và có tác
dụng làm giảm ứng lực. Lớp trung gian này càng dày thì xương và men càng
phù hợp nhau. Về mặt hóa lý, đây là một quá trình phức tạp bao gồm các phản
ứng hóa học do bản chất khác nhau giữa xương và men (tính kiềm của men
lớn hơn xương và tính axít ngược lại). Song song q trình phản ứng hóa học
cịn có q trình hịa tan, thấm ướt giữa pha lỏng và pha rắn và quá trình kết
tinh.
Sự hình thành lớp trung gian phụ thuộc thành phần xương và men,
nhiệt độ nung sản phẩm, thời gian lưu mẫu ở nhiệt độ nung cao nhất, độ xốp
của xương sản phẩm cũng như độ tan của từng loại ơxít có trong men. Để tạo
lớp trung gian, người ta thường cho thêm vào men axít boric, hoặc các chất
kiềm khác, tuy nhiên cần lưu ý hệ số dãn nở nhiệt có thể tăng do các loại oxit
kiềm gây nên.
14

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

1.6. Đặc điểm của một số hệ vật liệu gốm bền sốc nhiệt, bền cơ
1.6.1. Hệ vật liệu bền nhiệt cordierit Mg2Al4Si5O18(2MgO.2Al2O3.5SiO2)
Cordierit là một hệ vật liệu bền nhiệt truyền thống điển hình và được
ứng dụng rộng rãi hiện nay trong công nghiệp sản xuất gốm sứ và các ứng
dụng nhiệt độ cao. Thành phần pha chủ yếu của hệ vật liệu này là cordierit có
hệ số giãn nở nhiệt rất thấp, nằm trong khoảng (1 – 2).10 -6 0K-1. Do hệ số dãn
nở nhiệt thấp, cường độ kháng nén tương đối cao, mức độ ổn định và an toàn
trong dải nhiệt độ làm việc dưới 13600C khá tốt nên hệ vật liệu này được ứng
dụng rất rộng rãi trong công nghiệp nhiệt, đặc biệt công nghiệp sản xuất vật
liệu gốm sứ làm tấm kê, trụ đỡ, bao nung sản phẩm... Nhược điểm lớn nhất
hạn chế khả năng tổng hợp và ứng dụng hệ vật liệu này là độ chịu lửa khơng
cao. Mặt khác, q trình tổng hợp vật liệu khá khó khăn do khoảng kết khối
của cordierit rất hẹp.
1.6.2. Hệ vật liệu Mullit (3Al2O3.2SiO2)
Hệ tinh thể Mullit được tạo ra trong khoảng nhiệt độ cao 1350 –
14000C. Các tinh thể Mullit có kích thước ở dạng hình kim, hình lăng trụ dài
và chúng phân bố lộn xộn thành mạng lưới giống nỉ, dạ trong các đoạn
nguyên liệu sét. Nó tạo lên một mạng lưới như vậy đã làm tăng cường độ cơ
học của vật liệu, làm cho vật liệu gốm trở lên vững chắc và giúp vật liệu gốm
có độ bền uốn, bền nén cao và ổn định.
Dựa vào những phân tích trên và xu hướng phát triển kỹ thuật hiện
nay có những phương án tăng bền cơ, bền nhiệt cho vật liệu gốm sứ gia dụng:
+ Sử dụng liên kết mullit – cordierit (hoặc Cordierit – mullit), pha liên
kết là thủy tinh quắc với hệ số giãn nở nhiệt cực tiểu. Hệ gốm Mullit Cordierit (hoặc Cordierit – mullit) gồm ba cấu tử cơ bản Al 2O3-MgO-SiO2,
trong đó hai khống chính tạo nên cấu trúc là Mullit 3Al 2O3.2SiO2 và
Cordierit 2MgO.2Al2O3.5SiO2 với dạng tinh thể hình kim và hệ số giãn nở

nhiệt nhỏ.

15


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

Vậy, vật liệu tổ hợp mullit - cordierit (hoặc cordierit - mullit) thừa
hưởng hệ số dãn nở nhiệt thấp của cordierit, kết hợp với cường độ cơ học và
độ chịu lửa cao của pha tinh thể mullit đã mở ra một hướng ứng dụng mới cho
vật liệu gốm bền sốc nhiệt trên cơ sở sử dụng cordierit. Với xu hướng phát
triển của thế giới hiện nay, và đã có nhiều cơng trình nghiên cứu để tạo ra hệ
vật liệu mullit - cordierit (hoặc cordierit - mullit) và đã có ứng dụng để sản
xuất tạo ra các sản phẩm có độ bền nhiệt và bền cơ cao.
1.6.3. Hệ vật liệu Corindon, corindon-Mulit
Gốm corindon là một sản phẩm gốm đặc biệt. Ta biết rằng nhiệt độ là
yếu tố quyết định mức độ kết khối gốm corindon. Nhiệt độ kết khối của
  Al 2 O3

kỹ thuật tinh khiết (với Al 2O3 – 99-99,5%) với độ mịn 1 – 2 m và

không thêm phụ gia nằm trong khoảng 1700 – 1750 0C. Tại nhiệt độ này sản
phẩm đạt mật độ 3,75 – 3,85g/cm3 hay mật độ tương đối đạt 0,94 – 0,96%.
Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ đến 1800 – 1850 oC và lưu nhiệt độ lâu ở vùng nhiệt
độ này cũng khơng làm tăng thêm mật độ.

Hình 1
16

Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

Theo biểu đồ trạng thái mới do Toropov và Galakhov nghiên cứu năm
1956, khi hàm lượng Al2O3 từ 5,5 – 71,8% thì pha rắn bền vững duy nhất ở
nhiệt độ cao (đến 19100C) là Mullit và hàm lượng Al2O3 lớn hơn 72% thì
trong hệ có thể đồng thời tồn tại cả hai khoáng Mullit và corindon với việc tạo
ra được corindon ở nhiệt độ cao.
1.6.4. Hệ vật liệu zirconia ổn định ZrO2.
Zirconia có nhiệt độ nóng chảy rất cao có thể trên 27000C (thường trong
khoảng 2500 - 26000C) và độ dẫn nhiệt thấp (ở 1000C độ dẫn nhiệt
1,5kcal/mh độ). Tuy nhiên, do cấu trúc tinh thế có tính đa hình - biến đổi pha
thù hình khi thay đổi nhiệt độ, dẫn đến giới hạn khả năng ứng dụng của hệ vật
liệu gốm zirconia trong công nghiệp gốm sứ và nhiệt độ cao. Zirconia có ba
dạng thù hình chính: Dạng đơn tà tồn tại trong khoảng nhiệt độ dưới 1170 0C;
trong khoảng 1170-23700C dạng thù hình chính ổn định là dạng tứ phương;
trên 23700C zirconina chuyển qua cấu trúc pha tinh thể lập phương ổn định.
Trong quá trình gia nhiệt, zirconia tham gia quá trình biến đổi pha thù
hình. Ở nhiệt độ dưới 11700C, thành phần pha cấu trúc của zirconia là dạng
đơn tà. Quá trình chuyển pha từ dạng đơn tà sang dạng tứ phương khi gia
nhiệt biến đổi rất nhanh kèm theo thay đổi thể tích từ 3-5% gây nên hiện
tượng phá hủy đột ngột cấu trúc tồn hệ thống của vật liệu. Đặc tính biến đổi
thù hình này làm cho vật liệu gốm trên cơ sở hệ thuần zirconia khơng cịn ứng
dụng thực tiễn.
1.6.5. Hệ thủy tinh bền nhiệt thạch anh SiO2.
Thủy tinh thạch anh được sản xuất từ cát, quartz tinh thể hoặc silica
(SiO2) nấu chảy trong lò điện hồ quang ở nhiệt độ trên 1900 0C. Tùy theo yêu

cầu về độ sạch, thủy tinh thạch anh được phân loại theo mục đích sử dụng:

17


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

Phân loại

SiO2 [%]

Ứng dụng

Fused Silica

> 99,99

Sensor, bán dẫn, Si,…

Fused Quartz

> 99,50

Vật liệu chịu lửa, dụng cụ bền nhiệt,
chất độn,...

Fused quartz (FQ) có cấu trúc thủy tinh vơ định hình điển hình. Cấu
trúc FQ bao gồm liên kết chéo ba chiều ở mức độ rất cao làm cho nó có khả

năng làm việc ổn định ở nhiệt độ cao với độ nhớt rất cao và ít thay đổi trong
dải nhiệt độ rất rộng. Ngoài ra, hệ số dãn nở nhiệt rất thấp, nằm trong khoảng
0,55.10-6 0K-1, FQ là một trong những vật liệu bền sốc nhiệt lý tưởng. Là một
vật liệu bền hóa, FQ hầu như khơng bị ăn mịn bởi acid và các hóa chất khất
khác. Các chỉ tiêu tổn hao và hằng số điện môi của FQ cũng rất nhỏ. Đó chính
là lý do tại sao FQ là một trong những vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp nấu chảy kim loại bằng xung siêu cao tần.
Mặc dù ở nhiệt độ thường, độ cứng của FQ khá cao và có xu hướng phá
hủy giịn như các vật liệu gốm hoặc thủy tinh khác. Tuy nhiên ở nhiệt độ cao,
sự hình thành pha lỏng (biến mềm) với độ nhớt cao, FQ có xu hướng cải thiện
đáng kể khả năng ổn định và tăng bền sốc nhiệt của vật liệu.

18


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

1.7. Định hướng nghiên cứu
Trên cơ sở phân tích các vấn đề lý thuyết về tính chất cơ, nhiệt và một
số thông số kỹ thuật của các hệ tinh thể, một số định hướng mà đề tài sẽ triển
khai nghiên cứu như sau:
- Khảo sát các thông số kỹ thuật của phối liệu đối chứng (phối liệu sứ
dân dụng lấy tại cơ sở sản xuất sứ Hải Dương).
- Thiết lập các bài phối liệu trên cơ sở sử dụng phụ gia nhằm nâng cao
khả năng kết khối và kết tinh các tinh thể.
- Thiết lập các bài phối liệu có bổ xung trước các cấu tử nhằm tạo hệ tinh
thể Mullit – cordierit (hoặc cordierit - mullit) trong sản phẩm sau nung.
- Khảo sát các thông số kỹ thuật của mẫu sau nung để tìm hướng điều

chỉnh nhằm tạo được hệ phối liệu đạt yêu cầu.
- Thiết lập bài men phù hợp với các bài phối liệu xương đạt yêu cầu.

19


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50

PHẦN II. PHẦN THỰC NGHIỆM
2.1. Trình tự thực nghiệm:
- Khảo sát mẫu đối chứng: dùng mẫu là phối liệu của công ty cổ phần
sứ Hải Dương. Mẫu đối chứng được khảo sát tìm nhiệt độ nung hợp lý, cường
độ cơ học, độ bền nhiệt, độ giãn nở nhiệt,….
- Lựa chọn các nguyên liệu dùng để chế tạo các bài phối liệu.
- Thiết lập các bài phối liệu khác nhau từ các nguyên liệu đã được chọn.
- Chế tạo mẫu thực nghiệm từ các bài phối liệu đã được thiết lập.
- Nung các mẫu phối liệu đã được tạo ra tại nhiệt độ thích hợp.
- Khảo sát các tính chất sau nung của các mẫu, so sánh các số liệu thu
được đưa ra nhận xét, kết luận hoặc hướng điều chỉnh tiếp theo.
Thiết lập và chế tạo bài phối liệu men phù hợp với bài phối liệu xương
đạt yêu cầu, nung mẫu có tráng men và đánh giá kết quả sau nung.
2.2. Lựa chọn nguyên liệu
Nguyên liệu chính để sản xuất gốm sứ nói chung và sứ gia dụng nói
riêng là các loại đất sét, cao lanh (nguyên liệu dẻo); các loại thạch anh, fenpat
(nguyên liệu gầy). Ngoài ra cịn có các ngun liệu phụ khác như hoạt thạch,
đơlơmit, các oxit kim loại…; các nguyên liệu đặc biệt làm phụ gia trợ giúp
cho một số q trình cơng nghệ.
2.2.1. Các nguyên liệu dẻo

Đề tài nghiên cứu sử dụng các nguyên liệu dẻo là: đất sét Trúc Thôn
(TT), cao lanh Phú Thọ(PT).
Các nguyên liệu này đã được qua chế biến lọc bỏ các tạp chất. Có thành
phần hóa học như sau:

20