Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và tính chất của vật liệu gốm - thuỷ tinh hệ CaO-MgO-SiO2

Website: Email : Tel (: 0918.775.368
MỞ ĐẦU

Gốm sứ và thuỷ tinh là những vật liệu rất gần gũi với cuộc sống của con người,
chúng đã được con người sử dụng và phát triển từ rất sớm. Ngày nay cùng với sự
phát triển của khoa học kĩ thuật, đã xuất hiện rất nhiều loại vật liệu mới với nhiều
tính chất mới, nổi trội, tuy nhiên gốm sứ và thuỷ tinh vẫn là những loại vật liệu
không thể thiếu, hơn nữa ngày càng được, cải tiến, phát triển và ứng dụng rộng rãi.
Trong vài thập niên gần đây, người ta bắt đầu nghiên cứu một loại vật liệu mới bắt
nguồn từ thuỷ tinh nhưng có cấu trúc tinh thể, vật liệu này có những tíng chất trung
gian giữa thuỷ tinh và gốm sứ, ngoài ra nó còn có những đặc điểm nổi trội hơn - gọi
là gốm thuỷ tinh. Đây là một loại vật liệu khá mới và hứa hẹn còn nhiều phát triển
trong tương lai.
Gốm thuỷ tinh là những vật liệu đa tinh thể của cấu trúc vi mô mà được tạo
thành bởi sự kết tinh kiểm soát của thuỷ tinh. Nó là những vật liệu đa tinh thể có hạt
nhỏ được tạo thành khi thuỷ tinh với thành phần thích hợp được xử lý nhiệt và trải
qua sự kết tinh kiểm soát để có năng lượng thấp hơn. Thông thường thì gốm thuỷ
tinh không phải là tinh thể hoàn toàn. Tiêu biểu vi cấu trúc là 50% đến 95% tinh thể
với phần còn lại là thuỷ tinh. Một hoặc nhiều pha tinh thể có thể được hình thành
trong khi xử lý nhiệt. Những tính chất cơ học của gốm thuỷ tinh là cao hơn của thuỷ
tinh ban đầu. Ngoài ra, gốm thuỷ tinh còn thể hiện các tính chất khác biệt có thể được
ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau, ví dụ như do có hệ số giãn nở nhiệt rất nhỏ
nên gốm thuỷ tinh trong hệ Li
2
O-Al
2
O
3
-SiO
2
thích hợp cho các ứng dụng chống sốc

nhiệt. [19 ]
Gốm thuỷ tinh trong hệ bậc ba CaO-MgO-SiO
2
, với những tính chất cơ học và
hoá học như sức bền, chịu mài mòn, hệ số giãn nở nhiệt thấp cùng những đặc điểm
về mặt thẩm mĩ có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Chính vì vậy, chúng tôi chọn thực hiện luân văn với đề tài:

1
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
“ Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và tính chất của vật liệu gốm - thuỷ tinh hệ
CaO-MgO-SiO
2
”
Tuy nhiên, gốm thuỷ tinh trên hệ này đòi hỏi một nhiệt độ tổng hợp tương đối
cao, dẫn đến các vấn đề về năng lượng và kèm theo đó là vấn đề môi trường. Do đó
cần nghiên cứu để hạ nhiệt độ tổng hợp. Ngoài ra việc tổng hợp ở nhiệt độ thấp cũng
đem lại nhiều ý nghĩa về mặt kinh tế. [14].
Vì vậy, trong luận văn này chúng tôi tìm điều kiện tổng hợp gốm thuỷ tinh trên
hệ bậc ba CaO-MgO-SiO
2
hướng tới giảm nhiệt độ tổng hợp với sử dụng một số phụ
gia như Na
2
O, CaF
2
, B
2
O
3

và P
2
O
5
.

2
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ GỐM THUỶ TINH
1.1.1 GỐM THUỶ TINH
Thuỷ tinh có xu hướng đạt đến trạng thái thấp hơn về mặt năng lượng khi phải
chịu một quá trình nhiệt luyện nào đó. Sự hoá mờ trong quá trình sản xuất thuỷ tinh
là một khuyết điểm, tuy nhiên tính chất này có thể được sử dụng để sản xuất một loại
vật liệu mới đó là gốm thuỷ tinh.
Gốm thuỷ tinh là những vật liệu đa tinh thể được tạo thành khi những thành
phần thuỷ tinh thích hợp được nhiệt luyện và điều chỉnh quá trình kết tinh. Thường
trong gốm thuỷ tinh tồn tại 50% đến 95% thể tích là những tinh thể, còn lại là phần
thuỷ tinh còn dư, một hoặc nhiều hơn những pha tinh thể có thể tạo thành trong quá
trình nhiệt luyện và thường thành phần của chúng khác với thuỷ tinh cho trước và do
đó thành phần của thuỷ tinh còn dư cũng khác trước.
1.1.1.1 Tính chất của gốm thuỷ tinh [7]
Gốm thuỷ tinh có những tính chất quan trọng như:
+ Độ bền cao đối với các lực va đập và lực biến dạng, nếu ống thuỷ tinh thường
có độ bền gãy là 210-700 kg/cm
2
thì vật liệu gốm thuỷ tinh có kích thước tương
đương có độ bền gãy là 2800-4200 kg/cm
2
. Gốm thuỷ tinh cũng có độ bền mài mòn

cao hơn nhiều so với thuỷ tinh thường.
+ Có thể điều chỉnh thành phần hoá học của gốm thuỷ tinh một cách dễ dàng để
thay đổi hệ số giãn nở nhiệt theo mong muốn từ giá trị thấp nhất (gần bằng không)
đến cao nhất (2.10
-5
K
-1
). Do đó có khả năng chọn hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu
gốm thuỷ tinh cũng như của vật liệu kim loại. Điều này rất quan trọng khi chế tạo các
khớp nối kín của kim loại với linh kiện bằng gốm thuỷ tinh. Các mẫu gốm thuỷ tinh
có hệ số giãn nở nhiệt bé hoặc âm rất bền đối với xung nhiệt.
+ Vật liệu gốm thuỷ tinh bền nhiệt hơn vật liệu thuỷ tinh có cùng thành phần. Ví
dụ như nhiều ôxit thuỷ tinh có nhiệt độ thuỷ tinh hoá Tg khoảng 450
0
C, nhiệt độ biến

3
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
mềm ở 600-700
0
C, còn vật liệu gốm thuỷ tinh có thành phần như vậy thì ngay ở
1000-2000
0
C vẫn giữ được độ bền cơ và độ rắn.
+ Vật liệu gốm thuỷ tinh có đặc tính cách nhiệt rất tốt, đặc biệt khi thành phần
không chứa kiềm.
+ Tính chất quang của vật liệu gốm thuỷ tinh phụ thuộc vào pha tinh thể có
trong đó, nó có thể trong suốt hoặc không trong suốt đối với ánh sáng tuỳ thuộc vào
kích thước tinh thể.
+ Khác với vật liệu gốm sản xuất theo phương pháp nén ép thông thường gốm

thuỷ tinh có độ rỗng bằng không.
1.1.1.2. Ứng dụng của gốm thuỷ tinh
Gốm thuỷ tinh vẫn bền khi giảm nhiệt độ một cách đột ngột nên được sử dụng
để sản xuất các bộ phận để xử lý nhiệt độ cao của vật liệu, ví dụ như các vỏ lò có sợi
đốt ở bên trong.
Độ chống mài mòn của gốm thuỷ tinh cao hơn nhiều lần so với kim loại nên vật
liệu gốm thuỷ tinh được sử dụng để làm các bộ phận chịu lực hoặc để phủ lên kim
loại hay làm các khớp nối kín của kim loại và gốm.
Vật liệu gốm thuỷ tinh có độ bền nhiệt cao, đặc biệt là đối với các xung nhiệt
nên được sử dụng để làm lớp vỏ bảo vệ đầu mũi tên lửa,…
Ngoài ra với chi phí sản xuất thấp và kỹ thuật đơn giản gốm thuỷ tinh cũng có
thể sử dụng để sản xuất các đồ dân dụng chất lượng cao…
1.1.2. QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA THUỶ TINH [19]
Sự kết tinh, hay hoá mờ, của thuỷ tinh để tạo thành gốm thuỷ tinh là một sự
biến đổi hỗn tạp và gồm hai giai đoạn: giai đoạn tạo mầm và giai đoạn mầm phát
triển thành tinh thể. Trong giai đoạn tạo mầm nhỏ, thể tích ổn định của pha sản phẩm

4
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
(tinh thể) được tạo thành, thường tại các vị trí ưu tiên trong thuỷ tinh ban đầu. Những
vị trí được ưu tiên là các mặt tiếp xúc bên trong thuỷ tinh ban đầu hoặc bề mặt tự do.
Sau cùng là thường không mong muốn như kết quả vi cấu trúc gốm thuỷ tinh thường
chứa những tinh thể định hướng lớn là có hại đến các tính chất cơ học.
Tuy nhiên, trong một ít lĩnh vực một cấu trúc định hướng là có lợi, ví dụ cho
các thiết bị hoả điện và áp điện, và có thể gia công gốm thuỷ tinh trên máy. Trong đa
số trường hợp sự tạo mầm bên trong, cũng biết có sự tạo mầm lớn, được yêu cầu và
thành phần thuỷ tinh ban đầu được chọn để chứa dạng tăng cường cho dạng này của
sự tạo mầm. Các dạng này có quan hệ với các chất tạo mầm và có thể là kim loại (vd:
Au, Ag, Pt, và Pd) hoặc phi kim loại(vd: TiO
2

, P
2
O
5
và những Florua). Tốc độ của sự
tạo mầm phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ. Một khi mầm đã được hình thành ổn định thì
sự phát triển tinh thể bắt đầu. Sự phát triển kéo theo sự chuyển động của các nguyên
tử/các phân tử từ thuỷ tinh, ngang qua bề mặt tinh thể thuỷ tinh và vào trong tinh thể.
Việc điều khiển quá trình này là do sự khác nhau trong thể tích hoặc năng lượng hoá
học tự do ∆G
v
giữa thuỷ tinh và trạng thái tinh thể.
Một quá trình kết tinh thông thường gồm hai giai đoạn:
• Giai đoạn tạo mầm
• Giai đoạn mầm phát triển thành tinh thể
Căn cứ vào cơ chế tạo mầm có thể chia làm hai loại kết tinh:
• Kết tinh tự phát hay tự kết tinh
• Kết tinh cưỡng bức hay kết tinh định hướng.
1.1.2.1. Quá trình tự kết tinh [1]
Quá trình tự kết tinh xảy ra kèm theo hiệu ứng toả nhiệt do đó sau khi kết tinh
hệ trở nên bền vững hơn. Trong quá trình này mầm tinh thể được tạo thành do bản
thân chuyển đổi nội tại của hệ tạo thuỷ tinh từ trạng thái ít ổn định nhiệt động về
trạng thái ổn định hơn.

5
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Khả năng kết tinh được xác định, đánh giá, và khảo sát thông qua hai dữ kiện:
tốc độ tạo mầm (V
tm
) và tốc độ phát triển tinh thể (V

ft
) ứng với hai giai đoạn tạo mầm
và phát triển mầm.
Với một hệ cho trước, khi làm lạnh nếu ta xét đến khả năng kết tinh nghĩa là xét
đến tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển tinh thể của nó ta sẽ thấy có 5 trường hợp có

6
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
thể xảy ra như sau:
Ngoài ra, quá trình ngược lại - quá trình đốt nóng thủy tinh và sự kết tinh cũng
rất quan trọng. Khi đốt nóng (chiều ngược lại với làm lạnh) nếu giữ hệ lâu ở nhiệt độ
tạo mầm cực đại sẽ xuất hiện một lượng mầm đáng kể mà khi đốt nóng tiếp lên nhiệt

V
ft
V
tm
V
tm
V
ft
V
tm
V
ft
V
tm
V
ft
V

ft
V
tm
t
0
C
Trường hợp 1: Cực đại tạo mầm nằm ở
nhiệt độ cao hơn cực đại phát triển tinh
thể. Khi làm lạnh hệ này sẽ thường bị
kết tinh dù tốc độ làm lạnh lớn bao
nhiêu cũng vậy.
Trường hợp 2: Ngược lại , luôn cho
thủy tinh vì trong vùng nhiệt độ có khả
năng tạo mầm thì tốc độ phát triển tinh
thể đã ~ 0. Trong thực tế hay gặp hai
vùng nhiệt độ tạo mầm và phát triển
tinh thể phủ nhau ( trường hợp 3,4,5).
Trường hợp 3: Khi làm lạnh chậm sẽ
có các tinh thể nhỏ mịn. Nếu làm lạnh
nhanh trong vùng nhiệt độ tạo mầm
không đủ mầm nên xuất hiện trong
thủy tinh một ít tinh thể riêng biệt.
Trường hợp 4: Khi làm lạnh nhanh hệ
sẽ tạo thủy tinh. Vì khả năng tạo mầm
xảy ra khi V
ft
đã quá bé. Nếu làm lạnh
chậm thì trong thủy tinh sẽ có một
lượng nhỏ tinh thể.
Trường hợp 5: Khi làm lạnh nhanh sẽ

tạo các tinh thể thô. Nếu làm lạnh
chậm lượng mầm xuất hiện đáng kể
chịu V
ft
bé, không đủ thời gian và vật
chất để phát triển nên cho các tinh thể
nhỏ mịn.
7
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
độ có vận tốc phát triển cực đại sẽ cho nhiều tinh thể nhỏ mịn. Ngược lại nếu đốt
nóng qua vùng nhiệt độ tạo mầm nhanh sẽ xuất hiện các tinh thể thô.
1.1.2.2. Quá trình kết tinh định hướng
Khi quá trình tự kết tinh xảy ra thường sẽ thu được sản phẩm gốm thuỷ tinh có
những tính chất không mong muốn do các tinh thể hình thành định hướng tự do, do
đó hầu hết các tính chất của thuỷ tinh đều giảm.
Để tiến hành làm đục mờ thuỷ tinh trong điều kiện có kiểm tra cần phải tạo một
nồng độ mầm tinh thể cao (10
12
-10
15
mầm/cm
3
) và phân bố thật đồng đều trong toàn
bộ khối mẫu. Điều quan trọng là loại bỏ sự kết tinh của một số mầm trên bề mặt. Ta
có thể tạo mầm tinh thể bằng một số phương pháp như sau [2]:
Chuẩn bị một dung dịch keo của các kim loại như Cu, Ag, Au, Pt đưa vào khối
nóng chảy. Các phân tử keo đó không hoà tan hoàn toàn do đó có thể dùng làm tâm
kết tinh khi tôi thuỷ tinh ở nhiệt độ thấp.
Thêm các cấu tử như TiO
2

, P
2
O
5
, ZrO
2
vào phối liệu ban đầu để nấu thuỷ tinh. Ở
nhiệt độ cao các ôxit này hoà tan vào khối chất nóng chảy, nhưng ở nhiệt độ thấp khi
tôi thì lắng kết thành kết tủa, biến thành tâm kết tinh.
Tạo mầm đồng thể bằng cách tôi ở nhiệt độ gần nhiệt độ hoá thuỷ tinh. Lúc đó
sẽ phát sinh ra mầm tinh thể trong toàn khối thuỷ tinh.
Hai phương pháp đầu là sự thực hiện tạo mầm dị thể, chỉ đạt kết quả tốt khi
đảm bảo hai yếu tố:
+ Sức căng giữa pha mầm và pha kết tinh phải rất bé,
+ Cấu trúc tinh thể của pha mầm và của pha kết tinh phải tương tự nhau, đặc
biệt là giá trị khoảng cách giữa các mặt d với các chỉ số hkl bé của hai pha đó gần
giống nhau. Trong trường hợp này có thể phát triển tinh thể theo kiểu epitaxit nếu
kích thước của các tế bào tinh thể mầm và của tinh thể kết tinh khác nhau dưới 15%.

8
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Sau giai đoạn tạo mầm ở nhiệt độ gần nhiệt độ hoá thuỷ tinh khi mà độ nhớt của
hệ khá cao còn tốc độ lớn của tinh thể thì bé thì phải đun nóng thuỷ tinh lên nhiệt độ
cao hơn. Lúc này độ lớn của thuỷ tinh tăng lên trên bề mặt của mầm. Do nồng độ của
mầm rất cao nên tinh thể được phân bố đồng đều trong toàn bộ khối thuỷ tinh. Mỗi
tinh thể lớn lên với tốc độ chậm chạp và va chạm với mầm bên cạnh, làm cho kích
thước của tinh thể trong vật liệu có giá trị rất bé (10
-7
-10
-6

m). Nhiệt độ phát triển tinh
thể thường cao hơn nhiệt độ tạo mầm.
1.1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ GỐM THUỶ TINH [19]
1.1.3.1. Phương pháp thông thường (hai giai đoạn)
Phương pháp thông thường để sản xuất gốm thuỷ tinh là tiến tới làm đục mờ
thuỷ tinh bằng hai giai đoạn nhiệt luyện (hình 1):
Hình 1.1: Hai giai đoạn nhiệt luyện
+ Giai đoạn đầu tiên được thực hiện tại một nhiệt độ nhiệt luyện thấp mà ở đó
tốc độ tạo mầm cao (xung quanh T
N
). Ở đây hình thành một mật độ cao của mầm ở
khắp bên trong thuỷ tinh. Mật độ cao của mầm là rất quan trọng để kích thích hình
thành một lượng lớn tinh thể nhỏ trong cấu trúc của gốm thuỷ tinh.

9
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
+ Giai đoạn thứ hai là giai đoạn nhiệt luyện ở nhiệt độ cao hơn, xung quanh
nhiệt độ T
g
để mầm tinh thể lớn lên ở một tốc độ hợp lý.
Thuỷ tinh nguyên liệu có thể được tạo hình trước khi nung kết, thông thường
thuỷ tinh được tạo hình bằng các phương pháp như đúc và nặn hoặc những phương
pháp đặc biệt khác như ép. Sản phẩm thuỷ tinh và sự nhiệt luyện sau đó tiêu tốn
nhiều năng lượng do đó thường tốn kém.
1.1.3.2 Phương pháp cải tiến (một giai đoạn)
Do nhiệt độ tạo mầm và phát triển mầm thường cách xa nhau và do đó đường
cong tốc độ tạo mầm và phát triển mầm cách xa nhau (hình 1). Nếu có một vùng rộng
chồng lên nhau của chúng thì ta có thể thực hiện một giai đoạn nhiệt luyện ở nhiệt độ
T
NG

như ở hình 2:
Hình 1.2: Một giai đoạn nhiệt luyện
Đường cong tốc độ, đặc biệt là đường cong tạo mầm nhạy cảm với thành phần
và do đó bằng cách tối ưu hoá thành phần trong một vài trường hợp có thể nhận được
sự xen phủ cần thiết.
1.1.3.3. Phương pháp petrurgic
Phương pháp này dùng để sản xuất một vài loại gốm thuỷ tinh bằng cách điều
chỉnh (thường rất chậm) quá trình làm lạnh của thuỷ tinh nguyên liệu từ trạng thái
nóng chảy không qua giai đoạn lưu giữ ở một nhiệt độ trung gian. Với phương pháp
này, cả sự hình thành mầm và phát triển tinh thể đều có thể giữ cùng một vị trí trong

10
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
quá trình làm lạnh. Phương pháp petrurgic và phương pháp truyền thống cải tiến (một
giai đoạn) đều tiết kiệm hơn phương pháp truyền thống về mặt năng lượng.
1.1.3.4. Phương pháp bột
Việc tạo hình bằng cách ép nguội bột sau đó nhiệt luyện ở nhiệt độ cao tới thiêu
kết khối chắc đặc là một con đường thông thường để sản xuất gốm sứ và cũng được
sử dụng cho những sản phẩm gốm thuỷ tinh. Phương pháp này có những giới hạn
trong kích thước và hình dạng của các chi tiết sản xuất, thêm vào đó là chi phí cho
việc sản xuất bột, phương pháp này chỉ được sử dụng khi xác định đươc một lợi ích
chắc chắn. Trong đa số trường hợp chỉ có một chút lợi thế trong việc ép khối và nung
kết bột bởi vì sản phẩm gốm thuỷ tinh đòi hỏi một nhiệt độ nung kết cao nhưng tính
chất của thành phẩm cũng không khác đáng kể so với gốm thuỷ tinh làm từ các con
đường khác.
Thường người ta sử dụng bột thuỷ tinh nguyên liệu, để kết khối theo cơ chế
dòng nhớt ở một nhiệt độ thấp hơn. Quan trọng là phải tính đến tốc độ nung kết dòng
nhớt và sự kết tinh cùng với tương tác của những quá trình này. Nếu sự kết tinh quá
nhanh, kết quả là mức độ kết tinh cao sẽ ngăn cản sự nung kết ở nhiệt độ thấp và do
đó dẫn đến một lượng xốp không mong muốn. Mặt khác, nếu sự nung kết xảy ra

hoàn toàn trước sự kết tinh thì thành phẩm không hứa hẹn có gì khác biệt so với các
phương pháp khác. Trong một vài trường hợp với một tốc độ thích hợp có thể sản
xuất được gốm thuỷ tinh chắc đặc bằng một quá trình kết tụ mà trong đó cả sự kết
đặc và kết tinh xảy ra đồng thời ở cùng nhiệt độ. Việc tối ưu hoá thành phần và nhiệt
độ nung kết có thể dẫn tới những vi cấu trúc khác và thậm chí cả những pha tinh thể
khác so với những sản phẩm từ phương pháp truyền thống và do đó có những tính
chất khác nhau của sản phẩm. Việc sử dụng áp suất hỗ trợ cũng có tác dụng như của
nhiệt độ, phương pháp này cho những sản phẩm có độ chắc đặc gần như hoàn toàn,
tuy nhiên giá thành đắt và kỹ thuật phức tạp.

11
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
1.2. GỐM THUỶ TINH TRÊN HỆ BẬC BA CaO-MgO-SiO
2

1.2.1. Khái quát về các ôxit trong hệ [2]
1. Silic điôxit ( SiO
2
)
Phân tử gam: 60.08 g/mol
Tỷ trọng: 2.2 g/cm
3

Điểm nóng chảy: 1650
0
C (± 75
0
C)
Điểm sôi: 2230
0

C
Độ tan trong nước: 0.012 g/100ml
Ở điều kiện thường, silic đioxit thường tồn tại ở các dạng thù hình là: thạch anh,
tridimit và cristobalit. Mỗi một dạng thù hình này lại có hai dạng: dạng
α
bền ở nhiệt
độ thấp và dạng
β
bền ở nhiệt độ cao.
Sơ đồ biến đổi dạng tinh thể của silic đioxit:
tridimit
γ

↑↓
117
0
C
thạch anh
β
tridimit
β
cristobalit
β
↑↓
573
0
C
↑↓
163
0

C
↑↓
253
0
C
thạch anh
α

870 C
°
→
tridimit
α

1470 C
°
 →
cristobalit
α


1050
0
C

12
Website: Email : Tel (: 0918.775.368

Trong thực tế, nhiệt độ chuyển hóa các dạng thù hình của silic đioxit còn phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như sự có mặt của các chất khoáng hóa, chế độ nâng nhiệt, áp

suất.
Tất cả các dạng tinh thể này đều bao gồm các nhóm tứ diện SiO
4
nối với nhau
qua nguyên tử oxi chung. Trong tứ diện SiO
4
, nguyên tử Si nằm ở tâm tứ diện, liên
kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử oxi nằm ở đỉnh của tứ diện.
Về mặt hóa học SiO
2
rất trơ, nó không tác dụng với oxi, clo, brom và các axit
kể cả khi đun nóng. Nó chỉ tác dụng với flo và HF ở điều kiện thường, SiO
2
tan trong
kiềm hay cacbonat kim loại kiềm nóng chảy.
SiO
2
+ 2NaOH → Na
2
SiO
3
+ H
2
O
SiO
2
+ Na
2
CO
3

→ Na
2
SiO
3
+ CO
2
2. Canxi oxit (CaO)
Phân tử gam: 56.08 g/mol
Tỷ trọng: 3.35 g/cm
3

Điểm nóng chảy: 2572
0
C
Điểm sôi: 2850
0
C
Độ tan trong nước: Có phản ứng với nước.
Canxi ôxit là chất rắn màu trắng, dạng tinh thể lập phương tâm mặt. Về mặt hoá
học canxi ôxit là một ôxit bazơ, có thể bị kim loại kiềm, nhôm, silic khử về kim loại.
Canxi ôxit chủ yếu được điều chế từ canxi cacbonat (CaCO
3
) bằng cách phân huỷ
nhiệt ở khoảng 900
0
C
CaCO
3
→ CaO + CO
2

3. Magie oxit (MgO)
Phân tử gam: 40.30 g/mol

13
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Tỷ trọng: 1.5 g/cm
3

Điểm nóng chảy: 2852
0
C
Điểm sôi: 3600
0
C
Cũng giống như canxi ôxit, magiê ôxit là chất bột hoặc cục màu trắng, dạng bột
tan ít và tan rất chậm trong nước. Magiê ôxit có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt,
được tạo thành khi nung Mg(OH)
2
ở 400 – 500
0
C hoặc nung MgCO
3
ở 600 – 750
0
C.
Mg(OH)
2
→ MgO + H
2
O

MgCO
3
→ MgO + CO
2
1.2.2. Khái quát về gốm thuỷ tinh hệ CaO-MgO-SiO
2
[16]
Gốm thuỷ tinh trong hệ CaO-MgO-SiO
2
với những tính chất tốt về mặt cơ học
và hoá học như sự trong suốt, sức bền, chịu mài mòn, hệ số giãn nở nhiệt thấp, bền
trong môi trường axit và bazơ do đó có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng như
chịu mài mòn, cơ-nhiệt, vật liệu trong y học, gốm phủ.... Tuy nhiên hệ này đòi hỏi
một nhiệt độ tổng hợp tương đối cao. Để giảm đươc nhiệt độ tổng hợp trước hết
thành phần nguyên liệu cần phải được tối ưu hoá sao cho gần với điểm eutecti của hệ.

14
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Hình 1.3: Hệ bâc ba CaO-MgO-SiO
2
[16]
Trong hệ CaO-MgO-SiO
2
điểm dễ chảy nhất ứng với thành phần % về số mol
như sau: 8,0MgO, 61,4SiO
2
, 30,6CaO ở nhiệt độ 1320
0
C được thể hiện trên giản đồ
bậc ba. Trong hệ có các hợp chất 3 cấu tử:

- Diopside CaO.MgO.2SiO
2

- Monticellit CaO.MgO.SiO
2
- Merwinit 3CaO.MgO.2SiO
2
- Okemassomit 2CaO.MgO.SiO
2
Tính chất của các khoáng có thể hình thành trên hệ bậc ba :
+ Diopsite có công thức CaO.MgO.2SiO
2
hay CaMg[Si
2
O
6
]. Tinh thể đơn tà,
có d=3. Thuộc nhóm pyroxen của họ inosilicate. Có cấu trúc dạng chuỗi, các tứ diện
SiO
4
4-
nối với nhau qua hai ion O
2-
tạo thành mạch dài, giữa các mạch đó phân bố các
cation Ca
2+
, Mg
2+
. Các ion này có thể được thay thế đồng hình bởi các ion khác như
Co

2+
, Ni
2+
, Fe
3+
, Cr
3+
… Công thức khung có thể viết [SiO
3
]
2-
hoặc [Si
2
O
6
]
4-
:

15
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
+ Akermanite : trong mạng tinh thể akermanite các ion Ca
2+
, Mg
2+
có thể được
thay thế các ion đồng hình khác : Ce
4+
, Zn
2+

, Sr
2+
, ….
+ Monticellite CaO.MgO.SiO
2
thuộc họ Olevin (Mg,Fe)
2
SiO
4
xếp chặt theo
luật 6 phương ABABB theo hướng [100], tinh thể hệ trực thoi.
+Merwinite có công thức : 3CaO.MgO.2SiO
2

Thuộc nhóm Silicate đảo vòng chỉ có các nhóm SiO
4
với các cation phối trí 6
hoặc lớn hơn. Merwinite không chứa Al, chỉ là silicate của Ca với kim loại kiềm hoặc
Mg hoặc cả hai. Merwinite là tinh thể đơn tà với a=13,29A
0
, b=5,3A
0
, c=9,35A
0
và
β=92,09
0
1.3. Giới thiệu về các phản ứng giữa các pha rắn
1. 3.1. Các phản ứng giữa các pha rắn[10]
Phản ứng giữa các pha rắn khác với phản ứng đồng thể ở thể lỏng hoặc thể khí

về mặt bản chất và cơ chế phản ứng. Phản ứng ở trạng thái lỏng hoặc khí phụ thuộc
chủ yếu vào bản chất và nồng độ các chất ttham gia phản ứng. Do các chất phản ứng
rất linh động, chúng dễ dàng khuếch tán trong toàn bộ thể tích của hệ phản ứng và
tiếp xúc với nhau ở mức độ phân tử, nguyên tử hay ion… Vì thế, phản ứng ở thể lỏng
hoặc thể khí xảy ra dễ dàng hơn và có thể đạt tới trạng thái cân bằng. Trong khi đó
phản ứng pha rắn phụ thuộc vào sự xắp xếp của các cấu tử phản ứng trong mạng lưới
tinh thể. Cấu trúc tinh thể và khuyết tật mạng lưới có ảnh hưởng quyết định đến khả
năng phản ứng của chất rắn. Các chất phản ứng nằm định vị tại các nút mạng tinh
thể, chúng chỉ dao động quanh vị trí cân bằng. Do đó, phản ứng chỉ xảy ra trên bề
mặt tiếp xúc giữa các pha rắn của chất tham gia phản ứng, tốc độ phản ứng xảy ra
chậm và không đạt đến trạng thái cân bằng. Phản ứng bao gồm hai giai đoạn:
1. Giai đoạn tạo mầm tinh thể sản phẩm trên bề mặt tiếp xúc pha.
Để làm sáng tỏ cơ chế phản ứng giữa các pha rắn, chúng tôi xét ví dụ phản
ứng tổng hợp spinel MgAl
2
O
4
từ MgO và α-Al
2
O
3
:

16
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
MgO + α-Al
2
O
3
= MgAl

2
O
4
(1)
Giá trị các hàm nhiệt động của các chất trong phản ứng (1) được cho ở bảng dưới:
Chất
∆H(KJ/mol) ∆G(KJ/mol) ∆S(J/mol)
α-Al
2
O
3
-1675,7±1,3
-1582,26
50,92±0,008
γ-Al
2
O
3
-1653,5±12
-1562,7
59,8±6,3
MgO
-601,7±0,4 -569,4±0,4
26,94
MgAl
2
O
4
-2313±2,1 -2188,2±2,1 80,63±0,42
Bảng 1.1. Giá trị một số hàm nhiệt động

Từ đó tính được ∆G
0
298
= - 36,42 (kj/mol), nghĩa là về phương diện nhiệt động học,
phản ứng trên xảy ra tại nhiệt độ phòng. Tuy nhiên về yếu tố động học thì phản ứng
trên xảy ra cực kỳ chậm, thậm chí ngay cả khi nghiền mịn hỗn hợp MgO và α-Al
2
O
3
,
nén mẫu với áp suất cao rồi nung đến 1200
0
C thì phản ứng mới bắt đầu xảy ra trên bề
mặt tiếp xúc của 2 pha MgO/α-Al
2
O
3
. Sự hình thành lớp tinh thể như vậy gọi là quá
trình tạo mầm tinh thể.
Quá trình tạo mầm tinh thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó cấu trúc tinh
thể của chất tham gia và sản phẩm tạo thành là yếu tố đóng vai trò quan trong nhất.
Tinh thể MgO thuộc hệ lập phương, ion Mg
2+
có số phối trí 6 nằm ở hốc bát diện.
Tinh thể α-Al
2
O
3
thuộc hệ lục phương, ion Al
3+

có số phối trí 6 nằm ở hốc bát diện.
Trong khi đó tinh thể spinel MgAl
2
O
4
thuộc hệ lập phương. Các ion Mg
2+
có số phối
trí 4 nằm tronh hốc tứ diện, ion Al
3+
có số phối trí 6 nằm ở hốc bát diện. Như vậy, tại
biên giới tiếp xúc giữa các pha α-Al
2
O
3
và MgO, khi phản ứng xảy ra thì cation Mg
sẽ chuyển từ số phối trí 6 sang số phối trí 4 và phân mạng anion O
2-
của tinh thể α-
Al
2
O
3
có sự chuyển từ dạng lục phương sang dạng lập phương. Để quá trình tạo mầm
xảy ra đòi hỏi phải phá vỡ một số liên kết cũ trong các chất tham gia phản ứng, từ đó
hình thành nên các liên kết mới của sản phẩm. Điều này chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ
cao tại các ion ở bề mặt tiếp xúc. Do phân mạng anion của spinel MgAl
2
O
4

giống với
MgO nên sự hình thành mầm tinh thể thuận lợi hơn về phía mặt tinh thể MgO. Một
yếu tố đóng vai trò quan trọng đối với quá trình tạo mầm tinh thể sản phẩm là nhiệt
độ nung. Bởi lẽ sự phá hủy liên kết cũ và hình thành liên kết mới cũng như sự dịch

17
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
chuyển của các cation chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cao, vì lúc đó các cation mới có đủ
năng lượng để dịch chuyển.
2. Giai đoạn phát triển mầm tinh thể sản phẩm.
Sau khi hình thành một lớp mầm tinh thể sản phẩm thì đến giai đoạn phát triển
của lớp tinh thể đó. Để thực hiện quá trình này sẽ có sự khuếch tán ngược chiều các
cation. Cation Mg
2+
khuếch tán từ bề mặt tiếp xúc MgO/MgAl
2
O
4
đi qua lớp sản
phẩm MgAl
2
O
4
để phản ứng với Al
2
O
3
, trong khi đó cation Al
3+

khuếch tán theo
chiều ngược lại. Để đảm bảo tính trung hòa về điện, cứ 2 ion Al
3+
khuếch tán sang
trái, phải có 3 ion Mg
2+
khuếch tán sang phải. Các phản ứng xảy ra như sau:
Trên bề mặt biên giới MgO/MgAl
2
O
4
:
2Al
3+
- 3Mg
2+
+ 4MgO = MgAl
2
O
4
Trên mặt biên giới Al
2
O
3
/MgAl
2
O
4
:
3Mg

2+
- 2Al
3+
+ 4Al
2
O
3
= 3MgAl
2
O
4
Phản ứng tổng cộng:
4MgO + 4Al
2
O
3
= 4MgAl
2
O
4
Như vậy: tốc độ phát triển tinh thể sản phẩm về phía phải nhanh gấp 3 lần về phía
trái. Cơ chế phản ứng giữa các pha rắn theo kiểu khuếch tán ngược dòng các cation
như vậy gọi là cơ chế C. Wagner.
Kết quả nghiên cứu động học phản ứng tạo thành spinel của W.Jander cho
thấy giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng là quá trinh khuếch tán ngược dòng các
cation qua lớp sản phẩm spinel. Hằng số tốc độ phản ứng được tính theo phương
trình:
t
x
k

2
3
100
100
1








−
−
=
Trong đó: t là thời gian phản ứng;
x hàm lượng % chất đã tham gia phản ứng;
k hằng số tốc độ phản ứng.
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng giữa các pha rắn.

18
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Phản ứng giữa các pha rắn khác biệt hoàn toàn với phản ứng giữa các chất khí,
hay giữa các chất tan trong dung dịch do các phân tử tham gia phản ứng đều nằm tại
các nút mạng của tinh thể chất ban đầu. Vì vậy phản ứng chỉ xảy ra tại vị trí tiếp xúc
giữa các pha rắn của các chất tham gia phản ứng. Qua trình thực hiện phản ứng giữa
các chất rắn gồm các bước: chuẩn bị chất rắn đa tinh thể, tiến hành phản ứng ở nhiệt
độ cao.
Một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để chuẩn bị chất

rắn đa tinh thể (dạng bột) là thực hiện phản ứng trực tiếp hỗn hợp các nguyên liệu
ban đầu ở pha rắn. Vì vậy tốc độ khuếch tán và hoạt tính của các cấu tử tham gia
phản ứng quyết định đến tốc độ phản ứng. Hai yếu tố này bị chi phối bởi nhiều yếu
tố:
- Nhiệt độ nung
- Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng
- Đặc điểm cấu trúc của các chất ban đầu
- Chất khoáng hoá
a. Nhiệt độ nung, các chất rắn thường không phản ứng với nhau ở nhiệt độ
thường, chỉ khi ở nhiệt độ cao các cấu tử mới có đủ năng lượng để khuếch tán qua
lớp sản phẩm đến bề mặt tiếp xúc giữa các hạt để phản ứng. Ngoài ra, dưới tác động
của nhiệt độ, mạng lưới cấu trúc pha giữa các chất ban đầu bị phá vỡ dần tạo điều
kiện cho sự khuếch tán, sắp xếp của các ion trong pha cũ để tạo thành pha mới. Do
vậy tốc độ phản ứng pha rắn phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ nung. Nói chung phản
ứng có thể đạt được nếu nhiệt độ nung đạt đến 2/3 điểm nóng chảy của một trong các
chất tham gia phản ứng.
b. Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng, ảnh hưởng quyết
định đến khả năng phản ứng đến cùng của các chất phản ứng. Hầu hết các kỹ thuật
tổng đều nhằm mục đích là tăng diện tích tiếp xúc giữa các chất phản ứng bằng cách
chuẩn bị phối liệu có kích thước hạt càng nhỏ càng tốt. Chẳng hạn như phương pháp

19
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
sol – gel giúp chuẩn bị các cấu tử phản ứng được trộn lẫn ở kích thước nguyên tử,
phân tử vì thế có thể hạ thấp nhiệt độ nung thiêu kết đáng kể so với phương pháp
gốm truyền thống. Với phương pháp gốm truyền thống, phối liệu ban đầu có thể
được nghiền mịn, ép chặt, nung, sau đó nghiền mịn rồi lại nung và lặp lại nhiều lần
như thế. Tác dụng của quá trình nghiền mịn liên tục giữa các lần nung không chỉ tăng
bề mặt tiếp xúc giữa hỗn hợp các chất phản ứng mà còn tạo thêm các bề mặt mới
cũng như các khuyết tật cấu trúc nhằm thúc đẩy phản ứng đến cùng.

c. Đặc điểm cấu trúc của các chất ban đầu, phản ứng pha rắn được thực hiện
trực tiếp giữa các chất phản ứng ở pha rắn nên cấu trúc ban đầu của chất rắn có ảnh
hưởng quyết định không những đến tốc độ phản ứng mà còn ảnh hưởng đến cơ chế
của phản ứng. Các chất ban đầu có cấu trúc kém bền, hoặc tinh thể có nhiều khuyết
tật thì có hoạt tính hơn thì dễ tham gia phản ứng hơn.
Ví dụ: với phản ứng giữa các oxit, người ta thường chọn chất ban đầu là các
muối dễ phân hủy và phân huỷn cho oxit ở vùng nhiệt độ phản ứng. Lúc này các oxit
mới hình thành có cấu trúc mạng lưới chưa hoàn chỉnh (hoạt tính hơn) nên dễ tham
gia phản ứng hơn so với các oxit bền được đưa vào làm phối liệu ban đầu.
Ngoài ra, phản ứng pha rắn sẽ xảy ra thuận lợi về mặt năng lượng hơn khi các
chất phản ứng có cùng kiểu cấu trúc với sản phẩm hình thành và thường được phân
biệt bởi hai loại phản ứng: epitactic và topotactic. Phản ứng epitactic yêu cầu có sự
giống nhau về cấu trúc ở lớp tiếp xúc của chất phản ứng và sản phẩm. Còn phản ứng
topotactic thì yêu cầu sự giống nhau về cấu trúc trong toàn khối. Tuy nhiên bên cạnh
yếu tố giống nhau về cấu trúc, để xảy ra sự định hướng tạo mầm sản phẩm một cách
thuân lợi thì kích thước tế bào mạng cũng như khoảng cách giữa các nguyên tử cũng
phải gần giống nhau (chênh lệch dưới 15%).
d. Chất khoáng hóa, thường được đưa vào phối liệu với hàm lượng khá thấp
(khoảng vài %) nhằm tạo pha lỏng có độ nhớt thấp, giúp thấm ướt các hạt rắn của các
chất phản ứng dẫn đến xảy ra quá trình hòa tan của các chất phản ứng. Từ đó giúp sự

20
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
khuếch tán chất phản ứng dễ dàng hơn nên có tác dụng thúc đẩy tốc độ phản ứng
cũng như quá trình tái kết tinh sản phẩm trong hỗn hợp. Mặt khác, pha lỏng có tác
dụng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt rắn, làm tăng mật độ của sản phẩm phản ứng,
nghĩa là giúp cho quá trình kết nối xảy ra nhanh ở nhiệt độ thấp. Đôi lúc chất khoáng
hóa có thể tham gia phản ứng với một trong các chất phản ứng để chuyển thành pha
khí, sự xuất hiện pha khí đã chuyển phản ứng giữa các pha rắn theo một cơ chế khác-
cơ chế CVT ( Chemical Vapor Transport). Các chất khoáng hoá sử dụng phổ biến là:

các hợp chất của Bo (H
3
BO
3
, Na
2
B
4
O
7
. 10 H
2
O, B
2
O
3
), các muối của kim loại kiềm,
các hợp chất của Flo, Clo ( NaF, NaCl, CaF
2
, BaF
2
, AlF
3
, Na
2
SiF
6
, Na
3
AlF

6
, …) hoặc
có khi là các oxit dễ chảy(oxit vanadi, oxit lantan, …).
Nói chung, phản ứng kết hợp trực tiếp của các chất ở pha rắn thường tiêu
tốn rất nhiều thời gian nếu không có sự hình thành pha lỏng hoặc pha khí, quá trình
phản ứng thường là rất phức tạp và phụ thuộc nhiều bề mặt tiếp xúc giữa các pha
cũng như các khuyết tật cấu trúc của các chất phản ứng. Tuy nhiên khi sản phẩm
được tạo thành thì có khuynh hướng giảm diện tích tiếp xúc giữa các chất phản ứng
dẫn đến giảm nhiệt độ phản ứng. Phạm vi tạo thành sản phẩm bị giới hạn bởi bề mặt
tiếp xúc giữa các chất tham gia phản ứng phải khuếch tán qua lớp sản phẩm mới tạo
thành. Vì vậy phản ứng khó xảy ra đến cùng.

21
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X [10]
Nhiễu xạ tia X (XRD) là một trong những phương pháp hiện đại được dùng để
xác định thành phần pha tinh thể của vật liệu. Nguyên tắc của phương pháp này là khi
chiếu một chùm tia X đơn sắc song song vào vật liệu có cấu trúc tinh thể thì xảy ra
hiện tượng khuếch tán tia X. Điện trường của chùm tia tới làm cho điện tử của
nguyên tử trong mạng tinh thể dao động, sự dao động này là nguồn phát thứ cấp phát
ra bức xạ cùng tần số với tia X.
Vì các tia khuếch tán có cùng tần số nên chúng có thể giao thoa với nhau. Mặt
khác, khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng lưới bằng bước sóng tia X nên tinh
thể thường được dùng làm mạng nhiễu xạ để quan sát sự giao thoa của tia X. Sự giao
thoa của các tia khuếch tán sau khi đi qua mạng tinh thể gọi là sự nhiễu xạ tia X.
Trong mạng tinh thể các nguyên tử tạo thành mặt phẳng nút. Sự khuếch tán tia X có
thể xem như sự phản xạ từ các mặt phẳng nút đó. Khi chiếu một chùm tia X đơn sắc
có bước sóng xác định đi qua một hệ tinh thể, trong tinh thể ta chọn 2 mặt phẳng nút
song song với nhau có khoảng cách giữa các mặt là d

hkl
, góc hợp bởi phương của tia
tới và mặt phẳng nút là θ.

22
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Hình 2.1. Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg
Nếu hiệu số đường đi giữa 2 lia tới và tia phản xạ bằng một số nguyên lần bước sóng
thì sẽ xảy ra hiện tượng nhiễu xạ.
Ta có: DEF – ABC = nλ
mặt khác: DEF – ABC = GE + EH = 2d
hkl
sinθ
Do đó: 2d
hkl
sinθ = nλ (*)
trong đó:
d
hkl
- khoảng cách giữa 2 mặt phẳng nút mạng tinh thể;
θ - góc tạo bởi tia tới và mặt phẳng phản xạ;
λ - bước sóng tia X;
n = 1, 2, 3… gọi là bậc phản xạ ( thực nghiệm thường chọn n = 1).
Phương trình (*) được gọi là phương trình Bragg ( do W.L.Bragg thiết lập năm
1913), nó biều diễn mối quan hệ giữa góc của tia nhiễu xạ với bước sóng của tia X và
khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử. Đây là phương trình cơ bản của phương
pháp phân tích cấu trúc bằng tia X, khi biết được bước sóng λ của tia X và góc nhiễu
xạ θ thì tính được hằng số mạng d
hkl
. So sánh giá trị d

hkl
thu được với giá trị d
hkl
của
mẫu chuẩn cho phép ta xác định được mẫu nghiên cứu có chứa các khoáng vật nào.
Phương pháp nhiễu xạ tia X cho phép xác định các thông số mạng như:a, b, c, sự
hình thành dung dịch rắn, các khuyết tật mạng lưới tinh thể và mức độ tạo thành của
các tinh thể không kết tinh.

23
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Hệ tinh thể Thông số mạng
Liên hệ giữa d
hkl
với các
thông số mạng
Lập phương
(Cubic)
a = b = c
α = β = γ = 90
0
2
222
2
)(1
a
lkh
d
++
=

Hệ tứ phương
(Tetragonal)
a = b # c
α = β = γ = 90
0
2
2
2
22
2
)(1
c
l
a
kh
d
+
+
=
Hệ trực thoi
(Orthohombic)
A # b # c
α = β = γ = 90
0
2
2
2
2
2
2

2
1
c
l
b
k
a
h
d
++=
Hệ lục phương
(Hexagonal)
a = b # c
α = β = 90
0
, γ = 120
0
2
2
2
22
2
3
41
c
l
a
hkkh
d
+









++
=
Bảng 2.1. Trình bày mối quan hệ giữa d
hkl
với a, b, c,
α
,
β
,
γ
của một số hệ tinh thể.
Khi ghi mẫu ở các nhiệt độ khác nhau có thể xác định được hệ số giãn nở
nhiệt và các quá trình chuyển hóa các dạng thù hình của các pha trong mẫu.
Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X của mẫu đơn tinh thể cho phép xác định
được kiểu mạng lưới, nhóm không gian, sự phân bố mật độ electron, kích thước
nguyên tử, liên kết hóa học.
Để xác định thành phần pha tinh thể của các mẫu nghiên cứu trong luận văn,
chúng tôi tiến hành ghi giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị D8 ADVANCE
BRUKER – (Đức), góc quay 2
θ
: 5 – 70
0

tại khoa Hoá trường ĐHKHTN – ĐHQG
Hà Nội.

24
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
2.2. Phương pháp phân tích nhiệt
Phương pháp phân tích nhiệt được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nghiên
cứu vật liệu. Khi đốt nóng mẫu nghiên cứu, các khoáng vật có trong mẫu sẽ có các
quá trình biến đổi hóa lý khác nhau: quá trình mất nước vật lý, mất nước cấu trúc, sự
phân hủy, sự chuyển pha, sự biến đổi thù hình, sự tương tác hóa học giữa các phân tử
phản ứng trong hệ để tạo nên chất mới,… Các quá trình biến đổi này kèm theo hiệu
ứng thu nhiệt hoặc tỏa nhiệt (∆H). Bằng cách ghi các hiệu ứng nhiệt này, chúng ta có
thể dự đoán được các quá trình biến đổi xảy ra khi nung nóng vật liệu.
Hình 2.2. Sơ đồ khối của thiết bị phân tích nhiệt
Một số kỹ thuật phân tích nhiệt phổ biến như sau:
- Phân tích nhiệt vi sai (DTA): Dùng các thiết bị phân tích nhiệt hiện đại, ta có thể
xác định được các quá trình biến hóa đó xảy ra ở nhiệt độ nào, quá trình xảy ra tỏa
hay thu nhiệt. Dựa vào đường cong nhiệt vi sai , người ta có thể dự đoán được các
phản ứng xảy ra trong pha rắn ở các nhiệt độ nung khác nhau. Đối với việc khảo sát
các quá trình chuyển hoá xảy ra dựa vào đường cong DTA người ta sử dụng các đặc
trưng của đường cong là: diện tích, biên độ, khoảng nhiệt độ của các pic.
- Phân tích nhiệt trọng lượng (TG): Bằng cách xác định sự thay đổi khối lượng
của mẫu nghiên cứu khi nung nóng mẫu với tốc độ nâng nhiệt không thay đổi, chúng

25
A
B C
D
Lập
chương

trình
Lò nung Ghi
thông tin
Xử lí
thông tin
DTA
T1
T2
T
Chất so
sánh
Mẫu
nghiên cứu