tổng quan về gốm và gốm cordirite

Mở đầu
Công nghiệp gốm sứ là một trong những ngành cổ truyền được phát triển
rất sớm. Từ hơn 9000 năm trước công nguyên vật liệu gốm đã được con người
biết đến và sử dụng. Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, vật
liệu gốm càng ngày càng được sử dụng rộng rãi, đặc biệt sự ra đời của nhiều loại
gốm mới với nhiều đặc tính ưu việt đang trở thành đề tài được rất nhiều nhà khoa
học trên thế giới và trong nước quan tâm nghiên cứu.
Gốm Anorthite Al2O3.CaO.2SiO2 với các đặc tính nổi trội như khả năng
chịu nhiệt lớn, độ giãn nở nhiệt nhỏ, chịu mài mòn và hằng số điện môi ổn
định… Với những đặc tính như vậy gốm Anorthite được sử dụng làm vật liệu
nền, vật liệu chịu nhiệt ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ như: công nghệ
xây dựng, điện tử, luyện kim…
Do vậy, việc nghiên cứu tổng hợp gốm Anorthite sẽ góp phần vào sự phát
triển của ngành công nghệ vật liệu gốm.

Chương 1: Tổng quan
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu gốm.
Gốm là loại vật liệu có cấu trúc tinh thể bao gồm các hợp chất kim loại và
á kim: kim loại với oxi (các oxit), kim loại với nitơ (các nitrua), kim loại với
cacbon (các cacbua), kim loại với silic (các silixua), kim loại với lưu huỳnh (các
sunfua)… Liên kết chủ yếu trong vật liệu gốm là liên kết ion, tuy nhiên cũng có
trường hợp liên kết cộng hóa trị đóng vai trò chính.

1


Vật liệu gốm có nhiều đặc tính quí về cơ, nhiệt, điện, từ, quang… do đó
đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các ngành công nghiệp.
Về đặc tính cơ, vật liệu gốm có độ rắn cao nên được dùng làm vật liệu
mài, vật liệu giá đỡ…
Về đặc tính nhiệt, vật liệu gốm có nhiệt độ nóng chảy cao, đặc biệt là hệ

số giãn nở nhiệt thấp nên được dùng làm các thiết bị đòi hỏi có độ bền nhiệt,
chịu được các xung nhiệt lớn (lót lò, bọc tàu vũ trụ…).
Về đặc tính điện, độ dẫn điện của vật liệu gốm thay đổi trong một phạm vi
khá rộng từ dưới 10 Ω-1.cm-1 đến 10-12 Ω-1.cm-1. Có loại vật liệu gốm trong đó
phần tử dẫn điện là electron như trong kim loại, cũng có loại vật liệu gốm trong
đó ion đóng vai trò là phần tử dẫn điện. Do đó ta có thể tổng hợp nhiều loại vật
liệu gốm kĩ thuật khác nhau như gốm cách điện, gốm bán dẫn, gốm siêu dẫn
điện…
Đặc tính từ của vật liệu gốm rất đa dạng. Ta có thể tổng hợp được gốm
nghịch từ, gốm thuận từ, gốm sắt từ, gốm phản sắt từ với độ từ cảm thay đổi từ 0
đến 10 phụ thuộc rất đa dạng vào nhiệt độ cũng như từ trường ngoài.
Về đặc tính quang, ta có thể tổng hợp được các loại vật liệu có các tính
chất quang học khác nhau như vật liệu phát quang dưới tác dụng của dòng điện
(chất điện phát quang), vật liệu phát quang dưới tác dụng của ánh sáng (chất lân
quang) hoặc các loại gốm sử dụng trong thiết bị phát tia laze.
Vật liệu gốm đã góp phần đặc biệt quan trọng đối với sự phát triển của
mọi ngành khoa học kỹ thuật và công nghiệp cuối thế kỉ XX như công nghệ vật
liệu xây dựng, công nghệ chế tạo máy, giao thông vận tải, công nghệ thông tin,
kỹ thuật điện, từ, quang, công nghệ chinh phục vũ trụ…

1.2. Giới thiệu chung về hệ bậc ba CaO-Al2O3-SiO2
1.2.1. Khái quát về các oxit trong hệ
2


1.2.1.1 Canxi oxit (CaO)
Canxi oxit là chất rắn màu trắng, dạng tinh thể lập phương tâm mặt. Về
mặt hóa học canxi oxit là một oxit bazơ, có thể bị kim loại kiềm, nhôm, silic khử
về kim loại. Canxi oxit chủ yếu được điều chế từ canxi cacbonat (CaCO 3) bằng
cách phân hủy nhiệt ở khoảng 9000C.

0

CaCO3

 900

→

CaO +

CO2

1.2.1.2. Silic oxit (SiO2)
Ở điều kiện thường, SiO2 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.
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.
Ở nhiệt độ thường chỉ có thạch anh α bền nhất còn các tinh thể khác là giả
bền. Thạch anh nóng chảy ở 1600-1670 0C nhiệt độ nóng chảy của nó không thể
xác định chính xác được vì sự biến hóa một phần sang những dạng đa hình khác
với tỉ lệ khác nhau tùy theo điều kiện bên ngoài.
Về mặt hóa học SiO2 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.
1.2.1.3. Nhôm oxit
Nhôm oxit là chất màu trắng, không tan trong nước và dung môi hữu cơ
không phân cực; là oxit lưỡng tính- có thể hòa tan trong axit vô cơ, dung dịch
kiềm. Nhiệt độ nóng chảy khoảng 2000°C.
Có số phối trí 4 và 6. Trong các dạng thù hình chỉ có 3 dạng quan trọng là

α, β, γ.

3


α−Al2O3 là dạng thù hình bền vững nhất, loại này còn có tên là corun, tinh
thể corun gồm phân mạng xếp khít lục phương của ion oxi. Cation Al3+ chiếm 2/3
hốc bát diện, còn hốc T+ và T− đều bỏ trống.

1.2.2. Khái quát về gốm hệ CaO-Al2O3-SiO2
Giản đồ pha của hệ CaO-Al2O3-SiO2 được minh họa trong hình bên dưới:

4


Tồn tại một số hệ bậc hai trong hệ bâc ba CaO-Al 2O3-SiO2 như Mullite
(3Al2O3.2SiO2), Wollastonite (CaO.SiO2) và Grossite (CaO.2Al2O3) và các hợp
chất bậc ba của CaO-Al2O3-SiO2 gồm Gehlenite (2CaO.Al2O3.SiO2) và Anorthite
(CaO.Al2O3.2SiO2).
Nhiệt độ nóng chảy của SiO2 tinh khiết ở 1723°C, với CaO là 2570°C và
Al2O3 là 2020°C. Có rất ít sự hòa tan lẫn nhau tồn tại trong giai đoạn kết tinh bởi
các ion Ca+2, Al +3 và Si +4 là đủ khác về kích thước để ngăn chặn sự thay thế của
một ion cho một trong những mạng tinh thể.
Vùng kết tinh của Anorthite được đặt giữa giản đồ pha hệ bậc ba và khu
vực Anorthite được bao quanh bởi mullite, tridymite, alumina, gehlenite và
calcium silicate. Anorthite nóng chảy ở 1553°C tương ứng với thành phần %
khối lượng như sau: 20.1% CaO; 36,7% Al2O3 và 43,2% SiO2.

1.3. Giới thiệu về vật liệu gốm Anorthite.
1.3.1. Cấu trúc của Anorthite.

Anorthite có công thức chung CaO.Al2O3.2SiO2 hay CaAl2O8. Theo lý
thuyết gồm: CaO 21.1%; Al2O3 36.7% và SiO2 43.2% về khối lượng.
Anorthite thuộc họ Fenspat, hệ tinh thể đối xứng tam tà.

5


Anorthite thuộc hệ tinh thể tam tà, có thông số mạng a=0.81730 nm,
b=1.28690 nm, c=1.41 nm, α=93.113, β=115.913, γ =91.261, Z=8.
Cấu trúc mạng lưới tinh thể Anorthite gồm tứ diện (Si,Al)-O với ion Ca 2+
chiếm giữ các lỗ trống. Tại vị trí lỗ trống tứ diện và một nửa của tứ diện đó được
chiếm đóng bởi ion Al 3+.
1.3.2. Tính chất của gốm Anorthite.
Độ
Mẫu gốm

cứng

Trọng

Khối lượng
riêng

xạ

6-6.5

2.55-2.67

Hằng số

nhiệt

điện môi ε

gam

°C

tại 1Hz

158.08

1556

6.2

Chỉ số khúc lượng

Morh g/cm3
Anorthite

Bền

1.575-1.591

phân tử

1.5. Nguyên liệu sản xuất gốm Anorthite bằng phương pháp truyền thống
Người ta chia làm 3 loại chính

6


Nguyên liệu dẻo: các loại cao lanh và đất sét, chúng tạo điều kiện cho phối
liệu dẻo. Trong các mỏ cao lanh, đất sét khoáng caolinit có công thức hoá
học là Al2O3.2SiO2.2H2O chiếm thành phần chủ yếu
Nguyên liệu không dẻo hay nguyên liệu đầy có tác dụng làm giảm sự co
ngót, tạo điều kiện để chống nứt khi sấy và nung nhưng đồng thời cũng giảm khả
năng tảo hình. Ngoài ra nguyên liêu đầy cũng đóng vai trò quan trọng trong việc
hình thành các tính chất của gốm. Nguyên liệu đầy điển hình như thạch anh,
corundon α-Al2O3, đất sét nung…
Chất trợ dung: chức năng chính là tạo pha lỏng khi nung- điều kiện này
thúc đẩy nhanh quá trình kết khối. Điển hình cho loại này là tràng thạch alkali
hay nguyên liệu chứa các oxyt kiềm thổ.

1.4. Các phương pháp tổng hợp gốm
1.4.1. Phương pháp điều chế gốm truyền thống
Có thể mô tả phương pháp gốm truyền thống theo dạng sơ đồ sau:
Chuẩn bị Phối liệu

Nghiền
Trộn

Ép viên

Nung

Sản phẩm

Hình 1.1. Phương pháp gốm truyền thống để sản xuất vật liệu gốm

Trong sơ đồ:

7


Giai đoạn chuẩn bị phối liệu: tính toán thành phần của nguyêu liệu ban
đầu (đi từ các ôxit, hiđroxit, hoặc các muối vô cơ...) sao cho đạt tỷ lệ hợp thức
của sản phẩm muốn điều chế.
Giai đoạn nghiền, trộn: nghiền mịn nguyên liệu để tăng diện tích tiếp xúc
giữa các chất phản ứng và khuyếch tán đồng đều các chất trong hỗn hợp. Khi
nghiền ta có thể cho một lượng ít dung môi vào cho dễ nghiền . Phải chọn loại
dung môi nào để trong quá trình nghiền dễ thoát ra khỏi phối liệu ( có thể dùng
rượu etylic, axeton… ).
Giai đoạn ép viên: nhằm tăng độ tiếp xúc giữa các chất phản ứng. Kích
thước và độ dày của viên mẫu tùy thuộc vào khuôn và mức độ dẫn nhiệt của phối
liệu. Áp lực nén tùy thuộc vào điều kiện thiết bị có thể đạt tới vài tấn/cm 2. Dùng
thiết bị nén tới hàng trăm tấn thì trong viên phối liệu vẫn chứa khoảng 20% thể
tích là lỗ xốp và các mao quản. Để thu được mẫu phối liệu có độ xốp thấp cần
phải sử dụng phương pháp nén nóng (tức là vừa nén vừa gia nhiệt). Việc tác
động đồng thời cả nhiệt độ và áp suất đòi hỏi phải có thời gian để thu được mẫu
phối liệu có độ chắc đặc cao.
Giai đoạn nung: là thực hiện phản ứng giữa các pha rắn đây là công đoạn
được xem là quan trọng nhất. Phản ứng giữa các pha rắn không thể thực hiện
hoàn toàn, nghĩa là sản phẩm vẫn còn có mặt chất ban đầu chưa phản ứng hết
nên thường phải tiến hành nghiền trộn lại rồi ép viên, nung lại lần hai. Đôi lúc
còn phải tiến hành nung vài lần như vậy.
Bên cạnh các phương pháp tổng hợp đã trình bày ở trên còn có một số
phương pháp tổng hợp khác như: đồng kết tủa, phân tán pha lỏng lỏng, sol-gel,

kết tinh từ dung dịch, điện hoá, tự bốc cháy, thủy nhiệt …

8