GỐM THỦY TINH Vật liệu đang thu hút nhiều sự quan tâm

1

GỐM THỦY TINH
1)

Giới thiệu
•

Gốm thủy tinh được tình cờ phát hiện vào năm 1953 bởi Stanley Donald
Stookey. Khi đó ông đang nghiên cứu tại công ty Corning Glass Works về
sản phẩm pin lithium. Ông tạo ra thủy tinh có chứa các phân tử kết tinh bạc.
Sau đó, vô tình đưa sản phẩm này tiếp xúc với ngọn lửa 600°C, thay vì thủy
tinh bị chảy ra, Stanley lại thấy miếng thủy tinh vẫn không thay đổi về hình
dạng. Khi làm rơi, miếng thủy tinh không bị vỡ. Stanley rất ngạc nhiên bởi
độ bền của vật liệu mới tìm thấy và sau đó ông đã giới thiệu ra thị trường
loại gốm thủy tinh đầu tiên mang tên fotoceram. Sau đó, gốm thủy tinh được
rất nhiều nhà sản xuất khác nhau trên thế giới nghiên cứu chế tạo như hãng
Corning Ware – sản xuất nồi và chén đĩa gốm thủy tinh, hãng Schott’s Ceran
– sản xuất mặt bếp các loại, hãng Nippon Electric Glass – sản xuất gốm thủy

•

tinh dùng trong y tế và xây dựng…
Gốm thủy tinh là những chất tinh thể được chế tạo từ vật liệu ban đầu dạng
thủy tinh.

2)

Tính chất : có những đặc tính quan trọng của thủy tinh và gốm
•

Độ bền cơ học cao
 VD : ống thủy tinh thường có độ bền gãy là 210 - 700 kg/cm2 thì gốm
thủy tinh với hình dạng và kích thước tương đương có độ bền gãy là

•

2.800 - 4.200 kg/cm2
Hệ số giãn nở nhiệt thấp
 VD : nhiều ôxit thủy tinh sẽ nóng chảy ở 600 - 700oC, còn vật liệu
gốm thủy tinh có thành phần như vậy thì ở 1.000 - 2.000oC vẫn giữ

•

được độ bền cơ và độ rắn
Ngoài ra ,gốm thủy tinh còn cách nhiệt rất tốt ,đặc biệt là khi nó chứa oxit

•

kim loại kiềm.
Hầu như không có lỗ xốp.


2

•

Vật liệu gốm-thủy tinh, còn được gọi với các tên khác như glass-ceramic,
vitroceram, pyroceram, sitall, slagceram,… được chế tạo bằng cách kiểm soát quá
trình kết tinh của một số loại thủy tinh – thường được thực hiện nhờ việc sử dụng
các phụ gia tạo mầm kết tinh. Điều này ngược lại với sự kết tinh bề mặt tự phát

xảy ra trong sản xuất thủy tinh. Vật liệu gốm-thủy tinh luôn chứa pha thủy tinh dư
và một hoặc nhiều pha tinh thể. Lượng tinh thể trong vật liệu gốm-thủy tinh dao
động trong khoảng 0,5-99,5%, phần lớn trong khoảng 30-70%. Việc gốm hóa có
kiểm soát tạo nên các vật liệu có tính năng vượt trội, thậm chí khác thường.

•

Không giống như vật liệu gốm kết khối, vật liệu gốm-thủy tinh vốn không có độ
xốp. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, bọt hoặc những lỗ rỗng vẫn hình thành
trong giai đoạn cuối của quá trình kết tinh. Về cơ bản, vật liệu gốm-thủy tinh có
những ưu điểm sau:

- Có thể được sản xuất hàng loạt trên cơ sở các kỹ thuật sản xuất thủy tinh;
- Có thể được thiết kế với cấu trúc nano hay cấu trúc micro, tùy theo mục đích sử
dụng;
- Có độ xốp bằng không (0) hoặc độ xốp rất thấp;
- Có thể được chế tạo một cách linh hoạt, nhằm tạo ra loại vật liệu có đồng thời nhiều
tính năng kỹ thuật mong muốn.
•

Ví dụ về các ưu điểm của vật liệu gốm-thủy tinh đã nêu ở trên là sự kết hợp giữa
hệ số giãn nhiệt rất thấp với tính trong suốt đối với các dải sóng dài nhìn thấy dành
cho dụng cụ nhà bếp (cooking ware).

•

Một ví dụ khác là sự kết hợp giữa cường độ (độ bền) rất cao và dai với độ trong
suốt, tính tương hợp sinh học, bền hóa học và độ cứng tương đối để ứng dụng
trong lĩnh vực nha khoa.

3

3)

Phương pháp :

- Phốiliệuthủytinh+ chấttạomầmdị thểnấuchảy
- Tạohình
- Làm nguội và xử lý nhiệt theo2 giai đoạn để tạo mầm và pháttriểnmầmtinhthể
• Gốm thủy tinh thường được tạo ra bằng cách thoạt đầu theo công nghệ thủy
tinh (nấu chảy, tạo hình, cấu trúc vô định hình), sau đó được xử lý nhiệt theo
chế độ nhiệt luyện xác định để thực hiện quá trình tạo mầm và kết tinh, tạo
nên các vi tinh thể với tổng thể tích 60 - 95%. Để tạo mầm phải chọn thủy
tinh gốc phù hợp và cho thêm các chất xúc tác tạo mầm như Pt, TiO2, ZrO2,
SnO2... Thông thường thì gốm thủy tinh không phải là tinh thể hoàn toàn. vi
cấu trúc gồm 50% đến 95% tinh thể, phần còn lại là thủy tinh. Một hoặc
nhiều pha tinh thể có thể được hình thành trong quá trình xử lý nhiệt.
Nhờ kiểm soát được thành phần và sự kết tinh (còn gọi là phản thủy tinh hóa
- devitrification) người ta có thể tạo nên các pha tinh thể khác nhau với tỷ lệ,
•

kích thước, hình dạng và sự phân bố khác nhau
Hiện nay,có thể chế tạo gốm thủy tinh bằng phương pháp cải tiến : để nhiệt
độ tạo mầm và phát triển mầm gần nhau nhằm tiết kiệm năng lượng hơn
phương pháp truyền thống. Ngoài ra, cũng có thể chế tạo gốm thủy tinh bằng
phương pháp bột tương tự như cách thông thường để sản xuất gốm sứ.
Trước tiên tạo hình gốm thủy tinh bằng cách ép nguội bột sau đó nhiệt luyện
ở nhiệt độ cao để hình thành khối chắc đặc. Phương pháp này ít được sử
dụng vì có những yêu cầu về kích thước và hình dạng của các chi tiết sản

xuất, cũng như chi phí sản xuất cao


4


5

Tạo ra gốm thủy tinh trong PTN tại đại học Jena, Đức


6

Sự sắp xếp trong cấu trúc của một phân tử gốm thủy tinh
4)

Ứng dụng
a)
•

Trong y tế : gốm thủy tinh y sinh
Nguyên liệu chính để tổng hợp : cát trắng ,photphat canxi,hydroxit nhôm,

•

axit boric, cacbonat canxi,cacbonat manhe ,potas,fluorit canxi …
Dùng làm xương nhân tạo vì các vi tinh thể trong gốm có thành phần giống

•
•

xương người
Thay cho răng
Có tính chất sinh học cao so với vật liệu y sinh truyền thống (titan, hợp kim

•

đặc biệt, vật liệu các bon, silicon...).
Có khả năng liên kết sinh hóa với tế bào sống, giúp cho các tế bào sau khi bị

b)
•

thương tổn tiếp tục tái sinh và liên kết trực tiếp với bề mặt của vật cấy.
Trong gia dụng
Do chi phí sản xuất thấp và kỹ thuật đơn giản, gốm thủy tinh được sử dụng
để sản xuất đồ gia dụng chất lượng cao. Nhờ có khả năng chịu sốc nhiệt cao
nên gốm thủy tinh được sử dụng làm nồi nấu. Nồi gốm thủy tinh có thể nấu
trực tiếp trên bếp khi vừa ra khỏi tủ lạnh hay có thể nấu trong lò vi sóng mà
không bị rạn nứt. Gốm thủy tinh còn được sử dụng để làm mặt bếp từ, bếp
điện. Dùng gốm thủy tinh không chỉ tăng tính thẩm mỹ cho bếp mà còn
chống trầy xước, chống sốc nhiệt, giúp bếp được bền dài lâu.

Nồi gốm thủy tinh có khả năng chịu sốc nhiệt cao


7

Mặt bếp làm bằng gốm thủy tinh

c)

Trong xây dựng
• Nhờ đặc tính chống chịu nhiệt độ cao nên gốm thủy tinh được sử dụng
làm cửa chống cháy trong một số công trình xây dựng. Một sản phẩm
khác phổ biến trong ngành xây dựng của gốm thủy tinh là neopariés,

d)

tương tự như đá cẩm thạch nhưng bền hơn.
Trong vũ trụ
• Gốm thủy tinh bền khi giảm nhiệt độ một cách đột ngột và độ chống mài
mòn cao hơn nhiều lần so với kim loại nên gốm thủy 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. Do có độ bền nhiệt cao, đặc biệt là đối với
các xung nhiệt nên gốm thủy tinh còn được sử dụng để làm lớp vỏ bảo vệ
đầu mũi tên lửa. Gốm thủy tinh đã được ứng dụng trong ngành hàng
không vũ trụ trong cuối những năm 1950 để bảo vệ thiết bị radar khỏi sự
phá hủy của máy bay và tên lửa; đến nay, Nasa đã phủ gốm thủy tinh lên
các con tàu vũ trụ của mình.


8
5)

Nghiên cứu gốm thủy tinh
Tỷ lệ đăng ký sáng chế về gốm thủy tinh tại các quốc gia trên thế giới.

Nguồn: Wispglobal
Số lượng các SC về gốm thủy tinh từ năm 1993 – 2012.

9

5 công ty có số lượng SC về gốm thủy tinh cao nhất.


10

Tại Việt Nam
Các nhà khoa học thuộc Bộ môn Silicat, Khoa Công nghệ Hóa học,


•

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã sản xuất thành công vật liệu gốm
thủy tinh y sinh dùng cấy ghép vĩnh viễn, thay thế xương trong chỉnh
hình y tế, có độ bền tương đương với xương người. Nhóm đã tiến hành
thử nghiệm cấy ghép gốm thủy tinh y sinh trên cơ thể người bệnh (tại các
bệnh viện: Tai - Mũi - Họng Trung ương, Bạch Mai, Răng - Hàm - Mặt
Trung ương, Bệnh viện K). Trong tất cả các ca phẫu thuật cấy ghép vật
liệu gốm thủy tinh y sinh cho người bệnh (dùng thay thế các chi tiết
chuỗi xương tai truyền âm thanh; các chi tiết xương tai giữa; thay chân
răng và sửa chữa xương hàm mặt; hàn vá phần xương bị khoét bỏ),
không có trường hợp nào có phản ứng đào thải. Bệnh nhân chóng lành
vết thương, khả năng hồi phục sức khỏe tốt, đặc biệt khả năng khôi phục
chức năng của bộ phận điều trị rất cao.


11

•

Khoa công nghệ vật liệu, Trường đại học bách khoa TP.HCM đã tiến
hành nghiên cứu khả năng kết tinh của gốm thủy tinh lithium disilicate.
Lithium Disilicate (viết tắt LS2) là loại gốm thủy tinh mới phát triển
trong lĩnh vực nha khoa, có cấu trúc tinh thể dạng tấm lớp hoặc hình que
đan xen cài lẫn nhau, có độ bền uốn rất cao (khoảng gấp 3 - 4 lần so với
thủy tinh cơ sở). Đây là loại gốm thủy tinh mới phát triển trong lĩnh vực
nha khoa, có cấu trúc tinh thể dạng tấm lớp hoặc hình que đan xen cài lẫn
nhau, có độ bền uốn rất cao, có độ trong mờ cao, có khả năng tự bóng bề
mặt khi nung, đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật và thẩm mỹ, tính
tương thích sinh học cao… Trong công nghệ phục hình răng, có thể tạo
hình nhanh chóng gốm thủy tinh lithium disilicate bằng phương pháp ép
nóng và kỹ thuật CAD- CAM hiện đại, nên có ưu thế vượt trội hơn các
vật liệu từ sứ tràng thạch đang phổ biến hiện nay.
Trong nghiên cứu này, các mẫu bột thủy tinh được xử lý nhiệt 2 giai đoạn
theo 2 chế độ khác nhau. Kết quả sau xử lý là các mẫu đều tạo thành gốm
thủy tinh có pha tinh thể chính là Li2SiO5 và lượng nhỏ các tinh thể khác.
Một số tính chất xác định theo tiêu chuẩn ISO dành cho sứ nha khoa đều
thoả mãn: hệ số dãn nở nhiệt, các mẫu đều bền sốc nhiệt, khối lượng thể
tích.


12

STINFO số 5/2013