Nghiên cứu chế tạo gốm hệ al2o3 tio2 mgo định hướng ứng dụng trong chế tạo sản phẩm chống đạn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

ĐIỀN TRUNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GỐM HỆ Al2O3-TiO2-MgO
ĐỊNH HƢỚNG TRONG CHẾ TẠO SẢN PHẨM CHỐNG ĐẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

ĐIỀN TRUNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GỐM HỆ Al2O3-TiO2-MgO
ĐỊNH HƢỚNG TRONG CHẾ TẠO SẢN PHẨM CHỐNG ĐẠN
Chuyên ngành
Mã số

: Hóa lý thuyết và hóa lý
: 60440119

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. NGUYỄN XUÂN VIẾT
TS. LÊ VĂN THỤ

Hà Nội, Năm 2017


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 3
1.1. Giới thiệu chung về gốm oxit nhôm ........................................................ 3
1.2. Nguyên liệu dùng để chế tạo gốm oxit nhôm .......................................... 3
1.2.1. Nhôm hydroxit .................................................................................. 3
1.2.2. Oxit nhôm kỹ thuật ........................................................................... 4
1.2.3. Chất kết dính ..................................................................................... 6
1.2.4. Chất phụ gia ...................................................................................... 6
1.3. Công nghệ nghiền .................................................................................... 9
1.3.1. Thiết bị nghiền .................................................................................. 9
1.3.2. Máy nghiền bi ................................................................................. 10
1.4. Tạo hình gốm sứ ..................................................................................... 13
1.5. Gốm chống đạn ...................................................................................... 16
1.6. Công nghệ sấy phôi gốm ........................................................................ 20
1.6.1. Mục đích, yêu cầu của công nghệ sấy phôi gốm ............................ 20
1.6.2. Chế độ sấy ....................................................................................... 21
1.6.3. Phân loại các thiết bị sấy ................................................................. 22
1.6.4. Thiết bị sấy ...................................................................................... 23
1.7. Công nghệ nung thiêu kết phôi gốm ...................................................... 25
1.7.1. Quá trình xảy ra khi nung thiêu kết phôi gốm ................................ 25
1.7.2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm ....................... 29
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........... 32
2. 1. Nguyên vật liệu ................................................................................ 32

2.2. Các thiết bị và phương pháp nghiên cứu ........................................... 32
2.3. Phương pháp chế tạo gốm cao nhôm ..................................................... 33


2.4.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)............................................ 34
2.4.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-Ray) ....................................... 35
2.4.3. Phương pháp phân tích nhiệt (DSC/TGA) .......................................... 36
2.4.4. Phương pháp phân tích cỡ hạt ......................................................... 37
2.4.5. Xác định tính chất cơ học của vật liệu ................................................ 37
2.4.5.1. Đánh giá độ cứng của vật liệu gốm cao nhôm ............................. 37
2.4.6. Phương pháp cân thủy tĩnh ............................................................. 38
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 40
3.1. Khảo sát kích thước hạt nguyên liệu ban đầu (-Al2O3, TiO2, MgO) ... 40
3.2. Khảo sát ảnh hưởng của một số hệ chất chống dính .............................. 42
3.2.1. Thông số kỹ thuật của một số hệ chất chống dính khuôn ép thủy lực
................................................................................................................... 42
3.2.2. Ảnh hưởng của chất chống dính đến quá trình tháo khuôn ............ 43
3.2.3. Ảnh hưởng của chất chống dính đến chất lượng bề mặt phôi gốm 44
3.3. Khảo sát ảnh hưởng của chế độ gia công đến chất lượng gốm oxit nhôm
....................................................................................................................... 44
3.3.1. Ảnh hưởng của áp lực ép đến tỷ trọng của gốm cao nhôm ............ 44
3.3.2. Ảnh hưởng của áp lực ép đến độ cứng của gốm cao nhôm ............ 45
3.3.3. Ảnh hưởng của lực ép đến cấu trúc bề mặt của gốm oxit nhôm .... 46
3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến chất lượng phôi gốm ......................... 47
3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến chất lượng phôi gốm ....................... 49
3.6. Khảo sát gốm cao nhôm khi không bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2) . 51
3.6.1. Khảo sát thành phần pha của gốm cao nhôm khi không bổ sung nano
vô cơ (MgO, TiO2) .................................................................................... 51
3.6.2. Khảo sát các tính chất của gốm cao nhôm khi không bổ sung nano vô
cơ (MgO, TiO2) ......................................................................................... 52

3.7. Khảo sát gốm cao nhôm khi bổ sung nano vô cơ (MgO, TiO2) ............ 54


3.7.1. Khảo sát thành phần pha của gốm cao nhôm khi bổ sung nano vô cơ
(MgO, TiO2). ............................................................................................. 54
3.7.2. Khảo sát các tính chất của gốm cao nhôm khi bổ sung nano vô
cơ (MgO, TiO 2) ....................................................................................... 58
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 65


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Chỉ tiêu kỹ thuật oxit nhôm hoạt tính siêu mịn của Trung Quốc ....... 5
Bảng 1.2. Kích thước hạt bột sau nghiền ............................................................ 9
Bảng 1.3. Cơ tính của một số vật liệu gốm ....................................................... 17
Bảng 1.4. Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu của gốm cao nhôm .............................. 17
Bảng 1.5. Các chỉ tiêu cơ lý của gốm chống đạn trên cơ sở cacbit SiC ........... 18
Bảng 1.6. Các chỉ tiêu cơ lý của gốm chống đạn trên cơ sở oxit nhôm............ 19
Bảng 2.1. Thành phần hóa học phối trộn của các mẫu gốm oxit nhôm ............ 33
Bảng 3.1. Một số chỉ tiêu kỹ thuật của các mẫu gốm oxit nhôm ...................... 40
Bảng 3.2. Nhiệt độ nung phôi gốm theo chế độ HR2/HH3 .............................. 49
Bảng 3.3. Một số tính chất của mẫu gốm G0 .................................................... 52
Bảng 3.4. Một số chỉ tiêu cơ tính của mẫu gốm G0 ......................................... 52
Bảng 3.5. Một số tính chất của mẫu gốm G10 .................................................. 59
Bảng 3.6. Một số chỉ tiêu cơ tính của mẫu gốm G10 ....................................... 60


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Dạng liên kết hóa học của nhôm Al2O3........................................... 5
Hình 1.2. Cấu trúc của MgO ............................................................................ 7

Hình 1.3. Các dạng thù hình của TiO2 ............................................................ 8
Hình 1.4. Khuôn định hình tấm gốm kích thƣớc 56 x 56 mm..................... 14
Hình 1.5. Một số vật liệu gốm chống đạn ...................................................... 18
Hình 1.6. Các đƣờng cong sấy ........................................................................ 21
Hình 1.7. Thiết bị sấy liên tục dạng băng tải ................................................ 24
Hình 1.8. Sơ đồ thiết bị sấy đối lƣu ................................................................ 25
Hình 1.9. Quá trình kết khối các hạt tròn Al2O3 khi nung ở nhiệt độ 1750 ÷
1840oC................................................................................................................ 26
Hình 1.10. Mô tả quá trình khuyếch tán vật chất khi nung theo Frenkel . 27
Hình 2.2. Máy nghiền, trộn nguyên liệu ........................................................ 32
Hình 3.1. Giản đồ phân tích cỡ hạt của -Al2O3, TiO2, MgO ..................... 41
Hình 3.2. Áp lực khi tháo khuôn .................................................................... 43
Hình 3.3. Ảnh hƣởng của áp lực ép đến tỷ trọng của mẫu gốm oxit nhôm45
Hình 3.5. Ảnh SEM bề mặt mẫu gốm cao nhôm với lực ép khác nhau ..... 46
Hình 3.6. Kích thƣớc lỗ xốp bề mặt của các mẫu ở các chế độ ép khác nhau
........................................................................................................................... 47
Hình 3.7. Độ ẩm còn lại của phôi gốm sau các chế độ sấy........................... 48
Hình 3.8. Tỷ trọng của phôi gốm sau sấy ở các nhiệt độ khác nhau .......... 49
Hình 3.9. Độ cứng của mẫu nung ở các chế độ nhiệt khác nhau ................ 50
Hình 3.10. Tỷ trọng các mẫu nung ở các chế độ nhiệt khác nhau .............. 51
Hình 3.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gốm oxit nhôm ban đầu (mẫu
G0)..................................................................................................................... 51
Hình 3.13. Giản đồ pha hai thành phần Al2O3- TiO2................................... 55


Hình 3.14. Giản đồ pha hai thành phần Al2O3- MgO .................................. 55
Hình 3.16. Giản đồ phân tích nhiễu xạ Rơnghen mẫu gốm cao nhôm (G10)
........................................................................................................................... 57
Hình 3.17. Giản đồ phân tích nhiễu xạ Rơnghen mẫu gốm G10, độ phóng đại 10
lần ...................................................................................................................... 58

Hình 3.18. Ảnh SEM của mẫu gốm cao nhôm G3, G4, G10 ....................... 62


MỞ ĐẦU
Gốm được chia thành hai loại chính là gốm truyền thống và gốm đặc biệt.
Gốm truyền thống là loại vật liệu vô cơ có cấu trúc đa tinh thể với một lượng
pha thủy tinh nhất định được tạo thành từ nguyên liệu bột mịn, chủ yếu là cao
lanh, đất sét. Gốm truyền thống được thiêu kết tại nhiệt độ trên 900 oC để tạo ra
sản phẩm có vi cấu trúc và các chỉ tiêu cơ lý tính theo yêu cầu sử dụng. Gốm đặc
biệt là gốm được tạo thành từ các nguyên liệu như: nitrua, cacbua (SiC, B 4C,
SiN4, TiB2, AlN), các gốm đơn oxit và gốm loại hệ nhị nguyên (như B 4C-TiB2nền gốm) [7, 9]. Gốm đặc biệt có nhiều các tính năng quý như: khả năng chịu
nhiệt độ cao, chịu tải trọng va đập lớn, có độ bền cao, môđun đàn hồi cao và
nhiều tính năng đặc biệt khác mà các gốm truyền thống không có được.
Gốm hàm lượng oxit nhôm cao (gọi tắt là gốm cao nhôm) là gốm đơn oxit
với thành phần chính chứa α-Al2O3 trên 90% có nhiều tính chất kỹ thuật ưu việt
như: chịu va đập lớn, có độ bền cao, khả năng chịu lửa cao, cách nhiệt tốt và khả
năng chịu được thay đổi nhiệt độ lớn, hệ số dãn nở nhiệt nhỏ và có nhiều tính
năng đặc biệt khác [1, 5]. Gốm oxit nhôm có thể chế tạo ra các sản phẩm được
sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật, trong công nghiệp hiện đại kể cả các lĩnh vực
cần các chỉ tiêu cơ lý hóa đặc biệt cao như: chế tạo bi nghiền công nghiệp, làm
buồng lót động cơ phản lực, ống phun lửa, ống chịu nhiệt trong lò nung... Trong
lĩnh vực an ninh quốc phòng, gốm cao nhôm được sử dụng nhiều làm áo giáp
chống đạn, lá chắn chống đạn, bộ phận chống đạn ốp lên xe tăng, xe thiết giáp
quân sự, sàn máy bay trực thăng...[4, 16]
Việc chế tạo gốm cao nhôm bao gồm nhiều công đoạn như: Tạo hình gốm
(tạo hình ép khô, bán khô hay ép ẩm...) nhằm tạo ra phôi mộc từ các vật liệu đã
được đồng nhất trước đó. Quá trình sấy để loại bỏ nước tự do nằm ở các lỗ
trống giữa các hạt vật liệu và nước liên kết hoá lý (gồm nước hấp phụ, nước
hydrat hoá và nước trương nở trong các lớp khoáng sét...). Quá trình nung thiêu
1

kết phôi gốm nhằm tạo ra phản ứng ở nhiệt độ cao của các cấu tử trong nguyên
liệu, quá trình kết khối, quá trình xuất hiện pha lỏng, quá trình hoà tan và tái kết
tinh các tinh thể nhằm tạo ra vật liệu có vi cấu trúc mới thể hiện thông qua hình
dạng và kích thước các hạt, cách phân bố, hướng và sự tiếp xúc giữa các hạt, số
lượng và chất lượng pha thuỷ tinh và sự hiện diện của lỗ xốp [28, 29]. Bên cạnh
đó, việc nghiên cứu bổ sung hàm lượng TiO2 và MgO tối ưu vào gốm cao nhôm
để giảm nhiệt độ thiêu kết, tăng cường sự kết khối và tính chất cơ lý của vật liệu
là rất cần thiết [2, 38, 41].
Từ những vấn đề nêu trên, chúng tôi tiến hành thực hiện luận văn với tiêu
đề ―Nghiên cứu chế tạo gốm hệ Al2O3-TiO2-MgO định hướng ứng dụng trong
sản phẩm chống đạn" với mục tiêu xác định thành phần vật liệu, mẫu gốm oxit
nhôm ban đầu, lựa chọn chất chống dính, xác định ảnh hưởng của phương pháp
tạo hình phôi gốm mộc, quá trình sấy phôi gốm mộc, quá trình nung thiêu kết
gốm cao nhôm, ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 và MgO đến cấu trúc và tính
chất của vật liệu gốm cao nhôm từ đó lựa chọn được thành phần vật liệu, kỹ
thuật tối ưu chế tạo gốm cao nhôm. Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu gốm
cao nhôm chế tạo được và so sánh với mẫu gốm chống đạn của nước ngoài từ đó
đánh giá hiệu quả sử dụng của gốm cao nhôm làm vật liệu chống đạn phục vụ
công tác đảm bảo an ninh, quốc phòng.

2


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về gốm oxit nhôm
Gốm oxit nhôm hay còn được gọi là gốm cao nhôm là loại gốm đơn oxit,
có nguyên liệu chính là α-Al2O3. Đây là loại gốm đặc biệt có nhiều các tính chất
kỹ thuật ưu việt như: chịu va đập lớn, có độ bền cao, khả năng chịu lửa cao, cách

nhiệt tốt và khả năng chịu được thay đổi nhiệt độ lớn, hệ số dãn nở nhiệt nhỏ và
có nhiều tính năng đặc biệt khác. Gốm oxit nhôm có thể chế tạo ra các sản phẩm
được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật, trong công nghiệp hiện đại kể cả các lĩnh
vực cần các chỉ tiêu cơ lý hóa đặc biệt cao như: chế tạo máy bay, tên lửa, tầu vũ
trụ, buồng lót động cơ phản lực, ống phun lửa,.... Trong lĩnh vực an ninh, quốc
phòng thì vật liệu gốm cao nhôm cũng được sử dụng nhiều như: làm áo giáp
chống đạn, khiên chống đạn, bộ phận ốp lên xe tăng, xe thiết giáp quân sự,...[1, 2]
1.2. Nguyên liệu dùng để chế tạo gốm oxit nhôm
Trên thế giới hàng năm sản xuất hàng triệu tấn Al2O3 kỹ thuật, song chủ
yếu chỉ được sử dụng dùng trong ngành luyện nhôm kim loại (chiếm đến 90%
sản lượng). Chỉ có khoảng 10% là được sử dụng trong các ngành phi luyện kim
như: gốm, thủy tinh, bột mài, cao su, ximăng alumin,...
Nguyên liệu chính dùng để sản xuất nhôm oxit chủ yếu là hai loại sau:
oxit nhôm và nhôm hydroxit.
1.2.1. Nhôm hydroxit
Nhôm hydroxit (hay còn gọi là hydrat nhôm) Al2O3.nH2O được chế tạo từ
bauxite (loại quặng có chứa nhôm hydroxit).
Nhôm hydroxit khan là một chất bột trắng vô định hình, dễ vỡ, không hòa
tan được vào trong nước. Khi bị ẩm nó có dạng khối keo (gel oxit nhôm, oxit
nhôm dạng gelatin). Nhôm hydroxit được sử dụng để sản xuất mực in, phèn
nhôm, các sản phẩm trong y học, corundum nhân tạo, men gốm sứ và các sản
phẩm trong dung dịch lọc (lắng cặn, đánh phèn)...
3


Công thức chung là Al2O3.nH2O. Gồm ba loại phân biệt nhau bởi cấu trúc
và hàm lượng nước liên kết hóa học. Khi đốt nóng nhôm hydroxit sẽ xảy ra sự
biến đổi không thuận nghịch từ dạng này sang dạng khác.
1.2.2. Oxit nhôm kỹ thuật
Oxit nhôm có trọng lượng riêng là 3,96 (g/cm3), nhiệt độ nóng chảy cao

khoảng 2054 ÷ 2056oC, có độ dẫn điện thấp (khi ở nhiệt độ cao oxit nhôm vẫn
có độ dẫn điện thấp).
Có 3 dạng thù hình của oxit nhôm là: α, β, γ-Al2O3. Trong đó, dạng thù
hình α, γ tồn tại dạng tinh khiết, còn dạng β chỉ tạo ra khi có mặt của tạp chất.
Trong tự nhiên oxit nhôm tồn tại hai dạng chính, γ-Al2O3 ít bền vững và α-Al2O3
bền vững hơn.
Dạng α-Al2O3 tồn tại trong tự nhiên, rất cứng, là chất cách điện tốt, nóng
chảy tại nhiệt độ cao đến 2045oC, được dùng làm vật liệu chịu lửa, dùng làm bột
mài, đá mài, làm vật liệu chuyên dụng có những tính năng rất đặc biệt như
chống va đập, chống đạn,...

4


Hình 1.1. Dạng liên kết hóa học của nhôm Al2O3
Bảng 1.1. Chỉ tiêu kỹ thuật oxit nhôm hoạt tính siêu mịn của Trung Quốc
TT

Các chỉ tiêu kỹ thuật

Loại sản phẩm
B2L - 0,6D B1M - 3D B2M - 0,7D

Thành phần hoá học: (%)

1

Al2O3

99,47

99,43

99,0

SiO2

0,18

0,15

0,2

Fe2O3

0,01

0,02

0,1

Na2O

0,05

0,21

0,3

0,5 - 0,7

5

0,7 - 0,9

2

Độ mịn: Laser PSD - d50 m

3

Khối lượng riêng (g/cm3)

3,97

3,97

3,94

4

Diện tích bề mặt riêng m2/g

 10

 2,5

7

Các chỉ tiêu chất lượng đặc trưng của oxit nhôm hoạt tính siêu mịn, Trung

Quốc được thể hiện qua bảng 1.1.
5


1.2.3. Chất kết dính
Chất kết dính được sử dụng để liên kết các hạt bột oxit nhôm, chúng được
sử dụng để tạo hình sản phẩm ban đầu (sản phẩm mộc). Chất kết dính phải có
đặc điểm là sau khi thiêu kết, chất kết dính cháy hết và không còn nằm trong sản
phẩm gốm. Như vậy, chất kết dính chỉ có tác dụng liên kết ban đầu để định hình
sản phẩm. Chất kết dính có thể là: tinh bột, Polyvinylalcol (PVA), Copolime
vinylaxetat etylen, PEG (Polyetylenglycol)...
1.2.4. Chất phụ gia
Phụ gia thiêu kết, khác với chất kết dính dùng trong chế tạo gốm với các
mục đích khác nhau: tăng hoặc giảm kích thước hạt tinh thể, tăng tốc độ thiêu
kết hoặc tốc độ co ngót, giảm nhiệt độ thiêu kết, thay đổi sự phân bố lỗ xốp, thay
đổi tính chất vật lý và hóa học, loại bỏ tạp chất.
Nói chung, có thể chia chất phụ gia thành 4 loại chính sau đây:
- Thúc đẩy quá trình kết khối và kìm hãm sự lớn hạt (tiêu biểu trong nhóm
này phải kể đến MgO);
- Thúc đẩy quá trình kết khối và thúc đẩy sự lớn hạt (ví dụ trong nhóm
này là TiO2).
- Kìm hãm quá trình kết khối và kìm hãm sự lớn hạt (ví dụ dụ tiêu biểu
của nhóm này là Ni2O3).
- Kìm hãm quá trình kết khối và thúc đẩy sự lớn hạt (ví dụ tiêu biểu trong
nhóm này là SiO2).
Các tài liệu nghiên cứu [6, 7] chỉ ra ảnh hưởng cụ thể của quá trình kết
khối và sự lớn hạt khi thiêu kết gốm cao nhôm của các loại oxit thường dùng
làm phụ gia.
Ví dụ của một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của MgO đến kìm
hãm sự lớn hạt của gốm cao nhôm: khi thêm 0,25% MgO vào gốm cao nhôm thì

tốc độ lớn hạt tại 1650oC, 1700oC, 1750oC và 1800oC lần lượt là 2,8; 2,5; 1,4 và

6


3.10-8cm/giây, còn khi không thêm MgO, cũng ở nhiệt độ đó thì tốc độ lớn hạt là
10,0; 13,8; 13,4 và 12,5.10-8cm/giây [10].
Trong hệ đa cấu tử, pha α- Al2O3 tương tác với các cấu tử khác, hoặc là
tạp chất, hoặc là các chất phụ gia, tạo thành các hợp chất hóa học. Tùy thuộc vào
điều kiện tương tác (bản chất, độ hoạt hóa và hàm lượng các chất phụ gia, nhiệt
độ,...) mà số lượng, vị trí của các pha mới sẽ được hình thành.
a) Nano MgO
*Khái quát chung: Oxit magie là một oxit của magiê, còn gọi là Mag Frit.
Nó có phân tử gam 40,3 gam/mol, nhiệt độ nóng chảy 2852oC.
MgO, cùng với SrO, BaO và CaO, tạo thành nhóm oxit kiềm thổ. Chất
này có thể lấy từ nguồn: talc, dolomite, magnesium carbonate. MgO và ôxít
zirconi là hai oxit có nhiệt độ nóng chảy cao nhất. Tuy nhiên, MgO dễ dàng tạo
pha eutactic với các oxit khác và khi đó nó nóng chảy ở nhiệt độ rất thấp.

Hình 1.2. Cấu trúc của MgO
* Tác dụng của nano MgO trong gốm oxit nhôm: Oxit magie được dùng
trong vật liệu gốm nhờ hai đặc tính quan trọng là độ giãn nỡ nhiệt thấp và chất
này là một chất trợ chảy (bắt đầu hoạt động từ 1170oC) do vậy làm tăng mật độ
của phôi gốm. Tuy nhiên, hàm lượng MgO trong gốm phải khống chế hợp lý
tránh gây giòn sản phẩm sau chế tạo.
b) Nano TiO2

7

* Khái quát chung: Titan dioxit là chất bột màu trắng, bền nhiệt. Trong tự
nhiên, TiO2 có bốn dạng thù hình: dạng vô định hình và ba dạng tinh thể:
anatase, rutile, và brookite. Trong đó dạng pha tinh thể rutile là dạng bền phổ
biến nhất của TiO2, anatase và brookite là dạng giả bền và chuyển thành rutile khi
nung nóng.

Hình 1.3. Các dạng thù hình của TiO2
Trong cấu trúc tinh thể của TiO2 thì mỗi ion Ti4+ được bao quanh bởi sáu
ion O2-. Khoảng cách Ti-Ti trong tinh thể dạng anatase (3,79Å) lớn hơn khoảng
cách Ti-Ti trong tinh thể dạng rutile (2,96Å). Trong khi đó, khoảng cách Ti-O
trong tinh thể dạng anatase (degTi-O = 1,934 và 1,980Å) nhỏ hơn khoảng cách TiO trong tinh thể dạng rutile (degTi-O = 1,949 và 1,980Å). Sự khác nhau về cấu
trúc mạng tinh thể là nguyên nhân dẫn tới sự khác nhau về khối lượng riêng ()
và cấu trúc vùng điện tử (Eg) giữa hai dạng TiO2.
* Tác dụng của nano TiO2 trong gốm oxit nhôm:
Nano TiO2 giúp hạ thấp nhiệt độ thiêu kết của gốm oxit nhôm. Theo một số
nghiên cứu, TiO2 có hàm lượng 1% giúp hạ thấp nhiệt độ thiêu kết xuống 100oC

8


1.3. Công nghệ nghiền
1.3.1. Thiết bị nghiền
Nghiền là quá trình phá hủy vật thể rắn bằng lực cơ học thành các phần
tử, nghĩa là bằng cách đặt vào vật thể rắn các ngoại lực mà các lực này lớn hơn
lực hút phân tử của vật thể rắn đó.
Yêu cầu:
+ Ít tạo ra bụi;
+ Không làm phần tử nhỏ quá nóng;
+ Điều chỉnh được độ nhỏ vật liệu nghiền;
+ Có thể nghiền được vật liệu ẩm tới 19 – 20 %;

Kích thước hạt bột sau nghiền được đánh giá thông qua bảng 1.2.
Bảng 1.2. Kích thước hạt bột sau nghiền

Các loại thiết bị nghiền:
* Nguyên lý nghiền va đập

9


* Nguyên lý nghiền chà xát

* Nguyên lý cắt nghiến

* Nguyên lý ép dập

1.3.2. Máy nghiền bi
Máy nghiền bi là thiết bị nghiền ướt phù hợp với quy mô và yêu cầu
nghiền trộn vật liệu oxit nhôm để chế tạo vật liệu chống đạn
10


Máy nghiền bi thuộc loại máy nghiền mịn và sự nghiền xảy ra do sự va
đập và chà xát của các viên bi với vật liệu đem nghiền.
Máy nghiền bi có nhiều chủng loại, nhưng loại thường được dùng rộng rãi
nhất là máy nghiền thùng quay, đó là bộ phận chủ yếu nhất, là một cái thùng
rỗng đặt nằm ngang tì lên 2 ổ đỡ, bên trong có chứa nhiều bi cầu hay bi trụ hoặc
thanh dài. Khi quay thì dưới tác dụng của lực ly tâm, các vật nghiền được ép sát
vào mặt trong của vỏ thùng, được nâng lên đến độ cao nào đó. Ở độ cao này,
dưới tác dụng của trọng lực các vật nghiền rời khỏi mặt thùng và rơi tự do và
thực hiện sự va đập và chà xát vật liệu.

a. Phân loại dựa vào các tiêu chuẩn sau:
* Chế độ làm việc:
- Làm việc theo chu kỳ.
- Làm việc liên tục.
* Phương Pháp nghiền:
- Nghiền khô.
- Nghiền ướt.
* Kết cấu của máy nghiền:
- Hình trụ một hay nhiều buồng nghiền.
- Hình nón.
* Kết cấu truyền động:
- Truyền động tâm.
- Truyền động chu vi.
* Sơ đồ vận chuyển:
- Sơ đồ nghiền hở.
- Sơ đồ nghiền kín.
* Sự chuyển động của bi nghiền:
- Bi rung.
- Bi quay.
11


* Phương thức tháo sản phẩm :
- Qua ngỗng trục.
- Qua sàng hình trụ.
- Qua vỏ tang nghiền.
b. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền:
Có nhiều yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình nghiền xuất phát từ tính
chất của vật liệu nghiền và máy nghiền.
- Tính chất của vật liệu nghiền: Độ bền, độ cứng, độ nhớt, độ đồng đều,

trạng thái và hình dạng bề mặt, độ ẩm, kích thước, hình dạng và vị trí tương hỗ
của các phần tử nghiền, hệ số ma sát giữa các phần tử…là những yếu tố của vật
liệu có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình nghiền.
- Tính chất của máy nghiền: Hình dạng và trạng thái của bề mặt, vận tốc
và tính chất chuyển động khối lượng của bộ phận làm việc (tỉ số giữa khối lượng
của bi nghiền với khối lượng của vật đuợc nghiền), hệ số ma sát của bề mặt
nghiền với vật được nghiền…là những yếu tố cấu trúc máy có ảnh hưởng đến
quá trình nghiền nhỏ vật liệu.
c. Cơ sở lý thuyết của quá trình nghiền vỡ vật liệu:
Một vật thể được nghiền vỡ tức là chịu tác động của ngoại lực có trị số
vượt các ứng sức bền của vật thể (ứng sức nén). Khi đó, vật thể sẽ chịu những
biến dạng, hoặc bị phá vỡ đột ngột, hoặc chịu những biến dạng đàn hồi, biến
dạng dẽo và cuối cùng bị phá vỡ. Khi vật thể chịu một lực va đập tự do để phá
vỡ, thì lực đó sẽ gây ra những sóng chấn động truyền trong vật thể theo chiều
lực đập. Chỉ khi lực đập đủ lớn để các sóng chấn động đó truyền hết chiều dài
(kích thước) vật thể thì vật thể mới có khả năng bị phá vỡ.
Trong quá trình bị phá vỡ, vật thể nếu chưa vỡ cũng đã chịu những biến
dạng đàn hồi, nghĩa là đã tốn phần năng lượng nghiền để có những biến dạng đó.
Khi vật thể vỡ ra sẽ tạo thành những diện tích mới ở những chổ nứt vỡ, lúc đó là
lúc tiêu thụ năng lượng để phá vỡ, để tạo ra những diện tích mới. Tuy nhiên, đôi
12


khi vật thể chịu ngoại lực tác động, chưa vỡ hẳn nhưng đã có những vết nứt
ngầm với những khe, những diện tích mới nào đó bên trong. Cũng có thể những
vết nứt ngầm đó khép liền lại do lực hút phân tử của vật thể. Như vậy quá trình
nghiền sẽ bị tốn một phần năng lượng vô ích đó.
1.4. Tạo hình gốm sứ
Tạo hình là tạo cho phối liệu ở dạng đa phân tán có hình dạng và kích
thước hình học nhất định, tức là tạo nên bán thành phẩm mộc từ phối liệu đã

được đồng nhất hóa từ trước đó.
Trong công nghiệp gốm sứ, việc lựa chọn phương pháp tạo hình phù hợp
dựa vào hình dạng, kích thước và các yêu cầu chỉ tiêu lý hóa của sản phẩm. Có
các phương pháp tạo hình chính được phân loại như sau: tạo hình đổ rót, tạo
hình dẻo, tạo hình ép khô, bán khô hay ép ẩm, tạo hình màng gốm...
Theo phương pháp tạo hình ép bán khô cho các loại vật liệu bột như phối
liệu gốm kỹ thuật, kim loại, graphít, ferit, vật liệu chịu lửa, v.v... thông dụng và
phổ biến là ép tạo hình chúng trong khuôn kim loại với các chày ép theo phương
thẳng đứng. Việc tạo hình các sản phẩm từ vật liệu bột và đặc biệt đối với phối
liệu hầu như không có tính dẻo thường gặp nhiều khó khăn. Quá trình nén vật
liệu trong một khuôn cứng, ma sát của vật liệu với vách khuôn, độ dày không
đồng đều của vật liệu theo hướng nén và ma sát trong của khối vật liệu đó sẽ cản
trở việc làm chặt đều các bột liệu. Điều đó dẫn đến các khó khăn trong việc tạo
hình cho sản phẩm không như mong muốn và trong nhiều trường hợp gây ra các
rạn nứt trên các mặt bên, tạp chất mòn ra từ thành khuôn do mài mòn trong quá
trình ép gây bẩn phối liệu, sản phẩm. Đặc biệt khó có thể tạo ra sản phẩm có
chất lượng đồng nhất trong toàn bộ khối sản phẩm. Chính vì vậy, sẽ ảnh hưởng
đến chất lượng sản phẩm sau khi thiêu kết.
Chế tạo khuôn định hình tấm gốm với các kích thước dài x rộng loại
56 x 56mm như trình bày tại hình 1.4.

13


Hình 1.4. Khuôn định hình tấm gốm kích thước 56 x 56 mm
Một số yêu cầu khi thực hiện công nghệ tạo hình bằng ép khô và bán khô:
* Độ ẩm của liệu:
Độ ẩm của liệu không được quá cao, vì nó ảnh hưởng rất nhiều đến mật
độ của sản phẩm, cũng như trạng thái bề mặt của sản phẩm. Thông thường với
sản phẩm dân dụng độ ẩm thường lựa chọn ≤ 9%, với sản phẩm yêu cầu cao về

tính chất cơ lý thì độ ẩm không được phép vượt quá 6%.
* Áp lực ép:
Áp lực ép được thực hiện theo 1 chiều hoặc nhiều chiều, phụ thuộc vào
hình dáng của sản phẩm, yêu cầu về mật độ. Khi ép hai chiều thường đối với
mẫu có độ dày nhất định để đảm bảo lực ép phân bố đều, tránh ứng suất gây
cong vênh, tăng mật độ xít chặt của sản phẩm sau khi nung.
Giai đoạn áp lực ép nhỏ: mật độ phụ thuộc tuyến tính vào lực ép. Các hạt
liệu di chuyển và định hướng với nhau để đạt mật độ cao nhất, giảm lỗ trống
giữa các hạt.
Giai đoạn tăng dần áp lực: Các hạt tiếp tục di chuyển và bắt đầu xảy ra
hiện tượng biến dạng, có sự trượt lên nhau và vỡ hạt. Khi đó khoảng cách giữa
các hạt ngày càng giảm, giảm lỗ xốp đồng nghĩa với mật độ của sản phẩm tăng
14


lên. Tuy nhiên, do tạo hình sản phẩm bằng phương pháp ép nên trong sản phẩm
mộc luôn tồn tại ứng suất dư là nguyên nhân chính gây nứt, vỡ, cong vênh sản
phẩm. Vì vậy, lựa chọn áp lực phù hợp luôn là vấn đề cần được quan tâm.
Mặt khác, khi tăng áp lực ép kéo theo sự tăng của trở lực biến dạng chủ
yếu do nội ma sát hình thành khi ép. Để tiến hành công nghệ tạo hình bằng ép
khô và bán khô, thì cần chú ý các biện pháp sau:
+ Lựa chọn phối liệu phù hợp về thành phần, kích thước liệu tương đối
đồng nhất.
+ Độ ẩm, và chất kết dính liệu phù hợp (khi độ ẩm cao, nhiều chất kết
dính thì việc tạo hình ban đầu sẽ dễ dàng hơn nhưng sản phẩm sau khi nung lại
có mật độ không cao, nhiều rỗ xốp, cơ tính không cao. Ngược lại, nếu độ ẩm
thấp, ít chất kết dính thì lực ép phải lớn, sản phẩm sau khi nung dễ cong vênh,
nứt,...).
+ Sử dụng phụ gia, chất bôi trơn thích hợp để làm giảm nội ma sát.
+ Áp lực ép thích hợp làm tăng độ bền, mật độ của sản phẩm mộc.

+ Duy trì lực ép trong khoảng thời gian thích hợp để đảm bảo tốt quá trình
thoát khí, triệt tiêu sự đàn hồi tức thời của liệu khi ép.
Các bước sản xuất tối ưu áp dụng cho sản phẩm gốm cao nhôm chống
đạn:
- Chuẩn bị liệu: phụ thuộc vào thành phần pha trộn, sự phân tán và những
hệ liên kết (tỉ lệ chất kết dính, nước, thành phần liệu, thời gian khuấy, trộn, ...).
- Quá trình làm khô liệu (điều chỉnh độ ẩm liệu).
- Quá trình làm sạch khuôn và bôi trơn khuôn ép.
- Quá trình ép một trục.
- Quá trình làm khô (sấy) và nung phụ thuộc vào độ chịu tải của lò, hình
dạng và kích thước của những sản phẩm và vòng nung tối ưu.

15


- Cách xếp mẫu mộc khi nung cũng đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng
đến chất lượng sản phẩm như: cong vênh, nứt, mức độ đồng đều sản phẩm.
1.5. Gốm chống đạn
Sử dụng vật liệu gốm để chống đạn, chống va đập là một ứng dụng mới
có tính khoa học và thực tiễn cao. Vật liệu gốm chống đạn ra đời từ những năm
1960 để làm áo chống đạn và ghế ngồi trên máy bay trực thăng... Ngày nay, sử
dụng gốm ngày càng phát triển và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chống đạn
nói riêng và chống va đập nói chung. Yêu cầu chính của áo giáp bằng gốm là để
ngăn ngừa những mảnh bắn nhỏ và giảm trọng lượng (nhẹ hơn những vật bảo vệ
bằng kim loại tương đương). Hiện nay, sự phát triển của áo giáp bằng gốm đang
diễn ra rất nhanh và có nhiều tính mới. Mục đích chính của áo giáp bằng gốm là
bảo vệ người và phương tiện cho lực lượng quân đội và cảnh sát, ngoài ra còn
được sử dụng cho ngành không quân như bảo vệ một số phần trên máy bay trực
thăng và máy bay chiến đấu.
Cơ chế bảo vệ của vật liệu gốm và kim loại là rất khác nhau. Kim loại thì

hấp thụ năng lượng động lực bắn ra bởi một cơ chế biến dạng dẻo. Gốm thì hấp
thụ năng lượng động lực bắn ra bởi cơ chế năng lượng do phá vỡ. Khi va chạm
với đạn, gốm bị nứt lan toả khắp bề mặt do đó chỉ sau một lần bắn nó gần như
mất khả năng chống đạn. Tuy nhiên, vật liệu gốm làm cho đầu đạn bị biến dạng
và nứt dọc, hấp thụ một phần năng lượng của viên đạn, giảm phần lớn gia tốc
đầu đạn, giảm khả năng xuyên sâu so với các vật liệu khác như: thép, composite
hay vải sợi chống đạn. Do vậy, nếu kết hợp vật liệu gốm với các vật liệu khác
thì tăng khả năng chống đạn cao hơn, lưu ý rằng cần phải ghép nhiều tấm gốm
thành tấm lớn sẽ tăng khả năng chống đạn nhiều hơn do sự nứt vỡ lan toả khắp
bề mặt của nó. Gốm có độ cứng rất cao đồng thời có tỷ trọng cao nên có hạn chế
là rất nặng, chỉ phù hợp để chế tạo các tấm chống đạn nhỏ, xe chống đạn. Các
tấm chống đạn sử dụng gốm có khả năng chống đạn rất cao, có thể chống đạn
cấp IV và cấp V.
16


Có hai loại vật liệu gốm cứng sử dụng để chống đạn: gốm cấu trúc dạng
khối và compozit nền gốm. Loại gốm dạng khối bao gồm những gốm oxit (hầu
như là gốm nhôm), loại gốm không oxit (như loại cacbit SiC, BC, SiN4, TiB2,
AlN4) và gốm loại hệ nhị nguyên (như B4C-TiB2-nền gốm).
Bảng 1.3. Cơ tính của một số vật liệu gốm
Mật độ

Độ cứng Vicke

Độ bền uốn

(g/cm3)

(GPa)

(MPa)

Al, thiêu kết

3,6-3,95

12-18

200-400

Al-Zr, thiêu kết

4,05-4,40

15-20

350-550

SiC, thiêu kết

3,1-3,2

22-23

300-340

TiB2, thiêu kết

4,55

21-23

350

AlN, ép nóng

3,26

Loại gốm

350

Gốm oxit, cụ thể gốm cao nhôm có tính chất vật lí cao phù hợp với ứng
dụng làm áo giáp. Gốm nhôm này có ưu điểm là chi phí thấp, có thể duy trì sản
xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau như cán, trượt, ép, đúc phun không sử
dụng những thiết bị đắt tiền như lò có áp suất bảo vệ đặc biệt. Mặc dù có khối
lượng riêng cao (trên 3,96 g/cm3) nhưng gốm oxit nhôm vẫn được sử dụng để
làm vật liệu chống đạn.
Bảng 1.4. Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu của gốm cao nhôm
TT

Chỉ tiêu chất lƣợng

Đơn vị

Cần đạt

1

Thành phần hoá Al2O3

%

> 90

2

Khối lượng riêng

g/cm3

> 3,5

3

Độ cứng

Mohs

9

4

Độ hút nước

%

< 0,05

17