Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit titan tới tính chất của gốm ôxit nhôm

3.2. Cơ tính của vật liệu

    Cơ tính của gốm kết cấu cơ sở ôxit nhôm được đặc trưng bởi 3 đại lượng chính là độ bền uốn (σ_u), độ cứng Vickers (Hv) độ dai phá hủy K_IC (gốm ôxit nhôm có cơ tính tổng hợp tốt phải đảm bảo được các yếu tố trên theo yêu cầu sử dụng làm vật liệu chống đạn).

    Có thể thấy sự tương đồng giữa lý tính và cơ tính của vật liệu. Các thông số về mật độ, độ xốp, độ hấp thụ nước thể hiện khả năng kết khối và có ảnh hưởng đến cơ tính. Kết quả đo cơ tính các mẫu gốm được nêu trong bảng 3 và hình 3 có thể thấy cơ tính tổng hợp tốt tương ứng với khả năng kết khối cao của các mẫu sau khi thiêu kết. Độ bền uốn, độ cứng và độ dai phá hủy K_IC đều tăng khi tăng hàm lượng TiO₂ từ 1 đến 2% ở nhiệt độ thiêu kết 1500°C. Các mẫu có cơ tính tốt nhất là AT2 với 2% TiO₂. ở nhiệt độ thiêu kết cao hơn là 1550°C, độ cứng, độ dai phá hủy K_IC vẫn tăng theo hàm lượng TiO₂ từ 1 đến 2%, độ bền uốn cao nhất với hàm lượng 1% TiO₂ và giảm nhẹ đến 2% TiO₂.

Bảng 3. Các đặc trưng cơ tính của các mẫu gốm Al₂O₃ với phụ gia TiO₂

Hình 3. Mối quan hệ giữa các đặc trưng cơ tính của gốm và hàm lượng TiO₂.

    Khi hàm lượng TiO₂ lớn hơn 2% lượng pha tialite Al₂TiO₅ sinh ra nhiều hơn. Pha này có tác dụng thúc đẩy kết khối nhưng cần hạn chế số lượng do làm nở hạt mạnh và có ảnh hưởng xấu đến cơ tính [4, 5, 6]. Có lẽ vậy mà các mẫu AT2.5 và AT3 có cơ tính kém hơn các mẫu AT1 và AT2. Nói chung, các mẫu gốm với (1 – 2)% TiO₂ có cơ tính đảm bảo yêu cầu làm giáp chống đạn (Hv ≥ 10GPa, K_IC ≥ 3 MPa.m^1/2 và σ_u ≥ 250 MPa) [7]. Điều này cho thấy có thể sử dụng tối đa 2% TiO₂ làm phụ gia thiêu kết và có thể hạ thấp nhiệt độ thiêu kết gốm Al₂O₃ xuống đến 1500°C.

3.3. Tổ chức tế vi

    Các mẫu thiêu kết ở 1500°C

    Trên hình 4 là ảnh SEM của các mẫu AT1 và AT2 sau khi thiêu kết ở 1500°C. Có thể thấy không có sự khác nhau nhiều về kích thước và hình dạng hạt ở cả 2 mẫu. Phần lớn các hạt có kích thước khoảng (3 – 5) μm, xen lẫn một số ít các hạt có kích thước lớn hơn khoảng (7 – 10) μm và một số hạt nhỏ cỡ 1μm. Hình dạng hạt đa dạng gồm cả những hạt tương đối đồng đều 3 kích thước lẫn những hạt có 1 kích thước lớn hơn nhiều so với 2 kích thước còn lại (hạt dài) do bột đã trải quá trình nghiền trộn cơ học trước đó. Mẫu AT2 có xu hướng kéo dài các hạt hơn so với mẫu AT1 ở nhiệt độ thiêu kết này.

Hình 4 và 5

    Các mẫu thiêu kết ở 1550°C

    Ở nhiệt độ thiêu kết cao hơn (1550°C) đã thấy sự khác nhau về kích thước hạt của mẫu AT1 (hình 5a) và mẫu AT2 (hình 5b). Sự nở hạt ở mẫu AT2 diễn ra nhanh hơn đối với mẫu AT1 do hàm lượng TiO₂ cao hơn. Hầu hết các hạt của AT2 có kích thước khoảng (10 – 12) μm, trong khi AT1 chỉ có một số hạt có kích thước này còn lại chủ yếu là các hạt có kích thước cỡ (5 – 7) μm và các hạt nhỏ hơn cỡ (2 – 3) μm. Vì vậy nên thiêu kết các mẫu có 2% TiO₂ ở nhiệt độ thấp hơn 1550°C.

4. Kết Luận

    – Dùng phụ gia TiO₂ đã hạ thấp được nhiệt độ thiêu kết gốm Al₂O₃ xuống 1550°C và 1500°C. Các mẫu sử dụng từ 1 đến 2% TiO₂ đều đáp ứng yêu cầu cơ tính của gốm làm giáp chống đạn (Hv = (10,60 – 12,19)GPa, K_IC = (3,32 – 3,67) MPa.m^1/2 và σ_u = 247 – 255MPa), độ xốp và độ hấp thụ nước thấp (P = 0,12 – 0,18%; A = 0,031 – 0,048%), mật độ tương đối đạt (95,9 – 97,4)%.

    – Hàm lượng phụ gia TiO₂ có thể sử dụng tối đa cho gốm Al₂O₃ là 2% vì khi dùng hàm lượng TiO₂ tới 3% thì độ bền uốn và độ dai phá hủy của gốm giảm đáng kể. Nếu dùng 1% TiO₂ nên thiêu kết ở 1550°C để đảm bảo mật độ và cơ tính, nếu dùng 2% TiO₂ nên thiêu kết ở 1500°C để hạt không nở quá lớn. Khi sử dụng phụ gia TiO₂ thì không nên thiêu kết gốm ở trên 1550°C vì ở nhiệt độ cao hơn TiO₂ làm giảm mạnh cơ tính vật liệu.

[symple_box color=”gray” text_align=”left” width=”100%” float=”none”]

Tài Liệu Trích dẫn

1. Vũ Lê Hoàng, Trần Thế Phương. ảnh hưởng của TiO₂ tới khả năng hạ thấp nhiệt độ thiêu kết gốm α-Al₂O₃. Tạp chí Khoa học Công nghệ Kim loại, Số 21, tháng 12/2008.
2. V. S. Bakunov, V. L. Balkevich, A. S. Blasov, I. Guzman, E. S. Lukin, D. N. Poluboiarinov, R. Popilskyi. Keramika iz vysokoognheipornyx okislov. Moskva “Metallurgia” 1977.
3. Nguyễn Đăng Hùng. Công nghệ sản xuất vật liệu chịu lửa. Nhà xuất bản Bách Khoa – Hà Nội, 2006.
4. S. M. Lang, C. L. Fillmore and L. H. Maxwell. The system Beryllia-Alumina-Titania: Phase relations and General physical properties of three-component porcelains. Journal of Research of the National Bureau of Standards, Vol 48, No 4, April 1952.
5. M. Mann, G. E. Shter, G. S. Grader. Morphological and phase composition changes during sintering of ultra- light Al₂O₃/TiO₂ foams. J. Mater. Res., Vol 17, No 4, April 2002.
6. M. Mann, G. E. Shter, G. S. Grader. Effect of sintering on TiO₂-impregnated alumina foams. Journal of Materials Science 37 (2002) 4049-4055.
7. Eugene Mevedovski. Alumina Ceramics for Ballistic Protection, Part 1 – 2. American Ceramic Society Bulletin, Vol 81, No 3 – 4, March 2002.
8. Wenming Zeng, Lian Gao, Linhua Gui, Jinkun Guo. Sintering kinetics of α-Al 2O3 powder. Ceramics International 25 (1999) 723-726.

[/symple_box][symple_clear_floats]