Luận văn Nghiên cứu chế tạo gốm hệ Al₂O₃-TiO₂-MgO định hướng trong chế tạo sản phẩm chống đạn

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu chế tạo gốm hệ Al₂O₃-TiO₂-MgO định hướng trong chế tạo sản phẩm chống đạn

1. 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
2. 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 : Hóa lý thuyết và hóa lý Mã số : 60440119 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN XUÂN VIẾT TS. LÊ VĂN THỤ Hà Nội, Năm 2017
3. 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
4. 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
5. 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, TiO2) ....................................................................................... 58 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 65
6. 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
7. 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 ÷ o 1840 C................................................................................................................ 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
8. 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
9. 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 900oC 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, B4C, SiN4, TiB2, AlN), các gốm đơn oxit và gốm loại hệ nhị nguyên (như B4C-TiB2- nền 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
10. 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