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:

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

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



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

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


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

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



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.

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

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.

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)


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


17