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 (σu), độ cứng Vickers (Hv) độ dai phá hủy KIC (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 KIC 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 KIC 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

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

Hình 3

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, KIC 3 MPa.m1/2σu 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, 5

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, KIC = (3,32 – 3,67) MPa.m1/2σu = 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.

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.

Bình luận

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiện thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Bạn có thể sử dụng các thẻ HTML và thuộc tính sau: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>