Luận văn Tổng hợp vật liệu gốm diopzit CaO.MgO.2SiO2 và nghiên cứu ảnh hưởng của talc đến cấu trúc, tính chất của vật liệu

ở mức độ phân tử, ion ở toàn thể tích của hệ phản ứng trên xảy ra với tốc độ rất nhanh để hệ đạt trạng thái cân bằng. Phản ứng giữa pha rắn hoàn toàn khác, đó là chất tham gia phản ứng đều nằm định vị tại các nút mạng tinh thể của chất ban đầu. Phản ứng chỉ xảy ra tại bề mặt tiếp xúc giữa hai pha rắn của chất tham gia, tốc độ phản ứng xảy ra chậm và không đạt trạng thái cân bằng. Phản ứng pha rắn phụ thuộc vào sự sắp xếp của các cấu tử phản ứng trong mạng lưới tinh thể. Cấu trúc tinh thể và khuyết tật mạng lưới có ảnh hưởng quyết định đến khả năng phản ứng của chất rắn. Phản ứng bao gồm hai giai đoạn: + Giai đoạn tạo mầm Quá trình này đòi hỏi làm đứt một số liên kết cũ trong các chất phản ứng, hình thành một số liên kết mới trong sản phẩm. Điều này chỉ có thể xảy ra khi có sự phân bố lại các ion ở chỗ tiếp xúc. + Giai đoạn phát triển mầm tinh thể sản phẩm Sau khi đã có một lớp mầm tinh thể sản phẩm thì đến giai đoạn phát triển lớp tinh thể đó. Để thực hiện quá trình này sẽ có sự khuếch tán ngược chiều các cation hay gọi cơ chế C.Wagner. 1.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng giữa các pha rắn Quá trình thực hiện phản ứng giữa các chất rắn gồm các bước: chuẩn bị chất rắn đa tinh thể, tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao. Một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để chuẩn bị chất rắn đa tinh thể (dạng bột) là thực hiện phản ứng trực tiếp hỗn hợp các nguyên liệu ban đầu với pha rắn. Vì vậy tốc độ phản ứng quyết định đến quá trình phản ứng. Hai yếu tố này bị chi phối bởi nhiều yếu tố. + Nhiệt độ nung: Các chất rắn thường không phản ứng với nhau ở nhiệt độ thường, chỉ khi ở nhiệt độ cao các cấu tử mới có đủ năng lượng để khuếch tán qua lớp sản phẩm đến bề mặt tiếp xúc giữa các hạt để phản ứng. Ngoài ra, dưới tác động của nhiệt độ, mạng lưới cấu trúc pha giữa các chất ban đầu bị phá vỡ dần tạo điều kiện cho sự khuếch tán, sắp xếp của các ion trong pha cũ để tạo thành pha mới. Do vậy tốc độ phản ứng pha rắn phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ nung. Nói chung phản ứng có thể đạt được nếu nhiệt độ nung đạt đến 2/3 điểm nóng chảy của một trong các chất tham gia phản ứng. + Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng, ảnh hưởng quyết định đến khả năng phản ứng của các chất. Chính vì vậy cần tăng diện tích tiếp xúc giữa các chất phản ứng bằng cách chuẩn bị phối liệu có kích thước hạt càng nhỏ càng tốt. Với phương pháp gốm truyển thống, phối liệu ban đầu có thể được nghiền mịn, ép chặt, nung, sau đó nghiền mịn rồi lại nung và lặp lại nhiều lần như thế. Tác dụng của quá trình nghiền mịn liên tục giữa các lần nung không chỉ tăng bề mặt tiếp xúc giữa hỗn hợp các chất phản ứng mà còn tạo thêm các bề mặt mới cũng như các khuyết tật cấu trúc nhằm thúc đẩy phản ứng đến cùng. + Đặc điểm cấu trúc của các chất ban đầu Phản ứng pha rắn được thực hiện trực tiếp giữa các chất phản ứng ở pha rắn nên cấu trúc ban đầu của chất rắn có ảnh hưởng quyết định không những đến tốc độ phản ứng mà còn ảnh hưởng đến cơ chế của phản ứng. Các chất ban đầu có cấu trúc kém bền, hoặc tinh thể có nhiều khuyết tật thì có hoạt tính hơn, dề tham gia phản ứng hơn. Ví dụ: Với phản ứng giữa các oxit, người ta thường chọn chất ban đầu là các muối dễ phân hủy và phân hủy ở vùng nhiệt phản ứng. Lúc này các oxit mới hình thành có cấu trúc mạng lưới chưa hoàn chỉnh (hoạt tính hơn) nên dễ tham gia phản ứng hơn so với các oxit bền được dùng làm phối liệu ban đầu. Ngoài ra, phản ứng pha rắn sẽ xảy ra thuận lợi về mặt năng lượng hơn khi các chất phản ứng có cùng kiểu cấu trúc với sản phẩm hình thành và thường được phân biệt bởi hai loại phản ứng: epitaxit và topotaxit. Phản ứng epitaxit yêu cầu có sự giống nhau về cấu trúc ở lớp tiếp xúc của chất phản ứng và sản phẩm. Còn phản ứng topotaxit thì yêu cầu sự giống nhau về cấu trúc trong toàn khối. Tuy nhiên, bên cạnh giống nhau về cấu trúc, để xảy ra sự định hướng tạo mầm sản phẩm một cách thuận lợi thì kích thước tế bào mạng cũng như khoảng cách giữa các nguyên tử cũng phải gần giống nhau (chênh lệch dưới 15%) + Chất khoáng hóa [13] thường được đưa vào phối liệu với hàm lượng khá thấp (khoảng vài %) nhằm tạo pha lỏng có độ nhớt thấp, giúp thấm ướt các hạt rắn của các chất phản ứng dẫn đến xảy ra quá trình hoà tan của các chất phản ứng. Từ đó giúp sự khuếch tán chất phản ứng dễ dàng hơn nên có tác dụng thúc đẩy tốc độ phản ứng cũng như quá trình tái kết tinh sản phẩm trong hỗn hợp. Mặt khác, pha lỏng có tác dụng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt rắn, làm tăng mật độ của sản phẩm phản ứng, nghĩa là giúp cho quá trình kết khối xảy ra nhanh ở nhiệt độ thấp. Đôi lúc chất khoáng hóa có thể tham gia phản ứng với một trong các chất phản ứng để chuyển thành pha khí, sự xuất hiện pha khí đã chuyển phản ứng giữa các pha rắn theo một cơ chế khác –cơ chế vận chuyển hơi nước (chemical vapor transport). Các chất khoáng hóa sử dụng phổ biến là: Các hợp chất của Bo (H3BO3, Na2B4O7, 10H2O, B2O3), các muối của kim loại kiềm, các hợp chất của flo, clo (NaF, NaCl, CaF2, BaF2, AlF3, Na2SiF6, Na3AlF6…) hoặc có khi là các oxit dễ chảy (oxit vanadi, oxit lantan…). 1.5.3. Phản ứng phân hủy nhiệt nội phân tử [10] Khái niệm này dùng để chỉ cho phản ứng tổng hợp một pha rắn mới xảy ra khi phân hủy nhiệt một pha rắn ban đầu có chứa các hợp phần cần thiết cho pha rắn mới. Khác hẳn với phản ứng xảy ra giữa các pha rắn, phản ứng phân hủy nhiệt nôi phân tử xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Ví dụ: để tổng hợp mulit bằng phản ứng giữa các oxit silic và oxit nhôm trong trường hợp đi từ các chất ban đầu tinh khiết hoàn toàn không có chất khoáng hóa, thì nhìn trên giản đồ hệ bậc hai Al2O3-SiO2 ta thấy ít nhất phải nung lên đến 15850C (nhiệt độ bắt đầu xuất hiện pha lỏng). Trong đó khi ta nung caolinit lên đến 10000C đã bắt đầu xuất hiện pha mulit. Hay khi nung serpentin lên khoảng 8000C là có sự hình thành pha gốm forsterit Mg2SiO4, trong khi đó dựa vào giản đồ trạng thái thì tùy theo thành phần ban đầu giữa SiO2 và MgO sự hình thành forsterit đòi hỏi ít nhất cũng phải nung hệ lên trên 15570C. Có rất nhiều ví dụ như vậy cho ta thấy việc sử dụng phản ứng phân hủy nhiệt nội phân tử có thể tiến hành tổng hợp được pha gốm ở nhiệt độ thấp, giảm đáng kể năng lượng . Phương pháp sử dụng phân hủy nhiệt nội phân tử không chỉ giúp tổng hợp gốm hệ bậc hai mà còn có thể sử dụng để tổng hợp gốm bậc cao hơn, Ví dụ tổng hợp cordierit 2MgO.2Al2O3.5SiO2 ta có thể sử dụng phản ứng phân hủy nhiệt mạng caolinit và bằng một thủ thuật có thêm oxit magie vào. Về lý thuyết chúng ta thấy trong quá trình phân hủy nhiệt thì các oxit có trong hợp chất ban đầu đã được phân bố hoàn toàn có trật tự ở mức độ nguyên tử, mặt khác sản phẩm vừa mới phân hủy đang ở trạng thái rất hoạt động do đó phản ứng hình thành mầm tinh thể sản phẩm có thể xảy ra một cách nhanh chóng. Vậy là do xảy ra phản ứng nội phân tử đã làm giảm nhiệt độ phản ứng giữa các pha rắn.Trong sản xuất gốm việc giảm được nhiệt độ nung thiêu kết là rất quan trọng vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành tổng hợp gốm diopside từ khoáng talc. 1.6. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 1.6.1. Phương pháp phân tích nhiệt [7] Khi đưa các khoáng vật hoặc hợp chất hóa học lên nhiệt độ cao có thể xảy ra các phản ứng hóa học như phân li, mất nước... hoặc các quá trình biến đổi vật lí như quá trình kết tinh, quá trình chuyển pha,quá trình chuyển dạng thù hình...Các quá trình đó thường kèm theo hiệu ứng nhiệt (tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt). Trong một số trường hợp lại kèm theo sự thay đổi khối lượng (mất khối lượng) của chất nghiên cứu. Phương pháp phân tích nhiệt giúp xác định các hiệu ứng nhiệt, sự thay đổi khối lượng của mẫu nghiên cứu ứng với các quá trình biến hóa xảy ra ở một nhiệt độ xác định. Trên cơ sở đó người ta xác định được mẫu nghiên cứu đã xảy ra quá trình hóa học gì? ở nhiệt độ nào và mức độ mạnh hay yếu? Hiệu ứng nhiệt được ghi dưới dạng đường đốt nóng hoặc các dạng khác như đường vi phân DTA... Đường đốt nóng cho phép xác định nhiệt độ tại đó có hiệu ứng nhiệt, cũng như giá trị của hiệu ứng nhiệt và dấu của nó. Trong phân tích nhiệt, chủ yếu người ta dùng đường DTA. Đường DTA được ghi dưới dạng đồ thị: sự phụ thuộc của DT (hiệu nhiệt độ giữa mẫu và chất chuẩn) vào thời gian t hoặc nhiệt độ T. Độ nhạy của đường vi phân (DTA) rất lớn gấp 10-15 lần so với đường nhiệt độ. Do đó đường DTA cho phép quan sát được hiệu ứng nhiệt rất nhỏ của mẫu nghiên cứu. Bằng thiết bị phân tích nhiệt chuyên dụng có thể ghi được sự thay đổi khối lượng chất khi đốt nóng dưới dạng đường khối lượng (TG) hay đường vi phân khối lượng (DTG). Đường khối lượng (TG) là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng mẫu nghiên cứu vào nhiệt độ T hay thời gian t. Đường TG chỉ ra sự thay đổi khối lượng chất nghiên cứu từ đầu đến cuối thí nghiệm. Từ đường TG có thể thu được các thông tin về thành phần của chất rắn nghiên cứu, độ bền của nó, về các sản phẩm được tạo thành trong quá trình phân hủy, kết hợp cũng như giả thiết được về cơ chế và nhiệt động học của phản ứng theo từng giai đoạn hay toàn bộ quá trình. Sự thay đổi khối lượng của mẫu rắn trong thời gian đốt có liên quan đến sự tách các chất và tạo thành sản phẩm ở pha khí trong các phản ứng hóa lí. Trong trường hợp này đường TG ghi lại sự mất khối lượng của mẫu. D A C B T1 T2 2 Lập chương Lò nung Ghi thông Xử lý thông Chất so sánh trình tin tin Mẫu nghiên cứu T DTA Hình 1.6. Sơ đồ khối của thiết bị phân tích nhiệt Chúng tôi tiến hành phân tích nhiệt trên máy phân tích nhiệt DTA/TG tốc độ 100/phút , trong môi trường không khí tại Viện Vật liệu Xây dựng. 1.6.2. Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X [1] Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là một trong những phương pháp hiện đại dùng để xác định thành phần pha tinh thể của vật liệu. Phương pháp này cho phép xác định thông số mạng, kiểu mạng lưới, kích thước hạt... Phương pháp nhiễu xạ tia X dựa trên nguyên tắc sau: Khi chiếu một chùm tia X song song, đơn sắc vào vật liệu có cấu trúc tinh thể thì xảy ra hiện tượng khuếch tán tia X. Điện trường của chùm tia tới làm điện tử của nguyên tử trong mạng tinh thể dao động, sự dao động này là nguồn phát tia thứ cấp phát ra bức xạ cùng tần số với tia X. Do đó chúng giao thoa với nhau. Trong mạng lưới tinh thể chúng tạo thành những mặt phẳng nút. Sự khuếch tán tia X có thể xem như sự phản xạ từ các mặt phẳng nút đó. Khi chiếu một chùm tia X đơn sắc có bước sóng xác định đi qua một hệ tinh thể, trong tinh thể ta chọn hai mặt phẳng nút song song với nhau có khoảng cách là dhkl, góc hợp bởi tia tới với mặt phẳng nút là q. Nếu hiệu lộ trình của tia tới và tia phản xạ bằng một số nguyên lần bước sóng thì xảy ra hiện tượng nhiễu xạ tia X. N1 M1 M2 q P q N2 S q q T dhkl Hình 1.7. Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg Các tia X phản xạ từ hai mặt mạng cạnh nhau có hiệu quang trình ∆ = M2QN2 – M1PN1 = 2dsinθ Khi các tia này giao thoa với nhau ta sẽ thu được cực đại nhiễu xạ thỏa mãn phương trình Vulf-Bragg: M2QN2 – M1PN1 = nλ = 2dsinθ Trong đó: d: Khoảng cách giữa hai mặt mạng song song. θ: Góc giữa tia X và mặt phẳng pháp tuyến. n: Số bậc phản xạ (n=1,2,3,4…). λ: Độ dài bước sóng. Chúng tôi tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X trên máy D8ADVANCE BRUKER-LB Đức, góc quay 2q tử 5-700, bức xạ Cu-Ka tại khoa hóa trường ĐHKHTN. 1.6.3. Hình ảnh quét bằng kính hiển vi điện tử SEM [33] Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật rắn bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. Hình 1.8. Sơ đồ khối các bộ phận của kính hiển vi điện tử quét Phương pháp SEM được sử dụng để xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt của vật liệu. Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu đươc những bức ảnh 3 chiều chất lượng cao và không đòi hỏi phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu. Phương phép SEM đặc biệt hữu dụng, bởi vì nó cho độ phóng đại có thể thay đổi từ 10 đến 100000 lần với hình ảnh rõ nét, hiển thị ba chiều phù hợp cho việc phân tích hình dạng và cấu trúc bề mặt. Các bước ghi được ảnh SEM như sau: một chùm electron được quét trên bề mặt mẫu, các electron này đập vào mẫu và tạo ra một tập hợp các hạt thứ cấp đi tới detector, tại đây nó sẽ được chuyển thành tín hiệu điện, các tín hiệu này sau khi được khuếch đại đi tới ống tia catot và được quét lên ảnh. Cho chùm tia quét trên mẫu, và quét một cách đồng bộ, một tia điện tử trên màn hình của đèn hình, thu và khuếch đại một loại tín hiệu nào đó từ mẫu phát ra để làm thay đổi cường độ sáng của tia điện tử quét từ trên màn hình, ta có được ảnh. Ví dụ, thu tín hiệu là điện tử thứ cấp để tạo ảnh ta có được kiểu ảnh điện tử thứ cấp, độ sáng tối trên ảnh cho biết độ lồi lõm ở mấu. Cần chú ý rằng, ở hiển vi điện tử quét có dùng các thấu kính, nhưng chỉ để tập trung chùm điện tử thành điểm nhỏ chiếu lên mẫu, không dùng thấu kính để khuếch đại. Với ảnh phóng đại bằng phương pháp quét, không có yêu cầu mẫu phải là lát mỏng và phẳng, nên kính hiển vi điện tử quét cho phép quan sát bề mặt rất mấp mô một cách rõ nét. Chúng tôi tiến hành tiến hành chụp SEM tại Trung tâm Khoa học Vật liệu- Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên- ĐHQGHN. 1.6.4. Phương pháp xác định các tính chất vật lí 1.6.4.1. Xác định độ co ngót khi nung Mẫu được ép viên (hình trụ) sấy khô trước khi nung được đo chiều cao, đường kính tương ứng là H0, D0.H,D tương ứng là chiều cao và đường kính của mẫu sau khi nung thiêu kết đã làm nguội về nhiệt độ phòng. Ta có công thức sau: Độ co ngót 1.6.4.2. Xác định độ hút nước Độ hút nước của vật liệu là khả năng hút và giữ nước của nó ở điều kiện bình thường. Độ hút nước theo khối lượng là tỉ số phần trăm giữa khối lượng nước mà vật liệu hút được với khối lượng của vật liệu ở trạng thái khô. Các bước tiến hành như sau: - Sấy mẫu ở nhiệt độ 1050C-1100C đến khối lượng không đổi. - Để nguội, cân mẫu khô (m0). - Ngâm mẫu đã cân đến bão hòa nước. - Vớt mẫu ra, lau nước đọng trên mặt mẫu bằng vải ẩm rồi cân mẫu bão hòa nước (m). Thời gian từ khi vớt mẫu ra đến khi cân không vượt quá 3 phút. Độ hút nước của mẫu được xác định theo công thức: Độ hút nước 1.6.4.3. Xác định khối lượng riêng bằng phương pháp Acsimet Thể tích tự nhiên của viên gốm V0 được xác định bằng cách : sau khi ngâm bão hòa viên gốm trong nước ta đem xách định thể tích thông qua phương pháp đẩy nước. Thể tích dâng lên chính là thể tích tự nhiên của viên gốm. Xác định thể tích toàn đặc của khối gốm bằng cách xác định thể tích gốm dạng bột bằng phương pháp đẩy nước ta được thể tích gốm là Va. Khi đó độ xốp của gốm được tính như sau : Cân khối lượng của viên gốm được m(g). Khi đó tỉ khối được tính theo công thức: D = m/ Vo 1.6.4.4. Xác định cường độ nén [4] Cường độ nén là khả năng lớn nhất của vật liệu chống lại sự phá hoại do tải trọng gây ra và được xác định bằng ứng suất tới hạn khi mẫu vật liệu bị phá hủy. Cường độ nén của sản phẩm phản ánh mức độ kết khối hay mật độ của sản phẩm. Tuy nhiên sản phẩm có cùng mật độ như nhau nhưng độ bền nén có thể khác nhau. Điều đó chứng tỏ chúng phụ thuộc vào cấu trúc cũng như loại liên kết trong sản phẩm.Vì vậy độ bền nén là chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm nhanh chóng cũng như đánh giá cả quy trình công nghệ sản xuất ra sản phẩm đó. Để xác định độ bền nén theo TCVN 6530-1:1999 người ta đặt mẫu trên máy ép thủy lực hoặc máy ép cơ tiêu chuẩn để xác định lực phá hủy. Lực nén Mẫu đo Hình 1.9. Mô hình thiết bị đo cường độ kháng nén Cường độ kháng nén Rn được tính theo công thức: Rn=Pmax/F Trong đó: Pmax - Tải trọng nén phá hoại mẫu (N,KN) F - Tiết diện chịu lực của mẫu (mm2,cm2, m2) Chúng tôi tiến hành xác định cường độ kháng nén tại Cục đo lường chất lượng Việt Nam. 1.6.4.5. Hệ số giản nở nhiệt [4] Khi vật liệu bị nung nóng, các nguyên tử sẽ nhận thêm năng lượng và dao động quanh vị trí cân bằng. Vì thế, khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử cũng như kích thước của vật liệu tăng lên. Nói cách khác, vật liệu bị nở ra khi đốt nóng và khi làm lạnh xảy ra quá trình ngược lại. Hiện tượng đó được gọi là sự giãn nở nhiệt của vật liệu, sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ của vật liệu rắn được biểu diễn bởi công thức: Trong đó: lt và l0 tương ứng là chiều dài ban đầu và chiều dài cuối cùng khi tăng nhiệt độ của vật liệu từ T0 đến Tt α: hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài (0C-1) Vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt càng lớn thì khi thay đổi nhiệt độ, sự co giãn của vật liệu càng lớn làm cho vật liệu bị nứt vỡ. Vì vậy, hệ số giãn nở nhiệt là thông số vật lí đặc trưng cho độ bền nhiệt của vật liệu. 1.6.4.6. Độ bền sốc nhiệt [4] Tính chất của vật liệu chống lại sự dao động nhiệt độ không bị phá hủy gọi là độ bền sốc nhiệt.Nguyên nhân vỡ sản phẩm do dao động nhiệt độ là các ứng suất xuất hiện trong sản phẩm do chênh lệch nhiệt độ khi đốt nóng và làm nguội. Theo TCVN 6530-7:2000, để xác định độ bền sốc nhiệt, người ta nung mẫu 75x50x50 mm đến nhiệt độ 1000-12000C, sau đó lấy mẫu ra đặt vào khung đỡ và dùng lực bẩy để nâng đầu khung kia cao lên theo phương pháp thẳng đứng với lực đẩy tương ứng 20N. Như vậy mẫu được làm nguội bằng không khí và chịu lực uốn khi bẩy. Sau khi bẩy, mẫu được nung và lại tiếp tục quy trình trên cho đến khi mẫu bị vỡ. Số lần quy trình đó được gọi là độ bền sốc nhiệt. Nếu sau 30 chu kỳ màu mẫu chưa vỡ thì có thể dừng và coi độ bền sốc nhiệt lớn hơn 30 lần. Điều kiện xác định độ bền sốc nhiệt không giống như điều kiện sử dụng vì vậy những số liệu đo độ bền sốc nhiệt chỉ có tính chất gần đúng và để so sánh giữa các vật liệu với nhau. Chúng tôi tiến hành đo độ bền sốc nhiệt của các mẫu nghiên cứu tại Viện Vật Liệu Xây Dựng. 1.6.4.7. Độ chịu lửa [4] Theo định nghĩa của Iso 836-2001 thì độ chịu lửa là tính chất đặc trưng cho vật liệu chịu lửa bền vững ở nhiệt độ cao trong môi trường và điều kiện sử dụng của nó. Để xác định độ chịu lửa của vật liệu, theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6530-4:1999 tương ứng với ISO 528-1983, người ta tạo mẫu thành côn để đo. Côn này là khối chóp cụt, hai đáy là tam giác đều có cạnh 8,5 và 3 mm đặt trên đế chịu lửa sao cho nghiêng với đáy một góc 80±10+. Khi nâng nhiệt độ có pha lỏng xuất hiện, lượng pha lỏng tăng lên, độ nhớt của chúng hạ thấp, đầu côn cong dần đân chậm vào mặt ngang của đế. Tại thời điểm đó gọi là nhiệt độ gục của côn hay độ chịu lửa. Nếu đầu côn dính dài trên mặt đế, nhiệt độ tương ứng đã vượt quá độ chịu lửa. Ngược lại, nếu đầu côn chưa chạm đến đế thì nhiệt độ tương ứng sẽ dưới độ chịu lửa. Nếu tăng nhiệt độ nâng nhiệt trong lò sẽ tăng nhiệt độ gục của côn. Vì thế người ta thực hiện tốc độ nâng nhiệt quy định 4-60C/phút bắt đầu từ nhiệt độ kết khối sản phẩm. 1.6.4.8. Tính chất điện [6] + Độ thẩm thấu điện môi (e) Độ thẩm thấu điện môi e là tỷ số điện dung của tụ điện trong trường hợp giữa hai bản cực tụ điện được đặt chất điện môi và chân không (hoặc không khí). e= C/C0 Trong đó: C0 - Điện dung của tụ điện với chân không. C - Điện dung của tụ điện với chất điện môi. Độ thẩm thấu điện môi là tính chất quan trọng nhất đặc trưng cho cấu trúc chất điện môi gốm. Tùy vào bản chất của vật liệu gốm mà độ thẩm thấu điện môi có thể thay đổi trong những giới hạn nhất định của nhiệt độ. là hằng số điện môi tương đối (là một hàm của ). Dòng điện chạy qua gây mất mát năng lượng nên phải viết dưới dạng số phức : e(w) = e’(w) - j e’’(w) Trong đó: e’(w) là phần thực của hàm số điện môi, e’’(w) là phần ảo đặc trưng cho độ tổn hao. + Độ dẫn điện Độ dẫn điện của vật liệu gốm bao gồm độ dẫn điện của các pha cấu thành. Trong đa số trường hợp độ dẫn điện của gốm mang đặc tính ion. + Tổn thất điện môi Khi có tác động của điện trường, chất điện môi gốm hấp thụ một phần năng lượng của nó và năng lượng được hấp thụ này được gọi là tổn thất điện môi. Đại lượng tổn thất điện môi được đánh giá bằng góc tổn thất điện môi hoặc tang của góc đó. Góc tổn thất điện môi d là góc phụ đến 900 của góc lệch pha q giữa dòng và thế trong mạch có sử dụng chất điện môi (hình 1.11). I U=I.r q d Hình 1.10. Sơ đồ minh họa góc tổn thất điện môi d Công suất mất mát trong chất điện môi càng lớn thì góc lệch pha càng nhỏ và góc tổn thất điện môi càng lớn. Công suất mất mát Q được xác định theo công thức: Q= U.I.cosq Trong đó: U - Điện thế ở hai cực của tụ điện dùng chất điện môi gốm; I - Cường độ dòng xoay chiều; q - Góc lệch pha giữa dòng và thế. Trong các chất điện môi thực q < 900 và có giá trị bằng (900 - d). Do vậy có thể viết: Q= U.I.sind Đối với d nhỏ, sind thựclà tế bằng tgd. Tang của góc tổn thất điện môi là một đại lượng đặc trưng cho chất lượng của chất điện môi gốm. Tổn thất điện môi trong gốm bằng tổng các tổn thất năng lượng dùng cho các quá trình chủ yếu sau: - Cho dòng điện dò; - Cho quá trình phân cực của các phần tử cấu trúc; - Cho ion hóa pha khí (lỗ xốp). Chương 2. THỰC NGHIỆM 2.1. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT 2.1.1. Hóa chấtCác hóa chất sử dụng trong quá trình thực nghiệm - Bột talc được lấy từ Thanh Sơn - Phú Thọ - Silic đioxit SiO2 - Canxi cacbonat CaCO3 - Axit Boric H3BO3 - Canxi Florua CaF2 - Natri cacbonat Na2CO3 - Chất kết dính PVA Các hóa chất được sử dụng là loại tinh khiết của Trung Quốc. 2.1.2. Dụng cụ - Cốc thủy tinh, đũa thủy tinh, khay nung mẫu. - Lò nung, tủ sấy, cân kĩ thuật (chính xác 10-1, 10-2), cân phân tích chính xác 10-3, thước đo kĩ thuật chính xác 0,02 mm. - Máy nghiền bi ( Fristch, Đức). - Máy nhiễu xạ tia X SIEMEN D 5005 (Đức). - Máy phân tích nhiệt. - Máy chụp ảnh SEM (Trung tâm Khoa học Vật liệu- Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên- ĐHQGHN). - Máy đo cường độ kháng nén IBERTEST (European) của tổng cục đo lường chất lượng Việt Nam. 2.2. THỰC NGHIỆM 2.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền đến kích thước hạt của bột talc Kích thước hạt của khoáng sét có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ gốm sứ vì nó ảnh hưởng đến nhiều tính chất kĩ thuật của nguyên liệu sét như tính ngậm nước, khả năng liên kết, độ co ngót… Các tính chất này thể hiện càng mạnh khi nguyên liệu chứa càng nhiều các hạt mịn. Ngoài ra cỡ hạt mịn còn làm tăng khả năng phản ứng và giảm nhiệt độ nung sản phẩm do bề mặt tiếp xúc giữa các hạt tăng. Quá trình nghiền có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc, kích thước hạt của nguyên liệu. Khi tăng thời gian nghiền kích thước hạt trung bình của nguyên liệu giảm và diện tích bề mặt của nguyên liệu tăng. Chính vì vậy trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền đến kích thước hạt của bột talc. - Talc ban đầu được nghiền thô, sau đó được nghiền mịn trong máy nghiền hành tinh với bi corundum, tỉ lệ nguyên liệu và bi là như nhau : 400g bi/10g mẫu với tốc độ 200 vòng/ phút, thời gian nghiền tương ứng là 10, 15, 20, 30, 40, 50 phút. - Cấp hạt của bột talc sau khi nghiền mịn được xác định bằng lượng hạt còn sót trên rây 4900 lỗ/cm2. 2.2.2. Phân tích thành phần của khoáng talc Mẫu talc sau khi nghiền mịn chúng tôi tiến hành phân tích thành phần hóa học của khoáng talc tại Viện Vật liệu xây dựng và phân tích nhiễu xạ XRD trên máy D8 ADVANCE BRUKER-LB Đức, góc quay 2 q từ 5 -700, bức xạ Cu-Ka tại khoa Hóa học trường ĐHKHTN. 2.2.3. Khảo sát sự phân hủy nhiệt của talc Chúng tôi tiến hành khảo sát quá trình phân hủy nhiệt của talc bằng phương pháp phân tích nhiệt (DTA,TG) với tốc độ nâng nhiệt: 100/phút, môi trường: không khí, nhiệt độ cực đại 12000C, tại Viện Vật liệu Xây dựng. 2.2.4. Phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp (talc, thạch anh, canxi cacbonat) Mẫu hỗn hợp bột talc, thạch anh, canxi cacbonat với thành phần (46,29% talc, 16,67% thạch anh, 37,04% canxi cacbonat) được trộn đều rồi tiến hành phân tích nhiệt DTA/TG với tốc độ nâng nhiệt: 100/phút, môi trường: không khí, nhiệt độ cực đại 12000C, tại Viện Vật liệu Xây dựng. 2.2.5. Khảo sát ảnh hưởng của bột talc đến sự hình thành diopside Chuẩn bị các mẫu với hàm lượng bột talc thay đổi như trong bảng 2.1. Bảng 2.1: Thành phần các khoáng trong các mẫu Mẫu % Bột talc % Thạch anh % CaCO3 M0 46,29 16,67 37,04 M1 56,82 20,45 22,73 M2 59,52 21,43 19,05 M3 61,48 22,13 16,39 M4 62,95 22,66 14,39 M5 64,10 23,08 12,82 M6 65,03 23,41 11,56 M7 65,79 23,68 10,53 M8 66,43 23,91 9,66 M9 66,96 24,11 8,93 M10 71,43 25,71 2,86 Các mẫu phối liệu với thành phần như trên được trộn đều trong máy nghiền hành tinh trong 30 phút với tốc độ 200 vòng/phút, sau đó lấy ra trộn chất kết dính PVA, ép viên hình trụ, sấy khô rồi tiến hành nung thiêu kết ở 12000C, tốc độ nâng nhiệt 100/phút, lưu trong 1 giờ, làm nguội tự nhiên. Các mẫu sau khi nung thiêu kết, được nghiền mịn rồi tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X để xác định thành phần pha. 2.2.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành diopside Nhiệt độ nung hợp lý (tmax) là yếu tố rất cơ bản, có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng sản phẩm nung, sản phẩm thu được có thành phần pha mong muốn, có độ chắc đặc cao. Chính vì vậy chúng tôi