Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh và sợi Inox

hoặc sử dụng. Hình 1.2: Các kiểu liên kết giữa nền và cốt VI- Cấu trúcvà tính chất của composit . 1. Cấu trúc vật liệu composit . Xét về mặt cấu trúc , vật liệu composit được chia thành một số loại như sau:composit nhiều lớp , composit ba lớp. 1.1. Composit nhiều lớp . Vật liệu được tổ hợp từ các lớp sợi hay vải đồng phương ; phương của sợi hoặc vải trong mỗi lớp không nhất thiết phải giống nhau ( hình vẽ 1.3 ) Vật liệu cốt của mỗi lớp vật liệu có bản chất rất khác nhau : có thể là xơ , vải thuỷ tinh , cacbon…Việc lựa chọn vật liệu cốt của các lớp vật liệu phụ thuộc vào người sử dụng sao cho thoả mãn cao nhất tính chất bền , cứng … khi chịu tải trọng . Nếu so sánh các kiểu sắp xếp của vật liệu cốt , ta thấy: -Các lớp đồng phương cho cơ tính cao theo phương của sợi. -Các lớp “mat”(sợi rối) chịu kéo kém, do đó nên bố trí tại vùng chịu nén. -Vật liệu composit lớp vuông dễ bị tách lớp. -Khi tăng cường theo cả 3 phương, ta sẽ được vật liệu á- đẳng hướng. [3] 1.2. Vật liệu composit “ba lớp”(hình 1.4) .[3] Vật liệu composit “ba lớp” gồm có: -Lõi ( vật liệu hoặc kết cấu nhẹ nhưng chịu nén tốt) -2 lớp vỏ ( có khả năng chịu nén cao). Việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào mục đích của người sử dụng và điều kiện của người làm việc( chế độ nhiệt, môi trường, giá thành..). Người ta hay sử dụng các loại vật liệu sau: +Lõi đặc bằng: gỗ hoặc bông tấc, mút, chất dẻo tăng cường bởi các vibi bông thuỷ tinh. +Lõi rỗng hoặc tổ ong bằng: hợp kim nhẹ, giấy tẩm nhựa, giấy polyamit… + Vỏ là vật liệu nhiều lớp ( thuỷ tinh, cacbon…) hoặc tấm hợp kim nhẹ. 2. Một số yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của composit cốt sợi: Tính chất của composit phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bản chất của vật liệu cốt và nền, độ bền liên kết nền-cốt trên ranh giới, sự phân bố và định hướng sợi, kích thước- hình dạng của cốt, tỷ lệ nền-cốt ( tỷ lệ thể tích và tỷ lệ khối lượng).. [1] 2.1. Tỷ lệ nền-cốt. [3] Tỷ lệ tương đối của vật liệu cốt và vật liệu nền là một yếu tố quan trọng bậc nhất, nó quyết định cơ tính của vật liệu composit . Tỷ lệ này có thể biểu diễn qua tỷ lệ thể tích hoặc tỷ lệ khối lượng. * Tỷ lệ thể tích (Vi): Ta khảo sát mộtkhối vật liệu composit (vc) chứa một khối sợi (vs) và khối vật liệu nền (vn) . Khi đó tỷ lệ thể tích của sợi sẽ là: , Và tỷ lệ thể tích của vật liệu nền sẽ là : . Với Vn = 1- Vs, do đó vc = vs + vn * Tỷ lệ khối lượng (Mi): Từ khối lượng của composit (mc), khối lượng sợi (ms) và khối lượng vật liệu nền (mn), người ta cũng định nghĩa tỷ lệ khối lượng tương tự như trên. Giữa khối lượng và thể tích có quan hệ: mc = vc.rc; ms = vs.rs; mn = vn.rn; ( trong đó ri là khối lượng riêng). Khối lượng tổng cộng của vật liệu composit là: mc = ms + mn hay vc.rc = vs.rs + vn.rn suy ra : rc = Vs. rs + Vn.rn hoặc rc = Vs.rs + ( 1-Vs).rn. Từ quan hệ : vc = vs + vn ta có: . Từ đó ta biểu diễn tỷ trọng qua khối lượng riêng: Từ định nghĩa: Ms = = Mn = ta tìm được quan hệ ngược: Vs = ; Vn = Đối với một composit cốt sợi xác định, nếu coi liên kết nền-cốt là hoàn hảo thì cơ tính của vật kiệu đó chịu ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố như : sự phân bố, kích thước, hình dạng và hàm lượng của cốt sợi. 2.2 ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi đến tính tính chất của composit [1] Cốt sợi có thể được phân bố và định hướng theo các phương án khác nhau tuỳ thuộc yêu cầu đề ra đối với composit. Để khảo sát người ta phân biệt 2 kiểu phân bố sau: - Phân bố một phương, trong đó tất cả các sợi đều định hướng song song thống nhất theo một phương ( hình vẽ1.5a). - Phân bố nhiều phương: Theo cách này sợi có thể được phân bố dưới dạng “mat” tức là phân bố rối, hoàn toàn ngẫu nhiên trên một mặt, tương tự như tấm dạ phớt (hình vẽ1.5b). Cũng có thể sợi được dệt quấn theo 2 chiều ( hình vẽ1.5c) và 3 chiều tương ứng vuông góc ( hình vẽ1.5d). Hình 1.5 : Sơ đồ phân bố cốt sợi a) Một chiều song song b) Ngẫu nhiên, rối trong một mặt c) Dệt hai chiều vuông góc trong một mặt d) Đan , quấn ba chiều vuông góc Độ bền của composit cốt sợi một phương theo phương vuông góc với trục cốt rất nhỏ. Trường hợp phân bố theo kiểu nhiều phương (dạng “mat” hoặc dệt 2 chiều) thì độ bền kéo sẽ nhỏ nhất theo chiều vuông góc với mặt phân bố sợi. Nếu sợi được quấn theo 3 chiều vuông góc thì composit sẽ có độ bền đồng thời lớn nhất theo cả 3 chiều tương ứng đó. Yếu tố hình học của sợi bao gồm hình dáng, kích thước chiều dài và đường kính có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của composit . Dưới đây ta sẽ phân tích tính chất của các composit cốt sợi một phương khi thay đổi yếu tố hình học của sợi. 2.2.1 Cốt sợi liên tục ( Độ dài cốt sợi vô tận). [1] Để tiến hành phân tích, giả thiết composit khảo sát thảo mãn một số điều kiện sau: -Cốt sợi dài vô tận, phân bố đếu và định hướng theo một chiếu song song -Thành phần và tổ chức vật liệu nền, cốt phải hoàn toàn đông nhất. -Liên kết nền- cốt được thực hiện 1 cách hoàn hảo, đảm bảo sự biến dạng của cốt và nền xảy ra đồng thời, tương hợp cho đến khi phá huỷ, tức là: ecomposit = enền = esợi. Khi đặt tải trọng theo chiều song song với trục sợi, từ điều kiện liên kết hoàn hảo giữa nền và cốt ta có: (hình vẽ 1.6) Pc = Pn + Ps (1) Hoặc (sb)c.Fc = sb.Fn + sb.Fs (2) biến đổi tiếp ta được: (sb)c = Vs. (sb)s + (1- Vs). (sb)n (3) Trong đó: Fc,Fn, Fs: diện tích tiết diện ngang tổng cộng tương ứng của composit, nền, sợi. sb: ứng suất tác dụng tại thời điểm cốt sợi bị đứt, với s = e.E. Vậy (3) tương đương: Ec = Vs. Es + (1- Vs). (4) Trong đó: là độ nghiêng của đường cong biến dạng kéo nền xác định tại giá trị sn . Khi giá trị sn nằm trong vùng đàn hồi của đường cong kéo, có giá trị bằng modun đàn hồi của nền En. Vậy trong vùng đàn hồi, biểu thức (4) có dạng: Ec = Vs.Es + Vn.En (5) Kết hợp (1) với (5) ta được: (6) Đối với composit có nền dẻo tốt hơn bao giờ cũng tồn tại một giá trị ứng với các giá trị Vs < sự phá huỷ các sợi cốt không dẫn tới sự phá huỷ tức khắc vật liệu composit. Trong trường hợp này, hàm lượng quá nhỏ của cốt đã không đủ để gây ra hiệu ứng hoá bền. Nếu đặt tải trọng vào mẫu composit thì toàn bộ tải sẽ tác dụng lên nền và làm mẫu biến dạng. Quá trình biến dạng đồng thời của cốt sợi và nền xảy ra cho tận đến khi độ dãn dài của mẫu bằng độ dãn dài phá huỷ của sợi (esợi). Lúc này, nếu lực vẫn tiếp tục tác dụng thì toàn bộ số sợi ít ỏi sẽ bị phá huỷ ( đứt). Tuy vậy, mẫu vẫn tiếp tục biến dạng và sự phá huỷ cuối cùng chỉ xảy ra khi độ biến dạng mẫu đạt tới giá trị độ biến dạng phá huỷ của nền (en).  Như vậy, độ bền kéo của composit ứng với Vs < bằng độ bền kéo của nền nhân với phần trăm thể tích của nó chiếm, tức là: (sb)c = (1- Vs). (sb)n (7) Để các cốt sợi phát huy vai trò hoá bền của chúng, hàm lượng cốt ít nhất cần phải đạt giá trị tới hạn . Bắt đầu từ hàm lượng cốt tới hạn này giới hạn bền kéo của composit sẽ bằng và vượt quá giới hạn bền kéo của nền, tức là (sb)c >(sb)n (8) Kết hợp (3) và (8) ta xác định được hàm lượng thể tích của sợi : (9). Ta có thể biểu diễn bằng hình vẽ 1.7: Sự phụ thuộc vào hàm lượng cốt củađộ bền composit cốt sợi một phương nền dẻo Đường cong biến dạng kéo của composit cốt sợi nền giòn với Vs>Vs Đường cong biến dạng kéo của composit cốt sợi nền dẻo Nhận xét: Trong cả 2 trường hợp, nền dẻo cũng như nền giòn, độ dài phá huỷ của composit hoàn toàn phụ thuộc vào độ dãn dài phá huỷ của sợi. 2.2.2 Độ dài cốt sợi có hạn. [1] Trong thực tế các sợi cốt thường có chiều dài giới hạn, do vậy cần phải tính đến “hiệu ứng đầu mút”. Đó là hiệu ứng phụ thuộc vào yếu tố hình học sợi cốt, gây ảnh hưởng rất mạnh đến độ bền của composit ( hình vẽ 1.8) Hình 1.8: Sơ đồ biến dạng nền khi đặt tải trọng vào composit cốt sợi ngắn. Từ hình vẽ trên ta thấy, dưới tác dụng của ứng suất đặt vào, sự biến dạng của nền dừng lại ở đầu mút sợi. Điều này cũng có nghĩa là tại vùng đầu mút sợi, hiện tượng truyền tải từ nền sang cốt không xảy ra. Nếu sợi ngắn quá ( nhỏ hơn độ dài tới hạn Lth) thì dù cường độ của lực tác dụng lên mẫu composit có tăng lên bao nhiêu đi chăng nữa ứng suất truyền sang cốt cũng không thể vượt quá giới hạn bền của sợi để phá đứt nó. Lúc này chỉ có thể xảy ra khả năng là khi cường độ lực tác dụng đủ lớn, vượt quá giới hạn cho phép, nó sẽ kéo nguyên vẹn sợi cốt tuột ra khỏi nền. Như vây độ bền các sợi cốt không được tận đụng và kết quả là composit rất kém bền. Chỉ trong trường hợp chiều dài sợi vượt quá độ dài tới hạn thì nó mới bị phá huỷ trong mẫu composit khi lực tác dụng vượt quá giới hạn cho phép và lúc này vai trò hoá bền của sợi cốt mới được phát huy. 2.3. ảnh hưởng của định hướng cốt sợi. [1] Do đặc điểm phân bố của sợi trong nền, tính dị hướng của composit cốt sợi thể hiện rất rõ rệt. Vì vậy, cơ tính của composit loại này phụ thuộc rất mạnh vào sự định hướng của sợi so với chiều ứng suất đặt vào. Dưới đây ta chỉ khảo sát một số trường hợp đặc trưng. 2.3.1. composit cốt sợi liên tục. z Khảo sát trường hợp mẫu composit có hàm lượng cốt bằng Vs, chịu tác dụng của ứng suất theo chiều vuông góc với cốt như hình vẽ sau: Z sy sy Y lo x sy sy y (1-Vs).lo Vs.lo Sử dụng phương pháp mô hình tương tự ta khảo sát composit này thông qua mẫu hình khối chiều rộng lo. Khối này gồm 2 lớp: lớp nền có chiều dày (1-Vs).lo và lớp sợi có chiều dày Vs.lo. ứng suất sy tác dụng lên composit cũng là ứng suất tác dụng lên nền và lên sợi. Dưới tác dụng của ứng suất này, mẫu composit bị biến dạng một đoạn bằng Dl. Ta có: Dl = es.Vslo + (1-Vs).enlo (1) hoặc ey =es.Vs + (1-Vs).en (2) Mặt khác: es = ; en = ; ey = ; (3) Kết hợp (2), (3) ta có (4) hoặc: (5) Biểu thức (5) chính là giới hạn dưới của modun đàn hồi của composit hạt thô. 2.3.2 Composit cốt sợi ngắn. [1] Ta khảo sát trường hợp sợi ngắn phân bố hoàn toàn ngẫu nhiên vô trật tự như hình vẽ: Biểu thức quy tắc hỗn hợp đối với mudun đàn hồi được biểu thị như sau: Ec = k.Es.Vs + En.Vn (1) Trong đó: k: là tham số hiệu quả hoá bền, giá trị của nó phụ thuốc vào Vs, và tỷ lệ , dao động trong khoảng 0,1-0,6. Bảng sau trình bày tham số hiệu quả hoá bền của một số composit sợi ngắn ứng với các trường hợp định hướng khác nhau giữa sợi và ứng suất: Định hướng sợi Chiều ứng suất K Tất cả các sợi song song Song song với sợi Vuông góc với sợi 1 0 Phân bố ngẫu nhiên, đồng nhất trong một mặt Theo phương bất kỳ trong mặt chứa sợi 3/8 Phân bố ngẫu nhiên và đồng nhất theo 3 chiều không gian Theo phương bất kỳ 0,2 Nhờ những ưu điểm lớn như tạo hình dễ dàng các chi tiết phức tạp, giá thành sản phẩm thấp, quy trình công nghệ chế tạo vừa phải dễ cập nhật, ngày nay composit cốt sợi ngắn (có định hướng hoặc ngẫu nhiên) đã trở thành một trong những vật liệu mới được đặc biệt chú ý nghiên cứu chế tạo và ứng dụng VI. Các phương pháp chế tạo vật liệu composit VI.1. Một số phương pháp chế tạo vật liệu composit vô cơ 1. Nấu chảy kim loại nền sau đó rót vào khuôn chứa cốt. Nội dung phương pháp: -Đưa các sợi cốt composit vào khuôn. -Nấu chảy kim loại nền rồi rót vào khuôn. Nhược điểm của phương pháp này là khả năng bám dính của kim loại nền vào sợi cốt bị hạn chế. 2. Phương pháp bột. Kim loại nền được chuẩn bị ở dạng bột. Sợi cốt được trộn lẫn với kim loại ở dạng bột thành hỗn hợp. Hỗn hợp này được ép và thiêu kết để tạo ra composit. Nhược điểm của phương pháp này là quá trình ép có thể ảnh hưởng xấu tới tính chất của sợi cốt. 3. Phương pháp ép nóng với sợi cốt có lớp phủ. Phương pháp này về cơ bản giống phương pháp luyện kim bột. Điểm khác biệt là sử dụng sợi cốt có phủ một lớp kim loại khác trên bề mặt. Kim loại để phủ sợi cốt sẽ có tác dụng bảo vệ cốt trong quá trình ép cũng như đóng vai trò liên kết giữa cốt và nền. 4. Phương pháp trộn nóng. Trước khi trộn sợi cốt và bột kim loại nền được nung nóng trước. ưu điểm của phương pháp này là khắc phục được lớp phân cách giữa cốt và nền. 5. Phương pháp phun phủ. Sợi cốt trước khi đem trộn được tiến hành phun phủ một lớp kim loại mỏng bên ngoài. Lớp phủ có tác dụng làm thay đổi tính chất bề mặt của sợi cốt. VI.2. Một số phương pháp chế tạo vật liệu composit hữu cơ.[3] 1.Đúc không áp lực Đúc nguội, không cần ép là kỹ thuật đơn giản cho phép chế tạo các chi tiết bằng vật liệu composit sợi thuỷ tinh. 1.1.Đúc tiếp xúc Đây là phương pháp cổ và đơn giản nhất. Khuôn có thể lồi lõm. Nội dung phương pháp: Vật liệu nền và cốt được con lăn dát thành tấm theo hình dạng của thành khuôn dưới tác dụng của lực ép giữa con lăn và bề mặt của khuôn 1.2.Đúc bắn đồng thời. Phương pháp này cho phép chế tạo hang loạt các chi tiết, giá thành hạ. phương pháp này chỉ dùng sợi vụn, ngắn mà không dùng cốt vải. Do đó cơ tính của vật liệu composit tạo thành không cao. Sợi vụn và nhựa được bắn đồng thời thẳng góc xuống khuông nhờ các sung chuyên dụng 1.3.Đúc chân không. Gồm có: - Đúc chân không dạng túi: khuôn được làm bằng vật liệu cứng, trước tiên tạo lớp lót, sau đặt cốt vải và cấp nhựa. Bơm chân không làm giảm áp suất giúp cho nhựa được trải đều và đẩy bọt khí ra khỏi nhựa. - Đúc hút: Vật liệu cốt và nền được hút vào trong khoảng trống giữa 2 chi tiết khuôn đúc: khuôn trên và khuôn dưới. Phương pháp này cho phép tạo những chi tiết tròn xoay và dạng côn. 2. Đúc áp lực( đúc ép) 2.1.Đúc phun nhựa Vải đươc đăt giữa 2 chi tiết khuôn đúc, phun nhựa nhờ áp lực, nhựa thấm vào cốt. 2.2. Đúc nguội nhờ áp lực. áp lực đúc nhỏ hơn 5 atm, không cần sấy nóng khuôn đúc. Vật liệu cốt và nhựa được đặt vào khuôn đúc đã có lớp lót và phụ gia giúp cho việc dỡ khuôn dễ dàng. Đóng khuôn trên và khuôn dưới rồi ép. 2.3. Đúc có nhiệt độ. Vật liệu cốt( sợi rối, sợi ngắn hoặc dài, vải..) được đặt vào khuôn nóng. Người ta cũng có thể ép nguội sau đó ép nóng dưới tải trọng và ở nhiệt độ xác định. Giải pháp này cho phép sử dụng một tỷ lệ khối lượng vật liệu cốt khá cao, do đó vật liệu tạo ra có cơ tính cao. 3. Đúc liên tục Phương pháp này thường được sử dụng để chế tạo các tấm phẳng, tấm lượn sóng, tấm có gân… Sơ đồ: Vật liệu cốt (sợi, mat,vải…) được tẩm thấm bằng vật liệu nền đ tạo hình (cán) đgia nhiệt (nhiệt độ tuỳ thuộc từng loại vật liệu làm nền) đ làm nguội đ cắt. 4. Kéo định hình Phương pháp này được sử dụng để chế tạo các tấm dạng phẳng hoặc cong, tiết diện không thay đổi và có độ bền cao. Vật liệu cốt được đi qua bể chứa nhựa và được tẩm thấm ở đấy. Sau đó vật liệu cốt đi qua khuôn chuốt đã sấy nóng trong lò. Quá trình tạo hình xảy ra đồng thời với quá trình polyme hóa của nhựa. 5. Đúc ly tâm Phương pháp này thường để chế tạo các chi tiết tròn xoay: ống, thùng…Người ta đưa vật liệu cốt ( mat, sợi ngắn) và nhựa vào khuôn đúc bằng thép cứng sau đó cho khuôn đúc quay (~2000 vòng/phút). Các chi tiết chế tạo bằng đúc ly tâm có mặt ngoài bóng và đều. 6. Phương pháp quấn ống. Vật liệu cốt( sợi dài, băng tải…) đã được tẩm nhựa có xúc tác được quấn với lực căng nhỏ trên một tang hình trụ hoặc tròn xoay. Phương pháp này rất phù hợp với các chi tiết , kết cấu mặt trụ và cầu vật liệu thu được có cơ tính cao vì nó có thể chứa 80 % khối lượng là chất tăng cường (cốt). Phần II-Nghiên cứu thực nghiệm và kết quả I-Nhiệm vụ nghiên cứu Trong khuôn khổ của một bản luận án tốt nghiệp đại học , bản luận án này có nhiệm vụ nghiên cứu tổng hợp vật liệu, khảo sát tính chất và khả năng liên kết tạo vật liệu composit của một loại thuỷ tinh có tính chất sinh học tốt với một số vật liệu khác nhau. Thuỷ tinh được lựa chọn nghiên cứu thuộc hệ : Na2O-CaO-P2O5-SiO2 Trên cơ sở thành phần hoá học thích hợp và có chứa P2O5 , thuỷ tinh này có khả năng tương tác sinh học cao khi được cấy ghép vào cơ thể sống. Tuy nhiên hệ thuỷ tinh này có nhược điểm là độ bền cơ thấp .Vì vậy nó ít khi được sử dụng độc lập làm vật liệu y sinh , mà thường được sử dụng kết hợp với các vật liệu khác để tạo ra các hệ vật liệu composit y sinh.[5] Bản luận án này tập trung nghiên cứu các nội dung chính sau đây: -Nghiên cứu xác định điều kiện công nghệ nấu thuỷ tinh . -Nghiên cứu xác định tính chất của thuỷ tinh . -Nghiên cứu khả năng liên kết của thuỷ tinh với một số cốt liệu khác nhau. Để chế tạo vật liệu composit , các vật liệu được dùng làm cốt gồm: + Cốt sợi kim loại : sợi rối ( sợi Cr-Ni) , dạng lưới (Inox). + Cốt sợi được dệt thành vải từ sợi SiC . +Cốt là gốm thuỷ tinh bền cơ cao. +Cốt là vật liệu gốm có khả năng chịu được nhiệt độ cao. II-Nghiên cứu thực nghiệm và kết quả II.1-Các phương pháp nghiên cứu 1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen[7] Phương pháp này được sử dụng để xác định các pha tinh thể trong gốm thuỷ tinh . Nguyên tắc : Khi chiếu một chùm điện tử công suất lớn vào tinh thể thì phầ lớn các điện tử đi qua và có một số ít các điện tử bị phản xạ quay trở lại do gặp các nguyên tử của tinh thể . Các tia phản xạ sẽ giao thoa tạo các vân giao thoa.Tai các vị trí giao thoa đạt cực đại thì các đại lượng : góc tới của tia Rơnghen (q),bước sóng của chùm tia Rơnghen(l), thông số mạng(d) thoả mãn phương trình Wulf-Bragge: 2d.sinq =n.l ị d= Mỗi loại tinh thể có một thông số mạng cụ thể tương ứng với các giá trị ( n, ,)duy nhất được xác định khi có giá tri của d. Khi phân tích Rơnghen ta sẽ biết được các giá trị của d đối với các loại tinh thể có trong hợp chất nghiên cứu .Luôn có các giá trị d của các tinh thể chuẩn để có thể so sánh giá trị d vừa tìm được.Dựa vào cường độ của các cực đại giao thoa I so với các biểu đồ chuẩn của riêng từng loại tinh thể ta đánh giá được hàm lượng của các tinh thể có trong hợp chất nghiên cứu. Thiết bị sử dụng là máy phân tích Rơnghen, khi chiếu chùm tia Rơnghen có bước sóng l xác định vào mẫu hợp chất nghiên cứu người ta thu được cường độ chùm tia phản xạ I. Sau đó biểu diễn sự thay đổi của chùm tia phản xạ thay đổi theo sự thay đổi của góc 2q, biểu đồ này gọi là biểu đồ Rơnghen Thông qua các peak nhiễu xạ thu được, người ta có thể xác định: - Có các loại tinh thể nào được hình thành ở hệ gốm thuỷ tinh nghiên cứu. Diễn biến kết tinh của các pha tinh thể trên theo nhiệt độ. Kết quả phân tích nhiễu xạ Rơnghen mẫu gốm thuỷ tinh 900oC , lưu 1 giờ, được thể hiện trong hình trang sau: Từ biểu đồ trên ta thấy : hệ thuỷ tinh nghiên cứu khi ủ kết tinh sẽ tạo ra các tinh thể SilicatCaxi, PhôtphatCanxi, phlogopit, SiO2.Trong đố các tinh thể PhotphatCaxi, Phlogopit có tác dụng sinh học rất tốt.Đây là điều mà ta mong muốn. Tuy nhiên , sự phát triển của các tinh thể này chưa được tốt, thể hiện ở giá tri d còn nhỏ.Nguyên nhân có thể là do chế độ ủ kết tinh chưa hợp lý. 2. Phương pháp hiển vi điện tử[7] Hiển vi điện tử là phương pháp cho độ phóng đại và phân giải cao để phân tích cấu trúc sản phẩm. Nguyên tắc: Mẫu trước khi chụp được đưa vào máy gia công mẫu. ở đây mẫu được làm sạch bề mặt và phủ một lớp AgNO3 lên để tăng cường phản xạ trong 15 phút. Sau đó mẫu được đưa vào thiết bị chụp với độ phóng đại khác nhau. 3. Xác định tính chất của thuỷ tinh[6] 3.1. Mật độ thuỷ tinh: Xác định bằng phương pháp cân thuỷ tĩnh tại bộ môn Silicat- ĐHBKHN. Đối với thuỷ tinh nghiên cứu, khối lượng mẫu sau khi luộc sôi 3 giờ và làm nguội 1 giờ xấp xỉ với khối lượng mấu khô. Sự chênh lệch đó rất nhỏ do các hạt nước li ti bám trên bề mặt mẫu. Dựa vào công thức xác định độ xốp, độ hút nước: , Trong đó: Xbk, W,rv là độ xốp biểu kiến, độ hút nước, khối lượng thể tích G1: khối lượng mẫu khô cân trong không khí ( g) G2: khối lượng mẫu ngấm đầy nước cân trong không khí (g) G3; khối lượng mẫu ngấm đầy nước cân trong nước (g) Dựa vào công thức trên ta có thể kết luận rằng thuỷ tinh có độ xốp, độ hút nước bằng 0. Vậy theo phương pháp này ta có thể xác định được khối lượng thể tích của thuỷ tinh ( kể cả bọt kín trong thuỷ tinh). Công thức xác định mật độ thuỷ tinh: Trong đó: rn là khối lượng riêng của nước ở 25 oC (0,998 g/cm3) 3.2. Phương pháp xác định độ bền uốn : Cường độ uốn được xác định: (KG/cm2) Trong đó: P: áp lực ép (KG) l: khoảng cách giữa 2 trục tỳ (cm) b: Chiều rộng của mẫu (cm) h: chiều cao của mẫu (cm) 3.3. Phương pháp xác định độ bền nén: Độ bền nén là khả năng nén kháng của vật liệu. Công thức xác định Trong đó: P: áp lực ép (KG) f: diện tích mặt mẫu thử (cm2) 3.4.Phương pháp xác định hệ số dãn nở nhiệt: Công thức xác định: 1/0C [6] Trong đó: a: hệ số dãn nở nhiệt, 1/0C Dl: độ dãn dài của mẫu được chỉ thị trên đồng hồ đo, mm l: chiều dài ban đầu của mẫu, mm T: nhiệt độ đốt nóng, 0C aTA: hệ số hiệu chỉnh tính đến sự dãn dài của thạch anh, 1/0C 3.5. Phương pháp xác định độ bền hoá : Độ bền hoá của thuỷ tinh là khả năng chịu được tác dụng phá hoại của các tác nhân hoá học như : axit, kiềm, nước. Trong bản luận án này chỉ xác định độ bền nước của thuỷ tinh nghiên cứu. Độ bền nước được xác định bằng cách xác định lượng kiềm thôi ra từ thuỷ tinh theo phương pháp chuẩn độ. II.2-Nghiên cứu nấu thuỷ tinh 1. Sơ đồ tổng hợp thuỷ tinh : Lò ủ thuỷ tinh Lò nấu thuỷ tinh Trộn ẩm Các nguyên liệu đầu Định lượng Đúc khối Đóng bánh phối liệu Cưa cắt mẫu 2. Lựa chọn thành phần hoá học của thuỷ tinh: Thành phần hoá học của thuỷ tinh cần được lựa chọn sao cho có khả năng tạo thuỷ tinh tốt, dễ nấu, dễ đồng nhất, đồng thời lại dễ kết tinh tạo thành gốm thuỷ tinh có tác dụng sinh học kh gia công nhiệt và cũng thuận lợi cho quá trình chế tạo vật liệu composit sau này. Khi nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tham khảo tài liệu ta chọn hệ thuỷ tinh nghiên cứu có thành phần hoá học như sau: Các oxyt thành phần SiO2 P2O5 CaO Na2O % khối lượng 45,0 6,0 24,5 24,5 3. Nguyên liệu và tính toán phối liệu nấu thuỷ tinh * Việc lựa chọn nguyên liệu để nấu thuỷ tinh là rất quan trọng; nó có ảnh hưởng đến khả năng tạo thuỷ tinh và quyết định đến chất lượng thuỷ tinh thu được. Các nguyên liệu này phải đạt các yêu cầu về độ sạch, thích hợp cho quá trình nấu, dễ dàng tham gia quá trình tạo thuỷ tinh. Qua sàng lọc lựa chọn, ta có thể sử dụng các nguyên liệu sau: -Cát: cung cấp SiO2. Yêu cầu: SiO2>98% -Sôđa: cung cấp Na2O. Yêu cầu: Na2O >58,49% -Bột nhẹ: cung cấp CaO. Yêu cầu: CaO>54,9% -Ca3(PO4)2: cung cấp CaO, P2O5. Yêu cầu: CaO>45,9 %; P2O5>38,8% *Tính khối lượng để nấu 100 phần trọng lượng(PTL) thuỷ tinh: +Gọi x là khối lượng cát để nấu 100 phần trọng lượng thuỷ tinh. +Gọi y là khối lượng cát để nấu 100 phần trọng lượng thuỷ tinh. +Gọi z là khối lượng cát để nấu 100 phần trọng lượng thuỷ tinh. +Gọi t là khối lượng cát để nấu 100 phần trọng lượng thuỷ tinh. -Trong quá trình nấu có tính đến sự bay hơi của: P2O5 là 18%; Na2O là3%; CaO là 1%. Vậy ta có: Lượng P2O5 cần thiết để nấu 100 PTL thuỷ tinh: Lượng Na2O cần thiết để nấu 100 PTL thuỷ tinh: Lượng CaO cần thiết để nấu 100 PTL thuỷ tinh: Ta được hệ phương trình: Giải hệ phương trình trên ta được Vậy thành phần phối lượng để nấu 100 PTL thuỷ tinh: Cát : 45,9 PTL Sôđa : 43,2 PTL Bột nhẹ : 18,9 PTL Ca3(PO4)2 : 29,3 PTL -Hiệu suất nấu thuỷ tinh: -Hao hụt khi nấu: 100-73,2=26,8% 4- Lò và chén nấu thuỷ tinh: * Lò để nấu thuỷ tinh là lò gas đạt nhiệt độ tối đa 1500oC. - Nhiệt độ nấu thuỷ tinh là 1350oC. - Khi nhiệt độ lò đạt 1350oC1400oC, phối liệu sau khi được đóng bánh ( độ ẩm khoảng 3%) được tiếp liệu lần 1 , lưu 1 giờ . Sau đó ta tiếp liệu lần thứ 2, lưu 1 giờ .Khi thuỷ tinh nấu đạt yêu cầu ta rót thuỷ tinh lỏng vào khuôn kim loại rồi đưa ngay vào lò ủ( nhiệt độ ủ 650oC), sau đó tắt lò và để nguội đến nhiệt độ thường . Khối thuỷ tinh đem cưa cắt thành các mẫu nhỏ để thực hiện các bước tiếp theo. - Chế độ nhiệt độ của quá trình nấu thuỷ tinh được mô tả trên hình vẽ sau: oC Giai đoạn tăng nhiệt độ lò Giai đoạn ổn định ở nhiệt độ cao nhất để kết khối chén . Giai đoạn nạp liệu. Giai đoạn lưu ở nhiệt độ nấu Giai đoạn giảm nhiệt độ . ủ thuỷ tinh trong lò ủ . 7- Làm nguội. 2 4 3 1350 1450 5 6 1 650 7 0 10 11 12 13 13,2 Thời gian,h * Chén nấu: Chén nấu thuỷ tinh nghiên cứu có thành phần như sau: 80% Al2O3 +15%ZrO2.Chén được tạo hình bằng phương pháp đổ rót với khuôn thạch cao sau đó được sấy và thiêu kết sơ bộ ở 1200o C.Vì vậy khi nâng nhiệt độ của lò nấu phải có khoảng thời gian lưu ở nhiệt độ cao (khoảng 1400oC) để chén kết khối . Sau khi nấu thuỷ tinh ta thấy thuỷ tinh có chất lượng tốt , chén bị ăn mòn ít , không biến dạng. * Nhận xét chung về quá trình nấu thuỷ tinh : - Với thành phần nguyên liệu như đã chọn lựa để tính bài phối liệu, thuỷ tinh nấu thu được có độ đồng nhất tương đối vao, độ nhớt thấp , rót ra khỏi chén dễ dàng; tuy nhiên thuỷ tinh thu được vẫn có màu của Fe2+ do trong phối liệu(cát) có lẫn tạp sắt . Thuỷ tinh sau khi ủ có xuất hiện một số vết nứt chứng tỏ nhiệt độ ủ thuỷ tinh là chưa hợp lý. -Nhiệt độ nấu thuỷ tinh thích hợp cho loại thủy tinh này là 1350oC. -Sử dụng chén nấu cao nhôm đã thiêu kết trước thích hợp cho quá trình nấu thuỷ tinh và lò nấu. II.3-Đo các tính chất của thuỷ tinh 1- Xác định nhiệt độ chuyển (Tg) của thuỷ tinh : Lấy một vài mẩu thuỷ tinh nhỏ , có góc cạnh ,đưa vào lò ở tại một số nhiệt độ khác nhau.Kết quả cho thấy tại nhiệt độ 800oC850oC, mẫu thuỷ tinh bị mất góc cạnh và có xu hướng co tròn lại. Vậy nhiệt độ chuyển của loại thuỷ tinh nghiên cứu nằm trong khoảng 800oC