Tiểu luận Composite gốm - Vật liệu cho tương lai

site là vật liệu được tổ hợp từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau. Vật liệu mới được tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng loại vật liệu thành phần riêng rẽ. Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn phân bố đều trên một pha nền liên tục. Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi là composite hỗn tạp. Pha gián đoạn thường có tính chất trội hơn pha liên tục. Pha liên tục gọi là nền (matrice). Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu gia cường (reenforce) Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào những đặc tính sau đây: Cơ tính của các vật liệu thành phần. Các vật liệu thành phần có cơ tính tốt thì vật liệu composite cũng có cơ tính tốt và tốt hơn tính chất của từng vật liệu thành phần. Luật phân bố hình học của vật liệu cốt. Khi vật liệu liệu cốt phân bố không đồng đều, vật liệu composite bị phá huỷ trước hết ở những nơi kít vật liệu cốt. Với composite cốt sợi, phương của sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu, có thể điều chỉnh được tính dị hướng này theo ý muốn để chế tạo được vật liệu cũng như phương án công nghệ phù hợp với yêu cầu. Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần. Vật liệu cốt và nền phải liên kết chặt chẽ với nhau mới có khả năng tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau. Ví dụ: liên kết giữa cốt thép và xi măng trong bê tông. 2 . Phân loại 2.1. Phân loại theo hình dạng: Gồm: Composite sợi, composite vảy, composite hạt, composite điền đầy, Composite phiến. 2.2. Phân loại theo bản chất và vật liệu thành phần: Composite nền hữu cơ: nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi khoáng hoặc sợi kim loại. Composite nền kim loại: nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng, cốt thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC Composite nền gốm: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc hạt kim loại hoặc cũng có thể là hạt gốm. Vật liệu và thành phần của composite 3.1. Vật liệu nền: Nhựa phênolformaldehyt Nhựa êpoxy Nhựa polyeste Các loại nhựa khác 3.2. Vật liệu gia cường: Cốt dạng sợi: Hình 2 trình bày một số cấu trúc đơn giản nhất của composite 1D, 3D và 2D: Hình 2. Một số cấu trúc phổ biến của composite cốt sợi Bảng 1 cho thấy các hằng số đàn hồi của composite tương ứng với sơ đồ cốt trên hình 2 (nền epoxy cốt sợi thuỷ tinh): Bảng 1. Mô đun đàn hồi của composite polyme epoxy-thủy tinh với cấu trúc khác nhau. Từ bảng 1 chúng ta nhận xét là với composite epoxy-thuỷ tinh đang xét, việc thay đổi cấu trúc cốt làm thay đổi đáng kể mođun đàn hồi và hệ số poát xông của composite, nhưng ít làm ảnh hưởng tới môđun trượt. Điều này cũng có nghĩa là khi kết cấu làm việc trong các trường hợp chịu ứng suất-biến dạng trượt, với vật liệu epoxy-thuỷ tinh đang xét, chúng ta có thể thay thế các vật liệu 3D bằng các vật liệu 1D, 2D đơn giản và rẻ hơn nhiều lần. b) Cốt dạng vải c) Cốt dạng hạt 3.3. Vùng trung gian trong composite: Vùng trung gian là vùng tiếp xúc giữa cốt và nền và nó thường là yếu tố có tính quyết định đến các tính chất cơ học và các thuộc tính khác nữa của composite. Vùng trung gian chính là nơi chuyển tải trọng từ nền sang cốt nên tác động đầu tiên của nó chính là tác động đến độ bền. Có nhiều yếu tố tác động đến thành phần và thể tích của vùng chuyển tiếp Đầu tiên, là tính thấm ướt, tức là pha nền ở trạng thái lỏng phải dễ dàng thấm ướt pha gia cường trước khi đóng rắn. Nhưng thực tế không phải lúc nào cũng có liên kếte nền - cốt lý tưởng do bản chất hoá lý của các vật liệu rất khác nhau. Trong trường hợp này, cần phải thêm chất thấm ướt để cải thiện khả năng thấm ướt cốt - nền. 3.4. Các chất phụ gia: Chất phụ gia là những vật liệu liệu nhằm cải thiện một số tính chất của composite như: - Tính dẫn điện, dẫn nhiệt: thường dùng bột, sợi hoặc vảy kim loại như Fe, CU, Al, hoặc bi tráng kim loại. - Bôi trơn khi dỡ khuôn. - Tạo màu. - Chống co ngót. Composite nền nhựa Các loại nhựa như êpoxy, phênolformaldehyt, polyeste đều có tính thấm ướt tốt đối với vật liệu gia cường dạng hữu cơ, bởi vậy công đoạn trộn nhựa với cốt rất thuận lợi và đơn giản. Riêng đối với cốt là vật liệu vô cơ, ví dụ như các loại sợi gốm, có tính thấm ướt rất kém nên trước khi trộn phải có công đoạn bọc hoặc thấm lên trên cốt. Đối với dạng vải, có nhiều cách để chế tạo bán thành phẩm. Ví dụ: Nhúng tấm vải vào thùng nhựa rồi xếp thành từng lớp và tiến hành ép, hoặc trải từng lớp vải vào lòng khuôn rồi phun hoặc quét nhựa, lại trải vải, lại quét nhựa Lặp lại quy trình như vậy cho đến khi đạt chiều dày yêu cầu. Composite nền kim loại Trong vật liệu composite nền kim loại, thường dùng nhiều trong kỹ thuật là vật liệu tổ hợp nền kim loại màu do những tính chất ưu việt mà các kim loại đen không có được, ví dụ như nhẹ, bền ở nhiệt độ cao, chịu mài mòn tốt nhưng công nghệ chế tạo lại đơn giản hơn. Một số loại composite nền kim loại có thể kể đến như sau: Composite nền nhôm cốt hạt. Composite nền nhôm cốt sợi. Composite nền đồng hạt thép. Composite nền gốm Vật liệu composite nền gốm (ceramic matrix composite, CMC) đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhằm khắc phục những nhược điểm của vật liệu gốm nguyên khối, đó là tính dòn cố hữu và khả năng ứng dụng hạn chế của vật liệu gốm nguyên khối. Vật liệu composite nền gốm thường dùng để chế tạo các chi tiết làm việc trong môi trường rất khắc nghiệt như: động cơ tên lửa và động cơ phản lực, động cơ khí trong nhà máy năng lượng, vỏ cách nhiệt của tàu không gian, lớp lót đầu tiên của buồng phản ứng nấu chảy, phanh máy bay, lò nhiệt luyện đây là môi trường làm việc có nhiệt độ rất cao nhưng rất khó làm nguội bằng chất lỏng thông thường. Mặt khác, khi thay thế các siêu hợp hợp kim bằng vật liệu gốm composite còn tiết kiện được khá nhiều khối lượng, điều vô cùng quan trọng đối với ngành hàng không vũ trụ. Trong composite nền gốm, vật liệu cốt có thể là cốt dạng không liên tục kiểu hạt, sợi ngắn hoặc lát vụn. Cũng có thể dùng cốt liên tục dạng sợi. Trong trường hợp cốt gián đoạn, việc tăng độ bền và độ dai va đập chỉ có thể tăng đến một giới hạn nào đó nhưng vẫn đủ để sử dụng. Một ví dụ composite nền gốm sợi vụn dùng trong lĩnh vực dụng cụ cắt là composite SiC/Si3N4, trong đó SiC là pha gia cường, còn Si3N4 đóng vai trò vật liệu nền. CHƯƠNG 2 COMPOSITE GỐM (Việc đưa các cốt sợi như sợi kim loại để chế tạo composite góp phần làm hạn chế tính giòn của gốm. Hiện nay phát triển rất mạnh xu thế vật liệu composite nền gốm trên cơ sở cốt sợi kim loại và các oxit kim loại, sợi gốm, sợi cacbon) Giới thiệu: Với định nghĩa nêu ở CHƯƠNG 1, chúng ta có thể coi gốm sứ là vật liệu composite. Khác với các loại vật liệu khác, trong vật liệu composite phải có tác dụng tương hỗ giữa các cấu từ thành phần. Từ vật liều thành phần (pha) A và B tạo ra được vật liệu C có tính chất tốt hơn các vật liệu A, B riêng biệt hay hỗn hợp của chúng. Vật liệu composite gốm gồm pha rắn phân tán có thể tích Vs, pha nền có thể tích Vm và pha khí phân tán (lỗ xốp) có thể tích Vg. Composite gốm được chia thành các hệ sau: Hệ hai pha, gồm “pha tinh thể ceramic” + “pha khí” (lỗ xốp). Số lượng lỗ xốp, độ xốp, hình dạng lỗ xốp, kích thước hạt tinh thể, mức độ kết khối trong vùng tiếp xúc giữa các hạt đều ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học của vật liệu. Hệ gồm “pha tinh thể ceramic” + “pha thủy tinh” + “pha khí” (lỗ xốp) đặc trưng cho các loại gốm truyền thống. Tính chất cơ học của vật liệu chịu ảnh hưởng của hình dạng các hạt tinh thể (hạt có cạnh sắc làm tăng cường độ của hệ nhưng lại tạo điều kiện cho các vi nứt phát triển). Các hạt phân bố ngẫu nhiên trong pha nền liên kết chúng lại với nhau. Dưới kinh hiển vi quang học, có thể nhìn thấy rõ tổ hợp hạt do các hạt liên kết lại với nhau (có đường kính đến 300μm hay hơn nữa đối với vật liệu sành dạng đá) hoặc có thể nhìn thấy các hạt định hướng theo một hướng nào đó làm cho vật liệu có tính bất đẳng hướng. Hệ gồm “pha tinh thể ceramic” + “pha tinh thể ceramic”, yêu cầu tính chất của hai pha tinh thể ceramic trên không quá khác nhau. Trong trường hợp này, cả hai pha tinh thể đều quyết định tính chất của composite. Một trong hai “pha tinh thể ceramic” trên ở dạng phân tán, có thể là whisker. Đó là những râu đơn tinh thể có độ bền rất cao, đường kính khoảng 1μm và chiueefu dài 3-4mm. Râu đơn tỉnh thể có tính chất tốt hơn rất nhiều so với các dạng khác. Ví dụ whisker Al2O3 có đường kính 5-11μm (khối lượng riêng 4 g/cm3, độ bền kéo 15Gpa, bền nhiệt độ đến 1200ºC), hay whisker SiC (khối lượng riêng 3,2g/cm3, độ bền kéo 21 GPa, bền nhiệt độ đến 1600°C). Whisker làm tăng độ bền của vật liệu lên rất nhiều. Hệ gốm “pha tinh thể ceramic” + “pha kim loại” (cermet). Tùy theo tỷ lệ giữa hai cấu tử, nếu “pha kim loại” chiếm phần lớn thì composite thể hiện tính kim loại (có tính dẻo, độ bền va đập), ngược lại nếu “pha tinh thể ceramic” chiếm phần lớn thì composite dòn, tuy nhiên các tính chất ở nhiệt độ cao lại được bảo đảm. 1. Các loại composite gốm Gạch nung: ceramic (gạch ceramic,.) Sứ, sành dạng đá: ceramic – thủy tinh (gốm thủy tinh,.) 2. Gạch ceramic Gạch Ceramic được sử dụng phổ biến và thông dụng trên thị trường hiện nay. Đây là loại gạch ốp lát có đặc tính nổi trội về độ dày và độ cứng của gạch, dễ thi công. 2.1. Gạch Ceramic là gì? Gạch Ceramic là gạch không đồng chất bao gồm: phần xương gạch và lớp men mỏng tráng phủ bề mặt được in những họa tiết, hoa văn, màu sắc khác nhau. Cấu trúc chất liệu chính sản xuất phần xương gạch gồm 70% đất sét và 30 phần trăm là tràng thạch, penphat. Trên quy trình sản suất gạch Ceramic trải qua 4 bước: – Phần làm xương: Các nguyên liệu được nghiền mịn, tạo hình và ép sấy khô. Khi ép phải ép bằng máy ép có áp lực cao và sử dụng công nghệ nung hiện đại để đảm bảo chất lượng của viên gạch sau khi ra lò. – Phần tráng men: Gạch được tráng một lớp men mỏng trên bề mặt. – In lụa: Bề mặt được in nhiều họa tiết hoa văn màu sắc trang trí khác nhau. – Nung gạch: Sau khi trải qua các bước trên gạch được đưa vào lò nung, nung với nhiệt độ từ 1100 độ đến 1180 độ C trong thời gian tối đa là 45 phút. 2.2. Đặc điểm của gạch Ceramic: Gạch men đa dạng mẫu mã đáp ứng được yêu cầu thẩm mỹ cho mọi không gian, kiến trúc nhà ở. Đây là một trong những ưu điểm nổi bật của gạch Ceramic giúp cho người tiêu dùng có thể dễ dàng lựa chọn được mẫu gạch phù hợp nhất với không gian kiến trúc của gia đình mình bởi mỗi không gian có những đòi hỏi chọn lựa gạch ốp lát khác nhau. Màu sắc của gạch ốp lát Ceramic cũng tương đối đa dạng tương thích với nhiều kích thước khác nhau. Hơn nữa, gạch Ceramic còn có nhiều họa tiết hoa văn đa dạng, chân thực, tạo nên sự thu hút từ chiều sâu vô cùng tinh tế. Chính nhờ điều này nên khi sử dụng gạch ốp lát Ceramic có thể dễ dàng ăn gian được chiều rộng cho không gian. Nước men của gạch Ceramic đẹp bởi công nghệ tráng men cho ra bề mặt bóng nhờ lớp chì. Lớp chì giúp cho bề mặt gạch ốp lát Ceramic được bóng sáng hơn. Tuy nhiên, khi chì tiếp xúc với cơ thể có thể làm hại đến sức khỏe của người sử dụng. Và bề mặt bóng kiếng đó qua thời gian sử dụng thường bị mờ, xước và xuống cấp. 2.3. Gạch Ceramic có mấy loại? Gạch men đa dạng về chủng loại màu sắc kích thước, họa tiết hoa văn. Vậy người ta phân loại gạch dựa vào đâu? 2.4. Phân loại theo công nghệ sản xuất: gạch men bóng và gạch men mờ. Gạch men bóng là loại gạch có bề mặt được bao phủ một lớp men màu, khiến cho viên gạch có sự độc đáo ở cả góc độ thẩm mỹ và góc độ công nghệ. Tất cả những đặc tính đó phụ thuộc vào từng loại men. Gạch men mờ là loại gạch đồng chất trên cả viên gạch và không cần tráng một lớp men trên bề mặt gạch. Màu sắc và hoa văn của gạch không tráng men sẽ được pha trộn màu hoặc chất liệu khác với xương của gạch sau đó được nung với nhiệt độ cao. Bề mặt gạch chắc chắn không bị bong tróc hay nứt vỡ trong suốt quá trình sử dụng. Vì thế mà gạch men mang vẻ đẹp chiều sâu hơn dòng gạch men bóng. Dòng gạch Ceramic men khô sẽ hạn chế khả năng trợn trượt tốt có thể sử dụng cho không gian nhà tắm hoặc không gian ngoại thất. Đảm bảo an toàn cho người sử dụng. 2.5. Phân loại theo độ hút nước: Xương gạch có các lỗ vi thể liên kết với nhau và chỉ được nhìn thấy thông qua kính hiển vi chuyên dụng. Những lỗ vi thể này sẽ quyết định độ hút nước của gạch dưới các điều kiện khác nhau. 2.6. Phân loại theo kỹ thuật ép và đùn: Ép và đùn là hai kỹ thuật có thể ứng dụng trong việc sản xuất gạch Ceramic. Gạch ép được tạo hình bằng cách dùng máy tạo áp lực ép lên bột liệu. Gạch đùn được hình thành bằng cách cho nguyên liệu ở dạng bột nhão, sau đó đùn qua một lỗ đặc biệt để tạo hình. 2.7. Phân loại theo màu sắc của xương: trắng, đỏ hay hơi trắng. Màu sắc của xương phụ thuộc vào nguyên liệu được sử dụng, có thể có nhiều màu từ màu vàng cho đến màu đỏ đậm hoặc hơi trắng. Đối với một số sản phẩm gạch không tráng men, màu sắc của gạch được tạo ra bằng cách trộn thêm màu vào thành phần của xương. 2.8. Phân loại theo sự đa dạng của hình dạng, kích thước: Hình dạng phổ biến nhất thường thấy của gạch là hình vuông và hình chữ nhật. Tuy nhiên, cũng có một số hình dáng phức tạp khác như hình lục lăng. Kích thước của gạch Ceramic cũng rất đa dạng từ kích thước gạch “Mosaic” cho đến kích thước chiều dài cạnh từ 60 cm trở lên và thậm chí là trên 3 m. Độ dày cũng dao động trong khoảng từ vài mm cho đến hơn 2-3.5 cm. 2.9. Phân loại theo công năng: ốp hay lát; trong nhà hay ngoài trời. Một khía cạnh khác dùng để phân loại gạch đó theo công năng của gạch, ví dụ như gạch dùng cho lát nền hay ốp tường, trong nhà hay ngoài trời. Xác định diện tích sử dụng là một điều rất quan trọng để đưa ra quyết định dùng loại gạch nào. Vì vậy, việc tìm hiểu kỹ về sản phẩm sẽ giúp chúng ta lựa chọn sản phẩm đó một cách hiệu quả và thông minh. Điều đó có nghĩa là chúng ta phải chú ý đến tính thẩm mỹ và công năng của sản phẩm. Nhà sản xuất Ceramic cũng không ngừng nghiên cứu phát triển sản phẩm để có thể đáp ứng các nhu cầu đặc biệt của người tiêu dùng: như gạch chống trơn. Loại gạch này phù hợp với các khu vực dễ bị ẩm ướt như: nhà tắm, phòng bếp hoặc khu vực cạnh bể bơi. 2.10. Ưu điểm của loại gạch Ceramic: Gạch men là loại gạch không đồng chất, được bao phủ bởi một lớp men bảo vệ. Cách phân loại chính của gạch men đó là dựa vào công nghệ sản xuất. Có 2 loại gạch ta cần nhắc đến đó là gạch men bóng và gạch men mờ. Mỗi loại đều có ưu và nhược điểm riêng. Vì thế, tùy vào mục đích và không gian phù hợp mà nhà tư vấn hoặc chuyên gia xây dựng sử dụng các loại gạch men nhằm phát huy hết ưu điểm của từng loại cũng như hạn chế những nhược điểm của chúng. Cụ thể như sau: 1. Gạch men bóng: Ưu điểm: Gạch men bóng có bề mặt trơn bóng, có độ tương phản với ánh đèn, tạo hiệu ứng ánh sáng rất tốt nên tạo cảm giác sang trọng, tinh tế cho không gian sử dụng. Chính nhờ có độ nhẵn và trơn nên loại gạch này khó bị bám bẩn, dễ dàng vệ sinh. Nhược điểm: Gạch men bóng có độ trơn cao nên rất dễ gây nguy hiểm cho người sử dụng nhất là ở những khu vực ẩm ướt. Ngoài ra, bề mặt gạch do được tráng men nên khi có các va chạm, cọ xát cũng rất dễ bị xước. Vì những ưu nhược điểm trên, gạch men bóng thường được lát ở phòng khách, sảnh chờ hoặc ốp tường thay vì được chọn lát ở khu vực nhà vệ sinh, phòng tắm. Nếu như nhà bạn có người già hoặc trẻ em thì lời khuyên dành cho bạn là nên hạn chế sử dụng gạch men bóng. 2. Gạch men mờ: Ưu điểm: Gạch men mờ là gạch đồng chất, không có lớp men tráng phủ bên trên nên hạn chế được nguy cơ trơn trượt. Gạch men mờ thường có thiết kế tinh tế và có chiều sâu và thường được chọn sử dụng trong những công trình mang hơi thở hiện đại. Đây là loại gạch được các nhà chuyên môn đánh giá là có độ bền màu cao, chống trơn trượt, ít bị trầy xước và có khả năng chịu được áp lực cao hơn so với gạch men bóng Nhược điểm: Gạch men mờ rất dễ bám bẩn nên đòi hỏi phải vệ sinh thường xuyên. Gạch men mờ thường được các nhà thầu chọn thi công tại các khu vực ẩm ướt thường xuyên như nhà tắm, nhà bếp, sân sau để hạn chế phần nào khả năng trơn trượt, nguy hiểm; ở các khu vực thường xuyên chịu áp lực cao hoặc nhiều người qua lại như hành lang, gara để chống được trầy xước. 3. Ceramic – thủy tinh (gốm thủy tinh) 3.1. Gốm thủy tinh là gì? Gốm thủy tinh là loại vật liệu có thành phần hóa học gần như thủy tinh nhưng về mặt cấu trúc thì khác với thủy tinh và giống gốm. Nếu như thủy tinh có cấu trúc vô định hình thì gốm thủy tinh có cấu trúc kết hợp giữa tinh thể và vô định hình. Cấu trúc vi mô gốm thủy tinh gồm các tinh thể nhỏ mịn, phát triển đồng đều trong toàn khối, hầu như không có lỗ xốp. 3.2. Đặc điểm của gốm thủy tinh: Đặc điểm của gốm thủy tinh là kết hợp ưu điểm của gốm và thủy tinh. Nhờ kiểm soát được thành phần và sự kết tinh (qua quá trình phản ứng thủy tinh hóa - devitrification) người ta có thể tạo nên các pha tinh thể khác nhau với tỷ lệ, kích thước, hình dạng và sự phân bố khác nhau, nhờ đó gốm thủy tinh có tính chất đa dạng phù hợp với nhiều yêu cầu khác nhau. Gốm thủy tinh có độ bền cao đối với các lực va đập và lực biến dạng, nếu ống thủy tinh thường có độ bền gãy là 210 - 700 kg/cm2 thì gốm thủy tinh với hình dạng và kích thước tương đương có độ bền gãy là 2.800 - 4.200 kg/cm2. Gốm thủy tinh có độ bền mài mòn, tính bền nhiệt cao hơn nhiều so với thủy tinh thường. Ví dụ như nhiều ôxit thủy tinh sẽ nóng chảy ở 600 - 700oC, còn vật liệu gốm thủy tinh có thành phần như vậy thì ở 1.000 - 2.000oC vẫn giữ được độ bền cơ và độ rắn. Gốm thủy tinh còn cách nhiệt rất tốt. Ngoài ra, có thể chế tạo gốm thủy tinh có các tính chất khác biệt để có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ như do có hệ số giãn nở nhiệt rất nhỏ nên gốm thủy tinh thích hợp cho các ứng dụng chống sốc nhiệt; do có sức bền, chịu mài mòn, hệ số giãn nở nhiệt thấp nên dễ tạo hình bằng gia công cơ khí; do có tính chất điện từ đặc biệt hay có tính sinh học nên dễ cấy ghép vào tế bào xương, cơ của cơ thể sống; hoặc có những đặc điểm về mặt thẩm mỹ như có thể chế tạo trong suốt hoặc không trong suốt nên dùng làm đồ gia dụng vừa bền và đẹp. Hình: Sự sắp xếp trong cấu trúc của một phân tử gốm thủy tinh 3.3. Chế tạo gốm - thủy tinh như thế nào? Vật liệu gốm - thủy tinh thường được chế tạo qua hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất: Thủy tinh được chế tạo theo quá trình công nghệ sản xuất thủy tinh thông dụng. Giai đoạn hai: Thủy tinh được tạo hình, làm nguội và nung lại ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Sau giai đoạn thứ hai, đôi khi, quá trình chế tạo cần thêm giai đoạn ba.) Trong quá trình xử lý nhiệt này (sau giai đoạn thứ nhất), bên trong sản phẩm sẽ được kết tinh một phần. Trong nhiều trường hợp, các phụ gia tạo mầm kết tinh (như kim loại hiếm, fluorit, ZrO2, TiO2, P2O5, Cr2O3 hoặc Fe2O3,) được bổ sung vào phối liệu thủy tinh nền để thúc đẩy quá trình kết tinh. Một phương pháp ít được dùng là: tác động và kiểm soát quá trình kết tinh trong thủy tinh nóng chảy ở giai đoạn làm nguội nó. Quá trình này đôi khi được sử dụng để tạo ra các sản phẩm gốm-thủy tinh có hạt (tinh thể) khá thô từ các phế thải công nghiệp để sản xuất vật liệu xây dựng. Hình: Tạo ra gốm thủy tinh trong PTN tại đại học Jena, Đức Sản phẩm gốm - thủy tinh cũng được chế tạo bằng cách kết khối-kết tinh đồng thời (concurrent sinter-crystallization) của khối ép từ các hạt thủy tinh. Ưu điểm chủ yếu của quá trình kết khối - kết tinh đồng thời là không sử dụng các tác nhân kết tinh do các bề mặt hạt sẽ tạo các điểm (mầm) kết tinh (nucleation sites). Yếu điểm của công nghệ này là sản phẩm có độ xốp dư 0,5-3%. Tuy nhiên độ xốp dư cũng có thể được giảm thiểu hoặc hạn chế khi sử dụng kỹ thuật ép nóng. 3.4. Đa năng và nhiều ứng dụng: Ứng dụng trong y tế làm vật liệu thay cho răng và xương: còn được gọi là gốm thủy tinh y sinh. Đây là loại vật liệu có tính chất sinh học cao so với vật liệu y sinh truyền thống (titan, hợp kim đặc biệt, vật liệu các bon, silicon...). Gốm thủy tinh y sinh có khả năng liên kết sinh hóa với tế bào sống, giúp cho các tế bào sau khi bị thương tổn tiếp tục tái sinh và liên kết trực tiếp với bề mặt của vật cấy. Các sản phẩm gốm - thủy tinh dùng cho xây dựng dân dụng được chế tạo từ các nguồn vật liệu phế thải như: tro đốt rác, xỉ lò cao, xỉ thép, tro nhiệt điện, phế thải khoáng sản, Thành phần các pha tinh thể chủ yếu trong các sản phẩm gốm-thủy tinh này dao động lớn. Sản phẩm này có giá thành thấp, thường có màu sẫm, bền, cứng và bền hóa học. Chúng được sử dụng cho các vị trí chịu mài mòn và bền hóa học trong lĩnh vực xây dựng (như sản xuất gạch ốp, lát), cũng như trong công nghiệp hóa học, cơ khí, công nghiệp nặng. Trong gia dụng: do chi phí sản xuất thấp và kỹ thuật đơn giản, gốm thủy tinh được sử dụng để sản xuất đồ gia dụng chất lượng cao. Nhờ có khả năng chịu sốc nhiệt cao nên gốm thủy tinh được sử dụng làm nồi nấu. Nồi gốm thủy tinh có thể nấu trực tiếp trên bếp khi vừa ra khỏi tủ lạnh hay có thể nấu trong lò vi sóng mà không bị rạn nứt. Gốm thủy tinh còn được sử dụng để làm mặt bếp từ, bếp điện. Dùng gốm thủy tinh không chỉ tăng tính thẩm mỹ cho bếp mà còn chống trầy xước, chống sốc nhiệt, giúp bếp được bền dài lâu. Hình: Mặt bếp làm bằng gốm thủy tinh Trong vũ trụ: gốm thủy tinh bền khi giảm nhiệt độ một cách đột ngột và độ chống mài mòn cao hơn nhiều lần so với kim loại nên gốm thủy tinh được sử dụng để làm các bộ phận chịu lực hoặc để phủ lên kim loại hay làm các khớp nối kín của kim loại và gốm. Do có độ bền nhiệt cao, đặc biệt là đối với các xung nhiệt nên gốm thủy tinh còn được sử dụng để làm lớp vỏ bảo vệ đầu mũi tên lửa. Gốm thủy tinh đã được ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ trong cuối những năm 1950 để bảo vệ thiết bị radar khỏi sự phá hủy của máy bay và tên lửa; đến nay, Nasa đã phủ gốm thủy tinh lên các con tàu vũ trụ của mình. 3.5. Tương lai và hướng nghiên cứu: Sau hơn 60 năm phát triển, các sản phẩm gốm - thủy tinh rất đa dạng với các tính năng khác thường, và trong tương lai, chúng sẽ còn tiếp tục được phát triển trên các mặt sau đây: - Về cấp phối: với 10 cấp phối cơ bản, sử dụng phụ gia là một số nguyên tố phù hợp (có khoảng 80 nguyên tố trong Bảng tuần hoàn Mendeleev phù hợp), có thể kết tinh để tạo thành các loại vật liệu gốm-thủy tinh khác nhau; - Về mặt tạo hình: các sản phẩm với mọi hình dạng. Về nguyên tắc, hình dạng sản phẩm có thể được tạo ra bằng cách: cán, đúc, ép, thổi, kéo hay các phương pháp tạo hình thủy tinh khác hiện có hoặc sẽ được sáng chế; - Về xử lý nhiệt: Sự kết tinh được tạo ra khi làm nguội theo một hoặc nhiều giai đoạn; - Về vi cấu trúc: Các sản phẩm có thể được chế tạo với cấu trúc hạt nano, cấu trúc hạt mico hay cấu trúc hạt macro; độ kết tinh cao hay thấp; độ xốp bằng không hay thấp; chứa một hay nhiều pha tinh thể; các tinh thể sắp xếp ngẫu nhiên hay theo trật tự; sự kết tinh gây ra trên bề mặt hay bên trong sản phẩm; - Về tính năng nhiệt: hệ số giãn nở nhiệt có thể được kiểm soát (âm, dương hay bằng không); tính ổn định có thể trong dải rộng từ 400 ºC đến 1450 ºC; và đều có chung độ dẫn nhiệt thấp; - Về tính năng cơ học: Các sản phẩm có độ bền và dai cao hơn nhiều so với thủy tinh, tuy nhiên giới hạn về tính năng cơ học hiện nay sẽ được nâng cao hơn nhờ việc sử dụng phụ gia sợi gia cường, sử dụng các phương pháp hóa học và nhiệt. Các sản phẩm có độ cứng lớn được dùng trong chế tạo máy; - Về tính năng hóa học: Chế tạo các sản phẩm có độ bền cao hay tái hấp thu; - Về tính năng sinh học: Chế tạo các sản phẩm có tính tương thích sinh học, trơ hoặc có hoạt tính sinh học; - Về tính năng điện và từ: Chế tạo các sản phẩm có hằng số điện môi thấp hay cao, dẫn ion hay cách điện, siêu dẫn, áp điện và từ tính, chịu điện áp cao, - Về tính năng quang học: Chế tạo các sản phẩm trong suốt hay có màu, phát quang, Với khoảng rộng về giới hạn các tính năng tiềm năng và khả năng thiết kế cấp phối, xử lý nhiệt và hình thành vi cấu trúc, sản phẩm gốm - thủy tinh và công nghệ chế tạo nó có sự kết hợp đa dạng và linh hoạt giữa các tính năng và công nghệ, do đó đảm bảo được sự phát triển liên tục của công nghệ gốm-thủy tinh và đem lại tương lai ngày càng phát triển của các sản phẩm gốm - thủy tinh. Theo nguồn tài liệu tiếp cận được thì hiện có gần 4.000 sáng chế (SC) liên quan đến gốm thủy tinh trên thế giới. Nhật Bản có số lượng đăng đăng ký SC dẫn đầu với 1.108 SC. Tổ chức sáng chế châu Âu đứng thứ hai với 793 SC và Trung Quốc đứng thứ ba với 670 SC. Số lượng SC về gốm thủy tinh phát triển mạnh trong vòng 10 năm gần đây. Công ty đứng đầu về số lượng đăng ký SC là Kyocera corp – Nhật với 199 SC. Biểu đồ: Tỷ lệ đăng ký sáng chế về gốm thủy tinh tại các quốc gia trên thế giới. Nguồn: Wispglobal Biểu đồ: Số lượng các SC về gốm thủy tinh từ năm 1993 – 2012. Nguồn: Wispglobal Biểu đồ: 5 công ty có số lượng SC về gốm thủy tinh cao nhất. Nguồn: Wispglobal Tại Việt Nam, các nhà khoa học thuộc Bộ môn Silicat, Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã sản xuất thành công vật liệu gốm thủy tinh y sinh dùng cấy ghép vĩnh viễn, thay thế xương trong chỉnh hình y tế, có độ bền tương đương với xương người. Nhóm đã tiến hành thử nghiệm cấy ghép gốm thủy tinh y sinh trên cơ thể người bệnh (tại các bệnh viện: Tai - Mũi - Họng Trung ương, Bạch Mai, Răng - Hàm - Mặ