Ảnh hưởng của tỷ phần Oxit Zircon đến cơ tính của vật liệu gốm nền oxit nhôm - Vũ Thị Nhung

Vật lý V.T.Nhung, T.V.Khoa, Đ.Q.Khánh “Ảnh hưởng của tỷ phần ... gốm nền oxít nhôm.” 120 ¶nh h­ëng cña tû phÇn oxit zircon ®Õn c¬ tÝnh cña vËt liÖu gèm nÒn oxit nh«m VŨ THỊ NHUNG*, TẠ VĂN KHOA*, ĐẶNG QUỐC KHÁNH** Tóm tắt: Với mục tiêu tăng hiệu quả sử dụng cho các vật liệu gốm nền oxít nhôm, các biện pháp tăng bền là một vấn đề quan trọng hàng đầu khi nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu này. Oxít zircon thường được sử dụng để tăng bền cho các vật liệu gốm do cơ chế chuyển pha tetragonal → monoclin khi có tác dụng của ứng suất. Nhờ đó, các cơ tính của vật liệu gốm, đặc biệt là độ bền uốn, độ bền chống phá hủy, độ cứng được cải thiện đáng kể. Từ khóa: Gốm nền oxít nhôm, Tăng bền bằng chuyển pha oxít zircon. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Vật liệu gốm đã góp phần quan trọng vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghiệp như ngành công nghiệp hóa chất, xây dựng, luyện kim, công nghệ chế tạo máy, giao thông vận tải, khoa học vũ trụ Cùng với sự tiến bộ của khoa học, ngày càng nhiều loại vật liệu mới được phát minh, trong đó bao gồm vật liệu gốm tiên tiến. Gốm tiên tiến được phân thành 3 nhóm chính: vật liệu gốm kết cấu, gốm chức năng và gốm y sinh. Gốm oxit nhôm có thể được coi là đại diện tiêu biểu của nhóm gốm kết cấu; được dùng chủ yếu trong các chi tiết kết cấu chịu tải cơ học, đặc biệt là ở nhiệt độ cao[6]. Bởi vậy, việc tăng bền cho vật liệu gốm nền oxít nhôm là một vấn đề đáng quan tâm. Có rất nhiều biện pháp tăng bền cho vật liệu gốm nền oxít nhôm nhưng hiệu quả hơn cả là biện pháp sử dụng oxít zircon dựa trên đặc tính chuyển pha của oxít zircon[12]. 2. THỰC NGHIỆM Các mẫu gốm được chế tạo theo công nghệ luyện kim bột theo sơ đồ sau: Hình 1. Sơ đồ công nghệ chế tạo mẫu nghiên cứu. Bột Al2O3 sử dụng cho nghiên cứu có độ sạch 99,9 %, kích thước hạt trung bình 150 nm của hãng Inframat (Mỹ). Bột ZrO2 nano có độ sạch 99,99 %, kích thước hạt trung bình 60 nm của hãng Inframat. Hàm lượng bột ZrO2 nano được thay đổi từ 0 đến 7%. Bột ZrO2 trước khi nghiền trộn được rung siêu âm 10h trong môi trường cồn 50% nhằm tăng hiệu quả phân tán ZrO2 đồng đều trong nền Al2O3. Mẫu bột hỗn hợp Al2O3 + ZrO2 được nghiền trộn trong máy nghiền ly tâm hành tinh trong 8h. Do kích thước hạt và tỉ trọng của Al2O3 và ZrO2 chênh lệch nhau khá nhiều nên cần có thêm nguyên công phân tán riêng trong dung môintrước khi trộn hỗn hợp. Nếu thời gian nghiền 6h, các hạt bột ZrO2 không phân tán đồng đều trên nền, có hiện tượng kết cụm, dẫn tới nứt bộc phát khi thiêu kết.[13]Các mẫu được Nguyên liệu đầu vào Nghiền trộn Sấy, tạo hạt Ép tạo hình Thiêu kết Đánh giá cơ tính Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 33, 10 - 2014 121 thiêu kết trên lò Nabertherm ở nhiệt độ 1625oC trong 2h. Sở dĩ lựa chọn nhiệt độ này vì nhiệt độ thiêu kết pha rắn của các mẫu bột thường nằm trong khoảng 0,7 - 0,8 nhiệt độ nóng chảy của pha có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất (trong nghiên cứu này nhiệt độ thiêu kết = (0,7-0,8) *Tnc Al2O3= 1450- 1650 oC).[13] Độ bền uốn 4 điểm được đo trên thiết bị kéo nén, độ cứng HV10 được xác định trên thiết bị AVK-CO/Mitutoyo, hệ số chống nứt xác định bằng phương pháp mũi đâm HV10. Thành phần pha và cấu trúc vật liệu được đánh giá thông qua giản đồ nhiễu xạ tia X và ảnh SEM. 3. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN Hình 2 trình bày sự phụ thuộc của độ bền uốn vào hàm lượng ZrO2 nano. Các mẫu được thiêu kết ở 1625 oC trong thời gian 2h. Từ hình 2 cho thấy độ bền uốn của gốm Al2O3 tăng khi hàm lượng ZrO2 tăng. Điều đó được giải thích do vai trò của ZrO2 nano làm ức chế sự phát triển hạt Al2O3 khi thiêu kết và xảy ra cơ chế tăng bền bằng chuyển pha tetragonal – monoclin của pha ZrO2 khi có tác dụng của ứng suất cơ học[14]. Hình 2. Sự phụ thuộc của độ bền uốn vào hàm lượng ZrO2. Sự phụ thuộc của độ cứng HV10 vào hàm lượng ZrO2 được trình bày trên hình 3. Khi tăng hàm lượng ZrO2 từ 0 đến 5%, độ cứng HV10 tăng từ 12 GPa lên 17 GPa. Đó là do khi có mặt của ZrO2 tạo thành pha phân tán trong nền Al2O3 có vai trò ức chế phát triển hạt, dẫn đến vật liệu có cấu trúc hạt mịn, làm tăng độ cứng của mẫu. Hình 3. Sự phụ thuộc của độ cứng HV10 vào hàm lượng ZrO2. Vật lý V.T.Nhung, T.V.Khoa, Đ.Q.Khánh “Ảnh hưởng của tỷ phần ... gốm nền oxít nhôm.” 122 Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng hàm lượng ZrO2, độ cứng có xu thế giảm. Sự giảm độ cứng ở đây là do khi hàm lượng ZrO2 cao, sẽ xảy ra sự kết tụ các hạt ZrO2 thành các đám ZrO2 có kích thước lớn. Điều này, có thể được kiểm chứng trên hình 6: ảnh SEM mẫu có chứa 7% ZrO2. Có thể thấy kích thước hạt của ZrO2 trong mẫu 7% lớn hơn so với mẫu 5% (Hình 4). Hình 4, hình 5 và hình 6 trình bày ảnh FE-SEM của mẫu có hàm lượng ZrO2 bằng 5%, 0% và 7% được thiêu kết ở 1625oC trong 2h. Các mẫu được tẩm thực nhiệt ở 1500oC trong 30 phút. Có thể thấy rằng đối với mẫu 0% ZrO2, hình ảnh cho thấy cấu trúc của vật liệu chỉ bao gồm một loại hạt có kích thước khác nhau nằm trong khoảng 0,5m đến 2m. Điều đó cho thấy các hạt Al2O3 đã lớn lên rất nhiều trong quá trình thiêu kết (Kích thước hạt trung bình ban đầu cỡ 150 nm). Đối với mẫu có 5% và 7% ZrO2, hình ảnh cho thấy có hai loại hạt có độ tương phản khác nhau. Loại thứ nhất có tỷ phần thể tích chiếm đại đa số (hạt đa cạnh, kích thước lớn) là các hạt Al2O3. Loại thứ 2 có tỷ phần thể tích nhỏ (nằm ở biên giới hạt Al2O3) là các hạt ZrO2, đã được xác định bằng phân tích EDS được phân tán khá đồng đều trên toàn bộ mẫu. Hình 4. Ảnh FE-SEM của mẫu có hàm lượng 5% ZrO2. Hình 5. Ảnh FE-SEM của mẫu có hàm lượng 0% ZrO2. Hình 6. Ảnh Fe-SEM của mẫu có hàm lượng 7%. 2μm 2μm Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 33, 10 - 2014 123 So sánh kích thước hạt trung bình của các mẫu 0%, 5% ZrO2, 7% cho thấy kích thước các hạt Al2O3 trong các mẫu giảm dần khi tỉ phần ZrO2 tăng từ 0% đến 7%. Điều đó khẳng định vai trò ức chế sự phát triển hạt Al2O3 của các hạt ZrO2 nano, tạo ra cấu trúc hạt mịn, là một trong những nguyên nhân quan trọng nâng cao cơ tính của vật liệu gốm Al2O3. Hình 7. Giản đồ XRD của các mẫu 0% và 5 % ZrO2. Hình 7 trình bày giản đồ XRD của mẫu 0% và 5% ZrO2 cho thấy mẫu 0% chỉ bao gồm pha -Al2O3 trong khi mẫu 5% ZrO2 có xuất hiện pha tetragonal ZrO2. Kết quả này phù hợp với ảnh vi cấu trúc trên hình 4 và hình 5. 4. KẾT LUẬN Nghiên cứu đã giải quyết được công nghệ chế tạo vật liệu gốm Al2O3 tăng bền bằng ZrO2 nano có các hạt ZrO2 nano phân tán đồng đều trên nền Al2O3, do đó nâng cao cơ tính của vật liệu. Cụ thể là độ bền uốn 4 điểm đạt 450 Mpa, độ cứng HV10 đạt 17 GPa. Từ vật liệu này có thể được sử dụng để chế tạo các tấm gốm có kết cấu "mosai" đáp ứng tốt cho chế tạo tấm gốm chống đạn chịu được nhiều phát bắn trên một mẫu. Đối với gốm sử dụng trong áo giáp chống đạn, HV10> 10 GPa, độ bền uốn > 250 Mpa đáp ứng tốt yêu cầu chống đạn[1-5]. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của đề tài cấp Nhà nước mã sỗ KC.02.26/06-10 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Jared Henderson, Ballistic body armor, Strategic Standardization, 2008. [2]. Hystory of Ballistic vest, New World Encyclopedia, 2008. [3]. Tom Harris, How Body Armor Works, [4]. Kata Vitec, Ballistic Body Armour Vests, Soft and Hard Ballistic Inserts, Ballistic Helmets and Tactical Combat Vests. [5]. Julie E. Samuels, Ballistic Resistance of Personal Body Armor, NIJ Vật lý V.T.Nhung, T.V.Khoa, Đ.Q.Khánh “Ảnh hưởng của tỷ phần ... gốm nền oxít nhôm.” 124 Standard,0101.04. [6]. Advanced ceramic armor, Ceradyn. inc, 2003. [7]. A.Rittidechan, R.Somrita, T.Tunkasirib, (2012), “Effect of adding Y2O3 on structurer and mechanical properties of Al2O3–ZrO2 ceramics”, Ceramics International, 10. [8]. D.Sherman and D.Brandon, (1999), “Mechanical properties of hard materials and their relation to microstructure”, Adv.Eng.Mater., 1, 161. [9]. Lee et al, (1983), “Ceramic Al2O3 substoichiometic TiC body”, United States Patent 4.407.968. [10] . A.Rafferty, A.M.Alsebaie, (2009), “Properties of zirconia-toughened- alumina prepared via powder processing and colloidal processing routes”, Journal of Colloid and Interface Science, 329. [11] Xu.C, Ai.X, (2001), “Particle Dispersed Ceramic Composite Reinforced with Rare Earth Additions”, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, V.19 N02. [12] Trần Thế Phương - Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu gốm đặc biệt và chế thử áo giáp chống đạn. Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ -2008. [13] Tạ Văn Khoa – Nghiên cứu chế tạo áo giáp chống đạn trên cơ sở gốm Al2O3 siêu mịn tăng bền bằng ZrO2 nano để thay thế sản phẩm nhập ngoại – Báo cáo tổng kết đề tài cấp Nhà Nước – 2012. ABSTRACT EFFECT OF ZIRCONIA ON MECHAICAL PROPERTIES OF CERAMICS BASED ON Al2O3 To widen the range of uses for ceramic based on aluminum oxide, strengthening is the most important points when researching on manufacturing process. Zirconium oxide is always used to strengthen ceramics because of its phase transition machanisms under mechanical stress. Thus, the mechanical properties of ceramic materials, especially the strength, the fracture toughness and the hardness improved significantly. Keywords: Ceramics based on aluminum oxide, Zirconium oxide phase transition strengthening. Nhận bài ngày 10 tháng 7 năm 2014 Hoàn thiện ngày 20 tháng 9 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 9 năm 2014 Địa chỉ: * ** Viện Công nghệ/Tổng cục CN Quốc phòng. Viện Khoa học và Công nghệ Vật liệu/Đại học Bách Khoa Hà Nội.