Nghiên cứu công nghệ chế tạo gốm quang học đa tinh thể hạt mịn ko-12 ứng dụng cho hệ quang hồng ngoại

Vật lý N.N. Hưng, N.K. Hoàn, , “Nghiên cứu công nghệ chế tạo cho hệ quang hồng ngoại.” 104 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO GỐM QUANG HỌC ĐA TINH THỂ HẠT MỊN KO-12 ỨNG DỤNG CHO HỆ QUANG HỒNG NGOẠI Nguyễn Ngọc Hưng1*, Nguyễn Khải Hoàn2, Vũ Thị Nhung1, Vũ Lê Hoàng1, Trần Mạnh Tùng1, Bùi Doãn Đồng1 Tóm tắt: Công nghệ ép nóng được sử dụng để chế tạo gốm quang học đa tinh thể hạt mịn KO-12 trên cơ sở bột nano MgF2. Nghiên cứu đã xác định được nhiệt độ và áp lực ép đảm bảo sự lớn lên của hạt nằm trong khoảng giá trị cho phép và thu được vật liệu với khối lượng riêng cao. Các mẫu vật liệu gốm KO-12 nhận được sau ép nóng được kiểm tra một số tính chất cơ-lý và quang học của và so sánh với gốm quang học của Nga. Kết quả cho thấy công nghệ ép nóng cho phép thu được gốm quang học với các tính chất cơ-lý và quang học theo yêu cầu. Từ khóa: KO-12, Gốm quang học ép nóng, Ép nóng, Khối lượng riêng cao. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Gốm quang học ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống quang lazer và hồng ngoại vì có các tính chất cơ lý, quang học tốt hơn so với đơn tinh thể và thuỷ tinh quang học [1,2]. Các tính chất đó của gốm quang học đa tinh thể phụ thuộc mạnh vào đặc điểm cấu trúc tinh thể và sự có mặt của các tâm tán xạ (lỗ xốp rỗng, biên giới hạt, pha tạp, song tinh) trong cấu trúc vật liệu. Trong gốm quang học đa tinh thể luôn có các tâm tán xạ nên cường độ ánh sáng truyền qua vật liệu sẽ bị suy giảm [1,2,3]. Sự có mặt và mức độ ảnh hưởng của các tâm tán xạ trong gốm quang học đa tinh thể phụ thuộc vào công nghệ chế tạo. Trong nghiên cứu [4] đã khẳng định rằng phương pháp thiêu kết không có áp lực không thể thu được vật liệu gốm quang học KO-12 với cấu trúc theo yêu cầu và ở nhiệt độ 650-700 oC quá trình kết tinh lại của vật liệu bắt đầu diễn ra mạnh. Mặt khác, thiêu kết dưới áp lực sẽ làm chậm quá trình kết tinh lại, ngăn cản sự lớn lên của hạt và đảm bảo thu được vật liệu có khối lượng riêng cao. Trong bài báo này đưa ra một số kết quả nghiên cứu chế tạo gốm quang học đa tinh thể hạt mịn KO-12 trong suốt bức xạ hồng ngoại bằng phương pháp ép nóng. 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để chế tạo mẫu gốm quang học KO-12 sử dụng bột MgF2 kích thước nano, độ sạch cao (>99%) với kích thước hạt bột khoảng 30-50 nm [4]. Mẫu ép nguội được ép trên thiết bị ép thuỷ lực 30 tấn. Sau đó mẫu được ép nóng trong chân không 10-2 mmHg. Nghiên cứu tổ chức tế vi gốm quang học KO-12 được tiến hành trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) khi phân tích bề mặt gãy mẫu gốm. Đo khối lượng riêng vật liệu bằng phương pháp cân thuỷ tĩnh trên thiết bị FA2004. Độ cứng tế vi Vikker (HV) gốm quang học KO-12 được xác định trên máy đo FM-100 theo công thức sau: 2 854,1 d F HV  (1) Trong đó: F – lực tác dụng lên mẫu, kG; d – đường chéo trung bình của vết đâm, mm. Độ truyền qua hồng ngoại được đo trên thiết bị quang phổ FT/IR-6300. Xác định độ suy giảm bức xạ hồng ngoại của vật liệu theo theo công thức (GOST 3520-92): Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 105 )(lg 1 )(      (2) Trong đó: δ – chiều dày của mẫu đo, mm; τ(λ) – hệ số truyền qua của bức xạ hồng ngoại (0< τ(λ) <1). 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Kết quả nghiên cứu khả năng kết khối của bột nano MgF2 khi ép nguội thấy rằng (hình 1), khối lượng riêng tỷ đối của mẫu ép đạt khoảng 50% khi áp lực < 100 MPa, tuy nhiên phôi ép rất dễ bị vỡ do chưa đủ áp lực để kết khối vật liệu. Khi áp lực ép > 600 MPa, tỷ trọng của vật liệu tăng rất chậm. Đặc biệt, ở áp lực ép 800 MPa quan sát thấy có vết nứt bên trong mẫu vật liệu, có sự phân lớp vật liệu và mẫu cũng rất dễ bị vỡ tại chính chỗ phân lớp này. Ngoài ra, khi thiêu kết mẫu vật liệu được ép ở áp lực này nhận thấy rằng mẫu thiêu kết hay bị vỡ. Chính vì vậy, áp lực ép nguội hợp lý để tạo phôi xanh nằm khoảng 200-500 MPa vừa đảm bảo vật liệu có sự kết khối tốt, có độ bền tránh vỡ khi vận chuyển, thiêu kết mẫu và cho vào khuôn ép nóng. Hình 1. Sự phụ thuộc khối lượng riêng của mẫu vào áp lực ép khi ép nguội. Trong nghiên cứu [1,7,8] đã xác định được rằng sự dịch chuyển cửa sổ truyền qua tại vùng bước sóng ngắn đối với gốm MgF2 phụ thuộc vào nhiệt độ ép nóng. Đối với vật liệu gốm quang học được chế tạo từ vật liệu dị hướng quang học MgF2 (ne- no=0,012) thì sự dịch chuyển vị trí của cửa sổ truyền qua tại vùng bước sóng ngắn là do sự tán xạ ánh sáng tại pha thứ hai (gọi là pha tạp) và tại pha chính khi mà kích thước hạt tương đương với bước sóng ánh sáng. Nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực ép lên tính chất và cấu trúc của vật liệu gốm KO-12 được tiến hành đối với các giá trị áp lực khác nhau và ở hai giá trị nhiệt độ (bảng 1). Lựa chọn nhiệt độ 700 oC dựa trên kết quả nghiên cứu mà khi đó sẽ thu được kích thước hạt theo yêu cầu và loại trừ sự thuỷ phân nhiệt bột gốm [10], còn lựa chọn nhiệt độ ép ở 800 oC khi áp lực ép lớn nhằm phân tích ảnh hưởng của áp lực và nhiệt độ lên tính chất của vật liệu thu được. Thời gian ép được chọn cố định 25 phút. Tăng thời gian ép là không hợp lý vì khi đó có khả năng làm tăng kích thước hạt của vật liệu [1,5,7-9]. Bảng 1. Các chế độ công nghệ ép nóng gốm KO-12 được nghiên cứu. Chế độ ép mẫu Áp lực ép, MPa Nhiệt độ ép, oC Thời gian ép, phút Chế độ ép 1 50 700 25 Chế độ ép 2 150 700 25 Chế độ ép 3 200 700 25 Vật lý N.N. Hưng, N.K. Hoàn, , “Nghiên cứu công nghệ chế tạo cho hệ quang hồng ngoại.” 106 Chế độ ép 4 200 800 25 Kết quả xác định khối lượng riêng, độ cứng tế vi của các mẫu vật liệu thấy rằng (bảng 2) khối lượng riêng và độ cứng tế vi của vật liệu tăng khi tăng áp lực ép. Khi giá trị áp lực ép không lớn (50 MPa) khối lượng riêng của vật liệu đã đạt 99,37% so với lý thuyết, còn khi áp lực ép lớn (200 MPa) khối lượng riêng của vật liệu đạt 99,81%. Như vậy càng tăng áp lực ép tốc độ tăng khối lượng riêng càng chậm và so với áp lực thấp thì tăng áp lực ép đến 200 MPa chỉ làm tăng 0,44% khối lượng riêng của vật liệu. Tuy nhiên, áp lực ép càng cao thì khả năng kết khối của vật liệu càng tốt, cho phép giảm nhiệt độ ép thấp hơn nên kích thước hạt mịn hơn và vật liệu thu được sẽ có các tính chất cơ-lý tốt hơn [8,9,11]. Bảng 2. Kích thước hạt và tính chất cơ-lý vật liệu gốm KO-12 sau khi ép nóng ở các chế độ khác nhau. Chế độ ép mẫu Kích thước hạt, µm Khối lượng riêng, g/cm3 Độ cứng tế vi, Gpa Chế độ ép 1 (50 MPa, 700 oC) 0,50-0,55 3,160 5,95 Chế độ ép 2 (150 MPa, 700 oC) 0,40-0,45 3,172 6,80 Chế độ ép 3 (200 MPa, 700 oC) 0,40-0,45 3,174 6,92 Chế độ ép 4 (200 MPa, 800 oC) 1,50-2,10 3,174 6,93 a) chế độ ép 1 b) chế độ ép 2 c) chế độ ép 3 d) chế độ ép 4 Hình 2. Cấu trúc tế vi mẫu gốm quang học KO-12 được chế tạo trong nước với các chế độ ép khác nhau. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 107 Kết quả phân tích cấu trúc các mẫu vật liệu cho thấy (hình 2), chế độ ép 3 đảm bảo thu được cấu trúc hạt mịn nhất với kích thước hạt khoảng 0,40-0,45 μm. Ở chế độ ép 4, kích thước hạt lớn lên nhiều nhất (1,5-2,1 μm). Tăng kích thước hạt tinh thể sau khi ép nóng sẽ làm giảm độ truyền qua của vật liệu, đặc biệt đối với vùng bước sóng ngắn (nhìn thấy) và hồng ngoại gần [1,2,5]. Kết quả nghiên cứu cũng thấy rằng khi tăng nhiệt độ ép, mặc dù ở áp lực ép lớn (200 MPa), kích thước hạt của vật liệu vẫn tăng mạnh đạt giá trị đến 2,1 µm mặc dù không nhận thấy sự tăng khối lượng riêng và độ cứng tế vi. Như vậy thấy rằng nhiệt độ ép rất quan trọng, quyết định đến kích thước hạt của vật liệu; còn áp lực ép, ngoài ảnh hưởng đến kích thước hạt tinh thể [1,3,11], sẽ quyết định đến khối lượng riêng của vật liệu. Mẫu vật liệu gốm sau ép nóng được ủ ở nhiệt độ 600 oC và 650 oC với thời gian 30 phút [1,12]. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ủ lên tính chất cơ-lý của vật liệu KO- 12 được trình bày trong bảng 3 chỉ ra rằng khối lượng riêng của vật liệu KO-12 không bị thay đổi, độ cứng của mẫu vật liệu sau khi ủ bị giảm đi có thể do giảm ứng suất dư và biến dạng tế vi trong vật liệu sau khi ép nóng gây nên lưỡng chiết quang do textua [2,3]. Bảng 3. Tính chất vật liệu gốm KO-12 trước và sau khi ủ. Vật liệu gốm Nhiệt độ ủ, oC Thời gian ủ, phút Khối lượng riêng, g/cm3 Độ cứng tế vi, GPa Theo chế độ ép mẫu: 200MPa, 700 oC - - 3,174 6,92 600 30 3,173 6,87 650 30 3,174 6,84 Theo TU 3-3.2321-91 - - 1 – Chế độ ép 1; 2 – Chế độ ép 2; 3 – Chế độ ép 3; 4 – Chế độ ép 4. Hình 3. Độ truyền qua của vật liệu gốm quang học KO-12 được chế tạo trong nước với các chế độ công nghệ khác nhau. Kết quả đo kiểm độ truyền qua các mẫu vật liệu gốm KO-12 được ép ở các chế độ ép khác nhau và ủ 30 phút ở nhiệt độ 600 oC được chỉ ra trong hình 3. Kết quả đo thấy rằng tăng kích thước hạt thì cửa sổ truyền qua tại vùng ánh sáng bước sóng ngắn (nhìn thấy) của vật liệu càng dịch chuyển về vùng bước sóng dài hơn. Vật lý N.N. Hưng, N.K. Hoàn, , “Nghiên cứu công nghệ chế tạo cho hệ quang hồng ngoại.” 108 Bảng 4. Chỉ số suy giảm bức xạ hồng ngoại mẫu gốm quang học KO-12. Bước sóng, µm Hệ số suy giảm bức xạ hồng ngoại, cm-1 Theo TU 3- 3.2321-91 Chế độ 1 Chế độ 2 Chế độ 3 Chế độ 4 0,8 ≤ 0,94 0,886 0,698 0,698 1,005 1,0 ≤ 0,54 0,824 0,522 0,522 0,886 1,2 ≤ 0,43 0,745 0,420 0,420 0,824 4,0 ≤ 0,08 0,076 0,070 0,060 0,091 4,5 ≤ 0,06 0,060 0,060 0,045 0,070 5,0 ≤ 0,40 0,137 0,131 0,125 0,137 Khi biết độ truyền qua hồng ngoại có thể xác định chỉ số suy giảm bức xạ hồng ngoại của vật liệu theo công thức: )(lg 1 )(      (3) Trong đó: δ – chiều dày của mẫu đo, mm; τ(λ) – hệ số truyền qua của bức xạ hồng ngoại (0< τ(λ) <1). Kết quả tính toán được dẫn trong bảng 4. Kết quả này khẳng định rằng chỉ chế độ ép 2 và 3 với ủ ở nhiệt độ 600oC, thời gian 25 phút cho phép thu được vật liệu theo yêu cầu. 4. KẾT LUẬN Đã xác định được khoảng nhiệt độ ép, áp lực ép đảm bảo sự lớn lên của hạt nằm trong khoảng giá trị cho phép và thu được vật liệu với khối lượng riêng cao. Trên cơ sở đó, nghiên cứu đã lựa chọn được chế độ ép nóng chế tạo gốm quang học KO-12 đảm bảo các tính chất cơ-lý, quang học cần thiết: nhiệt độ ép không lớn hơn 650-700 oC, áp lực không nhỏ hơn 200 – 300 MPa và thời gian ép khoảng 20-25 phút. Sau ép nóng tiến hành ủ với nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ ép nóng nhằm ổn định cấu trúc vật liệu. Vật liệu chế tạo có một số tính chất tương đương so với vật liệu của Nga. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ф. К. Волынец, “Способы изготовления, структура и физико-химические свойства оптической керамики”, Оптико-механическая промышленность, № 9 (1973), С. 48-61. [2]. Выдрик Г.А., “Прозрачная керамика”, М.: Энергия (1980), 96с. [3]. A. Krell, “Physics and Technology of Transparent Ceramic Armor: Sintered Al2O3 vs Cubic Materials”, NATO Research and Technology Organization (RTO), Applied Vehicle Technological Panel (AVT): Specialists Meeting on "Nanomaterials Technology for Military Vehicle Structural Applications", Granada, Spain (2005), Paper 14. [4]. Nguyễn Khải Hoàn, Nguyễn Ngọc Hưng, Vũ Lê Hoàng, Vũ Thị Nhung, Nguyễn Thái Học, Sái Công Doanh,“Nghiên cứu khả năng thiêu kết và lựa chọn công nghệ chế tạo vật liệu gốm quang học đa tinh thể hạt mịn trong suốt bức xạ hồng ngoại trên cơ sở bột nano MgF2”,Tạp chí Khoa học và Công nghệ quân sự, số 32 (2014), tr.118-123. [5]. Qing Li, Guo Ping Zhang, Yang Liu, “Effect of Microstructure on Transmission Properties of Polycrystalline Transparent Ceramics”, Materials Science Forum, Vol.704- 705 (2011), pp. 842-846. Nghiên c Tạp chí Nghi [6]. [7]. [8]. [9]. [10]. [11]. [12]. RESEARCH ON MANUFACTURING OF OPTICAL FINE Keywords: H.Rice Hal, J.Garey Maurice Society Bulletin D. A.Buckner Journal of the American Ceramic Society Whai Pressed Optical Magnesium Fluoride Ceramics Society П. нанотехнологии Donald R. Messier Fluoride: I, Evaluation of Reaction Mechanism Society А.В. состава CaLa ( В.М.Рейтеров кристаллов в вакуумной ультрафиолетовой области спектра ( polycrystalline ceramic KO temperature and pressure which provide grain growth in required value range and obtain physico with Russian optical ceramic were carried out. The results showed that the hot pressing produces optical ceram properties. Đị 2010 1976 In this study, hot pressing manufacture of IR transparent optical a ch ứu khoa học công nghệ -Yuh Lin П. ) ) CERAMIC KO ing of high - KO ỉ: ên c , Vol ,Volume 48, Issue 9 Кертман , С. 227 , с.43 mechanical and optical properties of ceramics KO -12, Hot 1Vi 2C * ứu KH&CN Федоров - ện Công nghệ/Tổng cục CN Quốc ph ục Khoa học Quân sự/Bộ Quốc ph Email: bambitvol@gmail.com , , 71(3) - , 45. - (1967 H. C. Hafner and N. J.Kreidl Min ( , № 5 , “ 2S4 233. “Влияние термообработки на пропускание окон из фтористых - pressed -Hsiung Hon 2005 , , Физико ”,Вестник Тюменского Государственного Университета density materials were determined. Measurement of some quân s ), pp ) “Оптическая фторидная нанокерамика -6 “ -12 FOR USE IN optical ceramic, Hot pressing, High , p.136 Том 8 Kinetics of High - -12 from nanopowder MgF ự, Số , 49- (1965) химические основы получения оптической керамики “Sintering of magnesium fluoride 53. , -137. (2 ics with required physico 41 Sheng 007 ,pages 452 ABSTRACT , 02 ), C.95 INFRARED OPTICAL SYSTEMS - 20 ,Volume 45, Issue 9 -Jenn Yang Ch òng; 16 -105. -Temperature Hydrolysis of Magnesium – ấp nhận đăng ng òng; ,“Hot 459. Nh Hoàn thi ”,Journal of the American Ceramic ”,Journal of the American Ceramic - ận b -Pressing Magnesium Fluoride ,“Effect of Grain Growth on Hot 2 density. ài ngày - was investigated. Pressing - ện ng GRAIN POLYCRYSTAL -12 and its comparison mechanical and optical ày (1962 19 ày 22 ”, tháng 22 tháng American Ceramic ), pages 435 ”, tháng ”, 02 02 Российские ОМП năm 201 7 năm 2015 năm 201 109 –438. , , ” №3 №7 5 6 , -