Vật Liệu Phi Kim Loại - Tài Liệu Text - 123doc

Tải bản đầy đủ (.doc) (45 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Kỹ Thuật - Công Nghệ
>>
3. Hóa học - Dầu khí

Vật liệu phi kim loại

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (961.95 KB, 45 trang )

Vật liệu phi kim loạiBản chất và phân loạiCeramic hay còn gọi là vật liệu vô cơ được tạo thành từ các hợp chất hóa học giữa:- kim loại (Me) với các á kim bao gồm B, C, N, O và Si (bán kim loại hay bán dẫn)bao gồm các borit, cacbit, nitrit, ôxyt, silixit kim loại hay- các á kim kết hợp với nhau như các cacbit, nitrit, ôxyt của bo và silic (SiC, BN,SiO2) như biểu thị ở hình 7.1Hình 7.1. Các khả năng kết hợp giữa các nguyên tố hóa học để tạo nên ceramic.Với sự kết hợp đa dạng như vậy làm cho ceramic cũng đa dạng về thành phần hóahọc và tính chất. Theo các dạng hợp chất hình thành, ceramic có nhiều loại như:+ đơn ôxyt kim loại (Al2O3 trong gốm corindon),+ đơn ôxyt bán kim loại (SiO2 trong thủy tinh thạch anh),+ hỗn hợp nhiều ôxyt kim loại (sứ, thủy tinh silicat),+ các đơn nguyên tố (bo, cacbon),+ cacbit, nitrit của kim loại và á kim (TiC, SiC, BN, ZrN...).Có thể phân loại ceramic theo thành phần hóa học, theo cấu trúc, theo phương phápcông nghệ, lĩnh vực sử dụng...Theo các đặc điểm kết hợp, thịnh hành cách phân loại ceramic ra làm ba nhómchính:• gốm và vật liệu chịu lửa.• thủy tinh và gốm thủy tinh.• ximăng và bêtôngLiên kết nguyên tửDo ceramic được tạo nên từ các nguyên tố có bản chất hóa học khác nhau: kim loạivà á kim, nên có liên kết và cấu trúc phức tạp khác với kim loại.Khác với kim loại (chủyếu có liên kết kim loại), trong ceramic không có liên kếtkim loại mà là kết hợp giữa liên kết ion và liên kết đồng hóa trị. Ví dụ, tỷ lệ liên kếtion của các nguyên tố K, Mg, Zr, Ti, Al, B, Si, C với ôxy lần lượt là 90, 80, 67, 63,60, 45, 40, 22% (phần còn lại là liên kết đồng hóa trị). Chính có liên kết phức hợpnhư vậy năng lượng liên kết trong ceramic tương đối lớn, khoảng 100 đến500kJ/mol (cao hơn kim loại, 60 đến 250kJ/mol) nên nó có nhiệt độ nóng chảy cao,mật độ cao, cứng, giòn, trong suốt và cách điện cao.Cũng do đặc điểm về liên kết như vậy mà cấu trúc tinh thể của ceramic khác vớikim loại, cụ thể là:- Cấu trúc tinh thể phức tạp, và- Ngoài cấu trúc tinh thể (phức tạp), trong ceramic có thể tồn tại cả trạng thái vôđịnh hìnhTrạng thái vô định hìnhTrạng thái vô định hình của ceramic có thể được tạo thành bằng các con đườngkhác nhau.- Một số nguyên tố, hợp chất (S, SiO2, B2O3, P2O5...) với cấu trúc mạng chặt chẽ,mức độ liên kết nội tại cao nên độ sệt (nhớt) cao ở trạng thái nóng chảy, gây trởngại cho sự dịch chuyển, sắp xếp nguyên tử trật tự, tạo nên mầm cho kết tinh.Những chất này do bản chất như vậy nên hỗn hợp nóng chảy khi làm nguội bìnhthường không có quá trình kết tinh, trạng thái nóng chảy sẽ chuyển thành chất lỏngquá nguội, đông cứng lại thành chất rắn thủy tinh. Các vật liệu này không có nhiệtđộ nóng chảy (kết tinh) xác định như vật liệu tinh thể, nó chuyển trạng thái từ từtrong một khoảng nhiệt độ.- Với các hợp chất có độ sệt (nhớt) không cao lắm khi làm nguội nhanh cũng nhậnđược trạng thái vô định hình.Hình 7.11. Sơ đồ cấu trúc theo không gian hai chiều của:a. tinh thể thạch anh (SiO2), b. thủy tinh thạch anh (SiO2),c. thủy tinh natri silicat (Na2O - SiO2).Hãy lấy thủy tinh SiO2 và các dẫn suất của nó làm ví dụ (hình 7.11). Tinh thể thạchanh SiO2 được tạo thành từ mạng lưới không gian ba chiều của các khối bốn mặt(đa diện phối trí) [SiO4]4 - (trên hình chỉ vẽ theo không gian hai chiều), các khốinày liên kết với nhau qua đỉnh, sắp xếp một cách có quy luật, trật tự, có các yếu tốđối xứng cao (hình a). Ngược lại khi ở trạng thái vô định hình các khối này sắp xếpkhông theo quy luật hình học nào: chúng bị xô lệch như ở thủy tinh thạch anh (hìnhb), hay các ion của chất cho thêm (Na+ của NaO) phân bố vào các vị trí trống trongmạng vốn đã bị xô lệch như ở thủy tinh silicat (Na2O - SiO2) ở hình c, làm giảmmức độ liên kết của khung thủy tinh thậm chí gây đứt mạng.Cơ tínhNhược điểm quan trọng nhất làm hạn chế sử dụng rộng rãi của ceramic là cơ tínhcủa nó kém vật liệu kim loại mà chủ yếu là do dễ dẫn đến phá hủy giòn một cáchnguy hiểm với năng lượng hấp thụ rất thấp.a. Phá hủy giòn trong ceramicỞ nhiệt độ thường, dưới tác dụng của tải trọng kéo cả ceramic tinh thể lẫn vô địnhhình thường bị phá hủy giòn mà không xảy ra bất kỳ biến dạng dẻo nào trước đó mànguyên nhân chủ yếu do nứt (đặc biệt là nứt trên bề mặt), rỗng với số lượng lớn làđặc thù của ceramic không những từ cấu trúc tinh thể mà còn từ công nghệ chế tạo(sẽ nói sau).Như đã biết ceramic có giá trị KIC rất nhỏ (< 5 MPa ) so với vật liệu kim loại (30 100MPa ). Sự phá hủy của ceramic xảy ra bằng cách phát triển từ từ của vết nứt khiứng suất là tĩnh. Hiện tượng này được gọi là mỏi tĩnh hay phá hủy chậm. Dạng pháhủy này đặc biệt nhạy cảm với điều kiện của môi trường, nhất là khi có hơi nướctrong khí quyển. Quá trình ăn mòn dưới ứng suất xảy ra ở đỉnh vết nứt do có sự kếthợp giữa ứng suất kéo đặt vào và sự hòa tan vật liệu (do ăn mòn) làm cho nứt bịnhọn và dài ra cho đến khi có đủ kích thước để phát triển nhanh.Trong trường hợp chịu ứng suất nén, không có tập trung ứng suất do có nứt, chínhvì vậy ceramic có độ bền ở trạng thái nén cao hơn kéo và thường được dùng trongđiều kiện tải trọng nén. Độ bền phá hủy của ceramic giòn được cải thiện nhiều nếutrên bề mặt nó có ứng suất nén dư được thực hiện bằng cách tôi.b. Biểu đồ ứng suất - biến dạng và môđun phá hủyDo khó chế tạo mẫu kéo và sự khác nhau quá nhiều giữa kéo và nén nên vớiceramic người ta không tiến hành thử kéo mà thử uốn ngang. Như đã biết khi thửuốn ở mặt trên mẫu chịu nén, mặt dưới chịu kéo.Môđun phá hủy hay giới hạn bền uốn là ứng suất lớn nhất hay ứng suất khi phá hủytrong thử uốn, là chỉ tiêu cơ tính quan trọng đối với ceramic giòn. Giá trị của môđunphá hủy là luôn luôn lớn hơn giới hạn bền kéo. Phần đàn hồi trên biểu đồ ứng suất biến dạng khi thử uốn ngang của ceramic cũng như khi thử kéo cho kim loại vớiquan hệ đường thẳng (bậc nhất, tỷ lệ) giữa ứng suất và biến dạng. Hình 7.12 trìnhbày biểu đồ này của hai ceramic điển hình là ôxyt nhôm (alumin) và thủy tinh.Môđun đàn hồi (độ dốc của đường thẳng) của ceramic lớn hơn kim loại ít nhiều.Bảng 7.3 liệt kê hai giá trị trên của các ceramic phổ biến nhất.Bảng 7.3. Môđun phá hủy và môđun đàn hồi của các ceramicHình 7.12. Biểu đồ ứng suất - biến dạng khi thử uốn ngang cho alumin và thủy tinh.c. Cơ chế biến dạng dẻoMặc dầu ở nhiệt độ thường ceramic bị phá hủy trước khi biến dạng dẻo, song trongmột số điều kiện nó cũng có thể bị biến dạng dẻo. Tuy nhiên sự biến dạng dẻo choceramic tinh thể và vô định hình có những đặc điểm khác nhau.Ceramic tinh thểGiống như kim loại là vật liệu tinh thể, với ceramic tinh thể biến dạng dẻo cũng xảyra bằng sự dịch chuyển của lệch. Một trong những nguyên nhân cho độ cứng và tínhgiòn cao của vật liệu này là do khó trượt hay lệch khó chuyển động vì quá ít hệtrượt. Sự khó trượt còn do nguyên nhân về liên kết ion, ban đầu mỗi ion đều đượcbao bọc bởi các ion khác dấu nên có lực hút, khi trượt đi một khoảng cách nguyêntử, các ion cùng dấu lại đứng đối diện nhau nên lại nảy sinh lực đẩy. Sự biến đổibản chất liên kết như thế không thể xảy ra nên không thể trượt được (điều nàykhông có ảnh hưởng gì đến kim loại vì các nút mạng đều là các ion cùng dấu cation).Ceramic vô định hìnhĐối với ceramic vô định hình, biến dạng dẻo cũng không xảy ra do không có sắpxếp nguyên tử trật tự, vật liệu bị biến dạng bằng chảy nhớt giống như sự biến dạngcủa chất lỏng: tốc độ biến dạng tỷ lệ thuận với ứng suất đặt vào. Dưới tác dụng củaứng suất tiếp, các nguyên tử và ion được trượt dịch đi với nhau bằng cách phá vỡ vàhình thành lại liên kết giữa các nguyên tử không theo cách mô tả theo mô hình mặt,phương trượt với cơ chế lệch. Sự chảy nhớt được mô tả ở hình 7.13.Hình 7.13. Mô hình chảy nhớt của chất lỏng và thủy tinh lỏng dưới tác dụng củaứng suất đặt vào.Độ nhớt, tính chất đặc trưng của chảy nhớt, là thước đo sức bền chống biến dạngcủa vật liệu vô định hình. Đối với chảy nhớt trong chất lỏng bị giới hạn bởi hai tấmphẳng song song và bị tác dụng của ứng suất tiếp thì độ nhớt là tỷ số của ứng suấttiếp và sự biến thiên của tốc độ dịch chuyển dv với khoảng cách dy theo phươngvuông góc với các tấm.Các đơn vị đo của độ nhớt là poise (P) và pascal.s (pascal.giây, Pa.s); 1P = 1dynes/cm2 và 1Pa.s = 1N.s/m2, sự chuyển đổi giữa chúng như sau: 10P = 1Pa.sGốm và vật liệu chịu lửaBản chất và phân loạiGốm là vật liệu nhân tạo có sớm nhất trong lịch sử loài người. Khởi đầu khái niệmgốm được dùng để chỉ vật liệu chế tạo từ đất sét, cao lanh (gốm đất nung). Về sau,cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, khái niệm này được mở rộng và baogồm thêm đồ sứ, các vật liệu trên cơ sở ôxyt (ví dụ gốm Al2O3) và các chất vô cơkhông phải là ôxyt (ví dụ SiC). Khái niệm gốm có liên quan đến hai nội dung:phương pháp công nghệ và đặc điểm tổ chức.Phương pháp công nghệ gốm điển hình là phương pháp thiêu kết bột (như hợp kimbột): khi tạo hình nguyên liệu dạng bột có liên kết tạm thời, sau đó được nung lênnhiệt độ cao để liên kết khối.Tổ chức điển hình của gốm là đa pha. Nói đa pha vì hai pha chính tạo nên gốm làpha tinh thể và pha vô định hình, trong đó pha vô định hình phân bố xen giữa cácvùng pha tinh thể và gắn kết chúng lại với nhau. Tỷ lệ giữa hai pha này trong cácsản phẩm sẽ khác nhau, ví dụ tỷ lệ pha vô định hình trong gạch ngói là 20 - 40%,trong sứ - 50 - 65%, gốm Al2O3 < 1%. Ngoài hai pha chính ra trong gốm luôn luôncó lỗ xốp (trong gạch: 10 - 50%, gốm nhẹ: > 40%, sứ: < 5%) mà tỷ lệ, hình dạng,kích thước và sự phân bố có ảnh hưởng rõ rệt đến các tính chất như độ bền cơ học,độ dẫn nhiệt, khả năng hút nước. Ví dụ môđun đàn hồi E giảm đi theo sự tăng lêncủa thể tích rỗ xốp P theo biểu thứcE = E0 (1 - 1,9P + 0,9P2)trong đó E0 là môđun đàn hồi của gốm đặc, không lỗ xốp.Theo thành phần hóa học có thể có các loại gốm sau: gốm silicat, gốm ôxyt, gốmkhông phải ôxyt và gốm chịu lửaGốm silicatGốm silicat còn gọi là gốm truyền thống là loại chế tạo từ các vật liệu silicat thiênnhiên độ sạch thấp, chủ yếu từ đất sét và cao lanh để tạo nên các sản phẩm gốm xâydựng (gạch, ngói, ống dẫn, sứ vệ sinh...), gốm gia dụng (ấm chén, bát đĩa) vàgốm công nghiệp (cách điện, bền hóa, nhiệt).Đất sét là silicat nhôm gồm có Al2O3, SiO2 và nước ngậm. Tính chất của nó biếnđổi rộng phụ thuộc vào lượng tạp chất mà chủ yếu là các ôxyt (Fe, Ba, Ca, Na, K...)và một ít chất hữu cơ. Cấu trúc tinh thể của đất sét tương đối phức tạp song có đặctrưng quan trọng là có cấu trúc tầng nên khi có nước các phân tử nước điền kín cáctầng này và tạo ra lớp màng mỏng bao quanh các hạt đất sét làm cho các hạt này dễdịch chuyển với nhau, tạo ra độ dẻo cao cho hỗn hợp đất sét - nước.Cao lanh (kaolinite) là khoáng phổ biến nhất của đất sét có công thức Al2(Si2O5)(OH)4 hay Al2O3.2SiO2.2H2O. Ngoài đất sét, cao lanh còn dùng các nguyên liệuphụ như thạch anh SiO2 làm chất độn, tràng thạch KAlSi3O8 làm trợ dung. Ví dụmột sứ điển hình chứa 50% đất sét (cao lanh), 25% thạch anh, 25% tràng thạch.Quy trình sản xuất gốm silicat như sau:- Gia công, tuyển chọn nguyên liệu: quặng thô được nghiền mịn, sàng để có đượcđộ hạt yêu cầu. Do nguyên liệu thô thường chứa nhiều FeO, Fe2O3 nên khi cầnthiết (khi cần màu trắng) phải qua tuyển từ khử ôxyt triệt để (< 1%).- Cân, trộn phối liệu.- Nhào luyện phối liệu (đa thêm nước vào với lượng khác nhau để tạo độ dẻo thíchhợp).- Tạo hình sản phẩm theo ba cách tùy thuộc độ ẩm:+ Phương pháp bán khô với phối liệu có độ ẩm 8 - 12% được đầm nén trong khuôn.+ Phương pháp dẻo với phối liệu có độ ẩm 12 - 25%, tính dẻo cao được tạo dángbằng tay hay dụng cụ, máy chuyên dùng.+ Phương pháp đúc rót với phối liệu có lượng nước cao, phối liệu có dạng hồ đượcrót vào khuôn thạch cao, khuôn sẽ hút nước để lại sản phẩm mộc.- Sấy. Ban đầu các hạt đất sét được bọc bởi nước, khi sấy hơi nước bay đi làmkhoảng trống giữa các hạt giảm đi gây ra co và rỗng.- Nung đến 900 - 1400oC hay cao hơn tùy thuộc vào thành phần, cơ tính yêu cầu,sản phẩm (gốm xây dựng, gạch ở 900oC, sứ: 1400oC, gốm cao alumin 1600oC).Trong quá trình nung mật độ của gốm tăng lên (do giảm lỗ xốp) và cơ tính được cảithiện. Khi gốm được nung đến nhiệt độ cao có xảy ra một số phản ứng trong đóđáng quan tâm nhất là sự thủy tinh hóa: sự hình thành dần dần thủy tinh lỏng, chảyvào điền kín các lỗ hổng và sản phẩm được co thêm. Khi nguội, pha nóng chảyđông đặc lại tạo ra nền liên kết làm bền, chắc sản phẩm.Gốm có loại tráng men và không tráng men. Lớp men có thể được nung chảy cùngmột lần với sản phẩm hoặc nung lại lần thứ hai.Theo đặc điểm kết cấu của xương gốm, người ta phân biệt hai loại thô và tinh. Gốmthô có cấu trúc xương tạo bởi các hạt vật liệu rắn có kích thước lớn và không đồngđều (ví dụ gạch ngói, gạch chịu lửa). Gốm tinh được tạo bởi các hạt mịn và đồngđều (ví dụ sứ, gốm, corindon Al2O3)Gốm oxítGốm ôxyt là gốm có thành phần hóa học là một đơn ôxyt (Al2O3 hoặc TiO2) hoặcmột ôxyt phức xác định (ví dụ MgO.Al2O3, BaO.TiO2), như vậy trong thành phầnkhông có SiO2.Khác với gốm silicat, gốm ôxyt có độ tinh khiết hóa học cao hơn hẳn (tỷ lệ tạp chấtrất thấp) và tỷ lệ pha tinh thể cũng cao hơn hẳn (tỷ lệ pha vô định hình rất thấp) đểlàm vật liệu kỹ thuật có độ bền nhiệt và độ bền cơ học rất cao, có các tính chất điệnvà từ đặc biệt. Có thể chia thành ba nhóm nhỏ.a. Gốm ôxyt trên cơ sở các ôxyt có nhiệt độ nóng chảy caoVới các ôxyt có nhiệt độ chảy cao tiêu biểu là Al2O3 (2050oC), MgO (2850oC),ZrO2 (2500 - 2600oC), MgO.Al2O3 (2135oC) bằng công nghệ gốm tinh (với độtinh khiết > 98%), thiêu kết ở nhiệt độ cao với tổ chức tinh mịn và hầu như toàn bộlà tổ chức một pha. Chúng bao gồm các loại sau.Gốm corindon (Al2O3 ở dạng thù hình α) với nhiệt độ sử dụng khoảng 1900oCđược dùng làm chén, nồi nấu kim loại với độ cứng HB 2000 được dùng làm vật liệucắt, hạt mài, thậm chí cấy ghép vào xương.Gốm pericla (MgO) với nhiệt độ sử dụng cao tới 2400oC và có tính kiềm (badơ)được dùng làm nồi nấu chảy kim loại bền với muối clorit và fluorit nóng chảy.Gốm ziêcona (ZrO2) với nhiệt độ sử dụng cao (2300oC), giãn nở nhiệt ít, 20.107/oK, và gốm spinel (MgO.Al2O3) được dùng vào các mục đích đặc biệt ở nhiệt độcao.b. Gốm trên cơ sở TiO2Gốm trên cơ sở TiO2 có các tính chất đặc biệt (điện môi, sắt từ, áp điện) được sửdụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử. Có thể chỉ là đơn ôxyt như gốm rutil(TiO2) hay có pha thêm các ôxyt khác để điều chỉnh các tính chất điện từ.c. Gốm trên cơ sở Fe2O3 và ôxyt kim loại nặngGốm trên cơ sở Fe2O3 và các ôxyt kim loại nặng khác thuộc nhóm Fe tạo ra các vậtliệu bán dẫn và vật liệu từ. MeO.Fe2O3 (trong đó Me có thể là Mn, Zn, Ni, Mg, Co,Cu, Cd, Ti...) được gọi là ferit từ hay đơn giản là ferit, thuộc loại vật liệu từ mềm,được dùng rất nhiều trong kỹ thuật điện tần số cao do có điện trở rất lớn nên dòngfucô sinh ra rất nhỏ, tổn thất điện rất nhỏ. Một ứng dụng quan trọng của nó là làmdẫn từ ghép vào vòng cảm ứng khi nung nóng bằng dòng điện cảm ứng có tần sốcao khi tôi, hàn, nấu chảy và các mục đích khác.d. Gạch chịu lửaVật liệu chịu lửa (refractories) là loại vật liệu để xây lắp các lò (luyện kim, thủytinh, hơi, nung kim loại, nhiệt luyện...) và thiết bị công nghiệp làm việc ở nhiệt độcao. Theo quy ước chung một vật liệu được coi là vật liệu chịu lửa khi nó có độ chịulửa lớn hơn 1520oC, tức nhiệt độ tại đó khối vật liệu hình chóp với kích thước quyđịnh bị đánh gục. Vật liệu chịu lửa trên thị trường có thể ở nhiều dạng nhưng gạchlà loại quan trọng và phổ biến hơn cả, được sản xuất theo công nghệ gốm thô. Đâylà điểm phân biệt quan trọng với các gốm ôxyt kể trên trong khi về thành phần cóthể giống nhau. Sau đây phân biệt các loại gạch chịu lửa điển hình.Đinat (silica) với thành phần > 93% SiO2 được sản xuất bằng phương pháp thiêukết bột. Gạch đinat có tính axit với nhiệt độ làm việc cao (> 1550oC) dùng để xây lòcoke, vòm lò thủy tinh, các vùng nung trong lò tuynen, một số lò luyện kim.Samôt là gốm thô Al2O3 - SiO2 với nguyên liệu chính là đất sét, cao lanh. Theothành phần hóa học có samôt thường (30 - 40% Al2O3) - trung tính và samôt bánaxit (chỉ chứa 20 - 30% Al2O3). Với độ chịu lửa tương đối tốt (~ 1400oC) tùy từngloại chúng được dùng trong lò nung clinke, khí hóa, hơi và một số lò luyện kim.Cao alumin cũng thuộc hệ Al2O3 - SiO2 như samôt nhưng với hàm lượng Al2O3cao hơn (45 - 95%) nên độ chịu lửa cao hơn (≥ 1600oC), được sử dụng khi có yêucầu cao về độ chịu lửa mà samôt không đáp ứng nổi.Gạch kiềm tính là hệ gạch chịu lửa có MgO với các thành phần khác nhau: periclahay manhêzit (MgO), pericla - crômit hay crôm - manhêzit (Cr2O3 - MgO), đôlômit(MgO - CaO)..., chúng rất bền với xỉ kiềm là yêu cầu rất quan trọng với luyện thépvà một số kim loại để có thể tạo ra xỉ kiềm (CaO), khử tạp chất có hại và cũng đượcdùng trong một số lò khác.Như vậy về công dụng các gạch chịu lửa không có sự khác nhau lớn về độ chịu lửamà chủ yếu là ở môi trường làm việc (axit, kiềm hay trung tính).e. Vật liệu chịu lửa khácĐó là loại không sản xuất theo phương pháp gốm mà dùng cách nấu chảy hay vẫndùng cách thiêu kết bột như gốm nhưng nguyên liệu không phải là ôxyt.Sản xuất theo cách nấu chảy ôxyt (trong lò điện hồ quang) được gốm thô, độ xítchặt cao với tỷ lệ pha vô định hình thấp, có rỗ khí lớn và phân bố không đều gồmcorindon (92 - 98% Al2O3), corindon mulit (80%Al2O3, 20% SiO2)...Với grafit và cacbit silic (SiC) có nhiệt độ nóng chảy cao 2300 - 2500oC cũng cóthể tạo nên vật liệu chịu lửa (bằng phương pháp thiêu kết bột) có những ứng dụngnhất địnhThủy tinh và gốm thủy tinhVề mặt bản chất, có thể phân biệt thủy tinh với gốm và vật liệu chịu lửa ở:- Thủy tinh có cấu trúc hoàn toàn là vô định hình, là vật liệu một pha đồng nhất(trong khi đó ở gốm phần lớn là tinh thể).- Thủy tinh sản xuất theo công nghệ nấu chảy và tạo hình tiếp theo bằng kéo (tấm,ống, sợi), cán, ép, dập, thổi (gốm theo công nghệ thiêu kết bột).Cũng như gốm, thủy tinh được sử dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống.Nguyên liệu để sản xuất thủy tinh cũng phổ biến và rẻ tiền như gốm, nó dùng cáttrắng (SiO2), sôđa (Na2CO3), đá vôi (CaCO3), tràng thạch [(K,Na)AlSi3O8],đôlômit (CaCO3.MgCO3)...Theo thành phần hóa học và công dụng có thể có các loại: thông dụng và các loạikhácXi măng và bê tôngngoài các phương pháp chế tạo đã trình bày, các vật liệu vô cơ đa pha có thể đượcchế tạo bằng phương pháp khác (ngoài thiêu kết bột và nấu chảy), đó là phươngpháp kết dính các thành phần vật liệu rắn với nhau ở nhiệt độ thường nhờ chất dínhkết. Đây là nguyên lý chế tạo bêtông, loại vật liệu xây dựng quan trọng hàng đầu,như sau: các cốt liệu rắn (sỏi, cát) với ximăng poclan và nước là chất dính kết theotỷ lệ xác định được hòa trộn để có hỗn hợp ở thể nhão (vữa bêtông), sau khi ximăngđã đóng rắn khối vật liệu trở nên liền khối và vững chắcVật liệu composite1. Composite cấu trúcComposite cấu trúc là loại bán thành phẩm dạng tấm nhiều (≥ 3) lớp được tạo thànhbằng cách kết hợp các vật liệu đồng nhất với composite theo những phương án cấutrúc khác nhau. Do đó tính chất không những phụ thuộc vào tính chất các vật liệuthành phần mà còn cả vào thiết kế hình học của chúng trong kết cấu. Thường dùnghai loại: dạng lớp và panel sandwichComposite cấu trúc dạng lớpHình 9.11. Sơ đồ tạo composite cấu trúc dạng lớp.Có thể dễ dàng hình dung dạng composite này qua gỗ dán, cót ép. Chúng gồm bởicác lớp (tấm) có độ bền dị hướng cao (như gỗ, composite cốt sợi liên tục thẳnghàng), được sắp xếp sao cho các phương độ bền cao nhất của các lớp, tấm kề nhauđược đổi hướng liên tục (trên hình 9.11 là tấm gồm năm lớp vuông góc với nhau) vàđược ép kết dính với nhau. Nhờ đó loại này có độ bền cao theo các phương songsong với mặt tấm, nhưng rất kém theo phương vuông góc với tấmPanel sandwichHình 9.12. Sơ đồ của panel sandwichLoại này gồm ba lớp (hình 9.12) trong đó hai lớp mặt được chế tạo từ vật liệu có độbền hay độ cứng vững cao (như hợp kim nhôm, titan, thép và composite dạng lớp)có chức năng chịu toàn bộ tải trọng tác dụng theo các phương song song với mặttấm. Lớp giữa (lõi) có hai chức năng: ngăn cách hai lớp trên, chống biến dạng theophương vuông góc và tạo độ cứng vững tránh cong vênh. Vật liệu làm lõi có thể làpolyme xốp, caosu nhân tạo, chất dính vô cơ, gỗ nhẹ hoặc có cấu trúc tổ ong, trongđó vách mỏng liên kết định hướng các ô lục giác vuông góc với mặt như biểu diễn ởhình vẽ (vách này thường được làm bằng cùng vật liệu như hai lớp mặt). Cấu trúcnày hao hao giống sandwich - bánh mỳ kẹp (thịt, dămbông...), khác với loại trên ởgiữa không phải là tấm song song2. Composte cốt sợi2.1 Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợia. Sự phân bố và định hướng sợiHình 9.3. Sơ đồ phân bố và định hướng cốt sợi:a. một chiều.b. dệt hai chiều vuông góc trong một mặt.c. rối ngẫu nhiên trong một mặt.d. đan quấn ba chiều vuông góc.Có nhiều kiểu phân bố và định hướng sợi như biểu thị ở hình 9.3. ở đây sợi đượccoi như thớ trong kim loại, làm cho vật liệu có tính dị hướng rõ rệt. Do vật liệu làmcốt bao giờ cũng bền, cứng hơn nền, nên theo phương cốt sợi composite thể hiện độbền cao hơn các phương khác.- Khi các sợi phân bố song song với nhau theo một phương nào đó như biểu thị ởhình a, độ bền theo phương dọc sợi sẽ cao hơn hẳn phương vuông góc với nó. Kiểunày được gọi là một chiều.- Khi cũng phân bố trên một mặt song theo hai phương vuông góc với nhau như vải(các sợi đan vuông góc với nhau) biểu thị ở hình b, thì khi thử theo hai phương dọctheo trục sợi độ bền nhận được là cao hơn cả. Kiểu này được gọi là kiểu dệt.- Khi sợi phân bố trải trên một mặt nhưng không định hướng, nhiều phương (rối),có tính ngẫu nhiên như ở hình c sẽ làm cho composite có tính đẳng hướng (theo tấtcả các phương trên mặt các tính chất đều như nhau). Kiểu này được gọi là rối ngẫunhiên trong một mặt (như cấu trúc của dạ, nỉ).- Cuối cùng khi sợi được phân bố (đan, quấn) và định hướng theo ba phương vuônggóc với nhau như ở hình d thì composite có độ bền lớn nhất theo cả ba phươngtương ứng. Tuy nhiên điều được người ta quan tâm hơn cả có ảnh hưởng đến cơtính của composite cốt sợi là yếu tố hình học của sợi: chiều dài và đường kính haytỷ lệ giữa chúng.b. Ảnh hưởng của chiều dài sợiĐiều quan trọng nhất đối với composite kết cấu cốt sợi phải có cấu trúc sao cho tảitrọng đặt vào phải được dồn vào sợi là pha có độ bền cao, nếu chỉ tập trung vào nềnlà pha kém bền hơn sẽ dẫn đến phá hủy pha này một cách nhanh chóng, nói khác đicơ tính phụ thuộc vào mức độ truyền tải trọng từ nền vào sợi.Hình 9.4. Sơ đồ biến dạng nền khi đặt tải vào composite cốt sợi ngắn, biến dạng ởphần nền bao quanh sợi chịu kéo.Đối với loại cốt sợi ngắn, dưới tác dụng của ứng suất đặt vào sự biến dạng của nềndừng lại ở (đầu) mút sợi, một phần nền bị chảy như thấy rõ ở hình 9.4. Như vậykhông có sự truyền tải từ nền vào mút sợi. Tuy nhiên tình hình sẽ được cải thiệnmột khi chiều dài sợi tăng lên.Người ta đã tính được rằng khi sợi dài bằng hay dài hơn một chiều dài tới hạnlc mới làm tăng một cách có hiệu quả độ bền và độ cứng vững của composite.Chiều dài tới hạn lc này phụthuộc đường kính d của sợi, giới hạn bền (σb)f của sợi(fiber) và sức bền liên kết giữa sợi và nền (hay giới hạn chảy cắt của nền σm).Đối với composite sợi thủy tinh hay sợi cacbon, chiều dài tới hạn này khoảng1mm và gấp 20 đến 150 lần đường kính sợi.Bây giờ xét trường hợp ứng suất kéo tác dụng lên composite bằng giới hạn bền kéocủa sợi cho các trường hợp chiều dài sợi khác nhau (hình 9.5).Khi chiều dài sợi vừa đúng lc, biểu đồ phân bố ứng suất trên chiều dài dài sợi códạng như ở hình a: tải trọng lớn nhất trên sợi đạt giá trị (σb)f ở chính giữa trục sợi.Khi chiều dài sợi tăng lên, tác dụng gia cường của sợi trở nên hiệu quả hơn nhưbiểu thị ở hình b, tức trên phần lớn chiều dài sợi chịu tác dụng của mức ứng suất đặtvào (σb)f. Còn khi l < lc tác dụng gia cường không có như biểu thị ở hình c, ứngsuất lớn nhất tác dụng trên sợi không đạt đến ứng suất đặt vào (σb)f.Người ta quy ước:- Khi l > 15lc, composite là là loại cốt liên tục hay dài.- Khi l < 15lc, composite là loại cốt sợi không liên tục hay ngắn; trong đó khi l >lc,c. l