Bài giảng Thủy tinh - Chương 1: Trạng thái thủy tinh và cấu trúc thủy tinh silicat

SẢN XUẤT THỦY TINH  Xử lý nhiệt: Ủ 23 May 2022 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH 57 Khi thuûy tinh ñöôïc laøm nguoäi ñoät ngoät thì coù theå taïo ra öùng suaát neùn ôû lôùp ngoaøi vaø öùng suaát keùo ôû lôùp trong phaân boá raát ñeàu ñaën laøm taêng ñoä beàn cô hoïc cuûa thuûy tinh toâi. Beà maët thuûy tinh ôû traïng thaùi öùng suaát neùn: laøm “ñoùng” caùc veát xöôùc vaø veát nöùt nhoû. Thuûy tinh toâi khi vôõ vuïn ra khoâng taïo thaønh caùc maûnh saéc: thuûy tinh an toaøn. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH  Xử lý nhiệt: Tôi 23 May 2022 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH 58 Thủy tinh có độ bền nén lớn hơn độ bền kéo, nên thủy tinh tôi có độ bền cơ học lớn hơn thủy tinh ủ. Thủy tinh tôi khi vỡ tạo thành các hạt vụn không sắc cạnh. Mãnh vỡ thủy tinh không tôi Mãnh vỡ thủy tinh tôi CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH  Xử lý nhiệt: Tôi 23 May 2022 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH 59 Tôi nhiệt (Tempering): Glass heated above T g but below the softening point Cooled to room temp in air or oil Surface cools to below T g before interior when interior cools and contracts it draws the exterior into compression. Tôi hóa học (Chemical Hardening): exchange of ions in bath of molten KNO 3 , K 2 SO 4 , NaNO 3  Cations with large ionic radius are diffused into the surface This strains the “lattice” inducing compressive strains and stresses. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH  Các phương pháp tăng độ bền của thủy tinh CHƯƠNG 2: GiỚI THIỆU GỐM THỦY TINH 60 61 62 Goám thuûy tinh (Glass Ceramics) Goám thuûy tinh laø loaïi vaät theå raén ña tinh theå nhaän ñöôïc baèng caùch keát tinh ñònh höôùng thuûy tinh. Söï keát tinh ñònh höôùng naøy ñöôïc thöïc hieän baèng caùch gia coâng nhieät moät caùch caån thaän caùc loaïi thuûy tinh coù thaønh phaàn thích hôïp. Nhôø gia coâng nhieät trong khoái thuûy tinh seõ xuaát hieän nhieàu maàm keát tinh vaø sau ñoù caùc maàm ñoù seõ phaùt trieån thaønh caùc tinh theå. Goám thuûy tinh laø loaïi vaät lieäu coù nguoàn goác laø thuûy tinh nhöng khaùc thuûy tinh ôû choã noù coù caáu truùc tinh theå. Goám thuûy tinh khaùc vaät lieäu goám söù thoâng thöôøng vì tinh thể cuûa noù ñöôïc taïo ra töø moät pha thuûy tinh ñoàng theå ban ñaàu. Pha tinh theå trong goám thuûy tinh coù caáu truùc mòn hôn raát nhieàu (soá löôïng tinh theå trong moät ñôn vò theå tích raát lôùn, kích thöôùc tinh theå raát nhoû) so vôùi goám thöôøng. Nhöõng ñaëc ñieåm ñoù quyeát ñònh tính chaát cuûa thuûy tinh. 63 Các tính chất đặc biệt có thể đạt được của gốm thủy tinh Rất bền hóa và chịu sốc nhiệt tốt (HSDNN thấp) HSDDN cao để có thể tương thích với kim loại Độ bền cơ rất cao Sử dụng ở nhiệt độ cao Có tính cảm quang Hằng số điện môi nhỏ (electronic packaging) Dielectric-breakdown resistance Tính tương thích sinh học 64 Quaù trình taïo goám thuûy tinh Choïn ñöôïc loaïi thuûy tinh goác (thuûy tinh cô sôû) coù khuynh höôùng keát tinh toaøn theå tích raát toát. Theâm vaøo thaønh phaàn thuûy tinh moät löôïng phuï gia thích hôïp coù taùc duïng taêng cöôøng quaù trình keát tinh (caùc chaát xuùc taùc keát tinh). Quaù trình gia coâng nhieät: nhôø coù caùc xuùc taùc keát tinh ñoù trong loøng khoái thuûy tinh xuaát hieän caùc taâm keát tinh (maàm tinh theå). Töø caùc maàm ñoù, sau khi gia gia coâng nhieät ôû nhieät ñoä cao hôn caáu truùc vi tinh ñöôïc hình thaønh vaø thuûy tinh trôû thaønh goám thuûy tinh. 65 ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license. Producing a glass-ceramic: Cooling must be rapid to avoid the start of crystallization. Isothermal and continuous cooling curves for lunar glass. The rate of nucleation of precipitates is high at low temperatures, whereas the rate of growth of the precipitates is high at higher temperatures. A typical heat-treatment profile for glass-ceramics fabrication, illustrated here for Li 2 0-Al 2 0 3 -Si0 2 glasses. 66 Taïo maàm, phaùt trieån tinh theå heä Li 2 O-Al 2 O-SiO 2 Low temperature nucleation step included -> fine grain size Rapid heating to high temperature (875°C) [McMillan] 67 Thermal History Used in Production Ceramization Melting glass glass-ceramic Dr. Mark J. Davis 68 Xuùc taùc keát tinh trong goám thuûy tinh Chaát xuùc taùc coù theå laø caùc kim loaïi maøu, hoaëc caùc oxit cuûa chuùng (Pt, Au, Ag, CuO, ). Khi naáu nhöõng chaát xuùc taùc naøy tan vaøo khoái thuûy tinh. Ñem gia coâng nhieät (taïi nhieät ñoä gia coâng baäc moät) caùc saûn phaåm thuûy tinh thu ñöôïc chuùng ta seõ thaáy caùc chaát xuùc taùc seõ taùc ra thaønh haït raát nhoû, kích thöôùc döôùi 100 0 A, ñoù laø caùc trung taâm keát tinh cuûa thuûy tinh. Cuõng coù nhieàu tröôøng hôïp chæ caàn chieáu vaøo caùc loaïi thuûy tinh treân caùc tia böùc xaï thích hôïp (töû ngoaïi, tia X) caùc trung taâm keát tinh cuõng ñöôïc hình thaønh do taùc duïng caûm quang cuûa chaát xuùc taùc keát tinh. Chaát xuùc taùc keát tinh cuõng coù theå laø caùc oxit hoaëc caùc muoái kim loaïi khaùc (photphat, fluor, sunfua, oxit titan, oxit zircon.. ). Caùc xuùc taùc naøy coù khaû naêng phaân chia thuûy tinh thaønh hai pha coù thaønh phaàn khaùc nhau, thaønh söï phaân lôùp teá vi, chöùa nhöõng chaát xuùc taùc ñoù naèm trong moät pha môùi taïo thaønh ôû daïng gioït, kích thöôùc khoâng vöôït quaù 100 0 A. Söï phaân lôùp teá vi naøy laøm cho beà maët phaân chia pha taêng leân raát nhieàu, do ñaáy naêng löôïng taïo maàm tinh theå giaûm ñi vaø caùc trung taâm keát tinh ñoù seõ phaùt trieån ñoàng ñeàu trong toaøn khoái thuûy tinh. 69 Applications of Glass Ceramics Radomes - Corning 9606, cordierite glass-ceramic. Required properties: transparency to radar, low dielectric constant, low CTE, high strength, high abrasion resistance, high thermal shock resistance. Photosensitive glass-ceramics based on lithium disilicate, Li 2 Si 2 O 5 , as the crystalline phase that can be selectively etched (UV light) to develop very fine features (holes, channels etc.). The parent glass has lithium metasilicate. Example: Foturan, Fotoceram. Machinable glass-ceramics, e.g. MACOR, based on fluorine-phlogopite, KMg 3 AlSi 3 O 10 F 2 ) , with additions of B 2 O 3 and SiO 2 to form a glass. The fluorine compound is micaceous which allows easy cleavage over short distances. The material is very useful as a machinable insulator, used in welding equipment, medical equipment. . 70 Applications, contd. Substrates for magnetic recording disks. Spinel-enstatite glass-ceramics allow high modulus, high softening point (~1000°C), high toughness, insulating substrates. Cookware based on glass-ceramics with beta-spodumene, LiAlSi 2 O 6 -SiO 2 , e.g. Corning Ware 9608. The latter compound has low CTE, is white in color, and can be easily fabricated. Low expansion glasses such as Zerodur containing mainly beta-quartz. These are useful for telescope mirrors and ring lasers (low He permeability also essential here). 71 Toùm taét The crystallization of glass follows the rules for phase transformation. The kinetics of crystallization in glasses can be related to their viscosity because viscous flow depends on similar atomic mechanisms as diffusion. Whereas ordinary glasses need to avoid crystallization, in glass-ceramics, certain phases are deliberately nucleated to achieve a fine-grained crystalline structure. The crystalline phases that appear depend on the composition: choice of phases is governed by the properties desired. 72