Gốm thủy tinh là gì? Ưu điểm và cách chế tạo Gốm thủy tinh?

1. Gốm thủy tinh là gì?

Một đặc điểm khác của kính là thiếu trật tự về cấu trúc của chúng, tức là các nguyên tử và phân tử được sắp xếp ngẫu nhiên. Điều này có thể được chứng minh trong phân tích nhiễu xạ tia x (XRD), trong đó một chiếc kính sẽ không hiển thị các đỉnh được xác định rõ ràng. Mặt khác, một vật liệu tinh thể hiển thị trật tự trong cấu trúc của nó và nói chung sẽ tạo ra các đỉnh được xác định rõ khi phân tích bằng XRD. Sự thiếu kết tinh trong cấu trúc của chúng dẫn đến chúng được gọi là vô định hình hoặc thủy tinh thể.

Vật liệu gốm thủy tinh có thành phần hóa học giống như thủy tinh nhưng khác ở chỗ chúng thường là 95-98% kết tinh theo thể tích, chỉ với một tỷ lệ nhỏ thủy tinh thể. Bản thân các tinh thể thường rất nhỏ, nhỏ hơn 1µm và thường rất đồng đều về kích thước. Hơn nữa, do tính kết tinh và mạng lưới ranh giới hạt, chúng không còn trong suốt nữa.

Vật liệu gốm thủy tinh thường có đặc điểm:

Cường độ cao

Chống va đập cao

Hiệu suất giãn nở nhiệt thấp, thậm chí đôi khi đồng hiệu quả giãn nở nhiệt tiêu cực

Khả năng chống sốc nhiệt tốt

Một loạt các đặc tính quang học, từ trong suốt đến mờ đục và đôi khi có màu trắng đục.

Sản xuất vật liệu gốm thủy tinh

Các thành phần gốm thủy tinh được hình thành bằng cách sử dụng các quy trình tương tự áp dụng cho các thành phần thủy tinh. Để chuyển chúng từ vật liệu thủy tinh dẻo thành vật liệu gốm thủy tinh kết tinh, chúng phải được xử lý nhiệt hoặc làm chín. Sự phá hủy có thể xảy ra một cách tự nhiên trong quá trình làm nguội hoặc trong quá trình sử dụng, nhưng thường được kết hợp để sản xuất gốm thủy tinh. Nó liên quan đến việc nung nóng sản phẩm thủy tinh đã tạo thành đến nhiệt độ đủ cao để kích thích các tinh thể tạo mầm trong toàn bộ thủy tinh. Sau đó, nhiệt độ được tăng lên, làm cho các hạt nhân phát triển, làm kết tinh phần thủy tinh còn lại.

Quá trình tạo hạt nhân đòi hỏi một số nguyên tử tới hạn hội tụ để tạo thành hạt nhân. Khi hạt nhân đạt đến kích thước tới hạn, sự tạo mầm xảy ra. Trong nhiều chế phẩm thủy tinh, quá trình tạo mầm bị cản trở do vật liệu làm từ silica và có độ nhớt cao, khiến các nguyên tử cần thiết gặp khó khăn với nhau. Các thành phần tinh thể cũng có thể phức tạp, gây khó khăn cho quá trình tạo mầm. Những yếu tố này hỗ trợ việc hình thành và làm mát thủy tinh mà không kết tinh.

Quá trình xử lý nhiệt phân tán phải được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo số lượng hạt nhân tối đa được hình thành và những hạt nhân này phát triển thành một cấu trúc tinh thể mịn đồng nhất. Để thu được nồng độ hạt nhân cao trong toàn bộ cấu trúc, người ta thường thêm chất tạo mầm vào thành phần thủy tinh.

Gốm thủy tinh có thể bao gồm từ tinh thể cao đến chứa một pha thủy tinh lớn hơn. Vì chúng chứa các pha tinh thể và do đó cũng có ranh giới hạt, gốm thủy tinh có thể từ trong suốt đến mờ đục. Tùy thuộc vào cấu trúc vi mô và thành phần hóa học của gốm thủy tinh, các đặc tính của chúng có thể được điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu khắt khe. Nhìn chung, gốm thủy tinh thể hiện sự giãn nở nhiệt gần như bằng không và độ dẻo dai cao. Ngoài ra, chúng còn có khả năng chống sốc nhiệt và chịu va đập cao.

Gốm thủy tinh có tên trong Tiếng Anh là: “Glass ceramic”.

2. Ưu điểm của gốm thủy tinh:

Gốm thủy tinh là vật liệu đa tinh thể được sản xuất thông qua quá trình kết tinh có kiểm soát của thủy tinh cơ bản. Vật liệu thủy tinh-gốm có nhiều đặc tính với cả thủy tinh và gốm sứ.

Gốm thủy tinh có một pha vô định hình và một hoặc nhiều pha tinh thể và được tạo ra bởi cái gọi là “kết tinh có kiểm soát” trái ngược với sự kết tinh tự phát, điều này thường không được mong muốn trong sản xuất thủy tinh. Gốm thủy tinh có lợi thế chế tạo của thủy tinh, cũng như các tính chất đặc biệt của gốm. Khi được sử dụng để hàn kín, một số gốm thủy tinh không yêu cầu hàn nhưng có thể chịu được nhiệt độ hàn lên đến 700 ° C.

Gốm thủy tinh thường có độ kết tinh từ 30% [m / m] đến 90% [m / m] và tạo ra một loạt các vật liệu có các đặc tính thú vị như độ xốp bằng không, độ bền cao, độ dai, độ trong hoặc mờ, sắc tố, màu trắng đục, thấp hoặc thậm chí giãn nở nhiệt âm, ổn định nhiệt độ cao, huỳnh quang, khả năng gia công, tính sắt từ, khả năng hấp thụ lại hoặc độ bền hóa học cao, tính tương thích sinh học, hoạt tính sinh học, độ dẫn ion, tính siêu dẫn, khả năng cách ly, hằng số điện môi thấp và tổn thất, điện trở suất cao và điện áp đánh thủng. Những đặc tính này có thể được điều chỉnh bằng cách kiểm soát thành phần thủy tinh cơ bản và bằng cách xử lý nhiệt / kết tinh có kiểm soát của thủy tinh cơ bản. Trong sản xuất, thủy tinh-gốm được đánh giá cao vì có độ bền của gốm nhưng tính chất kín của thủy tinh.

3. Cách chế tạo gốm thủy tinh:

Thủy tinh-gốm hầu hết được sản xuất theo hai bước:

Thứ nhất, thủy tinh được hình thành bởi quá trình sản xuất thủy tinh. Ly được làm nguội và sau đó được hâm nóng ở bước thứ hai. Trong quá trình xử lý nhiệt này, một phần thủy tinh sẽ kết tinh. Trong hầu hết các trường hợp, các chất tạo mầm được thêm vào thành phần cơ bản của gốm thủy tinh. Các tác nhân tạo mầm này hỗ trợ và kiểm soát quá trình kết tinh. Bởi vì thường không có quá trình ép và nung kết, gốm thủy tinh không có lỗ rỗng, không giống như gốm nung kết.

Có rất nhiều hệ thống gốm thủy tinh tồn tại, ví dụ, hệ thống Li2O × Al2O3 × nSiO2 (hệ thống LAS), hệ thống MgO × Al2O3 × nSiO2 (hệ thống MAS), hệ thống ZnO × Al2O3 × nSiO2 (hệ thống ZAS).

Thành phần cơ bản của thủy tinh là silica hoặc cát. Tùy thuộc vào cách sản phẩm sẽ được sử dụng, các nhà hóa học và nhà khoa học thủy tinh thêm các hóa chất thứ cấp như oxit boron, soda-vôi hoặc oxit nhôm để tạo ra thủy tinh có các đặc tính nhất định, ví dụ: độ trong, chống trầy xước, chống sốc nhiệt hoặc kháng hóa chất . Được đo chính xác và tinh chế trong bể nấu chảy, nguyên liệu thô được nung đến nhiệt độ khoảng 2.400 F. Tại thời điểm đó, thủy tinh nóng chảy có độ đặc của mật ong và sẵn sàng được tạo hình thành các ống, khối, tấm phẳng, sợi, hoặc bất kỳ dạng nào trong số hàng chục dạng khác mà thủy tinh được cung cấp.

Quá trình sản xuất gốm sứ thủy tinh cũng giống như làm thủy tinh. Các thành phần cơ bản là cát, liti và ôxít nhôm, nhưng một thành phần đặc biệt được thêm vào để làm gốm thủy tinh: một chất tạo mầm đặc biệt được thêm vào nguyên liệu thô. Sau khi nấu chảy nguyên liệu thô, hỗn hợp hoạt động giống như thủy tinh – nó được làm lạnh rất chậm đến khoảng 1.100 F. Ở nhiệt độ đó, tác nhân tạo mầm cho phép hình thành các hạt nhân tinh thể – các khối cấu tạo của tinh thể. Việc tăng nhiệt độ một lần nữa sẽ khuyến khích các hạt nhân tinh thể đó phát triển và tự sắp xếp lại thành cấu trúc tinh thể. Vật liệu sau đó được làm nguội đến nhiệt độ phòng. Kết quả là một vật liệu trông giống như thủy tinh, nhưng bền hơn và có khả năng xử lý nhiệt độ khắc nghiệt và thay đổi nhiệt độ tốt hơn. Các nhà hóa học có thể tăng cường các đặc tính này bằng cách thay đổi hỗn hợp hóa học của gốm thủy tinh hoặc bằng cách sửa đổi quy trình sản xuất, chẳng hạn như khoảng thời gian vật liệu được nung nóng.

Các nhà thiết kế và kỹ sư sản phẩm chọn thủy tinh và gốm thủy tinh có các đặc tính đáp ứng nhu cầu của sản phẩm hoặc dự án của họ. Sự đa dạng của các công thức thủy tinh và chất liệu và bí quyết quy trình tinh vi của các chuyên gia thủy tinh mang đến nhiều lựa chọn. Ví dụ như thủy tinh vôi – soda, là một trong những loại thủy tinh tiêu chuẩn mà người tiêu dùng tiếp xúc nhiều nhất. Nó được tìm thấy trong cửa sổ nhà và ly uống nước. Thay soda và vôi bằng ôxít bo sẽ tạo ra một loại thủy tinh borosilicat đặc biệt, được đánh giá cao về khả năng chống hóa chất, thường được sử dụng cho các dụng cụ thí nghiệm, chẳng hạn như trong các thùng chứa dược phẩm có độ nhạy cao. Kính Aluminosilicat được chọn để chịu nhiệt và độ cứng cao – chúng có thể được tìm thấy trong nhiệt kế nhiệt độ cao và trong bóng đèn halogen tỏa nhiệt cao.