Gốm alumina là vật liệu linh hoạt và rẻ tiền nhất trong số các oxit với nhiệt độ nóng chảy hơn 2000oC. Gốm Alumina là một loại vật liệu gốm có thân nhôm là cơ thể chính. Gốm Alumina được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử, thiết bị điện, máy móc, dệt may, hàng không vũ trụ vì độ bền cơ học cao, độ cứng cao và mất điện môi thấp. Điều này cũng tạo được vị trí cao trong lĩnh vực vật liệu gốm. được báo cáo rằng gốm alumina là vật liệu gốm oxit lớn nhất trên thế giới.
Cấu trúc của gốm alumina thuộc loại corundum, có đặc tính của liên kết ion, làm cho hệ thống trượt kém hơn nhiều so với kim loại, dẫn đến thiếu độ dẻo và dẻo nhất định. Do đó, độ bền gãy xương thấp, rất nhiều hạn chế ứng dụng rộng rãi của gốm alumina. Vậy các phương pháp làm cứng chính của gốm alumina là gì?
Cấu trúc Lamellar cứng
Các vật liệu tự nhiên, chẳng hạn như tre và vỏ, có đặc tính toàn diện tốt vì cấu trúc lớp của chúng. Mọi người lấy cảm hứng từ các cấu trúc tự nhiên này, sử dụng cấu trúc bionic để cải thiện độ giòn và độ bền của vật liệu gốm.
Vật liệu gốm composite được cấu tạo từ vật liệu đa lớp. Mô đun đàn hồi và hệ số giãn nở tuyến tính của mỗi lớp là khác nhau, dẫn đến ứng suất vĩ mô giữa các lớp và ứng suất nén trên bề mặt. Sử dụng tác động của ngoại lực, năng lượng biến dạng có thể được hấp thụ đến mức tối đa, và vết nứt có thể làm chệch hướng và xoay liên tục dọc theo giao diện. Vì vậy, để cải thiện các tính chất bề mặt và độ bền tổng thể.
Ví dụ, đối với gốm phân lớp alumina / Ni, hệ số giãn nở tuyến tính của niken gấp khoảng) lần so với alumina, tạo ra ứng suất trong lớp alumina và có khả năng làm lệch vết nứt lớn, do đó vật liệu có độ dẻo dai tốt hơn.
Lamellar gốm là một loại vật liệu mới có triển vọng rộng, nhưng nhược điểm chính của nó là lớp xen kẽ yếu sẽ làm giảm độ bền của vật liệu, và các tính chất song song và vuông góc với hướng của lớp xen kẽ khá khác nhau, cho thấy sự dị hướng. Vì vậy, các chuyên gia trong ngành đưa ra ý tưởng sử dụng lớp xen kẽ mạnh để chuẩn bị lớp xen kẽ mạnh ZTA / alumina. Độ bền va đập là hơn 10mpa.m1 / 2, gấp 2,8 lần vật liệu ZTA và 5,6 lần gốm alumina. Một số nhà khoa học đã mô phỏng gốm composite nhiều lớp bằng máy tính, và thấy rằng nếu độ bền của vật liệu lớp mềm quá cao hoặc quá thấp, độ bền tổng thể sẽ giảm và nếu tỷ lệ giữa độ dày lớp cứng với độ dày lớp mềm và mô đun đàn hồi được tăng lên, tính đồng nhất của lớp cứng có thể cải thiện độ dẻo của gốm. ý tưởng nghiên cứu và phương pháp tối ưu hóa cho gốm cường lực lamellar.
Sợi tổng hợp Toughening
Kết quả cho thấy hiệu quả làm cứng của sợi liên tục cao hơn so với các phương pháp làm cứng khác, và đó là độ bền cao nhất của loạt gốm cho đến nay, có thể đạt khoảng 20mpa. m1 / 2, vì vậy đây là một cách rất hiệu quả để cải thiện độ giòn của vật liệu gốm.
Trong phương pháp này, các sợi có độ bền cao và mô đun đàn hồi được phân tán trong ma trận gốm. Sử dụng tác động của ngoại lực, một phần tải trọng của composite được tạo ra bởi sợi, để giảm tải của ma trận. Hơn nữa, khi cường độ của sợi trong ma trận lớn hơn cường độ của nó, sợi sẽ kéo ra. Ngoài ra, các sợi này cũng có cầu nối vết nứt và độ võng trong ma trận để ngăn chặn sự phát triển vết nứt. Ba cơ chế tăng cường cùng nhau cải thiện độ dẻo dai của vật liệu gốm.
Hiện nay, các sợi được sử dụng trong gốm alumina chủ yếu là sợi carbon, sợi silicon carbide, sợi silicat nhôm, v.v. Người ta thấy rằng hiệu ứng làm cứng có thể được cải thiện bằng cách tăng tỷ lệ giữa chiều dài và đường kính. Ở dạng sợi, vải dệt ba chiều với sợi có tác dụng làm căng tốt hơn. Tương tự như sợi, có nhiều đồ gốm alumina được làm cứng bằng râu, và hiệu quả rất tốt. Bởi vì râu là những sợi ngắn với cấu trúc đơn tinh thể và đường kính rất nhỏ (thường nhỏ hơn 3 UM). Nó có ít khuyết tật về tinh thể, sự sắp xếp các nguyên tử có trật tự cao và sức mạnh của nó gần với giá trị lý thuyết của lực liên kết giữa các nguyên tử liền kề. Lý thuyết và thực tiễn chứng minh rằng nó có thể cải thiện độ dẻo của gốm. Nếu râu bằng silicon carbide (phần thể tích lên tới 20% - 30%) được đưa vào gốm dựa trên alumina, độ bền của phân đoạn có thể đạt 8-8,5mpa.m1 / 2.
Cơ chế của việc làm cứng râu không chỉ là kéo ra, làm lệch vết nứt, bắc cầu và ghim, mà còn có độ bền cao. Do đó, về mặt lý thuyết, tăng cường độ, giảm mô đun đàn hồi và tăng tỷ lệ khung hình của râu ria có thể cải thiện hiệu quả làm cứng . Nhược điểm của gốm alumina sợi và whisker là khó đảm bảo tính đồng nhất của pha trộn.
Tự cường
Cái gọi là tự cường hóa là phát triển các pha cường hóa và gia cố trong một số điều kiện công nghệ nhất định. Ở một mức độ nhất định, nó loại bỏ sự không tương thích vật lý hoặc hóa học giữa pha ma trận và pha cường hóa, và đảm bảo sự ổn định nhiệt động của pha ma trận và giai đoạn tăng cường.
Đối với gốm alumina, trọng tâm nghiên cứu khắc phục tính giòn của gốm alumina là làm cứng alumina bằng các loại hạt tăng trưởng khác nhau. Cơ chế chính là kiểm soát hướng phát triển của hạt alumina thông qua các biện pháp công nghệ, để nó có thể phát triển thành hình que và cột dài có hình dạng dọc theo một số bề mặt tinh thể, có vai trò tương tự trong việc làm cứng râu. Trong trường hợp tải trọng bên ngoài, đuôi nứt sẽ hình thành chế độ bắc cầu, và sự tăng trưởng dị hướng của alumina cũng sẽ tạo ra lực kéo, làm lệch vết nứt và các cơ chế tăng cường khác, Điều này sẽ cải thiện độ dẻo dai của toàn bộ gốm alumina.
Giai đoạn chuyển đổi cường độ
Đây là một loại công thức làm cứng đã được nghiên cứu sớm và rộng rãi. Nó tạo ra một số lượng lớn các vết nứt cực kỳ mịn trong vật liệu để hấp thụ năng lượng và ngăn chặn sự phát triển của vết nứt. Phần lớn chúng tập trung vào sự biến đổi martensitic của ZrO2 và ZTA, ZTM và các vật liệu gốm khác đã thành công. ZrO2 phân tán trong ma trận alumina, do hệ số giãn nở tuyến tính khác nhau của chúng, các hạt ZrO2 chịu ứng suất nén và biến đổi pha bị chặn trong quá trình làm mát. Sau đó, khi vật liệu chịu tác động của ngoại lực, áp suất trên các hạt ZrO2 được nới lỏng, pha tứ giác chuyển thành pha đơn sắc và các vết nứt vi mô được tạo ra trong ma trận sau khi giãn nở thể tích và năng lượng của các vết nứt chính được hấp thụ để đạt được hiệu ứng làm cứng. Đây là cơ chế tăng cường của ứng suất gây ra. biến đổi.
Trong cơ chế tăng cường, ngoài cơ chế biến đổi cảm ứng của ZrO2, phép biến đổi tạo ra sự giãn nở thể tích và hiện tượng đùn từ vùng nứt sang vùng không biến đổi làm cho vết nứt đóng lại, khó mở rộng và cũng cải thiện độ dẻo dai. Một số nhà nghiên cứu nhận thấy rằng hiệu quả tăng cường tốt nhất đạt được khi tỷ lệ thể tích của ZrO2 là 20%.
Công nghệ cường lực gốm sẽ là công nghệ nóng trong lĩnh vực vật liệu trong một thời gian dài trong tương lai. Nếu các đặc tính vốn có của vật liệu gốm, như cường độ cao, chịu nhiệt độ cao và hệ số giãn nở thấp, có thể được kết hợp với độ bền cao, nó sẽ được các vật liệu hiệu suất cao mà lĩnh vực vật liệu đang mơ ước và lĩnh vực ứng dụng rất rộng lớn. Hãy giới thiệu ngắn gọn một số ứng dụng của gốm alumina.
Cơ khí
Độ bền uốn của các sản phẩm gốm alumina thiêu kết có thể đạt tới 250Mpa và của các sản phẩm ép nóng có thể đạt tới 500MPa. Độ cứng Mohs của gốm alumina lên đến 9. Ngoài ra, nó có khả năng chống mài mòn tuyệt vời, vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong sản xuất dụng cụ cắt, van bi, đá mài, đinh gốm, vòng bi, v.v., trong đó công cụ cắt gốm alumina và van công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất.
Máy cắt gốm Alumina
Tốc độ cắt tối ưu của dụng cụ gốm alumina cao hơn so với công cụ cacbua xi măng thông thường, có thể cải thiện đáng kể hiệu quả cắt của các vật liệu khác nhau. Với rất nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học, gốm composite ma trận alumina và gốm gia cường râu được cấu tạo từ hai giai đoạn bằng cách thêm các thành phần khác hoặc tồn tại trong ma trận dưới dạng dung dịch rắn. Các công nghệ này bù đắp cho những thiếu sót của gốm alumina nguyên chất, do đó cải thiện hiệu suất cắt và độ bền.
Điện tử / điện
Về điện tử và năng lượng điện, có nhiều loại gốm alumina, chất nền, màng gốm, gốm trong suốt và gốm cách điện gốm alumina khác nhau, vật liệu điện tử, vật liệu từ tính, vv, trong đó gốm sứ trong suốt alumina và chất nền là phổ biến nhất đã sử dụng.
Alumina gốm sứ trong suốt
Hiện nay, gốm trong suốt là một lĩnh vực quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng vật liệu. Là một vật liệu mới, gốm trong suốt không chỉ có phạm vi truyền ánh sáng rộng, mà còn có một loạt các lợi thế, như độ dẫn nhiệt cao, độ dẫn thấp , độ cứng cao, cường độ cao, hằng số điện môi thấp và mất điện môi, chống mài mòn tốt và chống ăn mòn.
Chất nền gốm Alumina
Chất nền gốm Alumina có ưu điểm là độ bền cơ học cao, cách nhiệt tốt và khả năng chịu ánh sáng cao, được sử dụng rộng rãi trong chất nền gốm nhiều lớp, bao bì điện tử và chất nền đóng gói mật độ cao.
Công nghiệp hóa chất
Trong ứng dụng hóa học, gốm alumina có nhiều ứng dụng, chẳng hạn như bóng chất độn hóa học gốm alumina, màng vi lọc vô cơ, lớp phủ chống ăn mòn, vv, trong đó màng và lớp phủ gốm alumina được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất.
Y khoa
Trong y học, alumina được sử dụng nhiều hơn để tạo xương nhân tạo, khớp nhân tạo, răng nhân tạo, v.v. Gốm sứ có khả năng tương thích sinh học tuyệt vời, quán tính sinh học, ổn định vật lý và hóa học, độ cứng cao và chống mài mòn, và là vật liệu lý tưởng để điều chế nhân tạo xương và khớp nhân tạo. Tuy nhiên, nó có những nhược điểm giống như các vật liệu gốm khác, như độ giòn cao, độ bền gãy thấp, độ khó công nghệ gia công cao, công nghệ phức tạp, v.v., vì vậy nó cần được nghiên cứu và ứng dụng thêm.
Kiến trúc / vệ sinh / gốm sứ
Trong lĩnh vực xây dựng gốm sứ vệ sinh, các sản phẩm có thể được nhìn thấy ở khắp mọi nơi, chẳng hạn như gạch lót gốm alumina, vật liệu mài, con lăn, ống bảo vệ gốm và vật liệu chịu lửa alumina. Chúng, được sử dụng rộng rãi nhất.
Sức hấp dẫn của khoa học vật liệu nằm ở việc học hỏi những điểm mạnh của nhau để bù đắp cho những điểm yếu của nhau và tạo ra những vật liệu lý tưởng. Ngoài những ứng dụng trên, gốm alumina còn được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghệ cao khác, chẳng hạn như hàng không vũ trụ, lò công nghiệp nhiệt độ cao, gia cố composite và các lĩnh vực khác. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ cường lực, vật liệu gốm alumina sẽ có đặc tính tốt hơn và các lĩnh vực ứng dụng rộng rãi hơn.
