Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”
MỤC LỤC
Trang

Mở đầu…………………………………………………………………

2

Nội dung……………………………………………………………….

3

Chương 1: Giới thiệu chung về vật liệu silicat…………………….....

3

1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.

4
4
6
11
14

Khái niệm vật liệu silicat…………………………………………

Phân loại caremics……………….…….…………………………
Đặc diểm cấu trúc của vật liệu ceramic … ……………………..
Cơ tính của vật liệu Ceramic…………………………………….
Vai trò của vật liệu ceramics……………………………………..

Chương 2: Thủy tinh…………………………………………………..20
2.1.

Khái niệm và tính chất của thuỷ tinh......…………………………

20

2.2.

Phương pháp chế tạo …………………………………………..…

22

2.3.

Các loại thuỷ tinh thường gặp ……………………………………

27

2.4. Biện pháp tái chế thủy tinh………………………………………….

40

Kết luận………………………………………………………………….


42

Danh mục tham kảo……………………………………………………

43

1


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

MỞ ĐẦU
Sự phát triển của xã hội loài người gắn liền với sự phát triển của công cụ sản
xuất và kỹ thuật sản xuất mà phần lớn cả hai điều này đều gắn liền và được quyết
định phần lớn bởi vật liệu. Thời tiền sử con người sử dụng những vật liệu tự nhiên
như đá, gỗ, đất sét… một cách trực tiếp hoặc chế tạo công cụ lao động đơn giản.
Tới thời kỳ phát hiện được kim loại thì con người dần có những bước tiến quan
trọng trong việc chế tạo công cụ sản xuất, máy móc thiết bị… nhằm không ngừng
nâng cao năng suất lao động. Mặc dù ngày càng có nhiều vật liệu mới có tính năng
ưu việt được nghiên cứu, phát hiện và phát triển nhưng cũng có những vật liệu đã
đi theo con người từ thời xa xưa đến nay như gốm, thủy tinh hay sành sứ… được
gọi chung là vật liệu silicat.
Ngày nay silicat không những không bị thay thế mà ngược lại vẫn là nhóm vật
liệu được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp (điện tử, quang học,
siêu dẫn, cơ khí...) cũng như đời sống (gốm, men, thủy tinh...). Vật liệu silicat ngày
nay không ngừng được nghiên cứu biến tính để có được hiệu suất, công năng sử
dụng cao hơn phục vụ những mục đích sử dụng phức tạp hơn. Ví dụ như nhômsilicát được ứng dụng trong công nghiệp hóa học, công nghiệp cao su, sản xuất ra
các vật liệu chuyên dụng như gạch men, da giày nhân tạo v.v..., đặc biệt trong một

số ứng dụng công nghệ cao như chì-silicát dùng che chắn phóng xạ.
Thủy tinh và kính là một trong những vật liệu silicat biến đổi kỳ ảo, và đã có
lịch sử phát triển hàng ngàn năm. Nếu văn minh của chúng ta khó thể hiện diện
nếu thiếu kính. Chúng ta không thể thấy được ánh sáng hiện diện nếu thiếu kính
làm vật dụng chiếu sáng, và không có ngành viễn thông nếu thiếu sợi quang học.
Tuy vậy kính không chỉ hoàn toàn dành cho những mục đích thực dụng như làm
vật liệu xây dựng, vật liệu bao bọc… mà còn để làm đẹp .
Từ những cơ sở trên em đã chọn tìm hiểu đề tài:
“Vật liệu silicat – Thủy tinh”.
2


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”
NỘI DUNG

CHƯƠNG I – GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU SILICAT

1.1.

Khái niệm vật liệu silicat
Vật liệu silicat là từ được sử dụng cách nay vài chục năm. Ngày nay trên các

phương tiện thông tin đại chúng, chúng ta đều thấy người ta sử dụng từ ceramics
có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp là keramos có nghĩa là đồ gốm, tức vật liệu được tạo
thành từ sự gia công nhiệt nguyên liệu đất sét. Tuy nhiên từ keramos còn có nguồn
gốc Sanskrit cổ hơn có nghĩa là “đốt cháy”.
Ngày nay định nghĩa này được mở rộng hơn nhiều. Ceramic được coi là nghệ
thuật và khoa học về sản xuất và sử dụng vật liệu rắn có thành phần xác định tạo

thành từ vật liệu vô cơ phi kim loại bằng phương pháp nhiệt. Vì thế trong nhiều tài
liệu tiếng Việt người ta sử dụng nhóm từ “vật liệu vô cơ phi kim loại” này để chỉ
nhóm vật liệu Ceramic. Vật liệu ceramic bản chất thường là tinh thể và được tạo
thành giữa các nguyên tố kim loại và phi kim loại như nhôm và oxy ( Al 2O3), silic
và oxy (SiO2), silic và nitơ (Si3N4)… Định nghĩa này không chỉ bao gồm các vật
liệu như đồ gốm sứ, vật liệu chịu lửa, các sản phẩm từ đất sét, các vật liệu mài,
men gốm sứ, xi măng và thủy tinh mà còn bao gồm các vật liệu vô cơ phi kim loại
từ tính, vật liệu điện từ, gốm đơn tinh thể, thủy tinh gốm và nhiều vật liệu ngày nay
không còn tồn tại cũng như nhiều vật liệu mới có mặt cách đây vài năm. Thủy tinh
khác hơn gốm sứ ở chỗ nó vô định hình và không có trật tự xa như tinh thể.
Ceramic là một trong 3 nhóm lớn về vật liệu rắn. Hai nhóm còn lại là kim loại
và polymer. Sự kết hợp của 2 hay 3 nhóm vật liệu này với nhau tạo thành một loại
vật liệu mới có tính chất đặc biệt hơn là vật liệu composit. Ví dụ như bê tông gia cố
bằng thép, nhựa gia cố bằng sợi thủy tinh hoặc sợi carbon dùng sản xuất tàu
thuyền, vợt tennis, ván trượt tuyết và xe đạp đua

3


Báo cáo học phần CH6041
1.2.

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

Phân loại ceramics
Vật liệu ceramic được tạo thành từ các hợp chất hóa học của các nguyên tố

kim loại kết hợp với các nguyên tố khác khộng phải là kim loại hoặc được tạo
thành từ các hợp chất hóa học của các nguyên tố không phải là kim loại kết hợp
với nhau. Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học của Menđêêép, có tới 75%

các nguyên tố hóa học tham gia cấu tạo nên vật liệu ceramic.

Hình 1. Các khả năng kết hợp giữa các nguyên tố hoá học để tạo nên
ceramic.

Theo sơ đồ trên, một kim loại nào đó có thể kết hợp với Bo để tạo nên Borít,
kết hợp với Nitơ để tạo ra Nitrít, kết hợp với ô xy để tạo ra ôxýt, kết hợp với Silic
để tạo ra silixit. Tương tự như trên ta có thể xuất phát từ nguyên tố Bo hay nguyên
tố silíc v.v… Sự kết hợp trên làm cho vật liệu vô cơ rất phong phú và đa dạng về
thành phần hóa học cũng như vê tính chất của chúng.

4


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

Với sự kết hợp đa dạng như vậy làm cho ceramic cũng đa dạng về thành phần
hoá học và tính chất. theo các dạng hợp chất hình thành, ceramic có nhiều loại như
• Các sản phẩm gốm (sản xuất chỉ từ đất sét)
• Sứ
• Gạch chịu lửa
• Thủy tinh
• Vật liệu mài
• Xi măng
• Ceramic tiên tiến
Các nhóm trên đều có thể được phân chia thành nhiều nhóm nhỏ. Như sau:
CERAMICS TRUYỀN THỐNG
GỐM


Gạch, ống nước, ngói, gạch lát nền, gạch ốp tường, chậu hoa,
…

SỨ

Đồ sứ gia dụng, gạch lát nền và ốp tường, sứ vệ sinh, sứ điện,
sứ mỹ thuật

GẠCH CHỊU LỬA

Sản phẩm gạch và khối sử dụng trong Công nghiệp sắt thép,
kim loại không chứa sắt, thủy tinh, xi măng, gốm sứ, trao đổi
nhiệt, dầu khí và công nghiệp hóa chất.

THUỶ TINH

Thủy tinh phẳng (kính), vật chứa (chai, lọ), thủy tinh gia dụng,
sợi thủy tinh (cách điện) dùng cho vật liệu cách điện, các tấm
trần và ngói lợp, thủy tinh làm bóng đèn, thủy tinh tiên
tiến/đặc biệt dùng trong công nghệ truyền tin (sợi quang học).
lưu trữ dữ liệu (công nghệ CD) và in ấn tài liệu (máy in laser).

VẬT LỆU MÀI

Vật liệu mài tự nhiên (đá garnet, kim cương, …) và tổng hợp
(silicon carbide, kim cương, oxit nhôm nóng chảy,…) sử dụng
5



Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

để nghiền, cắt, đánh bóng, phủ bên ngoài, …
XI MĂNG

Sử dụng để sản xuất đường bêtông, cầu, nhà cửa, đập nước.
CERAMICS TIÊN TIẾN

Kết cấu

Các bộ phận mài mòn, ceramic sinh học (ghép xương,…),
dụng cụ cắt và các bộ phận trong động cơ.

Điện

Tụ điện, chất cách điện, chất nền, bó mạch tích hợp, chất áp
điện, từ tính và siêu dẫn.

Chất phủ

Các thành phần động cơ, dụng cụ cắt và các bộ phận mài mòn.

Hóa chất và môi Bộ phận lọc, màng, xúc tác, chất mang xúc tác.
trường
1.3.

Đặc diểm cấu trúc của vật liệu ceramic
Ðặc trưng quan trọng nhất về cấu trúc của vật liệu ceramic là kiểu liên kết


giữa các nguyên tử cấu tạo nên chúng. Trong vật liệu ceramic không có kiều liên
kết kim loại mà là sự kết hợp giữa liên kết ion và liên kết đồng hóa trị.
Do đặc điểm liên kết phức hợp là liên kết ion và liên kết đồng hóa trị mà năng
lượng liên kết trong vật liệu ceramic là tương đối lớn, nằm trong khoảng 100 – 500
KJ/mol , trong khi đó trong vật liệu kim loại là 60 – 250KJ/mol .
Ðặc điểm liên kết phức hợp giữa liên kết ion và liên kết đồng hóa trị ảnh
hưởng quyết định đến một số tính chất đặc trưng của vật liệu ceramic là vật liệu
ceramic có nhiệt độ nóng chảy cao, mật độ cao, cứng, giòn, trong suốt và cách điện
tốt.
Vật liệu ceramic có thể tồn tại ở các trạng thái cấu tạo khác nhau là trạng thái
tinh thể thí dụ như gốm SiC, các gốm đơn ôxýt, hay trạng thái vô định hình như vật
liệu thủy tinh, hoặc vừa tinh thể vừa vô định hình như sứ và gốm thủy tinh.
1.3.1. Trạng thái tinh thể
a. Mạng tinh thể
6


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

Mạng tinh thể của phần lớn các vật liệu ceramic có thể coi một cách gần đúng là
mạng của các ion, trong đó các cation và anion chiếm vị trí các nút mạng.

Trong

cấu trúc của các hợp chất vô cơ chứa ô xy, các nguyên tử ô xy thường có kích
thước lớn nhất nên chiếm nhiều chỗ nhất so với các cation trong không gian mạng
tinh thể. Vì thế có thể coi cấu trúc của các ôxýt và các hợp chất chứa ôxy là cấu

trúc xếp sát nhau của các quả cầu anion ô xy, còn các cation điền vào các nút trống
giữa các quả cầu đó. Cách xếp cầu, vị trí nút trống thường là nút trống hình bốn
mặt và tám mặt sẽ qui định kiểu cấu trúc của hợp chất đó. Thông thường người ta
thường lấy cấu trúc của một số hợp chất có trong tự nhiên làm đại diện.
Bảng 1. Bán hính ion của một số cation và anion (với số phối trí 6)

Cation
Al3+
Ba2+
Ca2+
Cs+
Fe2+
Fe3+
K+

Rc, nm
0,053
0,136
0,100
0,170
0,077
0,069
0,138

Cation
Mg2+
Mn2+
Na+
Mi2+
Si4+

Ti4+

Rc, nm
0,072
0,067
0,102
0,069
0,040
0,061

Anion
Br Cl FIO2S2-

Ra,m nm
0,196
0,181
0,133
0,220
0,140
0,184

Khi rC / rA < 0,155, do cation quá nhỏ nó chỉ bị bao quanh hần nhất bởi hai
anion. Khi tỷ số rC / rA trong khoảng 0,155 đến 0,225 cation nằm gọn trong khe hở
giữa ba anion xếp xít chặt, nên có sớ sắp xếp ( phối trí) là ba. với tỷ số trên trong
khoảng 0,225 ÷ 0,414, cation nằm trong lỗ hổng của hình bốn mặt tạo mên bởi
bốn anion, nên có số sắp xếp là bốn. nếu r C / rA tăng lên đếm 0,414 ÷ 0,732, cation
nằm trong lỗ hổng của hình tám mặt tạo nên bởi sáu anion, nên có số sắp xếp là
sáu. Khi tỷ số rC / rA đạt 0,732÷1,0, cation nằm ở tâm hình lập phương với các đỉnh
là tám anion nên có sớ sắp xếp là tám.
Bảng 2. Quan hệ giữa rc/ra số sắp xếp và dạng phân bố ion

7


Báo cáo học phần CH6041
<0,155

RC/rA
Số phối trí

2

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”
0,155-0,225 0,225-0,414

0,414-0,073

3

6

4

0,732-1,0
8

Dạng
phân bố ion

b. Trạng thái vô định hình
Khác với trạng thái tinh thể, trạng thái vô định hình được tạo nên do sự sắp xếp

một cách không có trật tự, không theo qui luật của đơn vị cấu trúc cơ bản.
Mạng lưới nguyên tử của nó do đó không có các yếu tố đối xứng, không có tính
tuần hoàn.
Cấu trúc trên dẫn tới các tính chất đặc trưng của vật liệu vô định hình là chúng
có tính đẳng hướng (isotropic), có năng lượng dư cao và không bền về nhiệt động.
Trạng thái vô định hình thu được thông thường bằng cách cho nguội nhanh hợp
chất vô cơ từ trạng thái lỏng nóng chảy.
Khác biệt với vật liệu tinh thể, các vật liệu ở trạng thái vô định hình thủy tinh
thay đổi tính chất đều đặn theo nhiệt độ, không có điểm đột biến khi chuyển trạng
thái. Như vậy thủy tinh không có nhiệt độ nóng chảy xác định như vật liệu tinh thể
mà nó chuyển trạng thái từ từ trong một khoảng nhiệt độ.

8


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

Hình 2. Sơ đồ cấu trúc của tinh thể
a. Tinh thể thạch anh (SiO2).
b. Thuỷ tinh thạch anh (SiO2).
c. Thuỷ tinh natri silicat (Na2O – SiO2).
1.3.2. Vật liệu đa pha và đa tinh thể
Ngoài những vật liệu một pha như thủy tinh, gốm đơn ôxít, phần lớn vật liệu
ceramic là loại vật liệu có nhiều pha.
Trong vật liệu vô cơ nhiều pha, pha chính là các pha tinh thể được liên kết với
nhau bởi các pha vô định hình. Ngoài ra trong vật liệu ceramic này còn luôn có pha
khí tôn tại dưới dạng các bọt khí xen kẽ. Pha khí có trong vật liệu thông thường do
điều kiện công nghệ không thể tránh được nhưng cũng có trường hợp người ta cố ý

đưa vào để nhằm mục đích nhất định.
Thí dụ như tăng độ xốp để làm vật liệu nhẹ và cách điện như gốm xốp, thủy
tinh xốp và bê tông xốp v.v...

9


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

Hình 3. Sơ đồ cấu tạo nguyên tử đa tinh thể ceramic
a. Nút trống và nguyên tử xen kẽ
b. Các khuyết tật Frenkel và Schotky trong ceramic
Do điều kiện công nghệ nên vật liệu ceramic tinh thể không có cấu trúc đơn
tinh thể mà đều là vật liệu đa tinh thể, nghĩa là nó được tạo bởi vô số các hạt tinh
thể kích thước nhỏ, phân bố không có qui luật trong vật liệu. Các hạt tinh thể này
có thể có cùng thành phần hóa học hoặc có thể có thành phần hóa học khác nhau.
Các hạt tinh thể trong vật liệu ceramic thường có cấu trúc không hoàn chỉnh, chứa
nhiều khuyết tật.
1.4. Cơ tính của vật liệu ceramic
1.4.1. Tính chất đàn hồi và tính dòn
Vật liệu ceramic là loại vật liệu đàn hồi điển hình. Ở nhiệt độ thường dưới tác
dụng của tải trọng, mối quan hệ giữa ứng suất hình thành trong vật liệu σ và độ
biến dạng ε của mẫu thử hoàn toàn tuân theo định luật Hooke :
σ =E. ε
Trong đó E là môdun đàn hồi.

10



Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

Hình 4. Mối quan hệ giữa σ và ε của vật liệu
vô cơ và vật liệu kim loại.
• Đường 1 đường biểu diễn vật liệu vô cơ.
• Đường 2 đường biểu diễn vật liệu kim lọai.
Từ hình vẽ ta nhận thấy ở trên giới hạn đàn hồi vật liệu ceramic bị phá hủy
ngay mà không có giai đoạn biến dạng dẻo như vật liệt kim loại. Ðây chính là đặc
trưng của tính giòn của vật liệu ceramic.
1.4.2. Tính chất nhiệt của vật liệu ceramic
Trong nhiều vật liệu ceramic, lực liên kết giữa các nguyên tử khá mạnh và
được phản ánh ở giá trị hể số giãn nở nhiệt tưong đối thấp trong khoảng 0,5.10 -6 và
15.10 -6 (0C).
Ở các vật liệu không tinh thể và các vật liệu có cấu tạo tinh thể lập phương hệ
số giãn nở nhiệt là đẳng hướng. Ngược lại trong một số vật liệu có hệ số giãn nở
nhiệt lại có tính dị hướng, khi nung nóng thì chúng co theo một hướng và nở ra
theo một vài hướng khác. Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu vô cơ đa pha phụ thuộc
vào hệ số giãn nở nhiệt của các pha thành phần. Các tạp chất làm tăng hệ số giãn
nở nhiệt.
11


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

Vật liệu ceramic làm việc trong điều kiện tăng, giảm nhiệt cần phải có hệ số

giãn nở nhiệt tương đối thấp và đẳng hướng. Ngoài ra, những vật liệu giòn này có
thể bị nứt vỡ do sự thay đổi kích hước không đồng đều, gọi là “sốc” nhiệt.
1.4.3. Tính dẫn nhiệt
Về nguyên tắc, vật liệu đơn tinh thể có độ dẫn nhiệt cao hơn vật liệu đa tinh
thể, vật liệu tinh thể có độ dẫn nhiệt cao hơn vật liệu vô định hình. Riêng vật liệu
gốm bán dẫn và thủy tinh bán dẫn có độ dẫn nhiệt đặc biệt cao vì có mặt của các
điện tử tự do.
Sự có mặt của các lỗ xốp trong vật liệu vô cơ có ảnh hưởng rất lớn đến độ
dẫn nhiệt của vật liệu. Không khí bị giam trong các lỗ xốp có khả năng dẫn nhiệt
kém ở nhiệt độ thấp nên làm giảm mạnh độ dẫn nhiệt của toàn vật liệu.
Hầu hết các vật liệu cách nhiệt sử dụng trong kỹ thuật là các vật liệu xốp vì tỉ
lệ lỗ xốp trong vật liệu lớn nên vật liệuc có hệ số dẫn nhiệt rất nhỏ. Tuy nhiên khi
nhiệt độ tăng cao thì khả năng dẫn nhiệt của vật liệu này sẽ tăng do thành phần
truyền nhiệt bức xạ của lỗ xốp tăng.
1.4.4. Tính truyền nhiệt bức xạ
Ngoài khả năng truyền dẫn nhiệt, vật liệu ceramic còn có khả năng truyền
nhiệt bức xạ qua pha vô định hình và pha khí. Ðối với các vật liệu ceramic có tỉ lệ
pha vô định hình và pha khí (trong các lỗ xốp) cao, khi nhiệt độ tăng cao, vai trò
truyền nhiệt bức xạ sẽ tăng lên và có thể chiếm ưu thế so với truyền nhiệt dẫn
nhiệt. Thông thường vật liệu ceramic truyền nhiệt bức xạ một cách đáng kể bắt đầu
từ nhiệt độ trên 300 0C.

12


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

Các lỗ xốp trong vật liệu ceramic cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt

bức xạ của vật liệu. Các lỗ xốp có kích thước càng lớn, khả năng truyền nhiệt bức
xạ của vật liệu càng cao.
1.4.5. Ðộ bền xung nhiệt
Ðộ bền xung nhiệt là khả năng bền vững cơ học của vật liệu ceramic dưới tác
dụng nhiệt độ thay đổi đột ngột; nó được xác định bằng khoảng chênh lệch nhiệt
độ ∆T lớn nhất hoặc số lần thay đổi nhiệt độ đột ngột theo các điều kiện qui định
về tốc độ và khoảng nhiệt độ thay đổi, kích thước mẫu v.v… mà vật liệu chưa bị
phá hủy.
Ðộ bền xung nhiệt của vật liệu ceramic phụ thuộc phức tạp vào nhiều yếu tố
khác nhau như độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt, tổ chức vi mô và vĩ mô của vật liệu,
hình dáng và kích thước mẫu thử cũng như điều kiện đo đạc v.v…
Ðộ bền xung nhiệt thực của vật liệu ceramic thông thường được xác định
bằng thực nghiệm theo các tiêu chuẩn qui định đối với từng loại vật liệu hoặc từng
loại sản phẩm sản xuất từ vật liệu ceramic.

1.5. Vai trò của vật liệu ceramics
1.5.1 Vật liệu chịu lửa
Chúng ta biết rằng kim loại và các hợp kim của chúng được sử dụng để sản
xuất xe hơi, máy móc, máy bay, nhà cửa và vô số ứng dụng khác. Nhưng kim loại
sẽ không sản xuất được nếu không có ứng dụng vật liệu ceramic là vật liệu chịu
lửa. Vật liệu chịu lửa có thể chịu điều kiện nhiệt độ cao và dễ bay hơi của quá trình
13


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

luyện kim. Ngoài ra vật liệu chịu lửa còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác
như hóa chất, dầu khí, trao đổi nhiệt, thủy tinh và công nghiệp gốm sứ.

1.5.2 Xây dựng
Ngành kỹ thuật xây dựng liên quan đến việc xây dựng các trung tâm thương
mại, nhà dân, đường cao tốc, cầu, hệ thống cấp và thoát nước,…. Điều này không
thể thực hiện mà không có vật liệu ceramic. Các sản phẩm sử dụng : gạch lát nền,
tường, lợp, xi măng, gạch, thạch cao, ống nước và thủy tinh.
Nhà cửa, công sở và xe ôtô của chúng ta nếu không có cửa sổ thì sẽ ra sao?
Cửa kính cho phép ánh sáng lọt qua. Có rất nhiều loại cửa sổ, bao gồm: loại an
toàn, nhuộm màu, làm mờ, dát mỏng và không phản chiếu. Thêm vào đó, sợi thủy
tinh được sử dụng làm chất cách điện, tấm trần, mái lợp giúp giữ ấm và khô.
Gạch đất sét dùng để xây dựng nhà cửa, các công trình do cường độ chịu
lực, độ bền và vẻ đẹp. Gạch là sản phẩm duy nhất không bị cháy, nóng chảy, bong,
lồi lõm, cong vênh, mục nát, ăn mòn hay bị mối tấn công. Gạch có rất nhiều kích
cỡ, màu sắc, hình dáng. Ngói cũng rất bền và làm đẹp cho công trình xây dựng.
1.5.3. Điện chiếu sáng
Một phát minh quan trong làm thay đổi cuộc sống của hàng triệu người là
bóng đèn nóng sáng của Thomas Edison năm 1879. Phát minh này không thể thực
hiện được nếu không có thủy tinh. Tính cứng, trong suốt và khả năng chịu được
nhiệt độ cao trong môi trường chân không của thủy tinh tạo điều kiện cho việc chế
tạo bóng đèn. Sau này, vào giữa thế kỷ 20, phương tiện chiếu sáng tiến bộ hơn với
sự ra đời của đèn huỳnh quang, đèn dây tóc, đèn neon, đèn hơi natri chiếu sáng
đường phố. Đến ngày nay, diod phát sáng (LED) được ứng dụng trong đồng hồ,
bảng chỉ đường, truyền tin (mạng sợi quang học), lưu trữ dữ liệu và in tài liệu.
1.5.4. Ứng dụng điện
14


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”


Ngành kỹ thuật điện rộng lớn chắc sẽ không tồn tại nếu không có ceramic.
Các sản phẩm gốm sứ có tính chất điện rất đáng quan tâm như cách điện, bán dẫn,
siêu dẫn, áp điện và từ tính. Ceramics có tính quyết định đối với các sản phẩm như
điện thoại di động, máy tính, truyền hình và các sản phẩm điện khác.
Lưu trữ dữ liệu từ tính được phát triển song song với con chip siêu dẫn của
máy tính và được xác định là có khả năng tính toán và lưu trữ thông tin không thua
kém. Không có lưu trữ từ tính sẽ không có Internet, không có máy tính cá nhân,
không có những cơ sỡ dữ liệu lớn và đương nhiên là không có dữ liệu tính toán của
máy tính cỡ gigabyte, terabyte và exabyte. Ngày nay trên thế giới mỗi năm người
ta sản xuất hơn 150 triệu đĩa cứng và 50 triệu đầu video.
Ceramic cũng được dùng để nâng cao hoạt động thể thao của chúng ta. Ví dụ
người ta dùng gốm áp điện để tạo những thiết bị thể thao thông minh, như là những
mặt hàng thể thao có thể thích ứng với môi trường xung quanh để gia tăng hiệu quả
của nó. Ứng dụng cụ thể là ván trượt tuyết, bóng rổ, bóng chày, và bộ giảm chấn
động cho xe đạp leo núi.
Ví dụ, tập đoàn K2 sử dụng một thiết bị đo kiểm tra do Active Control
eXperts sản xuất bên trong ván trượt tuyết. Thiết bị đo chứa một vật liệu gốm áp
điện làm giảm chấn động của băng tuyết, giúp giữ ván trượt chắc trên tuyết và do
vậy làm tăng sự vững chắc, khả năng kiểm soát và tốc độ cao nhất.
Buji sứ là một chất cách điện có ảnh hưởng sâu rộng đến xã hội. Được phát
minh đầu tiên vào năm 1860 để đánh lửa nhiên liệu cho động cơ đốt trong và vẫn
còn sử dụng với mục đích này cho tới ngày nay.
1.5.5. Truyền tin
Sợi thủy tinh là một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực công
nghệ thông tin. Thông tin trước đây được truyền qua hàng trăm sợi dây đồng bây
15


Báo cáo học phần CH6041


“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

giờ được chứa chỉ trong một sợi silic (thủy tinh) trong suốt, chất lượng cao. Sử
dụng công nghệ này cho phép tăng tốc độ và khối lượng thông tin lớn hơn nhiều so
với sử dụng dây cáp đồng.
Sợi quang học là một sợi cáp chắc chắn để phân phối một loạt dịch vụ có
liên quan nhau, như sự kết hợp giọng nói, dữ liệu và hình ảnh. Cho dù đó là gì đi
nữa, ứng dụng hình ảnh đa phương tiện, truyền dữ liệu tốc độ cao và truy cập
intenet, truyền thông tin hay các dịch vụ theo nhu cầu khác thì sợi quang dẫn sẽ
giúp truyền thông tin dễ dàng hơn.
1.5.6. Y học
Ceramic đang gia tăng ứng dụng trong y học. Các bác sĩ giải phẫu sử dụng
vật liệu bioceramic để sử và thay thế khớp hông, đầu gối và một số bộ phận khác.
Ceramic cũng được sử dụng tay thế van tim bị hỏng. Trong cơ thể con người, khi
cấy hoặc phủ lên các bộ phận thay thế bằng kim loại, vật liệu ceramic có thể mô
phỏng sử phát triển của xương, thúc đẩy sự hình thành mô và được hệ thống miễn
dịch bảo vệ.
Nha sĩ cũng sử dụng ceramic để cấy răng và bọc răng. Người ta còn sử dụng
những quả cầu thủy tinh nhỏ hơn sợi tóc để phân phối và xác định lượng phóng xạ
cho các cơ quan bị hư hỏng trong cơ thể. Ceramic là một trong số ít vật liệu có độ
bền và ổn định đủ để chịu đựng sự ăn mòn của lưu chất trong cơ thể.
Hệ thống hình ảnh quyết định sự chẩn đoán y khoa. Vật liệu ceramic hiện
đại đóng vai trò quan trong kỹ thuật siêu âm và X-quang và chụp CT. Các bộ phận
chuyển đổi sử dụng chì titanate zirconate (PZT) trên cơ sở ceramic áp điện là bộ
phận chính trong hệ thống siêu âm. Các bộ phận chuyển đổi này tạo ra sóng siêu
âm và ghi nhận những tín hiệu phản xạ lại tạo thành hình ảnh.

16



Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

Âm thanh siêu âm được sử dụng để kiểm tra nhiều phần của cơ thể như
bụng, ngực, vùng chậu của phụ nữ, tuyến tiền liệt, tuyến giáp, tuyến cận giáp, và
hệ mạch máu. Phổ biến nhất là siêu âm cho phụ nữ mang thai ở ba giai đọan. Tiến
bộ mới là dùng để xem hình ảnh những mảng ung thư hoặc những bất thường trong
mạch máu mà trước nay chưa từng nhìn thấy được. Điều này cho phép các bác sĩ
xác định chính xác độ nguy hiểm hơn vì nó cho phép nhìn rõ hơn hình ảnh của của
mạch máu, thành động mạch, và chuyển động của các mảng.
Scan CT X-quang là một phượng tiện chẩn đoán phổ biến trong các bệnh
viện và trung tâm chẩn đoán y khoa, cho phép chúng ta nhìn thấy những vùng bên
trong cơ thể con người để dò tìm ung thư và các bệnh khác. Để chụp CT, cần có
một đầu dò X-quang đủ để ghi nhận hình ảnh có chất lượng cao. Năm 1998 Tập
doàn y khoa GE đã chế tạo thành công đầu dò chất lượng cao chứa bộ phận phát
sáng gián đoạn kiểu nhấp nháy cho hình ảnh tốt hơn giúp hạ thấp cường độ tia X
chiếu cho bệnh nhân.
1.5.7. Ứng dụng trong lĩnh vực môi trường và không gian
Ceramic đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhiều yêu cầu về môi
trường. Ceramic giúp giảm thải ô nhiễm, giữ lại những chất độc hại và cô lập chất
thải hạt nhân. Ngày nay các bộ phận chuyển xúc tác trong xe tải và xe hơi được
làm từ gốm xốp và giúp chuyển hóa các hydrocarbon độc và hơi CO thành CO 2 và
nước ít độc hại nhất. Các bộ phận gốm sứ tiên tiến đã được sử dụng trong động cơ
diesel và ôtô. Tính chất nhẹ, chịu được nhiệt độ cao, và chống mài mòn giúp quá
trình cháy tốt hơn và tiết kiệm nhiều nhiên liệu.
Chương trình tàu không gian của NASA cũng trở thành hiện thực khi có
những tấm lợp ceramic nhẹ, tái sử dụng được. 34.000 tấm cần bảo vệ phi hành gia
và phi thuyền có khung bằng oxide nhôm chế tạo ở nhiệt độ rất cao (1600 0C) cho
phép đối mặt với bầu khí quyển của trái đất trong chuyến trở về của phi thuyền.

17


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

Những ứng dụng còn chưa có giới hạn ở đây. Trong khi chờ đợi sự ra đời
của nhiều ứng dụng mới, chúng ta hãy nắm vững rằng ceramic đã, đang và sẽ còn
tiếp tục gây những ảnh hưởng mang tính quyết định trong tương lai.

18


Báo cáo học phần CH6041
Động cơ (diesel)
Turbin
Thiết bị trao đổi nhiệt
Che anten
Phủ sắt

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”
Máy, cối nghiền
Dụng cụ mài
Bột mài

Miếng ma sát,
sợi khuôn

Vật liệu bền ma sát


Thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị chống cháy
Vật liệu mài
Thiết bị, vật liệu bảo vệ các tia phản xạ

Cơ nhiệt
Gạch
Chén nung
Sợi cách nhiệt

Hạt nhân

Mỹ thuật
Vật liệu chịu lửa
Chén dĩa
Sứ vệ sinh
Gốm sứ thủy tinh
Ceramics
Gạch

Thủy tinh

Quang học
Đất nung
Ngói
Gạch ống

Gốm điện
Gốm kim loại


Tôn tráng men
Gốm kim loại (cernet)
Vật liệu chống thấm

Bao bì tấm hóa học
sợi, vải quang học
sinh hóa

Laser
Cửa sổ IR
Màu

Điện
Cao tần
Cách điện
Tụ điện
Thiết bị dò
Điện cực
châm
Caplo khí
Áp điện

19


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”


CHƯƠNG II – THỦY TINH
2.2. Khái niệm và tính chất của thuỷ tinh
2.2.1. Khái niệm
Thủy tinh là vật liệu có cấu trúc vô định hình được tạo thành bằng cách làm
nguội một hợp chất vô cơ từ trạng thái nóng chảy hòan tòan ở nhiệt độ cao đến
trạng thái rắn không kết tinh.
Khái niệm thủy tinh có thể chỉ chung các lọai vật liệu có cấu trúc vô định hình
như thủy tinh hữu cơ, thủy tinh vô cơ và thủy tinh kim lọai.
2.2.2. Tính chất của thuỷ tinh
Thủy tinh có thể thay đổi tính chất, tùy theo việc lựa chọn tạm chất và hàm lượng
pha thêm khi nấu thủy tinh. Nhìn chung thuỷ tinh có các tính chất sau:
a. Truyền sáng: Một trong những đặc trưng rõ nét nhất của thủy tinh thông
thường là nó trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy, mặc dù không phải mọi vật liệu
thủy tinh đều có tính chất như vậy do phụ thuộc vào tạp chất. Độ truyền sáng của
thủy tinh trong vùng bức xạ tử ngoại và hồng ngoại thay đổi tùy theo việc lựa chọn
tạp chất.
b. Ánh sáng nhìn thấy : Tính trong suốt của thủy tinh trong ánh sáng nhìn thấy
là do sự vắng mặt của trạng thái chuyển tiếp của các điện tử trong khoảng bước
sóng của ánh sáng nhìn thấy, và trạng thái này là thuần nhất trong mọi bước sóng
hơn là chỉ trong khoảng bước sóng của ánh sáng nhìn thấy (sự không thuần nhất
làm cho ánh sáng bị tán xạ, làm tán xạ hình ảnh được truyền qua).
c. Tính ổn định hoá học : Kính có độ bền hoá học cao. Độ bền hoá học phụ
thuộc vào thành phần của kính. Các oxít kiềm càng ít thì độ bền hoá học của nó
càng cao.
d. Tính chất quang học : là tính chất cơ bản của kính. Kính silicat thường cho
tất cả những phần quang phổ nhìn thấy được đi qua và thực tế không cho tia tử
20


Báo cáo học phần CH6041


“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

ngoại và hồng ngoại đi qua. Khi thay đổi thành phần và màu sắc của kính có thể
điều chỉnh được mức độ cho ánh sáng xuyên qua.
e. Tử ngoại : Thủy tinh thông thường không cho ánh sáng có bước sóng nhỏ
hơn 400 nm, hay tia cực tím hoặc UV đi qua. Có điều này vì sự bổ sung của các
hợp chất như tro sô đa (cacbonat natri). Thủy tinh thuần SiO2 (còn gọi là thủy tinh
thạch anh) không hấp thụ tia UV và nó được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu
độ trong suốt trong khoảng bước sóng này, mặc dù nó đắt hơn thủy tinh thường. Có
thể pha thêm xêri vào thủy tinh để tăng việc hấp thụ tia cực tím (các bức xạ ion hóa
nguy hiểm về mặt sinh học).
f. Hồng ngoại : Thủy tinh có thể sản xuất đến mức độ tinh khiết mà hàng trăm
kilomet thủy tinh vẵn là trong suốt ở bước sóng tia hồng ngoại trong các sợi cáp
quang.Một lượng lớn của sắt được sử dụng trong thủy tinh có khả năng hấp thụ
nhiệt, chẳng hạn như các tấm lọc hấp thụ nhiệt cho các máy chiếu phim.
g. Chiết suất : Chiết suất của thủy tinh có thể thay đổi khi có các thành phần
khác thêm. Thủy tinh có chứa chì, chẳng hạn như chì tinh thể hay thủy tinh đá lửa,
là “rực rỡ” hơn vì nó làm tăng chiết suất và sinh ra sự 'lấp lánh' có thể nhận thấy rõ
hơn. Ôxít thori cho thủy tinh có hệ số chiết suất rất cao và nó được sử dụng để sản
xuất các lăng kính chất lượng cao
h. Khối lượng riêng : Kính thường là 2500kg/m3. Khi tăng hàm lượng oxýt chì
thì khối lượng riêng có thể lên đến 6000kg/m3
i. Kính có cường độ nén cao : (700 ÷ 1000kg/cm2), cường độ kéo thấp (35 ÷
85kg/cm2), độ cứng của kính silicat thường là 5 ÷ 7. Kính giòn (cường độ uốn va
đập khoảng 0,2 kg/cm2). Hệ số nở nhiệt của kính thấp. Kính có khả năng gia công
cơ học, cưa, cắt được bằng dao có đầu kim cương; mài nhẵn đánh bóng được. Ở
21



Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

trạng thái dẻo (khi nhiệt độ 800 ÷ 10000C) có thể tạo hình, thổi kéo thành tấm,
ống, sợi.
k. Nhiệt độ nóng chảy: Như mọi chất rắn vô định hình, thủy tinh không có
điểm nóng chảy nhất định. Natri được thêm vào để hạ nhiệt độ nóng chảy của thủy
tinh. Sự bổ sung sô đa hay bồ tạt đôi khi còn hạ nhiệt độ nóng chảy xuống thấp
hơn.
l. Độ dẫn điện: Độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt của thủy tinh có thể thay đổi khi
thêm Bo, chẳng hạn như ở Pyrex.
2.3.

Phương pháp chế tạo

Để sản xuất 1 vật liệu thuỷ tinh ta phải mất rất nhiều công đoạn từ chuẩn bị
nguyên vật liệu đến chuẩn bị các phương tiện và các kỷ thuật

Hình 5. Quy trình sản xuất thuỷ tinh

22


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

Bước 1 : phải làm trong quy trình sản xuất thủy tinh là chuẩn bị nguyên liệu cát
silica (cát thạch anh). Cát phải sạch và không lẫn sắt, để thủy tinh trong hơn, vì sắt

lẫn trong cát làm cho thủy tinh có màu xanh lục. Nếu không thể tìm thấy cát không
có lẫn sắt, người thợ có thể điều chỉnh hiệu ứng màu sắc của thủy tinh bằng việc bổ
sung thêm hóa chất mangan điôxít .

Bước 2: trong quy trình là bổ sung natri cacbonat (NANCO3) và Canxi ôxít
(CaO) vào cát. Natri cacbonat (soda) làm hạ thấp nhiệt độ xuống mức cần thiết để
chế tạo thủy tinh. Tuy nhiên, chất này khiến thủy tinh có thể bị thấm nước. Vì vậy,
canxi ôxít hoặc vôi sống được bổ sung vào để khắc phục nhược điểm đó. Ôxít
trong magiê và hoặc nhôm cũng có thể được bổ sung, giúp thủy tinh bền hơn.
Thông thường, các chất phụ gia này chiếm tối đa khoảng 26% đến 30% hợp chất
thủy tinh.

23


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

Bước 3: Tiếp theo, các chất hóa học khác được bổ sung để cải thiện tính năng
của thủy tinh tùy theo mục đích sử dụng. Đối với thủy tinh dùng để trang trí, hợp
chất bổ sung thêm là chì ôxít, tạo sự lấp lánh cho thủy tinh pha lê, đồng thời tạo độ
mềm dẻo giúp dễ dàng cắt gọt và hạ thấp mức nhiệt nóng chảy. Đối với thủy tinh
dùng làm mắt kính, người sử dụng thường bổ sung thêm lantan ôxít, vì nó cótính
khúc xạ và sắt có trong hợp chất này giúp hấp thụ nhiệt.

Bước 4: Chất hóa học tạo màu được bổ sung theo ý muốn. Như nói ở trên, mùn
sắt trong cát thạch anh làm cho thủy tinh có màu xanh lục. Vì thế, ôxít sắt hoặc ôxít
đồng được bổ sung để tăng độ xanh của thủy tinh. Hợp chất lưu huỳnh tác dụng tạo
màu vàng, màu hổ phách, nâu nhạt hoặc thậm chí màu đen, phụ thuộc vào định

lượng cácbon hoặc sắt bổ sung.

24


Báo cáo học phần CH6041

“Vật liệu Silicat – Thủy tinh”

Bước 5: Tiếp theo, hỗn hợp được đổ vào nồi nấu kim loại hoặc thùng chứa chịu
nhiệt.

Bước 6: Hỗn hợp được nung nóng chảy để tạo thành chất lỏng. Để chế tạo thủy
tinh thạch anh, hỗn hợp được nung trong lò luyện bằng ga. Đối với các loại thủy
tinh đặc biệt khác, người làm cần sử dụng nồi nung hay lò nung điện. Nhiệt độ
nung đối với cát thạch anh không có phụ gia là 2.300 o C, đối với cát có thêm natri
cácbon (soda) là 1.500oC.

25