CÔNG NGHỆ GLASS-CERAMIC (GỐM THỦY TINH) – LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

Glass-Ceramic Technology

Second Edition

WOLFRAM HOLAND

GEORG H. BEALL

Glass-Ceramics là các vật liệu gốm được tạo thành thông qua việc kiểm soát sự tạo mầm và kết tinh từ thủy tinh. Thủy tinh được làm nóng chảy, tạo hình và chuyển trạng thái nhiệt thành dạng gốm với tinh thể vượt trội. Nguyên tắc cơ bản của sự kết tinh có kiểm soát nằm ở việc tạo các các mầm hiệu quả, điều này cho phép phát triển các hạt nhỏ, mịn, sắp xếp tự do một cách thống nhất tránh được các lỗ trống, các vết nứt tế vi và xốp tổ ong. Vì vậy, quá trình sản xuất Glass-Ceramic cơ bản là do quá trình kiểm soát nhiệt.

            Việc tạo thành gốm thủy tinh đã từng xuất hiện đối với Reamur (1739) và rất nhiều người kể từ khi các gốm mật độ cao tạo ra các sản phẩm có khuynh hướng kết tinh từ thủy tinh có nhu cầu cao. Tuy nhiên cho đến khoảng 35 năm trở lại đây, ý tưởng này mới được hoàn thành. Phát minh về gốm thủy tinh được diễn ra vào những năm giữa thập niên 50 thế kỷ 20 bởi nhà phát minh và hóa học nổi tiếng, Dr. S. D Stookey. Điều này thực sự hữu dụng để kiểm tra hàng loạt các sự kiện dẫn đến sự khám phá về vật liệu này.

            Tại thời điểm đó, Dr. S. D Stookey chưa thực sự chú ý đến vật liệu gốm. Ông chỉ bận tâm đến việc kết tủa các mảnh bạc lên thủy tinh để tạo ra các hình ảnh vĩnh cửu. Khi đó ông đang nghiên cứu để làm chủ được các thành phần của thủy tinh lithium-silicate bởi vì ông đã phát hiện ra rằng ông có thể kết tủa được bạc lên thủy tinh kiềm và thủy tinh chứa lithium có độ bền hóa tốt nhất. Với mong muốn phát triển các mảnh bạc, trước tiên ông thường phơi thủy tinh trước ánh sáng cực tím và nhiệt độ của chúng chỉ lên đến khoảng 450⁰C. Một đêm, đột nhiên lò của ông bị quá nhiệt, 8500C, theo hiển thị của thiết bị đo, ông đã nghĩ rằng thủy tinh bị chảy hỏng. Thật ngạc nhiên, ông đã thấy một mảnh vật liệu mầu trắng không hề bị biến dạng nhiệt. Ông lập tức nhận ra nó trở thành vật liệu gốm hiển nhiên không có biến dạng gì từ mảnh thủy tinh ban đầu. Hiện tượng này lại xảy ra lần thứ hai, ông làm rơi miếng mẫu, tiếng va chạm của nó giống kim loại hơn là thủy tinh. Sau đó ông nhận ra rằng ông đã tạo ra vật liệu có độ bền khác thường.

            Trầm ngâm suy nghĩ về hiện tượng thu được qua việc thí nghiệm đột xuất này, ông nhớ lại rằng có báo cáo về tinh thể lithium aluminosicate có tính giãn nở nhiệt rất thấp; cá biệt pha β-spodumene có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng 0, được mô tả bởi Hummel (1951). Ông đã nhận thức rõ tầm quan trọng của các tinh thể có hệ số giãn nở nhiệt trung bình liên quan đến độ bền sốc nhiệt ở các đồ gốm dễ vỡ. Ông nhận ra rằng nếu ông có thể tạo mầm ra các pha có hệ số giãn nở nhiệt thấp như cách đã làm với lithium disilicate, khám phá này sẽ có nhiều ý nghĩa hơn. Thật không may, ông sớm phát hiện ra bạc và các loại keo kim loại khác không hiệu quả trong quá trình tạo mầm của các aluminosilicate. Tại đây ông đã dừng lại và dựa trên các kinh nghiệm các nhân về các loại thủy tinh đặc biệt. Đã có lúc ông làm việc trên các nhiệt kế đá mắt mèo tỉ trọng cao. Đây là một loại thủy tinh trắng, tạo thành một dải dày đặc, mờ đục trong một nhiệt kế thông thường. Trong lịch sử, hiệu ứng này đã phát triển bởi sự kết tủa các tinh thể có chiết suất cao như kẽm sunfide hoặc Titan. Vì vậy, ông đã thử đưa titan vào như là một yếu tố tạo mầm trong thủy tinh aluminosilicate và đã khám phá ra các hiệu quả không ngờ. Thủy tinh gốm có độ bền và khả năng chịu sốc nhiệt sau đó đã được phát triển thành thương mại chỉ trong vòng 1, 2 năm với các sản phẩm phổ biến như: chóp mũi của tên lửa và các dụng cụ nấu ăn Corning Ware ^® (Stookey, 1959).

            Tóm lại, tiến bộ về vật liệu mới đã đạt được bắt nguồn từ hỗn hợp các sự kiện bất ngờ được kiểm soát bởi các khám phá và nghiên cứu tốt liên quan đến khái niệm thực hành, mặc dù không liên quan đến bất cứ một dự định nào về một loại sản phẩm được định hướng trước. Kiến thức lý thuyết, kỹ năng quan sát tốt, các lập luận suy diễn là các chứng cứ rõ ràng để tạo ra cơ hội gặt được trái ngọt. Không có quá trình tạo mầm bên trong như là tiền thân của sự kết tinh thì sự phá hủy sẽ xảy ra tại các vị trí có năng lượng bề mặt thấp hơn. Vì Reamur đã nhận ra kết quả đó giống như 1 khối băng, nơi đó các tinh thể được định hướng bề mặt gặp nhau tại mặt phẳng năng lượng yếu.

Dòng chảy thủy tinh không kết tinh trong lõi làm thay đổi khối lượng thể tích trong quá trình kết tinh, kết quả là làm hình dạng ban đầu biến dạng một cách kỳ cục. Ngược lại, quá trình kết tinh có thể xảy ra một cách đồng dạng và tại trạng thái có độ nhớt cao, các mầm bên trong thủy tinh có thể phát triển chuyển trạng thái từ thủy tinh sang gốm mà có biến dạng rất nhỏ hoặc không có biến dạng so với hình dạng ban đầu.

            Quan tâm đến các tiến bộ về vật liệu gốm thủy tinh từ thủy tinh ban đầu, phải để ý đến các tính chất đặc thù của tinh thể, bắt đầu bằng sự sắp xếp cấu trúc. Khi tinh thể hình thành, cấu trúc đạt được và các biên hạt được tạo ra. Không giống như thủy tinh, các tinh thể không tạo ra cấu trúc mặt phẳng, yếu tố tạo ra sự phân nhánh, sự bong tróc thành các vết nứt vỡ. Vì vậy, sự xuất hiện của các mặt phân chia, các biên hạt nhằm ngăn chặn tiến trình nứt vỡ. Tính toán này sẽ mang lại tính bền cơ cao dễ thấy đối với thủy tinh kết tinh mịn. Thêm vào đó các tính chất về phổ của tinh thể là rất rộng so với thủy tinh. Vì vậy, một số tinh thể có ứng xử giãn nở nhiệt cực kỳ nhỏ thậm chí âm. Một số loại như Sapphire có thể cứng hơn bất cứ một loại thủy tinh thông thường nào, hoặc tinh thể Mica có thể cực kỳ mềm. Một số họ tinh thể cũng có thể có các tinh chất quang học, điện môi và từ tính khác thường. Một số là bán dẫn hoặc thậm chí với tiến bộ khoa học hiện tại, chúng trở thành siêu dẫn khi ở mức nhiệt độ ni tơ lỏng. Thêm vào đó, nếu tinh thể được định hướng, các tính chất cực của chúng như: áp điện hoặc phân cực quang có thể xảy ra.

            Trong những năm gần đây, một phương pháp sản xuất gốm thủy tinh đã được chứng minh là khả thi về mặt kỹ thuật và thương mại. Phương pháp này liên quan đến việc kết tinh và kết khối từ bột thủy tinh. Cách tiếp cận này có các tiến bộ nhất định với việc kết tinh dạng khối. Bước đầu tiên, quá trình sản xuất gốm thủy tinh truyền thống được áp dụng như: đổ khuôn, tạo áp và đùn ép. Bước thứ hai, bởi vì vận tốc dòng là cao trước quá trình kết tinh, gốm thủy tinh sẽ bao phủ bề mặt kim loại hoặc bề mặt gốm khác. Bước cuối cùng, cũng là bước quan trọng nhất, là sử dụng các bề mặt chưa hoàn chỉnh để tạo thành các vị trí tạo mầm. Quá trình này đặc biệt liên quan đến việc nghiền các mảnh kính vừa tạo ra thành các hạt có kích cỡ từ (3-15)µm. Bột này được tạo hình bằng kỹ thuật tạo hình trong độ nhớt, ở đó việc kết khối chỉ thực sự hoàn thành ngay sau khi việc kết tinh hoàn toàn kết thúc. Khám phá thương mại đầu tiên là frit- 1 dẫn xuất của gốm thủy tinh được sử dụng như là chất hàn để hàn các bóng hình. Ngày nay, công nghệ được áp dụng sản xuất các vật chất đối lớp, đa lớp cho việc bao gói điện tử.