Gốm thủy tinh

Một loại vật liệu có các tính chất ưu việt của cả gốm và thủy tinh, không chỉ sử dụng làm đồ gia dụng, chén đĩa, mà còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ, sinh học, y tế, năng lượng, điện tử gia dụng tới an ninh quốc phòng…

Gốm thủy tinh là loại vật liệu có thành phần hóa học gần như thủy tinh nhưng về mặt cấu trúc thì khác với thủy tinh và giống gốm. Nếu như thủy tinh có cấu trúc vô định hình thì gốm thủy tinh có cấu trúc kết hợp giữa tinh thể và vô định hình. Cấu trúc vi mô gốm thủy tinh gồm các tinh thể nhỏ mịn, phát triển đồng đều trong toàn khối, hầu như không có lỗ xốp.

Kết hợp ưu điểm của gốm và thủy tinh

Nhờ kiểm soát được thành phần và sự kết tinh (qua quá trình phản ứng thủy tinh hóa – devitrification) người ta có thể tạo nên các pha tinh thể khác nhau với tỷ lệ, kích thước, hình dạng và sự phân bố khác nhau, nhờ đó gốm thủy tinh có tính chất đa dạng phù hợp với nhiều yêu cầu khác nhau.

Gốm thủy tinh có độ bền cao đối với các lực va đập và lực biến dạng, nếu ống thủy tinh thường có độ bền gãy là 210 – 700 kg/cm2 thì gốm thủy tinh với hình dạng và kích thước tương đương có độ bền gãy là 2.800 – 4.200 kg/cm2. Gốm thủy tinh có độ bền mài mòn, tính bền nhiệt cao hơn nhiều so với thủy tinh thường. Ví dụ như nhiều ôxit thủy tinh sẽ nóng chảy ở 600 – 700^oC, còn vật liệu gốm thủy tinh có thành phần như vậy thì ở 1.000 – 2.000^oC vẫn giữ được độ bền cơ và độ rắn. Gốm thủy tinh còn cách nhiệt rất tốt.

Ngoài ra, có thể chế tạo gốm thủy tinh có các tính chất khác biệt để có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ như do có hệ số giãn nở nhiệt rất nhỏ nên gốm thủy tinh thích hợp cho các ứng dụng chống sốc nhiệt; do có sức bền, chịu mài mòn, hệ số giãn nở nhiệt thấp nên dễ tạo hình bằng gia công cơ khí; do có tính chất điện từ đặc biệt hay có tính sinh học nên dễ cấy ghép vào tế bào xương, cơ của cơ thể sống; hoặc có những đặc điểm về mặt thẩm mỹ như có thể chế tạo trong suốt hoặc không trong suốt nên dùng làm đồ gia dụng vừa bền và đẹp.

Sự sắp xếp trong cấu trúc của một phân tử gốm thủy tinh

Chế tạo gốm thủy tinh có khó không?

Gốm thủy tinh thường được tạo ra bằng cách thoạt đầu theo công nghệ thủy tinh (nấu chảy, tạo hình, cấu trúc vô định hình), sau đó được xử lý nhiệt theo chế độ nhiệt luyện xác định để thực hiện quá trình tạo mầm và kết tinh, tạo nên các vi tinh thể. Để tạo mầm phải chọn thủy tinh gốc phù hợp và cho thêm các chất xúc tác tạo mầm như Pt, TiO₂, ZrO₂, SnO₂… Thông thường thì gốm thủy tinh không phải là tinh thể hoàn toàn. vi cấu trúc gồm 50% đến 95% tinh thể, phần còn lại là thủy tinh. Một hoặc nhiều pha tinh thể có thể được hình thành trong quá trình xử lý nhiệt.

Ứng dụng trong y tế làm vật liệu thay cho răng và xương: còn được gọi là gốm thủy tinh y sinh. Đây là loại vật liệu có tính chất sinh học cao so với vật liệu y sinh truyền thống (titan, hợp kim đặc biệt, vật liệu các bon, silicon…). Gốm thủy tinh y sinh có khả năng liên kết sinh hóa với tế bào sống, giúp cho các tế bào sau khi bị thương tổn tiếp tục tái sinh và liên kết trực tiếp với bề mặt của vật cấy.

Trong gia dụng: do chi phí sản xuất thấp và kỹ thuật đơn giản, gốm thủy tinh được sử dụng để sản xuất đồ gia dụng chất lượng cao. Nhờ có khả năng chịu sốc nhiệt cao nên gốm thủy tinh được sử dụng làm mặt kính cho bếp từ. Dùng gốm thủy tinh không chỉ tăng tính thẩm mỹ cho bếp mà còn chống trầy xước, chống sốc nhiệt, giúp bếp được bền dài lâu.

Mặt kính bếp từ Nhật làm từ gốm thủy tinh

Trong xây dựng: nhờ đặc tính chống chịu nhiệt độ cao nên gốm thủy tinh được sử dụng làm cửa chống cháy trong một số công trình xây dựng. Một sản phẩm khác phổ biến trong ngành xây dựng của gốm thủy tinh là neopariés, tương tự như đá cẩm thạch nhưng bền hơn.

Trong vũ trụ: gốm thủy tinh bền khi giảm nhiệt độ một cách đột ngột và độ chống mài mòn cao hơn nhiều lần so với kim loại nên gốm thủy tinh được sử dụng để làm các bộ phận chịu lực hoặc để phủ lên kim loại hay làm các khớp nối kín của kim loại và gốm. Do có độ bền nhiệt cao, đặc biệt là đối với các xung nhiệt nên gốm thủy tinh còn được sử dụng để làm lớp vỏ bảo vệ đầu mũi tên lửa. Gốm thủy tinh đã được ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ trong cuối những năm 1950 để bảo vệ thiết bị radar khỏi sự phá hủy của máy bay và tên lửa; đến nay, Nasa đã phủ gốm thủy tinh lên các con tàu vũ trụ của mình.

Nghiên cứu gốm thủy tinh

Gốm thủy tinh được tình cờ phát hiện vào năm 1953 bởi Stanley Donald Stookey. Khi đó ông đang nghiên cứu tại công ty Corning Glass Works về sản phẩm pin lithium. Ông tạo ra thủy tinh có chứa các phân tử kết tinh bạc. Sau đó, vô tình đưa sản phẩm này tiếp xúc với ngọn lửa 600°C, thay vì thủy tinh bị chảy ra, Stanley lại thấy miếng thủy tinh vẫn không thay đổi về hình dạng. Khi làm rơi, miếng thủy tinh không bị vỡ. Stanley rất ngạc nhiên bởi độ bền của vật liệu mới tìm thấy và sau đó ông đã giới thiệu ra thị trường loại gốm thủy tinh đầu tiên mang tên fotoceram. Sau đó, gốm thủy tinh được rất nhiều nhà sản xuất khác nhau trên thế giới nghiên cứu chế tạo như hãng Corning Ware – sản xuất nồi và chén đĩa gốm thủy tinh, hãng Schott’s Ceran – sản xuất mặt bếp các loại, hãng Nippon Electric Glass – sản xuất gốm thủy tinh dùng trong y tế và xây dựng…Theo nguồn tài liệu tiếp cận được thì hiện có gần 4.000 sáng chế (SC) liên quan đến gốm thủy tinh trên thế giới. Nhật Bản có số lượng đăng đăng ký SC dẫn đầu với 1.108 SC. Tổ chức sáng chế châu Âu đứng thứ hai với 793 SC và Trung Quốc đứng thứ ba với 670 SC. Số lượng SC về gốm thủy tinh phát triển mạnh trong vòng 10 năm gần đây. Công ty đứng đầu về số lượng đăng ký SC là Kyocera corp – Nhật với 199 SC.

Tỷ lệ đăng ký sáng chế về gốm thủy tinh tại các quốc gia trên thế giới.