Gốm sứ là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan về Gốm sứ
Gốm sứ là vật liệu vô cơ, phi kim, được tạo từ đất sét và khoáng chất, tạo hình rồi nung ở nhiệt độ cao để đạt độ cứng và bền cơ học. Chúng gồm gốm và sứ, khác nhau về nhiệt độ nung, độ xốp, màu sắc, được ứng dụng rộng rãi từ đồ gia dụng đến công nghiệp kỹ thuật cao.
Định nghĩa gốm sứ
Gốm sứ là nhóm vật liệu vô cơ, phi kim loại, được sản xuất chủ yếu từ đất sét và các khoáng chất thiên nhiên, sau đó được tạo hình và nung ở nhiệt độ cao để đạt được các đặc tính cơ học, hóa học và vật lý mong muốn. Quá trình nung làm cho vật liệu trở nên cứng, bền, có khả năng chịu nhiệt và kháng hóa chất, đồng thời hình thành cấu trúc vi mô đặc trưng với các liên kết mạnh mẽ giữa các hạt tinh thể.
Thuật ngữ “gốm sứ” bao gồm nhiều loại sản phẩm với sự khác nhau về thành phần, kỹ thuật sản xuất và tính chất. Trong phân loại truyền thống, gốm (earthenware, stoneware) và sứ (porcelain) được phân biệt dựa trên độ xốp, nhiệt độ nung, màu sắc, độ trong và khả năng hút nước. Sự khác biệt này bắt nguồn từ công thức phối liệu và chế độ nung.
Nhờ sự kết hợp giữa tính thẩm mỹ và tính năng kỹ thuật, gốm sứ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: từ đồ gia dụng và trang trí, vật liệu xây dựng, cho đến các linh kiện công nghiệp và sản phẩm công nghệ cao. Đây là một trong những vật liệu lâu đời nhất mà loài người sử dụng, đồng thời vẫn giữ vai trò quan trọng trong đời sống hiện đại.
Lịch sử hình thành và phát triển
Lịch sử gốm sứ kéo dài hàng nghìn năm, bắt đầu từ thời kỳ đồ đá mới khi con người biết khai thác đất sét để tạo ra các vật dụng chứa đựng và công cụ lao động. Sự xuất hiện của lò nung và kỹ thuật kiểm soát nhiệt độ đã mở ra khả năng chế tác những sản phẩm gốm bền chắc hơn, chịu được nước và nhiệt.
Các nền văn minh cổ đại như Trung Quốc, Ai Cập, Lưỡng Hà và Hy Lạp đã phát triển các kỹ thuật gốm sứ tinh xảo, với sự đa dạng về hình dạng, hoa văn và men phủ. Đặc biệt, Trung Quốc được coi là cái nôi của sứ, với kỹ thuật nung sứ cứng ở nhiệt độ trên 1300°C xuất hiện từ thời nhà Đường và đạt đỉnh cao dưới thời nhà Minh, nhà Thanh. Sản phẩm sứ Trung Hoa từng là mặt hàng thương mại toàn cầu, xuất khẩu qua Con đường Tơ lụa và đường biển.
Ở Việt Nam, nghề gốm sứ hình thành từ thời văn hóa Phùng Nguyên và phát triển qua các thời kỳ Lý, Trần, Lê. Các làng nghề như Bát Tràng, Chu Đậu, Thổ Hà nổi tiếng với các sản phẩm vừa đáp ứng nhu cầu trong nước vừa xuất khẩu. Nhiều hiện vật gốm sứ Việt Nam được tìm thấy trong các con tàu đắm cổ, minh chứng cho sự phát triển của thương mại gốm sứ trong lịch sử.
Bảng tóm tắt các mốc lịch sử chính của gốm sứ:
| Thời kỳ | Sự kiện nổi bật |
|---|---|
| ~10.000 TCN | Xuất hiện đồ gốm đầu tiên trong thời kỳ đồ đá mới |
| ~2000 TCN | Kỹ thuật nung gốm phát triển tại Lưỡng Hà và Ai Cập |
| Thế kỷ 9 | Ra đời kỹ thuật nung sứ cứng ở Trung Quốc |
| Thế kỷ 14–17 | Sứ Trung Hoa và gốm Việt Nam xuất khẩu mạnh mẽ |
| Hiện đại | Phát triển gốm kỹ thuật cao cho công nghiệp và y tế |
Phân loại gốm sứ
Việc phân loại gốm sứ dựa trên nhiều tiêu chí, phổ biến nhất là theo nhiệt độ nung, cấu trúc và độ xốp. Ba nhóm chính gồm:
- Gốm đất nung (Earthenware): nung ở nhiệt độ thấp (850–1100°C), xốp, dễ vỡ, khả năng chống thấm thấp, thường phủ men để chống thấm.
- Gốm sành (Stoneware): nung ở nhiệt độ trung bình đến cao (1100–1300°C), đặc chắc, chống thấm tốt, bền hơn gốm đất nung.
- Sứ (Porcelain): nung ở nhiệt độ cao (1200–1400°C), trắng, mịn, trong, gần như không hút nước, có độ bền cơ học và độ cứng cao.
Mỗi loại gốm sứ có đặc điểm riêng, phù hợp với các mục đích sử dụng khác nhau. Sứ cao cấp thường được dùng cho đồ gia dụng sang trọng hoặc sản phẩm kỹ thuật, trong khi gốm sành phổ biến trong đồ gia dụng thông thường và vật liệu xây dựng.
Bảng so sánh đặc tính của ba loại chính:
| Loại | Nhiệt độ nung | Độ hút nước (%) | Độ bền cơ học |
|---|---|---|---|
| Gốm đất nung | 850–1100°C | 10–15 | Thấp |
| Gốm sành | 1100–1300°C | < 5 | Trung bình – cao |
| Sứ | 1200–1400°C | < 0,5 | Cao |
Thành phần nguyên liệu
Nguyên liệu chế tạo gốm sứ chủ yếu gồm ba thành phần chính: đất sét cao lanh (kaolinite), feldspar và thạch anh. Đất sét cao lanh cung cấp khả năng chịu lửa, độ trắng và độ mịn cho sản phẩm. Feldspar đóng vai trò chất chảy, giúp giảm nhiệt độ nung và tạo pha thủy tinh gắn kết các hạt. Thạch anh tăng độ cứng, giảm co ngót khi nung và cải thiện ổn định kích thước.
Tỷ lệ phối trộn các thành phần này thay đổi tùy loại gốm sứ và mục đích sử dụng. Ví dụ, sứ cao cấp thường chứa 50% cao lanh, 25% feldspar và 25% thạch anh. Ngoài ra, một số phụ gia như oxit kim loại được thêm vào để điều chỉnh màu sắc hoặc cải thiện tính chất cơ lý.
Trong công nghiệp hiện đại, nguyên liệu còn được tinh chế để loại bỏ tạp chất, kiểm soát kích thước hạt, và đảm bảo đồng nhất. Việc này giúp nâng cao độ bền, tính thẩm mỹ và khả năng kiểm soát chất lượng của sản phẩm cuối cùng.
Quy trình sản xuất
Quy trình sản xuất gốm sứ bao gồm nhiều công đoạn liên tiếp, yêu cầu kiểm soát chặt chẽ từ khâu nguyên liệu đến sản phẩm cuối cùng. Bước đầu tiên là khai thác và xử lý nguyên liệu, trong đó đất sét và khoáng chất được nghiền mịn, rửa để loại bỏ tạp chất, và phối trộn theo công thức đã tính toán. Độ ẩm, kích thước hạt và thành phần hóa học của nguyên liệu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất sản phẩm.
Bước tiếp theo là tạo hình, có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như nặn tay, chuốt trên bàn xoay, đổ khuôn thạch cao, hoặc ép cơ học. Trong sản xuất công nghiệp, phương pháp ép đẳng tĩnh (isostatic pressing) và ép khô được áp dụng để đảm bảo độ chính xác và đồng đều.
Sau khi tạo hình, sản phẩm được sấy khô nhằm loại bỏ phần lớn nước trước khi nung. Quá trình nung thường chia thành hai giai đoạn: nung sơ (bisque firing) ở nhiệt độ thấp để tăng độ cứng và giảm độ xốp, sau đó tráng men và nung men (glaze firing) ở nhiệt độ cao để tạo lớp phủ bảo vệ và tăng tính thẩm mỹ.
- Khai thác và xử lý nguyên liệu
- Tạo hình (nặn tay, chuốt, ép, đổ khuôn)
- Sấy khô
- Nung sơ
- Tráng men
- Nung men
Trong công nghệ hiện đại, các lò nung sử dụng khí đốt hoặc điện, có khả năng điều chỉnh chính xác nhiệt độ và môi trường khí, giúp sản phẩm đạt chất lượng cao và ổn định.
Tính chất cơ lý và hóa học
Gốm sứ sở hữu nhiều tính chất ưu việt khiến chúng trở thành vật liệu quan trọng trong cả đời sống và công nghiệp. Về cơ học, gốm sứ có độ cứng cao (thường > 6 theo thang Mohs) và độ bền nén lớn, nhưng độ bền kéo và độ dai va đập thường thấp do tính giòn. Về nhiệt, gốm sứ chịu được nhiệt độ rất cao, nhiều loại duy trì tính ổn định ở trên 1000°C.
Về hóa học, gốm sứ có khả năng kháng hầu hết các loại axit, bazơ và muối, ngoại trừ một số tác nhân đặc biệt như axit flohydric. Các loại gốm sứ kỹ thuật còn có tính chất điện đặc biệt như cách điện tốt, hệ số giãn nở nhiệt thấp và khả năng chịu mài mòn vượt trội.
Bảng sau minh họa một số tính chất của gốm sứ:
| Tính chất | Giá trị điển hình |
|---|---|
| Độ cứng (Mohs) | 6–8 |
| Độ bền nén | 300–500 MPa |
| Hệ số giãn nở nhiệt | 3–8 × 10-6 /°C |
| Nhiệt độ làm việc | 800–1600°C |
Ứng dụng của gốm sứ
Ứng dụng của gốm sứ rất đa dạng, bao gồm các lĩnh vực truyền thống và kỹ thuật cao. Trong gia dụng, gốm sứ được dùng làm bát, đĩa, ấm chén, bình hoa, tượng trang trí. Trong xây dựng, gạch ốp lát, ngói, sứ vệ sinh là những sản phẩm phổ biến. Trong công nghiệp, gốm sứ được ứng dụng làm gốm chịu lửa, vật liệu lọc, linh kiện điện tử và bộ phận chịu mài mòn.
Trong y học, gốm sứ sinh học như zirconia và alumina được sử dụng làm implant nha khoa, khớp nhân tạo nhờ độ tương thích sinh học cao và tính bền cơ học. Trong công nghệ cao, gốm piezoelectric dùng để chế tạo cảm biến, bộ phận siêu âm, còn gốm siêu dẫn được nghiên cứu cho ứng dụng truyền tải điện không tổn thất.
- Gia dụng: bát, đĩa, ấm chén, bình trang trí
- Xây dựng: gạch, ngói, sứ vệ sinh
- Công nghiệp: gốm chịu lửa, linh kiện điện tử
- Y học: implant, khớp nhân tạo
- Kỹ thuật cao: gốm piezoelectric, gốm siêu dẫn
Gốm sứ kỹ thuật cao
Gốm sứ kỹ thuật cao (advanced ceramics) được chế tạo với thành phần, cấu trúc và quy trình sản xuất tối ưu nhằm đạt các đặc tính đặc biệt. Chúng thường sử dụng các hợp chất như alumina (Al2O3), zirconia (ZrO2), silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si3N4)… để tăng cường độ bền, khả năng chịu nhiệt, kháng mài mòn và tính ổn định hóa học.
Nhờ các tính năng vượt trội, gốm kỹ thuật cao được dùng trong hàng không vũ trụ, năng lượng hạt nhân, công nghiệp bán dẫn và y học tiên tiến. Ví dụ, zirconia ổn định được sử dụng trong dao gốm công nghiệp, van điều khiển chất lỏng ăn mòn, và bộ phận chịu nhiệt trong tuabin khí.
Tác động môi trường và tái chế
Sản xuất gốm sứ tiêu thụ nhiều năng lượng, đặc biệt trong giai đoạn nung ở nhiệt độ cao, dẫn đến phát thải CO2. Bụi từ quá trình nghiền, trộn nguyên liệu và khí thải từ lò nung cũng ảnh hưởng đến môi trường. Do đó, các giải pháp sản xuất bền vững bao gồm sử dụng lò nung tiết kiệm năng lượng, tận dụng nhiệt thải, và áp dụng nguyên liệu tái chế.
Gốm sứ sau khi loại bỏ khỏi vòng sử dụng có thể nghiền nhỏ để tái chế thành nguyên liệu sản xuất gạch, bê tông, hoặc dùng trong công trình giao thông như vật liệu nền đường.
Xu hướng nghiên cứu và phát triển
Xu hướng nghiên cứu hiện nay tập trung vào gốm nano, gốm composite, gốm chức năng và gốm sinh thái. Gốm nano cải thiện đáng kể độ bền và tính năng quang – điện – từ. Gốm composite kết hợp gốm với kim loại hoặc polymer để tận dụng ưu điểm của từng loại vật liệu. Gốm sinh thái hướng tới giảm tác động môi trường trong suốt vòng đời sản phẩm.
Trong tương lai, gốm sứ sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp chiến lược, đặc biệt là năng lượng tái tạo, y học tái tạo và công nghệ vũ trụ.
Tài liệu tham khảo
- AZoM – Introduction to Ceramics
- ScienceDirect – Ceramics Overview
- The American Ceramic Society
- Barsoum, M.W., 2019. Fundamentals of Ceramics. CRC Press.
- Norton, F.H., 1974. Fine Ceramics: Technology and Applications. McGraw-Hill.
- Rahaman, M.N., 2017. Ceramic Processing and Sintering. CRC Press.
Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề gốm sứ:
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 10