Các câu chuyện này ám chỉ tới vô số những rắc rối khi mà các cửa sổ làm bằng kính cường lực vỡ tan mà không báo trước. Mặc dù cái gọi là vỡ “tự phát” của kính cường lực này đã gây chú ý cho cộng đồng chỉ mới xảy ra trong thời gian gần đây, nhưng thực tế nó đã được dự báo từ năm 1960. Các nứt vỡ này là do sự xuất hiện của các chất tạp niken sunphua. Thực tế là các chất tạp niken sunphua trong kính hoàn toàn rất hiếm. Trong một mẻ nấu kính thông thường sẽ có một chất tạp 5mg trong một tấn thuỷ tinh (bình quân bằng 5/1012).

Dẫu là ít ỏi, các chất tạp niken sunphua rất phiền hà và có nguy cơ tiềm ẩn khi xuất hiện trong kính cường lực. Lý do tất cả các phiền phức này là một biến đổi pha bị trì hoãn trong niken sunphua. Các tinh thể niken sunphua có nhiệt độ cao và cả dạng nhiệt độ thấp. Dạng tinh thể nặng ở nhiệt độ cao phình lên trong khi làm mát tạo ra tinh thể nhẹ hơn ở nhiệt độ thấp.

Các chất tạp niken sunphua ở kính ủ thường không gây ra vấn đề gì bởi vì sự biến đổi xảy ra khi kính được làm mát từ từ trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên, sự biến đổi rất chậm chạp và khi mà kính được làm mát nhanh chóng trong quá trình gia công kính cường lực, thì các phần còn lại niken sunphua bị giữ lại ở nhiệt độ cao cho đến một vài năm sau thì sự biến đổi đó sẽ làm vỡ kính.

Đây là một mẫu vết nứt “tự phát” điển hình trong cửa sổ kính cường lực. Tạp chất niken sunphuna được tìm thấy ở đầu vết nứt (mũi tên chỉ phần giữa hình cánh bướm)

Sản xuất kính cường lực và sự sản sinh niken sunphua không bền

Kính phẳng được tôi trong một cái lò giống như một cái lò nướng bánh khổng lồ. Kính được di chuyển trên các con lăn và lăn đi bên trong lò, nung nóng đến nhiệt độ giữa 600 – 7000C cho đến khi nó mềm ra. Kính đang ở thể mềm được đưa ra khỏi lò và được làm mát đột ngột cả hai mặt tấm kính. Kính có tính dẫn nhiệt thấp bởi thế phần bên trong kính vẫn còn nóng và mềm trong khi hai bề mặt ngoài của kính lại mát, cứng hơn, sau đó co lại do sự co nhiệt (giãn nở nhiệt theo chiều ngược lại).

Sau đó phần bên trong cũng mát dần, cứng dần và co rút dần. Vì các bề mặt ngoài đã được làm lạnh khi phần bên trong bắt đầu cứng, nên sự co rút ở bên trong sẽ làm cứng bề mặt bên ngoài. Trong kính thành phẩm, các lớp gần bề mặt ngoài phải chịu lực nén cao bởi lực kéo phát ra từ phần bên trong. Quá trình tôi luyện này sẽ cho ra một loại kính an toàn rất bền chắc.

Chất tạp Niken sunphua tìm thấy bên trong kính nguyên vẹn. Có vết nứt đáng kể trong kính gần kề với hạt niken sunphua, nhưng ở trong ảnh thì các vết nứt này còn chưa tới hạn

Niken sunphua ở thể nhiệt độ cao khoảng trên 3800C và trở lại thể nhiệt độ thấp khi làm mát bằng nhiệt độ trong phòng, nhưng ở kính cường lực thì không như vậy bởi vì sự biến đổi là từ từ và vì tốc độ làm mát nhanh do yêu cầu của quá trình tôi kính. Swain đã khám phá ra rằng sự biến đổi nhiệt độ từ cao đến thấp dẫn đến niken sunphua giãn nở 4%, làm cho đường kính của tạp chất lớn hơn 60 µm có thể tạo ra các vết nứt nguy hiểm tiềm ẩn trong vùng kính lân cận. Về mặt tích cực mà nói, các ứng suất từ bên trong và bên ngoài đem lại các tính chất quý giá cho kính cường lực. Ứng suất nén bề mặt làm kín các vết nứt bề mặt và tăng sức bền của kính từ 3 đến 5 lần. Ứng suất kéo bên trong đảm bảo rằng, nếu kính bị vỡ, thì sự giải phóng ứng suất sẽ làm cho kính vỡ đều thành nhiều mảnh nhỏ (vỡ vụn).

Tuy nhiên, nếu một hạt tạp Niken sunphua có trong miền kéo thì sẽ có một bên bị lõm và ứng suất kéo bên trong sẽ trở thành “Gót chân Asin” đối với kính cường lực. Vấn đề là sự nở ra của hạt tạp niken sunphua gây ra các vết nứt trên kính và bất kỳ vết nứt nào dù nhỏ trong miền kéo cũng sẽ gây ra những hậu quả khôn lường. Đặc tính chuyển hoá chậm của niken sunphua tạo ra một sự trì hoãn giữa quá trình tôi (làm phát sinh những thành phần không bền) và quá trình kính bị hư. Tỷ lệ nứt vỡ này rất khó dự đoán vì cả tỷ lệ nứt vỡ và khoảng thời gian bị trì hoãn đều biến thiên từ vị trí này sang vị trí khác. Trong một vài công trình, các nứt vỡ này tồn tại trong khoảng 5 năm, nhưng trong nhiều trường hợp, các nứt vỡ có thể tồn tại đến 10 năm hoặc lâu hơn thế nữa sau khi lắp đặt.

Các tạp chất niken sunphua tìm thấy trên bề măt kính vỡ do “vết nứt tự phát”

Phương hướng xử lý vấn đề: Đặc tính hoá, thử nghiệm và dò tìm.

Hơn 45 năm đã trôi qua kể từ khi con người lần đầu biết đến các vết nứt vỡ tự phát của kính cường lực. Kể từ đó, đã có rất nhiều nỗ lực giải quyết vấn đề này. 3 phương hướng khác nhau đã được đưa ra, đó là Đặc tính hoá,  Thử nghiệm huỷ và dò tìm.

Các hình ảnh hiển vi học điển tự quét (SEM) của hạt tạp niken sunphua được tìm thấy trên bề mặt đường nứt. Hạt tạp bên trái rất lớn (đường kính 400µm), hạt tạp bên phải tương đối nhỏ (85 µm).

Đặc tính hoá

Đặc tính hoá chính là một nghiên cứu về vật liệu; Hình dạng, nguồn gốc chất liệu, loại tạp chất và nguyên tố vi lượng có trong thành phần và phương thức tồn tại của chúng trong mối liên hệ với các vùng bao quanh. Bằng việc đặc tính hoá niken sunphua và các tạp chất khác có trong kính, người ta hy vọng có thể phát hiện ra lý do tại sao niken sunphua lại có ở đó và tìm hiểu xem làm thế nào để loại bỏ hoàn toàn chúng. Chúng ta biết rằng lưu huỳnh được đưa vào như một thành phần trong sản xuất kính nhưng nguồn gốc niken từ đâu thì vẫn chưa biết được. Vì vậy, đặc tính hoá tập trung vào việc xác định nguồn gốc phát sinh niken.

Về nguồn phát sinh niken, có 3 khả năng như sau: Nguyên liệu thô, nguyên  vật liệu có trong quá trình lưu kho và bốc dỡ nguyên liệu thô và tạp chất dính vào thuỷ tinh nóng chảy qua gạch chịu lửa và các vòi đốt. Kết quả là một vài công trình nghiên cứu đặc tính hóa ban đầu cho thấy dầu F.O có chứa các vi lượng niken và vì điều này, các lò bể vốn sử dụng các vòi đốt dầu F.O đã được chuyển sang dùng khí đốt tự nhiên. Việc chuyển đổi sang dùng khí đốt tự nhiên và những biến thể trong khi bốc dỡ nguyên liệu thô đã cải thiện vấn đề niken sunphua song lại không hoàn toàn loại bỏ được vấn đề này. Một vài khám phá gần đây liên quan đến nguồn g      ốc niken và những phát hiện này sẽ được thảo luận chi tiết hơn dưới đây.

Thử nghiệm huỷ

Một thử nghiệm huỷ còn gọi là “heat soaking” (ủ nhiệt) cũng đã được đưa ra để dò tìm và loại bỏ kính có tạp chất niken sunphua. Trong thử nghiệm heat-soak, kính cường lực được đặt trong một tủ nóng và được gia nhiệt lại tới 290°C trong vài giờ. Quá trình heat-soak làm cho các tạp chất niken sunphua chuyển hoá về dạng nhiệt độ thấp và gây ra tình trạng nứt vỡ. Lợi thế của việc sử dụng phương pháp này là việc ủ nhiệt có thể loại bỏ khoảng hơn 95% các sản phẩm cửa sổ kính có vấn đề mà không làm giảm tính cường lực của kính. Tuy nhiên, bất lợi của phương pháp này là vấn đề chi phí, do chi phí công nghệ thử nghiệm sẽ đội giá thành sản phẩm lên và do quá trình này cũng sẽ huỷ bỏ nhiều sản phẩm. Tất cả các công đoạn tạo hình, khoan lỗ và hoàn thiện sản phẩm đều phải đuợc tiến hành trước công đoạn tôi, vì vậy việc hao hụt luợng thành phẩm trong quá trình thử nghiệm huỷ đồng nghĩa việc tốn kém nhiều thời gian cho việc chuẩn bị các sản phẩm trước thử nghiệm. Hơn nữa, do các tấm kính đuợc dựng sát nhau trong tủ nóng nên việc một tấm kính có lỗi, nứt vỡ cũng sẽ đồng thời ảnh hưởng đến các tấm kính liền kề.

Hình ảnh SEM mặt cắt ngang đã được mài bóng của một hạt tạp niken sunphua. Hạt tạp không phải là pha đơn mà là một khối Ni9S8 và Ni1-xS nhiều pha

Quang phổ tia X tản mạn năng lượng trong một xét nghiệm SEM. Quang phổ từ vùng tối (hình trên) có nhiều sunphua hơn là so với quang phổ từ vùng sáng (hình dưới)

 Ngày đăng : 28/11/2008

Chất tạp Niken sunphua tìm thấy bên trong kính nguyên vẹn. Có vết nứt đáng kể trong kính gần kề với hạt niken sunphua, nhưng ở trong ảnh thì các vết nứt này còn chưa tới hạn

Dò tìm các hạt tạp niken sunphua

Dò tìm là phương pháp tiếp cận cuối cùng trong 3 phương pháp. Dò tìm có những thuận lợi mà thử nghiệm huỷ không thể mang lại. Mặc dù phép thử heat-soak khá hiệu quả song nó cũng có 2 điểm yếu, đó là tốn kém và không dễ dàng áp dụng được đối với những sản phẩm đã được lắp đặt có dấu hiệu tồn tại niken sunphua. Tuy nhiên, việc dò tìm niken sunphua cũng không dễ dàng gì do nó quá nhỏ. Khi vết nứt tự phát xuất hiện, đa số các hạt tạp niken sunphua được tìm thấy ở sự khởi đầu nứt có đường kính trong khoảng 100mm đến 200mm. Và trong một vài trường hợp đường kính này có thể chỉ vào khoảng 70mm. Kích thước rất nhỏ của niken sunphua so với kích thước lớn của các ô cửa số đồng nghĩa với việc kỹ thuật dò tìm cần phải xử lý một lượng dữ liệu lớn mới cho kết quả tin cậy. Ví dụ, để ghi lại hình ảnh số vị trí của một hạt tạp niken sunphua cỡ 70mm, cần phải có kích thước điểm ảnh là 35mm. Một bức ảnh số chụp ô cửa sổ 3m2 ở độ phân giải 35mm cần tới 3Gbyte lưu dữ liệu. Chưa tính tới chủng loại hay độ nhạy của kỹ thuật dò tìm, thử thách là làm sao xử lý được khối lượng dữ liệu lớn trong thời gian ngắn nhất có thể.

Bất chấp những thử thách vốn có này, phương pháp dò tìm vẫn được phát triển và ứng dụng thành công. Một phương pháp chụp ảnh trong chương trình hợp tác giữa Trường Đại học Queensland và Công ty Resolve Engineering đã được sử dụng để kiểm tra 4194 ô kính khác nhau (tổng số khoảng 14.753m2) tại toà cao ốc Brisbane trong năm 1995/1996. Khi sử dụng phương pháp này, người ta đã phát hiện được 291 hạt tạp niken sunphua trên 281 ô cửa sổ (10 tấm kính thì có 2 hạt tạp niken sunphua).

Quy trình dò tìm, được mô tả trong một phát minh bởi tác giả “Dò tìm các khuyết tật trong kính” (phát minh của Úc 732132, phát minh của Mỹ 6236734) thực hiện qua 3 giai đoạn, bao gồm: Chụp ảnh, xử lý phim và kiểm tra kính. Trong công đoạn đầu tiên, các cửa sổ kính được chụp bằng camera khổ lớn (phim cuộn 120mm). Do ống kính camera cần độ nghiêng và phim phải có chất lượng tốt nên cả camera và phim đều phải được đặc chế. Đối với quy trình này, cần có một dụng cụ đủ khoẻ và vững để giữ cho ống kính chụp không bị rung khi tiến hành chụp ở mặt bên toà nhà từ bộ phận bảo quản công trình (BMU). Dụng cụ này cũng phải có cơ chế ghi lại độ cao và số cửa sổ để có thể liên kết vị trí trên phim với vị trí trên kính.

Trong công đoạn thứ hai, phim sẽ được xử lý qua bộ đọc thẻ vi phim. Bằng cách này, người duyệt phim có thể nhìn thấy các khuyết tật với kích thước phóng đại 9 lần và phim sẽ được xử lý qua môi trường thuận tiện hơn (so với việc trực tiếp quan sát trên kính). Bộ đọc thẻ vi phim được điều chỉnh để có thể quét phim ngay và có thể  liên kết từ vị trí quét này đến vị trí quét kia trên phim. Khi người duyệt phim phát hiện thấy một hình dạng đặc biệt (được gọi là “cặp điểm”), họ sẽ nhập vị trí này trên phim vào cơ sở dữ liệu. Bằng cách xử lý thông tin trên cơ sở dữ liệu này, có thể  liên kết vị trí trên phim tới vị trí thực trên kính. Hình ảnh “cặp điểm” này là do các hạt tạp trong kính tạo ra. Khoảng cách giữa các điểm trong “hai điểm” được sử dụng để đo chiều cao của hạt tạp trong kính và để xác định liệu chúng có nằm trong miền kéo hay không. Chỉ những hạt tạp nằm gần tâm tấm kính (trong miền kéo) là nguy hiểm, ngược lại những hạt tạp nằm sát bề mặt ngoài sẽ không thể gây nứt vỡ kính.

Công đoạn thứ ba, những người thực hiện việc kiểm tra cửa sổ sẽ được cung cấp một danh mục các hạt tạp khả nghi được tìm thấy bởi người duyệt phim. Sử dụng vị trí trên kính do cơ sở dữ liệu định vị, người kiểm tra cửa sổ có thể định vị được những hạt tạp nhỏ và kiểm tra kỹ lưỡng những vùng này bằng kính lúp phóng đại 10 lần. Ở hình ảnh được phóng đại 10 lần, niken sunphua có thể dễ dàng được nhận thấy do màu sắc  nâu vàng và bề mặt xù xì của nó. Tại cao ốc Brisbane, những người duyệt phim đã xác định được 53.594 hạt tạp trong khối kính và từ đó, những người kiểm tra cửa sổ đã tìm thấy 291 hạt tạp niken sunphua.

Tiềm năng phát triển những phương pháp dò tìm mới

Phương pháp chụp ảnh kính là một phương pháp tuyệt diệu để dò tìm tuy nhiên nó lại hạn chế ở chỗ phương pháp dò tìm đòi hỏi phải có sự tham gia giám sát chặt chẽ của con người. Và hệ quả của nó là rất hao tốn nhân lực. Việc phát triển một phương pháp tự động do máy tính điều khiển cũng là điều cần thiết. Trong suốt quá trình ứng dụng phương pháp chụp ảnh kính, chúng tôi đã kiểm tra kỹ mọi khía cạnh của phương pháp dò tìm và đã phát triển nhiều đặc điểm kỹ thuật rõ nét cho nhiều tham số dò tìm khác nhau. Giờ đây, chúng ta có thể  biết đích xác đâu là yếu tố quan trọng cho sự thành công của phương pháp dò tìm.

Trong những năm 1995/1996, những yêu cầu cấp thiết của phương pháp dò tìm vượt ra ngoài những gì mà các camera CCD và bộ vi xử lý máy tính vào thời điểm đó có thể đáp ứng. Tuy nhiên, tốc độ phát triển của bộ vi xử lý máy tính trong suốt 10 năm qua đã tăng gấp 10 lần và các camera CCD giờ cũng có tốc độ nhanh hơn, với kích cỡ chụp lớn hơn. Mặc dù việc dò tìm hạt tạp niken sunphua không hề đơn giản nhưng giờ đây, về mặt kỹ thuật chúng ta hoàn toàn có thể phát triển một hệ thống dò tìm tự động, nhanh và hiệu quả.

Sự phát triển của phương pháp dò tìm mới sẽ đòi hỏi nguồn lực đáng kể trong giai đoạn đầu, và đương nhiên, cũng như với bất kỳ sáng kiến mới thành công nào, nó cũng có nhiều rủi ro. Chính vì niken sunphua mà các kiến trúc sư và các nhà xây dựng đã trở nên dè dặt sử dụng kính cường lực trong những năm gần đây. Thật chẳng hay ho gì nếu như chúng ta không sử dụng kính cường lực chỉ vì chúng có đặc tính về độ trong suốt, độ bền, độ an toàn không phù hợp với các vật liệu khác. Đã đến lúc phải phát triển một kỹ thuật dò tìm mới dành cho kính cường lực và để khôi phục lại danh tiếng cho loại kính này.

Một số công trình nghiên cứu gần đây về nguồn gốc của Niken

Vào năm 1974, Tabuchi đã  phát hiện ra có 3 loại hạt tạp niken sunphua khác nhau trong kính. Mặc dù tính xác thực của nghiên cứu này vẫn chưa được đánh giá đầy đủ vào thời điểm đó, song khám phá này đã nắm chiếc chìa khoá để giải thích làm thế nào mà niken sunphua hình thành và ổn định trong quá trình thuỷ tinh nóng chảy. Loại thứ nhất được Tabuchi phát hiện là một hợp thể hai pha của kim loại niken và Ni3S2 (heazlewoodite), loại thứ 2 chỉ chứa pha Ni3S2, và loại thứ 3 chứa một hợp chất gần giống NiS. 2 dạng đầu tiên của Niken sunphua không gây ra nứt vỡ tự phát mà chỉ có loại thứ 3 (loại gần giống NiS) gây ra hiện tượng này. Những nhà nghiên cứu sau này đã chỉ ra rằng loại thứ 3 xếp vào loại hợp chất từ Ni7S6  đến NiS1.03­ và không hoàn toàn nhất thiết là những pha đơn nhưng lại được phát hiện thấy có chứa các pha Ni7S6, Ni9S8 và Ni1-xS .

Theo nguyên tắc tính ổn định của nhiệt động lực học, các hạt tạp niken sunphua sẽ không thể tồn tại trong thuỷ tinh nóng chảy. Mặc dù niken sunphua khó mà hoà tan trong thuỷ tinh, nhưng điều kiện ôxi hoá trong thuỷ tinh vôi natri cacbonat silic lại tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuyển hoá từ niken sunphua thành ô xít nikent. Ô xít Niken có thể hoà tan và một khi đã hình thành nó sẽ nhanh chóng phân huỷ trong thuỷ tinh nóng chảy. Tuy nhiên, trong một công trình nghiên cứu mới đây, Kasper và Stadelmann đã tạo ra niken sunphua bằng cách cho một lượng nhỏ thép không rỉ vào thuỷ tinh nóng chảy. Công trình nghiên cứu này đã cho thấy ý nghĩa  quan trọng của việc khám phá ra 3 loại hạt tạp niken sunphua của Tabuchi. Kasper và Stadelmann đã quan sát một phản ứng phân tầng. Trong giai đoạn đầu, những kim loại bình thường nhất (crôm và mangan) đã phân huỷ trong thuỷ tinh, làm cho thép không rỉ bị chuyển thành một hỗn hợp sắt – niken.

Trong giai đoạn 2, sắt được loại bỏ, để lại kim loại niken. Trong giai đoạn 3, niken kim loại phản ứng với sunphua tạo thành Ni3S2. Chừng nào niken kim loại còn tồn tại, Ni3S2 vẫn tồn dư như một pha ổn định trong thuỷ tinh nóng chảy. Khi niken kim loại tiêu hao hết, niken sunphua sẽ từ từ co lại vì nó bắt đầu phản ứng với thuỷ tinh để hình thành ô xít niken hoà tan trên bề mặt. Ngoài ra, một khi niken kim loại đã tiêu hao hết, pha giả bền NiS (pha nguy hiểm) sẽ ở vào điều kiện thuận lợi hơn Ni3S2, vì vậy hạt tạp mất đi niken và chuyển hoá từ Ni3S2 thành NiS. Kasper và Stadelmann đã chỉ ra rằng niken sunphua có thể tồn tại như một pha giả bền trong thuỷ tinh với sự có mặt của niken kim loại, và chứng minh rằng sự nhất thiết phải tránh hoàn toàn sự tiếp xúc giữa hợp kim niken và các nguyên liệu thô sử dụng trong sản xuất thuỷ tinh vôi natri cacbonat silic.

Tác giả

Tiến sĩ John Barry của Công ty PicaMS cũng đã làm việc tại Trường Đại học Oxford, Trường Đại học Bang Arizona và Trường Đại học Queensland và có hơn 20 năm kinh nghiệm về khoa học vật liệu và trong ứng dụng phương pháp chùm tia điện tử. Trong công trình nghiên cứu dài hơn 80 trang, giáo sư Barry cũng đã chỉ ra mối quan hệ giữa kết cấu và đặc tính của vật liệu, khoa học nano và các ứng dụng, sáng kiến mới sử dụng kỹ thuật hiển vi học điển tự.

Tiến sĩ Barry bắt đầu nghiên cứu về niken sunphua trong kính cường lực từ năm 1991, và từ khi còn công tác tại Trường Đại học Queensland, ông đã phát triển phương pháp chụp ảnh kính cùng với Công ty Resolve Engineering. Ông có nhiều công trình nghiên cứu các vấn đề liên quan đến kính, bao gồm cả một dự án lớn về việc cải thiện kính cường lực tại trường đua ngựa Melbourne.