PTN Nghiên cứu phát triển Vật liệu Ceramic

1. Giới thiệu chung

Theo khái niệm mới nhất được các nhà khoa học trên thế giới thống nhất thì các loại vật liệu không phải là kim loại, polymer sẽ được gọi là vật liệu ceramic.Trong ba lĩnh vực chính của ngành kỹ thuật vật liệu: kim loại, ceramic, polymer, thì ceramic cùng với kim loại là hai lĩnh vực vật liệu nhân tạo có lịch sử lâu đời nhất và ngày càng thể hiện vị thế quan trọng trong đời sống của nhân loại.Vật liệu ceramic không chỉ tham gia vào đời sống thường ngày mà còn đóng vai trò bổ trợ và hỗ trợ phát triển cho các ngành công nghiệp then chốt như luyện kim, hoá chất, cơ khí, năng lượng, xây dựng, giao thông, y tế, quốc phòng, điện tử, v.v...Vật liệu ceramic không chỉ giới hạn ở phạm vi các sản phẩm dân dụng trực tiếp phục vụ dân sinh, mà còn thuộc phạm vi sản phẩm phục vụ nghiên cứu khoa học, các ngành công nghiệp luyện kim, hoá chất, thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, cơ khí, điện, điện tử, y tế và quốc phòng. Một vài ví dụ có thể liệt kê như: vật liệu xây dựng, vật liệu thân thiện với môi trường, vật liệu y sinh, sàng phân tử trong tách chiết tế bào sinh học, vật liệu chịu lửa trong công nghiệp luyện kim và hạt nhân, vật liệu chịu ăn mòn và mài mòn cao, vật liệu cách điện, tấm chắn chống đạn trong quốc phòng, v.v...Do sự tham gia rộng khắp của vật liệu ceramic trong toàn bộ nền kinh tế xã hội, nên các nước trên thế giới rất chú trọng phát triển lĩnh vực vật liệu ceramic, từ các nước đang phat triển cho đến các nước tiên tiến đều có các trung tâm đào tạo và nghiên cứu để phục vụ nhu cầu phát triển của mình, tuỳ vào thực tiễn của mỗi quốc gia và thế mạnh của từng trường đại học mà họ bố trí các trung tâm độc lập hay nằm trong cùng lĩnh vực Vật liệu nói chung. Các trung tâm tiêu biểu có ở các trường đại học lớn trên thế giới như: FSU- Jena, TU Berlin, TU Freiberg của Đức; Rutgers Univesity-Mỹ; Nagaoka University of Technology – Nhật. 

Cũng như thế giới, ở Việt Nam, vật liệu ceramic đã có mặt trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp, dân dụng, quốc phòng, y tế …

Đặc biệt sau Nghị quyết 02 NQ/HNTW năm 1996 của Ban chấp hành Trung ương Đảng. Việt Nam đã thực hiện chiến lược phát triển khoa học và công nghệ trong thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá, cùng với đó là làn sóng đổi mới và du nhập công nghệ tiến tiến vào Việt Nam đã tạo ra đà phát triển mạnh có tính bùng phát trên diện rộng ở trong cả nước. 

Gần nhất là Nghị quyết 57-NQ/TW ngày 22/12/2024 của Ban chấp hành Trung ương, với quan điểm chỉ đạo "Phát triển nhanh và bền vững, từng bước tự chủ về công nghệ, nhất là công nghệ chiến lược; ưu tiên nguồn lực quốc gia đầu tư cho phát triển khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số. Phát huy tối đa tiềm năng, trí tuệ Việt Nam gắn với nhanh chóng tiếp thu, hấp thụ, làm chủ và ứng dụng thành tựu khoa học, công nghệ tiên tiến của thế giới; đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng, chú trọng nghiên cứu cơ bản, tiến tới tự chủ và cạnh tranh về công nghệ ở một số lĩnh vực Việt Nam có nhu cầu, tiềm năng, lợi thế."

Lĩnh vực sản xuất vật liệu ceramic đã có sự phát triển vượt bậc cả về quy mô và trình độ. Trình độ sản xuất kinh doanh và mức độ đầu tư đã theo kịp các nước trong khu vực và xuất hiện nhiều tập đoàn, tổng công ty mạnh. Đây là lĩnh vực trước giờ tập trung nhiều nghiên cứu ứng dụng và nhiều kết quả nghiên cứu đã phát huy hiệu quả trong thực tế, góp phần đem lại sự tự chủ và cạnh tranh cao của Việt Nam với Quốc tế.

Tuy nhiên, lúc này sự tụt hậu của các phòng thí nghiệm hiện có trong các trường và các Viện nghiên cứu ngày càng bộc lộ rõ, do đó càng thôi thúc nhu cầu đầu tư nâng cấp. 

Nếu chiến lược về con người không theo kịp đà phát triển của sản xuất thì việc đào tạo lao động cho thị trường lao động trí tuệ với hàm lượng chất xám cao của các trường đại học sẽ không còn chỗ đứng và tạo ra sự khủng hoảng thiếu nghiêm trọng cho xã hội. Chủ trương công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước mà không đi kèm với đầu tư cho các trường đại học nhất là các trường đại học công nghệ trọng điểm như ĐHBK Hà Nội để đào tạo nguồn nhân lực KHCN đáp ứng trình độ cao thì chủ trương đó không thể đi vào thực tế và vẫn kìm hãm sự phát triển kinh tế. 

Đại học Bách Khoa Hà Nội là một trong số rất ít đơn vị thực hiện chức năng đào tạo, nghiên cứu khoa học (NCKH) và chuyển giao công nghệ (CGCN) trong lĩnh vực vật liệu ceramic tại Việt Nam. Một số trung tâm nghiên cứu thuộc Bộ xây dựng, Bộ công thương và một số tập đoàn đẩy mạnh nghiên cứu hợp chuẩn, hợp quy và một số bài toán cụ thể của doanh nghiệp, tuy nhiên đội ngũ cán bộ khoa học trình độ cao còn mỏng. ĐHBKHN có hai nhóm chuyên môn Công nghệ Vật liệu Silicat và Công nghệ Các chất Vô cơ và Dinh dưỡng cây trồng thực hiện đào tạo chuyên sâu về vật liệu ceramic, trong đó bao gồm nhưng không giới hạn ở các vật liệu xi măng, chất kết dính vô cơ, gốm sứ, vật liệu chịu lửa, thủy tinh, gốm thuỷ tinh, chất màu, màng phủ vô cơ, composit và gốm y sinh. Hai nhóm chuyên môn có mối liên hệ và hợp tác chặt chẽ với nhiều nhà máy trong Tổng công ty Viglacera, Tổng công ty xi măng Việt Nam Vicem, Tập đoàn Hóa chất Việt Nam Vinachem, Tập đoàn Hòa Phát, Tổng công ty vật liệu xây dựng số 1, v.v… cũng như các nhà máy khác trong ngành và các viện nghiên cứu và phát triển vật liệu [Phụ lục 1].

Dưới đây là một số nhu cầu về vật liệu ceramic tiên tiến cần đào tạo, nghiên cứu, làm chủ công nghệ để phục vụ các lĩnh vực hiện nay

• Nhu cầu vật liệu gốm cao cấp (có độ sạch cao) làm vật liệu cách điện

• Nhu cầu về gốm cao cấp chịu ăn mòn dùng cho công nghiệp hóa chất, luyện kim

• Nhu cầu vật liệu gốm cao cấp dùng làm hạt nghiền, tấm lót cho các máy nghiền siêu mịn, siêu sạch để sản xuất thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, vật liệu điện tử và vật liệu bán dẫn… có độ sạch cao

• Nhu cầu lớp phủ gốm bảo vệ ăn mòn, mài mòn, chịu nhiệt, cách điện… dùng cho các lĩnh vực công nghiệp hóa chất, luyện kim, điện-điện tử, quốc phòng

• Nhu cầu vật liệu gốm y sinh làm xương, răng nhân tạo

• Nhu cầu gốm xốp cách âm, cách nhiệt làm việc trong môi trường nhiệt độ cao có ăn mòn và mài mòn

• Nhu cầu các sản phẩm bông gốm, bông khoáng cho ứng dụng bảo ôn, cách nhiệt

• Nhu cầu gốm xốp cho hấp phụ, màng lọc khí và bụi trong môi trường nhiệt độ cao, có ăn mòn và mài mòn

• Nhu cầu về gốm trong suốt làm kính cường lực, chịu ăn mòn và mài mòn cao

• Nhu cầu về gốm siêu cứng làm áo chống đạn, tấm chắn chống đạn

• Nhu cầu về vật liệu chịu lửa nhiệt độ cao (trên 2500⁰C) dùng cho công nghiệp luyện kim để sản xuất các loại thép và hợp kim đặc biệt cho công nghiêp sản xuất ôtô, công nghiệp quốc phòng 

• Nhu cầu về các chất kết dính vô cơ chịu nhiệt, chống cháy, chịu ăn mòn và mài mòn, không chứa dung môi hữu cơ nhằm hạn chế cháy nổ và thân thiện môi trường

• Nhu cầu về các loại chất màu vô cơ chịu nhiệt thay cho các chất màu hữu cơ trong các loại vật liệu màng phủ chịu nhiệt và chống cháy, chịu ăn mòn và mài mòn, vật liệu cần bền màu, vật liệu làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao và ổn định về màu sắc.

2. Mục tiêu chung

Phục vụ thí nghiệm đáp ứng yêu cầu nghiên cứu của sinh viên, học viên sau đại học và nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực vật liệu ceramic. Trang thiết bị phục vụ đào tạo và nghiên cứu đạt trình độ các nước trong khu vực và có thể tiếp cận trình độ các nước tiên tiến trên thế giới.

Mục tiêu cụ thể

• Lĩnh vực vật liệu kết dính cấu trúc: Phục vụ thí nghiệm đáp ứng yêu cầu nghiên cứu của sinh viên, học viên sau đại học và nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực vật liệu kết dính nhằm phát triển các vật liệu xi măng thông thường, xi măng có tính năng đặc biệt và các chế phẩm từ xi măng.

• Lĩnh vực gốm kỹ thuật: Phục vụ thí nghiệm đáp ứng yêu cầu nghiên cứu của sinh viên, học viên sau đại học và nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực gốm kỹ thuật nhằm phát triển các sản phẩm gốm bền cơ và/hoặc bền hoá, bền nhiệt, cách điện, cách nhiệt, có tính tương thích sinh học… có khả năng sản xuất thương mại và đáp ứng nhu cầu về các sản phẩm gốm có tính năng đặc biệt.

• Lĩnh vực thủy tinh và gốm thủy tinh: nhằm phát huy truyền thống đào tạo đội ngũ cán bộ kĩ thuật, chuyên gia trình độ cao trong lĩnh vực thủy tinh & gốm thủy tinh đáp ứng nhu cầu sản xuất thực tế đồng thời phát triển tối ưu hóa các loại vật liệu thuỷ tinh thông thường, thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh chuyên dụng.

• Lĩnh vực vật liệu chịu nhiệt độ cao: Việc đầu tư này nhằm phát triển và chủ động phát triển các vật liệu dùng trong môi trường khắc nghiệt chịu tác động của một hoặc nhiều yếu tố hoá, cơ, nhiệt, bức xạ điện từ.

• Lĩnh vực chất màu vô cơ: nhằm phát triển chủ động nguồn chất màu cho công nghiệp sản xuất các sản phẩm công nghiệp như: công nghiệp sơn, nhựa, cao su, gốm sứ, mỹ thuật, vật liệu mới…

• Lĩnh vực màng phủ chức năng: nhằm tạo ra các loại màng phủ có tính năng đặc biệt, sử dụng trong một số lĩnh vực như: chiếu sáng, nông nghiệp, công nghiệp quốc phòng, giao thông, năng lượng mới, xử lý môi trường…

3. Chức năng, nhiệm vụ

+ Hỗ trợ đào tạo, nghiên cứu vật liệu ceramic;

+ Nâng cao chất lượng Đào tạo và Nghiên cứu các lĩnh vực nêu trên, hướng tới đạt trình độ tương đương với khu vực và trên thế giới, đồng thời tăng số lượng và chất lượng các công bố quốc tế;

+ Thúc đẩy phát triển các nghiên cứu là thế mạnh của Việt Nam, làm cơ sở tăng cường hợp tác giữa các đơn vị trong và ngoài nước, phát huy các hướng nghiên cứu tiềm năng có tính ứng dụng thực tiễn cao, bước đầu góp phần tạo ra các sản phẩm có tính ứng dụng.

4. Nội dung phát triển chuyên môn

Lĩnh vực Vật liệu kết dính cấu trúc

• Phát triển xi măng Pooc lăng và xi măng Pooc lăng hỗn hợp theo hướng tận dụng tối đa nguồn tài nguyên sẵn có; xử lý rác thải; xử lý phế thải nhiệt điện, luyện kim…làm nguyên liệu, phụ gia xi măng; bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng.

• Phát triển các hệ xi măng đặc biệt như xi măng chịu nhiệt, xi măng dùng trong môi trường biển đảo, xi măng giãn nở, xi măng dùng trong cấy ghép xương, xi măng cản xạ, xi măng trang trí, xi măng đóng rắn nhanh, xi măng ít tỏa nhiệt, xi măng ít kiềm…

• Phát triển các chế phẩm từ xi măng như xi măng đa cấu tử, bê tông đúc dưới nước, bê tông xây nhà máy điện hạt nhân, bê tông xây đập thuỷ điện, bê tông siêu tính năng …

• Phát triển các phụ gia hiệu quả cao

Lĩnh vực Gốm kỹ thuật

• Nâng cao tính năng của các sản phẩm gốm xây dựng, gốm dân dụng và gốm kỹ thuật đang sản xuất trong nước

• Phát triển các sản phẩm gốm xốp ứng dụng làm vật liệu cách âm, cách nhiệt, vật liệu lọc, xúc tác và chất mang

• Phát triển và ứng dụng vật liệu gốm nano

• Phát triển các sản phẩm gốm chịu ăn mòn, chịu mài mòn, bền cơ và siêu bền cơ

• Phát triển các sản phẩm bông gốm, bông khoáng cho ứng dụng bảo ôn, cách nhiệt

• Phát triển các sản phẩm lai ghép như composit cốt sợi/hạt gốm, cermet,… nhằm phát huy tính năng của từng loại vật liệu

• Chế tạo màng gốm cho quá trình nanofiltration và màng gốm xúc tác để phân tách khí trong điều kiện đặc biệt

• Phát triển gốm y sinh dùng làm xương, răng nhân tạo

Lĩnh vực Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh

• Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu thay thế, thay đổi thành phần hóa học của thủy tinh nhằm tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất, tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên

• Phát triển kỹ thuật biến tính nhằm nâng cao tính năng của các sản phẩm thuỷ tinh thông thường: trang trí, chiếu sáng,…

• Phát triển các sản phẩm thủy tinh chuyên dụng: kính lowE, kính ngăn tia α, β...; các sản phẩm thuỷ tinh bền cơ ứng dụng trong xây dựng, kiến trúc, giao thông và các thiết bị điện tử

• Phát triển vật liệu dùng cho chiếu sáng tiết kiệm năng lượng: thủy tinh huỳnh quang, bột huỳnh quang 

• Phát triển thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh bền nhiệt dùng trong công nghiệp và dân dụng: nghiên cứu đề xuất bài phối liệu, các phương pháp tăng độ bền cơ…

• Phát triển vật liệu thu và truyền tín hiệu quang, khuyếch đại tín hiệu quang trong các thiết bị quang học, cáp quang: thủy tinh và gốm thủy tinh quang học.

• Phát triển và làm chủ kỹ thuật sản xuất gốm thuỷ tinh sinh học thay thế mô xương

Lĩnh vực Vật liệu chịu nhiệt độ cao

• Cải thiện chất lượng các hệ vật liệu chịu lửa đang sản xuất tại Việt Nam

• Nghiên cứu phát triển các hệ vật liệu chịu lửa mới, đáp ứng yêu cầu về tuổi thọ và môi trường sử dụng đang ngày càng khắt khe của công nghiệp hoá chất, luyện kim và vật liệu xây dựng

• Phát triển các vật liệu ceramic đa tinh thể không chứa oxy như các hệ carbide, nitride, … có độ sạch cao, sít đặc hoàn toàn, độ cứng thang Mohs trên 8, chịu mài mòn, chịu va đập cơ học, chịu nhiệt độ cao, bức xạ điện từ cường độ lớn

• Phát triển các vật liệu ceramic đa tinh thể đẳng hướng chứa oxy có độ sạch cao, sít đặc hoàn toàn, có độ cứng cao, chịu mài mòn, chịu va đập cơ học, chịu nhiệt độ cao, bức xạ điện từ cường độ lớn và hấp thụ bức xạ điện từ có chọn lọc.

 Lĩnh vực Chất màu vô cơ

• Sử dụng có hiệu quả nguồn khoáng sản chứa các oxit kim loại dùng trong sản xuất chất màu vô cơ

• Làm chủ công nghệ sản xuất các chất màu vô cơ từ một số nguyên liệu khác nhau (khoáng sản, chất thải công nghiệp)

• Tạo ra các loại bột màu vô cơ khác nhau về màu sắc và tính chất lý hóa để có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực 

• Chuyển giao công nghệ cho cơ sở sản xuất (từ 2-3 hợp đồng chuyển giao công nghệ)

 Lĩnh vực Màng phủ chức năng

• Công nghệ chế tạo một số màng phủ chức năng dùng trong chiếu sáng, nông nghiệp, công nghiệp quốc phòng, giao thông, năng lượng mới, xử lý môi trường… 

• Màng phủ siêu ưa nước hoặc siêu kị nước sử dụng cho mục đích tự làm sạch, phục vụ cho lĩnh vực xây dựng và công nghiệp ôtô. 

• Màng phủ xúc tác quang dùng trong xử lý môi trường, pin năng lượng, vật liệu xây dựng thông minh. 

• Màng phủ có khả năng hấp thụ bức xạ UV, sóng rada dùng trong lĩnh vực nông nghiệp, bảo vệ môi trường và khoa học quân sự. 

• Màng phủ siêu cứng, siêu bền, chịu hóa chất, chịu nhiệt độ cao, hiển thị nhiệt dùng trong công nghiệp hóa chất, luyện kim, cơ khí và một số ngành công nghiệp khác. 

• Màng phủ phản quang, phát quang dùng trong lĩnh vực giao thông và xây dựng. 

• Màng phủ cách điện hoặc dẫn điện, cách nhiệt hoặc dẫn nhiệt, chống cháy... được dùng trong công nghiệp và đời sống.

5. Cơ cấu tổ chức