Đang tải... (xem toàn văn)
Ăn mòn LDDT TYB Chương 1 CẤU TRÚC TINH THỂ 1 Phân loại chất rắn Vật liệu kết tính các nguyên tử sắp xếp tuần hoàn trong không gian Vật liệu vô định hình các nguyên tử không sắp xếp tuân fhoafn trong không gian 2 Đơn tinh thể và đa tinh thể Đơn tinh thể các nguyên tử sắp xếp trật tự trong toàn bộ không gian Đa tinh thể gồm các đơn tinh thể nhỏ didnhk hướng ngẫu nhiên 3 Các loại tinh thể Chất rắn lực hút giữa các phân tử, nguyên tử thắng được lực phân lý, có khuynh hướng sắp xếp để đạt được độ trậ.
Ăn mòn LDDT - TYB Chương 1: CẤU TRÚC TINH THỂ Phân loại chất rắn - Vật liệu kết tính: ngun tử xếp tuần hồn khơng gian - Vật liệu vơ định hình: ngun tử không xếp tuân fhoafn không gian Đơn tinh thể đa tinh thể - Đơn tinh thể: nguyên tử xếp trật tự toàn không gian - Đa tinh thể: gồm đơn tinh thể nhỏ didnhk hướng ngẫu nhiên Các loại tinh thể - Chất rắn: lực hút phân tử, nguyên tử thắng lực phân lý, có khuynh hướng xếp để đạt độ trật tự cao (đối xứng) - Dựa vào lực liên kết nguyên tử, chất rắn chia thành: Tinh thể ion NaCl, CuSO4 Tinh thể cộng hóa trị Kim cương, SiO2 Tinh thể kim loại Fe, K Tinh thể Van der Waals Nước đá, He rắn Cấu trúc tinh thể Cấu trúc tinh thể = mạng tinh thể + ô sở Mạng, nút mạng, ô sở - Mạng không gian: phát triển khung tinh thể khơng gian ba chiều, đó, cá ngun tử (hoặc phân tử) nối với đường thẳng - Giao điểm đường thẳng gọi nút mạng Mỗi nút mạng bao quanh giống - Ô sở: thể cấu trúc tinh thể lặp lặp lại tạo nên tinh thể Các cách biểu diễn ô sở Phương tinh thể Phương tinh thể xác định qua gốc tọa độ O, phương không qua gốc tọa độ O, ta xác định phương song song qua gốc tọa độ O - Tên phương gọi cách chuyển tọa độ điểm số nguyên tương ứng nhỏ - Dấu trừ kí hiệu dấu gạch ngang đầu: [1 3̅] Chỉ số Miller - - Chỉ số Miller dùng để ký hiệu mặt mạng tinh thể Tất các mặt song song với tương đương hay đồng nên có số Miller Các xác định số Miller + Mở rộng mặt phẳng cắt trục toạ độ x, y, z + Lập giá trị nghịch đảo tọa độ này: 1/x, 1/y, 1/z + Nhân phân số với bội số chung nhỏ mẫu số bỏ mẫu số ta h, l, k + Viết số Miller cho mặt: (h k l) Chú ý: + Nếu mặt phẳng song song với trục tọa độ cắt trục vơ cùng, đó, nghịch đảo lại ta số + Nếu mặt phẳng qua gốc tọa độ, ta dời mặt đến vị trí khác song song với mặt ban đầu, sau xác định số Miller + Dấu trừ có kí hiệu dấu gạch ngang đầu (ví dụ: (1 3̅), không viết dấu trừ - Khoảng mặt Ta có số Miller mặt là: (h k l) Công thức Hệ lập phương 𝑑ℎ𝑘𝑙 Hệ tứ phương 𝑑ℎ𝑘𝑙 Hệ trực giao 𝑑ℎ𝑘𝑙 = ℎ2 + 𝑘 + 𝑙 𝑎2 ℎ2 + 𝑘 𝑙 = + 𝑎2 𝑐2 ℎ2 𝑘 𝑙 = 2+ 2+ 𝑎 𝑏 𝑐 Xác định khoảng cách mặt nhiễu xạ tia X - Điều kiện nhiễu xạ: 𝑛𝜆 = 2𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜃 Trong đó: n: số nguyên, số chiều dài bước sóng d: khoảng cách gữa hai mặt lặp lại 𝜃: Góc nhiễu xạ 𝜆: chiều dài bước sóng Sự xếp đặc khít 𝑎 = 2𝑟 √2𝑎 = 4𝑟 √3𝑎 = 4𝑟 Một số tinh thể ion thường gặp Tỉ lệ bán kính Chưa biết CsCl Chiều mạng 𝑟+ /𝑟− = 0.732 < 𝑟+ /𝑟− < 𝑎= dài ô Số Độ đặc khít phối trí 12 2(𝑟𝐶 + 𝑟𝐴 ) √3 (Tiếp xúc đường chéo khối) NaCl 0.414 < 𝑟+ /𝑟− < 0.732 ZnS 0.225 < 𝑟+ /𝑟− < 0.414 𝑎 = 2(𝑟𝐶 + 𝑟𝐴 ) (Tiếp xúc cạnh) 𝑃𝐷 = 𝜋√3(𝑟−3 + 𝑟+3 ) 2(𝑟− + 𝑟+ )3 𝑃𝐷 = 2𝜋(𝑟−3 + 𝑟+3 ) 3(𝑟− + 𝑟+ )3 Ví dụ CsCl, CsBr, CsI, CsCN, NH4Cl, NH4Br, TlCl, TlBr, TlI LiF, LIBr, LIH, NaCl, NaI, ScN, UN LiCl, LiI, NaF, NaBr, NaH, TiN, 𝑎= CaF2 - 𝑎= 4(𝑟𝐶 + 𝑟𝐴 ) ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, BeO, CdS, CdSe, MnS, MnSe √3 4(𝑟𝐶 + 𝑟𝐴 ) √3 Ca2+ F- 𝑃𝐷 = Tính dung sai cấu trúc Perovskite: 2𝜏(𝑟𝐵 + 𝑟𝑂 ) = √2(𝑟𝐴 + 𝑟𝑂 ) Lưu ý: Theo bán khính Goldshmidt: 𝜏 < 0.9: biến dạng trực thoi (orthorombic) 𝜏 = 0.9 − 0.95: biến dạng vuông phẳng (quadratic) 𝜏 = 0.95 − 1.00: cấu trúc lập phương (cubic) 𝜏 > 1.00: biến dạng lục phương (hexagonal) Theo bán kính Shannon – Prewitt: 0.9 < 𝜏 < 1.0: cấu trúc lập phương (cubic) 𝜏 < 0.9 𝜏 > 1: cấu trúc biến dạng √3𝜋(𝑟−3 + 𝑟+3 ) 4(𝑟− + 𝑟+ )3 CaF2, SrF2, SrCl2, BaF2, BaCl2, CdF2, HgF2, EuF2, 𝛽PbF2 Chương 2: KHUYẾT TẬT TINH THỂ - Tinh thể hoàn thiệt: bố trí vào nút mạng cách có trật tự, trường hợp lý tưởng 0K - Tinh thể thực: tác dụng nhiệt độ, nguyên tử di chuyển tạo khuyết tật, phần lớn tinh thể có nồng độ khuyết tật 1% Các loại khuyết tật Theo thành phần Hóa học Khuyết tật hợp thức Khuyết tật không hợp thức Vd: NaCl Na1+xCl, FeO Fe1-xO với 𝑥 ≪ Theo thành phần tạp chất Theo mạng lưới tinh thể Khuyết tật nội Khuyết tật điểm (0D) Khuyết tật ngoại lai Khuyết tật đường (1D) Vd: chất bán dẫn n Si có lẫn Khuyết tật mặt (2D) As Khuyết tật vùng hay khuyết tật khối (3D) Khuyết tật điểm - Sai sót khơng tỷ lượng (khơng hợp thức): phụ thuộc nhiệt độ mà môi trường Khuyết tật ngoại lai (tạp chất) Khuyết tật không hợp thức - Sai sót có tỷ lượng (hợp thức): phụ thuộc nhiệt độ Quy ước M nguyên tử M (cation) nằm vị trí M Mi nguyên tử M nằm vị trí xen kẽ Khuyết tật kiểu Frenkel: xen kẽ 𝑀𝑀 𝑀∙𝑖 X nguyên tử X (anion) nằm vị trí X Xi nguyên tử X nằm vị trí xen kẻ 𝑋𝑋 Khuyết tật vị trí M (lỗ trống) 𝑉𝑀′ Khuyết tật vị trí X (lỗ trống) 𝑉𝑋∙ M M nằm vị trí X 𝑀𝑋∙∙ X X vị trí M ′′ 𝑋𝑀 Y hóa trị +2 nằm vị trí M 𝑌𝑀∙ L hóa trị -2 nằm vị trí X 𝐿′𝑋 M Khuyết tật kiểu Schottky: trống 𝑋𝑖′ Dấu “∙” điện tích +1 Dấu “′” điện tích -1 Cho cation: 𝑀𝑖∙ + 𝑉𝑀′ = Cho anion: 𝑋𝑖′ + 𝑉𝑋∙ = 𝑉𝑋∙ + 𝑉𝑀′ = - Các kiểu khuyết tật chủ yếu: - Mất trật tự có phụ gia: cation Y thay cho cation M hay anion L thay cho anion X Ví dụ: Cho LiCl vào mạng tinh thể NaCl: 𝐿𝑖𝐶𝑙 = 𝐿𝑖𝑁𝑎 + 𝐶𝑙𝐶𝑙 Cho NaBr vào mạng tinh thể NaCl: 𝑁𝑎𝐵𝑟 = 𝐵𝑟𝐶𝑙 + 𝑁𝑎𝑁𝑎 Cho SrCl2 vào mạng NaCl: ∙ ′ Tạo lỗ trống: 𝑆𝑟𝐶𝑙2 = 𝑆𝑟𝑁𝑎 + 2𝐶𝑙𝐶𝑙 + 𝑉𝑁𝑎 (Na thay Sr, Cl xếp vào vị trí nó, tạo lỗ trống Na) ∙ Xen kẽ: 𝑆𝑟𝐶𝑙2 = 𝑆𝑟𝑁𝑎 + 𝐶𝑙𝑖′ + 𝐶𝑙𝐶𝑙 (Na thay Sr, Cl xếp xào chỗ nó, Cl xen kẽ) ∙ ∙ ′′ Mạng CaF2 có phụ gia YF3: 𝑌𝐹3 = 𝑌𝐶𝑎 + 2𝐹𝐹 + 𝐹𝑖′ (ℎ𝑜ặ𝑐 2𝑌𝐹3 = 2𝑌𝐶𝑎 + 6𝐹𝐹 + 𝑉𝐶𝑎 ???) ′ ′ ∙ Mạng CaF2 có phụ gia NaF: 𝑁𝑎𝐹 = 𝑁𝑎𝐶𝑎 + 𝐹𝐹 + 𝑉𝐹 (hoặc 𝑁𝑎𝐹 = 𝑁𝑎𝐶𝑎 + 2𝐹𝐹 + 𝑁𝑎𝑖∙ ? ? ?) - Các trung tâm khuyết tật TH 1: Thừa kim loại TH 2: Thiếu kim loại Dung dịch rắn - Gồm chất (dung mơi) phụ gia (chất tan) - Kiểu mạng dung môi bảo toàn - Tuy nhiên, dung dịch rắn khác dung dịch hợp chất hóa học - Phân loại: Đặc điểm Dung dịch rắn thay thể Nguyên tử hay ion chất tan chỗ dung môi Yêu cầu Cấu trúc chất tan gần giống dung mơi Hình ảnh minh họa Dung dịch rắn xen kẽ Nguyên tur hay ion chất tan xen kẽ nút mạng tinh thể Bán kính chất tan nhỏ H, C, B, N 𝑟𝐴 /𝑟𝐵 ≤ 0.59 Thay đồng hình – phân tử đồng hình Bán kính tương đương (sai lệch không 15%) Cấu trúc gần giống Hóa trị, số phối trí gần giống Cấu hình e, độ phân cực Cơ chế tạo - Phụ gia ion có hóa trị lớn thành Vd 1: NaCl có CaCl2 ∙ ′ Trống cation: 𝐶𝑎𝐶𝑙2 = 𝐶𝑎𝑁𝑎 + 2𝐶𝑙𝐶𝑙 + 𝑉𝑁𝑎 ⇒ 𝑁𝑎1−2𝑥 𝐶𝑎𝑥 𝑉𝑥 𝐶𝑙 (1 𝑁𝑎 𝑏ị 𝑡ℎế 𝑐ℎỗ, 𝑁𝑎 𝑡ạ𝑜 𝑙ỗ 𝑡𝑟ố𝑛𝑔) ∙ Xen kẽ anion: 𝐶𝑎𝐶𝑙2 = 𝐶𝑎𝑁𝑎 + 𝐶𝑙𝐶𝑙 + 𝐶𝑙𝑖′ ⇒ 𝑁𝑎1−𝑥 𝐶𝑎𝑥 𝐶𝑙1+𝑥 Vd 2: CaF2 có YF3 ∙ Xen kẽ anion: 𝑌𝐹3 = 𝑌𝐶𝑎 + 2𝑌𝑌 + 𝑌𝑖′ ⇒ 𝐶𝑎1−𝑥 𝑌𝑥 𝐹2+𝑥 - Phụ gia ion có hóa trị nhỏ Vd 1: ZrO2 có CaO ′′ Trống anion: 𝐶𝑎𝑂 = 𝐶𝑎𝑍𝑟 + 𝑂𝑂 + 𝑉𝑂∙∙ ⇒ 𝑍𝑟1−𝑥 𝐶𝑎𝑥 𝑂2−𝑥 𝑉𝑥 Vd 2: Li4SiO4 có lẫn Al3+ Xen kẽ cation: 𝐿𝑖4+𝑥 𝑆𝑖1−𝑥 𝐴𝑙𝑥 𝑂4 Ảnh hưởng khuyết tật Độ dẫn điện Đỗ dẫn kim loại phụ thuộc nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, độ linh động e bị cản trở dao động nhiệt e, điện trở tăng → Tạp chất sai sót gây nhiễu xạ e làm tăng điện trở vật dẫn - Độ dẫn điện chất bán dẫn tăng nhiệt độ tăng → tạp chất nhóm III (bán dẫn kiểu p) V (bán dẫn kiểu n) làm tăng đáng kể số lỗ trống e tự làm tăng độ dẫn bán dẫn - Sai sót cấu trúc ảnh hưởng tới tính chất chất điện mơi Tính chất quang - Sự hấp thụ: tinh thể hoàn thiện suốt với ánh sáng Các dạng khuyết tật tạo nên trung tâm màu Miền hấp thụ phụ thuộc kiểu sai sót Cường độ hấp thụ phụ thuộc nống độ sai sót Có thể nghiên cứu cấu trúc chất rắn quang phổ - Hiện tượng xạ: e chuyển từ vùng kích thích vùng hóa tri → phát quang Hiện tượng phát huỳnh quang chủ yế mạng có tạp chất Ví dụ: KBr có lẫn Tl3+, ZnS hay CdS lẫn Ag+ Tính chất nhiệt Nhiệt dung độ dẫn nhiệt bị ảnh hưởng - Các tạp chất C, S, N, O làm giảm mạnh độ từ thẩm 𝜇 chất sắt từ, làm giảm từ tính vĩnh cửu Tính chất học - Độ bền tinh thể thực bị giảm rát nhiều so với tinh thể lý tưởng sau sót cấu trúc - Tạp chất ngăn chuyển động loại lệch mạng → làm tâng độ bền vật liệu Vd: thép tạo cacbua sắt Tính chất xúc Tại vị trí khuyết tật trở thành tâm xúc tác, vật liệu gốm bán dẫn xúc tác tác nhờ vào khả cho nhận e lỗ trống Tính chất từ Chương 3: CẤU TRÚC VẬT LIỆU HỮU CƠ - Vật liệu hữu tên gọi chung vật liệu có thành phần hữu - Vật liệu sử dụng công nghiệp vầ dân dụng thường dạng tự nhiên hay tổng hợp - Vật liệu hữu có chứa hợp chất cao phân tử (có khối lượng phân tử từ 10000 đến 106 g/mol chất phụ gia… Hợp chất cao phân tử - Hợp chất cao phân tử có nhiều dạng khác dạng tự nhiên (ví dụ: cellulose có gỗ, vải, ablumin…) tổng hợp - Tổng hợp hợp chất cao phân tử gồm hai cách + Trùng ngưng: hai loại monomer khác tác dụng lại với nhau: 𝑀𝑥 + 𝑀𝑦 → 𝑀𝑥+𝑦 với x y ≥ - - + Trùng hợp: monomer nối với monomer có chứa liên kết 𝐶 = 𝐶, 𝐶 = 𝑂, 𝐶 ≡ 𝑁, 𝑁 = 𝑁 = 𝑂, 𝐶 ≡ 𝐶, … Có cách tính khối lượng phân tử Polymer Mức độ trùng hợp: 𝐷𝑃 = ̅̅̅̅̅ 𝑀𝑛 𝑚 ̅̅̅̅ 𝑀𝑛 = ∑𝑖 𝑁𝑖 𝑀𝑖 = ∑ 𝑥𝑖 𝑀𝑖 ∑𝑖 𝑁𝑖 ̅̅̅̅ 𝑀𝑛 = ∑𝑖 𝑁𝑖 𝑀𝑖2 = ∑ 𝑤𝑖 𝑀𝑖 ∑𝑖 𝑁𝑖 𝑀𝑖 với m khối lượng mắc xích Phụ gia - Chất làm đầy – Fillers: tăng cường tính (kéo nén), chống mài mịn, tính bền dai, dẻo, bền nhiệt giảm giá thành VD: mùn cưa, bột silica (cát), vụn thủy tinh, đất sét, bột talc, đá vôi, polymer khác - Chất làm dẻo – Plasticizers: chất hóa dẻo làm giảm nhiệt độ thủy tinh hóa Tg, nhiệt độ nóng chảy Tm polymer, làm giảm tính cứng tăng tính bền, dai, dẻo, mềm vật liệu Chất hóa dẻo thường ester hợp chất DBP – dibutyl phtalat, DOP – dioctyl phtalat, DIOP – diizootyl phtalat…Ứng dụng để làm mỏng, áo mưa, ống, cửa,… - Chất tạo màu – Colorants: thuốc nhuồm (dye) (hữu cơ) bột màu (pifment) (oxit vô cơ) - Chất ổn định – Stabilizers: giúp tăng tuổi thọ polymer làm việc môi trường ánh sáng, nhiệt, xạ - Chất chống cháy – Flame retardants (thường chất bền): + Có nhiệm vụ làm chậm, ngăn cản dập tắt trình cháy + Tạo lớp bảo vệ bề mặt pha rắn để ngăn cản tiếp xúc oxy với bề mặt polymer, tạo thành lớp cách nhiệt + Dập tắt gốc tự hoạt động pha khí: phụ gia có chứa halogen photpho tác dụng với gốc tự ày để tạo chất hoạt động gớp phần ngăn cản cháy Cấu trúc 3.1 Cấu trúc hình học High-density polyethylene (HDPE) 10000 – Khơng phân nhánh, kín, 100000 cứng (tương đối đục) Các chai dầu gôi, sữa tắm, … Ultra-highmolecularweight polyethylene (UHMWPE) Polyvinyl chloride (PVC) – triệu Khơng phân nhánh, cứng Nón bảo hiểm, thay thể khớp xương, bánh 4000 5000 Ống nhựa, đĩa nhạc Polyester (PETE) 4000 8000 – Khá phân cực, liên kết ngang mạnh, cứng, giịn, dùng thực phẩm có Cl phân hủy nhiệt độ cao – Tương đối cứng Nylon polyamit Kevlar Nhựa ABS Polyethylene terephthalate – Dai Acrylonitrile 1,3-butadiene Styrene Liên kết cộng hóa trị mạnh liên kết hydro Lực Van der Waals lớn, vòng benzene tăng lwucj hút, cứng Nhẹ, cứng, dễ uốn, chịu va đập tốt Trắng đục đục Chai nước Làm dây câu cá, quần áo Vật liệu bảo vệ áo chống đạn Làm ống, dụng cụ âm nhạc, đầu gậy đánh golf, phận tự động, vỏ bánh râng, lớp bảo vệ đầu hộp số, đồ chơi, mạ điện,… So sánh cotton nylon Cotton: mát, có OH hút nước, dễ nhuộm (chất nhuộm phân cực), sợi tự nhiên → vi khuẩn tác động Nylon: kiên kết ngang tốt → dai, bền, quần áo bị nhăn, khó nhuộm, phối hợp với cotton Mạ ABS: trùng hợp −𝐶𝐻2 − 𝐶𝐻 = 𝐶𝐻 − 𝐶𝐻2 −, dùng 𝐾2 𝐶𝑟2 𝑂7 (trong 𝐻2 𝑆𝑂4) cắt nối đôi, bề mặt nhựa xuất nhiều lỗ nhỏ, xảy tượng xâm thực, dùng Pd xúc tác để mạ kim loại lên Nhựa để mạ không thiết ABS ABS tốt 12 Ký hiệu nhựa tái chế 13 Cotton Là chuỗi dài cellulose với liên kết hydro Chương 4: TÍNH CHẤT CƠ CỦA VẬT LIỆU Các loại biến dạng - Biến dạng kéo - Biến dạng nén - Biến dạng trượt (cắt) - Biến dạng xoắn Ứng suất (stress): 𝜎 (𝑃𝑎, 𝑁/𝑚2 ) 𝐹 𝐴0 Trong 𝐴0 diện tích băn đầu trước tác dụng lực Độ biến dạng (strain) 𝜎= 𝜖= 𝑙𝑖 −𝑙0 𝑙0 = ∆𝑙 𝑙0 𝜀 = 𝛿/𝐿0 Modul đàn hồi E (Pa) (modul Young): giới hạn nhỏ, độ biến dạng 𝜀 tỉ lệ thuận với ứng suất tác động 𝜎 𝐹 ∆𝐿 =𝐸 → 𝜎 = 𝐸𝜖 𝐴0 𝐿0 Đồ thị ứng suất – biến dạng Khi tăng ứng suất (kéo) lên số vật liệu tjif độ biến dạng thay đổi qua giai đoạn: Biến dạng đàn hồi Biến dạng dẻo Xuất chỗ thắt Đứt gãy Note: Chịu kéo chịu nén Chịu kéo nguy hiểm chịu nén M 𝑇𝑆 𝜎𝑦 - Giới hạn đàn hồi thực (hồn tồn tuyến tính 100%) Giới hạn đàn hồi tuyến tính (khơng tuyết tính 100%) Giới hạn đàn hồi (Khơng tuyến tính nữa) Độ bền chảy dẻo tịnh tiến - %𝐸𝐿 = - Biến dạng đàn hồi: biến dạng bị sau bỏ tải trọng Modul biến dạng đàn hồi 𝐸 = 𝜎/𝜀 Biến dạng dẻo: biến dạng vật liệu chịu thay đổi hình dạng khơng thể đảo ngược tác dụng lực bên Liên kết bị kéo căng tác dụng lực, ngừng tác dụng lực, co lại phần, khơng thể quay lại hình dạng bàn đầu Giữa biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo có điểm giới hạn dẻo (điểm hình) Độ bền dẻo 𝝈𝒚 (yield strength) xác định độ biến dạng 𝜀𝑝 = 0.002 Độ bền dẻo phần lớn vật liệu gốm > kim loại > polymer Độ bền kéo (tensile strength) TS ứng suất 𝜎 lớn mà vật chịu (điểm M) Sau độ bền kéo: Kim loại xuất chỗ thắt Gồm sứ vệt nứt lan rộng Polymer mạch bị duỗi thẳng Trong tính thốn thiết kế, thường chọn độ bền dẻo thay độ bền kéo Độ bền chảy (ductility): ứng suất kéo bắt đầu gây hư hỏng (đứt gãy) vật liệu Vật liệu giòn %EL5% 𝐿𝑓 − 𝐿0 × 100% 𝐿0 Độ bền (kết hợp ứng suất độ biến dạng): lương cần thiết để phá vỡ đơn vị thể tích vật liệu, đặc trưng phần diện tích bên đường cong ứng suất độ biến dạng Độ cứng: mức độ chống lại biến dạng dẻo bề mặt vật liệu (một vết lõm hay trầy xướt nhỏ) Chương 5: TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU Ưu điểm tụ điện so với pin - Sạc nhanh - Phóng điện nhanh - Cơng suất lớn - Làm phần đề xe máy thay đạp - Nhược điểm: dung lượng ⇒ chế tạo siêu tụ điện Cấu trúc vùng lượng Xét lớp cùng: Vùng hóa trị: điền đầy điện tử hóa trị Vũng dẫn: trống chưa điền đầy Vùng cấm: vùng khơng cho phép vùng hóa trị vùng dẫn Chương 6: TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU Lị vi sóng: điện từ, tác dụng lên phân tử có momen lưỡng cực (Ví dụ: hâm đồ ăn lo vi sóng, hỗn hợp đồ ăn bị móng có momen lưỡng cực, cịn tơ nhựa khơng khơng có momen lượng cực, bi nóng truyền nhiệt đồ ăn bên trong) Khái niệm - Các nguyên tử, phân tử hay ion nút mạng dao động quanh vị trí cân Khi phân tử nhận lượng dao động mạnh truyền lượng dao động cho phân tử xung quanh Sự dao động tạo thành sóng âm với lượng tử sóng phonon - Electron tự kim loại bán dẫn khuếch tán mang theo lượng Nhiệt dung - Là lượng cần thiết dQ mà vật hấp thụ từ môi trường để tăng lên khoảng dT Độ dẫn nhiệt Vật liệu Ví dụ K (W/m.K) Cơ chế dẫn nhiệt Kim loại Nhôm 247 Chủ yếu di chuyển Théo 52 electron tự Vonfram 178 Vàng 315 Gốm sứ Magnesia (MgO) 38 Dao động nguyên tử, ion Alumina (Al2O3) 39 Thủy tinh Na 1.7 Silica (cryst SiO2) 1.4 Polymer Polypropylene 0.12 Dao động quay Polyethylene 0.46 – 0.50 chuỗi Polymer Polystyrene 0.13 Teflon 0.25 Mật độ e tỉ lệ thuận với độ dẫn điện Mức độ dẫn điện dẫn nhiệt gần tương đương Giãn nở nhiệt Tại có giãn nở nhiệt? 𝑙𝑓 − 𝑙0 ∆𝑙 ∆𝑉 = 𝛼𝑙 (𝑇𝑓 − 𝑇0 ) → = 𝛼𝑙 ∆𝑇 → = 𝛼𝑣 ∆𝑇 𝑙0 𝑙0 𝑉0 lf : chiều dài nhiệt độ Tf l0 : chiều dài nhiệt T0 αl : hệ số nở dài ∆V: biến đổi thể tích mẫu nhiệt độ thay đổi ∆T αv : hệ số giãn nở thể tích, tính gần αv ≈ αl Ứng suất vật liệu - Ứng suất bên trong: thay đổi nhiệt độ, vật liệu co giãn sinh ứng suất nội, thay đổi nhiệt độ từ lạnh đến nóng (T0 đến Tf): 𝜎 = 𝐸𝛼𝑙 (𝑇0 − 𝑇𝑓 ) = 𝐸𝛼𝑙 ∆𝑇 với E modul đàn hồi - Ứng suất bề mặt: vật liệu tiếp xúc vơi smooi trường nóng lạnh khác nhau, đặc biệt vật liệu dẫn nhiệt Hiện tượng shock nhiệt - Khi vật liệu tiếp xúc với mơi trường nóng lạnh đột ngột, vật liệu dẫn nhiệt kém, tạo ứng suất bề mặt lớn, gây nứt nẻ hay vỡ vụn - Khả chịu nứt nẻ hay vỡ vụn gọi độ bền shock nhiệt TSR (Thermal Shock resistance) - Các vật liệu dẻo, biến dạng dẻo thay đổi nhiệt độ đột ngột xảy tượng nứt nẻ nguyên nhân: + Sự dẫn nhiệt nhanh chóng nghĩa không sinh miền ứng suất khác Sự biến đổi cấu trúc theo nhiệt độ xảy nhanh chóng, tàn nhiệt nhanh chóng + Các vật liệu biến đổi trạng thái thuận nghịch xảy nhanh chóng thay đổi nhiệt độ: 𝑟ắ𝑛 ↔ ℎó𝑎 𝑚ề𝑚 ↔ 𝑚ề𝑚 ↔ 𝑐ℎả𝑦 𝑙ỏ𝑛𝑔 Tính chất nhiệt điện - Khi hai kim loại khác tiếp xúc với nhau, tạo thành lớp điện tích kép gọi tiếp xúc - Với kim loại, đầu tiếp xúc với nóng đầu tiếp xúc vưới lạnh điện tử chuyển từ đầu nóng sang đầu lạnh Nhưng nồng độ điện tử đầu nóng lạnh khác nhên xuất hiệu điện hai đầu - Với bán dẫn loại p n hình thành dòng khuêch tán e đàu tiếp xúc với hai môi trường khác Hiều ứng Peltier Chương 7: TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU Nguồn sáng - Mặt trời - Đấm cháy - Đèn tròn - Đèn Natri - Phản ứng hóa học - Ánh sáng từ sinh vật Sóng điện từ - Ánh sáng ó chất sóng điện từ Siêu âm khác vi sóng: vi sóng sóng điện từ, nên vi sóng tác dụng lên phân tử phân cực, cịn siêu âm dao động nên khơng có chọn lọc Các thông số quang học - Năng lượng photon E - Bước sóng 𝜆 - Tần số v - Các công thức: 𝑐 = 𝑣𝜆 𝐸 = ℎ𝑣 = ℎ𝑐 𝜆 Trong ℎ = 6,6262.10−34 𝐽𝑠: Hằng số Planck 𝑐 = 3.108 𝑚/𝑠: tốc độ ánh sáng chân không Ánh sáng chất rắn - Khi chiếu tia ánh sáng vào chất rắn, xảy tượng sau: Phản xạ Truyền qua Hấp thụ Khúc xạ Mỗi vật liệu có khả khác tượng - Cường độ tia sáng tới (Io) bị tách thành cá tia phản xạ (IR), truyền qua (IT) hấp thụ (IA) Điện tử nguyên tử Hiện tượng quang học xảy lòng chất rắn bao gồm tương tác xạ điện từ với điện tử, ion, nguyển tử - Hai tương tác quan nhất: phân cực điện tử chuyển mức lượng a Sự phân cực điện tử - Bản chất ánh sáng sóng điện từ nên có tương tác với đám mây electron bao quanh nguyên tử, tạo nên phân cực điện tử - Hệ quả: Đám mây e nguyên tử bị biến dạng, lệch so với hạt nhân Một phần lượng ánh sáng bị hấp thụ Vận tốc ánh sáng bị chậm lại b Sự chuyển mức lượng Khúc xạ - Ánh sáng bị giảm tốc (giảm bước sóng, tần số khơng đổi) đổi hướng truyền qua vật liệu Phản xạ - Kim loại phản xạ tồn ánh sáng (có ánh kim): bề mặt kim loại có e, e hấp thu lượng ánh sáng chiếu tới, vởi trạng thái bền cách phát xạ Hấp thụ kim loại - Kim loại có dãy trạng thái lượng nhau, nên hấp thu nhiều bước sóng khác - Electron ngồi bề mặt kim loại hấp thụ ánh sáng nhìn thấy xạ lại sóng ánh sáng tần số Hấp thu với vật liệu phi kim loại 10 Hấp thụ chọn lọc màu sắc 11 Truyền qua 12 Màu sắc chất rắn suốt - Màu sắc vật liệu suốt kết trình hấp thụ chọn lọc ánh sáng, kết hợp bước sóng truyền qua - Nếu hấp thụ đồng cho tất cá bước sóng, vật liệu không màu - Các vật liệu không màu suốt muốn có màu thêm phụ gia làm thay đổi Eg, vật liệu thay đổi màu 13 Sự mờ đục chất cách điện - Mức độ truyền qua mức độ đục vật liệu điện môi suốt phụ thuộc vào đặc trưng phản xạ truyền qua nội vật liệu Tia sáng truyền qua bị làm lệch hướng cá vị trí biên cá đâ tinh thể truyền nhiều lần vật liệu Độ đục vật liệu tia sáng tới bị va chạm tán xạ bề mặt vật liệu, tia sáng không truyền qua được, bị lệch hướng 14 Sự phát quang - Là phát ánh sáng từ vật liệu Vật liệu hấp thụ ánh sáng với tần số định phát tân số khác thấp (ngồi cịn phát nhiệt) Ngồi ánh sáng, sử dụng dạng lượng kahcs nhiệt năng, năng, hóa năng, điện tử lượng cao,… Phân loại: huỳnh quang lân quang Huỳnh quang Lân quang Thời gian trễ hấp thụ < 1𝑠 > 1𝑠 phát xạ - Ứng dụng: - Đèn huỳnh quang: tượng hồ quang điện điện cực âm giúp giải phóng e, e di chuyển cực dương, ion hóa khí trơ (tạo mơi trường plasma) kích thích Hg phát tia cực tím, tia kích thích phospho (P) phát ahuyfnh quang ánh sáng trắng Đèn cathod: Sử dụng hình TV CRT Sử dụng tia cathod để phát dịng e Electron kích thích P P phát ánh sáng nhìn thấy với màu sác tùy thuộc vào phụ gia Bên đèn có chất dễ cháy, phải hoạt động nhiệt độ cai nên gười ta cho thêm khí trơ Diode phát quang: LED (light Emitting Diode) cấu tạo từ khối bán dẫn loại p ghép với khối bán dẫn loại n Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, số điện tử bị lỗ trống thu thút chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp lại với nau tạo thành ngun tử trung hóa Q trình giải phóng lượng dạng ánh sáng (hay xạ điện từ có bước sóng gần đó) Một số trường hợp khác phát nhiệt không phát quang (Si, Ge) OLED: đèn LED từ polymer dẫn điện hữu Ưu điểm: nhẹ, suốt, phát sáng chiều, uốn cong được, ứng dụng làm hình TV, điện thoại 15 Hiệu ứng quang điện - Là tượng điện tử thoát khỏi vật chất sau hấp thụ lượng từ xạ điện tử - Ứng dụng: Pin quang hóa (pin mặt trời); dự trữ lượng có ánh sáng Tổng hợp hóa học: lượng ánh sáng biến đổi thành lượng điện cung caaos lượng cho phản ứng hóa học 16 Phát xạ cưỡng 17 Trạng thái siêu bền 18 Duy trì tạng thái kích thích 19 Sự khuêch đại photon 20 Laser 21 Quang dẫn sợi quang học - Sợi quang học loại cáp viễn thông làm thủy tinh nhựa, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu - Cấu tạo: Core: sợi quang nơi có ánh sáng (có chiết suất cao để ánh sáng bị phản xạ sợi, không bị khúc xạ Cladding: bao bọc lõi phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi (có chiết suất thấp hơn) Buffer coating: lớp phủ dẻo bên bảo vệ sợi không bị hỏng ẩm ướt Jacket: hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang đặt bó gọi cáp quang, bó bảo vệ lớp phủ bên gọi jacket - Đặc điểm: truyền ánh sáng nên nhanh, độ suy yếu thấp, mỏng, dung lượng truyền tải cao, khoong bị nhiễu, ảnh hưởng thời tiết, không sợ hỏa hoạn,… - Ứng dụng: cáp quang Cáp quang: Trước người ta truyền tín hiệu e, người ta dùng cáp quang để thay Cáp quang truyền tín hiệu ánh sáng, tốc độ ánh sáng nhanh, mà tín hiệu truyền nhanh Nhẹ Khơng tốn chi phí lượng cao (vì ánh sáng rẻ) An tồn, khơng cháy nổ Nhược điểm: đắt tiền, hư tự sửa khơng được, phải có thiết bị chun dụng, giịn, dễ gãy, khó uốn kim loại 22 Xúc tác quang hóa Chương 8: TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU Momen từ - Điện tử xoay quanh hạt nhân tạo momen từ nhỏ (bỏ qua) - Điện tử xoay quah trục xuất moment từ spin + Điện tử ghép đôi, spin trái dấu nên tự triệt tiêu moment từ + Điện tử không ghép đôi (electron đọc thân) tạo moment từ spin - Tính chất từ vật liệu phụ thuộc vào xếp (chiều hướng) momnet từ Electron độc thân Từ trường - Từ trường môi trường vật chất đặc biệt sinh quanh điện tích chuyển động biến thiên điện trường có nguồn gốc từ momen lưỡng cực nam châm Cảm ứng từ từ trường Từ thẩm từ cảm Phân loại vật liệu từ tính Vật Dialiệu magnetic nghịch từ - Khơng có momen từ (nhóm phi từ) Khi đặt vào từ trường ngồi phân tử xuất dịng điện phụ tạo từ trường phụ ngược chiều từ trường ngồi - - Khí (He, Ne, Ar, Kr,…) Các ion có lớp electron giống khí Kim loại (Bi, Zn, Ag, Cu, Pb) H2O, NaCl, SiO2, S, C … Vật liệu thuận từ Paramagnetic Vật liệu sắt từ Ferromagnetic Các điện tử khơng ghép đơi, nằm hướng khác Tổng moment từ hay khác - Các moment từ song song cung chiều - - - Vật liệu feri từ Vật liệu phản sắt từ Ferrimagnetic Các momnet từ song song ngược chiều giá trị moment từ khác nên tổng moment từ khác không Antiferro- Các moment magnetic từ song song ngược chiều Cấu trúc đa tinh thể Miền (domain) Từ tính yếu (nhóm phi từ), moment xếp cách tự Khi có tác dụng từ trường ngồi, momen từ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng chất tăng lên - Các chất có từ tính mạnh, hay khả hưởng ứng mạnh tác dụng từ trường ngoài, mà tiêu biểu sắt Liên quan đến e độc thân phân lớp 3d, 4f - Kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni) Kim loại đất (Gd, Nd) … - Vật liệu sắt từ chứa vùng không gian nhỏ có moment từ xếp trật tự (cùng chiều) Các vùng gọi domain, cá domain đường ranh giới - Từ tính vật liệu tổng từ tính (theo vector) cá domain Nam châm vĩnh cữu: domain có hướng xác định, xoay Nam châm điện: domain xoay Độ từ bão hịa - Khi áp từ trường ngồi H vào vật liệu sắt từ, domain có khuynh hướng xếp theo hướng từ trường, làm tăng B M - Khi H đủ lớn, tất domain xếp theo hướng ngoài, B M đật đến giá trị bão hòa (BS MS) 10 Hiện tượng trễ - Khi từ trường H thay đổi, domain có khuynh hướng xếp theo hướng Tuy nhiên, xếp chậm gây nên tượng trễ - Khi H đạt đến giá trị 0, vài domain cịn trì xếp theo hướng trước đó, tạo nên độ từ hóa dư Mr - Khi độ từ hóa 0, từ trường đảo Hc gọi độ kháng từ 11 Vật liệu từ cúng từ mềm - Vật liệt từ cứng: vật liệu sắt từ, khó khử từ khử từ hóa → nam châm vĩnh cửu (domain khó xoay, cố định) - Vật liệu từ mềm: vật liệu sắt từ, “mềm” theo phương diện từ hóa khử từ, dễ từ hóa dể khử từ → nam châm điện - Tinh thể bị khuyêt tật không tinh khiết làm giảm khả di chuyển domain (ví dụ: thép) Chương 9: ĐỘ BỀN HĨA Tốc độ ăn mòn 𝐾𝑊 𝜌𝐴𝑡 𝐶𝑃𝑅 (𝑚𝑚/𝑛ă𝑚): tốc độ ăn mòn 𝑊 (𝑚𝑔): khối lượng sau thời gian ăn mòn t (h) 𝜌 (𝑔/𝑐𝑚3 ): khối lượng riêng vật liệu bị ăn mòn 𝐴 (𝑐𝑚2 ): diện tích bị ăn mịn 𝐾 = 87.6: CPR có đơn vị (mm/năm) 𝑀𝑟 𝑀𝑖 𝐶𝑃𝑅 (𝑚/𝑠): tốc độ ăn mòn 𝐶𝑃𝑅 = = 𝑖 (𝐴/𝑚2 ): mật độ dòng 𝜌 𝜌𝑛𝐹 𝑀 (𝑔/𝑚𝑜𝑙): khối lượng mol 𝜌 (𝑔/𝑚3 ): khối lượng riêng 𝐹 (96500 𝐶/𝑚𝑜𝑙): số Faraday 𝑀𝑖 𝐶𝑃𝑅 (𝑚𝑚/𝑛ă𝑚): tốc độ ăn mòn 𝐶𝑃𝑅 = 𝐾 𝑖 (𝐴/𝑐𝑚2 ): mật độ dòng 𝜌𝑛 𝑀 (𝑔/𝑚𝑜𝑙): khối lượng mol 𝜌 (𝑔/𝑐𝑚3 ): khối lượng riêng 𝐾 = Định luật Faraday: lượng chất bị tách hay bị hòa tan điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng qua dung dịch điện ly 𝐼𝑡 𝑀 𝑚 = 𝑘0 𝐼𝑡 = 𝑘0 𝑞 = × 𝐹 𝑛 𝑚 𝐼𝑡 𝑚 𝑖 = → = 𝑀 𝑛𝐹 𝑀𝐴𝑡 𝑛𝐹 - Tốc độ ăn mịn điện hóa r ddown vị diện tích bề mặt là: 𝐶𝑃𝑅 = 𝑟= 𝑖 𝑛𝐹 𝑟 (𝑚𝑜𝑙/𝑚2 𝑠): tốc độ ăn mịn điện hóa 𝑖 (𝐴/𝑚2 ): mật độ dịng n: số electron trao đổi 𝐹 (96500 𝐶/𝑚𝑜𝑙): số Faraday ... ĐỘ BỀN HĨA Tốc độ ăn mịn
