quan hệ liên kết và tính chất của các vật liệu kim loại polymer và gốm

TR NG ĐH S PH M KỸ THU T TP.HCM Khoa Cơ Khí Ch T o Máy Tiểu lu n 1.2 Môn học V t li u kĩ thu t hi n đ i QUAN H LIÊN K T VÀ TệNH CH T C A CÁC V T LI U KIM LO I POLYMER VÀ GỐM GVHD: Nguy n Nhựt Phi Long L p: V t li u kĩ thu t hi n đ i 01 Học kì: II ậ Năm học: 2015-2016 Tp Hồ Ch́ Minh, th́ng 02 năm 2016 M cL c Nội dung Trang Chương I KIM LO I……………………………………………………1 I II Cấu trúc tinh thể kim lo i………………………………….1 Liên kết kim lo i ……………………………………… .1 M ng tinh thể kim lo i……………………………….…… Tính chất……………………………………………………….2 Chương II POLYMER………………………………………………… I II Liên kết vật liệu polymer…………………………… ……3 Cấu trúc m ch polymer……………………………… ……4 Phân lo i……………………………………………… … Tính chất………………………………………………… … Chương III G M………………………………………………… ……6 I II Cấu trúc tinh thể……………………………………………… S ph i trí tỉ s bán kính ion…… ……………………6 Kiểu cấu trúc……………………………………………….7 Tính chất………………………………………….……………7 Chương I KIM LO I I Cấu trúc tinh thể kim lo i Liên kết kim lo i Hầu hết kim lo i điều kiện thư ng tồn t i d ng tinh thể (trừ Hg) Trong tinh thể kim lo i, ion dương nguyên tử kim lo i nút m ng tinh thể Các electron hóa trị liên kết yếu với h t nhân nên dễ tách kh i nguyên tử chuyển động tự m ng tinh thể Lực hút electron ion dương t o nên liên kết kim lo i Như vậy: Liên kết kim lo i liên kết hình thành nguyên tử ion kim lo i m ng tinh thể tham gia electron tự M ng tinh thể kim lo i Các kim lo i tồn t i ba d ng tinh thể phổ biến sau: Lập phương tâm kh i: Các nguyên tử, ion kim lo i nằm đỉnh tâm hình lập phương Lập phương tâm diện: Các nguyên tử, ion kim lo i nằm đỉnh tâm mặt hình lập phương Lục phương: Các nguyên tử, ion kim lo i nằm đỉnh tâm hình lục giác đứng ba nguyên tử, ion nằm phía hình lục giác Kết cấu trúc m ng tinh thể phổ biến s kim lo i tổng kết bảng 3.1 Chúng ta tra cứu mu n biết kim lo i nghiên cứu có kiểu m ng tinh thể Thí dụ: Từ bảng 3.1 cho thấy kim lo i sắt thuộc d ng tinh thể lập phương tâm kh i, đồng d ng thuộc tinh thể lập phương tâm diện coban thuộc d ng tinh thể lục phương Ngư i ta dùng độ đặc khít ρ phần trăm thể tích mà nguyên tử chiếm tinh thể để đặc trưng cho kiểu cấu trúc Với kiểu cấu trúc lập phương tâm kh i, ρ = 68%; Kiểu cấu trúc lục phương tâm diện, ρ = 74%; Kiểu cấu trúc lập phương, ρ = 74% Phần trăm cón l i tinh thể khơng gian tr ng Thí dụ: Đ i với kim lo i có cấu trúc kiểu lập phương tâm kh i, nguyên tử kim lo i chiếm 68% thể tích tinh thể Không gian tr ng tinh thể 32% thể tích tinh thể II Tính chất + Cơ tính - Độ bền Độ cứng Độ dẻo Độ dai va đập + Lí tính - Kh i lượng riêng Trong m: kh i lượng vật chất V thể tích vật chất - Tính nóng chảy Tính dẫn nhiệt Tính dãn n Tính dẫn nhiệt Từ tính + Hóa tính - Tính hịu ăn mịn - Tính chịu nhiệt - Tính chịu axit + Tính cơng nghệ - Tính đúc Tính rèn Tính hàn Tính gia cơng cắt gọt Chương II POLYMER I Liên kết vật liệu polymer Polymer hợp chất gồm phân tử hình thành lặp lại nhiều lần hay nhiều loại nguyên tử hay nhóm nguyên tử (đơn vị cấu tạo monomer) liên kết với với số lượng lớn để tạo nên loạt tính chất mà chúng thay đổi không đáng kể lấy thêm vào vài đơn vị cấu tạo Thành phần chất dẻo polymer, hợp chất cao phân tử với cấu trúc gồm chuỗi mạch phân tử dài Nói chung, vật liệu chia thành ba nhóm, chất dẻo nhiệt dẻo, chất dẻo nhiệt rắn, vật liệu đàn hồi (elastomer) Liên kết polymer chủ yếu liên kết cộng hóa trị Cấu trúc tinh thể polymer: Trong phân tử hydrocacbon liên kết nguyên tử đồng hoá trị Mỗi nguyên tử cacbon có bốn điện tử tham gia vào liên kết này, nguyên tử hydro có điện tử liên kết - Liên kết đơn - Liên kết đôi - Liên kết ba Từ phân tử hữu (hydrocacbon) kể người ta tổng hợp thành phân tử polymer Phân loại mạch - polymer mạch thẳng (linear polymer) - polymer nhánh (branched polymer) - polymer lưới (crosslinked polymer) - polymer mạch không gian (network polymer) r Bản chất hoá học mer So với phân tử hữu vừa trình bày, phân tử polymer tổng hợp nên khổng lồ so với kích thước khối lượng phân tử lớn nên gọi cao phân tử (polymer) Trong phân tử này, nguyên tử liên kết liên kết cộng hố trị Đa số phân tử polymer có dạng mạch dài mềm dẻo mà cốt lõi chuỗi nguyên tử cacbon nguyên tử cacbon liên kết với hai nguyên tử cacbon khác hai phía Phân tử polymer ký hiệu đư ng thẳng gọi m ch hay m ch Như nói chung ngun tử cacbon có hai liên kết với nguyên tử hay g c nằm c nh bên m ch (gọi nhánh bên) Nói chung m ch nhánh bên chứa liên kết đơi Rất dễ nhận thấy phân tử cực lớn polymer gồm b i đơn vị cấu trúc mắt xích lặp lặp l i n i với gọi mer (mer xuất phát từ tiếng Hy L p “meros” có nghĩa hợp phần) Mer đơn giản gọi monomer (tức phân tử gồm mer), cịn polymer có nghĩa nhiều mer Cấu trúc m ch polymer Trong thực tế m ch polymer đư ng gãy khúc, dích dắc liên kết đơn quay u n không gian đư ng gãy khúc dích dắc mặt phẳng, đoen giản đư ng thẳng, nhiên theo qui ước sử dụng cách biểu thị đơn giản Phân lo i m ch - polymer m ch thẳng (linear polymer) - polymer nhánh (branched polymer) - polymer lưới (crosslinked polymer) - polymer m ch không gian (network polymer Khác với kim lo i thư ng tồn t i tr ng thái tinh thể, polymer thư ng tồn t i hai tr ng thái tinh thể vơ định hình - Tinh thể polymer tiểu cầu Khi tồn t i d ng tinh thể, trật tự xếp polymer ion, nguyên tử, phân tử nhóm vật liệu khác mà m ch phân tử Trong polymer tinh thể m ch xếp cho nguyên tử trật định Một s polymer kết tinh từ tr ng thái nóng chảy t o thành tiểu cầu (spherulit) Như tên gọi, tiểu cầu có d ng hình cầu Có thể coi tiểu cầu (dày khoảng 10 nm) tinh thể m ch gấp vô định hình đan xen nhau, hướng từ tâm ngồi Phâncách vùng vơ định hình, hay nói khác cáctấm liên kết với m ch n i giằng qua vùng vơđịnh hình Vậy đ i với, tiểu cầu xem lầ h t kim lo i ceramics đa tinh thể PE, PP, PVC,nylon ình thành cấu trúc tiểu cầu chúng kết tinh từ tr ng thái nóng chảy - Mức độ kết tinh Polymer Gồm b i m ch lo i polymer gồm hai vùng : tinh thể (các m ch sếp thứ tự) vô định hình (các m ch xếp ngẫu nhiên Có thể coi polymer gồm tiểu cầu tâm tinh thể xuất v ch sáng, vùng t i tiểu cầu miền vô định hình Mức độ kết tinh polymer dao động m nh từ đến gần hoàn toàn (95%) phụ thuộc vào t c độ làm nguội đông rắn hình thái cáu t o m ch mức độ đó, tính chất polymer bị ảnh hư ng b i mức độ kết tinh Polymer tinh thể bền nón chảy cao so với polymer vơ định hình nhiệt dộ cao hơn, có kh i lượng riêng Phân lo i Do hình thành liên kết, cấu trúc khác mà Polymer chia thành nhiều lo i a Theo nguồn g c hình thành: - Polymer thiên nhiên lo i có nguồn g c thực vật hay động vật xenlulô, caosu, prôtêin, enzym - Polymer tổng hợp lo i sản xuất từ lo i monomer phản ứng trùng hợp, trùng ngưng lo i polyolefin, polyvinylclorit, nhựa fenolformandehit, polyamit b Theo cấu trúc: Theo cấu trúc phân tử ngư i ta phân biệt polymer m ch thẳng, polymer m ch nhánh, polymer m ch lưới polymer m ch không gian c Theo tính chịu nhiệt: Theo biến đổi học tăng nhiệt độ ta có polymer nhiệt dẻo (thermoplastic polymer) polymer nhiệt rắn (thermosetting polymer) II Tính ch t Vật liệu polymer phổ biến thực tế, nhiều nguyên nhân: - Sự đa d ng tính chất vật liệu polymer: rắn mềm, đàn hồi, dẻo, nhẹ, - Tương đ i dễ chế t o thành sản phẩm - Tương đ i rẻ dễ kiếm nguyên liệu (than, dầu m , khí) - Bền đ i với tác dụng hóa học - bền với ăn mịn Có lo i biến d ng tồn t i vật liệu polymer: - Biến d ng đàn hồi - Biến d ng đàn tính cao - Biến d ng chảy Khi có tác động bên ngồi lên polymer cấu trúc xây dựng l i gọi hồi phục Sự biến d ng đàn hồi có liên quan đến biến đổi góc hóa trị nguyên tử m ch polymer Sự biến d ng chảy gây b i chuyển dịch phân tử lớn đ i với nhau, lúc polymer thể chất l ng Ch ơng III GỐM I C u trúc tinh thể Số phối trí tỉ số bán kính ion Như biết, hợp chất phải trung hòa điện: tổng s điện tích âm anion phải tổng s điện tích dương cation Yếu t có ảnh hư ng lớn đến kiểu m ng tinh thể s xếp( ph i trí) m ng ceramic tương quan kích thước( bán kính) ion cation anion (rC/rA) Có thể thấy nguyên tử kim lo i cho điện tử bị oxy hóa nên cation thư ng có kích thước bé anion kim nhận điện tử (bảng 7.1) nên rC/rA