Q a cuoiky cskhvl

CHƯƠNG I KHÁI NIỆM CHUNG Khái niệm vật liệu: Vật liệu gì? Khoa học vật liệu Công nghệ vật liệu? - VL sản phẩm cơng nghệ có chất liệu tính chất cần thiết, có hình dạng kích thước phù hợp mục đích sử dụng Đối tượng nghiên cứu VL chất rắn - KHVL ngành khoa học nghiên cứu mối quan hệ thống thành phần – cấu trúc – cơng nghệ chế tạo – tính chất VL - CNVL trình ứng dụng kỹ thuật vào sản xuất thương mại hóa sản phẩm Thế vật liệu kim loại? Vật liệu ceramic? Vật liệu polymer? Vật liệu composite? a Vật liệu kim loại - Kim loại nguyên chất - Hợp kim: kết hợp nhiều nguyên tố với nguyên tố nguyên tố kim loại b Vật liệu vô - ceramic - Hợp chất từ kim loại phi kim: oxides, carbides, nitrides … (SiO2 , Al2O3 , ZrO2 , SiC, TiC, BN …) c Vật liệu polymer - Các nguyên tố thành phần chủ lực: cacbon, hydro, oxy liên kết mạch phân tử kích thước lớn d Vật liệu composite - Còn gọi VL kết hợp - Kết hợp 2/nhiều loại VL có tính chất đặc trưng khác hẳn  VL với tổ hợp tính chất hồn tồn Thế vật chất có cấu trúc tinh thể ? Vơ định hình a Chất rắn tinh thể - Quy ước: nguyên tử, ion, phân tử: chất điểm - Chất rắn tinh thể: - Các chất điểm xếp theo quy luật hình học xác định có tính đối xứng tuần hồn khơng gian tinh thể - Có T nóng chảy xác định, có trật tự xa Tổng hợp từ slide thầy Nguyễn Ngọc Hà - LTNY - VL18SI b.Chất rắn vơ định hình - Các phân tử không đủ độ linh hoạt để xếp lại chuyển pha từ L -> R => CR tạo thành khơng có cấu trúc tinh thể Phân biệt đơn tinh thể, đa tinh thể a.Đơn tinh thể Những phần tử tạo nên chất rắn tinh thể Có tính chất dị hướng b.Đa tinh thể Chất rắn tinh thể tạo thành từ nhiều tinh thể nhỏ định hướng khác Có tính đẳng hướng giả Đánh giá chiều hướng trình tham số nhiệt động ∆G  G: Năng lượng tự  GA > GB  ∆G=GB-GA  Hàm ∆G dùng đánh giá chiều trình: • Q trình tự xảy ra: ∆G < • Q trình khơng xảy ra: ∆G > • Quá trình cân bằng: ∆G = CHƯƠNG II CÁC DẠNG LIÊN KẾT TRONG CHẤT RẮN Mơ hình Bohr cấu tạo nguyên tử Khái niệm mức lượng En NT gồm hạt nhân hình cầu e bao quanh Điện tích dương hạt nhân Z số lượng e bao quanh: NT trung hòa điện Các e quay quanh HN theo quỹ đạo trịn có bán kính r n : rn= n2 0,53.10-8m (n: số tự nhiên) Mỗi quỹ đạo ứng với giá trị n với mức NL E n xác định, n: số lượng tử (số LT quỹ đạo) Mỗi e có mức lượng En phụ thuộc vào Z n; n lớn mức lượng cao Tổng hợp từ slide thầy Nguyễn Ngọc Hà - LTNY - VL18SI Khi hấp thụ lượng, e chuyển lên mức NL cao (e trạng thái bị kích thích) tồn trạng thái 10-7 – 10-9 s, sau trạng thái ban đầu, giải phóng NL NL hấp thụ: ∆E= h= E2 – E1 E1 : mức lượng ban đầu e E2 : mức lượng quỹ đạo cuối e Ý nghĩa số lượng tử (n), phụ (l, m l, ms) Nguyên lý Pauli qui tắc Hund Cấu tạo Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học - số lượng tử (n) : số lượng tử quỹ đạo n (n= 1, 2, …) n xác định mức lượng nguyên tử En - Số lượng tử orbital l Số LT phụ hay số LT phương vị Liên quan tới hình dạng mây e - Số lượng tử từ ml Momen động lượng M vectơ, cho phép xác định hướng đám mây e ,có (2l+1) kiểu định hướng khác mây e, chiều phụ thuộc số LT từ cụ thể  - Các số lượng tử n, l, ml : mô tả chuyển động đám mây e quanh hạt nhân NT Mỗi e cịn CĐ tự quay quanh với động lượng riêng Ms mô tả số lượng tử spin s - Nguyên lý Pauli “Trong NT, khơng tồn e có chung số LT (m, n, ml , ms )”  quỹ đạo có e m, n, ml spin chúng trái dấu: hai e “ghép đôi” - Quy tắc Hund “Trong NT trạng thái bản, e phân lớp phân bố vào ô lượng tử cho giá trị tuyệt đối tổng spin S chúng cực đại” S= Σ|s| → max - Quy tắc Hund “Trong phân lớp, e có xu hướng điền vào lượng tử ml có giá trị lớn trước” Mỗi ngtố xếp vào có số thứ tự điện tích hạt nhân Các ngtố xếp theo chu kz tuần hồn theo nhóm ngtố có e hóa trị Bảng tuần hồn phổ biến: 18 cột, dòng, dòng kép riêng: họ Lanthanoid Acthinoid Liên kết chất rắn : Liên kết ion, cộng hóa trị, liên kết kim loại, liên kết phân tử (Van der Waals), liên kết hydro (Câu hỏi liệt kê) Tổng hợp từ slide thầy Nguyễn Ngọc Hà - LTNY - VL18SI Các luận điểm thuyết liên kết hóa trị (VB-Valence Bond), thuyết quỹ đạo phân tử (MO-Molecular Orbital) - THUYẾT LIÊN KẾT HÓA TRỊ VB Thuyết coi xen phủ quỹ đạo e NT (AO) theo hướng xác định tạo nên liên kết Khi tham gia LK, hạt nhân NT tiến lại gần nhau, e chuyển động AO xen phủ → tăng mật độ e vùng xen phủ LK phân bố ưu tiên theo phương xen phủ lẫn AO lớn THUYẾT QUỸ ĐẠO PHÂN TỬ MO (Molecular Orbital) Để tìm hàm sóng  cách gần thường dùng phương pháp tổ hợp tuyến tính Hàm sóng  mơ tả tổ hợp tuyến tính hàm sóng i tất e phân tử: = C11 + C22 + … + Cnn= ΣCii Ci : hệ số, phần đóng góp e thứ i vào hình thành liên kết Sự hình thành vùng (miền, mức) lượng chất rắn ? Sơ đồ cấu trúc vùng lượng chất dẫn, bán dẫn vá cách điện (điện môi) theo quan điểm lý thuyết vùng (miền) lượng ? -Khoảng cách đủ xa: NT độc lập Các NT xích lại gần  e bị kích thích e/HN NT lân cận  TTĐT NT riêng biệt bị phân tách thành loạt TTĐT Vẽ hình vơ, hình phải tự dịch nha bé iu nằm sát nhau: hình thành vùng Tổng hợp từ slide thầy Nguyễn Ngọc Hà - LTNY - VL18SI lượng điện tử CHƯƠNG III CẤU TRÚC TINH THỂ Những giả thiết cấu trúc tinh thể Các giả thuyết Các quy luật hình học: đối xứng tuần hoàn, mạng tinh thể, (mạng) sở Hóa học tinh thể: độ sít chặt, lỗ hổng MTT, kiểu cấu trúc đặc trưng, ảnh hưởng bán kính ion đến trật tự xếp… => Giải thích tính chất vật liệu Hình học tinh thể : Khái niệm đối xứng, phép đối xứng bản ? Đối xứng: lặp lại phần tử qua phép đối xứng Tự thân (E) Tâm đối xứng (C): Đảo Mặt đối xứng (P) (Mặt gương): phản xạ Trục đối xứng bậc n (Ln ): Quay góc 2pi/n Trục đối xứng nghịch đảo (Lin): Quay góc 2pi/n theo mặt vng góc với trục quay Khái niệm nút mạng, mạng tinh thể, ô mạng sở Xem: NT, ion, PT chất điểm  chúng tuân theo quy luật đối xứng, tuần hồn khơng gian cấu trúc Mỗi chất điểm không gian tinh thể: nút mạng Nối nút mạng đường thẳng: Mạng lưới không gian tinh thể Các phần tử cấu trúc tinh thể phải thỏa mãn yếu tố: đối xứng tuần hồn khơng gian mạng Là phần thể tích nhỏ tịnh tiến theo hướng chu kz mạng a , b , c tạo thành toàn tinh thể Mang toàn yếu tố đối xứng đặc trưng MTT Các dạng ô mạng sở ? Hệ tinh thể ? Ơ mạng Bravais? Tính số phần tử thuộc ô sở ? Phụ thuộc vị trí phần tử sở, phân thành loại ô sở: Tổng hợp từ slide thầy Nguyễn Ngọc Hà - LTNY - VL18SI 1) Ô mạng nguyên thủy (các phần tử chiếm vị trí nút mạng, kí hiệu P) 2) Ơ mạng tâm khối (ơ ngun thủy có thêm phần tử giữa, kí hiệu I) 3) Ơ mạng tâm mặt sở (ơ ngun thủy có thêm phần tử tâm mặt đối diện, kí hiệu C) 4) Ơ mạng tâm mặt (ơ ngun thủy có thêm phần tử tâm tất mặt, kí hiệu F) Ơ MẠNG BRAVAIS Có 14 kiểu mạng thuộc hệ theo tương quan: Giữa kích thước: a, b, c - Giữa góc: , ,  Phương mặt tinh thể : Chỉ số nút, số phương, hệ phương họ mặt Chỉ số nút mạng Là tọa độ nút hệ tọa độ mạng (chọn tùy ý) Ký hiệu: [[xyz]] Chỉ số phương Là số đường thẳng qua nút, kí hiệu [xyz] Họ phương Là phương song song có tính chất, kí hiệu Họ mặt Những mặt mạng có số khác có tính chất giống nhau, ký hiệu {hkl} Chỉ số Miller? Ý nghĩa số Miller, cách xác định số Miller hệ lập phương, lục giác? - số Miller (hkl) để họ mặt song song, không phụ thuộc việc lựa chọn gốc tọa độ - Các bước xác định số Miller: Tìm giao điểm mặt với trục Oxyz Lấy giá trị nghịch đảo tọa độ tìm Tìm bội số chung nhỏ nhất, khử mẫu số, quy đổi thành ba số nguyên (hkl) Chỉ số Miller hệ lục giác Thể với trục tọa độ Ox, Oy, Oz, Ou (Ox, Oy, Ou) thẳng góc Oz Tìm giao điểm mặt với trục Oxyzu Tổng hợp từ slide thầy Nguyễn Ngọc Hà - LTNY - VL18SI Lấy giá trị nghịch đảo tọa độ tìm Tìm bội số chung nhỏ nhất, khử mẫu số, quy đổi thành bốn số nguyên (hklm) Hóa học tinh thể : Khái niệm bán kính nguyên tử, ion ? Số phối trí (số xếp), đa diện phối trí Mật độ xếp chặt theo đường, theo khối Nếu xem vùng khơng gian ảnh hưởng hình cầu  bán kính hình cầu: bán kính NT/ion - Số phối trí Là số ion/NT khác loại bao quanh phần tử xét Với oxide, phần tử xét thường cation, anion oxy bao quanh - Đa diện phối trí Là đa diện hình thành ta nối tâm phần tử phối trí (quanh PT xét) Đây cách mô tả phổ biến hợp chất có LK ion oxides Theo phương: Ml= l/L l– chiều dài bị chiếm chỗ NT,ion L – tổng chiều dài xét tinh thể Mật độ mạng MV : MV= n.4 /3 r /V n – số NT ô sở V – thể tích sở Mơ hình xếp sít chặt cầu bán kính Sự hình thành lỗ trống khơng gian Ngun tắc xếp phần tử khác bán kính - SẮP XẾP SÍT CHẶT CỦA CÁC PHẦN TỬ CÙNG BÁN KÍNH Theo ngun tắc Goldsmith có cách xếp kiểu MTT để sít chặt nhất, cầu chiếm thể tích cực đại khơng gian: Lập phương tâm mặt (FCC) Lục giác sít chặt (HCP) - Lỗ hổng MTT Là không gian trống, giới hạn hình khối nhiều mặt, đỉnh tâm NT nút MTT - SẮP XẾP CỦA CÁC PHẦN TỬ KHÁC BÁN KÍNH Ở hợp chất liên kết ion, phần tử có kích thước lớn (thường anion) chiếm vị trí nút mạng cấu trúc sít chặt, ion có bán kính nhỏ (thường cation) chiếm vị trí lỗ hổng khơng gian cấu trúc Số phối trí, đa diện phối trí Liên hệ số phối trí đa diện phối trí theo tỷ số bán kinh ion - Số phối trí Là số ion/NT khác loại bao quanh phần tử xét Với oxide, phần tử xét thường cation, anion oxy bao quanh Tổng hợp từ slide thầy Nguyễn Ngọc Hà - LTNY - VL18SI - Đa diện phối trí Là đa diện hình thành ta nối tâm phần tử phối trí (quanh PT xét) Đây cách mô tả phổ biến hợp chất có LK ion oxides Số phối trí … Đa diện phối trí Đường thẳng Tam giác Tứ diện … Tỷ số bán kính ion grapheme-> sợi cacbon-> fullerene - Vì lk KL LKKL LK chủ đạo MTT C LKCHT 12 Khái niệm trật tự gần, bán tinh thể? Polymer tinh thể? - Các chất điểm xếp hỗn loạn có tính đối xứng khơng gian hẹp: trật tự gần - Bán tinh thể: polymer kết tinh không hồn tồn, cịn lẫn dạng vơ định hình -Polymer tinh thể Liên kết mạch polymer thực lực Van Der Waals Thông thường polymer VL vơ định hình Tổng hợp từ slide thầy Nguyễn Ngọc Hà - LTNY - VL18SI Tuy nhiên mạch xếp theo trật tự xác định: polymer tinh thể 13 Dung dịch rắn gì? Các loại dung dịch rắn? phân biệt dung dịch rắn dung dịch thực (dung dịch lỏng) Là pha tinh thể có thành phần thay đổi, đó: - Các NT dung môi A giữ nguyên kiểu mạng - Các NT chất tan B phân bố vào mạng A - Dung dịch rắn xen kẽ: Các NT chất tan B nằm lỗ hổng MTT dung môi A, Dung dịch rắn thay thế: Các NT chất tan B thay NT dung môi A nút mạng A - DDR: tồn trạng thái rắn, CT MTT; DD thực: tồn trạng thái lỏng, ko có CTTT 14 Hóa lý tinh thể: Mơ tả q trình kết tinh phương trình nhiệt động G (G = 4r2 - 4/3r3Gv) Khái niệm mầm tinh thể hay kích thước tới hạn (chuẩn) r* ? - Mầm pha lỏng: hình cầu bán kính R - Giảm NLTD thể tích ∆GV=-n∆Gm= −4 ∆ Gm πr V mol - Tăng NLTD bề mặt GF= F =>∆G=∆GV+GF=4r2 - −4 ∆ Gm πr V mol - Mầm tinh thể: tâm kết tinh hình thành dung dịch trạng thái q bão hịa - Kích thước tới hạn r* = 2∆GV r>r* qt kết tinh tự xảy CHƯƠNG IV CHẤT RẮN VƠ ĐỊNH HÌNH Tổng hợp từ slide thầy Nguyễn Ngọc Hà - LTNY - VL18SI Khái niệm chất rắn? Chất rắn tinh thể? Chất rắn vơ định hình? Cấu trúc chất lỏng? CR chất mà phần tử liên kết chặt chẽ, tự chúng có hình dạng xác định - Chất rắn tinh thể: - Các chất điểm xếp theo quy luật hình học xác định có tính đối xứng tuần hồn khơng gian tinh thể - Có T nóng chảy xác định - Các phần tử không đủ độ linh hoạt để xếp lại chuyển pha L R  CR tạo thành khơng có cấu trúc tinh thể - Tương tự chất rắn: không biến đổi hình dạng theo bình chứa; độ cứng, tính đàn hồi … - Tương tự chất lỏng: độ đồng nhất, bất đối xứng … - Ở trạng thái lỏng: vật chất có liên kết cấu trúc định polymer trạng thái lỏng có độ nhớt cao, khó xếp trật tự Ở chất vơ cơ, theo xu hướng kết tinh từ pha lỏng, chia thành loại: Chất lỏng khơng sai sót Chất lỏng có hướng Chất lỏng khơng trật tự Phân biệt chất rắn – lỏng theo tính chất nhiệt – vật lý Thế khoảng biến mềm ? Các điểm chuyển Tg, Tf ? - CR: độ nhớt >=1012 Pa.s; CL: độ nhớt 90%) VL mờ đục: Ánh sáng truyền qua không rõ; T nhỏ, A lớn; xảy hấp thụ chọn lọc ánh sáng tán xạ ánh sáng VL VL mờ (không trong): Ánh sáng không truyền qua (T= 0); phản xạ phản xạ + hấp thụ lớn Tại kim loại có ánh kim? Có màu (Au, Cu, Cr…)? Ánh kim hầu hết e tự chuyển mức lượng phát xạ sóng điện từ Au: có cấu trúc vỏ e: … 4f145d106s1 , có khả hấp thụ NL ánh sáng 2,3 eV (từ 5d tới mức Fermi cao hơn) Màu nhìn thấy màu vàng, tương ứng với bước sóng phát xạ Ag: có cấu trúc vỏ e: … 4d 105s1 , đỉnh hấp thụ Ag nằm gần vùng tia cực tím,  4eV Nhờ vậy, bạc trì mức phản xạ cao phổ ánh sáng nhìn thấy: chúng có màu trắng CHƯƠNG XI COMPOSITE Thế composite ? Vật liệu nhiều pha: có kết hợp tính chất pha Các ví dụ vật liệu composite Phân biệt rõ pha phân tán(CỐT) trường phân tán(NỀN) - bê tông cốt thép ; pha phân tán : thép ; trường phân tán : xi măng - composite SiC/Si3N4 ( gốm sợi vụn) ; pha phân tán: SiC ; trường pt : Si3N4 - lốp ô tô ; nền : cao su ; cốt : sợi thép, kim loại - gỗ ; nền : xenluloza ; cốt : lignin, hemixenluloza CHƯƠNG XII ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI Thé ăn mịn vật liệu ? Sự hình thành pin ảnh hưởng ăn mòn kim loại Ăn mòn: hư hỏng VL tương tác (cơ học, nhiệt, điện, hóa …) với mơi trường - Sự hình thành pin Tổng hợp từ slide thầy Nguyễn Ngọc Hà - LTNY - VL18SI Nếu tong vật liệu có hay nhiều pha có điện điện cực khác nhau, vl nằm mt điện li pha điện cực âm bị ăn mòn phản ứng điện hóa hình thành dịng ăn mịn Các phương pháp bảo vệ, chống ăn mòn kim loại Nguyên tắc bảo vệ VL phản ứng hóa học: dùng lớp phủ ngăn cản tiếp xúc VL & môi trường Bảo vệ VL phản ứng điện hóa: ngăn cản dòng điện sinh ăn mòn: Bảo vệ anode Bảo vệ cathode Giảm độ dẫn điện chất điện li Giảm độ dẫn điện KL chủ động tạo dịng ăn mịn KL (đóng vai trò anode) giá trị Tạo dòng chiều ngồi ngược chiều nhằm triệt tiêu dịng ăn mòn Tổng hợp từ slide thầy Nguyễn Ngọc Hà - LTNY - VL18SI