Giáo trình vật liệu điện và từ phần 1

- Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng cách V nào đó được gọi là phân tử cực tính hay còn gọi là phân tử có cực.. LÝ THUYẾT

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHÔ HỒ CHÍ MINH

L Ờ I NÓI Đ Ẩ U

Cuốn "Giáo trình vật liệu điện và fù"'dùng để giảng dạy cho các lớp

hệ điện và điện tử bậc đại học, cao đẳng

Giáo trình này có khác với các giáo trình trước nay đã sử dụng là tác giả đưa ra một số khái niệm mới về phân loại vật liệu, đi sâu về cấu tạo của vật liệu để người đọc hiểu sâu sắc hơn về tính chất của nó, từ đó sử dụng vật liệu đúng chỗ hơn Trong cuốn sách này, tác giả cũng đưa ra các

ký hiệu vật liệu theo tiêu chuẩn của các quốc gia khác, nhưng chủ yếu là theo TCVN (Tiêu chuẩn Việt Nam), để các cán bộ kỹ thuật nhà máy có thể đối chiếu trong các bản vẽ chế tạo các khí cụ và thiết bị điện Tác giả cũng chú trọng giới thiệu về các công nghệ chế tạo vật liệu, để từ đó các nhà máy có thể kết hợp với những công nghệ chế tạo này và gia công các linh kiện, khi cụ điện cho phù hợp với yêu cầu sử dụng Vì công nghệ gia công khác nhau và vật liệu có thành phần khác ít thôi cũng đủ làm cho các tính chất vế điện và từ của khí cụ điện thay đổi nhiều

Để giúp cho sinh viên và cán bộ giảng dạy có kiến thức về nghiên cứu vật liệu điện, tác giả giới thiệu thêm các phương pháp nghiên cứu những tính chất của vật liệu dưới dạng "Phần tham khảo" viết ỏ cuối mỗi chương hoặc cuối trang của một số phần trình bày các tính chất vật liệu Cuốn giáo trình này có mượn một số đoạn của "Giáo trình vật liệu điện" của tác giả Nguyễn Đình Thắng, mong tác giả Nguyễn Đình Thắng thông cảm

Sách có thể dùng để tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật của các xí nghiệp chế tạo thiết bị và linh kiện điện

Trong quá trình biên soạn, có thể còn nhiều điểm chưa sát với yêu cầu thực tế của người học và người sử dụng, mong các bạn đọc đóng góp

ý kiến để lần tái bản có thêm nhiều điểm hoàn chỉnh hơn

Tác giả

CHƯƠNG ì

KHÁI NIỆM VỀ CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT

CỦA VẬT LIỆU BIỆN - Từ

• • •

Tất cả các vật liệu dùng trong công nghiệp được sử dụng có thể ở cả

3 trạng thái: rắn, lỏng và khí ở trạng thái rắn như: sắt, thép, gỗ, đá, chất dẻo, cao su V.V Ở trạng thái lỏng như: xăng, dầu, rượu, benzen, nước, glyxêrin v.v ở trạng thái khí và hơi như: hơi nước quá nhiệt (có nhiệt độ cao hơn 100°C), khí oxy (02), khí axêtylen dùng trong ngành hàn, khí cacbonic (C02) đã được hóa lỏng dùng làm lạnh bia, nước ngọt v.v

I PHÂN LOẠI VẬT LIỆU

Các vật liệu ở trạng thái rắn dùng đế chế tạo các máy móc, công trình, vật dụng dùng trong đời sống hàng ngày của con người Các vật liệu này có thể chịu được một lực tác dụng nhất định nào đó mà không bị thay đổi hình dáng được gọi là vật liệu kết cấu Vật liệu kết cấu có thể được phân loại như sau:

1 Phân loại theo tính dẫn điện

Theo tính dẫn điện, vật liệu được chia thành:

- Vật liệu dẫn điện là các vật liệu có khả năng dẫn điện tốt trong các điều kiện thông thường Để phân biệt với các vật liệu không dẫn điện, người ta phân biệt qua hệ số nhiệt điện trỏ suất, ký hiệu bằng chữ oe Các vật liệu dẫn điện thường là các kim loại nên có hệ số (X > 0, hay còn gọi là các vật liệu có tinh kim loại Ngoài ra còn có một số môi trường lỏng cũng dẫn điện

- Vật liệu không dẫn điện, hay còn gọi là vật liệu cách điện là các vật liệu có giá trị a < 0 thường là các vật liệu phi kim loại (không kim loại)

- Vật liệu bán dẫn là các vật liệu khi ở nhiệt độ thấp có tính cách điên (a < 0), nhưng khi ở nhiệt độ cao trở thành dẫn điện (a > 0)

2 Phân loại theo từ tính

Theo tính chất từ, vật liệu được chia thành 3 loại căn cứ vào giá trị

- Vật liệu dẫn từ hay vật liệu sắt từ là các vật liệu có độ thấm từ ụ »1

3 Phân loại theo cấu tạo bên trong

Tùy thuộc vào cấu tạo bên trong, vật liệu kết cấu được chia thành 3 loại: Vật liệu tinh thể, vật liệu vô định hình và vật liệu gốm Theo sự phát triển của khoa học hiện đại, người ta còn có thể phân thêm một loại mới có cấu trúc cơ bản khác với các loại vật liệu kể trên là vật liệu compozit

- Vật liệu tinh thể: Gồm các kim loại nguyên chất, các hợp kim và các loại đá, các muối vô cơ Vật liệu tinh thể là các vật liệu mà ỏ trạng thái rắn, các nguyên tử của chủng luôn luôn được sắp xếp thèo một trật tự nhất định gọi là mạng tinh thể Trong dó, các kim loại và hợp kim như sắt, nhôm, đổng, thép, gang, đuyara có tính kim loại, còn các loại đá và muối như muối ăn (NaCI), đá vôi (CaC03), thạch cao (CaSOa) có cấu tạo mạng tinh thể nhưng lại không có tính kim loại nên thuộc vật liệu phi kim loại

- Vật liệu vô định hình: Các vật liệu mà các nguyên tử, phân tử của chúng không sắp xếp theo mạng tinh thể Hầu hết các vật liệu phi kim loại (trừ đá và muối) đều ở dạng vô định hình như gỗ, chất dẻo, thủy tinh, vải, amian v.v

- Vật liệu gốm: Vật liệu mà cấu tạo bên trong gồm vừa có các tinh thể vừa có một phần vật chất ỏ dạng vô định hình Trong thiên nhiên vẫn tồn tại các vật liệu gốm, nhưng tính chất không ổn định nên ít được sử dụng trong công nghiệp Vật liệu gốm công nghiệp chủ yếu là nhân tạo

Để chế tạo vật liệu gốm kim loại hoặc phi kim loại, người ta chế tạo các hạt tinh thể rất nhỏ gọi là bột, sau đó ép lại thành hình một sản phẩm nào đó rồi nung nóng (gọi là thiêu kết) để các hạt bột dính lại với nhau tạo thành sản phẩm Do ép từ bột nên bên trong vật liệu gốm bao giờ cũng có những

lỗ hổng (lỗ bông) chứa không khí, vi vậy vật liệu gốm bao giờ cũng "xốp" hơn các vật liệu khác Độ xốp là điểm đặc biệt của vật liệu gốm

- Vật liệu compozit: Một loại vật liệu nhân tạo mới được phát triển vào giữa thế kỷ 20 Vật liệu compozit là vật liệu gồm 2 thành phần vật liệu khác nhau phối hợp thành một vật liệu mới Trong đó, loại vật liệu thứ nhất gọi là vật liệu cốt, có nhiệm vụ chịu lực, còn vật liệu thứ hai gọi là vật liệu nến, có nhiệm vụ liên kết các vật liệu cốt lại với nhau Vật liệu compozit có thể có tinh kim loại hoặc cũng có thể không có tính kim loại

li CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

Như chúng ta đã biết, mọi vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử và

phàn tử Nguyên tử là phần cơ bản của vật chất Theo mô hình Bom, nguyên tủ được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử (electron) mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định

Hạt nhân của nguyên tử được tạo nên từ các hạt prôton và nơtron Nơtron là các hạt không mang điện, còn prôton có điện tích dương với số lượng diện tích bằng z.q

Trong đó:

J z -số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời cũng là số thứ tự

của nguyên tố nguyên tử đó trong bảng tuần hoàn Menđêlêep / q - điện tích của điện tử e (qc=1,601.10"19 C) Prôton có khối lượng bằng 1,67.10'27kg, điện tử (e) có khối lượng bằng 9,1.10"31 kg

ở trạng thái bình thường, nguyên tử được trung hòa về điện, nghĩa là trong nguyên tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của các điện tử Nếu vì lý do gì đó, nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì nguyên tử sẽ trở thành tích điện dương, ta thường gọi là ion dương Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái trung hòa mà nhận thêm điện tử thì trở thành tích điện âm và được gọi là ion âm

Để có khái niệm về năng lượng của điện tử ta xét nguyên tử của hydro Nguyên tử này được cấu tạo từ 1 prôton và 1 điện tử

Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân, thì điện tử sẽ chịu lực hút của hạt nhân f, và được xác định bởi công thức sau:

Lực hút f, sẽ được cân bằng với lực ly tàm của chuyển động f2:

Trong đó:

s m-khối lượng của điện tử

/ V -tốc độ chuyển động của điện tử

r

w = T + u = - —

Biểu thức (1-4) ở trên chứng tỏ mõi điện tử của nguyên tử có một mức năng lượng nhất định, năng lượng này tỳ lệ nghịch vơi bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r ra xa vô cùng cần phải cung cấp cho nó một năng lượng

ì

CỊ~

lớn hơn —

2r

Năng lượng tối thiểu cung cấp cho diện tử, dể diện tử tách rời khỏi

nguyên tử và trở thành điện tử tự do người ta gọi là năng lượng lon hóa

(Wj) Khi bị ion hóa (bị mất điện tử), nguyên tử trỏ thành ion dương Quá

trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương và điện tử tự do gọi là quá trình lon hóa

Trong một nguyên tử, năng lượng ion hóa của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau Các điện tử hóa trị ngoài cùng có mức năng lượng ion hóa thấp nhất vì chúng cách xa hạt nhân (xem công thức 1-4)

Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hóa, chúng sẽ bị kích thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, song chúng luôn có xu thế trở về vị trí của trạng thái ban đầu Phần năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lượng quang học (quang năng)

Trong thực tế, năng lượng lon hóa và năng lượng kích thích nguyên

lử có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như nhiệt năng, quang năng, điện năng; năng lượng của các tia sóng ngắn như tia a, p, Y hay tia rơnghen v.v

IU CẤU TẠO PHÂN TỬ

Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử Trong vật chất tồn tại 4 loại liên kết sau:

1 Liên kết dồng hóa trị

Liên kết đồng hóa trị được đặc trưng bởi sự góp chung một số điện

tử để có đủ 8 điện tử ở lớp ngoài cùng Khi đó mật độ đám mây điện tử giũa các hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững

Lấy thí dụ cấu trúc của phân tử do Phân tử do (Cl2) gồm 2 nguyên tử do, môi nguyên tử do có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng Hai nguyên tử này được liên

kết bền vững với nhau bằng cách #C 1 * - #c *# • ,C ' * C 1 *

sử dụng chung 2 điện tử, lớp vỏ • • * • • * • • • • ngoài cùng của mỗi nguyên tử được

bổ sung thêm 1 điện tử của nguyên H ì n h 1- L i ê n k ê t đ ồ n9 h ó a u i t r o n9

tử kia (hình 1) phân tử Clo

Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết dóng hóa trị có thể là trung tính hay cực tính (lưỡng cực)

- Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và trọng tâm của các điện tích âm trùng nhau là phân tử trung tính Các chất được tạo nên từ các phân tử trung tính gọi là chất trung tính hay chất không cực

- Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng cách V nào đó được gọi là phân

tử cực tính hay còn gọi là phân tử có cực Phân tử cực tính đặc trưng bởi mômen lưỡng cực m = q.l Dựa vào trị số mômen lưỡng cực của phân tử người ta chia ra chất cực tính yếu và chất cực tính mạnh

Liên kết đồng hóa trị còn thấy ở cả chất rắn vô cơ có mạng tinh thể cấu tạo từ các nguyên tử, thí dụ như kim cương, cấu tạo của kim cương được mô tả trên hình 2

Hình 2 Cấu tạo tinh thể kim cương

2 Liên kết ion

Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion

âm trong phân tử Các nguyên tử cho điện tử trở thành ion dương, còn các nguyên tử nhận điện tử trỏ thành lon âm Các ion này sẽ hút nhau tạo thành phân tử Liên kết ion là liên kết khá bền vững Do vậy, vật rắn có cấu tạo lon đặc trưng có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao Thí dụ điển hình về tinh thể ion là các muối halõgen của kim loại kiềm

Cấu trúc tinh thể ion của clorua natri được chỉ rõ ở hình 3

Hình 3 Cấu trúc liên kết ion của clorua natri

Khả năng tạo nên một chất hoặc một hợp chất có mạng tinh thể không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu kích thước nguyên tử và hình dáng lóp điện tử hóa trị ngoài cùng

Liên kết ion càng mạnh (bền vững) khi nguyên tử chứa càng ít điện

tử nghĩa là các điện tử cho hoặc nhận nằm càng gần hạt nhân

3 Liên kết kim loại

Các ion dương tạo thành một mạng tinh thể xác định, đặt trong không gian điện tử tự do "chung" Đó là hình ảnh liên kết kim loại Nàng lượng liên kết là tổng hợp lực đẩy và hút tĩnh điện giữa các ion dương và mây điện tử tự do (hình 4)

và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi

sự dịch chuyển và trượt trên nhau giữa các lớp ion, nên kim loại dễ cán, kéo, dát mỏng

4 Liên kết Vandec-Van (Van der VVaals)

Liên kết đồng hóa trị cho phép lý giải sự tạo thành những phân tử như nước (H20) hoặc polyetylen (C2H2)n, nhưng không cho phép lý giải

sự tạo thành một số vật rắn từ những phân tử trung hòa như nước đá, các polyme khác

Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, do sự khác nhau về tinh

âm điện của các nguyên tử tạo thành các phân tử có cực

Liên kết Vandec-Van là liên

kết do hiệu ứng hút nhau giữa các

nguyên tử hoặc phân tử bị phân cực

ỏ trạng thái rắn (hình 5) Liên kết

này là loại liên kết yếu, rất dễ bị

phá vỡ do va động nhiệt Vì vậy

những chất rắn trên cơ sở liên kết

Vandec-Van có nhiệt độ nóng chảy

thấp

Hình 5 Mô hình liên kết Vandec-Van

IV LÝ THUYẾT PHÂN VÙNG NĂNG LƯỢNG TRONG VẬT RAN

Khi nguyên tử ở trạng thái binh thường không bị kích thích, một số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy, còn ỏ các mức năng lượng khác điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử nhận được năng lượng

từ bên ngoài tác động (trạng thái kích thích) Nguyên tử luôn có xu hướng quay về trạng thái ổn định Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích sang mức năng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát ra phần năng lượng dư thừa

Trạng thái năng lượng của điện tử trong nguyên tử không đồng đều

và được phân thành các vùng năng lượng Có thể khái niệm sự phân vùng năng lượng của điện tử trong nguyên tử như sau:

Một chất có thể xem như cấu tạo bài một số lớn nguyên tử được đưa vào sắp xếp với nhau có trật tự trong mạng tinh thể ở những khoảng cách tương đối xa, mỗi nguyên tử là độc lập với các nguyên tử khác và

sẽ có các mức năng lượng trong nguyên tử và có cấu hình điện tử giống như nguyên tử đứng cô lập

Tuy nhiên, khi các nguyên tử càng xích lại gần nhau thì các điện

tử càng bị kích thích (hay bị nhiễu loạn) bởi các điện tử và các hạt nhân của các nguyên tử lân cận Ảnh hưỏng này làm cho mỗi một trạng thái điện tử trong nguyên tử riêng biệt bị phân tách thành một loạt các trạng

thái điện tử nằm sát nhau, hình thành nên một vùng năng lượng điện tử

Sự giãn rộng từ một mức năng lượng điện tử trong nguyên tử thành một vùng năng lượng trong vật rắn tùy thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử Sự giãn rộng này bắt đầu từ các điện tử ngoài cùng của nguyên lử vì chúng bị nhiễu loạn trước tiên khi các nguyên tử liên kết lại với nhau

Trong mỗi vùng, các mức năng lượng vẫn là gián đoạn, tuy nhiên, khoảng cách giữa các mức kề nhau là hết sức nhỏ ở khoảng cách nguyên tử cân bằng, sự tạo thành vùng năng lượng có thể xẩy ra với các lớp điện tử ỏ gần hạt nhân nhất Ngoài ra, ở các vùng kể nhau có thể tốn tại những khe năng lượng hay còn gọi là những vùng cấm: bình thường thi các điện tử không được phép chiếm lĩnh những mức năng lượng nằm trong các khe này

Các tinh chất điện của vật liệu rắn phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng lượng điện tử của nó, cụ thể là vào sự sắp xếp các vùng ngoài cùng

và cách thức lấp đầy chúng bởi các điện tử

Có thể hiểu sự khác biệt về cấu trúc vùng năng lượng của các vật kim loại, bán dẫn và vật cách điện như trên hình 6

a b c Hình 6 Biểu dồ năng lượng của diện môi (a), bán dẫn (b)

và kim loại (c) Trên biểu đồ này: 1- gọi là vùng hóa trị, 2- vùng cấm, 3- vùng dẫn Theo lý thuyết vùng thì các điện tử ỏ vùng hóa trị chuyển động tự do

ở tất cả vật thể rắn mà không phụ thuộc vào chúng là kim loại hay điện mỏi Sự chuyển động được thực hiện bói đường hầm chuyển tiếp điện tử từ nguyên tử này sang nguyên tử khác Để giải thích sự khác biệt về tính chất điện của vật liệu phải để ý sự khác biệt phản ứng với điện trường ngoài của điện tử ở vùng hóa trị và vùng dẫn Điện trường ngoài làm phá vỡ tính đối xứng trong việc phân bố điện tử theo tốc độ, tăng tốc các điện tử chuyển động theo hướng tác dụng lực và làm chậm các hạt có hướng chống lại hướng tác dụng lực Tuy nhiên, sự tăng tốc tương tự và sự làm chậm lại gắn liền với sự thay đổi năng lượng của điện tử và gây ra sự di chuyển chúng vào trạng thái lượng tử mới Những chuyển tiếp này có thể thực hiện chỉ trong trường hợp nếu như vùng năng lượng có mức tự do

Trong kim loại, vùng ở đây không đầy, chỉ cần trường rất nhỏ cũng

truyền cho điện tử một xung làm nó chạy vào mức tự do Vì nguyên nhân này kim loại có tinh dẫn điện cao

Trong chất bán dẫn và điện môi ở nhiệt độ 0 K thì tất cả các điện tử ở vùng hóa trị, còn vùng dẫn hoàn toàn tự do Các điện tử nằm ỏ vùng cấm không thể tham gia tạo ra dòng điện Để tạo được dòng điện cẩn phải chuyển mót phần điện tử từ vùng đầy vào vùng dẫn Năng lượng điện trường cần phải rát lớn để thực hiện việc chuyển tiếp này

V CẤU TẠO VẬT LIỆU TINH THE

Tất cả các vật liệu kim loại, các loại muối, đá ô trạng thái rắn đêu ở trạng thái tinh thể nghĩa là các nguyên tử của chúng được sắp xếp theo một trật tự nhất đinh gọi là mạng tinh thể không gian như trên hình 7a Tinh thể có càu trúc tuấn hoàn Có thể coi mạng tinh thể như gồm các hình khối đơn giản giông nhau, xếp liên tiếp nhau theo 3 chiều đo hợp lại thành tinh thể Khối đó được gọi là khối cơ bản (hay ó cơ bản)

Khối cơ bản lả hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung cho mạng tinh thể như ở hình 7b

Hình 7 Mạng tinh thể không gian (a) và khối cơ bản (b)

Nếu toàn khối vật chất được cấu tạo đổng nhất theo một kiểu mạng nào đó thi được gọi là mạng lý tưởng

Tuy nhiên, trong thực tế không phải lúc nào các nguyên tử vật chất đểu được sắp xếp theo mạng lý tưởng, mà thường có sự sai lệch trong sự sắp xếp các vị trí nguyên tủ trong mạng tinh thể Những chỗ sai lệch đó gọi

Hình 8 Sai lệch điểm trong mạng tinh thể

a -Nút trống

b - Nguyên tử xen kẽ giữa các nút mạng

c -Nguyên tử tạp chất Sai lệch đường là dạng sai lệch được nghiên cứu nhiều nhất mà

dạng điển hình là lệch (còn có tên là dislocation) Sai lệch đường gồm có lệch biên (lệch thẳng) và lệch xoắn như trên hình 9

a b Hình 9 a-Lệch biên; b- Lệch xoắn Sai lệch mặt lạ sai lệch phát triển hạn chế theo một chiểu nghĩa

là phát triển theo các mặt Thí dụ, các mặt biên giới hạn là một dạng của sai lệch mặt

Nếu một khối vật liệu chỉ gồm một tinh thể thi gọi là vật liệu đơn tinh thể Trong đơn tinh thể vật liệu mang tính có hướng hay dị hướng, nghĩa là theo các hướng khác nhau tính chất của vật liệu (cơ tính, lý tính, hóa tính) sẽ khác nhau Để thể hiện được các hướng và mặt khác nhau trong mạng tinh thể người ta quy ước cách ký hiệu mặt và phương tinh thể Để ký hiệu một mặt tinh thể nào đó người ta đặt ô cơ bản của mạng tinh thể đó vào gốc của hệ trục toa độ Decart (OX, OY, OZ) Lấy giao điểm của mặt đó với 3 trục rồi lấy số nghịch đảo của 3 giao điểm đó, xếp theo thứ tự theo 3 trục ox, OY, OZ và đặt trong ngoặc đơn Giá trị trong ngoặc đơn là ký hiệu của mặt tinh thể cần biết

Thí dụ trên hình 1-10, đặt ô cơ bản hình khối lập phương ABCDOEFG lên trục tọa độ Decart, điểm o trùng với điểm gốc 0 Hãy xác định ký hiệu của mặt MNEF: Giao điểm của mặt MNEF với 3 trục của hệ tọa độ là: Với trục ox giao điểm tại điểm E có giá trị là 1 (nếu lấy giá trị mỗi cạnh của ô cơ bản là 1), giao điểm với trục OY là vô cực, giao điểm với trục 0Z là 1/3 Lấy số nghịch đảo của giá trị 3 giao điểm theo thứ tự 3 trục

ox, OY, 0Z là 1, Ó, 3 kỷ hiệu mặt MNEF là (103)

Hình 10 Cách ký hiệu mặt tinh thể

Trong thực tế, nhất là đối với kim loại, do nhiều nguyên nhân của các quá trinh gia công khác nhau, cấu trúc của kim loại thường không đông nhất? các tinh thể có những hướng khác nhau Mỗi tinh thể như vậy được gọi là hạt và toàn khối kim loại gọi là đa tinh thể

Trong đa tinh thể, do tính định hướng của các hạt khác nhau và ngẫu nhiên nên tổng hợp các hưđng của các hạt trong đa tinh thể là vô hướng hay đẳng hướng Tuy nhiên, trong sản xuất khi cần kim loại mang tính có hướng người ta lại có những phương pháp gia công để có

sự sáp xếp lại các mặt tinh thể theo một hướng nhất định và lúc này kim loại mang tính có hướng

Tất cả các vật liệu tinh thể được sắp xếp theo 14 kiểu mạng khác nhau như trên hình 11 Trong đó, đa số các nguyên tố kim loại được sắp xếp theo 3 kiểu mạng thường gặp nhất là mạng lập phương tâm khối (Hình 12c) mạng lập phương tâm mặt (Hình 12a) và mạng sáu phương điền đầy (Hình 12b)

Hình 11 Các kiểu mạng tinh thể của vật liệu rắn

1-Đơn tà; 2-Đơn tà mặt tâm đối; 3-Tam tà;

4-Lục giác; 5-Trực thoi; 6-Hình thoi đơn giản

7-Thoi thể tâm; 8-Thoi tâm mặt đối

9-Thoi tâm mặt; 10-Lập phương đơn giản

11-Lập phương tâm khối; 12-Lập phương tâm mặt

13-Chính phương đơn giản; 14-Chính phương tâm khối

Hình 12 a-Mạng lập phương tâm mặt b-Mạng lục giác điền đầy C-Mạng lập phương tâm khối

VI CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU v ô ĐỊNH HÌNH

Vật liệu vô định hình điển hình là các vật liệu polyme

Polyme hay còn gọi là cao phân tử là các vật thể mà đại phân tử cùa

nó gồm nhiều mắt xích cơ bản có tổ chức giống nhau liên kết với nhau theo kiểu lặp đi lặp lại nhiều lần

Thuật ngữ polyme xuất phát từ chữ Hy Lạp: polymeros meros=phẩn)

(poly=nhiểu-Mỗi mắt xích cơ bản gọi là một đơn phân hay monome VI khối lượng phân tử của polyme rất lớn nên mỗi phân tử được gọi là một đại phân tử va

do đó vật liệu polyme, hay còn gọi là vật liệu cao phân tử

Các đại phân tử của polyme có thành phần hóa học giống nhau nhưng thường co kích thước khác nhau Đại phân tử có thể được tạo thành từ các đơn phàn (monome) giống nhau hoặc khác nhau về thành phần hóa học Khối lượng đại phân tử của polyme có thể từ 5000 đến cả triệu

Đại phân tử khi gồm các đơn phân giống nhau thì được gọi là homopolyme Trong trường hợp gồm các dpn phân khác nhau thì gọi

là copolyme

Khi mạch co bản của polyme được cấu tạo bởi các nguyên tủ cùng loại thì gọi là polyme đồng mạch, nếu bồi các nguyên tử khác loại thì gọi là polyme dị mạch

1 Phân loại polyme

Có nhiều cách phân loại polyme:

a Phân loại theo nguồn gốc có:

-!l*í>tyíTie thiên nhiên như cạo su thiên nhiên, xenlulô, mica, graphit

- Polyme nhân tạo hay còn gọi là polyme tổng hợp như chất dẻo, cao su nhân tạo

b Phân loại theo thành phẩn có:

> Polyme hữu cơ

Là polyme có mạch cơ bản là một hydrocacbon

Nếu mạch phân tử cơ bản chỉ gồm các nguyên tử cacbon thì gọi là polyme mạch cacbon hay polyme đồng mạch Trong đó các nguyên tử c nối với các nguyên tử H hoặc các gốc hữu cơ khác

Thí dụ: H

l i l i c- c - c- c- R = gốc hữu cơ (radical)

R Trong polyme dị mạch, mạch cơ bản gồm các nguyên tử c và các nguyên tử khác làm thay đổi rất lớn tính chất của polyme

V Polyme vô cơ

Là các polyme mà trong mạch cơ bản của chúng không có các hydrocacbon Thí dụ thủy tinh silicat, gốm, mica, amian Thành phần cơ bản của các polyme vô co là các loại oxit silic, oxit nhôm, oxit magiê, oxit canxi

Trong silicat có 2 loại liên kết: các nguyên tử trong mỗi mắt xích nối với nhau bằng liên kết đồng hóa trị (Si-O), còn liên kết giữa các mắt xích là liên kết ion Do đó tính chất của các chất này thay đổi trong

hổi phạm vi rất rộng; tử sợi thúy tinh (có t Ỉ Ị Ị j ^ Ịc^ ị ^ g ệ p Ị(Ịl(rò¥Ỉn|f

Polyme vô cơ có mật độ cao, bền nhiệt Nhưng thủy tinh vả gốm thì đón, không chịu tải trọng động

Graphit thuộc loại polyme vô cơ nhưng có mạch cacbon

> Polyme hữu cở phần tử

Là polyme mà trong mạch cơ bản chứa các nguyên tử vô cơ như Si,

Ti, AI Các nguyên tử này nối với các gốc hữu cơ như metyl (-CH3), tenyl (-C6H5), etyl (-C2H5) Các gốc hữu cơ cho vật liệu tính bền và dẻo, còn các nguyên tử vô cơ cho tính chịu nhiệt cao Trong thiên nhiên không có các loại vật liệu này mà chỉ tạo được bằng cách tổng hợp nhân tạo

Thí dụ: Đại diện cho nhóm này là hợp chất silic hữu cơ có cấu trúc:

cơ hoặc cao su siloxan cao hơn mặc dù tính đàn hổi và tính dẻo kém hơn

so với nhựa hữu cơ và cao su thiên nhiên Polyme chứa trong mạch cơ bản các nguyên tử Ti, o gọi là polytitanoxan, mạch cơ bản chứa Ti, 0, Si gọi là polytitansiloxan hữu cơ

c Phân loại theo hình dáng dại phân tử

Hình dáng đại phân tử gọi là mạch cơ bản Theo cấu tạo mạch, polyme được chia ra thành các loại sau:

> Polyme mạch thẳng

Có đại phân tử là một chuỗi các mắt xích nối nhau theo đường díc dắc hay hình xoắn ốc (hình 13a) Đại phân tử uốn cong (hình bó) có độ bền cao dọc theo các mắt xích và độ bền thấp giữa các phân tử Do đó làm cho vật liệu có tính đàn hồi và bị biến mềm khi nung nóng nhưng khi nguội thì cứng lại

Nhiều polyme loại này hòa tan trong các dung môi Khi mật độ "bó" của các phân tử trong một đơn vị thể tích tăng thì độ bền và nhiệt độ biến mềm tăng nhưng khả năng hoa tan trong dung môi giảm Thí dụ thuộc loại này có polyetylen (PE), polyamid (PA)

> Polyme mạch nhánh (polyme phân nhánh)

Cũng là polyme mạch thẳng nhưng trong đại phân tử có thêm các nhánh (hình 13b)

Sự phàn nhánh làm cản trỏ sự xích lại gần nhau của các phản tử, do

đó làm giảm liên kết giữa các phân tử và làm giảm "mật độ bó" Loại này có

độ bền thấp, dễ nóng chảy và dễ hòa tan hơn Thí dụ: polyizobutylen (PIB)

> Polyme hình thang

Gồm có hai mạch nối với nhau bằng liên kết hóa học Khi cắt đứt các đại phân tử polyme hình thang thường phải phá hủy mạch liên kết ở ít nhất là 2 chỗ theo quy luật ngẫu nhiên Do đó chúng bền hơn loại mạch thẳng (một mạch) Loại này không hòa tan trong các dung môi hữu cơ tiêu chuẩn, có tính

ổn định nhiệt cao hơn và cứng hơn Thí dụ polyme silic hữu cơ (hình 13c)

> Polyme mạng lưới

Các mạch cạnh nhau trong polyme này được nối với nhau bằng liên kết đồng hóa trị ở mội số vi trí như trên hình 13d cấu trúc mạng lưới có thể hình thành trong quá trình tổng hợp hoặc do phản ứng không thuận nghịch được tiến hành sau đó ồ nhiệt độ cao hoặc có xúc tác Thông thường quá trình tạo mạng lưới được thực hiện bằng cách cho thêm các nguyên tử hoặc phân tử có thể tạo liên kết đồng hóa trị với mạch chính Đa

số các loại vật liệu cao su có cấu trúc mạng lưới do quá trình lưu hóa

> Polyme không gian

Các monome có ba nhóm hoạt động tạo nên polyme không gian ba chiểu Các polyme này có tính chất cơ lý nhiệt đặc biệt

a ó

Hình 13 Hình dáng các đại phân tử của polyme

d Phân loại theo trạng thái pha

Theo trạng thái pha polyme được chia làm 2 loại: polyme vô định hình (hay polyme 1 pha) và polyme tinh thể (hay polyme 2 pha)

Theo phân tích Rơnghen và kính hiển vi điện tử, thực ra các đại phân

tử trong polyme không phân bố hỗn loạn mà có trật tự, liên quan với nhau

Tổ chức tạo thành do sự sắp xếp khác nhau của các phân tử gọi là siêu phân tử Sự trật tự hóa trong tổ chức được xác định bằng tính uốn của các đại phân tử mạch thẳng hoặc mạch nhánh sẽ làm thay đổi hình dáng xếp xen kẽ theo từng phần

Polyme vô định hình là loại có một pha, tạo nên từ các phân tử của mạch, xếp thành từng bó Mồi bó gồm nhiều dãy đại phân tử phân bố nối tiếp nhau Các bó có khả năng dịch chuyển tương đối với nhau giữa các phân tử nằm cạnh nhau Polyme vô định hình cũng có thể tạo nên từ các mạch cuốn thành từng cuộn tròn gọi là "quả cầu"

Tổ Chức cầu của polyme có cơ

tính không cao Khi tăng nhiệt độ các

quả cẩu duỗi ra thành dạng thẳng, làm

tăng cơ tính của polyme Polyme tim

thể được tạo thành nếu các đại phân tử

của chúng đủ cong và có thể điều

chỉnh được ở những điều kiện tương

ứng, chuyển biến pha xảy ra trong các

bó và tạo thành mạng tinh thể không

gian như trên hình 14 Hình 14 Polyme tinh

Liên kết giữa các mạch

trong polyme thực hiện bằng ' • V

lục Van der VVaals Thông -•

thường, polyme là vật liệu vô :

định hình nhu ỏ hình 15a, tuy

độ tinh thể hóa 75-80%, trong loại mạch nhánh là 60% Trong thực tế không có được polyme hoàn toàn trật tự (tinh thể), giữa các vùng trật tự bao giò cũng tồn tại những vùng không trật tự (vô định hình) Nếu polyme

có cấu trúc hoàn toàn vô định hình như hình 15a thi gọi là polyme 1 pha Nếu có cấu trúc gồm vừa vô định hình vửa tinh thể như ỏ hình 15b thi gọi là polyme bán tinh thể hay polyme 2 pha Vùng sắp xếp trật tự trong polyme cũng cấu tạo từ các ó cơ sỏ như ở hình 14

e Phân loại theo mức dô phân cực

Được chia ra polyme phân cúc (hay polyme cực tính) và polyme

không phân cực (hay polyme trung Ì nh)

ở các phân tử polyme không phân cực, đám mây điện tử có tác dụng

cố định các nguyên tử, được phân bố giữa các phân tử ở mức độ giống nhau Ổ những phân tử đó, trung tâm kéo của các hạt tích điện khác dấu trùng với nhau

Đối với các phân tử polyme phân cực, đám mây điện tử chung dịch chuyển về phía các nguyên tử có tích điện âm hơn Do đó trung tâm kéo của các hạt tích điện khác dấu nhau không trùng nhau

Sự phân cực của polyme được đánh giá bằng mômen lưỡng cực, ký hiệu là m, bằng tích của điện tích nguyên tố q (điện tích của một điện tử) trên khoảng cách Ì giữa các tâm kéo của các hạt mang điện âm và dương Như vậy m = ql

Điện tích của một điện tử q = 4,8.10'10 đơn vị tĩnh điện, khoảng cách Ì khoảng "lũ"8 em (Ả) Giá trị mômen lưỡng cực m khoảng 10"18 đơn vị tĩnh điện nhân với em (đvtđ.cm) Các giá trị này còn được đo bằng đơn vị Đê bai (D) (1đvtd.cm=1D)

Thi dụ: C-H: m = 0.2D C-N:m = 0,4D C-O: m = 0,9D

C-F: m = 1,83D C-CI: m = 2.05D

Điều kiện đầu tiên để phân cực polyme là sự có mặt của các mối liên kết phân cực ở trong polyme (các phân nhóm C-CI; C-F; -OH) Điều kiện thứ hai là sự bất đối xứng trong tổ chức Sự phân bố đối xứng của các nhóm chức năng tạo cho polyme không phân cực vì mômen lưỡng cực của các mối liên kết nguyên tử bù cho nhau

Thí dụ: - Polyme không phân cực (các phân tử đối xứng)

- Polyme phân cực: Trong polyvinyl clorua (PVC)

phân tử không đối xứng, momen lưỡng cực C-H (0,2D) và

C-CI (2.05D) không bù cho nhau được Độ phân cực có

ảnh hưởng đến tinh chất của polyme

• H H

I 1

Ó PVC Thí dụ: Các polyme không phân cực (chủ yếu trên cơ sở các hydrocacbon) là chất điện môi chất lượng cao Tính chất của các polyme không phân cực ở nhiệt độ thấp ít bị xấu đi, chịu lạnh tốt

Tính phân cực, trong khi làm tăng lực kéo giữa các phân tử, làm cho polyme cứng, chịu nhiệt kém, khó hòa tan vào các dung môi Polyme phân cực dùng làm chất điện môi chỉ trong một phạm vi tần số hạn chế (tần số thấp)

Ngoài ra, polyme phản cực có đặc trưng là chịu lạnh kém (thí dụ: polyvinylclorua chỉ chịu lạnh từ -10° đến -20°C)

f Phân loại theo khả năng chịu nhiệt

Polyme được chia ra hai loại: polyme nhiệt dẻo và polyme nhiệt rắn Polyme nhiệt dẻo: Polyme khi nung nóng thi mểm ra, thậm chí chảy lỏng, khi để nguội thì cứng lại Quá trình này thuận nghịch, tức là vật liệu không thay đổi bản chất hóa học Tổ chức đại phân tử loại này là mạch thẳng và mạch nhánh Đại diện loại này là polyetylen, polystyren, polyamid

Polyme nhiệt rắn: Polyme ở giai đoạn đầu là mạch thẳng và khi nung nóng thì mềm ra Sau đó, do phản ứng hóa học mà đông cứng lại (tạo thành tổ chức không gian) và trở thành vật liệu cứng Trạng thái đông ứng của polyme gọi là "cứng ổn định" Thí dụ: nhựa fenol-formaldehyd,._

2 Các tính chất cơ bản của polyme

a Cơ tính của polyme

Cơ tính của polyme (tính đàn hổi, tính bền) phụ thuộc vào cấu tạo, nhiệt độ và các trạng thái vật lý của nó Khi thay đổi nhiệt độ, polyme có thể tồn tại ở 3 trạng thái vật lý khác nhau: trạng thái thủy tinh hóa, trạng thái đàn hồi cao và trạng thái chảy nhớt (hay chảy dẻo)

Trạng thái thủy tinh hóa: Trạng thái rắn, vô định hình (các nguyên

tử có trong mạch phân tử ỏ trạng thái dao động quanh vị trí cân bằng, không xảy ra hiện tượng chuyển động của các mắt xích và dịch chuyển của các đại phân tử)

Trạng thái đàn hồi cao: Chỉ có ở trong polyme cao phân tử, đặc

trưng bằng khả năng thay đổi thuận nghịch hình dáng của các vặt liệu chịu tải không lớn (các mắt xích dao động và các đại phân tử có khả năng uốn) Trạng thái chảy nhớt: Gần với trạng thái chảy lỏng nhưng ở đây có

độ sệt (độ nhớt) rất cao (toàn bộ các đại phân tử đều có thể dịch chuyển) Khi thay đổi nhiệt độ, các polyme mạch thẳng và mạch nhánh có thể chuyển từ trạng thái vật lý này sang trạng thái vật lý khác Polyme có cấu trúc không gian chỉ tổn tại ở trạng thái thủy tinh hóa Polyme không gian lưới thưa cho phép ở trạng thái thủy tinh hóa hoặc đàn hồi cao

Nhiệt độ chuyển tử trạng thái thủy tinh hóa sang trạng thái đàn hổi

cao và ngược lại gọi là nhiệt độ thủy tinh hóa, ký hiệu tu, chuyển tử trạng

thái đàn hổi cao sang trạng thái chảy nhớt và ngược lại gọi là nhiệt độ chảy

(hay chảy nhớt), ký hiệu là

ten-Đối với polyme nhiệt dẻo (thường là các polyme có cấu tạo mạch thẳng và mạch nhánh) khi ở nhiệt độ vượt quá nhiệt độ thủy tinh hóa độ bền giảm đột ngột Còn đối với các polyme nhiệt rắn khi nung nóng đến nhiệt độ cao không thông qua trạng thái chảy nhớt (nóng chảy) mà tiến đến trạng thái phá hủy, nghĩa là khi nung nóng các polyme nhiệt rắn chuyển từ trạng thái thủy tinh hóa sang trạng thái đàn hồi cao (không có quá trìng tinh thể hóa) Vùng này được mỏ rộng hơn so với vùng đàn hồi cao của polyme nhiệt dẻo Khi đạt đến nhiệt độ phân hủy ký hiệu /p/,polyme bị phá hủy hoàn toàn

ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ thủy tinh hóa (ftf), khả năng biến dạng đàn hồi của polyme không cao và được gọi là đàn hổi bắt buộc Tính đàn hồi bắt buộc có thể xuất hiện từ nhiệt độ /f fđến t d Nhiệt độ kgọi là nhiệt độ

biến đòn ở nhiệt độ thấp hơn t d , polyme có tổ chức sít chặt với các mối

liên kết giữa các phân tử bến, do đó mất hết ưu điểm về tính uốn của mạch nên bị phá hủy đòn

b Sự lão hóa hay sự hóa già của polyme

Sự lão hóa của vật liệu polyme là sự tự thay đổi không thuận nghịch các đặc tính kỹ thuật quan trọng do sự biến đổi các quá trình vật lý và hóa học phức tạp trong vật liệu sau một thời gian sử dụng và bảo quản polyme Nguyên nhân của quá trình lão hóa polyme là ánh sáng, nhiệt, oxy, ôzôn và các yếu tố phi cơ khí khác Sự lão hóa tăng nhanh khi biến dạng nhiều lần Độ ẩm ảnh hưỏng ít đến sự lão hóa của polyme

Các loại điện môi cách điện bằng chất dẻo và cao su khi làm việc ngoài trời, dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, nhiệt độ, oxy và nhất là ozôn ở quanh các dây dẫn cao áp rất dễ bị lão hóa

Khi bị lão hóa, sự đánh thủng điện môi dễ dàng xảy ra ở điện áp thấp hơn so với điện áp định mức ban đầu Hiện tượng đánh thủng điện áp này được gọi là đánh thủng điện hóa

Để tăng tính chống lão hóa do ôzôn người ta cho vào polyme các chất thay thế phân cực (polyclopren, clo-sulfuapolyetylen, polyme chứa F) Các hợp chất silic hữu cơ cũng có tính ổn định chống lão hóa do ôzôn

Để làm chậm quá trình lão hóa, người ta cho vào polyme các chất làm ổn định hay còn gọi là chất chống lão hóa

VII CÂU TẠO CỦA VẬT LIỆU GỐM

Vật liệu gốm là vật liệu vô cơ, được tạo ra bằng cách dùng nguyên

liệu à dạng hạt, ép' thành hình, sau đó nung ở một nhiệt độ nhất định gọi là

thiêu kết Sản phẩm nhận được sau khi thiêu kết thường không phải gia còng gi thêm và có những tinh chất cơ lý hóa cần thiết

Đặc điểm về cấu tạo vật liệu gốm khác xới các vật liệu khác là trong vật liệu gốm bao giở cũng tồn tại 3 pha như trên hình 16:

1 Pha tinh thể (pha hạt)

Pha tinh thể ở dạng kim loại nguyên chất, hợp chất hóa học hay dung dịch rắn Pha này là pha chủ yếu, quyết định các tính chất cơ lý hóa

cơ bản của sản phẩm

2 Pha thủy tinh

Pha thủy tinh ỏ dạng vô định hình, đóng vai trò chất liên kết các hạt (tinh thể) với nhau Pha này thường chiếm tử 1 đến 40% thể tích của sản phẩm

Pha thủy tinh được tạo thành do trong vật liệu có các tạp chất hoặc các hợp chất dễ nóng chảy hơn so với pha tinh thể, trong quá trình thiêu kết chảy ra, phân tán đồng đều giữa các hạt tinh thể Pha thủy tinh làm giảm độ bền của vật liệu nhưng nó lại làm dễ dàng cho quá trình công nghệ chế tạo sản phẩm

3 Pha khí

Do vật liệu được ép từ các hạt với nhau nên bẽn trong sản phẩm bao giờ cũng còn những lỗ xốp nhất định Pha khí chính là các khí chứa trong các lỗ xốp đó Pha khí có ảnh hưởng đến một số tính chất của vật liệu Trạng thái của pha khí được chia làm 3 loại: đặc (tỷ lệ pha khí = 0), lỗ xốp kín và lỗ xốp hô Loại cấu tạo đặc chỉ gặp trong trường hợp chế tạo theo công nghệ sành sứ từ đất sét, cao lanh hoặc một số công nghệ đặc biệt Loại có lỗ xốp kín là điều không mong muốn vì loại lỗ xốp này làm giảm rất mạnh độ bến và các cơ tính khác của sản phẩm Thường gặp nhất là loại

lồ xốp hở Tuy nhiên, không nên coi pha khí trong vật liệu gốm là một loại khuyết tật như trong các vật đúc Các lỗ xốp hở đóng vai trò tích cực, nó tạo cho sản phẩm gốm có những tính chất độc đáo mà trong các vật liệu thông thường không thể có được (sẽ được giải thích qua các sản phẩm cụ thể ở phần sau)

Căn cứ vào độ xốp, các vật liệu gôm được chia làm 3 loại:

• Gốm đặc là gốm có độ xốp từ 0 đến 5%

Hình 16 Cấu tạo vật liệu gốm

Các oxit thường dùng như Al203(ở dạng corindon hay cương ngọc), Zr02> MgO, Cao, Beo, Th02, U02 Đây là các hợp chất có tính chịu nóng cao, nhiệt độ nóng chảy của chúng trên 2000°c Trong nguyên liệu có thể

có chứa một ít tạp chất mà khi thiêu kết sẽ tạo thành pha thủy tinh

Vật liệu gốm loại này có độ bền nén rất cao, nhưng độ bền kéo và bền uốn thì rất thấp Độ bền càng cao khi kích thước hạt tinh thể càng nhỏ

vì hạt càng lớn ứng suất bên trong càng lớn

Bảng 1 nêu lên một số tính chất cơ lý của các gốm trẽn cơ sở các oxit

Các kim loại gốm là các hợp chất không chứa oxi cùa các kim loại khó chảy ở dạng các cacbit, nitrit, borit, silisit có độ chịu nóng cao (tn c= 2500 -3500°C), độ cứng rất cao, một số có độ cứng tương đương kim cương, có tính chống mài mòn cao Các cacbit thường dùng có

wc, TiC, Tác, NbC dùng để chế tạo các dụng cụ cắt gọt, SiC (cacborun) dùng chế tạo các thanh điện trỏ làm lò nung â nhiệt độ 1300~1500°c, hoặc làm đá mài, giấy nhám

Nitrit bo (BN) còn gọi là graphit trắng hay elbo, ở nhiệt độ thường với thù hình a-BN có mạng lục giác, có độ cứng tương đương kim cương dùng làm hạt mài siêu tinh xác thay bột kim cương Bảng 2 dẫn ra độ cứng của một số cacbit, nitrit và borit

Bảng 2 Độ cứng của một số hạt gốm cacbit, nitrit, borit

-về mục đích, vật liệu gốm được chế tạo để đáp ứng nhiều yêu cầu

sử dụng khác nhau, chia ra:

- Vật liệu gốm chống mài mòn, loại này có hệ số ma sát f< 0,1

- Vật liệu gốm ma sát, loại này phải có hệ số ma sát f> 0,05 khi

có bôi trơn và f> 0,2 khi không có bôi trơn

- Chế tạo các bộ lọc khí

Chú thích:

Theo nhiều tài liệu khác nhau và tải trọng để đo độ cứng khác nhau nên số đơn vị độ cứng tế vi không thật tương ứng với các đơn vị theo Mohs hoặc HRA

- Chế tạo các chi tiết chịu nóng và cách nhiệt

- Chế tạo các chi tiết tiếp xúc với môi trường ăn mòn hóa học

- Chế tạo các tiếp điểm khi có các dòng điện cường độ khác nhau

- Chế tạo các chi tiết từ mềm

- Chế tạo các chi tiết từ cứng (nam châm vĩnh cửu)

- Chế tạo dụng cụ cắt gọt

VUI CÂU TẠO CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT

Vật liệu compozit là loại vật liệu gồm hai hay nhiều vật liệu khác nhau kết hợp lại, trong đó các ưu điểm của mỗi loại vật liệu thành phấn được phối hợp với nhau, hoặc tạo nên một chất lượng mới hoàn toàn mà nếu đứng riêng rẽ thì không một loại vật liệu thành phần nào

có thể đáp ứng được, còn nhược điểm của mỗi vật liệu thành phẩn thì được khắc phục

Vật liệu compozit cỏ hai thành phần chính là vật liệu cốt và vật liệu nền Nhiệm vụ chính của vật liệu cốt là chịu tải trọng nên phải có

độ bến cao

Vật liệu cốt thường ở dạng sợi như sợi cacbon, sợi thủy tinh, sợi bo, sợi polyme, sợi kim loại, sợi graphit, hoặc có thể ở dạng hạt như hạt cacborun (SiC), corindon (Al203), cacbit bo (B4C)

Vật liệu nến thực hiện nhiệm vụ chất liên kết tạo nên sự liên kết tốt giữa các thành phần cốt Vật liệu nền là các vật liệu có tính dẻo cao Vật liệu nền thông dụng chia ra 3 loại: polyme, cacbon và kim loại dẻo Vật liệu nến polyme thường là các polyeste, vật liệu nền kim loại thường là nhôm, đồng, niken

Như vậy đặc điểm chính của vật liệu compozit là:

• Thứ nhất: Vật liệu nhiều pha, các pha không hòa tan vào nhau và

phân cách bằng ranh giới pha, trong đó nền là pha liên tục còn cốt là các pha gián đoạn

• Thứ hai: Trong compozit tỳ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự

phân bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước

• Thứ ba: Tính chất của các pha thành phần được phối hợp để tạo

nên tính chất chung của compozit

Tuy nhiên, các vật liệu thành phần không phải cứ sử dụng bất kỳ vật liệu nào cũng được, nghĩa là không phải cứ bất kỳ vật liệu nào dẻo cũng có thể làm nền và bất kỳ vật liệu có độ bền cao đều có thể làm cốt được, mà phải lựa chọn sao cho các tính chất tốt của vật liệu thành phần có thể kết hợp với nhau và phát huy được trên cơ sở các tính toán

Các vật liệu thành phần cốt và nền phải chọn sao cho có hệ số dãn

nở nhiệt phải gần bằng nhau để bảo đảm tính truyền lực liên tục giữa cốt

và nền trong quá trình làm việc

CHƯƠNG 2

CÁC TÍNH CHẤT cử BẢN CỦA VẬT LIỆU

ĐIỆN VÀ Từ

I TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI

1 Khái niệm về diện dẫn của điện môi

Khi đặt điện môi vào trong điện trường E, điện áp là u Đo trị số dòng điện đi qua điện môi ta thấy dòng điện biến thiên theo thời gian và được biểu diễn trên hình 1

Dòng điện đi trong điện môi gồm 2 thành phần là dòng điện rò (l,ò)

và dòng điện phân cực

(Iphc)-l= Iro + Iph.c

ỏ điện áp một chiều,

dòng điện phân cực chỉ tồn tại

trong thời gian của quá trình

quá độ khi đóng hay ngắt lưới

Đối với điện áp xoay chiều

dòng điên phân cực tồn tại

trong SUỐI thời gian đặt điện áp

Dựa vào trị số của dòng

điện rò để đánh giá chất lượng

cùa vật liệu cách điện Nếu dòng

điện rò có trị số bé thì cách điện

tốt, nếu trị số lớn thì tính chất

cách điện của vật liệu kém

Như vậy, tính chất của vật liệu cách điện được xác định qua điện dân suất Y hay điện trỏ suất p

Đối với điện môi rắn có 2 khái niệm: điện trở suất khối pvvà điện trỏ suất mặt Ps

(2-1) ỊuAt

Hình 1 Quan hệ giữa dòng điện với thời

gian 1-Dòng điện đo ở điện áp một chiều

2-Dòng điện đo ở điện áp xoay chiều

> Điện trở suất khối là điện trở của khối lập phương có cạnh bằng 1

em, hình dung cắt ra từ vật liệu khi dòng điện đi qua hai mật đối diện khối lập phương đó; đơn vị đo bằng ữ.cm

Trong đó: Rv - Điện trỏ khối của mẫu (£2)

s - Diện tích của điện cực đo (em2)

h - Chiếu đày khối điện môi (em)

r Điện trở suất mặt là điện trở của một hình vuông bề mặt vật liệu khi

dòng điện đi qua hai cạnh đối diện

Trong đó: Rs - Điện trỏ mặt của mẫu vật liệu {ũ)

d - Chiếu dài điện cực (em)

I - Khoảng cách giữa 2 điện cực (em)

Tương ứng với pv có điện dẫn suất Yv =1/pv(í2-cm)"1; ứng với Ps có điện dẫn suất mặt Ys = 1/ps (Q)'1 hay còn có đơn vị đo là s (simen)

Điện dẫn toàn phần tương ứng với điện trỏ cách điện Rc đ của điện môi rắn bằng tổng các điện dẫn khối và mặt

Độ dẫn điện của vật liệu cách điện được xác định bồi trạng thái của chất khi, lỏng hoặc rắn và phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ của môi trường Cường độ điện trường khi tiến hành đo cũng gây một số ảnh hưòng đối với điện dẫn của điện môi

Khi làm việc lâu dài dưới điện áp, dòng điện đi trong điện môi rắn và lỏng có thể tăng hoặc giảm theo thời gian do nguyên nhân là tạp chất của điện môi giảm dần

Tích số điện trở cách điện của điện môi với điện dung của tụ điện được gọi là hằng số thời gian tự phóng của tụ điện T0:

Xo = Ro c (2-6) Trị số To được xác định từ biểu thức:

Ut=U0e-*TO= -±

e

Trong đó: u - Điện áp trên các điện cực của tụ điện sau thòi gian X

tính từ lúc ngắt tụ ra khỏi nguồn điện áp

u0- Điện áp đạt được do tụ tích điện (ĩ =0)

Rc d- Điện trở cách điện

c - Điện dung của tụ điện

2 Điện dẫn của diện môi

Mật độ dòng điện

chạy trong điện môi dược

tinh bằng tổng các diện tích

chuyển động qua một đơn vị

diện tích vuông góc với

phương của điện trường

trong một đơn vị thời gian / = v

Hình 2

Để đưa ra khái niệm chung về điện dẫn của điện môi, ta xét mô hình điện môi có dạng hình trụ với thiết diện là s, chiều dài hình trụ bằng vận tốc trung binh của các điện tích V, chiều của điện trường bên ngoài trùng với trục hình trụ (hình 2)

Nếu gọi n là mật độ điện tích tự do chứa trong điện môi, mỗi phân tử

có điện tích là q, dưới tác dụng của điện trường E tất cả các điện tích tự do

sẽ chuyển động đến các cực (điện tích dương đi về phía cực âm, điện tích

ảm đi về phía cựu dương) và tạo nên dòng điện trong điện môi Tổng các điện tích chuyển động qua thiết diện s bằng tổng các điện tích chứa trong thể tích V của hình trụ, cũng chính bằng dòng điện qua điện môi:

Theo định luật ôm J=ỴE, do vậy công thức tính điện dẫn của điện môi như sau:

Y = nw qw K( + ) + nH qw Kị., (2-14) Trong vật liệu kỹ thuật điện, có nhiều loại điện tích tự do khác nhau tham gia vào quá trình dẫn điện Dựa vào thành phần của dòng điện dẫn người ta chia điện dẫn thành 3 loại khác nhau:

• Điện dẫn điện tử: Thành phần của loại điện dẫn này chỉ là các điện tử tự do chứa trong điện môi

• Điện dẫn ion: Thành phần của loại điện dẫn này là các ion dương

và ion âm

Các ion sẽ chuyển động đến điện cực khi có điện trường tác động Tại điện cực, các ion sẽ được trung hòa về điện và tích lũy dán trên bế mặt điện cực giống như quá trình điện phân Vì vậy, điện dẫn ion còn gọi là điện dẫn điện phân

• Điện dẫn điện di: Hay còn gọi là điện dẫn molion Thành phần của dòng điện này là các nhóm phân tử hay tạp chất được tích điện tồn tại trong điện môi, chúng được tạo nên bôi ma sái trong quá trình chuyển dộng nhiệt

Các chất khí binh thưòng là chất cách điện Nhưng khí đặt dưới điện

áp cao đến một mức nhất định sẽ xảy ra hiện tượng ion hóa và khi trỏ nên dẫn điện Do đó dẫn điện trong điện môi khí chủ yếu là dẫn điện ion Dòng điện trong điện môi lỏng được xác định bởi sự chuyển động của các ion hay các phần tử mang điện tích Trong các điện môi lỏng tốn tại 2 loại điện dẫn, đó là điện dẫn lon và điện dẫn điện di

Khác với điện môi khí, trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện không chỉ do ion hóa tự nhiên mà còn do quá trinh phân ly các phân

tử của chính bản thân chất lỏng và tạp chất Điện dẫn lon của điện môi lỏng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt các phân tử điện môi lỏng sẽ tăng, điện môi lỏng có sự giãn nở nhiệt, lực liên kết giữa các phân tử giảm đi, độ nhớt sẽ giảm, mức độ phân ly các phân tử do nhiệt sẽ tăng lên và làm tăng điện dẫn điện môi lỏng

Điện dẫn điện di còn có tên gọi là điện dẫn molion được tạo nên bởi

sụ chuyển động có hướng của các phân tử mang điện tích dưới tác dụng của điện trưởng bên ngoài

Điện môi lỏng thường chứa các tạp chất, do có các hạt keo, các sợi, bụi bẩn lơ lửng bên trong, do có quá trinh chuyển động nhiệt, các tạp chất này ma sát với phàn tử điện môi lỏng và chúng bị nhiễm điện

Điện môi rắn có rất nhiều loại, chúng đa dạng về cấu trúc, thành phần hóa học nguồn gốc và mức độ lẫn các tạp chất bụi bẩn v.v_, do vây điên dẫn của điên môi rắn rát phức tạp

Sự dẫn điện cao của kim loại chủ yếu là do sự chuyển động của các điện tử tự do, nên điện dẫn của kim loại chủ yếu là điện dẫn điện tử Điện dẫn trong các vật liệu điện môi rắn khác được tạo nên là do sự chuyển dịch các ion của bản thân điện môi rắn cũng như của các lon tạp chất dưới tác dụng của điện trường

Để đánh giá chất lượng của điện môi, người ta thường xác định điện dẫn suất khối (Yv) hay điện trở suất khối (Pv): Pv = 1/Ỵv

- Về trị số: Điện trỏ suất khối là điện trỏ của khối vật liệu hình lập phương có cạnh là lem khi dòng điện đi qua hai mặt đối diện của khối điện môi đó Đơn vị đo điện trỏ suất khối là "Qcm"

- Trên bề mặt điện môi rắn tồn tại các điện tích của bản thân điện môi và do các bụi bẩn, lớp nước ẩm gây nên sẽ tạo nên dòng điện dẫn mặt (Ys) mà nghịch đảo là điện trở suất mặt (Ps)

Điện trỏ suất mặt là điện trở của một phần mặt điện môi có dạng hình vuông với cạnh bất kỳ khi dòng điện đi qua hai cạnh đối diện Đơn vị

đo của Ps là "Q." (ôm)

li Sự PHÂN Cực CỦA ĐIỆN MÔI

1 Khái niệm về sự phân cực và hằng số điện môi

Khi xảy ra phân cực, trên bề É

mặt điện môi xuất hiện điện tích

trái dấu với dấu của điện cực bên

ngoài Như vậy điện môi sẽ tạo

thành một tụ điện với điện dung là

c, điện tích của tụ điện là Q (hình

3) Điện tích Q của tụ điện có trị số

tỷ lệ với điện áp đặt lên tụ điện và

được tính bởi công thức sau:

Q = CU (2-5)

Hình 3

Trong đó:

c - Điện dung của tụ điện

u - Điện áp đặt vào tụ điện

Điện tích Q bao gồm 2 thành phẩn:

Qo - Là điện tích có ồ điện cực nếu như giữa các cực là chán không

Q' - Điện tích tạo nên bồi sự phân cực của điện môi

b Hằng số diện môi

Một trong những đặc tính quan trọng nhất của điện môi và có ý nghĩa

đặc biệt đối với kỹ thuật điện là hằng số điện môi tương đối e Đại lượng

này là tỷ số giữa điện tích Q của tụ điện chế tạo từ loại điện môi khi điện

áp đặt vào có một giá trị nào đó với Qo - Là điện tích của tụ điện khi điện

môi là chân không:

Ổ Qo+Q , Q

Go Qo Go

Từ biểu thức (2-17), ta thấy hằng số điện môi tương đối của bất kỳ

chất nào cũng lớn hơn 1 và chỉ bằng 1 khi điện môi là chân không Cần

chú ý rằng, giá trị hằng số điện môi của chân không phụ thuộc vào hệ đơn

vị Trong hệ CGSE nó bằng 1, còn trong hệ SI bằng — - F/m

36tf.l09

Giá trị hằng số điện môi tương đối của một chất bất kỳ không phụ

thuộc vào việc chọn hệ đơn vị Trong phần tiếp theo, đại lượng hằng số

điên môi tương đôi này được gọi ngắn gọn là "hằng số điện môi" để đánh

giá chất lượng của điện môi

Từ công thức (2-15) và (2-17), ta có thể viết biểu thức dưới dạng:

Trong đó, Co là điện dung của tụ điện khi giữa các điện cực là chân không

Từ công thức (2-18) ta có:

í =77- (2-19)

Như vậy, hằng số điện mòi của một điện môi bất kỳ có thể xác định

bằng tỷ số giữa điện dung tụ điện của điện môi đó với điện dung tụ điện

cùng kích thước điện cực khi điện môi là chân không

2 Các dạng và loại phân cực xảy ra trong diện môi

Phân cực là hiện tượng sắp xếp lại các mômen lưỡng cực nguyên tử

hoặc phân tử vĩnh cửu hay cảm ứng theo hướng của điện trường ngoài

Có các dạng phân cực sau:

a Phân cực điện tử

Phân cực điện tử có thể xảy ra với những mức độ khác nhau ỏ tất cả mọi nguyên tử Nó là kết quả dịch chuyển trọng tâm của đám mây điện tử tích điện âm so với hạt nhân tích điện dương trong một nguyên tử dưới tác dụng của điện trường Dạng phân cực này được tìm thấy trong mọi vật liệu điện môi và dĩ nhiên chỉ tồn tại khi có một điện trường

b Phân cực lon

Phân cực chỉ xảy ra trong các vật liêu lon Điện trường đặt vào làm dịch chuyển các cation theo một hướng và các anion theo hướng ngược lại, gây nên một momen lưỡng cực thuần

c Phân cức lưỡng cực hay phân cức xoay hướng

Dạng phân cực xoay hướng này chỉ tìm thấy trong những chất có các mômen lưỡng cực vĩnh cửu Sự phân cực này là kết quả của sự xoay các mômen vĩnh cửu theo hướng của điện trường đặt vào Xu thế sắp xếp này

bị dao động nhiệt của các nguyên tử chống lại làm cho độ phân cực giảm khi nhiệt độ tăng

d Phân cực kết cấu

Là phân cực xảy ra trong vật rắn có cấu tạo không đồng nhất khi độ không đồng nhất có tính vĩ mô và khi có tạp chất Sự phân cực này biểu hiện ỏ tần số thấp và kèm theo tiêu tán một lượng đáng kể năng lượng điện Nguyên nhân của sự phân cực này là do các chất dẫn điện và bán dẫn điện lẫn trong điện môi kỹ thuật, sự tồn tại các lớp có độ dẫn điện khác nhau

Ngoài ra, trong các vật liệu sắt điện hay còn gọi là điện môi xecnhet

đã có sẵn sự phân cực gọi là phân cực tự phát

e Sở dồ đẳng trị của các loại phân cực

Khi nghiên cứu hiện tượng phân cực trong điện môi ta cần chú ý tới đặc>điểm và thành phần phân tử cấu tạo nên điện môi đó

Dựa vào thời gian xác lập phân cực mà người ta chia phân cực ra làm 2 dạng chính là phân cực nhanh và phân cực chậm

được biểu diễn bằng một tụ điện có điện dung là C( A—li—4) Phân cực

nhanh có 2 loại là phân cực điện tử nhanh và phân cực lon nhanh

• Phân cực chậm

Phân cực chậm xảy ra một cách

chậm chạp, thời gian phân cực lớn hơn

10'10 giây, có thể đến hàng phút, hàng

giờ và nhiều giờ Dạng phàn cực chậm

có sinh ra tổn hao điện môi, do vậy sơ đồ

thay thế điện môi biểu diễn bằng tụ diện

"C" mắc nối tiếp với một điện trở "R"

c R V

Trong dạng phân cực chậm có 5

loại phân cực chính sau đây: phân cực

lưỡng cực, phân cực điện tử chậm,

phân cực ion chậm, phân cực kết cấu

và phân cực tự phát Như vậy dựa theo

các loại phân tử tích điện tham gia vào

quá trình phân cực mà ta phân thành 7

loại phân cực khác nhau

Hình 4 giới thiệu sơ đồ đẳng trị tổng

quát về các loại phân cực của điện môi

3 Hằng số diện môi của chất khí

Các chất khí có mật độ phân tử rất nhỏ so với chất lỏng và rắn Khoảng cách giữa các phân tử khí lớn hơn nhiều so với bán kính của chúng Do vậy, lực tương tác giữa các phân tử khí không đáng kể và hằng

số điện môi của chất khí có trị số gần bằng 1 Thí dụ hằng số điện môi của không khí khi đo ở nhiệt độ t =20°c, áp suất p =1 át có trị số Ekk =1,00058

a Hằng số diện môi của

diện môi khí trung tính

Trong các điện môi khí trung

tính chỉ tồn tại một loại phân cực là

phân cực điện tử nhanh Do đó, hệ

số phân cực oe = (Xênh và phương

trình Clamiut-Môxôtchi có thể viết:

e + 2 3€r

p ata Hình 5 Quan hệ giữa E với áp suất

Do chỉ có phân cực điện tử nhanh nên hằng số điện môi của các

điện môi khí trung tính có trị số xấp xỉ bằng bình phương hệ số khúc xạ ánh

Từ đó suy ra: Hằng số điện môi của điện môi khí phụ thuộc vào áp

suất và nhiệt độ theo tỷ lệ thuận và tỷ lệ nghịch tương ứng hình 5 và 6

Sự phụ thuộc của hằng số điện môi của các chất khí vào nhiệt độ và

áp suất được giải thích bởi sự thay đổi số phân tử trong một đơn vị thể tích

khí Theo công thức (2-20), ta có công thức (2-22) chứng minh cho các

Từ số liệu của bảng 5, ta thấy hằng số điện môi của các chất khí

tăng khi bán kính phân tử càng lớn

Bảng 1 Hằng số điện môi của các chất khí Tên gọi

chát khi

Bán kính phân tử, Ẳ

Hệ số khúc xạ ánh sáng, V

E khi t=20°c

và p=760 mm cột thủy ngân Hêli

1.000035 1,00014 1,00027 1,000275 1,00030 1,00050 1,00065

1,000070 1,00028 1,00054 1,00055 1,00060 1,00100 1,00130

1,000072 1,00027 1,00055 1,00056 1,00060 1,00096 1,00138

Trong bảng 2 dưới đây đưa ra sự phụ thuôc của hằng số điện môi của không khí, axit cacbonic và khí nitơ vào áp suất (ỏ nhiệt độ bình thưởng 20°C)

Bảng 2 Quan hệ giữa e với áp suất của một số khí

Không khí Axit cacbonic Nitơ

Trong bảng 2 và 3 nêu ra các số liệu đối với chất khí khô Ảnh hưỏng

của độ ẩm không khí đối với hằng số điện môi (ở nhiệt độ và áp suất bình

thường) được chỉ ra ỏ bảng 4 Ảnh hưởng này không đáng kể ỏ nhiệt độ bình thường, nhưng nó tăng rõ rệt khi ở nhiệt độ cao

b Hằng số điện môi của các chất khí cực tính

Trong các chất khí cực tính, xảy ra 2 loại phân cực chính đó là phân cực điện tử nhanh và phân cực lưỡng cực Mặc dù có các phân tử cực tính, nhưng phân cực điện tử nhanh vẫn đóng vai trò chủ yếu (ae n h>a) c) Hệ số phân cực được tính là tổng của hệ số phân cực điện tử nhanh và phân cực lưỡng cực:

a = đênh + (He