giáo trình vật LIỆU học

VẬT LIỆU HỌC 12/25/2015 12/25/2015 Nội dung môn học Chương 1: Cấu trúc tinh thể vật liệu Chương 2: Quá trình khuyết tán vật liệu Chương 3: Tính chất học vật liệu Chương 4: Cơ sở lý thuyết giản đồ pha ứng dụng Chương 5: Giới thiệu số loại vật liệu Sắt hợp kim không sắt Ceramic Polymer Composite TÀI LIỆU MÔN HỌC William D Callister, Material Science and Engineering: An Introduction, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc, 2007 Donald R Ask eland and Pradeep P Fulay, Essentials of materials science and engineering, Cengage Learning, 2010 12/25/2015 12/25/2015 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Thường kỳ + Bài tập (nhóm + cá nhân) Thi giữu kỳ : Tự luận Thi Cuối kỳ: Tự luận CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU 12/25/2015 12/25/2015 Giới thiệu khoa học vật liệu phân loại Khoa học vật liệu nghiên cứu: Tinh chất vật liệu phụ thuộc vào thành phần vi cấu trúc vật liệu The microstructureVi cấu trúc vật liệu phụ thuộc vào thành phần trình chế biến vật liệu 1.1 Nguồn gốc môn học •Trước năm 1960 (và hàng thập kỷ sau đó), khoa ngày khoa học vật liệu gọi khoa kim loại học, từ kỷ 19 đầu kỷ 20 chủ yếu nghiên cứu vật liệu kim loại •Lĩnh vực nghiên cứu sau mở rộng loại vật liệu, bao gồm đó: vật liệu gốm sứ, polymers, vật liệu bán dẫn, vật liệu từ tính, vật liệu nhân tạo đưa vào thể vật liệu sinh học12/25/2015 Top Ten 10 kiện KHVL 1.Năm 1864 nhà hóa học người Nga Dmitri Mendeleev xây dựng bảng hệ thống tuần hoàn nguyên tố hoá học Là kim nam vô giá cho vật liệu học nhiều ngành khoa học khác 2.3500 năm trước công nguyên người Ai-cập nung luyện sắt (dưới dạng sản phẩm phụ việc tinh chế đồng) sử dụng để làm đồ trang sức Khám phá bí mật văn minh đồ sắt 3.Năm 1948 John Bardeen, Walter H Brattain, William Shockley phát minh thiết bị bán dẫn, thành tựu vượt bậc ngành điện tử, microchip công nghệ máy tính 12/25/2015 4.Năm 2200 trước công nguyên, người dân vùng tây bắc Iran chế tạo thuỷ tinh Đây vật liệu kim loại thứ (sau gốm sứ) văn minh nhân loại 5.Năm 1668, Anton van Leeuwenhoek phát triển việc dùng kính hiển vi có khả phóng đại lên 200 lần lớn nữa, mở kỷ nguyên nghiên cứu giới tự nhiên cấu trúc mà mắt thường không nhìn thấy 6.Năm 1755 John Smeaton phát minh xi măng: loại vật liệu xây dựng quan trọng có ứng dụng rộng rãi thời đại Top Ten 10 kiện KHVL 300 năm trước công nguyên nhà luyện kim miền nam Ấn Độ thực phương pháp luyện thép lò luyện chôn lòng đất 5000 năm trước công nguyên vùng Thổ Nhĩ Kỳ nay, người ta thu đồng (Cu) dạng lỏng nung đá malachite lazurit, đúc hình dạng khác nhau, từ khám phá lớp vỏ trái đất “kho12/25/2015 chứa” khoáng chất 1912 Max von Laue phát tán xạ tia Rönghen (tia X) tinh thể, mở hướng nghiên cứu vật liệu 10 1856 Henry Bessemer nhận sáng chế cho trình thổi acid lò đáy sản xuất thép cacbon, mở kỷ nguyên sản xuất thép giá rẻ số lượng lớn, làm cho phát triển nhanh chóng giao thông, xây dựng, kỹ thuật công nghiệp hóa nói chung Khoa học Vật liệu ? • Môn Khoa học Vật liệu đại phát triển trực tiếp từ môn Kim loại học • Sự đột phá quan trọng môn vật liệu học cuối kỷ XIX, Willard Gibbs chứng tỏ tính chất nhiệt động liên quan tới cấu trúc nguyên tử pha khác ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất vật lý vật liệu • Môn khoa học vật liệu có tác dụng định hướng, định hướng phát triển công nghệ đột phá công nghệ chất dẻo plastics, chất bán dẫn, vật liệu sinh học 12/25/2015 MSE: Materials Science and Engineering 10 12/25/2015 • Số phối trí (coordination number): số lượng nguyên tử cách gần nguyên tử cho • Số phối trí lớn  mạng tinh thể dày đặc • Do nguyên tố kim loại cho electron, cation thường có bán kính nguyên tử < anion  tỉ số bán kính <  cation cần nhiều anion lân cận • Tinh thể bền tất anion xung quanh chạm vào cation trung tâm TRÚC TINH THỂ VẬT LIỆU LIÊN KẾT ION • Định nghĩa: 1.9 CẤU 1.9.1 Số phối trí xếp tinh thể ion 110 12/25/2015 1.9.1 Số phối trí xếp tinh thể ion 111 12/25/2015 • Dự đoán cấu trúc tinh thể hợp chất FeO Fe 2+ Fe 3+ Ca 2+ Anion O 2Cl F- • Answer: r cation 0.077  r anion 0.140  0.550 Trường hợp Số phố trí = Cấu trúc = NaCl TRÚC TINH THỂ VẬT LIỆU LIÊN KẾT ION Cation Al 3+ 1.9 CẤU 1.9.1 Số phối trí xếp tinh thể ion 112 12/25/2015 1.9.1 Số phối trí xếp tinh thể ion • Dự đoán cấu trúc tinh thể hợp chất CaF2 • Xem xét CaF2 : r cation 0.100   0.8 r anion 0.133 Trong tường hợp này, số phối trí =8 sử dụng cấu trúc CaCl • Kết quả: cấu trúc CsCl có nửa vị trí cation chiếm • Chỉ nửa vị trí cation Chiếm đóng có nghĩa là: #Ca2+ ions = 1/2 # F- ions Adapted from Fig 12.5, Callister 6e 113 12/25/2015 1.10 Cấu trúc tinh thể vật liệu liên kết hóa trị Nguyên tử nhóm VI C, Si, Ge Lai hóa sp3 – dạng cấu trúc tetrahedra ô mạng FCC Chỉ số chiếm đóng=37% (số lân cận (?))-Number of neighbours=12 114 12/25/2015 Lỗ tinh thể (Hốc tinh thể) Định nghĩa Phần không gian không bị chiếm nguyên tử (hoăc phân tử hay ion) Hộc tứ diện (T) Hộc bát diện (O) 115 12/25/2015 Lỗ tinh thể (Hốc tinh thể)  Sấp xếp tạo khối lục phương xếp chặt Lỗ bốn mặt A B A lớp (3) xếp chồng lên A lớp đáy (1) ABABAB… 116 Lỗ tinh thể (Hốc tinh thể)  Sấp xếp tạo khối lập phương mặt tâm Lỗ tám mặt C B A C chồng lên B C chồng hộc lớp A,B ABCABCABC… 12/25/2015 1.11 Sai lệch mạng tinh thể Phân loại sai lệch mạng tinh thể Lỗ trống nguyên tử Nguyên tử xâm nhập Nguyên tử thay Sai lệch điểm Đường phân chia Sai lệch đường Biên hạt Sai lệch vùng 118 12/25/2015 1.11 SAI 1.11.1 Sai lệch điểm Thay nguyên tử lớn Chèn Dạng Frenkel Thay nguyên tử bé LỆCH MẠNG TINH THỂ Lỗ trống Dạng Schottky 119 12/25/2015 1.11 SAI 1.11.1 Sai lệch điểm Sự cân điện tích phải trì có mặt chất lạt Na + LỆCH MẠNG TINH THỂ • Ví dụ: NaCl Doping cation Cl Lỗ trống cation Ca 2+ Na + Na + Tinh thể thông thườngCa 2+ doping Doping anion O 2- Cl Cl Tinh thể thông thường O 2- doping Ca 2+ Doping cation Lỗ trống anion Doping anion 120 120 12/25/2015 1.11 SAI 1.11.2 Sai lệch đường LỆCH MẠNG TINH THỂ 121 12/25/2015 Mầm Tinh thể phát triển LỆCH MẠNG TINH THỂ Sự cô đặc – Kết từ việc đúc vật liệu nóng chảy bước Hình thành nhân Nhân lớn lên để tạo tinh thể Tinh thể lớn lên gặp tinh thể khác Sự thay đổi cấu trúc hạt 1.11 SAI 1.11.3 Sai lệch mặt Cấu trúc hạt Dung dịch 122 12/25/2015 1.11 SAI 1.11.3 Sai lệch mặt LỆCH MẠNG TINH THỂ 123 12/25/2015 1.11 SAI 1.11.3 Sai lệch mặt Bề mặt bóng • Không hoàn hảo • Dễ bị mòn • Thay đổi định hướng tinh thể Rãnh bề mặt Biên hạt (a) LỆCH MẠNG TINH THỂ Nhược điểm sai lệch Fe-Cr hợp kim (b) 124 [...]...Khoa học Vật liệu là gì ? • Khám phá mối quan hệ giữa cấu trúc và các tính chất của vật liệu • Công nghệ Vật liệu sẽ dựa trên các đặc điểm và tính chất của cấu trúc  thiết kế và nghiên cứu cấu trúc vật liệu để tạo ra sản phẩm là vật liệu mới có tính chất đã được xác định trước 12/25/2015 4 yếu tố cơ bản của môn khoa học vật liệu 11 Khoa học Vật liệu là gì ? • Nghiên cứu cấu... Polyvinyl chloride 12/25/2015 15 Phân loại các Vật liệu • Composite: là loại vật liệu chứa nhiều hơn một vật liệu – vật liệu polymer kết hợp với bông thủy tinh …: thể hiện những t/c tốt nhất của từng loại vật liệu thành phần • Vật liệu bán dẫn: có tính chất điện ở khoảng giữa chất dẫn điện và chất điện môi, đặc biệt nhạy cảm với sự có mặt của tạp chất • Vật liệu sinh học: được sử dụng để tiêm vào cơ thể thay... 12/25/2015 16 Phân loại các Vật liệu Các giá trị mật độ khối lượng ở nhiệt độ phòng của các vật liệu kim loại, gốm, polymer và composite 12/25/2015 17 Phân loại các Vật liệu Các giá trị suất đàn hồi (suất Young - không bị uốn) ở nhiệt độ phòng của các vật liệu kim loại, gốm, polymer và composite 12/25/2015 18 Phân loại các Vật liệu Các giá trị độ kháng nứt gãy ở nhiệt độ phòng của các vật liệu kim loại, gốm,... 21 Vật liệu của tương lai • Vật liệu thông minh: là loại vật liệu mới và hiện đại Có thể thay đổi đặc tính theo điều kiện môi trường, đáp ứng lại những thay đổi này theo hướng đã định sẵn • Vật liệu có cấu trúc nano: những vật liệu có cấu trúc đặc biệt, trong đó vai trò đặc biệt ở kích thước của cấu trúc các phân tử, nguyên tử làm cho nó có những tính chất đặc biệt, hoàn toàn mới 12/25/2015 22 Vật liệu. .. của vật liệu liên quan tới sự sắp xếp của những thành phần trong vật liệu Những cấu trúc “dưới” nguyên tử (subatomic) liên quan đến điện tử trong nguyên tử và tương tác của chúng với hạt nhân nguyên tử • Nghiên cứu tính chất là muốn nói đến sự nghiên cứu chi tiết những đặc trưng của vật liệu 12/25/2015 12 Tại sao lại Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Vật liệu? • Nghiên cứu các tính chất của Vật liệu: ... tính chất của Vật liệu: tính chất cơ học, tính chất hóa học, tính chất điện, bản chất của Vật liệu và các đặc tính cần thiết khác … • Các sai hỏng, độ bền của Vật liệu trong quá trình làm việc • Tính kinh tế khi áp dụng thực tiễn (giá thành khi chế tác, khi bảo quản và sử dụng …) 12/25/2015 13 Tương lai của môn Khoa học Vật liệu • Gắn liền với sự phát triển của khoa học và công nghệ • Gắn liền với sự... kiệm vật liệu và năng lượng, hiệu quả cao • Kết hợp ngày càng nhiều các bộ môn khoa học liên quan 12/25/2015 14 Phân loại các Vật liệu Các Vật liệu dạng rắn được chia làm 3 nhóm: kim loại, gốm sứ và polymer • Kim loại: bao gồm kết hợp các nguyên tố kim loại Vật liệu gốm sứ • Gốm sứ: là hợp chất chứa các kim loại và phi kim Chủ yếu gồm các oxít, nitride và carbide • Polymer: là một họ các vật liệu plastic... 19 Phân loại các Vật liệu Các giá trị độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng của các vật liệu kim loại, gốm, polymer và composite 12/25/2015 20 Những Vật liệu cao cấp • Sử dụng trong các ứng dụng công nghệ cao cấp (advanced tech.), các thiết bị điện tử, máy nghe nhạc CD, computer, các hệ cáp quang, máy bay, tàu vũ trụ không gian … • Các tính chất của vật liệu được phát triển và làm mới, các vật liệu hiệu quả cao... biến nhiệt Vật liệu ánh màu halochromic thay đổi màu sắc khi độ axít thay đổi, cảm biến axít Hệ biến sắc có thể thay đổi màu sắc khi làm biến đổi các tác nhân nhiệt, quang và điện Chất lỏng phi Newton có thể thay đổi độ nhớt tùy theo tốc độ của vật trượt tác dụng lên nó 23 Vật liệu của tương lai • Vật liệu cấu trúc nano là lĩnh vực mà tiêu chí của nó là kiểm soát được các tính chất của vật liệu ở thang... của tương lai • Vật liệu thông minh là vật liệu có một hoặc nhiều các tính chất có thể được thay đổi đáng kể khi có các tác nhân kiểm soát được từ bên ngoài tác động lên nó như là, ứng suất, nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, điện trường hoặc là từ trường …     Vật liệu điện giảo tạo nên một hiệu điện thế xác định khi tác động lên nó một ứng suất Hợp kim nhớ hình và polymer nhớ hình là các vật liệu thay đổi