BÀI TIỂU LUẬN VẬT LIỆU VÔ CƠ

tiểu luận vật liệu vô cơ

Nội Dung Chính

I. Khái niệm và phân loại

II. Đặc điểm cấu trúc và tính chất vật liệu vô

cơIII. Một số vật liệu vô cơ điển hình

IV. Ứng dụng vật liệu vô cơ trong đời sống và

kỹ thuật

I Khái niệm và phân loại

1 Khái niệm

Vật liệu vô cơ được tạo thành từ các hợp chất hóa học giữa:

- Kim loại (Me) với các á kim bao gồm B,

C, N, O và Si (bán kim loại hay bán dẫn) bao gồm các borit, cacbit, nitrit, ôxyt, silixit kim

loại hay

- Các á kim kết hợp với nhau như các cacbit, nitrit, ôxyt của bo và silic (SiC, BN, SiO2)

Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn các nguyên tố và khả năng kết hợp giữa chúng tạo nên các hệ

vật liệu vô cơ

2 Phân loại

a Theo đặc điểm kết hợp

- Có 3 nhóm chính:

 Gốm và kim loại chịu lửa

 Thủy tinh và gốm thủy tinh

 Xi măng và bê tông

b Theo cấu trúc

- Có 2 nhóm:

 Đơn pha: thủy tinh SiO2 , gốm oxit,…

 Đa pha: hầu hết các vật liệu vô cơ

II Đặc điểm cấu trúc và tính chất vật liệu

vô cơ

1 Liên kết nguyên tử trong vật liệu vô cơ

- Vật liệu vô cơ là sự kết hợp của các nguyên

tố phi kim với kim loại, hoặc giữa chúng với

nhau

- Vì vậy liên kết nguyên tử trong vật liệu vô

cơ không có liên kết kim loại mà chỉ có sự liên kết của ion và liên kết đồng hóa trị

Tỷ lệ liên kết ion của một số hợp chất như sau.

2 Trạng thái tinh thể và vô định hình.

- Vật liệu vô cơ có thể tồn tại ở trạng thái khác nhau

 Trạng thái tinh thể ( đơn oxit, SiC )

 Trạng thái vô định hình ( thủy tinh )

 Tồn tại cả trạng thái tinh thể và vô

định hình ( sứ, gốm thủy tinh )

Cấu trúc MX 2 ( M 2 X )

- Nếu hóa trị của cation và anion không

giống nhau, nên số lượng tham gia khác nhau, chúng tạo nên hợp chất MmXp , trong đó m

hoặc p ≠ 1 hay m và p đều khác 1

Hình 1.3 Mạng tinh thể của:

a CaF 2 , b Cu 2 O, c TiO 2 ,

Cấu trúc M m N n X p

- Một số vật liệu vô cơ có thể được tạo thành trên cơ sở mạng tinh thể của hai hay nhiều loại cation (M, N) Ví dụ BaTiO3 , trong đó Ba 2+ nằm

ở đỉnh hình lập phương, Ti 4+ - tâm khối hình lập phương, O2 - tâm các mặt bên.

Đa diện phối trí và mạng tinh thể

- Các đa diện phối trí liên kết với nhau tạo thành mạng tinh thể vật liệu vô cơ qua đỉnh,

cạnh hoặc mặt của đa diện phối trí

- Độ bền v của mạng tinh thể lớn nhất khi

liên kết qua đỉnh, sau đó đến liên kết qua cạnh, kém nhất là mặt

Hình 1.5 Các kết cấu sắp xếp của đa diện

phân phối tứ [SiO 4 ] -4

b Trạng thái vô định hình

- Một số nguyên tố, hợp chất (S, SiO2, B2O3,

P2O5 ), có độ sệt (nhớt) cao ở trạng thái nóng chảy, gây trở ngại cho sự dịch chuyển, sắp xếp nguyên tử trật tự, tạo nên mầm cho kết tinh

- Khi làm nguội bình thường không có quá trình kết tinh, trạng thái nóng chảy sẽ chuyển thành chất lỏng quá nguội, đông cứng lại thành chất rắn thủy tinh.Các chất này không có nhiệt

độ nóng chảy và kết tinh xác định

-Với các hợp chất có độ sệt (nhớt) không cao lắm khi làm nguội nhanh cũng nhận được trạng thái vô định hình.

a.Sơ đồ cấu trúc của tinh thể thạch anh (SiO 2 ), b Thủy tinh thạch anh (SiO 2 ),

c Thủy tinh natri silicat (Na 2 O – SiO 2 )

3 Vật liệu đa pha và đa tinh thể

- Vật liệu vô cơ có thể tồn tại ở trạng thái

tinh thể và vô định hình, đó là các vật liệu đa pha

- Trong vật liệu đa pha, pha chính là pha

tinh thể liên kết với nhau qua pha vô định hình

và các bọt khí

- Ví dụ: gốm chịu lửa, gốm thủy tinh, sứ,…

- Vật liệu vô cơ tinh thể luôn tồn tại dưới

dạng đa tinh thể và nhiều khuyết tật

II Một số vật liệu vô cơ điển hình

1 Gốm và vật liệu chịu lửa

- Là nhóm vật liệu vô cơ đa pha và đa tinh thể, gồm một phần tổ chức là các pha tinh thể

và một phần vô định hình nằm xen nhau

- Hàm lượng pha tinh thể và độ hạt của nó quyết định độ bền của gốm Ngoài ra còn phụ thuộc vào thành phần hóa học, hàm lượng lỗ xốp

a Gốm silicat

- Gốm silicat chế tạo từ các silicat thiên

nhiên gồm đát sét và cao lanh

- Ngoài ra còn sử dụng các nguyên liệu như thạch anhtràng thạch , để điều chỉnh thành

phần và tính chất sản phẩm

- Gốm silicat có loại tráng men và không

tráng men Theo đặc điểm cấu trúc có hai loại gốm thô và gốm tinh

- Gốm silicat được sử dụng trong xây dựng,

đồ gia dụng và trong công nghiệp

b Gốm oxit

- Gốm oxit trên cơ sở oxit có nhiệt độ

nóng chảy cao

- Đây là loại gốm tinh được chế tạo trên cơ

sở các ôxit có nhiệt độ nóng chảy cao

Ví dụ: (20500C MeO.Fe2O3 MgO(2850),

Zr(2500 2600)

- Gốm oxit loại này có thành phần vô định hình rất ít 1 – 2 % ) còn lại là một pha có cấu trúc tinh thể ( 98 – 99% )

Gốm oxit gồm các loại sau:

c Gốm trên cơ sở các hợp chất không chứa ôxy.

- Cacbit silic (SiC): có độ cứng và khả năng

chịu nhiệt rất cao Được sử dụng làm hạt mài,

đá mài, thanh điện trở…

- Cacbit Bo (): Có nhiệt độ nóng chảy và độ

cứng cao, cách điện tốt dùng làm dụng cụ cắt, hạt mài…

- Nitrit silic (): nhiệt độ nóng chảy và độ

cứng cao, cách điện tốt, bền trong môi trường kim loại nóng chảy , axit, kiềm, sử dụng làm

chén nấu, vòi đốt, khuôn ép nóng

- Nitrit Bo (BN): hay được sử dụng ở dạng

cấu trúc lục giác và lập phương

- Si-C: có độ bền cao hơn năm lần, chịu

được nhiệt độ cao, bền trong môi trường axit, kiềm và siêu dẻo ở 1600

d Vật liệu chiệu lửa

- Là loại vật liệu sử dụng trong các lò

(luyện kim, thủy tinh, lò hơi…) và các thiết bị công nghệp làm việc ở nhiệt độ cao, có nhiệt

độ chịu lửa lớn hơn 1520 mà tại đó vật liệu

hình chóp bị đánh gục theo quy định Phần lớn

là gốm thô

- Đinat (silica) với thành phần > 93% SiO2

sản xuất bằng phương pháp thiêu kết bột

Gạch đinat có tính axit với nhiệt độ làm việc cao (> 1550oC) dùng xây lò coke, vòm lò thủy tinh…

Một số vật liệu chịu lửa.

- Samôt là gốm thô Al2O3 – SiO2 nguyên

liệu chính là đất sét, cao lanh Có samôt

thường (30 - 40% Al2O3) - trung tính và samôt bán axit (chỉ chứa 20 - 30% Al2O3) Với độ

chịu lửa tương đối tốt (~ 1400oC) được dùng trong lò nung clinke, khí hóa…

- Cao alumin cũng thuộc hệ Al2O3 – SiO2

như samôt nhưng với hàm lượng Al2O3 cao

hơn (45 - 95%) nên độ chịu lửa cao hơn ( ≥

1600oC), sử dụng khi có yêu cầu cao về độ

chịu lửa mà samôt không đáp ứng nổi

- Gạch kiềm tính là hệ gạch chịu lửa có

MgO với các thành phần khác nhau: pericla

hay manhêzit (MgO), pericla - crômit hay

crôm - manhêzit (Cr2O3 - MgO), đôlômit

(MgO - CaO) , chúng rất bền với xỉ kiềm là yêu cầu rất quan trọng với luyện thép và một

số kim loại để có thể tạo ra xỉ kiềm (CaO)

- Các loại vật liệu chiệu lửa khác: là các vật liệu được chế tạo bằng phương pháp nóng

chảy rồi đúc thành gạch và vật liệu trên cơ sở graphit và SiC

e Công nghệ chế tạo vật liệu gốm

- Gồm hai loại công nghệ gốm tinh và gốm thô

- Công nghệ sản xuất gốm tinh: dùng chế tạo các gốm có công dụng đặc biệt

- Công nghệ gốm thô: công nghệ này được

sử dụng sản xuất gốm xây dựng, gia dụng, nỹ nghệ và vật liệu chiệu lửa

Sơ đồ sản xuất gốm tinh.

Tạo bởi

phân loại

Phối liệu nghiền trộn

ép Thiêu kết Gia

công cơ

Sơ đồ sản xuất gốm thô:

- Để tạo hình có thể dùng:

- Phương pháp dẻo

- Phương pháp bán khô

- Phương pháp đúc rót

- Sau khi được tạo hình gốm thô được sấy

và nung ở nhiệt độ khác nhau, tùy vào thành phần gốm như:gạch 900 sứ 1400

Nguyện

liệu thô

Gia công nguyên liệu

Phối liệu nhào luyện

Tạo

2 Thủy tinh và gốm thủy tinh

b Các loại thủy tinh và gốm thủy tinh

- Thủy tinh thông dụng: Thủy tinh thông dụng

thuộc hệ silicat – kiềm – kiềm thổ (SiO2 – Na2O – CaO) được chế tạo từ cát trắng (cung cấp 65 –

75% SiO2), đá vôi (cung cấp 8 – 15% CaO) và

sôđa (cung cấp 12 – 18% Na2O).

- Đưa thêm sôđa nhằm giảm nhiệt độ nóng chảy của hệ, ngoài ra còn cho thêm K2O, Al2O2, B2O3

để điều chỉnh tính chất

- Thủy tinh được dùng để chế tạo kính xây dựng, bao bì, chai lọ trong công nghiệp hóa chất, dược phẩm, đồ gia dụng, màn hình ti vi

- Thủy tinh sợi mảnh (d > 100 um) có độ bền cơ học đặc biệt cao, từ 1.000 – 1500

MPa, được sử dụng làm cốt liệu cho

composite

- Thủy tinh xốp được dùng làm vật liệu

cách nhiệt

Một số vật liệu thủy tinh

- Các loại thủy tinh khác: Các loại thủy tinh

hệ SiO2 – B2O3 – Na2O (borosilicat); SiO2 –

Al2O3 – Na2O (alumo silicat); SiO2 – PbO –

Na2O (chì silicat); SiO2 (thạch anh – đơn

silicat) và các loại thủy tinh không phải silicat thuộc nhóm này

- Thủy tinh borosilicat và alumosilicat cũng như alumoborosilicat có hệ số dãn nở nhiệt

nhỏ, bền nhiệt, bền hóa học cao, được sử dụng

để chế tạo dụng cụ hóa học, đo lường, thiết bị hóa học

- Thủy tinh chì silicat có chỉ số khúc xạ cao được dùng chế tạo dụng cụ quang học, pha lê.

- Thủy tinh SiO2 (thạch anh) trong suốt dùng để chế tạo các dụng cụ, thiết bị chịu nhiệt, bền hóa học

- Thủy tinh thạch anh tinh khiết có chứa

B2O3 dùng để chế tạo cáp quang

Một số hình ảnh thủy tinh thạch anh

- Về mặt thành phần hóa học, gốm thủy tinh cũng có thành phần đại loại như thủy tinh (ví

dụ SiO2 – Al2O3 – Na2O) song có cấu trúc và

cách chế tạo hơi khác

- Gốm thủy tinh là không trong suốt và có

nhiều tính chất quý như : không giãn nở vì

nhiệt, có độ bền cơ học, chịu mài mòn cao, dễ tạo hình bằng gia công cơ khí, có tính chất

điện từ đặc biệt, có tính tương thích sinh học cao

Một số vật liệu gốm thủy tinh

c Công nghệ chế tạo thủy tinh

- Có thể tóm tắt quá trình nấu và chế tạo các sản phẩm thủy tinh như sau:

Phối liệu

Nấu thủy tinh

Hạ nhiệt độ

và tạo hình

Nhiệt luyện sản phẩm Chuẩn bị

nguyên liệu

- Chuẩn bị nguyên liệu: gồm nguyên liệu

chính (ví dụ: cát, đá vôi, sôđa) và các nguyên

liệu phụ như chất tạo màu, chất khử màu, chất ôxy hóa chất khử, chất gây đục, chất khử bọt, chất gia cương, tùy thuộc vào loại thủy tinh cần chế tạo

- Nấu thủy tinh: Thủy tinh được nấu ở nhiệt

độ 1400 – 1500oC Quá trình nấu phải đảm bảo

sự tạo thành silicat hoàn toàn, khử bọt khí triệt

để và đảm bảo đồng đều thành phần Để đảm

bảo yêu cầu cần phải nâng nhiệt độ, giữ nhiệt, khử khí, khuấy đảo cơ học

- Tạo hình sản phẩm: Sau khi thủy tinh đã

được nấu luyện hoàn tất, việc kế tiếp là hạ

nhiệt độ khối thủy tinh xuống khoảng 1000 –

1200oC trong khoảng biến mềm của thủy tinh

và tiến hành tạo hình sản phẩm theo các

phương pháp khác nhau như kéo, cán, thổi,

ép, ly tâm

- Nhiệt luyện thủy tinh: ủ khử ứng suất

hoặc tôi tăng bền

- Ủ khử ứng suất: Thủy tinh sau khi tạo

hình thường tồn tại ứng suất dư dẫn đến độ bền

cơ học thấp, khi sử dụng dễ bị nức, bể Để tăng tuổi thọ của dụng cụ thủy tinh, sau khi tạo hình sản phẩm, thủy tinh thường được ủ để khử ứng suất Chế độ ủ thủy tinh như sau:

- Nung sản phẩm đến nhiệt độ ủ, tốc độ vừa phải: tủ = 500 – 600oC

- Giữ nhiệt: giữ nhiệt = 102a2 (Ph); a – là

nửa chiều dày sản phẩm (mm)

- Làm nguội: làm nguội chậm, muốn ứng

suất còn lại khoảng 5% thì vận tốc nguội

v = 0,33/a2 0C/Ph Nếu cho phép ứng suất còn

lại là 20% thì v = 1,3/a2 0C/Ph

- Tôi tăng bền: sau khi nung có thể đem tôi

trong không khí nén để tăng bền hoặc tạo các hạt nhỏ vụn không sắc cạnh khi bị bể

- Nhiệt độ thường cao hơn nhiệt độ thủy tinh hóa nhưng thấp hơn nhiệt độ biến mềm

ttôi = 630-6500C, thời gian nung khoảng 50-60

giây/mm dày

3 Xi măng và bê tông

- Ngoài các phương pháp chế tạo đã trình

bày, các vật liệu vô cơ đa pha có thể được chế tạo bằng phương pháp kết dính các thành phần vật liệu rắn với nhau ở nhiệt độ thường nhờ

a Xi măng

- Ximăng là chất kết dính thủy lực khi tác

dụng với nước tạo ra các hợp chất có tính kết dính; các hợp chất này đóng rắn trong nước và các sản phẩm đóng rắn bền trong nước

- Có các loại ximăng chính sau:

• Poclan, trên cơ sở hệ CaO – SiO2 chứa

thêm Al2O3, Fe2O3 với nhiều loại biến thể

• Alumin, trên cơ sở hệ CaO – Al2O3 chứa

thêm SiO2, Fe2O3

• Xỉ lò cao, chứa thêm thạch cao hoặc vôi

Trong đó ximăng poclan là phổ thông nhất.

- Các bước sản xuất ximăng poclan như sau:+ Nguyên liệu ban đầu gồm đá vôi, đất sét

và quặng sắt được cân đong theo phối liệu,

nghiền mịn rồi trộn đều

+ Phối liệu được nung luyện trong lò quay ở

1400 – 1500oC để tạo ra các khoáng chất như 3CaO.SiO2 (C3S), 2CaO.SiO2 (C2S),

3CaO.Al2O3 (C3A), 4CaO.Al2O3.Fe2O3(C4AF), được gọi là clinke

- Khi ximăng được hòa trộn với nước ta được vữa ximăng, nó sẽ bị hyđrat hóa theo các phản

ứng:

2 (3CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

2 (2CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2

- Để đặc trưng cho độ bền cơ học người ta

dùng chỉ tiêu mác xi măng

- Ví dụ: ký hiệu PC300 là xi măng poclan mác

300 có độ bền nén 30MPa

Một số hình ảnh về xi măng

b Bêtông

- Bêtông chế tạo từ hỗn hợp các vật liệu

silicat với kích thước hạt khác nhau: gồm sỏi

hoặc đá dăm, cát vàng, ximăng để tạo ra mật độ cao cho bêtông

- Khi trộn với nước hạt cát điền vào chỗ

trống giữa các viên sỏi, đá dăm, còn ximăng sẽ chen vào khoảng trống giữa các hạt cát

- Bề mặt của các hạt cát, sỏi, đá dăm sẽ xúc tiến tạo mầm ký sinh cho quá trình kết tinh của các hợp chất hyđrat của ximăng

- Độ bền của bê tông phụ thuộc vào mác xi măng và tỷ lệ xi măng: cốt liệu, nước, hàm

lượng lỗ xốp…

- Bê tông cũng giống như gốm, có độ bền nén cao, độ bền kéo thấp

- Để tăng độ bền kéo và uốn cho bê tông

người ta chế tạo bê tông cốt thép cao hơn nữa

là bê tông dự ứng lực

Một số hình ảnh về bê tông

4 Vật liệu sợi vô cơ

a Sợi thủy tinh

- Sợi thủy tinh hệ boroalumo silicat được dùng để làm cốt liệu cho composite nền

Một số hình ảnh về sợi thủy tinh

b Sợi cacbon

- Vật liệu cacbon bao gồm kim cương,

graphit, cacbon thủy tinh và sợi cacbon

- Sợi cacbon được chế tạo từ tơ nhân tạo, sau khi nhiệt phân để tạo mạch vòng ở 2000C được nung ở 15000 C đến 20000C

- Sợi cacbon có cấu trúc lục giác, mặt đáy

định hướng theo chiều trục sợi

- Sợi cacbon có độ bền rất cao khoảng 2000

- 3000 MPa

IV Ứng dụng vật liệu vô cơ trong đời sống và

kỹ thuật

1 Trong đời sống

- Vật liệu vô cơ được sử dung rất nhiều như: chảo chống dính, răng giả (sứ), bông chống

thấm, khớp xương nhân tạo, giấy nhám

- Vật liệu vô cơ còn sử dụng nhiều trong các công trình như:bê tông, gạch men (công nghệ ceramic),…

Một số hình ảnh vật liệu vô cơ trong đời sống

2 Trong kỹ thuật

- Được sử dụng trong các linh kiện công

nghiệp tiên tiến được chế tạo từ nguyên liệu đã qua gia công đặc biệt như xử lý hoá học,…

- Các linh kiện điện tử như : tụ điện của điện thoại di động và Tivi màn hình tinh thể lỏng,

bếp mặt kiếng ceramic, máy sưởi điều hòa…

- Các ứng dụng trong lĩnh vực mới như pin nhiên liệu cũng đang rất được quan tâm Trong pin nhiên liệu sử dụng nguồn năng lượng là

Hydro và Oxy

Một số hình ảnh vật liệu vô cơ trong kỹ thuật

- Nhìn chung vật liệu vô cơ tạo ra các bộ

phận quan trọng của một loạt các sản phẩm,

gồm các tụ cách điện, bugi đánh lửa, pin nhiên liệu, áo chống đạn, tua-bin khí, que hạt nhân, các ổ bi chịu nhiệt cao, các vật liệu cấu trúc

chịu nhiệt cao và các tấm chắn nhiệt, các vât liệu tinh thể

Nhược điểm của vật liệu vô cơ

- Dễ dàng vỡ khi bị rơi

- Do đó so sánh với kim loại thì tính giòn/ dễ

vỡ chính là vấn đề của vật liệu vô cơ

- Bằng cách sử dụng các kỹ thuật như nung

gia nhiệt hay sử dụng hỗn hợp khí trong lò nung khi nung cứng sản phẩm, nghiên cứu về kỹ

thuật tăng cường độ gắn kết của vật liệu để tăng

độ bền đang được phát triển mạnh

Kết thúc

CẢM ƠN !

Cảm ơn thầy và các bạn đã lắng nghe