Chương 1 cơ sở KHOA học vật LIỆU

MÔN HỌC CƠ SỞ KHOA HỌC VẬT LIỆU TS Lê Văn Thăng Khoa Công nghệ Vật liệu Đại học Bách Khoa Đại học Quốc Gia TPHCM ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC Số tín chỉ: (3,1,6) bao gồm 60 LT + BT+TT Đánh giá: KT kỳ (bài tập lớn + bai tập nhỏ + đọc tham khảo) + presentation (TN) 50%, Thi cuối kỳ 50% Nội dung: cung cấp kiến thức khoa học vật liệu: thiết lập mối quan hệ thành phần, cấu tạo nguyên tử (hoặc phân tử), cấu trúc vi mô tính chất vĩ mô vật liệu Tài liệu tham khảo: [1] Lê Công Dưỡng,Vật liệu học NXB Khoa Học - Kỹ Thuật, Hà Nội, 1997 [2] Lawrence H Van Vlack, Elements of Material Science & Engineering, 6th edition, Addition - Wesley, Massachusetts, USA, 1989 [3] William D Callister, Jr., Material Science & Engineering - An introduction, 6th edition, John Wiley & Son Inc., New York, USA, 2003 [4] J.P Schaffer et al., The Science and Design of Engineering Materials, Irwin, USA, 1995 [5] W.Kurz, J.P Mercier, K.Zambelli, Introduction la science des matériaux, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suisse, 1987 Nội dung chi tiết Chương 1: Mở đầu Chương 2: Cấu tạo nguyên tử liên kết hóa học Chương 3: Các khái niệm mạng tinh thể Chương 4: Cấu trúc kim loại hợp kim Chương 5: Cấu trúc vật liệu ceramic Chương 6: Cấu trúc vật liệu polyme Chương 7: Vật liệu composit Chương 8: Khuyết tật tinh thể Chương 9: Quá trình khuếch tán Chương 10: Giản đồ pha chuyển pha Chương 11: Cơ tính vật liệu Chương 12: Lý tính vật liệu: tính chất điện, tính chất từ Đề thuyết trình LIGHT EMITTING ORGANIC DIODES (OLEDS) LIGHT-EMITTING-DIODE (LED) CARBON NANOTUBE MULTI-WALLED CARBON NANOTUBES SINGLE-WALLED PIEZOELECTRIC MATERIALS PIEZOMAGNETISM MATERIALS LỚP VẬT LIỆU PHỦ TRÊN BỀ MẶT KIM LOẠI ĐỂ TĂNG CỨNG VẬT LIỆU TiO2 SỢI CÁP QUANG 10 VẬT LIỆU CHỊU NHIỆT 11 CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELL 12 PIN NHIÊN LIỆU 13 PIN MẶT TRỜI TRÊN CƠ SỞ TIO Đề thuyết trình 14 VẬT LIỆU NHỚ HÌNH (Shape Memory Material) 15 POLYMER CONDUCTIVE (Polymer DẪN điện) 16 MEMS 17 SILICON NANO WIRE – NANOFIBER 18 FERROMAGNETIC SHAPE MEMORY ALLOY 19 DIELECTRIC CURE MONITORING OF POLYMERS 20 “SMART” CORROSION PROTECTIVE COATINGS 21 PIEZOELECTRICITY IN POLYMERS 22 SUPERCONDUCTIVE MATERIALS 23 LIPID MEMBRANES ON HIGHLY ORDERED POROUS ALUMINA SUBSTRATES 24 GRAPHENE MATERIALS CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Trạng thái vật lý vật chất 1.1.1 Trật tự trật tự • Vật chất tồn bốn trạng thái: rắn, lỏng, khí plasma • Trạng thái vật lý chất xác định cân lượng liên kết (mang nguyên tử lại gần nhau), Elk lượng nhiệt (đẩy nguyên tử xa nhau), Enh • Năng lượng nhiệt sinh dao động liên tục nguyên tử • Enh = kT với T nhiệt độ [0K], k số Boltzmann = 1,38 x 10-23 J/0K • Năng lượng liên kết lượng để phân ly hệ thành nguyên tố cấu thành ≡ lượng để hóa hệ, gần Elk = const (T) • Lực liên kết nguyên tử mạnh Elk lớn: kim loại, gốm; ngược lại trường hợp khí hiếm, phân tử khí, phân tử hữu • Từ Enh = kT Elk = const, có thể: - Giải thích thay đổi trạng thái vật chất theo nhiệt độ - Khi T0 ↑, Enh ↑ cấu trúc trật tự theo R: trật tự hoàn toàn → L: trung gian → K: trật tự hoàn toàn Đặc trưng trạng thái Đặc trưng Chuyển động Rắn Dao động Lỏng Khí Tịnh tiến, quay, Tịnh tiến, quay, dao động dao động Khoảng cách Bé, cỡ kích thước Tăng lên cỡ Khá lớn so với hạt hạt kích thước hạt kích thước hạt Quan hệ Enh Elk Enh < Elk Hình dạng Enh ≈ Elk Enh > Elk Hình dạng thể Có thể tích Không tích, tích bảo toàn hình hình dạng dạng • Trong số trường hợp, ranh giới phân biệt trạng thái rắn lỏng không rõ ràng • Hiện nay, người ta thường dùng khái niệm độ nhớt để phân biệt chất trạng thái rắn hay lỏng •Theo quan điểm này, chất rắn chất có độ nhớt động học lớn 1012 poises Plasma: • Là dạng khí có số ion có điện tích dương ≅ số điện tử có điện tích âm → tổng điện tích gần trung hòa • Các nhà khoa học tin 99% vật chất vũ trụ tồn dạng plasma • Được tạo thành chất khí gia nhiệt đến nhiệt độ đủ cao, cho nguyên tử khí trung hòa điện bị hết điện tử → ion có điện tích dương điện tử có điện tích âm → khí ion hóa gọi plasma • Do điện tử ion dạng tự → plasma có tính dẫn điện kiểm soát điện trường từ trường → ứng dụng nhiều công nghiệp Ví dụ: Các trạng thái vật lý nước Rắn Lỏng Khí Plasma Nước đá, H2O Nước, H2O Hơi nước, H2O Khí ion hóa H2 → H+ + H+ + 2e T < oC < T < 100 oC T > 100 oC T > 100.000 oC Phân tử bị cố định Phân tử di chuyển Phân tử di chuyển mạng tinh tự tự do, khoảng cách thể phân tử lớn Ion điện tử di chuyển độc lập, khoảng cách10giữa phân tử lớn 1.2.5.2 Cấu trúc vi mô • Trong nhiều trường hợp, cấu trúc bên vật liệu tập hợp hạt có kích thước vi mô, có hình dạng định tạo thành cấu trúc vi mô • Cấu trúc vi mô quan sát kính hiển vi quang học (mm → µm) kính hiển vi điện tử (100 µm → nm) Cấu trúc gọi đa tinh thể • Để hiểu tính chất vật liệu, cần phải thiết lập mối quan hệ tượng xảy cấp độ cấu trúc vi mô, cấu trúc vi mô (sự xếp nguyên tử, phân tử) tính chất vật liệu • Nguyên tử → ô → Siêu hạt → Tinh thể ≡ hạt (Ô đồng hướng) Các hạt có phương mạng khác tạo thành cấu trúc đa tinh thể • Cấu trúc vi mô thường xác định thông số: - Thành phần, xếp nguyên tử, phân tử - Tỉ lệ tương đối thành phần - Hình dáng, kích thước, trình gia công, chế tạo • Cấu trúc vi mô xác định tính chất số lớn vật liệu Nếu cải thiện cấu trúc vi mô cách có kiểm soát nhận nhiều tính chất vật liệu • Theo thời gian, cấu trúc vi mô thay đổi dẫn đến thay đổi tính chất, ví dụ 28 tượng lão hóa 29 30 1.2.5.3 Quan hệ thành phần, cấu trúc tính chất • Nói chung thành phần, cấu trúc thay đổi tính chất thay đổi theo • Thành phần: Ví dụ Pb 327 oC, Sn 232 oC, Bi 271 oC nhiệt độ nóng chảy hợp kim Pb-Sn-Bi < 150 oC • Cấu trúc: Ví dụ graphit kim cương cấu tạo từ nguyên tử cacbon, graphit mềm, dễ tách lớp kim cương cứng Cấu trúc graphit dạng sáu phương, có cấu trúc lớp, lực liên kết lớp yếu Cấu trúc kim cương có dạng lập phương diện tâm, nguyên tử cacbon tâm tứ diện nên bền vững • Cấu trúc vi mô: Al2O3 đục, muốn suốt phải thay đổi cấu trúc vi mô Ví dụ chế tạo gốm: - Nung bột tinh thể nhiệt độ cao có lỗ trống làm cho vật liệu khả truyền ánh sáng, mặt giao tiếp Al2O3 không khí bề mặt lỗ trống tạo khúc xạ làm đổi hướng ánh sáng Khi chứa 0,3% lỗ trống Al 2O3 trở nên mờ, 3% lỗ trống đục - Để tránh lỗ trống thêm phụ gia (ví dụ: 0,1% khối lượng MgO) → trình đông đặc nhiệt độ cao Al2O3, → cấu trúc lỗ xốp, trở nên suốt 31 1.2.5.4 Các dạng hư hỏng nói chung vật liệu: • Kim loại: Ăn mòn nhiệt độ thường gọi ăn mòn điện hóa, nhiệt độ cao trình oxy hóa hóa học, gọi ăn mòn hóa học • Polyme : Sự phân hủy ảnh hưởng hν, to, oxy không khí tạo gốc tự làm đứt mạch liên kết • Gốm: ổn định hóa học nhất, bị ăn mòn ô nhiểm hóa học không khí 1.3 Tổng quan khoa học công nghệ vật liệu 1.3.1 Khái niệm • Kỹ thuật bao gồm tất vấn đề trình thiết bị công đoạn để sản xuất chi tiết • Công nghệ tối ưu hóa tất trình từ lúc chuẩn bị nguyên vật liệu ban đầu, đến tạo sản phẩm (kỹ thuật) bán thị trường (chất lượng sản phẩm, bao bì, mẫu mã, giá cả, quảng cáo, …) • Khoa học vật liệu môn học thiết lập mối quan hệ thành phần, cấu trúc nguyên tử phân tử, cấu trúc vi mô tính chất vĩ mô vật liệu, môn khoa học trình chuyển chất trình tạo hình 32 • Môn Khoa học vật liệu phần nhập môn cho môn Công nghệ vật liệu, môn học trình chế tạo, chuyển hóa, gia công sản xuất vật liệu • Quá trình gia công, chế tạo → Cấu trúc → Tính chất → Đặc tính kỹ thuật 1.3.2 Công nghệ vật liệu • Kim loại: Công nghệ luyện kim → Phôi → Tạo hình: đúc, cán, hàn, cắt gọt, … • Polyme: Công nghệ hóa dầu → Chất liệu → Tạo hình: đúc, ép, đùn, thổi, … • Gốm sứ: Nguyên liệu bột → Tạo hình → Nung, kết khối • Composit: Kết hợp nguyên lý gia công • Đặc điểm: - Chất liệu → Gia công tạo hình: Công nghệ kim loại, polyme - Chất liệu tạo hình đồng thời: Công nghệ gốm sứ 1.4 Vật liệu tương lai 1.4.1 Vật liệu thông minh • Là nhóm vật liệu phát triển, chúng có ảnh hưởng đáng kể đến công nghệ • Đó vật liệu có khả nhạy cảm với thay đổi môi trường xung quanh đáp ứng lại thay đổi theo cách xác định trước 33 (giống tính chất sinh vật sống) • Khái niệm thông minh mở rộng cho hệ tương đối tinh vi bao gồm vật liệu thông minh vật liệu truyền thống • Các thành phần vật liệu thông minh bao gồm số loại cảm biến (sensor, dùng để phát tín hiệu đầu vào) thi hành (actuator, dùng để thực thi đáp ứng) - Bộ thi hành thực thay đổi hình dạng, vị trí, tần số đặc tính theo thay đổi nhiệt độ, điện trường từ trường - Vật liệu hay dụng cụ làm cảm biến bao gồm cáp quang, vật liệu áp điện (kể polyme) vi điện tử (micro-electro-mechanical systems – MEMS – tích hợp số lớn phần tử điện silicon xử lý học gồm cảm biến thi hành) • Có bốn loại vật liệu thường dùng làm thi hành: - Hợp kim nhớ hình (shape memory alloys) vật liệu sau bị biến dạng trở hình dạng ban đầu nhiệt độ thay đổi - Gốm áp điện (piezoelectric ceramics) vật liệu bị giãn nở nén lại theo điện trường (điện thế) áp đặt, ngược lại chúng phát sinh điện trường kích thước bị thay đổi 34 - Vật liệu áp từ (magnetostrictive materials) có đặc tính tương tự gốm áp điện chúng thay đổi theo từ trường - Chất lỏng lưu biến điện/từ (electro-rheological/magneto-rheological fluids) chất lỏng thay đổi độ nhớt đáng kể theo áp đặt điện trường từ trường tương ứng • Ví dụ việc sử dụng vật liệu thông minh trực thăng để làm giảm tiếng ồn khí động cánh quạt buồng lái: Một cảm biến áp điện đặt vào cánh quạt, ghi nhận thay đổi ứng suất biến dạng cánh Các tín hiệu phản hồi cảm biến gởi phận kiểm soát điều khiển máy tính, sau thiết bị phát phản âm loại trừ tiếng ồn 1.4.2 Công nghệ nano • Cho đến gần đây, tiến trình nhà khoa học để nghiên cứu hóa tính lý tính vật liệu thường việc nghiên cứu cấu trúc lớn, phức tạp đến nghiên cứu khối cấu tạo nhỏ hơn, đơn giản tạo nên cấu trúc Tiến trình thường gọi cách tiếp cận từ xuống (Top-down approach) 35 • Tuy nhiên với tiến kính hiển vi quét (scanning probe microscopes) cho phép quan sát nguyên tử phân tử riêng lẻ, người ta điều khiển di chuyển nguyên tử phân tử để tạo thành cấu trúc mới, hay nói cách khác thiết kế vật liệu từ cấu tử cấp độ nguyên tử đơn giản • Khả cho phép tạo tính chất cơ, điện, từ tính chất khác cho vật liệu Tiến trình gọi cách tiếp cận từ lên (bottom-up approach) việc nghiên cứu tính chất vật liệu gọi công nghệ nano • Chữ nano nói lên kích thước cấu trúc cấp độ nanomet (10-9 m), vật liệu nano vật liệu có kích thước - 100 nm (gần tương đương với đường kính 500 nguyên tử) Ví dụ Fullerenes: khám phá năm 1985, dạng đơn giản có công thức C60, bao gồm nguyên tử cacbon liên kết với tạo thành lục giác (6 nguyên tử cacbon) ngũ giác (5 nguyên tử cacbon) 36 C60 C200 37 38 (0,0) (1,0) (1,1) (4,0) (2,0) (3,0) (2,1) (3,1) (2,2) (5,0) (4,1) (3,2) (6,0) (7,0) (5,1) (4,2) (3,3) (6,1) (5,2) (4,3) (4,4) a1 a2 (7,1) (6,2) (5,3) (8,0) (6,3) (5,4) (9,1) (8,2) (7,3) (6,4) (5,5) y (8,1) (7,2) (7,4) (6,5) (10,2) (9,3) (8,4) (7,5) (9,4) Chiral (n,m) (8,5) (7,6) (8,6) (7,7) (2,2) (n,0) (10,1) (9,2) (8,3) (6,6) x θ Zigzag (9,0) (10,0) (11,0) Armchair (n,n) Ch Ch = na1 + ma2 = (n,m) 39 Armchair SWNT Zigzag SWNT Chiral SWNT 40 Armchair (n,n) Ống xem Chiral (n,m) Zigzag (n,0) - Kim loại (2n + m) / số nguyên - Bán dẫn không nguyên 41 Tính chất điện p orbital Năng lượng liên kết sp2 C=C 152 Kcal/mole sp3 C-C 88 Kcal/mole liên kết sp2 với nguyên tử gần Tính chất 42 ... khoảng cách10giữa phân tử lớn 1. 2 Vật liệu Vật liệu học 1. 2 .1 Mở đầu • Vật liệu đóng vai trò thiết yếu đời sống người: vật liệu có mặt khắp nơi xung quanh ta • Trình độ sử dụng vật liệu nói lên... MATERIALS LỚP VẬT LIỆU PHỦ TRÊN BỀ MẶT KIM LOẠI ĐỂ TĂNG CỨNG VẬT LIỆU TiO2 SỢI CÁP QUANG 10 VẬT LIỆU CHỊU NHIỆT 11 CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELL 12 PIN NHIÊN LIỆU 13 PIN MẶT TRỜI TRÊN CƠ SỞ TIO Đề... kết hóa học Chương 3: Các khái niệm mạng tinh thể Chương 4: Cấu trúc kim loại hợp kim Chương 5: Cấu trúc vật liệu ceramic Chương 6: Cấu trúc vật liệu polyme Chương 7: Vật liệu composit Chương