Cơ sở khoa học vật liệu chuong1m

1 CHƯƠNG I: 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) lượng nhiệt (đẩy nguyên tử xa nhau) • 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) Nếu lực liên kết nguyên tử mạnh E lk lớn: kim loại, gốm; ngược lại trường hợp khí hiếm, phân tử khí (F2, Cl2…), 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 Khí: Trạng thái trật tự hoàn toàn Rắn: Trạng thái trật tự hoàn toàn Mức độ trật tự thể khoảng cách xa, Enh thấp, dao động nguyên tử trở nên khó khăn, nguyên tử có xu hướng xếp lại để giảm hệ Lỏng: Là trung gian hai trạng thái trên, có tồn trật tự gần Đặc trưng trạng thái Đặc trưng Rắn Chuyển động Dao động Lỏng Tịnh tiến, quay, dao động Khoảng cách Bé, cỡ kích thước Tăng lên cở hạt hạt kích thước hạt Quan hệ Enh Elk Enh < Elk Enh ≈ Elk Hình dạng Hình dạng thể Có thể tích tích bảo toàn hình dạng Khí Tịnh tiến, quay, dao động Khá lớn so với kích thước hạt Enh > Elk Không tích, hình 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: dạng khí có chứa ion có điện tích dương điện tử có điện tích âm với số lượng gần nhau, cho tổng điện tích gần trung hòa Các nhà khoa học tin 99% vật chất vũ trụ tồn dạng plasma Plasma tạo thành chất khí gia nhiệt đến nhiệt độ đủ cao, cho nguyên tử khí trung hòa điện bị hết điện tử để tạo thành ion có điện tích dương điện tử có điện tích âm Vì người ta gọi khí ion hóa plasma Do điện tử ion dạng tự nên plasma có tính dẫn điện kiểm soát điện trường từ trường nên 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 Ion điện tử di mạng tinh thể tự tự do, khoảng cách chuyển độc lập, phân tử khoảng cách lớn 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 Trình độ sử dụng vật liệu nói lên trình độ văn minh xã hội loài người Từ thời đại đồ đá, đồ đồng, đồ sắt đến thời đại ngày nay, hầu hết tiến công nghệ quan trọng gắn liền với việc cải thiện tính chất vật liệu có sẵn sử dụng vật liệu Ví dụ vật liệu làm động đốt làm lạnh nước cần chịu nhiệt độ 150 oC, muốn làm lạnh không khí phải chịu nhiệt độ 300 oC Đối với động phản lực vật liệu phải chịu 650 oC Như vật liệu làm động phải có biến đổi đáng kể độ bền nhiệt độ để đáp ứng tiến công nghệ Để thực công việc kỹ thuật thường người ta phải dùng nhiều loại vật liệu kết hợp chúng với cách đắn Ví dụ: Dây cáp điện Yêu cầu: Dẫn điện tốt Do điện cao, phải treo cáp trụ điện cách điện dây không khí Để giảm số trụ điện cáp phải nhẹ bền đứt Kết hợp: Chất dẫn điện tốt kim loại nguyên chất: Cu, Al chúng không đủ độ bền Vì phải dùng cáp gồm nhiều vật liệu Ở lỏi cáp dây thép bền cao chúng lại dẫn điện nên phải dùng dây nhôm bao quanh lỏi thép để dẫn điện Các trụ chế tạo thép để chịu lực kéo cáp Thép phải bảo vệ chống ăn mòn sơn (polyme hữu cơ) phủ lớp kim loại Zn, Cd… Để gắn cáp lên trụ điện phải dùng ty cách điện sứ (gốm) để giữ chặt trụ điện đất phải dùng bêtông (gốm) 1.2.2 Định nghĩa Trong khoa học vật liệu, người ta định nghĩa vật liệu chất rắn sử dụng để chế tạo đồ vật phục vụ cho đời sống người Khi nói đến vật liệu người ta thường nói đến chất liệu hình dạng 1.2.3 Phân loại Các vật liệu khác phân loại theo nguồn gốc cấu tạo, theo cấu trúc, theo trình công nghệ thành phần hóa theo tính sử dụng 1.2.3.1 Phân loại theo nguồn gốc cấu tạo Vật liệu có nguồn gốc hữu Vật liệu có nguồn gốc vô 1.2.3.2 Phân loại theo cấu trúc Vật liệu có cấu trúc tinh thể, bao gồm vật liệu đơn tinh thể đa tinh thể: nguyên tử lặp lại có chu kỳ khoảng cách xa, thường gặp kim loại vài loại polyme • Vật liệu có cấu trúc vô định hình: trật tự hơn, giống chất lỏng Ở khoảng cách gần (vài đường kính nguyên tử) có lặp lại phân bố nguyên tử Thường gặp cấu trúc thủy tinh, cao su 1.2.3.3 Phân loại theo trình công nghệ thành phần hóa Vật liệu kim loại hợp kim 10 Vật liệu polyme hữu 11 Vật liệu gốm sứ 12 Vật liệu composit Vật liệu kim loại hợp kim Ở nhiệt độ thường, đa số kim loại chất rắn nguyên tử, kim loại sử dụng nhiều Fe, Al, Zn Cu Hợp kim kết hợp hai nhiều kim loại: Pb – Sn, Cu – Zn kim loại kim: thép (Fe + C) Hợp kim kim loại thường dẫn điện, nhiệt tốt, ngăn ánh sáng thấy được, cứng biến dạng dẻo Vật liệu polyme hữu Polyme hữu thường vật liệu rắn phân tử có cấu tạo mạch dài nguyên tử cacbon gắn thêm nguyên tử khác như: H, Cl, S, N, S, O gắn thêm nhóm nguyên tử như: -CH3, -C6H5 Các polyme hữu phổ biến là: PVC, PE, PP, PS, PMMA (Plexiglas), PA (Polyamid) (nylon), PTFE (Teflon) Các polyme hữu có tính chất vật lý đa dạng: cứng thủy tinh hữu cơ, dẻo cao su… Các polyme hữu có tính chất cách điện, cách nhiệt, nhẹ, dễ gia công, cứng, chịu nhiệt độ < 200 oC Vật liệu gốm sứ Là vật liệu vô tạo thành từ kết hợp số nguyên tố kim loại (Na, Mg, Ca, Fe, Al, …) số nguyên tố kim (O → oxyt, N → Nitrua, C → Cacbon) Gốm có tính bền cơ, bền nhiệt độ cao, cách điện, cách nhiệt, cứng, giòn Vật liệu composit Ba loại vật liệu kể kết hợp với để tạo thành vật liệu composit, kết hợp cách thích hợp tính chất riêng vật liệu khác 1.2.3.4 Phân loại theo tính sử dụng 13 Vật liệu điện 14 Vật liệu điện tử 15 Vật liệu xây dựng 16 Vật liệu khí 17 Vật liệu công nghiệp hóa chất, … 1.2.4 Sử dụng vật liệu: Việc sử dụng vật liệu phụ thuộc vào việc chọn lựa vật liệu cách thích hợp cho mục đích cho trước Các tiêu chuẩn để lựa chọn: • Chức đối tượng: tải trọng, nhiệt độ, môi trường xâm thực, điều kiện sử dụng… • Tính chất vật liệu: độ bền cơ, bền mài mòn, ăn mòn, độ dẫn điện, dẫn nhiệt… • Tính phổ biến trái đất, tính dễ gia công chế tạo • Giá thành • Khả tương hợp với môi trường vật liệu Trong trình phát triển công nghệ, người ta thường thay vật liệu vật liệu khác lý kỹ thuật lý kinh tế Ví dụ: Thùng xe gỗ, kim loại polyme hữu Thay gỗ kim loại kim loại dễ gia công, dễ tạo hình bền Ngày người ta cố gắng làm nhẹ kết cấu để tiết kiệm lượng Ví dụ: Dùng nhôm đuyra (Al + Mg), polyme hữu thay cho thép 1.2.5 Các đặc điểm tính chất vật liệu 1.2.5.1 Tính chất vật liệu Tính chất vật liệu đặc trưng phản ứng vật liệu tác động môi trường bên Có ba loại tính chất phụ thuộc vào kiểu tác động bên ngoài: Tính chất cơ: phản ánh tính chất biến dạng vật liệu có hệ lực bên tác dụng độ bền cơ, độ dai, độ cứng… Tính chất vật lý: biểu vật liệu tác động nhiệt độ, điện trường, từ trường, ánh sáng độ dẫn điện, dẫn nhiệt, tính chất từ, tính chất quang Tính chất hóa học: đặc trưng cho độ bền hóa học vật liệu ảnh hưởng môi trường Tính hệ kỹ thuật thường bị giới hạn tính chất vật liệu có sẵn Ví dụ: Hiệu suất nhiệt turbin khí tăng đáng kể làm việc nhiệt độ cao, điều bị hạn chế yêu cầu vật liệu hợp kim làm cánh turbin phải có độ bền nhiệt cao 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 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 6 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 tượng lão hóa 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 trở thành 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 Al 2O3 không khí bề mặt lỗ trống tạo khúc xạ làm đổi hướng ánh sáng Khi chứa 0,3% lỗ trống Al2O3 trở nên mờ, 3% lỗ trống đục Để tránh lỗ trống thêm phụ gia (ví dụ: 0,1% khối lượng MgO) gây nên trình đông đặc nhiệt độ cao Al2O3, làm cho cấu trúc lỗ xốp, trở nên suốt 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 hữu cơ: 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 Nói cách khác, khoa học vật liệu môn khoa học trình chuyển chất khoa học trình tạo hình Môn học 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 26 Kim loại: Công nghệ luyện kim → Phôi → Tạo hình: đúc, cán, hàn, cắt gọt, … 27 Polyme: Công nghệ hóa dầu → Chất liệu → Tạo hình: đúc, ép, đùn, thổi, … 28 Gốm sứ: Nguyên liệu bột → Tạo hình → Nung, kết khối 29 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 Vật liệu thông minh 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 (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 (microelectromechanical 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 • 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) 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), thường nhỏ 100 nm (gần tương đương với đường kính 500 nguyên tử) Ví dụ Fullerenes: khám phá năm 1985, dạng đơn giản có công thức C 60, bao gồm nguyên tử cacbon liên kết với tạo thành lục giác (6 nguyên tử cacbon) ngũ giác (5 nguyên tử cacbon) C60 C200 ... 13 Vật liệu điện 14 Vật liệu điện tử 15 Vật liệu xây dựng 16 Vật liệu khí 17 Vật liệu công nghiệp hóa chất, … 1.2.4 Sử dụng vật liệu: Việc sử dụng vật liệu phụ thuộc vào việc chọn lựa vật liệu. .. vi mô tính chất vĩ mô vật liệu Nói cách khác, khoa học vật liệu môn khoa học trình chuyển chất khoa học trình tạo hình Môn học phần nhập môn cho môn công nghệ vật liệu, môn học trình chế tạo, chuyển... Chất liệu tạo hình đồng thời: Công nghệ gốm sứ 1.4 Vật liệu tương lai 1.4.1 Vật liệu thông minh Vật liệu thông minh nhóm vật liệu phát triển, chúng có ảnh hưởng đáng kể đến công nghệ Đó vật liệu