giao trinh vat lieu dai cuong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HĨA GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG (Dùng cho sinh viên ngành Kỹ thuật hóa học) Tác giả: PGS.TS NGUYỄN VĂN DŨNG Đà Nẵng, 2015 MỤC LỤC Mục lục CHƯƠNG : KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU 1.1 Phân loại vật liệu 1.2 Công nghệ vật liệu 1.3 Vật liệu học CHƯƠNG : NHỮNG TÍNH CHẤT CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU 2.1 Các thông số trạng thái đặc trưng cấu trúc vật liệu 2.2 Tính chất vật lý có liên quan đến nước 2.3 Tính chất vật lý có liên quan đến nhiệt 2.4 Tính chất học CHƯƠNG : SẮT VÀ HỢP KIM CỦA SẮT (THÉP VÀ GANG) 13 3.1 Giản đồ pha hệ cấu tử sắt 13 3.2 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) 14 3.3 Thép gang 19 CHƯƠNG : SẢN XUẤT VẬT LIỆU KIM LOẠI 22 4.1 Các phương pháp luyện kim 22 4.2 Các phương pháp tạo hình 23 4.3 Hàn kim loại 34 4.4 Luyện kim bột 35 CHƯƠNG : CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU POLYMER 37 5.1 Khái niệm 37 5.2 Cấu trúc phân tử polymer 38 CHƯƠNG : VẬT LIỆU VÔ CƠ KHÔNG KIM LOẠI (CERAMICS) 46 6.1 Gốm 46 6.2 Thủy tinh 48 6.3 Xi măng bê tông 50 CHƯƠNG : VẬT LIỆU COMPOSITE 52 7.1 Khái niệm tính chất 52 7.2 Vật liệu thành phần composite 53 7.3 Composite nhựa 54 7.4 Composite kim loại 55 7.3 Composite gốm 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 CHƯƠNG KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Vật liệu dùng để vật rắn mà người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng cơng trình để thay phận thể thể ý đồ nghệ thuật Như tất chất lỏng, khí cho dù quan trọng song đối tượng nghiên cứu môn học Đối tượng nghiên cứu khoa học vật liệu nghiên cứu chất, cấu trúc vật liệu, mối quan hệ cấu trúc tính chất chúng, từ đề cơng nghệ chế tạo việc sử dụng cho thích hợp Khái niệm cấu trúc vật liệu bao gồm cấu tạo, liên kết nguyên tử, cấu trúc tinh thể, tổ chức vi mơ vĩ mơ Tính chất vật liệu bao gồm tính chất học, lý học, hố học, tính cơng nghệ tính sử dụng Cơ tính nhóm tính chất coi quan trọng phần lớn vật liệu sử dụng công nghiệp Vật liệu học bao gồm lĩnh vực sau đây: - Sản xuất vật liệu: luyện kim, sản xuất vật liệu pôlymer, gốm, thuỷ tinh chất kết dính - Gia cơng vật liệu: thí dụ đúc, biến dạng (rèn, dập), hàn, xử lý bề mặt vật liệu - Sử dụng vật liệu: vật liệu cho lĩnh vực phản ứng hạt nhân, chế tạo máy, kỹ thuật điện, điện tử, xây dựng, y học… - Nghiên cứu phương pháp kiểm tra: thí dụ kiểm tra tính khơng phá huỷ, tổ chức, kiểm tra thống kê chất lượng, phân tích phá huỷ (hỏng) - Định tiêu chuẩn ký hiệu: thí dụ tiêu chuẩn thành phần hố học, kích thước, tính chất phương pháp thử - Khoa học vật liệu: khoa học mối quan hệ cấu tạo tinh thể với tính chất tất nhóm vật liệu 1.1 Phân loại vật liệu 1.1.1 Vật liệu kim loại: vật liệu phổ biến Đặc điểm có liên kết kim loại (dạng liên kết tinh thể), dẫn điện tốt, có ánh kim, biến dạng dẻo nhiệt độ thấp, phần lớn chịu ăn mòn Chúng có loại: Kim loại đen: sắt hợp kim sắt, điển hình gang thép Chúng có nhu cầu lớn Kim loại màu: kim loại khác trừ sắt, bao gồm nhóm sau: - Kim loại màu nặng: Cu, Pb, Ni, Sn… có tỉ trọng 7,1-11,3 g/cm3 - Kim loại màu nhẹ: Al, Mg, Ti có tỷ trọng 1,7-4,5 g/cm3 - Kim loại màu quý: Au, Ag, Mo, W, Sb, As, Bi - Kim loại màu hiếm: Ce, La… Vật liệu kim loại, trước hết thép, giữ vai trò then chốt q trình phát triển cơng nghiệp Trong năm gần đây, công nghệ vật liệu vào nghiên cứu sử dụng loại thép có chất lượng cao thép hợp kim thấp độ bền cao, thép hợp kim hoá vi lượng, thép nitơ, thép kết cấu siêu bền… Bên cạnh đó, vai trò nhơm kỹ thuật ngày tăng, chiếm ưu xây dựng nhà cửa, phương tiện giao thông, dụng cụ điện tử, đo lường… Hợp kim nhơm nhờ có độ bền riêng cao, chống ăn mòn tốt trở thành loại vật liệu thích hợp cơng nghiệp ơtơ, máy bay, tàu thuỷ Do tính chất ưu việt hợp kim nhơm mà phương tiện giao thơng có khả tăng hệ số tải trọng có ích, tăng tốc độ, giảm tiêu hao nhiên liệu, đem lại hiệu kinh tế to lớn 1.1.2 Vật liệu vô ceramic Nhờ thành tựu khoa học công nghệ mà vật liệu gốm sử dụng công nghiệp không sử dụng nhóm vật liệu chịu lửa, vật liệu cắt gọt… mà phát triển sang vật liệu gốm kết cấu Các loại động máy nổ chế tạo từ gốm kết cấu hệ cacbid nghiên cứu chế thử mở kỷ nguyên cho việc sử dụng động chạy nhiên liệu hyđrô có hiệu cao, khơng gây nhiễm mơi trường Gốm thuỷ tinh (sital) loại gốm kết cấu đầy tiềm 1.1.3 Vật liệu pơlymer Có liên kết phân tử theo mắc xích dạng sợi thẳng (xem hình), nối mạng nhờ nguyên tử S cao su (xem hình) Vật liệu polymer có nhiều ưu điểm độ bền riêng cao, tính dẻo cao, tính ổn định hố học cao nhiều môi trường… với khả dễ tạo hình gia cơng, giá thành rẻ làm cho phạm vi sử dụng polymer ngày rộng rãi Tuy nhiên, với chức vật liệu kết cấu, polymer có nhược điểm độ bền chưa thật cao, khả chịu nhiệt thấp, tuổi thọ ngắn Khắc phục nhược điểm nhiệm vụ nghiên cứu thường xuyên nhà nghiên cứu chế tạo vật liệu 1.1.4 Vật liệu composite Được phối hợp tối thiểu từ hai vật liệu khác có tính chất khác so với vật liệu ban đầu Thí dụ: composite cốt sợi gồm sợi mảnh bền mềm, bê tông cốt thép Trong bê tông cốt thép, thép chịu ứng suất kéo bê tơng chịu ứng suất nén bao phủ cho thép khơng bị ăn mòn Vật liệu composite thực chất kiểu lai tạo vật liệu (a hybrid creation) hai nhiều loại vật liệu, cho tính chất chúng bổ sung cho Đối với composite kết cấu yêu cầu độ bền riêng cao, tính dẻo tốt yêu cầu hàng đầu Hiểu kiểm sốt q trình xảy chế tạo composite có tầm quan trọng đặc biệt để phát triển loại vật liệu Nằm vật liệu kim loại polymer có polymer dẫn điện, kim loại ceramics có vật liệu bán dẫn siêu dẫn, ceramics polymer có vật liệu silicon Các vật liệu bán dẫn silicon xếp khơng rõ rệt nhóm 1.2 Cơng nghệ vật liệu Công nghệ vật liệu bao gồm biện pháp, giải pháp công nghệ để chế tạo vật liệu chi tiết cụ thể sở kết nghiên cứu khoa học vật liệu Công nghệ vật liệu bao gồm hai lĩnh vực: - Lựa chọn vật liệu - Gia công vật liệu 1.2.1 Lựa chọn vật liệu Chất lượng độ bền sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu sử dụng Các tính chất vật liệu chọn phải đáp ứng điều kiện làm việc sản phẩm Các tiêu chí dùng để đánh giá lựa chọn vật liệu là: - Cơ tính: cần xác định chế độ làm việc khả chịu tải sản phẩm cường độ hướng tác dụng lực, độ bền cực đại mà chi tiết phải chịu, tính chịu mài mòn, khả chịu ăn mòn… - Điều kiện làm việc: nhiệt độ mơi trường có ảnh hưởng lớn đến độ bền chi tiết - Khả chế tạo lắp ráp chi tiết: hướng lựa chọn công nghệ chế tạo Một chi tiết chế tạo nhiều cơng nghệ khác Mỗi cơng nghệ có ưu nhược điểm - Hiệu kinh tế: tổng hợp yếu tố nêu để định sử dụng loại vật liệu công nghệ chế tạo cho phù hợp Cũng không nên sử dụng loại vật liệu có tính chất q cao so với nhu cầu, gây lãng phí, tốn Vật liệu tái sinh, sử dụng nhiều lần chế tạo chi tiết từ sản phẩm tái sinh làm giảm giá thành chi tiết - Bảo vệ mơi trường an tồn lao động: vật liệu sử dụng không thải chất độc ảnh hưởng đến sức khoẻ người, trình sử dụng vận hành cơng nghệ chế tạo phải đảm bảo an toàn cho người sử dụng 1.2.2 Phương pháp gia công Một chi tiết hay sản phẩm dùng nhiều phương pháp để gia cơng chế tạo 1.3 Vật liệu học Nghiên cứu quan hệ tổ chức – tính chất hay phụ thuộc tính chất vật liệu vào cấu trúc 1.3.1 Tổ chức (hay cấu trúc) Là xếp thành phần bên Khái niệm tổ chức vật liệu bao gồm tổ chức vĩ mô vi mơ Tổ chức vĩ mơ gọi tổ chức thơ (macrostructure) hình thái xếp phần tử lớn với kích thước quan sát mắt thường (đến giới hạn khoảng 0,3 mm) hay kính lúp (0,01 mm) Tổ chức vi mơ hình thái xếp phần tử nhỏ, khơng quan sát mắt thường hay kính lúp Nó bao gồm: - Tổ chức tế vi (microstructure) hình thái xếp nhóm ngun tử hay phân tử với kích thước cỡ micromet hay cỡ hạt tinh thể với giúp đỡ kính hiển vi quang học hay kính hiển vi điện tử Thường gặp tổ chức tế vi quang học cho phép phân ly tới giới hạn cỡ 0,15 micromet (m) Trong nghiên cứu thường dùng tổ chức tế vi điện tử cho phép phân ly tới giới hạn nhỏ hơn, cỡ chục nanomet (nm) Cơ tính vật liệu phụ thuộc nhiều vào tổ chức, tức khơng vào thành phần hố học mà vào nhóm nguyên tử, phân tử kể mà ta gọi pha theo số lượng, hình dạng, kích thước phân bố chúng Trong thực tế người ta thường xuyên sử dụng phương pháp phân tích tổ chức tế vi quang học mà tài liệu kỹ thuật gọi đơn giản tổ chức tế vi - Cấu tạo tinh thể hình thái xếp tương tác nguyên tử không gian, dạng khuyết tật mạng tinh thể Để làm việc phải sử dụng tới phương pháp nhiễu xạ Rơnghen số kỹ thuật khác, điều thực cần thiết nghiên cứu vật liệu 1.3.2 Tính chất Bao gồm tính chất học (cơ tính), vật lý (lý tính), hố học (hố tính), cơng nghệ sử dụng Đối với vật liệu kết cấu, đặc biệt vật liệu khí, tính có ý nghĩa quan trọng hàng đầu Vì mối quan hệ tổ chức – tính khảo sát kỹ tiền đề cho việc xác định thành phần hoá học vật liệu chế độ gia cơng thích hợp Ngồi tính ra, vật liệu khí quan tâm khía cạnh ổn định hố học khí hay số mơi trường ăn mòn (axit, badơ, muối,…) Thoả mãn – lý – hố tính đề chưa đủ để chuyển hố vật liệu thành sản phẩm phục vụ mục đích đề ra, mà phải tính đến khả gia cơng, chế biến thành hình dạng định gọi tổng qt tính cơng nghệ Nếu khơng có tính cơng nghệ dù vật liệu có ưu việt đến đâu khó đưa vào sử dụng Ví dụ: người ta tìm số chất siêu dẫn bị hạn chế tính dòn q cao khơng thể kéo thành dây dẫn Cuối cùng, tính sử dụng tổng hợp tiêu: tuổi thọ, độ tin cậy (khả không gây cố) giá thành định khả áp dụng vật liệu cho mục đích chọn CHƯƠNG NHỮNG TÍNH CHẤT CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU 3.1 Các thông số trạng thái đặc trưng cấu trúc vật liệu 3.1.1 Trọng lượng riêng Trọng lượng riêng  trọng lượng đơn vị thể tích vật liệu trạng thái hồn tồn đặc Trọng lượng riêng tính công thức ρ G Va (g/cm3, kg/dm3, kg/l, kg/m3 hay tấn/m3) đó: G- trọng lượng mẫu vật liệu trạng thái hồn tồn khơ, g Va- thể tích vật liệu trạng thái hoàn toàn đặc, cm3 3.1.2 Trọng lượng thể tích Trọng lượng thể tích  trọng lượng đơn vị thể tích vật liệu trạng thái tự nhiên (kể thể tích lỗ rỗng) Trọng lượng thể tích tính cơng thức   G V0 (g/cm3, kg/dm3, kg/m3 hay tấn/m3) đó: G- trọng lượng mẫu vật liệu trạng thái hoàn tồn khơ, g V0- thể tích mẫu vật liệu trạng thái tự nhiên, cm3 Thông thường loại vật liệu, trọng lượng thể tích biến động phạm vi rộng nhiều so với trọng lượng riêng phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu Đối với vật liệu, trọng lượng thể tích ln có trị số nhỏ trọng lượng riêng Chỉ với vật liệu xem tuyệt đối đặc hai trị số Trọng lượng thể tích vật liệu có ý nghĩa quan trọng kỹ thuật Thông qua trọng lượng thể tích vật đánh giá sơ số tính chất khác như: độ xốp, độ hút nước, tính truyền nhiệt, cường độ… 3.1.3.Độ xốp Độ xốp r tỉ số thể tích xốp vật liệu với thể tích tự nhiên nó, xác định cơng thức r Vr V0 Vr- thể tích xốp có vật liệu, V0- thể tích tự nhiên vật liệu Độ xốp thường tính theo % theo cơng thức r Vr x100 (%) V0 Biết Vr=V0-Va, Va-thể tích vật liệu trạng thái hoàn toàn đặc, r V0  Va  Va   γ   γ   1   r  1   x100 (%)  1  V0  ρ  V0   ρ  đó: -trọng lượng thể tích vật liệu, g/cm3, -trọng lượng riêng vật liệu, g/cm3 Độ xốp tiêu kỹ thuật quan trọng vật liệu ảnh hưởng đến nhiều tính chất khác vật liệu như: cường độ, độ hút nước, tính chống thấm, tính truyền nhiệt, khả chống ăn mòn… Ngồi ra, đặc trưng cấu trúc lỗ xốp vật liệu đóng vai trò quan trọng 3.1.4 Độ mịn Độ mịn tiêu kỹ thuật để đánh giá kích thước hạt vật liệu dạng hạt rời rạc Đối với vật liệu rời rạc, bên cạnh việc xác định độ mịn cần phải quan tâm đến hàm lượng nhóm cỡ hạt, hình dạng hạt tính chất bề mặt hạt (góc thấm ướt, tính nhám ráp, khả hấp phụ liên kết với vật liệu khác) 3.2 Tính chất vật lý có liên quan đến nước 3.2.1 Độ ẩm Độ ẩm W tỉ lệ phần trăm nước có thực vật liệu thời điểm thí nghiệm 3.2.2 Độ hút nước Độ hút nước vật liệu khả hút giữ nước điều kiện bình thường Độ hút nước theo trọng lượng Hp tỉ số phần trăm trọng lượng nước mà vật liệu hút với trọng lượng vật liệu trạng thái khơ Hp tính tốn theo cơng thức sau Hp  G G Gn 100  u 100 (%) G G đó: Gn-trọng lượng nước mà mẫu vật liệu hút được, g, Gu-trọng lượng mẫu vật liệu ướt sau hút nước, g, 6.2.3.2 Phân loại mạch - polymer mạch thẳng (linear polymer) - polymer nhánh (branched polymer) - polymer lưới (crosslinked polymer) - polymer mạch không gian (network polymer) 6.2.4 Cấu trúc tinh thể polymer Khác với kim loại thường tồn trạng thái tinh thể, polymer thường tồn hai trạng thái tinh thể vơ định hình 6.2.4.1 Tinh thể polymer tiểu cầu Khi tồn dạng tinh thể, trật tự xếp polymer ion, nguyên tử, phân tử nhóm vật liệu khác mà mạch phân tử Trong polymer tinh thể mạch xếp cho nguyên tử trật định Một số polymer kết tinh từ trạng thái nóng chảy tạo thành tiểu cầu (spherulit) Như tên gọi, tiểu cầu có dạng hình cầu Có thể coi tiểu cầu (dày khoảng 10 nm) tinh thể mạch gấp vơ định hình đan xen nhau, hướng từ tâm Phân cách vùng vơ định hình, hay nói khác liên kết với mạch nối giằng qua vùng vơ định hình Vậy đối với, tiểu cầu xem hạt kim loại ceramics đa tinh thể PE, PP, PVC, nylon hình thành cấu trúc tiểu cầu chúng kết tinh từ trạng thái nóng chảy 6.2.4.2 Mức độ kết tinh Polymer gồm mạch loại polymer gồm hai vùng : vùng tinh thể (các mạch xếp thứ tự) vùng vơ định hình (các mạch xếp ngẫu nhiên) Có thể coi polymer gồm tiểu cầu tinh thể xuất vạch sáng, vùng tối tiểu cầu miền vơ định hình Mức độ kết tinh polymer dao động mạnh từ 0% đến gần hoàn toàn (95%) phụ thuộc vào tốc độ làm nguội đóng rắn hình thái cấu tạo mạch Ở mức độ đó, tính chất polymer bị ảnh hưởng mức độ kết tinh Polymer tinh thể bền nóng chảy nhiệt độ cao hơn, có khối lượng riêng cao so với polymer vơ định hình 6.3 Sản xuất vật liệu polymer 6.3.1 Nguyên vật liệu Polymer sản xuất từ nhiều nguyên liệu khác nhau: nguyên liệu hoá thạch (dầu mỏ, than) nguyên liệu từ nguồn gốc động thực vật Trong phần xét đến số nguyên liệu để sản xuất vật liệu polymer a) Dầu mỏ b) Khí thiên nhiên c) Than đá d) Gỗ e) Các nguyên liệu có nguồn gốc động thực vật khác: cao su tự nhiên, tơ tằm… 6.3.2 Các phương pháp tổng hợp polymer Tổng hợp polymer giai đoạn quan trọng trình chế tạo vật liệu polymer Từ loại monomer tổng hợp polymer khác thay đổi điều kiện phản ứng Hai loại phản ứng để tổng hợp polymer : phản ứng trùng hợp phản ứng trùng ngưng 6.3.2.1 Phản ứng trùng hợp Monomer Monomer phản ứng trùng hợp hợp chất phân tử thấp chứa liên kết bội (liên kết đơi liên kết ba) Ví dụ như: Phản ứng trùng hợp Là phản ứng kết hợp monomer thành polymer mà khơng sản phẩm phụ Phản ứng trùng hợp mang tính chất phản ứng chuỗi nên gọi trùng hợp chuỗi Quá trình phản ứng theo ba giai đoạn theo sơ đồ sau: Tuỳ thuộc vào chất trung tâm hoạt động mà phân biệt trùng hợp gốc, trùng hợp anion hay trùng hợp cation Đơn giản phản ứng trùng hợp gốc tác dụng chất dễ dàng phân huỷ gốc tự điều kiện phản ứng 6.3.2.2 Phản ứng trùng ngưng Monomer Khác với monomer phản ứng trùng hợp, monomer tham gia phản ứng trùng ngưng phải chứa hai nhóm chức phân tử, ví dụ Axit dicacboxylic (diaxit) HOOCRCOOH Rượu hai lần rượu (diol, dialcol) HOR’OH Diamin H2NR’’NH2 Phản ứng trùng ngưng Là phản ứng tạo thành polymer từ monomer có sản phẩm phụ hợp chất phân tử thấp Để nhận polymer có khối lượng phân tử cao, phản ứng trùng ngưng thường tiến hành với có mặt xúc tác giai đoạn cuối sử dụng chân không để loại bỏ hợp chất phân tử thấp Khác với phản ứng trùng hợp chuỗi, phản ứng trùng ngưng xảy theo bậc polymer không tạo thành mà đòi hỏi thời gian kéo dài CHƯƠNG VẬT LIỆU VÔ CƠ KHÔNG KIM LOẠI (CERAMICS) 7.1 Gốm Tuỳ theo chất hoá học chia làm: gốm silicat, gốm ôxyt, gốm không ôxyt… Dây chuyền công nghệ: gia công chuẩn bị phối liệu, tạo hình, sấy, nung, gia cơng bổ sung (tráng men trang trí sản phẩm, cần) Lưu ý: công nghệ vật liệu kim loại vật liệu hữu polymer, khâu gia công (như tạo hình, gia cơng bề mặt,…) thực sau tạo vật liệu, cơng nghệ gốm, khâu gia công lại thực giai đoạn trước hình thành vật liệu (như gia cơng chuẩn bị phối liệu, tạo hình sản phẩm mộc chưa phải vật liệu gốm…) Sau công đoạn nung vật liệu gốm hình thành sản phẩm gốm hồn thiện, việc gia cơng bổ sung phần lớn sản phẩm không cần thiết, cần thiết số trường hợp đặc biệt mà thơi Theo mức độ gia cơng kích thước hạt nguyên liệu đầu từ dẫn đến đặc điểm cấu trúc pha vật liệu gốm, người ta chia gốm thành hai loại: gốm thô gốm tinh Phối liệu gốm thô yêu cầu gia công nguyên liệu đơn giản Nguyên liệu qua nghiền tới cỡ hạt hạt thơ trung bình sau trộn Quan sát mắt thường, cấu trúc bề mặt mảnh vỡ vật liệu gốm phân biệt ranh giới hạt nguyên liệu tham gia Phối liệu gốm tinh gia công cẩn thận Nguyên liệu sau nghiền tới cỡ hạt nhỏ mịn, sàng, phân li làm Quan sát mắt thường bề mặt vỡ vật liệu gốm tinh phân biệt ranh giới pha thành phần 7.1.1 Gốm silicat 7.1.2 Gốm ôxyt gốm không ôxyt 7.1.2.1 Nguyên liệu Khác với gốm silicat, nguyên liệu đầu để sản xuất gốm ôxyt gốm không ôxyt nguyên liệu nguồn gốc thiên nhiên, mà hầu hết nguyên liệu tổng hợp công nghiệp, thường sản phẩm q trình xử lý hố học khống vật thiên nhiên thích hợp - Thơng thường, khống vật hòa tan axit kiềm, qua làm sạch, kết tủa dạng hydroxit Tiếp theo, sản phẩm kết tủa nung kết sơ (calcination) khoảng 10000C Sau sản phẩm nghiền mịn tới cỡ hạt cần thiết Thường loại bột ôxyt Al2O3, ZrO2, TiO2, BeO… sản xuất theo phương pháp Các nguyên liệu dạng ôxyt hỗn hợp hợp chất ferit, spinel, titanat sản xuất phương pháp kết khối sơ - Một phương pháp gặp nấu chảy ơxyt lò điện hồ quang, sau làm lạnh nghiền tới cỡ hạt yêu cầu - Các nguyên liệu cacbit SiC, TiC thu phương pháp nung ơxyt tương ứng nhiệt độ cao có mặt C để thực phản ứng: MeO2 + C  MeC + CO - Các nitrit Si3N4, BN tổng hợp phản ứng nguyên tố kim loại ôxyt với N2, NH3 hợp chất chứa nitơ - Cacbit nitrit tạo từ phản ứng pha halogenit với cacbua hydro hay amoniac - Hoặc phân huỷ hợp chất hữu kim loại ngưng tụ bề mặt chất mang Phương pháp ứng dụng để chế tạo lớp phủ bề mặt chống ăn mòn chống thấm nhiệt độ cao 6.1.2.2 Tạo hình 7.1.3 Vật liệu cacbon Kim cương Trong sản xuất kim cương giới nay, khoảng 1/3 sản lượng kim cương khai thác chế biến từ nguồn thiên nhiên 2/3 lại kim cương nhân tạo cơng nghiệp Vật liệu cacbon vật liệu grafit Grafit dạng thù hình ổn định điều kiện thường cacbon Các sản phẩm cacbon có cấu trúc tinh thể thường sai lệch so với cấu trúc lý tưởng grafit, hợp chất cacbon có nhiều dạng cấu trúc khác nhau, từ đơn tinh thể cân xứng đến tinh thể dạng para cacbon vơ định hình Thuộc nhóm cacbon tinh thể para gồm có: cốc, mồ hóng, grafit tổng hợp, sợi cacbon cacbon nhiệt phân Nguyên liệu quan trọng cốc dầu mỏ pech nhựa tổng hợp (làm chất liên kết) Cốc dầu mỏ chọn có độ cao trật tự cấu trúc tinh thể cao loại cốc khác (như cốc than đá) Sơ đồ công nghệ sản xuất vật liệu cacbon vật liệu grafit thể hình Nguyên liệu cốc chất liên kết trộn đồng đều, tạo hình (ví dụ phương pháp ép) nung nhiệt độ khoảng 10000C thời gian vài ngày đến vài tuần Khi chất liên kết bị phân huỷ thành cacbon kết khối nhờ phản ứng tạo cầu nối liên kết hạt cacbon với Sản phẩm thu có dạng xốp tương đối 7.2 Thuỷ tinh Phương pháp công nghệ truyền thống để sản xuất thuỷ tinh phương pháp nấu chảy Hiện hầu hết loại thuỷ tinh thông thường thuỷ tinh dân dụng, thuỷ tinh xây dựng,… loại thuỷ tinh kỹ thuật thuỷ tinh dụng cụ thiết bị hoá học, thuỷ tinh quang học, thuỷ tinh cách điện, sợi thuỷ tinh,… sản xuất phương pháp nấu chảy Các phương pháp công nghệ khác để sản xuất thuỷ tinh phương pháp tổng hợp từ hệ lỏng (ví dụ phương pháp sol – gel) phương pháp lắng đọng từ pha (ví dụ phương pháp CVD) Các phương pháp sử dụng để sản xuất số loại thuỷ tinh kỹ thuật đặc biệt (ví dụ sợi quang, thuỷ tinh quang học đặc biệt, màng phủ thuỷ tinh đặc biệt,…) Do lợi nguồn nguyên liệu, chi phí sản xuất lĩnh vực ứng dụng, thuỷ tinh silicat ln có sản lượng lớn gấp bội so với loại thuỷ tinh không silicat thuỷ tinh không ôxyt Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh silicat theo phương pháp nấu chảy bao gồm công đoạn chủ yếu sau: gia công nguyên phối liệu, nấu thuỷ tinh, tạo hình sản phẩm, ủ khử ứng lực, gia công bổ sung 7.3 XI MĂNG VÀ BÊ TƠNG Trong loại chất kết dính vơ silicat xi măng porland loại chất kết dính thông dụng bê tông sở xi măng loại bê tông thông dụng Chúng sản sản xuất đại trà với sản lượng lớn dây chuyền thiếte bị suất cao để phục vụ nhu caùu ngành xây dựng, giao thông thuỷ lợi 7.3.1 Xi măng porland Dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng porland bao gồm công đoạn chủ yếu sau : -Khai thác, gia công nguyên phối liệu, -Nung clinke xi măng porland, -Nghiền clinke xi măng phụ gia 6.3.1.1 Nguyên liệu phối liệu 6.3.1.1 Nung 6.3.1.1 Nghiền 7.3.2 Bê tông Bê tơng sở chất kết dính xi măng porland chế tạo theo công nghệ sau đây: -Gia công nguyên liệu, trộn phối liệu (vữa bê tông) -Đúc tạo hình sản phẩm -Bảo dưỡng sản phẩm 7.3.2.1 Nguyên liệu, phối liệu Cốt liệu Xi măng Nước 7.3.2.1 Đúc tạo hình sản phẩm 7.3.2.1 Bảo dưỡng sản phẩm bê tông CHƯƠNG VẬT LIỆU COMPOSITE (VẬT LIỆU TỔ HỢP) 8.1 KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT 8.1.1 Khái niệm Vật liệu composite vật liệu tổ hợp từ hai nhiều loại vật liệu khác Vật liệu tạo thành có tính chất ưu việt nhiều so với loại vật liệu thành phần riêng rẽ Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm hay nhiều pha gián đoạn phân bố pha liên tục Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi composite hổn tạp Pha gián đoạn thường có tính chất trội pha liên tục Pha liên tục gọi (matrix) Pha gián đoạn gọi cốt hay vật liệu gia cường (reenforced) Cơ tính vật liệu composite phụ thuộc vào đặc tính sau đây: - Cơ tính vật liệu thành phần Các vật liệu thành phần có tính tốt vật liệu composite có tính tốt tốt tính chất vật liệu thành phần - Luật phân bố hình học vật liệu cốt Khi vật liệu liệu cốt phân bố không đồng đều, vật liệu composite bị phá huỷ trước hết nơi có vật liệu cốt Với composite cốt sợi, phương sợi định tính dị hướng vật liệu, điều chỉnh tính dị hướng theo ý muốn để chế tạo vật liệu phương án công nghệ phù hợp với yêu cầu - Tác dụng tương hỗ vật liệu thành phần Vật liệu cốt phải liên kết chặt chẽ với có khả tăng cường bổ sung tính chất cho Ví dụ liên kết cốt thép xi măng bê tông 8.1.2 Phân loại a) Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường Composite sợi, composite vảy, composite hạt, composite điền đầy, composite phiến b) Phân loại theo chất vật liệu thành phần - Composite hữu cơ: nhựa hữu cơ, cốt thường sợi hữu sợi khoáng sợi kim loại - Composite kim loại: kim loại titan, nhôm, đồng, cốt thường sợi kim loại sợi khoáng B, C, SiC - Composite gốm: loại vật liệu gốm, cốt sợi hạt kim loại hạt gốm 8.2 VẬT LIỆU VÀ THÀNH PHẦN CỦA COMPOSITE 8.2.1 Vật liệu a) Nhựa phênolformaldehyt b) Nhựa êpoxy c) Nhựa polyeste d) Các loại nhựa khác 8.2.2 Vật liệu gia cường a) Cốt dạng sợi b) Cốt dạng vải c) Cốt dạng hạt 8.2.3 Vùng chuyển tiếp composite Vùng trung gian vùng tiếp xúc cốt và thường yếu tố có tính định đến tính chất học thuộc tính khác composite Vùng trung gian nơi chuyển tải trọng từ sang cốt nên tác động tác động đến độ bền Có nhiều yếu tố tác động đến thành phần thể tích vùng chuyển tiếp Đầu tiên, tính thấm ướt, tức pha trạng thái lỏng phải dễ dàng thấm ướt pha gia cường trước đóng rắn Nhưng thực tế khơng phải lúc có liên kết - cốt lý tưởng chất hoá lý vật liệu khác Trong trường hợp này, cần phải thêm chất thấm ướt để cải thiện khả thấm ướt cốt - 8.2.4 Các chất phụ gia Là vật liệu nhằm cải thiện số tính chất composite : - Tính dẫn điện, dẫn nhiệt: thường dùng bột, sợi vảy kim loại Fe, Cu, Al,… bi tráng kim loại - Bôi trơn dỡ khuôn - Tạo màu - Chống co ngót 8.3 COMPOSITE NỀN NHỰA Các loại nhựa êpoxy, phênolformaldehyt, polyeste… có tính thấm ướt tốt vật liệu gia cường dạng hữu cơ, công đoạn trộn nhựa với cốt thuận lợi đơn giản Riêng cốt vật liệu vô cơ, ví dụ loại sợi gốm, có tính thấm ướt nên trước trộn phải có cơng đoạn bọc thấm lên cốt Đối với dạng vải, có nhiều cách để chế tạo bán thành phẩm Ví dụ, nhúng vải vào thùng nhựa xếp thành lớp tiến hành ép, trải lớp vải vào lòng khn phun qt nhựa, lại trải vải, lại quét nhựa… Lặp lại quy trình đạt chiều dày yêu cầu 8.4 COMPOSITE NỀN KIM LOẠI Trong vật liệu composite kim loại, thường dùng nhiều kỹ thuật vật liệu tổ hợp kim loại màu tính chất ưu việt mà kim loại đen khơng có được, ví dụ nhẹ, bền nhiệt độ cao, chịu mài mòn tốt… cơng nghệ chế tạo lại đơn giản Một số loại sau 8.4.1 Composite nhôm cốt hạt 8.4.2 Composite nhôm cốt sợi 8.4.3 Composite đồng hạt thép 8.5 COMPOSITE NỀN GỐM Vật liệu composite gốm (ceramic matrix composite, CMC) nghiên cứu sử dụng rộng rãi nhằm khắc phục nhược điểm vật liệu gốm nguyên khối, tính dòn cố hữu khả ứng dụng hạn chế vật liệu gốm nguyên khối Vật liệu composite gốm thường dùng để chế tạo chi tiết làm việc môi trường khắc nghiệt như: động tên lửa động phản lực, động khí nhà máy lượng, vỏ cách nhiệt tàu khơng gian, lớp lót buồng phản ứng nấu chảy, phanh máy bay, lò nhiệt luyện… mơi trường làm việc có nhiệt độ cao khó làm nguội chất lỏng thông thường Mặt khác, thay siêu hợp hợp kim vật liệu gốm composite tiết kiện nhiều khối lượng, điều vô quan trọng ngành hàng không vũ trụ Trong composite gốm, vật liệu cốt cốt dạng khơng liên tục kiểu hạt, sợi ngắn lát vụn Cũng dùng cốt liên tục dạng sợi Trong trường hợp cốt gián đoạn, việc tăng độ bền độ dai va đập tăng đến giới hạn đủ để sử dụng Một ví dụ composite gốm sợi vụn dùng lĩnh vực dụng cụ cắt composite SiC/Si3N4, SiC pha gia cường, Si3N4 đóng vai trò vật liệu ... Do khơng chứa cacbon nên tính ferit sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm bền Trong thực tế ferit hồ tan Si, Mn, P, Cr nên cứng bền song dẻo dai Ferit hai pha tồn nhiệt độ thường sử dụng (< 7270C), song... liệu thích hợp công nghiệp ôtô, máy bay, tàu thuỷ Do tính chất ưu việt hợp kim nhơm mà phương tiện giao thơng có khả tăng hệ số tải trọng có ích, tăng tốc độ, giảm tiêu hao nhiên liệu, đem lại hiệu... nhiệt độ biến đổi thù trường hợp sắt So với kim loại khác (nhơm, đồng) dẻo (dễ biến dạng nguội), dai, bền, cứng nhiều song thấp so với yêu cầu sử dụng Sắt có hai kiểu mạng tinh thể : - Lập phương