Đây là bài mẫu chuẩn thuyết trình về các loại vật liệu. Tài liệu trình bày đầy đủ các định nghĩa, cấu tạo, công dụng và phân loại của từng vật liệu cụ thể. Các bạn tải về chỉ cần thuyết trình theo nội dung đã được soạn sẵn.
CHƯƠNG I TỔNG QUAN 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 E lk 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 Khoảng cách hạt Quan hệ Enh Elk Hình dạng Rắn Dao động Lỏng Khí Tịnh tiến, quay, Tịnh tiến, quay, dao động dao động Bé, cỡ kích thước Tăng lên cỡ Khá lớn so với hạt kích thước hạt kích thước hạt Enh < Elk Enh Elk Enh > Elk Hình dạng thể Có thể tích Khơng tích, tích bảo tồn khơng có hình khơng có hình dạng dạng • Trong số trường hợp, ranh giới phân biệt trạng thái rắn lỏng khơng 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 1.2 Vật liệu Vật liệu học 1.2.1 Mở đầu • Vật liệu ln đóng vai trị thiết yếu đời sống người: vật liệu có mặt khắp nơi xung quanh ta • 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 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, cịn muốn làm lạnh khơng 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 cơng nghệ • Ví dụ kích thước chip giảm dần đến 45 nm vật liệu làm chip phải có biến đổi thích hợp để đáp ứng (1 nm = 10-9 m = nhỏ đường kính sợi tóc 10.000 lần) Để thực công việc kỹ thuật thường người ta phải dùng nhiều loại vật liệu kết hợp chúng với cách đắn Ví dụ khác: Dây cáp điện • Yêu cầu: - Dẫn điện tốt - Do điện cao phải treo cáp trụ điện cách điện dây khơng khí - Để giảm số trụ điện cáp phải nhẹ có khả chịu bền đứt cao - Chất dẫn điện tốt kim loại nguyên chất: Cu, Al, Ag, Au chúng không đủ độ bền phải dùng cáp gồm nhiều vật liệu: lõi dây thép bền cao chúng lại dẫn điện dùng dây nhơm bao quanh lõi thép để dẫn điện • Các trụ chế tạo thép để chịu lực kéo cáp Thép phải bảo vệ chống ăn mòn sơn (polyme) 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 bêtơng (gốm) Ví dụ: Vật liệu có mặt xe Vật liệu Khối lượng (kg) Sử dụng Thép 800 Khung xe, phận động máy móc Gang 150 Vỏ động Nhựa 100 Đồ trang trí, che nắng, cách nhiệt, ghế ngồi Nhôm 80 Các phận động cơ, vỏ động Cao su 60 Vỏ xe, đỡ chịu va đập Composite 40 Tấm đỡ chịu va đập, thân xe Đồng 15 Máy phát điện, dây quấn môtơ, hệ thống điện Thủy tinh 15 Của sổ xe Chì 15 Bình acquy Kẽm 20 Hợp kim cho tay lái, đồ trang trí xe Gốm 0,5 Bugi 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 phân loại theo nguồn gốc cấu tạo, theo cấu trúc, theo q trình cơng 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 vơ 1.2.5.4 Các dạng hư hỏng nói chung vật liệu: • Kim loại: Ăn mịn nhiệt độ thường gọi ăn mịn điện hóa, cịn nhiệt độ cao q trình oxy hóa hóa học, cịn gọi ăn mịn hóa học • Polyme : Sự phân hủy ảnh hưởng h, to, oxy khơng khí tạo gốc tự làm đứt mạch liên kết • Gốm: ổn định hóa học nhất, đơi bị ăn mịn nhiễm hóa học khơng khí 1.3 Tổng quan khoa học công nghệ vật liệu 1.3.1 Khái niệm Kỹ thuật bao gồm tất vấn đề q trình thiết bị cơng 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 mơ tính chất vĩ mô vật liệu, môn khoa học trình chuyển chất trình tạo hình Mơn Khoa học vật liệu phần nhập môn cho môn Công nghệ vật liệu, môn học q trình chế tạo, chuyển hóa, gia cơng sản xuất vật liệu Q trình gia cơng, chế tạo Cấu trúc Tính chất Đặc tính kỹ thuật 1.3.2 Cơng nghệ vật liệu • Kim loại: Cơng nghệ luyện kim Phơi Tạo hình: đúc, cán, hàn, cắt gọt, … • Polyme: Cơng nghệ hóa dầu Chất liệu Tạo hình: đúc, ép, đùn, thổi, … • Gốm sứ: Nguyên liệu bột Tạo hình Nung, kết khối • Composit: Kết hợp ngun lý gia cơng • Đặc điểm: - Chất liệu Gia cơng tạo hình: Cơng nghệ kim loại, polyme - Chất liệu tạo hình đồng thời: Cơng nghệ gốm sứ 1.4 Vật liệu tương lai 1.4.1 Vật liệu thơng 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 (giống tính chất sinh vật sống) Khái niệm thơng minh cịn mở rộng cho hệ tương đối tinh vi bao gồm vật liệu thông minh vật liệu truyền thống • Các thành phần vật liệu thơng 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 - 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 cơng 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) C60 C200 (0,0) (1,0) (1,1) (2,0) (3,0) (4,0) (2,1) (3,1) (2,2) (5,0) (4,1) (3,2) (6,0) (5,1) (4,2) (3,3) (6,1) (5,2) (4,3) a2 (8,0) (7,1) (6,2) (5,3) (4,4) a1 (7,0) (5,4) (9,1) (8,2) (7,3) (6,4) (5,5) y (8,1) (7,2) (6,3) (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 Zigzag (9,0) (10,0) (11,0) Armchair (n,n) Ch Ch = na1 + ma2 = (n,m) Armchair SWNT Zigzag SWNT Chiral SWNT Armchair (n,n) Chiral (n,m) Zigzag (n,0) - Kim loại (2n + m) / số nguyên Ống xem - Bán dẫn khơng ngun 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 THANK YOU! ... 1012 poises 1.2 Vật liệu Vật liệu học 1.2.1 Mở đầu • Vật liệu ln đóng vai trị thiết yếu đời sống người: vật liệu có mặt khắp nơi xung quanh ta • Trình độ sử dụng vật liệu nói lên trình độ văn minh... đa tinh thể 1.2.3.3 Phân loại theo q trình cơng nghệ thành phần hóa • Vật liệu kim loại hợp kim • Vật liệu polyme • Vật liệu gốm sứ • Vật liệu composit Vật liệu kim loại hợp kim • Ở nhiệt độ... 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 1.2.3.3 Phân loại theo tính sử dụng Vật liệu điện