Giáo trình cơ sở khoa học vật liệu vũ bá dũng

VŨ BÁ DŨNG (Chủ biên) LÊ ĐẮC TUYÊN - NGUYỄN MẠNH HÙNG GIÁO TRÌNH CƠ SỞ KHOA HỌC VẬT LIỆU MỞ ĐẦU Cùng với lượng vật liệu đóng vai trò quan trọng định đến sống chất lượng sống người Các thời kỳ phát triển xã hội loài người gắn liền với việc khai thác sử dụng loại vật liệu khác (thời kỳ đồ đá, thời kỳ đồ đồng, thời kỳ đồ sắt v.v ) Khoa học vật liệu khoa học liên ngành nghiên cứu mối quan hệ thành phần, cấu trúc, cơng nghệ chế tạo, xử lý tính chất vật liệu Các khoa học tham gia vào việc nghiên cứu chủ yếu vật lí, hóa học, tốn học Thông thường đối tượng nghiên cứu vật liệu thể rắn, sau đến thể lỏng khí Giáo trình Cơ sở Khoa học vật liệu nhằm cung cấp cho sinh viên kiến thức chung nhất, vật liệu như: tính chất chung vật liệu, cấu trúc liên kết vật liệu, sai hỏng khuếch tán vật liệu, chuyển pha giản đồ pha, ăn mòn chống ăn mòn vật liệu, vật liệu điện tử bán dẫn, vật liệu cấu trúc nano Giáo trình chủ yếu phục vụ sinh viên đại học cao đẳng chuyên ngành: thiết bị dầu khí, mỏ, điện tử, khí, xây dựng, máy-thiết bị cơng nghiệp, trắc địa, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dùng làm tài liệu tham khảo bổ ích cho sinh viên chun ngành khác Cơng trình biên soạn tác giả: Vũ Bá Dũng, Lê Đắc Tuyên Nguyễn Mạnh Hùng Tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến GS.TS Nguyễn Văn Hiếu, PGS.TS Vũ Đình Lãm, TS Nguyễn Việt Tuyên, KS Nguyễn Văn Bản đọc góp nhiều ý kiến quý báu cho thảo giáo trình Giáo trình đề cập đến vấn đề rộng lớn ngành khoa học vật liệu Giáo trình xuất lần đầu, chắn khơng tránh khỏi sai sót Các tác giả mong nhận góp ý bạn đọc Các tác giả Chương CẤU TRÚC VÀ LIÊN KẾT TRONG VẬT LIỆU 1.1 NGUYÊN TỬ VÀ PHÂN TỬ 1.1.1 Cấu tạo nguyên tử phân tử Theo thuyết hành tinh nguyên tử nguyên tử cấu tạo bao gồm hạt nhân mang điện tích dương điện tử (electron) mang điện tích âm -e chuyển động xung quanh Hạt nhân nguyên tử cấu tạo hai loại hạt hạt proton mang điện tích +e hạt notron khơng mang điện Ở trạng thái bình thường ngun tử trung hịa điện số hạt proton số hạt điện tử số thứ tự nguyên tố (Z) nguyên tử bảng tuần hoàn Mendeleev Khối lượng nguyên tử coi khối lượng hạt nhân khối lượng điện tử khoảng 1/1800 lần khối lượng hạt proton hay notron Các hạt nhân có số hạt proton có số hạt notron khác tạo nên đồng vị nguyên tố hóa học Trạng thái lượng điện tử quỹ đạo xung quanh hạt nhân xác định số lượng tử (n) số lượng tử quỹ đạo (l), số lượng tử từ (m) số lượng tử spin (ms): a) Số lượng tử chính: n = 1, 2, 3, xác định lượng cho phép điện tử Các điện tử có số lượng tử tập hợp thành lớp điện tử Các lớp điện tử ký hiệu K, L, M,… tương ứng với n = 1, 2, 3, b) Số lượng tử quỹ đạo: l = 0, 1, 2, (n-1) xác định giá trị cho phép động lượng quỹ đạo Các điện tử với số lượng tử quỹ đạo khác lớp tạo thành phân lớp tương ứng, ký hiệu s, p, d, f… tương ứng với l = 0, 1, 2, 3,… c) Số lượng tử từ: m = 1, 2, 3, l xác định định hướng cho phép mômen động lượng quỹ đạo điện tử chiều từ trường bên d) Số lượng tử spin: ms = 1/2 xác định định hướng cho phép mômen động lượng riêng (mômen động lượng spin) điện tử Sự phân bố điện tử nguyên tử theo phân lớp khác phải tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli trạng thái với ba số lượng tử n, l m xác định có tối đa hai điện tử có spin ngược chiều Dựa sở xác định cấu hình điện tử ngun tử, đồng thời tính số điện tử lớp phân lớp Hình 1-1 Mẫu hành tinh nguyên tử cấu hình điện tử N Khi điện tử hấp thụ lượng chuyển lên mức lượng cao Khi điện tử chuyển từ mức lượng cao Eh mức lượng thấp El phát photon có bước sóng tính theo cơng thức:  hc Eh  El (1.1) h = 6,62517.10-34 Js số Planck Phân tử tạo từ nguyên tử hay ion Nếu phân tử tạo từ nguyên tử loại tạo đơn chất Nếu phân tử tạo từ hai loại nguyên tử trở lên tạo hợp chất Phân tử tạo từ nguyên tử, phân tử đơn nguyên tử Hầu hết đơn chất đơn nguyên tử kim loại Na, Mg, Al, Cu, Ag, Au, Pt… phi kim C, P… Phân tử tạo từ hai nguyên tử trở lên, tạo thành phân tử đa nguyên tử Phân tử đa nguyên tử đơn chất H2, O2, O3, N2, Cl2… hợp chất phân tử đa nguyên tử có hai nguyên tử CO2, NaCl, HCl,… có hợp chất có nhiều nguyên tử (hàng nghìn ngun tử), hợp chất cao phân tử (polime) polietilen (PE), tinh bột (C6H10O5)n… Các loại phân tử thường có hình dạng hình học khác nhau, hình dạng phân tử gắn liền với cấu tạo tính chất phân tử Một số hình dạng phân tử thường gặp: a) Dạng thẳng (các nguyên tử phân tử phân bố đường thẳng) hình 12a hình 1-2b b) Dạng có góc (các nguyên tử liên kết với tạo góc khác 180o) hình 1-2c c) Dạng lập thể (các nguyên tử tạo thành khối không gian tam giác, tứ diện, bát diện…) hình 1-2d hình 1-2e Hình 1-2 Một số hình dạng khác phân tử 1.1.2 Đơn vị khối lượng nguyên tử khối lượng mol Từ năm 1961, người ta lấy 1/12 khối lượng nguyên tử bon đồng vị 12 (12C) làm đơn vị khối lượng nguyên tử (đvklnt) ký hiệu u Một nguyên tử 12C nặng 19,9266.10-27 kg nên 1đvklnt = 1u = 1,66055.10-27 kg Khối lượng nguyên tử ngun tố tính theo đơn vị u gọi nguyên tử khối ký hiệu A Trị số A thường ghi rõ số tứ tự Z cho nguyên tố bảng tuần hoàn Mendeleev Số Avogadro số nguyên tử 12 kg nguyên tử 12C Thực nghiệm xác định giá trị số Avogadro 6,023.1026 Một kilomol (1 kmol) loại hạt vật chất (điện tử, proton, notron, nguyên tử, phân tử, ion…) lượng hạt có số hạt số Avogadro Có thể dễ dàng nhận thấy khối lượng kmol có trị số nguyên tử khối hay phân tử khối Ví dụ: kmol sắt có 6,023.1026 nguyên tử Fe có khối lượng 56,85 kg cịn kmol oxit nhơm có 6,023.1026 phân tử Al2O3 có khối lượng 85,96 kg 1.2 CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU 1.2.1 Cấu trúc vật liệu Vật chất tồn ba trạng thái: trạng thái rắn (chất rắn) trạng thái lỏng (chất lỏng) trạng thái khí (chất khí) Vật liệu rắn vật liệu mà nguyên tử, ion, phân tử tạo chúng (các hạt thành phần) có vị trí tương đối cố định, ngoại trừ dao động nhiệt quanh vị trí cân chúng Vật liệu rắn chia thành ba loại: vật rắn tinh thể, vật rắn đa tinh thể (bán tinh thể), vật rắn vơ định hình (phi tinh thể) i) Vật rắn đơn tinh thể: Một vật rắn gọi tinh thể hạt thành phần xếp cách đặn, tuần hồn khơng gian ba chiều Nói cách khác, tinh thể tạo cách lặp lại cách đặn đơn vị cấu trúc đồng không gian ba chiều Các tinh thể tương đối đặn hình dáng có kích thước dài từ 10 m đến vài chục cm gọi đơn tinh thể (như đơn tinh thể muối ăn, thạch anh) Đơn tinh thể có tính chất dị hướng, nghĩa tính chất vật lí theo phương khác khác Ngoài ra, vật rắn tinh thể có điểm nóng chảy xác định ii) Vật rắn đa tinh thể (bán tinh thể): Vật rắn gồm nhiều tinh thể nhỏ, có kích thước từ 10-3 m đến 10 m, định hướng hỗn loạn ngăn cách với ranh giới xác định gọi vật rắn đa tinh thể (hình 1-3) Vì tinh thể nhỏ phân bố cách ngẫu nhiên, nên tính trung bình, vật rắn đa tinh thể có tính đẳng hướng, nghĩa tính chất phương iii) Vật rắn vơ định hình (phi tinh thể): Vật rắn mà hạt thành phần phân bố cách hỗn loạn, tính tuần hồn gọi vật rắn vơ định hình hay vật rắn phi tinh thể Trong vật rắn vơ định hình tồn trật tự gần, thể mối liên kết hạt gần nhau, không tồn trật tự xa, nghĩa tính tuần hồn Thuỷ tinh, chất dẻo, nhựa thơng, hắc ín vật rắn vơ định hình Vật rắn loại khơng có điểm nóng chảy xác định 1.2.2 Mạng tinh thể Trong vật rắn tinh thể, nguyên tử phân tử xếp cách đặn, tuần hồn khơng gian tạo thành mạng tinh thể Như vậy, tinh thể lý tưởng xem vật thể tạo thành cách lặp lặp lại vô hạn lần đơn vị cấu trúc đồng Trong tinh thể đơn giản tinh thể kim loại (đồng, vàng, bạc, sắt, nhơm), kim loại kiềm tinh thể khí trơ, đơn vị cấu trúc gồm nguyên tử; tinh thể phức tạp tinh thể chất hữu cơ, đơn vị cấu trúc bao gồm hàng trăm nguyên tử hay phân tử a) Mặt tinh thể: Trong vật rắn tinh thể, nguyên tử xếp có trật tự, tức chúng nằm mặt phẳng song song cách gọi mặt tinh thể Tập hợp vô số mặt tạo thành mạng tinh thể b) Ô sở: phần nhỏ đặc trưng cho loại mạng tinh thể Có thể xem mạng tinh thể vô số ô sở xếp liên tiếp c) Hằng số mạng: khoảng cách hai nguyên tử cạnh ô sở Hằng số mạng kích thước mạng tinh thể, từ suy khoảng cách mạng Hình 1-3 Mơ hình vật rắn đơn tinh thể (a) đa tinh thể (b) Hình 1-4 Mạng lưới khơng gian ô sở tinh thể Bảng 1-1 Đặc điểm ô sở loại mạng Hệ tinh thể Đặc điểm ô sở Loại mạng Tam tà đơn giản a  b  c;      Đơn tà đơn giản, tâm đáy a  b  c;  =  = 90°   Trực giao đơn giản, tâm đáy, tâm khối, tâm mặt a  b  c;  =  =  = 90° Tứ giác đơn giản, tâm khối a = b  c;  =  =  = 90° Lập phương đơn giản, tâm khối, tâm mặt a = b = c;  =  =  = 90° Tam giác a = b = c;  =  =   90°