Do cấu trúc của vật liệu vô cơ tạo thành từ các kim loại và á kim liên kết ion và liên kết
cộng hoá trị, ví dụ:
Trong oxit: Mg-O, Zr-O, Ti-O, Al-O, B-O , Si-O, C-O
% liên kết ion: 80 67 63 60 45 40 22
Còn lại là liên kết cộng hoá trị.
Vật liệu vô cơ bền hoá học, bền nhiệt, cách nhiệt tốt, một số có tính chất quang đặc biệt.
Tính chất cơ học (nhắc lại biểu đồ kéo)
• Đàn hồi giòn: do cấu trúc, VL bị phá huỷ giòn.
• Độ bền lý thuyết σLT = (2E.γ/a)1/2 E- môdun đàn hồi; γ- sức căng bề mặt;
a- khoảng cách nguyên tử
σLT- vật liệu đá coranhđông~ 50.103 MPa, thuỷ tinh
SiO2~ 8.103 MPa
• Độ bền thực tế: do có nứt tế vi 10-3
÷100μm→ độ bền thực tế =1/100 độ bền lý thuyết:
khi chịu tải kéo σO thì thực tế σ = 2.σO(l/r)1/2; l- dài nứt; r- bán kính cong đầu vết nứt. σ thực trong vật liệu phụ thuộc vàoσO và tỷ lệ thuận l và tỷ lệ nghịch với r.
Khi nứt dài, đầu nhọn: σ ≥ [σLT]→ nứt tăng → phá huỷ.
Chú ý vật liệu vô cơ chịu nén tốt hơn chịu kéo (10 lần)
• Độ bền vật liệu vô cơ không phải do năng lượng liên kết nguyên tử cấu tạo nên nó mà do số lượng, chiều dài, chiều sâu vết nứt (hình dạng).
• Vật liệu vô cơ tinh thể: hạt càng nhỏ thìđộ bền càng cao
Bọt khí 0,1-0,5% hạt nhỏ tròn tăng độ bền, >0,5% bọt càng dài càng nhiều độ bền giảm
mạnh. Bọt khí làm giảm độ dẫn nhiệt.
7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình 7.2.1. Gốm và vật liệu chịu lửa
Gốm bằng sản phẩm đất nung: Nhiệt độ nung gạch 900o
C, sứ 1400o
C, tạo từ các nguyên liệu tự nhiên: Kaolinít Al2O3.2SO2.2H2O→ Vật liệu bột tạo hình nung vật liệu gốm.
• Cấu trúc: gồm các pha tinh thể liên kết bằng pha vô định hình tỷ lệ vô định hình trong gạch ngói 20-40 %, trong sứ 50-60%, Al2O3 1%
• Bọt khí trong gạch ngói 10-50%, trong sứ 5% • Phân loại:
+ Gốm silicat (gốm truyền thống) màu xỉn do chứa oxyt sắt, chế tạo từ silicát thiên nhiên:
đất sét, cao lanh (gạch ngói, sứ vệ sinh, ấm chén bát đĩa đồ sứ gia đình) sứ cách điện ... chế
tạo bằng công nghệ gốm thô hoặc công nghệ gốm tinh ( hạt nhỏ)
+ Gốm oxit gốm tạo từ một loại oxyt Al2O3, TiO2,... hoặc một oxit phức: MgO.Al2O3, BaO.TiO2 (khác gốm silicat tinh khiết cao nên tỷ lệ pha tinh thể cao) chế tạo bằng sản phẩm
chất lượng cao, và các tính chất điện từ đặc biệt, chế tạo theo công nghệ gốm tinh.
Al2O3: Phễu sợi máy dệt, chi tiết máy dệt (Al2O3), điện tử, y tế, bột mài.
TiO2: gốm TiO2 làm tụ điện hằng số điện môi lớn tổn thất điện môi nhỏ, Gốm hệ
PbO.TiO2-PbO.ZrO2 có pha thêm MgO.NiO.ZnO...gọi tắt là gốm PTZ cải thiện các tính chất điện môi ngày càng được dùng nhiều trong kỹ thuật điện
Fe2O3 + oxit kim loại nhóm TiO2, SnO2, WO3... Gốm bán dẫn Zn(Ti4+
(X)Fe2+(2-2X)Fe3+(X))O3, Ti(X)(Fe3+(2-2X)Fe2+(X))O3 ....
• Các vật liệu gốm phioxit các Borit, nit ơrit, cacbit,... vật liệu đơn nguyên tố cacbon
Vật liệu chịu lửa (VLCL)
Vật liệu chịu lửa To
>1520oC, sản xuất bằng công nghiệp gốm thô dùng ngành luyện kim,
hoá học, gốm... lò nhiệt độ cao. VLCL gồm các loại sau:
• Dinat (Silicat) > 93%SiO2 gạch xây lò cốc, lò thuỷ tinh vùng nung lò tuynen cấu tạo từ
nguyên liệu thiên nhiên: cát thạch anh, quarzit sa thạch.
• Samôt gốm thô alumo-silicat, Al2O3 = 20-45% khoáng chính là mulit (3Al2O3.2SiO2) và cristobalit. Sản xuất từ hai nguyên liệu:
+ Nguyên liệu gầy: cao lanh nung kết khối thành sạn samôt
+ Nguyên liệu dẻo: đất sét cùng cao lanh chữa nung
Các loại: samôt thường 30-40%Al2O3
samôt bán axit 20-30%Al2O3
Công dụng xây lò: gốm sứ, ximăng, lò khí, lò luyện kim
• Vật liệu chịu lửa cao alumin thuộc hệ Alumino-Silicat có Al2O3~45÷95% khoáng chính là mulit 3Al2O3.2SiO2 và coranhđông α-Al2O3 nguyên liệu chế tạo từ khoáng thiên nhiên có tỷ
lệ Al2O3 cao: Silimanit, Andaluzit (Al2O3.SiO2)
•Vật liệu cao alumin tính chịu nhiệt tốt hơn samôt, tính hoá học trung tính với nhiều môi trường. • Vật liệu chịu lửa kiềm tính:Pericla (manhêzit) MgO, Crôm-manhêzit MgO- Cr2O3.
trộn đều cùngẩm
Đặc điểm: chịu nhiệt cao, bền với xỉ kiềm, môi tr ường nóng chảy kiềm tính; thuỷ tinh kiềm, xỉ luyện kim Bazơ, lò xi măng, xây lò hồ quang luyện thép chất lượng cao.
• Vật liệu chịu lửa trên cơ sở graphit và SiC: Samôt graphit 6÷60%gr - nồi nấu kim loại ưu điểm dẫn nhiệt nhanh, không thấm ướt kim loại lỏng, bền nhiệt.
• Vật liệu chịu lửa cách nhiệt là các vật liệu chịu lửa khi chế tạo đưa vào 45-80% khí nên xốp nhẹ. Thường được xây phí ra ngoài để cách nhiệt.
Ngày nay còn dùng vật liệu sợi để cách nhiệt (sợi cacbon, sợi thuỷ tinh,…): samôt nhẹ, Đinat nhẹ, Bêtông chịu lửa nhẹ,…
7.2.2. Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh7.2.2.1.Thuỷ tinh 7.2.2.1.Thuỷ tinh
• Cấu trúc vô định hình được tạo bằng cách nguội nhanh vật liệu vô c ơ nóng chảy – tính chất vô định hình là vật liệu một pha đồng nhất.
• Khái niệm thuỷ tinh cònđể chỉ chung các vật liệu có cấu trúc vô đinh hình: Thuỷ tinh
hữu cơ, thuỷ tinh vô cơ, thuỷ tinh kim loại.
• Công nghệ chế tạo: Nguyên liệu: cát trắng SiO2, sôda Na2CO3, đá vôi CaCO3, tràng thạch (K,Na)AlSi3O8, đôlômit CaCO3.MgCO3,... Phối liệu- nấu chảy (1400-1500oC), tạo hình
ở trạng thái mềm (1000-1200oC) kéo tấm, kéo ống, kéo sợi, cán, ép, dập, thổi,...→ ủ khử σ
(500-600oC)→ mài, đánh bóng → tạo vân hoa → sản phẩm. • Vật liệu thuỷ tinh có tính chất quang học đặc biệt.
7.2.2.1.1. Thuỷ tinh kiềm- kiềm thổ- silicat
• Thông dụng nhất, nguyên liệu chính để sản xuất là cát trắng, đá vôi (tạo CaO), đôlômit
(tạo MgO) và sôda (tạo Na2O), thành phần: 65-75%SiO2, 8-15% CaO, 12-18% Na20.
• Rẻ tiền (ngoài các tính chất chung của thuỷ tinh là: trong suốt, bền hoá, xít kín, độ bền cơ và nhiệt đạt yêu cầu, nên dùng nhiều trong xây dựng, bao bì (chai), hoá chất, dược phẩm,
thực phẩm, đồ gia dụng, vỏ bóng đèn điện, màn hình ti vi...
• Biện pháp tăng bền
- Tôiở nhiệt độ xấp xỉ 900-1000oC (nhiệt độ biến mềm- (10÷20oC) nguội nhanh.
-Trao đổi ion: thay thế các ion Na bằng các ion khác có kích th ước lớn hơn trên bề mặt tạo ứng suất nén dư làm tăng cơ tính: kính ô tô, cốc tách, thuỷ tinh cách điện,..tăng bền 3-10 lần.
- Tạo sợi thuỷ tinh d<100μm có độ bền cao (σK ~1000-1500 MPa ) do ít khuyết tật, hiệu ứng siêu tôi do nguội đột ngột ở nhiệt độ cao → siêu đẳng hướng- cách âm, cách nhiệt dùng cho compozit.
Ngoài ra thuỷ tinh này còn tạo khối xốp nên cách nhiệt, cách âm 150-400g/dm3.
7.2.2.1.2. Thuỷ tinh Boro- Silicat và Alunino-silicat
Ít dãn nở nhiệt, bền xung nhiệt, bền hoá, dễ nấu chảy.
Boro-Silicat: SiO2-B2O3-Na2O; Pirex 78%SiO2-12,5%B2O3-9,5%Na2O; Alumino- silicat: SiO2-Al2O3-Na2O
Công dụng: chế tạo dụng cụ hoá học, đo lường, ống dẫn bình phản ứng, vật liệu kỹ thuật điện, ấm chén chịu nhiệt, nồi chảo đun nấu, vật liệu sợi của thuỷ tinh nhóm này glass E
7.2.2.1.3. Thuỷ tinh chì silicat
Chỉ số khúc xạ (n) cao làm đồ quang học (10-18%Pb), phalê 18-35%, thành phần SiO2- PbO-Na2O/K2O
Tạp chất gây màu: Fe2O3 cần hạn chế <0,01%
Thuỷ tinh phalê 40-80% PbO trong suốt ngăn tia X.
7.2.2.1.4. Thuỷ tinh thạch anh
Thuỷ tinh đơn oxit SiO2 nhiệt độ chảy 1700o
C rất cao, khó chế tạo.
Hai loại: thuỷ tinh thạch anh trong suốt, không trong suốt có chứa bọt khí và chữa đồng
chất hoàn toàn.
Trong suốt: hệ số dãn nở nhiệt nhỏ bền xung nhiệt và chịu nhiệt cao chế tạo dụng cụ và thiết bị chịu nhiệt cao.
Thuỷ tinh thạch anh tinh khiết cao đèn phát tia tử ngoại. Thuỷ tinh thạch anh tinh khiết + B2O3: cáp quang.
Thuỷ tinh thạch anh không trong suốt: 5-7% bọt khí độ bền cơ học thấp hơn chế tạo
chén nấu, dụng cụ thiết bị chịu nhiệt, bền hoá.
7.2.2.2. Gốm thuỷ tinh
-Định nghĩa: là vật liệu có tổ chức kết hợp giữa thuỷ tinh và tinh thể, bao gồm 1 hoặc
nhiều pha tinh thể phân bố trên nền vô định hình
- Về mặt thành phần hóa học: gốm thủy tinh cũng có thành phần tương tự như thủy tinh
(ví dụ SiO2- Al2O3- Na2O)
- Cách chế tạo: Chế tạo thủy tinh gốc (nấu chảy, tạo hình, cấu trúc vô định hình), sau đó được xử lý nhiệt theo chế độ xác định để tạo pha tinh thể, gồm các vi tinh thể (< 1 μm) với
tổng thể tích 60 ÷ 95%, phân bố đều trên nền pha vô định hình,ở đây pha vô định hình đóng
vài trò chất liên kết.
Các loại thủy tinh gốc thường gặp: SiO2-Al2O3-LiO2, SiO2-Al2O3-MgO và SiO2-Al-2O3-Na2O Các chất xúc tác tạo mầm như Pt, TiO2, ZrO2, SnO2, sunfit, fluorit...
Tính chất của gốm thuỷ tinh là do pha tinh thể khác nhau với tỷ lệ, kích th ước, hình dạng và sự phân bố khác nhau quyết định như: không gian nở nhiệt, có độ bền cơ học cao và chịu
mài mòn cao, dễ tạo hình bằng gia công cơ khí, có tính chất điện từ đặc biệt, có tính sinh học
(dễ cấy ghép vào tế bào xương, cơ của cơ thể sống).
7.2.3. Ximăng và bê tông7.2.3.1. Bản chất 7.2.3.1. Bản chất
Là vật liệu tạo thành nhờ sự kết dính các thành phần vật liệu rắn với nhau ở nhiệt độ thường nhờ chất dính kết. Bêtông là loại vật liệu xây dựng quan trọng h àng đầu, được tạo
thành nhờ liên kết các cốt liệu rắn (sỏi, cát) bởi chất dính kết l à ximăng poclan + nước, sau khi ximăng đóng rắn vật liệu trở nên liền khối, vững chắc.
7.2.3.2. Ximăng
a. Ximăng (cement) gồm các loại chính sau:
- Alumin, trên cơ sở hệ CaO- Al2O3 chứa thêm SiO2, Fe2O3
- Xỉ lò cao, chứa thêm thạch cao hoặc vôi.
Trong đó ximăng poclan là phổ thông và quan trọng nhất.
b. Các bước sản xuất ximăng poclan
Phối liệu gồm: đá vôi (cung cấp CaO), đất sét (cung cấp SiO2, Al2O3) và quặng sắt được cân đong theo phối liệu, nghiền mịn rồi trộn đều.
Nung luyện phối liệu trong lò quay: ở 1400 ÷ 1500oC để tạo ra các khoáng chất nh ư
3CaO.SiO2 (viết tắt C3S), 2CaO.SiO2(C2S), 3CaO.Al2O3 (C3A), 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF), sản phẩm được gọi là clinke.
Clinke được nghiền mịn: đến kích thước 0,5 ÷ 50μm dưới dạng bột gọi là ximăng. Khi
nghiền thường đưa thêm các phụ gia để điều chỉnh một vài tính chất của ximăng (như cho
thêm thạch cao để điều chỉnh tốc độ đông kết của ximăng).
c. Cơ chế đóng rắn ximăng
Khi ximăng được hòa trộn với nước ta được vữa ximăng, nó sẽ bị hyđrat hóa theo các
phản ứng: 2(3CaO.SiO2) + 6H2O→ 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2, 2(2CaO.SiO2) + 6H2O→ 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2,
...
Quá trình này phát triển từ bề mặt các hạt ximăng và tiếp tục vào bên trong hạt theo sơ đồ hyđrat hóa ở các giai đoạn (hình 7.1):
- Trạng thái ban đầu: hỗn hợp vữa ximăng gồm cát, ximăng v à nước (hình a), - Hyđrat hóa một phần của ximăng, bước đầu nối các hạt cát với nhau (hình b), - Hyđrat hóa hoàn toàn và dính kết các hạt cát nhờ pha tinh thể hyđrat hóa (c).
Ximăng đủ mịn và được trộn với đủ lượng nước thì quá trình diễn ra hoàn toàn. Thiếu nước một phần ximăng không đ ược phản ứng, thừa nước sẽ tạo ra các lỗ, kênh chứa nước
làm cho vữa ximăng linh động, dễ trộn nhưng độ bền sau khi đóng rắn sẽ bị giảm.
Sau hyđrat hóa là giai đoạn kết tinh, tạo ra các tinh thể hyđrat với kích th ước 10÷100nm
làm cho khối vật liệu trở nên vững chắc và có khả năng chịu tải.
Độ bền của ximăng, "mác" ximăng, là giới hạn bền nén của mẫu vữa ximăng – cát (tiêu chuẩn) với tỷ lệ 1: 3 sau 28 ngày bảo dưỡng trong điều kiện quy định. Ví dụ, theo TCVN
7.2.4. Bêtông
Bêtông là hỗn hợp: sỏi hoặc đá dăm kích thước 1÷4cm, cát vàng cỡ hạt 0,1÷0,2mm, ximăng
cỡ hạt 0,5÷50μm) + nước: hạt cát điền đầy vào chỗ trống giữa các viên sỏi, đá dăm, còn các hạt ximăng sẽ chen vào khoảng trống giữa các hạt cát → xít chặt cao. Ngoài ra, bề mặt của các hạt
cát, sỏi, đá dăm là mầm dị thể cho quá trình kết tinh của các hợp chất hyđrat của ximăng. Bêtông
được coi là một loại compozit với cốt: cát, sỏi, đá ; nền là ximăng đóng rắn.
7.2.5. Bêtông cốt thép
Độ bền (kéo) của bêtông được tăng lên nếu có cốt thép.
Thép được dùng làm cốt trong bêtông vì ngoài có độ bền kéo cao và dẻo, có hệ số giãn nở
nhiệt gần giống như bêtông, bền ăn mòn trong môi trường bêtông, cải thiện dính kết bằng gai,
gân.
Bêtông dự ứng lực: dây thép độ bền cao (60Mn) đ ược đặt trong côp pha (coffrage), đ ược
kích kéo với lực kéo lớn, bơm đầy bêtông vào khuôn côp pha, chờ đông cứng mới bỏ lực kéo căng dây thép, lúc đó dây thép bị co lại tạo cho cấu kiện bêtôngứng suất nén.
Cách thứ hai: dây thép được luồn qua những ống bằng kim loại hay cao su đặt sẵn trong
cấu kiện bêtông. Kéo căng dây thép nhờ các kích thuỷ lực tựa vào hai mặt đối diện của cấu
kiện, lực kéo sẽ tạo tải trọng nén lên bêtông. Tiếp theo vữa bêtông mới được bơm đầy vào lỗ,
bao kín lấy dây thép. Cấu kiện được hoàn thành khi vữa bêtông đông cứng và bảo dưỡng tốt,
chỉ khi đó mới dỡ kích ra.
CHƯƠNG 8
VẬT LIỆU HỮU CƠ
Định nghĩa:
Là hợp chất gồm các phân tử được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của một hay nhiều
loại nguyên tử hay một nhóm nguyên tử (đơn vị cấu tạo = monome) liên kết với nhau với số lượng khá lớn để tạo nên một loạt tính chất mà những tính chất này thay đổi không đáng kể
khi lấy đi hoặc thêm vào một vài đơn vị cấu tạo.
Phân loại
Theo nguồn gốc hình thành: Polyme thiên nhiên, polyme tổng hợp
. Polyme thiên nhiên: nguồn gốc thực vật, động vật: xenlulo, cao su, Protein.
. Polyme tổng hợp: Phản ứng trùng hợp, trùng ngưng: Polyolefin, Polyamit, nh ựa phênol fomadehit.
Theo cấu trúc:
- Polyme mạch thẳng Polyetylen, PolyvinyRelorit, Polystyren.
- Polyme mạch nhánh các nhánh xem như mộ phần của phân tử tạo bằng từ các phản ứng
phụ trong quá trình tổng hợp polyme có mạch nhánh sự sắp xếp ít chặt chẽ dẫn đến tỷ trọng
của polyme giảm.
- Polyme mạch lưới các mạch cạnh nhau được nối vớp nhau bằng các liên kết cộng hoá trị các lưới này thường được hình thành nhờ cho thêm vào các nguyên tử, phân tử tạo liên kết đồng hoá trị với mạch chính. Cao su mạng l ưới tạo thành do quá trình lưu hoá.
- Polyme không gian các monome có ba nhóm hoạt động tạo nên polyme không gian ba chiều. Thực tế các polyme mạng lưới dày đặc có thể coi là polyme không gian: Nhựa epoxy,
nhựa phenolfomadehyt.
Chú ý: một polyme không thể thuần nhất một loại cấu trúc.
ví dụ polyme mạch thẳng có thể vẫn gồm có cấu trúc mạch nhánh và mạch lưới nhưng mạch
thẳng chiếm đa số.
Đặc điểm: polyme nhẹ, bền nên độ bền riêng lớn, chịu ăn mòn tốt. Hầu như không dẫn
nhiệt, không dẫn điện.
Phân loại theo tính chịu nhiệt:
Polyme nhiệt dẻo (thermoplastic): thường là các polyme mạch thẳng, ở nhiệt độ nhất định dưới tác dụng của lực các phần tử có thể tr ượt lên nhau có nghĩa là vật liêụ có thể dẻo, chảy, nhưng ở nhiệt độ thấp hơn nó lại rắn trở lại. Gọi là polyme nhiệt dẻo vì nhiệt độ càng tăng thì tính dẻo càng tăng. Polyme nhiệt dẻo là loại polyme có giá trị thương mại quan trọng nhất.
Polyme nhiệt rắn (thermoset): là các polyme hay oligome (polyme có khối lượng phân tử
hoặc nhánh bé nấu chảy + cho thêm vào các chất đóng rắn → tạo hình dưới tác dụng xúc tác
của các chất đóng rắn → chuyển thành mạch không gian không thuận nghịch.
Khác polyme nhiệt dẻo, polyme nhiệt rắn ở nhiệt độ cao không bị chảy mềm và không hoà tan vào dung môi thành polyme nhiệt rắn, không có khả năng tái sinh.