Theo sơ đồ một kim loại nào đó có thểkết hợp với bo tạo ra borit, với cacbon tạo ra cacbit, với nitơ tạo ra nitrit, với oxy tạo ra oxyt, với silic tạo ra silixit. Cũng tương tự như vậy khi xuất phát từsilic hay bo.
Sựkết hợp trên làm cho vật liệu vôcơ rất phong phú, đa dạng vềthành phần hóa học và tính chất. Các dạng hợp chất hóa học thường gặp trong vật liệu vô cơ là: đơn oxyt kim loại (ví dụ, Al2O3 trong gốm corinđông), đơn oxyt bán kim loại (ví dụ, SiO2 trong thủy tinh thạch anh), hỗn hợp nhiều oxyt kim loại (ví dụ, sứ, thủy tinh silicat), các nguyên tố không phải kim loại (ví dụ, bo, cacbon), các cacbit, nitrit của kim loại và bán kim loại (ví dụ TiC, SiC, BN, ZrN), …
Tùy theo mục đích, vật liệu vô cơ có thể phân loại theo nhiều cách khác nhau: theo thành phần hóa học, cấu trúc, phương pháp công nghệ, lĩnh vực sử dụng v. v. Trong cuốn sách này vật liệu vô cơ được phân chia theo đặc điểm kết hợp và trình bày theo 3 nhóm chính:
- Gốm và vật liệu chịu lửa. - Thủy tinh và gốm thủy tinh. -Ximăng vàbêtông.
Để phân biệt với các nhóm vật liệu lớn khác (vật liệu kim loại, vật liệu hữu cơ). Hiện nay, người ta thường dùng khái niệm vật liệu gốm (ceramic) để chỉ chung các loại vật liệu vô cơ phi kim loại bao gồm cảba nhóm vật liệu vô cơ kểtrên.
Vật liệu vô cơ là một nhóm vật liệu lớn, trong phạm vi chương này chỉ đề cập đến các vấn đề cơ bản và các đại diện chính của nó.
4.1. Cấu trúc của vật liệu vô cơ
Vật liệu vô cơ bao gồm nhiều chủng loại khác nhau, nhưng mang những đặc điểm chung về cấu trúc và tính chất. Những đặc điểm này khacs biệt rõ rệt so với cấu trúc và tính chất của vật liệu kim loại và vật liệu hữu cơ.
4.1.1. Liên kết nguyên tửtrong vật liệu vô cơ
Vật liệu vô cơ được tạo thành từcác nguyên tốkim loại và các nguyên tốkhông phải kim loại, tức là từcác loại nguyên tửvới bản chất hóa học khác nhau, ví dụ, khác nhau về kích thước nguyên tử, cấu tạo vỏ điện tử, số phối trí, khả năng phân cực, lực liên kết, … Vì thế, so với kim loại vật liệu vô cơ thường được xác định bởi tỷ lệ bán kính giữa cation và anion. Xuất phát từ tương quan hình học này, các nguyên tử được sắp xếp theo một hình phối trí xác định với sốphối trí không đổi. Trong các hệvật liệu vô cơ cấu tạo bởi nhiều loại nguyên tử (cation) khác nhau, do sự khác biệt về kích thước của các cation nên có thểxảy ra sựsắp xếp lại của các anion và dẫn đến sựhình thành các hình phối trí, sốphối trí khác nữa. Nói cách khác, trong vật liệu vô cơ một cation có thểcùng với anion tạo ra nhiều kiểu đơn vị cấu trúc khác nhau và có sốphối trí khác nhau.
Đặc trưng quan trọng nhất vềcấu trúc của vật liệu vô cơ là kiểu liên kết giữa các nguyên tửcấu tạo nên nó. Trong vật liệu vô cơ không có kiểu liên kết kim loại, mà là kết hợp giữa liên kết ion và liên kết đồng hoá trị.
Đặc điểm liên kết phức hợp ion-đồng hóa trị nên năng lượng liên kết trong vật liệu vô cơ là tương đối lớn, nằm trong khoảng 100 –500 Kj.mol-1(đối với kim loại là 60–250 Kj.mol-1).
Đặc điểm liên kết phức hợp ion-đồng hóa trị ảnh hưởng quyết định đến một số tính chất đặc trưng của vật liệu vô cơ nhiệt độ nóng chảy cao, mật độ cao, cứng, giòn, trong suốt và cách điện cao.
Vật liệu vô cơ được cấu tạo bởi các loại nguyên tử có bản chất hóa học khác nhau nên yếu tốphân cực và biến dạng trong liên kết của vật liệu là đáng kể. Đặc biệt các cation có điện tích lớn và anion có kích thước lớn sẽlàm lệch sựphân bố điện tử và làm tăng tỷlệliên kết đồng hóa trị. Sự phân cực và biến dạng ion có ảnh hưởng rõ đến các tính chất của vật liệu, đặc biệt là độ đàn hồi, độ bền cơ học, độ cứng và màu sắc của vật liệu.
4.1.2. Trạng thái tinh thểvà trạng thái vô định hình
Vật liệu vô cơ có thể tồn tại ởcác trạng thái cấu tạo khác nhau trạng thái tinh thể (ví dụ, gốm SiC, các gốm đơn oxyt), trạng thái vô định hình (ví dụ, vật liệu thủy tinh), hoặc vừa tinh thểvừa vô định hình (ví dụ, sứgốm thủy tinh).
Sau đây sẽ tìm hiểu một số đặc điểm cấu trúc của trạng thái tinh thểvà trạng thái vô định hình trong các vật liệu vô cơ thông dụng.
a. Trạng thái tinh thểtrong vật liệu vô cơ