TỔNG HỢP LÝ THUYẾT ĂN MÒN

Ăn mòn
LDDT - TYB


Chương 1: CẤU TRÚC TINH THỂ
1. Phân loại chất rắn
- Vật liệu kết tính: các nguyên tử sắp xếp tuần hồn trong khơng gian
- Vật liệu vơ định hình: các nguyên tử không sắp xếp tuân fhoafn trong không gian
2. Đơn tinh thể và đa tinh thể
- Đơn tinh thể: các nguyên tử sắp xếp trật tự trong toàn bộ không gian
- Đa tinh thể: gồm các đơn tinh thể nhỏ didnhk hướng ngẫu nhiên
3. Các loại tinh thể
- Chất rắn: lực hút giữa các phân tử, nguyên tử thắng được lực phân lý, có khuynh hướng sắp xếp để
đạt được độ trật tự cao (đối xứng)
- Dựa vào lực liên kết giữa các nguyên tử, các chất rắn có thể chia thành:
Tinh thể ion
NaCl, CuSO4
Tinh thể cộng hóa trị
Kim cương, SiO2
Tinh thể kim loại
Fe, K
Tinh thể Van der Waals
Nước đá, He rắn
4. Cấu trúc tinh thể
Cấu trúc tinh thể = mạng tinh thể + ô cơ sở
Mạng, nút mạng, ô cơ sở
- Mạng không gian: là sự phát triển của khung tinh thể trong không gian ba chiều, trong đó, cá nguyên
tử (hoặc phân tử) được nối với nhau bằng đường thẳng
- Giao điểm của các đường thẳng gọi là nút mạng. Mỗi nút mạng đều được bao quanh giống nhau
- Ô cơ sở: thể hiện cấu trúc tinh thể vì sự lặp đi lặp lại của nó sẽ tạo nên tinh thể
Các cách biểu diễn ô cơ sở

Phương tinh thể
Phương tinh thể được xác định qua gốc
tọa độ O, nếu phương không qua gốc tọa
độ O, ta xác định phương song song qua
gốc tọa độ O
- Tên phương được gọi bằng cách chuyển
tọa độ điểm về số nguyên tương ứng nhỏ
nhất
- Dấu trừ kí hiệu dấu gạch ngang trên đầu:
[1 2 3̅]
Chỉ số Miller
-

-

Chỉ số Miller dùng để ký hiệu các mặt mạng trong tinh thể
Tất các các mặt song song với nhau đều tương đương hay đồng nhất nên có cùng chỉ số Miller
Các xác định chỉ số Miller
+ Mở rộng mặt phẳng cắt 3 trục toạ độ tại x, y, z
+ Lập các giá trị nghịch đảo của các tọa độ này: 1/x, 1/y, 1/z
+ Nhân các phân số đó với bội số chung nhỏ nhất của các mẫu số rồi bỏ mẫu số ta được h, l, k
+ Viết chỉ số Miller cho mặt: (h k l)
 Chú ý:
+ Nếu mặt phẳng song song với trục tọa độ thì nó cắt trục đó tại vơ cùng, do đó, nghịch đảo lại ta được
số 0
+ Nếu mặt phẳng đi qua gốc tọa độ, ta dời mặt này đến một vị trí khác song song với mặt ban đầu, sau
đó xác định chỉ số Miller như trên


+ Dấu trừ có kí hiệu là dấu gạch ngang trên đầu (ví dụ: (1 2 3̅), khơng được viết dấu trừ.

-

Khoảng các giữa các mặt
Ta có chỉ số Miller của mặt là: (h k l)
Công thức
Hệ lập phương

1
2
𝑑ℎ𝑘𝑙

Hệ tứ phương

1
2
𝑑ℎ𝑘𝑙

Hệ trực giao

1
2
𝑑ℎ𝑘𝑙

=

ℎ2 + 𝑘 2 + 𝑙 2
𝑎2

ℎ2 + 𝑘 2

𝑙
=
+
𝑎2
𝑐2
ℎ2 𝑘 2 𝑙 2
= 2+ 2+ 2
𝑎
𝑏
𝑐

Xác định khoảng cách của các mặt bằng nhiễu xạ tia X
- Điều kiện của nhiễu xạ: 𝑛𝜆 = 2𝑑. 𝑠𝑖𝑛𝜃
Trong đó:
n: số nguyên, số chiều dài bước sóng
d: khoảng cách gữa hai mặt lặp lại
𝜃: Góc nhiễu xạ
𝜆: chiều dài bước sóng

5. Sự sắp xếp đặc khít


𝑎 = 2𝑟

√2𝑎 = 4𝑟

√3𝑎 = 4𝑟

6. Một số tinh thể ion thường gặp
Tỉ lệ bán kính

Chưa
biết
CsCl

Chiều
mạng

𝑟+ /𝑟− = 1
0.732 < 𝑟+ /𝑟− < 1

𝑎=

dài

ơ Số
Độ đặc khít
phối trí
12

2(𝑟𝐶 + 𝑟𝐴 )

8

√3
(Tiếp xúc đường
chéo khối)

NaCl

0.414 < 𝑟+ /𝑟− < 0.732

ZnS

0.225 < 𝑟+ /𝑟− < 0.414

𝑎 = 2(𝑟𝐶 + 𝑟𝐴 )
(Tiếp xúc cạnh)

6

4

𝑃𝐷 =

𝜋√3(𝑟−3 + 𝑟+3 )
2(𝑟− + 𝑟+ )3

𝑃𝐷 =

2𝜋(𝑟−3 + 𝑟+3 )
3(𝑟− + 𝑟+ )3

Ví dụ

CsCl, CsBr,
CsI, CsCN,
NH4Cl,
NH4Br,
TlCl, TlBr,
TlI

LiF,
LIBr,
LIH,
NaCl,
NaI,
ScN,
UN

LiCl,
LiI,
NaF,
NaBr,
NaH,
TiN,


𝑎=

CaF2

-

𝑎=

4(𝑟𝐶 + 𝑟𝐴 )

ZnO, ZnS,
ZnSe, ZnTe,
BeO, CdS,

CdSe, MnS,
MnSe

√3

4(𝑟𝐶 + 𝑟𝐴 )
√3

4 Ca2+
8 F-

𝑃𝐷 =

Tính dung sai trong cấu trúc Perovskite: 2𝜏(𝑟𝐵 + 𝑟𝑂 ) = √2(𝑟𝐴 + 𝑟𝑂 )
Lưu ý:
 Theo bán khính Goldshmidt:
𝜏 < 0.9: biến dạng trực thoi (orthorombic)
𝜏 = 0.9 − 0.95: biến dạng vuông phẳng (quadratic)
𝜏 = 0.95 − 1.00: cấu trúc lập phương (cubic)
𝜏 > 1.00: biến dạng lục phương (hexagonal)
 Theo bán kính Shannon – Prewitt:
0.9 < 𝜏 < 1.0: cấu trúc lập phương (cubic)
𝜏 < 0.9 và 𝜏 > 1: cấu trúc biến dạng

√3𝜋(𝑟−3 + 𝑟+3 )
4(𝑟− + 𝑟+ )3

CaF2, SrF2,
SrCl2, BaF2,
BaCl2,

CdF2, HgF2,
EuF2,
𝛽PbF2


Chương 2: KHUYẾT TẬT TINH THỂ
- Tinh thể hoàn thiệt: được bố trí vào đúng nút mạng một cách có trật tự, là trường hợp lý tưởng và ở
0K.
- Tinh thể thực: do tác dụng của nhiệt độ, các nguyên tử di chuyển tạo khuyết tật, phần lớn các tinh thể
có nồng độ khuyết tật trên 1%
1. Các loại khuyết tật
Theo thành phần Hóa học
Khuyết tật hợp thức
Khuyết tật khơng hợp thức
Vd: NaCl và Na1+xCl, FeO và Fe1-xO
với 𝑥 ≪ 1

Theo thành phần tạp chất
Theo mạng lưới tinh thể
Khuyết tật nội tại
Khuyết tật điểm (0D)
Khuyết tật ngoại lai
Khuyết tật đường (1D)
Vd: chất bán dẫn n của Si có lẫn Khuyết tật mặt (2D)
As
Khuyết tật vùng hay khuyết tật khối
(3D)

2. Khuyết tật điểm
- Sai sót khơng tỷ lượng (khơng hợp thức): phụ thuộc và nhiệt độ mà môi trường

 Khuyết tật ngoại lai (tạp chất)
 Khuyết tật không hợp thức
- Sai sót có tỷ lượng (hợp thức): phụ thuộc nhiệt độ
Quy ước
M là nguyên tử M
(cation) nằm đúng
vị trí M
Mi là nguyên tử M
nằm ở vị trí xen kẽ

Khuyết tật kiểu Frenkel: xen kẽ
𝑀𝑀
𝑀∙𝑖

X là nguyên tử X
(anion) nằm đúng
vị trí X
Xi là nguyên tử X
nằm ở vị trí xen kẻ

𝑋𝑋

Khuyết tật vị trí
M (lỗ trống)

𝑉𝑀′

Khuyết tật vị
trí X (lỗ trống)

𝑉𝑋∙

M

M nằm ở vị trí
X

𝑀𝑋∙∙

X

X ở vị trí M

′′
𝑋𝑀

Y hóa trị +2 nằm ở
vị trí M

𝑌𝑀∙

L hóa trị -2 nằm ở
vị trí X

𝐿′𝑋

M

Khuyết tật kiểu Schottky: trống

𝑋𝑖′

Dấu “∙” là điện tích +1
Dấu “′” là điện tích -1

Cho cation: 𝑀𝑖∙ + 𝑉𝑀′ = 0
Cho anion: 𝑋𝑖′ + 𝑉𝑋∙ = 0

𝑉𝑋∙ + 𝑉𝑀′ = 0


-

Các kiểu khuyết tật chủ yếu:

-

Mất trật tự khi có phụ gia: cation Y thay cho cation M hay anion L thay cho anion X
Ví dụ:

 Cho LiCl vào mạng tinh thể NaCl: 𝐿𝑖𝐶𝑙 = 𝐿𝑖𝑁𝑎 + 𝐶𝑙𝐶𝑙
 Cho NaBr vào mạng tinh thể NaCl: 𝑁𝑎𝐵𝑟 = 𝐵𝑟𝐶𝑙 + 𝑁𝑎𝑁𝑎
 Cho SrCl2 vào mạng NaCl:
∙
′
 Tạo lỗ trống: 𝑆𝑟𝐶𝑙2 = 𝑆𝑟𝑁𝑎
+ 2𝐶𝑙𝐶𝑙 + 𝑉𝑁𝑎
(Na được
thay thế bằng Sr, 2 Cl được xếp vào đúng vị trí của nó, tạo ra
một lỗ trống Na)

∙
 Xen kẽ: 𝑆𝑟𝐶𝑙2 = 𝑆𝑟𝑁𝑎
+ 𝐶𝑙𝑖′ + 𝐶𝑙𝐶𝑙 (Na được thay thế
bằng Sr, 1 Cl được xếp xào đúng chỗ của nó, 1 Cl xen kẽ)

∙
∙
′′
 Mạng CaF2 có phụ gia YF3: 𝑌𝐹3 = 𝑌𝐶𝑎
+ 2𝐹𝐹 + 𝐹𝑖′ (ℎ𝑜ặ𝑐 2𝑌𝐹3 = 2𝑌𝐶𝑎
+ 6𝐹𝐹 + 𝑉𝐶𝑎
???)
′
′
∙
 Mạng CaF2 có phụ gia NaF: 𝑁𝑎𝐹 = 𝑁𝑎𝐶𝑎 + 𝐹𝐹 + 𝑉𝐹 (hoặc 𝑁𝑎𝐹 = 𝑁𝑎𝐶𝑎 + 2𝐹𝐹 + 𝑁𝑎𝑖∙ ? ? ?)
- Các trung tâm khuyết tật
 TH 1: Thừa kim loại
 TH 2: Thiếu kim loại
3. Dung dịch rắn
- Gồm chất chính (dung mơi) và phụ gia (chất tan)
- Kiểu mạng của dung mơi được bảo tồn
- Tuy nhiên, dung dịch rắn khác dung dịch và hợp chất hóa học
- Phân loại:


Đặc điểm

Dung dịch rắn thay thể

Nguyên tử hay ion chất tan thế chỗ dung môi

Yêu cầu

Cấu trúc chất tan gần giống dung mơi

Hình
ảnh
minh họa

Dung dịch rắn xen kẽ
Ngun tur hay ion chất tan xen kẽ các
nút mạng tinh thể
Bán kính chất tan nhỏ như H, C, B, N
𝑟𝐴 /𝑟𝐵 ≤ 0.59

Thay thế đồng hình – các phân tử đồng hình
 Bán kính tương đương nhau (sai lệch khơng q
15%)
 Cấu trúc gần giống nhau
 Hóa trị, số phối trí gần giống nhau
 Cấu hình e, độ phân cực
Cơ chế tạo - Phụ gia ion có hóa trị lớn hơn
thành
Vd 1: NaCl có CaCl2
∙
′
 Trống cation: 𝐶𝑎𝐶𝑙2 = 𝐶𝑎𝑁𝑎
+ 2𝐶𝑙𝐶𝑙 + 𝑉𝑁𝑎
⇒ 𝑁𝑎1−2𝑥 𝐶𝑎𝑥 𝑉𝑥 𝐶𝑙

(1 𝑁𝑎 𝑏ị 𝑡ℎế 𝑐ℎỗ, 1 𝑁𝑎 𝑡ạ𝑜 𝑙ỗ 𝑡𝑟ố𝑛𝑔)
∙
 Xen kẽ anion: 𝐶𝑎𝐶𝑙2 = 𝐶𝑎𝑁𝑎
+ 𝐶𝑙𝐶𝑙 + 𝐶𝑙𝑖′
⇒ 𝑁𝑎1−𝑥 𝐶𝑎𝑥 𝐶𝑙1+𝑥
Vd 2: CaF2 có YF3
∙
 Xen kẽ anion: 𝑌𝐹3 = 𝑌𝐶𝑎
+ 2𝑌𝑌 + 𝑌𝑖′
⇒ 𝐶𝑎1−𝑥 𝑌𝑥 𝐹2+𝑥
- Phụ gia ion có hóa trị nhỏ hơn
Vd 1: ZrO2 có CaO
′′
 Trống anion: 𝐶𝑎𝑂 = 𝐶𝑎𝑍𝑟
+ 𝑂𝑂 + 𝑉𝑂∙∙
⇒ 𝑍𝑟1−𝑥 𝐶𝑎𝑥 𝑂2−𝑥 𝑉𝑥
Vd 2: Li4SiO4 có lẫn Al3+
 Xen kẽ cation: 𝐿𝑖4+𝑥 𝑆𝑖1−𝑥 𝐴𝑙𝑥 𝑂4
4. Ảnh hưởng của khuyết tật
Độ dẫn điện

Đỗ dẫn của kim loại phụ thuộc và nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của e bị
cản trở bởi dao động nhiệt của e, điện trở tăng
→ Tạp chất và sai sót gây nhiễu xạ e làm tăng điện trở vật dẫn
- Độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng
→ tạp chất nhóm III (bán dẫn kiểu p) và V (bán dẫn kiểu n) làm tăng đáng kể số lỗ
trống và e tự do làm tăng độ dẫn của bán dẫn
- Sai sót cấu trúc ít ảnh hưởng tới tính chất của chất điện mơi
Tính chất quang - Sự hấp thụ: các tinh thể hoàn thiện trong suốt với ánh sáng
 Các dạng khuyết tật tạo nên các trung tâm màu

 Miền hấp thụ phụ thuộc kiểu sai sót
 Cường độ hấp thụ phụ thuộc nống độ sai sót
 Có thể nghiên cứu cấu trúc chất rắn bằng quang phổ
- Hiện tượng bức xạ: khi các e chuyển từ vùng kích thích về vùng hóa tri → phát quang
Hiện tượng phát huỳnh quang chủ yế trên các mạng có tạp chất. Ví dụ: KBr có lẫn
Tl3+, ZnS hay CdS lẫn Ag+
Tính chất nhiệt Nhiệt dung và độ dẫn nhiệt ít bị ảnh hưởng
-


Các tạp chất C, S, N, O làm giảm mạnh độ từ thẩm 𝜇 của chất sắt từ, làm giảm từ tính
vĩnh cửu
Tính chất cơ học - Độ bền cơ của tinh thể thực bị giảm rát nhiều so với tinh thể lý tưởng do sau sót cấu
trúc
- Tạp chất ngăn các chuyển động của các loại lệch mạng → làm tâng độ bền cơ của vật
liệu. Vd: tôi thép tạo cacbua sắt
Tính chất xúc Tại các vị trí khuyết tật trở thành tâm của các xúc tác, các vật liệu gốm bán dẫn xúc tác
tác
nhờ vào khả năng cho nhận e tại các lỗ trống
Tính chất từ


Chương 3: CẤU TRÚC VẬT LIỆU HỮU CƠ
- Vật liệu hữu cơ là tên gọi chung của vật liệu có thành phần hữu cơ
- Vật liệu sử dụng trong công nghiệp vầ dân dụng thường ở dạng tự nhiên hay tổng hợp
- Vật liệu hữu cơ có chứa các hợp chất cao phân tử (có khối lượng phân tử từ 10000 đến 106 g/mol và
các chất phụ gia…
1. Hợp chất cao phân tử
- Hợp chất cao phân tử có thể có nhiều dạng khác nhau ở dạng tự nhiên (ví dụ: cellulose có trong gỗ,
vải, ablumin…) và tổng hợp

- Tổng hợp hợp chất cao phân tử gồm hai cách
+ Trùng ngưng: hai loại monomer khác nhau tác dụng lại với nhau:
𝑀𝑥 + 𝑀𝑦 → 𝑀𝑥+𝑦 với x và y ≥ 1

-

-

+ Trùng hợp: monomer nối với nhau và monomer có chứa các liên kết 𝐶 = 𝐶, 𝐶 = 𝑂, 𝐶 ≡ 𝑁, 𝑁 =
𝑁 = 𝑂, 𝐶 ≡ 𝐶, …
Có 2 cách tính khối lượng phân tử Polymer

Mức độ trùng hợp: 𝐷𝑃 =

̅̅̅̅̅
𝑀𝑛
𝑚

̅̅̅̅
𝑀𝑛 =

∑𝑖 𝑁𝑖 𝑀𝑖
= ∑ 𝑥𝑖 𝑀𝑖
∑𝑖 𝑁𝑖

̅̅̅̅
𝑀𝑛 =

∑𝑖 𝑁𝑖 𝑀𝑖2
= ∑ 𝑤𝑖 𝑀𝑖

∑𝑖 𝑁𝑖 𝑀𝑖

với m là khối lượng của một mắc xích

2. Phụ gia
- Chất làm đầy – Fillers: tăng cường cơ tính (kéo và nén), chống mài mịn, tính bền dai, dẻo, bền nhiệt
và giảm giá thành. VD: mùn cưa, bột silica (cát), vụn thủy tinh, đất sét, bột talc, đá vôi, polymer khác
- Chất làm dẻo – Plasticizers: chất hóa dẻo làm giảm nhiệt độ thủy tinh hóa Tg, và nhiệt độ nóng chảy
Tm của polymer, làm giảm tính cứng nhưng tăng tính bền, dai, dẻo, mềm của vật liệu. Chất hóa dẻo
thường là ester của các hợp chất như DBP – dibutyl phtalat, DOP – dioctyl phtalat, DIOP – diizootyl
phtalat…Ứng dụng để làm màn mỏng, áo mưa, ống, màn cửa,…
- Chất tạo màu – Colorants: thuốc nhuồm (dye) (hữu cơ) hoặc bột màu (pifment) (oxit vô cơ)
- Chất ổn định – Stabilizers: giúp tăng tuổi thọ polymer khi làm việc dưới môi trường ánh sáng, nhiệt,
bức xạ
- Chất chống cháy – Flame retardants (thường là chất kém bền):
+ Có nhiệm vụ làm chậm, ngăn cản và dập tắt quá trình cháy
+ Tạo lớp bảo vệ trên bề mặt pha rắn để ngăn cản sự tiếp xúc của oxy với bề mặt polymer, tạo thành
một lớp cách nhiệt
+ Dập tắt gốc tự do hoạt động trên pha khí: phụ gia có chứa halogen và photpho có thể tác dụng với
các gốc tự do ày để tạo ra các chất ít hoạt động gớp phần ngăn cản sự cháy.
3. Cấu trúc
3.1. Cấu trúc hình học


-

-

Hình dạng của chuối polymer như hình
gấp khúc và xoắn, các nguyên tử carbon

có thể quay quanh trục liên kết C-C
Chuối polymer cũng có thể cuộn lại theo
hình dạng khác nhau

3.2. Cấu trúc tinh thể
- Polymer hiếm khi đạt 100% cấu trúc tinh
thể: rất khó cho tất cả các vùng của vật liệu
mà các chuối sắp xép thẳng hàng
- Độ tinh khiết của tinh thể được biểu diễn
như là % tinh thể
Polymer bán kết tinh
- Một vài tính chất vật lý phụ thuộc % tinh
thể
- Quá trình xử lý nhiệt phát triển vùn tính thể
và tăng % tinh thể
- Một vài bán tính thể được hình thành ở
dạng cầu
- Giữa những lớp tinh thể là vùng vơ định
hình
- Tốc độ hình thành tinh thể hình cầu tương
đối nhanh
4. Copolymer
- Sắp xếp ngẫu nhiên (random): cao su SBR,
NBR
- Sắp xếp xen kẽ (alternating): nhựa PET
- Sắp xếp theo nhóm (block): Pluronic P123,
triblock polymer
- Sắp xếp dạng nhánh ghép (graft): HIPS (highimpact polystyrene) tạo thành từ nhánh chính
styrene và nhánh ghép butadien

5. Liên kết trong vật liệu
5.1. Liên kết trong phân tử polymer
- Bao gồm các liên kết 𝐶 − 𝐻, 𝐶 − 𝐹, 𝐶 − 𝐶𝑙, 𝐶 − 𝐶, 𝐶 = 𝐶, 𝐶 ≡ 𝐶, 𝐶 = 𝑂, 𝑂 − 𝑂, …, gồm các liên kết
𝜎 và 𝜋
5.2. Liên kết các mạch polymer
-

Liên kết trong mạch polymer là liên kết công hóa trị, liên kết hydro và liên kết Van der Waals


-

Liên kết ngang làm tăng độ bền nhiệt, độ bền cơ, khó hịa tan, giảm tính dẻo của vật liệu
Trog monomer, nếu các nhóm liên kết (carbon chưa no) càng gần nhau thì khoảng cách giữa cá nhóm
lưỡng cực càng nhỏ, “nồng độ” mắc xích liên kết càng lớn thì lực liên kết giữa các phân tử càng mạnh

5.3. Liên kết trong vật liệu hữu cơ
Liên kết trong vật liệu hữu cơ là liên kết các mạch polymer khác nhau, liên kết polymer với vật liệu
Ngoài các liên kết giữa cấ polymer khác nhau khi tiếp xúc với nhau còn có thể có liên kết các chất tan
(polymer mạch thẳng hay các monomer) và dung môi
6. Sự biến dạng của polymer
- Khi có tác dụng, polymer bị biến dạng khơng thuận nghịch (mạch thẳng) hay thuận nghịch (mạch có
liên kết ngang → tạo tính đàn hồi. Vói biến dạng thuận nghịch có 3 trường hợp: đàn hồi cao, hiện
tượng hồi phục và hiện tượng trễ (hồi phục khơng hồn tồn)
-

7. Trạng thái của polymer theo nhiệt độ

7.1. Trạng thái nóng chảy

-

-

Hiện tượng nóng chảy được giải thích là do sự phá hủy của các liên kết yếu Van der Waals giữa các
mạch và cấu trúc polymer khơng cịn trật tự. Vậy mọi yếu tố lfm giảm liên kết yếu này đều làm giảm
nhiệt độ nóng chảy (Tm)
+ Mạch nhánh: giảm hiệu quả sắp xếp của mạch, độ mạch nhánh tăng, Tm giảm
+ Khối lượng phân tử tăng: Tm tăng do phần cuối mạch là phần tự do dao động, nếu chiều dài mạch tăng
lên, số cuối mạch giảm đi, năng lượng tăng
Tm của polymer nằm trong một khoảng nhất định chứ không phải tại một giá trị do bản chất của polymer
không đồng nhất

7.2. Trạng thái thủy tinh (của polymer vơ định hình và polymer bán kết tinh)
Là trạng thái mà chỉ có những nguyên tử, phân tử chuyên động quanh vị trí cân bằng của nó. Ở trạng
thái thủy tinh, vật liệu rất cứng và giòn
- Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg):
+ Độ mềm dẻo của mạc: độ mềm dẻo giảm, Tg tăng
+ Kích thước nhóm thế: kích thước nhóm thế càng lớn, độ linh động càng giảm, Tg tăng
+ Độ phân cực của nhóm thể: nhóm thế càng phân cực, Tg càng tăng
+ Khối lượng phân tử: khối lượng phân tử càng lớn Tg tăng, nhưng tăng đến giá trị nhất định, khi khối
lượng phân tử tăng Tg không đổi
7.3. Trạng thái kết tinh: làm mất tính chất đàn hồi cao, tăng độ cứng, tăng modul đàn hồi và làm giảm
khả năng biến dạng của polymer
7.4. Trạng thái mềm cao (chất dẻo): là trạng thái đặc biệt chí có ở polymer, có tính chất nằm giữa trạng
thái rắn và lỏng, ó khả năng thay đổi và phục hồi hình dạng lớn dưới tác dụng của một lực nhỏ (cao su)
→ Cần xác định nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ chuyển thủy tinh của chất dẻo để xác định nhiệt độ
làm việc thích hợp.
8. Sự thay đổi khối lượng riêng

-

9. Ảnh hưởng của khối lượng polymer


10. Nhựa nhiệt dẻo và nhữa nhiệt rắn
Nhựa nhiệt dẻo
Nhựa nhiệt rắn
Chảy mềm thành chất lỏng dưới tác dụng của nhiệt Gia nhiệt sẽ rắn cứng, khơng thay đổi hình dạng
độ cao và đóng rắn lại khi làm nguội
do cấu trúc polymer cố định, nếu tiếp tục gia
nhiệt nó sẽ bị phá hủy hơn là nóng chảy
Nhiều chuỗi phân tử liên kết với nhau bằng các iên
kết Van der Waals yếu, liên kết Hydro, tương tác
giữa các nhớm phân cực và cả sự xếp chồng của các
vịng thơm
Khơng có liên kết ngang
Mức độ liên kết ngang cao nêm có độ cứng hóa
học và bền nhiệt (>200oC)
Dễ hóa lỏng nên có khả năng tái chế
Bền vứng, khó tái chế, nên chỉ xử lý được bằng
nhiệt phân hoặc cắt nhỏ
PE, PP, PS, ABS, SB, PVC, PVAs, PET, Nylon,… Nhựa phenol-formaldehyde, nhựa epoxy, cao su
lưu hóa,…

11. Một số loại nhựa

Low-density
polyethylene
(LDPE)

Độ
Đặc điểm
trùng
hợp
1000 – Phân nhánh, không đặc,
2000
mềm, dát mỏng

Màn bọc thực
phẩm, găng tay
mỏng


High-density
polyethylene
(HDPE)

10000 – Khơng phân nhánh, kín,
100000 cứng hơn (tương đối
đục)

Các chai dầu
gơi, sữa tắm, …

Ultra-highmolecularweight
polyethylene
(UHMWPE)
Polyvinyl
chloride

(PVC)

2 –
triệu

6 Khơng phân nhánh, rất
cứng

Nón bảo hiểm,
thay thể khớp
xương, bánh
răng

4000
5000

Ống nhựa, đĩa
nhạc

Polyester
(PETE)

4000
8000

– Khá phân cực, liên kết
ngang mạnh, cứng,
giịn, ít dùng trong thực
phẩm vì có Cl có thể
phân hủy ra ở nhiệt độ

cao
– Tương đối cứng

Nylon
polyamit
Kevlar

Nhựa ABS




Polyethylene
terephthalate

–

Dai

Acrylonitrile
1,3-butadiene
Styrene

Liên kết cộng hóa trị
mạnh và liên kết hydro
Lực Van der Waals rất
lớn, vòng benzene tăng
lwucj hút, cứng
Nhẹ, cứng, dễ uốn, chịu
va đập tốt

Trắng đục đục

Chai nước

Làm dây câu
cá, quần áo
Vật liệu bảo vệ
như áo chống
đạn
Làm
ống,
dụng cụ âm
nhạc, đầu gậy
đánh golf, các
bộ phận tự
động, vỏ bánh
râng, lớp bảo
vệ đầu hộp số,
đồ chơi, trong
mạ điện,…

So sánh cotton và nylon
Cotton: mát, có OH hút nước, dễ nhuộm (chất nhuộm phân cực), sợi tự nhiên → vi khuẩn tác động
Nylon: kiên kết ngang tốt → dai, bền, quần áo ít bị nhăn, khó nhuộm, có thể phối hợp với cotton
Mạ trên ABS: trùng hợp −𝐶𝐻2 − 𝐶𝐻 = 𝐶𝐻 − 𝐶𝐻2 −, dùng 𝐾2 𝐶𝑟2 𝑂7 (trong 𝐻2 𝑆𝑂4) cắt nối đôi, trên
bề mặt nhựa xuất hiện rất nhiều lỗ rất nhỏ, xảy ra hiện tượng xâm thực, dùng Pd xúc tác để mạ kim
loại lên.
Nhựa để mạ không nhất thiết là ABS nhưng ABS là tốt nhất
12. Ký hiệu nhựa có thể tái chế

13. Cotton
Là chuỗi dài cellulose với liên kết hydro


Chương 4: TÍNH CHẤT CƠ CỦA VẬT LIỆU
1. Các loại biến dạng
- Biến dạng kéo
- Biến dạng nén
- Biến dạng trượt (cắt)
- Biến dạng xoắn
2. Ứng suất (stress): 𝜎 (𝑃𝑎, 𝑁/𝑚2 )
𝐹
𝐴0
Trong đó 𝐴0 là diện tích băn đầu trước khi tác dụng lực
3. Độ biến dạng (strain)
𝜎=

𝜖=

𝑙𝑖 −𝑙0
𝑙0

=

∆𝑙
𝑙0

hoặc 𝜀 = 𝛿/𝐿0

4. Modul đàn hồi E (Pa) (modul Young): trong một giới hạn nhỏ, độ biến dạng 𝜀 tỉ lệ thuận với ứng suất tác
động 𝜎
𝐹
∆𝐿
=𝐸
→ 𝜎 = 𝐸𝜖
𝐴0
𝐿0
5. Đồ thị ứng suất – biến dạng
Khi tăng ứng suất (kéo) lên một số vật liệu tjif độ biến dạng
thay đổi qua các giai đoạn:
1. Biến dạng đàn hồi
2. Biến dạng dẻo
3. Xuất hiện chỗ thắt
4. Đứt gãy
Note:
 Chịu được kéo thì chịu được nén
 Chịu kéo nguy hiểm hơn chịu nén


M

𝑇𝑆
𝜎𝑦

-

1. Giới hạn đàn hồi thực (hồn tồn tuyến tính
100%)
2. Giới hạn đàn hồi tuyến tính (khơng tuyết tính

100%)
3. Giới hạn đàn hồi (Khơng tuyến tính nữa)
4. Độ bền chảy dẻo tịnh tiến

-

%𝐸𝐿 =

-

Biến dạng đàn hồi: là biến dạng bị mất đi sau khi bỏ tải
trọng. Modul biến dạng đàn hồi 𝐸 = 𝜎/𝜀
Biến dạng dẻo: là biến dạng của một vật liệu chịu sự thay
đổi hình dạng khơng thể đảo ngược dưới tác dụng của một
lực bên ngoài. Liên kết bị kéo căng ra khi tác dụng lực,
khi ngừng tác dụng lực, nó chỉ có thể co lại một phần,
khơng thể quay lại như hình dạng bàn đầu
Giữa biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo có một điểm giới
hạn dẻo (điểm 4 trên hình)
Độ bền dẻo 𝝈𝒚 (yield strength) được xác định tại độ biến
dạng 𝜀𝑝 = 0.002. Độ bền dẻo của phần lớn vật liệu gốm
> kim loại > polymer
Độ bền kéo (tensile strength) TS là ứng suất 𝜎 lớn nhất
mà vật có thể chịu được (điểm M)
Sau độ bền kéo:
 Kim loại xuất hiện chỗ thắt
 Gồm sứ các vệt nứt lan rộng
 Polymer mạch chính bị duỗi thẳng
Trong tính thốn thiết kế, thường chọn độ bền dẻo thay
vì độ bền kéo

Độ bền chảy (ductility): là ứng suất kéo tại đó bắt đầu
gây hư hỏng (đứt gãy) vật liệu. Vật liệu giòn khi
%EL<5% và mềm khi %EL>5%

𝐿𝑓 − 𝐿0
× 100%
𝐿0

Độ bền (kết hợp cả ứng suất và độ biến dạng): năng lương cần thiết để phá vỡ một đơn vị thể tích của
vật liệu, đặc trưng bởi phần diện tích bên dưới đường cong ứng suất và độ biến dạng
Độ cứng: mức độ chống lại sự biến dạng dẻo trên bề mặt vật liệu (một vết lõm hay trầy xướt nhỏ)


Chương 5: TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU
 Ưu điểm của tụ điện so với pin
- Sạc nhanh
- Phóng điện nhanh
- Công suất lớn
- Làm bộ phần đề xe máy thay vì đạp
- Nhược điểm: dung lượng ít ⇒ chế tạo siêu tụ điện
1. Cấu trúc vùng năng lượng
Xét lớp ngồi cùng:
 Vùng hóa trị: điền
đầy điện tử hóa trị
 Vũng dẫn: trống
hoặc chưa điền
đầy
 Vùng cấm: vùng
không cho phép
giữa vùng hóa trị

và vùng dẫn




1.

2.
3.

Chương 6: TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU
Lị vi sóng: điện từ, tác dụng lên các phân tử có momen lưỡng cực (Ví dụ: hâm đồ ăn bằng lo vi sóng, hỗn
hợp đồ ăn bị móng do có momen lưỡng cực, cịn tơ nhựa thì khơng vì khơng có momen lượng cực, nó bi
nóng là do sự truyền nhiệt của đồ ăn bên trong)
Khái niệm
- Các nguyên tử, phân tử hay ion ở các nút mạng luôn dao động quanh vị trí cân bằng. Khi các phân tử
này nhận năng lượng sẽ dao động mạnh hơn và truyền năng lượng dao động cho các phân tử xung
quanh. Sự dao động này tạo thành sóng âm với lượng tử của sóng là phonon
- Electron tự do trong kim loại và bán dẫn có thể khuếch tán mang theo năng lượng
Nhiệt dung
- Là năng lượng cần thiết dQ mà vật hấp thụ từ môi trường để tăng lên một khoảng dT
Độ dẫn nhiệt
Vật liệu
Ví dụ
K (W/m.K)
Cơ chế dẫn nhiệt
Kim loại
Nhơm
247
Chủ yếu là sự di chuyển

Théo
52
của các electron tự do
Vonfram
178
Vàng
315
Gốm sứ
Magnesia (MgO)
38
Dao động nguyên tử, ion
Alumina (Al2O3)
39
Thủy tinh Na
1.7
Silica (cryst. SiO2)
1.4
Polymer
Polypropylene
0.12
Dao động và quay của
Polyethylene
0.46 – 0.50
các chuỗi Polymer
Polystyrene
0.13
Teflon
0.25
Mật độ e tỉ lệ thuận với độ dẫn điện. Mức độ dẫn điện và dẫn nhiệt gần như tương đương nhau

4. Giãn nở nhiệt
Tại sao có sự giãn nở nhiệt?
𝑙𝑓 − 𝑙0
∆𝑙
∆𝑉
= 𝛼𝑙 (𝑇𝑓 − 𝑇0 ) →
= 𝛼𝑙 ∆𝑇 →
= 𝛼𝑣 ∆𝑇
𝑙0
𝑙0
𝑉0
lf : chiều dài ở nhiệt độ Tf
l0 : chiều dài ở nhiệt T0
αl : hệ số nở dài
∆V: biến đổi thể tích mẫu khi nhiệt độ thay đổi ∆T
αv : hệ số giãn nở thể tích, tính gần đúng αv ≈ αl
5. Ứng suất của vật liệu
- Ứng suất bên trong: khi thay đổi nhiệt độ, vật liệu co giãn sinh ra ứng suất nội, thay đổi nhiệt độ từ
lạnh đến nóng (T0 đến Tf): 𝜎 = 𝐸𝛼𝑙 (𝑇0 − 𝑇𝑓 ) = 𝐸𝛼𝑙 ∆𝑇 với E là modul đàn hồi
- Ứng suất bề mặt: khi vật liệu tiếp xúc vơi smooi trường nóng lạnh khác nhau, đặc biệt khi vật liệu dẫn
nhiệt kém.
6. Hiện tượng shock nhiệt
- Khi vật liệu tiếp xúc với mơi trường nóng lạnh đột ngột, nếu vật liệu dẫn nhiệt kém, sẽ tạo ứng suất
bề mặt lớn, gây nứt nẻ hay vỡ vụn
- Khả năng chịu được sự nứt nẻ hay vỡ vụn gọi là độ bền shock nhiệt TSR (Thermal Shock resistance)
- Các vật liệu dẻo, biến dạng dẻo khi thay đổi nhiệt độ đột ngột ít xảy ra hiện tượng nứt nẻ là do những
ngun nhân:
+ Sự dẫn nhiệt nhanh chóng nghĩa là khơng sinh ra các miền ứng suất khác nhau. Sự biến đổi cấu trúc
theo nhiệt độ cũng xảy ra nhanh chóng, tàn nhiệt cũng rất nhanh chóng

+ Các vật liệu biến đổi trạng thái thuận nghịch xảy ra nhanh chóng khi thay đổi nhiệt độ: 𝑟ắ𝑛 ↔
ℎó𝑎 𝑚ề𝑚 ↔ 𝑚ề𝑚 ↔ 𝑐ℎả𝑦 𝑙ỏ𝑛𝑔
7. Tính chất nhiệt điện
- Khi hai kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau, sẽ tạo thành lớp điện tích kép gọi là thế tiếp xúc
- Với 1 kim loại, một đầu tiếp xúc với nóng và một đầu tiếp xúc vưới lạnh thì các điện tử sẽ chuyển từ
đầu nóng sang đầu lạnh. Nhưng do nồng độ điện tử đầu nóng và lạnh khác nhau nhên cũng xuất hiện
một hiệu điện thế giữa hai đầu.
- Với bán dẫn loại p và n cũng hình thành dịng khch tán e khi 2 đàu tiếp xúc với hai môi trường khác
nhau
8. Hiều ứng Peltier


Chương 7: TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
1.

Nguồn sáng
- Mặt trời
- Đấm cháy
- Đèn trịn
- Đèn Natri
- Phản ứng hóa học
- Ánh sáng từ sinh vật
2. Sóng điện từ
- Ánh sáng ó bản chất sóng điện từ
 Siêu âm khác vi sóng: vi sóng là sóng điện từ, nên vi sóng tác dụng lên các phân tử phân cực,
cịn siêu âm là dao động cơ nên khơng có sự chọn lọc
3. Các thông số quang học
- Năng lượng photon E
- Bước sóng 𝜆

- Tần số v
-

Các cơng thức: 𝑐 = 𝑣𝜆 và 𝐸 = ℎ𝑣 =

ℎ𝑐
𝜆

Trong đó ℎ = 6,6262.10−34 𝐽𝑠: Hằng số Planck và 𝑐 = 3.108 𝑚/𝑠: tốc độ ánh sáng trong chân không
4. Ánh sáng và chất rắn
- Khi chiếu 1 tia ánh sáng vào chất rắn, có thể xảy ra những hiện tượng sau:
 Phản xạ
 Truyền qua
 Hấp thụ
 Khúc xạ
Mỗi vật liệu sẽ có khả năng khác nhau đối
với các hiện tượng trên

-

Cường độ của tia sáng tới (Io) bị tách thành cá tia phản xạ (IR), truyền qua (IT) và hấp thụ (IA)

5. Điện tử và nguyên tử


Hiện tượng quang học xảy ra trong lòng chất rắn bao gồm các tương tác giữa bức xạ điện từ với các
điện tử, ion, nguyển tử
- Hai trong các tương tác quan trong nhất: sự phân cực điện tử và sự chuyển mức năng lượng
a. Sự phân cực điện tử
- Bản chất ánh sáng là sóng điện từ nên có tương tác với đám mây electron bao quanh nguyên tử, tạo

nên sự phân cực điện tử
- Hệ quả:
 Đám mây e của nguyên tử bị biến dạng, lệch so với hạt nhân
 Một phần năng lượng ánh sáng bị hấp thụ
 Vận tốc ánh sáng bị chậm lại
b. Sự chuyển mức năng lượng
6. Khúc xạ
- Ánh sáng bị giảm tốc (giảm bước sóng, tần số khơng đổi) và đổi hướng khi truyền qua vật liệu.
7. Phản xạ
- Kim loại phản xạ hầu như tồn bộ ánh sáng (có ánh kim): bề mặt kim loại có e, e hấp thu năng lượng
ánh sáng chiếu tới, vởi về trạng thái bền của nó bằng cách phát xạ.
8. Hấp thụ trong kim loại
- Kim loại có một dãy trạng thái năng lượng kế tiếp nhau, nên có thể hấp thu nhiều bước sóng khác nhau
- Electron ngoài bề mặt kim loại hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và bức xạ lại sóng ánh sáng cùng tần số
9. Hấp thu với vật liệu phi kim loại
10. Hấp thụ chọn lọc và màu sắc
11. Truyền qua
12. Màu sắc chất rắn trong suốt
- Màu sắc của vật liệu trong suốt là kết quả của quá trình hấp thụ chọn lọc ánh sáng, là sự kết hợp nhưng
bước sóng được truyền qua
- Nếu sự hấp thụ là đồng đều cho tất cả cá bước sóng, vật liệu là không màu
- Các vật liệu không màu trong suốt muốn có màu thì thêm phụ gia làm thay đổi Eg, vật liệu thay đổi
màu
13. Sự mờ đục trong chất cách điện
- Mức độ truyền qua và mức độ đục của vật liệu điện môi trong suốt phụ thuộc vào đặc trưng phản xạ
và truyền qua nội tại của vật liệu
 Tia sáng truyền qua bị làm lệch hướng tại cá vị trí biên của cá đâ tinh thể và làn truyền nhiều lần
trong vật liệu
 Độ đục của vật liệu là khi tia sáng tới bị va chạm tán xạ trên bề mặt vật liệu, tia sáng không truyền
qua được, bị lệch hướng

14. Sự phát quang
- Là sự phát ra ánh sáng từ vật liệu
 Vật liệu có thể hấp thụ ánh sáng với một tần số nhất định và phát ra một tân số khác thấp hơn
(ngoài ra cịn phát nhiệt)
 Ngồi ánh sáng, có thể sử dụng các dạng năng lượng kahcs như nhiệt năng, cơ năng, hóa năng,
điện tử năng lượng cao,…
 Phân loại: huỳnh quang và lân quang
Huỳnh quang
Lân quang
Thời gian trễ giữa hấp thụ và
< 1𝑠
> 1𝑠
phát xạ
- Ứng dụng:
-








Đèn huỳnh quang: hiện tượng hồ quang điện ở điện cực âm giúp giải phóng ra e, e di chuyển về
cực dương, ion hóa khí trơ (tạo mơi trường plasma) và kích thích Hg phát tia cực tím, tia này kích
thích phospho (P) phát ra ahuyfnh quang ánh sáng trắng
Đèn cathod:
 Sử dụng trong màn hình TV
CRT
 Sử dụng tia cathod để phát

dịng e
 Electron kích thích P
 P phát ra ánh sáng nhìn
thấy với màu sác tùy thuộc
vào phụ gia
 Bên trong đèn có chất dễ
cháy, phải hoạt động ở nhiệt
độ cai nên gười ta cho thêm
khí trơ

Diode phát quang:
 LED (light Emitting Diode) được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p và ghép với một khối bán
dẫn loại n
 Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu thút và khi chúng tiến lại
gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp lại với nau tạo thành nguyên tử trung hóa
 Q trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có
bước sóng gần đó)
 Một số trường hợp khác phát nhiệt và không phát quang (Si, Ge)
 OLED: đèn LED từ polymer dẫn điện hữu cơ
 Ưu điểm: nhẹ, trong suốt, phát sáng 2 chiều, uốn cong được, ứng dụng làm màn hình TV,
điện thoại
15. Hiệu ứng quang điện
- Là hiện tượng điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện tử
- Ứng dụng:
 Pin quang hóa (pin mặt trời); dự trữ năng lượng khi có ánh sáng
 Tổng hợp hóa học: năng lượng ánh sáng biến đổi thành năng lượng điện cung caaos năng lượng
cho phản ứng hóa học
16. Phát xạ cưỡng bức
17. Trạng thái siêu bền
18. Duy trì tạng thái kích thích

19. Sự khuêch đại photon
20. Laser
21. Quang dẫn và sợi quang học
- Sợi quang học là một loại cáp viễn thông làm bằng thủy tinh hoặc nhựa, sử dụng ánh sáng để truyền
tín hiệu
- Cấu tạo:




Core: sợi quang nơi có ánh sáng đi (có
chiết suất cao để ánh sáng bị phản xạ
trong sợi, không bị khúc xạ
 Cladding: bao bọc lõi và phản xạ ánh
sáng trở lại vào trong lõi (có chiết suất
thấp hơn)
 Buffer coating: lớp phủ dẻo bên ngồi
bảo vệ sợi khơng bị hỏng và ẩm ướt
 Jacket: hàng trăm hay hàng ngàn sợi
quang được đặt trong bó gọi là cáp
quang, những bó này được bảo vệ bởi
lớp phủ bên ngoài gọi là jacket
- Đặc điểm: truyền ánh sáng nên nhanh, độ suy yếu thấp, mỏng, dung lượng truyền tải cao, khoong bị
nhiễu, ảnh hưởng của thời tiết, không sợ hỏa hoạn,…
- Ứng dụng: cáp quang
 Cáp quang:
 Trước kia người ta truyền tín hiệu bằng e, nhưng người ta dùng cáp quang để thay thế. Cáp
quang là truyền tín hiệu bằng ánh sáng, do tốc độ của ánh sáng rất nhanh, do đó mà tín hiệu
sẽ được truyền đi rất nhanh
 Nhẹ

 Khơng tốn chi phí năng lượng cao (vì ánh sáng rẻ)
 An tồn, khơng cháy nổ
 Nhược điểm: đắt tiền, hư là tự sửa khơng được, phải có thiết bị chun dụng, giịn, dễ gãy,
khó uốn hơn kim loại
22. Xúc tác quang hóa