vật liêu vô cơ

Bài giảng CĐ vật liêu vô cơ
Bài giảng CĐ vật liêu vô cơ
1.
1.
Gốm
Gốm
2.
2.
Thuỷ tinh
Thuỷ tinh
3.
3.
Ximăng- Beton.
Ximăng- Beton.
Giới thiệu
Giới thiệu

Mục đích:
Mục đích:

Vai trò của vật liệu đối với sự phát triển KHKT
Vai trò của vật liệu đối với sự phát triển KHKT

Lịch sử phát triển
Lịch sử phát triển

Ứng dụng
Ứng dụng
Phân loại
Phân loại


A. Theo quan điểm hoá học
A. Theo quan điểm hoá học

1. Vật liệu kim loại và hợp kim
1. Vật liệu kim loại và hợp kim

2. Vật liệu gốm
2. Vật liệu gốm

3. Vật liệu thuỷ tinh
3. Vật liệu thuỷ tinh

4. Vật liệu kết dính
4. Vật liệu kết dính

5. Vật liệu tổ hợp ( compozit)
5. Vật liệu tổ hợp ( compozit)
Phân loại
Phân loại

B. Theo đặc tính kỹ thuật
B. Theo đặc tính kỹ thuật

1. Vật liệu kim loại
1. Vật liệu kim loại

2. Vật liệu gốm
2. Vật liệu gốm

3. Polyme

3. Polyme

4. Compozit
4. Compozit

5. Vật liệu bán dẫn
5. Vật liệu bán dẫn
Chương1. Vật liệu gốm
Chương1. Vật liệu gốm

Mỡ đầu
Mỡ đầu

Định nghĩa
Định nghĩa

Đặc tính chung:- giòn, dể vỡ,dể rạn
Đặc tính chung:- giòn, dể vỡ,dể rạn


- Độ rắn cao, bền nhiêt,môi trường kiềm, axit, OXH-Khử…
- Độ rắn cao, bền nhiêt,môi trường kiềm, axit, OXH-Khử…


* Phân loại: - Gốm truyền thống: dân dụng, xây dựng….
* Phân loại: - Gốm truyền thống: dân dụng, xây dựng….


- Gốm kỹ thuật ( gốm tiền tiến): Điên, bán dẫn, quang học…
- Gốm kỹ thuật ( gốm tiền tiến): Điên, bán dẫn, quang học…

- Gốm sinh học
- Gốm sinh học


Gốm truyền thống
Gốm truyền thống

1. Nguyên liệu: Khoáng vật, sét, hoá phẩm- silicat, aluminosilicat
1. Nguyên liệu: Khoáng vật, sét, hoá phẩm- silicat, aluminosilicat

2. Phương pháp sản xuất
2. Phương pháp sản xuất
a.
a.
Chuẩn bị nguyên liệu : thành phần, nghiền, trộn (sự phân bố,cấp hạt,…),
Chuẩn bị nguyên liệu : thành phần, nghiền, trộn (sự phân bố,cấp hạt,…),
b.
b.
Tạo hình ( bàn xoay, ép khô, bán khô, lento, đỗ rót), sấy khô ( lò sấy, phơi khô,)
Tạo hình ( bàn xoay, ép khô, bán khô, lento, đỗ rót), sấy khô ( lò sấy, phơi khô,)
c.
c.
sữa chữa dáng hình mộc, phủ men, màu,
sữa chữa dáng hình mộc, phủ men, màu,
d.
d.
Nung thiêu kết( lò nung tuynen, lò thường…),
Nung thiêu kết( lò nung tuynen, lò thường…),

e.
e.
sản phẩm
sản phẩm
Gốm kỹ thuật (tiền tiến)
Gốm kỹ thuật (tiền tiến)

1. Đáp ứng các ngành CN và KHKT
1. Đáp ứng các ngành CN và KHKT

a. Cấu trúc đặc biệt
a. Cấu trúc đặc biệt

b. Tính chất lý, hoá, đặc biệt phù hợp với lĩnh vực sử dụng
b. Tính chất lý, hoá, đặc biệt phù hợp với lĩnh vực sử dụng

c. Phương pháp điều chế:đúc rót, pha rắn, sol-gel, phun thuỷ lực pha hơi, kết tinh từ pha thuỷ tinh, thuỷ nhiêt,
c. Phương pháp điều chế:đúc rót, pha rắn, sol-gel, phun thuỷ lực pha hơi, kết tinh từ pha thuỷ tinh, thuỷ nhiêt,
đồng kết tủa,vận chuyển pha khí, khử điện hoá, Hoá học mềm, nội phân tử…
đồng kết tủa,vận chuyển pha khí, khử điện hoá, Hoá học mềm, nội phân tử…
So sánh giữa gốm truyền thống và gốm tiền tiến:
So sánh giữa gốm truyền thống và gốm tiền tiến:
1. Cấu trúc: Đa tinh thể và đơn tinh thể
1. Cấu trúc: Đa tinh thể và đơn tinh thể
2. Phương pháp điều chế:
2. Phương pháp điều chế:


- Nguyên liệu: tùy thuộc thành phần
- Nguyên liệu: tùy thuộc thành phần

- Phương phấp truyền thống, Các phương pháp rắn – lỏng – khí
- Phương phấp truyền thống, Các phương pháp rắn – lỏng – khí
3. Môi trường nung: oxihoa hay khử.
3. Môi trường nung: oxihoa hay khử.
4. Sản lượng sản phẩm: nhiều, ít
4. Sản lượng sản phẩm: nhiều, ít
Sự khác nhau của các loại gốm
Sự khác nhau của các loại gốm

Môi trường nung(oxh- khử, khí trơ )
Môi trường nung(oxh- khử, khí trơ )

Sản lượng sản phẩm
Sản lượng sản phẩm

Giá trị sử dụng:
Giá trị sử dụng:


a. Dân dụng
a. Dân dụng


b. Xây dựng
b. Xây dựng


c. Mỹ nghệ

c. Mỹ nghệ


d. Kỹ thuật điện , điện tử, công nghệ cao
d. Kỹ thuật điện , điện tử, công nghệ cao
2. Cấu tạo và đặc trưng của gốm
2. Cấu tạo và đặc trưng của gốm

2.1. Cấu tạo:
2.1. Cấu tạo:

Trạng thái rắn, thiêu kết.
Trạng thái rắn, thiêu kết.

Cấu trúc tinh thể:
Cấu trúc tinh thể:
a. Loại đơn pha
a. Loại đơn pha
b. Loại đa pha
b. Loại đa pha
c. Mạng tinh thể gồm phân mạng anion gói gém chắc đặc ( lập phương, tứ phương, lục phương, đơn
c. Mạng tinh thể gồm phân mạng anion gói gém chắc đặc ( lập phương, tứ phương, lục phương, đơn
tà, tam tà, mặt thoi, hình thoi)
tà, tam tà, mặt thoi, hình thoi)


Các cation phân bố vào các hốc trống tứ diện và b
Các cation phân bố vào các hốc trống tứ diện và b
á
á

t diện
t diện
3.Tính chất
3.Tính chất

1- Hoá học:
1- Hoá học:

- Bền trong môi trường axit, kiềm, Oxi hoá-khử
- Bền trong môi trường axit, kiềm, Oxi hoá-khử

2. Cơ, lý
2. Cơ, lý

Bền cơ học, nén, ép, uốn
Bền cơ học, nén, ép, uốn

Điện môi, dẫn điện, bán dẫn,siêu dẫn,quang dẫn, từ tính…
Điện môi, dẫn điện, bán dẫn,siêu dẫn,quang dẫn, từ tính…

Thương tích với cơ thể
Thương tích với cơ thể
4. Các phương pháp tổng hợp
4. Các phương pháp tổng hợp

1. Điều kiện:
1. Điều kiện:

- Dựa vào đặc tính sản phẩm
- Dựa vào đặc tính sản phẩm


- Dựa vào điều kiện kỹ thuật
- Dựa vào điều kiện kỹ thuật
a.
a.
Vật liệu gốm dạng bột ( nano, micro, milimet
Vật liệu gốm dạng bột ( nano, micro, milimet
-
Thiêu kết bột gốm thành linh kiện( khuôn)
Thiêu kết bột gốm thành linh kiện( khuôn)
-
Gốm màng mỏng ( film)
Gốm màng mỏng ( film)
-
Gốm sợi,
Gốm sợi,
b. P.Pháp: nhiệt độ cao, áp suất cao, pha hơi
b. P.Pháp: nhiệt độ cao, áp suất cao, pha hơi
c. Phương pháp: khô, ướt, khí
c. Phương pháp: khô, ướt, khí

PP truyền thống
PP truyền thống

PP sol-gel
PP sol-gel

PP precursor: đồng tạo phức, dồng kết tủa
PP precursor: đồng tạo phức, dồng kết tủa


PP kết tinh
PP kết tinh

Phản ứng xâm nhập
Phản ứng xâm nhập

PP điện hóa
PP điện hóa

PP thủy nhiệt
PP thủy nhiệt

PP sử dụng pha hơi
PP sử dụng pha hơi

PP nuôi đơn tinh thể
PP nuôi đơn tinh thể

PP tạo khuôn
PP tạo khuôn

PP tẩm
PP tẩm

Nguyên tắc chung của các phương pháp tổng hợp:
Nguyên tắc chung của các phương pháp tổng hợp:

Chuẩn bị phối liệu
Chuẩn bị phối liệu


Thực hiện phản ứng
Thực hiện phản ứng

Tạo hình
Tạo hình

Nung ( Thực hiện phản ứng giữa các pha rắn)
Nung ( Thực hiện phản ứng giữa các pha rắn)

Xác định thành phần pha và cấu trúc tinh thể
Xác định thành phần pha và cấu trúc tinh thể

Xác định các tính chất hóa lý
Xác định các tính chất hóa lý
Các phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu
1. Phân tích hóa học:
1. Phân tích hóa học:
Xác định thành phần các nguyên tố: định tính, định lượng
Xác định thành phần các nguyên tố: định tính, định lượng
2. Phân tích cấu trúc, thành phần pha:
2. Phân tích cấu trúc, thành phần pha:
-
P.P phân tích nhiễu xạ tia X ( XRD)
P.P phân tích nhiễu xạ tia X ( XRD)
-
P.P. nhiễu xạ tia X huỳnh quang (EDX)
P.P. nhiễu xạ tia X huỳnh quang (EDX)
-
Phổ tán xạ năng lượng tia X ( EDS)

Phổ tán xạ năng lượng tia X ( EDS)
-
Phân tich nhiệt (TA)
Phân tich nhiệt (TA)
-
Phổ hồng ngoại IR
Phổ hồng ngoại IR
-
PP kính hiển vi điện tử SEM, TEM
PP kính hiển vi điện tử SEM, TEM
-
PP BET
PP BET
-
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân…
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân…
3. Các phương pháp xác đinh tinh chất hóa lí
3. Các phương pháp xác đinh tinh chất hóa lí
- Đọ bền cơ, nén , khối lượng riêng, co ngót, tinh chất điện, quang……
- Đọ bền cơ, nén , khối lượng riêng, co ngót, tinh chất điện, quang……
Phương pháp điều chế
Phương pháp điều chế
1.
1.
Phương pháp truyền thống
Phương pháp truyền thống
-a. Phản ứng xẩy ra ở các pha rắn:
-a. Phản ứng xẩy ra ở các pha rắn:
•
Cơ chế:

Cơ chế:
•
Chất tham gia phản ứng nằm định vị ở vị trí nút mạng của chất đầu
Chất tham gia phản ứng nằm định vị ở vị trí nút mạng của chất đầu
•
Phản ứng xẩy ra ở bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha rắn.
Phản ứng xẩy ra ở bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha rắn.
•
Ví dụ: MgO + Al
Ví dụ: MgO + Al
2
2
O
O
3
3
= MgAl
= MgAl
2
2
O
O
4
4
( 1 )
( 1 )


lập p Lục P Lập phương
lập p Lục P Lập phương

Cation Al trong Oxit và spinen có SPT= 6( hốc bát diện)
Cation Al trong Oxit và spinen có SPT= 6( hốc bát diện)
Cation Mg trong oxit có SPT = 6, trong spinen = 4
Cation Mg trong oxit có SPT = 6, trong spinen = 4
Phân mạng anion oxy trong oxit nhôm chuyển sang spinen
Phân mạng anion oxy trong oxit nhôm chuyển sang spinen
Cơ chế
Cơ chế

Phản ứng (1) có Entalpy, năng lượng tự do âm
Phản ứng (1) có Entalpy, năng lượng tự do âm
phản ứng tự xẩy ra,nhưng tốc độ rất chậm.
phản ứng tự xẩy ra,nhưng tốc độ rất chậm.

1200
1200
o
o
C mới tạo lớp SP mỏng ở biên giới( giai
C mới tạo lớp SP mỏng ở biên giới( giai
đoạn tạo mầm).
đoạn tạo mầm).

a. Quá trình tạo mầm
a. Quá trình tạo mầm

SP (mỏng) ở bề mặt 2 pha rắn
SP (mỏng) ở bề mặt 2 pha rắn


Phá đứt LK củ tạo LK mới
Phá đứt LK củ tạo LK mới
MgO
MgO
Al
Al
2
2
O
O
3
3
MgO
MgO
Al
Al
Mg
Mg
Al
Al
2
2
O
O
3
3
Kiểu phản ứng
Kiểu phản ứng


a.Epitaxit: -Cấu trúc tinh thể của SP và chất đầu giống nhau
a.Epitaxit: -Cấu trúc tinh thể của SP và chất đầu giống nhau

-Cấu trúc bề mặt tiếp xúc của sản phẩm và chất phản ứng giống nhau
-Cấu trúc bề mặt tiếp xúc của sản phẩm và chất phản ứng giống nhau

( đi xa vào bên trong của tinh thể thì tính đồng nhất không còn nữa)
( đi xa vào bên trong của tinh thể thì tính đồng nhất không còn nữa)

b.Topotaxit (Đi xa vào bên trong thì tính đồng nhất vẫn còn) dẫn đến dể tạo mầm.
b.Topotaxit (Đi xa vào bên trong thì tính đồng nhất vẫn còn) dẫn đến dể tạo mầm.
Kiễu phản ứng
Kiễu phản ứng

Định hướng tạo mầm SP ( 3 điều kiện)
Định hướng tạo mầm SP ( 3 điều kiện)

- Kích thước tế bào ( a,b,c khác nhau < 15%)
- Kích thước tế bào ( a,b,c khác nhau < 15%)

- Khoảng cách giữa các nguyên tử
- Khoảng cách giữa các nguyên tử

- cấu trúc bề mặt và sự phân bố nguyên tử trên các mặt ( 001, 101, 111,.)
- cấu trúc bề mặt và sự phân bố nguyên tử trên các mặt ( 001, 101, 111,.)
b. Quá trình phát triển mầm
b. Quá trình phát triển mầm

1. Quá trình khuếch tán ngược chiều của cation

1. Quá trình khuếch tán ngược chiều của cation

Cation Mg khuếch tán từ bề mặt tiếp xúc đến lớp sản phẩm MgAl
Cation Mg khuếch tán từ bề mặt tiếp xúc đến lớp sản phẩm MgAl
2
2
O
O
4
4

Cation Al khuếch tán chiều ngược lại
Cation Al khuếch tán chiều ngược lại

Đảm bảo tính trung hoà điện:
Đảm bảo tính trung hoà điện:

Trên mặt biên giới: Mg/MgAl
Trên mặt biên giới: Mg/MgAl
2
2
O
O
4
4

2Al
2Al
3+
3+

- 3Mg
- 3Mg
2+
2+
+ 4MgO
+ 4MgO


MgAl
MgAl
2
2
O
O
4
4

Trên mặt biên giới: Al
Trên mặt biên giới: Al
2
2
O
O
3
3
/MgAl
/MgAl
2
2
O

O
4
4

3Mg
3Mg
2+
2+
- 2Al
- 2Al
3+
3+
+ 4Al
+ 4Al
2
2
O
O
3
3




3MgAl
3MgAl
2
2
O
O

4
4

Tổng: 4 MgO + 4Al
Tổng: 4 MgO + 4Al
2
2
O
O
3
3




4MgAl
4MgAl
2
2
O
O
4
4

Sự phát triển về phía phải gấp 3 lần về phía trái ( gọi cơ chế ngược dòng cation hay Wagner)
Sự phát triển về phía phải gấp 3 lần về phía trái ( gọi cơ chế ngược dòng cation hay Wagner)
2. Tốc độ phản ứng
2. Tốc độ phản ứng

1. Lớp SP càng dày, sự khuếch tán cation càng khó d

1. Lớp SP càng dày, sự khuếch tán cation càng khó d
ẫ
ẫ
n đến tốc độ chậm lại
n đến tốc độ chậm lại

Quá tr
Quá tr
ìn
ìn
h khuếch tán ngược dòng quyết định đến tốc độ phản ứng
h khuếch tán ngược dòng quyết định đến tốc độ phản ứng
Pt. dy/dt = k/y (1) hay y = kt
Pt. dy/dt = k/y (1) hay y = kt
1/2 (2)
1/2 (2)
Y: lớp bề dày SP, t: thời gian, k: hằng số
Y: lớp bề dày SP, t: thời gian, k: hằng số
•
Sự phụ thuộc hằng số vào nhiệt độ
Sự phụ thuộc hằng số vào nhiệt độ
•
K = c.e
K = c.e
-a
-a
/
/
t
t

•
Lgk = lgc – a/2,3t
Lgk = lgc – a/2,3t
•
C, a là hằng số,
C, a là hằng số,
3. Trạng thái hoạt động của chất
3. Trạng thái hoạt động của chất
phản ứng
phản ứng

1. P. trình động học k = A. e
1. P. trình động học k = A. e
–E*/RT
–E*/RT

E* năng lượng hoạt động hoá phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của chất
E* năng lượng hoạt động hoá phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của chất

Sự phá vỡ mạng lưới cũ tạo mạng lưới mới ( Hiệu ứng J. Hedwall)
Sự phá vỡ mạng lưới cũ tạo mạng lưới mới ( Hiệu ứng J. Hedwall)

Chất tinh thể mạng lưới bền vững kém hoạt động.
Chất tinh thể mạng lưới bền vững kém hoạt động.

Chất vô định hình kém bền, hoạt động dễ tham gia phản ứng
Chất vô định hình kém bền, hoạt động dễ tham gia phản ứng
Phản ứng phân huỷ nhiệt nội phân
Phản ứng phân huỷ nhiệt nội phân

tử
tử

1. Phản ứng tổng hợp 1 pha rắn mới phân huỷ từ một pha rắn ban đầu có chứa các hợp phần cần thiết cho pha
1. Phản ứng tổng hợp 1 pha rắn mới phân huỷ từ một pha rắn ban đầu có chứa các hợp phần cần thiết cho pha
rắn mới.
rắn mới.

2. Thí dụ caolinit(Al
2. Thí dụ caolinit(Al
2
2
O
O
3
3
.2SiO
.2SiO
2
2
.2H
.2H
2
2
O)
O)



mullit ( 3Al
mullit ( 3Al
2
2
O
O
3
3
.2SiO
.2SiO
2
2
)
)
3. Phản ứng PHNNPT xẩy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với phản ứng xẩy ra giữa các pha rắn.
3. Phản ứng PHNNPT xẩy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với phản ứng xẩy ra giữa các pha rắn.