CHUONG 1 GIOI THIEU ĐỊNH NGHĨA vật LIỆU SILICAT, TINH CHAT CUA VAT LIEU CERAMIC

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU
1.1 ĐỊNH NGHĨA VẬT LIỆU SILICAT
Vật liệu silicat là từ được sử dụng cách nay vài chục năm. Ngày nay trên các
phương tiện thông tin đại chúng, chúng ta đều thấy người ta sử dụng từ ceramics.
Từ ceramic bắt nguồn từ một từ gốc Hy Lạp keramos có nghĩa là đồ gốm, tức
vật liệu được tạo thành từ sự gia công nhiệt nguyên liệu đất sét. Tuy nhiên từ keramos
còn có nguồn gốc Sanskrit cổ hơn có nghĩa là “đốt cháy”.
Ngày nay định nghĩa này được mở rộng hơn nhiều. Ceramic được coi là nghệ
thuật và khoa học về sản xuất và sử dụng vật liệu rắn có thành phần xác định tạo thành
từ vật liệu vô cơ phi kim loại bằng phương pháp nhiệt. Vì thế trong nhiều tài liệu tiếng
Việt người ta sử dụng nhóm từ “vật liệu vô cơ phi kim loại” này để chỉ nhóm vật liệu
Ceramic. Vật liệu ceramic bản chất thường là tinh thể và được tạo thành giữa các
nguyên tố kim loại và phi kim loại như nhôm và oxy ( Al
2
O
3
), silic và oxy (SiO
2
), silic
và nitơ (Si
3
N
4
)… Định nghĩa này không chỉ bao gồm các vật liệu như đồ gốm sứ, vật
liệu chịu lửa, các sản phẩm từ đất sét, các vật liệu mài, men gốm sứ, xi măng và thủy
tinh mà còn bao gồm các vật liệu vô cơ phi kim loại từ tính, vật liệu điện từ, gốm đơn
tinh thể, thủy tinh gốm và nhiều vật liệu ngày nay không còn tồn tại cũng như nhiều
vật liệu mới có mặt cách đây vài năm. Thủy tinh khác hơn gốm sứ ở chỗ nó vô định
hình và không có trật tự xa như tinh thể.
Ceramic là một trong 3 nhóm lớn về vật liệu rắn. Hai nhóm còn lại là kim loại
và polymer. Sự kết hợp của 2 hay 3 nhóm vật liệu này với nhau tạo thành một loại vật

liệu mới có tính chất đặc biệt hơn là vật liệu composit. Ví dụ như bê tông gia cố bằng
thép, nhựa gia cố bằng sợi thủy tinh hoặc sợi carbon dùng sản xuất tàu thuyền, vợt
tennis, ván trượt tuyết và xe đạp đua.
Vào năm 1974 thị trường ceramic ở Mỹ chỉ là 20 triệu USD. Năm 1994 tăng
đến 16,7 tỉ USD. Năm 2002 là 25 tỉ USD. Đến nay nó được đánh giá là tăng đến trên
30 tỉ USD.
1
1.2 PHÂN LOẠI CERAMIC
Ngành kỹ thuật ceramic có thể được phân loại như sau:
• Các sản phẩm gốm (sản xuất chỉ từ đất sét)
• Sứ
• Gạch chịu lửa
• Thủy tinh
• Vật liệu mài
• Xi măng
• Ceramic tiên tiến
Các nhóm trên đều có thể được phân chia thành nhiều nhóm nhỏ. Như sau:
GỐM Gạch, ống nước, ngói, gạch lát nền, gạch ốp tường, chậu
hoa,…
SỨ Đồ sứ gia dụng, gạch lát nền và ốp tường, sứ vệ sinh, sứ
điện, sứ mỹ thuật
GẠCH CHỊU LỬA Sản phẩm gạch và khối sử dụng trong Công nghiệp sắt
thép, kim loại không chứa sắt, thủy tinh, xi măng, gốm
sứ, trao đổi nhiệt, dầu khí và công nghiệp hóa chất.
THUỶ TINH Thủy tinh phẳng (kính), vật chứa (chai, lọ), thủy tinh gia
dụng, sợi thủy tinh (cách điện) dùng cho vật liệu cách
điện, các tấm trần và ngói lợp, thủy tinh làm bóng đèn,
thủy tinh tiên tiến/đặc biệt dùng trong công nghệ truyền
tin (sợi quang học). lưu trữ dữ liệu (công nghệ CD) và in
ấn tài liệu (máy in laser).

VẬT LỆU MÀI Vật liệu mài tự nhiên (đá garnet, kim cương, …) và tổng
hợp (silicon carbide, kim cương, oxit nhôm nóng chảy,
…) sử dụng để nghiền, cắt, đánh bóng, phủ bên ngoài, …
XI MĂNG Sử dụng để sản xuất đường bêtông, cầu, nhà cửa, đập
nước.
CERAMIC TIÊN TIẾN
Kết cấu Các bộ phận mài mòn, ceramic sinh học (ghép xương,
…), dụng cụ cắt và các bộ phận trong động cơ.
2
Điện Tụ điện, chất cách điện, chất nền, bó mạch tích hợp, chất
áp điện, từ tính và siêu dẫn.
Chất phủ Các thành phần động cơ, dụng cụ cắt và các bộ phận mài
mòn.
Hóa chất và môi trường Bộ phận lọc, màng, xúc tác, chất mang xúc tác.
1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Các nhà khảo cổ học đã phát hiện đồ gốm nhân tạo có mặt cách nay ít nhất là
24.000 năm trước công nguyên. Chúng đã được tìm thấy ở Czechoslovakia dưới dạng
các bức tượng người nhỏ, các tấm lót và các hòn bi. Các đồ gốm này được làm từ mỡ
động vật và xương trộn với tro xương và một loại vật liệu giống như đất sét mịn. Sau
khi tạo hình, chúng được nung ở nhiệt độ trong khoảng 500 – 800
0
C trong lò nung có
vòm hình móng ngựa, một phần chôn trong đất bằng các bức tường hoàng thổ. Tuy
nhiên chúng ta cũng chưa rõ ứng dụng của nó. Vật dụng được tìm thấy có ứng dụng
đầu tiên là những chiếc bình gốm có mặt khoảng 9.000 năm trước công nguyên. Các
bình này có lẽ dùng để chứa ngũ cốc và thức ăn.
Người ta cho rằng sản xuất thủy tinh của người xưa cũng liên quan đến sản xuất
đồ gốm có ảnh hưởng mạnh ở vùng Thượng Ai Cập (Upper Egypt, cách xa châu thổ
sông Nile nhất) khoảng 8.000 năm trước công nguyên. Khoảng 3000 – 4000 năm trước
công nguyên đã hình thành nên 1 trung tâm gốm ở vùng Trung Đông và Ai Cập, trong

thời gian này cũng phát hiện ra bàn xoay dùng để tạo hình sản phẩm gốm. Trong quá
trình nung đồ gốm, sự có mặt của CaO chứa cát kết hợp với soda và sự quá nhiệt của
lò nung có thể là nguyên nhân tạo thành men màu trên đồ gốm. Các chuyên gia tin
rằng cho đến khoảng 1.500 năm B.C thủy tinh mới được sản xuất một cách độc lập
khỏi đồ gốm tạo thành một lớp sản phẩm riêng biệt.
Thời trung cổ ở Châu Âu, đã có những trung tâm rất lớn sản xuất đồ gốm như
Faenza ở Ý (từ đó có danh từ faience hay còn gọi là sành), hay Mallorca-một hòn đảo
ở Địa Trung Hải (từ đây có tên mặt hàng majolica, cũng có nghĩa là sành, loại sành
này xương có màu, xốp, được tráng men đục và trang trí nhiều màu sắc).
Vào những năm 600 trước công nguyên, nước Trung Hoa cổ đã sản xuất được
đồ sứ. Đến thế kỷ IX sau công nguyên (đời nhà Đường) nghề sứ Trung Hoa đã rất phát
3
triển. Và vào đời nhà Thanh (thế kỷ XVI sau công nguyên) thì bước vào thời kỳ cực
thịnh.
Ở Châu Âu, mãi đến năm 1709, một người Đức tên là Johann Friedrich Bottger
mới sản xuất được đồ sứ giống đồ sứ Trung Quốc. Năm 1759, Josial Wedgwood
(người Anh) sản xuất được sành dạng đá (một loại sành có xương mịn, trắng, kết khối
tương đối tốt, chất lượng hơn hẳn sành thông thường tuy nhiên vẫn chưa bằng đồ sứ).
Trong 1/4 cuối cùng của thế kỷ XVIII, sành dạng đá đã đẩy lùi mặt hàng majolica.
Trong thế kỷ XIX, ở Châu Âu mặt hàng này được dùng để thay thế cho đồ sứ đắt tiền.
Chỉ sau khi giá cả hàng sứ rẻ đi cộng thêm với những tính chất tuyệt vời của nó thì
hàng sứ mới đẩy lùi được mặt hàng sành dạng đá.
Ở Việt Nam, ông cha ta đã sản xuất được đồ gốm từ thời thượng cổ cách đây
4500 năm. Vào thời đầu các vua Hùng chúng ta đã có gốm Phùng Nguyên, gò Mun
(Vĩnh Phú) nung ở nhiệt độ 800 – 900
0
C, xương bắt đầu được tinh luyện. Từ thế kỷ XI
chúng ta đã sản xuất được gốm men Đại Việt nổi tiếng với các trung tâm lớn như Hà
Bắc, Thanh Hoá, Thăng Long, Đà Nẵng. Từ thời Trần có gốm Thiên Trường (Hà Nam
Ninh) với sản phẩm bát dĩa, bình lọ phủ men ngọc, men màu. Cuối thời Trần (thế kỷ

XIV) bắt đầu hình thành làng gốm Bát Tràng nổi tiếng cho đến ngày nay.
Từ thời cổ đến nay, khoa học và ứng dụng ceramic kể cả thủy tinh đã phát triển
một cách vững chắc. Ceramic đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của con
người. Chúng ta hãy tìm hiểu kỹ ảnh hưởng của ceramic đến xã hội như thế nào.
1.4 ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU CERAMIC ĐẾN XÃ HỘI
1.4.1 Vật liệu chịu lửa
Chúng ta biết rằng kim loại và các hợp kim của chúng được sử dụng để sản xuất
xe hơi, máy móc, máy bay, nhà cửa và vô số ứng dụng khác. Nhưng kim loại sẽ không
sản xuất được nếu không có ứng dụng vật liệu ceramic là vật liệu chịu lửa. Vật liệu
chịu lửa có thể chịu điều kiện nhiệt độ cao và dễ bay hơi của quá trình luyện kim.
Ngoài ra vật liệu chịu lửa còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như hóa chất,
dầu khí, trao đổi nhiệt, thủy tinh và công nghiệp gốm sứ.
4
1.4.2 Xây dựng
Ngành kỹ thuật xây dựng liên quan đến việc xây dựng các trung tâm thương
mại, nhà dân, đường cao tốc, cầu, hệ thống cấp và thoát nước,…. Điều này không thể
thực hiện mà không có vật liệu ceramic. Các sản phẩm sử dụng : gạch lát nền, tường,
lợp, xi măng, gạch, thạch cao, ống nước và thủy tinh.
Nhà cửa, công sở và xe ôtô của chúng ta nếu không có cửa sổ thì sẽ ra sao? Cửa
kính cho phép ánh sáng lọt qua. Có rất nhiều loại cửa sổ, bao gồm: loại an toàn,
nhuộm màu, làm mờ, dát mỏng và không phản chiếu. Thêm vào đó, sợi thủy tinh được
sử dụng làm chất cách điện, tấm trần, mái lợp giúp giữ ấm và khô.
Gạch đất sét dùng để xây dựng nhà cửa, các công trình do cường độ chịu lực,
độ bền và vẻ đẹp. Gạch là sản phẩm duy nhất không bị cháy, nóng chảy, bong, lồi lõm,
cong vênh, mục nát, ăn mòn hay bị mối tấn công. Gạch có rất nhiều kích cỡ, màu sắc,
hình dáng. Ngói cũng rất bền và làm đẹp cho công trình xây dựng.
1.4.3 Điện chiếu sáng
Một phát minh quan trong làm thay đổi cuộc sống của hàng triệu người là bóng
đèn nóng sáng của Thomas Edison năm 1879. Phát minh này không thể thực hiện
được nếu không có thủy tinh. Tính cứng, trong suốt và khả năng chịu được nhiệt độ

cao trong môi trường chân không của thủy tinh tạo điều kiện cho việc chế tạo bóng
đèn. Sau này, vào giữa thế kỷ 20, phương tiện chiếu sáng tiến bộ hơn với sự ra đời của
đèn huỳnh quang, đèn dây tóc, đèn neon, đèn hơi natri chiếu sáng đường phố. Đến
ngày nay, diod phát sáng (LED) được ứng dụng trong đồng hồ, bảng chỉ đường, truyền
tin (mạng sợi quang học), lưu trữ dữ liệu và in tài liệu.
1.4.4 Ứng dụng điện
Ngành kỹ thuật điện rộng lớn chắc sẽ không tồn tại nếu không có ceramic. Các
sản phẩm gốm sứ có tính chất điện rất đáng quan tâm như cách điện, bán dẫn, siêu
dẫn, áp điện và từ tính. Ceramics có tính quyết định đối với các sản phẩm như điện
thoại di động, máy tính, truyền hình và các sản phẩm điện khác.
Lưu trữ dữ liệu từ tính được phát triển song song với con chip siêu dẫn của máy
tính và được xác định là có khả năng tính toán và lưu trữ thông tin không thua kém.
Không có lưu trữ từ tính sẽ không có Internet, không có máy tính cá nhân, không có
5
những cơ sỡ dữ liệu lớn và đương nhiên là không có dữ liệu tính toán của máy tính cỡ
gigabyte, terabyte và exabyte. Ngày nay trên thế giới mỗi năm người ta sản xuất hơn
150 triệu đĩa cứng và 50 triệu đầu video.
Ceramic cũng được dùng để nâng cao hoạt động thể thao của chúng ta. Ví dụ
người ta dùng gốm áp điện để tạo những thiết bị thể thao thông minh, như là những
mặt hàng thể thao có thể thích ứng với môi trường xung quanh để gia tăng hiệu quả
của nó. Ứng dụng cụ thể là ván trượt tuyết, bóng rổ, bóng chày, và bộ giảm chấn động
cho xe đạp leo núi.
Ví dụ, tập đoàn K2 sử dụng một thiết bị đo kiểm tra do Active Control eXperts
sản xuất bên trong ván trượt tuyết. Thiết bị đo chứa một vật liệu gốm áp điện làm giảm
chấn động của băng tuyết, giúp giữ ván trượt chắc trên tuyết và do vậy làm tăng sự
vững chắc, khả năng kiểm soát và tốc độ cao nhất.
Buji sứ là một chất cách điện có ảnh hưởng sâu rộng đến xã hội. Được phát
minh đầu tiên vào năm 1860 để đánh lửa nhiên liệu cho động cơ đốt trong và vẫn còn
sử dụng với mục đích này cho tới ngày nay.
1.4.5 Truyền tin

Sợi thủy tinh là một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực công
nghệ thông tin. Thông tin trước đây được truyền qua hàng trăm sợi dây đồng bây giờ
được chứa chỉ trong một sợi silic (thủy tinh) trong suốt, chất lượng cao. Sử dụng công
nghệ này cho phép tăng tốc độ và khối lượng thông tin lớn hơn nhiều so với sử dụng
dây cáp đồng.
Sợi quang học là một sợi cáp chắc chắn để phân phối một loạt dịch vụ có liên
quan nhau, như sự kết hợp giọng nói, dữ liệu và hình ảnh. Cho dù đó là gì đi nữa, ứng
dụng hình ảnh đa phương tiện, truyền dữ liệu tốc độ cao và truy cập intenet, truyền
thông tin hay các dịch vụ theo nhu cầu khác thì sợi quang dẫn sẽ giúp truyền thông tin
dễ dàng hơn.
1.4.6 Y học
Ceramic đang gia tăng ứng dụng trong y học. Các bác sĩ giải phẫu sử dụng vật
liệu bioceramic để sử và thay thế khớp hông, đầu gối và một số bộ phận khác. Ceramic
cũng được sử dụng tay thế van tim bị hỏng. Trong cơ thể con người, khi cấy hoặc phủ
6
lên các bộ phận thay thế bằng kim loại, vật liệu ceramic có thể mô phỏng sử phát triển
của xương, thúc đẩy sự hình thành mô và được hệ thống miễn dịch bảo vệ.
Nha sĩ cũng sử dụng ceramic để cấy răng và bọc răng. Người ta còn sử dụng
những quả cầu thủy tinh nhỏ hơn sợi tóc để phân phối và xác định lượng phóng xạ cho
các cơ quan bị hư hỏng trong cơ thể. Ceramic là một trong số ít vật liệu có độ bền và
ổn định đủ để chịu đựng sự ăn mòn của lưu chất trong cơ thể.
Hệ thống hình ảnh quyết định sự chẩn đoán y khoa. Vật liệu ceramic hiện đại
đóng vai trò quan trong kỹ thuật siêu âm và X-quang và chụp CT. Các bộ phận chuyển
đổi sử dụng chì titanate zirconate (PZT) trên cơ sở ceramic áp điện là bộ phận chính
trong hệ thống siêu âm. Các bộ phận chuyển đổi này tạo ra sóng siêu âm và ghi nhận
những tín hiệu phản xạ lại tạo thành hình ảnh.
Âm thanh siêu âm được sử dụng để kiểm tra nhiều phần của cơ thể như bụng,
ngực, vùng chậu của phụ nữ, tuyến tiền liệt, tuyến giáp, tuyến cận giáp, và hệ mạch
máu. Phổ biến nhất là siêu âm cho phụ nữ mang thai ở ba giai đọan. Tiến bộ mới là
dùng để xem hình ảnh những mảng ung thư hoặc những bất thường trong mạch máu

mà trước nay chưa từng nhìn thấy được. Điều này cho phép các bác sĩ xác định chính
xác độ nguy hiểm hơn vì nó cho phép nhìn rõ hơn hình ảnh của của mạch máu, thành
động mạch, và chuyển động của các mảng.
Scan CT X-quang là một phượng tiện chẩn đoán phổ biến trong các bệnh viện
và trung tâm chẩn đoán y khoa, cho phép chúng ta nhìn thấy những vùng bên trong cơ
thể con người để dò tìm ung thư và các bệnh khác. Để chụp CT, cần có một đầu dò X-
quang đủ để ghi nhận hình ảnh có chất lượng cao. Năm 1998 Tập doàn y khoa GE đã
chế tạo thành công đầu dò chất lượng cao chứa bộ phận phát sáng gián đoạn kiểu nhấp
nháy cho hình ảnh tốt hơn giúp hạ thấp cường độ tia X chiếu cho bệnh nhân.
1.4.7 Ứng dụng trong lĩnh vực môi trường và không gian
Ceramic đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhiều yêu cầu về môi
trường. Ceramic giúp giảm thải ô nhiễm, giữ lại những chất độc hại và cô lập chất thải
hạt nhân. Ngày nay các bộ phận chuyển xúc tác trong xe tải và xe hơi được làm từ
gốm xốp và giúp chuyển hóa các hydrocarbon độc và hơi CO thành CO
2
và nước ít
độc hại nhất. Các bộ phận gốm sứ tiên tiến đã được sử dụng trong động cơ diesel và
7
ôtô. Tính chất nhẹ, chịu được nhiệt độ cao, và chống mài mòn giúp quá trình cháy tốt
hơn và tiết kiệm nhiều nhiên liệu.
Chương trình tàu không gian của NASA cũng trở thành hiện thực khi có những
tấm lợp ceramic nhẹ, tái sử dụng được. 34.000 tấm cần bảo vệ phi hành gia và phi
thuyền có khung bằng oxide nhôm chế tạo ở nhiệt độ rất cao (1600
0
C) cho phép đối
mặt với bầu khí quyển của trái đất trong chuyến trở về của phi thuyền.
Những ứng dụng còn chưa có giới hạn ở đây. Trong khi chờ đợi sự ra đời của
nhiều ứng dụng mới, chúng ta hãy nắm vững rằng ceramic đã, đang và sẽ còn tiếp tục
gây những ảnh hưởng mang tính quyết định trong tương lai.
8

9
Động cơ (diesel)
Turbin
Thiết bị trao đổi nhiệt
Che anten
Phủ sắt
Miếng ma sát,
sợi khuôn
Máy, cối nghiền
Dụng cụ mài
Bột mài
Ngói
Gạch ống
Tôn tráng men
Gốm kim loại
(cernet)
Vật liệu chống
thấm
Thiết bị trao đổi
nhiệt
Thiết bị chống
cháy
Thiết bị, vật liệu
bảo vệ các tia
phản xạ
Bao bì
tấm
hóa học
sợi, vải
quang học

sinh hóa
Laser
Cửa sổ IR
Màu
Điện
Cao tần
Cách điện
Tụ điện
Thiết bị dò
Điện cực
Nam châm
Caplo khí
Áp điện
Cơ nhiệt
Vật liệu bền
ma sát
Vật liệu mài
Vật liệu
chịu lửa
Hạt nhân
Gốm sứ
thủy tinh
Đất nung
Thủy tinh
Quang học
Gốm kim loại
Gốm điện
GỐM
Gạch
Chén nung

Sợi cách nhiệt
Mỹ thuật
Chén dĩa
Sứ vệ sinh
Gạch
CHƯƠNG II. TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU VÔ
CƠ
2.1 TÍNH CHẤT CƠ:
Do bản chất hóa học và cấu trúc quy định, vật liệu vô cơ có các tính chất chung
đặc trưng là: bền hóa học cao, bền nhiệt cao, cách nhiệt tốt và một số vật liệu có các
tính chất quang học đặc biệt. Ðây là đặc điểm chủ yếu về tính chất của vật liệu vô cơ,
là cơ sở chính để lựa chọn, sử dụng đối với phần lớn vật liệu vô cơ.
Nhưng mặt khác, cũng do cấu trúc quy định, vật liệu vô cơ nhìn chung có độ
bền cơ học thấp hơn so với vật liệu kim loại và có những đặc điểm riêng cần chú ý khi
chế tạo và sử dụng vật liệu vô cơ.
Tính chất cơ là tính chất của vật liệu chịu được những ứng suất phát sinh trong
nó trong 1 thời gian dài mà không bị phá hủy.
2.1.1 Tính đàn hồi và tính giòn:
Vật liệu vô cơ là vật liệu đàn hồi điển hình.
Ở nhiệt độ thường dưới tác dụng của tải trọng,
mối quan hệ giữa ứng suất hình thành trong vật liệu
(
σ
) và độ biến dạng (
ε
) của mẫu hoàn toàn tuân theo
định luật Hooke:
εσ
.E=
Trong đó: E: modun đàn hồi

2.1.2 Ðộ bền cơ học:
Là tính chất của vật liệu chống lại sự phá hủy do tác động của những ngoại lực
làm cho phân bố hạt xích lại gần nhau (khi nén) hay tách xa nhau ra (khi kéo)
Ðể đánh giá độ bền của vật liệu theo độ bền liên kết nguyên tử, người ta đưa ra
khái niệm độ bền lý thuyết (
lt
σ
):
2/1
)/ 2( aE
lt
γσ
=
(theo Orowan)
Trong đó: E: modun đàn hồi
γ
: năng lượng bề mặt riêng
a: khoàng cách nguyên tử
10
Hình 2.1. Mối quan hệ giữa ứng suất và
độ biến dạng: 1-vật liệu vô cơ; 2-kim
loại
Ðộ bền thực tế của vật liệu vô cơ thường có giá trị thấp hơn nhiều so với giá trị
lý thuyết (có thể là hàng trăm hay hàng nhìn lần). Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến
điều này là như sự giảm tiết diện chịu lực của vật liệu (do có lỗ xốp), sự phân bố
không đồng đều tải trọng (do sự khác nhau giữa hằng số đàn hồi của các thành phần
trong cấu trúc),…nhưng nguyên nhân chính dẫn đến điều này là sự có mặt của các vết
nứt tế vi với chiều dài khoảng 10
-3
đến 100

m
µ
. Các vết nứt tế vi này xuất hiện bởi
tính chất bất đẳng hướng nhiệt (tính dị hướng nhiệt) của pha tinh thể có thể hình thành
trong vật liệu ngay khi không có hay có tải trọng. Theo Orowan, do tồn tại vết nứt tế vi
khi vật liệu chịu tải trọng kéo với ứng suất
o
σ
thì tại đỉnh của vết nứt có sẵn sẽ xuất
hiện ứng suất
σ
được xác định như sau:
2/1
)/.(.2 rl
o
σσ
=
Trong đó: l: chiều dài vết nứt
r: bán kính cong tại đỉnh vết nứt
Như vậy, với cùng một tải trọng tác dụng, ứng suất
σ
sẽ càng lớn khi chiều dài
vết nứt càng lớn và bán kính cong tại đỉnh vết nứt càng nhỏ. Khi ứng suất này vượt
quá độ bền lý thuyết, vết nứt sẽ lan rộng và phá hủy vật liệu.
Cũng như cơ chế phá hủy trên, vật liệu vô cơ luôn có độ bền nén cao hơn nhiều
lần so với độ bền kéo (đối với vật liệu thủy tinh là khoảng 10 lần)
Ðể đánh giá độ bền cơ học của vật liệu giòn người ta sử dụng độ dai phá hủy
K
1C
, được xác định:

2/12/1
1
MPa.m , ) (. lgK
C
πσ
=
Trong đó: g: hệ số hình dạng
σ
: ứng suất phá hủy
l: chiều dài vết nứt
Như vậy yếu tố ảnh hưởng quyết định đến cơ tính của vật liệu vô cơ không phải
là năng lượng liên kết nguyên tử cấu tạo nên nó, mà là tình trạng khuyết tật trong và
trên bề mặt vật liệu. Khi số lượng vết nứt tế vi tăng, kích thước vết nứt tăng thì cơ tính
giảm mạnh.
Ở các vật liệu vô cơ tinh thể, kích thước các hạt tinh thể cấu tạo nên vật liệu có
ảnh hưởng rõ đến cơ tính của vật liệu. Khi kích thước hạt càng giảm thì bề mặt ranh
giới giữa các hạt tăng lên, sẽ có tác dụng ngăn chặn hay làm thay đổi hướng lan truyền
vết nứt, do vậy độ bền cơ của vật liệu tăng lên.
11
Khi hàm lượng các bọt khí trong vật liệu tăng thì độ bền giảm không chỉ do
diện tích chịu lực giảm mà còn do tại các lỗ khí thường tập trung tạp chất và ứng suất.
Hình dạng bọt khí cũng ảnh hưởng tới cơ tính. Các bọt khí dài làm giảm độ bền mạnh
hơn các bọt khí tròn.
Cũng cần chú ý rằng khi hàm lượng bọt khí rất thấp (0,1-0,5%) và kích thước
bọt rất nhỏ lại có thể làm tăng độ bền. Trong trường hợp này các lỗ hổng cực mịn đóng
vai trò các trung tâm hấp thụ năng lượng, có tác dụng ngăn chặn sự lan truyền vết nứt
và giải tỏa ứng suất phá hủy vật liệu.
Ðộ bền của vật liệu vô cơ còn phụ thuộc vào điều kiện và môi trường sử dụng.
2.2 TÍNH CHẤT NHIỆT:
Vật liệu vô cơ không chỉ được sử dụng ở nhiệt độ thường mà trong nhiều

trường hợp còn được sử dụng ở nhiệt độ cao. Do đó, bên cạch các tính chất cơ học thì
tính chất nhiệt cũng là tính chất quan trọng của vật liệu vô cơ.
2.2.1 Giãn nở nhiệt:
Nguyên nhân giãn nở của vật liệu rắn dưới tác dụng của nhiệt độ là dao động
nhiệt phi điều hòa của các phần tử cấu tạo nên vật liệu. Mức độ dao động này phụ
thuộc vào các yếu tố nguyên tử (loại và độ bền liên kết hóa học,…) và các yếu tố tinh
thể học (tính dị hướng hay đẳng hướng,…).
Ðể đánh giá mức độ giãn nở nhiệt của vật liệu vô cơ người ta thường sử dụng
hệ số giãn nở nhiệt dài
α
:
) ( Tll
o
∆∆∆=
α
Trong đó: l
o
: độ dài ban đầu của mẫu
l
∆
: độ giãn dài của mẫu khi nhiệt độ tăng thêm
T∆
độ.
Người ta còn quan tâm đến hệ số giãn nở nhiệt thể tích
β
)./( TVV
o
∆∆∆=
β
Giữa

α
và
β
có quan hệ gần đúng
αβ
3≈
.
Khi nhiệt độ tiếp tục tăng quá một giới hạn nào đó, vật liệu sẽ chuyển trạng thái
từ rắn sang mềm, sẽ biến dạng dẻo. Lúc này vật liệu mất dần khả năng chịu tải và được
coi là bắt đầu bị phá hủy do nhiệt.
Ðối với vật liệu vô cơ tinh thể, hệ số giãn nở nhiệt phụ thuộc rất lớn vào hướng
trục tinh thể
12
Bảng 2.1. Hệ số giãn nở nhiệt dài
α
của một số vật liệu vô cơ tinh thể theo các
chiều trục khác nhau
STT Vật liệu
α
, 10
-7
K
-1
Vuông góc trục c Song song trục c
1
2
3
4
5
6

SiO
2
(thạch anh)
3Al
2
O
3
.2SiO
2
Al
2
O
3
.TiO
2
ZrSiO
4
CaCO
3
C (graphit)
140
45
-26
37
-60
10
90
57
115
62

250
270
Ðối với vật liệu vô cơ vô định hình, do cấu trúc hoàn toàn đẳng hướng nên hệ
số giãn nở nhiệt không đổi theo mọi phương khảo sát. Ðối với vật liệu thủy tinh, hệ số
giãn nở nhiệt phụ thuộc vào thành phần hóa học, độ bền liên kết và đặc trưng cấu trúc
của thủy tinh đó.
Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu đa pha phụ thuộc vào hệ số giãn nở nhiệt của
các pha thành phần. Một vật liệu gốm cấu tạo từ n pha có hệ số giãn nở nhiệt xác định
theo:








∑








∑
=
i
ii

i
iii
cK
cK
ρ
ρ
α
α
.

Trong đó: K
i
: modun đàn hồi
c
i
: hàm lượng phần trăm

i
ρ
: khối lượng riêng của pha thứ i trong vật liệu đa pha
2.2.2 Dẫn nhiệt:
Khả năng dẫn nhiệt của vật liệu được thể hiện qua hệ số dẫn nhiệt
λ
[W/
(m.K)]:
)/.(./ dxdTFdtdQ
λ
−=
Trong đó: dQ: nhiệt lượng truyền qua tiết diện F của khối vật liệu trong thời
gian dt với gradien nhiệt độ dT/dx theo phương x vuông góc với F.

13
Dẫn nhiệt trong các vật liệu rắn được thực hiện nhờ các điện tử tự do và sự dao
động của mạng lưới cấu trúc. Vật liệu kim loại có khả năng dẫn nhiệt cao là nhờ các
điện tử tự do của nó, còn trong vật liệu vô cơ sự trao đổi nhiệt xảy ra chủ yếu là do dao
động phi điều hòa của các nguyên tử cấu tạo nên mạng lưới.
Theo thuyết photon:
3/ lvc=
λ
Trong đó: c: nhiệt dung của vật liệu
v: tốc độ photon (tốc độ truyền dao động mạng lưới)
l: quãng đường tự do của photon
Hệ số dẫn nhiệt là đại lượng phụ thuộc vào nhiệt độ. Quy luật này không giống
nhau ở vật liệu tinh thể và vô định hình.
Lý thuyết photon rất nhấn mạnh ảnh
hưởng của độ phi điều hòa của dao động
mạng đến khả năng dẫn nhiệt. Từ đây có thể
hiểu vì sao các vật liệu gồm các nguyên tố có
khối lượng nguyên tử lớn thường có độ dẫn
nhiệt nhỏ.
Ðối với các vật liệu vô cơ vô định
hình như thủy tinh, do cấu trúc chỉ có trật tự
gần không có trật tự xa nên độ dài quãng
đường tự do của photon rất bị hạn chế, chỉ ở
cỡ khoảng
cách nguyên tử. Do đó, so với vật liệu vô cơ
tinh thể, vật liệu thủy tinh có độ dẫn nhiệt thấp
hơn và có hệ số nhiệt dương, tức khi nhiệt độ tăng thì hệ số dẫn nhiệt sẽ tăng một ít do
khoảng cách nguyên tử tăng lên. Cần chú ý thêm rằng khả năng truyền nhiệt nói chung
của vật liệu thủy tinh còn phụ thuộc vào thành phần truyền nhiệt bức xạ của nó.
Khả năng dẫn nhiệt của vật liệu vô cơ đa pha, đa tinh thể phụ thuộc rất lớn vào

đặc điểm tổ chức của nó. Các yếu tố chính làm giảm độ dẫn nhiệt của vật liệu này là
ranh giới giữa các hạt, khuyết tật mạng và tạp chất.
Về nguyên tắc, vật liệu đơn tinh thể có độ dẫn nhiệt cao hơn vật liệu đa tinh thể,
vật liệu tinh thể có độ dẫn nhiệt cao hơn vật liệu vô định hình. Riêng vật liệu gốm bán
dẫn và thủy tinh bán dẫn có độ dẫn nhiệt đặc biệt cao do có mặt các điện tử tự do.
14
Hình 2.2. Sự phụ thuộc cua hệ số dẫn nhiệt
λ
và nhiệt độ của một số vật liệu vô cơ tinh
thể:
1-graphit; 2-SiC; 3-BeO; 4-Al
2
O
3
; 5-mulit
Sự có mặt của lỗ xốp trong vật liệu vô cơ có ảnh hưởng rất lớn đến độ dẫn nhiệt
của vật liệu. Không khí bị giam trong các lỗ xốp có khả năng dẫn nhiệt kém ở nhiệt độ
thấp nên làm giảm mạnh độ dẫn nhiệt của toàn vật liệu. Hệ số giãn nở nhiệt của vật
liệu vô cơ có chứa lỗ xốp có thể xác định theo công thức:
)]21/()1[(1
)]21/()1[(.21
.
nnV
nnV
k
k
r
+−−
+−+
=

λλ

Trong đó:
kr
n
λλ
/=
r
λ
,
k
λ
: hệ số dẫn nhiệt của pha rắn và pha khí
V
k
: phần trăm thể tích pha khí
Hầu hết các vật liệu cách nhiệt là vật liệu xốp. Do tỷ lệ lỗ xốp trong vật liệu lớn
nên vật liệu có hệ số dẫn nhiệt rất nhỏ. Tuy nhiên nhiệt độ tăng cao thì khả năng dẫn
nhiệt của vật liệu này sẽ tăng do thành phần truyền nhiệt bức xạ của lỗ xốp tăng.
2.2.3 Truyền nhiệt bức xạ:
Ngoài khả năng truyền nhiệt dẫn nhiệt, vật liệu vô cơ còn có khả năng truyền
nhiệt bức xạ qua pha vô định hình và pha khí. Ðối với các vật liệu vô cơ có tỷ lệ pha
vô định hình và pha khí (trong các lỗ xốp) cao, khi nhiệt độ tăng thì vai trò của truyền
nhiệt bức xạ tăng lên và có thể chiếm ưu thế so với truyền nhiệt dẫn nhiệt.
Hệ số truyền nhiệt bức xạ
bx
λ
được xác định:
aTln
bx

/ ).3/16(
32
σλ
=
Trong đó:
σ
: hằng số Stefan-Boltzmann
n: chỉ số khúc xạ đối với tia hồng ngoại
l: quãng đường tự do của photon đối với tia hồng ngoại
a: hệ số hấp thụ
T: nhiệt độ
Do hệ số truyền nhiệt bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm T
3
nên nó tăng
rất nhanh theo nhiệt độ. Khả năng cho tia hồng ngoại đi qua của pha vô định hình và
pha khí càng cao thì nhiệt bức xạ truyền qua càng mạnh. Truyền nhiệt bức xạ của các
vật liệu vô cơ thường bắt đầu đáng kể từ nhiệt độ trên 300
0
C.
Kích thước của lỗ xốp cũng có ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt bức xạ của
vật liệu. Các lỗ xốp kích thước lớn làm tăng truyền nhiệt bức xạ.
2.2.4 Ðộ bền xung nhiệt:
15
Phần lớn các vật liệu vô cơ thường có độ dẫn nhiệt thấp nên khi nhiệt độ môi
trường thay đổi thì nhiệt độ trong vật liệu được cân bằng một cách chậm chạp. Trong
quá trình này, tại các vùng nhiệt độ khác nhau có sự giãn nở nhiệt khác nhau dẫn tới
hình thành ứng suất không đều trong khối vật liệu. Nếu ứng suất này vượt quá giới hạn
bền kéo hay bền nén của vật liệu thì vật liệu sẽ bị phá hủy.
Khả năng bền vững cơ học của vật liệu vô cơ dưới tác dụng nhiệt độ thay đổi
đột ngột được gọi là độ bền xung nhiệt, xác định bằng khoảng chênh lệch nhiệt độ

T∆
lớn nhất hay số lần thay đổi nhiệt độ đột ngột theo các điều kiện quy định về tốc độ và
khoảng nhiệt độ thay đổi, kích thước mẫu,… mà vật liệu chưa bị phá hủy. Ðộ bền
xung nhiệt của vật liệu vô cơ phụ thuộc phức tạp vào nhiều yếu tố khác nhau như độ
dẫn nhiệt, độ bền cơ học, điều kiện đo đạc, hình dáng và kích thước mẫu,…
Ðể đánh giá một cách tương đối độ bền xung nhiệt của vật liệu vô cơ, người ta
đưa ra công thức tính toán dựa trên mối quan hệ của nó với các yếu tố ảnh hưởng quan
trọng nhất, theo Bartenev:
)./()1.().2/3( ET
u
b
αµσ
−=∆
Trong đó:
u
b
α
: giới hạn bền uốn của vật liệu
µ
: hệ số Poisson
α
: hệ số giãn nở nhiệt dài
E: modun đàn hồi của vật liệu
Ðối với vật liệu gốm có thể ứng dụng công thức Haase:
)./( ET
b
αα
=∆
Trong đó:
b

α
: giới hạn bền kéo
2.3 TÍNH CHẤT QUANG:
Do cấu trúc vùng năng lượng điện tử của mình, các vật liệu vô cơ có thể là
trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy (như thủy tinh,…). Dó đó ngoài phản xạ và hấp
thụ, còn cần khảo sát các hiện tượng khúc xạ và truyền qua.
2.3.1 Khúc xạ:
Tia sáng truyền tới bề mặt ngoài của các vật liệu trong suốt thì bị giảm tốc độ
và kết quả là bị lệch hướng tại mặt giới hạn. Hiện tượng này được gọi là khúc xạ. Chỉ
số khúc xạ (chiết suất) n của một chất được định nghĩa là tỷ số giữa tốc độ trong chân
không c và tốc độ trong môi trường v, tức là:
16
n = c / v =
rr
µεµεµε
/.
00
=
µε
./1=v
o
c
µε
./1
0
=
Trong đó:
0
ε
,

0
µ
: hằng số điện môi, độ thẩm từ của chân không
ε
,
µ
: hằng số điện môi, độ thẩm từ của môi trường
r
,
µε
r
: hằng số điện môi và độ thẩm từ tương đối
Độ lớn của n phụ thuộc vào sóng ánh sáng. Hiệu ứng này được chứng minh
bằng sự tán sắc ánh sáng quen thuộc, tức là sự phân tách một chùm tia sáng trắng
thành các tia thành phần mầu sắc khác nhau bằng một lăng kính thủy tinh. Chiết suất
không chỉ ảnh hưởng đến quang lộ của ánh sáng, mà như giải thích dưới đây sẽ ảnh
hưởng đến phần ánh sáng bị phản xạ từ bề mặt:
Bởi vì sự truyền chậm của bức xạ điện từ trong một môi trường là do sự phân
cực điện tử gây ra, nên kích thước của các nguyên tử hay ion cấu thành có ảnh hưởng
đáng kể đến độ lớn của hiệu ứng này. Nói chung, nguyên tử hay ion càng lớn thì sự
phân cực điện tử càng mạnh, tốc độ áng sáng càng chậm và chiết suất càng lớn. Chiết
suất của thủy tinh Na-Ca tiêu biểu gần bằng 1,5. Khi cho thêm các ion lớn như bari và
chì (bằng BaO và PbO) vào thủy tinh sẽ làm tăng chiết suất lên đáng kể. Ví dụ như
thuỷ tinh nhiều chì (chứa tới 90% trọng lượng PbO) có chiết suất khoảng 2,1.
Các gốm tinh thể có cấu trúc lập phương và các thuỷ tinh có tính chất đẳng
hướng (nghĩa là không phụ thuộc vào hướng tinh thể). Mặt khác các tinh thể không lập
phương nhưng lại có chiết suất n bất đẳng hướng, tức là chiết suất lớn nhất dọc theo
những hướng có mật độ ion cao nhất.
Bảng 2.2. Chiết suất của một số vật liệu
Vật liệu Chiết suất trung bình

Gốm thuỷ tinh SiO
2
1,458
Gốm thuỷ tinh Na-Ca 1,51
Corundun 1,76
Periclaz 1,74
Thạch anh 1,55
Spinel 1,72
2.3.2 Phản xạ:
17
Khi bức xạ ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác, một phần ánh
sáng bị bức xạ ở trên mặt phân cách giữa hai môi trường ngay cả khi hai môi trường
đều trong suốt. Độ phản xạ R biểu thị phần ánh sáng bị phản xạ tại mặt phân cách, tức
là:
R = I
R
/ I
0
Trong đó: I
R
, I
0
cường độ chùm phản xạ và chùm tới
Nếu ánh sáng tới vuông góc với mặt giới hạn:
R = [(n
2
– n
1
)/(n
2

+ n
1
)]
2
Trong đó: n
1
, n
2
chiết suất của hai môi trường
Nếu như ánh sáng tới không vuông góc với mặt phân cách thì R sẽ phụ thuộc
vào góc tới. Khi ánh sáng được truyền từ chân không hay không khí vào một chất rắn s
thì:
R = [(n
s
– 1)/(n
s
+ 1)]
2
Từ trên ta thấy nếu chiết suất của vật rắn càng cao thì độ phản xạ càng lớn. Đối
với thuỷ tinh silicat tiêu biểu, độ phản xạ khoảng 0,05. Chiết suất của vật rắn phụ
thuộc vào bước sóng ánh sáng, do đó độ phản xạ cũng biến đổi theo bước sóng.
Tổn hao phản xạ đối với thấu kính và các dụng cụ quang học có thể giảm đáng
kể nếu phủ lên bề mặt phản xạ những lớp rất mỏng bằng vật liệu điện môi như MgF
2
.
2.3.3 Hấp thụ:
Các vật liệu có thể trong suốt hay đục đối với ánh sáng nhìn thấy.
Những vật liệu nào có khe vùng lớn hơn 3,1 eV sẽ không hấp thụ một ánh sáng
nhìn thấy nào. Nếu độ tinh khiết cao chúng sẽ hiện ra trong suốt. Mặt khác nếu vật liệu
có khe vùng hẹp hơn 1,8 eV thì chúng sẽ hấp thụ toàn bộ phổ ánh sáng nhìn thấy vì

vậy chúng đều đục. Còn những vật liệu nào có khe vùng nằm trong khoảng 1,8 eV và
3,1 eV thì chỉ hấp thụ một phần phổ ánh sáng nhìn thấy do đó ta nhìn thấy chúng mờ
và có màu. Mỗi vật liệu đều trở nên đục ở một số bước sóng nhất định tuỳ thuộc vào
độ rộng khe vùng E
g
. Ví dụ như kim cương có khe vùng là 5,6 eV sẽ trở nên đục đối
với bức xạ có bước sóng ngắn hơn 0,22
m
µ
.
Cũng như đường đi của ánh sáng, cường độ bức xạ bị hấp thụ phụ thuộc vào
đặc tính của môi trường. Cường độ bức xạ
T
Γ
(truyền qua hay là không bị hấp thụ)
giảm liên tục theo khoảng cách x mà ánh sáng đi qua:
18
x
T
e
β
−
Γ=Γ .
0
Trong đó:
0
Γ
: cường độ bức xạ tới không phản xạ
β
: hệ số hấp thụ (mm

-1
), là đặc trưng riêng của vật liệu và thay
đổi theo bước sóng của bức xạ tới
x: khoảng cách
Các vật liệu có giá trị
β
lớn hơn được coi là các chất hấp thụ mạnh.
2.3.4 Truyền qua:
Xét trường hợp ánh sáng đi qua một vật
rắn trong suốt. Đối với một chùm tia tới có
cường độ I
0
chiếu vào mặt trước của của mẫu
chất có độ dày l và hệ số hấp thụ
β
, cường độ
được truyền qua tại mặt sau của mẫu là:
t
T
eRII
β
−
−= .2).1.(
0
Trong đó: R: độ phản xạ
Như vậy, thành phần của tia tới truyền
qua vật liệu trong suốt phụ thuộc vào những tổn
hao do hấp thụ và phản xạ. Hơn nữa, các thông
số như độ hấp thụ, độ phản xạ và độ truyền qua
đều phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng và phải

thoả mãn biểu thức:
I
0
= I
A
+ I
T
+ I
R
Trong đó: I
0
: cường độ chùm ánh sáng tới
I
A
, I
T
, I
R
: cường độ chùm ánh sáng hấp thụ, truyền qua, phản xạ
2.4 TÍNH CHẤT ĐIỆN:
Một trong những đặc tính điện quan trọng nhất của vật liệu rắn là khả năng dẫn
điện của nó.
Độ dẫn điện là nghịch đảo của điện trở suất:
ρ
σ
1
=
1
).(
−

Ω m
Căn cứ vào khả năng dẫn điện vật liệu rắn được chia thành 3 loại: dẫn điện, bán
dẫn và điện môi. Những chất dẫn điện tốt thường có độ dẫn điện khoảng 10
7

1
).(
−
Ω m
,
19
Hình 2.3. Sự biến đổi theo bước sóng của các tỷ
phần ánh sáng truyền qua, hấp thụ và phản xạ
qua 1 loại thủytinh xanh
các chất bán dẫn có độ dẫn điện từ 10
-6
–10
4

1
).(
−
Ω m
, còn chất điện môi là 10
-10
–10
-20
1
).(
−

Ω m
. Các vật liệu gốm thường là vật liệu cách điện ở nhiệt độ phòng và có độ dẫn
điện như bảng sau:
Bảng 2.3. Độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng của một số vật liệu
Vật liệu
Độ dẫn điện,
1
).(
−
Ω m
Corundum
Sứ
Thuỷ tinh Na-Ca
Mica
10
-10
– 10
-12
10
-10
– 10
-12
< 10
-10
10
-10
– 10
-15
Hằng số điện môi là tỷ số:
0

ε
ε
ε
=
r
(
ε
: độ thẩm của môi trường điện môi;
0
ε
: độ thẩm
của chân không và có giá trị 8,85.10
-12
F/m). Hằng số điện môi là tính chất được xem
khi thiết kết tụ điện.
Bảng 2.4. Hằng số điện môi và độ bền điện môi của một số vật liệu
Vật liệu Hằng số điện môi Độ bền điện môi
60 Hz 1 MHz 10
4
V/m
Gốm titanat
Mica
Steatit
Thuỷ tinh (MgO-SiO
2
)
Sứ
-
-
-

6,9
6,0
15 – 10000
5,4 – 5,7
5,5 – 7,5
6,9
6,0
200 – 1180
3940 – 7875
790 – 1380
985
160 - 1575
Nhiều loại gốm, kể cả thuỷ tinh, sứ steatit và mica có độ ổn định về kích thước
và độ bền cơ học cao thường được ứng dụng làm đế cầu dao, cách điện đường dây tải
điện,…Ngoài ra titan oxit, gốm titanat có thể được chế tạo với hằng số điện môi hết
sức cao làm cho chúng có những ứng dụng đặc biệt trong tụ điện.
Đặc tính điện khác tương đối quan trọng và mới ở một số vật liệu đó là tính sắt
điện, hoả điện và tính áp điện. Một mặt nó góp phần xác định tính đối xứng của tinh
thể, mặt khác nó cho phép sử dụng tinh thể với những hiệu ứng đặc biệt đó để chế tạo
những thiết bị đặc biệt trong kỹ thuật.
Sắt điện: là tính phân cực tự phát tức là phân cực khi vắng mặt điện trường của
chất điện môi. Tương tự như các vật liệu sắt từ, chúng cũng có thể cho từ tính vĩnh
20
cửu. Trong các vật liệu sắt điện phải tồn tại những lưỡng cực điện vĩnh cửu. Ví dụ như
gốm bari titanat (BaTiO
3
) - một trong những chất sắt điện phổ thông nhất, sự phân cực
tự phát là hệ quả của sự sắp xếp các vị trí các ion Ba
2+
, Ti

4+
và O
2-
trong ô cơ sở như
trên hình 2.4. Các ion Ba
2+
nằm ở các đỉnh góc của ô cơ sở mang tính đối xứng
tetragonal. Momen lưỡng cực sinh ra do sự xê dịch tương đối của các ion Ti
4+
và O
2-
ra
khỏi vị trí đối xứng của chúng. Các ion O
2-
nằm thấp xuống dưới một chút, còn ion
Ti
4+
lại dịch lên trên so với tâm điểm của ô cơ sở. Tuy nhiên, khi nung nóng bari
titanat lên trên 120
0
C thì ô cơ sở sẽ trở lại khối lập phương, và tất cả các ion đều theo
đúng vị trí đối xứng trong ô cơ sở lập phương, vật liệu bây giờ có cấu trúc perovskit và
tính chất sắt điện biến mất.
Các chất sắt điện có hằng số điện môi cực kỳ cao ở các tần số điện trường
tương đối thấp vì vậy các tụ điện chế tạo bằng những vật liệu này có thể có kích thước
nhỏ hơn rất nhiều so với các tụ điện làm bằng vật liệu điện môi khác.
Áp điện: là một tính chất khác thường của một vài vật liệu có cấu trúc tinh thể
phức tạp và có tính đối xứng thấp như BaTiO
3
, PbZrO

3
, BaZrO
3
, NH
4
H
2
PO
4
, thạch
anh,…Tính chất này thể hiện khi nén hay kéo giãn 1 số tinh thể điện môi theo những
phương đặc biệt trong tinh thể thì trên các mặt giới hạn của tinh thể có xuất hiện
những điện tích trái dấu, tương tự như những điện tích trong hiện tượng phân cực điện
môi. Hiện tượng như thế này gọi là áp điện thuận. Nếu đổi dấu của lực tác dụng, ví dụ
từ nén sang kéo hay ngược lại thì chiều của điện trường cũng đảo theo, lúc này điện
tích xuất hiện trên 2 mặt giới hạn cũng đổi theo. Do có điện tích trái dấu xuất hiện nên
giữa 2 mặt giới hạn này có 1 hiệu điện thế.
Vật liệu áp điện được ứng dụng trong các linh kiện chuyển đổi năng lượng điện
thành ứng suất cơ học và ngược lại, như đầu ghi âm, microphone, máy phát siêu âm,
21
Hình 2.4. Một ô cơ sở của Bari titanat BaTiO
3
(a) và sơ đồ bố
trí các ion Ti
4+
và O
2-
xung quanh tâm của mặt (b)
đầu đo ứng suất, đầu thu âm. Trong 1 máy ghi âm, khi đầu kim dịch chuyển theo các
rãnh trên 1 đĩa hát, biến thiên của áp suất lên vật liệu áp điện ở trong đầu ghi âm

chuyển đổi thành tín hiệu điện và được khuyếch đại lên trước khi ra loa.
Ở loại tinh thề này còn gặp hiện tượng áp điện nghịch: nếu ta đặt lên 2 mặt tinh
thể 1 hiệu điện thế thì nó sẽ bị giãn hoặc nén. Nếu hiệu điện thế này là 1 hiệu điện thế
xoay chiều thì bản tinh thể sẽ bị giãn, nén liên tiếp và dao động theo tần số của điện
trường xoay chiều. Dao động cơ học của bản tinh thể tạo thành những sóng siêu âm
truyền vào môi trường xung quanh. Tính chất này được ứng dụng để chế tạo các nguồn
phát siêu âm. Các sóng này có thể truyền đi 1 khoảng đáng kể trong nước. Người ta
dùng hiệu ứng này vào phương tiện thông tin giữa các tàu ngầm.
Nghiên cứu cấu trúc những tinh thể có tính áp điện người ta thấy rằng những
tinh thể chứa tâm đối xứng không thể là vật liệu áp điện được và hiệu ứng áp điện còn
phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác. Những tinh thể liên kết ion đơn giản như các
halogenua không ngậm nước của các kim loại kiềm và kiềm thổ thường không có tính
áp điện, nhưng những tinh thể chứa cả 2 dạng liên kết ion và cộng hoá trị thường là
những vật liệu áp điện mạng như Sfalerit (ZnS). Hiệu ứng áp điện thường thấy trong
những muối như clorat, bromat, iodat. Ngày nay người ta đã nghiên cứu hơn 500 chất
áp điện khác nhau nhưng chỉ có khoảng 1/10 trong số đó được đem ứng dụng trong
thực tế, trong đó thạch anh là vật liệu áp điện hay dùng nhất.
Tính chất áp điện của mẫu chất đa tinh thể có thể được cải thiện bằng cách nung
nóng lên trên nhiệt độ Curie của nó và sau đó làm nguội xuống nhiệt độ phòng trong
một điện trường mạnh.
Hoả điện: là khả năng dẫn điện của tinh thể không dẫn điện khi bị tác dụng bởi
nhiệt độ. Ví dụ như khi nung nóng tinh thể tuamalin hình trụ (tuamalin là 1 loại silicate
nhôm có công thức hoá học rất phức tạp) thì 2 đầu của nó sẽ tích điện. Các điện cực sẽ
đổi dấu cho nhau nếu ta làm lạnh tinh thể. Hiệu ứng này chỉ phát sinh trong tinh thể
theo những hướng hoàn toàn xác định, đó là những hướng phân cực trùng với phương
đơn (là phương được bảo toàn qua bất kỳ phép biến đổi đối xứng có trong tinh thể) của
tinh thể và ở tinh thể không chứa tâm đối xứng.
Do hiệu ứng hoả điện khi xuất hiện có kèm theo sự giãn nở nhiệt của tinh thể
nên nó có thể xem là trường hợp đặc biệt của áp điện
22

23