bài giảng mở đầu vật liệu silicat

1
VAÄT LIEÄU VOÂ CÔ
VAÄT LIEÄU VOÂ CÔ
(V T LI U SILICAT)Ậ Ệ
(V T LI U SILICAT)Ậ Ệ
VT 2010
VT 2010
VẬT LIỆU VÔ CƠ
VẬT LIỆU VÔ CƠ

Được tạo thành từ các hợp chất hóa học giữa các nguyên tố kim loại và phi
Được tạo thành từ các hợp chất hóa học giữa các nguyên tố kim loại và phi
kim loại,
kim loại,
á kim và phi kim
á kim và phi kim

V t li u silicat lậ ệ
V t li u silicat lậ ệ
à v t li u vơ c thu c b ng q trình x lý nhi t các ậ ệ ơ đượ ằ ử ệ
à v t li u vơ c thu c b ng q trình x lý nhi t các ậ ệ ơ đượ ằ ử ệ
ngun li u thiên nhiên hay nhân t o có ch a các h p ch t silic (ch y u là các h p ệ ạ ứ ợ ấ ủ ế ợ
ngun li u thiên nhiên hay nhân t o có ch a các h p ch t silic (ch y u là các h p ệ ạ ứ ợ ấ ủ ế ợ
ch t silic thiên nhiên nh iơxit silic SiOấ ư đ
ch t silic thiên nhiên nh iơxit silic SiOấ ư đ
2
2
và các khống silicat)
và các khống silicat)
CÁC KIỂU LIÊN KẾT TRONG
VẬT LIỆU VÔ CƠ


là kết hợp giữa liên kết ion và liên kết cộng hóa trò
Năng lượng liên kết trong vật liệu vô cơ là tương
đối lớn khoảng 100-500 kJ/mol (kim loại là 60-
250kJ/mol)
nh hưởng quyết đònh đến các tính chất đặc trưng
của vl vô cơ: nhiệt độ nóng chảy, mật độ, độ cứng,
độ giòn, trong suốt, cách điện
LIÊN KẾT TRONG CHẤT RẮN
LIÊN KẾT TRONG CHẤT RẮN
Tên liên kết
Tên liên kết
Kiểu liên kết
Kiểu liên kết
Tính chất
Tính chất
Ví dụ
Ví dụ
Năng lượng
Năng lượng
Mạng
Mạng
(kJ/mol)
(kJ/mol)
Ion
Ion
Cation và anion
Cation và anion
Giòn, trong suốt,
Giòn, trong suốt,

cách điện, T
cách điện, T
nc
nc
cao
cao
NaCl
NaCl
765
765
Cộng
Cộng
hóa trò
hóa trò
Các nguyên tử
Các nguyên tử
dùng chung vỏ
dùng chung vỏ
electron
electron
Cứng, cách điện,
Cứng, cách điện,


T
T
nc
nc
cao
cao

Kim
Kim
cương
cương
710
710
Kim loại
Kim loại
Các ion dương t o ạ
Các ion dương t o ạ
thành mạng trong
thành mạng trong
không gian điện tử tự
không gian điện tử tự
do chung
do chung
Dẫn điện, không
Dẫn điện, không


trong suốt
trong suốt
Na
Na
110
110
Phân tử
Phân tử
Lực Van Der Waals
Lực Van Der Waals

giữa các phân tử
giữa các phân tử
Mềm, không dẫn
Mềm, không dẫn
điện, T
điện, T
nc
nc
thấp
thấp
Iốt
Iốt
10
10
Liên kết
Liên kết


hydro
hydro
Liên kết hydro giữa
Liên kết hydro giữa


các phân tử
các phân tử
Không dẫn điện,
Không dẫn điện,

T
T
nc
nc
thấp
thấp
Nước đá
Nước đá


H
H
2
2
O
O
(rắn)
(rắn)
50
50
VẬT LIỆU VÔ CƠ CÓ CẤU TRÚC
ĐA PHA, ĐA TINH THỂ
Cấu trúc: là đặc điểm về cấu tạo của vật liệu,
được xác đònh bởi:
•
- Kích thước hạt, hình dạng, cách phân bố,
sự đònh hướng và sự tiếp xúc giữa các hạt.
•
- Số lượng và chất lượng của thành phần
pha.

•
- Độ rỗng xốp.
•
Tính đồng nhất về cấu trúc cao sẽ làm tăng
tính chất của vật liệu.

TRẠNG THÁI TINH THỂ VÀ TRẠNG
TRẠNG THÁI TINH THỂ VÀ TRẠNG
THÁI VÔ ĐỊNH HÌNH
THÁI VÔ ĐỊNH HÌNH

Chất rắn: -Liên kết chặt, hình dạng xác đònh.
tinh thể: các phần tử (ion,nguyên tử, phân tử) phân bố theo
quy luật đối xứng, tuần hoàn tạo thành mạng lưới;
vô đònh hình: các phần tử hỗn độn, không theo trật tự.
Vô đònh hình trạng thái trung gian giữa chất rắn và chất lỏng.
-Tương tự chất rắn tinh thể: không biến đổi hình dạng theo bình
chứa, những tính chất vật lý như độ cứng, tính đàn hồi
-Tương tự chất lỏng: độ đồng nhất, bất đối xứng
VẬT CHẤT
KHÍ LỎNG RẮN
KHÍ
THƯỜNG
KHÍ
ION HĨA
(PLASMA)
LỎNG
THƯỜNG
LỎNG
KẾT TINH

RẮN
TINH THỂ
RẮN
VĐH
Ceramics
Ceramics
VAI TRỊ CÁC HỢP CHẤT SILICAT
VAI TRỊ CÁC HỢP CHẤT SILICAT
CHIẾM 70% KHỐI LƯỢNG VỎ TRÁI ĐẤT
Một cách đơn giản, có thể hiểu các hợp chất silicat là các hợp chất có chứa
nhóm oxit SiO
2
trong thành phần.
Nhóm sản phẩm được xem như ngành gốm sứ truyền thống dùng đất sét, cát, đá vôi và
tràng thạch làm nguyên liệu chính gồm có: gốm thô, gốm tinh vi, sứ, các loại vật liệu
chòu lửa (VLCL) dùng cho các lò công nghiệp như silic (hay dinas), samot, cao nhôm
Công nghệ sản xuất ximăng Poóclăng và thủy tinh silicat có vai trò riêng, rất đặc biệt
trong nhóm này.
Công nghiệp silicat
Công nghiệp silicat
Thuật ngữ “khoáng”
Thuật ngữ “khoáng”

Các chuy n bi n pha r n th ng r t ch m => ch t ph gia khoáng hóa c ể ế ở ắ ườ ấ ậ ấ ụ đượ
Các chuy n bi n pha r n th ng r t ch m => ch t ph gia khoáng hóa c ể ế ở ắ ườ ấ ậ ấ ụ đượ
cho thêm vào nh m t ng t c chuy n hóa.ằ ă ố độ ể
cho thêm vào nh m t ng t c chuy n hóa.ằ ă ố độ ể

C ch tác d ng c a khoáng hóa ph thu c nhi u vào c ch ph n ngơ ế ụ ủ ụ ộ ề ơ ế ả ứ
C ch tác d ng c a khoáng hóa ph thu c nhi u vào c ch ph n ngơ ế ụ ủ ụ ộ ề ơ ế ả ứ


T ng l ng pha l ng, gi m nhi t xu t hi n pha l ng, ng n c n quá trình hòa ă ượ ỏ ả ệ độ ấ ệ ỏ ă ả
T ng l ng pha l ng, gi m nhi t xu t hi n pha l ng, ng n c n quá trình hòa ă ượ ỏ ả ệ độ ấ ệ ỏ ă ả
tan ng c c a tinh th , chuy n d ng sai sót c u trúc, t o tr ng cân b ng t nh ượ ủ ể ể ạ ấ ạ ườ ằ ĩ
tan ng c c a tinh th , chuy n d ng sai sót c u trúc, t o tr ng cân b ng t nh ượ ủ ể ể ạ ấ ạ ườ ằ ĩ
i n, b n v ng c u trúc tinh th .đ ệ ề ữ ấ ể
i n, b n v ng c u trúc tinh th .đ ệ ề ữ ấ ể
10
TÍNH CHẤT VẬT LIỆU SILICAT

Tồn tại trạng thái tinh thể và trạng thái vô đònh hình

Nhiệt độ nóng chảy cao

Giòn ở nhiệt độ thường

Độ bền cơ học: độ bền thực tế của VL vô cơ thấp hơn
nhiều so v i b n lớ độ ề ý thuyết
Độ bề thực tế dao động trong một phạm vi rộng do các
khuyết tật phân bố mang tính thống kê.
Phần lớn độ dẫn điện và dẫn nhiệt tương đối thấp
Bền nén và khả năng chòu mài mòn cao, bền uốn thấp
Các trạng thái của silicat
Các trạng thái của silicat
Silicat
Tinh thể Vô định hình Phân tán cao
Cấu trúc hợp chất Silicat và
Cấu trúc hợp chất Silicat và
alumino-Silicat
alumino-Silicat


Tứ diện phối trí cơ bản [Si0
Tứ diện phối trí cơ bản [Si0
4
4
]
]
-4
-4
–
B n ion Oố
B n ion Oố
2-
2-
bao quanh ion Si
bao quanh ion Si
4+
4+


–
Khoảng cách Si – O: 1.62A
Khoảng cách Si – O: 1.62A
0
0


–
R
R

A
A
/R
/R
K
K
= 0,39
= 0,39
–
S ph i tríố ố
S ph i tríố ố
: 4
: 4
–
Al
Al
3+
3+
có thể thay thế một phần
có thể thay thế một phần
Si
Si
4+
4+

Tứ diện [ SiO
Tứ diện [ SiO
4
4
]

]
4-
4-


có khả năng liên kết với nhau và với cation khác.
có khả năng liên kết với nhau và với cation khác.

Các tứ diện [ SiO
Các tứ diện [ SiO
4
4
]
]
4-
4-
liên kết với nhau, có thể chung 1, 2, 3, hoặc 4 đỉnh, nhờ đó các hợp
liên kết với nhau, có thể chung 1, 2, 3, hoặc 4 đỉnh, nhờ đó các hợp
chất Silicat rất đa dạng.
chất Silicat rất đa dạng.
Cấu trúc hợp chất Silicat và
alumino-Silicat
Silicat ở trạng thái vô
Silicat ở trạng thái vô
định hình
định hình

Có hai tr ng thái: l ng và th y tinhạ ỏ ủ
Có hai tr ng thái: l ng và th y tinhạ ỏ ủ


Tr ng thái l ng: Ch t l ng không sai sót, ch t l ng có h ng, ch t l ng ạ ỏ ấ ỏ ấ ỏ ướ ấ ỏ
Tr ng thái l ng: Ch t l ng không sai sót, ch t l ng có h ng, ch t l ng ạ ỏ ấ ỏ ấ ỏ ướ ấ ỏ
không tr t tậ ự
không tr t tậ ự

Tr ng thái th y tinh: ạ ủ
Tr ng thái th y tinh: ạ ủ
Các quá trình nhiệt độ cao
Các quá trình nhiệt độ cao

Hi n t ng khu ch tán: là s di chuy n ch t nh m t o cân b ng thệ ượ ế ự ể ấ ằ ạ ằ ế
Hi n t ng khu ch tán: là s di chuy n ch t nh m t o cân b ng thệ ượ ế ự ể ấ ằ ạ ằ ế

K t kh i: là quá trình t r n ch c c a v t li u d i tác d ng c a nhi t ế ố ự ắ ắ ủ ậ ệ ướ ụ ủ ệ độ
K t kh i: là quá trình t r n ch c c a v t li u d i tác d ng c a nhi t ế ố ự ắ ắ ủ ậ ệ ướ ụ ủ ệ độ
cao
cao
Material
Table 1
Cách viết công thức các
Cách viết công thức các
silicat theo thành phần
silicat theo thành phần

Theo th t hóa tr oxit t ng d n, cu i cùng là SiOứ ự ị ă ầ ố
Theo th t hóa tr oxit t ng d n, cu i cùng là SiOứ ự ị ă ầ ố
2
2
. VD: K
. VD: K

2
2
O.Al
O.Al
2
2
O
O
3
3
.6SiO
.6SiO
2
2

Theo th t cation hóa tr m t, hai, ba… sau cùng là Si và t ng s oxi. VD: ứ ự ị ộ ổ ố
Theo th t cation hóa tr m t, hai, ba… sau cùng là Si và t ng s oxi. VD: ứ ự ị ộ ổ ố
K
K
2
2
Al
Al
2
2
Si
Si
6
6
O

O
16
16
Theo cấu trúc
Theo cấu trúc

Các a di n ph i trí c vi t trong ngo c [ ]đ ệ ố đượ ế ặ
Các a di n ph i trí c vi t trong ngo c [ ]đ ệ ố đượ ế ặ

N u g c c u trúc liên k t m ch vô h n, ta thêm ký hi u ế ố ấ ế ạ ạ ệ
N u g c c u trúc liên k t m ch vô h n, ta thêm ký hi u ế ố ấ ế ạ ạ ệ

M ch chu i s i: 1. M t: 2. Kh i không gian: 3.ạ ỗ ợ ặ ố
M ch chu i s i: 1. M t: 2. Kh i không gian: 3.ạ ỗ ợ ặ ố

D u ( ) dùng ch thay th ng hìnhấ để ỉ ế đồ
D u ( ) dùng ch thay th ng hìnhấ để ỉ ế đồ


∞
Các phương pháp nghiên
Các phương pháp nghiên
cứu
cứu

Ph ng pháp nhi u x R n ghen: (XRD)ươ ễ ạ ơ
Ph ng pháp nhi u x R n ghen: (XRD)ươ ễ ạ ơ

Ph h ng ngo i: (IR)ổ ồ ạ
Ph h ng ngo i: (IR)ổ ồ ạ


Kính hi n vi i n t quét: (SEM)ể đ ệ ử
Kính hi n vi i n t quét: (SEM)ể đ ệ ử

Phân tích nhi t vi sai: (DTA)ệ
Phân tích nhi t vi sai: (DTA)ệ
21
Ceramics in Distributed Energy
Applications
Dave Stinton
Oak Ridge National Laboratory
Bill Ellingson Argonne
National Laboratory
Si
Si
3
3
N
N
4
4
bearings are used in DE
bearings are used in DE
applications from 100 kW
applications from 100 kW
microturbines to 1.5 MW wind
microturbines to 1.5 MW wind
turbines
turbines
Longer life

Longer life
Lower friction
Lower friction
70% stiffer
70% stiffer
60% lighter
60% lighter
2” diameter ball bearings
Sử dụng ceramic trong các động cơ
Sử dụng ceramic trong các động cơ
kiểu pittông có khả năng cải thiện các
kiểu pittông có khả năng cải thiện các
tính chất và giảm giá thành
tính chất và giảm giá thành
•
Thành phần Zirconia được
Thành phần Zirconia được
sử dụng làm xi lanh nhiên
sử dụng làm xi lanh nhiên
liệu của động cơ Cummins
liệu của động cơ Cummins
•
Si
Si
3
3
N
N
4
4

cam roller followers
cam roller followers
are used in Detroit Diesel
are used in Detroit Diesel
Corporation (DDC) engines
Corporation (DDC) engines
•
Si
Si
3
3
N
N
4
4
valves are being
valves are being
developed for reciprocating
developed for reciprocating
Xi lanh nhiên liệu chiu áp suất cao
Xi lanh nhiên liệu chiu áp suất cao
bằng Zirconia ceramics trong động cơ
bằng Zirconia ceramics trong động cơ
diesel làm giảm tổn thất và tăng độ
diesel làm giảm tổn thất và tăng độ
tin cậy
tin cậy
•
Excellent wear and
Excellent wear and

corrosion
corrosion
resistance keeps
resistance keeps
injectors from
injectors from
sticking
sticking
•
Injectors operate at
Injectors operate at
20,000-35,000 psi –
20,000-35,000 psi –
thus very tight
thus very tight
tolerances required
tolerances required
to accurately meter
to accurately meter
fuel
fuel