Chương 9 : VẬT LIỆU VÔ CƠ CERAMIC

Chương 9
VẬT LIỆU VÔ CƠ CERAMIC
9.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU VÔ CƠ.
9.1.1 Ðịnh nghĩa và phân loại.
 Ðịnh nghĩa.
Vật liệu vô cơ được tạo thành từ các hợp chất hóa học của các nguyên tố kim loại kết
hợp với các nguyên tố khác khộng phải là kim loại hoặc được tạo thành từ các hợp chất hóa
học của các nguyên tố không phải là kim loại kết hợp với nhau.
Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học của Menđêêép, có tới 75% các nguyên tố
hóa học tham gia cấu tạo nên vật liệu vô cơ. Hình 9.1 trình bày sơ đồ các nguyên tố hóa học
chính và những khả năng kết hợp giữa chúng để tạo nên vật liệu vô cơ.
Hình 9.1 Sơ đồ biểu diễn các nguyên tố hóa học chính
và những khả năng kết hợp giữa chúng để tạo nên vật liệu vô cơ.
Theo sơ đồ, một kim loại nào đó có thể kết hợp với bo để tạo nên borít, kết hợp với nitơ
để tạo ra nitrít, kết hợp với ô xy để tạo ra ôxýt, kết hợp với silic để tạo ra silixit. Tương tự như
trên ta co thế xuất phát từ nguyên tố bo hay nguyên tố silíc v.v. Sự kết hợp trên làm cho vật
liệu vô cơ rất phong phú và đa dạng về thành phần hóa học cũng như vê tính chất của chúng.
Các dạng hợp chất hóa học thường gặp trong vật liệu vô cơ có thể kể đến đơn kim loại
như ôxýt nhôm trong gốm corindông, đơn ôxýt bán kim loại như SiO
2
trong thủy tinh thạch
anh, hỗn hợp nhiều ôxýt kim loại như sứ, thủy tinh silicát, các nguyên tố không hải kim loại
như bo, các bon, các các bít, nítrít của kim loại và bán kim loại như TiC, SiC, BN, ZrN, v.v.
Vật liệu vô cơ là một nhóm vật liệu lớn, giáo trình này chỉ trình bày các vấn đề cơ bản
và các đại diện chính mà thôi.
142
C
N
O
Si
Me

B
 Phân loại.
Vật liệu vô cơ có thể phân loại theo nhiều các khác nhau tùy theo mục đích của người
sử dụng. Người ta có thể phân loại theo thành phần hóa học, phân loại theo cấu trúc, theo
phương pháp công nghệ, hay theo lĩnh vực sử dụng v.v.
Thông thường người ta phân chia vật liệu vô cơ theo đặc điểm kết hợp và chúng được
chia ra làm ba nhóm chính là gốm và vật liệu chịu lửa, thủy tinh và gốm thủy tinh, xi măng và
bê tông. Lưu ý rằng ngày 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 cả ba nhóm vật liệu kể trên.
9.2 ÐẶC ÐIỂM CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU VÔ CƠ.
9.2.1 Liên kết nguyên tử trong vật liệu vô cơ.
Ðặc trưng quan trọng nhất về cấu trúc của vật liệu vô cơ là kiểu liên kết giữa các
nguyên tử cấu tạo nên chúng. Trong vật liệu vô cơ không có kiều liên jkết kim loại mà là sự kết
hợp giữa liên kết ion và liên kết đồng hóa trị. (Xem thêm mục liên kết nguyên tử trong chất rắn
trong chương 2 vật liệu tập 1). Do đặc điểm liên kết phức hợp là liên kết ion và liên kết đồng
hóa trị mà năng lượng liên kết trong vật liệu vô cơ là tương đối lớn, nằm trong khoảng 100 –
500 KJ.mol
-1
, trong khi đó trong vật liệu kim loại là 60 – 250KJ.mol
-1
.
Ðặc điểm liên kết phức hợp giữa liên kết ion và liên kết đồng hóa trị ảnh hưởng quyết
định đến một số tính chất đặc trưng của vật liệu vô cơ là vật liệu vô cơ có nhiệt độ nóng chảy
cao, mật độ lớn, cứng, giòn, trong suốt và cách điện tốt.
Vật liệu vô cơ có thể tồn tại ở các trạng thái cấu tạo khác nhau là trạng thái tinh thể thí
dụ như gốm SiC, các gốm đơn ôxýt, hay trạng thái vô định hình như vật liệu thủy tinh, hoặc
vừa tinh thể vừa vô định hình như sứ và gốm thủy tinh.
9.2.2 Trạng thái tinh thể và trạng thái vô định hình.
Trong phần này ta sẻ tìm hiểu một số đặc điểm cấu trúc của trạng thái tinh htể và trạng
thái vô định hình trongcác vật liệu vô cơ thông dụng.

a. Trạng thái tinh thể.
Mạng tinh thể của phần lớn các vật liệu vô cơ có thể coi một cách gần đúng là mạng
của các ion, trong đó các cation và anion chiếm vị trí các nút mạng.
Trong cấu trúc của các hợp chất vô cơ chứa ô xy, các nguyên tử ô xy thường có kích
thước lớn nhất nên chiếm nhiều chỗ nhất so với các cation trong không gian mạng tinh thể. Vì
thế có thể coi cấu trúc của các ôxýt và các hợp chất chứa ôxy là cấu trúc xếp sít nhau của các
quả cầu anion ô xy, còn các cation điền vào các nút trốnggiữa các quả cầu đó. Cách xếp cầu, vị
trí nút trống thường là nút trống hình bốn mặt và tám mặt sẽ qui định kiểu cấu trúc của hợp
chất đó. Thông thường người ta thường lấy cấu trúc của một số hợp chất có trong tự nhiên làm
đại diện.
b. Trạng thái vô định hình.
Khác với trạng thái tinh thể, trạng thái vô định hìnhđược tạo nên do sự sắp xếp một
cách không có trật tự, không theo qui luật của đơn vị cấu trúc cơ bản. Mạng lưới nguyên tử của
nó do đó không có các yếu tố đối xứng, không có tính tuần hoàn. Cấu trúc trên dẫn tới các tính
chất đặc trưng của vật liệu vô định hình là chúng có tính đẳng hướng (isotropic), có năng lượng
dư cao và không bền về nhiệt động.
Trạng thái vô định hình thu được thông thường bằng cách cho nguội nhanh hợp chất vô
cơ từ trạng thái lỏng nóng chảy.
143
Khác biệt với vật liệu tinh thể, các vật liệu ở trạng thái vô định hình thủy tinh thay đổi
tính chất đều đặn theo nhiệt độ, không có điểm đột biến khi chuyển trạng thái. Như vậy thủy
tinh không có nhiệt độ nóng chảy xác định như vật liệu tinh thể mà nó chuyển trạng thái từ từ
trong một khoảng nhiệt độ.
9.2.3 Vật liệu đa pha và đa tinh thể.
Vật liệu vô cơ có thành phần pha rất đa dạng. Ngoài những vật liệu một pha như thủy
tinh, gốm đơn ôxýt, phần lớn vật liệu vô cơ là loại vật liệu có nhiều pha.
Trong vật liệu vô cơ nhiều pha, pha chính là các pha tinh thể được liên kết với nhau bởi
các pha vô định hình. Ngoài ra trong vật liệu vô cơ này còn luôn có pha khí tôn tại dưới dạng
các bọt khí xen kẽ. Pha khí có trong vật liệu thông thường do điều kiện công nghệ không thể
tránh được nhưng cũng có trường hợp người ta chủ ý đưa vào để nhằm mục đích nhất định thí

dụ như tăng độ xốp để làm vật liệu nhẹ và cách điện như gốm xốp, thủy tinh xốp và bê tông
xốp v.v.
Do điều kiện công nghệ nên vật liệu vô cơ tinh thể không có cấu trúc đơn tinh thể mà
đều là vật liệu đa tinh thể, nghĩa là nó được tạo bởi vô số các hạt itnh thể kích thước nhỏ, phân
bố không có quiluật trong vật liệu. Các hạt tinh thể này có thể có cùng thành phần hóa học
hoặc có thể có thành phần hóa học khác nhau. Các hạt tinh thể trong vật liệu vô cơ thường có
cấu trúc không hoàn chỉnh, chứa nhiều khuyết tật.
9.3 TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU VÔ CƠ.
9.3.1 Cơ tính của vật liệu vô cơ.
 Tính chất đàn hồi và tính dòn.
Vật liệu vô cơ là loại 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 thử
hoàn toàn tuân theo định luật Hooke:
σ
=E.
ε
Trong đó E là môdun đàn hồi.
Hình 9.2 trình bày quan hệ giữa ứng suất σ và độ biến dạng ε của hai loại vật liệu
khác nhau, vật liệu vô cơ và vật liệu kim loại với:
• đường 1 đường biểu diễn vật liệu vô cơ.
• đường 2 đường biểu diễn vật liệu kim lọai.
Hình 9.2 Mối quan hệ giữa
σ
và
ε
của vật liệu vô cơ và vật liệu kim loại.
144
Từ hình vẽ ta nhận thấy ở trên giới hạn đàn hồi vật liệu vô cơ bị phá hủy ngay mà
không có giai đoạn biến dạng dẻo như vật liệt kim loại. Ðây chính là đặc trưng của tính giòn
của vật liệu vô cơ.

 Ðộ bền cơ học.
Ðộ bền cơ học của vật liệu vô cơ không phải do năng lượng liên kết nguyên tử cấu tạo
nên nó quyết định mà do tình trạng khuyết tật trên bề mặt và bêntrong vật liệu quyết định. Khi
số lượng vết nứt tế vi và kích thước vết nứt tăng thì cơ tính giảm
Ở các vật liệu vô cơ tinh thể, kích thước của các hạt tinh thể cấu tạo nên vật liệu có ảnh
hưởng rõ tới cơ tính của vật lịêu. Khi kích thước hạt càng giảm thì bề mặt ranh giới giữa các
hạt tăng lên, sẽ có tác dụng ngăn chặn hoặc làm thay đổi hướng lan truyền vết nứt, vì thế độ
bền cơ học của vật liệu tăng lên.
Ngoài ra khi hàm lượng bọt khí trong vật liệu tăng thì độ bền giảm không chỉ do diện
tích chịu lực giảm, mà còn do tại các chỗ rỗ khí thường tập trung tạp chất và ứng suất. Hình
dạng bọt khí cũng ảnh hưởng tới cơ khí. Các bọt khí dài làm giảm độ bền mạnh hơn so với các
bọt khí tròn.
Tuy nhiên, khi hàm lượng bọt khí rất thấp chẳng hạn khoảng 0,1 tới 0,5% và kích thước
của chúng lại rất nhỏ có thể làm tăng độ bền. Trong trường hợp này các lỗ hổng cực mịn đóng
vai trò các turng tâm hấp thụ năng lượng có tác dụng ngăn chặn sự lan truyền vết nứt và giải
toả ứng suất phá hủy vật liệu.
Cuối cùng, độ bền của vật liệu vô cơ còn phụ thuộc vào điều kiện và môi trường sử
dụng. Hơi ẩm và nhiệt độ chẳng hạn làm giảm năng lượng bề mặt riêng nên làm giảm độ bền.
Tốc độ tải trọng tăng càng lớn, kích thước mẫu càng nhỏ thì kết quả đo độ bền càng cao. Vì thế
xác định độ bền của vật liệu vô cơ cần phải được thực hiện theo đúng các qui định ghi trong
các tiêu chuẩn.
9.3.2 Tính chất nhiệt của vật liệu vô cơ.
 Tính giãn nở nhiệt.
Ðể đánh giá mức độ giãn nhở nhiệt của vật liệu vô cơ người ta sử dụng hệ số giãn nở
nhiệt dài α theo công thức:
Tl
l
o
∆
∆

=
.
α
(
0
C
-1
)
Trong đó l
0
là độ dài ban đầu của mẫu; ∆l là độ giãn dài của mẫu khi nhiệt độ tăng thêm
∆T độ.
Ngoài ra, người ta còn quan tâm đến hệ số giãn nở nhiệt thể tích β:
TV
V
∆
∆
=
.
0
β
(
0
C
-1
)
Với V
0
là thể tích ban đầu của mẫu; ∆V là độ giãn nở thể tích của mẫu khi nhiệt độ tăng
thêm ∆T độ.

Một cách gần đúng β ≈ 3α.
Các bạn xem thêm tính chất nhiệt của vật liệu đã được trình bày trong Vật liệu học tập
1 trang 27 - 28.
145
Trong nhiều vật liệu vô cơ – gốm, lực liên kết giữa các nguyên tử khá mạnh và được
phản ánh ở giá trị hể số giãn nở nhiệt tưong đối thấp trong khoảng 0,5.10
-6
và 15.10
-6
(
0
C
-1
).
Ở các gốm không tinh thể và các gốm có cấu tinh thể lập phương hệ số giãn nở nhiệt là
đảng hướng. Ngược lại trong một số gốmhệ số giãn nở nhiệt lại có tính dị hướng, khi nung
nóng thì chúng co theo một hướng và nở ra theo một vài hướng khác. Hệ số giãn nở nhiệt của
vật liệu vô cơ đa pha phụ thuộc vào hệ số giãn nở nhiệt của các pha thành phần. Các tạp chất
làm tăng hệ số giãn nở nhiệt.
Vật liệu gốm làm việc trong điều kiện tăng, giảm nhiệt cần phải có hệ số giãn nở nhiệt
tương đối tấp và đẳng hướng. Ngoài ra, những vật liệu giòn này có thể bị nứt vỡ do sự thay đổi
kích hước không đồng đều, gọi là “sốc” nhiệt.
[[
 Tính dẫn nhiệt.
Về nguyên tắc, vật liệuđơn tinh thể có độ dẫn nhiệt cao hơn vật liệu đa tinh thể, vật liệu
6inh 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 vì có mặt của các điện tử tự do.
Sự có mặt của các 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.

Hầu hết các vật liệu cách nhiệt sử dụng trong kỹ thuật là các vật liệu xốp vì tỉ lệ lỗ xốp
trong vật liệu lớn nên vật liệuc có hệ số dẫn nhiệt rất nhỏ. Tuy nhiên khi 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.
[[[
 Tính truyền nhiệt bức xạ.
Ngòai khả năng truyền 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 cô cơ có tỉ lệ pha vô định hình và pha khí
(trong các lỗ xốp) cao, khi nhiệt độ tăng cao, vai trò truyền nhiệt bức xạ sẽ tăng lên và có thể
chiếm ưu thế so với truyền nhiệt dẫn nhiệt. Thông thường vật liệu vô cơ truyền nhiệt bức xạ
một cách đáng kể bắt đẩu từ nhiệt độ trên 300
0
C.
Các lỗ xốp trong vật liệu vô cơ cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt bức xạ của
vật liệu. Các lỗ xốp có kích thước càng lớn, khả năng truyền nhiệt bức xạ của vật liệu càng cao.
 Ðộ bền xung nhiệt.
Ðộ bền xung nhiệt là khả năng bền vững cơ học của vật liệu vô cơ dưới tác dụng nhiệt
độ thay đổi đột ngột; nó được xác định bằng khỏang chênh lệch nhiệt độ ∆T lớn nhất hoặc số
lần thay đổi nhiệt độ đột ngột theo các điều kiện qui định về tốc độ và khỏang nhiệt độ thay
đổi, kích thước mẫu v.v. 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 bền cơ học, độ dẫn nhiệt, tổ chức vi mô và vĩ mô của vật liệu, hình dáng và kích thước
mẫu thử cũng như điều kiện đo đạc v.v.
Ðộ bền xung nhiệt thực của vật liệu vô cơ thông thường được xác định bằng thực
nghiệm theo các tiêu chuẩn qui định đối với từng lọai vật liệu hoặc từng lọai sản phẩm sản xuất
từ vật liệu vô cơ.
9.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU VÔ CƠ THƯỜNG GẶP.
9.4.1 Thủy tinh.
 Tổng quan
146