Bài giảng Vật liệu học Chương 3: Vật liệu ceramic

VẬT LIỆU HỌC

Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

1


Chương 3
Cấu trúc của vật liệu vô cơ
3.1.Bản chất & Phân loại
3.2.Liên kết nguyên tử
3.3. Cấu trúc của vật liệu

Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

2


3.1.Bản chất & Phân loại
 Gốm (đất nung) : vật liệu chế tạo từ đất sét
(cao lanh :Al2O3.2SiO2.2H2O)
 Thuỷ tinh

: SiO2-CaO-Na2O

 Ximăng

: CaO-SiO2-Al2O3

Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

3


3.1.Bản chất & Phân loại
 Bản chất:
Ceramic (Vật liệu vô cơ) được tạo thành từ các hợp
chất hóa học giữa kim loại (Me) với á kim (B, C, N,
O) Hoặc các á kim với nhau
 Phân loại: theo đặc điểm kết hợp
 Gốm và Vật liệu chịu lửa
 Thuỷ tinh và Gốm thủy tinh
 Ximăng và Bêtông
Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

4


3.2.Liên kết nguyên tử
 V.vô cơ = Ngtố KL + Ngtố á kim=>
Ng.tử :  kích thước;  vỏ điện tử ;  lực liên kết
 Độ âm điện: χkl  χakim 
Điện tử hóa trị “e” của k.loại  dịch chuyển về phía

Á kim =>Liên kết ion

Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

5


 Ví dụ : Vật liệu silicat : SiO2
O: Z=8

Si: Z = 14

1S2 2S2

1S2 2S2

2P4

2P6

3S1

3p3

 Si có 4 e tham gia liên kết :
Điện tử “e” của Si dich chuyển về 4 ngtử Oxy 
Si4+, O2- => Liên kết ion
Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

6


• Mỗi ion Si4+ bao quanh bởi 4 ion O2- =>
Tứ diện tam giác đều (SiO4)4- ( Đa diện phối trí
(SiO4)4- )

Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

7


• Mỗi ion Si4+ bao quanh bởi 4 ion O2- =>
Tứ diện tam giác đều (SiO4)4- ( Đa diện phối trí
(SiO4)4- )

Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

8


• Để đảm bảo trung hòa về điện : Mỗi ion O2- là đỉnh
chung của 2 khối tứ dịên

=> Liên kết cộng hóa trị  Mạng tinh thể

Mạng kh.gian 3 chiều
Tháng 02.2006

Mạng kh.gian 2 chiều
TS. Hà Văn Hồng

9


Liên kết ion: chủ yếu
Liên kết cộng hóa trị : ít
Hợp chất

LK ion, %

Hợp chất

LK ion, %

K-O

90

Al-O

60

Mg-O

80

B-O

45

Zr-O

67

Si-O

40

Ti-O

63

C-O

22

 Năng lượng liên kết : E = 100 – 500 kj/mol
(đối với kim loại E =60 – 250 kj/mol)
Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

10

3.3.Cấu trúc của vật liệu
3.3.1.Cấu trúc tinh thể
3.3.2.Cấu trúc vô định hình
3.3.3.Vật liệu đa pha và đa tinh thể
3.3.4.Khuyết tật trong mạng tinh thể
Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

11


3.3.1.Cấu trúc tinh thể
Cấu trúc = f (Liên kết ion, Liên kết cộng hóa trị)
Ion( )
const
Ion()

Liên kết hóa học  Tỷ số

Vì  (e-cho của cation) = (e-nhận của anion) =>
Trung hồ điện tích: =>

CaF2 :
Tháng 02.2006

Ca2+
Cation

TS. Hà Văn Hồng

F+

Anion
F12


 Liên kết ion:  Sắp xếp các ion ???
 Các ion hút nhau theo mọi hướng



Đạt độ xếp chặt & tính đối xứng cao =>
Cấu trúc bền vững:

Khơng bền
Tháng 02.2006

Bền vững
TS. Hà Văn Hồng

Bền vững
13


 Bán kính ion : Rc < Ra
Cation

Rc, nm

Cation

Rc, nm

Anion

Ra,nm

Al3+

0.053

Mg2+

0.072

Br-

0.196

Ba2+

0.136

Mn2+

0.067

Cl-

0.181

Ca2+

0.100

Na+

0.102

F-

0.133

Cs2+

0.170

Ni2+

0.069

I-

0.220

Fe2+

0.077

Si4+

0.040

O2-

0.140

Fe3+

0.069

Ti4+

0.061

S2-

0.184

K+

0.138

Zn2+

0.074

Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

14


 Cấu trúc : Mạng tinh thể của anion

Nút mạng : Ion (-)

Lỗ hổng : Ion (+)

 Số phối trí n: số aniom xếp bao quanh cation
Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

15


Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r+/r-)
n = 2

Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

16

Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r+/r-)
n = 3

r
3



r r
2

AP
3
0
cos 30 
2
AO


r
2
3 
3
r


 1 0.115
r  (r  r ) 1  (1   )  
r
3

2
2
r


Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

17


Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r+/r-)
n = 4

Tam giác EFH

 2r 


2

2

2

a a
a
     2 
 2  2

 2

a
2r 
2
2


Tháng 02.2006

2

(1)
TS. Hà Văn Hồng

18


2

 BH  2  BF  2   FH  2

a
BH 
3 2 r   r 
2



2



a

r 

2
3

r



r

r
3

1

2
r
Tháng 02.2006

4


/ : r-

r

3

2r  

Thay (2) vào (1) :


2

a a a
a
        3 
 2  2  2
 2

4
3



2

r

r





r

2  r
1  
1
3 r

(2)



2
2

/:2





r
 0.225

r
TS. Hà Văn Hồng

19

Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r+/r-)

n = 6 : Xét tam giác AEC :
 AC  2  AE  2   EC  2
 2r 


2

2

2

a a
a
     2 
 2  2
 2

a
2r 
2
2

2

(1)



Khi 2 ion trái dấu tiếp xúc





2 r r
Tháng 02.2006



 a

(2)

TS. Hà Văn Hồng

20


Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r+/r-)
hay

Thay (2) vào (1) ta có :


2 r r
2r 
2



 r
1 1  
 r



2

 2

 2



2r   r   r 



2

/ :2r-

r
2

1

r

2

r
0.414

r
Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

21


n = 8

- Các ion trái dấu tiếp xúc nhau
2r  a

 2r



r






2

(1)

a 2  a 2  a 2 3a 2



2(r  r ) a 3
Thay (2) vào (1) :
1  r
1  1  
3 r
Tháng 02.2006





a



2r 

2
3

r



r





r
 3 1

r
TS. Hà Văn Hồng

2
3

(r   r  )


r 

1
3

(2)

r



r



/:r-

r
0.732

r
22


Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí :
phụ thuộc Rc/Ra
- Vì Rc< Ra  Rc/Ra < 1
-  Rc/Ra   n
Tỷ số
Rc/Ra
Số P.trí

< 0.155

0.1550.225

0.2250.414

0.4140.732

0.7321.00

2

3

4

6

8

Dạng
Phân bố
ion

Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

23


• Cấu trúc MX
NaCl: Rc= 0.102nm
Ra = 0.181 nm
Tỷ số Rc/Ra= 0.564
Số sắp xếp ?
Tỷ số Cation/Anion = 1/1
Dạng cấu trúc (dạng phân bố)?

ROCK SALT STRUCTURE

Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

(other solids with rock salt structure: MgO, MnS, LiF, FeO…)

24


• Cấu trúc MX
ZnS: Rc = 0.074nm
Ra= 0.184 nm
Rc/Ra = 0.402

Số sắp xếp # = 4

Tỷ số Cation/Anion = 1/1
Dạng cấu trúc (dạng phân bố)?

(other solids with zinc blende structure: ZnTe, CdS, SiC…)
Tháng 02.2006

TS. Hà Văn Hồng

25