1 giới thiệu

 Phân loại theo công nghệ: Những quá trình chung nhất về chuẩn bị nguyên liệu, tạo hình, biến đổi chất…  Phổ biến hơn là phân loại theo nhóm thành phần, cấu trúc và tính chất vật...

 1 – Lê Công D ng, ưỡ V t li u h c, Nxb KHKT Hà N i, Hà N i 1997 ậ ệ ọ ộ ộ

 2 – Đ Quang Minh, Hóa h c ch t r n, Nxb ĐHQG Tp HCM 2016 ỗ ọ ấ ắ

 Ti ng Anh: ế

 1 – Calister W.D., Material Science & Engineering – An

Introduction, 7 th edition, Wiley&Son, New York, USA, 1989

 2 – Van Vlack L.H., Elements of Material Science & Engineering 6 th edition, Wesley, Massachusetts, USA, 1989

CẤU TRÚC

CÔNG NGHỆ

TÍNH CHẤT

 Kỹ thuật (hay công nghệ) : Quá trình và

thiết bị sản xuất ra vật liệu

 Phân loại theo công nghệ: Những quá

trình chung nhất về chuẩn bị nguyên liệu, tạo hình, biến đổi chất…

 Phổ biến hơn là phân loại theo nhóm

thành phần, cấu trúc và tính chất vật

AND REMEMBER:

MATERIALS “DRIVE” OUR

SOCIETY!

 Ages of “Man” we survive based on the materials we control

 Stone Age – naturally occurring materials

 Special rocks, skins, wood

 High Strength Alloys

 Non-Ferrous and Polymer Age

 Aluminum, Titanium and Nickel (superalloys) – aerospace

 Silicon – Information

 Plastics and Composites – food preservation, housing, aerospace and higher speeds

 Exotic Materials Age?

 Nano-Material and bio-Materials – they are coming and then …

NH NG KHÁI NI M KHÁC Ữ Ệ

 V t li u tiên ti n (Advanced Materials): ậ ệ ế Bán d n ẫ

(Semiconductor), Y sinh (Nanomaterials), Nano

(Nanomaterials), Thông minh (Smart Materials)

 Công ngh cao (Hightech): ệ Công ngh (k thu t đi u ệ ỹ ậ ềkhi n t đ ng m c cao, s n ph m không m i Năng su t ể ự ộ ứ ả ẩ ớ ấcao, giá thành gi m, không ô nhi m)ả ễ

 V t li u môi tr ậ ệ ườ ng (Ecomaterials): Công ngh xanh ệ

t o v t li u không (ho c ít) phát th i ô nhi m môi ạ ậ ệ ặ ả ễ

KHÁI NI M V CÁC D NG T N T I V T CH T Ệ Ề Ạ Ồ Ạ Ậ Ấ

 Vật chất: rắn, lỏng hoặc khí (thường hoặc plazma)

 Lỏng+Khí: phần tử liên kết yếu nhất, chuyển động tự

do

-Lỏng kết tinh: tinh thể lỏng.

 Chất rắn: -Liên kết chặt, hình dạng xác định

-Tinh thể hoặc vô định hình

tuần hoàn;

-Vô định hình: các phần tử hỗn độn, không theo trật tự.

và chất lỏng (hữu cơ: polymer Vơ cơ: thủy tinh)

-Tương tự chất rắn: không biến đổi hình dạng theo bình chứa, những tính chất vật lý như độ cứng, tính đàn hồi, trong suốt

-Tương tự chất lỏng: độ đồng nhất, bất đối xứng

SỰ CHUYỂN TRẠNG THÁI

RẮN – LỎNG - KHÍ

Chất rắn: Là những chất có độ nhớt từ 1012 Pa.s trở lên , còn các chất lỏng có độ nhớt nhỏ hơn 1012 Pa.s.

Phân biệt: X – ray

Xuất hiện tinh thể lỏng

Phân biệt: độ nhớt

Những thuyết cấu trúc thủy tinh

Các tính chất cơ bản của thủy

tinh

IT SHOWS UNIQUE PROPERTIES WHEN GRAIN SIZE DOWN TO NANO SCALE, EVEN AMORPHOUS CONFIGURATION

TH Y TINH KIM LO I Ủ Ạ

THỂ HIỆN TÍNH CHẤT RẤT ĐỘC ĐÁO, NHẤT LÀ KHI KÍCH THƯỚC HẠT Ở MỨC NANO, CŨNG NHƯ VÔ ĐỊNH HÌNH

TH Y TINH OXIT Ủ

Chế độ nhiệt làm tăng mức kết tinh.

Adapted from Fig 14.11, Callister 6e.

(Fig 14.11 is from H.W Hayden, W.G Moffatt,

and J Wulff, The Structure and Properties of

Materials, Vol III, Mechanical Behavior, John Wiley

and Sons, Inc., 1965.)

Vùng kết tinh

amorphous region

• Molecular weight , Mw: Mass of a mole of chains.

4

smaller Mw larger Mw

• Tensile strength (TS):

often increases with M w

Why? Longer chains are entangled (anchored) better.

• % Crystallinity : % of material that is crystalline.

TS and E often increase

amorphous region

Adapted from Fig 14.11, Callister 6e.

(Fig 14.11 is from H.W Hayden, W.G Moffatt,

and J Wulff, The Structure and Properties of

Materials, Vol III, Mechanical Behavior, John

Wiley and Sons, Inc., 1965.)

KH I L Ố ƯỢ NG PHÂN T VÀ M C K T TINH Ử Ứ Ế

Chain folded-model

 Many polymers crystallize as very thin platelets (or lamellae)

 Idea – the chain folds back and forth within an individual plate (chain folded model)

• Crystalline regions

– thin platelets with chain folds at faces

– Chain folded structure

CÁC LO I V T LI U Ạ Ậ Ệ

nhĩm:

- Gốm sứ, thủy tinh và ximăng,

- Vật liệu polyme,

- Kim loại và hợp kim,

- Composite.

 Theo cấu trúc:

- Cấu trúc tinh thể (đơn tinh thể và đa tinh thể).

- Cấu trúc vô định hình (vô cơ, hữu cơ) và vật liệu nano (vi tinh thể).

V T LI U KIM LO I Ậ Ệ Ạ

 V t li u kim lo i là s k t h p các nguyên t kim ậ ệ ạ ự ế ợ ố

lo i nh Fe, Al, Cu, Ag, Au… ạ ư

- Liên k t kim lo i: Nguyên t đ nh v , mây electron ế ạ ử ị ị

V T LI U CERAMIC (G M) Ậ Ệ Ố

 Th ng là h p ch t c a m t kim lo i và phi kim (Có oxy: ườ ợ ấ ủ ộ ạ

Al2O3, SiO2 không oxy: SiC, BN, Si3N4…)

 Liên k t chính: ion và c ng hóa trế ộ ị

A polymer is a generic term used to describe a substantially long molecule This

long molecule consists of structural units and repeating units strung together through chemical bonds The process of converting these units to a polymer is called

polymerization These units consist of monomers , which are typically small

molecules of low molecular weight.

CÁC LO I POLYMER Ạ

 Thermoplastic Polymer (nhi t d o): ệ ẻ c u trúc s i ấ ợ

ho c xích flexible M m, và d bi n m m khi đ t ặ ề ễ ế ề ố

nóng (Ví d : plastic) ụ

 Thermosetting Polymer (nhi t r n): ệ ắ c u trúc ấ

phân t có nhi u nhánh ngang ho c t o m ng ử ề ặ ạ ạ

không gian C ng và dòn (Epoxy) ứ

 Elastomer Polymers (đàn h i): ồ c u trúc phân t ấ ử

d ng trung gian c a hai lo i trên Có tính đàn h i

(rubber – cao su)

Polyethylene, polystyrene

DNA, RNA, and oligonucleotides

Polypeptides and proteins

Cartilage, scar tissue, muscle, much of us Kevlar, Kapton, Nylon

Dendrimers – well, sort of…

COMPOSITE

 Đa tinh th : do ể nhi u lo i tinh th ề ạ ể

 Phân bi t lo i tinh ệ ạ

th ể

*y u t đ i x ng coi nh toàn b không gian ế ố ố ứ ư ộ + S 1 = s , S 2 = i

 Tâm đ i x ng ố ứ ( C ) là đi m n m gi a đ ng th ng n i hai ể ằ ữ ườ ẳ ố

 Tr c đ i x ng ngh ch đ o ụ ố ứ ị ả Lin là tr c khi xoay đi m ụ ể

quanh tr c góc 360ụ o/n r i l y đ i x ng qua đi m trên tr c.ồ ấ ố ứ ể ụ

 M t đ i x ng ặ ố ứ là m t vuông góc v i đ ng n i hai đi m đ i ặ ớ ườ ố ể ố

x ng Các m t đ i x ng th ng đ c g i là m t g ng hay ứ ặ ố ứ ườ ượ ọ ặ ươ

g ng đ i x ng.ươ ố ứ

 Hai hình đ c coi là đ i x ng khi t t c các đi m c u t o có ượ ố ứ ấ ả ể ấ ạchung y u t đ i x ng.ế ố ố ứ

TÂM, TR C VÀ M TĐ I X NG Ụ Ặ Ố Ứ

CÁC VÍ DỤ

n a

nc

T O M NG T CÁC Ô C Ạ Ạ Ừ Ơ SỞ

ph n t đ nh nút m ng.ầ ử ở ỉ ạ

 Các ô c s khác: ơ ở tâm

kh i, tâm di n, tâm đáy.ố ệ

Ơ M NG C S Ạ Ơ Ở

P - mạng nguyên thủy; I - ô mạng tâm khối;

C - ô mạng diện tâm cơ sở; F - ô mạng tâm diện

Ơ M NG BRAVE Ạ

 Brave: có 14 dạng ô

mạng Brave) chia

thành bảy hệ tinh

thể

cấu trúc tinh thể như phép đối xứng của

 Có 32 phép đối xứng không gian tổ hợp

với 14 ô mạng Brave tạo nên toàn bộ 230 nhóm không gian tinh thể.

TH TÍCH B Y Ô M NG BRAVE Ể Ả Ạ

230 NHÓM Đ I Ố

n a

n r

c w b

v a

4

5 6

CH S PH Ỉ Ố ƯƠ NG TINH TH H SÁU PH Ể Ệ ƯƠ NG

 Phương trình mặt trong không gian:

hiệu (hkl): là những mặt //, tính chất giống nhau.

 Những mặt không // nhưng tính chất giống nhau, gọi là họ mặt

phẳng, ký hiệu {hkl}

nc

lz nb

ky na

 1

CH S MILLER (HKL) H L P Ỉ Ố Ệ Ậ

PH ƯƠ NG

e.g.: cubic system:

to identify planes:

Step 1 : Identify the intercepts on the x- , y- and z- axes (a/2, ∞, ∞)

Step 2 : Specify the intercepts in fractional co-ordinates (a/2a, ∞, ∞) = (1/2,0,0) Step 3 : Take the reciprocals of the fractional intercepts (2, 0, 0)

careful:

Only for cubic systems!

surface normal has the same Miller indices as the plane (e.g [111] perp to (111))

(210)

CH S MILLER H L C Ỉ Ố Ệ Ụ GIÁC

H M T M NG Ọ Ặ Ạ

Họ mặt mạng {hkl}

(100), (010), (001),

Ex: {100} = (100),

Adapted from Fig 3.8(b),

Callister & Rethwisch 8e.

3. Adjust to smallest values

4. Enclose in square brackets, no commas, for three-axis

5 Convert to four-axis Miller-Bravais lattice coordinates using equations below:

6 Adjust to smallest integer values and

enclose in brackets [uvtw]

Adapted from p 74, Callister

& Rethwisch 4e.

Algorithm

DETERMINATION OF HCP CRYSTALLOGRAPHIC DIRECTIONS

2 2

1

a

l k

h d

2 2

2

1

c

l a

2 2

2 2

1

c

l b

k a

h

2

2 2

2 2

k hk

l b

k a

h d







cos 2

sin sin

4

1

2

2 2

2 2

2

2 2

(cos 2

) cos cos

(cos 2

) cos cos

(cos 2

sin sin

sin

1

2 2

2 2

2 2 2 2

2 2 2 2

2 2 2 2

2 2

kla

hkabc b

a l c

a k c

b

h V

h d

Các công th c tính kho ng cách m t ứ ả ặ d

theo giá tr {hkl} ị

 gặp các phần tử cấu tạo,

 chúng sẽ bị phản xạ

(H.1.4)

giao thoa xảy ra khi :

 2dsin  = nl (1.2)

l - chiều dài sóng tia tới (nm);

 - góc tới

d - khoảng cách hai mặt mạng (nm)

n - số nguyên tự nhiên ( n = 1,2,3 n).

CHỨNG TỎ SỰ TỒN TẠI MẠNG LƯỚI

TINH THỂ.

Phương pháp X-ray củng cố vững chắc về mặt thực nghiệm các quan điểm về cấu trúc mạng lưới không gian tinh thể.

Tia X

Bộ ghi D ()detector

d



PH ƯƠ NG TRÌNH WULF-BRAGG

& PHÂN TÍCH X - RAY

 Thu được phổ X –ray

 biết l (Cu, K)

 biết góc tới ,

 có thể tính được d (là đại

lượng đặc trưng cho khống

cần biết)

 (1.3)

 Cho tới nay, đây là phương

pháp phân tích cấu

trúc hiệu quả nhất.



l



sin2

n d

y

c

HĨA H C TINH TH Ọ Ể :

BÁN KÍNH NGUYÊN T , ION Ử

 1.4.1.Khái niệm và đ ịnh nghĩa

 Thực tế, các phần tử khơng phải điểm hình học.

 Cĩ khơng gian ảnh hưởng, một kích thước cụ thể

 Coi là dạng cầu: vùng không gian ảnh

hưởng (phần tử khác không thể xen

lẫn) gọi là bán kính.

 Bán kính khác nhau, tùy thuộc vào hợp chất hóa học

 Hoạt tính của chất rắn = khả năng

chuyển vị tạo sắp xếp mới trong phản ứng hóa học,

CÁCH S P X P SÍT CH T TRONG C U Ắ Ế Ặ Ấ

TRÚC

 Ion, nguyên tử = cầu đồng chất, đồng bán kính,

lượng cực tiểu (liên kết bền vững

nhất): Các quả cầu sắp xếp đầy (chặt chẽ) nhất trong không gian.

 Sắp xếp : các hình cầu luôn tiếp xúc

nhau

 Điển hình kim loại, cac bon

 Lực liên kết: liên kết kim loại (mây

electron tự do trong không gian cấu trúc), hoặc Van der Waals

5 6

MỘT LỚP HAI LỚP

CÁCH S P X P SÍT CH T TRONG C U Ắ Ế Ặ Ấ TRÚC

 Nếu các quả cầu

đồng nhất, có

hai cách sắp xếp

để các quả cầu

HCP & FCC

A B A B A B

A A

B C A B C A B

CÁCH XÁC Đ NH Ị

M L ,M S ,M V

a

r a

1

]101[

2 2

1

2

1 2

1

a

r a

2. 1 2

14

14

a

r a

2

3

.3

43

1

14

142

14

a

r a

3

3

4

1

.3

4.2

168

18

a

r a

Mật độ xếp theo mặt (100)

Mật độ xếp theo mặt (111)

Mật độ thể tích lập phương tâm mặt:

2D repeat unit

nm 2

atoms 7.0

m 2

atoms

3 2

R

3 16

TR ƯỜ NG H P RIÊNG: Ợ

FULLERENE VÀ “TINH TH H U C ” Ể Ữ Ơ

S P X P SÍT CH T C A NH NG Ắ Ế Ặ Ủ Ữ QU Ả

 Bao gồm cation & anion

 Cation bán kính bé, linh động hơn

 Anion sắp xếp sít chặt (lục giác & lập phương)

 Cation xen vào vị trí lỗ trống (tứ diện hoặc bát diện) do các anion tạo nên

 Kiểu sắp xếp phụ thuộc tỷ lệ R C : R A

S S P X P SÍT CH T TRONG KHƠNG GIAN Ự Ắ Ế Ặ

C A NH NG Ủ Ữ QU C U Ả Ầ KHÁC BÁN KÍNH

ĐA DIỆN PHỐI TRÍ

SỐ PHỐI TRÍ

Hình 1.7 a) Cấu hình phối trí tiếp xúc

b) Bền và không tiếp xúc, c) Không bền

PHỔ BIẾN VỚI CÁC HỢP CHẤT VÔ

CƠ, ĐẶC BIỆT LÀ CÁC OXIT, SUNFID.

 Khi RK tăng, số ion O2- bao quanh cũng

tăng

 Số phối trí phụ thuộc tỷ lệ RK : RA

 Đa diện phối trí: O2- tạo đa diện , Men+ xen vào lỗ trống

 Lỗ trống tứ diện (giữa bốn O2-) và bát diện (giữa sáu O2-) Các cation xen vào lỗ trống tạo sự sít chặt nhất phần lớn các cation có số phối trí 4 hoặc 6

 Một ion có thể có nhiều số phối trí

khác nhau trong những cấu trúc khác

nhau

 Ngồi tỷ lệ RK/RA cần xét: trạng thái liên

kết ion - cộng hóa trị, cấu tạo vỏ

electron, tỷ lệ hóa trị và lượng tương đối các nguyên tử khác …

CÁC PH ƯƠ NG PHÁP XÁC Đ NH BÁN KÍNH Ị

ION

mạng a trong cấu

trúc lập phương

 Khi tham gia liên kết ion,

sắp xếp chặt chẽ

nhất: các anion tiếp

xúc nhau và tiếp xúc

với cation (H.1.8)

thông số ô mạng a Ta

THAM KH O: Ả

BÁN KÍNH ION THAY Đ I KHI LIÊN K T Ổ Ế

210 ,

0 260

0 259

Hiệu bán kính hai anion O2- và S2- không giống nhau

với những h/c khác nhau Vậy, bán kính các

anion thay đổi khi tham gia liên kết.

CÁC PH ƯƠ NG PHÁP XÁC Đ NH BÁN KÍNH Ị ION

 Theo số phối trí

 Số phối trí là số ion khác loại bao quanh ion được xét

 Shanon bán kính ion phụ thuộc vào số

phối trí

 Lấy bán kính anion oxy số phối trí 6 làm đơn vị, có:



 Với nhóm cấu trúc phối trí (các oxit,

sunfua, các silicát …), RA>>RK, nên độ linh động của anion rất kém so với độ linh

động của cation.

2

, O 0,140

VI O i

CÁC PH ƯƠ NG PHÁP XÁC Đ NH BÁN KÍNH Ị ION

H ình 1.11 T í nh bán kín h

ion số phối trí 6 H ình 1.12 T ính bán kí nh ion số phối trí 8

155 , 0 6

cos 30

r r

K A

A

r

r r

h r

r r

414 ,

0

2 4

cos 45

A

K A

K A

o

r

r r

r r

732 ,

0 1

3 )

( 2

A

K K

r r

r a

3) Với các cation cùng s.p.t., Rion

giảm khi điện tích ion tăng do

nén ép quỹ đạo electron:

nm

R Li IV  0 , 059 R Na IV  0 , 099nm

nm

R K IV  0 , 137 R Rb IV  0 , 152nm R Cs IV  0 , 167nm

4) Trong cùng phân nhóm, Rion

tăng khi số nguyên tử tăng

Ví dụ với phân nhóm I cùng s.p.t IV:

Ví dụ, với các nguyên tố chu

kỳ IV, số phối trí 6, :

Đ N TINH TH ĐA TINH Ơ Ể THỂ

KHÁI NI M TINH TH POLYMER Ệ Ể

Ví dụ polyethylene với MW > 100,000! ~3600 mers ~7200 carbons

• Polymers có thể có trọng lượng phân tử lớn.

• Có nhiều monomers

• Có thể có monomer khác nhau,

Polyethylene ho c ặ polythene (IUPAC hay poly(ethene)) là nhi t d o (ệ ẻ

thermoplastic ) dùng làm s n ph m dân d ng (túi đi ch ch t d o) Trên 60 tri u t n ả ẩ ụ ợ ấ ẻ ệ ấ /năm.

C U TRÚC POLYMER Ấ

 M ch polymer xác đ nh nhi u tính ch t c a v t li u: ạ ị ề ấ ủ ậ ệ

 Vô đ nh hình ị :

 Tinh thể:

KH NĂNG K T TINH POLYMER Ả Ế

 M t trong nh ng khác bi t c a tinh th polymer ộ ữ ệ ủ ể

v i tinh th “thông th ng” ớ ể ườ

Các phân t nh có th k t tinh hoàn toàn ho c ử ỏ ể ế ặ

FULLERENE VÀ “TINH TH H U C ” Ể Ữ Ơ

“Nút m ng” kích th ạ ướ ớ c l n là chùm nguyên t ho c phân t ử ặ ử

Ph XRD v n th hi n các peak Gi i thích ổ ẫ ể ệ ả

Marappan Sathish 1, * and Kun’ichi Miyazawa 2 Synthesis and Characterization of Fullerene Nanowhiskers by Liquid-Liquid Interfacial Precipitation: Influence of C60

SolubilityMolecules 2012, 17(4), 3858-3865; doi:10.3390/molecules17043858

The Pharmaceutical Industry