đại cương vật liệu _sile bài giảng

Thời kỳ ban đầu những vật liệu mà con người biết cách sử dụng vẫn còn rất hạn chế: Khúc cây (gỗ), đất sét, vỏ sò, da …Sự phát triển và tiến hóa của con người gắn liền với sự phát triển của các vật liệu mà con người sử dụng …Bộ môn Khoa học Vật liệu theo đà phát triển của khoa học và công nghệ, mới ra đời được vài chục năm nay và là môn khoa học đang phát triển rất mạnh mẽ

Trang 1

CÔNG NGHỆ và KHOA HỌC VẬT LiỆU

ĐẠI CƯƠNG

Nguyễn Mạnh Tuấn

Chương I Dẫn nhập

Trang 2

Con người

và môn Khoa học Vật liệu

it‘s the def f ects that make

them interesting ! " *

phá ra những vật liệu mới

với những tính chất mới,

người ta cần phải được

trang bị kiến thức về môn

khoa học cơ bản này để có

Trang 3

Đại học Khoa học Tự nhiên

Khoa Khoa học Vật liệu

Con người

 Sự phát triển và tiến hóa của con người gắn liền với

sự khám phá và sử dụng các loại công cụ lao động

 Tiến trình tiến hóa gắn liền với quá trình sử dụng

vật liệu làm công cụ : Thời kỳ đồ đá, thời kỳ đồ đồng, thời kỳ đồ sắt …

Trang 4

Con người

 Thời kỳ ban đầu những vật liệu mà

con người biết cách sử dụng vẫn còn

rất hạn chế: Khúc cây (gỗ), đất sét, vỏ

sò, da …

 Sự phát triển và tiến hóa của con

người gắn liền với sự phát triển của

các vật liệu mà con người sử dụng …

 Bộ môn Khoa học Vật liệu theo đà

phát triển của khoa học và công

nghệ, mới ra đời được vài chục năm

Trang 5

Nguồn gốc môn học

 Trước những năm 1960 (và

hàng thập kỷ sau đó), các khoa

ngày nay là khoa học vật liệu khi

đó gọi là khoa kim loại học, do từ

thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 chủ

yếu nghiên cứu các vật liệu kim

loại

 Lĩnh vực nghiên cứu sau đó mở

rộng ra các loại vật liệu , bao

gồm trong đó: các vật liệu gốm

sứ, polymers, vật liệu bán dẫn,

vật liệu từ tính, các vật liệu nhân

tạo đưa vào cơ thể và các vật

liệu sinh học

Trang 6

Top Ten

10 sự kiện của KHVL

1 Năm 1864 nhà hóa học người Nga

Dmitri Mendeleev đã xây dựng bảng

hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá

học Là kim chỉ nam vô giá cho vật liệu

học và nhiều ngành khoa học khác

2 3500 năm trước công nguyên người

Ai-cập đã nung luyện được sắt (dưới

dạng sản phẩm phụ của việc tinh chế

đồng) và sử dụng để làm đồ trang sức

Khám phá ra bí mật đầu tiên của nền

văn minh đồ sắt

3 Năm 1948 John Bardeen, Walter H

Brattain, và William Shockley đã phát

4 Năm 2200 trước công nguyên, người dân ở vùng tây bắc Iran đã chế tạo ra thuỷ tinh Đây là vật liệu không phải kim loại thứ 2 (sau gốm sứ) của nền văn minh nhân loại

5 Năm 1668, Anton van Leeuwenhoek

đã phát triển việc dùng kính hiển vi

có khả năng phóng đại lên 200 lần

và lớn hơn nữa, mở ra kỷ nguyên nghiên cứu thế giới tự nhiên cũng như cấu trúc của nó mà mắt thường không nhìn thấy được

6 Năm 1755 John Smeaton phát minh

Được bình chọn theo Hiệp hội Hóa vô cơ, kim loại và vật liệu học Hoa kỳ (một trong những tờ báo uy tín nhất về vật liệu học) nhân sự kiện quan trọng “Kỷ niệm 50 năm ngày thành lập“

www.materialmoments.org

Trang 7

Top Ten

10 sự kiện của KHVL

7 300 năm trước công nguyên

các nhà luyện kim ở miền nam

9 1912 Max von Laue phát hiện

được sự tán xạ của tia Rönghen (tia X) trên các tinh thể, mở ra hướng mới trong nghiên cứu vật liệu

10 1856 Henry Bessemer nhận

bằng sáng chế cho quá trình thổi acid lò đáy sản xuất thép

ít cacbon, mở ra một kỷ nguyên sản xuất thép giá rẻ

số lượng lớn, làm cho phát triển nhanh chóng giao thông, xây dựng, kỹ thuật và công nghiệp hóa nói chung.

Được bình chọn theo Hiệp hội Hóa vô cơ, kim loại và vật liệu học Hoa kỳ (một trong những tờ báo uy tín nhất về vật liệu học) nhân sự kiện quan trọng “Kỷ niệm 50 năm ngày thành lập“

www.materialmoments.org

Trang 8

Khoa học Vật liệu là gì ?

được phát triển trực tiếp từ môn Kim

 Môn khoa học vật liệu có tác dụng

định hướng, hay là được định hướng

bởi sự phát triển của các công nghệ

MSE : Materials Science and Engineering

Trang 9

chất của cấu trúc  thiết kế

và nghiên cứu cấu trúc vật

liệu để tạo ra sản phẩm là

vật liệu mới có tính chất đã

được xác định trước

Trang 10

Khoa học Vật liệu là gì ?

của vật liệu liên quan tới sự sắp xếp của

những thành phần trong vật liệu Những cấu trúc “dưới” nguyên tử (subatomic) liên quan đến điện tử trong nguyên tử và tương tác

của chúng với hạt nhân nguyên tử

nghiên cứu chi tiết những đặc trưng của vật

Trang 11

Trang 12

Tương lai của môn Khoa học

Vật liệu

 Gắn liền với sự phát triển

của khoa học và công nghệ

 Gắn liền với sự phát triển

của xã hội và nhu cầu ngày

càng tăng của con người

 Tạo ra các sản phẩm mới

với các tính năng mới

 Tiết kiệm vật liệu và năng

lượng, hiệu quả cao

Trang 13

Phân loại các Vật liệu

Các Vật liệu dạng rắn được chia làm 3 nhóm: kim loại, gốm sứ và polymer

 Kim loại : bao gồm kết hợp các nguyên tố kim loại

 Gốm sứ : là hợp chất chứa các kim loại và phi kim Chủ yếu gồm các oxít, nitride và carbide

 Polymer : là một họ các vật liệu plastic và cao su

Polyvinyl chloride

Vật liệu gốm sứ

Trang 14

8 hình thái của carbon: kim cương, graphite, lonsdaleite,C60,

C540, C70, carbon vô định hình và carbon nanotube

 Composite : là loại vật liệu chứa nhiều hơn một vật liệu – vật liệu polymer kết hợp với bông thủy tinh …: thể hiện những t/c tốt nhất của từng loại vật liệu thành phần

 Vật liệu bán dẫn : có tính chất điện ở khoảng giữa chất dẫn điện và chất điện môi, đặc biệt nhạy cảm với sự có mặt của tạp chất

 Vật liệu sinh học : được sử dụng để tiêm vào cơ thể thay thế cho phần cơ thể bị hỏng

Trang 15

phòng của các vật liệu kim loại, gốm, polymer

và composite

Trang 16

(suất Young - không bị uốn) ở nhiệt độ phòng của các vật liệu kim loại, gốm, polymer và composite

Trang 17

các vật liệu kim loại, gốm, polymer và composite

Trang 18

nhiệt độ phòng của các vật liệu kim loại, gốm, polymer và composite

Trang 19

Những Vật liệu cao cấp

 Sử dụng trong các ứng

dụng công nghệ cao cấp

(advanced tech.), các thiết

bị điện tử, máy nghe nhạc

Trang 20

Những Vật liệu cao cấp

Bánh răng phân tử

C60

Trang 21

Vật liệu của tương lai

hiện đại Có thể thay đổi đặc tính theo điều kiện môi trường, đáp ứng lại những thay đổi này theo hướng đã định sẵn

cấu trúc đặc biệt, trong đó vai trò đặc biệt ở kích thước của cấu trúc các phân tử, nguyên

tử làm cho nó có những tính chất đặc biệt,

hoàn toàn mới

Trang 22

 Vật liệu thông minh là vật liệu có một hoặc nhiều các tính chất có thể được thay đổi đáng kể khi có các tác nhân kiểm soát được từ bên ngoài tác động lên nó như là, ứng suất, nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, điện trường hoặc là từ trường …

 Polymer đáp ứng nhiệt độ thay đổi cấu trúc khi thay đổi nhiệt độ, làm cảm biến nhiệt

 Vật liệu ánh màu halochromic thay đổi màu sắc khi độ axít thay đổi, cảm biến axít

 Hệ biến sắc có thể thay đổi màu sắc khi làm biến đổi các tác nhân nhiệt, quang và điện

 Vật liệu điện giảo tạo nên một hiệu điện

thế xác định khi tác động lên nó một ứng

suất

 Hợp kim nhớ hình và polymer nhớ hình

là các vật liệu thay đổi hình dạng nhớ khi

chịu tác nhân nhiệt

 Hợp kim nhớ hình từ tính thay đổi được

hình dạng nhớ khi thay đổi từ trường đặt

lên nó

Trang 23

 Vật liệu cấu trúc nano là lĩnh vực mà tiêu chí

của nó là kiểm soát được các tính chất của vật

liệu ở thang độ phân tử và nguyên tử Nhìn

chung công nghệ nano liên quan tới các cấu

trúc kích thước 100 nanomét hoặc nhỏ hơn,

cũng như phát triển các vật liệu và linh kiện ở

kích thước này

 Công nghệ nano vô cùng đa dạng, từ việc

phát triển mới môn vật lý linh kiện truyền

thống, cho tới những tiếp cận hoàn toàn mới

dựa trên việc tự liên hợp các phân tử, để phát

triển các vật liệu mới với kích thước nano,

thậm chí còn cho rằng có thể trực tiếp kiểm

soát được các tính chất vật liệu ở thang độ

nguyên tử

Linh kiện này truyền năng lượng từ màng mỏng nano giếng lượng tử tới tinh thể nano ở phía trên, làm cho tinh thể nano phát ra ánh sáng nhìn thấy

Trang 24

Vật liệu thông minh

Trang 25

Kính mát thông minh

Trang 26

Nhu cầu cần phải có các Vật

liệu hiện đại

 Sự phát triển của các loại

thiết bị mới

 Sự phát triển của các

kiểu dáng, kiến trúc mới

 Sự phát triển của các nhu

cầu ngày càng đa dạng

 Sự đòi hỏi phải tăng năng

suất, hiệu suất

 Sự đòi hỏi giảm giá thành

sản phẩm

Trang 27

Nhu cầu cần phải có các Vật

liệu hiện đại

 Sự đòi hỏi phải tiết kiệm

chuyển hóa năng lượng

(năng lượng mặt trời,

năng lượng gió, những

nguồn nhiên liệu mới

sạch và hiệu quả …)

 Những loại vật liệu thân

thiện môi trường có thể

tái sinh để tái sử dụng

Trang 28

KếT THÚC CHƯƠNG 1

Bài tập chương 1

Trang 29

CÔNG NGHỆ và KHOA HỌC VẬT LiỆU

ĐẠI CƯƠNG

Nguyễn Mạnh Tuấn

Chương II Cấu trúc và Liên kết các Nguyên tử

Trang 30

Cấu trúc Nguyên tử và Liên kết

 Tương tác giữa các nguyên tử trong chất rắn –

trong nhiều trường hợp, bản chất của mối tương tác

này quyết định những tính chất cơ bản của vật liệu

Trang 31

proton và neutron Các điện tử quay

xung quanh (Z: nguyên tử số=số

Trang 32

proton và neutron Các điện tử quay

xung quanh (Z: nguyên tử số = số

proton = số electron)

Nếu coi đường kính đám mây điện tử của nguyên tử Heli là 1 km thì đường kính hạt nhân nguyên tử Heli

là khoảng 2,5 cm (1cm/1km)

Trang 33

Cấu trúc Nguyên tử

 Các electron chuyển động

quanh hạt nhân tuân theo các

quy luật của cơ học lượng tử

 Năng lượng của điện tử là

không liên tục – tồn tại các

mức năng lượng Các điện tử

có thể chuyển năng lượng từ

mức này sang mức khác

 Mô hình hóa theo Bohr

atomic Model và/hoặc

Wave-mechanical Model

Trang 34

Trạng thái lượng tử

Trang 35

Trang 36

 Các trạng thái quỹ đạo

khác nhau của điện tử

Trang 37

Klechkowski) về quy luật

điền đầy quỹ đạo

nguyên tử được biểu

diễn theo chiều mũi tên

Aufbauprinzip hoặc

Building-up principle – nguyên lý tạo lập

Trang 38

Quy tắc Madelung

 Các quỹ đạo được điền

đầy theo trật tự tăng

 Khi có 2 quỹ đạo có

Số lượng electron cực đại trên quỹ đạo tuân

theo quy luật tăng của năng lượng quỹ đạo: các

quỹ đạo có mức năng lượng thấp nhất sẽ được

electron điền đầy trước rồi tới các quỹ đạo có

Trang 39

Trang 40

Trang 41

 Hình cắt mật độ xác suất

tìm thấy điện tử của

những quỹ đạo điện tử

nguyên tử Hydro Các

quỹ đạo này tạo nên cơ

sở trực giao cho hàm

sóng điện tử

Trang 42

 Các quỹ đạo của

điện tử theo mô

Trang 43

Trang 44

Trang 45

F

r R

Trang 46

Các loại liên kết trong chất rắn

 Liên kết sơ cấp: có sự hoán chuyển hoặc góp chung các electron – còn gọi là liên kết hóa học gồm 3 loại: liên kết ion, liên kết hóa trị và liên kết kim loại

 Liên kết ion

 Liên kết đồng hóa trị

 Liên kết kim loại

 Liên kết thứ cấp: không có sự hoán chuyển hoặc là góp chung các electron – còn gọi liên kết vật lý –

yếu hơn – nhưng ảnh hưởng rõ rệt lên các tính chất vật lý của vật liệu

Trang 47

định bởi E A =-(A/r), năng

lượng đẩy E R được xác

Trang 48

Liên kết sơ cấp

 Là sự liên kết giữa các ion trái dấu (các ion âm - và các ion dương +)

 Có sự chuyển dời điện tử

 Cần có sự khác biệt lớn về độ âm điện

Cho điện tử

Nhận điện tử

Trang 49

Là loại liên kết chiếm ưu thế trong vật liệu gốm sứ (ceramics)

Trang 50

 Liên kết đồng hóa trị : do sự đóng

góp điện tử của các nguyên tử liền kề

Những điện tử góp chung được coi là

thuộc về cả hai nguyên tử đó

% thành phần ion={1-exp[-(0,25)(XA

-XB)2]}100

 Liên kết kim loại : xác định trong các

kim loại và hợp kim Các kim loại

thường có 1, 2 hoặc nhiều nhất là 3

điện tử hóa trị Các điện tử hóa trị

không bao quanh các nguyên tử mà

+ +

-

Điện tử góp chung từ Hyđrô

CH4

XA, XB là độ âm điện của các nguyên tố A và B

Trang 51

 Ở liên kết kim loại : những điện tử

không hóa trị còn lại và hạt nhân

nguyên tử hợp thành các lõi ion

 các lõi ion tích điện dương một

lượng điện tích bằng tổng điện tích

các điện tử hóa trị trong nguyên tử

 Các điện tử tự do là môi trường

ngăn cách các lõi ion tích điện

dương khỏi lực đẩy tĩnh điện giữa

chúng Các điện tử tự do có vai trò

như chất kết dính giữ các lõi ion với

nhau Đặc trưng của liên kết kim loại

Điện tử góp chung từ Hyđrô

CH4

Trang 52

Liên kết đồng hóa trị

Trang 53

Trang 54

Liên kết thứ cấp

 Liên kết thứ cấp – liên kết van der

Waals : còn gọi là liên kết vật lý – là

liên kết yếu so với liên kết sơ cấp hay

liên kết hóa học Năng lượng liên kết

ở bậc 10kJ/mol (0,1 eV/atom)

 Là liên kết Coulomb giữa đầu dương

của lưỡng cực này với đầu âm của

lương cực kế bên

 Liên kết thứ cấp tồn tại phổ biến giữa

các nguyên tử hoặc phân tử - nhưng

nó sẽ bị bỏ qua nếu như có bất kỳ

một liên kết sơ cấp nào Liên kết thứ

-Lưỡng cực các phân

tử hoặc nguyên tử

Trang 55

Trang 56

 Liên kết lưỡng cực do dao động: Lưỡng

cực được tạo thành trong nguyên tử

hoặc phân tử đối xứng về mặt điện tích

Các nguyên tử dao động có thể sinh ra

các nhiễu loạn ngắn của đối xứng điện

tử  tạo ra lưỡng cực điện nhỏ

 Liên kết lưỡng cực do phân tử có cực:

các mô men lưỡng cực tồn tại trong một

số phân tử có sự sắp xếp bất đối xứng

các vùng tích điện âm và dương

 Liên kết lưỡng cực không đổi: Lực van

der Waals tồn tại giữa các phân tử có

Ngtử đối xứng về

H Cl

Trang 57

-Đại học Khoa học Tự nhiên

 Nguồn gốc của lực van der Waals :

electron chuyển động, ở thời điểm nào

đó chúng ở một đầu của phân tử làm

cho đầu đó mang điện δ - còn đầu kia

tạm thời thiếu sẽ mang điện δ +

 Một phân tử có lưỡng cực điện tức thời

khi ở gần một phân tử không phân cực

ở thời điểm đó sẽ tạo ra lưỡng cực điện

cảm ứng cho phân tử này

 Lực van der Waals có thể liên kết các

phân tử để tạo nên chất rắn Ở thời

điểm sau đó sẽ có sự tái sắp xếp phân

bố các electron do chúng chuyển động

nhưng vẫn sẽ luôn đồng bộ

+ - + - +

Trang 58

 Ảnh hưởng của kích thước phân tử:

 Phân tử lớn có nhiều electron và khoảng

cách lưỡng cực sẽ lớn hơn  phân tử

sẽ dính nhau hơn  nhiệt độ nóng chảy

cao hơn

 Ảnh hưởng của dạng phân tử:

 Các phân tử dài có thể phát triển các

moment lưỡng cực điện tức thời lớn

hơn do chuyển động của các electron so

với các phân tử mập chứa cùng một số

electron như nhau

 Các phân tử dài, mảnh có thể ở gần

Định dạng
Số trang	341
Dung lượng	15,92 MB

đại cương vật liệu _sile bài giảng

Cấu trúc và Liên kết các Nguyên tử

Cấu trúc các Chất rắn tinh thể