giáo trình vật LIỆU học

Khoa học Vật liệu là gì ?• Môn Khoa học Vật liệu hiện đại được phát triển trực tiếp từ môn Kim loại học • Sự đột phá quan trọng về môn vật liệu học là ở cuối thế kỷ XIX, khi Willard Gi

VẬT LIỆU HỌC

Chương 1: Cấu trúc tinh thể vật liệu

Chương 2: Quá trình khuyết tán trong vật liệu

Chương 3: Tính chất cơ học vật liệu

Chương 4: Cơ sở lý thuyết về giản đồ pha và ứng dụngChương 5: Giới thiệu một số loại vật liệu

TÀI LIỆU MÔN HỌC

1 William D Callister, Material Science and Engineering:

An Introduction, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc,

2007

2 Donald R Ask eland and Pradeep P Fulay, Essentials of

materials science and engineering, Cengage Learning,

2010

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Thường kỳ + Bài tập (nhóm + cá nhân)

Thi giữu kỳ : Tự luận

Thi Cuối kỳ: Tự luận

CH ƯƠNG 1: CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU

1 Giới thiệu khoa học vật liệu và phân loại

Khoa học vật liệu nghiên cứu:

Tinh chất của vật liệu phụ thuộc vào thành phần và

vi cấu trúc của vật liệu.

The microstructureVi cấu trúc của vật liệu phụ

thuộc vào thành phần và quá trình chế biến vật liệu.

1.1 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

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

minh ra thiết bị bán dẫn, là thành tựu

vượt bậc của ngành điện tử,

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 ra xi măng: là loại vật liệu xây dựng rất quan trọng

Top Ten

10 sự kiện của KHVL

7 300 năm trước công nguyên

các nhà luyện kim ở miền nam

người ta đã thu được đồng

(Cu) dạng lỏng khi nung đá

malachite và lazurit, có thể

đúc được các hình dạng khác

nhau, từ đó khám phá ra các

lớp của vỏ trái đất cũng là

“kho chứa” khoáng chất.

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

Khoa học Vật liệu là gì ?

• Môn Khoa học Vật liệu hiện đại được phát

triển trực tiếp từ môn Kim loại học

• Sự đột phá quan trọng về môn vật liệu học là

ở cuối thế kỷ XIX, khi Willard Gibbs chứng tỏ

rằng các tính chất nhiệt động liên quan tới

cấu trúc nguyên tử ở các pha khác nhau sẽ

ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất vật lý

của vật liệu

• Môn khoa học vật liệu có tác dụng định

hướng, hay là được định hướng bởi sự phát

triển của các công nghệ đột phá như là các

MSE: Materials Science and Engineering

• Khám phá mối quan hệ giữa cấu

trúc và các tính chất của vật liệu

• Công nghệ Vật liệu sẽ dựa trên

các đặc điểm và tính chất của

cấu trúc  thiết kế và nghiên

cứu cấu trúc vật liệu để tạo ra

• Nghiên cứu cấu trúc là muốn nói tới cấu trúc 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 tính chất là muốn nói đến sự nghiên cứu chi tiết những đặc trưng của vật liệu

Khoa học Vật liệu là gì ?

Tại sao lại Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Vật liệu?

• Nghiên cứu các tính chất của Vật liệu: tính chất cơ học, tính chất hóa học, tính chất điện, bản chất của Vật liệu

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

• Kết hợp ngày càng nhiều các

bộ môn khoa học liên quan

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

Phân loại các Vật liệu

• 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 hoặc bị bệnh – phải không sinh ra độc tố và phải tương thích với cơ thể

Phân loại các Vật liệu

Các giá trị mật độ khối lượng ở nhiệt độ phòng của các vật liệu kim loại, gốm, polymer

và composite

Phân loại các Vật liệu

Các giá trị suất đàn hồi

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

Phân loại các Vật liệu

Các giá trị độ kháng nứt gãy ở nhiệt độ phòng của các vật liệu kim loại, gốm, polymer và composite

Phân loại các Vật liệu

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

Những Vật liệu cao cấp

• Sử dụng trong các ứng dụng công

nghệ cao cấp (advanced tech.),

các thiết bị điện tử, máy nghe

• Vật liệu thông minh: là loại vật liệu mới và 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.

• Vật liệu có cấu trúc nano: những vật liệu có 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.

Vật liệu của tương lai

• 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

 Chất lỏng phi Newton có thể thay đổi

độ nhớt tùy theo tốc độ của vật trượt tác dụng lên nó

 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

 Polymer nhạy với độ pH phình lên

hoặc xẹp xuống khi độ pH của môi

trường được thay đổi

Vật liệu của tương lai

• 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

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

Vật liệu của tương lai

Vật liệu của tương lai

Cửa kính thông minh Kính mát thông minh

Vật liệu thông minh

• Sự phát triển của các loại

• Sự đòi hỏi phải tăng năng

suất, hiệu suất

• Sự đòi hỏi giảm giá thành

sản phẩm

• Sự đòi hỏi về an toàn môi

Nhu cầu cần phải có các Vật liệu hiện đại

Nhu cầu cần phải có các Vật liệu hiện đại

• Sự đòi hỏi phải tiết kiệm năng lượng

• Cung cấp những dạng năng lượng mới

đa dạng, hiệu quả

• Phát triển những thiết bị 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

Example of Materials Engineering Work – Hip Implant

• With age or certain illnesses joints deteriorate Particularly those

Example – Hip Implant

Example – Hip Implant

1.1 Cấu trúc vật liệu dưới góc nhìn công nghệ

Tính toán khối lượng khung xe đạp bằng các loại vật

liệu khác nhau:

1 Khung thép có khối lượng 14kg, khối lượng riêng

của nhôm là 7.8 g/cm3 :

 Thể tích khung = 14000g /(7.8 g/cm3) = 1795 cm3

2 Khung nhôm có khối lượng =

3 Khung titan có khối lượng =

4 Khung sợi carbon có khối lượng =

1.2 Sự sắp xếp của nguyên tử và ion

Sự sắp xếp của các nguyên tử và ion đóng vai

trò quan trọng trong việc xác định cấu trúc vi

mô và tính chất đặc trưng của vât liệu Chương

1 tập trung vào:

- Phân loại vật liệu dựa vào sự sắp xếp của

nguyên tử/ion

- Mô tả sự sắp xếp trong các vật liệu có cấu

trúc tinh thể dựa trên các thông số mạng.

1.2 Sự sắp xếp của nguyên tử và ion

Cấp độ sắp xếp của nguyên tử trong các dạng vật liệu

Khí hiếm Hơi nước

Silicon vô định hình Kim loại, ceramic…

1.3 CÁC LOẠI LIÊN KẾT TRONG CHẤT RẮN

electron – còn gọi là liên kết hóa học gồm 3 loại: liênkết ion, liên kết hóa trị và liên kết kim loại

Liên kết ionLiên kết đồng hóa trịLiên kết kim loại

chung các electron – còn gọi liên kết vật lý – yếu hơn –nhưng ảnh hưởng rõ rệt lên các tính chất vật lý của vậtliệu

Liên kết ion: dễ mô tả và hình

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

Tương tác Coulomb

Cho điện tử

Nhận điện tử

Các loại liên kết trong chất rắn

Liên kết sơ cấp

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

Mức độ cho điện tử Mức độ nhận điện tửCác loại liên kết trong chất rắn

Liên kết sơ cấp

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

chuyển động tự do trong kim loại Chúng

được xem là thuộc về cả khối kim loại – xem

như là môi trường điện tử “sea of e - ” hay là

đám mây điện tử

+ + +

+ + +

+ + +

-

-

Điện tử góp chung từ Hyđrô

Ở liên kết kim loại: những điện tử không hóa trị cònlại và hạt nhân nguyên tử hợp thành các lõi ion các lõi ion tích điện dương một lượng điện tích bằngtổng điện tích các điện tử hóa trị trong nguyên tử

Các điện tử tự do là môi trường ngăn cách các lõiion tích điện dương khỏi lực đẩy tĩnh điện giữachúng Các điện tử tự do có vai trò như chất kếtdính giữ các lõi ion với nhau Đặc trưng của liênkết kim loại là bất định hướng

Các loại liên kết trong chất rắn

Liên kết sơ cấp

CÁC LOẠI LIÊN KẾT TRONG CHẤT RẮN LIÊNKẾT SƠ 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

Tạo nên do tương tác giữa các lưỡng cực (dipole)

Các lưỡng cực dao động

Các lưỡng cực định xứ không dao động – gồm cả các phân tử

Các loại liên kết trong chất rắn

Liên kết thứ cấp

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 cực

Ngtử đối xứng về

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  - còn đầu kia tạm thời thiếu sẽ mang

điện  +

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

Ngtử đối xứng về

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

nhau hơn, sự hút có hiệu quả nhất

khi các phân tử ở gần nhau

Ngtử đối xứng về

Mô men lưỡng cực vĩnh cửu tồn tại trong

một số phân tử (được gọi là phân tử phân

cực) do sự sắp xếp không đối xứng của

các miền điện tích dương và điện tích âm

(HCl, H2O)

Các liên kết giữa các phân tử này là liên

kết lưỡng cực lâu dài – mạnh nhất trong

CÁC LOẠI LIÊN KẾT TRONG CHẤT RẮN

Tóm lược về Liên kết

Loại liên kết Năng lượng liên kết Chú giải

CÁC LOẠI LIÊN KẾT TRONG CHẤT RẮN

1.3 Năng lượng liên kết trong vật liệu

1.3 Năng lượng liên kết trong vật liệu

1.3 Năng lượng liên kết trong vật liệu

• Rời rạc, phân bố ngẫu nhiên

Năng lượng liên kết lân cận

Năng lượng

r

độ dài liên kết lân cận

Năng lượng liên kết lân cận

1.3 Năng lượng liên kết

- Tương tác mạch (polymer)

1.3.2 Ảnh hưởng năng lượng liên kết lên cơ tính

1.3.3 Tương quan năng lượng liên kết và đặc tính vật liệu

Vật liệu ceramic (liên kết ion và cộng hóa trị)

Năng lượng liên kết lớn

Tm, E lớn, α nhỏ

Kim loại (liên kết kim loại)

Năng lượng nối biến đổi

Tm và E và α trung bình

Vật liệu polymer (liên kết cộng hóa tri và nối thứ cấp)

Tính chất theo hướng xem xét, nối thứ cấp chiếm ưu thế

T và E nhỏ, α lớn

1.4 Trật tự sắp xếp nguyên tử trong vật liệu

Đặt vấn đề

• Nguyên tử sắp trong vật liệu rắn như thếnào?

• Khối lượng riêng vật liệu phụ thuộc vào

cáu trúc của nó ra sao?

• Cấu trúc vật liệu ceramic khác với vật

liệu kim loại ra sao?

1.5 Vật liệu vô định hình

crystalline SiO 2

noncrystalline SiO 2

Vật liệu tinh thể:

1 Nguyên tử cư trú tại những vị trí

tuần hoàn, trong không gian 3D…

2 Ví dụ: Kim loại

Vài loại ceramic Vài loại polymer

Vật liệu không tinh thể

1 Nguyên tử không có vị trí tuần

O2-• Thủy tinh là vô định hình

• Cấu trúc vô định hình chứa những thành phần “bẩn” xâm nhập

Adapted from Fig 12.11,

Tại sao lại phải nghiên cứu

Cấu trúc tinh thể

 Các vật liệu được đề cập tới là ở

dạng chất rắn

 Tính chất các vật liệu liên quan

trực tiếp đến cấu trúc tinh thể của

chúng – Là tinh thể hoặc là không