CẤU TRÚC TINH THỂ VẬT LIỆU RẮN

Liên kết cấp độ nguyên tử Liên kết sơ cấp Liên kết thứ cấp Năng lượng liên kết Cấu trúc tinh thể vật liệu rắn Đại cương về tinh thể học Cấu trúc tinh thể kim loại Cấu trúc tinh thể ceramic Cấu trúc tinh thể polymer Sai lệch mạng tinh thể Thành phần của một nguyên tử: Hạt nhân ở trung tâm Điện tử di chuyển xung quanh hạt nhân và phân bố trên các orbital Hạt nhân: Proton: mang điện tích dương Nơ tron: Không mang điện tích như có cùng khối lượng với proton Điện tử:

Trang 1

CẤU TRÚC TINH THỂ

CỦA VẬT LIỆU RẮN

Trang 2

 Tính chất cơ bản của vật liệu

 Tổng hợp, gia công vật liệu

 Phân tích, đánh giá vật liệu

Trang 3

NỘI DUNG

• Liên kết cấp độ nguyên tử

• Liên kết sơ cấp

• Liên kết thứ cấp

• Năng lượng liên kết

• Cấu trúc tinh thể vật liệu rắn

• Đại cương về tinh thể học

• Cấu trúc tinh thể kim loại

• Cấu trúc tinh thể ceramic

• Cấu trúc tinh thể polymer

• Sai lệch mạng tinh thể

Trang 4

Mục tiêu của chương 2

• Hiểu cách thức vật liệu hình thành từ nguyên tử

• Nắm được các liên kết cơ bản giữa các nguyên

tử

• Biết các cấu trúc tinh thể trong từng loại vật liệu

• Biết các sai hỏng xảy ra trong vật liệu rắn

• Vận dụng kiến thức giải thích loại vật liệu của

tử

Các cấu trúc tinh thể trong vật liệu

Nghiên cứu các sai hỏng trong vật liệu

Vận dụng

Cấu trúc quyết định tính chất

Trang 5

Đi sâu vào vật liệu

Trang 6

Đi sâu vào vật liệu

Các nguyên tử liên kết thành mạng tinh thể

Trang 7

Cấu trúc dưới nguyên tử

• Thành phần của một nguyên tử:

• Hạt nhân ở trung tâm

• Điện tử di chuyển xung quanh hạt nhân và phân bố trên các

orbital

• Hạt nhân:

• Proton: mang điện tích dương

• Nơ tron: Không mang điện tích như có cùng khối lượng với proton

• Điện tử:

• Mang điên tích âm

• Nhẹ hơn rất nhiều so với hạt nhân

Trang 8

sáng, nhiệt độ và điện thế,

8

1s

2s 2p

Trang 9

Liên kết giữa các nguyên tử

• Lực liên kết nguyên tử có thể

được mô tả dựa vào tương tác

giữa hai nguyên tử khi được

đưa lại gần nhau

• Lực liên kết là sự tổng hợp của

lực hút và lực đẩy như một

hàm của khoảng cách giữa

chúng

Trang 10

Phân loại các liên kết

10

Key words: covalent bonding; ionic bonding; metallic bonding;

 Liên kết sơ cấp: có sự góp mặt của điện tử, hoán chuyển hoặc góp chung.

 Liên kết cộng hóa trị

 Liên kết ion

 Liên kết kim loại

 Liên kết thứ cấp: vai trò của điện tử không còn quan trọng Còn gọi là liên kết vật lý.

 Liên kết Van der Waals

 Liên kết lưỡng cực do dao động

 Liên kết lưỡng cực do phân tử phân cực

 Liên kết lưỡng cực không đổi

Trang 11

Liên kết sơ cấp

Liên kết ion

•Mức chênh lệch độ âm điện càng lớn thì khả năng tạo liên kết ion càng lớn

Trang 12

12

Give up electrons Acquire electrons

NaCl MgO CaF 2 CsCl

Trang 13

Liên kết cộng hóa trị

•Nguyên tử với độ âm điện tương đồng có khuynh hướng chia

sẻ điện tử để tạo cấu trúc bền

•VD: H2 và CH4 shared electrons

from carbon atom

shared electrons from hydrogen atoms

H

H C

CH4

Trang 14

14

Liên kết kim loại

•Xảy ra với các nguyên tử dễ từ bỏ electron

Trang 15

Liên kết thứ cấp

Liên kết Van der Waals: là loại liên kết yếu giữa hai lưỡng cực

Liên kết hydro: những chất có chứa nhóm nguyên tố - X - H, do H

có độ âm điện nhỏ nên có hiện tượng phân cực

Trang 16

Liên kết thứ cấp

16

Liên kết Van der Waals: là loại liên kết yếu giữa hai lưỡng cực

Liên kết hydro: những chất có chứa nhóm nguyên tố - X - H, do H có độ âm điện nhỏ nên có hiện tượng phân cực

Trang 17

Liên kết giữa các nguyên tử

(ceramics) Hóa trị Tùy thuộc vào nguyên tố:

-Lớn: Kim cương -Nhỏ: Bismuth

Định hướng (bán dẫn, ceramics, chuỗi polymers)

Kim loại Tùy thuộc vào nguyên tố

-Lớn: Tungsten -Nhỏ: Thủy ngân

Không định hướng (kim loại )

-Tương tác mạch (polymers) -Tương tác phân tử

Trang 18

18

Trang 19

Cấu trúc tinh thể

Vật liệu tinh thể

Vật liệu được phân loại dựa trên các

sự tuần hoàn của nguyên tử hoặc

ion cấu thành nên vật liệu

Vật liệu tinh thể là loại vật liệu mà

các nguyên tử được sắp xếp đều

đặn, lặp đi lặp lại trên một khoảng

cách lớn.

Trang 21

Các kiểu mạng tinh thể kim loại

- Kiểu cơ bản: Cấu trúc lập phương đơn giản (Simple

Cubic structure - SC)

- Ngoài ra còn có nhiều cấu trúc khác

- Cấu trúc lập phương tâm khối (Body Centered

Trang 22

1.2.1 Khái niệm chung về vật liệu vô cơ

Vật liệu vô cơ là vật liệu mà thành phần của nó

chứa các hợp chất vô cơ Thành phần hóa chứa

các loại muối và oxyt vô cơ

22

1.2 CẤU TRÚC VẬT LIỆU VÔ CƠ

Trang 23

Mạng tinh thể thường gặp:

cấu trúc lập phương thể tâm bcc, cấu trúc lập

phương diện tâm fcc, mạng lập phương dạng kim

cương, mạng lập phương dạng CaF2 và mạng

khác

cấu trúc không lập phương điển hình: dạng 6

phương xếp chặt hcp và không xếp chặt, các dạng

cấu trúc khác nhau của hệ silicat

1.2.2 CẤU TRÚC VẬT LIỆU VÔ CƠ THƯỜNG GẶP

Trang 24

1 Cấu trúc lập phương : kim loại

24

Lập phương thể tâm (body centered cubic –

Trang 25

1 Cấu trúc lập phương : số ng.tử trong 1 ô cơ bản

Trang 26

1 Cấu trúc lập phương : số phối trí SPT (số ng.tử gần nhất đối với 1 ng.tử)

26

Trang 27

1 Cấu trúc lập phương : liên hệ giữa a và R

Trang 28

1 Cấu trúc lập phương : liên hệ giữa a và R

Trang 29

1 Cấu trúc lập phương : muối và oxit vô cơ

Trang 30

1 Cấu trúc lập phương : xđ mật độ thể tích

30

Trang 31

1 Cấu trúc lập phương : xđ mật độ diện tích

Trang 32

1 Cấu trúc lập phương : xđ khối lượng riêng

32

Trang 33

• Tìm khối lượng riêng

• NA: số Avogadro 6,022 x 10 23 nguyên tử/mol

• V C : thể tích ô mạng cơ sở

• A: Khối lượng nguyên tử

• n: số nguyên tử trong một ô cơ sở

Trang 34

Trang 35

1 Cấu trúc lập phương :

tích của Cu

Hướng dẫn:

Thay thế công thức a vào công thức Mv%

Trang 36

1 Cấu trúc lập phương :

trúc fcc biết bán kính ng.tử Na là 0,98A, bán kính ng.tử Cl là 1,87A

Hướng dẫn:

Tính a theo công thức dành cho muối và oxit

Từ đó tính Mv% theo công thức dành cho muối

36

Trang 37

1 Cấu trúc lập phương: các dạng lập phương khác

Trang 38

2 Cấu trúc không lập phương: cấu trúc sáu phương xếp

chặt (hexagonal close packed – hcp)

38

Kim loại

Trang 39

2 Cấu trúc không lập phương: cấu trúc sáu phương xếp chặt (hexagonal close packed – hcp)

Trang 40

2 Cấu trúc không lập phương: cấu trúc sáu phương xếp

chặt (hexagonal close packed – hcp)

Các hợp chất vô cơ:

40

Trang 41

2 Cấu trúc không lập phương: cấu trúc sáu phương xếp chặt (hexagonal close packed – hcp)

Các hợp chất vô cơ:

Trang 43

Trang 44

2 Cấu trúc không lập phương:

cấu trúc vật liệu silicat

45

Trang 45

3 Các dạng cấu trúc khác: cấu trúc ABX3

CaTiO 3

BaTiO 3

Trang 46

3 Các dạng cấu trúc khác: cấu trúc AB 2 O 4

47

MgAl 2 O 4 , Mg 2 TiO 4 , LiAlTiO 4 , LiNiVO 4 ,

Na 2 WO 4

Trang 47

BT1: Mg có cấu trúc sáu phương xếp chặt (hcp)

Trang 48

BT2: Mg có cấu trúc sáu phương xếp chặt (hcp)

Cho biết khối lượng riêng d = 1,74 g/cm3, M =

24,31 Tính thể tích ô cơ bản

Hướng dẫn:

Dựa vào công thức tính khối lượng riêng

Tính khối lượng 1 ng.tử  khối lượng của 1 ô

Từ đó suy ra thể tích ô cơ bản

49

Trang 49

BT3: Mg có cấu trúc sáu phương xếp chặt (hcp) Cho biết

Trang 51

N N

Trang 52

53

- Tìm thể tích phần không gian chiếm bởi nguyên tử

trong ô FCC theo bán kính nguyên tử R

- Tìm hệ số xếp chặt cho từng loại:

APF = (Thể tích nguyên tử trong ô cơ sở)/(tổng

thể tích ô cơ sở)

Trang 53

Hệ thống cấu trúc tinh thể

Các ô mạng Bravais

- 7 hệ tinh thể

- 14 mạng Bravais (7 hệ kết hợp 4 dạng

ô cơ sở, tâm đáy, tâm mặt, và tâm khối)

- Tổ hợp của 14 ô mạng với 32 phép đối

xứng tạo 230 nhóm không gian

Trang 55

Hệ thống cấu trúc tinh thể

Ví dụ:

- Lập phương: Fluorite CaF2

- Bốn phương: Rutile TiO2

- Trực thoi: Barite BaSO4

- Ba nghiêng: Rhodonite MnSiO3

- Sáu phương: Corundum Al2O3

- Ba phương: Cerussite PbCO3

- Một nghiêng: Tinh thể Boron

Trang 56

Nút mạng

58

• Tọa độ của nút mạng là vị trí các

nguyên tử cấu thành mạng tinh

thể, biểu diễn bằng 3 số tọa độ

cách nhau dấu phẩy

• Ví dụ: 0,0,0 ; 1,1,1 ; 1,0,0

Trang 57

Nút mạng

1 2

4 5 6 7 8 9

Trang 58

Hướng tinh thể

60

• Các vector thể hiện hướng

tinh thể được biểu diễn bằng tọa độ đỉnh vector đặt trong ngoặc vuông

• Ví dụ:  2 2 1

Trang 59

Mặt mạng - Chỉ số Miller

• Mặt mạng là các mặt phẳng song song đi qua các nút mạng

Chỉ số Miller (hkl) được dùng để biểu diễn hướng của mặt mạng

• Ví dụ: (100)

Trang 60

Xác định chỉ số Miller

và z tại (002).

Trang 61

1.1.1 NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ TINH THỂ

Mặt tinh thể:

Ví dụ

Trang 62

Ví dụ

64

Trang 63

Ví dụ

Trang 64

Trang 65

Tính thù hình của kim loại

Dạng thù hình là sự tồn tại hai hay nhiều dạng cấu trúc tinh thể của cùng một nguyên tố hay một hợp chất hóa học.

Trang 66

Tính thù hình của kim loại

CCC: Lập phương tâm khối CFC: Lập phương tâm mặt Pha α: a1 = 0,288 nm

Pha β: a2 = 0,364 nm Pha δ: a3 = 0,248 nm

Sự chuyển đổi dạng thù hình này sang dạng

khác gọi là sự chuyển dạng thù hình Các

yếu tố dẫn đến chuyển dạng thù hình thường

gặp là áp suất và nhiệt độ.

68

Trang 68

Sai lệch mạng tinh thể

• Mạng tinh thể không phải

hoàn hảo, luôn có những

khuyết tật xảy ra do nhiều yếu

tố như lực, nhiệt độ, pha tạp

• Các loại sai lệch mạng tinh

Trang 69

• Sai lệch điểm: là các sai lệch nhỏ

theo 3 chiều không gian, bao gồm:

• Nút trống

• Nguyên tử xen kẽ

• Nguyên tử tạp chất thay thế

• Để đảm bảo sự tồn tại của cấu trúc

thì tổng thể bao giờ cũng phải

trung hòa về điện tích

Trang 70

• Khi cation xâm nhập mạng

lưới tinh thể: Xuất hiện lỗ

trống cation Tương tự khi

anion xâm nhập

72

Trang 74

• Sai lệch khối: sai lệch lớn theo cả ba chiều Thường sinh ra khi nấu, đúc hợp kim như rỗ co, tập trung tạp chất hay xỉ trong tạp chất.

76

Trang 75

Đơn tinh thể và đa tinh thể

• Đa tinh thể: nhiều tinh thể nhỏ gọi là hạt tinh thể, có cùng cấu trúc

mạng nhưng với định hướng khác nhau mang tính ngẫu nhiên, liên kết bằng biên giới hạt

• Thực tế phần lớn vật rắn tinh thể được sử dụng ở dạng đa tinh thể

Trang 76

Pin mặt trời

78

Trang 77

Pin mặt trời

Trang 78

Sáng tạo trong Vật liệu

80

Stupid or Genius

Trang 79

Cấu trúc tinh thể vật liệu ceramic

• Tứ diện [SiO4] 4- là đơn vị cơ sở xây dựng nên

toàn bộ không gian cấu trúc của các hợp chất

silicát

• Có thể tạo cấu trúc mạch, vòng, chuỗi, băng,

lớp, khung

• Bát diện [AlO6]9-

Trang 80

Cấu trúc tinh thể vật liệu ceramic

82

• Tứ diện [SiO 4 ] 4- là đơn vị cơ sở xây dựng nên toàn

bộ không gian cấu trúc của các hợp chất silicát

• Có thể tạo cấu trúc mạch, vòng, chuỗi, băng, lớp,

khung

Trang 81

Cấu trúc tinh thể vật liệu polymer

Trang 82

Cấu trúc tinh thể vật liệu polymer

84

Tinh thể polymer

Trang 83

Any question?

Thank you for your attention!

Định dạng
Số trang	83
Dung lượng	16,65 MB