Bài giảng Vật liệu học Chương 3: Vật liệu ceramic

Ngành khoa học vật liệu Vật liệu ngày càng đóng vai trò quan trọng trong quá trình đổi mới công nghệ. Đẩy mạnh nghiên cứu ngành khoa học vật liệu có ý nghĩa hết sức quan trọng đem lại sự phát triển công nghệ, đặc biệt cần thiết cho các nước đang phát triển điển hình như Việt Nam hiện nay. Khoa có chức năng đào tạo các cử nhân khoa học vật liệu có đủ kiến thức và năng lực phục vụ cho nhu cầu giảng dạy, nghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng khoa học vào thực tiễn sản xuất và đời sống về lĩnh vực vật liệu kỹ thuật cao. Đây là đối tượng nghiên cứu đã và đang có nhiều hứa hẹn về sự phát triển và ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam cũng như trên thế giới như: các hợp kim đặc dụng, gốm kỹ thuật, vật liệu polymer và composite, vật liệu y sinh, vật liệu quangđiện tử, vật liệu bền cơ nhiệt, vật liệu bán dẫn, vật liệu từ, vật liệu photonics... Ngành khoa học vật liêu khoa hoc vat lieu Tốt nghiệp Ngành Khoa học Vật liệu, sinh viên cần phải tích lũy đủ các khối kiến thức sau: Sponsored Content Hàng triệu người trên toàn thế giới xác nhận miếng dán giải độc có tác dụng kỳ diệu Hàng triệu người trên toàn thế giới xác nhận miếng dán giải độc có tác dụng kỳ diệu Nuubu Đã trở lại Miếng dán bán chạy nhất Nhật Bản Đã trở lại Miếng dán bán chạy nhất Nhật Bản Nuubu Recommended by Kiến thức giáo dục đại cương: 60 tín chỉ. Kiến thức cơ sở nhóm ngành: 80 tín chỉ. Sau khi hoàn thành các môn học thuộc chương trình kiến thức giáo dục đại cương (60 tín chỉ), sinh viên sẽ lựa chọn theo học 1 trong 3 chuyên ngành (kiến thức cơ sở nhóm ngành) như sau: 1. Vật Liệu Linh Kiện Màng Mỏng Hàng năm bộ môn có khoảng 60 sinh viên tốt nghiệp thuộc chuyên ngành màng mỏng, các sinh viên ra trường đa phần đều có việc làm sau 12 tháng. Một số làm ở các viện nghiên cứu và tiếp tục học lên để lấy học vị cao hơn. Cơ hội để các sinh viên tốt nghiệp tìm kiếm học bổng du học nước ngoài sau khi tốt nghiệp là rất lớn nếu giỏi ngoại ngữ. Vì ngành Khoa học Vật liệu nói chung và chuyên ngành Vật liệu Màng mỏng nói riêng là một ngành mới và nằm trong chiến lược phát triển về khoa học và công nghệ nước ta, nên số đề tài nghiên cứu khoa học và số suất học bổng cấp cho các sinh viên ngành này là rất lớn. Mục tiêu đào tạo chính của chuyên ngành Vật liệu Màng mỏng là đào tạo các cử nhân Khoa học Vật liệu nắm vững các kiến thức, quy trình chế tạo, vận hành các thiết bị chế tạo các vật liệu mới và có tính ứng dụng cao trong đời sống. Đồng thời, sinh viên cũng được trang bị các kiến thức cần thiết để hiểu rõ nguyên lý và cách thức vận hành các máy phân tích vật liệu mới. Hiện nay có rất nhiều công ty hoạt động trong lĩnh vực xây dựng, sản xuất có nhu cầu tìm kiếm những vật liệu mới bền, rẻ, nhẹ, tiết kiệm năng lượng 2. Bộ môn Vật liệu Polymer Composite Hằng năm, Bộ môn tiếp nhận hơn 50% số sinh viên từ đại cương theo học chuyên ngành. Đây là một chuyên ngành cung cấp những kiến thức cơ bản cũng như chuyên sâu về vật liệu polymer vốn dĩ ngày càng được ứng dụng trong các vật liệu phổ biến trong đời sống đến các loại vật liệu kỹ thuật cao để thay thế cho các vật liệu truyền thống từ thiên nhiên hoặc kim loại mà từ trước đến nay vẫn hay sử dụng. Bên cạnh các hoc phần lý thuyết, sinh viên luôn được tạo điều kiện đi kiến tập hoặc thực tập thực tế và làm seminar báo cáo tại các công ty và nhà máy gia công sản xuất vật liệu. Đến nay, Bộ môn đã có 5 khoá sinh viên ra trường, theo thống kê gần đây của Bộ môn, các sinh viên tốt nghiệp ra trường hướng polymer và composite đều dễ dàng tìm được những công việc đúng theo hướng chuyên môn được đào tạo, nhiều sinh viên có thành tích tốt trong quá trình học và thực tập đã được các công ty hứa tuyển dụng ngay sau khi tốt nghiệp. Các cử nhân chuyên ngành sau khi ra trường có thể tiếp tục học lên, nhận học bổng du học hoặc có thể công tác tại các trường Đại học, Viện nghiên cứu, khu Công nghệ cao, các công ty Kinh doanh hoặc sản xuất vật liệu nhựa, cao su, bao bì và composite.; đặc biệt là làm trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu polymer kỹ thuật cao ứng dụng trong lĩnh vực pin năng lượng mặt trời, vật liệu y sinh, vật liệu nanocomposite… Thương hiệu “tốt nghiệp ngành Khoa học Vật liệu hướng Vật Liệu Polymer Composite” đang trở thành một chìa khoá thành công lúc ra trường của các sinh viên. 3. Vật Liệu Từ Y Sinh Đây là một chuyên ngành mới được thành lập từ những năm 2010 với mục đích mở rộng nội dung đào tạo, giảng dạy và nghiên cứu trong ngành khoa học vật liệu. Trong công cuộc hiện đại hóa đất nước, bên cạnh việc sử dụng và phát triển các loại vật liệu truyền thống, đòi hỏi cần nghiên cứu, phát triển về khoa học và ứng dụng công nghệ vật liệu mới, đặc biệt là vật liệu Quang – Điện tử, vật liệu Từ và vật liệu Y sinh. Hiện nay, vật liệu Từ và vật liệu Y sinh đã được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán y học, chữa trị bệnh và xử lý ô nhiễm môi trường. Xu hướng phát triển khoa học công nghệ hiện nay đòi hỏi sự liên kết hợp tác trong đào tạo và nghiên cứu. Trường ĐH Khoa học Tự nhiên TP.HCM hiện có 02 đơn vị có cơ sở về nhân lực và trang thiết bị là Khoa Khoa học Vật liệu và Phòng thí nghiệm Tế bào gốc, có thể triển khai một hướng đào tạo và nghiên cứu sâu về vật liệu Từ và Y sinh. Sự liên kết này cũng phù hợp với chủ trương của ĐHQGHCM. Khoa học về vật liệu Từ và Y sinh nghiên cứu các tính chất của vật liệu Từ và Y sinh, giải thích và làm sáng tỏ bản chất của vật liệu. Từ đó xác định được những ứng dụng của vật liệu, góp phần xây dựng và phát triển ngành công nghệ vật liệu mới ở Việt Nam.

VẬT LIỆU HỌC

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 c ủa vật liệu

3.1.Bản chất & Phân loại

 Gốm (đất nung) : vật liệu chế tạo từ đất sét

(cao lanh :Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O)

 Thuỷ tinh : SiO 2 -CaO-Na 2 O

 Ximăng : CaO-SiO 2 -Al 2 O 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

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: χ kl  χ akim 

Điện tử hóa trị “e” của k.loại  dịch chuyển về phía

Á kim =>Liên kết ion

 Ví dụ : Vật liệu silicat : SiO 2

O: Z=8

Si: Z = 14

 Si có 4 e tham gia liên kết :

Điện tử “e” của Si dich chuyển về 4 ngtử Oxy 

Si 4+ , O 2- => Liên kết ion

2S 2

• Mỗi ion Si 4+ bao quanh bởi 4 ion O 2- =>

Tứ diện tam giác đều (SiO 4 ) 4- ( Đa diện phối trí (SiO 4 ) 4- )

• Mỗi ion Si 4+ bao quanh bởi 4 ion O 2- =>

Tứ diện tam giác đều (SiO 4 ) 4- ( Đa diện phối trí (SiO 4 ) 4- )

• Để đảm bảo trung hòa về điện : Mỗi ion O 2- là đỉnh

chung của 2 khối tứ dịên

=> Liên kết cộng hóa trị  Mạng tinh thể

Mạng kh.gian 3 chiều Mạng kh.gian 2 chiều

 Năng lượng liên kết : E = 100 – 500 kj/mol

(đối với kim loại E =60 – 250 kj/mol)

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

3.3.1.Cấu trúc tinh thể

Cấu trúc = f (Liên kết ion, Liên kết cộng hóa trị)

 Liên kết hóa học  Tỷ số

Vì  (e-cho của cation) =  (e-nhận của anion) =>

Trung hoà điện tích: =>

const Ion

Ion





 ) (

) (

 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:

Cation Rc, nm Cation Rc, nm Anion Ra,nm

 Cấu trúc : Mạng tinh thể của anion

Nút mạng : Ion (-) Lỗ hổng : Ion (+)

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

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

 n = 2

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

 n = 3

2

3 30

cos AO

r

)

( 2

2 r   a

/ : r

-225

2 2

2 2

2 2

2

2

3 2

BH

2

2 3

2 1

1 2

 n = 6 : Xét tam giác AEC :

(1) Khi 2 ion trái dấu tiếp xúc

(2)

  2   2   2

EC AE

2

2 2

2 r   a

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

 r   r    a

2

2

2 1

414

• 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)?

• Cấu trúc MX 2 hay M 2 X

CaF 2 : Rc = 0.10nm

Ra= 0.133 nm Rc/Ra = 0.75

Số sắp xếp # = 8

 Cấu trúc tinh thể

 Mạng tinh thể :  Đa diện phối trí (Ô cơ sở)

 Đa diện ph.trí [SiO 4 ] 4- L.kết qua đỉnhM.tinh thể

Mạng kh.gian 3 chiều Mạng kh.gian 2 chiều

3.3.2.Cấu trúc vô định hình

Liên kết ionMạng xô lệch, đứt => Cấu trúc vô định hình

3.3.3.Vật liệu đa pha & Đa tinh thể

 Vật liệu đa pha :

 CT tinh thể + CT vô định hình

 Ví dụ : Sứ, gốm chịu lửa, gốm thủy tinh

 Vật liệu đa tinh thể :

 nhiều hạt tinh thể : cấu trúc 

3.3.4.Khuyết tật trong mạng tinh thể

 Tạp chất trong mạng tinh thể

 Tạp chất Dung dịch rắn thay thế (d.dh rắn xen kẽ)

Kích thước : giống nhau