giáo trình vật liệu học

Giới thiệu chung

Mở đầu

Vật liệu được định nghĩa là chất hoặc hợp chất mà con người sử dụng để sản xuất các sản phẩm khác Nó đóng vai trò là đầu vào trong quá trình sản xuất hoặc chế tạo.

Vật liệu đóng vai trò thiết yếu trong đời sống con người và phản ánh trình độ văn minh của xã hội Từ thời kỳ đồ đá đến nay, các tiến bộ công nghệ quan trọng luôn gắn liền với việc cải thiện tính chất của vật liệu hoặc sử dụng vật liệu mới Để thực hiện các công việc kỹ thuật, việc kết hợp nhiều loại vật liệu một cách hợp lý là điều cần thiết.

Kỹ thuật bao gồm mọi khía cạnh của quá trình và thiết bị trong từng giai đoạn sản xuất một chi tiết Công nghệ là việc tối ưu hóa tất cả các quy trình, từ chuẩn bị nguyên liệu ban đầu đến sản xuất sản phẩm (kỹ thuật) và đưa sản phẩm ra thị trường (bao gồm chất lượng, bao bì, mẫu mã, giá cả và quảng cáo).

Khoa học vật liệu là một lĩnh vực liên ngành nghiên cứu mối quan hệ giữa thành phần, cấu trúc, công nghệ chế tạo, xử lý và tính chất của vật liệu Nó tập trung vào các quá trình chuyển chất và tạo hình vật liệu Môn học này đóng vai trò là nền tảng cho công nghệ vật liệu, nghiên cứu các quy trình chế tạo, chuyển hóa, gia công và sản xuất vật liệu.

Giáo trình lưu hành nội bộ -ThS Đoàn mạnh Tuấn – ĐHCN.TP.HCM

Quá trình gia công, chế tạo  Cấu trúc  Tính chất  Đặc tính kỹ thuật

Cấu trúc vi mô

Để nắm bắt tính chất của vật liệu, việc thiết lập mối liên hệ giữa các hiện tượng ở cấp độ cấu trúc vi mô và dưới vi mô là rất quan trọng, bao gồm cách sắp xếp của các nguyên tử và phân tử, từ đó ảnh hưởng đến các tính chất của vật liệu.

Nguyên tử  ô cơ bản  Siêu hạt  Tinh thể  hạt (Ô cơ bản đồng hướng)

Các hạt sẽ có phương mạng khác nhau tạo thành cấu trúc đa tinh thể

Cấu trúc vi mô thường được xác định bởi các thông số:

 Thành phần, sự sắp xếp nguyên tử, phân tử

 Tỉ lệ tương đối các thành phần

 Hình dáng, kích thước, quá trình gia công, chế tạo

Cấu trúc vi mô đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất của nhiều loại vật liệu Việc cải thiện cấu trúc vi mô một cách có kiểm soát sẽ giúp tạo ra những tính chất mới và đa dạng cho vật liệu.

Theo thời gian, cấu trúc vi mô cũng sẽ thay đổi dẫn đến thay đổi tính chất, ví dụ hiện tượng lão hóa.

Sử dụng vật liệu

Các tiêu chuẩn để lựa chọn:

 Chức năng chính của đối tượng: tải trọng, nhiệt độ, môi trường xâm thực, điều kiện sử dụng…

 Tính chất vật liệu: độ bền cơ, bền mài mòn, ăn mòn, độ dẫn điện, dẫn nhiệt…

 Tính phổ biến trên trái đất, tính dễ gia công chế tạo

 Khả năng tương hợp với môi trường của vật liệu

Trong quá trình phát triển công nghệ, việc thay thế vật liệu này bằng vật liệu khác diễn ra thường xuyên, nhằm tối ưu hóa về mặt kỹ thuật và kinh tế.

Phân loại theo quá trình công nghệ và thành phần hóa

 Vật liệu kim loại và hợp kim

 Vật liệu polyme hữu cơ

Trung gian của các nhóm vật liệu trên là các nhóm phụ như: bán dẫn, siêu dẫn, silicon, polymer dẫn điện…

Vật liệu của tương lai

Vật liệu thông minh là nhóm vật liệu mới đang phát triển, có khả năng nhạy cảm và phản ứng với những thay đổi của môi trường xung quanh, tương tự như các sinh vật sống Những vật liệu này hứa hẹn sẽ có ảnh hưởng đáng kể đến công nghệ hiện tại Khái niệm "thông minh" cũng được mở rộng để bao gồm các hệ thống tương đối tinh vi, kết hợp giữa vật liệu thông minh và vật liệu truyền thống.

Gần đây, các nhà khoa học đã thay đổi cách tiếp cận trong nghiên cứu hóa tính và lý tính của vật liệu, từ việc bắt đầu với các cấu trúc lớn, phức tạp đến việc tìm hiểu các khối cấu tạo cơ bản nhỏ hơn và đơn giản hơn Phương pháp này được gọi là cách tiếp cận từ trên xuống (Top-down approach).

Với sự phát triển của kính hiển vi quét, việc quan sát và điều khiển các nguyên tử, phân tử trở nên khả thi, cho phép tạo ra các cấu trúc mới và thiết kế vật liệu từ cấp độ nguyên tử Khả năng này mở ra cơ hội tạo ra những tính chất cơ, điện, từ và nhiều tính chất khác cho vật liệu Tiến trình này được gọi là cách tiếp cận từ dưới lên, mang lại những ứng dụng tiềm năng trong nghiên cứu vật liệu.

Công nghệ nano liên quan đến 8 vật liệu có kích thước cấu trúc ở cấp độ nanomet (10^-9 m), thường nhỏ hơn 100 nm, tương đương với đường kính của khoảng 500 nguyên tử.

Cấu trúc tinh thể vật liệu rắn

Liên kết cấp độ nguyên tử

2.1.1 Liên kết sơ cấp a/ Liên kết ion:

Liên kết hóa học xảy ra khi các đám mây electron của các nguyên tử tham gia liên kết di chuyển gần như hoàn toàn về phía nguyên tử có điện tích âm lớn hơn Điều này tạo ra sự tương tác mạnh mẽ giữa các nguyên tử, góp phần hình thành các phân tử ổn định.

 Hai nguyên tử liên kết với nhau bằng lực hút tı̃nh điê ̣n

 Năng lươ ̣ng của liên kết ion: là năng lượng tương tác tı̃nh điê ̣n giữa 2 ion b/ Liên kết cộng hóa trị:

Liên kết cộng hoá trị hình thành do sự ghép đôi của 2e có spin trái dấu Đặc điểm:

 Sự xen phủ của hai đám mây điê ̣n tử tham gia liên kết càng lớn thı̀ liên kết càng bền

 Liên kết đươ ̣c hı̀nh thành theo phương để cho có sự xen phủ của các đám mây điê ̣n tử là lớn nhất

 Cơ chế tạo thành các cặp e góp chung: Các e góp chung: do mỗi nguyên tử đóng góp (cơ chế ghép đôi) Điều kiê ̣n: phải có e đô ̣c thân

Có hai loại liên kết cộng hóa tri :

Liên kết  (sigma bonding): là sự xen phủ của các AO theo tru ̣c liên kết

Liên kết π là sự xen phủ của các AO hai bên tru ̣c liên kết c/ Liên kết kim loại:

11 Đây là loại liên kết đặc trưng cho các vật liệu kim loại, quyết định các tính chất rất đặc trưng của loại vật liệu này

Liên kết giữa các ion dương tạo thành một mạng xác định trong không gian điện tử tự do Năng lượng liên kết là sự cân bằng giữa lực hút giữa ion dương và điện tử tự do, cùng với lực đẩy giữa các ion dương Nhờ vào sự cân bằng này, các nguyên tử và ion kim loại luôn duy trì vị trí cân bằng trong đám mây điện tử.

Liên kết kim loại xuất hiện trong các nguyên tố có ít điện tử hóa trị, dẫn đến việc chúng liên kết yếu với hạt nhân Điều này cho phép các điện tử dễ dàng tách ra khỏi nguyên tử, trở thành tự do và hình thành nên "mây" hay "biển" điện tử.

Chính liên kết này tạo cho kim loại có các tính chất điển hình, rất đặc trưng và được gọi là tính kim loại Chúng bao gồm:

Tính ánh kim của bề mặt kim loại chưa bị ôxy hóa thể hiện qua độ sáng bóng Khi ánh sáng chiếu vào, các điện tử tự do hấp thụ năng lượng và nhảy lên mức năng lượng cao hơn Tuy nhiên, do tính không ổn định, chúng sẽ trở về trạng thái ban đầu và phát ra ánh sáng.

Kim loại có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cao nhờ vào sự chuyển động dễ dàng của các điện tử tự do dưới tác động của trường điện Tính dẫn điện của kim loại xuất phát từ khả năng di chuyển của các điện tử này, trong khi tính dẫn nhiệt được giải thích bởi sự truyền năng lượng giữa các điện tử tự do và ion dương.

Tính dẻo của kim loại xuất phát từ khả năng dịch chuyển dễ dàng của các ion dương giữa các lớp đệm điện tử dưới tác động cơ học Khi kim loại biến hình, các ion có thể chuyển chỗ mà không làm thay đổi vị trí tương quan giữa chúng và các điện tử tự do, do đó liên kết kim loại vẫn được bảo tồn.

2.1.2 Liên kết thứ cấp a/Liên kết Hydro:

Liên kết hydro là liên kết được ta ̣o thành giữa nguyên tử hydro ở trong hợp chất với mô ̣t nguyên tử khác có đô ̣ âm điê ̣n lớn hơn

Nguyên tử hydro chỉ có một điện tử duy nhất, vì vậy khi liên kết với nguyên tử của một nguyên tố khác có độ âm điện lớn hơn, đôi điện tử dùng chung sẽ bị lệch về phía nguyên tử có độ âm điện cao hơn.

Nguyên tử hydro mang điện tích dương, cho phép nó tạo liên kết thứ hai với một nguyên tử của nguyên tố có độ âm điện lớn hơn.

Nước đá Nước thể lỏng b/ Liên kết Van Der Waals:

Liên kết được hình thành do sự tương tác giữa các phân tử, gọi là liên kết Van Der Waals, và lực tương tác giữa các phân tử này được gọi là lực Van Der Waals Lực Van Der Waals đóng vai trò quan trọng trong các quá trình như hấp phụ, hòa tan, ngưng tụ và giãn nở khí.

Cụ thể: Khi hai nguyên tử tiến lại gần nhau, chúng tạo ra một lực hút yếu và không đặc hiệu, gọi lả tương tác Van der Walls

Nguyên nhân: Do các lưỡng cực điện tạm thời gây ra

Bản chất của liên kết Vander Waals:

Nguyên nhân gây ra các tương tác không đặc hiệu là do dao động tự do ngắn hạn của điện tử trong nguyên tử, dẫn đến phân bố điện tích không đối xứng Khi hai nguyên tử liên kết không cộng hóa trị ở gần nhau, điện tử của một nguyên tử sẽ làm xáo trộn điện tử của nguyên tử kia, tạo ra một lưỡng cực tạm thời trong nguyên tử thứ hai Hai lưỡng cực điện này sau đó sẽ hút nhau một cách yếu ớt.

 Năng lượng liên kết là năng lượng cần tiêu tốn để phá hủy liên kết

 Năng lượng liên kết đặc trưng cho độ bền của liên kết, năng lượng liên kết càng lớn thì liên kết càng bền

Năng lượng liên kết được xác định bởi độ dài liên kết, độ bội liên kết và độ bền liên kết Dưới đây là bảng so sánh năng lượng liên kết của một số loại liên kết khác nhau.

Loại liên kết Năng lượng liên kết Đặc điểm

Ion Lớn Không định hướng

Hóa trị Tùy thuộc vào nguyên tố

- Nhỏ: Bismuth Định hướng (bán dẫn, ceramics, chuỗi polymers)

Kim loại Tùy thuộc vào nguyên tố

Không định hướng (kim loại )

Thứ cấp Nhỏ nhất Định hướng

Cấu trúc tinh thể vật liệu rắn

2.2.1 Đại cương về tinh thể học a/ Khái niệm về tinh thể

Cấu trúc tinh thể đặc trưng bởi sự sắp xếp đều đặn và đối xứng của các phần tử như ion, nguyên tử và phân tử Những phần tử này được tổ chức theo các hướng khác nhau trong không gian cấu trúc, tạo nên tính chất đặc biệt của tinh thể Ngoài ra, tinh thể cũng có nhiệt độ nóng chảy rõ ràng, giúp xác định tính chất vật lý của chúng.

Các phần tử trong chất rắn tinh thể được kết nối bởi nhiều loại liên kết hóa học như liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết kim loại, liên kết Van der Waals và liên kết hydro Những liên kết này mang lại sự bền vững cho cấu trúc, khiến chúng khó bị nén ép và không dễ dàng biến dạng trong các bình chứa.

Các phần tử trong chất rắn có vị trí cố định trong không gian tinh thể Độ không tuyệt đối (T=0K) là nhiệt độ mà tại đó các phần tử tinh thể đứng yên ở vị trí cân bằng Ở nhiệt độ bình thường, các phân tử sẽ dao động quanh vị trí cân bằng với biên độ nhất định.

Nhiệt độ là thước đo mức dao động của các phần tử cấu tạo vật chất; khi nhiệt độ tăng, biên độ dao động cũng lớn hơn Sự gia tăng nhiệt độ làm cho các phần tử dao động mạnh, dẫn đến việc liên kết giữa chúng trở nên yếu, khiến chất rắn không còn giữ được hình dạng và chuyển sang trạng thái lỏng hoặc khí Ô mạng cơ sở và hệ tinh thể của các chất điểm là những khái niệm quan trọng trong việc hiểu cấu trúc và tính chất của vật liệu.

Chất điểm là các phần tử như nguyên tử, ion và phân tử, chúng tạo nên tinh thể và phân bố tại các mắt nút Mối liên kết giữa hai chất điểm được thể hiện bằng đường thẳng nối giữa chúng.

Mạng lưới không gian: Cácđường nối các chất điểm tạo thành mạng lưới

Trong mạng lưới không gian tinh thể, mỗi điểm có thể là giao của nhiều đường thẳng, ta gọi là một nút mạng

Chu kỳ mạng: Khoảng cách giữa hai nút mạng gần nhau nhất c/ Các ô mạng cơ sở

Theo Bravais, có 7 hệ tinh thể với 14 dạng ô mạng cơ sở, mỗi dạng được đặc trưng bởi các cạnh và góc riêng biệt Sự kết hợp của 14 ô mạng Bravais cùng với 32 phép đối xứng tạo ra 230 nhóm không gian khác nhau.

Bảng: Các hệ tinh thể cơ bản

HỆ TINH THỂ DẠNG Ô MẠNG

P(primitive): nguyên thủy C(side-centered): tâm đáy F(face- centered): tâm mặt I(body- centered): tâm khối.

2.2.2 Mặt mạng tinh thể, chỉ số Miller:

Chỉ số Miller đóng vai trò quan trọng trong việc khảo sát cấu trúc mạng lưới tinh thể, cho phép tính toán khoảng cách giữa các mặt tinh thể song song trong cùng một họ mặt.

Mặt tinh thể là mặt phẳng hình thành từ ít nhất ba nút mạng, tạo nên một mạng tinh thể với các mặt tinh thể giống nhau, song song và cách đều Các mặt tinh thể này có tính chất hoàn toàn giống nhau, vì vậy chúng được gán cùng một ký hiệu, gọi là chỉ số Miller Tính chất của mặt mạng tinh thể rất quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng vật liệu.

- Trong mạng lưới tinh thể có rất nhiều họ mặt phẳng song song và cách đều nhau

- Mỗi một họ mặt phẳng song song với nhau đó được đặc trưng bằng 3 chỉ số h k l (gọi là chỉ số Mile (Miller)

Cách tìm chỉ số Miller: x y z

 Tìm giao điểm trên ba trục Ox, Oy, Oz Ví dụ : A,B,C

 Xác định độ dài đoạn thẳng từ gốc tọa độ tới các giao điểm : 3,2,2

 Lấy già trị nghịch đảo: , ,

 Quy đồng mẫu số , rồi lấy tử số Đó chính là chỉ số Miller, đặc trưng cho mặt phẳng (h,k,l) trên (2,3,3)

Một số chỉ số Miller : a/ b/ c/

Chỉ số Miller của mặt tinh tinh thể hình a : (111) , Hình b: (101) hình c: (010)

Biểu diễn chỉ số Miller theo họ mạng:

Chỉ số miller: hình a/ (001) , hình b/ (110) , hình c/ (111)

Thông qua các chỉ số tinh thể (hkl), chúng ta có thể xác định khoảng cách giữa các mặt tinh thể song song, một thông số quan trọng trong việc khảo sát cấu trúc bằng phương trình Vulf-Bragg: n λ.

Khoảng cách mặt (interplanar spacing)

  b/ Cách sắp xếp các phần tử trong tinh thể:

Là bán kính của lớp điện tử ngoài cùng sau khi đã nhận hoặc cho đi điện tử hóa trị

Số phối trí của một ion : Số các ion khác loại trực tiếp bao quanh ion đó Đa diện đối trí

Khi nối tâm các ion xung quanh một ion cụ thể, ta tạo ra một đa diện gọi là đa diện phối trí Thông thường, chỉ xem xét số lượng anion xung quanh cation; do đó, số phối trí và đa diện phối trí được hiểu là số anion bao quanh cation Đối với các oxit, số phối trí của cation chính là số anion O 2- bao quanh cation đó.

1: Tứ diện, 2: lục diện đều, 3: Bát diện đều, 4: Thập nhị diện đều, 5: Nhị thập diện đều

Nguyên lý sắp xếp chất điểm phối trí:

Nguyên lý sắp xếp cho phép ta vẽ lý thuyết đánh giá mức độ bền vững của một cấu trúc

Cấu trúc bền vững yêu cầu sự tiếp xúc giữa anion với anion và giữa anion với cation Ngược lại, những cấu trúc không đáp ứng tiêu chí này sẽ có độ bền thấp hơn.

Theo hình vẽ, có thể áp dụng con đường hình học để xác định tỷ lệ bán kính cation và anion cho mọi cấu trúc không gian hình đa diện, từ đó xác định cấu trúc bền vững Cơ sở này được Macmut phát hiện.

1- Đối với hình không gian bền đỉnh (tâm diện) các đỉnh là 3 anion, ta có tỷ lệ

√3 1 0,155 2- Đối với hình không gian bốn đỉnh (tâm diện) các đỉnh là 4 anion, ta có tỷ lệ

2 1 √2 1 0,0,414 3- Đối với hình không gian sáu đỉnh (tâm diện) các đỉnh là 6 anion, ta có tỷ lệ

Tương tự dựa vào hình học ta tính được:

√3 1 0,155 4- Đối với hình không gian tám đỉnh (tâm diện) các đỉnh là 8 anion, ta có tỷ lệ

5- Đối với hình sắp xếp chặt chẽ 10 hay 12 đỉnh trở lên, ta có tỷ lệ

Tỷ số giữa cation và anion là yếu tố quyết định cấu trúc ô mạng cơ sở Số phối trí trong cấu trúc tương ứng có thể là 3, 4, 6, 8, 10 hoặc 12 Tuy nhiên, tỷ lệ rc/ra thường thay đổi giữa các loại cation khác nhau, dẫn đến số phối trí được xác định trong một giới hạn nhất định.

Bảng 1.2: Quan hệ tỷ số rc/ra với cấu hình phối trí tương ứng

Tỷ lệ rc/ra Số phối trí Đa diện phối trí rc/ra = 1

Lập phương bán diện Lập phương

Ví dụ: Đối với SiO2 : Tỷ số rc / ra là 0,39 Tra bảng ta có số phối trí 4, vậy nó là tứ diện

2.2.3 Cấu trúc tinh thể vật liệu kim loại

2.2.3.1.Các loại mạng tinh thể thường gặp của kim loại:

Kiểu cấu trúc mạng tinh thể phổ biến của một số kim loại trong bảng tuần hoàn:

24 a.Lập phương thể tâm (Lập phương tâm khối):

Hình : Lập phương tâm khối

Các nguyên tử được bố trí ở đỉnh và giữa các khối của hình lập phương, với các điểm O tượng trưng cho các nguyên tử Trong thực tế, các nguyên tử này được hình dung như những quả cầu tròn xếp chặt chẽ theo một hướng nhất định.

Số nguyên tử ở một ô cơ bản là: n 8 1 2 nguyên tử

( 8 nguyên tử thuộc 8 ô cơ bản bao quanh nó và 1ô thuộc bản thân nó)

Mật độ nguyên tử ( M ): Mật độ nguyên tử của mạng tinh thể nào đó là phần thể tích của mạng do nguyên tử chiếm chỗ tính ra phần trăm

100% n: Số nguyên tử trong 1ô cơ bản

V: Thể tích của một ô cơ bản

Khi xem xét nguyên tử như những hình cầu có bán kính r, trong mạng lập phương thể tâm, các nguyên tử xít nhau, dẫn đến khoảng cách giữa hai nguyên tử trên cùng một mặt tinh thể được tính bằng công thức r √ a, trong đó a là khoảng cách giữa các nguyên tử.

Các kim loại Fe, Cr, W, Mo, V có loại mạng này b.Lập phương diện tâm (Lập phương tâm mặt)

Ngoài các nguyên tử nằm ở đỉnh còn có các nguyên tử nằm ở mặt bên của hình lập phương

Số nguyên tử n nằm trong một ô là: n 8 6 4 nguyên tử

(8 nguyên tử ở các đỉnh thuộc 8 ô cơ bản và 6 nguyên tử bề mặt thuộc 2 ô cơ bản) Mật độ nguyên tử:

Các kim loại Fe, Cu, Ni, Al, Pb có loại mạng này c Lục giác xếp chặt

Các nguyên tử nằm ở các đỉnh của hình lục giác và 3 nguyên tử nằm ở trung tâm 3 khối lăng trụ

Số nguyên tử trong ô cơ bản: n 12 2 3 6 nguyên tử

(12 nguyên tử chung cho 6 mặt, 2 nguyên tử chung cho 2 mặt và của riêng nó là 3 nguyên tử)

Thể tích hình lục giác:

4 6 a 1,633 Mật độ nguyên tử: Tính như trên M = 74%

Sai lệch mạng tinh thể

Một số sai lệch thường gặp

 Sai lệch điểm: mất nguyên tử hoặc sắp xếp không đúng trong ô mạng ( lỗ trống, kẽ hở, tạp chất )

 Sai lệch đường: một nhóm nguyên tử sắp xếp sai vị trí

 Sai lệch mặt: mặt phân cách giữa những vùng đồng thể trong vật liệu ( biên giới hạt)…

2.3.1 Sai lệch điểm: Đó là loại sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo ba chiều không gian, có dạng bao quanh một điểm

Hiện tượng thâm nhập (doping) và sự mất đi của các ion trong cấu trúc không gian của mạng gây ra khuyết tật cho mạng Các dạng khuyết tật này có thể bao gồm nhiều loại khác nhau.

Trong quá trình xâm nhập hoặc mất đi của các ion, việc duy trì sự trung hòa điện tích là rất quan trọng để bảo đảm sự ổn định của cấu trúc tổng thể.

Cơ chế khi cation xâm nhập mạng lưới tinh thể: Xuất hiện lỗ trống cation

Tương tự khi anion xâm nhập mạng lưới tinh thể làm xuất hiện lỗ trống anion

Số lượng lỗ trống trong tinh thể có thể được xác định

 Ns: số lượng nút mạng (ngtử/m 3 )

 Qv: năng lượng cần thiết để tạo lỗ trống (J/mol, eV/mol)

Sai lệch đường là loại khuyết tật có kích thước nhỏ, tương đương kích thước nguyên tử theo hai chiều và lớn theo chiều thứ ba, tạo thành hình dạng của một đường Các sai lệch đường có thể bao gồm nhiều dạng khác nhau, nhưng chủ yếu là lệch (dislocation) với hai loại chính là biên và xoắn.

Lệch biên có thể được hiểu như một mô hình trong đó bán mặt ABCD được chèn vào nửa phần trên của mạng tinh thể lý tưởng, làm cho các mặt phẳng nguyên tử không còn hoàn toàn song song Hình ảnh minh họa cho thấy sự sắp xếp nguyên tử trên mặt cắt vuông góc với trục AD, trong đó vùng bị xô lệch chỉ khoảng 4-5 thông số mạng trong phạm vi vòng tròn Sự xô lệch này kéo dài theo trục AD, được gọi là trục lệch, và chính là biên của bán mặt, nên được gọi là lệch biên Với cấu trúc này, nửa tinh thể có chứa bán mặt sẽ chịu ứng suất nén, trong khi nửa còn lại chịu ứng suất kéo.

Lệch xoắn có thể được hình dung như một mô hình trượt dịch, trong đó cắt tinh thể lý tưởng theo bán mặt ABCD và trượt hai mép ngoài ngược chiều nhau một hằng số mạng trên đường BC Quá trình này dẫn đến việc các nguyên tử trong vùng giữa hai đường AD và BC sắp xếp lại theo dạng xoắn ốc giống như mặt vít, từ đó có tên gọi là lệch xoắn Hình 1.19b minh họa sự sắp xếp nguyên tử ở trên và dưới bán mặt, trong khi hình 1.19c cho thấy rõ sự xô lệch nguyên tử Trục lệch được xác định tại đường AD, nơi tập trung sự xô lệch.

2.3.3 Sai lệch mặt: Sai lệch mặt là loại sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều đo và nhỏ theo chiều thứ ba, tức có dạng của một mặt (mặt ở đây có thể là phẳng, cong hay uốn lượn) Các dạng điển hình của sai lệch mặt là:

 Biên giới hạt và siêu hạt

Quá trình khuếch tán trong vật liệu

Giới thiệu và ứng dụng của quá trình khuếch tán

Khái niệm: Khuếch tán là sự chuyển chất nhằm cân bằng thế Ở đây ta chỉ xét khuếch tán do chênh lệch nồng độ

Các ứng dụng quá trình khuếch tán:

- Tạo lớp thấm bề mặt kim loại: Tạo lớp phủ khuếch tán trong quá trình gia công gia bề mặt kim loại Ví dụ :

Carbon, Silic, Nhôm thường được khuếch tán vào thép làm thay đổi tính chất của bề mặt vật liệu, làm sản phẩm tăng độ cứng, độ chống ăn mòn…

- Tạo hợp chất trung gian trên bề mặt các lớp bán dẫn: Công nghệ tạo hợp chất bán dẫn đặc biệt trong công nghiệp bán dẫn

Hợp chất ceramics dẫn điện, bao gồm ion và electron, đóng vai trò quan trọng trong công nghệ vật liệu màng dẫn như màng ITO trong pin mặt trời, công nghệ pin nhiên liệu với LiCoO2 trong pin lithium, và màn hình cảm ứng.

- Ngăn chặn quá trình khuếch tán: công nghệ quan trọng của một số ngành Ví dụ màng bán thấm trong y học

Ngăn chặn quá trình khuếch tán CO 2 trong vỏ chai bia

- Công nghệ chống ăn mòn bằng màng oxi hóa: tạo màng nhôm oxit (không màu, không nhận diện bằng mắt thường) để bảo vệ vật liệu

Phân loại khuếch tán

Khuếch tán lỗ trống xảy ra khi phần tử nhận năng lượng di chuyển vào ô trống bên cạnh, tạo ra một ô trống mới tại vị trí mà nó vừa rời đi Quá trình này dẫn đến sự dịch chuyển của ô trống từ phải sang trái một đơn vị trong mạng.

- Khuyếch tán xen kẽ: Phần tử nhỏ đang nằm xen kẽ có năng lượng đủ lớn khuếch tán vào vị trí xen kẽ khác

- Khuếch tán Frenkel: Phần tử trong nút mạng nhảy về vị trí xen kẽ, làm xuất hiện ô trống tại nút mạng

- Khuếch tán trao đổi: Các phần tử trong nút mạng dao động, đổi vị trí cho nhau

Cơ chế của sự khuếch tán

Điều kiện có khuếch tán:

 Tồn tại vị trí trống bên cạnh

Khuếch tán chất khí và chất lỏng: chuyển động ngẫu nhiên (chuyển động Brownian) Khuếch tán chất rắn: khuếch tán qua lỗ trống hoặc khuếch tán qua khe hở

Khuếch tán qua lỗ trống (vacancy diffusion)

Các phần tử từ nút mạng sẽ di chuyển đến các nút trống lân cận thông qua cơ chế khuếch tán, điều này cần có sự hiện diện của các nút trống ở gần.

Mức độ khuếch tán theo cơ chế nút trống phụ thuộc vào số lượng nút trống trong mạng Khi nhiệt độ tăng cao, mật độ nút trống có thể đạt giá trị lớn, dẫn đến việc khuếch tán theo cơ chế này diễn ra dễ dàng hơn.

Do sự trao đổi vị trí giữa nút trống và nguyên tử, quá trình khuếch tán của nguyên tử diễn ra theo một hướng, trong khi nút trống khuếch tán theo hướng ngược lại.

 Các quá trình khuếch tán Frenkel và khuếch tán trao đổi cùng theo cơ chế này

Khuếch tán qua khe hở (interstitial diffusion)

Nguyên tử từ vị trí xen kẽ sẽ di chuyển đến vị trí xen kẽ lân cận còn trống thông qua cơ chế khuếch tán nguyên tử xen kẽ.

Cơ chế nội khuếch tán thường liên quan đến sự di chuyển của các tạp chất như hydrô, carbon, nitơ và oxy, những nguyên tử này có kích thước nhỏ đủ để xen kẽ vào các vị trí trong cấu trúc vật liệu.

Trong hầu hết các hợp kim, cơ chế khuếch tán qua khe hở diễn ra nhanh hơn so với khuếch tán qua các lỗ trống, nhờ kích thước nhỏ hơn của các nguyên tử xen kẽ Điều này dẫn đến khả năng linh động cao hơn trong quá trình khuếch tán.

 Hơn nữa bao giờ các vị trí xen kẽ còn trống (interstitial positions) cũng nhiều hơn các lỗ trống nguyên tử (vacancy positions).

Năng lượng hoạt hóa khuếch tán

Là năng lượng cần thiết để một phần tử tách ra khỏi vị trí bền của nó

Hệ số khuếch tán

Tốc độ dòng khếch tán j (diffusion flux): Là khối lượng vật chất chuyển qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian (Đơn vị : mol/cm 2 s)

Nếu dòng khuếch tán không thay đổi theo thời gian thì gọi là khuếch tán ở trạng thái ổn định (steady-state diffusion)

Tốc độ khuếch tán, được biểu diễn bằng dòng khuếch tán J, là khối lượng chất m hoặc số nguyên tử m khuếch tán qua một đơn vị tiết diện chất rắn S trong một đơn vị thời gian Định luật Fick I mô tả hiện tượng này.

Mô tả dòng khuếch tán Ji của cấu tử i khuếch tán một chiều theo phương x bằng phương trình sau:

Ji – mật độ dòng khuếch tán

Di – hệ số khuếch tán của cấu tử i

Ci – nồng độ cấu tử i

 Nếu dòng khuếch tán J i không thay đổi theo thời gian

 Hệ số khuếch tán Di không phụ thuộc vào nồng độ Ci

 Nồng độ (áp suất) của tạp chất khuếch tán ở 2 phía của bản mỏng giữ không đổi Theo định luật Fick I ta có:

Bài toán khuếch tán ổn định rất quan trọng trong quá trình tinh chế khí hydrô Trong quá trình này, một mặt của bản mỏng bằng palladium (Pd) tiếp xúc với hỗn hợp khí tạp chứa hydrô cùng các tạp chất như nitơ, oxy và hơi nước Mặt còn lại của bản mỏng chứa khí hydrô với áp suất thấp, được duy trì ổn định Quá trình này cho phép hydrô khuếch tán có chọn lọc qua bản palladium, giúp loại bỏ các tạp chất không mong muốn.

Một miếng sắt được đặt ở nhiệt độ 700°C trong môi trường có sự phân bố carbon không đồng đều, với một bên giàu carbon và bên kia nghèo carbon Trong điều kiện ổn định, dòng khuếch tán carbon qua miếng sắt có thể được tính toán, với nồng độ carbon ở độ sâu 5 mm là 1,2 kg/m³ và ở 10 mm là 0,8 kg/m³ Hệ số khuếch tán carbon tại nhiệt độ này được xác định là 3×10^-11 m²/s.

Methylene chloride là một thành phần chính trong chất tẩy sơn, có khả năng gây ngứa và thẩm thấu qua da Để đảm bảo an toàn, người sử dụng cần đeo găng tay, đặc biệt là găng tay cao su dày 0.04 cm Việc xác định dòng khuếch tán qua loại găng tay này là rất quan trọng để bảo vệ sức khỏe người dùng.

Hệ số khuếch tán của cao su:

D = 110 x10 -8 cm 2 /s Nồng độ bề mặt: C1 = 0,44 g/cm 3

Hầu hết các trường hợp khuếch tán trong thực tế đều là khuếch tán không ổn định

 Nồng độ thay đổi theo thời gian

 Là trường hợp của đa số các quá trình khuếch tán trong thực tế

Dòng khuếch tán J và gradient nồng độ trong chất rắn thay đổi theo thời gian, do sự gia tăng hoặc giảm bớt các tạp chất khuếch tán trong quá trình khuếch tán.

Hình: Profile nồng độ của khuếch tán trạng thái động ở 3 thời điểm khác nhau Định luật Fick II:

Chênh lệch nồng độ ở khoảng cách x trong quá trình khuếch tán một chiều ổn định theo thời gian t được mô tả bằng phương trình C = f(x, t) Phương trình vi phân này thể hiện nồng độ của cấu tử i là hàm số, với biến số là khoảng cách x và thời gian τ.

Giải bằng tích phân không đơn giản, trong thực tế có thể giải bằng phương pháp số, hoặc bằng phương pháp thực nghiệm

Giải bài toán yêu cầu điều kiện biên xác định, đặc biệt trong trường hợp vật rắn bán vô hạn (semi-infinite), nơi nồng độ ở bề mặt (Cs) được duy trì ổn định.

Một thanh rắn được xem là bán vô hạn khi không có nguyên tử nào khuếch tán đến được đầu cuối của thanh trong thời gian khuếch tán

Chiều dài l của Thanh được coi là bán vô hạn khi l > 10√ Thông thường, nguồn gốc của các hạt khuếch tán là pha khí với áp suất riêng phần được duy trì ổn định.

Một số giả thiết được đặt ra:

 Trước khi khuếch tán các nguyên tử chất tan trong chất rắn được phân bố đều với nồng độ C0

 Giá trị x ở bề mặt bằng 0 và tăng theo khoảng cách từ bề mặt vào trong chất rắn

 Thời gian được tính bằng 0 ở thời điểm bắt đầu quá trình khuếch tán

Khi đó các điều kiện biên được xác định như sau:

 t > 0, C = Cs (Nồng độ không thay đổi tại bề mặt) tại x = 0

 C = C0 tại x = ∞ (khuếch tán không đến được đầu cuối)

Trong thực tế người ta tính nồng độ thành phần khuếch tán bởi công thức:

C(x,t) = Nồng độ tại x và thời gian t

Cs : nồng độ ở bề mặt tại x = 0

C0 : Nồng độ tại thời điểm ban đầu có trong thép

Hàm error function (hàm sai số) : erf 2

√ Giá trị erf(z) thường được cho trước trong bảng (có hàm erf trong excel từ 2007)

Cs Cx xChiều khuếch tán

Một thanh thép có 0,25% cacbon được nung nóng trong môi trường giàu khí hydrocarbon (CH4) ở 950°C Để nâng nồng độ cacbon trên bề mặt lên 1,20% và duy trì mức này, cần xác định thời gian để đạt được nồng độ cacbon 0,80% ở độ sâu 0,5 mm từ bề mặt Hệ số khuếch tán của cacbon vào sắt tại nhiệt độ này là 1,6×10^-11 m²/s, và giả thiết rằng thanh thép là bán vô hạn.

Theo bảng, ta chỉ có

Vậy ta phải dung phương pháp nội suy:

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán

Chất khuếch tán (diffusing species) và Vật liệu nền (host material) đều ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán Các thông số cụ thể là:

 Độ mở của mạng tinh thể

Quan hệ giữa các đại lượng được thể hiện qua bảng sau:

Nhiệt độ khuếch tán đóng vai trò quan trọng trong quá trình khuếch tán, với C5 đại diện cho hệ số khuếch tán Chẳng hạn, hệ số tự khuếch tán của sắt cho thấy sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng khuếch tán của vật liệu này.

Hệ số khuếch tán phụ thuộc nhiệt độ theo công thức:

D0 - Hằng số trước lũy thừa [m 2 /s]

Qd - Năng lượng hoạt hóa khuếch tán [J/mol or eV/atom]

R - Hằng số khí [8.314 J/mol.K, 8.62x10 -5 eV/atom.K)]

Từ biểu thức trên ln hai vế ta có: Đồ thị biểu diễn của lnD và 1/T như sau:

Khi logarit hóa trục tung, ta nhận thấy rằng trục tung đại diện cho hệ số khuếch tán D (m²/s), trong khi trục hoành vẫn giữ giá trị 1/T (1/K) Điều này dẫn đến một đồ thị so sánh mới.

Hệ số khuếch tán của carbon (C) trong α-Fe và γ-Fe (khuếch tán xen kẽ) lớn hơn so với hệ số khuếch tán của sắt (Fe) trong α-Fe và γ-Fe (khuếch tán thay thế) Điều này cho thấy rằng quá trình khuếch tán xen kẽ diễn ra dễ dàng hơn so với khuếch tán thay thế.

Sử dụng số liệu trong bảng, tính hệ số khuếch tán của Mg trong nền Al tại 550ºC?

Tra từ bảng ta có các thông số khuếch tán của Mg trong nền Al là:

Tại 300ºC hệ số khuếch tán và năng lượng hoạt hóa khuếch tán cho Cu trong Si:

Tính hệ số khuếch tán của Cu tại 350ºC?

Hợp kim FCC sắt-cacbon ban đầu chứa 0.20% C đã trải qua quá trình cacbua hóa ở nhiệt độ và áp suất xác định, với nồng độ cacbon bề mặt đạt 1.0% Sau 49.5 giờ, nồng độ cacbon tại vị trí 4.0 mm dưới bề mặt là 0.35% Để xác định nhiệt độ của quá trình này, cần biết các thông số khuếch tán của cacbon trong Fe FCC, với D0 là 2.3 x 10 -5 m²/s và Qd là 148,000 J/mol.

2 ln 1 ln và ln 1 ln R T

Tìm giá trị của z tương ứng với erf(z) là 0.8125 thông qua nội suy từ bảng số liệu của erf(z) đã cho z = 0.93

Quá trình khuếch tán chịu ảnh hưởng đáng kể từ cấu trúc của vật liệu Những cấu trúc có tính chất nhất định có khả năng tăng tốc độ khuếch tán, giúp cải thiện hiệu suất và hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau.

 Cấu trúc tinh thể mở

 Vật liệu có tỷ trọng thấp

 Vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp

 Vật liệu liên kết yếu (Thứ cấp)

 Vật liệu đa tinh thể

Ngoài ra, theo công thức tính dòng khuếch tán, quá trình khuếch tán còn phụ thuộc vào các yếu tố:

 Nồng độ hạt khuếch tán và thành phần cấu trúc

Tính chất vật liệu

Phân tích, đánh giá vật liệu

Định dạng
Số trang	240
Dung lượng	10,67 MB