Chương 9 : VẬT LIỆU VÔ CƠ CERAMIC - Tài Liệu Text - 123doc

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.doc) (11 trang)

Trang chủ

Giáo Dục - Đào Tạo

Cao đẳng - Đại học

Chương 9 : VẬT LIỆU VÔ CƠ CERAMIC

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (193.06 KB, 11 trang )

Chương 9VẬT LIỆU VÔ CƠ CERAMIC9.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU VÔ CƠ.9.1.1 Ðịnh nghĩa và phân loại. Ðịnh nghĩa. Vật liệu vô cơ được tạo thành từ các hợp chất hóa học của các nguyên tố kim loại kếthợp với các nguyên tố khác khộng phải là kim loại hoặc được tạo thành từ các hợp chất hóahọc của các nguyên tố không phải là kim loại kết hợp với nhau.Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học của Menđêêép, có tới 75% các nguyên tốhóa học tham gia cấu tạo nên vật liệu vô cơ. Hình 9.1 trình bày sơ đồ các nguyên tố hóa họcchính và những khả năng kết hợp giữa chúng để tạo nên vật liệu vô cơ.Hình 9.1 Sơ đồ biểu diễn các nguyên tố hóa học chínhvà những khả năng kết hợp giữa chúng để tạo nên vật liệu vô cơ.Theo sơ đồ, một kim loại nào đó có thể kết hợp với bo để tạo nên borít, kết hợp với nitơđể tạo ra nitrít, kết hợp với ô xy để tạo ra ôxýt, kết hợp với silic để tạo ra silixit. Tương tự nhưtrên ta co thế xuất phát từ nguyên tố bo hay nguyên tố silíc v.v. Sự kết hợp trên làm cho vậtliệu vô cơ rất phong phú và đa dạng về thành phần hóa học cũng như vê tính chất của chúng.Các dạng hợp chất hóa học thường gặp trong vật liệu vô cơ có thể kể đến đơn kim loạinhư ôxýt nhôm trong gốm corindông, đơn ôxýt bán kim loại như SiO2 trong thủy tinh thạchanh, hỗn hợp nhiều ôxýt kim loại như sứ, thủy tinh silicát, các nguyên tố không hải kim loạinhư bo, các bon, các các bít, nítrít của kim loại và bán kim loại như TiC, SiC, BN, ZrN, v.v.Vật liệu vô cơ là một nhóm vật liệu lớn, giáo trình này chỉ trình bày các vấn đề cơ bảnvà các đại diện chính mà thôi.142CN O SiMe B Phân loại.Vật liệu vô cơ có thể phân loại theo nhiều các khác nhau tùy theo mục đích của ngườisử dụng. Người ta có thể phân loại theo thành phần hóa học, phân loại theo cấu trúc, theophương pháp công nghệ, hay theo lĩnh vực sử dụng v.v.Thông thường người ta phân chia vật liệu vô cơ theo đặc điểm kết hợp và chúng đượcchia ra làm ba nhóm chính là gốm và vật liệu chịu lửa, thủy tinh và gốm thủy tinh, xi măng vàbê tông. Lưu ý rằng ngày nay người ta thường dùng khái niệm vật liệu gốm (ceramic) để chỉchung các loại vật liệu vô cơ phi kim loại bao gồm cả ba nhóm vật liệu kể trên. 9.2 ÐẶC ÐIỂM CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU VÔ CƠ.9.2.1 Liên kết nguyên tử trong vật liệu vô cơ.Ðặc trưng quan trọng nhất về cấu trúc của vật liệu vô cơ là kiểu liên kết giữa cácnguyên tử cấu tạo nên chúng. Trong vật liệu vô cơ không có kiều liên jkết kim loại mà là sự kếthợp giữa liên kết ion và liên kết đồng hóa trị. (Xem thêm mục liên kết nguyên tử trong chất rắntrong chương 2 vật liệu tập 1). Do đặc điểm liên kết phức hợp là liên kết ion và liên kết đồnghóa trị mà năng lượng liên kết trong vật liệu vô cơ là tương đối lớn, nằm trong khoảng 100 –500 KJ.mol-1, trong khi đó trong vật liệu kim loại là 60 – 250KJ.mol-1.Ðặc điểm liên kết phức hợp giữa liên kết ion và liên kết đồng hóa trị ảnh hưởng quyếtđịnh đến một số tính chất đặc trưng của vật liệu vô cơ là vật liệu vô cơ có nhiệt độ nóng chảycao, mật độ lớn, cứng, giòn, trong suốt và cách điện tốt.Vật liệu vô cơ có thể tồn tại ở các trạng thái cấu tạo khác nhau là trạng thái tinh thể thídụ như gốm SiC, các gốm đơn ôxýt, hay trạng thái vô định hình như vật liệu thủy tinh, hoặcvừa tinh thể vừa vô định hình như sứ và gốm thủy tinh.9.2.2 Trạng thái tinh thể và trạng thái vô định hình.Trong phần này ta sẻ tìm hiểu một số đặc điểm cấu trúc của trạng thái tinh htể và trạngthái vô định hình trongcác vật liệu vô cơ thông dụng.a. Trạng thái tinh thể. Mạng tinh thể của phần lớn các vật liệu vô cơ có thể coi một cách gần đúng là mạngcủa các ion, trong đó các cation và anion chiếm vị trí các nút mạng.Trong cấu trúc của các hợp chất vô cơ chứa ô xy, các nguyên tử ô xy thường có kíchthước lớn nhất nên chiếm nhiều chỗ nhất so với các cation trong không gian mạng tinh thể. Vìthế có thể coi cấu trúc của các ôxýt và các hợp chất chứa ôxy là cấu trúc xếp sít nhau của cácquả cầu anion ô xy, còn các cation điền vào các nút trốnggiữa các quả cầu đó. Cách xếp cầu, vịtrí nút trống thường là nút trống hình bốn mặt và tám mặt sẽ qui định kiểu cấu trúc của hợpchất đó. Thông thường người ta thường lấy cấu trúc của một số hợp chất có trong tự nhiên làmđại diện. b. Trạng thái vô định hình. Khác với trạng thái tinh thể, trạng thái vô định hìnhđược tạo nên do sự sắp xếp mộtcách không có trật tự, không theo qui luật của đơn vị cấu trúc cơ bản. Mạng lưới nguyên tử củanó do đó không có các yếu tố đối xứng, không có tính tuần hoàn. Cấu trúc trên dẫn tới các tínhchất đặc trưng của vật liệu vô định hình là chúng có tính đẳng hướng (isotropic), có năng lượngdư cao và không bền về nhiệt động.Trạng thái vô định hình thu được thông thường bằng cách cho nguội nhanh hợp chất vôcơ từ trạng thái lỏng nóng chảy.143Khác biệt với vật liệu tinh thể, các vật liệu ở trạng thái vô định hình thủy tinh thay đổitính chất đều đặn theo nhiệt độ, không có điểm đột biến khi chuyển trạng thái. Như vậy thủytinh không có nhiệt độ nóng chảy xác định như vật liệu tinh thể mà nó chuyển trạng thái từ từtrong một khoảng nhiệt độ.9.2.3 Vật liệu đa pha và đa tinh thể.Vật liệu vô cơ có thành phần pha rất đa dạng. Ngoài những vật liệu một pha như thủytinh, gốm đơn ôxýt, phần lớn vật liệu vô cơ là loại vật liệu có nhiều pha.Trong vật liệu vô cơ nhiều pha, pha chính là các pha tinh thể được liên kết với nhau bởicác pha vô định hình. Ngoài ra trong vật liệu vô cơ này còn luôn có pha khí tôn tại dưới dạngcác bọt khí xen kẽ. Pha khí có trong vật liệu thông thường do điều kiện công nghệ không thểtránh được nhưng cũng có trường hợp người ta chủ ý đưa vào để nhằm mục đích nhất định thídụ như tăng độ xốp để làm vật liệu nhẹ và cách điện như gốm xốp, thủy tinh xốp và bê tôngxốp v.v.Do điều kiện công nghệ nên vật liệu vô cơ tinh thể không có cấu trúc đơn tinh thể màđều là vật liệu đa tinh thể, nghĩa là nó được tạo bởi vô số các hạt itnh thể kích thước nhỏ, phânbố không có quiluật trong vật liệu. Các hạt tinh thể này có thể có cùng thành phần hóa họchoặc có thể có thành phần hóa học khác nhau. Các hạt tinh thể trong vật liệu vô cơ thường cócấu trúc không hoàn chỉnh, chứa nhiều khuyết tật.9.3 TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU VÔ CƠ.9.3.1 Cơ tính của vật liệu vô cơ. Tính chất đàn hồi và tính dòn.Vật liệu vô cơ là loại vật liệu đàn hồi điển hình. Ở nhiệt độ thường dưới tác dụng củatải trọng, mối quan hệ giữa ứng suất hình thành trong vật liệu σ và độ biến dạng ε của mẫu thửhoàn toàn tuân theo định luật Hooke: σ =E.εTrong đó E là môdun đàn hồi.Hình 9.2 trình bày quan hệ giữa ứng suất σ và độ biến dạng ε của hai loại vật liệukhác nhau, vật liệu vô cơ và vật liệu kim loại với:• đường 1 đường biểu diễn vật liệu vô cơ.• đường 2 đường biểu diễn vật liệu kim lọai.Hình 9.2 Mối quan hệ giữa σ và ε của vật liệu vô cơ và vật liệu kim loại.144Từ hình vẽ ta nhận thấy ở trên giới hạn đàn hồi vật liệu vô cơ bị phá hủy ngay màkhông có giai đoạn biến dạng dẻo như vật liệt kim loại. Ðây chính là đặc trưng của tính giòncủa vật liệu vô cơ. Ðộ bền cơ học.Ðộ bền cơ học của vật liệu vô cơ không phải do năng lượng liên kết nguyên tử cấu tạonên nó quyết định mà do tình trạng khuyết tật trên bề mặt và bêntrong vật liệu quyết định. Khisố lượng vết nứt tế vi và kích thước vết nứt tăng thì cơ tính giảmỞ các vật liệu vô cơ tinh thể, kích thước của các hạt tinh thể cấu tạo nên vật liệu có ảnhhưởng rõ tới cơ tính của vật lịêu. Khi kích thước hạt càng giảm thì bề mặt ranh giới giữa cáchạt tăng lên, sẽ có tác dụng ngăn chặn hoặc làm thay đổi hướng lan truyền vết nứt, vì thế độbền cơ học của vật liệu tăng lên.Ngoài ra khi hàm lượng bọt khí trong vật liệu tăng thì độ bền giảm không chỉ do diệntích chịu lực giảm, mà còn do tại các chỗ rỗ khí thường tập trung tạp chất và ứng suất. Hìnhdạng bọt khí cũng ảnh hưởng tới cơ khí. Các bọt khí dài làm giảm độ bền mạnh hơn so với cácbọt khí tròn.Tuy nhiên, khi hàm lượng bọt khí rất thấp chẳng hạn khoảng 0,1 tới 0,5% và kích thướccủa chúng lại rất nhỏ có thể làm tăng độ bền. Trong trường hợp này các lỗ hổng cực mịn đóngvai trò các turng tâm hấp thụ năng lượng có tác dụng ngăn chặn sự lan truyền vết nứt và giảitoả ứng suất phá hủy vật liệu.Cuối cùng, độ bền của vật liệu vô cơ còn phụ thuộc vào điều kiện và môi trường sửdụng. Hơi ẩm và nhiệt độ chẳng hạn làm giảm năng lượng bề mặt riêng nên làm giảm độ bền.Tốc độ tải trọng tăng càng lớn, kích thước mẫu càng nhỏ thì kết quả đo độ bền càng cao. Vì thếxác định độ bền của vật liệu vô cơ cần phải được thực hiện theo đúng các qui định ghi trongcác tiêu chuẩn.9.3.2 Tính chất nhiệt của vật liệu vô cơ. Tính giãn nở nhiệt.Ðể đánh giá mức độ giãn nhở nhiệt của vật liệu vô cơ người ta sử dụng hệ số giãn nởnhiệt dài α theo công thức:Tllo∆∆=.α (0C-1) Trong đó l0 là độ dài ban đầu của mẫu; ∆l là độ giãn dài của mẫu khi nhiệt độ tăng thêm∆T độ.Ngoài ra, người ta còn quan tâm đến hệ số giãn nở nhiệt thể tích β:TVV∆∆=.0β(0C-1) Với V0 là thể tích ban đầu của mẫu; ∆V là độ giãn nở thể tích của mẫu khi nhiệt độ tăngthêm ∆T độ.Một cách gần đúng β ≈ 3α.Các bạn xem thêm tính chất nhiệt của vật liệu đã được trình bày trong Vật liệu học tập1 trang 27 - 28. 145Trong nhiều vật liệu vô cơ – gốm, lực liên kết giữa các nguyên tử khá mạnh và đượcphản ánh ở giá trị hể số giãn nở nhiệt tưong đối thấp trong khoảng 0,5.10-6 và 15.10-6 (0C-1).Ở các gốm không tinh thể và các gốm có cấu tinh thể lập phương hệ số giãn nở nhiệt làđảng hướng. Ngược lại trong một số gốmhệ số giãn nở nhiệt lại có tính dị hướng, khi nungnóng thì chúng co theo một hướng và nở ra theo một vài hướng khác. Hệ số giãn nở nhiệt củavật liệu vô cơ đa pha phụ thuộc vào hệ số giãn nở nhiệt của các pha thành phần. Các tạp chấtlàm tăng hệ số giãn nở nhiệt.Vật liệu gốm làm việc trong điều kiện tăng, giảm nhiệt cần phải có hệ số giãn nở nhiệttương đối tấp và đẳng hướng. Ngoài ra, những vật liệu giòn này có thể bị nứt vỡ do sự thay đổikích hước không đồng đều, gọi là “sốc” nhiệt.[[ Tính dẫn nhiệt.Về nguyên tắc, vật liệuđơn tinh thể có độ dẫn nhiệt cao hơn vật liệu đa tinh thể, vật liệu6inh thể có độ dẫn nhiệt cao hơn vật liệu vô định hình. Riêng vật liệu gốm bán dẫn và thủy tinhbán dẫn có độ dẫn nhiệt đặc biệt cao vì có mặt của các điện tử tự do.Sự có mặt của các lỗ xốp trong vật liệu vô cơ có ảnh hưởng rất lớn đến độ dẫn nhiệtcủa vật liệu. Không khí bị giam trong các lỗ xốp có khả năng dẫn nhiệt kém ở nhiệt độ thấpnên làm giảm mạnh độ dẫn nhiệt của toàn vật liệu.Hầu hết các vật liệu cách nhiệt sử dụng trong kỹ thuật là các vật liệu xốp vì tỉ lệ lỗ xốptrong vật liệu lớn nên vật liệuc có hệ số dẫn nhiệt rất nhỏ. Tuy nhiên khi nhiệt độ tăng cao thìkhả năng dẫn nhiệt của vật liệu này sẽ tăng do thành phần truyền nhiệt bức xạ của lỗ xốp tăng.[[[ Tính truyền nhiệt bức xạ.Ngòai khả năng truyền dẫn nhiệt, vật liệu vô cơ còn có khả năng truyền nhiệt bức xạqua pha vô định hình và pha khí. Ðối với các vật liệu cô cơ có tỉ lệ pha vô định hình và pha khí(trong các lỗ xốp) cao, khi nhiệt độ tăng cao, vai trò truyền nhiệt bức xạ sẽ tăng lên và có thểchiếm ưu thế so với truyền nhiệt dẫn nhiệt. Thông thường vật liệu vô cơ truyền nhiệt bức xạmột cách đáng kể bắt đẩu từ nhiệt độ trên 3000C.Các lỗ xốp trong vật liệu vô cơ cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt bức xạ củavật liệu. Các lỗ xốp có kích thước càng lớn, khả năng truyền nhiệt bức xạ của vật liệu càng cao. Ðộ bền xung nhiệt.Ðộ bền xung nhiệt là khả năng bền vững cơ học của vật liệu vô cơ dưới tác dụng nhiệtđộ thay đổi đột ngột; nó được xác định bằng khỏang chênh lệch nhiệt độ ∆T lớn nhất hoặc sốlần thay đổi nhiệt độ đột ngột theo các điều kiện qui định về tốc độ và khỏang nhiệt độ thayđổi, kích thước mẫu v.v. mà vật liệu chưa bị phá hủy.Ðộ bền xung nhiệt của vật liệu vô cơ phụ thuộc phức tạp vào nhiều yếu tố khác nhaunhư độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt, tổ chức vi mô và vĩ mô của vật liệu, hình dáng và kích thướcmẫu thử cũng như điều kiện đo đạc v.v.Ðộ bền xung nhiệt thực của vật liệu vô cơ thông thường được xác định bằng thựcnghiệm theo các tiêu chuẩn qui định đối với từng lọai vật liệu hoặc từng lọai sản phẩm sản xuấttừ vật liệu vô cơ.9.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU VÔ CƠ THƯỜNG GẶP.9.4.1 Thủy tinh. Tổng quan146

Tài liệu liên quan

Chương 9 : VẬT LIỆU VÔ CƠ CERAMIC
- 11
- 13
- 235
Tài liệu Chương 10: VẬT LIỆU HỮU CƠ POLYME ppt
- 16
- 3
- 93
Tài liệu Chương 7 : Vật liệu vô cơ pdf
- 6
- 1
- 9
Tài liệu chương 7 :vật liệu vô cơ ppt
- 6
- 912
- 4
Tài liệu Vật liệu vô cơ - Ceramic pdf
- 6
- 1
- 44
Bài giảng vật liệu học - Chương 3: Cấu trúc của vật liệu vô cơ ppt
- 35
- 1
- 11
vật liêu vô cơ
- 113
- 3
- 1
Vật liệu vô cơ lý thuyết phần 10 docx
- 35
- 453
- 0
Vật liệu vô cơ lý thuyết phần 9 doc
- 34
- 650
- 1
Vật liệu vô cơ lý thuyết phần 8 potx
- 10
- 537
- 0