Chương 9 : VẬT LIỆU VÔ CƠ CERAMIC

Chia sẻ: hiepsi_haohoa2003

Vật liệu vô cơ được tạo thành từ các hợp chất hóa học của các nguyên tố kim loại kết hợp với các nguyên tố khác khộng phải là kim loại hoặc được tạo thành từ các hợp chất hóa học của các nguyên tố không phải là kim loại kết hợp với nhau.

Bạn đang xem 7 trang mẫu tài liệu này, vui lòng download file gốc để xem toàn bộ.

Nội dung Text: Chương 9 : VẬT LIỆU VÔ CƠ CERAMIC

Chương 9

VẬT LIỆU VÔ CƠ CERAMIC




9.1 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
kết hợp với các nguyên tố khác khộng phải là kim loại hoặc được tạo thành từ các hợp
chất hóa học 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
tố hóa học tham gia cấu tạo nên vật liệu vô cơ. Hình 9.1 trình bày sơ đồ các nguyên tố hóa
học chính và những khả năng kết hợp giữa chúng để tạo nên vật liệu vô cơ.


C N




O
B




Me Si

Hình 9.1 Sơ đồ biểu diễn các nguyên tố hóa học chính
và 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 nitơ để tạo ra nitrít, kết hợp với ô xy để tạo ra ôxýt, kết hợp với silic để tạo ra silixit.
Tương tự như trên ta co thế xuất phát từ nguyên tố bo hay nguyên tố silíc v.v. Sự kết hợp
trên làm cho vật liệu 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 loại như ôxýt nhôm trong gốm corindông, đơn ôxýt bán kim loại như SiO 2 trong thủy
tinh thạch anh, hỗn hợp nhiều ôxýt kim loại như sứ, thủy tinh silicát, các nguyên tố không
hải kim loại như 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
bản và các đại diện chính mà thôi.
142
 Phân loại.
Vật liệu vô cơ có thể phân loại theo nhiều các khác nhau tùy theo mục đích của
người sử dụng. Người ta có thể phân loại theo thành phần hóa học, phân loại theo cấu
trúc, theo phương 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
được chia ra làm ba nhóm chính là gốm và vật liệu chịu lửa, thủy tinh và gốm thủy tinh, xi
măng và bê tông. Lưu ý rằng ngày nay người ta thường dùng khái niệm vật liệu gốm
(ceramic) để chỉ chung 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 các
nguyên tử cấu tạo nên chúng. Trong vật liệu vô cơ không có kiều liên jkết kim loại mà là
sự kết hợp giữa liên kết ion và liên kết đồng hóa trị. (Xem thêm mục liên kết nguyên tử
trong chất rắn trong chương 2 vật liệu tập 1). Do đặc điểm liên kết phức hợp là liên kết
ion và liên kết đồng hóa 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
quyết định đến một số tính chất đặc trưng của vật liệu vô cơ là vật liệu vô cơ có nhiệt độ
nóng chảy cao, 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 thí dụ như gốm SiC, các gốm đơn ôxýt, hay trạng thái vô định hình như vật liệu thủy
tinh, hoặc vừa 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
trạng thái 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
mạng của 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
kích thước lớn nhất nên chiếm nhiều chỗ nhất so với các cation trong không gian mạng
tinh thể. Vì thế có thể coi cấu trúc của các ôxýt và các hợp chất chứa ôxy là cấu trúc xếp
sít nhau của các quả cầu anion ô xy, còn các cation điền vào các nút trốnggiữa các quả cầu
đó. Cách xếp cầu, vị trí nút trống thường là nút trống hình bốn mặt và tám mặt sẽ qui định
kiểu cấu trúc của hợp chất đó. Thông thường người ta thường lấy cấu trúc của một số
hợp chất có trong tự nhiên làm đại diện.
b. Trạng thái vô định hình.
Khác với trạng thái tinh thể, trạng thái vô định hìnhđược tạo nên do sự sắp xếp
một cách không có trật tự, không theo qui luật của đơn vị cấu trúc cơ bản. Mạng lưới
nguyên tử của nó do đó không có các yếu tố đối xứng, không có tính tuần hoàn. Cấu trúc
trên dẫn tới các tính chất đặc trưng của vật liệu vô định hình là chúng có tính đẳng hướng
(isotropic), có năng lượng dư cao và không bền về nhiệt động.



143
Trạng thái vô định hình thu được thông thường bằng cách cho nguội nhanh hợp
chất vô cơ từ trạng thái lỏng nóng chảy.
Khác biệt với vật liệu tinh thể, các vật liệu ở trạng thái vô định hình thủy tinh thay
đổi tính chất đều đặn theo nhiệt độ, không có điểm đột biến khi chuyển trạng thái. Như
vậy thủy tinh không có nhiệt độ nóng chảy xác định như vật liệu tinh thể mà nó chuyển
trạng thái từ từ trong 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
thủy tinh, 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 bởi các pha vô định hình. Ngoài ra trong vật liệu vô cơ này còn luôn có pha khí tôn tại
dưới dạng các bọt khí xen kẽ. Pha khí có trong vật liệu thông thường do điều kiện công
nghệ không thể tránh được nhưng cũng có trường hợp người ta chủ ý đưa vào để nhằm
mục đích nhất định thí dụ như tăng độ xốp để làm vật liệu nhẹ và cách điện như gốm
xốp, thủy tinh xốp và bê tông xốp v.v.
Do điều kiện công nghệ nên vật liệu vô cơ tinh thể không có cấu trúc đơn tinh thể
mà đều là vật liệu đa tinh thể, nghĩa là nó được tạo bởi vô số các hạt itnh thể kích thước
nhỏ, phân bố không có quiluật trong vật liệu. Các hạt tinh thể này có thể có cùng thành
phần hóa học hoặc có thể có thành phần hóa học khác nhau. Các hạt tinh thể trong vật
liệu vô cơ thường có cấu 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
của tải trọng, mối quan hệ giữa ứng suất hình thành trong vật liệu σ và độ biến dạng ε
của mẫu thử hoàn toàn tuân theo định luật Hooke:
σ =E.ε
Trong 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
liệu khác nhau, vật liệu vô cơ và vật liệu kim loại với:




• đường 1 đường biểu diễn vật liệu vô cơ.


144
• 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.
Từ hình vẽ ta nhận thấy ở trên giới hạn đàn hồi vật liệu vô cơ bị phá hủy ngay mà
không có giai đoạn biến dạng dẻo như vật liệt kim loại. Ðây chính là đặc trưng của tính
giòn của 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 tạo nên nó quyết định mà do tình trạng khuyết tật trên bề mặt và bêntrong vật liệu
quyết định. Khi số lượng vết nứt tế vi và kích thước vết nứt tăng thì cơ tính giảm
Ở các vật liệu vô cơ tinh thể, kích thước của các hạt tinh thể cấu tạo nên vật liệu
có ảnh hưởng rõ tới cơ tính của vật lịêu. Khi kích thước hạt càng giảm thì bề mặt ranh
giới giữa các hạt tăng lên, sẽ có tác dụng ngăn chặn hoặc làm thay đổi hướng lan truyền
vết nứt, vì thế độ bền 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
diện tích chịu lực giảm, mà còn do tại các chỗ rỗ khí thường tập trung tạp chất và ứng
suất. Hình dạng bọt khí cũng ảnh hưởng tới cơ khí. Các bọt khí dài làm giảm độ bền
mạnh hơn so với các bọt khí tròn.
Tuy nhiên, khi hàm lượng bọt khí rất thấp chẳng hạn khoảng 0,1 tới 0,5% và kích
thước của chúng lại rất nhỏ có thể làm tăng độ bền. Trong trường hợp này các lỗ hổng
cực mịn đóng vai trò các turng tâm hấp thụ năng lượng có tác dụng ngăn chặn sự lan
truyền vết nứt và giải toả ứng suất phá hủy vật liệu.
Cuối cùng, độ bền của vật liệu vô cơ còn phụ thuộc vào điều kiện và môi trường
sử dụng. 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 thế xác định độ bền của vật liệu vô cơ cần phải được thực hiện theo đúng
các qui định ghi trong các 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
nở nhiệt dài α theo công thức:
∆l
α= (0C-1)
l o .∆T
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:
∆V
β= (0C-1)
V0 .∆T
Với V0 là thể tích ban đầu của mẫu; ∆V là độ giãn nở thể tích của mẫu khi nhiệt
độ tăng thêm ∆T độ.
Một cách gần đúng β ≈ 3α.

145
Các bạn xem thêm tính chất nhiệt của vật liệu đã được trình bày trong Vật liệu
học tập 1 trang 27 - 28.
Trong nhiều vật liệu vô cơ – gốm, lực liên kết giữa các nguyên tử khá mạnh và
được phản ánh ở giá trị hể số giãn nở nhiệt tưong đối thấp trong khoảng 0,5.10-6 và 15.10-
6 0 -1
( C ).
Ở các gốm không tinh thể và các gốm có cấu tinh thể lập phương hệ số giãn nở
nhiệt là đảng hướng. Ngược lại trong một số gốmhệ số giãn nở nhiệt lại có tính dị
hướng, khi nung nóng thì chúng co theo một hướng và nở ra theo một vài hướng khác. Hệ
số giãn nở nhiệt của vật liệu vô cơ đa pha phụ thuộc vào hệ số giãn nở nhiệt của các pha
thành phần. Các tạp chất làm tăng hệ số giãn nở nhiệt.
Vật liệu gốm làm việc trong điều kiện tăng, giảm nhiệt cần phải có hệ số giãn nở
nhiệt tương đối tấp và đẳng hướng. Ngoài ra, những vật liệu giòn này có thể bị nứt vỡ do
sự thay đổi kích 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 liệu 6inh thể có độ dẫn nhiệt cao hơn vật liệu vô định hình. Riêng vật liệu gốm bán
dẫn và thủy tinh bán 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
nhiệt của vật liệu. Không khí bị giam trong các lỗ xốp có khả năng dẫn nhiệt kém ở nhiệt
độ thấp nên 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 xốp trong vật liệu lớn nên vật liệuc có hệ số dẫn nhiệt rất nhỏ. Tuy nhiên khi nhiệt độ
tăng cao thì khả 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
xạ qua 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 thể chiếm ưu thế so với truyền nhiệt dẫn nhiệt. Thông thường vật liệu vô cơ
truyền nhiệt bức xạ một 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
của vật 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
nhiệt độ thay đổi đột ngột; nó được xác định bằng khỏang chênh lệch nhiệt độ ∆T lớn
nhất hoặc số lần thay đổi nhiệt độ đột ngột theo các điều kiện qui định về tốc độ và
khỏang nhiệt độ thay đổi, 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
nhau như độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt, tổ chức vi mô và vĩ mô của vật liệu, hình dáng và
kích thước mẫu 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 thực
nghiệm theo các tiêu chuẩn qui định đối với từng lọai vật liệu hoặc từng lọai sản phẩm
sản xuất từ vật liệu vô cơ.

146
9.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU VÔ CƠ THƯỜNG GẶP.
9.4.1 Thủy tinh.
 Tổng quan
Thủy tinh là vật liệu có cấu trúc vô định hình được tạo thành bằng cách làm nguội
một hợp chất vô cơ từ trạng thái nóng chảy hòan tòan ở nhiệt độ cao đến trạng thái rắn
không kết tinh. Khái niệm thủy tinh có thể chỉ chung các lọai vật liệu có cấu trúc vô định
hình như thủy tinh hữu cơ, thủy tinh vô cơ và thủy tinh kim lọai. Trong phần này chúng ta
chỉ nói đến vật liệu thủy tinh vô cơ.
Vật liệu thủy tinh có các tính chất quang học đặc biệt, có độ bền hóa học cao, co
khả năng chịu nhiệt khá tốt và đặc biệt cách điện tốt nên chúng được sử dụng trong nhiều
lĩnh vực kỹ thuật khác nhau.
Thủy tinh công nghiệp được chế tạo như sau:
− Các nguyên liệu nấu thủy tinh như sođa Na2CO3, đá vôi CaCO3, tràng thạch
(K, Na) AlSi3O8, đolômít CaCO3.MgCO3, cát trắng SiO2 (để sản xuất thủy tinh
silicát) … được cân trộn theo một tỉ lệ xác định để có phối liệu thủytinh.
− Nấu phối liệu thủy tinh trong lò có nhiệt độ 1.400 -1.5000C
− Bằng máy hay thủ công người ta hình thành các sản phẩm từ thủy tinh ở
trạng thái mềm (khỏang nhiệt độ 1.000 -1.2000 C) với các phương pháp khác nhau
như cán, ép, dập, thổi hay kéo tấm, kéo ống v.v .
− Ðưa các sản phẩm vào lò ủ để khử ứng suất dư, tránh nứt vỡ bằng cách
nung ở 500-6000C rồi làm nguội chậm đến nhiệt độ bình thường.
− Mài, đánh bóng trong một số trường hợp cần thiết.
Một số vật liệu thủy tinh vô cơ thường gặp là thủy tinh silicat – kiềm – kiềm thổ,
thủy tinh silicat, thủy tinh thạch anh, thủy tinh chì silicat, thủy tinh không silicat và thủy
tinh silicatborosilicát và alumosilicat.

 Thủy tinh silicat–kiềm–kiềm thổ.
Ðây là lọai thủy tinh thông dụng nhất, nó được chế tão từ các nguyên liệu chính là
cát trắng (cung cấp SiO2), đá vôi (cung cấp CaO), đolômít (cung cấp CaO và MgO) và sô đa
(cung cấp Na2O).
Lọai thủy tinh này có tính năng của thủy tinh thông thường là trong suốt,bền hóa,
kín khí và chất lỏng, có độ bền cơ đạt yêu cầu và tương đối rẻ. chúng được dùng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực khác nhau như kính xây dựng, bao bì, dụng cụ chứa nước công
nghiệp hóa chất, dược phẩm,. thực phẩm, đồ gia dụng, vỏ bóng điện, màn hình tivi, v.v.
Ðể tăng độ bền cơ học và độ bền xung nhiệt dùng phương pháp tôio nhiệt tức làm
nguội nhanh thủy tinh từ nhiệt độ biến mềm, hay người ta dùng phương pháp trao đổi ion
tức thay ion kiềm ở bề mặt thủy tinh bằng ion kiềm khác có kích thước lớn hơn để tạo ra
ứng suất nén dư trên bề mặt thủy tinh. Bằng cách này độ bền cơ học của thủy tinh có thể
tăng lên từ 3 đến 10 lần.. Những phương pháp này thướng áp dụng cho kính ô tô, thủy
tinh cách điện, cốc tách v.v.
Thủy tinh sợi như bông rối, sợi, vải, thảm v.v được dùng làm vật liệu cách nhiệt,
cách âm và cốt liệu cho vật liệu compozít.




147
Thủy tinh silicát –kiềm-kiềm thổ còn được chế tạo dưới dạng khối xốp (thủy tinh
xốp) để làm vật liệu cách nhiệt, cách âm có thể làm việc được trong khỏang nhiệt độ từ
âm -1800C đến 4000C.

 Thủy tinh thạch anh.
Thủy tinh thạch anh là thủy tinh đơn ôxýt SiO2 có nhiệt độ nóng chảy cao trên
1.700 C, độ nhớt cao nên khó csản xuất.
0


Thủy tinh này có hai lọai là thủy tinh thạch anh trong suốt (có tổ chức hòan tòan
đồng nhất) và thủy tinh thạch anh không trong suốt (tổ chức chứa nhiều bọt khí và chưa
đồng nhất hòan tòan).
Thủy tinh thạch anh trong suốt có nhiều tính năng quí như có hệ dố giãn nở nhiệt
rất nhỏ, có độ bền xung nhiệt cao, có nhiệt độ biến mềm cao và bền hóa cao nên được
dùng nhiều làm các dụng cụ và thiết bị chịu nhiệt độ cao và bền hóa học cao. Với lọai có
độ tinh khiết cao, chúng có tính chất đặc biệt là cho tia tử ngọai (λ
Đề thi vào lớp 10 môn Toán |  Đáp án đề thi tốt nghiệp |  Đề thi Đại học |  Đề thi thử đại học môn Hóa |  Mẫu đơn xin việc |  Bài tiểu luận mẫu |  Ôn thi cao học 2014 |  Nghiên cứu khoa học |  Lập kế hoạch kinh doanh |  Bảng cân đối kế toán |  Đề thi chứng chỉ Tin học |  Tư tưởng Hồ Chí Minh |  Đề thi chứng chỉ Tiếng anh
Theo dõi chúng tôi
Đồng bộ tài khoản