intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Giáo trình Vật liệu điện và từ (dùng cho các trường đại học và cao đẳng khối công nghệ): Phần 1 - GS.TS. Hoàng Trọng Bá

Chia sẻ: Minh Vũ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:138

243
lượt xem
72
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 giáo trình "Vật liệu điện và từ (dùng cho các trường đại học và cao đẳng khối công nghệ)" trình bày các nội dung: Khái niệm về cấu tạo và tính chất của vật liệu điện, các tính chất vật lý của vật liệu điện từ, vật liệu cách điện. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vật liệu điện và từ (dùng cho các trường đại học và cao đẳng khối công nghệ): Phần 1 - GS.TS. Hoàng Trọng Bá

  1. GS.TS HOÀNG TRỌNG BÁ .0000021491 G I Á O T R Ì N H V Ậ T L I Ệ U BIỆN VA Từ (Dùng cho các trường đại học và cao đẳng khối công nghệ) GUYÊN ; LIỆU n ú t HA XUÀT BAN f # - Ạl HỌC QUỐC GIA TP.HỔ CHÍ MINH
  2. PGS.TS. HOÀNG TRỌNG BÁ G I Á O TRÌNH VẬT LIỆU ĐIỆN VÀ TỪ • • • (Sách dùng cho các lớp ngành điện hệ đại học và cao đẳng) ĐẠIHỌGTHÁINGUYÊN 'TRŨNG TÂM HỌC LIỆU NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHÔ HỒ CHÍ MINH
  3. L Ờ I NÓI Đ Ẩ U Cuốn "Giáo trình vật liệu điện và fù"'dùng để giảng dạy cho các lớp hệ điện và điện tử bậc đại học, cao đẳng. Giáo trình này có khác với các giáo trình trước nay đã sử dụng là tác giả đưa ra một số khái niệm mới về phân loại vật liệu, đi sâu về cấu tạo của vật liệu để người đọc hiểu sâu sắc hơn về tính chất của nó, từ đó sử dụng vật liệu đúng chỗ hơn. Trong cuốn sách này, tác giả cũng đưa ra các ký hiệu vật liệu theo tiêu chuẩn của các quốc gia khác, nhưng chủ yếu là theo TCVN (Tiêu chuẩn Việt Nam), để các cán bộ kỹ thuật nhà máy có thể đối chiếu trong các bản vẽ chế tạo các khí cụ và thiết bị điện. Tác giả cũng chú trọng giới thiệu về các công nghệ chế tạo vật liệu, để từ đó các nhà máy có thể kết hợp với những công nghệ chế tạo này và gia công các linh kiện, khi cụ điện cho phù hợp với yêu cầu sử dụng. Vì công nghệ gia công khác nhau và vật liệu có thành phần khác ít thôi cũng đủ làm cho các tính chất vế điện và từ của khí cụ điện thay đổi nhiều. Để giúp cho sinh viên và cán bộ giảng dạy có kiến thức về nghiên cứu vật liệu điện, tác giả giới thiệu thêm các phương pháp nghiên cứu những tính chất của vật liệu dưới dạng "Phần tham khảo" viết ỏ cuối mỗi chương hoặc cuối trang của một số phần trình bày các tính chất vật liệu. Cuốn giáo trình này có mượn một số đoạn của "Giáo trình vật liệu điện" của tác giả Nguyễn Đình Thắng, mong tác giả Nguyễn Đình Thắng thông cảm. Sách có thể dùng để tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật của các xí nghiệp chế tạo thiết bị và linh kiện điện. Trong quá trình biên soạn, có thể còn nhiều điểm chưa sát với yêu cầu thực tế của người học và người sử dụng, mong các bạn đọc đóng góp ý kiến để lần tái bản có thêm nhiều điểm hoàn chỉnh hơn. Tác giả 3
  4. CHƯƠNG ì KHÁI NIỆM VỀ CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BIỆN - Từ • • • Tất cả các vật liệu dùng trong công nghiệp được sử dụng có thểở cả 3 trạng thái: rắn, lỏng và khí. ở trạng thái rắn như: sắt, thép, gỗ, đá, chất dẻo, cao su V.V....Ở trạng thái lỏng như: xăng, dầu, rượu, benzen, nước, glyxêrin v.v... ở trạng thái khí và hơi như: hơi nước quá nhiệt (có nhiệt độ cao hơn 100°C), khí oxy (0 ), khí axêtylen dùng trong ngành hàn, khí 2 cacbonic (C0 ) đã được hóa lỏng dùng làm lạnh bia, nước ngọt v.v... 2 I. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU Các vật liệu ở trạng thái rắn dùng đế chế tạo các máy móc, công trình, vật dụng dùng trong đời sống hàng ngày của con người. Các vật liệu này có thể chịu được một lực tác dụng nhất định nào đó mà không bị thay đổi hình dáng được gọi là vật liệu kết cấu. Vật liệu kết cấu có thể được phân loại như sau: 1. Phân loại theo tính dẫn điện Theo tính dẫn điện, vật liệu được chia thành: - Vật liệu dẫn điện là các vật liệu có khả năng dẫn điện tốt trong các điều kiện thông thường. Để phân biệt với các vật liệu không dẫn điện, người ta phân biệt qua hệ số nhiệt điện trỏ suất, ký hiệu bằng chữ oe. Các vật liệu dẫn điện thường là các kim loại nên có hệ số (X > 0, hay còn gọi là các vật liệu có tinh kim loại. Ngoài ra còn có một số môi trường lỏng cũng dẫn điện. - Vật liệu không dẫn điện, hay còn gọi là vật liệu cách điện là các vật liệu có giá trị a < 0. thường là các vật liệu phi kim loại (không kim loại). - Vật liệu bán dẫn là các vật liệu khi ở nhiệt độ thấp có tính cách điên (a < 0), nhưng khi ở nhiệt độ cao trở thành dẫn điện (a > 0). 2. Phân loại theo từ tính Theo tính chất từ, vật liệu được chia thành 3 loại căn cứ vào giá trị ... ,= , - ... - _ B cua đô tham từ li. Độ thâm từ u = — . hỉ - Vật liệu nghịch từ là các vật liệu có độ thấm từ ụ 1. 5
  5. - Vật liệu dẫn từ hay vật liệu sắt từ là các vật liệu có độ thấm từ ụ »1. 3. Phân loại theo cấu tạo bên trong Tùy thuộc vào cấu tạo bên trong, vật liệu kết cấu được chia thành 3 loại: Vật liệu tinh thể, vật liệu vô định hình và vật liệu gốm. Theo sự phát triển của khoa học hiện đại, người ta còn có thể phân thêm một loại mới có cấu trúc cơ bản khác với các loại vật liệu kể trên là vật liệu compozit. - Vật liệu tinh thể: Gồm các kim loại nguyên chất, các hợp kim và các loại đá, các muối vô cơ. Vật liệu tinh thể là các vật liệu mà ỏ trạng thái rắn, các nguyên tử của chủng luôn luôn được sắp xếp thèo một trật tự nhất định gọi là mạng tinh thể. Trong dó, các kim loại và hợp kim như sắt, nhôm, đổng, thép, gang, đuyara có tính kim loại, còn các loại đá và muối như muối ăn (NaCI), đá vôi (CaC0 ), thạch cao (CaSOa) có cấu tạo mạng 3 tinh thể nhưng lại không có tính kim loại nên thuộc vật liệu phi kim loại. - Vật liệu vô định hình: Các vật liệu mà các nguyên tử, phân tử của chúng không sắp xếp theo mạng tinh thể. Hầu hết các vật liệu phi kim loại (trừ đá và muối) đều ở dạng vô định hình như gỗ, chất dẻo, thủy tinh, vải, amian v.v... - Vật liệu gốm: Vật liệu mà cấu tạo bên trong gồm vừa có các tinh thể vừa có một phần vật chất ỏ dạng vô định hình. Trong thiên nhiên vẫn tồn tại các vật liệu gốm, nhưng tính chất không ổn định nên ít được sử dụng trong công nghiệp. Vật liệu gốm công nghiệp chủ yếu là nhân tạo. Để chế tạo vật liệu gốm kim loại hoặc phi kim loại, người ta chế tạo các hạt tinh thể rất nhỏ gọi là bột, sau đó ép lại thành hình một sản phẩm nào đó rồi nung nóng (gọi là thiêu kết) để các hạt bột dính lại với nhau tạo thành sản phẩm. Do ép từ bột nên bên trong vật liệu gốm bao giờ cũng có những lỗ hổng (lỗ bông) chứa không khí, vi vậy vật liệu gốm bao giờ cũng "xốp" hơn các vật liệu khác. Độ xốp là điểm đặc biệt của vật liệu gốm. - Vật liệu compozit: Một loại vật liệu nhân tạo mới được phát triển vào giữa thế kỷ 20. Vật liệu compozit là vật liệu gồm 2 thành phần vật liệu khác nhau phối hợp thành một vật liệu mới. Trong đó, loại vật liệu thứ nhất gọi là vật liệu cốt, có nhiệm vụ chịu lực, còn vật liệu thứ hai gọi là vật liệu nến, có nhiệm vụ liên kết các vật liệu cốt lại với nhau. Vật liệu compozit có thể có tinh kim loại hoặc cũng có thể không có tính kim loại. li. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Như chúng ta đã biết, mọi vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử và phàn tử. Nguyên tử là phần cơ bản của vật chất. Theo mô hình Bom, nguyên tủ được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử (electron) mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định. 6
  6. Hạt nhân của nguyên tử được tạo nên từ các hạt prôton và nơtron. Nơtron là các hạt không mang điện, còn prôton có điện tích dương với số lượng diện tích bằng z.q. Trong đó: J z -số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời cũng là số thứ tự của nguyên tố nguyên tử đó trong bảng tuần hoàn Menđêlêep. / q - điện tích của điện tử e (q =1,601.10" C). Prôton có khối lượng c 19 bằng 1,67.10' kg, điện tử (e) có khối lượng bằng 9,1.10" kg. 27 31 ở trạng thái bình thường, nguyên tử được trung hòa về điện, nghĩa là trong nguyên tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của các điện tử. Nếu vì lý do gì đó, nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì nguyên tử sẽ trở thành tích điện dương, ta thường gọi là ion dương. Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái trung hòa mà nhận thêm điện tử thì trở thành tích điện âm và được gọi là ion âm. Để có khái niệm về năng lượng của điện tử ta xét nguyên tử của hydro. Nguyên tử này được cấu tạo từ 1 prôton và 1 điện tử. Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân, thì điện tử sẽ chịu lực hút của hạt nhân f, và được xác định bởi công thức sau: (1-1) Lực hút f, sẽ được cân bằng với lực ly tàm của chuyển động f : 2 Trong đó: s m-khối lượng của điện tử. / V -tốc độ chuyển động của điện tử. Từ (1-1) và (1-2) ta có: f,= f hay: 2 (1-3) mv Trong quá trình chuyển động, điện tử có một động năng T = và 2 một thế năng u = - — , nên năng lượng của điện tử sẽ bằng: r w =T+ u =- — (1-4) 2r 7
  7. Biểu thức (1-4) ở trên chứng tỏ mõi điện tử của nguyên tử có một mức năng lượng nhất định, năng lượng này tỳ lệ nghịch vơi bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử. Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r ra xa vô cùng cần phải cung cấp cho nó một năng lượng ì CỊ~ lớn hơn — . 2r Năng lượng tối thiểu cung cấp cho diện tử, dể diện tử tách rời khỏi nguyên tử và trở thành điện tử tự do người ta gọi là năng lượng lon hóa (Wj). Khi bị ion hóa (bị mất điện tử), nguyên tử trỏ thành ion dương. Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương và điện tử tự do gọi là quá trình lon hóa. Trong một nguyên tử, năng lượng ion hóa của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau. Các điện tử hóa trị ngoài cùng có mức năng lượng ion hóa thấp nhất vì chúng cách xa hạt nhân (xem công thức 1-4). Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hóa, chúng sẽ bị kích thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, song chúng luôn có xu thế trở về vị trí của trạng thái ban đầu. Phần năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lượng quang học (quang năng). Trong thực tế, năng lượng lon hóa và năng lượng kích thích nguyên lử có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như nhiệt năng, quang năng, điện năng; năng lượng của các tia sóng ngắn như tia a, p, Y hay tia rơnghen v.v... IU. CẤU TẠO PHÂN TỬ Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử. Trong vật chất tồn tại 4 loại liên kết sau: 1. Liên kết dồng hóa trị Liên kết đồng hóa trị được đặc trưng bởi sự góp chung một số điện tử để có đủ 8 điện tử ở lớp ngoài cùng. Khi đó mật độ đám mây điện tử giũa các hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững. Lấy thí dụ cấu trúc của phân tử do. Phân tử do (Cl ) gồm 2 nguyên tử do, 2 môi nguyên tử do có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử hóa trịở lớp ngoài cùng. Hai nguyên tử này được liên kết bền vững với nhau bằng cách # C1* - # c* # • , C'*C1* sử dụng chung 2 điện tử, lớp vỏ • • *• • *• • • • ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm 1 điện tử của nguyên H ì n h 1 - L i ê n k ê t 9 đ ồ n h ó a u i t r o n 9 tử kia (hình 1). phân tử Clo 8
  8. Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết dóng hóa trị có thể là trung tính hay cực tính (lưỡng cực). - Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và trọng tâm của các điện tích âm trùng nhau là phân tử trung tính. Các chất được tạo nên từ các phân tử trung tính gọi là chất trung tính hay chất không cực. - Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng cách V nào đó được gọi là phân tử cực tính hay còn gọi là phân tử có cực. Phân tử cực tính đặc trưng bởi mômen lưỡng cực m = q.l. Dựa vào trị số mômen lưỡng cực của phân tử người ta chia ra chất cực tính yếu và chất cực tính mạnh. Liên kết đồng hóa trị còn thấy ở cả chất rắn vô cơ có mạng tinh thể cấu tạo từ các nguyên tử, thí dụ như kim cương, cấu tạo của kim cương được mô tả trên hình 2. Hình 2. Cấu tạo tinh thể kim cương 2. Liên kết ion Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử. Các nguyên tử cho điện tử trở thành ion dương, còn các nguyên tử nhận điện tử trỏ thành lon âm. Các ion này sẽ hút nhau tạo thành phân tử. Liên kết ion là liên kết khá bền vững. Do vậy, vật rắn có cấu tạo lon đặc trưng có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. Thí dụ điển hình về tinh thể ion là các muối halõgen của kim loại kiềm. Cấu trúc tinh thể ion của clorua natri được chỉ rõ ở hình 3. Hình 3. Cấu trúc liên kết ion của clorua natri Khả năng tạo nên một chất hoặc một hợp chất có mạng tinh thể không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu kích thước nguyên tử và hình dáng lóp điện tử hóa trị ngoài cùng.
  9. Liên kết ion càng mạnh (bền vững) khi nguyên tử chứa càng ít điện tử nghĩa là các điện tử cho hoặc nhận nằm càng gần hạt nhân. 3. Liên kết kim loại Các ion dương tạo thành một mạng tinh thể xác định, đặt trong không gian điện tử tự do "chung". Đó là hình ảnh liên kết kim loại. Nàng lượng liên kết là tổng hợp lực đẩy và hút tĩnh điện giữa các ion dương và mây điện tử tự do (hình 4). eem ©©E ^ — — — — • — * u © e e e _ © © — © — —© — e— © Hình 4. Sơ dồ cấu tạo kim loại Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt trên nhau giữa các lớp ion, nên kim loại dễ cán, kéo, dát mỏng. 4. Liên kết Vandec-Van (Van der VVaals) Liên kết đồng hóa trị cho phép lý giải sự tạo thành những phân tử như nước (H 0) hoặc polyetylen (C H )n, nhưng không cho phép lý giải 2 2 2 sự tạo thành một số vật rắn từ những phân tử trung hòa như nước đá, các polyme khác. Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, do sự khác nhau về tinh âm điện của các nguyên tử tạo thành các phân tử có cực. Liên kết Vandec-Van là liên kết do hiệu ứng hút nhau giữa các nguyên tử hoặc phân tử bị phân cực ỏ trạng thái rắn (hình 5). Liên kết này là loại liên kết yếu, rất dễ bị phá vỡ do va động nhiệt. Vì vậy những chất rắn trên cơ sở liên kết Vandec-Van có nhiệt độ nóng chảy thấp. Hình 5. Mô hình liên kết Vandec-Van lũ
  10. IV. LÝ THUYẾT PHÂN VÙNG NĂNG LƯỢNG TRONG VẬT RAN Khi nguyên tử ở trạng thái binh thường không bị kích thích, một số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy, còn ỏ các mức năng lượng khác điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử nhận được năng lượng từ bên ngoài tác động (trạng thái kích thích). Nguyên tử luôn có xu hướng quay về trạng thái ổn định. Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích sang mức năng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát ra phần năng lượng dư thừa. Trạng thái năng lượng của điện tử trong nguyên tử không đồng đều và được phân thành các vùng năng lượng. Có thể khái niệm sự phân vùng năng lượng của điện tử trong nguyên tử như sau: Một chất có thể xem như cấu tạo bài một số lớn nguyên tử được đưa vào sắp xếp với nhau có trật tự trong mạng tinh thể. ở những khoảng cách tương đối xa, mỗi nguyên tử là độc lập với các nguyên tử khác và sẽ có các mức năng lượng trong nguyên tử và có cấu hình điện tử giống như nguyên tử đứng cô lập. Tuy nhiên, khi các nguyên tử càng xích lại gần nhau thì các điện tử càng bị kích thích (hay bị nhiễu loạn) bởi các điện tử và các hạt nhân của các nguyên tử lân cận. Ảnh hưỏng này làm cho mỗi một trạng thái điện tử trong nguyên tử riêng biệt bị phân tách thành một loạt các trạng thái điện tử nằm sát nhau, hình thành nên một vùng năng lượng điện tử. Sự giãn rộng từ một mức năng lượng điện tử trong nguyên tử thành một vùng năng lượng trong vật rắn tùy thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử. Sự giãn rộng này bắt đầu từ các điện tử ngoài cùng của nguyên lử vì chúng bị nhiễu loạn trước tiên khi các nguyên tử liên kết lại với nhau. Trong mỗi vùng, các mức năng lượng vẫn là gián đoạn, tuy nhiên, khoảng cách giữa các mức kề nhau là hết sức nhỏ. ở khoảng cách nguyên tử cân bằng, sự tạo thành vùng năng lượng có thể xẩy ra với các lớp điện tử ỏ gần hạt nhân nhất. Ngoài ra, ở các vùng kể nhau có thể tốn tại những khe năng lượng hay còn gọi là những vùng cấm: bình thường thi các điện tử không được phép chiếm lĩnh những mức năng lượng nằm trong các khe này. Các tinh chất điện của vật liệu rắn phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng lượng điện tử của nó, cụ thể là vào sự sắp xếp các vùng ngoài cùng và cách thức lấp đầy chúng bởi các điện tử. Có thể hiểu sự khác biệt về cấu trúc vùng năng lượng của các vật kim loại, bán dẫn và vật cách điện như trên hình 6. li
  11. a b c Hình 6. Biểu dồ năng lượng của diện môi (a), bán dẫn (b) và kim loại (c) Trên biểu đồ này: 1- gọi là vùng hóa trị, 2- vùng cấm, 3- vùng dẫn. Theo lý thuyết vùng thì các điện tử ỏ vùng hóa trị chuyển động tự do ở tất cả vật thể rắn mà không phụ thuộc vào chúng là kim loại hay điện mỏi. Sự chuyển động được thực hiện bói đường hầm chuyển tiếp điện tử từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Để giải thích sự khác biệt về tính chất điện của vật liệu phải để ý sự khác biệt phản ứng với điện trường ngoài của điện tử ở vùng hóa trị và vùng dẫn. Điện trường ngoài làm phá vỡ tính đối xứng trong việc phân bố điện tử theo tốc độ, tăng tốc các điện tử chuyển động theo hướng tác dụng lực và làm chậm các hạt có hướng chống lại hướng tác dụng lực. Tuy nhiên, sự tăng tốc tương tự và sự làm chậm lại gắn liền với sự thay đổi năng lượng của điện tử và gây ra sự di chuyển chúng vào trạng thái lượng tử mới. Những chuyển tiếp này có thể thực hiện chỉ trong trường hợp nếu như vùng năng lượng có mức tự do. Trong kim loại, vùng ở đây không đầy, chỉ cần trường rất nhỏ cũng truyền cho điện tử một xung làm nó chạy vào mức tự do. Vì nguyên nhân này kim loại có tinh dẫn điện cao. Trong chất bán dẫn và điện môi ở nhiệt độ 0 K thì tất cả các điện tửở vùng hóa trị, còn vùng dẫn hoàn toàn tự do. Các điện tử nằm ỏ vùng cấm không thể tham gia tạo ra dòng điện. Để tạo được dòng điện cẩn phải chuyển mót phần điện tử từ vùng đầy vào vùng dẫn. Năng lượng điện trường cần phải rát lớn để thực hiện việc chuyển tiếp này. V. CẤU TẠO VẬT LIỆU TINH THE Tất cả các vật liệu kim loại, các loại muối, đá ô trạng thái rắn đêu ở trạng thái tinh thể nghĩa là các nguyên tử của chúng được sắp xếp theo một trật tự nhất đinh gọi là mạng tinh thể không gian như trên hình 7a. Tinh thể có càu trúc tuấn hoàn. Có thể coi mạng tinh thể như gồm các hình khối đơn giản giông nhau, xếp liên tiếp nhau theo 3 chiều đo hợp lại thành tinh thể. Khối đó được gọi là khối cơ bản (hay ó cơ bản). 1Z
  12. Khối cơ bản lả hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung cho mạng tinh thể như ở hình 7b. Hình 7. Mạng tinh thể không gian (a) và khối cơ bản (b) Nếu toàn khối vật chất được cấu tạo đổng nhất theo một kiểu mạng nào đó thi được gọi là mạng lý tưởng. Tuy nhiên, trong thực tế không phải lúc nào các nguyên tử vật chất đểu được sắp xếp theo mạng lý tưởng, mà thường có sự sai lệch trong sự sắp xếp các vị trí nguyên tủ trong mạng tinh thể. Những chỗ sai lệch đó gọi là sai lệch mạng. Sai lếch mạng tinh thể được chia làm 3 loại: sai lệch điểm, sai lệch đường và sai lệch mặt. Sai lệch điểm gồm nút trống, nguyên tử xen kẽ giữa các nút mạng và nguyên tử tạp chất hay nguyên tử lạ như trên hình 8. Chính các sai lệch điểm này là một trong những nguyên nhân tạo nên sự dẫn điện trong chất bán dẫn. Hình 8. Sai lệch điểm trong mạng tinh thể. a -Nút trống b - Nguyên tử xen kẽ giữa các nút mạng c -Nguyên tử tạp chất Sai lệch đường là dạng sai lệch được nghiên cứu nhiều nhất mà dạng điển hình là lệch (còn có tên là dislocation). Sai lệch đường gồm có lệch biên (lệch thẳng) và lệch xoắn như trên hình 9. 13
  13. a b Hình 9. a-Lệch biên; b- Lệch xoắn Sai lệch mặt lạ sai lệch phát triển hạn chế theo một chiểu nghĩa là phát triển theo các mặt. Thí dụ, các mặt biên giới hạn là một dạng của sai lệch mặt. Nếu một khối vật liệu chỉ gồm một tinh thể thi gọi là vật liệu đơn tinh thể. Trong đơn tinh thể vật liệu mang tính có hướng hay dị hướng, nghĩa là theo các hướng khác nhau tính chất của vật liệu (cơ tính, lý tính, hóa tính) sẽ khác nhau. Để thể hiện được các hướng và mặt khác nhau trong mạng tinh thể người ta quy ước cách ký hiệu mặt và phương tinh thể. Để ký hiệu một mặt tinh thể nào đó người ta đặt ô cơ bản của mạng tinh thể đó vào gốc của hệ trục toa độ Decart (OX, OY, OZ). Lấy giao điểm của mặt đó với 3 trục rồi lấy số nghịch đảo của 3 giao điểm đó, xếp theo thứ tự theo 3 trục ox, OY, OZ và đặt trong ngoặc đơn. Giá trị trong ngoặc đơn là ký hiệu của mặt tinh thể cần biết. Thí dụ trên hình 1-10, đặt ô cơ bản hình khối lập phương ABCDOEFG lên trục tọa độ Decart, điểm o trùng với điểm gốc 0. Hãy xác định ký hiệu của mặt MNEF: Giao điểm của mặt MNEF với 3 trục của hệ tọa độ là: Với trục ox giao điểm tại điểm E có giá trị là 1 (nếu lấy giá trị mỗi cạnh của ô cơ bản là 1), giao điểm với trục OY là vô cực, giao điểm với trục 0Z là 1/3. Lấy số nghịch đảo của giá trị 3 giao điểm theo thứ tự 3 trục ox, OY, 0Z là 1, Ó, 3. kỷ hiệu mặt MNEF là (103). Hình 10. Cách ký hiệu mặt tinh thể 14
  14. Trong thực tế, nhất là đối với kim loại, do nhiều nguyên nhân của các quá trinh gia công khác nhau, cấu trúc của kim loại thường không đông nhất? các tinh thể có những hướng khác nhau. Mỗi tinh thể như vậy được gọi là hạt và toàn khối kim loại gọi là đa tinh thể. Trong đa tinh thể, do tính định hướng của các hạt khác nhau và ngẫu nhiên nên tổng hợp các hưđng của các hạt trong đa tinh thể là vô hướng hay đẳng hướng. Tuy nhiên, trong sản xuất khi cần kim loại mang tính có hướng người ta lại có những phương pháp gia công để có sự sáp xếp lại các mặt tinh thể theo một hướng nhất định và lúc này kim loại mang tính có hướng. Tất cả các vật liệu tinh thể được sắp xếp theo 14 kiểu mạng khác nhau như trên hình 11. Trong đó, đa số các nguyên tố kim loại được sắp xếp theo 3 kiểu mạng thường gặp nhất là mạng lập phương tâm khối (Hình 12c) mạng lập phương tâm mặt (Hình 12a) và mạng sáu phương điền đầy (Hình 12b). —í Ít Ả Ẩ U f 7 c V lo 12 13 14 Hình 11. Các kiểu mạng tinh thể của vật liệu rắn 1-Đơn tà; 2-Đơn tà mặt tâm đối; 3-Tam tà; 4-Lục giác; 5-Trực thoi; 6-Hình thoi đơn giản 7-Thoi thể tâm; 8-Thoi tâm mặt đối 9-Thoi tâm mặt; 10-Lập phương đơn giản 11-Lập phương tâm khối; 12-Lập phương tâm mặt 13-Chính phương đơn giản; 14-Chính phương tâm khối 15
  15. Hình 12 a-Mạng lập phương tâm mặt b-Mạng lục giác điền đầy C-Mạng lập phương tâm khối VI. CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU v ô ĐỊNH HÌNH Vật liệu vô định hình điển hình là các vật liệu polyme. Polyme hay còn gọi là cao phân tử là các vật thể mà đại phân tử cùa nó gồm nhiều mắt xích cơ bản có tổ chức giống nhau liên kết với nhau theo kiểu lặp đi lặp lại nhiều lần. Thuật ngữ polyme xuất phát từ chữ Hy Lạp: polymeros (poly=nhiểu- meros=phẩn). Mỗi mắt xích cơ bản gọi là một đơn phân hay monome. VI khối lượng phân tử của polyme rất lớn nên mỗi phân tử được gọi là một đại phân tử va do đó vật liệu polyme, hay còn gọi là vật liệu cao phân tử Các đại phân tử của polyme có thành phần hóa học giống nhau nhưng thường co kích thước khác nhau. Đại phân tử có thể được tạo thành từ các đơn phàn (monome) giống nhau hoặc khác nhau về thành phần hóa học. Khối lượng đại phân tử của polyme có thể từ 5000 đến cả triệu. Đại phân tử khi gồm các đơn phân giống nhau thì được gọi là homopolyme. Trong trường hợp gồm các dpn phân khác nhau thì gọi là copolyme. Khi mạch co bản của polyme được cấu tạo bởi các nguyên tủ cùng loại thì gọi là polyme đồng mạch, nếu bồi các nguyên tử khác loại thì gọi là polyme dị mạch. 1. Phân loại polyme Có nhiều cách phân loại polyme: a. Phân loại theo nguồn gốc có: - l*í>tyíTie thiên nhiên như cạo su thiên nhiên, xenlulô, mica, graphit... ! 16
  16. - Polyme nhân tạo hay còn gọi là polyme tổng hợp như chất dẻo, cao su nhân tạo. b. Phân loại theo thành phẩn có: > Polyme hữu cơ Là polyme có mạch cơ bản là một hydrocacbon Nếu mạch phân tử cơ bản chỉ gồm các nguyên tử cacbon thì gọi là polyme mạch cacbon hay polyme đồng mạch. Trong đó các nguyên tử c nối với các nguyên tử H hoặc các gốc hữu cơ khác. Thí dụ: H l i l i ... c - c - c - c - ... R = gốc hữu cơ (radical) R Trong polyme dị mạch, mạch cơ bản gồm các nguyên tử c và các nguyên tử khác làm thay đổi rất lớn tính chất của polyme. Thí dụ: ! 0 ... - Ọ - 0 - ộ-... hoặc - ố - N - Ổ - l i I Khi nối với các nguyên tử c trong mạch, các nguyên tử H làm tăng tính uốn của mạch, do đó làm tăng tính dẻo của polyme (như đối với các sợi và màng chất dẻo), các nguyên tử p và Cl làm tăng tính chịu nóng, nguyên tử s làm tăng tính chống thấm (thí dụ trong cao su), F làm tăng tính bển hóa học. Một số polyme mạch cacbon và di. mạch có thể có hệ thống liên kết liên hợp như: ...-CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH-... hoặc... Q - Q - Q Năng lượng mạch liên hợp lớn hơn loại đồng mạch. Thí dụ: năng lượng liên kết C-C là 80Kcal/mol. Trong lúc đó năng lượng liên kết giữa các mạch liên hợp đến 100-110 Kcal/mol. Do đó làm tăng tính ổn định khi nung nóng. Polyme hữu cơ gồm các loại thực vật, chất dẻo và cao su. V Polyme vô cơ Là các polyme mà trong mạch cơ bản của chúng không có các hydrocacbon. Thí dụ thủy tinh silicat, gốm, mica, amian. Thành phần cơ bản của các polyme vô co là các loại oxit silic, oxit nhôm, oxit magiê, oxit canxi... Trong silicat có 2 loại liên kết: các nguyên tử trong mỗi mắt xích nối với nhau bằng liên kết đồng hóa trị (Si-O), còn liên kết giữa các mắt xích là liên kết ion. Do đó tính chất của các chất này thay đổi trong phạm vi rất rộng; tử sợi thúy tinh (có tỈ Ị Ị j ^ Ị c ^ ị ^ g ệ p Ị(Ị (rò¥Ỉn|f hổi. l TRŨNGTAMHỌC LIỆU 17
  17. Polyme vô cơ có mật độ cao, bền nhiệt. Nhưng thủy tinh vả gốm thì đón, không chịu tải trọng động. Graphit thuộc loại polyme vô cơ nhưng có mạch cacbon. > Polyme hữu cở phần tử Là polyme mà trong mạch cơ bản chứa các nguyên tử vô cơ như Si, Ti, AI...Các nguyên tử này nối với các gốc hữu cơ như metyl (-CH ), tenyl 3 (-C H ), etyl (-C2H5). Các gốc hữu cơ cho vật liệu tính bền và dẻo, còn các 6 5 nguyên tử vô cơ cho tính chịu nhiệt cao. Trong thiên nhiên không có các loại vật liệu này mà chỉ tạo được bằng cách tổng hợp nhân tạo. Thí dụ: Đại diện cho nhóm này là hợp chất silic hữu cơ có cấu trúc: R R I _ I ... - S i - 0 - S i - ... ĩ í R' R' Giữa các nguyên tử Si và 0 có liên kết hóa học bển, liên kết siloxan Si-0 có năng lượng 89,3 Kcal/mol. Từ đó tính bền nhiệt của nhựa silic hữu cơ hoặc cao su siloxan cao hơn mặc dù tính đàn hổi và tính dẻo kém hơn so với nhựa hữu cơ và cao su thiên nhiên. Polyme chứa trong mạch cơ bản các nguyên tử Ti, o gọi là polytitanoxan, mạch cơ bản chứa Ti, 0, Si gọi là polytitansiloxan hữu cơ. c. Phân loại theo hình dáng dại phân tử Hình dáng đại phân tử gọi là mạch cơ bản. Theo cấu tạo mạch, polyme được chia ra thành các loại sau: > Polyme mạch thẳng Có đại phân tử là một chuỗi các mắt xích nối nhau theo đường díc dắc hay hình xoắn ốc (hình 13a). Đại phân tử uốn cong (hình bó) có độ bền cao dọc theo các mắt xích và độ bền thấp giữa các phân tử. Do đó làm cho vật liệu có tính đàn hồi và bị biến mềm khi nung nóng nhưng khi nguội thì cứng lại. Nhiều polyme loại này hòa tan trong các dung môi. Khi mật độ "bó" của các phân tử trong một đơn vị thể tích tăng thì độ bền và nhiệt độ biến mềm tăng nhưng khả năng hoa tan trong dung môi giảm. Thí dụ thuộc loại này có polyetylen (PE), polyamid (PA)... > Polyme mạch nhánh (polyme phân nhánh). Cũng là polyme mạch thẳng nhưng trong đại phân tử có thêm các nhánh (hình 13b). Sự phàn nhánh làm cản trỏ sự xích lại gần nhau của các phản tử, do đó làm giảm liên kết giữa các phân tử và làm giảm "mật độ bó". Loại này có độ bền thấp, dễ nóng chảy và dễ hòa tan hơn. Thí dụ: polyizobutylen (PIB). 18
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2