Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 4 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:37

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 4 Chất rắn vô định hình, gồm các nội dung chính sau cấu trúc chất lỏng; biến đổi tính chất theo t; khoảng biến mềm; thủy tinh kim loại; quan hệ cấu trúc – tính chất;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 4 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

CHƯƠNG 4 CHẤT RẮN VÔ ĐỊNH HÌNH PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 1
TỪ KHÓA • Aphormous • Amorphous Structure PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 2
VIẾT TẮT • CR: Chất rắn • NL: Năng lượng • VĐH: Vô định hình • VL: Vật liệu • L: Lỏng • KL: Kim loại • R: Rắn • NT: Nguyên tử • LK: Liên kết • PT: Phân tử • T: Nhiệt độ • TPHH: Thành phần hóa học PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 3
1. KHÁI NIỆM  Có thể tồn tại: trạng thái tinh thể /vô định hình  Trạng thái VĐH: coi như trung gian giữa CR và lỏng: - Tương tự chất rắn: không biến đổi hình dạng theo bình chứa; độ cứng, tính đàn hồi … - Tương tự chất lỏng: độ đồng nhất, bất đối xứng … PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 4
2. CẤU TRÚC CHẤT LỎNG  Ở trạng thái lỏng: vật chất đã có LK và cấu trúc nhất định  Ở các polymer: LK cộng hóa trị và Van der Waals phát triển ưu tiên theo một hướng nào đó, tạo mạch dài  polymer ở trạng thái L có độ nhớt cao, khó sắp xếp trật tự  Ở các chất vô cơ, theo xu hướng kết tinh từ pha lỏng, có thể chia thành 3 loại: 1. Chất lỏng không sai sót (Bernal) 2. Chất lỏng có hướng (Stuwart) 3. Chất lỏng không trật tự (Frenkel) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 5
2.1. CHẤT LỎNG KHÔNG SAI SÓT Pha lỏng và pha tinh thể có cùng cấu trúc (chất lỏng tinh thể) Chuyển rắn – lỏng không đứt liên kết, chỉ định hướng lại lực tác dụng Ở nhiệt độ nóng chảy, độ nhớt lớn, các silicate lỏng thường là chất lỏng Bernal PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6
2.2. CHẤT LỎNG CÓ HƯỚNG Liên kết phân tử có hướng đặc trưng, độ bền liên kết trong phân tử rất lớn nhưng độ bền liên kết giữa các phân tử yếu (chất lỏng vi tinh) Se, B2O3 là các chất lỏng loại này PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7
2.3. CHẤT LỎNG KHÔNG TRẬT TỰ Chất lỏng từ các ion tích tụ, cấu trúc không trật tự Khi T tăng, các sai sót tích tụ nhanh, các liên kết bị đứt, nhiều lỗ xốp xuất hiện. Khi làm nguội khó tạo thủy tinh Bao gồm: các chất lỏng KL, clorite, nitrate (NaCl, NaNO3 …) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 8
3. BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT THEO NHIỆT ĐỘ CỦA CR TINH THỂ VÀ VÔ ĐỊNH HÌNH Hạ T pha lỏng thấp hơn một giới hạn (Tnc)  Lỏng → Rắn T= Tnc-Tđđ: độ quá lạnh (Tđđ: T đông đặc) 9
3. BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT THEO T  Nếu tốc độ nguội trong miền quá lạnh đủ chậm: pha L chuyển thành CR kết tinh  Tốc độ nguội đủ nhanh: pha L chuyển thành CR VĐH  Ngưỡng tới hạn: tốc độ nguội tới hạn vth  Vth kim loại  106 K/s, thủy tinh silicate  10-1 K/s  Nung KL tới nóng chảy hoàn toàn: • Hiệu ứng nhiệt: thu nhiệt khi chuyển pha R→ L • Tnc= const: tương ứng NL phá hủy LK mạng KL 10
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 11
3. BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT THEO T  Nung VL VĐH: 1) Bắt đầu: hiệu ứng thu nhiệt nhỏ tương ứng T tạo thủy tinh hay T bắt đầu biến mềm Tg; 2) Tiếp theo: tỏa nhiệt với quá trình kết tinh; 3) Hiệu ứng nhiệt thứ 3: thu nhiệt với quá trình nóng chảy  Do mạng lưới cấu trúc không ổn định: các điểm T bắt đầu và kết thúc không ổn định PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 12
3. BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT THEO T Tính chất các CR tinh thể biến đổi tuyến tính, tại T nóng chảy có sự biến đổi tính chất đột ngột Tính chất các CR VĐH biến đổi tuyến tính ở vùng T thấp (trạng thái R) và T tương đối cao (chảy lỏng hoàn toàn). Trong vùng biến mềm, tính chất không biến đổi đột ngột mà chuyển dần theo biến đổi trạng thái PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 13
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 14
4. KHOẢNG BIẾN MỀM  Là dấu hiệu nhiệt vật lý quan trọng nhất phân biệt CR tinh thể/vô định hình  Khoảng biến mềm là khoảng T biến đổi dần tính chất khi chuyển trạng thái L → R của chất VĐH PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 15
4. KHOẢNG BIẾN MỀM  T= Tf – Tg Tg: T bắt đầu biến mềm (T tạo thủy tinh hay T đóng rắn), được quy ước là T ứng với độ nhớt 1012 Pa.s Tf: T chất lỏng chảy thành dòng, ứng với độ nhớt 102 Pa.s  Giá trị Tf, Tg phụ thuộc vào tốc độ nguội PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 16
5. POLYMER (CR VÔ ĐỊNH HÌNH HỮU CƠ)  Polymer là hợp chất cao phân tử hình thành từ các nguyên tố C, O, H, N, Cl, S …  Polymer có khối lượng PT lớn, được hình thành từ các đơn vị cấu thành gọi là monomer [có thể do một hoặc nhiều loại (copolymer)] PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 17
5. POLYMER Các polymer rất khó kết tinh, thường ở trạng thái vô định hình. Tuy nhiên, trong cấu trúc polymer vẫn có thể tồn tại các cùng trật tự kích thước nhỏ (trật tự gần) Các tinh thể polymer lớn cũng thường kết tinh không hoàn hảo, trong chúng luôn lẫn pha vô định hình (bán tinh thể) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 18
5. POLYMER Liên kết chính trong polymer: LK cộng hóa trị và Van der Waals, thường phát triển ưu tiên theo hướng nào đó, tạo mạch dài Các mạch polymer khó dịch chuyển đồng hướng, do đó ở trạng thái rắn thường ở dạng vô định hình, còn ở trạng thái lỏng có độ nhớt rất cao Trật tự trong cấu trúc polymer là trật tự sắp xếp của các mạch polymer này PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 19
6. THỦY TINH (POLYMER VÔ CƠ)  Thủy tinh là chất vô cơ nóng chảy bị làm quá lạnh về trạng thái rắn mà không kết tinh  Đặc trưng của CR thủy tinh: T thủy tinh hóa Tg và khoảng biến mềm T= Tf – Tg  Mọi chất lỏng nóng chảy đều có thể tạo thủy tinh nếu tốc độ nguội đủ lớn. Thủy tinh không bền nhiệt động luôn có xu hướng chuyển sang trạng thái tinh thể PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 20