Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Chương 4: Cấu trúc của vật liệu gốm - Lê Văn Thắng

Nội dung text: Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Chương 4: Cấu trúc của vật liệu gốm - Lê Văn Thắng

1. CHƯƠNG 4 CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU GỐM 1
2. 4.1 Mở đầu 4.1.1 Giới thiệu  Định nghĩa gốm: • Gốm là các hợp chất rắn hình thành do nhiệt (đôi khi do nhiệt và áp suất). • Ngoại trừ kim cương, graphit thì gốm bao gồm ít nhất hai nguyên tố:  Một trong các nguyên tố đó là một không kim loại hoặc một không kim loại ở trạng thái rắn (nonmetallic elemental solid - NMES).  Nguyên tố kia có thể là kim loại hoặc một NMES.  Ví dụ: MgO, SiO2, TiC, ZrB2, SiC, BaTiO3, YBa2Cu3O3, Ti3SiC2 là gốm các oxýt, nitrua, borua, cacbua và silicua của kim loại và NMES, các hợp chất silicat cũng là các gốm. • Phần lớn của lớp vỏ trái đất là các khoáng silicat + xi măng, gạch, thủy tinh, bêtông cũng là các hợp chất silicat chúng ta đang sống trong một thế giới của vật liệu gốm. 2
3. 4.1.2 Vi cấu trúc của gốm • Trong gốm, các hạt (đơn tinh thể) có độ lớn từ 1 – 50 m chỉ có thể nhìn thấy trên kính hiển vi. • Hình dạng và kích thước hạt, sự hiện diện của lỗ xốp, sự có mặt của các pha thứ hai và cách phân bố chúng được gọi là vi cấu trúc (microstructure). • Nhiều tính chất của gốm phụ thuộc vào vi cấu trúc này 3
4. 4.1.3 Gốm truyền thống và gốm tiên tiến  Gốm truyền thống • chủ yếu dựa trên các hợp chất siliscat, được đặc trưng bằng các vi cấu trúc xốp, rất thô, không đồng nhất và nhiếu pha. • Thông thường được chế tạo bằng cách trộn đất sét và tràng thạch (feldspar - (K2O.Al2O3.6SiO2) tạo hình bằng cách đúc khuôn hoặc nặn trên bàn xoay nung trong lò để chúng kết khối tráng men. • Các sản phẩm gốm truyền thống bao gồm: đồ sứ, đồ sành, gạch, ngói, thủy tinh và các gốm ở nhiệt độ cao khác (xi măng, gạch chịu lửa v.v ). 4
5.  Gốm tiên tiến • Trong vòng 50 năm gần đây, nhiều loại gốm không dựa trên đất sét hoặc các hợp chất silicat. • Gốm dựa trên nhiều loại nguyên liệu được chế tạo công phu như các oxýt, cacbua, perovskite hoặc các nguyên liệu hoàn toàn nhân tạo. • Vi cấu trúc của các gốm này có độ mịn cao hơn, đồng nhất hơn và ít xốp hơn nhiều so với vật liệu gốm truyền thống gọi là gốm tiên tiến hay gốm hiện đại • Các sản phẩm gốm tiên tiến được áp dụng trong:  Các hệ giao tiếp sử dụng cáp quang (optical fiber communication system),  Các hệ vi cơ điện tử (microelectro-mechanical system – MEMS)  Chế tạo các vật liệu gốm áp điện (piezoelectric ceramic). • Ngoài ra gốm tiên tiến còn bao gồm:  Ferrite (MgFe2O4) để làm nam châm nhân tạo  Gốm hấp thu neutron (B4C3)  Gốm bền cơ, bền nhiệt cao (SiC, Si3N4) dùng cho các động cơ đốt trong,  Gốm sinh học (Al2O3), 6  Nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân (UO2)
6. 4.2 Quan hệ giữa số sắp xếp K và tỉ lệ r/R Số sắp xếp Giá trị tới Khoảng bền của r/R Dạng hình học K hạn 2 0 0 < r/R < 0,155 Luôn có thể 3 0,155 0,155 ≤ r/R < 0,225 4 0,225 0,225 ≤ r/R < 0,414 6 0,414 0,414 ≤ r/R < 0,732 8 0,732 0,732 ≤ r/R < 1 12 1 r/R = 1 9
7. 4.3 Cấu trúc các tinh thể vô cơ 4.3.1 Dạng đơn chất 4.3.1.1 Kim cương a. Ô cơ sở • Mạng Fcc và có thêm 4 nguyên tử ở ( ¼, ¼, ¼), ( ¾, ¼, ¾), ( ¼, ¾, ¾) và ( ¾, ¾, ¼) • Hoặc chia Fcc làm 8 khối đều nhau và có 4 nguyên tử ở tâm 4 khối cách nhau a2 a2 a2 a2 a2 3a2 AD2 ; BD2 AD2 AB2 4 4 4 4 4 4 a 3 a 3 10 BD OD 2 4
8. b. Số sắp xếp a 3 • Mỗi nguyên tử C BQGN bởi 4 nguyên tử khác cách đều với khoảng cách , 4 cho nên K = 4. a 3 • Khi đó nguyên tử cacbon sẽ nằm ở đỉnh và tâm của 1 tứ diện đều, r 8 4.3.1.2 Graphit a) Ô cơ sở • Hình sáu phương với a = 2,46 A, c = 6,82 A. • Mạng tạo thành bởi các lớp nguyên tử cách nhau c/2 = 3,41 A, cho nên còn gọi là cấu trúc lớp. • Trên từng lớp, các nguyên tử tạo thành các lục giác đều. 11
9. • Các đỉnh của lục giác đều sẽ trùng nhau trên 2 lớp cách nhau, còn trong 2 lớp kế tiếp chỉ trùng nhau ở 3 trong 6 đỉnh b) Số sắp xếp a 3 Mỗi nguyên tử BQGN bởi 3 nguyên tử khác với khoảng cách 1,42 Ao 3 4.3.2 Dạng hợp chất ion kiểu AB 43.2.1 Tính chất • Số nguyên tử A = Số nguyên tử B trong ô cơ sở. • Số nguyên tử B (BQGN) A = Số nguyên tử A (BQGN) B 12
10. 5.3.2.2 Mạng NaCl • Ô cơ sở là Fcc của Cl- còn Na+ chiếm vị trí các lỗ hổng khối 8 mặt (hoặc ngược lại). • Mỗi Na+ BQGN bởi 6 Cl- và ngược lại. • Các ion trái dấu sẽ tiếp xúc nhau trên các cạnh của ô cơ sở. • n(Cl-) = 1/8 x 8 + 1/2 x 6 = 4 • n(Na+) = 1/4 x 12 + 1 = 4 • Gọi r là bán kính cation và R là bán kính anion thì r + R = a/2 13
11. 5.3.2.3 Mạng CsCl • Ô cơ sở là Bcc: Cl- ở đỉnh, Cs+ ở tâm khối (hoặc ngược lại). • n(Cs+) = 1; n(Cl-) = 1/8 x 8 = 1 • Mỗi Cs+ BQGN bởi 8 Cl- và ngược lại. • Các ion trái dấu tiếp xúc nhau theo đường chéo khối của ô cơ sở, nên R + r = a 3 2 14
12. 4.3.2.4 Mạng ZnS (dạng sphalerite) . Ô cơ sở: Fcc của S2- và có thêm 4 Zn2+ ở vị trí giống 4 nguyên tử phía trong của kim cương. . n(S2-) = 1/8 x 8 + 1/2 x 6 = 4; n(Zn2+) = 4 . Mỗi Zn2+ BQGN bởi 4 S2- và ngược lại. . R + r = a 3 4 . Ngoài ra ZnS còn tồn tại ở dạng Wurtzite sáu phương. Mỗi Zn2+ BQGN bởi 4 S2- và ngược lại. 15
13. 4.3.3 Dạng hợp chất ion kiểu AB2 (hoặc A2B) 4.3.3.1 Tính chất • Số nguyên tử B = 2 x Số nguyên tử A trong ô cơ sở. • Số nguyên tử B (BQGN) A = 2 x Số nguyên tử A (BQGN) B 4.3.3.2 Mạng CaF2 • Ô cơ sở: Fcc của Ca2+ và có thêm 8 F- chiếm vị trí trung tâm của 8 hình khối nhỏ, như vậy F- sẽ tạo mạng lập phương riêng 17
14. • n(F-) = 8; n(Ca2+) = 1/8 x 8 +1/2 x 6 = 4 • Mỗi Ca2+ BQGN bởi 8 F-, • Mỗi F- BQGN bởi 4 Ca2+. a 3 • R + r = 4 18
15. Dựa vào tỷ số r/R để dự đoán cấu trúc • r = 0,077 nm r 0,077 • Cấu trúc FeO 0,550 K = 6 • R = 0,140 nm R 0,140 cấu trúc NaCl • r = 0,072 nm r 0,072 • Cấu trúc MgO 0,514 K = 6 • R = 0,140 nm R 0,140 cấu trúc NaCl • r = 0,100 nm r 0,100 • Cấu trúc CaF2 0,8 K = 8 • R = 0,133 nm R 0,133 cấu trúc CsCl • Do số ion Ca2+ = 1/2 số ion F- nên cấu trúc CsCl chỉ có phân nữa vị trí cation bị chiếm chỗ. 20
16. 4.3.3.3 Mạng Cu2O • Ô cơ sở: Bcc của O2- và có thêm 4 Cu+ chiếm vị trí như 4 nguyên tử phía trong của kim cương. • n(Cu+) = 4 • n(O2-) = 1/8 x 8 + 1 = 2. • Mỗi Cu+ có 2 O2- BQGN, mỗi O2- có 4 Cu+ BQGN 4.3.3.4 Các dạng mạng khác TiO2 (rutile) 21
17. CaTiO3 BaTiO3 22
18. Al2O3 (Corundum) • Nếu corundum có lẫn các nguyên tố Fe, Ti, Cr ở dạng vết thì nó sẽ có màu xanh, vàng, hồng, tím, cam và được gọi là saphire. • Nếu corundum có màu đỏ (chủ yếu do lẫn Cr) thì được gọi là ruby. • Do có độ cứng cao nên corundum thường được dùng làm bột mài. • Saphire, Ruby cùng với emerald (ngọc lục bảo) và kim cương là bốn loại đá quý, trong đó kim cương có độ cứng cao nhất 23
19. Ngọc lục bảo, emarald Saphire Ruby Kim cương 24
20. 4.3.3.5 Khối lượng riêng, Mv và Ms 4 4 n r3 n R3 mô ncationMcation nanionManion cation 3 anion 3 d Mv x100% Vô V.AN V 2 2 r ncation / S R nanion / S MS x100% S 2+ o - o Ví dụ: CaF2 có r(Ca ) = 1,06 A , R(F ) = 1,33 A , MCa = 40, MF = 19. Tính d, Mv, MS(111) và MS(100) 4 a (1,06 1,33) 5,519 Ao 3 4.40 8.19 d 3,08 g/cm3 5,519 3.10 24.6,02x1023 4 4 4. r3 8. r3 r3 2R3 1,063 2.1,333 3 3 16 16 Mv x100% 58,77% a3 3 a3 3 5,5193 Ms(111) 26,76% Ms(100) 23,18% 25
21. 4.4 Cấu trúc silicat • Silicat cấu tạo chủ yếu từ hai nguyên tố Si và oxy, do đó các khối đá, đất, đất sét và cát nằm trong nhóm silicat. 4- • Đơn vị cấu trúc của Silicat là các tứ diện đều SiO4 , trong đó Oxy nằm ở đỉnh còn Si nằm ở tâm của tứ diện. 4- • Mỗi oxy còn thiếu 1 e để đạt cấu hình bền nên các tứ diện SiO4 có thể sắp xếp thành các mạch đơn, mạch kép, tấm hoặc cấu hình không gian bằng cách dùng chung các đỉnh của tứ diện. 26
22. 4.4.1 Dioxyt Silic (SiO2) – Silica • Dạng vật liệu silicat đơn giản nhất là dioxyt silic (SiO2) có cấu trúc mạng lưới không gian ba chiều, trong đó mỗi oxy nằm ở đỉnh còn Si nằm ở tâm của một tứ diện đều. • Các tứ diện này chia sẻ đỉnh với nhau nên vật liệu Cristobalite trung hòa về điện và mọi nguyên tử đều có cấu trúc điện tử bền tỷ lệ Si:O = 1:2 tạo thành công thức SiO2. • Nếu các tứ diện này sắp xếp một các trật tự và đều đặn cấu trúc tinh thể. Quartz • Có ba dạng cấu trúc tinh thể đa hình của SiO2 là thạch anh (quartz), cristobalite và tridymite. • Các cấu trúc này tương đối phức tạp và không xếp chặt nên thạch anh có khối lượng riêng thấp 2,65 g/cm3. • Độ bền của liên kết Si-O mạnh nên chúng có nhiệt độ nóng chảy cao (1710 oC). 28 Tridymite
23. 4.4.2 Thủy tinh • Silica (SiO2) có thể được chế tạo ở dạng rắn vô định hình hoặc thủy tinh có trạng thái sắp xếp nguyên tử rất ngẫu nhiên (giồng như cấu trúc của chất lỏng) gọi là silica nóng chảy (fused silica) hoặc silica trong suốt (vistreous silica). • Giống như silica tinh thể, đơn vị cơ sở của thủy tinh cũng dựa trên các tứ diện 4- SiO4 nhưng sắp xếp chúng một cách ngẫu nhiên. 29
24. • Thủy tinh vô cơ thông thường sử dụng để làm bình chứa, cửa kiếng, v.v là thủy tinh silica được pha thêm các oxýt. 4- • Cation của các oxýt như CaO, Na2O tích hợp vào trong mạng lưới SiO4 và làm biến đổi nó các oxýt này gọi là các chất biến đổi mạng lưới (network modifiers). • Cation của một số oxýt như TiO2, Al2O3 sẽ thay thế Si và trở thành một phần của mạng lưới làm mạng bền hơn, các oxýt này được gọi là các chất trung gian. • Việc thêm các chất biến đổi mạng lưới hay các chất trung gian sẽ làm hạ nhiệt độ nóng chảy và giảm độ nhớt của thủy tinh, dẫn đến dễ tạo hình ở nhiệt độ thấp. 30
25. 4.4.3 Các silicát 4- Đối với nhiều loại khoáng silicat khác nhau, các oxy ở đỉnh của tứ diện SiO4 có thể chia sẻ với các tứ diện khác tạo thành các cấu trúc phức tạp khác nhau: 4- • Disilicat: Hai tứ diện SiO4 kết hợp với nhau bằng cách dùng chung một nguyên 6- tử oxy tạo thành anion Si2O7 (Hình b). 4- • Pyroxene (cấu trúc mạch đơn): mỗi tứ diện SiO4 chia sẻ hai oxy với hai tứ diện 4- 2n- SiO4 lân cận để tạo thành anion (SiO3)n (Hình c). 4- • Amphibole (cấu trúc mạch kép): mỗi tứ diện SiO4 chia sẻ ba oxy với ba tứ diện 4- 6- SiO4 lân cận để tạo thành dạng (Si4O11) (Hình d). 4- • Phyllosilicate (cấu trúc dạng tấm): các tứ diện SiO4 chia sẻ oxy với nhau tạo 2 - dạng (Si2O5) (Hình e). 31
26. • Các cation điện tích dương như Ca2+, Mg2+ và Al3+ có thể bù trừ điện tích âm 4- còn thiếu của các đơn vị SiO4 để đạt trung hòa về điện hoặc liên kết các tứ diện 4- SiO4 với nhau. 4.4.3.1 Các silicat đơn • Dạng cấu trúc đơn giản nhất thuộc loại này là các tứ diện cô lập (hình a). 2+ Ví dụ Forsterite (Mg2SiO4) tương đương với hai ion Mg kết hợp với mỗi tứ diện 4- 2+ SiO4 sao cho mỗi ion Mg có 6 oxy bao quanh gần nhất. 6- • Dạng ion Si2O7 tạo thành khi hai tứ diện chia sẻ cùng một oxy (hình b). 2+ 2+ Ví dụ Akermanite (Ca2MgSi2O7) là khoáng có hai ion Ca và một ion Mg kết 6- hợp với mỗi đơn vị Si2O7 . 32
27. 4.4.3.2 Silicat dạng tấm • Các cấu trúc dạng tấm hai chiều không gian có thể được tạo thành bằng cách 4- chia sẻ 3 ion xoy của mỗi tứ diện SiO4 (hình e). 2- • Mỗi đơn vị lặp lại của dạng tấm có công thức (Si2O5) , các điện tích âm sẽ ở trên các ion oxy nằm ngoài mặt phẳng. • Sự trung hòa điện được thiết lập bằng cách ghép với một cấu trúc tấm thứ hai có dư cation để tạo liên kết với các oxy của tấm Si2O5. • Các vật liệu như vậy gọi là silicat tấm, là các cấu trúc cơ bản đặc trưng của đất sét và các khoáng khác. • Một trong những khoáng sét phổ biến nhất là cao lanh (kaolinite) có cấu trúc hai lớp silicat tương đối đơn giản. 2- • Đất sét cao lanh có công thức Al2(Si2O5)(OH)4, trong đó lớp (Si2O5) được trung 2+ hòa điện bằng lớp Al2(OH)4 . 2- • Mặt phẳng ở giữa của các anion bao gồm các ion oxy từ lớp (Si2O5) và các ion - 2+ OH từ lớp Al2(OH)4 . 33
28. • Liên kết giữa hai lớp là tương đối mạnh và thuộc loại liên kết trung gian giữa liên kết ion – liên kết cộng hóa trị. • Giữa các lớp lân cận chỉ có liên kết yếu Van der Waals khi thêm nước vào đất sét, các lớp có thể trượt lên nhau dọc theo liên kết Van der Waals đất sét có tính dẻo. 34
29. • Các khoáng khác cũng có cấu trúc tấm như: talc [Mg3(Si2O5)2(OH)2] và micas (ví dụ muscovite KAl3Si3O10(OH)2) 4.4.4 Phân loại vật liệu gốm trên cơ sở các ứng dụng của nó 35