Vật liệu học - Chương 3: Cấu trúc của vật liệu vô cơ

VẬT LIỆU HỌCTS. Hà Văn Hồng *Tháng 02.2006Chương 3Cấu trúc của vật liệu vô cơ3.1.Bản chất & Phân loại3.2.Liên kết nguyên tử 3.3. Cấu trúc của vật liệu Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*3.1.Bản chất & Phân loại  Gốm (đất nung) : vật liệu chế tạo từ đất sét (cao lanh :Al2O3.2SiO2.2H2O) Thuỷ tinh : SiO2-CaO-Na2O Ximăng : CaO-SiO2-Al2O3Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* 3.1.Bản chất & Phân loại Bản chất: Ceramic (Vật liệu vô cơ) được tạo thành từ các hợp chất hóa học giữa kim loại (Me) với á kim (B, C, N, O) Hoặc các á kim với nhau  Phân loại: theo đặc điểm kết hợp  Gốm và Vật liệu chịu lửa  Thuỷ tinh và Gốm thủy tinh  Ximăng và BêtôngTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* 3.2.Liên kết nguyên tửV.vô cơ = Ngtố KL + Ngtố á kim=> Ng.tử :  kích thước;  vỏ điện tử ;  lực liên kết Độ âm điện: χkl  χakim  Điện tử hóa trị “e” của k.loại  dịch chuyển về phía Á kim =>Liên kết ion Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Ví dụ : Vật liệu silicat : SiO2 O: Z=8 Si: Z = 14  Si có 4 e tham gia liên kết : Điện tử “e” của Si dich chuyển về 4 ngtử Oxy  Si4+, O2- => Liên kết ionTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*1S22P63S12S23p32S21S22P4Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Mỗi ion Si4+ bao quanh bởi 4 ion O2- => Tứ diện tam giác đều (SiO4)4- ( Đa diện phối trí (SiO4)4- )Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Mỗi ion Si4+ bao quanh bởi 4 ion O2- => Tứ diện tam giác đều (SiO4)4- ( Đa diện phối trí (SiO4)4- )Để đảm bảo trung hòa về điện : Mỗi ion O2- là đỉnh chung của 2 khối tứ dịên => Liên kết cộng hóa trị Mạng tinh thểTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Mạng kh.gian 3 chiềuMạng kh.gian 2 chiềuHợp chấtLK ion, %Hợp chấtLK ion, %K-O90Al-O60Mg-O80B-O45Zr-O67Si-O40Ti-O63C-O22Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Liên kết ion: chủ yếu Liên kết cộng hóa trị : ít Năng lượng liên kết : E = 100 – 500 kj/mol (đối với kim loại E =60 – 250 kj/mol)3.3.Cấu trúc của vật liệu 3.3.1.Cấu trúc tinh thể3.3.2.Cấu trúc vô định hình3.3.3.Vật liệu đa pha và đa tinh thể3.3.4.Khuyết tật trong mạng tinh thể Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*3.3.1.Cấu trúc tinh thể Cấu trúc = f (Liên kết ion, Liên kết cộng hóa trị)Liên kết hóa học  Tỷ số Vì (e-cho của cation) =(e-nhận của anion) => Trung hoà điện tích: => Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Ca2+CationF-AnionF-+CaF2 : Liên kết ion:  Sắp xếp các ion ???  Các ion hút nhau theo mọi hướng  Đạt độ xếp chặt & tính đối xứng cao => Cấu trúc bền vững:Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Không bềnBền vữngBền vữngCationRc, nmCationRc, nmAnionRa,nmAl3+0.053Mg2+0.072Br-0.196Ba2+0.136Mn2+0.067Cl-0.181Ca2+0.100Na+0.102F-0.133Cs2+0.170Ni2+0.069I-0.220Fe2+0.077Si4+0.040O2-0.140Fe3+0.069Ti4+0.061S2- 0.184K+0.138Zn2+0.074Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Bán kính ion : Rc Cấu trúc vô định hìnhTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Thủy tinh thạch anh (SiO2)Thủy tinh Alumosilicat (SiO2-Al2O3-Na2O)3.3.3.Vật liệu đa pha & Đa tinh thểVật liệu đa pha : CT tinh thể + CT vô định hìnhVí dụ : Sứ, gốm chịu lửa, gốm thủy tinhVật liệu đa tinh thể :  nhiều hạt tinh thể : cấu trúc Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*3.3.4.Khuyết tật trong mạng tinh thểTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Khuyết tật điểmKhuyết tật Frenkel : Cation rời nút mạng  Nắm xen kẽ giữa các aniom => Cặp: N.trống (+) & N.tử xen kẽ (+)Khuyết tật Schotky : Cation và Anion rời nút mạng  Định vị ở bề mặt ngoài => Cặp: N.trống (+) & N.trống (-)Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Tạp chất trong mạng tinh thể Tạp chất Dung dịch rắn thay thế (d.dh rắn xen kẽ) Điều kiện: Điện tích : giống nhau Kích thước : giống nhauVí dụ: NaCl - Tạp chất catiion: RCa2+= 0.100n.m RNa+ = 0.102n.m  Ca2+ thay thế 2 Na+ Tạo thêm nút trống cation -Tạp chất anion: R(O2-)= 0.140n.m R(Cl-) = 0.181n.m  O2- thay thế 2 Cl- Tạo thêm nút trống anionTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*