TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC oOo VẬT LIỆU HỌC NGÀNH HÓA Chƣơng ĐẠI CƢƠNG VỀ VẬT LIỆU HỌC GV: Lê Quý Dũng Học kỳ Năm học 2011 - 2012 Giới thiệu môn học Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 Mục tiêu mơn học Có nhìn khái qt vật liệu học • Các khái niệm, nguyên lý chung, sở vật chất nói chung số loại vật liệu nói riêng • Ngun tắc, cơng dụng số phương pháp vật lý thông dụng ứng dụng khảo sát tính chất vật liệu Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 Phân bố chương trình • • • • • Đại cương vật liệu học Vật liệu kim loại Vật liệu polymer Vật liệu nano Một số phương pháp xác định cấu trúc hình thái vật liệu Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 Tài liệu tham khảo • Slides giảng Vật liệu học năm 2011 – 2012 • Sách: Materials Chemistry Bradley D Fahlman, second edition • Sách: Vật liệu học B N Arzamaxov Nguyễn Khắc Cường (chủ biên) biên dịch • Giáo án Vật liệu học thầy Hà Văn Hồng Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 Kế hoạch thi phân bố điểm Điểm tiểu luận 20% Điểm kỳ 20% Điểm thi học kỳ 60% Điểm mơn học • Đề tài giảng viên đưa nhóm tự chọn (cộng điểm) • Lớp trưởng phân lớp thành 14 nhóm, bầu nhóm trưởng, gởi danh sách cho thầy vào buổi học thứ Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 Vật liệu học ngành hóa Chương 1: Đại cương vật liệu học Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 Chương 1: Đại cương vật liệu học • • • • • Sự cần thiết phát triển vật liệu Các loại liên kết vật chất Các trạng thái tự nhiên vật chất Đại cương tinh thể học Một số tính chất vật liệu Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 1.1 Sự cần thiết phát triển vật liệu Các thời kỳ lịch sử đặt tên theo loại vật liệu sử dụng thời kỳ Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 1.1 Sự cần thiết phát triển vật liệu • Một ví dụ cụ thể vật liệu: TiO2 • Chất bột rắn màu trắng, khơng tan nước • Thường biết tới dạng bột màu (trắng) • Tính chất đặc biệt: khả xúc tác quang hóa Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 10 Tính chất quang • Khái niệm chung • Tính chất quang học vật liệu kim loại • Tính chất quang học vật liệu phi kim loại Tính chất sóng – hạt ánh sáng • Ánh sáng truyền khơng gian với vận tốc c, bước sóng lamda • Khi c= lamda x v Sự phân tách ánh sáng trắng thành ánh sáng màu Tương tác ánh sáng với vật rắn • • • • • • Ta gọi R: độ phản xạ A: độ hấp thụ T: độ truyền qua R = max vật thể màu trắng A = max vật thể màu đen T = max vật thể suốt o A khác 0, truyền qua phát xạ => có màu o A = 0, truyền qua khúc xạ => đục mờ Thuyết lượng tử Plăng • Nếu dùng nguồn sóng điện từ (ví dụ ánh sáng mặt trời) chiếu rọi vào phân tử, nguyên tử làm cho chúng từ trạng thái chuyển sang trạng thái kích thích, chúng từ trạng thái kích thích trở trạng thái bản, lượng thu trả lại mơi trường, thường dạng lượng sóng điện từ (bức xạ điện từ) • Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ lượng điện từ cách gián đoạn, lượng nhỏ một, nguyên vẹn gọi lượng tử lượng  (photon) • Sự hấp thụ phát xạ điện từ gây nên chuyển dời điện tử từ trạng thái lượng sang trạng thái lượng khác • Nguyên tử hấp thụ photon, bị kích thích làm cho điện tử chuyển từ mức lượng E2 lên mức E4 Năng lượng hấp thụ ()bằng lượng chuyển dời điện tử (E) • Điện tử kích thích trạng thái khộng bền, liền quay trở trạng thái mức thấp phát lượng (photon) lượng hấp thụ • Vì chuyển dời điện tử địi hỏi lượng hấp phải có tần số bước sóng tương ứng thích hợp Tính chất quang học vật liệu kim loại • Kim loại hấp thụ tất tần số ánh sáng nhìn thấy ln có trạng thái điện tử trống, cho phép chuyển dời điện tử • Trong thực tế kim loại hấp thụ sóng điện từ tần số thấp ( bước sóng dài) sóng rađio, qua tia hồng ngoại, ánh sáng trắng đến tia tử ngoại Độ phản xạ đa phần kim loại đạt 0.90 -0.95 Một phần nhỏ lượng xạ chuyển thành nhiệt Vì đa phần kim loại có màu trắng đục Kim loại nhôm (Al) bạc (Ag) sau hấp thụ ánh sáng trắng phản xạ lại tồn giải phổ nhìn thấy, nên chúng có màu trắng bạc Còn kim loại đồng (Cu) vàng (Au) lại thể hai màu đỏ-da cam vàng phân lượng xạ có bước sóng ngắn khơng phát lại • Các sóng điện từ có tần số cao (tia rơngen tia ) truyền qua kim loại, làm cho kim loại suốt (khơng màu) Sự khúc xạ • Tia sáng truyền tới bề mặt vật liệu phi kim, sau bị lệch hướng truyền Đây tượng khúc xạ Kết làm giảm tốc độ truyền ánh sáng vật liệu, làm bị đục Đại lượng đặc trưng cho tượng số khúc xạ (chiết suất) n Sự khúc xạ Vật liệu vô Thuỷ tinh SiO2 Thuỷ tinh Na-Ca Thuỷ tinh Pyrex Corunđông (Al2O3) Periclaz (MgO) Thạch anh (SiO2) Spinen (MgAl2O4) Chiết suất trung bình 1.46 Chiết suất trung bình 1.35 1.51 Vật liệu hữu Polytetrafloet ylen Polyetylen 1.47 Polystyren 1.60 1.76 Polymetyl metacrylat Polypropylen 1.49 1.74 1.55 1.72 1.51 1.49 Thuỷ tinh NaCa có chiết suất 1.51 Thuỷ tinh pha lê có chứa oxyt bari (BaO) oxyt chì (PbO) làm cho chiết suất tăng lên đáng kê (chết suất 2.10) Do thuỷ tinh pha lê có tính khúc xạ lớn Sự phản xạ • Khi sáng từ môi trường sang môi trường khác, phần ánh sáng bị phản xạ trở lại bề mặt phân chia hai môi trường Nếu ánh sáng tới chiếu vng góc với mặt phân cách độ phản xạ R tính sau : • Trong n1 n2 triết suất hai mơi trường • Khi ánh sáng chiếu từ khơng khí vào vật rắn có triết suất ns thí độ phản xạ : • Như triết suất vật rắn (ns) cao độ phản xạ (R) lớn Chiết suất vật rắn phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, độ phản xạ biến đổi theo bước sóng Hấp thụ • Cũng đường truyền ánh sáng, lượng xạ truyền phụ thuộc vào đặc tính mơi trường Cường độ truyền lượng xạ ( IT’) vật liệu giảm liên tục theo chiều dài mà ' qua: T • Trong -cường độ xạ lượng • -hệ số hấp thụ, mm-1, đặc trưng vật liệu thay đổi theo bước sóng nguồn xạ • x-chiều dài truyền lượng, đo từ tia tới bề mặt vật liệu • Các vật liệu có giá trị  lớn coi chất hấp thụ mạnh '  x o I I e Màu sắc • Các vật liệu suốt màu có giải bước sóng ánh sáng bị hấp thụ chọn lọc, màu sắc cảm nhận kết tổ hợp bước sóng truyền qua • Các vật liệu đục màu tổ hợp ánh sáng phản xạ lại • Các thuỷ tinh vơ có màu nhờ tham gia ion kim loại chuyển tiếp đất Các cặp ion-màu điển hình như: Cu2+ : xanh-lục; Co2+ : xanh-tím; Cr3+ : lục; Mn2+ : vàng Mn3+ : đỏ thẫm Tính đục mờ • • • • • • • • Mức độ mờ đục vật liệu điện môi suốt phụ thuộc nhiều vào đặc tính phản xạ (tán xạ) bên truyền qua chúng Nhiều vật liệu điện môi vốn suốt trở nên mờ hay đục nhờ phản xạ khúc xạ bên Một chum sáng lệch hướng yếu nhiều lần khúc xạ Tính đúc sinh mức độ tán xạ mạnh đến mức khơng cịn chùm ánh sáng tới truyền qua không bị lệch để tới mặt sau Sự tán xạ bên vật liệu sinh nhiều nguyên nhân khác : cấu trúc, khuyết tật… Cấu trúc đa tinh thể làm cho chiết suất hạt khác Cả phản xạ tán xạ xảy biên giới hạt làm cho vật liệu mờ Tán xạ xảy vật liệu hai pha, pha với độ phân tán cao nằm pha Tán xạ chùm tia xảy qua miền biên giới pha Sự sai khác chiết suất hai pha lớn tán xạ mạnh Vật liệu gốm có chứa rỗ xốp Tán xạ ánh sáng xảy mạnh nơi Vật liệu polymer nguyên chất (khơng có phụ gia tạp chất) thường có mức độ kết tinh khác Polyme bán tinh thể có vùng biên giới tinh thể-vơ định hình với chiết suát khác thường bị tán xạ mạnh Polyme có tỷ lệ kết tinh cao, mức độ tán xạ tăng dẫn đến tính mờ, chí bị đục Polyme vơ định hình có màu suốt Hết chương ... Dũng 21 February 2 012 Vật liệu học ngành hóa Chương 1: Đại cương vật liệu học Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2 012 Chương 1: Đại cương vật liệu học • • • • • Sự cần thiết phát triển vật liệu. .. Z Y X Z Y X Y X Z Z Y X Z Y X (10 0) X 1 X (11 0) y  1 z   Y Nghịch đảo 1/ 1 1/  1/  1/ 1 1/ 1 1/  1/ 1 1/ 1 1/ 1 (11 1) Chỉ số Miller (1, 0,0) (1, 1,0) (1, 1 ,1) Bài tập – xác định số hkl Ứng dụng số... thể học Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2 012 17 1. 3 Đại cương tinh thể học Ví dụ tạo thành tinh thể NaCl từ Na Cl2 nguyên chất Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2 012 18 1. 3 Đại cương