Đang tải... (xem toàn văn)
Đề cương ôn tập bộ môn silicate cuối kì của trường ĐH Bách Khoa TP HCM. Tài liệu vẫn còn một vài sai sót nhưng đảm bảo về mặt nội dung, kiến thức cho các bạn sinh viên. Lưu ý: tài liệu chỉ mang tính chất tham khảo. Do đó, các bạn nên bám sát vào giáo trình, sách mà thầy cô cung cấp nếu thấy tài liệu có vấn đề sai sót nào để tránh vấn về không đáng có xảy ra.
19-Feb-23 CNVL Vật liệu Silicate Chương 1: Giới thiệu chung vật liệu Ceramic 3.1 Thế vật liệu ceramics? Thế vật liệu Silicate 1.1 Thuật ngữ CERAMIC? - Là vật liệu nung – vật liệu có tính chất đạt nhờ q trình xử lý nhiệt nhiệt độ cao ( 1000oC ) - Có thành phần vô ( kim loại + phi kim) thường nguyên tố trở lên - Liên kết ion hay cộng hoá trị kết hợp - Mức độ tinh thể: có độ kết tinh cao- tinh thể, bán tinh thể vơ định hình Vd: thuỷ tinh - Vật liệu truyển thống nguyên liệu tự nhiên - Vật liệu đặc biệt Gốm, vật liệu tiên tiến, vật liệu kĩ thuật 1.2 Vật liệu gốm Silicate - Silicate vật liệu mà thành có chứa Silic Oxy 20 19-Feb-23 Chỉ phân gốm sứ cổ điển thuộc vào phần silicate Nhóm silicate thuộc vật liệu ceramic nói chung theo cơng nghệ ngun liệu ban đầu – có thành phần vơ dạng bột nhờ có nhiệt độ cao mà kết khối 1.3 Thành phần cấu trúc vật liệu ceramic “ Thành phần cấu trúc định tính chất vật liệu “ a) Các dạng liên kết hoá học cấu trúc tinh thể Vật liệu rắn có cấu trúc tinh thể phần tử cấu tạo nên vật chất phân tử, nguyên tử, ion, nhóm chức phần tử liên kết với tạo nên mạng lưới mạng lưới xếp có trật tự tuần hồn khơng gian Rắn vơ dịnh hình, phi tinh thể phần tử liên kết với tạo thành mạng lưới mạng lưới xếp ngẫu nhiên khơng có trật tự Liên kết cộng hố trị ion có lượng liên kết lớn đề thành thành liên kết cần cung cấp cho hệ lượng lớn cao (gọi nung) Bền hoá học – kiểu liên kết dẫn đến tính chất cứng giịn Tính dẫn kém, khó gia cơng chế tạo Cách nhiệt cách điện tốt 20 19-Feb-23 b) Sự xếp phần tử Các cấu trúc tinh thể gốm ổn định hình thành anion xung quanh cation tiếp xúc với cation Tinh thể phải trung hịa điện Bởi ngun tố kim loại nhường electron bị ion hóa, nên cation thường nhỏ anion đó, tỷ lệ rc/ra nhỏ c) Cấu trúc Silicate ceramics Phần tử cấu tạo vật liệu silicate tứ diện [SiO4]4- với nhiều kiểu xếp khác đa dạng hợp chất silicate o cấu trúc tứ diện độc lập số hợp chất có tứ diện [SiO4]4- đứng độc lập khơng có liên kết, đứng vị trí cố định có trật tự để tinh thể trung hồ điện thành phần có ion dương, nằm vị trí cố định giúp trung hồ điện đồng thời tạo thành liên kết hố học với tứ diện cấu trúc tứ diện độc lập o o o o Cấu trúc tứ diện dạng chuỗi Dạng băng – chuỗi kép Dạng – lớp ( mặt phẳng) Dạng khung – tứ diện [SiO4]4- nối cách dùng chung O2- đỉnh tạo thành khung cấu trúc 20 19-Feb-23 d) Hình vẽ minh hoạ SiO2 ➤ Silica tinh thể (thạch anh) vơ định hình, thủy tinh (silica nung chảy thủy tinh thể) Mạng 3D SiO2 tứ diện cristobalit Nhiệt độ nóng chảy cao 1710 °C Thù hình dạng cấu trúc khác hợp chất có cơng thức hố học Đá thạch anh (SiO2) có màu trắng đơi thạch anh có màu tím lẫn tạp chất tạo màu vào cấu trúc e) Sự khác biệt SiO2 dạng tinh thể SiO2 dạng vô định hình 20 Tại cấu trúc tứ diện [SiO4]4- hình có ngun tử Si oxy Bởi lượt đồ 2D minh hoạ mặt phẳng oxy nằm mặt phẳng khác 19-Feb-23 f) Khuyết tật chất rắn tinh thể Các phần tử cấu tạo liên kết với tạo thành mạng lưới mạng lưới xếp có trật tự tuần hồn khơng gian vật liệu khơng có giới hạn Tinh thể tự nhiên ln hữu hạn có khuyết tật ( biên giới, bề mặt) Chất rắn kết tinh không lý tưởng cấu trúc: Ở nhiệt độ nào, chúng chứa nhiều khiếm khuyết khác gọi khuyết tật Có nhiều loại khuyết tật cấu trúc khác chất rắn kết tinh thường phân thành ba nhóm: khuyết tật điểm, Khuyết tật đường khuyết tật mặt phẳng Khiếm tật Frenkel: nguyên tử hay ion nhỏ tạo vị trí trống cấu túc mạng tinh thể nguyên tử hay ion sau chiếm vị trí xen kẽ Khuyết tật Schottky: cặp khuyết anion cation Khuyết tật dạng tạp chất Vd FeO có dạng Fe2+ có lẫn Fe3+ lưu ý tinh thể phải trung hoà điện Fe3+ thay Fe2+ mạng tinh thể thiếu vị trí Fe2+ để đảm bảo điện tích Việc cấu trúc khơng lý tưởng có khuyết tật lẫn tạp chất tốt hay xấu? o làm thay đổi tính chất vật liệu độ cứng cao hơn, độ dẫn điện cao Ảnh hưởng đến chất lượng vật liệu o Thay đổi độ bền hố Về mặt cơng nghệ, khuyết tật ảnh hưởng đến kĩ thuật việc chế tạo có khuyết tật dẫn đến chênh lệch hố, 20 tạo lỗ trỗng tạo việc khuếch tán Tại sản xuất ceramic thường dùng nguyên liệu dạng bột mịn? Vì nghiền mịn tạo nhiều bề mặt bề mặt có nhiều khuyết tật tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, tăng khuyết tật vật liệu dễ phản ứng, dễ kết khối 19-Feb-23 Sự diện khuyết tật cho phép dòng khuếch tán diễn cung cấp thêm lượng nhiệt giúp chuyển động dễ dàng xảy vật liệu dễ kết khối Tại vật liệu dạng bột nung nhiệt độ cao kết khối rắn chắc? Cơ chế chuyển dời vật chất vật liệu (quá trình kết khối) Firing – cung cấp nhiệt vật liệu rắn lại Sintering- trình biến đổi vật liệu từ dạng hạt rời ban đầu liên kết học tạo thành cầu nối phản ứng hố học liên kết với Mơ hình gồm nhiều hạt Giai đoạn 1: hạt bắt đầu tiếp xúc với Giai đoạn 2: nung lên cao đến mức độ hình thành cầu nối Giai đoạn 3: hạt bắt đầu kết khối, lực hút làm vật liệu co rút lại, lỗ trống giảm Giai đoạn 4: vật liệu gần đặc chất, biên giới hạt 20 19-Feb-23 Lưu ý: Khi vật liệu có tổ chức cấu trúc thơ ( nhiều hạt thành khối) đường biên dễ dàng phá vỡ đường biên – nứt dễ bị nứt liên tục 1.4 Tính chất vật liệu ceramics • Nhiệt độ nóng chảy cao (1710oC ) • Kháng hóa chất • Độ dẫn điện (nói chung chất cách điện nhiệt) • Modul đàn hồi cao • Độ cứng cao, cường độ nén cao • Độ giịn, khơng có độ dẻo gây vấn đề trình gia cơng tính sản phẩm gốm sứ • Có thể mờ đục, bán suốt suốt mặt quang học • Gốm chịu nén tốt chịu kéo • Một số trường hợp ngoại lệ: gốm áp điện, nhiệt độ chuyển thủy tinh, gốm siêu dẫn, v.v.) b) Các thơng số trạng thái • Mật độ: gốm sứ nhẹ kim loại nặng polyme • Nhiệt độ nóng chảy: cao hầu hết kim loại Một số đồ gốm phân hủy không tan chảy • Độ dẫn điện dẫn nhiệt: thấp so với kim loại; phạm vi giá trị lớn hơn, số gốm sứ chất cách điện loại khác chất dẫn điện • Giãn nở nhiệt - chút so với kim loại, tác động gây hại nhiều giòn c) Về độ bền vật liệu ceramics Về mặt lý thuyết, độ bền gốm phải cao kim loại loại liên kết cộng hóa trị ion chúng mạnh liên kết kim loại Trong thực tế vật liệu ceramics ceramics có tính chất giịn lại có khuyết tật • Liên kết ceramics cứng không cho phép trượt áp lực • Khơng có khả trượt khiến gốm sứ khó hấp thụ ứng suất nhiều 20 19-Feb-23 1.2 Sự khuyết tật cấu trúc độ bền Gốm sứ chứa khiếm khuyết cấu trúc tinh thể giống kim loại – lỗ xốp, lỗ trống ô mạng, chuyển vị nguyên tử vết nứt tế vi Các khuyết tật bên có xu hướng tập trung ứng suất, đặc biệt ứng suất kéo, uốn va đập • Do đó, gốm sứ dễ bị gãy giòn nhiều so với kim loại • Hiệu suất khó dự đốn nhiều khơng hồn hảo ngẫu nhiên biến thể xử lý Sự ảnh hưởng độ xốp đến độ bền: Độ bền giảm theo giá trị độ xốp ( theo hàm số mũ) Các số liệu dao động lớn ceramics nhạy với khuyết tật có vật liệu Cách để gia tăng độ bền vật liệu gốm: • Làm cho nguyên liệu ban đầu đồng •Giảm kích thước hạt sản phẩm gốm đa tinh thể • Giảm thiểu độ xốp • Tạo vật liệu có bề mặt chịu ứng suất nén • Sử dụng cốt sợi • Xử lý nhiệt 20 19-Feb-23 Chương 2: Công nghệ sản xuất ceramics 2.1 Gốm sứ truyền thống - Đồ đất nung (earrthenware) v.d chậu - Đồ sứ (porcelain) v.d bàn đồ - Đồ sành (stoneware) v.d cốc cà phê, đĩa, bát - Bone china – xứ xương, có sử dụng tro xương động vật vd đồ dùng để bàn, đồ lưu niệm 20 19-Feb-23 2.2 Đất nung- earthware Đất nung (Sản phẩm đất sét kết cấu) Nhiệt độ nung: 1000-1180 ̊ C Nhiệt độ nung thấp! Khá xốp, cảm giác nhẹ Được tìm thấy khắp giới Có thể có màu xám, trắng, đỏ, cam, da bò, vàng và/hoặc nâu Đất sét đỏ chứa oxit sắt, tạo màu cho đất sét giữ nhiệt độ nung thấp Thường dùng để làm chậu hoa, gạch, ngói, v.v 2.3 Đồ đá- stoneware ( đồ sành) Nhiệt độ nung: 1200-1300oC Nhiệt độ cao Có phần xương đặc Có tỷ lệ hấp thụ nước từ 3% trở xuống nung hồn tồn Màu sắc trắng nhạt, rám nắng, xám và/hoặc nâu Thường dùng cho “gốm nghệ thuật”: bình, cốc, đĩa, bát, v.v 2.4 Đồ sứ ( porcelain) Nhiệt độ nung: 1240-1350oC Nhiệt độ cao! Trong suốt, không thấm nước “rung rinh chng” thủy tinh hóa hồn tồn kết khối mức độ cao pha thuỷ tinh hình thành tương đối nhiều Sứ có mật độ cao, phân xương mịn (mặt vỡ) 2.5 ADVANCED CERAMICS (GỐM ) Cấu trúc: Các phận hao mòn, gốm sinh học, dụng cụ cắt, linh kiện động cơ, áo giáp Đồ điện: Tụ điện, chất cách điện, gói mạch tích hợp, áp điện, nam châm 20 chất siêu dẫn Lớp phủ: Các phận động cơ, dụng cụ cắt phận hao mòn cơng nghiệp Hóa chất mơi trường: Cảm biến, lọc, màng, chất xúc tác giá đỡ chất xúc tác