Vật liệu học phần 1
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (33.13 MB, 291 trang )
Chủ biên
LÊ CÒNG DƯỠNG
NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2000
Tập thề tác giả
(chưong 3)
Ts. NGUYỄN VĂN CHI
Ts. NGUYỂN KHÁC CƯỜNG
(chương 7 và 10)
Ts.K.H. TRÁN VÍNH DIỆU
(chương 11 và 12)
Ts.K.H. NGUYỄN ANH DŨNG
Ts.K.H. LÊ CÔNG DƯỠNG
(chương 9)
(chương mỏ đầu và 13)
Ks. NGHIÊM HÙNG
(chương 2 và phụ lục)
Ts. TRƯƠNG NGỌC LIÊN
(chương 6)
Ts. ĐỔ MINH NGHIỆP
(chưong 4)
Ts. LÊ THỊ PHÁI
(chương 11)
Ts.K.H. NGUYỄN VĂN THÁI
(chương 7)
Ts. TRÁN QUỐC THÁNG
(chưổng 1)
Ts. TẠ VĂN THẤT
(chưong 3)
Ts. NGUYỄN VĂN Tư
(chưdng 3)
Ts.K.H. NGUYỄN VĂN TRỊ
(Chương 5)
Ts. NGUYỄN KHÁC XƯƠNG
(chuơng 8 và 12)
Ban biên tập
LÊ CÔNG DƯỠNG
Đỏ MINH NGHIỆP
NGHIẾM HÙNG
NGUYỄN KHÂC XƯƠNG
TRÁN QUỐC THÂNG
NGUYỄN VĂN Tư
6.604
KHKT -2000
Lời tựa
9
Ngày nay, sư phát triển của tất cả các ngànk kỹ thuật như chế tạo cơ khí, xây
dưng, cơng nghiệp hóa học, luyện kim, kỹ thuật điện và điện tử, ffiao thông vận tải,
công nghiệp thực phăm, ... đều gắn liền với vật liệu, dâu củng cần đến các vật liệu
với tính năng ngày càng đa dạng và chất ỉượng ngày càng cao. Phát triển vật liệu
đã trở thành một troìiỊĩ những hướng mùi nh.ọn của cac nước. Trong chiến lược phát
triển kin h tế chung của đất nước, phát triển vật liệu là một trong những vấn đề then
chốt đccơng nghiệp hóa và hiện đại. hóa nền kinh tê. Do đó, trong chương trin h đào
tạo đại học, kiến thức về vật liệu đã trơ thành yêii cầu quan trọng đối với các ngành
kỹ thuật: Cần trang bị cho người kỳ sư tương lai nliữỉig hiểu biết cơ bản về vật ỉiậu
nói. chuTiẼ, các tín h n ă n g và p h ạ m v i ứng d u n g của từ n g n h ó m v ậ t liệ u riê n g b iệt, từ
dó có tk ể lự a chọn một cách hợp Lý loại vật liệu rần thiết cho một mục đích cụ thể,
đáp ứng các yêu cầu kỹ thụât và kinh tế mong muốn cũng như tự ìninh có thể tham
fíia trực tiếp vào quá trin h chế tạo và sử dụng chúng.
Ba nhóm vật liệu, dùng p h ổ biến trong công nghiệp là vật liệu kim loại, vật liệu
vô cơ-ceramic và vật liệu hữu cơ-polyme. Trọng tâm kiến, thức trong lĩn h vực vật liệu
là sự h iâ u b iế t bao q u á t rnơì q u a n hệ g iữ a cấu trú c và tín h ch ấ t, đ ố i v ớ i v ậ t liệ u kế t
cấu th ì chủ yếu là cơ tính, cịn đơi. với các vật liệu chuyên dùng th i có thê. là điện
tính, từ tính, tính chổng ăn mịn... Dù là vật liệu kim loại, vơ cơ hoặc hữu cơ thì
chúng đều được khảo sát trên cơ sở các nguyên lý chung của vật liệu học, một môn
khoa học sử dụng các thành tựu cùa hóa học, vật lý, hóa lý và nhiều ngành khoa
học khác đâ'nghiên cứu các đổi tượìig vật. liệu rắn.
Nhẳw đáp ứng các chươììịỉ trinh đào tạo mới theo ìiỊỉành rộng, một tập the cún
bộ khoa học nhiều ngành khác nhau của Trường đạì học bách khoa Hà Nội soạn
thảo cn sác/ì Vât liê u hoc dị. phục vụ ^iâng dạy và học tập cho các ngành kỹ
thuật, ở các trường đại học. Cuốn sách gom hai phầìi chính sau đây:
1 . Các kiến thức cơ sở về cấu trúc và tính chất của vật liệu gồm các chương:
•
Cău trúc tinh thê : khảo sát sắp xếp nguyên tử trong vật chât nói chunịĩ và
vật liệu rắn nói riêng, các trạng thái tinh thểcũnịí như p h i tinh thể (vô định
/linh), các dạn^ sai lệch mạng tinh thể, đặc điẽm sắp xở]} nguyên tử trong vật
liệu kim loại, vơ cơ cũng như hữu cơ;
•
Giản đồ pha : kháo sát khả năng hình thành các pha hoặc tổ chức khác
nhau phụ thìiộc vào thành, phần hóa học, nhiêt độ và áp suất;
•
Khuếch tán và chuyển pha : cung cấp các kiến thức cơ bản về quá trin h
khuếch tán, chuyến pha lòng-rắn, tiêu biểu là quá trin h kết tin h từ thể lỏng,
các quá trin h chuyển pha ờ thể rắn, là cơ sở của các phương pháp xử. lý nhiệt
khác nhau;
•
Biến dạng và cơ tính của vật liệu : nêu khái quát bản chất của các quá trin h
biến dạng đàn hổi, biển dạng dẻo và phú hủy, là cơ sở để kiểu môi quan kệ
giữa câu trúc và cơ tính, nhóm tính chảt phơ biến nhất của nhiều vật liệu
thông dụng, củng như nắm được xu thê chế tạo vật liệu có độ bền cao;
4________________________________________________________________________LỊI TỰA
•
L ý tính : trin h bày bản chất của các tinh chất vật lý thông dụng như điện,
n h iệ t, từ vá q u a n g ;
•
Ă n m ị n và bảo uệ v ậ t liệ u : nêu b ả n c h ấ t q u á tr ì n h ă n m ị n hó a học và điện
hóa
cũng như các biện pháp bảo vệ chơng ăn mịn.
2.
Cấu trúc và tính chất của các nhóm vật liệu cụ thê sử dụng phơ biến trong
cơng nghiệp, gồm các chương:
•
Thép và gang : loại vật liệu quan trọng nhất trong cơng nghiệp;
• K im loại và hợj) kim mầu : gồm nhôm, đồng, magiê, titan, thiếc, kẽm, nỉken,
coban và các hỢp k im của c h ú n g ;
•
Vật liệu vơ cơ - ceramic : gồm các ceramic kỹ thuật, thủy tinh, bêtơng và các
vật liệu kết dính;
•
Vật liệu bột : loại vật liệu hiện nay có xu thê phát triển nhanh cho các đôi
tượng kết cấu như chi tiết máy, dụng cụ,
•
Vật liệu hữu cơ - polyrne : gồm các loại polyme, caosu, sơn, kco và gỗ;
•
Vật liệu kết hợp (compozit) : một nhóm vật liệu mới nhiều tiềm năng, gồm
c o m p o z it nền k im lo ạ i, nền c h ấ t dẻo hoặc c e ra m ic v ớ i các c h ấ t g ia c ố d ạ n g sỢi.
hoặc hạt.
Ngoài ra, chương cuối cùng "Xu th ế p h át triển, lựa chọn và sử dụng vật liệu" đế
cập đến các nguyên tắc lựa chọn và sử dụng vật liệu có chú ý đến các yếu tố công
nghệ chẽ tạo, hiệu quả kinh tè (giá thành) củng như yêu cầu bảo vệ môi trường uả
xu th ế phát triển vật liệu trên th ế giới hiện nay.
Phần phụ lục gồm các phương pháp thử cơ tính (độ bền, độ cứng, độ dẻo),
phương pháp kiểm tra tô chức tế vi, nguyên tắc ký hiệu vật liệu củng như bảng đôi
chiếu một sô'loại thép thông dụng của các nước.
Sách này nhằm thay thếCUỐTÌ "Kim loại học và nhiệt ỉuyện" trước đây cỉùrìỊĩ clìQ
các ngành khác nhau của Trường đại học bách khoa Hà N ội và có th ể sử dụng đế'
giảng dạy hoặc tham khảo tạ i các trường đạ i học kỹ thuật khác trong nước.
Trong quá trin h soạn thảo, các tác giả đã cố gắng sử dụng những hiểu biết và
kinh nghiệm củng như thực tế Việt Nam tích lũy được trong hàng chục năm công
tác giảng dạy và thực tiễn, đồng thời tham khảo chương trin h giảng dạy củng như
các sách giáo khoa về vật liệu học ở các trường đại học của nhiều nước tiên tiến xuất
bản trong những năm gần đây.
Tập thể tác giả xin chân thành cám ơn Bộ giáo dạc và đào tạo, Ban giám, hiệu
Trường đại. học bách khoa Hà N ội củng như nhiều nhà khoa học trong và ngoài
nước đ ã h ồ trỢ n h iề u m ặ t đ ể x u ấ t b ả n cu ố n sách này.
Nhằm ngày càng hoàn thiện chương trin h giảng dạy củng như các nội dung cụ
th ể của m ô n học, c h ú n g tô i m o n g n h ậ n đxỉỢc n h iề u gó p ý củ a độc g iả ,
x in g ử i. theo
địa chỉ: Bộ môn vật liệu học và nhiệt luyện, Trường đại học bách, khoa Hà Nội.
Chủ biên
Gs, Ts LẺ CÔNG DƯỠNG
ĐẼ’ TƯỎNG NHỚ GIẢO sư, TIẾN SỸ, NHÀ GIẢO ưu TÚ
J l ê G ế H íị, '^ iỉ& n c ỷ
Sự hình thành cuốn sách này là bước di đầu tiên nhằm thực hiện ý tưởng
xày dựng một ngành đào tạo rộng và mói ở nước ta - ngành Khoa học vật liệu
vá cóng nghệ mà Giáo sư Lé Cóng Dưỡng là mơt trong những người khởi
xướng và có nhiều tàm huyết.
Tiếc rằng sau một tai nan hiểm nghèo Anh dả ra đi để khơng bao giờ có cơ
hội được chúng kiến sự ra đời của cuốn sách nữa.
Trong khi hồn thành những cơng việc biên tập cuối cùng do Anh để lại,
chúng tôi đã cố gắng giữ đúng những nguyên tắc mà Anh đâ đưa ra ban đầu vè
nội dung và bổ cục của cuốn sách.
Chúng tôi củng xem việc hoàn thành cuốn Vật liệu học là một kỷ niệm sâu
sắc và không thê quén về môt thời gian cộng tác rất hiệu quả giữa Ban biên tập
\/à tập thể tác giả cùng Giáo sư Lé Cóng Dưỡng VỚI tư cách là người Chủ biên
đầu tiên của cuốn sách.
Hà nội, Mùa hè năm 1996
Thay mặt Ban bién tập và tập th ế tác giá
ĐỔ MiNH NGHIỆP
VẬT LIỆU HỌC
CHƯƠNG MỞ Đíỉu
0.1. KHÁI NIỆM
VÉ VẬT
LIỆU
•
•
•
Theo cach hiếu pliổ biên nhất t.hì vạt liệu là nhữiis vật. rắn Iiìà con Iigiíịi sií
clụiig đe chê tạo dụne: rụ. lìiãy inoc. thiịt bị. xây dựng cơng trình, nhà cửa. thay thế
c:no bộ phạn cơ ĩhe hoạc cle thể hièii c;u' ý do u.shệ tiuiạt nói chung.
Dựa theo các tính chất đặc tru ìiịi. co tho pháii biột, bn Iihóiìi vậ t liệu chính sau
clày; vạt. liộ\i k im loại, vật liệu vó cơ-revamú' và vạt liệii hữu cơ -polynie.
V ật liệu k iiu loại ià Iihữiig vật the (lan diệu tơt. J)liàii xạ ánh sang với màn sác
đậc triíiig , có khả uăiig bièn clạiig dẻo tơt ngay cả ở nhiệt độ thấp và thưịng là kém
ben vững hóa học. Đặc điểm cau trúc của vạt liệu kim loại là sự sắp xếp trậ t tự của
cac; nguyên tử. tạo t.hành mạiig tiiih thò vc'n độ xép chạt cao. liêu kết với nhau nhị
k h í điện tiV tự do, Trong mạng tm l\ tlie luôn hiôn tổn tại cac khuyết tật. trong một
sơ (ỉiè\i kiện có the chuyển hồn tồn suiiíi ỉ rạng thái kliỏng trật, tự (vơ định liĩiih ).
Vạt liệ ii k im loại t.liónK cliniR lìi tlìó\) và gang, đồng. Iihơỉii, tita u , Iiike ii. ... và cac
hớp kim ciia cl)úiig.
Vật, liệ ii vơ cci-ceraiìúc là cac chiVt dần (tiện kóin. thướng là t.roiiK siiơt. khơng
liiịn dạng dẻo, rã i giịn, rát bf*ii vững hóii liọc và noiiK chĩiy ố nhiệt độ rát cao.
T lià n li phần câ\i tạo d ìii cliiíng là c;ir hỢ|) c:luVt giữu kim loại (Mg. Al, Si, Ti, Zr, ...)
và phi kiin loại (iiíới clạiiịỊ các oxvt. Ciichit. n itrit. ... vdi liên kêt bền vửiig kiểu ioii
hoặc đồng hóa trị. cỏ sắi) xèp trá t tự (t;u) tliành niạiiíí tinh thể) hoặc khơiig trậ t tit
(trạ iig thá i th ủ v t.inli. vô cỉịnli hinli). T ('^11 ^fọi ceraiiiic có íiiồn gơc từ tiẻ iiíí Hy Lạp
"keraiiìikos" với Iigliĩa "vạt. innig" hdi khi cliê tạo t,lní(iiiK pHải qua niuig thiê\i kẻt..
Cac ceramic truyền t.hơìi^f là thủy tin li. gốni, sứ.
t.hiíờiig và gạch chịu lửa.
Ngày nay ceraniic cl\íỢc hiểxi vói nghĩa klia rộng, bao gổni tồn bộ các vạt, liệ\i vơ cd
như các ceramic truyền thống, ceraniií' cơng nghiệp và cerainic đặc biệt, sử cỉụiig
trong côiig nghiệp ctiộn. điện tử. hàng không vũ trvi. v.v.
V ậ t liệ ii hử ii cơ - polyine là n liữ iig chất dẫn cìiộn kéni. giịn ỏ nhiệt độ thấp và
có khả năng bièn clạiifĩ cỉèo ở nhiệt độ cao. bền vừiiíí lióa học ở nhiệt độ phịng và
trong khơng khí. Iióiig cliảy hoặc phán liủy nhiệt (tộ t\fơng đơl tháp. Hai ngun
tơ thà nh pliần chù u của nhóm vật liẹu Iiày là cacbon và hyđro. có thể chứa thêm
oxy. clo. nitơ, ... liên kèt với nhau trong các mạch phàn tử kích tlntớc lớn sắp xpp
trậ t tií (trạng th á i tinh thể) hoặc không trật tự (trạng thái vơ định hình). Ngồi các
vật liệu hữu co’ tự nhiêii như caosu. xenliilo. ... phnn lớii v ậ t liệ\i hữu cơ sử dụng
rộng rã i hiện nav là cáf polvnie tổng hỢp; chúng là sản phẩm của qua trìn h trùng
hỢp (polynie hóa) cac phâii tử đơn (iiioiionie) và (1(» (tó. tù y tlieo ngiiồii gơr cluVt
8
CHƯƠNG Mỏ ĐẨU
trùng hỢp, chiíiis có cã(’ tén gọi khác nhau uhư polyetyleii (PE). polyỊ)ropylen (PP).
polystyreii (PS). v.v.
Ngi ha nhóm ('ó bản trên, ró thể bổ R\uig thêm một Iihónì q iia ii trọng thứ tii :
vặt liệu cunipozit. (vật. liệxi kèt. hợp). Dây lủ sit kèt. hỢi) giữa hai hoạc Iihiểu loại vạt
liệii vói oac tính ch<ât đặc triíiiK khac hầii Iihau để nhận điíỢc inộl vạt liệu vỏi tổ
t.íiih cliât hồn tồn niới mà mồi vật. liệu thành I)luui nèii đứng riêiiR lè khơng th('
có đưỢc. Ví clụ điển hình
là bètơiig cơt. tliép ; sự
kết hợp giữa kim loại
(thép) và vặt liệu vô co'
(bẻtôiig) tạo cho vật liệ ii
vừa cliỊii đ\íỢc tải trọng
kéo tơt (đặc tính của
thép) vừa chịu dược tải
trọng Iiéii tơt (ctặc tính
của bêtơng). Kết hợp
giữa
kim
loại
vối
polyine. giữa polynie vói
ceraniic. giữa cerainic
vối kim loại. ... là cơ sỏ
để tạo ra cac vặt liệu
conipozit kliac n lia ii với
những tính iKÌiig rất
hóp dản.
Hình 0.1. Sơ đố minh hoa các nhóm vãt lièu
Cũng can Ịìliải kể
và quan hè giữa chung
đến cac Iihóiiì vạt liệ\i
1) bản dẫn, 2) siêu dẫn;
khúc luà vồ tính năiig
3) S ilic o n , 4) polyme dẫn điên
và thành phần có Iihữ iig
'đặc điểm riêng so vỏi bơn nhóm dã Iiêii. Đó là ;
- Vật liệu hán dần và siêii dẫn:
- V ật liệu polyme dần điện:
- Vật liệu Silicon.
Sơ đồ in in li họa các nhóm vặt. liệu và quan hệ giữa clning nê\i trên hìuh 0.1.
0.2.
VAI TRỊ CỦA VẬT LIỆU TRONG PHÁT TRIỂN x ã HỘỈ
VÀ KỸ THUẬT
Sự phat triố ii của nền văn m inh nhân loại gắn liền vói phat triể n cơng cụ lao
động và kỳ tlniật, nói chung. Các vật. liệ\i tự nhiêii như dẩt. sét. đa. gổ. sỢi thực vạt.
da. ... đã đóng vai trị q iia ii trọng trong sự tiến hóa xã hội lồi ngiíịi thịi tiền sử. Sự
ra địi của các cơng cụ và sản phnni bằug đồng tlia ii (trưỏc 2 ÕOO Iiă iii tníớc cơng
ngun) và bằng sắt hơii niột thiên niên kỷ sau đó đà đánh dấii những mốc quan
trọng tro iig lịch sử pliát triể n Iiliâ ii loại: thòi đại đồ đồng và thòi đại đồ sắt. Sự ra
VẬT LIỆU HỌC
9
dỡi củ;i vật liệ\i h;iii
IIIƠC íỉaiiỊỉ
ý. 1:' <■<<
và liu
h (K '. l à m
lli;i\
(lo i
troiiL’ Iiluni;.' n MII I.ini inư<íi ciia thị kỷ nàv CŨIIÍỊ líi Iiiột
dt'
IriiMi Iihiii.h <';ic Iiuũiih ky tlu iậ t. uliát là (tiộn tử
(()■ l>;Hi
mạt X I lio . ( ’; i c k v l . l i u ụ t Ciìo l ô c v à s i é u t õ r I i í í à y
n a y k h ô i i o t h ê t a c h i'o i S IÍ
1)I>
t i i ( ’ i) C.IC v ạ t li ' i ( tạ c h i ẹ t k è c ả v ạ t . l i ệ u c : o m p o z i t .
Troiiíỉ' tai c;i cac vạt liọii llii kiin loụi (•(• v;ii 1ró (|u't (ỉịiih (íp'n sự phat t.riển xõ
hội và kỹ íhuặt. 'l'ừ Uhi thríi (hn (!ũ (1;| cliuvon -íaiiK' tluíi dni đồ đổiiíĩ. cac k iiiì loụi (tõ
plu.u: vu (iríc lực cho 1’011 u^ưịi. UIIÌỊ) 1-(111 iiỉ.'U'ii x:'iy clựuu' và saiìỊỊ tạo. klia in pliã các
l)í n iiịt của tliiơn Iihión. i'hẽ tac ra nliừuỊ^ re, r;m. may mõr và nhữiiíĩ CƠIIR trình
tuyẹt (liệu. Như nlià l):ic hoe l.oinonoxoN’ (l;ì irii:" Khũiụ4 mộl lĩnh vực ký thuột nào.
k liơ iis mọt lĩiili vtíc nghệ tlul liao, khơn.i; Iiiụt iiỵiiP lliíi cồng (tịn giản nào lại c-()
thè tra n h ct\íỢr viẹr sứ (lụuỉ: kim Idíii" Car iịuơ Trinh Iiohệ thnặt. lìổi t.ièiig nlní
fh a |)
E ^ i l í c l ('i P a n s .
t i r ọ H í ; ' ( t à i N ử t l u i i i ! i í (lu ('( N ( n v Y o r k . ... l ì i n l u ì i i í ; ' CƠIIK t r ì n h
Iniiio kiin loại.
Sự phát triịn khơiií; uuũii.tí <'(’ia Iiia> (lọii.L- lự«‘. CÕII^ vụ cua mọi công' cụ. gắn liồn
vd i sự p h a t triẽ n
v ; Ị l l i ẹ u k i i i ) l o ạ i V(ii i i l ) ữ i i Ị : ‘ t í n h
I i í í à v c à i i ị i c a o : n è u S IÍ r u
(ì('li của ítọn.íi cci '.lịl li’on,<; làm n.iMiọi liaiii; IIUOC (lòi hòi vạt liệu kiin loại chỊii
Iihiột (tộ (lịn li')!)
tliì ((ơi V(ii
CIÍ l;'mt n.uuọi hanti khơiiíí klií. c;ì(' hợp kim pluii
rliỊu điMi’ Iiliiộ t (lụ li(Ui :?()() " ( \ CĨII (Inị V(íị (lọnti
plián iựr: (iõl) "C. Từ lihữ iig kỹ
thuạt thịiií;' IhưịiiK như clu' lạt) ịt('i. X;ìv (liíim Iilià (Mía (ỉèii iihừnK ký Umật ỈÚÕII
dụi như Iiiíiy bay v;iii t;ii S1('U tóc. tàu VII ti ii sử (lụii<^' Iihiều h'ìii. ... (tịi hỏi rnc vặt
liệu kim loại nỊĩày càii.u 1k'ii lióii và Iihi; liịii.
('■ÙIIK V(ỉii vụl liiMi kim Idại. vạt liọu cli;it (|p() ỊxtlyiiK' lu Ịĩiữa t.liè kỷ này đã t.ni
tlià iili inọt Iilió iii vụt lièu lỊiuin trontĩ. klioiii; nliửiiíí' í'h<) pliép Miay thè vạt liọu kiiu
loại clu) nhiều đơi lưciiiii sủ' (liiiiíí liMíiic (l;iv in;i Iidii!^ Iiliipu trư<
liệu khơ iiịĩ tlio Ihnv iliị iìii là Iil clitmi’ (•<> Iv troiụ; tluV]), chơn^- :in niịii vị (tiều
(Ịuaii trọní> lị (lo tạo h iiili l)nn^ |)lní(ini; |)li;i|) I'|) lio:ií' (hic é|). (lo đõ có hệ sơ sứ (lụiiíi
v ạ l l i ộ \ i r ỏ t t ' ; i n ( 0 , H ( l - ( ) . í ) õ ) V;'i ^ i a l l i ; ' m l i rcV N . í à y I i ; i y . c l i á t d ẻ o í t i í Ợ c s ử f ỉ ụ i i f í p h ó
b i ế n đ ể c h è t ạ o ( l ụ i i ^ c ụ .Ị>ia d ì i i h , l i ’j n . n t r í n ộ i l l i i i l VÌI c o t ỷ l ệ n ^ à y cà u ịX t n n g t r o ì i ị ĩ
các thièt bị. may nioc. Iilm t lị ỉi'0 iifi Iiliữii<^ trưdnị^ họp khi ííiiini trọ iiịĩ lượn^ vn
,e,iãin y i á í l i ù i i i i s ; ’u i p l i ã i i i l;'i I i l i ứ u , ^ (-h ì IKMI ( |U ;||| t r ọ i i ị i l i à i i Ị ; ( t ẩ u .
Vật liẹu vô C(i - roraniic ('<) lịch sử lữ lliiii kỷ (tó (t;i. Trong st (Hiá trìn h tiịn
liỏa Iilìiồ ii thố ký. lình v\íc sử (lụiiíí riì;i ctMỉHiiic kliơiiu n.íỉừng đưdc niíì rộiis với tính
năiiíĩ sử (lụii,£í u.uny ('àiiíĩ ítược luin.q' cao. Tií cnc 1‘huin v;ú thơ Iiliá iii. ílèii iihừuỊí (tồ
inỷ Iigliệ trans sức tin ii xáo. t.ừ
sạch làm cáp (Ịuan.u cho (lỏn (';U' ceraiiiic kèt chu liiệ ii (tại có độ bển cao clủiiíc
động rc( máy nơ. kho co th(’* liệt kê liètcac linh VIÍC m;'i vạt liệu vơ co-rerniiúc I)hụr
vụ đác lực cuộc cnch mạuK ký t huạt và cuoc sịny con nuiídi nói clmntí.
0.3. VÀÍ NÉT VỂ LỊCH
s ử s ử DỤNG
VÀ PHÁT TRIỂN v ậ• t l iệ• u
■
■
Qiiá t.rìiili sử (lụiiíí vn pluit. trièn vạt liẹu trmiK qua khứ có Ihe chia thành ba
thời kỳ 1(Í11 s'nu (tãy;
10
CHƯƠNG Mỏ ĐẤU
Thời kỳ sử (ÌỤÌÌỊĨ các vật Ìiậìi có sẩn trong tự nkicìì ; Dây là tliồ i tiển sử của lót
n^iíịi. hàng chục nghìn (tếii hàng nghìn Iiăni tntốc cơng ngun (TCN). Cí\c vạt
li(Mi Ííủ (liiiiíỊ I)hố bièn thời hny ííici là:
- Vạt liẹu liiìii cơ : (la. gồ. sdi tiiực vạt. ... :
- Vật liệu vô ccj ; (íat spt. đá. coc loại khống vật;
- Ivim Inại ; vàng, bạr và đồug t ự nhiêu, sắt thiên thạch.
Phaii lớn (-:u’ vật liệu được sử dụuíĩ ở (lạng nguyên thủy, không (pui (-'hê hiôn.
C;ic vạt clụntỊ dước' h ìiili thành bhng cách cắt. đậi). inài. nghiền..... đục hiệl Iigưòi cỗ
Ai (^.ạp. Babylon. La Mã. T rung Quốc đả biêt I)hơi đat sét. ngoài nắng để làni gạch
xây.
Thời kỳ chốlạo và sừ dung rậ t liệu theo hinh ìighiệin : Con Iigưòi phải niảt một
thời giaii kha (lài nliiếvi Iig h ìii Iiãni đế tích lũ y các qiiuu sat Iigả\i nhiên và kinh
Iighiệin. thực hiẹn cac thử Iifíhiệni rịi rạc cũng Iih\í có hệ thơng Iih a iii tạo ra các
vạt liệu caii tliièt. kliịiig có sàn tro iig tự nliién. Những sự kiện qviaii trọng của tliổi
ký Iiày là:
- Từ (i 000 đến 2 000 Iiăni TCN con Iigưối đã biết, chế tạo cac VIÌ khí vn vặt
(lụiiR bằng {tồng t.ìi q\iặng. N luìug cục xỉ đồng vối uiên clại klioảng 8 000 nủin pliat
hiện ở Tliố Nlũ Kỳ nói lên sự xuát hiện rã l sớni Iighè luyện đồng từ ti\iạng tréu
hành tinh, ('ac trôns (tồng, cổ ở Iiưóc ta cỏ Iiiê ii đại từ .'-5 000 ciến 4 000 lìăiii.
- Con Iigưịi íỉan (láii đã Iih ậ ii thức (híỢc rằng cãc dụiiịí cụ bang sắt có tính iiăiiK
sử dụug t.ỏ’t h(in so vỏi đồng. N lníng "sắt trịi" (sắt thiên thạch) khơiig the (táp ứiiịỊ
cac Iiin i rau thưổiig xiiyên, Vì vậy. COII người phải tìm cách lấy sắt. ra từ quạiiKNhững lị hivện sắt đầu tiên xuũt hiệu ỏ T n m g Qiiơc và Ai Cập hớn 3 000 Iiàni
TC-N. Car (lụiiíí í'ụ haiiK thép (sắt chứa cíicboii) xuất hiện vào khoảng thè kỷ XV
T (’ N và hơn tliè kỷ SÍHI Iigi Hy Lại» và La Mã đã biêt tơi théị) để tang độ cửiig. kỹ
Miuậl này (ỉạt đỉnh cao vào thòi trving cố vỏi cac tlu iiih kiêm Đainascus (Syri) IIƠ)
li^ iií; Iiià cho đốii ugày hơi\) uav vảii CỊII là một bí au cơng' nghệ. Người Ảii Dụ co
(lụi C'ó hí (Ịuì chẻ tạo sắt khơng bị oxy hóa để dựng cột tưởng uiệni ỏ New Dehli
Iiậiis G.õ tấu vào thế kỷ thử năm snii rông uguyên (SCN) nià cho đến ngày nay ván
khôiip, bị gỉ niặc dủ không có lójp SƠII bảo vệ uào. Kỹ th u ậ t chế tạo thép q\iy mô lớn
xiuVt hiện vào <:\iỏi t.hê kỷ XIX. nhị đó Iig\íịi ta ctã sử (lụng J)hổ biên ctê cliè t.ạo may
hơi míór. tàu thủy, xây dựiiịí (tiíịiig sắt. cau cơiig. Iilià cửa. ... T liã j) Eií'fel hang
thép cno ;í20 111, nạng 7341 t.ấii. hồn thành ở Paris Iiăni 1889 là Iiiột ftự kiện nổi
b ạ t.
- Xim àiig. loại vật. liệu xây dựng quan trọng Iigày nay. có lịch sử từ thế kỷ XV
TCN. đần tiên dưỏi dạng hỗn hỢp đá n g liiể ii và vôi tôi, sử dụng ở Ai Cập. Babyloii
và La Mã: mãi (tến đầu thế kỷ X IX SCN mỏi x\iất hiện xim ăng portlancl (1 Anh. My,
Nga và sau đỏ lị kỹ tlu iặ t cìức' bêtơiig cốt thép, siií dụng cìầ\i tiê ii ỏ Mỹ trong xày
(lựng vào Iiãni 1875.
Tkời liỳ ch.ểtạo và sử dụ nfĩ vật liệu theo kiến thức khoa học: Cuộc cãch luạitg
công nghiệp vào cuôi thè kỷ X IX thức đẩy phát triển nhiều Iigàiih klion học khác
nhau, trong đó có hóa học và vậ t lý. những ngành có ảnli liưởiig trực tiêp đén phat
triển vật liệu. Con ngươi đã đi sảu tìm hiểii bảii chị^t của vật liệu, ngun nhân của
sự hìiih th à iili các tính chất kliác nhaii. Nhị những kiến thức khoa học đó. COII
VẬT LIỆU HỌC
11
IIỊLMÍỊÌ (tà CO kliii nnna (l;inli líiii (lịiili Iinli (1 ) '11 lntc.im phai t.riổn vạl
l i ií c íiiiíi' c : i c UỊÌ IIÍIÌH,' ( i i ( ' l ạ o VIÍI t í u l i ( i i í i i
c h è Tạo h ụ ]) k i i t ì n l i o i t i
c ứ i i v ; '1>i v ; i ì ; ì i l
I l o i ụ ’, I i m o i i . .Sự x u a t h i ộ n c ủ n
i/ỈO i
i i I kì
( | u :i I i ì n l i l i õ a
Ii^hẹ chị tạo chat (ÌP(I ixdvmi' tilxi (|U:I tn iil)
l);:n
( la n
(ìíỉõ õ )
l):n iíỉ k y
th ii;n
tin li
liệii, (íịiili
Itiv iM i v n
iiR liệ
íỊÌà I n è i i c ứ n g ,
cơng
liííp (1940). cơng Iiíĩhệ chè’ tạo
- ; 1(I ln'|) c h u y ê n
tiẽ p .
... l à
những
sự
kiẹn nôi l)ạt. 'ri-('u (■<> s<)
úiii; (lụim ( ;it' ki '11 niiic' klioii học. liàug loạtc;ac vạt liệu
khac- CŨIIO- (hfọc rliP tạo v:i ứim tỉụiiv; n.iiu. rù Jilní illiép kliôỉig t>ỉ austeiiit (193Õ).
liỌỊ) kim litỉ iii (U)(-i()). vạl
li(Mi 1(1 |)1|;U1 lìnu ÌKit nhan (líXiO). théi) xàv(lựng viliỢ])
Isim . l i ó n
( 1 9 ( ) õ ) . t l u ' | ) kt'1 <’; u i ( l i i l u ' i i (;ii>
v ;it
I k n i o o i n p o x i t S(ỊÌ
(U lH ỉì).
hợp
kim Iilui h iiili (lílTÕ) V;'i kiin hn.ii tliiiv 1ỊIIỈ1 (1'.IS0) Oii là chưa kị' rat n liiề ii loại vạt
iiíMi dang t i‘oiiíĩ’ (Ịun Iriiih uu;luoi) CIÍU (|11V I lũ plioni'. thí n^liiệin. cỏ Iihiểii t.rÌPii
vong sử
J’Ọ11R' rãi trou^ Iiln íiiíĩ
!\,\' Iiìi Str
l.rien nlianh của tin học và
ky th iu it vi tin li trdii.u iilnìuỊ; nam
(l;iv
Iạ<» (luMi kiệu th\iặn lợi ítế phat trÌPii
Viit ỉiệu ire ii Cíi sn íinh lo iii; !ý :!;r.v('i
0.4. ĐỐI TƯỢNG CỦA VẬT LIỆU HỌC
MọT í'lỉii'(' in;iy (lưọc (MU tạo )uC;u cln
Vii (liini (ịuaii trọng lù iiKười tliiê t kẻ
l i i è t l ự u I ' l ) ụ n t ’:u- v ạ l l u ' u I h n l i ú i i ; i l i i l Ì P t t u í u i u ứ i i í i v ổ i c á c y è \ i c à u c a n c ó v à
l u ơ i i (’ÍI n i ị i ( Ị i i a i i lu.' t ' h ; i t c h õ v
f l u ' la n (ti‘ ( li; k i è i i p l n í d n g ) ) liá i) c ô u g u g h í^
s a o c h o v ;it, l i ẹ u ( lạ t (lư ọ c c a c l i n l i c lia t
iiK u m
rh t'
lạ o
iiK lin ị^ n i
và
si'r ( l ụ i i i ' , v:,Jỉ
T ìn h
h ìn h
li(,’ u
lu ' l l u ' k y
X IX
im iõ ii.
N l n f cĩn n ê u d t r ê u , q u a
l iV i V(> t.rư<)c c h ủ
vẽu
(ỉự a
th e o
tr iiih
k in h
I i à y ( l ã l l i a v ( lõ i V(' vò l);'in v à d í l a i i I h è k ỷ X X V (íi s i í p l i a í . t . r i o n
n lu iiìli cua n liie ii iiỊià iili kho;i lidc. tao r;i Iiliih i^ có S(’t
cho một. nji'àuh khi
li(H- l u ớ i : V ậ t U ệ u h ọ c .
V ạ t l i ộ i i h ọ c là m ô n l< I)o ;i l i o c k l i ; t ( i s ; i i l ) ; u i ( l i : i t c i i a v ạ t h ệ \ i . m ò i ( |\U J 1I h ệ g iV ía
( 'a u t n í c v à t ú i h c l i í i l
c l n i i i i ' , . t i í fl(i d (' i ; i | ì l n t ( f i i Ị ' p l i a p c l i ê t ạ o v à s ử ( lụ iií> ' t l i í c l i
h(ỉ|).
K iiai Iiiọm V(' i ;ui In ic vại luMi l);m
< ' l iữ l l i i " c n u
f n u - " lliư ó ii. ^ (h tọ í
c;in tnic vi mơ vị vi mô. Thpo ngiũa
l i i i M i la c a c l i l)ô I n
cac t l i à n l ) p l i a i i b é n tr o n g . C á u
tnU' vi niơ íiồni;
- C á u t ạ o n t ’, ' u y ó i i tiV; l i i n l i l h ; n s á ị ) X('Ị) v a t ư í í i i í ỉ l.:’i c í í i í í í i
p liầ n tử b ê n tro iiR
I i ị í \ i y é i i t ử . k l i i l n a n ,tí l ạ o l i ơ i i k o t;
- Cnu tạo |)lici : cncli s;Í ị ) xí‘|) v;i l);lii ch;it lieii kol uiữa cac; nguyên tử (ion) đe
tạo thành ('ác hỢ|) C'hal (plia)
nhat;
- Cíúi tạo tin h thị: lih ili Ihai s;»|) X('Ị) và liíriiiíí tíK' giữa cac nguyên tử lioạc
p h â i i t('í t r o i i s í k h ó i m
í i i a i i . I ' a c ( l ụ i i Ị ỉ k l m y r l l ạ t n i ạ i i ^ t i n l i M iể ;
- T o c liứ c v i m ó; l i i i i l i
t h a i ^ ; í |) x t '] ) c t i a c a r n l i o j i ) I i í í u y ê i i t ử h o ặ c p h â n t ử VỚI
k i c l ) t l u í í í c c ỏ i n i ( ' r f ) i i u ‘ 1 I n ’i x u ô n u h o ạ c CIKI c a c h ạ t l i u l i t h ố ;
- C a i i t . n ic v ĩ n iú . c ò n ^ ọ i là to c liử c t h o (tạ i; l i ì i i l i i h a i s á p x è p c ủ a c á c p h ầ n t ử
t r o n g v ạ t . l i ệ u ( k ố (‘;i t ạ p ( ' l i a l
v à V ('l
i n 'r i ) v ớ i k i r l i t . ln r ớ c q u a n
s a t r tiíỢ c h ầ n g n i a l
t h ư ị i i í ; ' l i o ạ c v ớ i (lộ p l u u i Ị i ( t ạ i n h ỏ .
Khai Iiiệni về tính t'hat vật Jiộu hiKi uốni (';ic (Hi. ỉý. lióa tín li. tính cơng' Iighệ và
tíiih
s ử c iụ n .íĩ.
l i i i l ' I:'i n h o m
tín h
( ỊIK Ỉ II I r ụ i i y
I i h ấ t . đ ô i v ớ i v ậ t . l i ệ \ i k è t r;Vu,
CHƯƠNG Mỏ ĐẤU
]'2
khi yêu cnu rci han l;i (lù 1)(M1 có học, ('ne (’(» tiiili thịiiy dụiiíĩ ịíốiii ; độ rứ iiịí. mịfhiii
(làii liồi, ^i(íi hạii cháy, ^idi liạii l)ẽn,
liạ ii mói. dọ (lai va (lạp. ('ac lý và hoa tnih
ĩln íị iiẹ lỊuan tn iìi hì diộii tín li (dộ (laii (tiệu. (liọii t.n'i s\uVt). Iiliiộ t tính (độ dãn Iihiọt.
uliiệ t (lung, rlộ ííiàn
nliiọT). tữ tíiili (dộ tứ tli.ỉiu. (ỉọ từ hóa, lực khử từ), lióa t.iiih
((tiệii thè (liệu {'ực. kh:i IKIIIK l ỉiòiis :1I1 I I I Ó I I , . . . ).
Vạt
liệ u
(lư<)i d ạ n <4 I i h ữ n ^
( tu Ợ c s ử d ụ i i ”
sán
Ị ) h : ì i i i (MI í l i P
V('li l i i u l i
(la iiíi xa c
c t ị i i h . C'hê t ạ o b ă i i í í ' ('á (' c n n t ĩ U í ĩ l i ệ k h n c I i h ; n i . K l u ì 11011^ t h ự c h i ệ i i c ò i i ị Ị ' I i y h ệ đ ế c h è
tạo san phain tliP liiệỉi ipin
l(iạ i t l i ì d ó
là
t i i i l i (h ic .
tín l)
h i ị i i (lạ n .u
I1Ị1\1ỘÌ l i o ạ c l ) i è u
nón^.
tinh hàu. tíiili tơi ( ứns:...... tùv tli('n tÍMii: lr\(ciny Ik.ì Ị) nià xeni xél
T ín h
sù' ( l ụ n ^ b a o K ồ i i i m ộ i s n ( l ạ c I r i í i i y
h ộ Ị). tliP
tíiih
rắ t
s ọ t-
.ííiá.
liiẹ ii k l i i i iiã iií Ị s ử {lụ n «
vạt liệu ('ho niộl Iiiụi' (hvii cụ tlu'\ Tnói llid là tíiili sử
(ịiiau t.rọiiịỊ
ctau dơi
vỏi Iihipu sản phaiii. 1'ính si’í (lụntĩ ('on thị hiện ờ (tộ tin cậy, một chì tiê\i (luaii
t.rọiiị^' kliac I'áii (íanh íiiii. Dn là kha Iian^' si'ĩ ílụiis' vật liệu kl)ơiig có íiự cơ trong s\iơt
thịi giau (lự kiẻii. i)ơi V(S) s:ìn phnni liáiiỊi’
tlii Ịíiu tlià n li. hán thân là Iiiột t.hì
l i ê \ i k i u l i l è . (íồii.u ' t h c i i
c ũ i i ị ;'
n o i l e i i k l i i ì I i à i i í í s i ’( ( l ụ n g rỘ H ịi' r ã i t . r ê i i t h ị t r ư ò i i g .
C'ác' linh chát CIUỈ vạt
klióii.u, Iihữiií; |)hụ tlniọc
híiii cluVt (thành |)liau
hóa liọc) mà cịn |)hụ tluiộc Iiliiố ii vịo |)lnt(ín^ |)h;ỉ|) chẽ tạo và ,íỊÌ;i
Ví (lụ cùi
m ột
[o ạ i
Ih é p
V ('li
tliị iih
p h a ii
xac
(íịn li.
tiiili
c lu V t
sị
Iih a u
sau
kh i
đ ú f
lio ộ c
SÍUI khi
saii íĩi;i ('ỏn.ụ C(i. s;iii xử lý Iiliiệl . hoa lioọc rd-iihiệt. lióa-nhiệt.
Vọi, liẹu liọc ^ổiii liai hộ Ịjhụn chínli sau :
- Vụt litMi liọc C() S(’í. kiiiio s;it ("U- ii,uuy(Mi lý ('liiuiK nliát VP mơi (]\1;J11 liệ
<"ni t r iir vị tính ch:il rlio moi v;i 1 liệu nlní crn; In ír íiiili thế. (Ịua trin li ụ»(i phíi l.ừ
thố 1(J11K và thị ran. trụ ii^ t.h;)i to chức. (Ịiiá Irìn li liiịii dạiiị; và plia hủy. (]\in tr ìiili
án
m ị n . t i í í í u í í t a c V ( ii
v;'i l u
V ọ t liỘMi l i ọ c C(i Síf s ử d ụ n ^ ' c a c t l i à i i h
t.n í( in .u . ...
tựu của Iiliipu mơn klio;i hoe k lia r Iihư vạt lý chát r:ín. liiili thị học. lión lý. Iiliiệt
độnp học. klnièrh tan. ... ;
- Vọt
liệ \i h ọ('
vọt
liệ u cụ
tliổ , k lu io s n t ( Ịu a iihệ ^ iữ ;i
c;Vu t . n í c , t ổ
c liứ c vị
t í n h c lu Y t < 'lio t ừ i i Ị i n h o m v à l ừ i i í í l o ụ i v ; i f l i r u V(íi r ; i ( ' CƠÍ I i . u i i ệ c h è t ạ o v à g i a ('ƠIIP
kluu' nhnii. t,ừ (ló (tố I';i pliạm vi
ứiifiílụn.íĩ cỉnhiíĩ
S ií Ịỉh n t tr iè n của v ạ t liệ u
liọ(' kh õ iiỊi' ta('h rời SIÍ
t.riền
rủ n cac p h iío n g
l)liap nglúên oứ\i. CŨIIÍĨ nliư kiổiii t.r;j v:i cìnnh ^ia rlniiiíỉ:. Sự ro đrti cac I)liươuíí |jliaị)
phân tích cmi tn u ' hiọn (tọi vàí) Iiửa (ỉau củo thị' kỷ XX (tò thúc (tay sự phát trie n
nhiổ;! loọi vạt liệu indi từ (to flõn Iiay. Cac phiííiiio Ị)hn|) kièiti tra uhinih tlià iih
pliàn. Ị)h;ĩn tích tó oliửc (lỊiih híỢiiK <'í
kièiii tr;i uhniili CC1 tíiili và kliuyèt tật.
...
đưỢ c lio à i) t h iệ n t r o n ^
uhữny
Iiá iii u .m
(tâ y tạ o n h iế u
th u ộ n
lợ i đ ế c h ẻ t ạ o c ;n '
v ậ t liệ ii co r á \i tn íc vị t íiih cha't in o n ií tim ơn.
Sư clụii.u liỢp lý vật liộu là một tronií' uhữiig' mục tiè ii (]uan trọiiK của vật liệu
học.
Nội dung
Iià y
k h ô iis '
tlie
ta c l)
r ( ii t i ê u
c lm a n
hóa
và
ký
h iệ u
vật
liệ u ;
tié \i
c liiia n hón VP th ị iili phnn hóa liọr. r.ơ rhửc te vi. t.íiili rliíVt. phưrins phap kipni t.ra
đóiih ịĩiá. ...
N lní v<ặy. vnt liộu họr In môn klưin học [)hục V\1 cho plirit. triển và íỉử (ỉụiiK vật
liệii. Nó liơn quan trự r t.iơp dpìi ta t ca I\hữiiịx ni lịin viộc trniig: các lĩnh vực chế tạo.
ííin cơiiíĩ v;ì sử (lụii« VỘI liệu.
P hẩn /
VẬT LIỆU HỌC cơ sỏ
Chư,i„Ịĩ I CẤU TRÚC TINH THE CỦA VẬT LIỆU
1\
Chương ỉ
CRU TRÚC TINH TH€ CỦA VẬT LI€U
Phụ tluiộc vào diếu kiện tạo thà nli (iihiệt (tạ. a|) stiấl. ...) và t\tơng tác giữa ốc
phán tử cấu thành (li.ír liên kèt yiữa các Ị)liân tử, uguyẽii l ừ), vạt chất có thể tồn tại
ớ trạng thai rán. lỏns hoạc kh í (liối). T íiih chất, của vạt rán (vạt liệu) phụ thuộc chủ
yẻ\i vào cach sap xẽp củn các piian tử cau t.hàiili vò lựi: liêii kè l giữa chúng. Trong
chưdng này uhữug k lu ii niệm Cờ bàn sô chrợc (tề cạp là ; cãii tạo nguyên tử, các dạng
liẻii kốt và cấ\i trúc: tin li t.lu\ khôuii' tiiih thồ (vô (tụih liiiih ) ciui vạt X'ắn.
1.1. CẤU TẠO VÀ LIÊN KẾT NGUN TỬ
Trong niục này sẽ trình bày mọt sơ khái niệm rcỉ bản VP CÍIU t.ạo iigẦiyên lử vn
CiJC t l ọ n g l i ê n k ẻ t , c i ữ a c l i ú n í í . n l i ữ u ỉ ĩ y è u
v a i t r ò ( | i i n n trọ iiẸ i' d ơ ì v ớ i c ; ĩu t.rũ c
vị tíiili i-luVt củu vại rnn vii vạt liộii.
1.1.1. K H Á I N IỆ M C ơ ÍỈẢ N VẾ ('Ấ U TẠO NGUN TỦ
N^uvơn tiV là lìiọt hị thơn.í h;i<) <
4ồni lu.it Iihán iiKiníi' (Hẹii (híoiig’ vị cnr diện tử
(electroii) inan.ẹ diện õni chiivốii (ỉộiitj- xuiiíi' (Ịuniih. Mại I\han ii.Ễíun t.ừ i';Vu tạo từ
nhiìiiíỊ j)rot()ii và
Hạt iu)ti'()ii khƠHK inniiỊí điện rịn Ị)r()toii ninuịí điện
(htoiig, cỏ điện tích luiii.c: diẹn lích ci’u3 (tiẹii lử. ci trạiiK tlia i biiih t.hvírìiiịí. riiyẽn từ
t r u n y hịa điộií vì 80 lượiiị; prot.oii h aiiịĩ sơ lưỢiiK {tiện tử. Sơ (tó điíỢc đ ạ c t riíiiịí hãiiíi
sơ thứ ut ngun tử (Z) l.roiig bảiiíĩ t.iiần lin Meiicleleov. Vì khơi lượiig của prot.oii
vị iKltrnii lón hơn rní iihÌPii so Vííi (tiện t.ử (klioảiiíĩ 1830 lan) cho liên khơi híỢiiíí
uffiiyoii tử đ\íỢc xac' địnli haiií’' khơi lưọiiịi hại nhân rủn nó.vỏi cVing: khơi lượiig điện
tử và prntoii. hạt. uhâii có thể chứa sơ lượn.íĩ Iidtroii khác nluni và tạo tlin iil) nliử iig
(lồng vị của cùiiịí một iiíỊuyẻii tơ lìóa học.
Tlioo có học lượiig tử. xác s\iất tìm fh;Vy cíiện tử trên niộl (Ịuy (lạo nào clo xnng
quanh hạt Iih â ii đ\fỢc xãc định bằng bôn thum sô. gọi lầ ■'^ô ìif'Ợi>g tử. Nói inột cach
khac. trạ iiíĩ tlia i Iiání'; liíỢiig cĩio mồi ítÌPii tử t.roiiíĩ ngiiii tử đifdr xác đ ịu li hởi liơn
sơ'hí(Ịníĩ tử saii (ỉáv :
- S()'lỉíỢìiiy từ chinh II : ró rar ỵiá t r ị bỗng' 1. 2. H. 4..... xac định nónp; lượnịX clici
phóp cua điện từ. N liríiiy ctiẹii íừ có oủiiịỊ' sơ’ ;) lidỊ) thành inộl lỚỊ) (ỉiệii tử. Ký hipu
cac' l(í]) điộn tử lần lượi \ồ K. L, M, N, ...
ứng vỏi ỉỉ ■■ 1 . 2. '4. 4. ...
- Sỏ ììỉỢiìíỊ từpìììỉrìiìỊí r ị ỉ : xác tlịn li các giã I rỊ cho phó]) của mơmen xuug híỢiig
q u ý đạo. có t r ị fiơ ]iáut> 0. 1. 2. ... (//-1). C ã r dicMi lử V(ii / k h ;ic n lu u i cù;! CIIIIÍĨ IciỊ)
VÁT LIÊU HOC
10
l.ạo l.hàiili những plià ii lớp t ư ơ U R ứiig. fỉ\í(íc ký liic\i lan lượt, là .S-, p. d, f, ... ứng vói
/ 0. 1. li. 3.
- S ố ìư ợ ii^ tứ iừ ÌIÌ/ : xao định kha naiííí (tịiih lníóMíí cho phẽp của vectn inơnien
XUIIÍỈ lượiig quỹ đạo dơi với chiều của tn' trưóní;'
Ii^nài, có t r ị sơ bằiiK 0. J .l. ±2.
7:
....
- Sỏ'ỉì/'Ợìifĩ tử sj)in
: xac dịnli khTi u:in,u (lịìih Iníííiig Iigiíợc chiều nluni của
vectơ niơnien xung híỢng spiii của (tiện tử. //í^ ~ + 1/2.
Ngồi ra. SI.Í phàn bơ điện tử theo cac mức t.rạiis thãi (khả năng có mặt tại một
Ị)liâi) lớp nào đó vói một trạ n ií thái Iiaiití luọnỵ x;u' (lỊiih) rịn pliải tn lỉ)eo ìiíịuyrìi
/y P a i/li : niồi trạ iig thái với ha
liíọiiíí từ II, L //// xac định chỉ có tliể ('hửa hai
íliệii t.ử voi .spiii iigiíỢt' cliiểii Iihaii. Dựa vào Iiịíiiyẽn lý này. có tliè (lự (tốii sị
(tiẹn tử cho phép trẻ ii cac bậc năiitĩ luỢiiK (ứníí V('ỉi CIIC lóp và phân lốp) khac nhan
(bảiiịí 1. 1).
Bảng 1.1. Số
lượng điện tứ (số trạng thái năng lượng) trẽn một sỏ' lớp và phân lớp
Số lượng
Ký hiệu
Ký hièu phân
Số lương trạng
tử chính
lớp điện tử
lớp điện từ
thai có thể
Sỏ' lượng điện tử cỏ thể
trèn
trên lớp
phân lớp
K
M
18
d
10
N
32
10
1
14
Ví dụ. ngun tử (tồng (Cu) vỏi .sơ thữ lự nguvên tử z - 29, có phân bơ điệii t.ử
như sau;
ĩs K
2s-2p'
4s'
L
M
N
T ro iiíĩ sổ dồ phân bơ điện tử này (cịn íỉ,ọi là cáii hình (tiện tử) ctà cliỉ rn ; sơ
lơợiig tử chíuli (cac sơ Iigiiii 1.2.3...). ký hiộii pliâ ii lớp (các chữ N. }), (/), sơ đièu lử
thuộc phân lớp (sơ imì trên ký liiệu |)h;in lo|)) và ký hiệu lớp điện t.ử (hàiiíí chữ lioii
K, L. M, N p h in diíỏi ). c ầ n hni ý theiii rnug, rt mọt (ĩiểii kiện xác địiih. điện t.ử có
thế’ chuyển từ trạng t.liai Iiày santỉ í.rạiiỊ;’ thcú kh;u' (thay đổi Ịỉliâ ii lớp lioộc lớp), khi
do n ó sẽ p liá t. r a lio ạ c lia j) t h ụ
tan sô
V
I i á i i y h ĩ Ợ i i í ỉ A E d i í í i i ( l ạ n g c a c h í Ợ i i g t ử á i i l i s a i i í ĩ C(J
;
/í.V.
'i - hằiiíí sơ Planck (/í
( 1. 1 )
(i.(i27,10 ■' ec-.-í).
Chưiiug i. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU
16
1.1.2. CÁC DẠNG L IÊ N K Ế T N G U YÊN T Ử TRONG C H ÂT RẮN
1.1.2.1. Liên kết đổng hóa trị
Liên kèt này tạo ra khi hai hoộc nlúều nfí\in tử gó|) olniiií;' nliau lìiột sị (ỉiệii
t.ử để có dủ lam điẹn t.ữ ố ]ỏp ngồi CÙĨ (ctiện tử hóíi trị), Vi (lụ. tifí\in t.ử rủa cnc
Iisiiii tơ hóa học tro iiị; Iihóni V II R (l)ảiiíi tiu in hồn Meiiđeleev. bnns 1.2) ró CiVu
trúc điện tử lớp nfỊồi củiiịí là s p ' (bảy ctiẹn tứ). Dè có clủ tam (tiện tử. cẩn kết liỢp
hai Iig\iyêii tử lại bàiiịỊ cacli ‘ÍÕỊ) clnuiR' hai điện tử ỏ lớp ngồi, do vạy tạo r;i mọt
liên kèt đồiiíĩ hóa trị. Liên kèt (lồng hoa tvỊ íỊĨữa luii Iie\iyẽii t.i’í clo (Cl) trong phãii
tử Cl„ (ỉiídc mơ tả tré ii hình 1.1 ;i . Liên kêt
hóa tr ị troiiR vột rổ ii đitợc lliực
hiệu Iih(i sự tập thế hóa ctiện ti'í giữa niột nhóii) cac Iigiin tử lân cạii. Trêu hìuli
l. lb Iiẻ\i niơ hìnli liên kết đồiiỊi' hóa trị dạ]) tỉiP lióa điện tử của bốn điện tử 1('<1)
ngồi cùng s~jr) t.roiiR inạiiR tinh thp Ge.
N hữiiỉí ctậí' (tÌPin c ủ a liê n kơt đồiiK lióa t.rị là ;
- Liên kết. có tính ctịuh liướiiíỊ. Iighìa là xar suất tổn tại cac diện tử tha 111 Ịiia
liõ.ii kết lớn Iilia t theo phưrtu.í; nơi t.âin cac iiíĩ\ivêỊ\ t.ử (hinii l. l) :
- C\Wiig (tộ liên kèt. phụ l.huộr rất mạnh vào (tặc t.íiili lien kèt ịi:iữa các (tiện lử
hóa trị với hạt Iiliâ ii. Ví (lụ. cacbon (1 (lạng thú hinh kim cưdnK (’f li
tiếp V(íi hạt nhân, trong khi (to. Sn tliP hiện tính lièn kèt. (ĩồiig hoa t.rị ra t vêii vi hôii
đ iệ n tử lió a t r ị ( tr o n g t ổ iig KÔ ÕO (tiệ n tử ) n ă m x ;i h ạ t I ili â i i.
do (tó co lự c liê n k(M
\i dơi vrli hạt iilii.Vì vậy kim cơớng có nhiột clộ Iióiig chảy trêu 3Õ50"C troufí khi
Sn nóng clìiìy (ỉ 'J70"C;
- Lién k ẻ l ( t ồ i i f í h o a t .r ị (•() l l i p x à y r a
I i s ; u y p n l t ’f r ú n ị f l o ạ i ( c ủ a I i i ộ l
ngun tơ hóa liọc trong rac uhóin từ IVA (lịu VUA). là ỉirn hịt (Ĩiịĩ hód Ịn
l ì õ t ì Ị ĩ c ự c , v i t l ụ . t r o i i . ^ p h á n l ử ( ’• !. l i o ạ o v ã v t . i i i l i t h è k i i n (ntcíUK-
t í e c i i K i i i i . L i t '11
kẻl đổii^ hoa trị ííiữa cac nguyêni tử khac' loại (CÍU' n yiiy êii tơ hóii học uhóiii l í l A V(íi
VA hoặc ulióni IIA Víìi VIA), ví (lụ OaAs.
cực.
... tĩọi là ìirỉi hrì (Ỉẳỉìíí hóa tri (ỈỊ
Hinh 1.1. uẻr\ kẽl đỏng hỏa tri trong khi CI2 (a) và tinh thế Ge (b)
Liên kết ion
,!
Đáy là loại liõu kếl niạiih. oac níĩiiyẽ ii tử cho bớt. điệii l.ử lớp ngồi cimg. tri'i
thành 1011 ditổiiíĩ (catioii) hoặc nhạn Uiêin điện tử (tể ctiéii đầy lớp ngoài cùng và trỏ
thành ioii âjii (aiiion). Hình 1.2 niơ tả liên kòt. ioii giữa Li và F cte tạo thành LiF ;
VÁT LIẺU HỌC
17
ug\iyên tử Li cho niột điện tử để trở l l i ò i i l i
uguyén tứ F nhận niột điện tử để
trỏ tlià iih F~ ; kết qiiả là tạo thành hrỉỊ) ('hát IjiF. Liên kết ioii thường tạo thành
giữa các ngun tơ có uhiêvi điện tử lióa trị (nhóm V IB. V IIB ) vối cãc Iig\in tơ'có
ít í ỉ i ệ n t ử h ó a t r ị ( i i h ó n i I B . I I B ) . C a r o x y t k n i i loại ( A l . , 0 M g O . C a O . F e . P ( , N i O ,
có liên kẻt chủ yến là liên kết ion.
Cũng giơiig liên kết đồng lióa trị, liên kết. ion càiig mạnh (bền vững), khi cãc
npiivén tứ chứa càng ít điệu tử. tức là cac (ìiệii tử cho hoặc nhận nằm gần hạt
nhàn. Ví dụ. hyđro (H) tạo V(3i F. Cl. Br. 1 cac: liỢp chát. HF. HCl. HBr. H I bằng
nà iis
lié ii kết ioii tưdiig ứng là Õ.81; 4.44; 3.7Õ; và 3.06 eV/mol. cần lưu ý
ràng, liêu kèt. ioii là loại liên kết khóìì^ diììh hưàĩiíĩ.
Hình 1.2. Lién kết lon của L|F
1.1.2.3. Liên kết kim loại
Cac ion cỉưđiig. tạo th à iih inột. niạiiK x:ỉc (tịnh, đặt trong không gian điện tử tự
clo "cluiiiK". Dó là hình ảiih liên kèt. kim loại. Năiig liíổiig liên kết là tổng hỢp lực
ctây và hút t ĩiili điện giữa cac ioii (htríuịí và niáy (ỉiện tử tự do (hình 1.3).
Liên kết kiin loại thường chíỢc tạo nén l.ừ những ngun tử có ít điện tử hóa trị.
(^-dc ngun tử ở Iilióin lA trong bảii^ tunn hồn Meiirỉeleev. với một điện tử hóa
trị. có tính k in i loại điển hình. Cịng dịch sung phải hảng tiiầ ii hồn, tín h chất đổng
hón tr ị tro iig lién kốt của các Iigiivên tơ tưdníí ứng càng tăng và đến b ism iit (Bi) đã
xuất hiện liên kèt hỗn liỢp " kim loại-đồiig hóa t r ị” . Câ\i trúc tin h thể của các chất
với liên kết kin i loại có tính ctơi xứng rất cao.
1.1.2.4. Liên kết hỗn hợp
Thực ra. liên kết. đồng hóa trị
t.ný chỉ có được trong trường liỢp liên kết
đồng cực (giữa các Iiguvén tít của cùn.íĩ một Iiguvẽn tơ
THONG Í 1N>THƯ v iệ ^
2 - VLH
Bảng 1.2.
Bảng tuẩn hồn các ngun tố hóa học và mạng tinh thể của chúng
^ \^ ó m
lA
IIA
IIIA
IVA
VA
VIA
VIII
VIIA
1B
II B
III B
IV B
V B
VI B
VII B
0
Chu
(H)
II
3 B«
(3 9,02
L ‘
6,94
4
0
ạ
Na
III
11 Mg
22.99
0
B Lập phương tâm khối
□ Chính phương đơn giản
H Lập phưcVig tâm mặt
g
B3 Lập phưcỉng phức tạp
g Chính phương tâm mặt
© Sáu phưong ABAB_
ỔI Trực thoi
o Sáu phương ABAC..
12
2^,32 Q
o
Ký hiêu
nguyèn lố
Chính phương tâm khối
^
>•
55,85
^
Mật thoi
A Kiểu kim cưđng
ss
1 nu
K
V
VI
0
40,08
B
21 Ti
20 Sc
44.96 ^ 47,90
0
B
0
22 V
Nguyên
26
8
□
Một nghiêng
23 Cr
50,95 a
Rb
37 Sr
38 Y
39 2r
40 Nb
85,48 0 87,63 0 88,91 0 91,22 tE 92,91
©
©
©
52.01
24 Mn
26 Co
25 Fa
27 Ni
0
54,94 13 55,85 Q se.94 B 58.71
■8
s ®
&
0
s
Các
. kiíu
mang
linh
thị
Fr
87
223
B
5 c
6 N
7 o
10,82 <5* 12,01 O 14,01 o 16
o
D
ffi
A
o
8 F
a 19
AI
13 Sí
14 p
15 s
26,98 B 28,09 A 10.98 ffi 32,06
0
16
g
Cl
9 N*
10
20,18 H
17 A r
18
39.94 BI
35,46 c>
41 Mo
42 Tc
0 95,95 0 99
43 Ru
© 101,1
44 Rh
45 Pd
© ^02,91 B 106.4
28 Cu
29 Zn
30 Ga
31 Qm
32 As
34 Br
35 Kr
36
33 s *
H 63,54 a 63.38 0 69,72 3 72,60 A 74,92 o 78,96 o 79,92 o 83.80 a
46 Ag
47 Cd
48 In
43 Sn
50 Sb
51 T«
52 1
53 x «
54
B 107,87 B 112,41 © 114,82 g 118,70 Q 121,76 o
126,90 o
127,60 o
131,30 H
A
57-71 Hf
Ci
55 Ba
56
72 T«
73 w
74 R *
76 Ir
77 P t
78
75 Os
178,50 0
180,95 0
183,85 0
132,91 0 137,35 0 xem ỏ
186,22 © 190,2 © 192,2 H 195,09 B
ơưói
VH
2
o
19 Ca
39.10
lư
1 H*
ũ 4,003
ỵ nguyên t ứ
©
IV
H
l.OOB
KÝ HIỆU MANG TINH THỂ :
1
Ra
88
226
79
Hg
197
B
200,61
Q
89-103 Ku
xem
Au
ỏ
SO
gi
TI
81
Pb
82
Bi
204.39
0
207,31
B
209
ũ
83
o
Po
84 A t
210.0
o
85 R n
210
86
222
s
©
104
260
dưối
La
L a n ta n it
( đ ấ t h iể m )
A e tin it
57 c «
139,92 0
a
o
140,13
58
0
Pr
59 Nd
140,92
H
i
o
144,27
o
60 Pm
0 1«I7
o
Ae
69
Th
90
Pa
91
u
92
Np
227
B
232,05
B
234
Q
238,07
B
D
237
B
0
61 Sm
62 Eu
150,35 o
152
63 Qd
64 Tb
65 Dy
66
0 157,26 © 158,93 0 162,51 o
Mo
67 Er
184.94 o
68
167,27 o
Tm
69
Yb
168,94
©
173,04 3
70
Lu
71
174,99 o
B
93 Pu
94 Am
0 242 (5 B 243
Ú □
D
u la
ỡ
95 Cfn
o
247
96 Bk
249
97 C l
251
98 E b
254
99 Fm
253
100 Md
256
101
No
254
102
Lw
103
257
VÀT LIÊU HỌC
19
liêii kết dị cực (giữa các Iigiiyê ii tử của cãc Ịun tơ khác nhau), điện tử hóa t r ị
tham gia liên kết chịu lia i ảnh hưởiiír trái
;
- bị h ú t bởi hạt Iiliâ ii "của mình";
- bị h ú t bởi liạ t nhân nguyên tử tliứ hai dể tạo (tiện tử "chuiig".
năng của hạt. Iiliầ n h ú t điện tử hóa trị đirợc gọi là tính ảm. điện của nguyên
tử. Sự khac Iilia ii về tín h âin (tiện íĩiữa cóc ngun tử trong liên kết đồng hóa t r ị
làni cho đãni mây điện tử "chung" bị biến dạiig vò tạo thành ugẫ\i cực điện, tiề ii tô
của liên kết 1011. "Tính ion" của liên kèt «ẽ càng lớn Iièii sự khác nhau về tính âm
(tiệii của cãc Iiguyên tử càng lớn. Ví dụ. Na có tính âm điện bằng 0.9 còn C1 bằng
8 .0 . Do vậy liên kết giữa Na và C1 trong hợp clint NaCl gồni khoảng 52% liên kêt
ion và 48% liên kết đồng hóa trị. Tất cá nlìững lirn hết d ị cực đều mang tính chất
hỗn kợ p g iữ a liê n k ố t ion và đ o n g hóa tr i.
1.1.2.5. Lièn kết yếu (liên kết Van der VVaals)
Liên kết đồng hóa t r ị cho phép lý giải
tạo thành nhừiig phân tử như nước
(H;;0) hoặc polyetylen (C^Hi),,. nhitng không cho phép lý gi<ải sự tạo thành một sô’
vạt rắ ii từ nhữiig phân tử tru n g hòa nliư intớc đa, polyme, ...
T roiig nhiều phân tử có liên kêt, (tồng hóa trị. do RIÍ khác nhaii về tính âni điệii
của cac nguyên tử. trọng tâni điện t.ícli dương và điện tícli âm khơng trù n g nhaii,
ugầ\i cực điện sẽ tạo thà iih . phân tử bị phân cực. L iẽ ii kết Van der Waals là liên
kẻt clo liiệ ii ứng In it nha\i giữa cãc: ufỊuyen tứ hoậr Ị)hủn tử bị phân cực ở trạng th á i
rắn (hình 1.4). Liên kết này là loại liên kịt. yếu. rnt
liỊ pha vò do ba động uhiệt
(klii tàng nhiệt độ), vì vậy những í r a n trên rd srt liên kết Van der Waals có
nliiệt độ IIĨIIÍỊ chay thâV-
0)
Đ
b)
■€H 3
c)
d)
Hinh 1.4. Mỏ hinh lién kết Van der VVaals
Hình 1.5. Đường cong xác suất tim thấy
nguyén tử P(cf) trong chất khí
(lấy gốc toa đị là mõt ngun tử bất kỳ)
20
Chiùing I. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU
1.2. SẮP XẾP NGUYÊN TỬ TRONG VẬT CHẤT
1.2.1. KHÔ NG TR Ậ T T ự HOÀN TO ÀN , CHAT K H Í
Chai klii chièin tồii bộ thè tích ('hứa 110. the Iiéu (tiíỢc. C-ac Iigiiyẻii t,ử (phaii
tử) trong c h a i khí Iviơn ln chun (tộiiíỊ (lo ha dộng Iihiệl.. Sơ Iiy\iii tử (phân từ)
trên niỏt đơn vị
tích Muiy đối. phụ thuọc vào Iihiọt (lộ và ap suất. vỊ tr i t.iídug'
ứng giữa chiiiig hiơii t h a y đổi tlieo qiiy hiạt Iigầu Iiliiõn. Tnu itĩ bình inỗi nguyên tử
(pliân tử) chiêm một t h ể tich tưdiig ứng hình cổii. clưịns; kiiih trung' bình 4nin.
Láy t.ỏni nguvèii tử (phân tử) ('ùa mọt t hát k lií uào dó làni ịỊỊc tọa độ. vê dưdng
cong xac suất tìm tliá y một Iiííuyẽii tử (phân tử) khnc. tại khoíiiiR cách cỉ kể từ gơc
tọa độ (hình l.n). T h á y r à n g vỏi 0 < í/ < (ỉ„ (tưdiiịí ứng (híoiig kính nguyên tử, phán
tử) xá(; siuVt dỏ bang' k h ô n g . T ừ ịíiíi t r ị (ỉ "■('/„ xnc siuVt P ((i) sẽ t á n g liê n tụ c . báiis'
một tại gia trị (i tiíổiiíí '"íiiịí cíưịnM kính tr \iiiíĩ hìiih nìn khơiig gian hình cầ\i bị
ugiiii t ử (phán tử) cliièni chồ.
1.2.2. TR Ậ T TỤ LÝ TƯỞNG, V Ậ T RẮN t i n h TH Ể
Tron^ vạt rắ ii tin h tliể, mồi n<íuyen tử co vị tr i lioàii toàii xar đ ịn li khịiiK chi
so vói Iihữ ii^ Iigiiii tử píiUi nhất inù c;ĩ những
từ kliac bát kỳ xa li(Jỉi.
Kliơiig gian xuiifí (]iia iili cac iiỊỉuyêu t ử cỏ câu tạo hoàn toàii (tồng nhát. Nói carh
khac. tin li I hồ co t.rậỉ tự xu .
Coi rác nguii tử In nhữiií; (]iia ca\i ran KÌơng Iiluiu. xếp sít Iilu n i liên tièp theo
b a Ir i.u - V I I Ô I I ^ ^OC’ x , y ,2 t r o i i L Ị k h ô i i t í K Ì a n . N ơ i ( 'ó c t . á i i i c ủ ; ! c a c ( p K i C íìu n g \ i v é i i t ử sẽ
(iitợr liiiili ảnh củ;i inộí niạnií
^ập píiưciníĩ dơỉ) ựĩcni (hình ].()). H in li lạị)
phưdug Iihỏ nhất với tam cìỉnh lù t.áni c\"ia tam iiKuyt’ !! lử (htỢc íiọi In ò cơ sơ. Mồi
uguyêii tử là đinh chuns (’UIJ 1;nn ơ C(1 sớ. gọi là nut tnạtiíĩ. KhoaiiR’ cách Kẩn nliál
giữa các nút. (fíaii haỊ (t\íờiiK k íiili khơng gian h ìiili (“ iu l)ị íiin tử chiịm rhồ)
cliíiih hằHẬí ('Ọiih a của ơ rr( sở. ứiiK V(íi
trị nhơ uluVt của uaiiu lượiig lièii kết..
trong mang tinh thể
VÂT LIÊU HOC________________________________________________________________ ;n
H ìiih 1.7 là cỉồ th ị xác sual lìm tháy Dtíuyr-Ii lữ t;ii khoảng cách d so với nguyên
tử chọn làm gốc tọa độ. Kliac vỏi I'hàt khi. IroiiK ' luVt r:ui tin h thể. P(dì - 1 (các pic
trên đồ thị), tại những fĩiá t.rị (ì hồn tồn xac (ỈỊiili. (to hì : d = a , a y / ĩ , a-J'?> tương
ứng khoảng cách giữa cac: ntĩiiyên tử theo cạiih. rtướnịĩ cliéo m ặt và (t^íờiig chéo
khơng gian của ơ cơ sổ (hình l.G). Độ rộn<]; của cár |)ic trên hình 1.7 đặc triín g cho
(lao động ciia các Iigiiyên tử (]\ianh vị tri' càii baiiR (vị trí nút niạiig), hiệ\i ứng cíia
ba động nhiệt.
Do sự sắp xếp có trậ t tự cú;i cnc Iigiiyên tử. nên trong vậ t rắn tin h thể x\iâ't
hiện đặc tín h qiian t.rọiig; ííìih (ỈỊ htỉớììs. tức- lìi sự khac nhau vể tính chất (cơ, lý.
hóa tính. ...) theo cãc hướiiíí kliac uliau của tiiili tho. Đp Iiìiiih họa. niơđmi Yoimg
{E) của đồng (Cu) bằiig 67 OPa vìì l í )2 OPa tươiiíi ửníí theo cac Iníớng cạnh và
điíịiig chéo khơng gian của ơ Cf! sỏ.
Ciiơi cìiiifỊ
l\íu ý ràng, sự sắp X?ỊJ cac Iiíĩtin tử trong vậ t rắ ii theo mạng
tinh tliế phụ thuộc vào nhiềii yèu tô như ; liên kèt
<-‘ár Iiguyêii tử. sô lượiig các
nguvẻii tử gẩii nhất, hoặc là sô .sá|) xèị) inà inồi n^uyén tử có thể chá'p nhận.
1.2,3. CHẤT LỎNG, VẬT RAN VI TINH THE VÀ v ỏ ĐỊNH HÌNH
M ột cách gần (túng, tliế tích cĩui niột khơi lư(Ịii.ií chất lỏng là đại híỢiig khơng
(ìổi. Giơng Iiliit troiig v ật rán. c-ac Iigiiyẽii lử liiơu có xu th ế tiếp xúc với Iihaii và
chiếm một khơng gian hình cou kích thitỏc khoíiiiíí 0 .2 Õ Uin, nên chất lỏng kliơng có
tính chịu nén.
Sự khác nliau giữa chát lỏntí và vật riíii thè liiện ulut saii :
- Các nguyên tử lii hiơn clmii dọns d<» ba (ỈỘUR nhiệt, vì vậv vị tr í của
rỉiún g khơiiR được xác đ ịiili. Trẽii liìiili l ,
rằng, trong một vùng khơng ííiaii nliỏ ( cỡ kích
Iiííun tií). một. sơ* ngun tử
sắp xèp C'ó trật, tví (giới hạn hỏi (hí((nfĩ (hít íloạn trên h in li 1.8a). nhưng khơng ổn
định, luôn luôn bị phá vỏ (lo ha rtộn^ Iiliiệl.. Nlní vạy (7íà> ỉon.ff có trật tự gần. Đặc
diểni "trậ t tự gầii" đưỢc thể hiện trêu (híờiig coiií; x:ư- suâ't p(d) phụ thiiộc vào
khoảng cacli d (hình 1 .8 b) : P(d) -- 1 tại d in ii ừiiíí với khoảng cách trun g bình giiĩa
các ngiiyêii t.ử trong vùng "t.rật t.ự fíần". (í xa h
lỏiig có tính đẳng kĩỉởìiỊỉ vì troii^ĩ chót lỏnfĩ KỊ lượiiíí ngun tử (phân tít) trun g
bình trên một. đơn vỊ chiêu (lài và lực liên kPt giữn rliúiig: như nh aii theo niọi hiíớng
troiig khơng giaii;
- Độ xẻp chặt, (tỷ lệ giữa the tích (lo car nguyên tt’í chiếm chỗ trên tổng thể tích)
của cliá't lỏng kém hơn so vối vạt rắn. vi vạy klii vạt chất chuyển từ trạng thá i lỏng
sang trạ iig thái rắn (quá trình kết tiiih hoặc (lơiip: rắn) th iíờ iig kèm theo sự giảm
thể tích.
Một cácỉi gần đứng có thể niinh họa cliãt khí. ('luVt lỏng, cliâ t rắn bằng hìiih
ảnh tương ứng với : hội trưịiiíí liịu nhạc chật, klian íĩià khi còi báo động (khí), khi
kèt thúc b\iổi hòa nhạc (lỏiiíĩ) và hàng ngũ bộ (tội chiuíii bị diivệt binh trên một
quảng trưòng (rắn).
Chương ỉ. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU
Hày làm q\ieii vỏi niột dặc triín g nữa của chát lỏng là tính lin h dộng củii i ;i(
Iiguyên t.ử (phân tử), đanh gia băng độ sệt. Chất, lỏng có độ sệt, thấp nèn tíu li cluiy
(khả uăug điển đầy thể tích chứa nỏ) cao. Thực nghiệm đã chửng minh, trong
ch\iyểii bièii pha lỏng - rán (ỏ Iiliiệt độ nóng chảy) độ sệt. khôug thay đổi.
Đối với một sô chất, trạng thái lỏng có độ sệt. cao. cúc nguyên tử (phâu ì.ií)
khơiig đủ độ liiih hoạt để sắp xêp lại theo "trậ t tự xu" khi chiivểii pha lỏng - rắn:
vật rắn tạo thành khơng có cã'ii trúc tin h thể và được gọi là I'ật rắn vơ định hỉnh. Ví
dụ, thủy tin h được câ'\i tạo bởi cac phản tủ SiO.,. có cấ\i trúc hình khối bơn Iiiặ t ta 111
giác đểu (hình 1.9). troiig đó các đỉnh là cac 1011 0 “ '. cịn tâm khơi là ioii S i'^
(3 điểu kiện chẽ tạo thủy tin h bình tlutịng. khôi bôn niặt [S iO ,]'* (đơn vị caii
trúc cùa SiO., có chung đỉnh o
(hình 1.9b) và cho cấii Iníc v ô đ ịn h . k i n h . Nêu giam
tốc độ nguội của thúy tin h lỏng, sao cho cac phản tử SiO., có đủ tliị i gian sắp xèp
theo trậ t tự xa, sẽ đưỢc thủy tiiih có cẩii trúc tin h thể (hình 1.9c).
Giơng như chất lỏng, vật rắn vơ định hình có tính đẳng lutớng.
Hinh 1.8 sư phân bõ’ nguyên tử trong
chất lỏng (a) và xảc suất tim thấy
ngúyẽn tử theo khống cách (b)
Hình 1.9. Cấu trúc khối bõn măt [Si0 4 ]'‘~(a)
và mò hình hai chiếu của thủy tinh SiO^ (b),
linh thể S1O 2 (c)
Cần h íii ý rằng, nếu làm nguội kim loại hoặc hợp k ijiì lỏiig vói tốc độ lóu (lớn
hơn 10 ’ - 10 *' ”c/s). vật rắn nhận được sẽ có cấu trúc vơ đ ịn li hình hoặc cá'u trúc
tin h thể với kícli thưóc rấ t nhỏ (khoảng Iianoniet). gọi là vật. rắn vô định kinh hoặc
vi tinh thế(fiè trìn h bày ở mục 3.1.6).
VÂT LIỆU HỌC
23
1.2.4. Q UAN HỆ G IỬ A CÂU T R Ử r VÀ T ÍN H C H ÂT
Từ nhừng trìn h bày ở các phẩn trên và sẽ dược làni rõ thêm ỏ các chương tiếp
theo . có thể thấy rằng yếii tơ quyết, (tịuli t.ínl) chất của vật. liệu là dạiig liên kết và
cau trúc của nó.
Hình 1.10 niơ tả các dạng liên kết ịỊÌữa cac nguyên tử (phân tử) và bảng 1.3 cho
những giá tr ị minh họa một vài đặc trưng tính chất, crt học, vậ t lý, hóa học của inột
số vật rắn.
Tính dẻo và giịn của vậ t liệu có thể giải tliícli dề ciàiig thơiig qiia dạng liên kết
tương ứiig. Đơi vối vật liệu có liên kêt (tồng lióa trị. với góc nghiêng cố định giữa các
Iig\iyêa tử (phâii tử), khả năng biến (lạng (lẻo rất kém: dvíói tác dụng của ngoại lực.
v ậ t liệu b ị phá hủy (tách đứt) khi ứng suàt cỉạt trị sô pha vỡ liên kết. T\tơiig tự như
vậy đối vói vật, liệvi có liên kết ioii.
N hiệt độ nóng chảy rấ t cao vủ độ trơ hóa học lổn của vật liệu gốm trên cơ sở các
oxyt kim loại như MgO. Al.,0 (. SiO., được giải thích bằiig náng lượng liêii kết đồng
hịa t r ị (hoặc ioii) rấ t cao của Iihĩíng vặt liệu này so với vật liệ\i kim loại.
Trong vạt liệ ii kin i loại (liên kết kini loại), cấu trúc niạiig của các ion dương
trong không gian điện tử tự do chung cho phép các ion xê dịch dưói tác dụng ngoại
lực: vật liệ ii kim loại có tính dẻo cao. Ngoài ra. các diện tử tự do trong mạng tinh
tliể kim loại vói tín h lin h động cao, clễ (làng chuyển động theo hưỏng tác dụng cxia
điện trường bên ngoài và građient nhiệt độ. K iiii loại do vậy có độ dẫn điện và dẫn
nhiệt cao hơn so với
các vậ t liệu khác.
Như đã trìiih bày
ỏ IIÌỊIC 1.1.2.4 và hình
DỊ/>ỹ hố ìr Ị ( Kim r.ưdng , S i, 6e, GaAs)
1 . 10 , trong thực tê
phần lớn các vật liệu
có dạng liên kết hổn
hợp (kim loại - đồng
hóa trị; kim loại ion; đồng hóa t r ị loii; V.V.). vì vậy tính
chất của vậ t liệu sẽ
là tổng hợp của các
tính châ't đặc trưng
cho cac dạng liên kết
nêu trên. Đặc điểm
( NaCÍ, MỹO, AI2O3 )
liên kết và tính chất
của một sơ' vật liệii
liêu ở bảng 1.3.
Hinh 1.10 Sơ đố mỏ tà các dang liên kết trong môt số
loai vát lièu thưởng gặp
Chương 1. CÁU TRÚC TINH THE CỦA VẬT LIỆU
24
Bảng 1.3. Đặc điểm lièn kè't và tính chất của một số vật liệu
Chất và nàng lượng
Dạng
liên
kết, (eV/nguyên tử)
liên kết
Đổng
Tinh chất (*)
Mô hinh
liên kết
Kim cương (7.0)
T,
E
tx
1^
tinh dẻo
Cao
Cao
Thấp
Cao
Thấp
Cao
Cao
Thấp
Cao
Thấp
hóa trị,
NaCI (3,3)
lon
- Cho (hoặc nhận)
điện tử hóa trị
- Lực hút. đẩy
tĩnh điện
Kim
Na (1,1)
Mạng của càc ion Trung
Trung
Trung Trung
loại
Cu (3,5)
trong khơng gian
binh -
binh -
bình-
binh-
Ti (4.8)
điện tử tự do
cao
cao
tháp
thấp
Thấp
Thấp
Cao
Cao
Cao
chung
Van der
H2 (0 ,Ọ1 )
VVaals
CH4 (0,1)
Lực hút ngẫu cực
thấp
CI2 (0.3)
(*)
T, - nhiệt độ nóng chây; E
Trung binh
-
mơđun Young;
IX -
hệ sô giãn dài; p - điện trở suất.
Để kết thúc phần này. xin lưu ý rằng tính chất của vặ t liệ\i CỊII phụ tluiộc ráì
u liiề \i vào cấu trúc của chúng. Nhữiig Iigh iẽ ii cứii niỏi nhất tro iig tiiib thể học. cho
thây, bằng cách tạo ra hỢp k iiti vô định bùih và vi tin h thể có thể nhặn đ\(Ợc Iiliữ iig
vật liệu có cơ. lý. hóa tính rấ t đặc biệt, khác hẳn Iilu'tng tính chất thơng thưđug Iiià
các vật liệu này có, với cấu trúc tin h thể q iie ii thuộc.
1.3. KHÁI NIỆM
VỀ MẠNG
TINH THỂ
•
■
Để nghiên CÍÍII sự sắp xếp của các nguyên tử (ion. pliân tử) trong vậ t rắn tinh
thể và so sánh các kiểu sắp xếp khác nhaii. cần đưa ra khai niệm vể lìiạ iig khơng
gian tin h thể (mạng tin h thể). Mạng tin h thể là đối tượng nghiên cứu đầu tiên và
q iia ii trọ iig của vậ t liệ ii học vì nó rấ t cần th iế t để nghiên ciíu nhiều vấ ii đề khác, (ỉ
mục này sẽ trìiih bày những khái niệm cơ bảii nhâ't về mạng tin h thể.
1.3.1.TÍNH Đ Ố I XỨNG CỦA T IN H T H E
Đôi xílng là niột trong nhữiig tính châ't qiian trọng của tin h thể. nó thể hiện ở
h ù ili dạng bên ngồi, cấu trúc bên trong cũng như các tíiih chất.
Tính đơi xứng của tin h thể được đặc trư ng bởi các yếu tố đôi xứng. Mỗi yê\i tô
đối xứng tương ứng với một thao tác đốì xứng, tức là với một biến đổi hình học xác
