Giáo trình Khoa học vật liệu_ Chương 7

Tài liệu giáo trình Kỹ thuật công nghệ, bộ môn Khoa học vật liệu_ Chương:Vật liệu phi kim loại_ Ceramic.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Khoa học vật liệu_ Chương 7 283PhÇn IV vËt liÖu phi kim lo¹iCh¬ng 7 ceramic7.1. Kh¸i niÖm chung7.1.1. B¶n chÊt vµ ph©n lo¹i Ceramic hay cßn gäi lµ vËt liÖu v« c¬ ®îc t¹o thµnh tõ c¸c hîp chÊt hãahäc gi÷a: - kim lo¹i (Me) víi c¸c ¸ kim bao gåm B, C, N, O vµ Si (b¸n kim lo¹i hayb¸n dÉn) bao gåm c¸c borit, cacbit, nitrit, «xyt, silixit kim lo¹i hay - c¸c ¸ kim kÕt hîp víi nhau nh c¸c cacbit, nitrit, «xyt cña bo vµ silic(SiC, BN, SiO2) nh biÓu thÞ ë h×nh 7.1 H×nh 7.1. C¸c kh¶ n¨ng kÕt hîp gi÷a c¸c nguyªn tè hãa häc ®Ó t¹o nªn ceramic. Víi sù kÕt hîp ®a d¹ng nh vËy lµm cho ceramic còng ®a d¹ng vÒ thµnhphÇn hãa häc vµ tÝnh chÊt. Theo c¸c d¹ng hîp chÊt h×nh thµnh, ceramic cã nhiÒulo¹i nh: + ®¬n «xyt kim lo¹i (Al2O3 trong gèm corindon), + ®¬n «xyt b¸n kim lo¹i (SiO2 trong thñy tinh th¹ch anh), + hçn hîp nhiÒu «xyt kim lo¹i (sø, thñy tinh silicat), + c¸c ®¬n nguyªn tè (bo, cacbon), + cacbit, nitrit cña kim lo¹i vµ ¸ kim (TiC, SiC, BN, ZrN...). Cã thÓ ph©n lo¹i ceramic theo thµnh phÇn hãa häc, theo cÊu tróc, theoph¬ng ph¸p c«ng nghÖ, lÜnh vùc sö dông... Theo c¸c ®Æc ®iÓm kÕt hîp, thÞnh hµnh c¸ch ph©n lo¹i ceramic ra lµm banhãm chÝnh: • gèm vµ vËt liÖu chÞu löa, • thñy tinh vµ gèm thñy tinh, • xim¨ng vµ bªt«ng. 283 2847.1.2. Liªn kÕt nguyªn tö Do ceramic ®îc t¹o nªn tõ c¸c nguyªn tè cã b¶n chÊt hãa häc kh¸c nhau:kim lo¹i vµ ¸ kim, nªn cã liªn kÕt vµ cÊu tróc phøc t¹p kh¸c víi kim lo¹i. Kh¸c víi kim lo¹i (chñ yÕu cã liªn kÕt kim lo¹i), trong ceramic kh«ng cãliªn kÕt kim lo¹i mµ lµ kÕt hîp gi÷a liªn kÕt ion vµ liªn kÕt ®ång hãa trÞ. VÝ dô, tûlÖ liªn kÕt ion cña c¸c nguyªn tè K, Mg, Zr, Ti, Al, B, Si, C víi «xy lÇn lît lµ 90,80, 67, 63, 60, 45, 40, 22% (phÇn cßn l¹i lµ liªn kÕt ®ång hãa trÞ). ChÝnh cã liªnkÕt phøc hîp nh vËy n¨ng lîng liªn kÕt trong ceramic t¬ng ®èi lín, kho¶ng 100÷ 500kJ/mol (cao h¬n kim lo¹i, 60 ÷ 250kJ/mol) nªn nã cã nhiÖt ®é nãng ch¶ycao, mËt ®é cao, cøng, gißn, trong suèt vµ c¸ch ®iÖn cao. Còng do ®Æc ®iÓm vÒ liªn kÕt nh vËy mµ cÊu tróc tinh thÓ cña ceramickh¸c víi kim lo¹i, cô thÓ lµ: - cÊu tróc tinh thÓ phøc t¹p, vµ - ngoµi cÊu tróc tinh thÓ (phøc t¹p), trong ceramic cã thÓ tån t¹i c¶ tr¹ngth¸i v« ®Þnh h×nh. H∙y xÐt c¸c cÊu tróc nµy.7.1.3. Tr¹ng th¸i tinh thÓ a. KiÓu m¹ng tinh thÓ vµ sè s¾p xÕp Nh ®∙ biÕt, bÊt cø hîp chÊt nµo còng ph¶i trung hßa vÒ ®iÖn: tæng sè ®iÖntÝch ©m cña c¸c anion ph¶i b»ng tæng sè ®iÖn tÝch d¬ng cña c¸c cation. YÕu tè cã¶nh hëng lín ®Õn kiÓu m¹ng tinh thÓ vµ sè s¾p xÕp (phèi trÝ) cña m¹ng ceramic lµt¬ng quan vÒ kÝch thíc (b¸n kÝnh) ion gi÷a cation vµ anion (rC / rA). Cã thÓ thÊyr»ng c¸c nguyªn tö kim lo¹i cho ®i ®iÖn tö khi bÞ «xy hãa nªn cation thêng cãkÝch thíc bÐ h¬n anion ¸ kim nhËn ®iÖn tö (b¶ng 7.1), nªn rC / rA < 1. øng víi c¸cgi¸ trÞ kh¸c nhau cña tû sè nµy m¹ng tinh thÓ sÏ cã c¸c kiÓu vµ sè phèi trÝ - sè s¾pxÕp (sè c¸c anion l©n cËn gÇn nhÊt víi cation bÊt kú) kh¸c nhau nh biÓu thÞ ëb¶ng 7.2. B¶ng 7.1. B¸n kÝnh ion cña mét sè cation vµ anion (víi sè phèi trÝ 6) Cation rC, nm Cation rC, nm Anion rA, nm 3+Al 0,053 Mg2+ 0,072 Br - 0,196Ba2+ 0,136 Mn2+ 0,067 Cl - 0,181Ca2+ 0,100 Na+ 0,102 F- 0,133Cs+ 0,170 Ni2+ 0,069 I- 0,220Fe2+ 0,077 Si4+ 0,040 O2 - 0,140Fe3+ 0,069 Ti4+ 0,061 S2 - 0,184K+ 0,138 Khi rC / rA < 0,155, do cation qu¸ nhá nã chØ bÞ bao quanh gÇn nhÊt bëi haianion. Khi tû sè rC / rA trong kho¶ng 0,155 ®Õn 0,225 cation n»m gän trong khe hëgi÷a ba anion xÕp xÝt chÆt, nªn cã sè s¾p xÕp (phèi trÝ) lµ ba. Víi tû sè trªn trongkho¶ng 0,225 ÷ 0,414, cation n»m trong lç hæng cña h×nh bèn mÆt t¹o nªn bëi bènanion, nªn cã sè s¾p xÕp lµ bèn. NÕu rC / rA t¨ng lªn ®Õn 0,414 ÷ 0,732, cation n»mtrong lç hæng cña h×nh t¸m mÆt t¹o nªn bëi s¸u anion, nªn cã sè s¾p xÕp lµ s¸u.Khi tû sè rC / rA ®¹t 0,732 ÷ 1,0, cation n»m ë t©m h×nh lËp ph¬ng víi c¸c ®Ønh lµt¸m anion nªn cã sè s¾p xÕp lµ t¸m. 284 285 B¶ng 7.2. Quan hÖ gi÷a rC / rA, sè s¾p xÕp vµ d¹ng ph©n bè ionrC/rA ...