Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 4 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 4 Chất rắn vô định hình, gồm các nội dung chính sau cấu trúc chất lỏng; biến đổi tính chất theo t; khoảng biến mềm; thủy tinh kim loại; quan hệ cấu trúc – tính chất;...Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 4 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà CHƯƠNG 4 CHẤT RẮNVÔ ĐỊNH HÌNH PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 1 TỪ KHÓA• Aphormous• Amorphous Structure PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 2 VIẾT TẮT• CR: Chất rắn • NL: Năng lượng• VĐH: Vô định hình • VL: Vật liệu• L: Lỏng • KL: Kim loại• R: Rắn • NT: Nguyên tử• LK: Liên kết • PT: Phân tử• T: Nhiệt độ • TPHH: Thành phần hóa học PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 3 1. KHÁI NIỆM Có thể tồn tại: trạng thái tinh thể /vô định hình Trạng thái VĐH: coi như trung gian giữa CR và lỏng:- Tương tự chất rắn: không biến đổi hình dạng theo bình chứa; độ cứng, tính đàn hồi …- Tương tự chất lỏng: độ đồng nhất, bất đối xứng … PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 4 2. CẤU TRÚC CHẤT LỎNG Ở trạng thái lỏng: vật chất đã có LK và cấu trúc nhất định Ở các polymer: LK cộng hóa trị và Van der Waals phát triển ưu tiên theo một hướng nào đó, tạo mạch dài  polymer ở trạng thái L có độ nhớt cao, khó sắp xếp trật tự Ở các chất vô cơ, theo xu hướng kết tinh từ pha lỏng, có thể chia thành 3 loại:1. Chất lỏng không sai sót (Bernal)2. Chất lỏng có hướng (Stuwart)3. Chất lỏng không trật tự (Frenkel) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 5 2.1. CHẤT LỎNG KHÔNG SAI SÓTPha lỏng và pha tinh thể có cùng cấu trúc (chất lỏng tinh thể)Chuyển rắn – lỏng không đứt liên kết, chỉ định hướng lại lực tác dụngỞ nhiệt độ nóng chảy, độ nhớt lớn, các silicate lỏng thường là chất lỏng Bernal PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6 2.2. CHẤT LỎNG CÓ HƯỚNGLiên kết phân tử có hướng đặc trưng, độ bền liên kết trong phân tử rất lớn nhưng độ bền liên kết giữa các phân tử yếu (chất lỏng vi tinh)Se, B2O3 là các chất lỏng loại này PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7 2.3. CHẤT LỎNG KHÔNG TRẬT TỰChất lỏng từ các ion tích tụ, cấu trúc không trật tựKhi T tăng, các sai sót tích tụ nhanh, các liên kết bị đứt, nhiều lỗ xốp xuất hiện. Khi làm nguội khó tạo thủy tinhBao gồm: các chất lỏng KL, clorite, nitrate (NaCl, NaNO3 …) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 83. BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT THEO NHIỆT ĐỘ CỦA CR TINH THỂ VÀ VÔ ĐỊNH HÌNHHạ T pha lỏng thấp hơn một giới hạn (Tnc)  Lỏng → RắnT= Tnc-Tđđ: độ quá lạnh (Tđđ: T đông đặc) 9 3. BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT THEO T Nếu tốc độ nguội trong miền quá lạnh đủ chậm: pha L chuyển thành CR kết tinh Tốc độ nguội đủ nhanh: pha L chuyển thành CR VĐH Ngưỡng tới hạn: tốc độ nguội tới hạn vth Vth kim loại  106 K/s, thủy tinh silicate  10-1 K/s Nung KL tới nóng chảy hoàn toàn:• Hiệu ứng nhiệt: thu nhiệt khi chuyển pha R→ L• Tnc= const: tương ứng NL phá hủy LK mạng KL 10PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 11 3. BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT THEO T Nung VL VĐH: 1) Bắt đầu: hiệu ứng thu nhiệt nhỏ tương ứng T tạo thủy tinh hay T bắt đầu biến mềm Tg; 2) Tiếp theo: tỏa nhiệt với quá trình kết tinh; 3) Hiệu ứng nhiệt thứ 3: thu nhiệt với quá trình nóng chảy Do mạng lưới cấu trúc không ổn định: các điểm T bắt đầu và kết thúc không ổn định PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 12 3. BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT THEO TTính chất các CR tinh thể biến đổi tuyến tính, tại T nóng chảy có sự biến đổi tính chất đột ngộtTính chất các CR VĐH biến đổi tuyến tính ở vùng T thấp (trạng thái R) và T tương đối cao (chảy lỏng hoàn toàn). Trong vùng biến mềm, tính chất không biến đổi đột ngột mà chuyển dần theo biến đổi trạng thái PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 13PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 14 4. KHOẢNG BIẾN MỀM Là dấu hiệu nhiệt vật lý quan trọng nhất phân biệt CR tinh thể/vô định hình Khoảng biến mềm là khoảng T biến đổi dần tính chất khi chuyển trạng thái L → R của chất VĐH PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 15 4. KHOẢNG BIẾN MỀM T= Tf – Tg Tg: T bắt đầu biến mềm (T tạo thủy tinh hay T đóng rắn), được quy ước là T ứng với độ nhớt 1012 Pa.s Tf: T chất lỏng chảy thành dòng, ứng với độ nhớt 102 Pa.s Giá trị Tf, Tg phụ thuộc vào tốc độ nguội PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 16 5. POLYMER (CR VÔ ĐỊNH HÌNH HỮU CƠ) Polymer là hợp chất cao phân tử hình thành từ các nguyên tố C, O, H, N, Cl, S … Polymer có khối lượng PT lớn, được hình thành từ các đơn vị cấu thành gọi là monomer [có thể do một hoặc nhiều loại (copolymer)] PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 17 5. POLYMERCác polymer rất khó kết tinh, thường ở ...