BÀI TIỂU LUẬN VẬT LIỆU VÔ CƠ

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.67 MB, 62 trang )

BÀI THUYẾT TRÌNH
BÀI THUYẾT TRÌNH

Chủ đề: Vật Liệu Vô Cơ
GVHD:



Nội Dung Chính

I.

Khái niệm và phân loại

II.

Đặc điểm cấu trúc và tính chất vật liệu vô cơ

III.

Một số vật liệu vô cơ điển hình

IV.

Ứng dụng vật liệu vô cơ trong đời sống và kỹ thuật

I. Khái niệm và phân loại

1.

Khái niệm
Vật liệu vô cơ được tạo thành từ các hợp chất hóa học giữa:
– Kim loại (Me) với các á kim bao gồm B, C, N, O và Si (bán kim loại hay

bán dẫn) bao gồm các borit, cacbit, nitrit, ôxyt, silixit kim loại hay
– Các á kim kết hợp với nhau như các cacbit, nitrit, ôxyt của bo và silic (SiC,
BN, SiO2)

Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn các nguyên tố và khả năng kết hợp giữa chúng tạo
nên các hệ vật liệu vô cơ

2. Phân loại
a. Theo đặc điểm kết hợp
– Có 3 nhóm chính:





Gốm và kim loại chịu lửa
Thủy tinh và gốm thủy tinh
Xi măng và bê tông

b. Theo cấu trúc
– Có 2 nhóm:





Đơn pha: thủy tinh SiO2, gốm oxit,….
Đa pha: hầu hết các vật liệu vô cơ

II. Đặc điểm cấu trúc và tính chất vật liệu vô cơ.

1.

Liên kết nguyên tử trong vật liệu vô cơ

– Vật liệu vô cơ là sự kết hợp của các nguyên tố phi kim với kim loại, hoặc
giữa chúng với nhau.
– Vì vậy liên kết nguyên tử trong vật liệu vô cơ không có liên kết kim loại mà
chỉ có sự liên kết của ion và liên kết đồng hóa trị.

Tỷ lệ liên kết ion của một số hợp chất như sau.
K–O

90%

Al – O

60%

Mg – O 80%

B–O

45 %

Zn – O

63%

Si – O

40%

Ti – O

67%

C–O

22%

– Năng lượng liên kết trong vật liệu vô cơ tương đối lớn, khoảng 100 đến
500kJ/mol (cao hơn kim loại, 60 đến 250kJ/mol) nên có nhiệt độ nóng chảy
cao, mật độ cao, cứng, giòn, trong suốt và cách điện cao.

2. Trạng thái tinh thể và vô định hình.
– Vật liệu vô cơ có thể tồn tại ở trạng thái khác nhau
Trạng thái tinh thể ( đơn oxit, SiC )
Trạng thái vô định hình ( thủy tinh )
Tồn tại cả trạng thái tinh thể và vô định hình ( sứ, gốm thủy tinh )





a. Trạng thái tinh thể
– Phần lớn các vật liệu vô cơ có cấu trúc mạng tinh thể của các ion
– Các cấu trúc điển hình của vật liệu vô cơ liên kết ion là: MX,
MX2(M2X), MmNnPp
Trong đó: M, N là các cation kim loại, X là anion á kim
– Ví dụ: kiểu NaCl, CoCl, ZnS,…..

Cấu trúc MX
– Nhiều vật liệu vô cơ là hợp chất trong đó cation và anion cùng hóa trị nên
số lượng nguyên tử tham gia bằng nhau, tạo nên công thức MX (M – cation kim
loại, X- anion á kim).

Hình 1.2 ô cơ sở mạng NaCl và CsCl

Cấu trúc MX2 ( M2X )
– Nếu hóa trị của cation và anion không giống nhau, nên số lượng tham gia
khác nhau, chúng tạo nên hợp chất MmXp, trong đó m hoặc p ≠ 1 hay m và p
đều khác 1.

Hình 1.3 Mạng tinh thể của:
a. CaF2, b. Cu2O, c. TiO2,

Cấu trúc MmNnXp
– Một số vật liệu vô cơ có thể được tạo thành trên cơ sở mạng tinh thể của
hai hay nhiều loại cation (M, N). Ví dụ BaTiO3, trong đó Ba2+ nằm ở đỉnh hình
lập phương, Ti4+- tâm khối hình lập phương, O2 – tâm các mặt bên.

Hình 1.4. Mạng tinh thể của BaTiO3

Đa diện phối trí và mạng tinh thể
– Các đa diện phối trí liên kết với nhau tạo thành mạng tinh thể vật liệu vô cơ
qua đỉnh, cạnh hoặc mặt của đa diện phối trí.
– Độ bền v của mạng tinh thể lớn nhất khi liên kết qua đỉnh, sau đó đến liên
kết qua cạnh, kém nhất là mặt.

Hình 1.5 Các kết cấu sắp xếp của đa diện phân phối tứ [SiO4]-4.

b. Trạng thái vô định hình
– Một số nguyên tố, hợp chất (S, SiO2, B2O3, P2O5…), có độ sệt (nhớt) cao
ở trạng thái nóng chảy, gây trở ngại cho sự dịch chuyển, sắp xếp nguyên tử trật
tự, tạo nên mầm cho kết tinh.
– Khi làm nguội bình thường không có quá trình kết tinh, trạng thái nóng
chảy sẽ chuyển thành chất lỏng quá nguội, đông cứng lại thành chất rắn thủy
tinh.Các chất này không có nhiệt độ nóng chảy và kết tinh xác định

-Với các hợp chất có độ sệt (nhớt) không cao lắm khi làm nguội nhanh cũng
nhận được trạng thái vô định hình.

a.Sơ đồ cấu trúc của tinh thể thạch anh (SiO2), b. Thủy tinh thạch anh (SiO2),
c. Thủy tinh natri silicat (Na2O – SiO2)

3. Vật liệu đa pha và đa tinh thể
– Vật liệu vô cơ có thể tồn tại ở trạng thái tinh thể và vô định hình, đó là các
vật liệu đa pha.
– Trong vật liệu đa pha, pha chính là pha tinh thể liên kết với nhau qua pha
vô định hình và các bọt khí
– Ví dụ: gốm chịu lửa, gốm thủy tinh, sứ,…
– Vật liệu vô cơ tinh thể luôn tồn tại dưới dạng đa tinh thể và nhiều khuyết
tật

II. Một số vật liệu vô cơ điển hình
1. Gốm và vật liệu chịu lửa.
– Là nhóm vật liệu vô cơ đa pha và đa tinh thể, gồm một phần tổ chức là các
pha tinh thể và một phần vô định hình nằm xen nhau.
– Hàm lượng pha tinh thể và độ hạt của nó quyết định độ bền của gốm.
Ngoài ra còn phụ thuộc vào thành phần hóa học, hàm lượng lỗ xốp .

a. Gốm silicat
– Gốm silicat chế tạo từ các silicat thiên nhiên gồm đát sét và cao lanh
– Ngoài ra còn sử dụng các nguyên liệu như thạch anhtràng thạch, để điều
chỉnh thành phần và tính chất sản phẩm.
– Gốm silicat có loại tráng men và không tráng men. Theo đặc điểm cấu
trúc có hai loại gốm thô và gốm tinh. .

– Gốm silicat được sử dụng trong xây dựng, đồ gia dụng và trong công
nghiệp

b. Gốm oxit
– Gốm oxit trên cơ sở oxit có nhiệt độ nóng chảy cao
– Đây là loại gốm tinh được chế tạo trên cơ sở các ôxit có nhiệt độ nóng chảy
cao.
Ví dụ: (20500C MeO.Fe2O3 MgO(2850), Zr(2500 2600)
– Gốm oxit loại này có thành phần vô định hình rất ít 1 – 2 % ) còn lại là
một pha có cấu trúc tinh thể ( 98 – 99% )

Gốm oxit gồm các loại sau:










Gốm corin đông (-)
Gốm pericla (MgO)
Gốm spinel (MgO.)
Gốm trên cơ sở Ti
Gốm rutil
Gốm titanat

Gốm PZT (PbOZr-PbOTi)
Gốm trên cơ sở Fvà các oxit kim loại nặng

c. Gốm trên cơ sở các hợp chất không chứa ôxy.
– Cacbit silic (SiC): có độ cứng và khả năng chịu nhiệt rất cao. Được sử
dụng làm hạt mài, đá mài, thanh điện trở…
– Cacbit Bo (): Có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng cao, cách điện tốt dùng
làm dụng cụ cắt, hạt mài…
– Nitrit silic (): nhiệt độ nóng chảy và độ cứng cao, cách điện tốt, bền trong
môi trường kim loại nóng chảy, axit, kiềm, sử dụng làm chén nấu, vòi đốt,
khuôn ép nóng.

– Nitrit Bo (BN): hay được sử dụng ở dạng cấu trúc lục giác và lập phương.
– Si-C: có độ bền cao hơn năm lần, chịu được nhiệt độ cao, bền trong môi
trường axit, kiềm và siêu dẻo ở 1600..

u lửa
– Là loại vật liệu sử dụng trong các lò (luyện kim, thủy tinh, lò hơi…) và
các thiết bị công nghệp làm việc ở nhiệt độ cao, có nhiệt độ chịu lửa lớn hơn
1520 mà tại đó vật liệu hình chóp bị đánh gục theo quy định. Phần lớn là gốm
thô.
– Đinat (silica) với thành phần > 93% SiO2 sản xuất bằng phương pháp
o
thiêu kết bột. Gạch đinat có tính axit với nhiệt độ làm việc cao (> 1550 C) dùng
xây lò coke, vòm lò thủy tinh…

Khái niệmVật liệu vô cơ được tạo thành từ những hợp chất hóa học giữa : – Kim loại ( Me ) với những á kim gồm có B, C, N, O và Si ( bán sắt kẽm kim loại haybán dẫn ) gồm có những borit, cacbit, nitrit, ôxyt, silixit sắt kẽm kim loại hay – Các á kim tích hợp với nhau như những cacbit, nitrit, ôxyt của bo và silic ( SiC, BN, SiO2 ) Hình 1.1 Sơ đồ màn biểu diễn những nguyên tố và năng lực phối hợp giữa chúng tạonên những hệ vật liệu vô cơ2. Phân loạia. Theo đặc thù tích hợp – Có 3 nhóm chính : Gốm và sắt kẽm kim loại chịu lửaThủy tinh và gốm thủy tinhXi măng và bê tôngb. Theo cấu trúc – Có 2 nhóm : Đơn pha : thủy tinh SiO2, gốm oxit, …. Đa pha : hầu hết những vật liệu vô cơII. Đặc điểm cấu trúc và đặc thù vật liệu vô cơ. 1. Liên kết nguyên tử trong vật liệu vô cơ – Vật liệu vô cơ là sự phối hợp của những nguyên tố phi kim với sắt kẽm kim loại, hoặcgiữa chúng với nhau. – Vì vậy link nguyên tử trong vật liệu vô cơ không có link sắt kẽm kim loại màchỉ có sự link của ion và link đồng hóa trị. Tỷ lệ link ion của một số ít hợp chất như sau. K – O90 % Al – O60 % Mg – O 80 % B – O45 % Zn – O63 % Si – O40 % Ti – O67 % C – O22 % – Năng lượng link trong vật liệu vô cơ tương đối lớn, khoảng chừng 100 đến500kJ / mol ( cao hơn sắt kẽm kim loại, 60 đến 250 kJ / mol ) nên có nhiệt độ nóng chảycao, tỷ lệ cao, cứng, giòn, trong suốt và cách điện cao. 2. Trạng thái tinh thể và vô định hình. – Vật liệu vô cơ hoàn toàn có thể sống sót ở trạng thái khác nhauTrạng thái tinh thể ( đơn oxit, SiC ) Trạng thái vô định hình ( thủy tinh ) Tồn tại cả trạng thái tinh thể và vô định hình ( sứ, gốm thủy tinh ) a. Trạng thái tinh thể – Phần lớn những vật liệu vô cơ có cấu trúc mạng tinh thể của những ion – Các cấu trúc nổi bật của vật liệu vô cơ link ion là : MX, MX2 ( M2X ), MmNnPpTrong đó : M, N là những cation sắt kẽm kim loại, X là anion á kim – Ví dụ : kiểu NaCl, CoCl, ZnS, … .. Cấu trúc MX – Nhiều vật liệu vô cơ là hợp chất trong đó cation và anion cùng hóa trị nênsố lượng nguyên tử tham gia bằng nhau, tạo nên công thức MX ( M – cation kimloại, X – anion á kim ). Hình 1.2 ô cơ sở mạng NaCl và CsClCấu trúc MX2 ( M2X ) – Nếu hóa trị của cation và anion không giống nhau, nên số lượng tham giakhác nhau, chúng tạo nên hợp chất MmXp, trong đó m hoặc p ≠ 1 hay m và pđều khác 1. Hình 1.3 Mạng tinh thể của : a. CaF2, b. Cu2O, c. TiO2, Cấu trúc MmNnXp – Một số vật liệu vô cơ hoàn toàn có thể được tạo thành trên cơ sở mạng tinh thể củahai hay nhiều loại cation ( M, N ). Ví dụ BaTiO3, trong đó Ba2 + nằm ở đỉnh hìnhlập phương, Ti4 + – tâm khối hình lập phương, O2 – tâm những mặt bên. Hình 1.4. Mạng tinh thể của BaTiO3Đa diện phối trí và mạng tinh thể – Các đa diện phối trí link với nhau tạo thành mạng tinh thể vật liệu vô cơqua đỉnh, cạnh hoặc mặt của đa diện phối trí. – Độ bền v của mạng tinh thể lớn nhất khi link qua đỉnh, sau đó đến liênkết qua cạnh, kém nhất là mặt. Hình 1.5 Các cấu trúc sắp xếp của đa diện phân phối tứ [ SiO4 ] – 4. b. Trạng thái vô định hình – Một số nguyên tố, hợp chất ( S, SiO2, B2O3, P2O5 … ), có độ sệt ( nhớt ) caoở trạng thái nóng chảy, gây trở ngại cho sự di dời, sắp xếp nguyên tử trậttự, tạo nên mầm cho kết tinh. – Khi làm nguội thông thường không có quy trình kết tinh, trạng thái nóngchảy sẽ chuyển thành chất lỏng quá nguội, đông cứng lại thành chất rắn thủytinh. Các chất này không có nhiệt độ nóng chảy và kết tinh xác định-Với những hợp chất có độ sệt ( nhớt ) không cao lắm khi làm nguội nhanh cũngnhận được trạng thái vô định hình. a. Sơ đồ cấu trúc của tinh thể thạch anh ( SiO2 ), b. Thủy tinh thạch anh ( SiO2 ), c. Thủy tinh natri silicat ( Na2O – SiO2 ) 3. Vật liệu đa pha và đa tinh thể – Vật liệu vô cơ hoàn toàn có thể sống sót ở trạng thái tinh thể và vô định hình, đó là cácvật liệu đa pha. – Trong vật liệu đa pha, pha chính là pha tinh thể link với nhau qua phavô định hình và những bọt khí – Ví dụ : gốm chịu lửa, gốm thủy tinh, sứ, … – Vật liệu vô cơ tinh thể luôn sống sót dưới dạng đa tinh thể và nhiều khuyếttậtII. Một số vật liệu vô cơ điển hình1. Gốm và vật liệu chịu lửa. – Là nhóm vật liệu vô cơ đa pha và đa tinh thể, gồm một phần tổ chức triển khai là cácpha tinh thể và một phần vô định hình nằm xen nhau. – Hàm lượng pha tinh thể và độ hạt của nó quyết định hành động độ bền của gốm. Ngoài ra còn phụ thuộc vào vào thành phần hóa học, hàm lượng lỗ xốp. a. Gốm silicat – Gốm silicat sản xuất từ những silicat vạn vật thiên nhiên gồm đát sét và cao lanh – Ngoài ra còn sử dụng những nguyên vật liệu như thạch anhtràng thạch, để điềuchỉnh thành phần và đặc thù loại sản phẩm. – Gốm silicat có loại tráng men và không tráng men. Theo đặc thù cấutrúc có hai loại gốm thô và gốm tinh. . – Gốm silicat được sử dụng trong thiết kế xây dựng, đồ gia dụng và trong côngnghiệpb. Gốm oxit – Gốm oxit trên cơ sở oxit có nhiệt độ nóng chảy cao – Đây là loại gốm tinh được sản xuất trên cơ sở những ôxit có nhiệt độ nóng chảycao. Ví dụ : ( 20500C MeO. Fe2O3 MgO ( 2850 ), Zr ( 2500 2600 ) – Gốm oxit loại này có thành phần vô định hình rất ít 1 – 2 % ) còn lại làmột pha có cấu trúc tinh thể ( 98 – 99 % ) Gốm oxit gồm những loại sau : Gốm corin đông ( – ) Gốm pericla ( MgO ) Gốm spinel ( MgO. ) Gốm trên cơ sở TiGốm rutilGốm titanatGốm PZT ( PbOZr-PbOTi ) Gốm trên cơ sở Fvà những oxit sắt kẽm kim loại nặngc. Gốm trên cơ sở những hợp chất không chứa ôxy. – Cacbit silic ( SiC ) : có độ cứng và năng lực chịu nhiệt rất cao. Được sửdụng làm hạt mài, đá mài, thanh điện trở … – Cacbit Bo ( ) : Có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng cao, cách điện tốt dùnglàm dụng cụ cắt, hạt mài … – Nitrit silic ( ) : nhiệt độ nóng chảy và độ cứng cao, cách điện tốt, bền trongmôi trường sắt kẽm kim loại nóng chảy, axit, kiềm, sử dụng làm chén nấu, vòi đốt, khuôn ép nóng. – Nitrit Bo ( BN ) : hay được sử dụng ở dạng cấu trúc lục giác và lập phương. – Si-C : có độ bền cao hơn năm lần, chịu được nhiệt độ cao, bền trong môitrường axit, kiềm và siêu dẻo ở 1600 .. u lửa – Là loại vật liệu sử dụng trong những lò ( luyện kim, thủy tinh, lò hơi … ) vàcác thiết bị công nghệp thao tác ở nhiệt độ cao, có nhiệt độ chịu lửa lớn hơn1520 mà tại đó vật liệu hình chóp bị đánh gục theo lao lý. Phần lớn là gốmthô. – Đinat ( silica ) với thành phần > 93 % SiO2 sản xuất bằng phương phápthiêu kết bột. Gạch đinat có tính axit với nhiệt độ thao tác cao ( > 1550 C ) dùngxây lò coke, vòm lò thủy tinh …

Source: https://mindovermetal.org
Category: Ứng dụng hay