Thông tin
Quiz

Giáo trình Vật liệu điện và từ_GS.TS. Hoàng Trọng Bá| Môn Vật liệu điện| Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Cuốn "Giáo trình vật liệu điện và từ" dùng để giảng dạy cho các lớp hệ điện và điện tử bậc đại học, cao đẳng.
Giáo trình này có khác với các giáo trình trước nay đã sử dụng là tác giả đưa ra một số khái niệm mới về phân loại vật liệu, đi sâu về cấu tạo của vật liệu để người đọc hiểu sâu sắc hơn về tính chất của nó, từ đó sử dụng vật liệu đúng chỗ hơn.

Môn:

Vật liệu điện hust 18 tài liệu

Trường:

Đại học Bách Khoa Hà Nội 2.8 K tài liệu

Thông tin:

138 trang 7 tháng trước

Tác giả:

Trịnh Thảo Anh

docx.com.vn

Bình luận

Vui lòng đăng nhập hoặc đăng ký để gửi bình luận.

Giáo trình Vật liệu điện và từ_GS.TS. Hoàng Trọng Bá| Môn Vật liệu điện| Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

43 22 lượt tải Tải xuống

.0000021491

GS.TS

HOÀNG TRỌNG

BÁ

GIÁO TRÌNH

VẬT

LIỆU

BIỆN VA Từ

(Dùng

cho các

trường

đại học và cao

đẳng khối công nghệ)

GUYÊN

; LIỆU

nút

XUÀT BAN

f # -

Ạl HỌC QUỐC GIA TP.HỔ CHÍ MINH

PGS.TS.

HOÀNG TRỌNG BÁ

GIÁO TRÌNH

VẬT LIỆU ĐIỆN VÀ TỪ

• • •

(Sách dùng cho các lớp ngành điện hệ đại học và cao đẳng)

ĐẠIHỌGTHÁINGUYÊN

'TRŨNG TÂM HỌC LIỆU

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA

THÀNH PHÔ HỒ CHÍ MINH

LỜI

NÓI ĐẨU

Cuốn "Giáo trình vật liệu điện và fù"'dùng để giảng dạy cho các lớp

hệ điện và điện tử bậc đại học, cao đẳng.

Giáo trình này có khác với các giáo trình trước nay đã sử

dụng

là tác

giả

đưa ra một số khái niệm mới về phân

loại

vật

liệu,

đi sâu về cấu tạo

của vật

liệu

để

người

đọc hiểu sâu sắc hơn về tính

chất

của nó, từ đó sử

dụng

vật

liệu

đúng chỗ hơn.

Trong

cuốn sách này, tác giả

cũng

đưa ra các

ký hiệu vật

liệu

theo

tiêu

chuẩn

của các

quốc

gia khác, nhưng chủ yếu là

theo

TCVN (Tiêu

chuẩn

Việt

Nam), để các cán bộ kỹ

thuật

nhà máy có thể

đối

chiếu

trong

các bản vẽ chế tạo các khí cụ và thiết bị điện. Tác giả

cũng

chú trọng

giới

thiệu về các công

nghệ

chế tạo vật

liệu,

để từ đó các nhà

máy có thể kết hợp với

những

công

nghệ

chế tạo này và gia công các

linh

kiện,

khi cụ điện cho phù hợp với yêu cầu sử

dụng.

Vì công

nghệ

gia công

khác

nhau

và vật

liệu

có thành

phần

khác ít thôi

cũng

đủ làm cho các tính

chất

vế điện và từ của khí cụ điện

thay

đổi nhiều.

Để

giúp cho

sinh

viên và cán bộ giảng dạy có

kiến

thức

về nghiên

cứu vật

liệu

điện, tác giả

giới

thiệu thêm các phương pháp nghiên cứu

những

tính

chất

của vật

liệu

dưới

dạng

"Phần

tham

khảo"

viết

ỏ cuối mỗi

chương

hoặc

cuối

trang

của một số

phần

trình bày các tính

chất

vật

liệu.

Cuốn giáo trình này có mượn một số đoạn của "Giáo trình vật

liệu

điện"

của tác giả Nguyễn Đình Thắng,

mong

tác giả Nguyễn Đình

Thắng

thông cảm.

Sách có thể dùng để

tham

khảo

cho các cán bộ kỹ

thuật

của các xí

nghiệp

chế tạo thiết bị và

linh

kiện

điện.

Trong

quá trình biên

soạn,

có thể còn nhiều điểm chưa sát với yêu

cầu

thực

tế của

người

học và

người

sử

dụng,

mong

các bạn đọc đóng góp

kiến

để lần tái bản có thêm nhiều điểm hoàn

chỉnh

hơn.

Tác giả

CHƯƠNG ì

KHÁI NIỆM VỀ CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT

CỦA VẬT LIỆU BIỆN - Từ

• • •

Tất cả các vật liệu dùng trong công nghiệp được sử dụng có thể ở cả

3 trạng thái: rắn, lỏng và khí. ở trạng thái rắn như: sắt, thép, gỗ, đá,

chất

dẻo, cao su

V.V....Ở

trạng thái lỏng như: xăng, dầu, rượu,

benzen,

nước,

glyxêrin v.v... ở trạng thái khí và hơi như: hơi nước quá nhiệt (có nhiệt độ

cao hơn 100°C), khí oxy (0

), khí axêtylen dùng

trong

ngành hàn, khí

cacbonic

(C0

) đã được hóa lỏng dùng làm lạnh bia, nước ngọt v.v...

I. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU

Các vật

liệu

ở trạng thái rắn dùng đế chế tạo các máy móc, công

trình, vật

dụng

dùng

trong

đời

sống

hàng ngày của con

người.

Các vật

liệu

này có thể chịu được một lực tác

dụng

nhất

định nào đó mà không bị

thay

đổi

hình dáng được gọi là vật

liệu

kết cấu. Vật

liệu

kết cấu có thể được

phân

loại

như sau:

Phân

loại

theo

tính dẫn điện

Theo

tính dẫn điện, vật

liệu

được

chia

thành:

- Vật

liệu

dẫn điện là các vật

liệu

có khả năng dẫn điện tốt

trong

các

điều

kiện

thông thường. Để phân biệt

với

các vật

liệu

không dẫn điện,

người

phân biệt qua hệ số nhiệt điện trỏ

suất,

ký hiệu

bằng

chữ oe. Các vật

liệu

dẫn

điện

thường là các kim

loại

nên có hệ số

> 0, hay còn gọi là các vật

liệu

có

tinh kim

loại.

Ngoài ra còn có một số môi trường lỏng

cũng

dẫn điện.

- Vật

liệu

không dẫn điện, hay còn gọi là vật

liệu

cách điện là các

vật

liệu

có giá trị a < 0. thường là các vật

liệu

phi kim

loại

(không kim

loại).

- Vật

liệu

bán dẫn là các vật

liệu

khi ở nhiệt độ

thấp

có tính cách

điên (a

0), nhưng khi ở nhiệt độ cao trở thành dẫn điện (a > 0).

2. Phân

loại

theo

từ tính

Theo

tính

chất

từ, vật

liệu

được

chia

thành 3

loại

căn cứ vào giá trị

... ,= , - ... - _ B

cua đô

tham

từ

li.

Độ thâm từ u

—.

hỉ

- Vật

liệu

nghịch

từ là các vật

liệu

có độ thấm từ ụ <1.

- Vật

liệu

thuận

từ các vật

liệu

có độ thấm từ |i >1.

- Vật

liệu

dẫn từ hay vật

liệu

sắt từ là các vật

liệu

có độ thấm từ ụ »1.

3. Phân

loại

theo

cấu tạo bên

trong

Tùy

thuộc

vào cấu tạo bên

trong,

vật

liệu

kết cấu được

chia

thành 3

loại:

Vật

liệu

tinh thể, vật

liệu

vô định hình và vật

liệu

gốm.

Theo

sự phát

triển

của

khoa

học hiện đại,

người

ta còn có thể phân thêm một

loại

mới có

cấu trúc cơ bản khác với các

loại

vật

liệu

kể trên là vật

liệu

compozit.

- Vật

liệu

tinh thể: Gồm các kim

loại

nguyên

chất,

các hợp kim và

các

loại

đá, các muối vô cơ. Vật

liệu

tinh thể là các vật

liệu

mà ỏ trạng thái

rắn, các nguyên tử của

chủng

luôn luôn được sắp xếp thèo một trật tự

nhất

định gọi là

mạng

tinh thể.

Trong

dó, các kim

loại

và hợp kim như sắt,

nhôm, đổng, thép,

gang,

đuyara có tính kim

loại,

còn các

loại

đá và muối

như muối ăn (NaCI), đá vôi

(CaC0

thạch

cao

(CaSOa)

có cấu tạo

mạng

tinh thể nhưng lại không có tính kim

loại

nên

thuộc

vật

liệu

phi kim

loại.

- Vật

liệu

vô định hình: Các vật

liệu

mà các nguyên tử, phân tử của

chúng không sắp xếp

theo

mạng

tinh thể. Hầu hết các vật

liệu

phi kim

loại

(trừ đá và muối) đều ở

dạng

vô định hình như gỗ,

chất

dẻo, thủy tinh, vải,

amian

v.v...

- Vật

liệu

gốm: Vật

liệu

mà cấu tạo bên

trong

gồm vừa có các tinh

thể vừa có một

phần

vật

chất

ỏ

dạng

vô định hình.

Trong

thiên nhiên vẫn

tồn

tại các vật

liệu

gốm, nhưng tính

chất

không ổn định nên ít được sử

dụng

trong

công nghiệp. Vật

liệu

gốm công

nghiệp

chủ yếu là nhân tạo.

Để

chế tạo vật

liệu

gốm kim

loại

hoặc

phi kim

loại,

người

ta chế tạo các hạt

tinh thể rất nhỏ gọi là bột, sau đó ép lại thành hình một sản

phẩm

nào đó

rồi

nung

nóng (gọi là thiêu kết) để các hạt bột dính lại với

nhau

tạo thành

sản

phẩm.

Do ép từ bột nên bên

trong

vật

liệu

gốm bao giờ

cũng

có

những

lỗ

hổng

(lỗ bông)

chứa

không khí, vi vậy vật

liệu

gốm bao giờ

cũng

"xốp"

hơn các vật

liệu

khác. Độ xốp là điểm đặc biệt của vật

liệu

gốm.

- Vật

liệu

compozit:

Một

loại

vật

liệu

nhân tạo mới được phát

triển

vào giữa thế kỷ 20. Vật

liệu

compozit

là vật

liệu

gồm 2 thành

phần

vật

liệu

khác

nhau

phối hợp thành một vật

liệu

mới.

Trong

đó,

loại

vật

liệu

thứ

nhất

gọi

là vật

liệu

cốt, có nhiệm vụ chịu lực, còn vật

liệu

thứ hai gọi là vật

liệu

nến, có nhiệm vụ liên kết các vật

liệu

cốt lại với

nhau.

Vật

liệu

compozit

có

thể có tinh kim

loại

hoặc

cũng

có thể không có tính kim

loại.

li. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

Như chúng ta đã biết, mọi vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử và

phàn tử. Nguyên tử là

phần

cơ bản của vật

chất.

Theo

mô hình Bom,

nguyên tủ được cấu tạo bởi hạt nhân

mang

điện tích dương và các điện tử

(electron)

mang

điện tích âm

chuyển

động

xung

quanh

hạt nhân

theo

quỹ

đạo

nhất

định.

Hạt

nhân của nguyên tử được tạo nên từ các hạt prôton và nơtron.

Nơtron là các hạt không

mang

điện, còn prôton có điện tích dương với số

lượng diện tích

bằng

z.q.

Trong đó:

J z -số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời

cũng

là số thứ tự

của nguyên tố nguyên tử đó

trong

bảng

tuần hoàn Menđêlêep.

/ q - điện tích của điện tử e

=1,601.10"

C). Prôton có

khối

lượng

bằng

1,67.10'

kg,

điện tử (e) có

khối

lượng

bằng

9,1.10"

kg.

ở trạng thái bình thường, nguyên tử được

trung

hòa về điện,

nghĩa

là

trong

nguyên tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân

bằng

tổng các

điện

tích âm của các điện tử. Nếu vì lý do gì đó, nguyên tử mất đi một hay

nhiều điện tử thì nguyên tử sẽ trở thành tích điện dương, ta thường gọi là

ion dương. Ngược

lại,

nếu nguyên tử đang ở trạng thái

trung

hòa mà nhận

thêm điện tử thì trở thành tích điện âm và được gọi là ion âm.

Để

có khái niệm về năng lượng của điện tử ta xét nguyên tử của

hydro.

Nguyên tử này được cấu tạo từ

prôton và 1 điện tử.

Khi

điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn bán kính r

xung

quanh

hạt

nhân, thì điện tử sẽ chịu lực hút của hạt nhân f, và được xác định bởi công

thức

Lực hút f, sẽ được cân

bằng

với lực ly tàm của chuyển động f

Trong đó:

s m-khối lượng của điện tử.

-tốc độ chuyển động của điện tử.

Từ

(1-1) và (1-2) ta có:

(1-1)

f,=

hay:

(1-3)

Trong quá trình chuyển động, điện tử có một động năng T =

và

một thế năng u =-—, nên năng lượng của điện tử sẽ bằng:

w = T + u

—

(1-4)

Biểu

thức

(1-4) ở trên

chứng

tỏ mõi điện tử của nguyên tử có một

mức năng lượng

nhất

định, năng lượng này tỳ lệ

nghịch

vơi bán kính quỹ

đạo

chuyển

động của điện tử. Để di

chuyển

điện tử từ quỹ đạo

chuyển

động bán kính r ra xa vô cùng cần phải

cung

cấp cho nó một năng lượng

CỊ~

lớn

hơn —.

Năng lượng tối thiểu

cung

cấp cho diện tử, dể diện tử tách rời

khỏi

nguyên tử và trở thành điện tử tự do

người

ta gọi là năng lượng lon hóa

(Wj). Khi bị ion hóa (bị mất điện tử), nguyên tử trỏ thành ion dương. Quá

trình biến nguyên tử

trung

hòa thành ion dương và điện tử tự do gọi là quá

trình lon hóa.

Trong

một nguyên tử, năng lượng ion hóa của các lớp điện tử khác

nhau

cũng

khác

nhau.

Các điện tử hóa trị ngoài cùng có mức năng lượng ion hóa

thấp

nhất

vì

chúng cách xa hạt nhân (xem công

thức

1-4).

Khi

điện tử

nhận

được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hóa,

chúng sẽ bị kích thích và có thể di

chuyển

từ mức năng lượng này

sang

mức năng lượng khác,

song

chúng luôn có xu thế trở về vị trí của trạng thái

ban đầu.

Phần

năng lượng

cung

cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại

dưới

dạng

năng lượng

quang

học

(quang

năng).

Trong

thực

tế, năng lượng lon hóa và năng lượng kích thích nguyên

lử

có thể

nhận

được từ nhiều

nguồn

năng lượng khác

nhau

như nhiệt năng,

quang

năng, điện năng; năng lượng của các tia sóng

ngắn

như tia a, p,

hay tia rơnghen v.v...

IU. CẤU TẠO PHÂN TỬ

Phân tử được tạo nên từ

những

nguyên tử thông qua các liên kết

phân tử.

Trong

vật

chất

tồn tại 4

loại

liên kết sau:

Liên kết

dồng

hóa trị

Liên kết đồng hóa trị được đặc trưng bởi sự góp

chung

một số điện

tử để có đủ 8 điện tử ở lớp ngoài cùng. Khi đó mật độ đám mây điện tử

giũa các hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững.

Lấy

thí dụ cấu trúc của phân tử do. Phân tử do (Cl

) gồm 2 nguyên tử do,

môi nguyên tử do có 17 điện tử,

trong

đó 7 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng.

Hai nguyên tử này được liên

kết

bền vững với

nhau

bằng

cách

C1* -

•

C'*C1*

sử

dụng

chung

2 điện tử, lớp vỏ • • * • • *• • • •

ngoài cùng của mỗi nguyên tử được

bổ

sung

thêm 1 điện tử của nguyên

Hình 1

Liên kêt

đồn

hóa ui

tron

tử kia (hình 1). phân tử Clo

Tùy

thuộc

vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên

kết

dóng hóa trị có thể là

trung

tính hay cực tính (lưỡng cực).

- Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và trọng tâm của các

điện

tích âm trùng

nhau

là phân tử

trung

tính. Các

chất

được tạo nên từ các

phân tử

trung

tính gọi là

chất

trung

tính hay

chất

không cực.

- Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và điện tích âm

không trùng

nhau,

cách

nhau

một

khoảng

cách V nào đó được gọi là phân

tử cực tính hay còn gọi là phân tử có cực. Phân tử cực tính đặc trưng bởi

mômen lưỡng cực m = q.l. Dựa vào trị số mômen lưỡng cực của phân tử

người

chia

chất

cực tính yếu và

chất

cực tính

mạnh.

Liên kết đồng hóa trị còn thấy ở cả

chất

rắn vô cơ có

mạng

tinh thể

cấu tạo từ các nguyên tử, thí dụ như kim cương, cấu tạo của kim cương

được mô tả trên hình 2.

Hình 2. Cấu tạo tinh thể kim cương

2. Liên kết ion

Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion

âm

trong

phân tử. Các nguyên tử cho điện tử trở thành ion dương, còn các

nguyên tử

nhận

điện tử trỏ thành lon âm. Các ion này sẽ hút

nhau

tạo

thành phân tử. Liên kết ion là liên kết khá bền vững. Do vậy, vật rắn có

cấu tạo lon đặc trưng có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng

chảy

cao. Thí dụ

điển

hình về tinh thể ion là các muối halõgen của kim

loại

kiềm.

Cấu trúc tinh thể ion của

clorua

natri được chỉ rõ ở hình 3.

Hình 3. Cấu trúc liên kết ion của

clorua

natri

Khả

năng tạo nên một

chất

hoặc

một hợp

chất

có

mạng

tinh thể

không

gian

nào đó phụ

thuộc

chủ yếu kích thước nguyên tử và hình dáng

lóp điện tử hóa trị ngoài cùng.

Liên kết ion càng

mạnh

(bền vững) khi nguyên tử

chứa

càng ít điện

tử

nghĩa

là các điện tử cho

hoặc

nhận

nằm càng gần hạt nhân.

3. Liên kết kim

loại

Các ion dương tạo thành một

mạng

tinh thể xác định, đặt

trong

không

gian

điện tử tự do

"chung".

Đó là hình ảnh liên kết kim

loại.

Nàng

lượng liên kết là tổng hợp lực đẩy và hút tĩnh điện giữa các ion dương và

mây điện tử tự do (hình 4).

e e m

^ — — — — •—*

Hình 4. Sơ dồ cấu tạo kim

loại

Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên

khối

của kim

loại.

Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim

loại

có tính ánh kim

và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim

loại

được

giải

thích bởi

sự

dịch

chuyển

và trượt trên

nhau

giữa các lớp ion, nên kim

loại

dễ cán,

kéo,

dát

mỏng.

4. Liên kết

Vandec-Van

(Van der

VVaals)

Liên kết đồng hóa trị cho phép lý

giải

sự tạo thành

những

phân tử

như nước (H

hoặc

polyetylen

)n, nhưng không cho phép lý

giải

sự tạo thành một số vật rắn từ

những

phân tử

trung

hòa như nước đá,

các

polyme

khác.

Trong

nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, do sự khác

nhau

về tinh

âm điện của các nguyên tử tạo thành các phân tử có cực.

Liên kết

Vandec-Van

là liên

kết

do hiệu ứng hút

nhau

giữa các

nguyên tử

hoặc

phân tử bị phân cực

ỏ trạng thái rắn (hình 5). Liên kết

này là

loại

liên kết yếu, rất dễ bị

phá vỡ do va động nhiệt. Vì vậy

những

chất

rắn trên cơ sở liên kết

Vandec-Van

có nhiệt độ nóng

chảy

thấp.

Hình 5. Mô hình liên kết

Vandec-Van

lũ

IV.

LÝ THUYẾT PHÂN VÙNG NĂNG LƯỢNG TRONG VẬT RAN

Khi

nguyên tử ở trạng thái binh thường không bị kích thích, một số

trong

các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy, còn ỏ các mức năng

lượng khác điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử

nhận

được năng lượng

từ bên ngoài tác động (trạng thái kích thích). Nguyên tử luôn có xu hướng

quay

về trạng thái ổn định. Khi điện tử

chuyển

từ mức năng lượng kích

thích

sang

mức năng lượng nguyên tử nhỏ

nhất,

nguyên tử phát ra

phần

năng lượng dư

thừa.

Trạng thái năng lượng của điện tử

trong

nguyên tử không đồng đều

và được phân thành các vùng năng lượng. Có thể khái niệm sự phân vùng

năng lượng của điện tử

trong

nguyên tử như sau:

Một

chất

có thể xem như cấu tạo bài một số lớn nguyên tử được

đưa vào sắp xếp với

nhau

có trật tự

trong

mạng

tinh thể. ở

những

khoảng

cách tương đối xa, mỗi nguyên tử là độc lập với các nguyên tử khác và

sẽ có các mức năng lượng

trong

nguyên tử và có cấu hình điện tử giống

như nguyên tử đứng cô lập.

Tuy nhiên, khi các nguyên tử càng xích lại gần

nhau

thì các điện

tử càng bị kích thích (hay bị nhiễu loạn) bởi các điện tử và các hạt nhân

của các nguyên tử lân cận. Ảnh hưỏng này làm cho mỗi một trạng thái

điện

tử

trong

nguyên tử riêng biệt bị phân tách thành một loạt các trạng

thái điện tử nằm sát

nhau,

hình thành nên một vùng năng lượng điện tử.

Sự giãn rộng từ một mức năng lượng điện tử

trong

nguyên tử thành một

vùng năng lượng

trong

vật rắn tùy

thuộc

vào

khoảng

cách giữa các

nguyên tử. Sự giãn rộng này bắt đầu từ các điện tử ngoài cùng của

nguyên lử vì chúng bị nhiễu loạn trước tiên khi các nguyên tử liên kết

lại

với

nhau.

Trong

mỗi vùng, các mức năng lượng vẫn là gián đoạn, tuy nhiên,

khoảng

cách giữa các mức kề

nhau

là hết sức nhỏ. ở

khoảng

cách

nguyên tử cân

bằng,

sự tạo thành vùng năng lượng có thể xẩy ra với

các lớp điện tử ỏ gần hạt nhân

nhất.

Ngoài ra, ở các vùng kể

nhau

có

thể tốn tại

những

khe năng lượng hay còn gọi là

những

vùng cấm: bình

thường thi các điện tử không được phép chiếm lĩnh

những

mức năng

lượng nằm

trong

các khe này.

Các tinh

chất

điện của vật

liệu

rắn phụ

thuộc

vào cấu trúc vùng

năng lượng điện tử của nó, cụ thể là vào sự sắp xếp các vùng ngoài cùng

và cách

thức

lấp đầy chúng bởi các điện tử.

Có thể hiểu sự khác biệt về cấu trúc vùng năng lượng của các vật

kim loại,

bán dẫn và vật cách điện như trên hình 6.

Hình 6.

Biểu

dồ năng lượng của diện môi (a), bán dẫn (b)

và kim

loại

(c)

Trên biểu đồ này: 1- gọi là vùng hóa trị, 2- vùng cấm, 3- vùng dẫn.

Theo

lý thuyết vùng thì các điện tử ỏ vùng hóa trị chuyển động tự do

ở tất cả vật thể rắn mà không phụ

thuộc

vào chúng là kim

loại

hay điện

mỏi.

Sự chuyển động được

thực

hiện bói đường hầm chuyển tiếp điện tử từ

nguyên tử này

sang

nguyên tử khác. Để

giải

thích sự khác biệt về tính

chất

điện

của vật

liệu

phải để ý sự khác biệt phản ứng với điện trường ngoài

của điện tử ở vùng hóa trị và vùng dẫn. Điện trường ngoài làm phá vỡ tính

đối

xứng

trong

việc phân bố điện tử

theo

tốc độ, tăng tốc các điện tử

chuyển động

theo

hướng tác

dụng

lực và làm chậm các hạt có hướng

chống

lại hướng tác

dụng

lực. Tuy nhiên, sự tăng tốc tương tự và sự làm

chậm lại gắn

liền

với sự

thay

đổi năng lượng của điện tử và gây ra sự di

chuyển chúng vào trạng thái lượng tử mới. Những chuyển tiếp này có thể

thực

hiện chỉ

trong

trường hợp nếu như vùng năng lượng có mức tự do.

Trong kim

loại,

vùng ở đây không đầy, chỉ cần trường rất nhỏ

cũng

truyền cho điện tử một

xung

làm nó

chạy

vào mức tự do. Vì nguyên nhân

này kim

loại

có tinh dẫn điện cao.

Trong

chất

bán dẫn và điện môi ở nhiệt độ 0

thì tất cả các điện tử ở

vùng hóa trị, còn vùng dẫn hoàn toàn tự do. Các điện tử nằm ỏ vùng cấm

không thể

tham

gia tạo ra dòng điện. Để tạo được dòng điện cẩn phải

chuyển mót phần điện tử từ vùng đầy vào vùng dẫn. Năng lượng điện trường

cần phải rát lớn để

thực

hiện việc chuyển tiếp này.

V. CẤU TẠO VẬT LIỆU TINH THE

Tất

cả các vật

liệu

kim

loại,

các

loại

muối, đá ô trạng thái rắn đêu ở

trạng thái tinh thể

nghĩa

là các nguyên tử của chúng được sắp xếp

theo

một trật tự

nhất

đinh gọi là mạng tinh thể không

gian

như trên hình 7a. Tinh

thể

có càu trúc tuấn hoàn. Có thể coi mạng tinh thể như gồm các hình

khối

đơn giản giông

nhau,

xếp liên tiếp

nhau

theo

3 chiều đo hợp lại thành tinh

thể.

Khối

đó được gọi là

khối

cơ bản (hay ó cơ bản).

Khối

cơ bản lả hình

khối

nhỏ

nhất

có cách sắp xếp

chất

điểm đại

diện

chung

cho

mạng

tinh thể như ở hình 7b.

Hình 7. Mạng tinh thể không

gian

(a) và

khối

cơ bản (b)

Nếu

toàn

khối

vật

chất

được cấu tạo đổng

nhất

theo

một

kiểu

mạng

nào đó thi được gọi là

mạng

lý tưởng.

Tuy nhiên,

trong

thực

tế không phải lúc nào các nguyên tử vật

chất

đểu

được sắp xếp

theo

mạng

lý tưởng, mà thường có sự sai lệch

trong

sự

sắp xếp các vị trí nguyên tủ

trong

mạng

tinh thể. Những chỗ sai lệch đó gọi

là sai lệch

mạng.

Sai lếch

mạng

tinh thể được

chia

làm 3

loại:

sai lệch điểm, sai lệch

đường và sai lệch mặt.

Sai lệch điểm gồm nút trống, nguyên tử xen kẽ giữa các nút

mạng

và nguyên tử tạp

chất

hay nguyên tử lạ như trên hình 8. Chính

các sai lệch điểm này là một

trong

những

nguyên nhân tạo nên sự dẫn

điện

trong

chất

bán dẫn.

Hình 8. Sai lệch điểm

trong

mạng

tinh thể.

a -Nút trống

- Nguyên tử xen kẽ giữa các nút

mạng

c -Nguyên tử tạp

chất

Sai lệch đường là dạng sai lệch được nghiên cứu nhiều nhất mà

dạng

điển hình là lệch (còn có tên là

dislocation).

Sai lệch đường gồm có

lệch biên (lệch

thẳng)

và lệch xoắn như trên hình 9.

Hình 9.

a-Lệch

biên; b- Lệch xoắn

Sai lệch mặt lạ sai lệch phát triển hạn chế

theo

một chiểu

nghĩa

là phát triển

theo

các mặt. Thí dụ, các mặt biên

giới

hạn là một

dạng

của sai lệch mặt.

Nếu

một khối vật

liệu

chỉ gồm một tinh thể thi gọi là vật

liệu

đơn

tinh thể.

Trong

đơn tinh thể vật

liệu

mang

tính có hướng hay dị hướng,

nghĩa

là

theo

các hướng khác

nhau

tính

chất

của vật

liệu

(cơ tính, lý tính,

hóa tính) sẽ khác

nhau.

Để thể hiện được các hướng và mặt khác

nhau

trong

mạng

tinh thể người ta quy ước cách ký hiệu mặt và phương tinh

thể.

Để ký hiệu một mặt tinh thể nào đó người ta đặt ô cơ bản của

mạng

tinh thể đó vào gốc của hệ

trục

toa độ

Decart

(OX, OY, OZ). Lấy

giao

điểm

của mặt đó với 3

trục

rồi lấy số

nghịch

đảo của 3

giao

điểm đó, xếp

theo

thứ tự

theo

trục

ox, OY, OZ và đặt

trong

ngoặc

đơn. Giá trị

trong

ngoặc

đơn là ký hiệu của mặt tinh thể cần biết.

Thí dụ trên hình 1-10, đặt ô cơ bản hình khối lập phương

ABCDOEFG lên

trục

tọa độ

Decart,

điểm o trùng với điểm gốc 0. Hãy xác

định ký hiệu của mặt MNEF:

Giao

điểm của mặt MNEF với 3

trục

của hệ

tọa độ là: Với

trục

giao

điểm tại điểm E có giá trị là 1 (nếu lấy giá trị

mỗi

cạnh

của ô cơ bản là 1),

giao

điểm với

trục

OY là vô cực,

giao

điểm với

trục

0Z là 1/3. Lấy số

nghịch

đảo của giá trị 3

giao

điểm

theo

thứ tự 3

trục

ox, OY, 0Z là 1, Ó, 3. kỷ hiệu mặt MNEF là

(103).

Hình 10. Cách ký hiệu mặt tinh thể

Trong

thực

tế,

nhất

là đối với kim

loại,

do nhiều nguyên nhân của

các quá trinh gia công khác

nhau,

cấu trúc của kim

loại

thường không đông

nhất?

các tinh thể có

những

hướng khác

nhau.

Mỗi tinh thể như vậy được

gọi

là hạt và toàn

khối

kim

loại

gọi là đa tinh thể.

Trong

đa tinh thể, do tính định hướng của các hạt khác

nhau

và

ngẫu

nhiên nên tổng hợp các hưđng của các hạt

trong

đa tinh thể là vô

hướng hay đẳng hướng. Tuy nhiên,

trong

sản xuất khi cần kim

loại

mang

tính có hướng

người

ta lại có

những

phương pháp gia công để có

sự sáp xếp lại các mặt tinh thể

theo

một hướng

nhất

định và lúc này

kim

loại

mang

tính có hướng.

Tất cả các vật

liệu

tinh thể được sắp xếp

theo

kiểu

mạng

khác

nhau

như trên hình 11.

Trong

đó, đa số các nguyên tố kim

loại

được sắp

xếp

theo

kiểu

mạng

thường gặp

nhất

là

mạng

lập phương tâm

khối

(Hình

12c)

mạng

lập phương tâm mặt (Hình 12a) và

mạng

sáu phương điền đầy

(Hình 12b).

Ít

—í

Ả

ẨU

Hình 11. Các

kiểu

mạng

tinh thể của vật

liệu

rắn

1-Đơn tà; 2-Đơn tà mặt tâm đối; 3-Tam tà;

4-Lục

giác;

5-Trực

thoi; 6-Hình thoi đơn giản

7-Thoi

thể tâm;

8-Thoi

tâm mặt đối

9-Thoi

tâm mặt; 10-Lập phương đơn giản

11-Lập phương tâm

khối;

12-Lập phương tâm mặt

13-Chính phương đơn giản; 14-Chính phương tâm

khối

Hình 12

a-Mạng

lập phương tâm mặt

b-Mạng lục giác điền đầy

C-Mạng lập phương tâm

khối

VI.

CẤU TẠO CỦA VẬT

LIỆU

vô ĐỊNH HÌNH

Vật

liệu

vô định hình điển hình là các vật

liệu

polyme.

Polyme

hay còn gọi là cao phân tử là các vật thể mà đại phân tử cùa

nó gồm nhiều mắt xích cơ bản có tổ

chức

giống

nhau

liên kết với

nhau

theo

kiểu

lặp đi lặp lại nhiều lần.

Thuật ngữ

polyme

xuất phát từ chữ Hy Lạp:

polymeros

(poly=nhiểu-

meros=phẩn).

Mỗi

mắt xích cơ bản gọi là một đơn phân hay

monome.

khối

lượng

phân tử của

polyme

rất lớn nên mỗi phân tử được gọi là một đại phân tử va

do đó vật

liệu

polyme,

hay còn gọi là vật

liệu

cao phân tử

Các đại phân tử của

polyme

có thành

phần

hóa học giống

nhau

nhưng

thường co kích thước khác

nhau.

Đại phân tử có thể được tạo thành từ các đơn

phàn

(monome)

giống

nhau

hoặc

khác

nhau

về thành

phần

hóa học.

Khối

lượng đại phân tử của

polyme

có thể từ

5000

đến cả

triệu.

Đại

phân tử khi gồm các đơn phân giống

nhau

thì được gọi là

homopolyme.

Trong

trường hợp gồm các dpn phân khác

nhau

thì gọi

là

copolyme.

Khi

mạch

co bản của

polyme

được cấu tạo bởi các nguyên tủ cùng

loại

thì gọi là

polyme

đồng

mạch,

nếu bồi các nguyên tử khác

loại

thì gọi là

polyme

dị

mạch.

Phân

loại

polyme

Có nhiều cách phân

loại

polyme:

a. Phân

loại

theo

nguồn

gốc có:

l*í>tyíTie thiên nhiên như cạo su thiên nhiên, xenlulô,

mica,

graphit...

Polyme

nhân tạo hay còn gọi là

polyme

tổng hợp như

chất

dẻo,

cao su nhân tạo.

b. Phân

loại

theo

thành

phẩn

có:

Polyme

hữu cơ

Là

polyme

có

mạch

cơ bản là một

hydrocacbon

Nếu

mạch

phân tử cơ bản chỉ gồm các nguyên tử

cacbon

thì gọi là

polyme

mạch

cacbon

hay

polyme

đồng

mạch.

Trong

đó các nguyên tử c

nối

với các nguyên tử H

hoặc

các gốc hữu cơ khác.

Thí dụ: H

i li

... c- c- c- c- ... R = gốc hữu cơ

(radical)

Trong

polyme

dị

mạch,

mạch

cơ bản gồm các nguyên tử c và các

nguyên tử khác làm

thay

đổi rất lớn tính

chất

của

polyme.

Thí dụ: ! 0

... -

Ọ

- 0 - ộ-...

hoặc

- ố - N-

Ổ

Khi

nối với các nguyên tử c

trong

mạch,

các nguyên tử H làm

tăng tính uốn của

mạch,

do đó làm tăng tính dẻo của

polyme

(như đối

với

các sợi và màng

chất

dẻo), các nguyên tử p và Cl làm tăng tính

chịu nóng, nguyên tử s làm tăng tính

chống

thấm (thí dụ

trong

cao su),

làm tăng tính bển hóa học.

Một

số

polyme

mạch

cacbon

và

di.

mạch

có thể có hệ

thống

liên kết

liên hợp như:

...-CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH-...

hoặc...

Q-Q-Q

Năng lượng

mạch

liên hợp lớn hơn

loại

đồng

mạch.

Thí dụ: năng lượng

liên kết C-C là 80Kcal/mol.

Trong

lúc đó năng lượng liên kết giữa các

mạch

liên hợp đến

100-110

Kcal/mol. Do đó làm tăng tính ổn định khi

nung

nóng.

Polyme

hữu cơ gồm các

loại

thực

vật,

chất

dẻo và cao su.

Polyme

vô cơ

Là các

polyme

mà

trong

mạch

cơ bản của chúng không có các

hydrocacbon.

Thí dụ thủy tinh silicat, gốm,

mica,

amian.

Thành

phần

cơ

bản của các

polyme

vô co là các

loại

oxit silic, oxit nhôm, oxit magiê,

oxit

canxi...

Trong

silicat có 2

loại

liên kết: các nguyên tử

trong

mỗi mắt xích

nối

với

nhau

bằng

liên kết đồng hóa trị (Si-O), còn liên kết giữa các mắt

xích là liên kết ion. Do đó tính

chất

của các

chất

này

thay

đổi

trong

hổi.

phạm

vi rất rộng; tử sợi thúy tinh (có t ỈỊỊj^Ịc^ị^gệp Ị(Ị

(rò¥Ỉn|f

TRŨNGTAMHỌC LIỆU

Polyme

vô cơ có mật độ cao, bền nhiệt. Nhưng thủy tinh vả

gốm thì đón, không chịu tải trọng động.

Graphit

thuộc

loại

polyme

vô cơ nhưng có mạch

cacbon.

Polyme

hữu cở phần tử

Là

polyme

mà

trong

mạch cơ bản

chứa

các nguyên tử vô cơ như Si,

Ti,

AI...Các nguyên tử này nối với các gốc hữu cơ như metyl (-CH

), tenyl

(-C

), etyl (-C2H5). Các gốc hữu cơ cho vật

liệu

tính bền và dẻo, còn các

nguyên tử vô cơ cho tính chịu nhiệt cao. Trong thiên nhiên không có các

loại

vật

liệu

này mà chỉ tạo được

bằng

cách tổng hợp nhân tạo.

Thí dụ: Đại diện cho nhóm này là hợp

chất

silic hữu cơ có cấu trúc:

_ I

... -Si-0-Si- ...

ĩ í

R' R'

Giữa các nguyên tử Si và 0 có liên kết hóa học bển, liên kết

siloxan

Si-0 có năng lượng 89,3 Kcal/mol. Từ đó tính bền nhiệt của

nhựa

silic hữu

cơ

hoặc

cao su

siloxan

cao hơn mặc dù tính đàn hổi và tính dẻo kém hơn

so với

nhựa

hữu cơ và cao su thiên nhiên.

Polyme

chứa

trong

mạch cơ bản

các nguyên tử

Ti,

o gọi là

polytitanoxan,

mạch cơ bản

chứa

Ti,

0, Si gọi là

polytitansiloxan hữu cơ.

c. Phân

loại

theo

hình dáng dại phân tử

Hình dáng đại phân tử gọi là mạch cơ bản.

Theo

cấu tạo mạch,

polyme

được

chia

ra thành các

loại

Polyme

mạch

thẳng

Có đại phân tử là một chuỗi các mắt xích nối

nhau

theo

đường díc

dắc hay hình xoắn ốc (hình 13a). Đại phân tử uốn

cong

(hình bó) có độ

bền cao dọc

theo

các mắt xích và độ bền

thấp

giữa các phân tử. Do đó

làm cho vật

liệu

có tính đàn hồi và bị biến mềm khi

nung

nóng nhưng

khi

nguội thì

cứng

lại.

Nhiều

polyme

loại

này hòa tan

trong

các

dung

môi. Khi mật độ "bó"

của các phân tử

trong

một đơn vị thể tích tăng thì độ bền và nhiệt độ biến

mềm tăng nhưng khả năng hoa tan

trong

dung

môi giảm. Thí dụ

thuộc

loại

này có polyetylen (PE), polyamid (PA)...

Polyme

mạch nhánh

(polyme

phân nhánh).

Cũng

là

polyme

mạch

thẳng

nhưng

trong

đại phân tử có thêm các

nhánh (hình 13b).

Sự phàn nhánh làm cản trỏ sự xích lại gần

nhau

của các phản tử, do

đó làm giảm liên kết giữa các phân tử và làm giảm "mật độ bó".

Loại

này có

độ bền thấp, dễ nóng

chảy

và dễ hòa tan hơn. Thí dụ: polyizobutylen (PIB).

Bấm Tải xuống để xem toàn bộ.

| 1/138

| | Tải xuống