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.
16
8 lượt tải
Tải xuống
Môn: Vật liệu điện hust
Trường: Đại học Bách Khoa Hà Nội
Thông tin:
138 trang
2 tháng trước
Tác giả:
.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
HA
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
ý
kiến
để lần tái bản có thêm nhiều điểm hoàn
chỉnh
hơn.
Tác giả
3
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
2
), khí axêtylen dùng
trong
ngành hàn, khí
cacbonic
(C0
2
) 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:
1.
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
ta
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
(X
> 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.
5
- 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
3
),
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.
6
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
(q
c
=1,601.10"
19
C). Prôton có
khối
lượng
bằng
1,67.10'
27
kg,
điện tử (e) có
khối
lượng
bằng
9,1.10"
31
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
1
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
sau:
Lực hút f, sẽ được cân
bằng
với lực ly tàm của chuyển động f
2
:
Trong đó:
s m-khối lượng của điện tử.
/
V
-tốc độ chuyển động của điện tử.
Từ
(1-1) và (1-2) ta có:
(1-1)
f,=
f
2
hay:
(1-3)
Trong quá trình chuyển động, điện tử có một động năng T =
mv
và
2
một thế năng u =-—, nên năng lượng của điện tử sẽ bằng:
r
w = T + u
=-
—
2r
(1-4)
7
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
ì
CỊ~
lớn
hơn —.
2r
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,
Y
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:
1.
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
2
) 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*
#
•
,
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
9
hóa ui
tron
9
tử kia (hình 1). phân tử Clo
8
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
ta
chia
ra
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
E
© ©
^ — — — — •—*
u
© e e e _ ©
© — © — —© — e— ©
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
2
0)
hoặc
polyetylen
(C
2
H
2
)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.
li
a
b
c
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
K
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).
1Z
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
b
- 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.
13
a
b
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
3
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
ox
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
14
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
14
kiểu
mạng
khác
nhau
như trên hình 11.
Trong
đó, đa số các nguyên tố kim
loại
được sắp
xếp
theo
3
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
lo
12
f
7
c
V
13
14
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
15
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.
VI
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.
1.
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...
16
-
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
l
i li
... c- c- c- c- ... R = gốc hữu cơ
(radical)
R
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
-
li
I
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),
F
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.
V
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.
17
phạm
vi rất rộng; tử sợi thúy tinh (có t ỈỊỊj^Ịc^ị^gệp Ị(Ị
l
(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
3
), tenyl
(-C
6
H
5
), 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:
R
R
I
_ 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
sau:
>
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).
18
Bấm Tải xuống để xem toàn bộ.