Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Chương 1: Mở đầu

MÔN HỌC

CƠ SỞ KHOA HỌC VẬT LIỆU

TS. Lê Văn Thăng

Khoa Công nghệ Vật liệu

Đại học Bách Khoa

Đại học Quốc Gia TPHCM

1

ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC

Số tín chỉ: 3 (3,1,6) bao gồm 60 LT + BT+TT

Đánh giá: KT giữa kỳ (bài tập lớn + bai tập nhỏ + bài đọc tham

khảo) + presentation (TN) 50%, Thi cuối kỳ 50%

Nội dung: cung cấp kiến thức cơ bản về khoa học vật liệu: thiết lập

mối quan hệ giữa thành phần, cấu tạo nguyên tử (hoặc phân tử),

cấu trúc vi mô và các tính chất vĩ mô của vật liệu

Tài liệu tham khảo:

[1] Lê Công Dưỡng,Vật liệu học. NXB Khoa Học - Kỹ Thuật, Hà Nội, 1997.

[2] Lawrence H. Van Vlack, Elements of Material Science & Engineering, 6th

edition, Addition - Wesley, Massachusetts, USA, 1989.

[3] William D. Callister, Jr., Material Science & Engineering - An introduction, 6th

edition, John Wiley & Son. Inc., New York, USA, 2003.

[4] J.P. Schaffer et al., The Science and Design of Engineering Materials, Irwin,

USA, 1995.

[5] W.Kurz, J.P Mercier, K.Zambelli, Introduction à la science des maté riaux,

Ecole Polytechnique Fé dé rale de Lausanne, Suisse, 1987.

2

Nội dung chi tiết

Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học

Chương 3: Các khái niệm cơ bản về mạng tinh thể

Chương 4: Cấu trúc kim loại và hợp kim

Chương 5: Cấu trúc vật liệu ceramic

Chương 6: Cấu trúc vật liệu polyme

Chương 7: Vật liệu composit

Chương 8: Khuyết tật trong tinh thể

Chương 9: Quá trình khuếch tán

Chương 10: Giản đồ pha và chuyển pha

Chương 11: Cơ tính của vật liệu

Chương 12: Lý tính của vật liệu: tính chất điện, tính chất từ

3

Đề thuyết trình

1. LIGHT EMITTING ORGANIC DIODES (OLEDS)

2. LIGHT-EMITTING-DIODE (LED)

3. CARBON NANOTUBE MULTI-WALLED

4. CARBON NANOTUBES SINGLE-WALLED

5. PIEZOELECTRIC MATERIALS

6. PIEZOMAGNETISM MATERIALS

7. LỚP VẬT LIỆU PHỦ TRÊN BỀ MẶT KIM LOẠI ĐỂ TĂNG CỨNG

8. VẬT LIỆU TiO₂

9. SỢI CÁP QUANG

10. VẬT LIỆU CHỊU NHIỆT

11. CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELL

12. PIN NHIÊN LIỆU

4

13. PIN MẶT TRỜI TRÊN CƠ SỞ TIO₂

Đề thuyết trình

14. VẬT LIỆU NHỚ HÌNH (Shape Memory Material)

15. POLYMER CONDUCTIVE (Polymer DẪN điện)

16. MEMS

17. SILICON NANO WIRE – NANOFIBER

18. FERROMAGNETIC SHAPE MEMORY ALLOY

19. DIELECTRIC CURE MONITORING OF POLYMERS

20. “SMART” CORROSION PROTECTIVE COATINGS

21. PIEZOELECTRICITY IN POLYMERS

22. SUPERCONDUCTIVE MATERIALS

23. LIPID MEMBRANES ON HIGHLY ORDERED POROUS ALUMINA SUBSTRATES

24. GRAPHENE MATERIALS.

5

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

6

1.1 Trạng thái vật lý của vật chất

1.1.1 Trật tự và mất trật tự

• Vật chất tồn tại ở bốn trạng thái: rắn, lỏng, khí và plasma.

• Trạng thái vật lý của một chất được xác định bởi cân bằng giữa năng lượng liên

kết (mang các nguyên tử lại gần nhau), E_lkvà năng lượng nhiệt (đẩy các nguyên

tử ra xa nhau), E_nh.

• Năng lượng nhiệt sinh ra do dao động liên tục của các nguyên tử.

• E_nh= kT với T là nhiệt độ [⁰K], k là hằng số Boltzmann = 1,38 x 10^-23J/⁰K

• Năng lượng liên kết là năng lượng để phân ly hệ thành các nguyên tố cấu thành

 năng lượng để hóa hơi hệ, gần đúng E_lk= const (T).

• Lực liên kết giữa các nguyên tử càng mạnh thì E_lkcàng lớn: kim loại, gốm;

ngược lại là trường hợp của khí hiếm, các phân tử khí, các phân tử hữu cơ.

• Từ E_nh= kT và E_lk= const, có thể:

- Giải thích sự thay đổi trạng thái vật chất theo nhiệt độ.

- Khi T⁰, E_nh thì sẽ mất đi các cấu trúc trật tự theo R: trật tự hoàn toàn

→ L: trung gian → K: mất trật tự hoàn toàn

7

8

Đặc trưng của các trạng thái

Đặc trưng

Rắn

Lỏng

Tịnh tiến, quay, Tịnh tiến, quay,

dao động dao động

Khoảng cách giữa Bé, cỡ kích thước Tăng lên quá cỡ Khá lớn so với

Khí

Chuyển động

Dao động

các hạt

hạt

kích thước hạt

Quan hệ E_nhvà E_lkE_nh< E_lk

E_nh E_lk

E_nh> E_lk

Hình dạng

Hình dạng và thể Có thể tích nhưng Không có thể tích,

tích được bảo toàn không có hình không có hình

dạng

• Trong một số trường hợp, ranh giới phân biệt giữa trạng thái rắn và lỏng

không rõ ràng.

• Hiện nay, người ta thường dùng khái niệm độ nhớt để phân biệt một chất là

ở trạng thái rắn hay lỏng.

•Theo quan điểm này, chất rắn là những chất có độ nhớt động học lớn hơn

10¹²poises.

9

Plasma:

• Là một dạng khí có số ion có điện tích dương  số điện tử có điện tích âm →

tổng điện tích gần như là trung hòa.

• Các nhà khoa học tin rằng 99% vật chất trong vũ trụ tồn tại ở dạng plasma.

• Được tạo thành khi một chất khí được gia nhiệt đến nhiệt độ đủ cao, sao cho

nguyên tử khí trung hòa điện sẽ bị mất hết điện tử → các ion có điện tích dương

và các điện tử có điện tích âm → khí ion hóa còn gọi là plasma.

• Do các điện tử và ion ở dạng tự do → plasma có tính dẫn điện và có thể được

kiểm soát bởi điện trường và từ trường → được ứng dụng nhiều trong công

nghiệp.

Ví dụ: Các trạng thái vật lý của nước

Rắn

Lỏng

Khí

Plasma

Nước đá, H₂O

Nước, H₂O

Hơi nước, H₂O

Khí ion hóa

H₂→ H⁺+ H⁺+ 2e

T < 0 ^oC

0 < T < 100 ^oC

T > 100 ^oC

T > 100.000 ^oC

Phân tử bị cố định Phân tử di chuyển Phân tử di chuyển Ion và điện tử di

trong mạng tinh tự do

thể

tự do, khoảng cách chuyển độc lập,

giữa các phân tử khoảng cách giữa

10

lớn

các phân tử lớn

1.2 Vật liệu và Vật liệu học

1.2.1 Mở đầu

• Vật liệu luôn đóng một vai trò thiết yếu trong đời sống con người: vật liệu có

mặt ở khắp nơi xung quanh ta

• Trình độ sử dụng vật liệu nói lên trình độ văn minh của xã hội loài người. Từ

thời đại đồ đá → đồ đồng → đồ sắt → thời đại ngày nay, hầu hết các tiến bộ công

nghệ quan trọng đều gắn liền với việc cải thiện các tính chất của vật liệu có sẵn

hoặc sử dụng vật liệu mới.

•Ví dụ vật liệu làm động cơ đốt trong làm lạnh bằng nước chỉ cần chịu được

nhiệt độ 150 ^oC, còn muốn làm lạnh bằng không khí phải chịu được nhiệt độ 300

^oC. Đối với động cơ phản lực thì vật liệu phải chịu được 650 ^oC.

• Như vậy vật liệu làm động cơ phải có những biến đổi đáng kể về độ bền nhiệt

độ để đáp ứng các tiến bộ công nghệ.

• Ví dụ kích thước chip đã giảm dần đến 45 nm → vật liệu làm chip phải có biến

đổi thích hợp để đáp ứng (1 nm = 10^-9m = nhỏ hơn đường kính sợi tóc 10.000 lần

• Để thực hiện một công việc kỹ thuật thường người ta phải dùng nhiều loại vật

liệu và kết hợp chúng với nhau một cách đúng đắn.

11

Định luật Moore: “Số lượng của transistors trên một đơn vị diện tích IC tăng lên

gấp đôi trong vòng 18 tháng” – 1965, Intel Cop.

12

Source: European Commission. Community Research. 2004.

Nanotechnology. Innovation for tomorrow’s world.

Giới thiệu

Năm

1999 2002

2005 2008

2011

2014

Technology

Generation (nm)

DRAM Half Pitch 180

(nm)

MPU Gate Length 140

(nm)

180

130

100

70

45

50

35

130

100

50

35

85-90 65

30-32 20-22

Gate Oxide

1.9-2.5 1.5-1.9 1-1.5 0.8-1.2 0.6-0.8 0.5-0.6

Thickness (nm)

MPU transistor

density (cm^-2)

MPU Speed

(MHz)

6.6 M 18 M

1250 2100

1735 580

44 M 109 M 269 M 664 M

3500 6000 10000 16903

255 110

Cost/transistor

(microcents)

49

22

Source: Quantum Computing. 2004. A Short Course from

Theory to Experiment. Joachim Stoltze and Dieter Stuter.

13

Source: Communication from the Commission. 2004. “Towards

European Strategy for Nanotechnology”.

Giới thiệu

www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=06788

→ Với những tính năng ưu việt, carbon

nanotubes trở thành một trong những vật

liệu tiềm năng trong tương lai gần

14

Takeshi Kawano, Berkeley Sensor & Actuator Center

Ví dụ khác: Dây cáp điện.

• Yêu cầu:

- Dẫn điện tốt.

- Do điện thế rất cao → phải treo cáp trên các trụ điện và cách điện giữa các dây

bằng không khí.

- Để giảm số trụ điện thì cáp phải nhẹ và có khả năng chịu bền đứt cao.

- Chất dẫn điện tốt nhất là kim loại nguyên chất: Cu, Al, Ag, Au nhưng chúng

không đủ độ bền cơ

→ phải dùng cáp gồm nhiều vật liệu: lõi là các dây thép bền cơ rất cao nhưng

chúng lại dẫn điện kém → dùng các dây nhôm bao quanh lõi thép để dẫn điện.

• Các trụ được chế tạo bằng thép để chịu được lực kéo của cáp. Thép này phải

được bảo vệ chống ăn mòn bằng sơn (polyme) hoặc phủ một lớp kim loại như Zn,

Cd…

• Để gắn cáp lên trụ điện phải dùng các ty cách điện bằng sứ (gốm) và để giữ chặt

trụ điện trong đất phải dùng bêtông (gốm).

15

Ví dụ: Vật liệu có mặt trong xe hơi

16

Vật liệu

Khối lượng ,

Sử dụng

kg

Thép

Gang

Nhựa

800

150

100

Khung xe, các bộ phận của động cơ và máy móc

Vỏ động cơ

Đồ trang trí, tấm che nắng, tấm cách nhiệt, ghế

ngồi

Nhôm

Cao su

Composite

Đồng

80

60

40

15

20

0,5

Các bộ phận của động cơ, vỏ động cơ

Vỏ xe, các tấm đỡ chịu va đập

Tấm đỡ chịu va đập, thân xe

Máy phát điện, dây quấn môtơ, hệ thống điện

Của sổ của xe

Thủy tinh

Chì

Bình acquy

Kẽm

Hợp kim cho tay lái, hoặc đồ trang trí trên xe

Gốm

Bugi

17

1.2.2 Định nghĩa

- Trong khoa học vật liệu, người ta định nghĩa vật liệu là các chất rắn được sử

dụng để chế tạo các đồ vật phục vụ cho đời sống con người.

- Khi nói đến vật liệu người ta thường nói đến chất liệu và hình dạng của nó.

1.2.3 Phân loại

Các vật liệu có thể được phân loại theo nguồn gốc cấu tạo, theo cấu trúc, theo quá

trình công nghệ và thành phần hóa và theo tính năng sử dụng của nó.

1.2.3.1 Phân loại theo nguồn gốc cấu tạo

• Vật liệu có nguồn gốc hữu cơ

• Vật liệu có nguồn gốc vô cơ

1.2.3.2 Phân loại theo cấu trúc

• Vật liệu có cấu trúc tinh thể, bao gồm vật liệu đơn tinh thể và đa tinh thể: các

nguyên tử được lặp lại có chu kỳ trên một khoảng cách xa, thường gặp trong kim

loại và vài loại polyme.

• Vật liệu có cấu trúc vô định hình: ít trật tự hơn, giống như trong chất lỏng. Ở

khoảng cách gần (vài đường kính nguyên tử) thì có sự lặp lại nào đó trong sự phân

bố nguyên tử. Thường gặp cấu trúc này trong thủy tinh, cao su.

18

Cấu trúc đơn tinh thể

Cấu trúc đa tinh thể

19

1.2.3.3 Phân loại theo quá trình công nghệ và thành phần hóa

• Vật liệu kim loại và hợp kim

• Vật liệu polyme

• Vật liệu gốm sứ

• Vật liệu composit

20

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Chương 1: Mở đầu - Lê Văn Thăng