Đại cương về vật liệu học - Lê Qúy Dũng

8/11/2019 Đại cương về vật liệu học - Lê Qúy Dũng

http://slidepdf.com/reader/full/dai-cuong-ve-vat-lieu-hoc-le-quy-dung 1/86

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

--oOo--

VẬT LIỆU HỌC NGÀNH HÓA

Chƣơng 1

ĐẠI CƢƠNG VỀ VẬT LIỆU HỌC

GV: Lê Quý Dũng

Học kỳ 2

Năm học 2011 - 2012



Giới thiệu môn học

21 February 2012Vật liệu học - Lê Quý Dũng 2



Mục tiêu môn học

• 1. Các khái niệm, nguyên lý chung, cơ sở của vật chất

nói chung cũng như một số loại vật liệu nói riêng

• 2. Nguyên tắc, công dụng của một số phương pháp vậtlý thông dụng ứng dụng trong khảo sát tính chất vật liệu


Có cái nhìn khái quát về vật liệu học



Phân bố chương trình

• 1. Đại cương về vật liệu học

• 2. Vật liệu kim loại• 3. Vật liệu polymer

• 5. Vật liệu nano

• 6. Một số phương pháp xác định cấu trúc và hình tháivật liệu




Tài liệu tham khảo chính

• Slides bài giảng Vật liệu họcnăm 2011 – 2012

• Sách: Materials Chemistry

của Bradley D. Fahlman,second edition

• Sách: Vật liệu học của B. N. Arzamaxov do Nguyễn Khắc

Cường (chủ biên) biên dịch.

• Giáo án Vật liệu học củathầy Hà Văn Hồng




Kế hoạch thi và phân bố điểm

Điểmtiểu luận

20%

Điểmgiữa kỳ

20%

Điểm thihọc kỳ

60%

Điểmmôn học


• Đề tài giảng viên đưa hoặc nhóm tự chọn (cộng1 điểm)

• Lớp trưởng phân lớp thành 14 nhóm, bầu nhómtrưởng, gởi danh sách về cho thầy vào buổi họcthứ 2



Vật liệu học ngành hóa

Chương 1: Đại cương về vật liệu học




Chương 1: Đại cương về vật liệu học

• 1. Sự cần thiết phát triển vật liệu mới

• 2. Các loại liên kết trong vật chất• 3. Các trạng thái tự nhiên của vật chất

• 4. Đại cương về tinh thể học

• 5. Một số tính chất cơ bản của vật liệu




1.1. Sự cần thiết phát triển vật liệu mới


Các thời kỳ của lịch sử được đặt tên theo loại vật liệuchính sử dụng trong thời kỳ đó




• Một ví dụ cụ thể về vật liệu: TiO2

• Chất bột rắn màu trắng, khôngtan trong nước

• Thường được biết tới dưới dạngbột màu (trắng)

• Tính chất đặc biệt: khả năng xúctác quang hóa





• Sử dụng như một chấtchống ô nhiễm nhờ vào khảnăng xúc tác quang hóa dịthể (phản ứng xúc tác xảy ra

trên bề mặt của chất xúctác).

• Xúc tác quang hóa: phảnứng xúc tác xảy ra khi có

mặt ánh sáng và sự tiếp xúccủa xúc tác với tác chất





• Ứng dụng tính chất xúc tácquang hóa: Phân hủy Nox,khử mùi, khử trùng, xử lýnước, diệt khuẩn…

• Vật liệu ứng dụng: Gạch tựdiệt khuẩn, sơn tự làm sạch


«Hãy hình dung một bệnh viện với các buồng bệnh trắng tinh, vô trùng mà không cần nhân

công lau chùi; cửa kính trong suốt không hề

bám bụi, mọc nấm; quần áo mặc không cần giặt ... Điều đó không viễn tưởng mà hoàn toàn

có cơ sở khoa học dựa trên vật liệu nano oxit

titan.





KIM LOẠI

VẬT LIỆUBÁN DẪN

VẬT LIỆUSIÊU DẪN

VÔ CƠ

HỮU CƠ

VẬT LIỆUSILICON

composite

Một số loại vật liệu cơ bản

Sự tìm ra vật liệu mớisẽ kéo theo sự phát

triển đời sống của xãhội

Tất yếu cho sự pháttriển của xã hội



1.2. Các trạng thái và liên kết trong chất





• Coi lại giáo trình hóa học 1 • Do tương quan giữa các tiểu phân (phân tử, nguyên tử) trongchất

• Khí: động năng >> thế năng

• Lỏng: động năng và thế năng chênh lệch nhau không quá

nhiều • Rắn: thế năng >> động năng






Liên kết kim loại

Xem lạigiáo trìnhhóa học 1



1.3. Đại cương về tinh thể học






Ví dụ sự tạo thành tinh thể NaCl từ Na và Cl2 nguyên chất




• Sự khác biệt giữa chất rắn tinh thể và chất rắn vô định hình


Phân tử gồm các tiểu phân xắp xếp tuần hoàn Phân tử gồm các tiểu phân xắp xếp không tuầnhoàn Có nhiệt độ nóng chảy xác định Chỉ có khoảng nóng chảy mà không có nhiệt độnóng chảy xác định




• Tinh thể là tập hợp các nguyên tử, phântử hay ion được sắp xếp có trật tự tạothành một cấu trúc nhất định có tínhtuần hoàn.

• Các vật thể rắn trong thiên nhiên hầuhết đều có cấu trúc tinh thể. Thể khí,lỏng hay chất rắn vô định hình cũng cóthể chuyển thành tinh thể ở các điều

kiện thích hợp.





• Đồng chất: tại mọi điểm trong tinh thểđều có tính chất vật lý và hoá học nhưnhau.

• Dị hướng.

• Có thể tự hình thành nên các tinh thể đadiện. • Có nhiệt độ nóng chảy xác định. • Có tính đối xứng: khi có các biến đổi

hình học thì các điểm, đường, mặt tựtrùng lặp lại như cũ.

• Gây ra hiệu ứng nhiễu xạ đối với tia Xvà chùm tia điện tử.





Cách biểu diễn một mạng tinh thể:như hình bên

Nút mạng: biểu diễn những tiểu phântạo thành cấu trúc tinh thể

Đường thẳng: thể hiện liên kết giữacác nút mạng

Ô mạng cơ sở : là ô mạng khi tịnh tiến3 phương trong không gian sẽ tạothành mạng tinh thể




ề ể




• Phân biệt đơn tinh thể và đa tinh thể


Đa tinh thể

Đơn tinh thể Đa tinh thể gồm các đơn tinh thể dính liềnvới nhau tại biên của mỗi biên tinh thể

ề ể




• Mỗi một ô mạng cơ sở đặc trưngbởi các thông số cạnh a, b, c, và cácgóc α, β, γ

• Cấu trúc của ô mạng cơ sở đặctrưng cho cấu trúc của mạng tinhthể, có 7 kiểu mạng tinh thể khác

nhau


ề ể





ề h hể h




• Từ 7 kiểu ômạng cơ sở,ta có 14 ômạng tinh thể

khác nhau


1 Đ ề h hể h





Mậ độ ê ử ô ở



Mật độ nguyên tử ô mạng cơ sở

• ậ độ ô ạ =ℎể íℎ ể ℎâ ℎế

ℎể íℎ ô ạ ơ ở






1.4. Mặt mạng tinh thể - chỉ số hkl (chỉ số Miller) • Để xác định mặt phẳng tinh thể trong cấu trúc lập

phương, thường sử dụng chỉ số Miller • Định nghĩa: chỉ số Miller là đại lượng nghịch đảo giao

điểm phân số của mặt tinh thể cắt trên trục tinh thể x, y,z của ba cạnh không song song của ô cơ bản lập

phương • Cạnh lập phương của ô cơ bản là đơn vị đo chiều dài và

vị trí cắt của mặt tinh thể được đo theo thành phần củachiều dài đơn vị này



Chỉ số Miller (h,k,l) (mặt phẳng tinh thể)

• Tìm giao điểm của mặt phẳng trên 3 trục

• Xác định độ dài đoạn thẳng từ gốc toạ độ đến các giaođiểm

• Lấy giá trị nghịch đảo của các đoạn thẳng

• Quy đồng mẫu số Lấy các giá trị của tử số

• Ký hiệu bằng ba chữ h, k, l tương ứng 3 trục x, y, z

• Số âm được viết bằng 1 gạch ngang ở đầu



Z

X

Y

(010) (020)

Z

X

Y

Z

X

Y

)010( _

X Y Z

Nghịch đảo

Chỉ số Miller

1. ∞ 1 ∞ 1/ ∞ 1/1 1/ ∞ (0,1,0)

2. ∞ -1 ∞ 1/ ∞ -1/ 1 1/ ∞

3. ∞ 1/2 ∞ 1/ ∞ 2/1 1/ ∞ (0,2,0)

Bài tậ á đị h hỉ ố hkl



Bài tập – xác định chỉ số hkl

Z

X

Y

Z

X

Y

Z

X

Y



Bài tậ á đị h hỉ ố hkl



Bài tập – xác định chỉ số hkl



Ứ d ủ hỉ ố hkl



Ứng dụng của chỉ số hkl

• Hai ứng dụng quan trọng

o 1. Tính toán khoảng cách giữa các mặt mạng có cùng chỉ số hkl

o 2. Từ phổ nhiễu xạ tia X, xác định các mặt cho nhiễu xạ, từ đó có thể xác địnhđược kiểu ô mạng tinh thể (chưa học)

Ứ d ủ hỉ ố hkl



Ứng dụng của chỉ số hkl

• Tính toán khoảng cách giữa các mặt mạng có cùng chỉ số hkl



Bài tậ



Bài tập

• Xác định chỉ số Miller của mặt mạng

tinh thể trên • Tính toán khoảng

cách giữa những mặt

mạng có cùng chỉ số hkl đó

Bài tậ hỉ ố Mille



Bài tập chỉ số Miller

1

() = (6 + 3 + 2)

1

() =

49

Bài tập độ đặc khít của ô mạng lập phương



Bài tập độ đặc khít của ô mạng lập phương

Ví dụ iải t ườ hợ lậ hươ đơ iả



Ví dụ: giải trường hợp lập phương đơn giản

• Giả sử cạnh của ô mạng cơ sở là a • R là bán kính nguyên tử = a/2

• Số nguyên tử trong 1 ô mạng cơ sở =1/8 * 1 = 1

• Thể tích ô mạng cơ sở = a3

• Thể tích chiếm bởi các nguyên tử

=4

3 =

4

3(

2) =

6

• Mật độ ô mạng

=

6

. 100% =

6. 100% =

3,14

6. 100% = 52,3 %



Khối lượng riêng

-khối lượng riêng m- khối lượng của các nguyên tử

(phân tử, ion) thuộc về một ô cơ sở

V-thể tích của ô cơ sở

M-khối lượng mol NA = 6.602.1023 số Avogadro

nv

- số ng.tử thuộc một ô cơ sở

Vm

V . N

n.M

A

v

Bài tập



Bài tập

• 1. Sắt alpha kết tinh theo mạng lập phương tâm khối .

Xác định bán kính của nguyên tử Fe trong sắt alpha biết tỉ trọng của nó bằng 7,86 g/cm3. Cho Fe = 55,8 g/mol

Bài tập



Bài tập

• 2. Bán kính của nguyên tử Na bằng 0,190 nm.

Tính tỉ trọng của Na kim loại (mạng lập phương tâmkhối). Cho Na = 23,0 g/mol

• 3. Cu kim loại kết tinh theo mạng lập phương tâm diện. Tỉ trọng của nó bằng 8,96. Tính bán kính nguyên tử củaCu.

Cu = 63,5 g/mol

Bài tập



Bài tập

• 4. Tỉ trọng của NaCl bằng 2,165.

Tính tổng bán kính của 2 ion Na+ và Cl-MNaCl = 58,44 g/mol.

• 5. Cho thông số mạng tinh thể của 2 dạng thù hình của Fe: - Fe alpha: lập phương tâm khối; a = 0,286 nm. - Fe gamma: lập phương tâm diện; a = 0,356 nm. Tính bán kính nguyên tử và tỉ trọng của Fe trong mỗi trườnghợp. Fe = 55,8 g/mol

• 6. Bán kính nguyên tử của C là r = 0,077 nm.

Tính tỉ trọng và độ đặc khít của kim cương. C = 12,01 g/mol.

1 5 Sai khuyết trong tinh thể



1.5. Sai khuyết trong tinh thể

Khuyết tật Frenkel :

Cation rời nút mạng Vị trí xen kẽ=> Cặp: N.trống (+) & N.tử xen kẽ (+) Khuyết tật Schotky :

Cation và Anion rời nút mạng Vị trí mặt ngoài=> Cặp nút trống: N.trống (+) & N.trống (-)

Khuyết tật Shottky

Khuyết tật Frenkel





Khuyết tật tạo bởi hợp chất không tương hợp Điều kiệnIon có nhiều hóa trị

Ví dụ : FeO Fe : Fe2+ & Fe3+

Fe3+ thay thế Fe2+ &

tạo thêm lỗ trống cation





Khuyết tật tạo bởi tạp chấtTạp chất

D.dịch rắn thay thế (hoặc d.dh rắn xen kẽ)

Điều kiện: K.thước : giống nhau

Điện tích : giống nhau Trung hòa điện



1 6 Một số tính chất cơ bản của vật liệu



1.6 Một số tính chất cơ bản của vật liệu

• Tính chất vật lý

• Tính chất hóa học

• Tính chất cơ học

1 6 1 Tính chất vật lý



1.6.1. Tính chất vật lý

• Tính chất điện

• Tính chất từ

• Tính chất nhiệt

• Tính chất quang

1 6 1 1 Tính chất điện



1.6.1.1. Tính chất điện

• Mô hình dải năng lượng

• Khái niệm về dẫn điện • Dẫn điện của vật liệu kim loại

• Dẫn điện của vật liệu bán dẫn

• Dẫn điện của vật liệu vô cơ

• Dẫn điện của vật liệu hữu cơ

• Tính chất điện môi của vật liệu

Mô hình dải năng lượng



Mô hình dải năng lượng

• Thuyết MO: ví dụ H2 và N2

• Do 2 nguyên tử cùng loại gần nhau liên kết với nhau • Tạo ra 1 MO liên kết có năng lượng thấp

• 1 MO phản liên kết có năng lượng cao

• Khoảng cách giữa 2 vùng năng lượng gọi là miền cấm(delta E)

Eplk

Elk



• Hệ nhiều nguyên tử: 3, 4, 5 … N nguyên tử => tương tác

sẽ tạo ra được N/2 MO liên kết và N/2 MO phản liên kết • N càng lớn sẽ làm cho khoảng cách delta E càng nhỏ,

tạo thành một dải năng lượng

• Miền cấm delta E

o Kim loại: rất nhỏ hay = 0 eV o Chất bán dẫn: 0,1 tới 3,0 eV

o Chất cách điện: > 3 eV

E



E

Dải năng lƣợng của các MO

AO

MO-PLK

14/2 = 7

MO-LK

14/2 = 7

N=14 (nhỏ)

AO

N= vô cùng lớn

D ả i n ă n gl ƣ ợn

g c ủ a NM O

MO-LK

N/2

MO-PLK

N/2

Khái niệm về sự dẫn điện



Khái niệm về sự dẫn điện

• Là sự chuyển động của các điện tử tự do theo một

hướng nào đó dưới tác dụng của điện trường

Dẫn điện của vật liệu kim loại



Dẫn điện của vật liệu kim loại

• Vùng hóa trị vàvùng dẫn liền kềnhau

• Chỉ cần một kíchthích nhẹ

• Electron vùng hóatrị chuyển lên vùngdẫn và chuyểnđộng tự do

• Xuất hiện sự dẫnđiện khi đặt trongđiện trường

Vật liệu kim loại Độ dẫn điện, (Ωm)-1

Bạc (Ag) 6.8.107

ĐồngCu) 6.0.107

Vàng (Au) 4.3.107

Nhôm (Al) 3.8.107

Sắt (Fe) 1.0.107

Đồng thau (70Cu-30Zn) 1.6.107

Thép cacbon 0.6.107

Thép không gỉ 0.2.107

Bán dẫn tinh khiết




• Bán dẫn tinh khiết thường gặp là: Si, Ge, C,…

• Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 • Ở nhiệt độ thấp, gần 0 K, các electron hóa trị gắn bó

chặt chẽ với các nguyên tử ở nút mạng. Do đó SiKhông có các electron tự do

• Khi nhiệt độ tăng cao làm xuất hiện các cặp electron – lỗtrống. Số electron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiếtbằng nhau

• Khi có điện trường đặt vào chất bán dẫn các electron

chuyển động ngược chiều điện trường, các lỗ trốngchuyển động cùng chiều điện trừơng, gây nên dòng điệntrong chất bán dẫn.





Bán dẫn tạp



Bán dẫn tạp

• Bán dẫn có tạp chất thường gặp là: GaAs, CdTe, ZnS…,

nhiều ôxit, sunfua, selenua, telurua…, và một số chấtpolime.

• Nếu bán dẫn Silic có pha tạp chất, tức là ngoài cácnguyên tử Silic, còn các nguyên tử khác, thì tính dẫn

điện của bán dẫn thay đổi rất nhiều. • Bán dẫn có tạp chất được chia làm 2 loại: bán dẫn loại nvà bán dẫn loại p.

Bán dẫn tạp chất N



Bán dẫn tạp chất N

• Giả sử trong mạng tinh thểSilic có lẫn một nguyên tửphôtpho (P).P:1s22s22p63s23p3 . Electron

dư trong nguyên tử Phôtpho

liên kết yếu với nguyên tửPhôtpho. Mô hình mạng tinhthể bán dẫn có tạp chất P

• Electron dư thừa dễ dàng

tách ra khỏi nguyên tử

Bán dẫn tạp chất P



Bán dẫn tạp chất P

• Giả sử trong mạng tinh thể Silic

có lẫn một nguyên tử Bo (B). • B:1s22s22p63s23p1 . Lỗ trống tạo

nên do nguyên tử Bo thiếu 1electron liên kết với 1 nguyên tửSilic lân cận. Mô hình mạng tinhthể bán dẫn có tạp chất B

• Một electron ở liên kết gần đó cóthể chuyển đến lấp đầy liên kếttrống này và tạo thành 1 lỗ trốngmới.

• Như vậy, bằng cách chọn loại

tạp chất và nồng độ tạp chất phavào bán dẫn, người ta có thể tạora bán dẫn thuộc loại mongmuốn. Đây chính là tính chất rấtđặc biệt của bán dẫn, khiến chonó có nhiều ứng dụng

Dẫn điện của vật liệu vô cơ




• Các hợp chấtvô cơ nhưmuối, oxit…cóthể có nhiều

hình thức dẫn.Nói chung đạiđa số là nhữngchất dẫn điệnkém vì chiềurộng của kheEg khá lớn.

Các hợp chất Các hợp chất Các hợp chất

AIBVII Eg(ev) AIIBVI Eg(ev) AIIIBV Eg(ev)

LiF

NaF

LiCl

NaCl

NaBr

KF

KCl

KBr

KI

11

12.5

9.5

8.5

7.5

11

8.5

7.5

5.8

ZnO

ZnS

ZnSe

ZnTe

CdO

CdS

SdSe

CdTe

PbS

PbSe

PbTe

3.4

3.8

2.8

2.4

2.3

2.45

1.8

1.45

0.37

0.27

0.33

AIP

AlAs

AlSb

GaP

GaAs

GaSb

InP

InSb

3.0

2.3

1.5

2.3

1.4

0.7

1.3

0.2

2.2

3.1





• Dẫn điện không cao như kim loại hay chất dung dịchđiện giải nhưng hình thức dẫn rất phong phú . Tùy theođiều kiện có thể chuyển từ hình thức dẫn này sang hìnhthức dẫn khác . Tùy theo cấu trúc tinh thể , cấu hình cácđám mây điện tử mà vật liệu vô cơ có thể dẫn như một

kim loại,có thể dẫn như bán dẫn kiểu n hay p

Sự dẫn điện của vật liệu hữu cơ



Sự ẫ iệ ủa ậ iệu ữu ơ

• Đa số các vật liệu hữu cơ sử dụng là chất cách điện, vì

Eg rất lớn, hầu như vùng dẫn không có điện tử tự do vìcác điện tử liên kết bền với nguyên tử trong mạchpolymer.




ự ệ ậ ệ

• 2 loại chính: Polymer dẫn điện (học) và polymer dẫn ion

(không học) • Polymer dẫn điện

• Ảnh hưởng của phụ gia: Chế tạo và vật liệu hữu cơngòai polymer có các chất phụ gia: nếu phụ gia là bột có

độ phân tán cao như kim loại bột hay grafit thì độ dẫnđiện phụ thuộc vào tính chất và khối lượng chất phụ gia.Bản chất dẫn điện của vật liệu hữu cơ là do phụ gia, cònpolymer chỉ là chất mang

• Ví dụ, nilon 6/6 khi phụ gia sợi carbon.




ự ệ ậ ệ

• Ngoài ra: Polymer có các dạng liên kết : C-C,C-

H,C=C,CC,liên kết vòng,liên kết với các hợp chất có độâm điện khác nhau.Các dạng liên kết trong mạchpolymer tồn tại phổ biến là liên kết σ và liên kết pi.

• Liên kết σ là liên kết C-C,C-H :các điện tử đều bị chiếmgiữ hòan tòan,nghĩa là không có điện tử tự do nhảy lên

miền dẫn. • Còn liên kết π là dạng liên kết ít bền vững hơn và xuất

hiện không nhiều các điện tử tự do nằm ở miền dẫn. • Các đồng phân khác nhau cũng sẽ có độ dẫn điện

khác nhau. • Độ dẫn điện khác nhau do mật độ điện tử tham gia liên

kết và khoảng cách liên kết.



Tính chất vật lýo

Tính dẫn điện o Tính dẫn nhiệt (không học)

o Tính chất từ (không học)

o Tính chất quang

Tính chất hóa học (không học)

Tính chất cơ học (không học)



Tính chất sóng – hạt của ánh sáng



g ạ g

• Ánh sáng truyền đi trong không gian với vận tốc c, bước

sóng lamda • Khi đó c= lamda x v



Tương tác của ánh sáng với vật rắn



g g ậ

• Ta gọi R: độ phản xạ

• A: độ hấp thụ • T: độ truyền qua

• R = max vật thể màu trắng

• A = max vật thể màu đen

• T = max vật thể trong suốt o A khác 0, truyền qua và phát xạ => có màu

o A = 0, truyền qua và khúc xạ => đục mờ

Thuyết lượng tử của Plăng



Thuyết lượng tử của Plăng

• Nếu dùng nguồn sóng điện từ (ví dụ ánh sáng mặt

trời) chiếu rọi vào các phân tử, nguyên tử làm cho chúngtừ trạng thái cơ bản chuyển sang trạng thái kích thích,thì khi chúng từ trạng thái kích thích này trở về trạng tháicơ bản, năng lượng thu được sẽ trả lại môi trường,thường dưới dạng năng lượng sóng điện từ (bức xạ

điện từ).

• Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ nănglượng điện từ một cách gián đoạn, từng lượng nhỏ một,nguyên vẹn gọi là lượng tử năng lượng (photon).



Tính chất quang học của vật liệu kim loại



• Kim loại hấp thụ được tất cả các tần số của ánh sáng

nhìn thấy bởi vì luôn có những trạng thái điện tử còntrống, cho phép chuyển dời các điện tử



• Trong thực tế các kim loại đều hấp thụ được các sóng

điện từ tần số thấp ( bước sóng dài) của sóng rađio, quatia hồng ngoại, ánh sáng trắng đến tia tử ngoại. Độ phảnxạ của đa phần các kim loại đạt 0.90 -0.95. Một phầnnhỏ năng lượng bức xạ chuyển thành nhiệt. Vì thế đaphần các kim loại có màu trắng đục. Kim loại nhôm (Al)

và bạc (Ag) sau khi hấp thụ ánh sáng trắng phản xạ lạitoàn bộ giải phổ nhìn thấy, nên chúng có màu trắng bạc.Còn kim loại đồng (Cu) và vàng (Au) lại thể hiện hai màuđỏ-da cam và vàng bởi vì một phân năng lượng bức xạcó bước sóng ngắn không được phát lại.

• Các sóng điện từ có tần số cao (tia rơngen và tia )truyền được qua kim loại, làm cho kim loại trong suốt(không màu).

Sự khúc xạ



• Tia sáng truyền tới bề mặt ngoài của vật liệu phi kim,

sau đó bị lệch hướng truyền. Đây là hiện tượng khúc xạ.Kết quả làm giảm tốc độ truyền của ánh sáng trong vậtliệu, làm nó bị đục. Đại lượng đặc trưng cho hiện tượngnày là chỉ số khúc xạ (chiết suất) n

Sự khúc xạ



Vật liệu vôcơ

Chiết suấttrung bình

Vật liệu hữucơ

Chiết suấttrung bình

Thuỷ tinhSiO2

1.46 Polytetrafloet

ylen

1.35

Thuỷ tinh

Na-Ca

1.51 Polyetylen 1.51

Thuỷ tinhPyrex

1.47 Polystyren 1.60

Corunđông(Al2O3)

1.76 Polymetyl

metacrylat

1.49

Periclaz(MgO)

1.74 Polypropylen 1.49

Thạch anh(SiO2)

1.55

Spinen

(MgAl2O4)

1.72

Thuỷ tinh Na-Ca có chiếtsuất 1.51. Thuỷtinh pha lê cóchứa oxyt bari

(BaO) và oxytchì (PbO) làmcho chiết suấttăng lên đáng

kê (chết suất2.10). Do vậythuỷ tinh phalê có tính khúcxạ lớn.

Sự phản xạ



p

• Khi áng sáng đi từ môi trường này sang môi trường

khác, một phần ánh sáng bị phản xạ trở lại trên bề mặtphân chia giữa hai môi trường. Nếu ánh sáng tới chiếuvuông góc với mặt phân cách thì độ phản xạ R đượctính như sau :

• Trong đó n1 và n2 là triết suất của hai môi trường. • Khi ánh sáng chiếu từ không khí vào vật rắn có triếtsuất ns thí độ phản xạ là :

• Như vậy triết suất của vật rắn (ns) càng cao thì độ

phản xạ (R) càng lớn. Chiết suất của vật rắn phụ thuộcvào bước sóng của ánh sáng, do đó độ phản xạ cũngbiến đổi theo bước sóng.

Hấp thụ



p

• Cũng như đường truyền của ánh sáng, nănglượng bức xạ truyền đi phụ thuộc vào đặc tính củamôi trường. Cường độ truyền năng lượng bức xạ( IT’) trong vật liệu giảm liên tục theo chiều dài mànó đi qua:

• Trong đó -cường độ bức xạ năng lượng • -hệ số hấp thụ, mm-1, là đặc trưng của vật

liệu và thay đổi theo bước sóng của nguồn bứcxạ.

• x-chiều dài truyền năng lượng, đo từ tia tới

trên bề mặt vật liệu. • Các vật liệu có giá trị lớn được coi là chất

hấp thụ mạnh.

x

oT

e I I

''



Tính đục và trong mờ



g

• Mức độ trong mờ và đục của các vật liệu điện môi trong suốt phụ thuộc rấtnhiều vào đặc tính phản xạ (tán xạ) bên trong và truyền qua của chúng. • Nhiều vật liệu điện môi vốn là trong suốt trở nên mờ hay đục nhờ phản xạ và

khúc xạ bên trong. Một chum sáng lệch hướng và yếu đi do nhiều lần khúc xạ.Tính đúc sinh ra khi mức độ tán xạ mạnh đến mức không còn một chùm ánhsáng tới nào được truyền qua không bị lệch để tới được mặt sau.

• Sự tán xạ bên trong vật liệu sinh ra do nhiều nguyên nhân khác nhau : cấu trúc,

khuyết tật… • Cấu trúc đa tinh thể làm cho chiết suất các hạt khác nhau. Cả phản xạ và tán xạđều xảy ra trên biên giới hạt làm cho vật liệu trong mờ.

• Tán xạ xảy ra trong các vật liệu hai pha, trong đó một pha với độ phân tán caonằm trong pha kia. Tán xạ chùm tia xảy ra qua miền biên giới pha. Sự sai khácchiết suất giữa hai pha càng lớn thì sự tán xạ càng mạnh.

• Vật liệu gốm có chứa những rỗ xốp. Tán xạ ánh sáng xảy ra rất mạnh tại nơi

này. • Vật liệu polymer nguyên chất (không có phụ gia và tạp chất) thường có mức độkết tinh khác nhau. Polyme bán tinh thể có vùng biên giới tinh thể -vô định hìnhvới chiết suát khác nhau thường bị tán xạ mạnh. Polyme có tỷ lệ kết tinh cao,mức độ tán xạ tăng dẫn đến tính trong mờ, thậm chí bị đục.

• Polyme vô định hình có màu trong suốt.



Hết chương 1

Documents

Đại cương về vật liệu học - Lê Qúy Dũng