BÀI 1:  BÀI MỞ ĐẦU

1.1. Khái niện về vật liệu điện

1.1.1.  Cấu tạo nguyên tử

Mọi vật liệu (vật chất) được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử. Nguyên tử là phân tử cơ bản của vật chất.

Theo mô hình nguyên tử của Bor, nguyên tử được cấu tạo từ hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử (electron e) mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định.

Hạt nhân nguyên tư được cấu tạo từ các hạt proton và nơtron. Nơtron là hạt không mang điện tích, còn proton có điện tích dương với số lượng bằng Z.q

Trong đó:

Z – số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời cũng là so thứ tự của nguyên tố nguyên tử đó trong bảng tuần hoàn Menđêlêep.

q – điện tích của điện tử e (q = 1,6.10^-19culông ). Proton có khối lượng bằng 1,6.10^-27kg, electron (e) có khối lượng bằng 9,1.10^-31kg.

Ở trạng thái bình thường nguyên tử trung hoà về điện, tức là trong nguyên tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng số điện tích âm của các điện tử.

Nếu vì lý do nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tích thì sẽ trở thành điện tích dương, ta gọi là ion dương.

Ngược lại nếu nguyên tử trung hoà nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm.

Để có khái niệm về năng lượng của điện tử ta xét nguyên tử của Hiđrô, nguyên tử này được cấu tạo tử một proton và một 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 f₁ và được xác định bởi công thức sau:

                                       f₁ =                                 ( 1 )

  Lực hút f₁  sẽ được cân bằng với lực ly tâm của chuyển động f₂:

                                                f₂ =                                ( 2 )

Trong đó:

m – Khối lượng của điện tử

v – Tốc độ chuyển động của điện tử

Từ (1) và (2) ta có: f₁ = f₂ hay

                                    =                              ( 3 )

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

u = -, nên năng lượng của điện tử bằng:

                   W = T + U = -                 ( 4 )

Biểu thức (4) ở trên chứng tỏ mỗi điện tử của nguyên tử có một mức năng lượng nhất định, năng lượng này tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử.

Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính ra xa vô cùng cần phải cung cấp cho nó một năng lượng lớn hơn bằng .

Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời ra khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do người ta gọi là năng lượng ion hoá (W_i).

Khi bị ion hoá (bị mất điện tử), nguyên tử trở thành ion dương. Quá trinh biến nguyên tử trung hoà thành ion dương và điện tử tự do gọi là quá trình ion hoá.

Trong một nguyên tử, năng lượng bị ion hoá của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử hoá trị ngoài cùng có mức năng lượng ion hoá thấp nhất vì chúng cách xa hạt nhân.

Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hoá 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 ở 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 ion hoá và năng lượng kích thích nguyên tử 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 , ,  hay tia Rơnghen…

1.1.2 Cấu tạo phân tử

1.1.2.1 Liên kết đồng hoá trị

Liên kết đồng hoá trị được đặc trưng bởi sự dùng chung các điện tử của các nguyên tử trong phân tử.

Khi có mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hoà, lên kết phân tử bền vững.

Lấy cấu trúc phân tử clo làm ví dụ. Phân tử clo (Cl₂) gồm 2 nguyên tử clo, mỗi nguyên tử clo có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử ở lớp hoá trị ngoài cùng.

Hai nguyên tử này được liên kết bền vững với nhau bằng cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử của nguyên tử kia.

1.1.2.2. Liên kết ion

Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử.

Liên kết ion là liên kết là liên kết khá bền vững. Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao.

Ví dụ: Điển hình về tinh thể ion là các muối halogen của các kim loại kiềm.

Khả năng tạo nên một chất hoặc hợp chất mạng không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dạng lớp điện tử hoá trị ngoài cùng.

* Liên kết kim loại

Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn. Kim loại được xem như là một hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do.

Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Chính vì vậy liên kết kim loại là loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. 

Lực hút giữa các ion dương và các điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim loại.

Sự tồn tại của 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 lên nhau giữa các lớp ion, cho nên kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng.

Một Số Dạng Tinh Thể Của Kim Loại.

-  Mạng lập phương tâm khối

-   Mạng lập phương tâm mặt

-  Mạng lục giác xếp chặt

1.1.3 Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn

Các tinh thể vật rắn có thẻ có kết cấu đồng nhất. Sự phá huỷ các kết cấu đồng nhất và tạo nên các khuyết tật trong vật rắn thường gặp nhiều trong thực tế.

Những khuyết tật có thể được tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình công nghệ chế tạo vật liệu.

Khuyết tật của vật rắn là bất kỳ hiện tượng nào phá vỡ tính chất chu kỳ của trường tĩnh điện mạng tinh thể như: phá vỡ thành phần hợp thức; sự có mặt của các tạp chất lạ; áp lực cơ học; các lượng tử của dao động đàn hồi – phônôn; mặt tinh thể phụ – đoạn tầng; khe rãnh, lỗ xốp…

Khuyết tật sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ – lý – hoá và các tính chất về điện của vật liệu. Khuyết tật có thể tạo nên các tính năng đặc biệt của tốt ( ví dụ: vi mạch IC…) và cũng có thể làm cho tính chất của vật liệu kém đi ( Ví dụ: vật liệu cách điện có lẫn kim loại )

1.1.4.  Lý thuyết về vùng năng lượng

Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại vật liệu thành các nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn và điện môi (cách điện )

Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau ở trạng thái khí khi các nguyên tử cách xa nhau một khoảng cách lớn chỉ rõ rằng nguyên tử của mỗi chất được đặc trưng bởi những vạch quang phổ hoàn toàn xác định.

Điều đó chứng tỏ rằng các nguyên tử khác nhau có những trạng thái năng lượng hay mức năng lượng khác nhau.

Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường không bị kích thích, một số trong các mức năng lượng bị nguyên tử lấp đầy, còn các mức năng lượng khác điện tử chỉ có thể có mặt khi các nguyên tử nhận được năng lượng tử 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.

Những điều nói trên được đặc trưng bởi biểu đồ năng lượng. Khi chất khí hoá lỏng và sau đó tạo nên mạng tinh thể của vật rắn, các nguyên tử nằm sát nhau, tất cả các mức năng lượng của nguyên tử bị dịch chuyển nhẹ do tác động của các nguyên tử bên cạnh tạo nên một dải năng lượng hay còn gọi là vùng các mức năng lượng.

Do không có năng lượng chuyển động nhiệt nên vùng năng lượng bình thường của các nguyên tử ở vị trí thấp nhất và được gọi là vùng hoá trị hay còn gọi là vùng đầy ( ở 0⁰K các điện tử hoá trị của nguyên tử lấp đầy vùng này ).

Những điện tử tự do có mức năng lượng hoạt tính cao hơn, các dải năng lượng của chúng tập hợp thành vùng tự do hay vùng điện dẫn  

1.2. Phân loại vật liệu điện

1.2.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện

  Trên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện ( điện môi ), bán dẫn và dẫn điện.

a.     Điện môi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện thường sự dãn điện bằng điện tử không xảy ra.

Các điện tử hoá trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của sự chuyển  động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn.

Chiều rộng vùng cấm của điện môi W nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài điện tử vôn ( eV ).

b.Bán dẫn: Là chất có vùng cấm hẹp hơn nhiều so với điện môi, vùng này có thể thay đổi nhờ tác động năng lượng bên ngoài.

Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé (W = 0,2 – 1,5eV ), do đó ở nhiệt độ bình thường một số điện tử hoá trị ở trong vùng đầy được tiếp sức của chuyển động nhiệt có thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn.

c. Vật dẫn: Là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy thậm chí thể nằm chồng lên vùng đầy (W < 0,2eV ).

Vật dẫn điện có số lượng điện tư  tự do rất lớn; ở nhiệt độ bình thường các điện tử tự do trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng của lực điện trường các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn. Chính vì vậy vật dẫn có tính dẫn điện tốt.

1.2.2.  Phân loại vật liệu theo từ tính

a. Nghịch từ: Là những chất có mật độ từ thẩm  < 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài.

Loại này gồm có Hidro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, muối mỏ và các kim loại như: đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, gali, atimoan.

 b. Thuận từ: Là những chất có độ từ thẩm  > 1 và cũng không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. Loại này gồm có oxy, nitơ oxit, muối đất hiếm, muối sắt, các muối coban và niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim.

 c. Chất dẫn từ: Là các chất có  > 1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Loại này gồm có: sắt, niken, coban, và các hợp kim của chúng; hợp kim crom và mangan, gađolonit, pherit có các thành phần khác nhau.

1.3. Tính chất của vật liệu.

1.3.1.  Cơ tính

Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kim chịu được tác động của của các loại tải trọng. Những đặc trưng đó là:

a. Độ bền

Là khả năng của vật liệu chịu được tác động của ngoại lực mà không bị phá huỷ. Độ bền được ký hiệu bằng chữ s ( xích ma )

Tuỳ theo dạng khác nhau của ngoại lực ta có các độ bền : độ bền kéo (s_k); độ bền uốn (s_u ); độ bền nén (s_n ).

Khi chế tạo ra một loại vật liệu, độ bền được xác định ngay trong phòng thí nghiệm theo các mẫu ứng với các tải trọng động khác nhau.

b. Độ cứng

Là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng lên kim loại thông qua vật nén.

Nếu cùng một giá trị lực nén, vết lõm biến dạng trên mẫu đo càng lớn, càng sâu thì độ cứng của mẫu kim loại đó càng kém.

Đo độ cứng là phương pháp thử đơn giản và nhanh chóng để xác định tính chất của vật liệu mà không cần phá hỏng chi tiết.

Độ cứng có thể đo nhiều phương pháp nhưng đều dùng tải trọng nén thông qua một viên bi bằng thép đã nhiệt luyện cứng hoặc mũi kim cương hình nón hoặc hình chóp ép lên bề mặt vật liệu muốn thử, đồng thời xác định kích thước vết lõm in trên mặt vật liệu đó.

c. Độ giãn dài tương đối

Là tỷ lệ tính theo phần trăm giữa lượng giãn dài sau khi kéovà chiều dài ban đầu, được ký hiệu là d%.

Trong đó: L₁ và L₀ – độ dài mẫu trước và sau khi kéo tính cùng đơn vị đo (mm). Vật liệu có độ giãn dài càng lớn thì vật liệu đó càng dẻo và ngược lại.

d. Độ dai va chạm

Có những chi tiết máy khi làm việc phải chịu các tải trọng tác dụng đột ngột (hay gọi là tải trọng va đập).

Khả năng chịu đựng của vật liệu bởi các tải trọng đómà không bị phá huỷ gọi là độ dai va chạm. Ký hiệu của nó là a_k (J/mm² hoặc KJ/m² ).

e. Độ bền mỏi

Giới hạn bền mỏi là chỉ tiêu cơ tính quan trọng để đánh giá khả năng làm việc của chi tiết dưới tải trọng thay đổi như trục, bánh răng, lò xo

Như chúng ta đã biết, ứng suất cang lớn số chu trình chịu đựng được của chi tiết càng nhỏ.

Giới hạn mỏi được đánh giá bởi ứng suất lớn nhất tại đó mẫu chịu đựng được tới 10⁷ chu kỳ mà theo kinh nghiệm thì sau đó rất ít khi bị phá huỷ.

Từ cơ chế phá huỷ mỏi ở trên người ta đã áp dụng các biện pháp sau để nâng cao giới hạn mỏi.

Tạo nên trên lớp bề mặt lớp ứng suất nén dư. Vết nứt mỏi thường xuất hiện trên bề mặt do ứng suất kéo tại đó là lớn nhất.

Nếu ở đó có ứng suất nén dư (có sẵn ) thì ứng suất kéo tác dụng thực tế sẽ giảm đi, nhờ đó sẽ hạn chế được vết nứt.

Có thể tạo nên ứng suất nén dư trên bề mặt bằng cách phun bi, lăn ép, va đập, tôi bề mặt và hoá nhiệt luyện.

Nâng cao độ bền tức là khả năng cản trượt do đó khó sinh ra vết nứt mỏi đầu tiên, nhờ đó nâng cao được giới hạn mỏi.

Tạo cho bề mặt có độ bóng cao, không có rãnh, lỗ, tránh tiết diện thay đổi đột ngột.

1.3.2. Lý tính

Là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hoá học của kim loại đó không thay đổi.

Lý tính cơ bản của kim loại bao gồm: khối lượng riêng , nhiệt độ nóng chảy , tính giãn nở, tính dẫn nhiệt, tính ddndieenj và từ tính.

a. Khối lượng riêng

Là khối lượng của 1cm³ vật chất. Nếu gọi m là khối lượng của vật chất, V là thể tích của vật chất, g là khối lượng riêng của vật chất thì ta có công thức:

                                                        g = m/V (g/cm³)

Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật rất rộng rãi, nó không những có thể dùng để so sánh kim loại nặng nhẹ để tiện việc lựa chọn vật liệu mà còn dùng để giải quyết một số công việc trong thực tế.

Chẳng hạn như khi những vật lớn như thép đường ray, thép định hình rất khó có thể cân được khối lượng nhưng vì biết được khối lượng riêng và có thể đo kích thước mà tính ra thể tích nên có thể không cần cân chỉ dùng công thức để tìm ra khối lượng riêng của chúng.

b. Nhiệt độ nóng chảy

Nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ nung nóng đến đó thì làm cho kim loại từ thể rắn sang thể lỏng. Chẳng hạn như sắt nguyên chất chảy ở nhiệt độ 15390C. Điểm chảy của gang là 1130 – 13500C. Điểm chảy của thép là 1400 – 15000C.

Đối với gang và thép thì nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào hàm lượng cacbon có trong thép và gang.

Tính chát này thì rất quan trọng đối với công nghiệp chế tạo cơ khí, trong công nghệ hàn vì chúng ta nắm được nhiệt độ nóng chảy của từng loại vật liệu mà chúng ta có thể điều chỉnh được trong quá trình sản xuất cũng như quá trình hàn và cắt kim loại.

c.Tính giãn nở

Là khả năng giãn nở của kim loại khi nung nóng. Độgiãn nở lớn hay bé phụ thuộc vào sự biểu thị bằng hệ số giãn nở trên chiều dài của đơn vị  (1mm ) gọi là hệ số giãn nở theo chiều dài .

Ví dụ như hệ số giãn nở theo chiều dài của sắt nguyên chất là 0.0000118 và của thép là 0.0000120.

d.Tính dẫn nhiệt

Là khả năng dẫn nhiệt của kim loại. Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim không giống nhau.

Ví dụ như gang và thép có tính dẫn nhiệt tốt nhưng còn kém xa so với đồng và nhôm. Nếu lấy hẹ số dẫn nhiệt của bạc là 1 thì của đồng là0.9; nhôm 0.5; sắt chỉ có 0.15.

e. Tính dẫn điện

Là khả năng truyền dòng điện của kim loại. Kim loại đều là vật dẫn điện tốt, nhất là bạc sau đó đến đồng và nhôm nhưng do bạc rất đắt tiền nên trong kỹ thuật chúng ta thường sử dụng đồng và nhôm.

Nhìn chung hợp kim có tính dẫn điện kém hơn so với kim loại.

g. Từ tính

Là khả năng dẫn từ của kim loại. Những vật liệu có khả năng từ tính rất cao đó là sắt, niken, coban và hợp kim của chúng.

1.3.3. Hoá tính

Là độ bền của kim loại đối với những tác dụng của những chất khac như: ô xy, nước, áxit …mà không bị phá  

a. Tính chịu ăn mòn

Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trường xung quanh

b.Tính chịu nhiệt

Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của ô xy trong không khí nhiệt độ cao hoặc đối với tác dụng ăn mòn của một vài thể lỏng hoặc thể khí ở nhiệt độ cao.

c. Tính chịu axít

Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của a xít

1.3.4. Tính công nghệ

Là khả năng thay đổi trạng thái của kim loại, hợp kim, tính công nghệ bao gồm các tính chất sau:

a. Tính đúc

Được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co và tính thiên tích.

Độ chảy loãngbiểu thị khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim. Nếu độ chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt.

b. Tính rèn

Là khả năng biến dạng vĩnh cữu của kim loại khi chịu tác dụng của ngoại lực để tạo thành hình dạng của chi tiếtmà không bị phá huỷ.

Thép có thép có tính rèn cao khi nung ở nhiệt độ phù hợp vì tính dẻo tương đối lớn. gang không có khả năng rèn vì tính giòn cao.

Đồng, chì, có khả năng rèn tốt ngay ở tràng thái nguội của chúng.

c. Tính hàn

Là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử hàn khi được nung nóng sơ bộ chỗ mối hàn đến trạng thái chảy hay dẻo.