Chương 9
VẬT LIỆU VÔ CƠ CERAMIC
9.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU VÔ CƠ.
9.1.1 Ðịnh nghĩa và phân loại.
 Ðịnh nghĩa.
Vật liệu vô cơ được tạo thành từ các hợp chất hóa học của các nguyên tố kim loại kết
hợp với các nguyên tố khác khộng phải là kim loại hoặc được tạo thành từ các hợp chất hóa
học của các nguyên tố không phải là kim loại kết hợp với nhau.
Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học của Menđêêép, có tới 75% các nguyên tố
hóa học tham gia cấu tạo nên vật liệu vô cơ. Hình 9.1 trình bày sơ đồ các nguyên tố hóa học
chính và những khả năng kết hợp giữa chúng để tạo nên vật liệu vô cơ.
Hình 9.1 Sơ đồ biểu diễn các nguyên tố hóa học chính
và những khả năng kết hợp giữa chúng để tạo nên vật liệu vô cơ.
Theo sơ đồ, một kim loại nào đó có thể kết hợp với bo để tạo nên borít, kết hợp với nitơ
để tạo ra nitrít, kết hợp với ô xy để tạo ra ôxýt, kết hợp với silic để tạo ra silixit. Tương tự như
trên ta co thế xuất phát từ nguyên tố bo hay nguyên tố silíc v.v. Sự kết hợp trên làm cho vật
liệu vô cơ rất phong phú và đa dạng về thành phần hóa học cũng như vê tính chất của chúng.
Các dạng hợp chất hóa học thường gặp trong vật liệu vô cơ có thể kể đến đơn kim loại
như ôxýt nhôm trong gốm corindông, đơn ôxýt bán kim loại như SiO
2
trong thủy tinh thạch
anh, hỗn hợp nhiều ôxýt kim loại như sứ, thủy tinh silicát, các nguyên tố không hải kim loại
như bo, các bon, các các bít, nítrít của kim loại và bán kim loại như TiC, SiC, BN, ZrN, v.v.
Vật liệu vô cơ là một nhóm vật liệu lớn, giáo trình này chỉ trình bày các vấn đề cơ bản
và các đại diện chính mà thôi.
142
C
N
O
Si
Me

a. Trạng thái tinh thể.
Mạng tinh thể của phần lớn các vật liệu vô cơ có thể coi một cách gần đúng là mạng
của các ion, trong đó các cation và anion chiếm vị trí các nút mạng.
Trong cấu trúc của các hợp chất vô cơ chứa ô xy, các nguyên tử ô xy thường có kích
thước lớn nhất nên chiếm nhiều chỗ nhất so với các cation trong không gian mạng tinh thể. Vì
thế có thể coi cấu trúc của các ôxýt và các hợp chất chứa ôxy là cấu trúc xếp sít nhau của các
quả cầu anion ô xy, còn các cation điền vào các nút trốnggiữa các quả cầu đó. Cách xếp cầu, vị
trí nút trống thường là nút trống hình bốn mặt và tám mặt sẽ qui định kiểu cấu trúc của hợp
chất đó. Thông thường người ta thường lấy cấu trúc của một số hợp chất có trong tự nhiên làm
đại diện.
b. Trạng thái vô định hình.
Khác với trạng thái tinh thể, trạng thái vô định hìnhđược tạo nên do sự sắp xếp một
cách không có trật tự, không theo qui luật của đơn vị cấu trúc cơ bản. Mạng lưới nguyên tử của
nó do đó không có các yếu tố đối xứng, không có tính tuần hoàn. Cấu trúc trên dẫn tới các tính
chất đặc trưng của vật liệu vô định hình là chúng có tính đẳng hướng (isotropic), có năng lượng
dư cao và không bền về nhiệt động.
Trạng thái vô định hình thu được thông thường bằng cách cho nguội nhanh hợp chất vô
cơ từ trạng thái lỏng nóng chảy.
143
Khác biệt với vật liệu tinh thể, các vật liệu ở trạng thái vô định hình thủy tinh thay đổi
tính chất đều đặn theo nhiệt độ, không có điểm đột biến khi chuyển trạng thái. Như vậy thủy
tinh không có nhiệt độ nóng chảy xác định như vật liệu tinh thể mà nó chuyển trạng thái từ từ
trong một khoảng nhiệt độ.
9.2.3 Vật liệu đa pha và đa tinh thể.
Vật liệu vô cơ có thành phần pha rất đa dạng. Ngoài những vật liệu một pha như thủy
tinh, gốm đơn ôxýt, phần lớn vật liệu vô cơ là loại vật liệu có nhiều pha.
Trong vật liệu vô cơ nhiều pha, pha chính là các pha tinh thể được liên kết với nhau bởi
các pha vô định hình. Ngoài ra trong vật liệu vô cơ này còn luôn có pha khí tôn tại dưới dạng
các bọt khí xen kẽ. Pha khí có trong vật liệu thông thường do điều kiện công nghệ không thể
tránh được nhưng cũng có trường hợp người ta chủ ý đưa vào để nhằm mục đích nhất định thí

 Ðộ bền cơ học.
Ðộ bền cơ học của vật liệu vô cơ không phải do năng lượng liên kết nguyên tử cấu tạo
nên nó quyết định mà do tình trạng khuyết tật trên bề mặt và bêntrong vật liệu quyết định. Khi
số lượng vết nứt tế vi và kích thước vết nứt tăng thì cơ tính giảm
Ở các vật liệu vô cơ tinh thể, kích thước của các hạt tinh thể cấu tạo nên vật liệu có ảnh
hưởng rõ tới cơ tính của vật lịêu. Khi kích thước hạt càng giảm thì bề mặt ranh giới giữa các
hạt tăng lên, sẽ có tác dụng ngăn chặn hoặc làm thay đổi hướng lan truyền vết nứt, vì thế độ
bền cơ học của vật liệu tăng lên.
Ngoài ra khi hàm lượng bọt khí trong vật liệu tăng thì độ bền giảm không chỉ do diện
tích chịu lực giảm, mà còn do tại các chỗ rỗ khí thường tập trung tạp chất và ứng suất. Hình
dạng bọt khí cũng ảnh hưởng tới cơ khí. Các bọt khí dài làm giảm độ bền mạnh hơn so với các
bọt khí tròn.
Tuy nhiên, khi hàm lượng bọt khí rất thấp chẳng hạn khoảng 0,1 tới 0,5% và kích thước
của chúng lại rất nhỏ có thể làm tăng độ bền. Trong trường hợp này các lỗ hổng cực mịn đóng
vai trò các turng tâm hấp thụ năng lượng có tác dụng ngăn chặn sự lan truyền vết nứt và giải
toả ứng suất phá hủy vật liệu.
Cuối cùng, độ bền của vật liệu vô cơ còn phụ thuộc vào điều kiện và môi trường sử
dụng. Hơi ẩm và nhiệt độ chẳng hạn làm giảm năng lượng bề mặt riêng nên làm giảm độ bền.
Tốc độ tải trọng tăng càng lớn, kích thước mẫu càng nhỏ thì kết quả đo độ bền càng cao. Vì thế
xác định độ bền của vật liệu vô cơ cần phải được thực hiện theo đúng các qui định ghi trong
các tiêu chuẩn.
9.3.2 Tính chất nhiệt của vật liệu vô cơ.
 Tính giãn nở nhiệt.
Ðể đánh giá mức độ giãn nhở nhiệt của vật liệu vô cơ người ta sử dụng hệ số giãn nở
nhiệt dài α theo công thức:
Tl
l
o
∆
∆

Một cách gần đúng β ≈ 3α.
Các bạn xem thêm tính chất nhiệt của vật liệu đã được trình bày trong Vật liệu học tập
1 trang 27 - 28.
145
Trong nhiều vật liệu vô cơ – gốm, lực liên kết giữa các nguyên tử khá mạnh và được
phản ánh ở giá trị hể số giãn nở nhiệt tưong đối thấp trong khoảng 0,5.10
-6
và 15.10
-6
(
0
C
-1
).
Ở các gốm không tinh thể và các gốm có cấu tinh thể lập phương hệ số giãn nở nhiệt là
đảng hướng. Ngược lại trong một số gốmhệ số giãn nở nhiệt lại có tính dị hướng, khi nung
nóng thì chúng co theo một hướng và nở ra theo một vài hướng khác. Hệ số giãn nở nhiệt của
vật liệu vô cơ đa pha phụ thuộc vào hệ số giãn nở nhiệt của các pha thành phần. Các tạp chất
làm tăng hệ số giãn nở nhiệt.
Vật liệu gốm làm việc trong điều kiện tăng, giảm nhiệt cần phải có hệ số giãn nở nhiệt
tương đối tấp và đẳng hướng. Ngoài ra, những vật liệu giòn này có thể bị nứt vỡ do sự thay đổi
kích hước không đồng đều, gọi là “sốc” nhiệt.
[[
 Tính dẫn nhiệt.
Về nguyên tắc, vật liệuđơn tinh thể có độ dẫn nhiệt cao hơn vật liệu đa tinh thể, vật liệu
6inh thể có độ dẫn nhiệt cao hơn vật liệu vô định hình. Riêng vật liệu gốm bán dẫn và thủy tinh
bán dẫn có độ dẫn nhiệt đặc biệt cao vì có mặt của các điện tử tự do.
Sự có mặt của các lỗ xốp trong vật liệu vô cơ có ảnh hưởng rất lớn đến độ dẫn nhiệt
của vật liệu. Không khí bị giam trong các lỗ xốp có khả năng dẫn nhiệt kém ở nhiệt độ thấp
nên làm giảm mạnh độ dẫn nhiệt của toàn vật liệu.