Cơ khí, chế tạo máy - Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

 4 
Ch−ơng 1 
Cấu trúc tinh thể và sự hình thành 
1.1. Cấu tạo và liê n kế t nguyê n tử 
nguyê n tử = hạ t nhâ n + electron = (proton + nơtron) + electron 
nơtron không mang điệ n 
proton mang điệ n d−ơng = điệ n tí ch của electron → ng/tử trung hoà 
Khá i niệ m cơ bả n về cấ u tạ o nguyê n tử 
 Cấ u hì nh electron (electron configuration) chỉ rõ: số l−ợng tử chí nh (1, 2, 3...), ký 
hiệ u phâ n lớp (s, p, d...), số l−ợng electron thuộc phâ n lớp (số mũ trê n ký hiệ u phâ n 
lớp). Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấ u hì nh electron là 1s22s22p6 3s23p63d104s1 qua đó biế t 
đ−ợc số electron ngoà i cùng (ở đâ y là 1, hóa trị 1). 
 Cá c kim loạ i chuyể n tiế p: Fe có Z = 26: 1s22s22p63s23p63d64s2 
1.1.2. Các dạng liê n kế t nguyê n tử trong chất rắn 
Cá c loạ i vậ t liệ u khá c nhau có thể tồn tạ i cá c dạ ng liê n kế t riê ng. Sự khá c nhau của 
cá c dạ ng liê n kế t đó cũng là nguyê n nhâ n tạ o nê n cá c tí nh chấ t khá c nhau. 
 a. Liê n kế t đồng hóa trị 
Là liê n kế t của hai (hoặ c nhiề u) nguyê n tử góp chung nhau một số electron hóa trị để 
có đủ tá m electron ở lớp ngoà i cùng. Có thể lấ y ba ví dụ nh− sau (hì nh 1.1). 
• Clo có Z=17 (1s22s22p63s23p5), có 7e ở lớp ngoà i cùng, 2 nguyê n tử Cl mỗi nguyê n tử 
góp chung 1 electron để lớp ngoà i cùng 8e (hì nh 1.1a). 
 + 
 a) b) c) 
Hì nh 1.1. Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hóa trị 
a. phân tử clo, b. giecmani (Ge), c. mêtan (CH4) 
 • Giecmani (Ge, z=32) có 4e lớp ngoà i cùng (4s2, 4p2), 4 nguyê n tử góp chung 
(hì nh 1.1b). Liê n kế t giữa cá c nguyê n tử cùng loạ i (từ IVB VIIB nh− Cl, Ge) là loạ i 
đồng cực, còn giữa cá c nguyê n tố khá c loạ i nh− CH4 là loạ i dị cực. 
 • Mê tan (CH4). Cacbon (z=6), có 4e lớp ngoà i cùng và 4 nguyê n tử H để mỗi 
nguyê n tử nà y góp cho nó 1 electron là m cho lớp electron ngoà i cùng đủ 8 (hì nh 1.1c). 
b. Liê n kế t ion 
KL nhóm IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e cá c nguyê n tố : VIB (O, S...), 
VIIB (H, F, Cl, Br, I). Cá c ôxit kim loạ i nh− Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4, NiO... có xu thế 
mạ nh với tạ o liê n kế t ion. 
• Liê n kế t ion cà ng mạ nh khi lớp ngoà i cùng (cho) chứa í t e, nhậ n nằ m cà ng gầ n 
hạ t nhâ n. 
• Liê n kế t không đị nh h−ớng (đị nh h−ớng thì xá c suấ t liê n kế t lớn nhấ t theo 
ph−ơng nối tâ m cá c nguyê n tử), vậ t liệ u có liê n kế t ion thì tí nh giòn cao. 
C 
H 
H 
H 
H 
Ge 
Ge 
Ge Ge 
Ge 
Cl Cl Cl Cl 
 5 
Hì nh 1.2. Sơ đồ biểu diễn liên kết 
 ion trong phân tử LiF 
 Hì nh 1.3. Sơ đồ liên kết kim loại 
c. Liê n kế t kim loại (hì nh 1.3) 
o Đ/n: là liê n kế t trong đó cá c cation kim loạ i nhấ n chì m trong đá m mâ y electron tự 
do. 
o Nă ng l−ợng liê n kế t là tổng hợp (câ n bằ ng) → cá c ion kim loạ i có vị trí xá c 
đị nh. Cá c nguyê n tố nhóm Ia có tí nh kim loạ i điể n hì nh, cà ng dị ch sang bê n 
phả i tí nh chấ t kim loạ i cà ng giả m, tí nh đồng hóa trị trong liê n kế t cà ng tă ng. 
o Tí nh chấ t của kim loạ i : liê n kế t nà y tạ o cho kim loạ i cá c tí nh chấ t điể n hì nh: 
ánh kim hay vẻ sá ng, dẫ n nhiệ t và dẫ n điệ n tốt và tí nh dẻ o, dai cao 
d. Liê n kế t hỗn hợp - 
Thực ra cá c liê n kế t trong cá c chấ t, vậ t liệ u thông dụng th−ờng mang tí nh hỗn 
hợp của nhiề u loạ i. Ví dụ: Na và Cl có tí nh â m điệ n lầ n l−ợt là 0,9 và 3,0. Vì thế 
liê n kế t giữa Na và Cl trong NaCl gồm khoả ng 52% liê n kế t ion và 48% liê n kế t đồng 
hóa trị . 
e. Liê n kế t yế u (Van der Waals) 
 Do sự khá c nhau về tí nh â m điệ n tạ o thà nh và phâ n tử phâ n cực. Cá c cực trá i 
dấ u hút nhau tạ o ra liê n kế t Van der Waals. Liê n kế t nà y yế u, rấ t dễ bị phá vỡ khi 
tă ng nhiệ t độ. 
1.2. Sắp xế p nguyê n tử trong vật chất 
1.2.1. Chất khí 
Trong chấ t khí có sự sắ p xế p nguyê n tử một cá ch hỗn loạ n → không có hì nh dạ ng, 
kí ch th−ớc xá c đị nh. 
1.2.2. Chất rắn tinh thể 
Li+ F
- 
Me+ Me+ Me
+ Me+ 
Me+ Me+ Me
+ Me+ 
Me+ Me
+ Me+ Me+ 
Me+ Me
+ Me+ Me+ 
Ion d−ơng 
Mâ y 
Electron 
Chất rắn tinh thể : 
 - Trật tự gần, mà còn có cả trật 
tự xa. 
- Cá c kiể u mạ ng tinh thể xá c 
đị nh: lậ p ph−ơng, lục giá c,... 
(hì nh 1.4) 
 Hì nh 1.4. Sơ đồ mạ ng tinh thể 
 6 
1.2.3. Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thể 
a. Chất lỏng 
Trong phạ m vi hẹ p (khoả ng 0,25nm) cá c nguyê n tử chấ t lỏng có xu thế tiế p xúc 
(xí t) nhau tạ o thà nh cá c đá m nhỏ, do vậ y không co lạ i khi né n nh− chấ t khí , cá c 
đá m nguyê n tử nà y luôn hì nh thà nh và tan rã . Chấ t lỏng chỉ có trậ t tự gầ n, không có 
trậ t tự xa. 
Giữa cá c đá m có khoả ng trống do đó mậ t độ xế p của chấ t lỏng thấ p, khi đông đặ c 
th−ờng kè m theo giả m thể tí ch (co ngót). 
b. Chất rắn vô đị nh hì nh 
ở một số chấ t, trạ ng thá i lỏng có độ sệ t cao, cá c nguyê n tử không đủ độ linh 
hoạ t để sắ p xế p lạ i khi đông đặ c; chấ t rắ n tạ o thà nh có cấ u trúc giống nh− chấ t lỏng 
tr−ớc đó gọi là chấ t rắ n vô đị nh hì nh. Thủy tinh (mà cấ u tạ o cơ bả n là SiO2) là chấ t 
rắ n vô đị nh hì nh 
Nh− vậ y về mặ t cấ u trúc, cá c chấ t rắ n gồm 2 loạ i: tinh thể và vô đị nh hì nh. 
Kim loạ i, hợp kim và phầ n lớn cá c chấ t vô cơ, rấ t nhiề u polyme - tinh thể 
Tuỳ theo bả n chấ t của vậ t liệ u và tốc độ là m nguội khi đông đặ c → tinh thể hoặ c vô 
đị nh hì nh. 
Thủy tinh nóng chả y, cá c phâ n tử SiO2 [trong đó ion O
2- ở cá c đỉ nh khối tứ diệ n (bốn 
mặ t) tam giá c đề u, tâ m của khối là ion Si4+ nh− biể u thị ở hì nh 1.5a] là m nguội bì nh 
th−ờng → vô đị nh hì nh (hì nh 1.5b); là m nguội vô cùng chậ m cá c phâ n tử SiO2 có 
đủ thời gian sắ p xế p lạ i theo trậ t tự xa sẽ đ−ợc thủy tinh (có cấ u trúc) tinh thể (hì nh 
1.5c). 
a) c) 
 Hì nh 1.5. Cấu trúc khối tứ diện [ SiO4]4- (a), thủy tinh th−ờng SiO2 (b) 
 thủy tinh tinh thể SiO2 (c) 
c. Chất rắn vi tinh thể 
Cũng với vậ t liệ u tinh thể kể trê n khi là m nguội từ trạ ng thá i lỏng rấ t nhanh (trê n 
d−ới 104độ/s) sẽ nhậ n đ−ợc cấ u trúc tinh thể nh−ng với kí ch th−ớc hạ t rấ t nhỏ (cỡ 
nm), đó là vậ t liệ u có tê n gọi là vi tinh thể (còn gọi là finemet hay nanomet). 
Tóm lạ i cá c vậ t liệ u có ba kiể u cấ u trúc: tinh thể (th−ờng gặ p nhấ t), vô đị nh 
hì nh và vi tinh thể (í t gặ p). 
1.3. Khái niệ m về mạng tinh thể 
Đ/n: mạ ng tinh thể là mô hì nh không gian biể u diễ n quy luậ t hì nh học của sự sắ p xế p 
nguyê n tử . 
Phầ n lớn vậ t liệ u có cấ u trúc tinh thể , tí nh chấ t rấ t đa dạ ng phụ thuộc và o kiể u 
mạ ng. 
1.3.1. Tí nh đối xứng 
• Mạ ng tinh thể mang tí nh đối xứng, là một trong những đặ c điể m quan trọng, thể 
hiệ n cả ở hì nh dá ng bê n ngoà i, cấ u trúc bê n trong cũng nh− cá c tí nh chấ t của vậ t 
rắ n tinh thể . 
 - Oxy 
 - Si 
(b) 
 7 
• Tí nh đối xứng là tí nh chấ t hì nh học khi quay một điể m hay một phầ n tử xung 
quanh 1 đ iể m hay một đ−ờng với một góc α chúng sẽ trùng lặ p nhau. Điể m hay 
đ−ờng đ−ợc quay xung quanh đó đ−ợc gọi là tâ m hay trục đối xứng. Đối xứng qua 
mặ t phẳ ng đ−ợc gọi là đối xứng g−ơng. Gọi n = 2π/ α là bậ c đối xứng, chỉ có n = 
1, 2, 3, 4, 6; ký hiệ u L1, L2, L3, L4, L6. 
 n=2 (L2) n=3 (L3) n=4 (L4) n=6 (L6) 
1.3.2. Ô cơ sở - ký hiệ u ph−ơng, mặt tinh thể 
a. Ô cơ sở 
• Đ/n: là hì nh khối nhỏ nhấ t có cá ch sắ p xế p nguyê n tử đạ i diệ n 
 cho toà n bộ mạ ng tinh thể . 
• Do tí nh đối xứng bằ ng ph−ơng phá p xoay và tị nh tiế n ta sẽ suy 
 ra toà n bộ mạ ng tinh thể 
• Thông số mạ ng (hằ ng số mạ ng) là kí ch th−ớc của ô cơ sở, 
 th−ờng là kí ch th−ớc cá c cạ nh của ô cơ sở từ đó có thể Hì nh 1.6. Ô cơ sở và 
hệ tọa độ 
 xá c đị nh toà n bộ kí ch th−ớc của ô cơ sở (hì nh 1.6) 
b. Nút mạng 
Nút mạ ng t−ơng ứng với vị trí cá c nguyê n tử trong mạ ng tinh thể . 
c. Chỉ số ph−ơng 
Ph−ơng là đ−ờng thẳ ng đi qua cá c nút mạ ng, đ−ợc ký hiệ u bằ ng [u v w]; Ba chỉ 
số u, v, w là ba số nguyê n tỷ lệ thuậ n với tọa độ của nút mạ ng nằ m trê n ph−ơng 
đóở gầ n gốc tọa độ nhấ t (hì nh 1.7). 
Chú ý: Ph−ơng và mặ t tinh thể có kí ch th−ớc vô hạ n 
Trê n hì nh 1.7 giới thiệ u ba ph−ơng điể n hì nh trong mạ ng tinh thể của hệ lậ p 
ph−ơng: 
- đ−ờng ché o khối [111], đ−ờng ché o mặ t [110], cạ nh [100]. 
Cá c ph−ơng có cá c giá trị tuyệ t đối u, v, w giống nhau, tạ o nê n họ ph−ơng 
. Ví dụ họ gồm cá c ph−ơng sau đâ y chúng có cùng quy luậ t sắ p xế p 
nguyê n tử: 
L 
a 
3 5 
2 
1
4 
Hì nh 1.7. Các ph−ơng điển hì nh 
của 
Hì nh 1.8. Các mặt điển hì nh của hệ 
 lập ph−ơng hệ lập ph−ơng 
a x 
y 
z 
[110] 
[111] 
[100] 
[010] 
[001] 
 8 
 [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [011], [101] (cá c 
đ−ờng ché o) 
d. Chỉ số Miller của mặt tinh thể 
Mặ t tinh thể là tậ p hợp cá c mặ t có cá ch sắ p xế p nguyê n tử giống hệ t nhau, song 
song và cá ch đề u nhau, chúng có cùng một ký hiệ u. Ng−ời ta ký hiệ u mặ t bằ ng chỉ 
số Miller (h k l). Cá c chỉ số h, k, l đ−ợc xá c đị nh theo cá c b−ớc nh− sau: 
. tì m giao điể m của mặ t phẳ ng trê n ba trục theo thứ tự Ox, Oy, Oz, 
. xá c đị nh tọa độ cá c giao điể m, rồi lấ y cá c giá trị nghị ch đả o, 
. quy đồng mẫ u số, lấ y cá c giá trị của tử số, đó chí nh là cá c chỉ số h, k, l 
. Ví dụ, xá c đị nh cá c chỉ số Miller cho cá c mặ t 
mặ t điể m cắ t cá c trục nghị ch đả o chỉ số 
1 1, 1, 1/2 1, 1, 2 (112) 
2 1, 1, 1 1, 1, 1 (111) 
3 1, 1, ∞ 1, 1, 0 (110) 
4 1, ∞, ∞ 1, 0, 0 (100) 
5 1, 1, 2 1, 1, 1/2 (221) 
Hì nh 1.8 Sơ đồ ký hiệ u mặ t tinh thể theo chỉ số Miller 
Cá c mặ t có cá c chỉ số giá trị tuyệ t đối h, k, l giống nhau tạ o nê n họ mặ t {h k l}. 
Ví dụ, cá c mặ t hộp tạ o nê n họ {100} gồm (100), (010), (001), (100), (010), (001). 
 e. Chỉ số Miller - Bravais trong hệ lục giác 
Chỉ số Miller - Bravais với hệ có bốn trục tọa độ Ox, Oy, Ou, Oz (hì nh 1.9). Chỉ số 
Miller - Bravais đ−ợc ký hiệ u bằ ng (h k i l), trong đó chỉ số thứ ba i (của trục Ou) có 
quan hệ : i = - (h + k) 
Hã y thử so sá nh hai chỉ số nà y cho cá c mặ t trong hệ lục giá c đ−ợc trì nh bà y ở hì nh 
1.9: 
 mặ t chỉ số Miller chỉ số Miller - Bravais 
ABHG (100) (1010) 
BCIH (010) (0110) 
AGLF (110) (1100) 
 ABCDEF (001) (0001) 
 ACIG (1120) 
Hì nh 1.9. Hệ tọa độ trong hệ lục giá c 
 và các mặt 
Cá ch ký hiệ u theo Miller - Bravais thể hiệ n đ−ợc cá c mặ t bê n cùng họ và cùng 
cá ch sắ p nguyê n tử. 
1.3.3. Mật độ nguyê n tử 
a. Mật độ xế p 
Là mức độ dà y đặ c của nguyê n tử trong mạ ng tinh thể . Mậ t độ xế p theo ph−ơng 
(chiề u dà i) Ml, theo mặ t Ms hay trong toà n bộ thể tí ch mạ ng Mv đ−ợc xá c đị nh theo 
cá c công thức: Ml = l / L, Ms = s / S, Mv = v / V 
x 
y 
u 
A B 
C 
D E 
F 
z 
G H 
I 
J K 
L 
3 
52 
1
4 
 9 
trong đó: 
• l, s, v lầ n l−ợt là chiề u dà i, diệ n tí ch, thể tí ch bị nguyê n tử (ion) chiế m chỗ, 
• L, S, V lầ n l−ợt là tổng chiề u dà i, diệ n tí ch, thể tí ch xem xé t. 
b. Số phối trí (số sắp xế p): là số l−ợng nguyê n tử cá ch đề u gầ n nhấ t một nguyê n tử 
đã cho. Số sắ p xế p cà ng lớn chứng tỏ mạ ng tinh thể cà ng dà y đặ c. 
c. Lỗ hổng 
 Là không gian trống giữa cá c nguyê n tử (coi nguyê n tử là hì nh cầ u đặ c). Kí ch 
th−ớc lỗ hổng đ−ợc đá nh giá bằ ng đ−ờng kí nh hay bá n kí nh quả cầ u lớn nhấ t có 
thể đặ t lọt và o. 
 1.4. Cấu trúc tinh thể điể n hì nh của chất rắn 
1.4.1. Chất rắn có liê n kế t kim loại (kim loại nguyê n chất) 
Đặ c tí nh cấ u trúc của kim loạ i là : nguyê n tử (ion) luôn có xu h−ớng xế p xí t 
chặ t với kiể u mạ ng đơn giả n (nh− lậ p ph−ơng tâ m mặ t, lậ p ph−ơng tâ m khối, lục 
giá c xế p chặ t). 
a. Lập ph−ơng tâm khối A2 
Ô cơ sở là hì nh lậ p ph−ơng, cạ nh bằ ng a, cá c nguyê n tử (ion) nằ m ở cá c đỉ nh và tâ m 
khối (hì nh 1.10a, b và c). Số l−ợng nguyê n tử cho mỗi ô: nv = 8 đỉ nh. 1/8 + 1 giữa = 2 
nguyê n tử 
 (a) (b) (c) 
 d) 
Th−ờng dùng cá ch vẽ t−ợng tr−ng (hì nh c). Nguyê n tử nằ m xí t nhau theo ph−ơng 
, do đó: 
- đ−ờng kí nh nguyê n tử dng.t = 2
3
a , số sắ p xế p là 8. 
Cá c mặ t tinh thể xế p dà y đặ c nhấ t là họ {110}. Mậ t độ xế p thể tí ch Mv = 68%. Có 
hai loạ i lỗ hổng: hì nh 4 mặ t và hì nh 8 mặ t nh− trì nh bà y ở hì nh d. Loạ i 8 mặ t có 
kí ch th−ớc bằ ng 0,154 dng.t nằ m ở tâ m cá c mặ t bê n {100} và giữa cá c cạ nh a. Loạ i 4 
mặ t có kí ch th−ớc lớn hơn một chút, bằ ng 0,291 dng.t nằ m ở 4
1 trê n cạ nh nối điể m 
giữa cá c cạ nh đối diệ n của cá c mặ t bê n. Nh− vậ y trong mạ ng A2 có nhiề u lỗ hổng 
a 
lỗ hổng 4 mặ t 
lỗ hổng 8 
a 
 a 
{100} {110} 
Hì nh 1.10. Ô cơ sở mạng lập ph−ơng 
tâm khối (a, b), các lỗ hổng (c) và cách 
xếp các mặt tinh thể {100} và {110} (d) 
 10 
nh−ng kí ch th−ớc đề u nhỏ, lớn nhấ t cũng không quá 30% kí ch th−ớc (đ−ờng kí nh) 
nguyê n tử . 
Cá c kim loạ i có kiể u mạ ng A1 th−ờng gặ p là : Feα, Cr, Mo, W. 
Mạ ng chí nh ph−ơng tâ m khối chỉ khá c mạ ng A2 ở a = b ≠ c 
b. Lập ph−ơng tâm mặt A1 
o Khá c với kiể u mạ ng A2 là thay cho nguyê n tử nằ m ở trung tâ m khối là nguyê n tử 
nằ m ở trung tâ m cá c mặ t bê n, nh− biể u thị ở cá c hì nh 1.11a, b và c. 
 a) b) c) 
 d) 
o Số nguyê n tử trong 1 ô là : nv = 8 đỉ nh. 1/8 + 6 mặ t. 1/2 = 4 nguyê n tử . 
o Trong mạ ng A1, cá c nguyê n tử xế p xí t nhau theo ph−ơng đ−ờng ché o mặ t , 
do đó: 
 đ−ờng kí nh dng.t = 2
2
a , số sắ p xế p là 12. 
o Cá c mặ t tinh thể dà y đặ c nhấ t là họ {111}. Mậ t độ xế p thể tí ch Mv =74%, 
mạ ng A1 nà y là kiể u xế p dà y đặ c hơn A2 và là một trong hai kiể u xế p dà y đặ c 
nhấ t. 
 Có 2 loạ i lỗ hổng hì nh 4 mặ t và hì nh 8 mặ t nh− trì nh bà y ở cá c hì nh 1.11c. 
Loạ i bốn mặ t có kí ch th−ớc 0,225 dng.t (đỉ nh1 và tâ m ba mặ t 2,3,4). Đá ng chú ý là 
loạ i lỗ hổng hì nh tá m mặ t, nó có kí ch th−ớc lớn hơn cả , bằ ng 0,414dng.t, nằ m ở trung 
tâ m khối và giữa cá c cạ nh a. So với mạ ng A2, mạ ng A1 tuy dà y đặ c hơn song số 
l−ợng lỗ hổng lạ i í t hơn mà kí ch th−ớc lỗ hổng lạ i lớn hơn hẳ n (0,225 và 0,41 so với 
0,154 và 0,291). Chí nh điề u nà y (kí ch th−ớc lỗ hổng) mới là yế u tố quyế t đị nh cho 
sự hòa tan d−ới dạ ng xen kẽ . 
Khá nhiề u kim loạ i điể n hì nh có kiể u mạ ng nà y: sắ t (Feγ), Ni, Cu, Al với hằ ng 
số a mạ ng lầ n l−ợt bằ ng 0,3656, 0,3524, 0,3615, 0,4049nm; ngoà i ra còn có Pb, Ag, 
Au. 
a 
1
23
4
A 
B 
{100} {111} 
B A C 
Hì nh 1.11. Ô cơ sở mạng lập ph−ơng tâm 
mặt (a, b), các lỗ hổng (c) và cách xếp 
các mặt tinh thể {100} và {111} (d) 
 11 
c. Lục giác xế p chặt A3 
Cá c nguyê n tử nằ m trê n 12 đỉ nh, tâ m của 2 mặ t đá y và tâ m của ba khối lă ng 
trụ tam giá c cá ch đề u nhau (hì nh 1.12a, b và c). 
 a) b) c) d) 
Hì nh 1.12. Ô cơ sở mạng lục giác xếp chặt (a,b,c) và 
cách xếp các mặt tinh thể {0001} (d) 
Số l−ợng nguyê n tử trong 1 ô : nv = 12 đỉ nh/6 + 2 giữa mặ t/2 + 3 tâ m = 6 nguyê n 
tử 
Nguyê n tử xế p xí t nhau theo cá c mặ t đá y (0001). 3 nguyê n tử ở giữa song song với 
mặ t đá y sắ p xế p nguyê n tử giống nh− 2 mặ t đá y, nh−ng nằ m ở cá c hõm cá ch đề u 
nhau (hì nh 1.12d). Mạ ng lục giá c xế p chặ t thì c/a = 38 hay 1,633. Tuy nhiê n trong 
thực tế c/a có xê dị ch nê n quy −ớc: 
c/a = 1,57 ữ 1,64 thì mạ ng  ... tông, bền ăn mòn trong môi tr−ờng bêtông, cải 
thiện dí nh kết bằng gai, gân. 
Bêtông dự ứng lực: dây thép độ bền cao (60Mn) đ−ợc đặt trong côp pha 
(coffrage), đ−ợc kí ch kéo với lực kéo lớn, bơm đầy bêtông vào khuôn côp pha, 
chờ đông cứng mới bỏ lực kéo căng dây thép, lúc đó dây thép bị co lại tạo cho 
cấu kiện bêtông ứng suất nén 
Cách thứ hai: dây thép đ−ợc luồn qua những ống bằng kim loại hay cao su đặt 
sẵn trong cấu kiện bêtông. Kéo căng dây thép nhờ các kí ch thuỷ lực tựa vào hai 
mặt đối diện của cấu kiện, lực kéo sẽ tạo tải trọng nén lên bêtông. Tiếp theo vữa 
bêtông mới đ−ợc bơm đầy vào lỗ, bao kí n lấy dây thép. Cấu kiện đ−ợc hoàn 
thành khi vữa bêtông đông cứng và bảo d−ỡng tốt, chỉ khi đó mới dỡ kí ch ra. 
Kỹ thuật bêtông dự ứng lực là kỹ thuật cao trong chế tạo các dầm cầu tải trọng 
lớn. 
 119 
 Ch−ơng 8 
vật liệu hữu cơ 
Định nghĩa: là hợp chất gồm các phân tử đ−ợc hình thành do sự lặp lại nhiều lần 
của một hay nhiều loại nguyên tử hay một nhóm nguyên tử (đơn vị cấu tạo = 
monome) liên kết với nhau với số l−ợng khá lớn để tạo nên một loạt tính chất mà 
những tính chất này thay đổi không đáng kể khi lấy đi hoặc thêm vào một vài đơn 
vị cấu tạo. 
Phân loại 
Theo nguồn gốc hình thành: Polyme thiên nhiên, polyme tổng hợp 
. Polyme thiên nhiên: nguồn gốc thực vật, động vật: xenlulo, cao su, Protein 
. Polyme tổng hợp: Phản ứng trùng hợp, trùng ng−ng: Polyolefin, Polyamit, nhựa 
phênol fomadehit. 
Theo cấu trúc: 
 a- thẳng b- nhánh c- l−ới 
. Polyme mạch thẳng Polyetylen, PolyvinyRelorit, Polystyren. 
. Polyme mạch nhánh các nhánh xem nh− mộ phần của phân tử tạo bằng từ các 
phảnứng phụ trong quá trình tổng hợp polyme có mạch nhánh sự sắp xếp ít chặt 
chẽ dẫn đến tỷ trọng của polyme giảm 
. Polyme mạch l−ới các mạch cạnh nhau đ−ợc nối vớp nhau bằng các liên kết 
cộng hoá trị các l−ới naỳ th−ờng đ−ợc hình thành nhờ cho thêm vào các nguyên 
tử, phân tử tạo liên kết đồng hoá trị với mạch chính. Cao su mạng l−ới tạo thành 
do quá trình l−u hoá 
. Polyme không gian các monome có ba nhóm hoạt động tạo nên polyme không 
gian ba chiều. Thực tế các polyme mạng l−ới dày đặc có thể coi là polyme không 
gian: Nhựa epoxy, nhựa phenolfomadehyt. 
Chú ý: một polyme không thể thuần nhất một loại cấu trúc 
ví dụ polyme mạch thẳng có thể vẫn gồm có cấu trúc mạch nhánh và mạch l−ới 
nh−ng mạch thẳng chiếm đa số 
Đặc điểm: polyme nhẹ, bền nên độ bền riêng lớn, chịu ăn mòn tốt 
 Hầu nh− không dẫn nhiệt, không dẫn điện. 
Phân loại theo tính chịu nhiệt: 
Polyme nhiệt dẻo (thermoplastic): th−ờng là các polyme mạch thẳng, ở nhiệt độ 
nhất định d−ới tác dụng của lực các phần tử có thể tr−ợt lên nhau có nghĩa là vật 
liêụ có thể dẻo, chảy, nh−ng ở nhiệt độ thấp hơn nó lại rắn trở lại. Gọi là polyme 
nhiệt dẻo vì nhiệt độ càng tăng thì tính dẻo càng tăng. Polyme nhiệt dẻo là loại 
polyme có giá trị th−ơng mại quan trọng nhất 
Polyme nhiệt rắn (thermoset): là các polyme hay oligome (polyme có khối l−ợg 
phân tử không cao lắm) chúng th−ờng có cấu trúc không gian. Đ−ợc chế tạo từ 
các polyme mạch thẳng, hoặc nhánh bé nấu chảy+cho thêm vào các chất đóng 
rắn →tạo hình d−ới tác dụng xúc tác của các chất đóng rắn→ chuyển thành mạch 
không gian không thuận nghịch 
 120 
R + CH2=CH 
 X 
R - CH2- CH 
 X 
Khác polyme nhiệt dẻo, polyme nhiệt rắn ở nhiệt độ cao không bị chảy mềm và 
không hoà tan vào dung môi thành polyme nhiệt rắn, không có khả năng tái sinh 
Phân loại theo lĩnh vực áp dụng: chất dẻo, sợi, cao su, sơn, keo tính chất và áp 
dụng sẽ đ−ợc trình bày sau. 
8.1. Đặc điểm của vật liệu hữu cơ 
8.1.1. Hình thành vật liệu polyme 
Nguyên vật liệu ban đầu cho vật liệu polyme 
Ngày nay Công nghiệp hoá dầu cung cấp nguyên liệu sản xuất ra các polyme do 
đó hoá dầu→↑ công nghiệp polyme→ kích thích công nghiệp hoá dầu 
Ba ph−ơng pháp chính để sản xuất các hợp chất trung gian này: 
. Tách cácbua hydro riêng biệt trong dầu mỏ sau đó chuyển thành các hợp chất 
cần thiết: n-butan = butaduen và xyclohexan bằng monome nylon 
. Tách các olefin của quá trính cracking → hydro cacbon mạch thẳng 
. Tạo các hợp chất thơm: Benzen bằng quá trình platforming→ hydro cacbon thơm 
các hợp chất trung gian tạo bằng các ph−ơng pháp trên→ oxy hoá, halogen hoá, 
hydrat hoá.. → hợp chất khác. 
Các ph−ơng pháp tổng hợp polyme 
I. Ph−ơng pháp trùng hợp: Các monome dùng để trùng hợp là các hợp chất đơn 
giản có khối l−ợng phân tử thầp, có chứa các nối đôi ví dụ n(CH2=CH2) 
 CH2=CH2 → -CH2-CH2- 
Đa số polyme nhiệt dẻo trùng hợp theo ph−ơng pháp này 
 etylen PE vinylclorit PVC 
Để trùng hợp phải có các tác nhân: tia giàu năng l−ợng, nhiệt hoặc dùng chất khởi 
tạo cơ chế trùng hợp dùng chất khởi tạo qua ba giai đoạn: 
. Khởi đầu: tạo các gốc tự do của beroxytbenzoil: 
 = 2R 
các gốc tự do (R ) kết hợp với monome tạo gốc tự do mới: 
 = R mới 
. Giai đoạn phát triển 
Các gốc tự do hình thành ở giai đoạn mở đầu tiếp tục phản ứng với các monome 
tạo ra các gốc tự do mới có mạch dài hơn và độ hoạt động hoá học t−ơng tự phản 
ứng lặp lại hàng ngàn lần trong vài giây do đó số monome tham gia vào một gốc 
cao phân tử phụ thuộc vào điều kiện phản ứng và yêu cầu đối với sản phẩm. 
. Giai đoạn kết thúc có nhiều cách kết thúc 
Ví dụ: kết hợp hai gốc tự do đang phát triển thành một phân tử polyme 
 H H 
C = C 
H Cl 
 H H 
 -C - C- 
 H Cl 
 H H 
 -C - C- 
 H Cl 
 H H 
 -C - C- 
 H Cl 
 H H 
C = C 
H H 
 H H 
 -C - C- 
 H H 
 H H 
 -C - C- 
 H H 
 H H 
 C - C- 
 H H 
C6H5-C-O-O-C-C6H5 
 O O 
C6H5-C- O + C6H5+CO2 
 O 
R - CH2- CH + 
 X 
R - CH2- CH 
 X 
R - CH2- CH 
 X 
-CH- CH2-R 
 X 
 121 
Phản ứng chuyển mạch với một chất biến đổi có thể là dung môi, chất ổn định, 
hoặc chất điều hoà khối l−ợng phân tử: 
Ví dụ dùng chất điều hoà mạch RY 
Trong phản ứng này mạch cao phân tử ngừng phát triển (điều hoà mạch) nh−ng 
không làm giảm nồng độ của gốc tự do do đó vận tốc trùng hợp không giảm 
II. Phản ứng trùng ng−ng 
Khác phản ứng trùng hợp xảy ra ở nối đôi của monome (tách các liên kết đôi), 
phản ứng trùng ng−ng xảy ra giữa các nhóm chức khác nhau của monome. Ví dụ 
sx polyeste từ diaxit và diol: 
 HOOCR1COOH + HOR2OH → HOOCR1COOR2OH + H2O 
HOOCR1COOR2OH + HOOCR1COOH→HOOCR1COOR2OOCR1COOH+H2O 
nh− vậy một nhóm axit phản ứng với một nhóm hydroxyl tạo liên kết este với sản 
phẩm phụ là n−ớc. Phân tử tạo thành vẫn có hai nhóm chức -OH và -H ở cuối 
mạch. Chúng lại phản ứng tiếp cho đến khi đạt khối l−ợng phân tử cần thiết [-OC-
R1-CO-O-R2-O]n Polyeste mạch thẳng Polyamit (nylon) đ−ợc sản xuất bằng 
ph−ơng pháp trùng ng−ng diamin và diaxit 
 [-NH-R1-NH-CO-R2-CO-]n 
Dùng chất xúc tác (kiềm hoặc axit) cuối phản ứng dùng chân không để tách n−ớc 
và các sản phẩm phụ có khối l−ợng phân tử thấp. 
Khác phản ứng trùng hợp xảy ra nhanh (vài giây) phản ứng trùng ng−ng xảy ra 
từng bậc thời gian dài. 
8.1.2. Phân tử Polyme 
Phân tử Polyme là khổng lồ còn gọi là cao phân tử. Nói chung gồm có mạch chính 
gồm các nguyên tử cacbon hai hoá trị liên kết với hai nguyên tử cacbon bên cạnh, 
còn hai hoá trị còn lại có thể liên kết với nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử tạo 
thành các nhánh bên của mạch 
Ví dụ Polyetylen [C2H4]n 
 PE PVC PP 
đơn vị cấu trúc bằng mắt xích = một đơn vị cấu trúc C2H4 thực tế góc liên kết giữa 
các nguyên tử cacbon không phải là 180o mà là 109o do đó khoảng cách hai 
nguyên tử cacbon là 0,154nm 
đơn giản từ đây chỉ vẽ thẳng một nguyên tử H đ−ợc thay bằng nguyên tử Cl 
Polyvinylclorit =PVC. Thay một nguyên tử H bằng nhóm metyl (CH3) 
Polypropylen= PP 
Tất cả các mắt xích giống ngau nh− trong PVC, PP, PE gọi là homopolyme. Thực 
tế để thay đổi tính chất của polyme ng−ời ta có thể trùng hợp hai hay nhiều 
monome sản phẩm đ−ợc gọi là copolyme (polyme đồng trùng hợp). 
      
 -C-C-C-C-C- 
      
 H H 
 -C - C- 
 H Cl 
 H H 
 -C - C- 
 H Cl 
 H H 
 -C - C- 
 H CH3 
 H H 
 -C - C- 
H CH3 
 H H 
 -C - C- 
 H H 
 H H 
 -C - C- 
 H H 
R - CH2- CH 
 X 
 + RY 
R - CH2- CH 
 X 
-Y+ R 
 122 
Các monome đề cập trên có hai khả năng phản ứng ở hai đầu gọi là monome 
hai chức chúng có thể nối với hai monome thành polyme mạch dài. Còn có loại 
monome đa chức (hơn hai chức) chúng có thể nối với ba monome khác tạo 
polyme không gian. 
8.1.3. Khối l−ợng phân tử và sự phân bố khối l−ợng phân tử 
Khối l−ợng phân tử càng lớn thì độ chảy của polyme càng giảm và độ bền độ nhớt 
càng tăng. Khối l−ợng phân tử của một polyme rất khác nhau để đặc tr−ng cho sự 
phân tán khối l−ợng phân tử ng−ời ta đ−a ra sự phân bố khối l−ợng phân tử K: 
n
W
M
M
K = 
Trong đó : ∑ ∑== G
Mg
MWM iiiiW , Wi là tỷ lệ khối l−ợng của các phân tử có cùng khối 
l−ợng Mi 
 G là tổng khối l−ợng khảo sát, gi là khối l−ợng của polyme có cùng phân tử l−ợng 
Mi 
Mw trung bình mol theo tỷ lệ trọng l−ợng 
 Mw= Σ(tổng khối l−ợng phân tử cùng kích th−ớc).(khối l−ợng một phân tử) 
 khối l−ợng tổng cộng 
Mn=Σ XiMi= N
Mn ii∑ trong đó 
N
ni là tỷ lệ số phân tử có cùng khối l−ợng Mi 
Mn khối l−ợng trung bình mol theo phân tử Mn = khối l−ợng tổng cộng 
 tổng số phân tử 
K=1 khối l−ợng phân tử đồng nhất lý t−ởng hiếm gặp 
K≤5 Sự phân bố khối l−ợng phân tử hẹp 
5<K<20 Sự phân bố khối l−ợng phân tử trung bình 
K>20 Sự phân bố khối l−ợng phân tử rộng. 
polyme có sự phân bố khối l−ợng phân tử hẹp dễ gia công và cơ lý tính tốt hơn. 
Ví dụ hai mẫu polyme P1 có 500 phân tử khối l−ợng 1g và 2 phân tử 250g 
 P2 có 400 phân tử khối l−ợng 1g và 100 phân tử 6g 
 Polyme P1 có Mn=500x1+250x2 = 1,99 và Mw=(500x1)x1+(250x2)x250 =125,5 
 500+2 1000 
 K=125,5/1,99 = 63 → Rộng 
P2 co Mn = 1000 = 2 và Mw = (400x1)x1+(100x6)x6 = 4 → K=4/2=2 → hẹp 
 500 1000 
8.1.4. Mức độ kết tinh của Plyme và tính chất cơ học 
Đ/n: Polyme tinh thể là loại polyme mà các mạch phân tử sắp xếp có trật tự 
(th−ờng là song song với nhau). 
Phân tử polyme cồng kềnh nên chỉ có thể kết tinh một phần. Tỷ lệ kết tinh 
)(
)(
K
aCS
aSC
ρ−ρρ
ρ−ρρ
= 
Trong đó ρS, ρC, ρa lần l−ợt là khối l−ợng riêng của polyme khảo sát, polyme tinh 
thể hoàn toàn và polyme vô định hình hoàn toàn. Polyme tinh thể có khối l−ợng 
riêng lớn nhất ρC>ρS>ρa vì mạch xếp xít chặt hơn nên cơ tính cao hơn 0<k<95%. 
 123 
K phụ thuộc vào tốc độ nguội, cấu tạo phân tử : nguội nhanh, phân tử cồng 
kềnh phức tạp nhiều mạch nhánh → khó kết tinh. Polyme cấu trúc mạch không 
gian, copolyme xen kẽ là loại vô định hình. 
Polyme tinh thể cấu trúc gồm các hạt gọi là các tiểu cầu trong mỗi hạt lại có các 
lớp tinh thể và vô định hình xen kẽ nhau. D−ới tác dụng của lực các lớp tinh thể bị 
tr−ợt lên lớp vô định hình và lớp vô định hình cũng bị biến dạng làm cho polyme 
có tính định h−ớng và tăng độ bền. Polyme vô định hình, hoặc polyme có tỷ lệ kết 
tinh thấp d−ới tác dụng của tải trọng dài có xu h−ớng chảy nhớt (biến dạng trễ). 
Nếu tăng thời gian đặt tải thì polyme phục hồi càng lớn, biến dạng lớn. Nếu đặt tải 
trọng ngắn biến dạng không đáng kể, chi tiết vẫn còn chịu đ−ợc. 
Các polyme vô định hình có mạch phân tử cuộn uốn khúc nhiều khi có lực tác 
động các phân tử duỗi ra, bỏ lực tác dụng các phân tử lại co lại đàn hồi nh− cao 
su. ở nhiệt độ cao polyme thuỷ tinh hoá có cấu trúc vô định hình nên tính dẻo tăng 
và tính bền giảm. ở nhiệt độ thấp độ linh động mạch nhỏ dẫn đến polyme có xu 
h−ớng giòn (phá huỷ giòn). Polyme dãn nở nhiệt nhiều hơn kim loại chi tiết lắp 
ghép với kim loại cần l−u ý. 
8.2. Các polyme thông dụng và ứng dụng 
8.2.1. Chất dẻo: Sản l−ợng cao nhất hiện nay 
Định nghĩa: là vật liệu có thể biến dạng mà không bị phá huỷ và có thể định hình 
với áp lực thấp. Hai nhóm: 
Polyme nhiệt dẻo: gia công tạo hình ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thuỷ tinh hoá áp 
lực phải duy trì (ép khuôn) đến khi làm lạnh sản phẩm đến bảo tồn hình dạng. Khả 
năng tái sinh sản phẩn đến kinh tế; tạo hình làm năng suất thấp. 
Nhóm polyme nhiệt rắn: sản xuất hai giai đoạn: Giai đoạn 1 là tổng hợp polyme 
mạch thẳng, lỏng, có khối l−ợng phân tử thấp (trùng hợp sơ bộ polyme). Giai đoạn 
2 cho chất đóng rắn (có thể không cần) cùng vào khuôn ép và gia nhiệt. D−ới tác 
dụng của chất đóng rắn hoặc tác dụng nhiệt và lực ép polyme trở nên cấu trúc 
không gian, đóng rắn và có thể rỡ khuôn ngay. Polyme nhiệt rắn chịu nhiệt độ 
cao, không nóng chảy lại, không có khả năng tái sinh. 
Đúc (áp lực) là ph−ơng pháp tạo hình chủ yếu. Các chất độn: bột oxit Al2O3, đất 
sét, oxit Zn trộn lẫn tr−ớc khi cho vào khuôn hoặc cho vào khuôn tr−ớc rồi đùn 
chất dẻo vào. Có hai ph−ơng pháp đúc th−ờng dùng hiện nay: ép đùn, cho polyme 
nhiệt dẻo, buồng ép gia nhiệt. Pittông đẩy, ép polyme ở trạng thái lỏng nhớt vào 
khuôn đến khi đông đặc- lấy sản phẩm 10-30s/sản phẩm. Đúc ép: phối liệu dạng 
bột (hạt) đ−ợc đ−ợc đ−a vào lỗ khuôn, chày ép đóng kín khuôn và gia nhiệt đồng 
thời trong thời gian 10-20s để đóng rắn, tháo khuôn lấy sản phẩm, th−ờng cho 
nhựa nhiệt rắn. 
8.2.2. Cao su (Elastome) 
L−u hoá cao su: đàn hồi ↔ cấu trúc mạng l−ới th−a. L−u hoá là phản ứng của 
cao su với l−u huỳnh ở nhiệt độ đủ cao và không thuận nghịch để tạo cấu trúc l−ới 
th−a. Cao su ch−a l−u hoá thì mềm, dính, độ bền thấp. Sau khi l−u hoá độ bền, 
tính đàn hồi, tính bền hoá học tăng lên trở thành polyme nhiệt rắn. L−ợng l−u 
huỳnh tăng thì tăng cứng giảm độ dãn dàI nên chỉ dùng từ 1 đến 5%. 
 124 
 + 2S → 
mềm dính S= 1-5% khối l−ợng cao su có đặc điểm polyme nhiệt rắn 
Thay thế mạch chính C=Si và O cao su silicon có thể l−u hoá bền nhiệt và bền 
trong dầu 
8.2.3. Sợi polyme 
Đặc điểm và ứng dụng 
Yêu cầu với polyme dùng làm sợi: 
- Có khả năng kéo thành sợi dài đến tỷ lệ 100: 1 giữa chiều dài và đ−ờng kính. 
- Đáp ứng các yêu cầu: đủ bền, chịu mài mòn, cách nhiệt, điện, ổn định hóa học 
với môi tr−ờng. 
Các polyme đ−ợc dùng để kéo sợi là polyamit, polyeste PTE... 
8.2.4. Màng 
Màng (foil) là vật liệu phẳng, mỏng có chiều dày từ 0,025 đến 0,125mm. Màng 
chủ yếu đ−ợc dùng để làm túi, bao bì thực phẩm và các hàng hóa khác. 
Yêu cầu đối với polyme làm màng: 
khối l−ợng riêng nhỏ, độ mềm dẻo, độ bền kéo, xé rách cao, bền với n−ớc, độ 
thấm các loại khí nhất là hơi n−ớc phải thấp. 
Th−ờng dùng polyetylen, polypropylen. 
Đa số màng đ−ợc sản xuất bằng cách đùn qua qua một khe hẹp của khuôn, sau 
đó qua trục để cán giảm chiều dày và tăng độ bền. 
8.2.5. Chất dẻo xốp (foarms) 
Là loại chất dẻo (gồm cả hai loại nhiệt dẻo và nhiệt rắn) có độ xốp rất cao. Ng−ời 
ta đ−a vào trong mẻ liệu chất nào đó khi nung nóng sẽ giải phóng ra khí. Các khí 
sinh ra trong khắp khối chất lỏng nóng chảy khi làm nguội bị kẹt lại tạo ra rỗ xốp. 
Có thể dùng cách khác: phun khí trơ (Ar) vào vật liệu ở trạng thái nóng chảy nh− 
polyuretan, caosu, polystyren và PVC. Chất dẻo xốp đ−ợc dùng để làm đệm, nội 
thất gia đình và bao gói sản phẩm. 
 H CH3 H H 
 -C - C = C - C- 
 H H 
 H H 
 -C - C = C - C- 
 H CH3 H H 
 H CH3 H H 
 -C - C - C - C- 
 H H 
 H H 
 -C - C - C - C- 
 H CH3 H H 
 S S