CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG – PHẦN 4: VẬT LIỆU PHI KIM

Ngoài các vật liệu kim loại và hợp kim đã nghiên cứu, trong công nghiệp và cách ngành lớn như cơ khí còn sử dụng các vật liệu phi kim loại. Sau đây xin giới thiệu một số loại.

GỖ

Khái niệm

Là một dạng tồn tại vật chất có cấu tạo chủ yếu từ các thành phần cơ bản như: xenluloza (40-50%), hemixenluloza (15-25%), lignin (15-30%) và một số chất khác. Là nguyên liệu được dùng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp như xây dựng, giao thông, chế tạo máy, tiêu dùng, công cụ lao động, thùng chứa, máy móc nông nghiệp,…

Đặc điểm

• Khối lượng riêng nhỏ (từ 0,35 đến 0,75 g/cm3) và giá rẻ. So với kim loại, gỗ có độ cứng kém hơn và dễ gia công (cưa, bào, cắt, đục) hơn.
• Gỗ có tính hút ẩm, khi hút ẩm gỗ sẽ bị trương nở.
• Gỗ có tính hút nước và thẩm thấu nước.
• Gỗ có tính co rút và giãn nở.
• Gỗ ẩm sẽ dẫn nhiệt, độ ẩm càng lớn thì tính dẫn nhiệt càng cao, gỗ dẫn nhiệt theo chiều dọc thớ gấp 2 – 2,5 lần theo chiều ngang thớ.
• Gỗ khô cách điện, để tăng độ cách điện người ta tẩm gỗ bằng dung dịch parafin hoặc keo nhân tạo.
• Gỗ có cấu tạo không đồng nhất theo các chiều, có khối lượng riêng lớn, khả năng chịu lực lớn. Chịu lực dọc thớ tốt, chịu kéo tốt hơn chịu uốn, nén và cắt.

Ưu điểm:

• Nhẹ, chắc, vật liệu tự nhiên dễ kiếm, dễ gia công.
• Chịu lực khá tốt (chịu nén cao hơn gạch và bê tông).
• Cách điện tốt.

Nhược điểm:

• Cơ tính không đồng nhất, nhiều khuyết tật.
• Dễ bị mục, mối mọt.

CAO SU

Khái niệm

Là một loại vật liệu polyme hữu cơ vừa có độ bền cơ học cao và khả năng biến dạng đàn hồi lớn ở nhiệt độ thường.

Đặc điểm

Cao su chịu kéo tốt, chịu nén kém, không thấm nước, ổn định khi tẩy rửa, cách điện tốt. Có 2 loại cao su:

1. Cao su thường (hoặc cao su dẻo): Cao su sau khi lưu hóa (với lượng lưu huỳnh từ 1 – 5%) sẽ có cơ tính được cải thiện tốt, môđun đàn hồi tăng và vẫn giữ được các tính chất đàn hồi.
2. Cao su cứng: Khi lưu hóa với lượng lưu huỳnh lớn sẽ làm cao su cứng hơn, có tính chống mòn, chống axit tốt, nhưng tính đàn hồi kém.

Cao su được sử dụng rộng rãi trong sản xuất để chế tạo lốp ô tô (styren butadience). Cao su nitrile butadience dùng làm các sản phẩm dùng trong môi trường xăng, dầu, mỡ như ống cao su mềm, ống chịu áp lực, ống dẫn hơi, ống dẫn khí. Cao su cứng ebonit (lượng lưu huỳnh đạt tới 45%) được dùng trong công nghiệp điện kỹ thuật.

VẬT LIỆU CERAMIC

Khái niệm, Đặc điểm

Còn gọi là vật liệu vô cơ được tạo thành từ những hợp chất hóa học giữa:

• Kim loại (Me) với các á kim bao gồm B, C, N, O và Si (bán kim loại hay bán dẫn) bao gồm các borit, cacbit, nitrit, ôxyt, silixit kim loại.
• Các á kim kết hợp với nhau như các cacbit, nitrit, ôxyt của bo và silic (SiC, BN, SiO2) như biểu thị ở hình dưới.

Có thể phân loại ceramic theo thành phần hóa học, theo cấu trúc, theo phương pháp công nghệ, lĩnh vực sử dụng…

Theo các đặc điểm kết hợp, thịnh hành cách phân loại ceramic ra làm ba nhóm chính:

Gốm và vật liệu chịu lửa

Khái niệm: là vật liệu nhân tạo có sớm nhất trong lịch sử loài người. Khởi đầu khái niệm gốm được dùng để chỉ vật liệu chế tạo từ đất sét, cao lanh (gốm đất nung). Về sau, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, khái niệm này được mở rộng và bao gồm thêm đồ sứ, các vật liệu trên cơ sở ôxyt (ví dụ gốm Al2O3) và các chất vô cơ không phải là ôxyt (ví dụ SiC).

Đặc điểm: Theo thành phần hóa học có thể có các loại gốm sau: gốm silicat, gốm ôxyt, gốm không phải ôxyt và gốm chịu lửa…

• Gốm Silicat: Gốm silicat còn gọi là gốm truyền thống là loại chế tạo từ các vật liệu silicat thiên nhiên độ sạch thấp, chủ yếu từ đất sét và cao lanh để tạo nên các sản phẩm gốm xây dựng (gạch, ngói, ống dẫn, sứ vệ sinh…), gốm gia dụng (ấm chén, bát đĩa) và gốm công nghiệp (cách điện, bền hóa, nhiệt).
  • Đất sét là silicat nhôm gồm có Al2O3, SiO2 và ngậm nước.
  • Cao lanh (kaolinite) là khoáng phổ biến nhất của đất sét có công thức Al2(Si2O5)(OH)4 hay Al2O3.2SiO2.2H2O.
  • Ngoài đất sét, cao lanh còn dùng các nguyên liệu phụ như thạch anh SiO2 làm chất độn, tràng thạch KAlSi3O8 làm trợ dung. Ví dụ một sứ điển hình chứa 50% đất sét (cao lanh), 25% thạch anh, 25% tràng thạch.
• Gốm ôxyt: là gốm có thành phần hóa học là một đơn ôxyt (Al2O3 hoặc TiO2) hoặc một ôxyt phức xác định (ví dụ MgO.Al2O3, BaO.TiO2), như vậy trong thành phần không có SiO2.
  • Khác với gốm silicat, gốm ôxyt có độ tinh khiết hóa học cao hơn hẳn (tỷ lệ tạp chất rất thấp) và tỷ lệ pha tinh thể cũng cao hơn hẳn (tỷ lệ pha vô định hình rất thấp) để làm vật liệu kỹ thuật có độ bền nhiệt và độ bền cơ học rất cao, có các tính chất điện và từ đặc biệt.

Thủy tinh và gốm thủy tinh

Thủy tinh

Khái niệm: Về mặt bản chất, có thể phân biệt thủy tinh với gốm và vật liệu chịu lửa ở:

• Thủy tinh có cấu trúc hoàn toàn là vô định hình, là vật liệu một pha đồng nhất (trong khi đó ở gốm phần lớn là tinh thể).
• Thủy tinh sản xuất theo công nghệ nấu chảy và tạo hình tiếp theo bằng kéo (tấm, ống, sợi), cán, ép, dập, thổi (gốm theo công nghệ thiêu kết bột).

Đặc điểm: Cũng như gốm, thủy tinh được sử dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống. Nguyên liệu để sản xuất thủy tinh cũng phổ biến và rẻ tiền như gốm, nó dùng cát trắng (SiO2), sôđa (Na2CO3), đá vôi (CaCO3), tràng thạch [(K,Na)AlSi3O8], đôlômit (CaCO3.MgCO3)…

Theo thành phần hóa học và công dụng có thể có các loại: thông dụng và các loại khác.

Gốm thủy tinh

Khái niệm: Về mặt thành phần hóa học, gốm thủy tinh cũng có thành phần đại loại như thủy tinh (ví dụ SiO2 – Al2O3 – Na2O) song có cấu trúc và cách chế tạo hơi khác

Đặc điểm:

• Nếu thủy tinh là loại vô định hình thì gốm thủy tinh có cấu trúc giống gốm tinh, kết hợp giữa tinh thể và vô định hình.
• Cách chế tạo khác hẳn gốm tinh: thoạt đầu theo công nghệ thủy tinh (nấu chảy, tạo hình, cấu trúc vô định hình), sau đó được xử lý nhiệt theo chế độ xác định để thực hiện quá trình tạo mầm và kết tinh, tạo nên các vi tinh thể với tổng thể tích 60 – 95%, chúng phân bố đều trên nền pha vô định hình, ở đây pha vô định hình đóng vai trò chất liên kết. Để tạo mầm phải chọn thủy tinh gốc phù hợp và cho thêm các chất xúc tác tạo mầm như Pt, TiO2, ZrO2, SnO2, sunfit, fluorit…

Xi măng và bê tông

Khái niệm, đặc điểm: các vật liệu vô cơ đa pha có thể được chế tạo bằng phương pháp khác (ngoài thiêu kết bột và nấu chảy), đó là phương pháp kết dính các thành phần vật liệu rắn với nhau ở nhiệt độ thường nhờ chất dính kết. Đây là nguyên lý chế tạo bê tông, loại vật liệu xây dựng quan trọng hàng đầu, như sau: các cốt liệu rắn (sỏi, cát) với xi măng poclan và nước là chất dính kết theo tỷ lệ xác định được hòa trộn để có hỗn hợp ở thể nhão (vữa bê tông), sau khi xi măng đã đóng rắn khối vật liệu trở nên liền khối và vững chắc

• Xi măng: Xi măng (cement) là chất kết dính thủy lực do một khi tác dụng với nước tạo ra các hợp chất có tính kết dính; các hợp chất này đóng rắn trong nước và các sản phẩm đóng rắn bền trong nước. Bao gồm:
  • Poclan, trên cơ sở hệ CaO – SiO2 chứa thêm Al2O3, Fe2O3 với nhiều loại biến thể. Loại này phổ biến nhất
  • Alumin, trên cơ sở hệ CaO – Al2O3 chứa thêm SiO2, Fe2O3.
  • Xỉ lò cao, chứa thêm thạch cao hoặc vôi.
• Bê tông: Bê tông được chế tạo từ hỗn hợp các vật liệu silicat với kích thước hạt khác nhau (ví dụ, gồm sỏi hoặc đá dăm kích thước 1 – 4cm, cát vàng cỡ hạt 0,1- 0,2mm, xi măng cỡ hạt 0,5 – 50μm) để tạo ra mật độ cao cho bê tông: hạt cát điền đầy vào chỗ trống giữa các viên sỏi, đá dăm, còn các hạt xi măng sẽ chen vào khoảng trống giữa các hạt cát.
  • Cốt liệu của bê tông thường được sử dụng là cát, sỏi, đá vôi, đá granit… (có khối lượng riêng cỡ 2 – 3g/cm3), để có bê tông nhẹ cốt liệu phải là loại xốp, có khối lượng riêng thấp (~ 1g/cm3) như xỉ lò cao, đá xốp thiên nhiên hay dùng phụ gia tạo ra bọt khí trong quá trình đóng rắn.
  • Cơ tính của bê tông mang đặc trưng của ceramic là độ bền nén cao, độ bền kéo thấp. Giới hạn bền nén của bê tông biến đổi rất rộng tùy thuộc tỷ lệ trong hỗn hợp, bảo dưỡng…, trong khoảng 5 – 60 MPa, còn giới hạn bền kéo chỉ bằng 1/8 – 1/10 giới hạn bền nén (do sự có mặt của vô số vết nứt lỗ hổng, kênh chứa nước).

Bê tông cốt thép

VẬT LIỆU COMPOSITE

Khái niệm

Vật liệu composite còn gọi là Vật liệu tổng hợp, Vật liệu compozit,hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính chất vượt trội hơn hẳn so với các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ.

Đặc điểm

• Là vật liệu nhiều pha mà chúng thường rất khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha. Trong thực tế, phần lớn composite là loại hai pha gồm nền là pha liên tục trong toàn khối, cốt là pha phân bố gián đoạn.
• Nền và cốt có tỷ lệ, hình dáng, kích thước và sự phân bố theo thiết kế đã định trước.
• Các loại nền thường dùng: chất dẻo, kim loại, gốm.
• Cốt là pha không liên tục đóng vai trò là pha tạo nên độ bền, độ đàn hồi và độ cứng.
• Các loại cốt thường dùng: chất vô cơ (sợi bo, sợi cacbon, sợi thủy tinh…), chất hữu cơ (sợi polyamit), kim loại (sợi thép không rỉ, bột vonfram, bột molipđen).
• Tính chất của các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên tính chất chung của composite. Tuy nhiên đó không phải là sự cộng đơn thuần tất cả các tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm.

Một số loại compozit được sử dụng phổ biến trong cơ khí:

Compozit cốt hạt

Gồm 2 loại:

1. Composite hạt thô: loại này rất đa dạng và được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp,xây dựng.
2. Composite hạt mịn: là loại có tính năng đặc biệt: bền nóng và ổn định nóng.

Đặc điểm

• Loại này có đặc điểm là các phần tử cốt hạt thường cứng hơn nền thường là các oxit, cacbit…
• Hợp kim cứng là compozit cốt hạt trong đó nền là coban còn cốt là các hạt cacbit.
• Bê tông là compozit cốt hạt trong đó nền là xi măng, cốt là đá, sỏi, cát..

Compozit cốt sợi

Đặc điểm

• Loại này có độ bền và mô đun đàn hồi riêng cao. Vật liệu nền phải tương đối dẻo, cốt phải có độ bền, độ cứng vững cao. Ngoài ra cơ tính của loại compozit này còn phụ thuộc vào hình dáng, kích thước và sự phân bố sợi.
• Các loại compozit sợi sử dụng hiện nay là compozit polyme sợi thủy tinh để làm vỏ xe ô tô, tàu biển, ống dẫn, tấm lót sàn công nghiệp.
• Compozit polyme sợi cacbon thường dùng chế tạo chi tiết của máy bay.
• Compozit kim loại sợi (nền là Cu, Al, Mg… cốt là sợi cacbon, bo, cacbit silic) loại này chịu nhiệt cao, dùng để chế tạo chi tiết trong tua bin.

Composite cấu trúc

Composite cấu trúc là loại bán thành phẩm dạng tấm nhiều (≥ 3) lớp được tạo thành bằng cách kết hợp các vật liệu đồng nhất với composite theo những phương án cấu trúc khác nhau. Do đó tính chất không những phụ thuộc vào tính chất các vật liệu thành phần mà còn cả vào thiết kế hình học của chúng trong kết cấu.

VẬT LIỆU POLYMER

Khái niệm

Polymer là hợp chất gồm các phân tử được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của 1 hay nhiều loại nguyên tử hay nhóm nguyên tử (đơn vị cấu tạo monome) liên kết với nhau với khối lượng khá lớn để tạo nên một loạt các tính chất mà chúng thay đổi không đáng kể khi lấy đi hay thêm vào một vài đơn vị cấu tạo.

Đặc điểm

Polymer là những vật liệu nhựa dẻo, tuy mỗi polyme sẽ có tính chất riêng biệt nhưng chung quy lại chúng vẫn có những đặc điểm sau đây:

• Có khả năng tái chế rất cao.
• An toàn tuyệt đối với hóa chất.
• Không dẫn điện và dẫn nhiệt.
• Trọng lượng nhẹ.
• Màu sắc vô cùng đa dạng.

Phân loại và ứng dụng

Chất dẻo

Là loại vật liệu polymer chiếm tỷ trọng cao nhất và được ứng dụng nhiều nhất đến mức nguời ta có thể dùng tên này để thay thế cho polymer. Theo công dụng có các loại sau:

• Chất dẻo có độ dẻo cao như PE (Polyetylen), PP (Polypropylene),.. thường dùng làm màng bao gói sản phẩm, chai lọ mềm hay đồ chơi, dược phẩm, phim,…
• Chất dẻo có độ trong suốt quang học như PMMA, PS (Polystylene), thường dùng làm kính, cửa máy bay, dụng cụ đo, dụng cụ gia đình,…
• PVC (Polyvinyl clorua): là một trong những chất dẻo được ứng dụng rộng rãi để làm đường ống, bọc dây điện, thảm trải nhà, băng ghi âm,…
• PET (Polyeste): là loại chất dẻo nhất, độ xé rách và bền mỏi cao, bền với độ ẩm, axit, chất béo, dung môi,.. nên được dùng làm bằng từ, vải sợi, mành lốp ô tô, chai lọ đựng nước uống,…
• Nhựa nhiệt rắn như epoxy, bakelit (PF),… cứng và chịu nhiệt độ nên được dùng trong các chi tiết máy, Silicon cách điện cao, trong công nghiệp chỉnh hình,…

Elastome

Là loại polymer có tính đàn hồi cao như cao su. Cấu trúc có dạng mạch lưới thưa nhận được từ quá trình lưu hóa bằng cách đưa lưu luỳnh vào để biến polymer có mạch lưới. Sau lưu hóa vẫn giữ được tính đàn hồi nhưng có độ bền cao hơn hẳn, do đó được sử dụng nhiều trong công nghiệp và đời sống.

Sợi polymer

Dùng làm sợi vì có khả năng kéo đến tỷ lệ (100: 1=L: d), có cơ hóa tính cao, chịu nhiệt ổn định và hóa học với môi trường, ví dụ PA, PET.

Màng

Được chế tạo từ polymer có chiều dày từ 0,025 đến 0,125 mm để làm túi bao bì thực phẩm và các hàng hóa khác.

Chất dẻo xốp

Là loại có độ xốp cao bao gồm cả loại dẻo và rắn được chế tạo bằng cách tạo các bọt khí nhỏ trong vật liệu để nhận được độ xốp. Chất dẻo xốp được dùng sản xuất đệm ghế ngồi, nội thất gia đình và bao gói sản phẩm,…

Qua bài viết trên phần nào sẽ giúp bạn đọc hiểu được các khái niệm và đặc tính, tính ứng dụng của vật liệu phi kim loại. Ngoài ra bạn đọc có thể tìm hiểu thêm qua các giáo trình tài liệu liên quan. ADP chúc các bạn thành công!

Một số tài liệu liên quan khác tại đây