Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 4 - Vật liệu phi kim dùng trong cơ khí

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 4 - Vật liệu phi kim dùng trong cơ khí

Với trình độ khoa học kỹ thuật ngày càng cao, ngành cơ khí cho phép chế tạo vật liệu phi kim loại có độ bền cao hơn, dần dần có thể thay thế một số chi tiết máy bằng kim loại. Về một số mặt, vật liệu phi kim loại có nhiều ưu điểm so với vật liệu kim loại như cách điện, cách nhiệt chịu ăn mòn hóa học,… nên tỷ lệ các chi tiết bằng phi kim loại trong máy móc hiện nay ngày càng tăng.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 4 - Vật liệu phi kim dùng trong cơ khí - 1

Các vật liệu phi kim loại có thể là vật liệu thiên nhiên như gỗ, đá, cao su, amiang, graphit,... có thể là nhân tạo như thuỷ tinh, chất dẻo, cao su nhân tạo, vật liệu kết hợp, vật liệu gốm...

Chất dẻo

Là vật liệu nhân tạo, có thể biến dạng mà không bị phá hủy, có thể định hình với áp lực thấp hoặc đúc. Có cấu tạo hóa học phức tạp, nhận được trên cơ sở Polime hữu cơ.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 4 - Vật liệu phi kim dùng trong cơ khí - 2

Phân loại theo nguồn gốc hình thành

  • Polyme thiên nhiên là loại có nguồn gốc thực vật hay động vật như xenlulô, cao su, prôtêin, enzym.

  • Polyme tổng hợp là loại được sản xuất từ các loại monome bằng các phản ứng trùng hợp, trùng ngưng như các loại polyolefin, polyvinylclorua, nhựa fenol fomandehit, polyamide...

Phân loại theo cấu trúc

Theo cấu trúc phân tử người ta phân biệt polyme mạch thẳng, polyme mạch nhánh, polyme mạch lưới và polyme mạch không gian.

Phân loại theo tính chịu nhiệt

Theo biến đổi cơ học khi tăng nhiệt độ ta có polyme nhiệt dẻo (thermoplastic polymer) và polyme nhiệt rắn (thermosetting polymer). Khi nung nóng polyme nhiệt dẻo giống như kim loại bị mềm ra rồi nóng chảy một cách đột ngột và đông rắn trở lại khi làm nguội - quá trình này là thuận nghịch và có thể lặp lại. 

Trong khi đó khi tăng nhiệt độ polyme nhiệt rắn lại luôn luôn ở trạng thái đông cứng (không bị mềm dần và nóng chảy) cho đến khi bị phá hủy do ôxy hóa hay cháy, nên khi làm nguội không thể trở lại trạng thái ban đầu - quá trình này là không thuận nghịch. Sự khác nhau cơ bản về tính chất cơ - nhiệt này xuất phát từ sự khác nhau về cấu trúc mạch và do đó dẫn đến cơ tính, tính công nghệ, quy trình chế tạo sản phẩm ứng dụng khác nhau. 

Polyme nhiệt dẻo thường có cấu trúc mạch thẳng và một phần là mạch nhánh ở mức độ thấp, nên có cấu trúc tinh thể và mức độ kết tinh khá cao (từ vài chục đến hơn 90%). Khi tăng nhiệt độ do dao động nguyên tử tăng lên nên lực yếu Van der Waals liên kết các mạch với nhau bị giảm mạnh đến mức chuyển động tương đối của các mạch cạnh nhau trở nên dễ dàng, dưới tác dụng của ứng suất dễ dàng trượt, trôi đi với nhau nên polymy mềm, dẻo. 

Khi nhiệt độ tăng đến giá trị nhất định,dao động của mạch trở nên mãnh liệt, phá vỡ toàn bộ liên kết đồng hóa trị, cấu trúc mạch bị mất đi, polyme thành thể lỏng; khi làm nguội đi nó lại có quá trình tạo mạch thẳng và kết tinh (các mạch xếp song song ở dang tấm, lớp như đã trình bày). Vì thế polyme nhiệt dẻo có nhiệt độ chảy (kết tinh). Khi chế tạo sản phẩm người ta nung chảy polyme mạch thẳng ở dạng nguyên liệu - hạt nhựa – có hoặc không có phụ gia, rồi ép nó trong khuôn (nguội), sau khi sản phẩm hình thành trong khuôn được nguội đi để đông cứng (kết tinh) trở lại mới được phép lấy ra khỏi khuôn. 

Nói chung các polyme nhiệt dẻo có đặc trưng cơ tính là tương đối mềm và dẻo, nhiệt độ sử dụng hơi thấp (chỉ cao hơn nhiệt độ thường chút ít cho tới khoảng trên 1000C), thường được dùng rất rộng rãi làm đồ dùng sinh hoạt, nhựa bọc dây điện (nhờ tính cách điện cao ở tần số thấp cũng như cao).

Polyme nhiệt rắn có cấu trúc mạch phức tạp (không gian và lưới) nên hầu như không có cấu trúc tinh thể, chỉ ở dạng vô định hình. Trong polyme nhiệt rắn hầu như không có liên kết yếu Van der Waals, mà chỉ có liên kết đồng hóa trị. Khi nung nóng một khi các liên kết đồng hóa trị này vẫn còn tồn tại thì polyme vẫn cứng, bền; chỉ khi tới nhiệt độ quá cao mạch mới bị đứt, gãy và thoái hóa, cháy mà trước đó không hề bị mềm và chảy lỏng, do vậy không có nhiệt độ kết tinh (nóng chảy). 

Khi chế tạo sản phẩm người ta đồng thời nung chảy và ép nhựa nguyên liệu cùng với chất tạo mạch lưới hay không gian, nhờ đó chất lỏng biến đổi thành chất rắn mới có cấu trúc mạch phức tạp (các mạch ngang tạo nên lưới, không gian) ở ngay trong khuôn ép, như vậy không cần phải làm nguội mà vẫn lấy được sản phẩm ra (có thể dùng cách nung chảy phối liệu ngay trong khuôn ép). Nói chung các polyme nhiệt rắn có đặc trưng cơ tính là bền, cứng hơn, nhiệt độ làm việc cao hơn song cũng giòn hơn. Ngoài được dùng làm các đồ dùng sinh hoạt nó với yêu cầu chắc bền hơn còn được dùng làm chi tiết máy.

Như thế polyme nhiệt dẻo không có sự biến đổi đáng kể giữa nguyên liệu và sản phẩm nên khi tạo hình có độ co nhỏ (1-3%), tính đàn hồi cao (co giãn tốt), định hướng cao khi cán kéo, giát mỏng. Ngoài ra sau khi hư hỏng trở thành phế liệu polyme nhiệt dẻo có thể tái sinh, đó là ưu điểm hết sức quý giá trên quan điểm bảo vệ môi trường. Ngược lại polyme nhiệt rắn có sự biến đổi hoàn toàn giữa nguyên liệu và sản phẩm nên độ co khi tạo hình lớn hơn. Tuy bền, cứng hơn song không thể tái sinh. Nói chung các polyme rất khó bị phân hủy trong thiên nhiên, do vậy cần phải thu gom tốt từ rác thải và có biện pháp tái chế (đối với loại nhiệt dẻo) hoặc làm nhiên liệu, phụ gia (đối với loại nhiệt rắn).

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 4 - Vật liệu phi kim dùng trong cơ khí - 3

Phân loại theo sự phân cực

Có polyme phân cực và không phân cực. Ở các phân tử polyme không phân cực các đám mây điện tử có tác dụng cố định các nguyên tử và được phân bố giữa các phân tử ở mức độ giống nhau trong những phân tử đó điện tích của các điện tích khác dấu trùng nhau. Ở các phân tử polyme phân cực đám mây điện tử chung dịch chuyển về phía các nguyên tử có điện tích âm hơn, do đó trọng tâm của các điện tích khác dấu không trùng nhau, tạo ra lưỡng cực. Mômen lưỡng cực (với đơn vị đo là đơbai, D) được tính bằng tích của điện tích nguyên tố q (điện tích của một điện tử q = 4,8.10-10  đơn vị tĩnh điện) với khoảng cách l giữa các trọng tâm của điện tích âm và dương.

Các liên kết C - H, C - N, C - O, C - F, C - Cl có các giá trị mômen lưỡng cực lần lượt là 0,2; 0,4; 0,9; 1,83; 2,05D. Vì thế PE, PTFE có cấu trúc đối xứng, hay PP tuy không đối xứng song các liên kết C - H và C - CH3 lại giống nhau nên chúng đều là loại không phân cực; còn PVC do phân tử không đối xứng, các mômen lưỡng cực C - H (0,2D) và C - Cl (2,05D) không bù cho nhau được nên lại là loại phân cực.

Các polyme không phân cực (chủ yếu là hyđrôcacbon) có tính cách điện cao ở tần số thấp cũng như tần số cao, cơ lý tính ít bị xấu đi ở nhiệt độ thấp, có tính chịu lạnh tốt (PE không bị giòn ngay ở -700C). Tính phân cực do làm tăng lực hút giữa các phân tử gây cho polyme cứng vững và chịu nhiệt. Polyme phân cực chỉ là chất cách điện tốt ở tần số thấp.

Phân loại theo lĩnh vực ứng dụng

Theo cách này, polyme được chia thành chất dẻo, sợi, elastome, sơn và keo. Sẽ trình các vật liệu polyme theo cách phân loại này.

Vật liệu kết hợp

Từ lâu người ta đã biết sự kết hợp tính chất của các pha trong vật liệu đa pha. Ví dụ, độ bền cao cùng với độ dẻo tương đối tốt của thép cùng tích là sự kết hợp của độ dẻo, độ dai cao của nền ferit với tính cứng vững của các tấm (hạt) xêmentit nằm xen trong đó. Gỗ, tre khá cứng vững, bền, dai chính là nhờ các tính chất tương ứng của sợi xenlulô (bền, dai) được phân bố theo hướng xác định với lignin (cứng vững) bao quanh. 

Đó là bằng các con đường kết hợp tự nhiên. Bằng con đường kết hợp nhân tạo các pha có bản chất khác nhau theo một kiến trúc định trước sẽ bảo đảm tạo nên một tổ hợp các tính chất phù hợp với các yêu cầu sử dụng đề ra.

Vậy composite là loại vật liệu nhiều pha khác nhau về mặt hóa học, hầu như không tan vào nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha, kết hợp lại nhờ sự can thiệp kỹ thuật của con người theo những sơ đồ thiết kế trước, nhằm tận dụng và phát triển những tính chất ưu việt của từng pha trong composite cần chế tạo.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 4 - Vật liệu phi kim dùng trong cơ khí - 4

Composite có những đặc điểm chính sau

- 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.

- 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.

Phân loại vật liệu kết hợp

Thông thường dùng cách phân loại theo các đặc trưng của nền và cốt, tức các pha cơ bản.

Theo bản chất của nền có:

- Composite nền chất dẻo (polyme),

- Composite nền kim loại,

- Composite nền ceramic,

- Composite nền hỗn hợp nhiều pha.

Theo đặc điểm cấu trúc của cốt có thể phân loại composite thành ba nhóm: composite cốt hạt, composite cốt sợi và composite cấu trúc như trình bày ở hình dưới. Loại cốt hạt và loại cốt sợi khác nhau ở kích thước hình học của cốt: cốt sợi có tỷ lệ chiều dài trên đường kính khá lớn, còn cốt hạt là các phần tử đẳng trục. Khái niệm về composite cấu trúc là để chỉ các bán thành phẩm dạng tấm, lớp là vật liệu đồng nhất và composite khác. Trong từng loại cốt: hạt, sợi nền với kích thước khác nhau còn được chia tiếp thành các nhóm nhỏ hơn: hạt thô và hạt mịn, sợi liên tục và sợi gián đoạn...

Vật liệu gốm

Vật liệu gốm là vật liệu vô cơ, chế tạo từ dạng hạt sau đó ép định hình và nung thiêu kết ta thu được sản phẩm. Cấu tạo gồm 3 pha:

- Pha tinh thể quyết định tính chất lý hóa của vật liệu.

- Pha thủy tinh ở dạng vô định hình, có tác dụng liên kết các hạt tinh thể, làm giảm độ bền nhưng dễ chế tạo.

- Pha khí tạo bở khe hở giữa các hạt. Tùy thuộc yêu cầu công nghệ mà có tỷ lệ pha lớn hay nhỏ.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 4 - Vật liệu phi kim dùng trong cơ khí - 5

Bản chất và phân loại vật liệu gốm

 Gốm 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). Khái niệm gốm có liên quan đến hai nội dung: phương pháp công nghệ và đặc điểm tổ chức.

 Phương pháp công nghệ gốm điển hình là phương pháp thiêu kết bột (như hợp kim bột): khi tạo hình nguyên liệu dạng bột có liên kết tạm thời, sau đó được nung lên nhiệt độ cao để liên kết khối.

Tổ chức điển hình của gốm là đa pha. Nói đa pha vì hai pha chính tạo nên gốm là pha tinh thể và pha vô định hình, trong đó pha vô định hình phân bố xen giữa các vùng pha tinh thể và gắn kết chúng lại với nhau. Tỷ lệ giữa hai pha này trong các sản phẩm sẽ khác nhau, ví dụ tỷ lệ pha vô định hình trong gạch ngói là 20 - 40%, trong sứ - 50 - 65%, gốm Al2O3 < 1%. Ngoài hai pha chính ra trong gốm luôn luôn có lỗ xốp (trong gạch: 10 - 50%, gốm nhẹ: > 40%, sứ: < 5%) mà tỷ lệ, hình dạng, kích thước và sự phân bố có ảnh hưởng rõ rệt đến các tính chất như độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt, khả năng hút nước. Ví dụ môđun đàn hồi E giảm đi theo sự tăng lên của thể tích rỗ xốp P theo biểu thức

E = E0 (1 - 1,9P + 0,9P2)

trong đó E0 là môđun đàn hồi của gốm đặc, không lỗ xốp.

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

 

Xem thêm:

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 1 - Hợp kim cứng

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 2 - Thép hợp kim

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 3 - Gang và Thép

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 5 - Nhôm và hợp kim nhôm

 

Hutscom - Nhà phân phối dụng cụ cơ khí, thiết bị công nghiệp uy tín tại thị trường Việt Nam

Website: https://hutscom.vn/

Mail: sales@hutscom.vn

Hotline: 0903 867 467

Địa chỉ: Phòng G7, Số 6 Phùng Khắc khoan, Phường Đakao, Quận 1, TPHCM

Bình luận

Không tìm thấy bài viết

Viết bình luận