A. Lý thuyết trọng tâm

I. Khái niệm vật liệu mới

Vật liệu mới là những loại vật liệu nằm ngoài danh mục các vật liệu truyền thống đã và đang được dùng trong sản xuất. Điểm nổi bật của chúng thể hiện ở hai khía cạnh chính:

Thứ nhất, đây là những vật liệu sở hữu các tính chất cơ học (như độ bền, độ cứng…), tính chất vật lí (như khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện, tính chất quang học…) hoặc tính chất hoá học vượt trội hơn hẳn so với vật liệu thông thường.

Thứ hai, một số vật liệu mới còn có khả năng tự thay đổi tính chất hoặc hình dạng để thích nghi với sự biến đổi của môi trường xung quanh – điều mà vật liệu truyền thống không làm được.

II. Một số loại vật liệu mới

1. Vật liệu nano

Khái niệm: Vật liệu nano là loại vật liệu được cấu tạo từ các hạt tinh thể có kích thước ở cỡ nanômét (1 nm = 10⁻⁹ m). Khi vật chất thu nhỏ đến quy mô này, chúng thể hiện những tính chất vật lí, hoá học và sinh học hoàn toàn khác biệt so với khi ở kích thước thông thường – chẳng hạn, một số trở nên bền hơn và nhẹ hơn đáng kể; một số khác lại dẫn điện, truyền nhiệt hoặc phản xạ ánh sáng tốt hơn nhờ sự thay đổi về kích thước hay cấu trúc bên trong.

Ứng dụng trong lĩnh vực cơ khí:

Nhờ những đặc tính vượt trội kể trên, vật liệu nano đã và đang thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ trong nhiều ngành nghề. Riêng trong lĩnh vực cơ khí, có thể kể đến một số ứng dụng tiêu biểu:

Trong ngành hàng không – vũ trụ và công nghiệp ô tô, vật liệu nano được sử dụng để chế tạo các vật liệu siêu nhẹ nhưng có độ bền cực cao, phục vụ sản xuất xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ…

Trong công nghiệp chế tạo robot, vật liệu nano giúp sản xuất các loại robot mini có thể ứng dụng trong y tế, sinh học và nhiều lĩnh vực khác.

Trong chế tạo máy, vật liệu nano được dùng để phủ lên bề mặt các bạc trục, trục máy nhằm chống mài mòn; đồng thời phủ lên bề mặt chi tiết máy để tăng khả năng chống ăn mòn.

2. Vật liệu composite

Khái niệm: Composite là vật liệu được tạo thành bằng cách tổ hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu thành phần khác nhau. Trong đó, vật liệu cốt đóng vai trò tăng cường độ bền, còn vật liệu nền có tác dụng liên kết các phần cốt lại với nhau. Nhờ sự kết hợp này, composite sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật: độ cứng và độ bền cao, chịu nhiệt tốt, chống mài mòn và chống ăn mòn hiệu quả, trong khi khối lượng riêng lại khá nhỏ.

Ứng dụng trong lĩnh vực cơ khí:

Trong cơ khí động lực, composite được dùng rộng rãi để chế tạo vỏ máy bay, thân ô tô, vỏ tàu thuỷ – những bộ phận cần vừa nhẹ vừa chắc.

Trong chế tạo máy, vật liệu này được dùng để sản xuất các dụng cụ cắt gọt, trục truyền, bánh răng và nhiều chi tiết chịu lực khác.

Trong công nghiệp robot, composite là vật liệu lí tưởng để chế tạo khung, cánh tay và các chi tiết khác của robot.

Ngoài ra, composite còn xuất hiện trong nhiều sản phẩm khác như bình chịu áp lực, cánh quạt tua bin gió, ống dẫn chất lỏng, chất khí…

3. Vật liệu có cơ tính biến thiên

Khái niệm: Vật liệu có cơ tính biến thiên (hay còn gọi là vật liệu phân lớp chức năng, viết tắt theo tiếng Anh là FGM – Functionally Graded Material) về bản chất là một dạng composite tiên tiến. Điểm khác biệt cốt lõi nằm ở chỗ: FGM được thiết kế sao cho các tính chất của vật liệu thay đổi liên tục trong không gian. Sự biến đổi này đạt được nhờ thay đổi dần tỉ lệ phần thể tích và/hoặc cấu trúc vi mô của các vật liệu cấu thành trong quá trình chế tạo.

Ưu điểm: Các vật liệu cấu thành cho FGM được lựa chọn dựa trên yêu cầu về tính năng sử dụng, giúp sản phẩm đạt chất lượng tốt nhất từ mỗi loại vật liệu thành phần. Đặc biệt, FGM tránh được hiện tượng ăn mòn, mỏi, đứt gãy và bong tách do sự chuyển đổi đột ngột về tính chất trên bề mặt phân cách giữa các lớp vật liệu – một hạn chế thường gặp ở composite thông thường.

Ứng dụng trong lĩnh vực cơ khí:

Trong công nghiệp hàng không – vũ trụ, FGM được sử dụng làm thành phần cấu tạo của động cơ tên lửa, thân máy bay, tàu vũ trụ…

Trong cơ khí động lực, FGM dùng để chế tạo linh kiện động cơ, lớp vỏ cản nhiệt giúp giảm thất thoát nhiệt từ các bộ phận của hệ thống xả.

Ngoài ra, vật liệu này còn được ứng dụng để làm các chi tiết trong máy công cụ và dụng cụ cắt.

Thông tin bổ sung: Khái niệm vật liệu có cơ tính biến thiên lần đầu tiên được nghiên cứu tại Nhật Bản vào năm 1984, trong một dự án máy bay không gian. Mục đích ban đầu là tạo ra một rào cản nhiệt có khả năng chịu được nhiệt độ bề mặt tới 2000 °C và chênh lệch nhiệt 1000 °C trên chiều dày chỉ 10 mm. Trong những năm gần đây, FGM đã trở nên phổ biến hơn tại châu Âu, đặc biệt là ở Đức.

4. Hợp kim nhớ hình

Khái niệm: Hợp kim nhớ hình là loại vật liệu đặc biệt có khả năng “ghi nhớ” hình dạng ban đầu của mình. Khi các chi tiết làm từ hợp kim này bị biến dạng do tác động của ngoại lực, chúng sẽ tự phục hồi lại hình dạng ban đầu thông qua một quá trình cơ nhiệt thích hợp (chẳng hạn như nung nóng). Hiện nay đã có hàng chục loại hợp kim nhớ hình được chế tạo, trong đó điển hình nhất là hợp kim Nitinol – một hợp kim của niken (Ni) và titan (Ti).

Ứng dụng trong lĩnh vực cơ khí:

Trong công nghiệp chế tạo robot, hợp kim nhớ hình được dùng để chế tạo các chi tiết máy, cơ cấu ở cấp độ micro như bộ kẹp micro thụ động, bộ truyền động cho bàn tay giả, chuồn chuồn robot…

Trong công nghiệp ô tô, hợp kim nhớ hình được sử dụng để làm các bộ truyền động thay thế cho bộ truyền động điện tử truyền thống.

Trong ngành hàng không – vũ trụ, vật liệu này giúp chế tạo cánh quạt máy bay thông minh và cánh máy bay có khả năng tự thay đổi hình dạng bề mặt để tăng cơ động và giảm lực cản.

B. Sơ đồ tư duy

                                    ┌─ Khái niệm: Hạt tinh thể cỡ
                                    │  nanômét, tính chất khác biệt
                   ┌─ 1. VẬT LIỆU ─┼─ Tính chất: Bền hơn, nhẹ hơn,
                   │    NANO        │  dẫn điện/nhiệt/quang tốt hơn
                   │                └─ Ứng dụng CK: Hàng không-vũ trụ,
                   │                   robot mini, phủ chống mài mòn
                   │
                   │                ┌─ Khái niệm: Tổ hợp từ 2+ vật liệu
                   │                │  (cốt + nền)
                   ├─ 2. VẬT LIỆU ─┼─ Tính chất: Cứng, bền, chịu nhiệt,
  VẬT LIỆU MỚI    │    COMPOSITE   │  chống mài mòn, nhẹ
  (Nằm ngoài      │                └─ Ứng dụng CK: Vỏ máy bay/ô tô/
  danh mục VL     │                   tàu, dụng cụ cắt, robot, tua bin
  truyền thống;   │
  tính chất       │                ┌─ Khái niệm: Composite tiên tiến,
  vượt trội       ├─ 3. VẬT LIỆU ─┤  tính chất thay đổi liên tục (FGM)
  hoặc có thể     │    CƠ TÍNH     ├─ Ưu điểm: Tránh đứt gãy, bong
  tự thay đổi)    │    BIẾN THIÊN  │  tách do chuyển đổi đột ngột
                   │                └─ Ứng dụng CK: Động cơ tên lửa,
                   │                   máy bay vũ trụ, vỏ cản nhiệt
                   │
                   │                ┌─ Khái niệm: VL ghi nhớ hình dạng
                   │                │  ban đầu, phục hồi qua cơ nhiệt
                   └─ 4. HỢP KIM  ─┼─ Điển hình: Nitinol (Ni + Ti)
                       NHỚ HÌNH    └─ Ứng dụng CK: Robot micro, bàn
                                      tay giả, truyền động ô tô,
                                      cánh máy bay thông minh

ThS. Hồ Thị Thư

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Công Nghệ THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Công nghệ, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Hoàng Hoa Thám