A. Lý thuyết trọng tâm

I. Phân loại vật liệu phi kim loại

Trong ngành cơ khí hiện nay, vật liệu phi kim loại (hay còn gọi là vật liệu không kim loại) ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Nguyên nhân là bởi nhóm vật liệu này sở hữu một số ưu điểm nổi bật mà kim loại và hợp kim không thể thay thế được, chẳng hạn như tính cách điện, cách nhiệt, trọng lượng nhẹ, khả năng chịu ăn mòn hoá học tốt…

Nhờ sự phát triển của ngành khoa học vật liệu, các loại vật liệu phi kim loại ngày nay đã được chế tạo với độ bền cao hơn, cho phép thay thế một số chi tiết máy vốn làm bằng kim loại nhằm giảm nhẹ trọng lượng tổng thể của máy – đặc biệt có ý nghĩa trong ngành giao thông vận tải, hàng không và vũ trụ.

Dựa vào cấu tạo và tính chất, vật liệu phi kim loại thường dùng trong ngành cơ khí được phân thành ba nhóm chính:

II. Tính chất cơ bản của vật liệu phi kim loại

1. Tính chất cơ học

Vật liệu phi kim loại nói chung có tính đàn hồi. Khi so sánh với kim loại và hợp kim, chúng thường mềm hơn đáng kể – ngoại trừ trường hợp đặc biệt là kim cương.

2. Tính chất vật lí

Khối lượng riêng của các vật liệu phi kim loại nhỏ hơn nhiều so với kim loại, khiến chúng nhẹ hơn đáng kể. Về bản chất, vật liệu phi kim loại là chất cách điện nên không hỗ trợ dẫn nhiệt và dẫn điện. Ở điều kiện nhiệt độ phòng, chúng có thể tồn tại ở thể rắn hoặc thể khí – ngoại trừ brom là phi kim duy nhất ở thể lỏng. Ngoài ra, các vật liệu phi kim loại được đun sôi và nóng chảy ở nhiệt độ tương đối thấp.

3. Tính chất hoá học

Ưu điểm nổi bật là không bị ôxi hoá, không bị ăn mòn trong các môi trường chứa acid, muối… Tuy nhiên, theo thời gian, chất lượng của vật liệu phi kim loại sẽ giảm dần do hiện tượng lão hoá dưới tác dụng của nhiều yếu tố: nhiệt độ, độ ẩm, tia cực tím, bức xạ, ozone, điện, hoá học, vi sinh vật…

4. Tính công nghệ

Vật liệu phi kim loại có thể được gia công bằng nhiều phương pháp khác nhau tuỳ theo từng loại:

• Công nghệ đùn: Thường dùng cho nhựa nhiệt dẻo và cao su.
• Công nghệ đúc phun: Áp dụng được cho cả nhựa nhiệt dẻo, nhựa nhiệt rắn và cao su.
• Công nghệ đúc thổi: Chủ yếu dùng cho nhựa nhiệt dẻo.

III. Một số vật liệu phi kim loại thông dụng

1. Nhựa nhiệt dẻo

Cấu tạo: Thuộc nhóm hợp chất cao phân tử – tức là hợp chất có khối lượng phân tử lớn, trong cấu trúc có sự lặp đi lặp lại nhiều lần những mắt xích cơ bản. Đặc trưng của nhựa nhiệt dẻo là chảy mềm thành chất lỏng khi chịu tác dụng của nhiệt độ cao, sau đó đông rắn trở lại khi được làm nguội.

Tính chất: Có nhiệt độ nóng chảy thấp, nhẹ, không dẫn điện. Không bị ôxi hoá, ít bị hoá chất tác dụng. Dễ pha màu, dễ gia công tạo hình và đặc biệt có khả năng chế biến lại (tái sinh).

Ứng dụng trong cơ khí: Được dùng để chế tạo bánh răng, ổ trượt, bu lông, ốc vít nhựa trong một số máy móc như thiết bị kéo sợi…

2. Nhựa nhiệt rắn

Cấu tạo: Cũng là hợp chất cao phân tử, tuy nhiên nhựa nhiệt rắn hoá rắn ngay sau khi được ép dưới áp suất và nhiệt độ gia công. Sau khi đã đóng rắn, chúng không thể nóng chảy hay hoà tan trở lại và không có khả năng tái chế (do nhiệt độ nóng chảy rất cao).

Tính chất: Chịu được nhiệt độ cao, độ bền cao, nhẹ, không dẫn điện, không dẫn nhiệt. Không có khả năng tái sinh.

Ứng dụng trong cơ khí: Chế tạo bánh răng, ổ trượt, thanh nẹp chịu nhiệt của các loại bếp và lò điện; vỏ tàu thuyền, ô tô; ống dẫn hoá chất, bể chứa hoá chất; các chi tiết trong và trên máy bay như cửa, cánh quạt, khoang hàng, cánh đuôi.

3. Cao su

Cấu tạo: Là hợp chất cao phân tử, gồm hai loại chính: cao su thiên nhiên (được chế biến từ nhựa cây cao su) và cao su nhân tạo (được chế biến từ than đá, dầu mỏ).

Tính chất: Nổi bật với tính đàn hồi rất cao – độ giãn dài khi kéo có thể đạt tới 700% đến 800%. Bên cạnh đó, cao su còn có khả năng giảm chấn động tốt, độ cách nhiệt và cách âm cao.

Ứng dụng trong cơ khí: Làm săm lốp xe, ống dẫn, các phần tử đàn hồi của khớp nối, trục, đai truyền, vòng đệm, sản phẩm cách điện…

Bảng tổng hợp so sánh 3 loại vật liệu phi kim loại thông dụng:

IV. Một số phương pháp đơn giản nhận biết tính chất cơ bản của vật liệu phi kim loại

Để phân biệt các loại vật liệu phi kim loại, có thể áp dụng ba phương pháp đơn giản:

1. Quan sát đặc trưng quang học

Quan sát xem vật liệu có tính trong suốt hay đục mờ. Một số nhựa nhiệt rắn có tính chất trong suốt. Đối với nhựa nhiệt dẻo: một số loại như PVC, PS, PMMA, PC… có tính trong suốt; trong khi một số khác như HDPE, LDPE, PP, PTFE, PA… lại có tính đục mờ.

2. Xác định khối lượng riêng

Dùng cân để xác định khối lượng riêng của vật liệu. Đặc trưng chung là vật liệu phi kim loại tương đối nhẹ, với khối lượng riêng dao động trong khoảng từ 0,9 g/cm³ đến 2 g/cm³.

3. Phá huỷ của mẫu khi chịu tác động cơ học

Dùng búa đập vào mẫu vật liệu: nếu mẫu dễ gãy, vỡ thì có tính giòn lớn – đây thường là đặc điểm của các loại nhựa nhiệt rắn. Ngược lại, các loại nhựa nhiệt dẻo và cao su có tính mềm dẻo, khi đập sẽ không bị vỡ.

B. Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng: Xác định loại vật liệu phi kim loại của sản phẩm cơ khí

Phương pháp giải:

• Xác định sản phẩm cần phân tích và điều kiện sử dụng của sản phẩm đó (chịu nhiệt? cách điện? đàn hồi? tái sử dụng?…).
• Dựa vào tính chất đặc trưng để phân loại:
  • Sản phẩm mềm, nhẹ, có thể tái chế, dễ tạo hình → nhựa nhiệt dẻo.
  • Sản phẩm cứng, chịu nhiệt cao, cách điện tốt, giòn, không tái chế → nhựa nhiệt rắn.
  • Sản phẩm có tính đàn hồi cao, giảm chấn, cách điện → cao su.
• Đối chiếu kết luận với công dụng thực tế đã học.

Bài tập 1 (Thực hành – SGK): Em hãy cho biết những sản phẩm sau đây làm bằng vật liệu phi kim loại gì: can đựng rượu, cốc nhựa uống nước, vỏ công tắc điện, săm xe đạp?

Lời giải:

Can đựng rượu: Làm bằng nhựa nhiệt dẻo – vì sản phẩm mềm, nhẹ, dễ tạo hình và có khả năng tái chế.

Cốc nhựa uống nước: Làm bằng nhựa nhiệt dẻo – vì nhẹ, không độc hại, dễ gia công, có thể tái sử dụng.

Vỏ công tắc điện: Làm bằng nhựa nhiệt rắn – vì cần cứng, chịu nhiệt tốt, cách điện tốt, không bị biến dạng khi nhiệt độ tăng cao nhằm đảm bảo an toàn điện.

Săm xe đạp: Làm bằng cao su – vì cần tính đàn hồi cao, khả năng giảm chấn động tốt và chịu mài mòn.

Bài tập 2 (Vận dụng – SGK): Em hãy liệt kê các chi tiết máy được làm bằng vật liệu phi kim loại như nhựa nhiệt dẻo, nhựa nhiệt rắn, cao su.

Lời giải:

Chi tiết máy bằng nhựa nhiệt dẻo: Bánh răng nhựa, ổ trượt nhựa, bu lông nhựa, ốc vít nhựa, ống nước PVC, vỏ bọc dây điện, chai nhựa, túi ni lông…

Chi tiết máy bằng nhựa nhiệt rắn: Bánh răng chịu nhiệt, ổ trượt chịu nhiệt, thanh nẹp chịu nhiệt của bếp điện và lò điện, vỏ tàu thuyền (composite), vỏ ô tô, ống dẫn hoá chất, bể chứa hoá chất, các chi tiết máy bay (cửa, cánh quạt, khoang hàng, cánh đuôi)…

Chi tiết máy bằng cao su: Săm lốp xe, ống dẫn cao su, phần tử đàn hồi của khớp nối, đai truyền, vòng đệm (gioăng), sản phẩm cách điện…

C. Sơ đồ tư duy

                                      ┌─ Nhựa nhiệt dẻo
                      ┌─ I. PHÂN LOẠI ┼─ Nhựa nhiệt rắn
                      │               └─ Cao su
                      │
                      │               ┌─ Cơ học: đàn hồi, mềm hơn
                      │               │  kim loại (trừ kim cương)
                      │               ├─ Vật lí: nhẹ, cách điện,
                      ├─ II. TÍNH     │  cách nhiệt, nóng chảy thấp
  VẬT LIỆU           │   CHẤT CƠ BẢN ├─ Hoá học: không ôxi hoá,
  PHI KIM LOẠI        │               │  không ăn mòn, nhưng lão hoá
                      │               └─ Công nghệ: đùn, đúc phun,
                      │                  thổi, ép
                      │
                      │               ┌─ 1. Nhựa nhiệt dẻo
                      │               │  • HC cao phân tử, chảy mềm/đông rắn
                      │               │  • Nhẹ, dễ gia công, tái chế được
                      ├─ III. VẬT LIỆU┼─ 2. Nhựa nhiệt rắn
                      │   THÔNG DỤNG  │  • HC cao phân tử, hoá rắn vĩnh viễn
                      │               │  • Chịu nhiệt, bền, không tái chế
                      │               └─ 3. Cao su
                      │                  • HC cao phân tử (TN + nhân tạo)
                      │                  • Đàn hồi 700-800%, giảm chấn tốt
                      │
                      │               ┌─ 1. Quan sát đặc trưng quang học
                      └─ IV. PHƯƠNG   │  (trong suốt / đục mờ)
                         PHÁP NHẬN    ├─ 2. Xác định khối lượng riêng
                         BIẾT ĐƠN GIẢN│  (0,9 – 2 g/cm³)
                                      └─ 3. Phá huỷ mẫu bằng cơ học
                                         (giòn→nhiệt rắn; dẻo→nhiệt dẻo, cao su)

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