Vật liệu phi kim loại

Trong công nghiệp chế tạo máy móc hiện đại, ngoài việc sử dụng vật liệu kết cấu bằng kim loại thì người ta còn sử dụng các vật liệu phi kim loại bởi chúng có nhiều ưu điểm nổi bật như tính cách điện, cách nhiệt, trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn hoá học tốt…

Khái niệm vật liệu phi kim loại là gì?

Vật liệu phi kim loại có thể trong nhiều trạng thái khác nhau:

– Trạng thái tinh thể như graphit, mica, thạch anh… có cấu tạo mạng tinh thể giống kim loại nhưng không có tính kim loại.

– Trạng thái vô định hình – trạng thái chủ yếu của các vật liệu phi kim loại, trong đó điển hình nhất là vật liệu polyme. Trong trạng thái này, các nguyên tử vật chất không ở trong trạng thái mạng tinh thể như trong kim loại nhưng chúng cũng có cấu tạo theo quy luật riêng được gọi là mạch.

– Trạng thái gốm là vật liệu trong trạng thái bao gồm các hạt có cấu tạo tinh thể được ép thành một khối, sau khi tiêu thụ, chúng liên kết với nhau nhờ chất dính. Chất dính trong vật liệu gốm có thể bổ sung từ đầu khi pha trộn nguyên liệu, cũng có thể tự sinh ra thiêu kết do một phần lớp bề mặt hạt tinh thể được tách ra. Chất dính trong vật liệu gốm trong trạng thái vô định hình.

>>Tham khảo: Vật liệu kim loại là gì?

Các loại vật liệu phi kim loại phổ biến

Chất dẻo

Chất dẻo là một loại vật liệu phi kim loại điển hình, được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và trong đời sống sinh hoạt như: bao bì, các chi tiết máy trong cơ khí, ngành điện, điện tử… Chất dẻo có một số ưu điểm nổi bật như sau:

Khối lượng riêng nhỏ, độ bền hóa học tốt, khả năng cách điện, cách âm tốt, tính chất bám dính tốt và dễ dàng gia công. Tuy nhiên chất dẻo cũng có hạn chế là tính dẫn điện, dẫn nhiệt cũng như khả năng chịu nhiệt kém, rất dễ bị lão hóa.

Theo tính chất liên kết, chất dẻo có thể phân chia thành 2 loại:

– Chất dẻo nhiệt rắn: Khi đốt nóng sẽ bị mất tính chảy mềm, không hòa tan. Ví dụ: Các loại bakelit, polyamit, epoxy… Các loại chất dẻo nhiệt rắn có cấu trúc mạch lưới.

– Chất dẻo nhiệt dẻo: Cấu trúc mạch thẳng và mạch nhánh. Ví dụ: Poly vinylaxetat, Poly izobutilen…

Các chất nhiệt dẻo thường sử dụng là:

– Chất dẻo có độ dẻo cao như: PP, PE được sử dụng để làm bao bì sản phẩm, chai, lọ…

– Chất dẻo có độ trong suốt như PMMA, PS sử dụng để làm kính máy bay, dụng cụ gia đình và dụng cụ đo.

– Chất dẻo PVC sử dụng để làm ống, vỏ dây điện, loại này bền trong xăng và hóa chất (không sử dụng để đựng thực phẩm).

– Baketlit, tetolit, polyamit, … có độ cứng và khả năng chịu nhiệt cao, thường sử dụng để chế tạo chi tiết máy.

– Các loại keo dán: Phenol focmandehit, epoxy, acrylat, polyvinylaxetat.

Cao su

Đây là vật liệu phi kim loại, trong điều kiện nhiệt độ thường có tính đàn hồi rất cao. Cao su có khả năng chịu lực tốt, chịu nén kém, không thấm nước, ổn định khi tẩy rửa và cách điện tốt.

Cao su sau khi lưu hóa (lượng lưu huỳnh từ 1 – 5%) có cơ tính được cải thiện tốt, môđun đàn hồi tăng và vẫn giữ các tính chất đàn hồi. Loại này gọi là cao su thường (cao su dẻo).

Khi lưu hóa với lượng lưu huỳnh lớn sẽ khiến cao su cứng hơn, có đặc tính chống mòn, chống axit tốt nhưng đàn hồi kém. Loại này được gọi là cao su cứng.

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

Compozit

Đây là vật liệu phi kim loại kết hợp hay vật liệu nhiều pha khác nhau về mặt hóa học. Chúng không hòa tan mà phân cách nhau bởi ranh giới pha, được tạo ra nhờ sự can thiệp kỹ thuật của con người.

Compozit thường có 2 pha: Pha liên tục trong toàn khối được gọi là nền, pha phân bố gián đoạn và được nền bao bọc gọi là cốt. Tính chất cơ học của compozit là lựa chọn phù hợp và phát huy những ưu việt của từng pha thành phần, tuy nhiên không phải bao gồm tính chất của các pha thành phần.

Nền là pha liên tục có vai trò liên kết toàn bộ các phần tử cốt tạo thành một khối thống nhất, đồng thời che phủ và bảo vệ cốt khỏi môi trường bên ngoài.

Loại nền thường sử dụng là chất dẻo, kim loại và gốm.

Cốt là pha không liên tục có vai trò là pha tạo nên độ bền, độ đàn hồi và độ cứng.

Các loại cốt thường sử dụng là chất vô cơ (sợi bo, sợi thủy tinh, sợi cacbon…), chất hữu cơ (sợi polyamide), kim loại (sợi thép không gỉ, bột molipden, bột vonfram).

Một số loại compozit sử dụng trong cơ khí:

Compozit cốt hạt

Đây là loại vật liệu phi kim loại có đặc điểm là các phần tử cốt hạt cứng hơn nền thường là các oxit, cacbit…

Hợp kim cứng là compozit cốt hạt, trong đó nền là coban và cốt là các hạt cacbit.

Bê tông là compozit cốt hạt, trong đó nền là xi măng và cốt là đá, sỏi, cát.

Compozit cốt sợi

Loại này có độ bền và mô đun có độ đàn hồi riêng cao. Vật liệu nền khá đối dẻo, cốt phải có độ bền và độ vững cao. Ngoài ra cơ tính của loại compozit cốt sợi còn phụ thuộc vào hình dáng, kích thước và sự phân bố sợi.

Các loại compozit cốt sợi sử dụng hiện nay là compozit polyme sợi thủy tinh để làm vỏ xe ô tô, tàu biển, ống dẫn và tấm lót sàn công nghiệp.

Compozit polyme sợi carbon thường sử dụng để chế tạo chi tiết của máy bay.

Compozit kim loại sợi (có nền là Cu, Al, Mg… cốt là sợi cacbon, bo, cacbua silic), loại này có khả năng chịu nhiệt cao, sử dụng để chế tạo chi tiết trong tuabin.

>>Tìm hiểu thêm về vật liệu composite

Gỗ

Đây là loại vật liệu phi kim loại được dùng nhiều lĩnh vực công nghiệp như xây dựng, giao thông, chế tạo máy và tiêu dùng.

–  Tính chất chung của gỗ:

+ Tính hút ẩm, khi hút ẩm gỗ bị trương nở.

+ Hút nước và thẩm thấu nước.

+ Tính co rút và giãn nở.

+ Gỗ ẩm dẫn nhiệt, độ ẩm càng lớn thì tính dẫn nhiệt càng cao, gỗ dẫn nhiệt theo phương dọc thớ gấp 2 – 2,5 lần theo phương ngang thớ.

+ Gỗ khô cách điện, để gia tăng độ cách điện thì người ta tẩm gỗ bằng dung dịch parafin hoặc keo nhân tạo.

+ Gỗ có cấu tạo không đồng nhất, có khối lượng riêng lớn, chịu lực lớn. Chịu lực dọc thớ tốt, khả năng chịu kéo tốt hơn chịu uốn, nén và cắt.

–  Ưu điểm nổi bật

+ Trọng lượng nhẹ, chắc, là vật liệu tự nhiên dễ dàng tìm kiếm, dễ gia công.

+ Khả năng chịu lực khá tốt (độ chịu nén cao hơn gạch và bê tông).

+ Khả năng cách điện tốt.

–  Nhược điểm:

+ Cơ tính không đồng nhất và có nhiều khuyết tật.

+ Rất dễ bị mục, mối mọt.

Trên đây là một số thông tin cơ bản về vật liệu phi kim loại. Hy vọng với bài viết trên đây sẽ giúp bạn đọc nắm rõ về loại vật liệu này. Nếu có bất cứ thắc mắc nào cần giải đáp, hãy để lại bình luận phía dưới, chúng tôi sẽ trả lời trong thời gian sớm nhất.