Bài tập 1,2: Nêu 1 số thành tựu vật liệu hiện đại và vai trò của vật liệu cơ khí trong công nghiệp hóa đất nước

BÀI TẬP 1:
MỘT SỐ THÀNH TỰU CỦA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU HIỆN ĐẠI
1.Sơ lược về công nghệ vật liệu.
-Trong khoa học hiện đại, vật liệu được coi là một trong 3 trụ cột lớn.
Thế kỷ 21, vật liệu mới với tính năng cao và đa năng trở thành trọng
tâm nghiên cứu khoa học, là thước đo tiến bộ khoa học kỹ thuật và
sức mạnh tổng hợp của một quốc gia.
-Trong ngành công nghiệp cơ khí chế tạo, có 3 nhóm vật liệu có tính
truyền thống, đó là vật liệu kim loại, vật liệu hữu cơ polyme và vật
liệu vô cơ ceramic. Một loại vật liệu mới khác - vật liệu compozit
đang được ưu tiên phát triển. Compozit chính là sự kết hợp nhân tạo
của hai hoặc ba loại vật liệu cơ bản nói trên.
•

Vật liệu kim loại, trước hết là thép, vẫn giữ vai trò then chốt trong
ngành công nghiệp chế tạo. Trong những thập kỷ gần đây công
nghệ vật liệu đang đi vào nghiên cứu và sử dụng các loại thép có
chất lượng cao như thép hợp kim thấp độ bền cao, thép hợp kim
hoá vi lượng, thép nitơ, thép kết cấu siêu bền. Bên cạnh đó, nhôm
cũng đóng vai trò không nhỏ trong ngành công nghiệp chế tạo. Hợp
kim nhôm có độ bền cao, chống ăn mòn tốt, đã trở thành loại vật
liệu thích hợp trong ngành công nghiệp chế tạo ô tô, máy bay, tàu

•

thuỷ.
Vật liệu polyme, có nhiều ưu điểm như tính dẻo cao, tính ổn định hoá
học cao trong nhiều môi trường cùng với khả năng dễ tạo hình và
1

gia công nếu có, phạm vi ứng dụng rộng. Tuy nhiên, polyme là vật
liệu kết cấu nên có những hạn chế vì độ bền chưa cao, khả năng chịu
•

nhiệt thấp, tuổi thọ ngắn.
Vật liệu gốm thường, chỉ sử dụng giới hạn trong nhóm vật liệu chịu
lửa, vật liệu cắt gọt nhưng hiện người ta đang phát triển vật liệu
gốm kết cấu. Các loại động cơ chế tạo từ gốm kết cấu hệ cacbit đã
được nghiên cứu chế thử và mở ra kỷ nguyên mới cho việc sử dụng
động cơ chạy bằng nhiên liệu hydro có hiệu quả cao, không gây ô
nhiễm môi trường. Gốm thuỷ tinh cũng là một loại gốm kết cấu đầy

•

tiềm năng.
Vật liệu compozit, về thực chất là một kiểu lai, giữa hai hoặc nhiều
loại vật liệu, sao cho tính chất của chúng bổ sung cho nhau. Đối với
compozit kết cấu thì yêu cầu về độ bền cao, tính dẻo tốt là những
yêu cầu hàng đầu. Việc kiểm soát được quá trình xảy ra khi chế tạo
compozit có tầm quan trọng đặc biệt để phát triển loại vật liệu này.

2.Những điểm nóng trong vật liệu hiện nay.
a.Vật liệu nano (để chế tạo những vật cực nhỏ):
 Sơ lược: Kể từ thập niên 90 thế kỷ 20, các nước đã thu được thành
tựu đột phá trong lĩnh vực vật liệu nano, đưa việc phát triển vật liệu
mới qua một giai đoạn mới. Dự kiến từ 5-10 năm tới sẽ xuất hiện
vật liệu cao năng dùng cho kỹ thuật nano, có độ cứng hơn thép 11
lần nhưng cực nhẹ, chỉ bằng 1/10 trọng lượng của tờ giấy.
 Ưu điểm:

2


-Cái tên "na nô" đã nói lên sự độc đáo của vật liệu này: chỉ 100 na nô
mét cả về chiều dài, chiều rộng và chiều cao. Vật liệu nano được đánh
giá là chất xúc tác tuyệt vời cho các phản ứng hóa học diễn ra trong
pin nhiên liệu (fuel cell) – loại pin tạo ra điện năng từ các phản ứng
hóa học. Nhờ kích thước độc đáo, cùng tỉ số "bề mặt-thể tích" lý
tưởng, vật liệu nano giúp các phản ứng hóa học xảy ra nhanh hơn.
-Bên cạnh đó, vật liệu nano cũng chứng minh được tính bền vững –
một tính chất rất quan trọng của chất xúc tác trong công nghiệp sản
xuất nhiên liệu.
-Hơn nữa, với cùng một phản ứng hóa học, sẽ tốn ít chất xúc tác hơn
khi sử dụng vật liệu nano.


Ứng dụng:

3


-Dùng vật liệu phân tử na nô Cô ban (cobalt nanoparticles) để thay
thế cho một chất xúc tác "sang chảnh" vốn đã sử dụng từ rất lâu
trong ngành công nghiệp sản xuất nhiên liệu đó là Platium. Sở dĩ
người ta chọn Platium để làm xúc tác bởi chúng cũng đáp ứng 2 tiêu
chí xúc tác trong công nghiệp sản xuất nhiên liệu: hiệu quả cao và ổn
định. Không chỉ dừng lại ở đó, Platium là kim loại quý bởi chúng rất
khan hiếm trên thị trường. Nhờ một số đặc thù mà Platium là nguyên
liệu để chế tạo ra những món đồ trang sức với tính thẩm mỹ cao. Với
tất cả những lý do trên, nếu sử dụng Platium làm xúc tác công

nghiệp thì việc "chi đậm" là điều không thể tránh khỏi.

Platium - vật liệu được cho là quá "xa xỉ" để làm xúc tác công nghiệp

4


- Một ứng dụng tiêu biểu khác của vật liệu nano trong ngành công
nghiệp chế tạo nhiên liệu là việc pha trộn Xê ri (Cerium - một loại vật
liệu na nô khác) vào nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong. Theo
đó, sự pha trộn Xê ri vào nhiên liệu đốt khiến cho hiệu quả của động
cơ đốt trong được cải thiện đáng kinh ngạc. Xê ri góp phần làm cho
việc ô xi hóa các bon ở nhiệt độ thấp hơn so với các động cơ dầu
diesel thông thường. Điều này có nghĩa là tốn ít nhiên liệu hơn, ít khí
thải hơn và việc sử dụng nhiên liệu mới này sẽ góp phần bảo vệ môi
trường.
b.Vật liệu siêu dẫn


Ưu điểm: Cho phép dòng điện cường độ cực lớn chạy qua vì gần như



không có điện trở.
Ứng dụng:
-Vật liệu siêu dẫn nâng cao rất nhiều hiệu suất tận dụng năng lượng,
tác động lớn tới hướng đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng, ví dụ xe điện
tốc độ cao (400-500 km/giờ) chạy trên đệm từ, sẽ mang lại bộ mặt
hoàn toàn mới mẻ cho ngành vận tải biển, đường sắt, cơ sở hạ tầng.
-Vật liệu này được sử dụng để chế tạo các nam châm điện cực mạnh

dùng trong các thiết bị ảnh hoá cộng hưởng từ tính (MRI), tàu đệm
từ maglev và các thiết bị tạo từ trường hình xuyến Tokamak trong
các lò phản ứng hạt nhân.
-Trong tương lai, Chúng sẽ sử dụng các khối siêu vật liệu để nâng và
làm xoay một khối lượng mà không cần đến một kết cấu chịu lực cơ
học.
5


Ví

dụ: Tàu điện ngầm.
c.Vật liệu sinh học:


Sơ lược:
-Vật liệu sinh học là bất kì chất hoặc hợp chất nào(không phải
thuốc), có nguồn gốc tổng hợp hoặc tự nhiên, được dung để điều trị,
tăng cường, thay thế mô, tế bào, cơ quan của cơ thể.


Ứng dụng.

-Loại keo sinh học có độ dính cao do một công ty thuộc bang
Maryland của Mỹ chế tạo mà nguyên liệu lấy từ một loại vi khuẩn
trong hải dương, cho lên men sản xuất thành keo. Loại keo này có thể
dùng dán tàu thuyền, tàu vũ trụ, thiết bị chống ăn mòn và trong y học

6

lâm sàng...

Hình: Da nhân tạo do Nga chế tạo dùng để chữa bỏng và bệnh mắt.
- Công việc do thám luôn phải diễn ra một cách bí mật, chính vì vậy,
các nhà khoa học của NASA, Mỹ đã chế tạo một loại máy bay do thám
không người lái từ vật liệu sinh học có khả năng tự hủy trong trường
hợp không may bị kẻ địch phát hiện.

7




d.Vật liệu điện tử:
Sơ lược:
-Việc phổ cập kỹ thuật thông tin viễn thông đang nhanh chóng đổi
mới vật liệu điện tử. Các nhà khoa học đã chế tạo được vật liệu nhựa
giá thành thấp có thể thay silicon trong sản xuất mạch tích hợp.


Ứng dụng:

- Mới đây tập đoàn Philips (Hà Lan) đã sử dụng vật liệu nhựa làm
chất bán dẫn trong sản xuất màn hình vi tính thay cho silicon.
Phương pháp này không đòi hỏi nhiều công đoạn, cũng không yêu
cầu nghiêm khắc về môi trường sạch nên việc sản xuất đơn giản hơn
loại mạch tích hợp bằng silicon, khiến cho công nghệ này rất thích
hợp cho việc sản xuất màn hình rộng lớn. Giá thành là ưu thế rất lớn
của chíp mạch bằng vật liệu nhựa. Hiện nay chi phí đầu tư cho một

nhà máy sản xuất chíp mạch bán dẫn bằng silicon lên tới 3 tỉ đô-la
Mỹ nên giá thành một bộ vi mạch lên tới mấy đô-la trong khi nếu sử
dụng vật liệu nhựa thì giá thành chỉ còn mấy xu.
8


Hình: Màn hình dẻo
e.Vật liệu quang điện: Thường được dùng để chế tạo pin năng
lượng mặt trời, nó có thể chuyển năng lượng mặt trời thành điện
năng. Hiện nay có khoảng 90% tàu không gian hoạt động dựa vào
năng lượng mặt trời.

Hình: pin năng lượng mặt trời

9


f.Vật liệu tổng hợp (composite):
Sơ lược:

-Compsite là vật liệu được tổng hợp
nên từ hai hay nhiều loại vật liệu khác
nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật
liệu mới, ưu việt và bền hơn so với các vật liệu ban đầu.
-Vật liệu composite bao gồm có vật liệu nền và cốt. Vật liệu nền đảm
bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều
thành phần có tính nguyên khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ
bền nhiệt, bền hoá và khả năng chịu đựng khi vật liệu có khuyết tật.
-Vật liệu nền của composite có thể là polyme, các kim loại và hợp kim,
gốm hoặc các bon. Vật liệu cốt đảm bảo cho composite có các mođun

đàn hồi và độ bền cơ học cao.
-Các cốt của composite có thể là các hạt ngắn, bột, hoặc các sợi cốt
như sơi thuỷ tinh, sợi polyme, sợi gốm, sợi kim loại và sợi các bon,…


Ưu điểm:
-Ưu điểm lớn nhất của composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học,
sự phân bố và các vật liệu thành phần để tạo ra một vật liệu mới có
độ bền theo mong muốn. Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật
hiện đại ( như nhẹ, lại chịu được nhiệt lên đến 3000oC,…) chỉ có
composite mới đáp ứng nổi, vì vậy, vật liệu composite giữ vai trò then
chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới.
10




Ứng dụng:

a. Trong giao thông vận tải: Thay thế các loại sắt, gỗ, ván... VD:
càng, thùng trần của các loại xe oto, một số chi tiết của xe môtô.
b. Trong hàng hải: Làm ghe, thuyền, thùng, tàu...
c. Trong ngành hàng không: Thay thế vật liệu sắt, nhôm... trong
máy bay dân dụng, quân sự
d. Trong quân đội:
- Những phương tiện chiến đấu: tàu, cano, máy bay, phi
thuyền...
- Dụng cụ, phương tiện phục vụ cho việc sản xuất nghiên cứu
trong quân đội như: bồn chứa nước hoặc hóa chất, khay trồng rau,
bia tập bắn....

e. Trong công nghiệp hóa chất:
- Bồn chứa dung dịch acid (thay gelcoat bằng epoxy hoặc nhựa
vinyleste)
- Bồn chứa dung dịch kiềm ( thay gelcoat bằng epoxy)
f. Trong dân dụng:
- Sản phẩm trong sơn mài: bình, tô, chén, đũa...
- Sản phẩm trang trí nội thất: khung hình, phù điêu, nẹp hình,
vách ngăn...
- Bàn ghế, tủ giả đá, khay, thùng, bồn

11


Biểu đồ thành phần composite trong máy bay qua các năm.

12


BÀI TẬP 2:
VAI TRỊ CỦA VẬT LIỆU CƠ KHÍ TRONG Q TRÌNH CƠNG
NGHIỆP HĨA HIỆN ĐẠI HĨA Ở NƯỚC TA HIỆN NAY.
1.


SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU CƠ KHÍ.
Vật liệu cơ khí với khái niệm thơng dụng là tất cả vật chất mà
con người sử dụng trong sản xuất có khí để tạo dựng nên sản
phẩm cho cuộc sống như thiết bị máy móc trong cơng nghiệp,



nơng nghiệp, giao thơng vận tải, y tế, giáo dục, qn sự…
Khái niệm vật liệu cơ khí rất rộng, đa dạng có tính chất tương
đối. Có những vật liệu như kim loại, chất dẻo, composite …
Khơng chỉ dùng trong sản xuất cơ khí mà còn rất cần trong xây
dựng, trong kỹ thuật điện, trong cơng nghiệp hóa học và thực



phẩm …
Có thể phân loại vật liệu cơ khí theo bảng dưới đây:
VẬT LIỆU
Vật liệu
phi kim loại

Kim loại
Kim loại chứa sắt
Gang
2,5-3,5%C

Thép
0,1-1,7%C

Vật liệu nhiều
thành phần

Kim loại không chứa sắt
Kim loại nặng
>5kg/dm3

Kim loại nhẹ
<5kg/dm3

Vật liệu
tự nhiên

Nhôm
Magiê
TiTan

Gỗ
Đá granit
Da

Vật liệu
nhân tạo

Ví dụ:
Gang đúc
Gang dẻo
Gang xám

Thép kết cấu
Thép dụng cụ
Thép đúc

Đồng
Kẽm
Chì

Thủy tinh
Chất dẻo
Gốm, sứ

Vật liệu
Compozit
Hợp kim

13




Ngày nay khoa học vật liệu đã tạo ra nhiều loại compozit dựa
trên cơ sở kết hợp giữa polime với kim loại hoặc phi kim lọai…
mà vật liệu này có ứng dụng trong nghành công nghiệp nói
chung và sản xuất cơ khí noí riêng. Sợi thủy tinh có độ bền cao
và sợi cacbon dùng làm vật liệu trong chế tạo các chi tiết máy

2.

bay..
QUÁ TRÌNH CÔNG NGHIỆP HÓA- HIỆN ĐẠI HÓA ĐẤT NƯỚC.
-Quá trình công nghiệp hóa-hiện đại hóa là quá trình xây dựng

nền kinh tế theo hướng công nghiệp, các lĩnh vực phải sử dụng công
cụ phương tiện máy móc hiện đại chính vì vậy ngành công nghiệp cơ
khí là một ngành kinh tế có vị trí đặc biệt quan trọng đối với sự phát
triển của nền kinh tế bởi vì đây là một ngành công nghiệp sản xuất ra
máy móc, thiết bị cung cấp cho toàn bộ cho các ngành kinh tế khác.

-Thực tế cho thấy, trên thế giới không có bất kỳ quốc gia nào
thực hiện thành công sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa mà lại
không có nền công nghiệp cơ khí mạnh, sự phát triển của ngành công
nghiệp cơ khí vừa là nền tảng vừa là động lực cho sự phát triển của
tất cả các ngành nghề khác nhau trong xã hội, nó còn có tác động
tích cực đến ngành dịch vụ thông qua sự phát triển của mạng lưới
phân phối, thu hút số lượng lao động xã hội.
3. VAI TRÒ CỦA VẬT LIỆU TRONG CÁC LĨNH VỰC ĐỜI SỐNG.
Mỗi khi con người tìm ra một loại vật liệu mới, với những tính
chất ưu việc của nó là một lần thúc đẩy năng suất lao động phát
triển mở ra những nhành khoa học mới như:
•

Với sự tìm ra công nghệ chất bán dẫn (1955) kỹ thuật thông tin và
truyền hình, điện tử,… phát triển nhanh chóng.
14


•

Hàng lọat các vật liệu khác cũng được chế tạo và ứng dụng rộng rãi
trong nghành cơ khí như: thép không gỉ austenit (1935), hợp kim
titan (1960), thép xây dựng vi hợp kim hóa (1965), thép kết cấu có
độ bền cao (1965), kim loại thủy tinh (1980),…

Hình: thép không gỉ.

Hình: ống từ hợp kim

titan

15


• Vật liệu chế tạo chất lượng cao, vật liệu thông minh phục
vụ các quy trình chế tạo ra các loại sản phẩm cơ khí gọn, nhẹ ít tiêu
hao vật liệu, năng lượng và thân thiện với môi trường.
• Thiết bị điện: Xây dựng ngành sản xuất thiết bị điện hiện
đại, đến năm 2020 đạt trình độ tiên tiến trong khu vực về công
nghiệp thiết bị điện và vật liệu điện, có thể xây dựng và lắp được
những đường dây cao thế đáp ứng nhu cầu người dân.

• Trong cơ khí ôtô và cơ khí giao thông vận tải: đáp ứng nhu
cầu tạo ra những thiết bị tinh vi với những đặc tính siêu bền nhẹ …..
nhằm cải tiến, phát triển ngành ô tô và giao thông có thể vươn tâm
khu vực và trên thế giới để góp phần vào quá trình công nghiệp hóa
của nước ta.

16


Hình: Hộp số ô tô

• Không chỉ trong lĩnh vực kinh tế mà trong lĩnh vực quân sự
vật liệu cũng có ảnh hưởng rất lớn như : Vật liệu từ vô định hình
được cấu tạo từ lá kim loại mỏng (Fe, Co) kết hợp với một số phụ gia
có cấu trúc ổn định nên chịu được tần số cao, thay thế được một số
thiết bị khí tài quân sự trong nước, không cần nhập khẩu. Sự xuất
hiện công nghệ chế tạo nhôm hợp kim cứng Đura (1903) đã giúp cho
ngành công nghiệp hàng không và tên lửa có bước phát triển nhảy

vọt.

Hình: Thí nghiệm độ bền của hợp kim nhôm dura.

17


=> Với sự phát triển của vật liệu thì ngành cơ khí với hàng ngàn
doanh nghiệp bao gồm nhiều thành phần kinh tế tham gia với quy
mô vốn đầu tư từ vài tỷ đến hàng ngàn tỷ, với máy móc, thiết bị đủ
các loại từ đơn giản đến phức tạp ứng dụng công nghệ PLC, CNC …;
sản xuất ra nhiều loại sản phẩm phục vụ cho tất cả các ngành nông –
lâm- ngư nghiệp, công nghiệp, dịch vụ, du lịch, phục vụ nhu cầu trong
nước và bước đầu vươn ra thị trường nước ngoài.
-Việt Nam đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất
nước với mục tiêu phần đấu đến năm 2020 trở thành nước công
nghiệp. Chính vì lẽ đó mà vai trò thiết yếu của vật liệu cơ khí và việc
phát triển hiện đại vật liệu cơ khí sẽ đáp ứng được những đòi hỏi đặt
ra cho quá trình phát triển, đáp ứng được chuỗi cung ứng và sản
xuất các sản phẩm có giá trị cao và có hàm lượng công nghệ kỹ thuật
cao, mang lại giá trị kinh tế to lớn cho đất nước . Từ đó phát triển
đất nước trên mọi lĩnh vực, mang lại sự giàu mạnh và văn minh, tiên
tiến cho Tổ quốc.

18