Home / Thiết Bị Điện Tử / Gốm sứ: nguồn gốc, đặc tính, chế tạo & ứng dụng

Gốm sứ: nguồn gốc, đặc tính, chế tạo & ứng dụng

/

Sau khi con người phát hiện ra rằng ma sát sinh ra lửa thì liền bắt đầu thời đại gốm sứ. Có thể nói một cách không chút khoa trương rằng, việc sản xuất gốm sứ là một cột mốc trong lịch sử phát triển của nhân loại.

ứng dụng của gốm sứ

1. Nguồn gốc gốm sứ được phát hiện ra như thế nào?

Khoảng 8000 năm trước, tổ tiên sống ở lưu vực sông Hoàng Hà của Trung Quốc đã bắt đầu sử dụng gốm sứ. Mọi người một cách có ý thức đốt nung thành đồ đựng để đun nấu, múc nước và đựng đồ ăn.

Có tài liệu sử sách ghi chép rằng, đỗ gốm là đồ đựng sớm nhất mà con người không dùng vật liệu có sẵn trong tự nhiên để làm, kỹ thuật làm gôm có thể nói là kỹ thuật vật liệu cổ xưa nhất, nó khơi dòng cho kỹ thuật vật liệu của nhân loại.

2. Đặc tính của gốm sứ

Gốm sứ thông thường tại sao lại có tính giòn, dễ vỡ? Ấn tượng mà gốm sứ mang lại cho con người luôn là rất dễ vỡ: một cái bát sứ, rơi xuống đất thì sẽ “thịt nát xương tan”.

Mấy năm gần đây, các nhà khoa học sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng về gốm sứ đã phát hiện ra rằng, sở dĩ nó dễ vỡ như thế, chủ yếu có hai nguyên nhân:

– Thứ nhất, do nhiệt độ đốt của đồ gốm tương đối thấp, thông thường là 800°C ~1000°C, do đó tỉ lệ lỗ khí (khí khổng) tương đối cao. Trên mặt cắt của miếng vỡ của đồ gốm, các bạn thiếu niên không khó để nhìn thấy rất nhiều lỗ khí nhỏ, hơn nữa các hạt cấu tạo thành đồ gốm cũng tương đối thô. Nhiệt độ đốt của đồ sứ mặc dù cao hơn nhiều so với đồ gốm (thông thường là 1200°C ~1400°C). Kết cấu tổ thành cũng dày đặc hơn nhiều so với đồ gốm, các bạn thiếu niên có thể bằng mắt thường không nhìn thấy được những khiếm khuyết nhỏ. Nhưng nếu bạn quan sát qua kính hiển vi, thì trên mặt cắt của miếng vỡ của đồ sứ, có thể nhìn thấy rất nhiều các vết lỗi, vết nứt, lỗ khí và những tạp chất lẫn bên trong. Nếu đặt miếng vỡ của đồ sứ dưới kính hiển vi điện tử phóng đại, vậy thì, bạn còn có thể phát hiện ra những khiếm khuyết. Ví dụ như chỗ rỗng. Còn tất cả những vết nứt, lỗ khí, tạp chất lẫn vào, khiếm khuyết về tinh thể và vết lỗi bề mặt nhỏ, thì đều có thể trở thành nơi xuất phát điểm của những vết nứt của gốm sứ.

– Thứ hai, do gốm sứ thuộc loại vật liệu yếu đuối, một khi đã có vết nứt, nó không giống như kim loại có khả năng biến dạng mang tính dẻo, vì thế chỉ còn cách “phá tan vết nứt nồi đất đến cùng”. Trong trường hợp va chạm nóng, do tính dẫn nhiệt của gốm sứ tương đối kém, hệ số trương nở nhiệt lớn, ứng lực nhiệt do đó tăng lên, vì vậy, tốc độ mở rộng vết nứt cũng ghê gớm hơn. Trong cuộc sống thường ngày, nếu chúng ta dùng nồi đất để hầm (luộc) đồ ăn, thì chỉ có thể dùng lửa nhỏ tăng nhiệt độ dần dần, nếu vừa bắt đầu đã dùng ngay lửa to để đun vội thì sẽ xảy ra sự cố nứt nồi đất. Cho dù là sau khi đun xong, cũng không thể dùng nước để làm nguội gấp được.

3. Bí quyết nghiên cứu chế tạo ra gốm sứ mới

Vậy thì dùng phương pháp cụ thể nào thì mới có thể tạo ra gốm sứ mới không sợ va đập, không sợ rơi vỡ, không sợ lửa to đun vội?

Cái gọi là gốm sứ mới, cần phải khắc phục nhược điểm tính yếu đuối của gốm sứ thông thường. Với sự nỗ lực không mệt mỏi của rất nhiều nhà khoa học, hiện nay người ta cuối cùng đã tìm ra phương thuốc khắc phục tính yếu đuối của gốm sứ.

– Trước tiên, bắt tay từ việc cải thiện kết cấu bên trong. Nghiên cứu cho thấy rằng, trong vật liệu gốm sứ zirconi oxit, cho thêm một lượng nhỏ bột yttria, MgO, canxi oxit, sau khi đốt ở nhiệt độ cao tạo thành gốm sứ zirconi oxit, zirconi oxit trong đó liền tạo thành hai loại tinh thể, chúng được gọi là tinh thể lập phương và tinh thể tứ giác. Khi gốm sứ chịu tác dụng ngoại lực, tinh thể tứ giác liền biến thành một loại tinh thể nghiêng đơn, thể tích nhanh chóng “trương nở”. Do thể tích của tinh thể tăng lên với tốc độ vô cùng nhanh, từ đó có thể ngăn cản được sự mở rộng của vết nứt nhỏ tồn tại trước đó bên trong gốm sứ. Như thế gốm sứ sẽ không bị nứt vỡ.

– Thứ hai, có thể cố gắng ở phương diện cải thiện trạng thái bề mặt của gốm sứ. Thông thường, việc nứt gãy của gốm sứ đa số bắt đầu từ khiếm khuyết trên bề mặt, do đó, cải thiện trạng thái bề mặt của gốm sứ, giống như lắp một cái lá chắn đầu tiên để ngăn chặn gốm sứ bị làm vỡ hỏng. Phương pháp cụ thể là: loại bỏ khiếm khuyết bề mặt của gốm sứ bằng hóa học hoặc kỹ thuật mài bóng bằng máy móc. Đối với những chất không bị oxy hóa như silic nito, silic cacbonat, thì chỉ cần kỹ thuật khống chế oxy hóa bề mặt thì có thể loại bỏ được khiếm khuyết bề mặt hoặc làm cho đầu nhọn của vết nứt trở nên cùn. Thông qua việc xử lý nhiệt cũng có thể đạt được mục đích làm cho bề mặt chắc hơn và tăng độ dẻo.

– Thứ ba, để dạng sợi phân bố đồng đều trong nguyên liệu gốm sứ, để nâng cao cường độ và tính dẻo. Nguyên tắc của nó tương tự như việc chúng ta cho thêm cốt giấy vào trong bột đá. Bởi vì cho dạng sợi vào trong nguyên liệu gốm sứ, có ba tác dụng lớn: một là sợi khó đứt, khi làm việc có thể gánh vác đa số phụ tải bên ngoài đưa đến, từ đó giảm nhẹ phụ tải của gốm sứ, từ đó làm cho vết nứt khó xảy ra; Thứ hai, sau khi sợi kết hợp với chất gốm sứ có độ ma sát lớn, vì thế tính dẻo của gốm sứ được tăng lên rất nhiều; Thứ ba, cho dù bên trong gốm sứ có xuất hiện vết nứt nhỏ, thì sợi cũng có thể kéo chặt chúng lại, không để lan rộng ra thêm nữa.

4. Ứng dụng của gốm sứ loại mới

Gốm sứ loại mới có thể dùng để làm các sản phẩm công nghiệp và đồ dùng sinh hoạt như cái búa gốm sứ, con dao thái thịt thái rau bằng gốm sứ, cái kéo bằng gốm sứ. Xét về vẻ bề ngoài thì những đồ gốm sứ này không khác gì so với đồ làm bằng sắt thép thông thường, chỉ là không có thành phần sắt thép. “Gốm sứ mới” còn gọi là “gốm sứ dẻo”.

Gốm sứ dẻo ngoài ưu điểm là không sợ và đập, không sợ rơi vỡ ra, thì còn có những ưu điểm như cường độ lớn, độ cứng cao, không sợ ăn mòn hóa học. Ngoài việc có thể làm búa và dao kéo ra, thì còn có thể làm các dụng cụ như bình, tuốc nơ vít, cái rìu, cái cưa.

Nói đến sở trường của những sản phẩm mới này, thì cái rõ ràng dễ thấy là: dùng dao làm bếp bằng gốm sứ để cắt đồ ăn, sẽ không có mùi tanh của sắt lưu trên thức ăn khiến người ta thấy ghét, nó đặc biệt thích hợp để cắt những đồ ăn ăn sống hoặc những đồ ăn đã chín. Độ sắc của dao kéo gốm sứ không kém so với dao kéo làm bằng thép, có thể dùng để cắt giấy, cắt vải lụa. Do nó không có từ tính, do đó đặc biệt thích hợp dùng để cắt nối băng từ thu âm và băng từ thu hình.

Gốm sứ tính dẻo còn có thể dùng để làm vỏ đồng hồ đeo tay, chế tạo dụng cụ cắt gọt dùng để gia công kim loại, mũ và áo giáp chống đạn, xương và khớp nhân tạo. Song, cái mà các nhà khoa học vật liệu hứng thú nhất với gốm sứ tính dẻo chính là dùng nó thay thế kim loại để chế tạo động cơ. Nội dung có liên quan về phương diện này chúng tôi sẽ giới thiệu chi tiết ở phần cuối cùng của chương này.

5. Bộ chuyển hoá năng lượng kỳ diệu – ứng dụng của gốm sứ áp điện

5.1. Hiệu ứng điện và nguyên lý

Hiện tượng áp điện là do anh em Curie phát hiện ra từ hơn 100 năm trước khi nghiên cứu thạch anh. Gốm sứ áp điện mà chúng tôi đề cập ở trên là một loại gốm sứ công năng tiên tiến, nó có hiệu ứng điện.

Vậy thì, hiệu ứng điện là gì? Mỗi khi châm lửa bếp gas hoặc bình nước nóng, thì đều có một loại gốm sứ áp điện bí mật phục vụ bạn. Các nhà sản xuất có giấu một cục gốm sứ áp điện ở bên trong cơ cấu áp điện để đánh lửa, khi người dùng ấn lò xo của cơ cấu đánh lửa, thì cơ cấu truyền động đè áp lực lên trên gốm sứ áp điện, làm cho nó sinh ra một điện áp rất cao, từ đó đưa điện năng dẫn hướng đến miệng ra khí đốt để phóng điện, vì thế, khí đốt sẽ được nhóm đốt bằng hoa lửa điện. Chính loại công năng này của gốm sứ áp điện gọi là hiệu ứng điện.

Nguyên lý của hiệu ứng điện là, nếu tạo áp lực lên gốm sứ áp điện, nó sẽ sinh ra sai áp điện (gọi là hiệu ứng áp điện ngược). Nếu áp lực là một loại rung động cao tần, thì cái sản sinh ra chính là dòng điện cao tần. Còn khi tín hiệu điện cao tần đưa vào gốm sứ áp điện thì sinh ra tín hiệu thanh cao tần (rung động cơ giới), đây chính là tín hiệu sóng siêu thanh mà chúng ta bình thường hay nói. Nói một cách khác, gốm sứ áp điện có công năng chuyển đổi và chuyển đổi ngược giữa năng lượng cơ giới và điện năng, mối quan hệ tương hỗ đối ứng này thực sự rất có ý nghĩa.

5.2. Ứng dụng của gốm sứ áp điện

Cách dùng của gốm sứ áp điện vô cùng rộng rãi. Theo thống kê sơ bộ, gốm sứ áp điện ít nhất có hơn 20 cách dùng. Chúng tôi chỉ lấy vài ví dụ:

5.2.1. Bật lửa áp điện

Mấy năm gần đây, một loại bật lửa kiểu mới do hãng gas bán ra chính là ứng dụng hiệu ứng điện của gốm sứ áp điện để sản xuất. Có một số bạn thiếu niên giả sử vào buổi trưa muốn tự mình làm nóng cơm và thức ăn, nhất định bạn đã có “kinh nghiệm” về mặt này: chỉ cần dùng ngón tay cái ép cái núm trên cái bật lửa, gốm sứ áp điện sẽ sinh ra điện áp cao, hình thành nên hoa lửa phóng điện, từ đó đốt khí gas.

Khi gốm sứ áp điện chuyển đổi năng lượng cơ giới thành điện năng phóng điện, thì bản thân gốm sứ sẽ không tiêu hao, và gần như cũng không bị mài mòn, có thể sử dụng lâu dài. Vì vậy, bật lửa áp điện sử dụng thuận tiện, an toàn đáng tin cậy, tuổi thọ dài.

Theo nhân viên bán hàng của hãng gas giới thiệu, một cái bật lửa áp điện có thể dùng 30.000 lần trở lên. Nếu tính mỗi năm sử dụng 3000 lần thì có thể sử dụng được 100 năm.

5.2.2. Đồng hồ đo động đất áp điện

Hiện tượng tự nhiên – động đất, luôn khác thường và đáng sợ. Động đất xảy ra mỗi năm trên trái đất vào khoảng vài triệu lần, trong đó số lần mà con người có thể cảm nhận được vào khoảng vài chục nghìn lần, chiếm khoảng 1%. Từ thế kỷ 20 trở lại đây, đã xảy ra 10 lần động đất lớn mang tính phá hoại, trong đó có 4 lần xảy ra ở Trung Quốc.

Khi xảy ra động đất lớn, thảm họa mà nó gây ra cho con người mang tính huỷ diệt, vì thế mà dự báo động đất là vô cùng quan trọng. Do hiệu ứng điện của gốm sứ điện áp là vô cùng mẫn cảm, có thể đo được sự thay đổi vô cùng nhỏ bên trong vỏ trái đất, thậm chí có thể đo được rung động không khí mà một con côn trùng ở xa hơn 10m vỗ cánh gây ra.

Vì vậy, đồng hồ do động đất áp điện có thể đo một cách chính xác cường độ địa chấn. Do gốm sứ áp điện có thể đo định được phương hướng truyền phát của sóng thanh, do đó, đồng đồ địa chấn áp điện còn có thể cho chúng ta biết phương vị và khoảng cách của địa chấn. Có đồng đồ địa chấn áp điện để dự báo động đất, nên mọi người có thể yên tâm.

5.2.3. Bộ dẫn nổ áp điện

Trong quân sự, khi chế tạo đạn xuyên áo giáp, mọi người thường dùng gốm sứ áp điện lắp trên đầu đạn. Chỉ cần đạn vừa bắn trúng xe tăng thì thuốc nổ sẽ được điện cao áp do gốm sứ áp điện sinh ra châm đốt rồi nổ, làm cho xe tăng nổ tan tành.

Ngoài ra, thông qua hiệu ứng áp điện, chuyển đổi rung động cơ giới thành tín hiệu điện xoay chiều, có thể dùng để chế tạo bộ thu âm áp điện, bộ phóng thanh, còi, đầu lò thu nhận sóng siêu thanh. Trong đó thiệp mừng có nhạc điện tử chính là một ví dụ thực tế của những thứ này. Ngược lại, thông qua hiệu ứng điện ngược, chuyển đổi tín hiệu điện xoay chiều thành chấn động cơ giới, có thể dùng để chế tạo cơ cấu truyền động của đồng hồ phát xạ sóng siêu thanh, bộ phóng đại âm thanh áp điện.

Ngoài ra, rất nhiều linh kiện áp điện phát xạ và thu nhận sóng thanh hiệu suất chuyển đổi cao và độ nhạy cao đang phục dịch các loại đồng hồ như đồng hồ thăm đo dưới nước, đồng hồ dò lỗi bằng sóng siêu thanh cho vật liệu, thăm dò và đo quy mô, chủng loại, mức độ dày đặc, phương vị và khoảng cách của đàn cá ở biển, cơ cấu thu hình của lớp sóng siêu thanh, máy đập vụn đá bằng sóng siêu thanh công suất lớn.

Gốm sứ áp điện có đặc điểm như gia công tạo hình thuận tiện, giá thành thấp, đặc tính áp điện tiện cho điều khiển, phạm vi ứng dụng không ngừng được mở rộng, tương lai không thể dự đoán được.

6. Gốm sứ thấu quang khiến người ta kinh ngạc

Các bạn nhỏ yêu thích con dế đều biết, dế quen sống trong môi trường tối tăm và ẩm ướt. Vì thế, khi bắt được dế thì phải nuôi chúng ở trong đồ sành. Sở dĩ làm như vậy, một trong số các nguyên nhân chính là ánh sáng không xuyên qua đồ sành được. Công nghệ sản xuất của gốm sứ phức tạp hơn nhiều so với đồ sành, do đó, tính thấu quang của nó cũng kém hơn rất nhiều so với đồ sành.

Ba, bốn chục năm trở lại đây, chuyên gia gốm sứ sau khi nghiên cứu rất lâu, đã phát triển một loại gốm sứ tiên tiến mà ánh sáng có thể xuyên qua. 

6.1. Sự ra đời của gốm sứ thấu quang

Một ngày nào đó của những năm 50 thế kỷ 20, một vị chuyên gia gốm sứ và các trợ thủ của ông đang nỗ lực làm việc không ngừng ở trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu chế tạo ra gốm sứ trong suốt. Có một người trợ thủ trong khi lấy một tấm mẫu gốm nung vừa chế tạo từ trong lò ra.

Do hơi sơ ý, tấm mẫu nhỏ đó rơi đúng lên trên một quyển sách đang mở trên bàn thí nghiệm. Lúc ấy, việc khiến người ta vừa mừng vừa lo là: Các chữ trên trang sách có thể nhìn thấy rõ ràng xuyên qua mẫu gốm sứ. Đây chính là mục đích cuối cùng mà họ thí nghiệm.

Trải qua nhiều lần thất bại, cuối cùng giờ đây đã nghiên cứu chế tạo thành công. Những người trợ thủ trẻ tuổi làm sao lại không nhảy nhót reo mừng cơ chứ! Họ vừa cởi mũ ném lên không trung, vừa kêu gào: “Thành công rồi! Thành công rồi!”

Lúc này, vị chuyên gia gốm sứ nổi tiếng nhờ học vấn nghiên cứu chặt chẽ cẩn thận đã nén sự kích động trong lòng, yêu cầu các trợ thủ nghiệm chứng lại bằng kính hiển vi. Qua kiểm tra tỉ mỉ, tấm mẫu gốm sứ hoàn toàn phù hợp với quy cách. Trong một hội nghị quốc tế năm 1957, vị chuyên gia gốm sứ trịnh trọng tuyên bố với tất cả mọi người rằng: Tấm gốm sứ thấu quang đầu tiên trên thế giới đã ra đời.

Vậy thì, từ một mảng tối trong hộp gốm sứ có thể làm cho gốm sứ xuyên thấu ánh sáng, cần trải qua những cửa ải kỹ thuật khó khăn nào?

Chuyên gia gốm sứ sau khi nỗ lực nghiên cứu đã phát hiện, tất cả nguyên nhân chính không thấu quang của gốm là do trong gốm sứ có rất nhiều rất nhiều lỗ khí bé nhỏ. Các nhà khoa học đã từng làm thí nghiệm như vậy, khi một chùm tia sáng chiếu xạ đến bề mặt gốm, do các lỗ khí nhỏ bé trong gốm có khả năng phân tán xạ cực mạnh đối với tia sáng, làm cho phần lớn tia sáng phân tán đi bốn phương tám hướng, cuối cùng tất cả lại được gốm sứ hấp thu. Điều này có nghĩa là, các lỗ khí nhỏ là “trở ngại trên đường” khi tia sáng xuyên qua gốm sứ. Chỉ có dám bước qua “trở ngại trên đường” này, mới có thể làm cho tia sáng thông suốt không gặp trở ngại nào trong gốm sứ.

Để bước qua lỗ khí nhỏ “trở ngại trên đường” này, chuyên gia gốm sứ và các trợ thủ chủ yếu áp dụng các biện pháp kỹ thuật dưới đây:

Thứ nhất, chọn dùng nguyên liệu tốt. Nguyên vật liệu dùng để nung chế gốm, có độ thuần và độ mịn tương đối cao, hơn nữa hạt cũng rất đều. Qua kiểm tra cho thấy, độ thuần của nguyên liệu là 99,99%, kích thước hạt bình quân là 0,3 micromet, hạt quá to quá nhỏ cũng phải loại bỏ.

Thứ hai, điều khiển vận tốc hình thành gốm sứ kết tinh. Trong quá trình nghiên cứu chế tạo gốm sứ thấu quang, các nhà khoa học đã làm giảm chậm tốc độ hình thành hạt tinh thể trong quá trình kết tinh gốm sứ. Do sự nén ép từ từ của các hạt tinh thể, tiến vào mà đẩy hết các lỗ khí nhỏ đi.

Thứ ba, hình thành điều kiện chân không. Để không tồn tại lỗ khí trong gốm, cần giảm bớt thể khí trong lò tăng nhiệt, có thể tạo thành chân không, thì càng tốt. Điều này là bởi vì, trong lò tăng nhiệt gần như không có thể khí, vì vậy, việc này tương đương với việc cách tuyệt với đầu nguồn hình thành lỗ khí nhỏ trong gốm.

6.2. Tác dụng phong phú của gốm sứ thấu quang

6.2.1. Dùng trong lĩnh vực quân sự

Gốm sứ thấu quang dùng cho công nghiệp quân sự, chủ yếu là trong lĩnh vực tên lửa.

Tên lửa Sidewinder được học hỏi từ con rắn mang tên Sidewinder. Nhà động vật học đã cho chúng ta biết, có một cái “lõm má” trũng xuống giữa mắt và lỗ mũi của rắn Sidewinder, trong “lõm má” này có một lớp màng mỏng, trên màng mỏng rải đầy đầu mút thần kinh và một loại máy tế bào gọi là thể hạt lông, máy tế bào này có thể phình ra và thu nhỏ theo sự thay đổi của nhiệt độ, nhiệt độ xung quanh chỉ cần có sự thay đổi nho nhỏ 1/1000 độ, thì nó cũng có thể cảm nhận được. Trong đêm tối mù mịt, rắn Sidewinder có thể bất ngờ tấn công, giống như tia chớp đánh xuống mặt đất nuốt chửng chuột đồng, chính là nhờ vào máy tế bào nhanh nhạy này.

Các nhà khoa học quân sự đã có được gợi mở từ việc rắn Sidewinder săn mồi, chỉ cần lắp một cái máy cảm nhận nhanh nhạy ở phần đầu tên lửa, là có thể tự động dẫn hướng mục tiêu chăng?

Thế là, các nhà khoa học quân sự thiết kế và nghiên cứu chế tạo ra chiếc máy thăm dò tia hồng ngoại cho phần đầu của tên lửa, nhiệm vụ của máy thăm dò này chính là phát hiện, bắt các tia hồng ngoại cho dù là cực kỳ bé nhỏ bức xạ ra từ máy bay địch, đối với hơi đốt nhiệt độ cao mà động cơ máy bay địch bắn ra, thì điều đó tất nhiên là không cần nói nữa.

Có điều, để ngăn chặn các luồng khí tốc độ cao và sự mài mòn của mưa tuyết trong quá trình tên lửa bay, trên máy thăm dò ở phần đầu tên lửa, cần có một cái chụp bảo vệ, cái chụp bảo vệ này phải có đủ độ cứng và độ chắc chắn.

Đó là bởi vì, tên lửa trong quá trình bay với tốc độ cao, nhiệt độ bề mặt phần đầu của nó có thể vượt quá vài nghìn °C. Điều này có nghĩ rằng, một trong những yêu cầu về vật liệu của chụp bảo vệ, là phải chịu được nhiệt độ cao.

Nghiên cứu, so sánh chứng tỏ, không có vật liệu nào ngoài gốm sứ thấu quang là có thể đảm nhận được nhiệm vụ này. Chỉ có nó, là phù hợp nhất cho việc nghiên cứu chế tạo chụp bảo vệ máy thăm dò ở phần đầu tên lửa Sidewinder.

6.2.2. Dùng trong lĩnh vực sản xuất đèn

Đầu những năm 30 của thế kỷ này, con người đã biết được cách lợi dụng điện phóng ra từ sodium hơi có thể thu được một loại nguồn sáng hiệu suất cao.

Nhưng, do hạn chế về điều kiện các mặt lúc đó, không thể đưa một loại đèn mới vào giai đoạn sử dụng thực tế. Điều này là bởi vì, điện phóng ra từ sodium hơi sẽ sinh ra nhiệt độ cao vượt quá 1000°C, trong chương 1 của quyển sách này, chúng tôi đã đề cập tới, natri là một kim loại vô cùng sống động, nó có tính ăn mòn rất mạnh, mà ống đèn chế tạo từ thuỷ tinh lại không thể vượt qua được cửa ải nhiệt độ cao.

Do nhất thời không tìm được loại vật liệu ống đèn phù hợp song toàn (vừa chịu được nhiệt độ cao lại không bị ăn mòn), nên kế hoạch nghiên cứu chế tạo đèn sodium cao áp đành bị mắc lại.

Năm 1957, sự ra đời của gốm sứ thấu quang (còn gọi là gốm sứ trong suốt) đầu tiên trên thế giới làm cho kế hoạch nghiên cứu chế tạo đèn sodium cao áp mới có thể thực thi. Nghiên cứu chứng tỏ, điểm nóng chảy của gốm trong suốt tới 2050°C, hơn nữa trong môi trường 1600°C có thể không chịu sự ăn mòn của sodium hơi, nó lại có thể để cho tới 95% tia sáng đi qua. Có đủ những điều kiện này, thật có thể gọi là “vạn sự đầy đủ, chỉ thiếu gió đông”.

Qua sự nỗ lực của các nhà khoa học hữu quan, cuối cùng vào năm 1960 đèn sodium cao áp cũng ra đời, đã đạt được ứng dụng thực tế. Chúng ta nói đèn sodium cao áp là một loại nguồn ánh sáng điện mà hiệu suất phát sáng rất cao, khiến cho chúng ta có sự so sánh với một vài loại đèn khác.

Qua thử nghiệm chứng minh, hiệu suất phát sáng của đèn điện sáng trắng thông dụng chỉ có 10 Lumen/w, hiệu suất phát sáng của đèn thuỷ ngân cao áp là 50-60 Lumen/w, còn hiệu suất phát sáng của đèn sodium cao áp lại cao tới 110-120 Lumen/w. Điều này có thể nói, trong tình trạng công suất như nhau, một ngọn đèn sodium cao áp có thể sáng bằng hai ngọn đèn thuỷ ngân cao áp, hơn nữa sắc sáng lại êm dịu, bạc trắng. Nhìn mọi thứ rất rõ dưới ánh đèn sodium cao áp, không bị tức mắt.

Đối với những khu vực có đường sông đan chéo ngang dọc và những thành phố ven biển mà nói, loại đèn mới này có sức hấp dẫn đặc biệt – tia sáng của đèn sodium cao áp có thể xuyên qua sương mù dày đặc mà không bị phân tán xạ, vì vậy, làm đèn pha của xe ô tô là đặc biệt thích hợp.

Còn điều đáng để bàn tới là tuổi thọ bình quân của đèn sodium cao áp dài tới 10000-20000 giờ, gấp hai lần so với tuổi thọ của đèn thuỷ ngân cao áp, gấp hơn 10 lần so với đèn điện sáng trắng thông dụng, là đèn có tuổi thọ sử dụng dài nhất hiện nay.

Ngoài việc nghiên cứu chế tạo đèn sodium cao áp ra, gốm sứ trong suốt còn dùng thích hợp cho việc nghiên cứu chế tạo các loại đèn mới lạ khác, ví dụ như đèn Kali, đèn Rubi, đèn Xedi và đèn kim loại nhũ tương.

6.2.3. Chế tạo kính râm

Ngày hè, mặt trời gay gắt như lửa, nếu đeo một cái kính râm, thì sẽ dễ chịu đi nhiều. Thật vậy, ánh mặt trời chói chang, sẽ làm bạn không mở được mắt. Giả dụ bạn đi ngang qua người thợ hàn, còn anh ta lại đang ở đó hàn tay vịn của chiếc cầu đi bộ vừa mới lắp lên, lúc này, sau khi mắt bạn chịu sự kích thích của ánh sáng hồ quang mạnh, nhất thời sẽ không nhìn rõ mọi thứ xung quanh.

Nếu đeo kính râm vào, thì ánh sáng mạnh của hồ quang sẽ không tạo ra sự phiền toái gì cho mắt bạn nữa. Người thợ hàn khi thao tác, đều phải đeo cái chụp mặt vào, tác dụng của cái chụp mặt này cơ bản giống như cái kính râm. Bây giờ thì quá rõ, kính râm có tác dụng dưỡng mắt và tránh tia sáng mạnh chiếu vào mắt.

Nói đến sự kích thích của ánh sáng mạnh đối với mắt, khi bom nguyên tử nổ, tình trạng lại càng nghiêm trọng – bức xạ ánh sáng mạnh sẽ làm cho con người không nhìn rõ được mọi thứ, thậm chí khiến cho khó mà có thể di chuyển nửa bước.

Nhưng, do trọng trách trên vai của nhân viên thử nghiệm hạt nhân, họ phải chăm chú theo dõi toàn bộ quá trình nổ của bom nguyên tử. Hơn nữa trong giai đoạn chuẩn bị nổ, họ còn có rất nhiều việc phải làm. Lúc đó, lại không thể đeo kính râm để thao tác.

Từ việc bấm nút – bom nguyên tử nổ – đến khi xuất hiện bức xạ ánh sáng, thời gian tổng cộng không vượt quá 3 giây. Điều này có nghĩa rằng, đợi sau khi bom nguyên tử dẫn nỗ rồi đeo kính vào, hiển nhiên là không kịp nữa.

Trong quân sự quốc phòng, trong chiến tuyến công nghiệp, trong cuộc sống hàng ngày, con người cần có ngay một loại kính bảo vệ mắt có thể tự điều chỉnh ánh sáng. Loại kính bảo vệ mắt này khi gặp ánh sáng mạnh có thể tự chuyển ngay thành râm, sau khi ánh sáng nguy hiểm mất đi, lại có thể khôi phục được trạng thái sáng rõ ban đầu.

Bây giờ, có gốm sứ thấu quang rồi, con người đã có thể biến giấc mơ thành sự thật: có một loại gốm sứ trong suốt có thể xuyên qua ánh sáng, chịu được nhiệt độ cao, chịu ăn mòn, cường độ cao. Nói hình tượng một chút là, trong thuỷ tinh thể của kính bảo vệ mắt bằng gốm sứ này, có một hệ thống đóng, mở tự động hoá.

Có được loại kính bảo vệ mắt mới này thì người thợ hàn khi làm việc sẽ không cần một tay cầm chụp mặt, một tay cầm súng hàn – bây giờ khi hàn, chỉ cần đeo chụp mặt lên; hàn xong, lại bỏ chụp mặt ra. Có loại kính bảo vệ mắt này, nhân viên thử nghiệm hạt nhân sẽ có thể đeo nó để thực hiện các công việc chuẩn bị trước khi nổ hạt nhân.

7. Tương lai ứng dụng của gốm sứ kỹ thuật cao

Gốm sứ kỹ thuật cao là một loại vật liệu tập trung các đặc tính đa dạng như chịu nhiệt độ cao, chịu ăn mòn, chịu mài mòn và độ cứng cao v.v…, hơn nữa còn là vật liệu có công dụng mới mang tính tự bôi trơn tốt, là hệ thống vật liệu lớn thứ ba kế ngay sau vật liệu sắt thép và vật liệu phân tử cao. ứng dụng phổ cập gốm sứ kỹ thuật cao sẽ là một xu thế to lớn của sản xuất công nghiệp trên thế giới.

Bắt đầu từ những năm 90, các nước phát triển trên thế giới đã thu được nhiều thành quả ứng dụng tốt đẹp trong các lĩnh vực như: máy bay bay trên bầu trời, giếng khoan xuống tận biển, kim khí dân dụng rộng rãi đều có thể tìm thấy dấu vết của gốm kỹ thuật cao. Cùng với việc khai thác không ngừng sản phẩm kỹ thuật này, cái ngày mà toàn bộ gốm sứ kỹ thuật cao tiến vào lĩnh vực công nghiệp đã là ngày không còn xa nữa.

Do gốm sứ kỹ thuật cao vốn có tính năng đặc biệt, vì vậy mà việc chế tạo phi thuyền không gian, tàu vũ trụ, vệ tinh trái đất nhân tạo, xe tăng đều không thể xa rời nó. Ví dụ, chụp đầu của tên lửa xuyên lục địa, ống bắn của động cơ tên lửa, lớp mặt che vỏ ngoài của phi thuyền không gian và máy móc có bánh xe khởi động bằng hơi nước trong kỹ thuật nguồn năng lượng mới đều có dấu vết của gốm sứ kỹ thuật cao.

Dưới đây sẽ chủ yếu giới thiệu một chút về những thông tin có liên quan đến “áo khoác ngoài bằng gốm sứ” của phi thuyền không gian:

Phần lớn các bạn thiếu niên đều biết rằng, xung quanh trái đất bọc một lớp khí quyển dày đặc. Khi phi thuyền không gian trở lại bề mặt trái đất, tốc độ tương đối nhanh, mỗi phút đạt tới hơn 50.000 mét.

Như vậy, vỏ ngoài của phi thuyền và tầng khí quyển sẽ sản sinh ma sát mạnh, phần đầu của nó sẽ sản sinh nhiệt độ rất cao, cao tới 10.000°C. Nhiệt độ này vẫn còn cao hơn 4000°C so với nhiệt độ bên ngoài mặt trời cơ! Nếu phi thuyền không mặc “áo khoác ngoài bằng gốm sứ”, thì sẽ bị thiêu trụi.

Nói về bộ “mũ và áo giáp bằng gốm sứ” mà phi thuyền “Columbia”đã mặc do Nhật Bản và Mỹ bắn ngày 12 tháng 4 năm 1981, nó bảo đảm cho “Colombia” sau khi bay quanh trái đất 36 vòng sẽ trở về mặt đất an toàn. Khi trở lại tầng khí quyển, “mũ và áo giáp bằng gốm sứ” không giống bình thường ấy chặn được nhiệt lượng cao sinh ra do ma sát với không khí, bảo đảm thuận lợi khi bay, lập được công lớn vì sự phát triển sự nghiệp hàng không.

Các tài liệu liên quan đã nói cho chúng ta biết, bộ “mũ và áo giáp” của “Colombia” chủ yếu là dùng một loại gốm sứ kỹ thuật cao để tạo nên, về nguyên liệu, độ thuần là 99,7%, đường kính là 11,5 micromet sợi thạch anh và thạch anh dạng keo có độ thuần tương đương.

Trên vỏ ngoài của “Colombia”, tổng cộng dính được 34.000 viên gạch thạch anh và gạch chống nhiệt khác, nó được che phủ chặt chẽ, không sai sót tí nào, vì vậy, “Colombia” còn có biệt danh “nhà máy gạch bay” nữa đấy! Trên bề mặt của “mũ và áo giáp” bằng gốm sứ còn xoa đều một lớp men mỏng mà chặt chẽ, trong men gồm các chất có khả năng phân tán nhiệt bức xạ cực lớn, nó có thể lấy 85%-90% nhiệt lượng bức xạ đưa vào không gian, 10%-15% nhiệt lượng còn lại, thì bị gạch thạch anh có một lượng lớn lỗ khí và gạch thạch anh chịu nhiệt độ cao ngăn cách.

Vì vậy, cho dù nhiệt độ bề mặt của phi thuyền cao tới 1260°C, nhưng nhà phi hành vũ trụ và máy móc trong khoang vẫn có thể bình yên khỏe mạnh, tuyệt đối không thể sai sót, nhầm lẫn.

8. Ứng dụng của gốm sứ trong chế tạo động cơ

Động cơ gốm sứ không cần nước làm mát Vào một ngày tháng 8 năm 1990, mặt trời gay gắt như lửa, một chiếc xe chở khách biển “Tiền Giang” tiến hành chạy thử khứ hồi từ Thượng Hải đến Bắc Kinh, đã gặt hái được thành công. Chiếc xe này mặc dù bề ngoài chẳng có gì đáng chú ý cả, nhưng, phần trái tim của nó – động cơ, lại là chiếc động cơ bằng gốm sứ không cần nước làm mát đầu tiên do Trung Quốc nghiên cứu chế tạo. Việc nghiên cứu chế tạo và chạy thử nó thành công, đánh dấu Trung Quốc trở thành quốc gia thứ ba tiến hành Road Test sau Mỹ và Nhật Bản.

Động cơ bằng gốm sứ không cần nước làm mát là một trong những đề tài hấp dẫn mọi người chú ý nhất trên thế giới. Điều này là do, ở những nước phát triển, lượng tiêu hao dầu thô lớn đến kinh người, mà trong đó dùng cho phương tiện giao thông vận tải chiếm trên dưới 42%. Lâu nay, trong những động cơ thông thường mà mọi người đang sử dụng, nhiệt lượng sinh ra sau khi nhiên liệu đốt phun vào xi lanh có khoảng 40% biến thành năng lượng cơ giới, có 20%-30% nước làm mát do nắp xi lanh và chụp xi lanh thải ra, nhiệt lượng còn lại do dầu xả và dầu bôi trơn mang đi.

Các chuyên gia có liên quan chỉ cho chúng ta thấy, nhằm tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao hiệu suất nhiệt, có thể có 3 con đường: một là nâng cao hiệu suất động cơ; hai là giảm bớt ma sát giữa các phần cơ khí động cơ; ba là loại bỏ hệ thống không khí và nước làm mát của động cơ.

Hiển nhiên dễ thấy, mấu chốt để nâng cao hiệu suất động cơ là nâng cao nhiệt độ làm việc của động cơ và cải tiến điều kiện đốt. Theo tính toán lý luận, nhiệt độ làm việc của động cơ cao tới trên dưới 1300°C. Trong môi trường nhiệt độ cao này, cái gọi là hợp kim nhiệt độ cao hiện có đều không thể chịu nổi. Do gốm sứ kết cấu nhiệt độ cao có những đặc điểm như chịu nhiệt độ cao, dẫn nhiệt thấp, cường độ cao, vì vậy mà, đối với động cơ trong tương lai mà nói, loại gốm sứ này sẽ là vật liệu duy nhất.

Thành quả thí nghiệm của nhân viên khoa học kỹ thuật Trung Quốc đã chỉ rõ, sử dụng động cơ không cần nước làm mát được nghiên cứu chế tạo bằng gốm sứ kết cấu nhiệt độ cao có thể giảm bớt được nhiều nhiệt lượng do nắp xi lanh, chụp xi lanh truyền ra; Do thải bỏ nước làm mát trong nắp xi lanh và chụp xi lanh, nên có thể tiêu huỷ hệ thống nước làm mát độc lập của động cơ, đồng thời thông qua bộ tăng áp thu hồi lại một phần nhiệt lượng vốn cần thải bỏ; thông qua những việc làm này, có thể khiến cho hiệu suất của động cơ dần dần nâng cao.

Thế thì, động cơ bằng gốm sứ không cần nước làm mát có những ưu điểm gì?

– Thứ nhất, có thể tiêu huỷ hệ thống nước làm mát độc lập, đơn giản hoá kết cấu động cơ, giảm bớt tỉ lệ sự cố của động cơ (trong quá khứ, có khoảng 20% sự cố của động cơ Diesel có liên quan tới hệ thống nước làm mát). Động cơ bằng gốm sứ không cần nước làm mát có thể sử dụng được trong môi trường địa thế cao và rét, sa mạc hoặc những nơi thiếu nước.

– Thứ hai, do loại bỏ hệ thống làm mát độc lập, vì vậy cũng sẽ không tồn tại các vấn đề nhiệt lượng mà nước làm mát lấy đi, từ đó làm cho hiệu suất nhiệt của động cơ nâng cao, mức hao dầu có thể hạ thấp khoảng 5%.

– Thứ ba, sau khi nhiệt độ buồng đốt nâng cao, do điều kiện đốt có được sự cải thiện, vì vậy mà có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu.

Những năm 70, 80 của thế kỷ 20, Mỹ, Cộng hoà Liên bang Đức, Nhật Bản, Trung Quốc lần lượt bắt đầu nghiên cứu gốm sứ kỹ thuật cao dùng cho động cơ. Đến đầu những năm 90, một vài phụ tùng như bu-di, miếng ghép bu-di điện cảm ứng, bánh xe tuabin bộ tăng áp, bệ xupáp v.v.. đã được dùng vào thực tế. Những phụ tùng này có công dụng lớn hơn nhiều so với các phụ tùng dùng trước kia, tuổi thọ sử dụng cũng dài hơn.

Theo dự đoán của các nhà khoa học, động cơ bằng gốm sứ kỹ thuật cao sẽ có những bước đột phá to lớn trước sau năm 2000. Điều này có nghĩa là, động cơ sẽ gây nên một cuộc biến đổi vĩ đại, điều này cũng là một cuộc đại cống hiến của gốm sứ kỹ thuật cao đối với nhân loại.

9. Vòng bi bằng gốm sứ có công dụng rộng rãi

Ổ trục về đại thể chia thành ba loại: vòng bi cầu, ổ trượt và ổ trượt điện từ. ở phần này chủ yếu giới thiệu với mọi người về các thông tin liên quan đến lĩnh vực vòng bi,

Vòng bi là một loại linh kiện cơ khí tiêu chuẩn hoá cao, có một loạt ký hiệu quy cách kích thước đa dạng và đẳng cấp tinh xác, có thể đáp ứng các loại yêu cầu của máy móc đối với ổ trục trong phạm vi tương đối lớn. Do việc duy tu bảo dưỡng vòng bi vô cùng giản tiện, nên nó được ứng dụng rất rộng rãi.

Đặc trưng lớn nhất của kết cấu vòng bi là, ở giữa hai vòng chụp chuyển động trái ngược nhau có đặt những viên bị, vì vậy, vòng bi có ưu điểm là hệ số ma sát nhỏ, công suất tiêu hao ít, hiệu suất cao so với ổ trượt.

Nói chung, vòng bi thường do 4 bộ phận cấu tạo nên là vòng ngoài, vòng trong, bị và giá giữ, trước đây thường dùng hợp kim thép để chế tạo.

Giữa những năm 90 của thế kỷ 20, vòng bi bằng gốm sứ đã ra đời. Qua sử dụng cho thấy, vòng bi bằng gốm sứ có những ưu điểm sau:

– Thứ nhất, do gốm sứ gần như không sợ ăn mòn, vì vậy, vòng bi bằng gốm sứ thích hợp tác nghiệp trong điều kiện tồi tệ có nhiều dung môi có tính ăn mòn.

– Thứ hai, do mật độ gốm sứ lăn chuyển bi thấp hơn thép, quan trọng là nhẹ hơn nhiều, vì vậy khi truyền động, tác động li tâm của vòng ngoài có thể hạ thấp 40%, dẫn đến tuổi thọ sử dụng dài hơn.

– Thứ ba, ảnh hưởng co giãn bởi nhiệt của gốm sứ nhỏ hơn thép, vì vậy mà ở khe ổ trục khi xác định, có thể cho phép ổ trục làm việc trong môi trường nhiệt độ chênh lệch thay đổi tương đối mạnh.

– Thứ tư, do mô đun đàn hồi của gốm sứ cao hơn thép, khi chịu lực không dễ biến dạng, vì vậy có lợi cho việc nâng cao tốc độ làm việc, và đạt được độ tinh xác tương đối cao.

Các nước trên thế giới đã khai thác thành công vòng bi bằng gốm sứ sử dụng; chất bôi trơn thể rắn trong điều kiện nhiệt độ cao, cũng có vòng bi tạo thành do lợi dụng chất lỏng hoặc thép đặc chủng bôi trơn dầu mỡ kết hợp với gốm sứ hoặc vòng bi bằng gốm sứ hoàn toàn.

Còn nói đến vật liệu chế tạo vòng bi bằng gốm sứ, chủ yếu dùng gốm sứ silicon nitrua. Theo bản tin tài liệu liên quan, hai ngôi sao nổi lên trong gốm sứ hiện đại – silicon nitrua và silic cacbon đều có tính năng chịu nhiệt độ cao khiến người ta kinh ngạc. Khi gốm sứ silicon nitrua ở 1400°C, gốm sứ silic cacbon ở 1700°C, thì cường độ vẫn cao tới 7000kg/m, mà phần lớn kim loại ở nhiệt độ này thì đã bị mềm ra hoặc nóng chảy thành thể lỏng từ lâu rồi.

10. Câu chuyện về gốm sứ

Có người gọi gốm sứ là anh em “sinh đôi”. Thực ra, tuổi của “người anh” gốm đã được hơn 10.000 tuổi, tuổi của “người em” sứ nhỏ hơn mấy nghìn năm so với “người anh” gốm. Song, so với “người anh” thì vóc dáng của “người em” anh tuấn hơn, nhẹ nhàng tinh xảo hơn, do đó càng được mọi người yêu thích. Đồ gốm là do nhân dân lao động Trung Quốc phát minh ra, chính vì thế mà người phương Tây gọi Trung Quốc văn minh cổ xưa là “China”, có

Ở trung thế kỷ, đồ nghệ thuật làm bằng gốm sứ của Trung Quốc đã được cung đình các nước Châu Âu rất thích, rất nhiều vương công đại thần đều coi việc có được chế phẩm gốm sứ của Trung Quốc là một niềm vinh dự.

Để thuyết minh cho sự yêu thích của một số quân vương đối với gốm sứ Trung Quốc, chúng tôi xin trích dẫn một câu chuyện nhỏ như thế này.

Thế kỷ 17, ở Châu Âu có một quốc vương tên gọi là Auguste, ông ấy thực sự mê đồ gốm. Ông ấy xây dựng một cung điện để cất giữ những đồ gốm phong phú, quý hiếm và cổ quái vào đó. Hồi ấy, Châu Âu còn có một quốc vương tên gọi là William, những thứ mà ông ấy thích lại là những vệ sĩ ngưu cao mã đại, còn trong tay quốc vương Auguste lại vừa hay có những vệ binh khôi ngô. Vì thế, giao dịch do hai bên tình nguyện diễn ra rất nhanh chóng. Auguste dùng 600 vệ binh để đổi lấy 127 đồ sứ Trung Quốc của William. Qua đó có thể thấy, giá trị của bản thân đồ sứ là cao quý vô cùng.

This div height required for enabling the sticky sidebar
error: Content is protected !!
Ad Clicks : Ad Views : Ad Clicks : Ad Views : Ad Clicks : Ad Views : Ad Clicks : Ad Views : Ad Clicks : Ad Views : Ad Clicks : Ad Views : Ad Clicks : Ad Views : Ad Clicks : Ad Views :