Vì sao từ đá lại chế tạo được thủy tinh?

Vào thời xa xưa, ở Ai Cập có một đoàn lữ hành đã dừng lại nghỉ đêm ở một hẻm núi gần biển. Họ đốt lửa, nấu ăn, nhảy múa. Mấy ngày sau họ chuẩn bị rời đi nơi khác, và phát hiện trong đám tro có một vảy màu trắng sáng lấp lánh. Họ lấy làm lạ vì cái "vảy trắng" đã tìm thấy.

Đó là một câu "đố" một câu đố mà phải qua hơn ngàn năm loài người mới tìm thấy lời giải. Sự thực đó chính là các mẫu thuỷ tinh mà loài người chế tạo được sớm nhất.

Vì sao đoàn lữ hành cổ Ai Cập nọ qua mấy buổi đốt lửa nấu cơm, sưởi ấm đã chế tạo được "thuỷ tinh"? Nguyên do là ở đây có nhiều loại cát do đá núi bị phong hoá và cát bãi biển. Bản thân cát dù có mịn nhưng nếu chỉ bị đốt nóng thì cũng không nóng chảy được. Thế nhưng khi củi cháy sẽ tạo nên tro than có natri cacbonat có tính kiềm, natri cacbonat lại tác dụng với cát mịn. Do nhiệt độ cao khi đốt củi mà natri cacbonat tác dụng được với cát mịn, cát sẽ nóng chảy và sau khi để nguội sẽ kết tinh tạo nên các hạt thuỷ tinh trong suốt.

Các nhà khảo cổ đã khai quật thấy ở trong các ngôi mộ cổ Ai Cập các đồ trang sức chế tác bằng thuỷ tinh thành các vòng đeo cổ của các cô gái.

Ngày nay nguyên liệu chủ yếu để chế tạo thuỷ tinh là cát thạch anh, đá vôi và tràng thạch (felspat). Trong đó thành phần chính để chế tạo thuỷ tinh là cát thạch anh có thành phần hoá học là silic đioxit.

Thuỷ tinh chế tạo từ cát thạch anh có chất lượng rất tốt, trong suốt, chịu đựng được axit, có tính bền cơ học cao. Khi chế tạo thủy tinh người ta đem cát thạch anh và đá vôi nghiền mịn thành khối đồng đều. Cho vào lò, gia nhiệt để hỗn hợp được nung chảy. Nhưng cát thạch anh có nhiệt độ nóng chảy rất cao đến hơn 2000°C, nên quá trình sản xuất thủy tinh đã gặp không ít khó khăn. Vì vậy trong khi sản xuất thủy tinh người ta phải dùng natri cacbonat làm phối liệu để hỗn hợp dễ dàng chảy lỏng hơn. Việc thêm natri cacbonat không chỉ nhằm giảm thấp nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp mà còn làm giảm bớt độ keo dính của khối chảy, làm cho khối chảy sẽ linh động hơn trong lò nấu thuỷ tinh.

Để thoả mãn các nhu cầu trong cuộc sống, các xưởng sản xuất thủy tinh sản xuất ra nhiều loại chế phẩm thuỷ tinh như kính, thuỷ tinh không vỡ, kính nhiều lớp, kính mờ, kính cong, thủy tinh quang học, các loại bình đựng… Trong những năm gần đây đã xuất hiện nhiều chế phẩm được chế tạo bằng thủy tinh như: sợi thuỷ tinh, thuỷ tinh thép cùng nhiều loại chế phẩm mới khác.
Mời bạn đọc : 

Thuỷ tinh có thể thay thế thép hay không?

Từ khoá: Thuỷ tinh; Thạch anh.

Thuỷ tinh có thể thay thế thép hay không?

Vào năm 1940, lần đầu tiên người ta nói đến một thuật ngữ rất mới "thép thủy tinh”. Thép thuỷ tinh, về thành phần không có liên quan gì đến thép nhưng hết sức bền chắc: một tấm thép thủy tinh dày 8mm có thể không bị đạn xuyên thủng.

Mọi người đều biết trong bê tông cốt thép, sợi thép là "xương" còn xi măng là "thịt". Thép thuỷ tinh cũng có tính chất tương tự: Người ta nung chảy thuỷ tinh, kéo thành sợi mảnh. Sợi thuỷ tinh có tính đàn hồi, có thể dệt thành lụa, thành vải. Người ta cuộn vải thuỷ tinh thành nhiều lớp, ép với nhau rồi xử lý bằng chất dẻo đã đốt nóng chảy. Nhờ vậy người ta đã chế tạo được loại vật liệu lấy sợi thuỷ tinh làm "xương" và chất dẻo làm "thịt". Loại vật liệu này được gọi là thủy tinh được gia cố bằng chất dẻo.

Về độ bền cơ học thì thép thủy tinh có thể sánh ngang với thép, còn về khối lượng riêng thì thép thuỷ tinh chỉ bằng 1/4 thép. Thép thuỷ tinh lại không dẫn điện, rất nhẹ, về mặt này thì thép không sánh kịp thép thuỷ tinh.

Thép thủy tinh là loại vật liệu công nghệ mới có thể dùng để chế tạo khung, thân xe, vỏ ca nô, toa xe lửa, dùng làm vật liệu xây dựng vừa nhẹ lại vừa bền. Một thân xe ô tô con chỉ nặng hơn 150 kg. Dùng thép thủy tinh để chế tạo khung xe đạp vừa nhẹ lại vừa đẹp. Dùng thép thủy tinh chế tạo vỏ tàu thuyền vừa nhẹ, lại không bị mục nát, so với vỏ tàu thuyền chế tạo bằng gỗ thì có thể chế tạo thành hình nguyên khối mà không cần ghép nối. Gặp trường hợp thân xe hoặc thân thuyền có thủng một chỗ nào đó chỉ cần dùng keo dán gỗ bôi quanh lỗ thủng rồi dán một miếng thuỷ tinh là có thể tiếp tục đi lại.
Ngày nay phạm vi sử dụng của thép thủy tinh ngày càng được mở rộng. Trong quân sự, người ta dùng thép thuỷ tinh để chế tạo xe tăng, pháo thuyền nhẹ. Trong thể dục thể thao người ta dùng thép thuỷ tinh để sản xuất gậy nhảy sào, làm cung bắn tên. Trong sinh hoạt hằng ngày, người ta dùng thép thủy tinh để chế tạo đồ đựng nước, bể tắm vừa bền vừa đẹp.
Bài viết : 

Vì sao kim loại lại biến thành thủy tinh kim loại?

Từ khoá: Thép thủy tinh.

Vì sao kim loại lại biến thành thủy tinh kim loại?

Ta biết rằng thủy tinh và kim loại là hai loại vật liệu khác nhau. Nhưng ngày xưa đã xuất hiện một trạng thái mới của kim loại đó là trạng thái thủy tinh kim loại. Loại vật liệu này trông bề ngoài giống thủy tinh nhưng thực chất là kim loại, nên người ta gọi là thuỷ tinh kim loại.

Thế thì thủy tinh kim loại được chế tạo như thế nào? Ban đầu người ta nung chảy kim loại rồi dùng phương pháp đặc biệt phun thành mù, sau đó phun với tốc độ lớn lên một tấm đồng ở nhiệt độ thấp thành một lớp kim loại mỏng, chỉ dày mấy micromet. Đó chính là lá thuỷ tinh kim loại. Về sau người ta đã phát minh nhiều phương pháp chế tạo thuỷ tinh kim loại. Dùng phương pháp này người ta có thể chế tạo các tấm thuỷ tinh kim loại hoặc các sợi thuỷ tinh kim loại. So với phương pháp luyện kim thường thì phương pháp này tiết kiệm được nhiều công đoạn như đúc rót, tôi, kéo, làm nguội… nên quá trình sản xuất đơn giản hơn rất nhiều, tốc độ sản xuất nhanh, tiêu hao ít nguyên liệu, do đó giá thành sản xuất rất thấp.

Nói chung do kim loại từ trạng thái nóng chảy được làm lạnh dần dần để trở thành trạng thái rắn, thông thường sự sắp xếp các nguyên tử ở trạng thái rắn hết sức có trật tự theo quy luật xác định. Còn khi chế tạo thủy tinh kim loại, do tốc độ làm lạnh rất nhanh, sự sắp xếp các nguyên tử trong thuỷ tinh kim loại không theo quy tắc xác định giống cấu trúc của thuỷ tinh, nên người ta gọi đó là thuỷ tinh kim loại.

Do sự sắp xếp các nguyên tử trong thuỷ tinh kim loại hết sức hỗn loạn nên so với kim loại thông thường có nhiều "tính cách" đặc biệt. Nói chung ở các kim loại, vốn có cấu trúc tinh thể nên rất dễ bị ăn mòn. Còn ở thuỷ tinh kim loại do không có cấu trúc tinh thể có thể ít bị ăn mòn, nên có phạm vi sử dụng lớn. Ngoài ra do các thủy tinh kim loại giống như các phi kim là có điện trở lớn nên chúng trở thành một loại vật liệu tốt để chế tạo các khí cụ điện. Các thủy tinh kim loại rất cứng, khả năng chống kéo căng lớn. Ví dụ loại thủy tinh kim loại trên cơ sở hợp kim sắt - niken có thể có khả năng chịu kéo đến 2450 N/m2.

Thuỷ tinh kim loại là loại vật liệu mới, là thành phần mới trong họ nhà thủy tinh, có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp hiện đại.
Bài đọc mới : 

Vì sao vàng lại được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật?

Từ khoá: Thuỷ tinh kim loại.

Vì sao vàng lại được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật?

Vàng thuộc vương quốc của các kim loại con cưng. Từ xưa đến nay, vàng được dùng đúc tiền quý, được chế tác thành các đồ nữ trang quý giá. Trong con mắt của mọi người, vàng được xem như minh chứng cho sự giàu có.

gold

Vàng ngoài việc được đánh giá là quý hiếm, còn có nhiều tính chất hoá học, vật lý đặc biệt khác. Vì vậy vàng được đưa vào dự trữ của quốc gia và dần dần tỏ ra có nhiều tác dụng to lớn trong nhiều lĩnh vực khoa học, kỹ thuật.

Vàng là kim loại rất dễ kéo sợi: 1 g vàng có thể kéo thành sợi dây mảnh dài đến 160 m, có thể dát thành lá mỏng có diện tích 9 m2 với độ dày 1/50.000 mm. Với lá vàng mỏng này người ta hầu như có thể nhìn xuyên qua được, nhưng lại cản được tia tử ngoại. Vì vậy lá vàng mỏng được sử dụng trong các mặt nạ phòng hộ cho các phi công vũ trụ, làm vỏ bọc kín các buồng trong con tàu vũ trụ, vàng lá mỏng phản xạ mạnh các tia hồng ngoại, nên dùng trong các tủ sấy bằng tia hồng ngoại cũng như trong các trang bị quân sự hiện đại, như ở các máy đo dùng tia hồng ngoại.

Như người ta thường nói "vàng thật (thiệt vàng) không sợ chi lửa", nhiệt độ nóng chảy của vàng đến 1061,43°C, nên vàng có thể chịu được nhiệt độ cao. Vàng là kim loại có tính bền hoá học. Nói chung các axit và kiềm không có tác dụng đối với vàng. Vì vậy nhiều loại trang thiết bị trong máy bay, trong các con tàu vũ trụ, các vệ tinh nhân tạo cần có các bộ đóng, ngắt điện có tiếp xúc tốt, cần có độ dẫn điện tin cậy, không bị oxy hoá ở nhiệt độ cao, người ta phải chế tạo bằng vàng hay hợp kim của vàng. Vàng và hợp kim vàng có độ bền hoá học cao nên được dùng để chế tạo đầu kim phun, các đầu nối ở các pin trong các con tàu vũ trụ. Vàng và các hợp kim của vàng cũng được dùng để chế tạo các hợp kim có trí nhớ, vật liệu siêu dẫn và các linh kiện, được sử dụng rộng rãi trong các máy điều trị y học, công nghiệp điện tử, máy tính, người máy, trong hàng không vũ trụ và nhiều lĩnh vực khoa học mới khác.

Tìm hiểu :

Vì sao hợp kim niken lại được phát minh sớm hơn kim loại niken?

Từ khoá: Vàng.

Vì sao hợp kim niken lại được phát minh sớm hơn kim loại niken?

Vàng, bạc, sắt, đồng là những kim loại quen thuộc với chúng ta. Từ hơn 2000 năm trước, nhân dân lao động nhiều nước trong đó có Trung Quốc, Ai Cập, ấn Độ… đã dần dần chế luyện được các kim loại này. Những hợp kim của niken đã được phát minh khá sớm từ thời cổ đại ở Trung Quốc, thế nhưng kim loại niken chỉ được nhận biết một thời gian rất lâu sau khi phát hiện hợp kim niken.

Từ hơn 2000 năm trước, ở huyện Đường Làng (thuộc miền Hội Trạch Xảo Gia ngày nay) thuộc tỉnh Vân Nam Trung Quốc, người ta luyện được một loại hợp kim được gọi là "đồng bạch" (đồng trắng). Đây là loại hợp kim của đồng được chế luyện từ một loại quặng đồng trắng có chứa 6,14% niken. Khi loại hợp kim đồng - niken có chứa đến 16% niken, hợp kim sẽ có màu trắng bạc rất đẹp. Do đó hợp kim có tên gọi là "đồng bạch".

Do đồng bạch được người Trung Quốc chế tác đầu tiên, nên vào thời đó người Ba Tư (thuộc miền Trung Á ngày nay) gọi đó là "đá Trung Quốc". Sau đó từ thế kỷ XVI trở đi, người Châu Âu nhiều lần đề cập đến đồng bạch Trung Quốc. Như vào năm 1735, một người Pháp là Daudet đã viết: "Có loại đồng đặc biệt là đồng bạch, loại đồng rất đặc biệt này có lẽ ngoài Trung Quốc không còn nơi nào có". Vào thời bấy giờ, nhiều quốc gia đã nhập khẩu đồng bạch Trung Quốc để đúc tiền. Nhiều người ở các nước đã bỏ nhiều công chế tạo đồng bạch Trung Quốc. Vào thế kỷ XVIII, XIX, nước Anh đã nhập khẩu đồng bạch; tiến hành nghiên cứu thành phần đồng bạch trong phòng thí nghiệm. Nền công nghiệp nước Phổ (nước Đức cổ) thậm chí đã đặt giải thưởng để kích thích việc nghiên cứu đồng bạch. Các nhà luyện kim phương Tây qua nhiều công trình thí nghiệm nghiên cứu chế tạo đồng bạch, đã giúp họ chế luyện được mấy loại hợp kim có màu trắng bạc, là loại hợp kim của niken không chứa bạc, họ gọi đó là "bạc mới", "bạc nước Đức" và "bạc niken". Các hợp kim này thực tế là loại đồng bạch Trung Quốc.

Hợp kim niken đã ra đời từ thời cổ đại, nhưng loài người chỉ chế luyện được kim loại niken từ thời cận đại. Vào năm 1751, nhà hoá học Thụy Điển Kronesteind đã chế tạo kim loại niken từ loại quặng đa kim trong có chứa asen và niken. Ngày nay, một lượng lớn niken đã được dùng để chế tạo hợp kim. Ví dụ khi đưa niken vào thành phần gang, thép sẽ làm cường độ của gang thép được tăng lên nhiều. Loại thép không gỉ mà người ta thường dùng chính là hợp kim của sắt, niken và crom. Với hợp kim đồng - niken, khi hàm lượng niken đến 46% được gọi là "bạch kim giả”, vì hợp kim này có nhiều tính chất giống bạch kim (platin). Hợp kim titan - niken là "hợp kim có trí nhớ" nổi tiếng. So với thời cổ đại thì chủng loại và phạm vi ứng dụng của hợp kim niken được mở rộng rất nhiều.
Tìm hiểu thêm : 

Vì sao có kim loại lại có khả năng ghi nhớ?

Từ khoá: Hợp kim niken; Niken; Đồng bạch.

Vì sao có kim loại lại có khả năng ghi nhớ?

Người và động vật đều có khả năng ghi nhớ nhất định, liệu với các kim loại vô tri, vô giác lại có khả năng ghi nhớ không?

Vào năm 1961, ở Mỹ có một nhân viên kỹ thuật đã lấy từ kho một cuộn dây hợp kim niken - titan, anh ta uốn thẳng sợi dây thành một thanh thẳng, sau đó đem đặt thanh niken - titan gần một lò lửa, anh ta phát hiện một sự kỳ lạ: sợi dây kim loại lại lấy trở lại dạng cong như cũ, như thể ở dây kim loại có "trí nhớ" vậy. Anh cán bộ kỹ thuật hết sức thú vị về phát hiện của mình. Anh ta lặp lại thí nghiệm nhiều lần và đều nhận được kết quả như nhau. Sau này người ta còn phát hiện được nhiều hợp kim khác cũng có "trí nhớ", ví dụ hợp kim của cađimi, hợp kim của đồng, nhôm, niken.

Vì sao các hợp kim này lại có "khả năng nhớ" như vậy? Khi nghiên cứu kỹ hơn người ta tìm thấy khả năng "ghi nhớ" của hợp kim có liên quan đến cấu tạo nội tại của hợp kim. Nói chung ở các điều kiện khác nhau, các chất ở trạng thái tinh thể sẽ có cấu trúc có tính ổn định khác nhau. Ở nhiệt độ tương đối thấp, các tinh thể của hợp kim có cấu trúc không ổn định. Khi tăng nhiệt độ quá một nhiệt độ xác định nào đó, tinh thể sẽ biến thành dạng cấu trúc ổn định, nhiệt độ này được gọi là nhiệt độ chuyển biến cấu trúc. Đó là lý do tại sao sợi hợp kim niken - titan lại lấy lại dạng cong ban đầu khi tăng nhiệt độ. Với sợi hợp kim niken - titan, nếu đem chế tạo thành hình dáng xác định, sau đó tăng nhiệt độ đến 150°C rồi lại làm lạnh, dùng ngoại lực thay đổi hình dạng của sợi dây, lúc này sợi dây đang ở trạng thái có cấu trúc tinh thể không ổn định. Bây giờ nếu đem gia nhiệt sợi dây đến nhiệt độ chuyển biến cấu trúc (95°C) trở lên, hợp kim niken - titan lại phục hồi trạng thái ổn định ban đầu. Điều đó tương tự như là hợp kim niken - titan có trí nhớ và đã phục hồi được hình dạng ban đầu. Các nhà khoa học gọi đó là hiệu ứng ghi nhớ hình dạng.

Ngày nay hiện tượng này đã được ứng dụng vào mục đích nghiên cứu khoa học trong công tác thám không. Ví dụ để thu thập các số liệu về Mặt Trăng cần phải phản hồi các tư liệu từ Mặt Trăng về Trái Đất. Muốn thế phải đặt trên Mặt Trăng một anten có dạng như một cái ô lớn (anten parabon). Làm thế nào đưa được một cái ô lớn như vậy lên Mặt Trăng? Các nhà khoa học nghĩ đến nguyên lý dương ô dựa vào các hợp kim "có trí nhớ". Trước hết người ta chế tạo một cái ô lớn ở nhiệt độ cao hơn 40°C. Sau đó gấp cái ô này thành một hình dạng chiếm một thể tích bé để có thể cho vào con tàu vũ trụ và phóng lên Mặt Trăng. Khi anten đã lên đến Mặt Trăng, bao đựng ô mở ra, các sợi dây hợp kim sẽ cao hơn 95°C và anten sẽ phục hồi nguyên trạng hình parabon vốn có trước đó. Đó quả là điều hết sức kỳ diệu.

Hợp kim có trí nhớ ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn. Các hệ thống truyền dẫn áp lực trên máy bay trước đây hay có hiện tượng rò rỉ dầu gây sự cố ở các đầu tiếp nối của các ống dẫn, gây ảnh hưởng xấu đến việc điều khiển máy bay. Người ta đã dùng hợp kim có trí nhớ chế tạo các đầu nối các ống dẫn, không chỉ rất bền mà còn không sợ bị va đập gây biến dạng. Khi cần phục hồi trạng thái ban đầu chỉ cần gia nhiệt chút ít là có thể thực hiện được dễ dàng. Khi dùng hợp kim có trí nhớ để chế tạo các đầu nối sẽ tránh được hiện tượng rò rỉ, tránh được nhiều sự cố đáng tiếc. Theo thống kê, trên ống phun khí của một máy bay chiến đấu có đến hàng trăm nghìn đầu ống nối.

Người ta cũng sử dụng hợp kim có trí nhớ để chế tạo đinh tán. Trước khi sử dụng đinh tán người ta gia công đầu to của đinh tán thành hình trụ thon như nhau, sau đó người ta cho đinh vào lỗ trong điều kiện nhiệt độ thấp. Khi tăng cao nhẹ nhiệt độ, đầu đinh tán lại nở to như cũ và được giữ chặt vào lỗ.
Tìm hiểu thêm : 

Vì sao titan được xem là "kim loại của hàng không vũ trụ"?

Từ khoá: Hợp kim có trí nhớ; Sự hồi phục hình dạng.

Vì sao titan được xem là "kim loại của hàng không vũ trụ"?

Việc dùng kim loại titan trong chế tạo máy bay được bắt đầu từ những năm 50 của thế kỷ XX. Khi nền công nghiệp hàng không và hàng không vũ trụ càng phát triển thì phạm vi sử dụng của titan ngày càng mở rộng nên titan được các chuyên gia đánh giá là "kim loại của hàng không vũ trụ".

Vì sao kim loại titan lại có tính năng đặc biệt như vậy?

titan

Trước hết titan và hợp kim titan rất bền mà lại cứng, độ cứng của hợp kim titan và kim loại titan có thể sánh với thép, vì vậy titan và hợp kim titan có cường độ và độ bền ưu việt so với nhiều hợp kim khác, là vật liệu có cường độ lớn lý tưởng.

Hai là titan có tỷ trọng bé, thuộc loại kim loại nhẹ. Nếu dùng hợp kim titan để thay thế vật liệu chế tạo máy bay thì có thể giảm khoảng 40% khối lượng của máy bay. Đây là một điểm ưu việt khác của titan.

Ngoài ra ở nhiệt độ thường titan là kim loại rất bền, titan không bị axit hoặc kiềm mạnh ăn mòn, là một kim loại chịu ăn mòn tốt nhất. Ví dụ khi đem titan ngâm vào cường thủy cũng không hề gì. So với thép không gỉ thì hợp kim titan còn có tính chịu ăn mòn tốt hơn.

Titan và hợp kim titan còn có một tính năng đặc biệt là chống được sự ăn mòn do khe hở. Chúng ta biết rằng các kim loại cũng như các phi kim, khi giữa hai mặt tiếp xúc có khe hở dần dần sẽ bị ăn mòn thậm chí bị ruỗng nát và làm hư hỏng toàn bộ cả một thiết bị. Nếu dùng titan hoặc hợp kim của titan để chế tạo thiết bị thì sẽ tránh được sự ăn mòn do khe hở. Ngoài các ưu điểm kể trên, titan và hợp kim titan còn có một ưu điểm rất lớn nữa, đó là tính bền nhiệt. Cho titan và hợp kim titan chịu tác dụng của nhiệt độ cao trong thời gian dài, sau đó dùng kính hiển vi điện tử để quan sát cấu trúc nội tại, người ta thấy các tổ chức của hợp kim và kim loại titan rất ít thay đổi. Với các máy bay hiện đại có vận tốc gấp ba lần tốc độ âm thanh, nhiệt độ mặt ngoài của thân máy bay có thể lên đến 500°C. Do kim loại titan có nhiệt độ nóng chảy rất cao (đến 1725°C) nên nếu dùng titan để chế tạo thân máy bay thì sẽ rất thích hợp.
Chính vì titan có nhiều đặc điểm kỳ lạ như vậy nên titan được xem là "kim loại cho ngành hàng không vũ trụ".
Tìm hiểu thêm : 

Vì sao cần thêm các nguyên tố đất hiếm vào gang thép?

Từ khoá: Titan; Kim loại cho hàng không vũ trụ.