Giáo án Bài 6. Vật liệu mới

Huy động hiểu biết về vật liệu truyền thống, nhận ra nhu cầu tổ hợp nhiều tính năng và từ đó xác định vấn đề của bài học.

GV nêu tình huống: một xưởng cần tấm vỏ thiết bị nhẹ hơn, vẫn đủ bền và dễ sửa chữa. HS trả lời hai câu hỏi:

• Vì sao một vật liệu truyền thống đôi khi chưa đáp ứng đủ yêu cầu?
• Khi chọn vật liệu cho tấm vỏ, em cần xem xét những tiêu chí nào?

HS nêu được: vật liệu truyền thống có thể bền nhưng nặng, hoặc nhẹ nhưng khó đáp ứng độ bền, độ cứng hay khả năng chịu nhiệt theo yêu cầu. Các tiêu chí cần xem xét gồm độ bền theo hướng chịu lực, khối lượng, khả năng liên kết và sửa chữa, an toàn cháy và xử lí khi hết vòng đời. GV chốt: vật liệu mới được nghiên cứu để có tổ hợp tính năng mà vật liệu truyền thống khó đáp ứng.

Giải thích được cấu tạo composite gồm pha nền và pha cốt, nêu vai trò của từng pha và nhận biết tính chất phụ thuộc hướng bố trí.

HS làm việc nhóm 4, đọc Phiếu học tập số 1 (phần A) và ghép mô hình giấy: lớp giấy màu/keo đại diện pha nền, các dải giấy hoặc que đại diện pha cốt. Trả lời các câu hỏi:

1. Pha nền có vai trò gì trong composite?
2. Pha cốt có vai trò gì?
3. Nếu các sợi cốt được đặt theo một phương, khả năng chịu lực theo phương đó thay đổi thế nào so với phương khác?
4. Vì sao không thể suy ra composite bền như nhau theo mọi hướng?

• Pha nền: thành phần liên kết và truyền tải tới pha gia cường trong composite.
• Pha cốt: thành phần gia cường giúp tạo tính năng cho composite.
• Tính chất composite phụ thuộc vật liệu thành phần, tỉ lệ và hướng bố trí; composite có thể có tính dị hướng, nên không suy ra độ bền đều theo mọi hướng.
• Sản phẩm: mô hình giấy có ghi chú nhãn “nền” và “cốt” kèm sơ đồ mũi tên chỉ hướng bố trí cốt.

Phân biệt được vật liệu nano, hợp kim nhớ hình và vật liệu thông minh; nêu được không phải hạt nhỏ nào cũng có lợi.

Kĩ thuật mảnh ghép: lớp chia thành 3 nhóm chuyên gia, mỗi nhóm nghiên cứu một nội dung: (1) Vật liệu nano; (2) Hợp kim nhớ hình; (3) Vật liệu thông minh. Mỗi nhóm trả lời: Đặc điểm chính là gì? Vì sao không phải kích thước nhỏ nào cũng có lợi? Sau đó HS ghép nhóm mới gồm đủ 3 chuyên gia để chia sẻ, điền Phiếu học tập số 1 (phần B).

• Vật liệu nano: có cấu trúc ở kích thước rất nhỏ, có thể cho tính chất khác vật liệu khối; không phải hạt nhỏ nào cũng có lợi, cần đánh giá chuyên môn về bụi và phụ gia.
• Hợp kim nhớ hình: hợp kim có khả năng phục hồi hình dạng theo điều kiện thích hợp.
• Vật liệu thông minh: đáp ứng tác động bên ngoài theo cách có thể kiểm soát.
• Bảng so sánh ba loại trong Phiếu học tập số 1 (phần B) đầy đủ đặc điểm và lưu ý an toàn.

Giải thích được FGM là vật liệu có thành phần hoặc cấu trúc thay đổi dần theo vị trí; nêu được vì sao khi đánh giá phải biết vị trí lấy dữ liệu.

HS làm việc cặp đôi, quan sát sơ đồ thành phần thay đổi dần theo chiều dày (GV vẽ hoặc chiếu), kết hợp học liệu NeoEdu phần ví dụ. Trả lời Phiếu học tập số 2 (phần A):

1. FGM khác với việc trộn đều hai chất ở điểm nào?
2. Vì sao một giá trị đo ở bề mặt chưa đại diện cho toàn bộ chiều dày?
3. Nêu ví dụ nguyên lí: lớp chịu nhiệt chuyển dần sang phần chịu lực.

• FGM có thành phần hoặc cấu trúc thay đổi dần theo vị trí, giúp giảm chuyển tiếp đột ngột giữa các vùng.
• Khác trộn đều: thành phần biến đổi có chủ đích theo vị trí để mỗi vùng có tính chất phù hợp với chức năng của vùng đó.
• Giá trị bề mặt chỉ phản ánh vị trí đo; muốn đánh giá phải ghi rõ vị trí lấy dữ liệu và có dữ liệu ở các vùng khác.
• Ví dụ nguyên lí: lớp ngoài chịu nhiệt, chuyển dần sang lớp trong chịu lực.

Củng cố khái niệm pha nền, pha cốt, hợp kim nhớ hình, FGM và kĩ năng tính phần trăm thay đổi khối lượng.

HS làm việc cá nhân rồi kiểm tra theo cặp, sau đó giơ thẻ “Đúng”/“Sai” hoặc chọn đáp án. Bài tập:

• Câu 1: Trong vật liệu mới, mô tả nào giải thích chính xác “Pha nền”? A. Thành phần gia cường giúp tạo tính năng cho composite. B. Thành phần liên kết và truyền tải tới pha gia cường trong composite. C. Hợp kim có khả năng phục hồi hình dạng theo tác động phù hợp.
• Câu 2: Composite luôn có độ bền như nhau theo mọi hướng. (Đúng/Sai)
• Câu 3: Tấm kim loại giả định nặng 4 kg, tấm composite đạt cùng yêu cầu nặng 2,8 kg. Giảm khối lượng bao nhiêu phần trăm?
• Câu 4: Hồ sơ ghi thành phần gốm tăng dần từ mặt trong ra mặt ngoài, không có ranh giới chuyển đột ngột. Khái niệm nào phù hợp nhất? A. Vật liệu có cơ tính biến thiên (FGM). B. Hợp kim nhớ hình chỉ vì được gia nhiệt. C. Một kim loại nguyên chất đồng nhất.

Đáp án:

• Câu 1: B (Pha nền: thành phần liên kết và truyền tải tới pha gia cường trong composite; A thuộc pha cốt, C thuộc hợp kim nhớ hình).
• Câu 2: Sai (hướng cốt và cấu trúc ảnh hưởng tính chất; composite có thể có tính dị hướng).
• Câu 3: $\dfrac{4-2{,}8}{4}\times 100\% = 30\%$; giảm 30 %, với điều kiện hai tấm đạt cùng yêu cầu.
• Câu 4: A (sự thay đổi dần thành phần hoặc cấu trúc theo vị trí là dấu hiệu của FGM; không có dữ kiện phục hồi hình dạng nên không chọn hợp kim nhớ hình).

Vận dụng kiến thức để lập kết luận và hồ sơ cho tình huống thực tế: tấm composite có số liệu dọc nhưng chưa có số liệu ngang, tải thực tác dụng ngang.

Nhóm 4 HS đọc tình huống trong Phiếu học tập số 2 (phần B) và lập hồ sơ giả định, không thực hiện thao tác vật lí trên vật liệu. Tình huống: “Tấm composite có số liệu kéo tốt theo phương dọc nhưng chưa có số liệu theo phương ngang; tải thực tác dụng ngang. Có được duyệt không?” Hồ sơ gồm: kết luận, bằng chứng, giới hạn an toàn và việc cần làm tiếp theo.

Hồ sơ nhóm gồm:

• Kết luận: chưa đủ căn cứ duyệt.
• Bằng chứng: số liệu dọc không đại diện tự động cho phương ngang chịu tải.
• Yêu cầu tiếp theo: có dữ liệu phù hợp hướng tải và thiết kế cấu trúc trước khi so sánh giá; chỉ sau khi đạt yêu cầu bền và an toàn cháy mới xét đến khối lượng và năng lượng tiêu hao.
• Giới hạn an toàn: không mài, cắt mẫu để thử tại nhà; không tạo bụi sợi; đánh giá do đơn vị chuyên môn thực hiện.