Tìm hiểu về ceramic/gốm, vật liệu cứng gấp 4 lần thép sử dụng trong sản xuất Apple Watch

Đồng hồ vẫn được làm từ chất liệu gốm nhưng có vẻ như ít người biết đến sự thực này và có lẽ trong tất cả những vật liệu được đưa vào sử dụng, chúng không hề nổi tiếng. Nhưng ngày nay, rất nhiều hãng sản xuất đồng hồ, bắt đầu từ Rado, rồi đến Chanel, Hublot hay Omega đang sử dụng vật liệu này trong sản phẩm của mình, từ những phần nhỏ cho tới sử dụng hoàn toàn chất liệu gốm.

Vật liệu làm đồng hồ gốm có Kim loại, Nhựa Polymer, Gốm và chất liệu Tổng hợp (Composite). Cả bốn đều là chất liệu sản xuất đồng hồ được chấp nhận trên toàn cầu, và ta thấy được Gốm là một trong 3 vật liệu chính (vật liệu tổng hợp là trộn lẫn từ Kim loại, Nhựa và Gốm nên không được tính tới).

Về cơ bản, gốm không phải là vật liệu hữu cơ (trong số đó chỉ có polymer là hữu cơ) mà cũng không phải một loại kim loại. Bên cạnh những đồ gốm ta thường thấy thì kính, kim cương hay đá than chì cũng được xếp vào hạng mục “gốm”. Đá sapphire thường được sử dụng trong những chiếc đồng hồ đeo tay cũng được liệt kê vào loại vật liệu này.

Theo tính kĩ thuật mà nói, gốm lại có thể chia ra thành 4 hạng mục nhỏ hơn. Với “gốm kỹ thuật hóa” sẽ là chủ đề được nói tới khi sản xuất đồng hồ. Ba hạng mục còn lại là những đồ gốm sứ ta vẫn thấy trong cuộc sống hàng ngày như bát ăn cơm, những viên gạch lát, v.v...

Để tiếp tục phân ra các chủng loại của “gốm được kĩ thuật hóa” thì còn rất dài và rất xa. Vì thế ta sẽ tìm hiểu kĩ hơn về ứng dụng chung của chúng, cũng như những lợi thế của loại gốm này.

Không như những đồ gốm được sản xuất thông thường, “gốm kỹ thuật hóa” được làm ra từ những vật liệu nguyên chất, thông thường là những thành phần như oxide, carbide hay nitride, ...

Đa phần chúng là hợp chất của kim loại với oxy, nitro hay carbon. Đơn cử như hãng đồng hồ Redo, họ sử dụng zirconium oxi hóa hoặc titanium carbon hóa để sử dụng trong việc sản xuất đồng hồ của mình. Chúng đều là những vật liệu tuyệt hảo.

Từ “gốm” tạo ra cho nhiều người một cảm giác dễ vỡ. Nhưng gốm kỹ thuật hóa lại cực kì cứng, thậm chí chúng được liệt vào danh sách một trong những vật liệu kỹ thuật cứng nhất. Vì thế việc làm xước một chiếc đồng hồ gốm không đơn giản như bạn tưởng đâu, vì thường độ cứng của chúng phải gấp 3 tới 4 lần thép không gỉ.

Với bản chất cứng và bền như vậy, chúng được sử dụng khá thường xuyên trong ngành công nghiệp sản xuất phụ kiện mặc trên người. Nhờ những loại gốm ấy, mà đồng hồ của chúng ta có thể có được nhiều năm tuổi thọ, tất nhiên là đi kèm với việc xước xát sẽ giảm thiểu đi rất nhiều.

Hãng đồng hồ Hublot đang phát triển một loại vật liệu tổng hợp kết hợp giữa gốm và vàng, với mục đích là “cứng như gốm” nhưng vẫn “đẹp và sang trọng như vàng”.

Dù cứng hơn tới 4 lần thép, nhưng vật liệu này lại cực kì nhẹ, thường chỉ từ 2 cho tới 6 gam/centimet khối, nhẹ hơn nhiều so với thép không gỉ (8 gam/cc) hay titan (4,5 gam/cc). Tỷ trọng của chúng cũng cũng chỉ bằng với aluminum (2,7 gam/cc). Tỷ trọng thấp kết hợp với độ cứng cáp cao đã biến chúng thành một vật liệu không chỉ hữu dụng trong ngành sản xuất đồng hồ, mà còn được sử dụng rộng rãi trong quân sự cũng như hàng không vũ trụ.

Sức bền của gốm là cực lớn nhưng nó vẫn có một điểm trừ cũng lớn không kém. Sức bền ấy chỉ có thể đạt được khi nó chịu sức ép lớn. Khi bị ép, sức chịu lực của gốm có thể lên tới từ 1000 cho tới 4000 MPA (megapascal, 1 Mpa = 1.000.000 Pascal = 1.000.000 Newton/mét vuông). Titan, một trong những vật liệu ta coi là cứng cáp nhất, cũng chỉ đạt được con số 1000 Mpa. Con số 4000 MPa là chưa từng có ở một kim loại nào. Nhưng điểm trừ ấy chính là gốm phải có được một sức ép nhất định.

Khi chịu lực căng (lực uốn chả hạn), thì sức chịu lực của gốm giảm đi tới 15 lần, điều đó khiến chúng trở nên vô dụng ở vô vàn thứ mà đáng lẽ có thể áp dụng. Kim loại có được những sự khác biệt không lớn giữa sức chịu căng và sức chịu ép, vì thế mới được sử dụng rộng rãi hơn hẳn.

Điều này là do tính mềm (tính dễ uốn) và tính bền của gốm là khá kém. Chỉ cần va đập mạnh là chúng sẽ vỡ. Khắc phục được những điểm này thì gốm sẽ thay thế mọi vật liệu trên đời. Thật đáng tiếc.

Vì vậy, bạn nên giữ gìn đồng hồ làm từ sứ của mình khỏi va chạm mạnh kẻo nó sẽ sớm vỡ.

Chính những liên kết nguyên tử đã vừa làm nên điểm mạnh, vừa tạo nên điểm yếu cho loại vật chất suýt-hoàn-hảo này. Như kim loại với những “liên kết kim loại” của mình, dù chúng không có sức mạnh lớn nhưng chúng không bị chỉnh hướng liên kết nguyên tử. Vì thế những nguyên tử kim loại có thể liên kết với các nguyên tử kim loại khác ở bất kì góc độ nào, điều này khiến cho chúng vừa cứng rắn lại vừa dẻo dai.

Gốm lại không được như vậy, chúng có những liên kết cộng hóa trị và những liên kết ion đặc trưng. Chúng rất mạnh nhưng liên kết nguyên tử lại bị đặt theo một hướng nhất định, điều đó khiến cho các nguyên tử không thể tự do di chuyển và liên kết với nhau, vì thế gốm có cho mình một đặc điểm là không hề dễ uốn. Để giải quyết vấn đề này thì vật liệu tổng hợp là phương pháp hữu hiệu nhất.

Nhiều năm trời, các nhà khoa học đang tìm ra cách để khiến cho gốm cứng rắn hơn. Một trong những giải pháp cho việc ấy là hai loại gốm đặc biệt: “alumina được cường hóa bởi zirconia” và “zirconia được ổn định hóa bởi yttria”. Khi mà gốm bắt đầu nứt ra dưới áp lực lớn, những phân tử gốm sẽ ép vào phần nứt và ngăn cho vết nứt lan rộng ra, từ đó làm tăng độ cứng cáp của bản thân vật liệu. Nhưng độ bền của chúng vẫn kém kim loại vài phần.

Độ rắn của gốm thì đạt mức cao cho tới cực cao, nhưng thường thì người ta không sử dụng tới tính chất này khi sản xuất vỏ đồng hồ, nhưng trong những bộ phận chuyển động thì hoàn toàn quan trọng.

Một tính năng khác chẳng quan trọng của gốm là khả năng chịu nhiệt cực tốt. Ở mức nhiệt không kim loại nào có thể giữ hình dáng thì gốm vẫn giữ cho mình được sức mạnh y nguyên, vì thế nó vẫn được sử dụng trong turbine máy bay phản lực, đĩa phanh hay các công cụ cắt, v.v...

Những đặc điểm ấy hoàn toàn chẳng liên quan gì đến đồng hồ, nhưng quá quan trọng để bỏ qua không nhắc tới.

Phương pháp sản xuất gốm hầu hết dựa vào việc tạo nên khối rắn từ bột gốm, cũng giống như việc bạn nặn một quả cầu tuyết và hơi nóng cùng với sức ép từ lòng bàn tay sẽ khiến quả cầu ấy rắn lại vậy. Bột gốm cũng sẽ trải qua một chu trình như thế để tạo nên những hình dáng nhất định. Nhiệt độ cực cao là thành tố quan trọng trọng việc đưa gốm vào trạng thái gần đặc, để có được độ cứng cần thiết.

Việc sản xuất này bắt đầu bằng việc tạo hình bột gốm thành những vỏ đồng hồ (hay một hình dáng nào khác), yêu cầu rất nhiều áp suất và nhiệt độ cao để có thể tiến hành. Vì thế, vỏ đồng hồ làm bằng gốm thường rất đắt bởi bản chất của việc sản xuất cần sự tinh khiết của thành phần vật liệu cũng như việc làm rắn chúng cũng không phải dễ dàng gì. Việc một cái vỏ đồng hồ bằng gốm đắt hơn thép hay titan là hoàn toàn bình thường.

Dù vậy, giá thành của nó cũng không hơn được vỏ vàng hay platinum, bởi thành phần làm nên vỏ gốm không đắt đỏ và quý giá đến thế. Vật liệu gốm thô thì rẻ bèo, chỉ có quá trình sản xuất là tốn kém. Kim loại thì ngược lại, vật liệu đắt mà quá trình sản xuất thì lại không như vậy.

Như titan, gốm có tính trơ và không độc cũng như không gây dị ứng. Về cơ bản, thứ khiến cho titan trơ như vậy là do một lớp oxide phủ lên bề mặt loại kim loại này, lớp ấy không gì khác chính là gốm. Điều đó cũng đúng với thép không gỉ. Từ đó bạn có thể suy ra “độ trơ lì” của gốm tới mức nào. Với lại với một chiếc đồng hồ vỏ gốm thì bạn không phải lo nó hỏng hóc do gỉ sét hay mòn đi. Bạn cứ giữ không để nó va đập mạnh thì chiếc đồng hồ của bạn sẽ gần như “bất tử”. Lại thêm một chút thông tin quý giá nữa về vật liệu tạo nên đồng hồ, vật liệu tưởng chừng như “mỏng manh dễ vỡ”, đó là gốm.

Tham khảo abtw