Tìm hiểu về Ceramics và ứng dụng trong chế tác đồng hồ.

Mọi người thường hay lầm tưởng Ceramics chỉ bao gồm những sản phẩm làm từ gốm. Tuy nhiên, khi tìm hiểu sâu xa hơn, Ceramics thực chất là một nhóm vật liệu phong phú, liên quan đến cả kính, than chì và thậm chí là kim cương. Trong thế giới đồng hồ, Ceramics có lẽ là một trong những nhóm chất liệu ít được biết đến nhất và đang được ứng dụng nhiều hơn trong những năm gần đây, đặc biệt ở phần vỏ đồng hồ.  Hàng loạt các thương hiệu lớn, từ đồng hồ trang sức cho đến đồng hồ nghệ nhân đều đã bắt đầu thử sức với những chiếc đồng hồ có toàn bộ vỏ hoặc vòng bezel Ceramics cao cấp. 

Có bốn nhóm chất liệu chính thường được sử dụng trong công nghiệp, đó là Kim loại, Polymers, Ceramics và Hợp chất. Ceramics là một trong ba nhóm chính trong khi Hợp chất là sự kết hợp của 3 nhóm chính này.

Hublot Big Bang Ceramic Stainless Steel

Ceramics về cơ bản là những chất rắn vô cơ (những chất rắn hữu cơ là Polymers) mà không phải là kim loại. Vì vậy, kính, kim cương và than chì cũng được xếp vào nhóm Ceramics. Tinh thể sapphire được sử dụng làm chân kính cũng là một loại Ceramics. Về mặt kỹ thuật, Ceramics được chia thành 4 loại. Trong bài viết này, chúng ta sẽ nói về chất liệu “Ceramics kỹ nghệ”. 3 loại Ceramics còn lại chính là những thứ chúng ta biết trong cuộc sống hàng ngày, ví dụ như dụng cụ ăn uống , gạch, ngói…  Không giống như đồ nung, Ceramics kỹ nghệ được làm từ các chất tinh khiết. Những thành phần tinh khiết như oxit, cacbua, nitrit … đảm bảo các tính chất cần thiết được giữ ổn định. Hầu hết các thành phần tinh khiết này đều là hợp chất của kim loại với oxy, nito, cacbon ….

Vật liệu Ceramics dưới kính hiển vi

Ceramics kỹ nghệ là một vật liệu có độ cứng siêu hạng, vượt thép không gỉ từ 3 đến 4 lần nên đồng hồ có vỏ Ceramics không dễ bị xước. Các lớp phủ công nghệ cao trên đồng hồ như PVD, DLC về cơ bản đều là Ceramics. Trên thực tế nhờ có độ cứng đặc biệt này, nhiều công cụ bằng Ceramics còn được sử dụng để cắt kim loại trong nhà máy và máy tiện.  Khi được sử dụng đúng cách, chúng có tuổi thọ lâu hơn hẳn các công cụ thông thường. Bên cạnh đó, chúng cũng có khả năng chịu mài mòn tốt và đó là lý do vì sao Ruby (thuộc nhóm Ceramics) được sử dụng làm chân kính trong các cỗ máy đồng hồ giúp các cỗ máy có thể chạy hàng năm trời mà không gặp sai sót. Gần đây nhất, thương hiệu Hublot đã phát triển hợp chất Ceramic-Vàng với hi vọng làm Vàng trở nên cứng hơn.

Ceramics cũng khá nhẹ, khối lượng riêng vào khoảng 2 đến 6g/cc, phần lớn là khoảng 3g/cc. Chúng nhẹ hơn nhiều so với thép không gỉ (8g/cc) và titan (4.5g/cc). Chúng có độ đặc tương đương nhôm (2.7g/cc). Độ đặc thấp cùng với độ cứng cao khiến vật liệu này thường được sử dụng để làm rất nhiều đồ dùng cho ngành hàng không vũ trụ và ngành quân sự, ví dụ như những lớp áo giáp trọng lượng nhẹ mà có thể chống đạn hoặc làm phân tán năng lượng của những tác động tốc độ cao. Tóm lại, những chiếc đồng hồ làm từ Ceramics rất nhẹ và đôi khi có thể chống đạn!

Những chiếc OMEGA Speedmaster Moonwatch có vỏ làm từ Ceramics, sản phẩm cũng đang được bán tại Quang Minh Watch

Tuy vậy Ceramics cũng có một khiếm khuyết lớn. Độ bền của Ceramics chỉ phát huy chủ yếu dưới sức nén. Khi bị nén, vật liệu này có khả năng chịu tải rất cao, từ 1000 đến 4000 Mpa. Titan, một chất liệu được coi là kim loại bền, chỉ chịu được 1000 MPa. Không có kim loại nào chịu được 4000 MPa.  Tuy nhiên đó chỉ là khi bị nén. Khi bị căng, sức chịu của Ceramics giảm 15 lần. Kim loại trong khi đó lại có sự chênh lệch cực nhỏ giữa sức chịu căng và sức chịu nén. Gót chân Achilles này là do độ dẻo dai thấp của Ceramics. Nói một cách dễ hiểu hơn, kim loại có thể được uốn một cách linh động, còn Ceramics sẽ có khả năng bị vỡ nếu lực bẻ/uốn rất lớn. Xin nhắc lại là lực bẻ/uốn rất lớn. Nếu dẻo dai hơn thì nó sẽ là vật liệu tốt nhất trên thế giới để làm hầu hết toàn bộ những vật dụng.

Chiếc AP ROYAL OAK OFFSHORE DIVER với toàn bộ chi tiết làm từ Ceramics

Độ dai thấp lại chính là bởi liên kết nguyên tử của chúng, thứ mà cho chúng sức chịu nén cao. Trên thực tế, liên kết nguyên tử đóng vai trò quyết định đến các tính chất của các chất liệu. Kim loại có liên kết kim loại, mặc dù yếu nhưng không bị định hướng. Vì vậy, một nguyên tử kim loại có thể liên kết với những nguyên tử khác ở bất kì góc độ nào và điều này khiến chúng dẻo dai. Ceramics có liên kết cộng hoá trị và liên kết ion. Chúng rất mạnh, nhưng có tính định hướng. Có tính định hướng có nghĩa là một nguyên tử khó có thể di chuyển xung quanh một nguyên tử khác, do đó ceramics ko dễ uốn.

Độ cứng của Ceramics là rất cao. Tuy không thích hợp lắm để làm vỏ đồng hồ nhưng Ceramics lại cực kì quan trọng trong việc chế tạo bộ chuyển động. Một số chi tiết siêu nhỏ khác cũng được thử nghiệm với chất liệu Silicon.

Phương pháp sản xuất Ceramics chủ yếu dựa vào việc nung kết từ bột. Phương pháp này tương tự như bạn nặn một quả bóng tuyết nhưng trong môi trường nhiệt độ cao. Với phương pháp này, người ta có thể thu được một phần tính chất và hình dáng mong muốn. Nhiệt độ cao rất cần thiết để củng cố bột thành trạng thái đậm đặc nhất. Nhìn chung, gia công Ceramics cực kì phức tạp. Tuy nhiên, có những loại Ceramics cụ thể có thể gia công một cách dễ dàng hơn, ví dụ như “Kính ceramic”.

Ngoài ra còn có nhiều phương pháp khác như gia công bằng siêu âm (supersonic) để tạo ra những hình dạng ceramic chính xác. Phương pháp nung kết này bắt đầu với việc định hình bột ceramic thành một chiếc vỏ đồng hồ (hoặc hình dáng nào khác), tác động nhiều áp lực và nung đến một nhiệt độ rất cao mà có thể làm chảy phần lớn kim loại. Vì sự tinh khiết của vật liệu và độ khó trong việc nung kết chúng nên vỏ đồng hồ bằng ceramic khá đắt. Một chiếc vỏ đồng hồ có vỏ bằng ceramic đắt hơn một chiếc vỏ bằng thép hoặc thậm chí là titan là một điều rất bình thường. Tuy nhiên, nó không thể chạm đến ngưỡng của vỏ đồng hồ bằng vàng và platinum vì chất liệu này không quí hiếm đến thế. Vật liệu thô để tạo nên những thành phần bằng ceramics có giá thành rẻ, nhưng công đoạn chế tạo ra nó thì đắt. Kim loại thì ngược lại, vật liệu kim loại quý có giá thành cao nhưng công đoạn gia công thì rẻ hơn nhiều.

Giống như Titan, Ceramics rất trơ và sẽ không bị ăn mòn hay gây dị ứng. Trên thực tế, thứ mà khiến Titan trơ và không bị ăn mòn như vậy là lớp oxit bao phủ trên bề mặt. Nếu như chiếc vỏ đồng hồ Titan bị xước mất lớp Titan trên bề mặt, ngay lập tức lớp kim loại bên dưới sẽ oxy hoá và tạo ra một lớp Ceramics. Điều tương tự cũng xảy ra với thép không gỉ. Từ đó quý vị có thể mường tượng được mức độ trơ của vật liệu Ceramics và hoàn toàn có thể tin tưởng chiếc đồng hồ Ceramic của mình không bao giờ rỉ hay bị ăn mòn. Trên thực tế, miễn là bạn đừng để nó bị tác động quá mạnh, chiếc đồng hồ của bạn là không thể phá huỷ. Một chiếc đồng hồ kim loại với vòng bezel bằng ceramic thậm chí còn tốt hơn. Bạn sẽ tránh được những vết xước trên vòng bezel và có được độ dẻo của kim loại!