CƠ SỞ VẬT LIỆU VÀ BẢO VỆ ĂN MÒN tổng quan vật liệu composite ĐH BK HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TPHCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC CƠ SỞ VẬT LIỆU VÀ BẢO VỆ ĂN MÒN ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN VẬT LIỆU COMPOSITE Giáo viên Nguyễn Trường Sơn Lớp Các thành viên trong nhóm MỤC LỤC I Tổng quan về vật liệu composite 7 1 Quá trình hình thành và phát triển vật liệu composite 7 2 Cấu tạo, thành phần và đặc điểm 9 2 1 Thành phần chính 9 2 3 Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào những đặc tính sau đây 10 2 4 Ưu điểm 11 2 5 Nhược điểm 11 3 Phân loại 11 3 1 Phân loại theo hình dạng 1.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TPHCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC CƠ SỞ VẬT LIỆU VÀ BẢO VỆ ĂN MÒN ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN: VẬT LIỆU COMPOSITE Giáo viên: Nguyễn Trường Sơn Lớp: Các thành viên nhóm: MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC BẢNG I.Tổng quan vật liệu composite Khái niệm: Vật liệu composite hay cịn có tên gọi khác composite, vật việu compozit, vật liệu tổng hợp Đây loại nguyên vật liệu tổng hợp từ hay nhiều vật liệu khác tạo thành loại vật liệu Vật liệu tạo thành mang tính chất cơng dụng vượt trội hẳn so với vật liệu thành phần riêng rẽ [1] Hình 1: Vật liệu composite Quá trình hình thành phát triển vật liệu composite Thời gian TCN đánh dấu khởi đầu loại vật liệu tổng hợp ứng dụng việc tạo vật dụng sinh hoạt hàng ngày Việc sử dụng vật liệu tổng hợp ghi nhận cho người Mesopotamians, hay gọi người cổ đại Lưỡng Hà Những người cổ đại dán dải gỗ góc độ khác để tạo ván ép vào năm 3400 TCN Giữa năm 2181 2055 TCN, người Ai Cập sử dụng tông (cartonage) lớp vải lanh (linen) giấy cói (papyrus) ngâm thạch cao (plaster) để làm mặt nạ chết Khoảng năm 1500 TCN, người xây dựng, thợ xây Ai Cập Lưỡng Hà sử dụng rơm rạ để tăng phần chắc chắn cho gạch, gốm thuyền bùn Khoảng năm 25 TCN, Marcus Vitruvius Pollio (năm 80- 75 trước Công nguyên – năm 15 trước Công nguyên), kiến trúc sư, kỹ sư công binh người Ý, phục vụ cho quân đội La Mã, viết 10 sách kiến trúc (Ten Books on Architecture) mô tả cụ thể phân biệt loại vôi vữa khác Vào năm 1200 sau Công Nguyên, người Mông Cổ phát minh Cung tên – vu khí chiến đấu vào thời – làm bằng vật liệu từ kết hợp gỗ, tre, xương – gân gia súc, sừng, tre sợi lụa với nhựa thông tự nhiên Những chiến cung nhỏ mạnh mẽ xác vu khí đáng sợ trái đất phát minh vu khí hiệu từ kỷ 14 [2] Từ thập niên 1870 đến thập niên 1890, cách mạng hóa học thay đổi phát triển vật liệu tổng hợp Các loại nhựa tổng hợp chuyển từ chất lỏng sang trạng thái rắn cấu trúc phân tử liên kết chéo, diễn qua trình polymerization (tạm gọi trình trùng hợp) Nhựa tổng hợp sớm bao gồm Celluloid, Melamine Bakelite [2] Vào đầu năm 1900, tiến hóa học thúc đẩy phát triển nhựa Các vật liệu vinyl, polystyrene, phenolic polyester tạo cải tiến nhằm cung cấp vật liệu có đủ sức mạnh độ cứng nhằm mục đích phục vụ cho nhu cầu nhân loại Polyoxy-benzyl-methylen-glycol-anhydride (Bakelite), phát triển Leo Baekeland năm 1907 – nhà hóa học người Bỉ, loại nhựa phenol formaldehyde nhiệt rắn hình thành từ phản ứng loại bỏ phenol với formaldehyde Bakelite loại nhựa làm từ thành phần sợi tổng hợp Với tính chất không dẫn điện chịu nhiệt của, Blakelite sử dụng rộng rãi ứng dụng công nghiệp hàng tiêu dùng : chất cách điện, vỏ đài điện thoại, đồ dùng nhà bếp, đồ trang sức, thân ống đồ chơi trẻ em Năm 1993, Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ cơng nhận định Bakelite Di tích hố học Lịch sử Quốc gia [2] Được công nhận thập kỷ quan trọng ngành công nghiệp vật liệu tổng hợp, năm 1930 chứng kiến phát triển nhựa tổng hợp, vật liệu sử dụng ngày Năm 1935, Owens Corning giới thiệu sợi thủy tinh công bố Ngành công nghiệp chất liệu polyme gia cường sợi (FRP) Năm 1936, nhựa polyester chưa bão hịa cấp bằng sáng chế Do đặc tính đóng rắn chúng, nhựa polyester lựa chọn hàng đầu cho loại nhựa sản xuất Năm 1938, vật liệu nhựa hiệu suất cao khác epoxies cung trở nên phổ biến dễ tìm [2] Sự kiện Chiến tranh Thế giới II đưa ngành cơng nghiệp FRP phát triển cách chóng mặt từ nghiên cứu đến sản xuất Ngồi tính chất có độ bền cao đến trọng lượng nhẹ, nhà hóa học khám phá rằng vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh suốt, có tần số vơ tuyến Điều dẫn đến thích nghi composite áp dụng sản xuất mái vòm radar (radar domes) thiết bị điện tử khác Đến năm 1947, ô tô làm hoàn toàn bằng chất liệu composite chế tạo hoàn chỉnh thử nghiệm, dẫn đến phát triển Chevrolet Corvette năm 1953 Sợi thủy tinh tổng hợp ngâm tẩm với nhựa đúc kim loại phù hợp sử dụng để chế tạo xe cổ điển Sự đời ngành công nghiệp chế tạo ô tô dẫn đến số phương pháp việc tạo hình Hai phương pháp, nén ép hợp chất đúc (SMC) hợp chất đúc khối lớn (BMC), lên hình thức đúc tạo hình cho ngành cơng nghiệp ô tô ngành khác [2] Đầu năm 1950, sản xuất tiếp tục đổi với phát triển Công nghệ pultrusion, túi chân không cuộn dây tóc quy mơ lớn Những vật liệu tổng hợp sử dụng ứng dụng ngày Pultrusion sử dụng sản xuất thành phần tuyến tính thang khn Cuộn dây tóc ví dụ vật liệu composite ngành hàng không vu trụ trở thành nguyên liệu chế tạo cho động tên lửa quy mơ lớn, thúc đẩy thăm dị khơng gian năm 1960 [2] Năm 1961, sợi carbon cấp bằng sáng chế thương mai hoá sau vài năm Sợi carbon cải thiện nhiệt rắn từ độ cứng đến tỷ lệ trọng lượng, để sử dụng nhiều ứng dụng hàng không vu trụ, ô tô, hàng thể thao hàng tiêu dùng Vào năm 1960, Hàng hải thị trường tiêu thụ vật liệu composite lớn Trong hai mươi năm tiếp, thị trường vật liệu composite phát triển cách mạnh mẽ Chất liệu polyethylene có trọng lượng phân tử cao tham gia sợi tiên tiến khác sử dụng thành phần cấu tạo sản phẩm thuộc lĩnh vực hàng không vu trụ, áo giáp chiến đấu, thiết bị thể thao, thiết bị y tế nhiều lĩnh vực khác Năm 1970, Mar-Bal bắt đầu chế tạo phận đúc tùy chỉnh cho số ứng dụng bao gồm: Bộ ngắt điện; Thiết bị lắp ráp động cơ; thiết bị cỡ nhỏ Mar-Bal trở thành nhà cung cấp giải pháp tổng hợp vật liệu tổng hợp tích hợp [2] Cấu tạo, thành phần đặc điểm 2.1 Thành phần Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm hay nhiều pha gián đoạn (cốt) phân bố pha liên tục (nền) Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi composite hỗn tạp Pha gián đoạn thường có tính chất trội pha liên tục Hình 2: Cấu tạo vật liệu composite Vật liệu composite cấu tạo thành phần gọi NỀN CỐT Trong NỀN CỐT đảm nhiệm vai trò khác Bảng 1: Vật liệu vật liệu cốt Vật liệu [1] (còn gọi pha nhựa) Vật liệu cốt [1] (Vật liệu gia cường) - Có chức giúp liên kết, bao bọc thành phần cốt bên composite - Tạo nên tính thống nhất, nguyên khối cho cấu trúc vật liệu composite - Vật liệu Nền bảo vệ vật liệu Cốt khỏi hư hỏng tác động môi trường - Vật liệu tạo khả tiến hàng biện pháp gia công - Bao gồm polymer: (polyester, PE, PP, PVC, Epoxy, cao su…); kim loại, ceramic (xi măng…) - Bổ trợ đặc tính cần thiết mà vật liệu khơng có - Thường có tính chất lý hóa cao vật liệu - Về có hai kiểu vật liệu cốt dạng cốt sợi (ngắn dài) dạng cốt hạt - Gồm loại sợi (thủy tinh, cellulose, cacbon, acramic…), hạt (hạt kim loại, hạt đất sét, bột gỗ, bột đá…), hình dạng đặc biệt khác Để cải thiện số tính chất composite, người ta thêm vào chất phụ gia Chất phụ gia vật liệu có tính chất sau: • Tính dẫn điện, dẫn nhiệt: thường dùng bột, sợi vảy kim loại Fe, Cu, Al, … bi tráng kim loại • Bơi trơn dỡ khn • Tạo màu • Chống co ngót 2.3 Cơ tính vật liệu composite phụ thuộc vào đặc tính sau Các vật liệu thành phần có tính tốt composite cung có tính tốt tốt tính chất vật liệu thành phần [5] Luật phân bố hình học vật liệu cốt: Khi vật liệu cốt phân bố không đồng đều, vật liệu composite bị phá huỷ trước hết nơi kít vật liệu cốt Với composite cốt sợi, phương sợi định tính dị hướng vật liệu, điều chỉnh tính dị hướng theo ý muốn để chế tạo vật liệu cung phương án công nghệ phù hợp với yêu cầu [5] Tác dụng tương hỗ vật liệu thành phần: Vật liệu cốt phải liên kết chặt chẽ với có khả tăng cường bổ sung tính chất cho Ví dụ: liên kết cốt thép xi măng bê tông [5] 2.4 Ưu điểm Về mặt giá thành: Đây loại vật liệu có q nhiều cơng dụng độ bền chắc giá thành lại vơ rẻ so với gang thép Các chủ đầu tư tiết kiệm khoảng đến lần ngân sách đầu tư để thay sản phẩm bằng loại vật liệu mà đảm bảo an tồn cho cơng trình [3] Xét mặt trọng lượng: Như loại nhựa khác, vật liệu nhựa composite cung nhẹ êm mang vác Vì vậy, việc di chuyển, vận chuyển đến cơng trình cần thi công tương đối thuận lợi dễ dàng, đặc biệt cơng trình nằm vùng có địa hình hiểm trở hay xa xôi giúp cho nhà đầu tư tiết kiệm nhân công vận chuyển [3] Xét mặt thẩm mỹ: Ngoài việc dễ dàng cắt hay khắc, loại vật liệu cịn có đa dạng màu sắc Đây cung ưu điểm loại vật liệu [3] Độ bền cao: Đặc tính khiến composite hẳn vật liệu nhựa khác, composite có tính chất chống ăn mịn, chống axit, base điều kiện khắc nghiệt từ môi trường [3] 2.5 Nhược điểm Tính khơng thể tái chế khiến cho nhựa composite khó sử dụng nhiều lần dễ dẫn đến nhiễm mơi trường khơng có biện pháp loại trừ hoàn toàn hay tiêu hủy triệt để [3] Độ bền composite hẳn nhựa thường sánh bằng gang thép Chính xây dựng, vật liệu để tạo nên độ bền chắc móng lõi cơng trình khơng thể thay gang thép Ngồi ra, việc phân tích mẫu vật liệu composite cơ, lý, hóa tính phức tạp [3] Phân loại 3.1 Phân loại theo hình dạng Gồm: Composite sợi, composite vảy, composite hạt, composite điền đầy, Composite phiến Hình 3: Các loại composite 3.2 Phân loại dựa theo chất Composite chất dẻo: nhựa hữu cơ, cốt thường sợi hữu sợi khoáng sợi kim loại Composite kim loại: kim loại titan, nhôm, đồng, cốt thường sợi kim loại sợi khoáng B, C, SiC Composite ceramic: loại vật liệu gốm, cốt sợi hạt kim loại cung hạt gốm Composite hỗn hợp: kết hợp loại vật liệu 3.3 Phân loại dựa theo đặc điểm cấu trúc cốt Hình 4: Phân loại vật liệu composite Đối với composite cốt hạt: chia thành hai nhóm nhỏ composite cốt hạt thô (được sử dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp xây dựng) composite cốt hạt mịn [3, 4] 10 trình tụ đám lỗ xốp biên giới hạt, tốc độ kiểu phát triển hạt Sự khuếch tán nguyên tử nguyên nhân gây tưọng dịch chuyển biên giới hạt Tính linh động biên giới hạt Mb, hằng số tốc độ phát triển biên giới hạt mơ tả nhờ phương trình: [7] Trong đó: n - thơng số kích thước lấy giá trị 23; d0 - kích thước hạt trung bình ban đầu dt - kích thước hạt trung bình thời điểm t A - hệ số phụ thuộc vào hình dáng hình học lượng bền mặt hạt III Nhận xét Ứng dụng CMC 1.1 Ứng dụng công nghiệp 1.1.1 Công nghiệp hàng không vũ trụ Ngành cơng nghiệp hàng khơng vu trụ địi hỏi vật thể bay có phản ứng học phận cao chúng phải di chuyển nhanh, hạn chế xuất bất cứ rung động thải khí độc hại [8] Ngồi vu trụ có nhiều thiên thạch lớn nhỏ, nên đòi hỏi cần sử dụng vật liệu siêu nhẹ để hạn chế tải trọng phi thuyền, tên lửa, vệ tinh [9] Qua nhiều tính tốn, người ta nhận thấy vật liệu có độ bền cao, trọng lượng thấp, có độ cứng đáng kể điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt CMC phù hợp [8] Hình 6: Thiết bị thải khí thử nghiệm vật liệu CMC oxide có cổng kiểm tra titan Nguồn: Destefan, J., 14/5/2013 Ceramic Matrix Composites makes ỉnroads in aerospace Để có cấu trúc nhẹ, ổn định mặt khí động học, vị trí chịu nhiều nhiều nhiệt tàu thoi mui cạnh đầu cánh, người ta sử dụng CMC cốt carbon – vật 23 liệu C/C với lớp phủ bảo vệ chống oxy hóa Để tăng thêm tính ổn định oxy hóa, C/C cứng cáp thay bằng vật liệu CMC gia cố bằng sợi carbon – vật liệu C/SiC (Hình 7) [10] Hình 7: Mũi cạnh đầu cánh mơ hình máy bay BOR làm vật liệu C/SiC chống mài mòn [10] Vật liệu C/SiC kết hợp đặc tính nhiệt học thuận lợi với mật độ thấp, vượt qua rào cản kỹ thuật nhiều lĩnh vực ứng dụng thay bằng kim loại thơng thường ceramic ngun khối Do tính ổn định nhiệt độ tuyệt vời sợi carbon gốm, vật liệu C/SiC C/C-SiC sử dụng nhiệt độ khắc nghiệt lên đến 2700oC Tuy nhiên, thời gian sử dụng bị hạn chế trình oxy hóa carbon nhiệt độ 450°C q trình oxy hóa silicat carbua 1000–1900oC, tùy điều kiện vào khí [10] Hình 8: Một số lĩnh vực ứng dụng vật liệu C/C C/C-SiC phụ thuộc điều kiện nhiệt độ thời gian [10] Bộ điều khiển khí động học tàu vu trụ thử nghiệm thường sản xuất đơn lẻ, thành phần C/SiC hệ thống đẩy đầu mui không gian (Hình - 11) lên kế hoạch sản xuất nhiều [10] Hình 9: Đầu cỏ với phần thân (bên trái) làm từ C/SiC mũi (bên phải) C/C-SiC [10] 24 Hình 10: Thử nghiệm IXV (trên bên trái) có C/SiC đầu (bên phải) C/SiC phần thân (dưới bên trái) [10] Hình 11: Vịi phun mở với C/SiC qua xử lý pha lỏng phun lửa 40 bar [10] Vòi phun mở AESTUS (Hình 12) có tổng thời gian đốt 150 giây, sản xuất với chiều dài 1360 mm đường kính tối đa 1330 mm Độ dày thành giảm từ 3,6 mm xuống 1,4 mm đường kính tối đa Tổng trọng lượng 16 kg, bằng 40% so với cấu trúc kim loại thông thường dựa siêu hợp kim Haynes 25 [10] Hình 12: Mơ hình cho vịi phun mở AESTUS (bên trái), cấu trúc SiC thử nghiệm (trên bên phải) phun lửa (dưới bên phải) [10] Trong năm gần đây, vật liệu tổng hợp ceramic nhiệt độ cực cao (UHTCMC – Ultra-High Temperature Ceramic Matrix Composites) cốt zirconium, hafnium diborid cacbua ngày phát triển nghiên cứu hàng khơng vu trụ khả nhiệt độ cao chúng, với điểm nóng chảy 3500 K, độ bền nhiệt độ cao khả chống oxy hóa nhiệt độ sử dụng 2300 K (hình 13) [11] 25 Hình 13: Vịi phun tên lửa có UHTCMC [11] 1.1.2 Năng lượng hạt nhân Việc sử dụng vật liệu CMC làm lớp phủ dựa yêu cầu phổ biến lò phản ứng nhiệt hạch phân hạch Các cấu trúc bên lò phản ứng làm từ vật liệu tổng hợp pha MAX chịu nhiệt độ cao, chịu thiệt hại học cao có khả tương thích hóa học tốt với chất làm mát natri chì nóng chảy Vật liệu CMC có đủ đặc tính cần thiết: độ bền nhiệt cao phạm vi nhiệt độ rộng; độ dẫn nhiệt cao, độ phồng thấp (kể bức xạ); điểm nóng chảy/phân hủy cao (khi mà nhiệt độ lý tưởng cần lớn 2000oC) Bức xạ tác động thấp đến đặc tính nhiệt CMC chủ yếu làm vật liệu bọc (cung cấp nhiên liệu chứa trao đổi nhiệt) làm vật liệu cấu tạo cho lò phản ứng phân hạch nhiệt hạch CMC tiếp xúc trực tiếp với dòng neutron (cường độ phụ thuộc loại lò phản ứng), làm thay đổi đáng kể chiều, nhiệt nhiệt chúng [12, 13] Một số CMC gia cố bằng sợi liên tục C/C, Cf/SiC SiCf/SiC ngành công nghiệp hạt nhân quan tâm sử dụng lò phản ứng nhiệt hạch (hình 14) Các CMC có độ ổn định nhiệt tốt (do dòng nhiệt cao) sử dụng mối nối giúp kích hoạt neutron lượng thấp (vách thứ chịu bức xạ nặng) [14] Hình 14: Lớp lót lị phản ứng nhiệt hạch [14] Các lị phản ứng nghiên cứu khơng nhằm mục đích tạo lượng, liều bức xạ tối đa mà vật liệu phải chịu mặt plasma mức thấp (≪1 dpa) Bởi C/C khơng chịu 26 bức xạ lớn vài dpa nên chúng dùng cho phận chịu lượng bức xạ thấp ống dẫn khí nóng, giá đỡ lõi phanh [10] Xây dựng lò phản ứng hạt nhân cần thời gian thẩm định dài tốn nhiều chi phí Vì thế, năm 2000, nghiên cứu lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm Tuy nhiên, 20 năm qua, nhiều ứng dụng khác phát triển cho lò phản ứng phân hạch, đặc biệt nhờ xuất sợi SiC “thế hệ thứ ba” có độ tinh khiết cao vào cuối năm 1990, vật liệu tổng hợp SiC/SiC CMC chịu lượng bức xạ đáng kể (lớn vài dpa) [10] 1.1.3 Đĩa phanh Hệ thống phanh lĩnh vực ứng dụng quan trọng vật liệu tổng hợp CMC ngành hàng khơng tơ Khi kích hoạt, phanh phản ứng với áp suất thủy lực thông qua đĩa (rôto stato), ma sát tăng lên dẫn đến nhiệt độ bề mặt cao đến 1500 oC tới 3000oC thể tích thành phần Trọng lượng máy bay tiết kiệm từ 700 đến 1100 kg vật liệu CMC sử dụng hệ thống phanh [8] Porsche 911 GT2 (hình 15) hay Mercedes CL 55 AMG F1 Limited Edition xe gắn đĩa phanh CMC cách 20 năm Các đĩa phanh đại có trọng lượng thấp 60% so với đĩa thép thơng thường có khả chịu nhiệt tốt cách hợp lý Kể từ đó, việc sản xuất loại phanh tăng lên đáng kể, chúng chủ yếu sử dụng xe đua (vì chi phí sản xuất cao) [10] Hình 15: Đĩa phanh Porche làm từ C/SiC với kẹp phanh má phanh từ nhơm [10] Bánh xe (bộ phận quay) có trọng lượng thấp mơmen qn tính thấp, tác động đến giảm xốc tăng tốc xe đua Phanh xe đua ln nóng suốt đua hệ số ma sát � phải ổn định phải có hiệu phanh cao với quãng đường phanh ngắn Với tải trọng nhiệt cao ứng suất tác động lên đĩa suốt đua, đĩa kim loại (ví dụ gang xám) bị nứt tồn sau bị vỡ q trình sử dụng Thế vật liệu composite C/C không nhạy cảm với chu kỳ nhiệt lan truyền vết nứt, nên dùng chúng an toàn [10] 27 Giảm trọng lượng giúp cải thiện vấn đề giảm xóc, bám đường chắc hơn, tiết kiệm nhiên liệu So với gang xám, đĩa phanh C/SiC tiết kiệm trọng lượng tới 50%, giảm gần kg khối lượng cho bánh xe Độ ổn định mài mòn ăn mòn tăng lên đáng kể, dẫn đến thời gian sử dụng lên đến 300 000 km xe bình thường Hơn nữa, vật liệu C/SiC gần không phụ thuộc vào nhiệt độ độ ẩm [10] Các phận trượt C/C–SiC có độ bền học cao, độ dẫn nhiệt thấp tổn thất mài mịn Một ví dụ điển hình cho ứng dụng ma sát thấp mài mịn phận trượt C/CSiC cho tàu cao tốc Transrapid chạy Thượng Hải (Hình 16).Tốc độ mài mòn 0,1 mm/km chiều dài trượt với hệ số ma sát 0,3 so với đường ray tốc độ tối đa 500 km/h [10] Hình 16: Bộ phận trượt tàu Transrapid [10] Vật liệu C/C-SiC, C/C dùng cho hệ thống phanh khẩn cấp thang máy, máy phay quay tốc độ cao cung trị chơi giải trí cảm giác mạnh Phanh khẩn cấp thang máy (hình 17) phải ngăn thang máy rơi tự trường hợp xảy cố cáp Nếu tốc độ thang vượt giá trị cài đặt trước, phận dừng khẩn cấp có kiểm sốt tự động bắt đầu Lò xo kim loại ép miếng phanh vào ray dẫn hướng Do khối lượng hạt tải điện lớn đến 45 vận tốc lớn đến 10 m/s, nhiệt độ má phanh lên đến 1200°C Nếu sử dụng miếng phanh kim loại, khó mà chống lại ma sát trượt, chúng thay bằng vật liệu C/C-SiC bền nhiệt nhẹ Các má phanh gốm cải thiện hiệu suất phanh 33%, với khối lượng giảm 65% trọng lượng giảm 35% so với hệ thống phanh thông thường Một ưu điểm khác tuổi thọ tăng lên má phanh C/C-SiC khơng gây mịn hư hỏng hệ thống lắp đặt thang máy phanh kiểm tra định kỳ [10] 28 Hình 17: Hệ thống phanh khẩn cấp thang máy tốc độ cao (trái) đĩa phanh C/C-SiC (phải) [10] 1.1.4 Turbine khí Các hợp kim Nimonic thông thường bị giới hạn nhiệt độ hoạt động tối đa khoảng 1000oC hoạt động liên tục, CMC silicon nitride silicon carbide sử dụng 1200oC chí cao [9] CMC sử dụng phận chịu nhiệt độ cao cánh tuabin, van động piston phận sạc turbo Độ giòn CMC, tức ứng suất kéo mối nối phải giữ mức tối thiểu tuyệt đối Khơng thể dùng ốc vít học bình thường nồng độ ứng suất khơng phù hợp khó tạo lỗ vật liệu CMC cứng Thế nên người ta sử dụng khớp nối co nhiệt (làm mát từ nhiệt độ cao) để tạo thành mối nối chặt chẽ Phương pháp sử dụng để sản xuất bugi ngành công nghiệp ô tơ (có chất cách điện bằng nhơm) Hoặc cung tạo mối nối bằng cách hàn ma sát Cuối nối phận chế tạo từ CMC bằng cách sử dụng chất kết dính gốm Tuy nhiên, độ bền khớp nói chung thấp [15] Vật liệu CMC dùng để thay siêu hợp kim cho phận chịu nhiệt độ cao, bao gồm lõi động tuabin khí, hệ thống vận hành nhiệt độ cao với lượng khơng khí làm mát giảm, tiết kiệm nhiên liệu vượt trội giảm lượng khí thải độc hại [10] Chế tạo phận ổ trục vòng trượt máy bơm hóa dầu bằng vật liệu C/C (Hình 18) giúp máy bơm xử lý hỏng hóc vượt trội so với phận từ gốm nguyên khối [10] 29 Hình 18: Ổ trục vịng trượt làm từ C/C-SiC cho máy bơm hóa dầu Nguồn: Pergamon, Khoa học Cơng nghệ Composites Lị chân khơng hiệu suất cao (hình 19) chế tạo hồn tồn bằng vật liệu C/C giúp chống lại hư hỏng xử lý, tác động xói mịn khí q trình dập tắt khí [10] Hình 19: Bên lị công nghiệp Nguồn: Pergamon, Khoa học Công nghê Composites Phát triển lị chân khơng thành thiết bị hàn chân khơng phận turbine (Hình 20) với hệ thống Schunk dạng lưới nặng khoảng kg Các thiết bị cố định C/C điều chỉnh cho phù hợp với khả chịu tải theo yêu cầu người sử dụng (hình 21) [10] Hình 20: Hệ thống Schunk Nguồn: Pergamon, Khoa học Công nghệ Composites 30 Hình 21: Vật cố định carbon cho tải nặng Nguồn: Pergamon, Khoa học Công nghệ Composites 1.2 Ứng dụng quân 1.2.1 Động phản lực Năm 1996, hàng loạt vật liệu CMC sản xuất, bắt đầu với việc chế tạo nắp vòi phun C/SiC cho động phản lực M88-2 - sử dụng máy bay quân Rafale (hình 22, 23) tiết kiệm trọng lượng khoảng 40% khắc phục nhược điểm điển hình mặt dây kim loại dễ nứt dão mức, giúp kéo dài tuổi thọ [10] Hình 22: Vỏ C/SiC (dưới) cho động phản lực M88-2 máy bay quân Rafale (trên) [10] Hình 23: Động thải M88-2 [10] 31 Các cánh gạt phản lực (hình 24) di chuyển đặt dòng phản lực xả cuối phần mở rộng vòi phun cung cấp lực lái cao sau cất cánh, vận tốc tên lửa thấp Các cánh gạt phản lực phải chịu tải trọng uốn cao trục cung nhiệt độ cao 2800◦C mép đầu Do độ bền cao độ dẻo dai đứt gãy nhiệt độ cao, độ ổn định sốc nhiệt khả chống mài mịn, vật liệu C/SiC thay kim loại chịu lửa vonfram, dẫn đến tiết kiệm trọng lượng khoảng 90% cho cánh quạt phản lực [10] Hình 24: Hệ thống điều khiển véc tơ lực đẩy động tên lửa đẩy (trái) động phản lực C/C-SiC (phải) [10] 1.2.2 Vật liệu chống đạn đạo: CMC cốt kim loại vật liệu làm giáp hiệu mơ đun đàn hồi cao, ngăn chặn xuyên thủng tên lửa đạn đạo bằng cách tạo tích hợp đạn Tuy nhiên, tác động đạn đạo gây thiệt hại lớn cho lớp mạ khu vực tương đối rộng lớp giáp giòn, dẫn đến khả bảo vệ bị giảm, khoảng cách xa so với tác động ban đầu Hiệu chống đạn đạo vật liệu cải thiện CMC gia cố thêm sợi [9] 1.2.3 Ứng dụng y học CMC nhôm kẽm áp dụng ứng dụng y sinh đầu bi cho thiết bị chỉnh hình, khớp ngón tay…, vật liệu phục hồi nha khoa, chẳng hạn mão giả bán phần [9] Nhờ khả chống ăn mịn, CMC thay vật liệu kim loại bao gồm thép không gỉ, titan, Co:Cr hợp kim Co:Cr:Mo:Ni sử dụng cho phận chân đỡ xương phận giả hơng Vì kim loại khơng trơ với mơi trường sinh học, nhiều trường hợp mô bị viêm nặng hoại tử báo cáo độc tính khó chịu việc cấy ghép tan dần [9] 32 Đánh giá 2.1 Ưu điểm CMC có độ cứng tuyệt vời độ ổn định học, nhiệt, kích thước hóa học tốt Chúng giữ độ bền học nhiệt độ cao, có khả chống sốc nhiệt tốt Độ giãn dài đến đứt gãy vật liệu tổng hợp gốm lên đến 1%, chúng khơng dễ bị đứt gãy vật liệu gốm truyền thống Khả chống lại lan truyền vết nứt giảm gia cường thêm sợi, so với vật liệu thơng thường, chúng khó bị hỏng đột ngột sử dụng Hơn nữa, CMC cung trơ với hóa chất mạnh, khả chống ăn mịn tốt Ngồi ra, CMC cịn có khả bảo vệ chống mài mòn, chống hư hại va đập [16] CMC hoạt động nhiệt độ cao, làm giảm yêu cầu làm mát số phận, giảm chi phí điện [16] Một tính trội khác loại vật liệu siêu nhẹ, bằng phần ba trọng lượng siêu hợp kim niken, hiệu suất nhiên liệu tốt nhiều mơi trường nhiễm [16] Vật liệu tổng hợp gốm cung có tính dị hướng (và đơi trực hướng), với đặc tính mạnh dọc theo chiều dài sợi Vì tự điều chỉnh CMC cho phù hợp với yêu cầu sử dụng [16] 2.2 Hạn chế: Độ bền nén CMC so với gốm truyền thống độ xốp vật liệu Trong trình chế tạo, xử lý liệu, chúng bị tách lớp độ bền cắt lớp tương đối thấp [16] Khả chống ăn mòn, mài mịn tải nhiệt khơng đồng đều, cần mật độ chất đáng kể, địi hỏi bề mặt phân chia chống oxy kết dính dễ dàng Bên cạnh việc phát triển vật liệu, việc mơ hình hóa thiết kế thành phần cấu trúc yêu cầu cẩn thận đặc tính chất vị trí sợi theo hướng tải Nguồn nguyên liệu thô thiết bị chế tạo vật liệu phải đủ tinh vi, chọn lọc kỹ, dẫn đến chi phí sản xuất tốn kém, cung nhược điểm vật liệu CMC [8] Mặc dù sợi cốt tăng cường khả chống sốc nhiệt gốm vật liệu CMC có xu hướng nứt vi điều kiện sốc nhiệt đột ngột ứng suất mức cường độ tổng hợp cuối vấn đề khác cung liên quan đến hệ thống vi nứt [9] Ảnh 33 hưởng mỏi động lực học quan trọng, đặc biệt nhiệt độ cao Sự xói mịn mẫu UHTCMC nhiệt độ bề mặt tăng nhanh đột ngột lên 2900 K [11] Hình 25: Ba loại vật liệu CMC thử nghiệm trước (hàng trên) sau (hàng dưới) cho tăng độ ngột nhiện độ lên cao (trên 2900oC) [11] Thực trạng hướng phát triển Vật liệu CMC có tiềm phát triển mạnh mẽ hàng không vu trụ, quân cơng nghiệp, cịn số trở ngại sử dụng quy mô lớn Trong ngành cơng nghiệp hạt nhân, ngồi hạn chế nhiệt độ hoạt động, khả chống chịu điều kiện oxy hóa oxy hóa yếu, độ bền học nhiệt độ cao, cịn có hạn chế khác tác động bức xạ ngăn chặn chất phóng xạ, làm cho việc sử dụng chúng nhà máy điện hạt nhân trở nên phức tạp [10] Vì lý kinh tế, vật liệu C/SiC thường sử dụng khơng có vật liệu thay thế, có cải tiến kỹ thuật đáng kể có lợi thị trường Do đó, vật liệu hiệu suất cao C/SiC gia cố bằng sợi liên tục chủ yếu sử dụng cho ứng dụng hàng không vu trụ chịu tải cao mặt học, vật liệu C/C-SiC chi phí thấp mở lĩnh vực ứng dụng mới, chẳng hạn đĩa phanh Năm 2006, có khoảng 50 000 - 70 000 đĩa phanh CMC sản xuất Việc ứng dụng rộng rãi loại xe tơ bình thường hạn chế cạnh tranh mạnh mẽ với đĩa phanh làm bằng kim loại Chi phí sản xuất đĩa thép 10 €/đĩa, đĩa CMC kg/đĩa có giá 500 €/đĩa Tốc độ sản xuất tăng từ vài nghìn đĩa vào năm 2002 lên khoảng 90 000 đĩa năm khoảng 240 năm vào năm 2011 Trong trình sản xuất phận quan trọng an toàn này, người ta ghi lại khoảng 600 liệu từ trình xử lý kiểm tra chất lượng cho đĩa phanh, từ xây dựng tiêu chuẩn đảm bảo chất lượng theo VDA 6.1 ISO 9001:2000 [10] Có nhiều chương trình nghiên cứu thiết kế CMC cho ứng dụng Những nghiên cứu dài hạn cần nhiều phương tiện người tài Bởi nên nhà sản xuất thường dự việc tài trợ, hầu hết nghiên cứu hỗ trợ tổ chức nhà nước [10] 34 Để sản xuất C/SiC quy mơ trung bình, số quy trình cải tiến tồn dây chuyền sản xuất Ví dụ, giảm đáng kể thời gian chu kỳ bước nhiệt độ cao, nhiệt phân silic hóa bằng cách đưa vào quy trình liên tục, thay quy trình hàng loạt không liên tục, tốn thời gian Sử dụng kết hợp công nghệ mới, tốc độ gia nhiệt nhanh kiểm sốt được, đồng thời cung có khả giảm thời gian chu kỳ Song song phải nghiên cứu chiến lược hiệu chi phí gia cơng vật liệu CMC để đưa vật liệu vào nhiều lĩnh vực ứng dụng khác mở rộng ứng dụng cho thị trường đại chúng [10] Các nhà sản xuất có nỗ lực lớn việc giảm dần chi phí Giá thực tế phanh Concorde khoảng 3500 $/kg giá giảm 440 - 2900 $/kg năm 1996 Sản lượng phanh phương Tây ước tính 2000 C/C 500 C/SiC năm Đối với đĩa phanh máy bay, thị trường vật liệu dường giai đoạn bình ngun mong đợi tiến triển xa Vật liệu C/SiC giai đoạn đầu thâm nhập thị trường phát triển thành công cho ứng dụng ma sát khác nhau, ví dụ đĩa phanh độ ổn định cao điều kiện động tĩnh cho thang máy [10] 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] AquaLife, Vật liệu composite gì? Thành phần cấu tạo ứng dụng nó? Truy cập từ : https://aqualife.vn/vat-lieu-composite-la-gi-thanh-phan-cau-tao-va-ung-dung-cua-no/ [2] Mien.Tva, Lịch sử hình thành chất liệu composite Truy cập từ: https://bancongxanh.com/lich-su-hinh-thanh-chat-lie%CC%A3u-composite/ [3] Achilles Project, Vật Liệu Composite Là Gì? Đặc Điểm Và Phân Loại Truy cập từ : https://achilles-project.com/vat-lieu-composite-la-gi/ [4] Vật Liệu Composite Là Gì? Ưu, Nhược Điểm Cấu Tạo Và Phân Loại, Ứng Dụng Truy cập từ: https://biogascomposite.com.vn/vat-lieu-composite-la-gi-uu-nhuoc-diem-cau-tao-vaphan-loai-ung-dung/ [5] Walter Krenkel, Florian Reichert, Design Objectives and Design Philosophies, Interphases and Interfaces in Fiber-Reinforced CMCs Comprehensive Composite Materials II, 2018, 5: p.1 -18 [6] Công Lý, 2016, Tài liệu Composite Truy cập từ: https://issuu.com/congly320/docs/tai_lieu_composite?fbclid=IwAR2OUV58PiwG0ENkcodKjD1MFdW17wDnKPTII-4HYDxymvLXaMEWmcc7wo [7] Trương Lê Duy, 2016, Phân loại ứng dụng vật liệu composite Truy cập từ: https://www.slideshare.net/leduytruong9/composite-phn-loi-v-ng-dng? fbclid=IwAR1AEWNlbTsa6nDimWbFGRf58WmPuGeLfunFb0CsI0Ae3cwuLwWnvQTuoE [8] F.J Lino Alves, A.M Baptista, A.T Marques, Metal and ceramic matrix composites in aerospace engineering Advanced Composite Materials for Aerospace Engineering, 2016, 3: p.59-99 [9] I W Donald, P W McMillan, Review Ceramic-matrix composites Journal of Materials Science, 1976, 11: p.949–972 [10] N P Bansal, Lamon, J., CERAMIC MATRIX COMPOSITES 2015, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc Publishing [11] Stefano, M., G D DiMartinoa, Raffaele, S., Luca, Z., Laura S., Diletta, S., Characterization of novel ceramic composites for rocket nozzles in high-temperature harsh environments International Journal of Heat and Mass Transfer, 2020, 163: p.120-492 36 [12] Cédric, S., Ceramic Matrix Composites: Nuclear Applications, Ceramic Matrix Composites: Materials, Modeling and Technology, 2014, 22: p:609-646 [13] I.M Low, 2018, Advances in Ceramic Matrix Composites, UK: Woodhead Publishing [14] A.G Razzell, Joining and Machining of Ceramic Matrix Composites Reference Module in Materials Science and Materials Engineering, 2000, 4: p.689-697 [15] F.L Matthews , Y.E Khalfalla , K.Y Benyounes, Composites, Joining of Reference Module in Materials Science and Materials Engineering, 2016, Elsevier Inc [16] Furnace Co, Inc, What Are Ceramic Matrix Composites? Truy cập từ: https://llfurnace.com/blog/what-are-ceramic-matrix-composites/ 37 ... BẢNG I .Tổng quan vật liệu composite Khái niệm: Vật liệu composite hay cịn có tên gọi khác composite, vật việu compozit, vật liệu tổng hợp Đây loại nguyên vật liệu tổng hợp từ hay nhiều vật liệu. .. thành loại vật liệu Vật liệu tạo thành mang tính chất cơng dụng vượt trội hẳn so với vật liệu thành phần riêng rẽ [1] Hình 1: Vật liệu composite Quá trình hình thành phát triển vật liệu composite. .. ngót 2.3 Cơ tính vật liệu composite phụ thuộc vào đặc tính sau Các vật liệu thành phần có tính tốt composite cung có tính tốt tốt tính chất vật liệu thành phần [5] Luật phân bố hình học vật liệu