nghiên cứu về composite

Composite 1) What is composite? Composite cấu tạo nên từ hay nhiều vật liệu có đặc tính khác nhau, cấu trúc khác nhau, tính khác VD: Bê tông cốt thép Được cấu tạo nên từ vật liệu bao gồm thép hợp kim, cát, xi măng Các composite thể cách có vật liệu bổ trợ cho Vật liệu A: Bảo đảm cấu trúc vật liệu thường cấu trúc sống composite Ở dạng dạng sợi Vật liệu B: Ở dạng ma trận (matrix)  Các vl composite khơng hịa tan nhau, nhận biết dễ dàng Như ví dụ trên, Vật liệu A: Là thép làm cấu trúc sườn sống vl Vật liệu B: Là hỗn hợp xi măng cát có nhiệm vụ tăng cường gia cố ma trận  vật liệu khơng hịa tan lẫn Nhưng bổ trợ cho với đặc tính khác Như thép cấu trúc kiên cố giữ vững tịa nha Xi măng cát có nhiệm vụ chống oxi hóa thép theo thời gian Và gia cố vững cho tòa nhà 2) Types of composite - Vật liệu Composite tự nhiên tồn động vật thực vật VD: Gỗ bao gồm kết hợp xenlulozo lighin Xenlulozo - lignin Vật liệu Composite nhân tạo người tạo VD: Sợi thủy tinh, sợi cacbon làm vật liệu cấu trúc cho composite đại ngày vỏ thuyền vỏ oto Hiện sợi cacbon sử dụng rộng rãi so với sợi thủy tinh nhẹ so với sợi thủy tinh Nhược điểm lại đắt để sản xuất Thủy tinh sử dụng làm vật liệu ngành hàng không năm 1950 chiếm 2% cấu trúc boeing 707 Hiện boeing 787 Dreamliner máy bay thương mại mà cấu trúc làm composite tổng hợp Các loại vật liệu composite: Composte dạng sợi: Tổng hợp sợi gia cố theo đường chiều dài chúng Có thể chiều, chiều 3, chiêu Ví dụ: Composite dạng hạt: Là compostise đẳng hướng chúng tăng cường vật liệu hướng VD: Composite dạng gốm kim loại Vật liệu bao gồm gốm kim loại Gốm KL dựa oxit: Cacbon titan, Cacbon vonfarm Composite dạng tấm: Compostie dạng vảy Là dạng composit có hình dạng vảy nhỏ, mỏng thường gia công chiều Các vảy thơng thường có vật liệu cấu tạo mica( tạo nên từ silicat sáng bóng ) glass 3) Why need to create composite - Độ bền tốt vật liệu khác Nhẹ Tỷ lệ sức mạnh trọng lượng độ cứng so với trọng lượng lớn so với vật liệu thông thường Gia cố phận hay sản xuất hình dạng thơ ban đầu Đặc tính mỏi tốt ( Chịu chu kì ứng suất kéo, nén tốt Vật liệu thông thường & tổng hợp bình thuồng) Cải thiện đặc tính mà thép, nhơm khơng đạt (Khơng bị ăn mịn,khơng tĩnh điện) 4) Components of composite material - Cốt (thép,cacbon,thủy tin) (Ma trận -Matrix) Vai trị nền: Thơng thường chia thành nhóm: polyme, kim loại, gốm hỗn hợp - Giữ sợi lại với Bảo vệ khỏi tác động môi trường Phân bổ đồng tải trọng để sợi chịu tải trọng biến dạng Chống va đập cải thiện đứt gãy thành phần Các Composite cốt sợi, dẻo có tác dụng truyền phân bố tải trọng sang cốt Vì độ nhạy cảm với tải cục tập trung ứng suất vùng Composite giảm xuống, xuất cố vài sợi cốt bị đứt Dó hệ số an tồn sử dụng vật liệu Composite cao so với vật liệu truyền thống nhiều Vai trị cốt: Cải thiện tính chất bền kéo, độ cứng, chống va đập Ví dụ: Các loại Composite kết cấu cốt thướng vật liệu bền nhiệt độ thướng nhiệt độ cao, có modun đàn hồi lớn khối lượng riêng nhỏ Cốt vật liệu khác KL ( thép ko gỉ, volfram, molipden, ), chất vô (bo, cacbon, thủy tinh, gốm, ), chất vô ( polyamit, ) 5) Tương tác cốt Nền cốt kết hợp qua liên kết vúng ranh giới pha Thông thường cốt khơng hịa tan lẫn Tuy nhiên phụ thuộc vào quy trình cơng nghệ chế tạo, hệ thống trải qua trạng thái nhiệt độ, áp suất thuận lợi mặt nhiệt động học cho tương tác khác cốt xảy Các dạng tương tác - Nền cốt khơng hịa tan lẫn khơng tạo thành hợp chất hóa học: Các Composite Al-B, Al-SiC, -Nền cốt tương tác tạo dung dịch rắn với độ hòa tan nhỏ cà khơng tạo hợp chất hóa học (phần lớn Composite KL có cốt kim loai khác thuộc loại này): Nb-W,Ni-W, - Nề cốt tạo phản ứng hóa học: composite Al-SiO2, Ti-Al2O3, Ti-SiC Độ bền Composite chịu ảnh hướng mạnh vào độ bền liên kết cốt Các kiểu liên kết - Lk học: liên kết thông qua độ mấp mô bề mặt ma sát Composite dạng thướng bền chịu lực nén dọc kéo ngang sợi cốt - Lk nhờ thấm ướt: thực nhờ lượng sức căng bề mặt Các composite tạo kiểu liên kết học, chế tạo, pha nung chảy dính ướt với cốt xảy q trình khuếch tán hòa tan lẫn Sức căng bề mặt ranh giới nề cốt sau pha đông đặc định độ bền kiểu liên kết -Lk phản ứng: xảy xuất pưhh ranh giới cốt tạo thành hợp chất dạng keo dính chặt cốt với - Lk phản ứng phân đoạn: pưhh tổng thể xảy theo nhiều giai đoạn, có giai đoạn khống chế tốc độ tạo liên kết - Lk oxit: dạng liên kết phản ứng, đặc trưng cho Composite kim loại cốt oxit Sản phẩm pư dạng oxit -Lk hỗn hợp: hỗn hợp kiểu liên kết, có composite mà tương tác cốt phụ thuộc mạnh vào q trình cơng nghệ điều kiện sử dụng Những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất vật liệu - Loại Phân bố Kích thước Định hướng Hình dạng Sự xếp cốt (thép) ảnh hưởng đến tính chất tính dị hướng vật liệu Sợi cacbon Đc cấu tạo từ >90% cacbon Trong ngành hàng không người ta điều chế gần 99% cacbon có sợi Sợi cacbon có đường kính ống từ 5-10 um VD: Sợi tóc theo nghiên cứu nhà khoa học có đường kính 50-120um Nhưng sợi cacbon 5-10um nhỏ từ 10->12 lần sợi tóc Sợi cacbon bền tạo thành bó Và điều gây nên chắn cacbon nhờ đến cấu trúc nguyên tử nguyên tố cacbon Nhờ vào hình thành liên kết cacbon nguyên tử khác -> cấu trúc phức tạp rộng lớn tồn ngành hóa học phải đào sâu để ứng dụng Có nhiều tồn nhiều liên kết thông qua obitan Liên kết hợp chất cacbon tạo thành thứ Liên kết thường thấy kim cương chất béo Gồm chuỗi nguyên tử cacbon polyolefine cấu trúc ba chiều cứng đẳng hướng Hỗn hợp liên kết thường thấy than chì có cấu trúc nhiều lớp có tính dị hướng cao  Sự xếp cấu trúc nguyên tử cacbon ảnh hưởng đến đặc tính vật liệu Ví dụ: Trong cấu trúc kim cương cấu trúc than chì Cấu trúc kim cương xếp theo không gian chiều nên mang lại độ cứng cho cấu trúc Liên kết điện tử mạng tinh thể kim cương cố định nguyên tử cho độ dẫn điện thấp, cách điện Kim cương dạng hình thù ổn định áp suất cao ( >600GPA) Cấu trúc than chì xếp theo mạng lưới lục giác không gian chiều mạng lưới lỏng lẻo giống với sợi cacbon nên cấu trúc than chí khơng mang lại độ cứng cho than chì Các đặc tính than chì dị hướng đến từ cấu trúc tinh thể Khác với cấu trúc tinh thể Sợi cacbon có cấu trúc tương tư than chì khác cấu trúc sợi cacbon đan xen vào với than chì song song -> khiến cho lực liên kết chúng mạnh Và với cấu tạo dạng ống tóc người khiến cho chúng chắn tạo thành bó tăng liên kết cấu trúc -> Đây điều mà kĩ sư nhà khoa học áp dụng vào phần cốt vật liệu composite máy bay -> Cấu trúc vật liệu Trong cấu trúc sợi cacbon cấu trúc có trật tự khơng có trật tự ngto khác có sợi Như ta nói sợi cacbon có tỉ lệ cacbon cao liên kết mạnh điều dựa cấu trúc vật liệu Một khía cạnh quan trọng định chất đặc tính vật liệu composite giao diện thành phần Độ bền composite thường bị chi phối lực kết dính hóa học, vật lý kết hợp hai Phần lớn cacbon than chì kỹ thuật công nghiệp thuộc loại vật liệu tổng hợp chứa đầy hạt Graphiti khơng hóa Graphiti hóa phần Graphiti hóa tồn phần Graphit dạng hình thù cacbon bao gồm lớp nguyên tử cacbon xếp hình lục giác hệ thống vịng đặc phẳng Graphit hóa biến đổi trạng thái rắn cacbon graphit bền vững t hành cấu trúc graphit = cách hoạt hóa nhiệt "Graphiti hóa lại q trình diễn thẳng bầu khơng khí trơ sức căng Có tiến hóa khí, thay đổi cấu trúc vật lý sợi Vi tinh thể phát triển kích thước hướng ưu tiên mặt phẳng bazơ cacbon cải thiện Sợi coi chuyển đổi theo cấu trúc graphit Việc kéo dài sợi cách áp dụng lực căng phù hợp chứng minh giúp chuyển đổi cải thiện liên kết mơ đun Cần phải cẩn thận Tuy nhiên, thực để tránh đứt sợi vò kỹ Có cách chế tạo sợi cacbon: rayon,pan, Cách chế tạo sợi cacbon dựa rayon Hình thái sợi carbon ex-rayon có bề mặt sần sùi, giống que cần tây mà có nguồn gốc từ tiền chất ban đầu (Hình 2.3) Sự kết hợp đặc tính học kém, suất carbon thấp chi phí graphit hóa có nghĩa sợi carbon ex-rayon nói chung khơng chứng tỏ tính cạnh tranh thị trường, chúng sử dụng rộng rãi khoa học mài mòn Điều khả dẫn nhiệt theo chiều dày vật liệu tổng hợp chúng mang lại độ bền cắt lớp cao Bảng 2.3 liệt kê đặc tính điển hình sợi carbon dựa rayon Composite cacbob cacbon Carbon graphite vật liệu hấp dẫn để sử dụng nhiệt độ cao mơi trường trơ mơi trường mài mịn Việc sử dụng vật liệu tổng hợp cacbon hạt nguyên khối bị hạn chế nhiều đặc tính học giịn, độ nhạy khuyết tật, tính chất thay đổi, tính dị hướng khó chế tạo liên quan đến thành phần cấu trúc lớn phức tạp Vật liệu tổng hợp ma trận carbon gia cố sợi carbon bao gồm sợi carbon nhúng carbon Mục đích vật liệu kết hợp ưu điểm vật liệu tổng hợp gia cố sợi cường độ riêng cao, độ cứng độ dẻo dai mặt phẳng với đặc tính chịu lửa gốm kết cấu Việc trì đặc tính ical học nhiệt độ cao, vượt trội so với vật liệu khác dẫn đến việc khai thác vật liệu tổng hợp carbon-carbon làm vật liệu cấu trúc chắn nhiệt xe khơng gian, vịi phun tên lửa phanh máy bay ... mại mà cấu trúc làm composite tổng hợp Các loại vật liệu composite: Composte dạng sợi: Tổng hợp sợi gia cố theo đường chiều dài chúng Có thể chiều, chiều 3, chiêu Ví dụ: Composite dạng hạt: Là... ứng hóa học: composite Al-SiO2, Ti-Al2O3, Ti-SiC Độ bền Composite chịu ảnh hướng mạnh vào độ bền liên kết cốt Các kiểu liên kết - Lk học: liên kết thông qua độ mấp mô bề mặt ma sát Composite dạng... đập cải thiện đứt gãy thành phần Các Composite cốt sợi, dẻo có tác dụng truyền phân bố tải trọng sang cốt Vì độ nhạy cảm với tải cục tập trung ứng suất vùng Composite giảm xuống, xuất cố vài sợi