CHƯƠNG 9 VẬT LIỆU COMPOSIT 321 9 1 Khái niệm và phân loại 321 9 2 Cốt 323 9 3 Nền 323 9 4 Các loại vật liệu composit thông dụng 324 CHƯƠNG 9 VẬT LIỆU COMPOSIT 9 1 Khái niệm và phân loại 9 1 1 Khái niệ.
CHƯƠNG VẬT LIỆU COMPOSIT 9.1 Khái niệm phân loại 9.2 Cốt 9.3 Nền 9.4 Các loại vật liệu composit thông dụng: CHƯƠNG VẬT LIỆU COMPOSIT 9.1 Khái niệm phân loại 9.1.1 Khái niệm: Vật liêu composit loại vật liệu gồm hai hay nhiều loại vật liệu khác kết hợp lại, ưu điểm loại kết hợp với tạo nên chất lượng hoàn toàn mà đứng riêng lẻ không loại vật liệu thành phần đáp ứng 9.1.2 Đặc điểm phân loại : * Đặc điểm: - Là vật liệu nhiều pha: pha rắn khác chất, khơng hịa tan lẫn phân cách với ranh giới pha Phổ biến loại composit hai pha.Pha liên tục toàn khối gọi Pha phân bố gián đoạn bao bọc gọi cốt +Trong vật liệu composit tỷ lệ, hình dáng, kích thước, phân bố cốt tuân theo quy luật thiết kế + Tính chất pha thành phần kết hợp lại để tạo nên tính chất chung composit Ta lựa chọn tính chất tốt để phát huy thêm * Phân loại: - Phân loại theo chất nền: + Composit chất dẻo (composit polymerit) + Composit kim loại (composit metallit) + Composit gốm (Composit ceramic ) + Composit hỗn hợp hai hay nhiều pha - Phân loại theo hình học cốt đặc điểm cấu trúc: 9.1.3 Tính chất vật liệu Coposit: a Cơ tính riêng: Ta khảo sát chịu kéo dọc, đung tâm Quan hệ lực P biến dạng ∆l biểu diễn sau: P= EF ∆l l 9.1 Trong : E – mô đun đàn hồi vật liệu F – Tiết diện ngang L – chiều dài ∆l – độ giãn dài tuyệt đối Độ cứng kéo (nén) EF/l đặc trưng cho tính chất học miền đàn hồi Ta xét hai loại vật liệu khác nhau, ký hiệu 2, tỷ lệ độ cứng là: K E1 F1 l = K E F2 l1 (9.2) Tỷ lệ khối lượng hai biểu diễn sau : m1 F1l1 ρ1 = m2 F2 l ρ (9.3) Từ biểu thức 9.2 9.3 ta suy : E1 K1 ρ1 m1 = K E ρ m2 (9.4) Trong lĩnh vực công nghiệp :hàng không, vũ trụ, thể thao, xây dựng… ta cần so sánh tính học kết cấu có khối lượng : m1 = m2, ta có : E1 K1 ρ1 = K E2 ρ (9.5) Từ 9.5 ta thấy vật liệu coi tốt có giá trị E/ρ gọ mô đun riêng vật liệu Tương tự gọi σ b ứng suất phá hủy vật liệu đại lượng σb/ ρ gọi ứng suất riêng (hay độ bền riêng) Ta sử dụng trực tiếp sợi cốt đường kính chúng q nhỏ (10 ÷20µm) cần phải trộn sợi với nhựa polyme (nền) để vật liệu composit cốt sợi Nền có chức liên kết, bảo vệ truyền lực cho sợi Vấn đề quan trọng phải tìm vật liệu vừa có mơ đun cao, khối lượng riêng nhỏ giá thành hợp lý 2 9.2 Cốt - Trong tồn khối composit cốt phân bố khơng liên tục đa dạng, phụ thuộc vào loại composit cần chế tạo - Với loại composit kết cấu: Cốt kim loại bền nhiệt độ thường nhiệt độ cao, có mơ đun đàn hồi lớn, khối lượng riêng nhỏ Bảng 9.1 Cơ tính riêng số vật liệu thông dụng - Các loại vật liệu cốt: Kim loại ( thép không gỉ, W, B, Mo ), chất vô (cacbon, thủy tinh, gốm) - Hình dạng, kích thước, hàm lượng phân bố cốt ảnh hưởng mạnh đến tính chất composit 9.3 Nền Nền có vai trị sau đây: - Liên kết toàn phần tử cốt thành khối composit thống - Tạo khả để tiến hành phương pháp gia công vật liệu composit thành chi tiết thiết kế - Che phủ, bảo vệ cốt tránh hư hỏng tác dụng môi trường Vật liệu gồm có : polyme, kim loại, gốm hỗn hợp 3 9.4 Các loại vật liệu composit thông dụng: 9.4.1 Composit hạt Cấu tạo gồm phần tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố Các phần tử cốt pha cứng bền nền: o xyt, nitrit, cac bit Đôi hạt mềm grafit, mica thuộc loại chống ma sát Có hạt thơ hạt mịn, hạt mịn nằm phân tán có tác dụng cản trượt hóa bền 9.4.1.1 Composit hạt thơ: Copozit hạt thơ đa dạng sử dụng phổ biến lĩnh vực công nghiệp, xây dựng Đặc điểm Compozit hạt thô Hạt thô dùng để tương tác cốt không xảy mức độ nguyên tử, phân tử, hóa bền có nhờ cản trở biến dạng vùng lân cận với cốt Compozit hạt thô thông dụng Copozit hạt thô polyme Hạt cốt thạch anh, thủy tinh, ô xyt nhôm sử dụng phổ biến đời sống làm cửa, tường ngăn, trần nhà Hình 9.3.Sơ đồ phân bố cốt sợi a.Một chiều song song b Ngẫu nhiên, rối mặt c Dệt hai chiều vng góc mặt d Đan quấn chiều vng góc - Composit hạt thơ kim loại: hạt cốt phần tử cứng: WC, TiC, TaC Co dùng làm dụng cụ cắt gọt, khn kéo, khn dập Ngồi cịn có 4 hợp kim giả W – Cu, W – Ag, Mo – Cu, Mo – Ag sử dung kỹ thuật điện - Composit hạt thô gốm: điển hình bê tơng, cốt tập hợp hạt rắn đá sỏi liên kết xi măng Bê tông (nền xi măng) dùng để rải đường, làm cầu, cống 9.4.1.2.Composit hạt mịn: Các phần tử cốt có kích thước nhỏ e < 0.1µm cứng ổn định nhiệt cao ( bền nóng ), phân bố kim loại hay hợp kim sử dụng lĩnh vực nhiệt độ cao a Đặc điểm: - Nền thường kim loại hợp kim, cốt có kích thước e< 0.1µm, Compozit có độ bền, độ cứng có tính ổn định nhiệt cao oxit, bit, borit, nitrit - Tương tác – Cốt xảy mức độ vi mô ứng với kích thước nguyên tử, phân tử - Cơ chế hóa bền: Cốt nhỏ mịn phân tán kìm hãm lệch, làm tăng độ bền độ cứng vật liệu b.Các Compozit hạt mịn - Compozit hạt mịn với cốt Al 2O3 = ÷ 20% nhơm, chịu nhiệt khoảng 300 ÷5000C - Compozit hạt mịn có Niken (Ni), cốt phần tử ô xyt tô ri ThO ∼ 2% song dạng nhỏ mịn, nằm phân tán ổn định nhiệt, làm việc lâu dài nhiệt độ 1000 ÷ 11000C, khơng bị ăn mịn tinh giới thép khơng gỉ nên vật liệu quý hàng không, vũ trụ, chế tạo tuabin, ống dẫn , bình áp lực làm việc nhiệt độ cao tác dụng môi trường ăn mòn 9.4.2 Composit sợi: Compozit cốt sợi loại compozit kết cấu quan trọng có độ bền riêng mô đun đàn hồi riêng cao Nền cốt sợi vật liệu nhẹ Tính chất compozit cốt sợi phụ thuộc vào chất vật liệu cốt nền, độ bền liên kết ranh giới pha, phân bố định hướng sợi 9.4.2.1.Ảnh hưởng yếu tố hình học sợi a Sự phân bố định hướng sợi - Sợi phân bố song song với theo phương (hình 9.3a) phân bố có độ bền theo phương dọc - Sợi đan vng góc với (hình 9.3b) phân bố theo trục sợi độ bền cao cả- kiểu dệt - Sợi phân bố nhiều phương (rối-hình 9.3c), compozit đẳng hướng theo tất phương mặt - Sợi phân bố phương vng góc với hình (9.3d) compozit có tính đẳng hướng b Ảnh hưởng chiều dài sợi Điều quan trọng kết cấu cốt sợi phải tập trung tải trọng vào sợi pha có độ bền cao Có loại cốt sợi: cốt sợi ngắn cốt sợi dài 5 Đối với loại cốt sợi ngắn: lực tác dụng gây biến dạng nơi liếp xúc sợi nền, phần bị chảy (hình 9.4) Cốt sợi dài: Khi LS ≥ LC làm tăng cách có hiệu độ bền độ cứng vững compozit Chiều dài tới hạn l C phụ thuộc đường kính d sợi, giới hạn bền (σb)S sợi lực liên kết sợi (hay giới hạn chảy cắt τm) theo biểu thức LC = (σ b ) S τm d Đặt S= (σ b ) S τm Thì LC = S d Người ta quy ước: - Khi L ≥ 15LC compozit loại cốt liên tục hay cốt sợi dài - Khi L < 15Lc compozit loại cốt sợi ngắn hay không liên tục - Khi L < Lc sợi không đủ dài để lực bám không gây biến dạng bao quanh sợi, khơng đủ truyền tải coi compozit hạt Trên hình 9.5 trình bày sơ đồ cấu trúc loại compozit cốt sợi loại cốt sợi liên tục thẳng hàng (thường gọi ngắn gọn liên tục ) hình a loại quan trọng khảo sát Hình 9.4 Sơ đồ liên kết cốt Hình 9.5 Sơ đồ phân bố sợi a Sợi liên tục song song b Sợi gián đoạn thẳng hàng Sợi hỗn độn c 9.4.2.2 Các Compozit cốt sợi Đây loại vật liệu kết cấu quan trọng nhất, nghiên cứu sử dụng phổ biến Cấu tạo gồm cốt dạng sợi phân bố theo quy luật thiết kế Gồm loại sau - Composit sợi thủy tinh polymer : loại vật liệu thông dụng nhất, cốt sợi thủy tinh polyeste dùng bakelit Loại vừa bền, vừa nhẹ, chống ăn mòn tốt, chống va đập tốt,cách điện tốt, công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành hạ Công dụng làm mui xe hơi, cửa, thùng xe lạnh, sitec, mũi máy bay, vỏ bảo vệ buồng lái tàu vũ trụ, chế tạo vỏ xuồng ca nô tốc độ cao, áp tường máy bay, toa xe, phòng tắm, phòng vệ sinh, bể bơi, vỏ thân xe hơi, tàu biển ống dẫn, container chứa hàng Đặc biệt công nghiệp ô tơ, có sức cạnh tranh nhờ giảm khối lượng tiêu hao nhiên liệu làm việc - Composit sợi cac bon sợi Bo: Cốt sợi cac bon hay sợi bon thủy tinh Nền epoxy phenon, polyeste hay bon, Polymer, vật liệu compozit có độ bền cao ÷ lần so với thủy tinh, vật liệu nhẹ, có độ bền cao, chịu nhiệt độ, ăn mịn cao, đàn hồi chống rung tốt, chịu mỏi cao, phù hợp để chế tạo chi tiết máy cần có tính tổng hợp cao nhẹ Cơng dụng làm thân máy bay quân sự, phần lái cánh tàu bay, thùng xe hơi, công nghiệp tàu thủy, vật liệu cách nhiệt động cơ, đĩa ma sat, cánh quạt máy bay lên thẳng, cánh quạt máy nén khí, dụng cụ thể thao Loại compozit có sức cạnh tranh sản xuất máy bay giảm nhẹ khối lượng nên nhiên liệu tiêu hao (giảm 20 ÷ 30%) so với dùng kim loại Chú ý : Dùng sợi Bo đắt sợi Cacbon nên dùng - Composit sợi hữu cơ: Cốt sợi polyme polyme công dụng dùng làm vât liệu cách nhiệt, cách điện, kết cấu ô tô, máy bay - Compozit kim loại cốt sợi: loại phổ biến có triển vọng nhơm sợi Bo có phủ Cacbit Silic có khả làm việc nhiệt độ cao nhiều so với Polyme mà trọng lượng riêng nhỏ nên có độ bền riêng tốt ... sánh tính học kết cấu có khối lượng : m1 = m2, ta có : E1 K1 ρ1 = K E2 ρ (9.5) Từ 9.5 ta thấy vật liệu coi tốt có giá trị E/ρ gọ mơ đun riêng vật liệu Tương tự gọi σ b ứng suất phá hủy vật liệu đại... trường Vật liệu gồm có : polyme, kim loại, gốm hỗn hợp 3 9.4 Các loại vật liệu composit thông dụng: 9.4.1 Composit hạt Cấu tạo gồm phần tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố Các phần tử cốt pha cứng... E – mơ đun đàn hồi vật liệu F – Tiết diện ngang L – chiều dài ∆l – độ giãn dài tuyệt đối Độ cứng kéo (nén) EF/l đặc trưng cho tính chất học miền đàn hồi Ta xét hai loại vật liệu khác nhau, ký