Tính chất và khả năng liên kết tạo vật liệu composit của thuỷ tinh

Mục Lục Mở Đầu PhÇn I: Tỉng quan vỊ vËt liƯu composit I-Kh¸i NiƯm II- Lịch sử phát triển III-Xu híng ph¸t triĨn IV- Đặc điểm phân loại V-Vật liệu thành phần composit VI-Cấu tróc vµ tÝnh chÊt cđa vËt liƯu composit 12 1-CÊu tróc 12 2-Mét sè yÕu tè ¶nh hëng đến tính chất composit 14 VII-Các phơng pháp chế tạo vật liệu composit 22 PhầnII-Nghiên cứu thực nghiệm kết .26 I-Nhiệm vụ nghiên cøu 26 II-Nghiªn cứu thực nghiệm kết 27 II.1-Phơng pháp nghiên cứu 27 II.2-Nghiên cứu trình nấu thuỷ tinh 30 II.3- Đo đạc tính chất thuỷ tinh 33 II.4- Nghiªn cứu khả tạo vật liệu composit thuỷ tinh 39 III.4.1- Sơ đồ tổng hợp vật liệu composit 39 II.4.2 Nghiên cứu khả tạo vật liệu composit thuỷ tinh sợi Cr-Ni.43 II.4.3 Nghiên cứu khả tạo vật liệu composit thuỷ tinh sợi Inox 46 II.4.4 -Nghiên cứu khả tạo vật liệu composit thuỷ tinh sợi SiC .48 II.4.5- Nghiên cứu khả tạo vật liệu composit thuỷ tinh gốm thuỷ tinh bền cao 49 II.4.6- Nghiên cứu khả tạo vËt liƯu composit cđa thủ tinh vµ gèm corun .50 PhÇn III- KÕt luËn 51 Tài Liệu Tham Khảo 52 Mở đầu Vật liệu lĩnh vực quan trọng đời sống sản xuất công nghiệp Mỗi loại vật liệu có u ,nhợc điểm riêng (ví dụ:vật liệu hữu :nhẹ , bền, rẻ, dễ gia công nhng không sử dụng đợc nhiệt độ cao; vật liệu vô cơ: chịu lực tốt, rẻ, sử dụng đợc đợc khoảng nhiệt độ rộng nhng bền, kết cấu nặng nề , khó gia công) Sự phát triên mạnh mẽ công nghệ đại dẫn tới nhu cầu to lớn vật liệu đồng thời có nhiều tính chất cần thiết mà vật liệu truyến thông đứng riêng rẽ có đợc.Vật liệu kết hợp hay composit đời vừa đáp ứng nhu cầu cấp bách đó, vừa sản phẩm công trình nghiên cứu nửa sau kỷ XX nhằm khai thác, phát triển quy luật kết hợp quy luật phổ biến tự nhiên Ngày nay, vật liệu composit đà thay dần vật liệu truyền thống nh: vật liệu vô cơ,hữu cơ, kim loạiđể chế tạo chi tiết máy kết cấu kể kết cấu chịu tải trọng lớn nh sản phẩm dân dụng khác, có lĩnh vực y tế lĩnh vực mẻ - vật liệu composit y sinh VËt iƯu composit y sinh lµ mét loại vật liệu có khẳ dung nạp tốt thể ngời mà có khẳ tạo mối liên kết trực tiếp kiểu sinh hóa tế bào xơng thể sống Vì loại vật liệu lý tởng để sữa chữa , thay phận xơng thể ngời phẫu thuật chỉnh hình Luận văn có nhiệm vụ nghiên cứu tổng hợp vật liệu , khảo sát tính chất khả liên kÕt t¹o vËt liƯu composit cđa thủ tinh cã tÝnh chÊt sinh häc tèt víi mét sè vËt liƯu kh¸c nhau.các loại cốt khác Phần I : Tổng Quan VỊ VËt LiƯu Composit I Kh¸i NiƯm VËt liƯu composit (composit ) vật liệu tổ hợp từ hai (hoặc nhiều) vật liệu có chất khác Vật liệu tạo thành có đặc tính trội đặc tính vật liệu thành phần đứng riêng rẽ.[1] II Lịch sử phát triển Vật liệu composit đà xuất cách hàng nghìn năm 5000 năm trớc công nguyên ngời cổ đại đà thêm đá nghiền nhỏ vật liệu nguồn gốc hữu vào đất sét để giảm độ co , cứt nung gạch đồ gốm Ai cập khoảng 3000 năm TCN ngời ta đà làm vỏ thuyền lau sËy ®an tÈm bitum, nÕu bá qua mét sè khái niệm kỹ thuật giống nh kỹ thuật làm tàu đại từ chất dẻo cốt thuỷ tinh hiƯn ë ViƯt Nam , thun tre ®an trát sơn trộn mùn ca ví dụ vật liệu composit [2] Năm 1851, Nelson Goodyear đà dùng oxyt kẽm làm chất độn cho elonit Năm 1920 , Bakeland đă dùng bột gỗ độn vào nhựa bakelit John đà sử dụng xenlulo làm chất độn cho loại nhựa [8] Mặc dù đợc hình thành từ sím , nhng viƯc chÕ t¹o vËt liƯu composit míi thực đợc ý khoảng 60 năm trở lại Vào năm 1930 Slayter đà đợc Ellis Foster dùng gia cờng cho polyeste không no Polyeste tăng cờng sợi sợi thủy tinh đợc sử dụng ngành hàng không năm 1938.[8] Năm 1944 đà sản xuất hàng nghìn chi tiết chất dẻo composit cho máy bay tàu chiến phục vụ đaị chiến giới lần thứ II.Năm 1950 chất lợng vật liệu polyme composit đợc nâng cao nhờ đời nhựa epoxy hàng loạt sợi tăng cờng nh sợi cabon, sợi polyeste, nylon, aramit (kelva), sợi silic Từ năm 1970 đến , chi tiết chế tạo từ composit cốt sợi đà đợc ứng dụng rộng rÃi công nghiệp , làm vật liệu xây dựng ngành kü tht cao [5] MỈc dï vËy , viƯc nghiên cứu nâng cao chất lợng , cải thiện tính chất lý , tính chất nhiệt , điện v.v, më réng lÜnh vùc øng dơng cđa vËt liƯu nµy đợc đợc đặt III- Xu hớng phát triĨn cđa vËt liƯu composit thêi gian tíi [2] - Thay thÕ thÐp b»ng vËt liÖu composit: Sù thay thép vật liệu có liên quan đến tính chất đặc biệt chất vật lý chúng Trong vật rắn tinh thể , thép kim loại khác tồn sai lệch đờng Số lợng chúng lên tới nhiều tỷ 1cm , làm yếu kim loại không cho phép tăng độ bền chúng lên cách đáng kể, Nhờ tính chất u việt , vật liệu polyme composit cho phép đạt đợc độ bền nén lớn nhiều so với thép - Chuyển vật liệu sang dạng sợi để tăng cờng độ bền : kết nghiên cứu nhiều năm đà chứng tỏ chuyển vật liệu dạng khối sang dạng sợi độ bền chúng tăng lên Trong sợi mảnh , độ bền đạt tới giá trị gần với lý thuyết cấu trúc không quan sát thấy khuyết tật -Đa dạng hoá polyme chất tăng cờng : Trong năm gần giới , với loại nhựa nhiệt rắn đà đợc sử dụng rộng r·i nh nhùa epoxy , polyeste kh«ng no , phenolfomandehyt… ngời ta đà sử dụng có hiệu loại nhựa nhiệt dẻo nh PE, PP, polyamit, polycacbonat -Phối hợp vật liệu polyme , kim loại gốm.[2] IV đặc điểm phân loại vật liệu composit Các đặc điểm chung - Là vật liệu nhiều pha Các pha tạo nên composit thờng khác mặt chất , không hoà tan lẫn , phân tách bề mặt phân chia pha Pha liên tục toàn khối composit đợc gọi (matrix), pha phân bố gián đoạn , đợc bao bọc , quy định gọi cèt (H×nh 1.1) l NỊ n Cèt H×nh 1.1: VËt liƯu Composit - Trong composit th× tû lƯ , h×nh dáng , kích thớc , nh phân bố cốt tuân theo quy định thiết kế trớc - Tính chất pha thành phần đợc kết hợp để tạo nên tính chất chung composit Tuy tính chất composit không bao hàm tất tính chất pha thành phần chúng đứng riêng rẽ mà lựa chọn tính chất tốt phát huy thêm [1] * Cơ tính vật liệu composit phụ thuộc vào : + Cơ tính vật liệu thành phần + Luật phân bố hình học vật liệu cốt + Tác dụng tơng hỗ vật liệu thành phần [3] Phân loại : Để phân loại vật liệu composit ngời ta dựa vào đặc điểm chung chóng : - Theo b¶n chÊt cđa vËt liƯu nỊn : Composit nỊn polyme, gèm , graphit, kim lo¹i ,hỗn hợp nhiều pha - Theo hình học cốt : Composit cốt hạt ( thô , mịn ) , composit cốt sợi ( dài, ngắn ) - Theo cấu trúc vËt liƯu : Composit tÊm,líp, tÊm líp, khèi , tổ ong - Theo phơng pháp chế tạo : Đúc,ép ,đúc phun, lăn tô - Theo phạm vi ứng dơng : Composit cao cÊp, composit kü tht 2.1 Ph©n loại theo chất vật liệu * Nền kim loại : Kim loại có độ bền, cứng, dẻo cao, chịu đợc nhiệt độ cao polyme môi trờng có oxy Vật liệu composit nỊn kim lo¹i cã modun rÊt cao (~ 110 GPa ) ,nền đòi hỏi sợi tăng cờng phải có modun cao Al, Mg, Ti, Cu đợc nghiên cứu ứng dụng làm composit cả, đặc biệt kim loại nhẹ đợc a chuộng ngành hàng không - Nền kim loại có số u điểm so với polyme : + Kim loại nói chung dẻo , bền nên cải thiện tiêu lý polyme nh modun đàn hồi + Có độ dẫn điện, nhiệt cao + Không bốc cháy, bị ảnh hởng môi trờng ẩm +Có tính đàn hồi nên số trờng hợp dễ gia công, lắp ráp - Nhợc điểm kim loại khối lợng riêng lớn Công nghệ chế tạo composit kim loại phức tạp nhiều so với polyme giá thành sản phẩm cao Chính điều hạn chế việc lựa chọn triển khai ứng dụng chúng công nghiệp * NỊn polyme: Composit nỊn polyme chiÕm kho¶ng 90 % tổng số loại composit Nền polyme đợc a chuộng có tỷ trọng thấp, cách điện, nhiệt tốt, dễ gia công Polyme dùng làm có loại:Nhựa nhiệt rắn nhựa nhiệt dẻo[1] Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng : Polyetylen (PE) , Polypropen (PP), Polystylen , Polyamit[3] Nhựa nhiệt rắn phổ biến : Epoxy, polyeste không no, phenolic, polyuretan[3] *Nền gốm thuỷ tinh: Tổ chức điển hình gốm đa pha đa tinh thể Hai pha tạo nên tỉ chøc cđa gèm : Pha thủ tinh ph©n bè xen kẽ vùng pha tinh thể gắn kết chúng lại với Gốm loại vật liệu có độ bền cao, trì đợc độ bền nhiệt độ cao (~ 1600o C ), khả chịu oxy hoá cao Tuy nhiên có độ bền kéo thấp , chịu va đập [1] Thuỷ tinh vô vật liệu nhận đợc cách làm nguội nhanh hợp chất vô từ trạng thái nóng chảy nhiệt độ cao đến trạng thái rắn không kết tinh Quá trình giống nh nhựa nhiệt dẻo nên áp dụng phơng pháp gia công nhạ nhiệt dẻo Thuỷ tinh có độ bền modun đàn hồi cao (~69GPa), độ dÃn nở nhiệt thấp Nhờ tính chảy tốt nên tăng nhiệt độ áp lực ép hàm lợng sợi tăng cờng tăng nhng không làm giảm độ bền vật liệu.[1] *Nền cacbon/graphit: Grafit vật liệu chịu nhiệt tốt, cứng, bền nhiệt(>2000oC ), điển hình composit cacbon-cacbon Vật liệu đợc sử dụng nhiều ngành hàng không, hoá dợc , y tế[1] 2.2 Phân loại theo hình học cốt: *Composit cốt hạt: Có cấu tạo gồm phân tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố Các phân tử cốt đa dạng : Các loại khoáng tự nhiên , oxyt, cacbit, nitrit - Composit cốt hạt mịn : thờng có kim loại hợp kim, cốt có kích thớc nhỏ ( < 0.1 m) thờng vật liệu bền cứng , có tính ổn định nhiệt cao nh cacbit, nitrit Tơng tác cốt xảy mức vi mô với kích thớc nguyên tử , phân tử - Composit hạt thô : Nền polyme , kim loại gốm Cốt thờng đợc đa vào ®Ĩ c¶i thiƯn ®é bỊn nÐn , kÐo , n, độ chống mài mòn ,độ ổn định kích thớc , chịu nhiệt tạo tính chất theo yêu cầu Tơng tác cốt không xảy mức nguyên tử , phân tử.[1] *Composit cốt sợi ngắn: Độ dài cốt sợi nhỏ cm Composit cốt sợi ngắn đợc gia công phơng pháp gia công nhựa thông thờng nh đúc , đùn , đuc phun Khi đùn đúc phun vào khuôn , sợi phải có khả qua đợc khe hở thân thiết bị Sợi ngắn thờng đợc dùng tăng cờng cho nhựa nhiệt dẻo Nhựa nhiệt rắn có khối lợng phân tử lớn đóng rắn lợi dùng sợi ngắn.Tất composit cốt sợi ngăn thuộc composit kỹ thuật.[4] *Composit cốt sợi có chiều dài trung bình: Độ dài cốt sợi từ 10 đến 100 mm, thờng dùng cho nhựa nhiệt rắn có thêm bột độn với hàm lợng lớn Phơng pháp gia công thờng đợc sử dụng phơng pháp ớt Sợi phải đợc thấm ớt hoàn toàn để composit đạt đợc tính chất cao Composit thuộc composit kỹ thuật.[4] *Coposit cốt sợi dài: Sợi hay gọi sợi liên tục thờng đợc dùng tăng cờng cho nhựa nhiệt rắn, chế tạo composit chất lơng cao Loại composit đợc chế tạo với vô , gốm , kim loại.[4] Phân loại theo phạm vi ứng dụng: Theo phạm vi ứng dụng composit đợc chia thành nhóm Hai nhóm khác chủ yếu loại sợi , chiều dài sợi tăng cờng loại nhựa đợc sử dụng làm Nhóm thứ đợc gọi composit tiên tiến (advanced composit ), đợc chế tạo từ loại sợi dài có độ bền cao Nhựa loại nhựa có đặc tính tốt , chịu nhiệt , bền hoá học Composit chất lợng cao thờng đợc ứng dụng ngành hàng không , vũ trụ (nh tên lửa , bé phËn m¸y bay), cịng nh c¸c dơng thĨ thao cao cấp (nh vợt tennis, gây chơi gol), vật liệu y sinh ( sửa chữa, thay phận răng, xơng thể ) Nhóm thứ hai đợc gọi composit kỹ thuật ( engineering composit ) gồm composit cốt sợi ngắn , có tính chất c¬ lý thÊp h¬n Nhùa nỊn cịng cã tÝnh chÊt thấp Các sản phẩm làm từ composit kỹ thuật bao gồm : vỏ tàu , ca nô , otô bån t¾m , bĨ chøa…