Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp (mức độ vĩ mô) của hai hay nhiều vật liệu thành phần khác nhau về hình dạng hoặc thành phần hóa học nhằm tạo nên một vật liệu mới có tính năng vượt trội so với từng vật liệu thành phần. Nhiều vật liệu có nguồn gốc tự nhiên là composite. Ví dụ gỗ là một composite gồm những sợi cellulose trong nền liên kết là lignin, hoặc xương bền và nhẹ được hình thành do sự kết hợp của các tinh thể apatite (một hợp chất của canxi) và những sợi protein collagen. Ở Ấn Độ, Hy Lạp và các nước khác, rơm hoặc trấu được trộn với đất sét để làm nhà cách đây hàng trăm năm là loại composite sợi ngắn.
Chương NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE 1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE Vật liệu composite vật liệu tổ hợp (mức độ vĩ mô) hai hay nhiều vật liệu thành phần khác hình dạng thành phần hóa học nhằm tạo nên vật liệu có tính vượt trội so với vật liệu thành phần Nhiều vật liệu có nguồn gốc tự nhiên composite Ví dụ gỗ composite gồm sợi cellulose liên kết lignin, xương bền nhẹ hình thành kết hợp tinh thể apatite (một hợp chất canxi) sợi protein collagen Ở Ấn Độ, Hy Lạp nước khác, rơm trấu trộn với đất sét để làm nhà cách hàng trăm năm loại composite sợi ngắn Sự tổ hợp hai hay nhiều vật liệu khác composite nhằm tạo nên sản phẩm với tính chất tối ưu, bao gồm tính chất học, tính chất hóa học tính chất chất vật lý tính chất nhiệt (độ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chảy mềm), tính chất điện (độ dẫn điện, tổn thất điện mơi…), tính chất quang học, tính cách âm… Từ năm 1960, xuất nhu cầu ngày tăng vật liệu yêu cầu cứng nhẹ Tuy nhiên, khơng có vật liệu đơn (monolithic material) đáp ứng yêu cầu Xuất phát từ nhu cầu ý tưởng chế tạo vật liệu kết hợp từ số vật liệu khác đời tạo nên loại vật liệu vật liệu tổ hợp hay cịn gọi vật liệu composite Vật liệu composite xem vật liệu cấu tạo hai hay nhiều thành phần gồm hay nhiều loại vật liệu gia cường (gián đoạn) phân bố thành phần vật liệu nền, liên tục Vật liệu composite phổ biến gồm hai thành phần chính: Vật liệu gia cường (reinforcing material) vật liệu (matrix) (Hình 1.1) Vật liệu gia cường Vật liệu Hình 1.1 Mơ hình vật liệu composite Vật liệu đóng vai trị liên kết vật liệu gia cường rời rạc tạo nên sản phẩm liên tục Dưới tác dụng ngoại lực, vật liệu gia cường thành phần chịu tải trọng thường có tính chất lý cao vật liệu Ngược lại, vật liệu thường có độ bền, độ cứng thấp dẻo dai vật liệu gia cường Dưới tác dụng ngoại lực vật liệu có vai trị chuyển ứng suất sang vật liệu gia cường Ngồi ra, vật liệu cịn đóng vai trị việc bảo vệ composite khỏi công môi trường, hóa chất đồng thời đóng vai trị định đến độ bền nhiệt, khả gia công… vật liệu composite 1.2 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU COMPOSITE Dựa vào tính chất nguồn gốc tạo vật liệu, khoa học phân loại composite theo cách sau: 1.2.1 Phân loại theo cấu trúc vật liệu gia cường Dựa vào cấu trúc vật liệu gia cường, composite phân thành nhóm chính: composite gia cường sợi (composite cốt sợi), composite gia cường hạt (composite cốt hạt) composite cấu trúc a) Composite gia cường sợi Composite gia cường sợi (fibre reinforced composite – FRC) composite có vật liệu gia cường dạng sợi, ví dụ composite sợi thủy tinh, composite sợi tự nhiên… Trong hệ composite này, sợi chịu tải trọng chính, vật liệu đóng vai trị phân bố tải trọng truyền tải trọng sang sợi liên kết sợi lại với Nói chung, mục đích thiết kế FRC nhằm tạo sản phẩm có modul riêng (modul/khối lượng riêng) độ bền riêng (độ bền/khối lượng riêng) cao Các sợi composite phân bố ngẫu nhiên có định hướng định Tùy thuộc vào tỉ số chiều dài (l)/đường kính (d) mà composite cốt sợi phân thành composite sợi liên tục (sợi dài) composite sợi gián đoạn (sợi ngắn) (Hình 1.2) Composite sợi dài: composite có tỉ số l/d sợi tối thiểu 200 Ngược lại, composite có có l/d sợi nhỏ 200 xem composite sợi ngắn Hình 1.2 Composite sợi dài (a) sợi ngắn (b) Trong composite gia cường sợi, hiệu gia cường khả điều chỉnh xếp sợi ngắn sợi dài Sự xếp sợi ngắn thường chặt chẽ nên hàm lượng sợi composite sợi ngắn thường thấp composite sợi dài Tuy nhiên, tính chất bất đẳng hướng composite sợi ngắn bé so với composite sợi dài b) Composite gia cường hạt Composite gia cường hạt (Particulate reinforced composite): composite gia cường hạt với hình dạng (hình cầu, que, vảy ) cỡ kích khác bột gỗ, than đen, talc, cao lanh, vảy mica, sắt, đồng, nhôm… Các vật liệu gia cường hạt có kích cỡ macro, micro nano thường có độ cứng cao vật liệu Một số vật liệu gia cường dạng hạt cải thiện tính chất composite giảm co ngót, chống chảy, kháng mài mịn, chịu nhiệt… Tuy nhiên, khả cải thiện tính chất lý vật liệu gia cường dạng hạt thường bé nhiều so với vật liệu gia cường dạng sợi phụ thuộc nhiều vào kết dính bề mặt ranh giới phân chia pha Chính vậy, vật liệu composite hạt thường dùng ứng dụng yêu cầu độ bền không cao Trong nhiều trường hợp hạt sử dụng chế tạo composite nhằm mục đích giảm giá thành tăng độ cứng sản phẩm c) Composite cấu trúc Composite cấu trúc gồm loại chính: composite dạng lớp (laminate) sandwich panel Composite dạng lớp (Hình 1.3): tạo thành từ lớp sở, lớp thứ lớp chịu lực (thường composite cốt sợi đơn hướng) lớp thứ hai đóng vai trị liên kết (thường vật liệu đồng nhất) tạo thành từ loại vật liệu (thường composite cốt sợi đơn hướng), gồm nhiều lớp xếp đổi hướng lớp cho phù hợp yêu cầu thiết kế ép lại thu bán thành phẩm dạng dùng xây dựng nhà cửa, làm vỏ thân cánh loại máy bay… Hình 1.3 Composite dạng lớp Sandwich panel (Hình 1.4): Cấu tạo gồm hai lớp mặt, vật liệu có độ bền cứng cao cấu trúc composite dạng lớp, hợp kim nhôm, hợp kim titan… lớp lõi giữa, vật liệu nhẹ, có độ bền độ cứng tương đối bé Lớp lõi có tác dụng trì khoảng cách hai mặt giảm biến dạng theo chiều vng góc mặt tấm, tạo độ cứng định, tránh tượng cong vênh Lớp lõi thường làm bằng: polymer bọt, cao su nhân tạo, gỗ nhẹ, vật liệu dạng tổ ong Composite loại ứng dụng rộng rãi: trần, sàn, tường xây dựng nhà cửa, làm vỏ thân cánh đuôi loại máy bay… Lớp tổ ong Lớp kết dính Lớp bề mặt Sản phẩm sandwich panel Hình 1.4 Sandwich panel 1.2.2 Phân loại theo chất vật liệu Theo chất vật liệu nền, composite chia thành ba nhóm sau: composite polymer, composite kim loại composite ceramic a) Composite polymer Composite polymer (Polymer matrix composite – PMC) composite có loại polymer nhiệt dẻo polypropylene, polyethylene, polyvinyl chloride, polyamide… polymer nhiệt rắn polyester không no, vinyl ester, phenolic, melamine, polyurethane, epoxy… Vật liệu gia cường sợi, hạt hữu (sợi Kevlar, cellulose…), vô (thủy tinh, carbon…) kim loại (bo, nhôm, thép, molipden…) Loại composite sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm lớn dễ dàng gia cơng tạo sản phẩm có hình dạng phức tạp kích thước lớn Trong hệ composite này, vật liệu gia cường có độ bền modul cao cịn polymer có vai trị truyền tải trọng tăng khả kháng ăn mòn, chịu thời tiết cho composite b) Composite kim loại Composite kim loại (Metal matrix composite – MMC) composite có kim loại nhôm, magie, titan, sắt, cobalt, đồng… Vật liệu gia cường sợi, hạt vô ceramic (oxide, cacbua silic ) kim loại (chì, vonfram, molipden ) Vật liệu thường dẻo dai, vật liệu gia cường thường có tác dụng cải thiện tính chất lý, kháng mài mòn, chống rão, dẫn nhiệt, ổn định kích thước composite Ưu điểm lớn composite kim loại so với polymer khả chịu nhiệt tốt hơn, không cháy chống lại công chất lỏng hữu tốt Tuy nhiên, có nhược điểm so với composite polymer giá thành cao khối lượng riêng lớn hơn, dễ bị phá hủy bề mặt tiếp xúc vật liệu vật liệu gia cường kim loại dễ bị ăn mòn c) Composite ceramic Trong composite ceramic (Ceramic matrix composite – CMC), ceramic có thành phần oxide, carbide, nitride boride gia cường hạt, sợi vô ceramic kim loại Do sức căng bề mặt ceramic nóng chảy cao nên khó thấm ướt lên loại sợi Chính thực tế tồn hệ composite ceramic Một hệ composite điển hình ceramic ứng dụng rộng rãi kỹ thuật composite carbon gia cường sợi carbon nhờ tính chất ưu việt chịu nhiệt tốt đến 2200oC mà trì độ bền cao, tỉ số độ bền/trọng lượng độ cứng/trọng lượng cao, ổn định kích thước tốt, chống ăn mịn tốt, kháng hóa chất tốt… Composite carbon gia cường sợi carbon dùng ứng dụng cấu trúc phi cấu trúc, đặc biệt ứng dụng cấu trúc vận hành nhiệt độ cao phận máy bay, động phản lực, tên lửa… Nhược điểm lớn hệ composite giá thành cao giá nguyên liệu chi phí sản xuất cao 1.3 VAI TRÒ CỦA CÁC VẬT LIỆU THÀNH PHẦN 1.3.1 Vai trò vật liệu gia cường Vật liệu gia cường thường đóng vai trị sau: – Chịu tải trọng tác dụng lên vật liệu composite (đến 70 ÷ 90% tải trọng) nên tính chất lý vật liệu gia cường thường cao so với vật liệu – Tạo độ cứng, độ bền, ổn định nhiệt tính chất cấu trúc khác composite – Tạo cho sản phẩm có tính cách điện dẫn điện tùy thuộc vào loại vật liệu gia cường 1.3.2 Vai trò vật liệu Vật liệu thường chiếm 30 ÷ 40% thể tích composite, đóng vai trị sau: – Liên kết vật liệu gia cường lại với – Phân bố tải trọng tác dụng lên vật liệu composite cách truyền tải trọng sang vật liệu gia cường – Bảo vệ vật liệu khỏi cơng hóa chất ẩm – Bảo vệ bề mặt sợi khỏi bị phá hủy học (do mài mòn…) – Tạo vẽ thẩm mỹ cho sản phẩm – Ảnh hưởng lớn đến độ bền lâu, độ dẻo dai, độ bền nhiệt, khả gia cơng… composite Ví dụ vật liệu dẻo dai tăng độ dẻo dai cho sản phẩm Đối với ứng dụng yêu cầu độ dẻo dai cao nên lựa chọn vật liệu polymer nhiệt dẻo – Ngồi ra, mơ hình phá hủy composite bị ảnh hưởng nhiều loại vật liệu tính tương thích với vật liệu gia cường 1.4 KẾT DÍNH TẠI BỀ MẶT TIẾP XÚC GIỮA VẬT LIỆU GIA CƯỜNG VÀ VẬT LIỆU NỀN 1.4.1 Góc tiếp xúc Khi vật liệu composite chịu tác dụng ngoại lực, tải trọng tác dụng lên vật liệu truyền sang vật liệu gia cường qua bề mặt tiếp xúc Nếu composite yêu cầu có độ bền độ cứng cao vật liệu gia cường phải liên kết bền vững với vật liệu Tuy nhiên, bề mặt tiếp xúc bền tạo composite có độ cứng độ bền cao khả chống lại phát triển vết nứt đặc tính dịn Kết dính vật liệu vật liệu gia cường tốt nhờ tồn liên kết, tương tác bề mặt tiếp xúc Muốn liên kết phát triển trước hết phải có thấm ướt tốt vật liệu gia cường lên bề mặt vật liệu Khả thấm ướt định nghĩa mức độ trải chất lỏng lên bề mặt rắn Trong gia công composite vật liệu thường chuyển sang trạng thái lỏng, có độ nhớt đủ thấp để thấm ướt tốt chỗ lồi lõm, gồ ghề bề mặt vật liệu Khả thấm ướt thường đánh giá qua góc tiếp xúc α Góc tiếp xúc α (Hình 1.5) có mối tương quan với lượng bề mặt biểu diễn phương trình Young sau: Cos α = (σ S – σ SL )/σ L Với: σ S : Năng lượng tự bề mặt vật liệu gia cường (rắn– solid) σ SL : Sức căng bề mặt tiếp xúc vật liệu gia cường (rắn)/vật liệu (lỏng– liquid) σ L : Sức căng bề mặt nhựa (lỏng) Có ba trường hợp xảy sau: α = 0: Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn bề mặt vật liệu gia cường rắn 0° < α < 90°: Chất lỏng thấm ướt khơng hồn tồn bề mặt vật liệu gia cường rắn 90° < α < 180°: Chất lỏng không thấm ướt bề mặt vật liệu gia cường rắn Hình 1.5 Góc tiếp xúc chất lỏng lên bề mặt rắn 1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bám dính, liên kết bề mặt tiếp xúc Trong q trình gia cơng, cần điều chỉnh điều kiện gia cơng phù hợp để có thấm ướt kết dính tốt vật liệu vật liệu gia cường Sau yếu tố giúp tạo liên kết tốt bề mặt tiếp xúc vật liệu gia cường nhựa nền: – Góc tiếp xúc bé vật liệu vật liệu gia cường – Sức căng bề mặt vật liệu lỏng (σ L ) bé tốt – Độ nhớt vật liệu gia công thấp – Tăng áp suất để giúp vật liệu chảy tốt – Độ nhớt sau gia công vật liệu cao (làm nguội, đóng rắn ) – Làm bề mặt vật liệu gia cường khỏi bụi bẩn – Loại bỏ vết nứt, lỗ rỗng bề mặt vật liệu gia cường – Bề mặt vật liệu gia cường có độ nhám phù hợp – Độ cứng vật liệu nên bé vật liệu gia cường – Hệ số giãn nở nhiệt vật liệu thành phần giống – Thiết kế composite phù hợp 1.4.3 Các loại liên kết hình thành bề mặt tiếp xúc Khi vật liệu thấm ướt vật liệu gia cường, số liên kết hình thành bề mặt tiếp xúc gồm: – Liên kết học – Liên kết nhờ lực tương tác tĩnh điện – Liên kết nhờ lực khuếch tán – Liên kết vật lý, hóa học a) Liên kết học Để giải thích liên kết học hình thành bề mặt tiếp xúc, mơ hình thuyết kết dính đưa MacBain and Hopkins vào năm 1925 Theo thuyết này, kết dính hình thành nhờ vật liệu gia cơng trạng thái lỏng lấp vào khe, lỗ trống chỗ gồ ghề bề mặt vật liệu gia cường, vật liệu hóa rắn nhờ làm nguội đóng rắn hình thành liên kết học bề mặt tiếp xúc Ví dụ trường hợp kết dính cao su vải cơng nghệ sản xuất lốp xe, vải đóng vai trị vật liệu gia cường, cao su đóng vai trị vật liệu Trong q trình gia cơng mạch cao su có đủ độ linh động khuếch tán vào chỗ gồ ghề bề mặt vải tạo liên kết học bề mặt tiếp xúc cao su vải Khi độ nhám bề mặt vật liệu gia cường tăng thấm ướt nhựa tốt (Hình 1.6) giúp phát triển liên kết hóa học, hạn chế hình thành bọt khí bề mặt tiếp xúc, tăng cường tương tác học vật liệu vật liệu gia cường dẫn đến bám dính học tăng Tuy nhiên, làm nhám mức xuất lỗ sâu bề mặt vật liệu gia cường vật liệu lỏng khó thấm vào gây hiệu ngược lại Liên kết, bám dính học hiệu ngoại lực tác dụng song song với bề mặt tiếp xúc Nếu bề mặt tiếp xúc chịu tác dụng lực kéo độ bền thường thấp trừ vị trí ngoằn ngoèo điểm A (Hình 1.7) có mật độ dày đặc thay đổi phân bố ứng suất bề mặt tiếp xúc (Hình 1.8) diện tích vùng bề mặt tiếp xúc tăng, ranh giới ngoằn ngèo làm cho phân tán ứng suất tốt Q trình làm nhám cịn giúp loại bỏ lớp bền bề mặt vật liệu dầu mỡ, chất bẩn, gỉ Hình 1.6 Mơ hình thấm ướt nhựa lên bề mặt nhẵn nhám Hình 1.7 Mơ hình liên kết học bề mặt tiếp xúc 10 Hình 1.8 Mơ hình phân bố lực tác dụng bề mặt tiếp xúc b) Liên kết nhờ lực tương tác tĩnh điện Khi có tiếp xúc vật liệu gia cường vật liệu nền, số trường hợp có dịch chuyển điện tử qua vùng ranh giới phân chia pha, làm xuất lớp điện tích kép bề mặt tiếp xúc (Hình 1.9) hình thành lực tương tác tĩnh điện giúp chống lại phá hủy bề mặt ranh giới phân chia pha Cơ chế kết dính đưa Deryaguin cộng xảy điển hình hệ composite kim loại/polymer, thủy tinh/polymer Tương tác tĩnh điện xảy giới hạn gần hiệu khoảng cách nhỏ tương đương vài nguyên tử giảm hiệu bề mặt vật liệu bị nhiễm bẫn có khí thâm nhập Hình 1.9 Mơ hình liên kết nhờ tương tác tĩnh điện 11