Chương 9: Compozit pdf

329 Ch!ơng 9 compozit Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại dẫn tới các nhu cầu to lớn về loại vật liệu đồng thời có nhiều tính chất mà các vật liệu vừa học (kim loại, ceramic, polyme) khi đứng riêng rẽ không có đ!ợc mà nổi bật là loại vừa bền lại vừa nhẹ, rẻ lại có tính chống ăn mòn cao. Compozit (hay còn gọi là vật liệu kết hợp) ra đời trong mấy chục năm gần đây đáp ứng đ!ợc các yêu cầu đó, đ ứng dụng và phát triển tới trình độ cao quy luật kết hợp - một quy luật phổ biến trong tự nhiên. Ngành khoa học và công nghệ về compozit đ có nhiều sản phẩm dùng trong mọi lĩnh vực: từ ôtô, máy bay cho đến vật liệu chỉnh hình và hiện phát triển mạnh đến mức nhiều ng!ời cho rằng thế kỷ 2# sẽ là văn minh của compozit. 9 Khái niệm về compozit 9 . Quy luật kết hợp Từ lâu ng!ời ta đ biết sự kết hợp tính chất của các pha trong vật liệu đa pha. Ví dụ, độ bền cao cùng với độ dẻo t!ơng đối tốt của thép cùng tích là sự kết hợp của độ dẻo, độ dai cao của nền ferit với tính cứng vững của các tấm (hạt) xêmentit nằm xen trong đó. Gỗ, tre khá cứng vững, bền, dai chính là nhờ các tính chất t!ơng ứng của sợi xenlulô (bền, dai) đ!ợc phân bố theo h!ớng xác định với lignin (cứng vững) bao quanh. Đó là bằng các con đ!ờng kết hợp tự nhiên . Bằng con đ!ờng kết hợp nhân tạo các pha có bản chất khác nhau theo một kiến trúc định tr!ớc sẽ bảo đảm tạo nên một tổ hợp các tính chất phù hợp với các yêu cầu sử dụng đề ra. Vậy compozit là loại vật liệu nhiều pha khác nhau về mặt hóa học, hầu nh! không tan vào nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha, kết hợp lại nhờ sự can thiệp kỹ thuật của con ng!ời theo những sơ đồ thiết kế tr!ớc , nhằm tận dụng và phát triển những tính chất !u việt của từng pha trong compozit cần chế tạo. 9 2. Đặc điểm và phân loại a. Đặc điểm Compozit có những đặc điểm chính sau. - Là vật liệu nhiều pha mà chúng th!ờng rất khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha. Trong thực tế, phần lớn compozit là loại hai pha gồm nền là pha liên tục trong toàn khối, cốt là pha phân bố gián đoạn. - Nền và cốt có tỷ lệ, hình dáng, kích th!ớc và sự phân bố theo thiết kế đ định tr!ớc. - Tính chất của các pha thành phần đ!ợc kết hợp lại để tạo nên tính chất chung của compozit. Tuy nhiên đó không phải là sự cộng đơn thuần tất cả các tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm. 330 b. Phân loại Thông th!ờng dùng cách phân loại theo các đặc tr!ng của nền và cốt, tức các pha cơ bản. Theo bản chất của nền có: - compozit nền chất dẻo (polyme), - compozit nền kim loại, - compozit nền ceramic, - compozit nền hỗn hợp nhiều pha. Theo đặc điểm cấu trúc của cốt có thể phân loại compozit thành ba nhóm: compozit cốt hạt, compozit cốt sợi và compozit cấu trúc nh! trình bày ở hình 9.#. Loại cốt hạt và loại cốt sợi khác nhau ở kích th!ớc hình học của cốt: cốt sợi có tỷ lệ chiều dài trên đ!ờng kính khá lớn, còn cốt hạt là các phần tử đẳng trục. Khái niệm về compozit cấu trúc là để chỉ các bán thành phẩm dạng tấm, lớp là vật liệu đồng nhất và compozit khác. Trong từng loại cốt: hạt, sợi nền với kích th!ớc khác nhau còn đ!ợc chia tiếp thành các nhóm nhỏ hơn: hạt thô và hạt mịn, sợi liên tục và sợi gián đoạn COMPOZIT Cốt hạt Cốt sợi Compozit cấu trúc Hạt thô Hạt mịn Liên tục Gián đoạn Lớp Tấm ba lớp Tổ ong Có h!ớng Ngẫu nhiên Hình 9 Sơ đồ phân loại compozit 9 3. Liên kết nền - cốt Compozit chỉ thực sự kết hợp tốt các tính chất của nền và cốt khi liên kết giữa chúng là hoàn hảo. Tiếp theo trình bày các đặc điểm của nền, cốt và t!ơng tác giữa chúng cho compozit kết cấu (chịu tải). a. Cốt Nh! đ biết cốt là pha không liên tục, đóng vai trò tạo nên độ bền cao, môđun đàn hồi (độ cứng vững) cao cho compozit, do vậy cốt phải là loại có các đặc tính đó, đồng thời phải nhẹ để tạo nên độ bền riêng cao. Cốt có thể đ!ợc làm bằng tất cả các loại vật liệu đ học: kim loại, ceramic và polyme. Tỉ mỉ hơn về chúng đ!ợc trình bày trong từng loại compozit tiếp theo. Nh! sẽ thấy rõ sau này, hình dạng, kích th!ớc, mật độ và sự phân bố của sợi là những yếu tố có ảnh h!ởng mạnh đến cơ tính của compozit. b. Nền Nền là pha liên tục, đóng vai trò chủ yếu ở các mặt sau. - Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối compozit thống nhất. - Tạo khả năng để tiến hành các ph!ơng pháp gia công compozit thành các 33# chi tiết theo thiết kế. - Che phủ, bảo vệ cốt tránh các h! hỏng do các tác động hóa học, cơ học và của môi tr!ờng. Yêu cầu chủ yếu đối với nền là phải nhẹ và có độ dẻo cao . Phụ thuộc vào tính chất của compozit cần chế tạo, ng!ời ta chọn loại nền phù hợp trong bốn nhóm: kim loại, ceramic, polyme và hỗn hợp. c. Liên kết nền - cốt Liên kết tốt giữa nền và cốt tại vùng ranh giới pha là yếu tố quan trọng nhất bảo đảm cho sự kết hợp các đặc tính tốt của hai pha trên. Để tăng c!ờng độ gắn chắc nền - cốt, ng!ời ta có thể áp dụng các biện pháp sau. - Liên kết cơ học, đ!ợc thực hiện nhờ khớp nối thông qua độ mấp mô trên bề mặt do lực ma sát nh! kiểu bêtông cốt thép có gân (đốt). - Liên kết nhờ thấm !ớt do năng l!ợng sức căng bề mặt vì pha nền bị nung chảy và dính !ớt với cốt nên có sự khuếch tán tuy rất nhỏ, tạo nên sức căng bề mặt. - Liên kết phản ứng, xuất hiện khi trên ranh giới pha xảy ra phản ứng tạo hợp chất hóa học, nó nh! lớp keo dính chặt cốt với nền. Đây là loại liên kết tốt nhất. - Liên kết ôxyt, loại liên kết phản ứng đặc tr!ng cho nền kim loại với cốt là ôxyt của chính kim loại đó. Sau đây trình bày đặc tính của từng loại compozit hạt, sợi và cấu trúc. 9.2. Compozit hạt Compozit hạt là loại có cốt là các hạt đẳng trục, cứng, bền (ôxyt, nitrit, cacbit, borit) (đôi khi là các hạt mềm nh! grafit, mica thuộc loại chống ma sát, không thuộc loại (compozit) kết cấu, trọng tâm của ch!ơng này). Trong loại này nh! đ phân loại (hình 9.#) lại có hạt thô và hạt mịn. 9.2. . Compozit hạt thô Compozit hạt thô rất đa dạng và đ!ợc sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp, xây dựng. a. Đặc điểm Khái niệm "thô" đ!ợc dùng để chỉ t!ơng tác giữa nền và cốt không xảy ra ở mức độ nguyên tử, phân tử, lúc này sự hóa bền có đ!ợc là nhờ sự cản trở biến dạng của nền ở vùng lân cận với hạt cốt do sự chèn ép theo quan điểm của cơ học môi tr!ờng liên tục. Tùy theo đặc tính phân bố của hạt trong nền mà quy tắc kết hợp (hỗn hợp) cho môđun đàn hồi E c của compozit phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích, môđun đàn hồi của nền (matrice): V m , E m và của cốt hạt (particle): V p , E p nằm trong phạm vi giữa hai đ!ờng biểu thị ở hình 9.2 bởi hai biểu thức toán học sau: (đ!ờng thẳng trên) ppmmc V.EV.EE += (9.#) (đ!ờng cong d!ới) mppm pm c E.VE.V E.E E + = (9.2) 332 Hình 9.2. Sự phụ thuộc của môđun đàn hồi vào hàm l!ợng cốt trong compozit nền Cu cốt hạt W Sự hóa bền tốt nhất (giới hạn trên) thể hiện ở ph!ơng hạt bố trí dày đặc hơn, còn kém nhất (giới hạn d!ới) ở ph!ơng hạt sắp xếp th!a hơn cả. Vậy compozit loại này có tính chất phụ thuộc thành phần (hàm l!ợng cốt) nằm trong khoảng giữa hai đ!ờng giới hạn trên và d!ới này. b. Các compozit hạt thô thông dụng. Hợp kim cứng đ trình bày ở ch!ơng 6 (mục 6.4.2a) tạo ra bằng ph!ơng pháp luyện kim bột cũng có thể coi là compozit hạt thô, trong đó các phần tử cứng là cacbit: WC, TiC, TaC đ!ợc liên kết bằng Co (nền). Hợp kim cứng là vật liệu cắt rất thông dụng với hiệu quả kinh tế cao. Các hợp kim làm tiếp điểm có sự kết hợp tốt của các kim loại khó chảy (W, Mo) với các kim loại có tính dẫn nhiệt cao (Cu, Ag) cũng là loại compozit hạt thô nền kim loại, trong đó một tính chất (E) của loại nền Cu cốt W đ đ!ợc trình bày ở hình 9.2. Bêtông là compozit hạt thô nền ceramic đ!ợc dùng rộng ri nhất. Trong bêtông, cốt chính là các hạt rắn khá lớn (đá, sỏi) hay nhỏ (cát vàng) đ!ợc liên kết với nhau bởi nền cứng là ximăng. Tính chất của bêtông đ đ!ợc trình bày ở ch!ơng 7 (mục 7.4.3). Ng!ời ta có thể đ!a các hạt với vai trò chất độn vào polyme để cải thiện độ bền, tính chống mài mòn, ổn định kích th!ớc, chịu nhiệt, lúc đó sản phẩm polyme thu đ!ợc nh! là compozit hạt thô nền polyme [hay chất dẻo tăng c!ờng (độ bền)]. Các hạt độn th!ờng là thạch anh, thủy tinh, ôxyt nhôm, đất sét, đá vôi. 9.2.2. Compozit hạt mịn (hóa bền phân tán) Compozit hạt mịn là loại có tính năng đặc biệt: bền nóng và ổn định nóng. a. Đặc điểm Nền các compozit này th!ờng là kim loại và hợp kim. Các phần tử cốt có kích th!ớc nhỏ đến mức d!ới 0,# à m , th!ờng là loại bền, cứng và có tính ổn định nhiệt cao: ôxyt, cacbit, borit, nitrit. T!ơng tác nền - cốt ở đây xảy ra ở mức độ vi mô ứng với kích th!ớc nguyên tử, phân tử. Cơ chế hóa bền t!ơng tự nh! cơ chế tiết 333 pha phân tán, biến cứng khi phân hóa dung dịch rắn quá bo hòa. Khi lực tác dụng lên compozit, nền sẽ hứng chịu hầu nh! toàn bộ tải, các phần tử cốt nhỏ mịn phân tán đóng vai trò hm lệch, làm tăng độ bền độ cứng của vật liệu. b. Các compozit hạt mịn SAP , SAAP (CA , CAC) đ nghiên cứu ở ch!ơng 6 (mục 6.4.3a), với các tỷ lệ 5 - 20%Al 2 O 3 trên nền nhôm, hợp kim nhôm (giữa nền - cốt có liên kết ôxyt khá bền) đ đ!ợc sản xuất ở quy mô công nghiệp, cung cấp d!ới dạng bán thành phẩm tấm, ống, dây để làm các chi tiết có độ bền riêng lớn, làm việc ở 300 ữ 500 o C và chịu tác dụng của môi tr!ờng ăn mòn. T - D Nickel (Thoria Dispersed Nickel) là loại compozit nền là niken (Ni), cốt là các phần tử ôxyt tôri ThO 2 . Chỉ với 2%ThO 2 song ở dạng rất nhỏ mịn, nằm phân tán và ổn định nhiệt, có độ bền và khả năng làm việc lâu dài ở #000 ữ ##00 o C, không bị ăn mòn tinh giới nh! thép không gỉ nên là vật liệu quý trong hàng không, vũ trụ, chế tạo tuabin, ống dẫn, bình áp lực làm việc ở nhiệt độ cao d!ới tác dụng của môi tr!ờng ăn mòn. 9.3. Compozit cốt sợi Compozit cốt sợi là loại compozit kết cấu quan trọng nhất vì nó có độ bền riêng và môđun đàn hồi riêng cao. Chính vì để đạt đ!ợc yêu cầu này mà cả nền lẫn cốt sợi đều phải có khối l!ợng riêng nhỏ. Tính chất của compozit cốt sợi phụ thuộc vào bản chất vật liệu cốt và nền, độ bền liên kết trên ranh giới pha, sự phân bố và định h!ớng sợi cũng nh! kích th!ớc và hình dạng của nó ở đây với quy !ớc rằng liên kết trên ranh giới pha nền - cốt đ!ợc coi là hoàn hảo nên sẽ lần l!ợt khảo sát các yếu tố còn lại. 9.3. . ả nh h!ởng của yếu tố hình học sợi a. Sự phân bố và định h!ớng sợi Hình 9.3. Sơ đồ phân bố và định h!ớng cốt sợi: a. một chiều, b. dệt hai chiều vuông góc trong một mặt, c. rối ngẫu nhiên trong một mặt, d. đan quấn ba chiều vuông góc. 334 Có nhiều kiểu phân bố và định h!ớng sợi nh! biểu thị ở hình 9.3. ở đây sợi đ!ợc coi nh! thớ trong kim loại, làm cho vật liệu có tính dị h!ớng rõ rệt. Do vật liệu làm cốt bao giờ cũng bền, cứng hơn nền, nên theo ph!ơng cốt sợi compozit thể hiện độ bền cao hơn các ph!ơng khác. - Khi các sợi phân bố song song với nhau theo một ph!ơng nào đó nh! biểu thị ở hình a, độ bền theo ph!ơng dọc sợi sẽ cao hơn hẳn ph!ơng vuông góc với nó. Kiểu này đ!ợc gọi là một chiều. - Khi cũng phân bố trên một mặt song theo hai ph!ơng vuông góc với nhau nh! vải (các sợi đan vuông góc với nhau) biểu thị ở hình b, thì khi thử theo hai ph!ơng dọc theo trục sợi độ bền nhận đ!ợc là cao hơn cả. Kiểu này đ!ợc gọi là kiểu dệt. - Khi sợi phân bố trải trên một mặt nh!ng không định h!ớng, nhiều ph!ơng (rối), có tính ngẫu nhiên nh! ở hình c sẽ làm cho compozit có tính đẳng h!ớng (theo tất cả các ph!ơng trên mặt các tính chất đều nh! nhau). Kiểu này đ!ợc gọi là rối ngẫu nhiên trong một mặt (nh! cấu trúc của dạ, nỉ). - Cuối cùng khi sợi đ!ợc phân bố (đan, quấn) và định h!ớng theo ba ph!ơng vuông góc với nhau nh! ở hình d thì compozit có độ bền lớn nhất theo cả ba ph!ơng t!ơng ứng. Tuy nhiên điều đ!ợc ng!ời ta quan tâm hơn cả có ảnh h!ởng đến cơ tính của compozit cốt sợi là yếu tố hình học của sợi: chiều dài và đ!ờng kính hay tỷ lệ giữa chúng. b. ả nh h!ởng của chiều dài sợi Điều quan trọng nhất đối với compozit kết cấu cốt sợi phải có cấu trúc sao cho tải trọng đặt vào phải đ!ợc dồn vào sợi là pha có độ bền cao , nếu chỉ tập trung vào nền là pha kém bền hơn sẽ dẫn đến phá hủy pha này một cách nhanh chóng, nói khác đi cơ tính phụ thuộc vào mức độ truyền tải trọng từ nền vào sợi. Hình 9.4. Sơ đồ biến dạng nền khi đặt tải vào compozit cốt sợi ngắn, biến dạng ở phần nền bao quanh sợi chịu kéo. Đối với loại cốt sợi ngắn, d!ới tác dụng của ứng suất đặt vào sự biến dạng của nền dừng lại ở (đầu) mút sợi, một phần nền bị chảy nh! thấy rõ ở hình 9.4. Nh! vậy không có sự truyền tải từ nền vào mút sợi. Tuy nhiên tình hình sẽ đ!ợc cải thiện một khi chiều dài sợi tăng lên. Ng!ời ta đ tính đ!ợc rằng khi sợi dài bằng hay dài hơn một chiều dài tới hạn l c mới làm tăng một cách có hiệu quả độ bền và độ cứng vững của compozit. Chiều dài tới hạn l c này phụ thuộc đ!ờng kính d của sợi, giới hạn bền ( b ) f của sợi (fiber) và sức bền liên kết giữa sợi và nền (hay giới hạn chảy cắt của nền m ) theo biểu thức: 335 () d.l m f b c = nếu đặt () m f b S = thì d.Sl c = Đối với compozit sợi thủy tinh hay sợi cacbon, chiều dài tới hạn này khoảng # mm và gấp 20 đến #50 lần đ!ờng kính sợi. Bây giờ xét tr!ờng hợp ứng suất kéo tác dụng lên compozit bằng giới hạn bền kéo của sợi cho các tr!ờng hợp chiều dài sợi khác nhau (hình 9.5). Khi chiều dài sợi vừa đúng l c , biểu đồ phân bố ứng suất trên chiều dài dài sợi có dạng nh! ở hình a: tải trọng lớn nhất trên sợi đạt giá trị ( b ) f ở chính giữa trục sợi. Khi chiều dài sợi tăng lên, tác dụng gia c!ờng của sợi trở nên hiệu quả hơn nh! biểu thị ở hình b, tức trên phần lớn chiều dài sợi chịu tác dụng của mức ứng suất đặt vào ( b ) f . Còn khi l < l c tác dụng gia c!ờng không có nh! biểu thị ở hình c, ứng suất lớn nhất tác dụng trên sợi không đạt đến ứng suất đặt vào ( b ) f . Ng!ời ta quy !ớc: - khi l > #5l c , compozit là là loại cốt liên tục hay dài, - khi l < #5l c , compozit là loại cốt sợi không liên tục hay ngắn; trong đó khi l < l c nền bao quanh sợi bị biến dạng đến mức không có sự truyền tải, tác dụng gia c!ờng của sợi không có, đ!ợc coi nh! compozit hạt. Hình 9.5. Biểu đồ phân bố ứng suất trên chiều dài sợi khi: a. l = l c , b. l >>l c , c. l < l c (với compozit cốt sợi chịu ứng suất kéo bằng giới hạn bền kéo của sợi). 336 Trên hình 9.6 trình bày sơ đồ cấu trúc của loại compozit cốt sợi trong đó loại cốt sợi liên tục thẳng hàng (th!ờng chỉ gọi ngắn gọn là liên tục) nh! ở hình a là loại quan trọng hơn cả sẽ đ!ợc khảo sát d!ới đây. Hình 9.6. Sơ đồ cấu trúc của compozit cốt sợi: a. liên tục (liên tục thẳng hàng), b. gián đoạn thẳng hàng, c. gián đoạn hỗn độn 9.3.2. Compozit cốt sợi liên tục thẳng hàng a. Khi kéo dọc ở đây sợi dài sắp xếp song song, thẳng hàng là loại có độ bền cao nh!ng giòn, có tỷ lệ thể tích V f đ!ợc phân bố trong nền có tỷ lệ thể tích là V m = # - V f . Một compozit bị kéo theo ph!ơng dọc trục sợi nh! biểu thị ở hình 9.7, do liên kết nền - cốt hoàn hảo, sự truyền tải tốt nên độ biến dạng của nền và cốt nh! nhau: Hình 9.7. Sơ đồ kéo mẫu compozit cốt sợi liên tục thẳng hàng theo ph!ơng dọc trục sợi c = f = m (9.3) Trong các điều kiện này tải trọng tổng tác dụng lên compozit F c bằng tổng các tải trọng tác dụng lên nền F m và sợi F f : F c = F f + F m (9.4) Từ điều kiện F = . A (trong đó A là tiết diện ngang), biểu thức (9.4) có thể đ!ợc viết thành c . A c = f . A f + m . A m (9.5) nếu chia cả hai vế cho A c có: c m m c f fc A A . A A . += (9.6) trong đó A f /A c và A m /A c là tỷ lệ tiết diện của pha sợi và pha nền. Vì chiều dài của các pha này nh! nhau (do sợi là dài và liên tục) nên A f /A c = V f và A m /A c = V m , biểu thức (9.6) trở thành 337 c = V f . f + (# - V f ) m (9.7) Nh! đ nói ở trên compozit bị phá hủy là do tải trọng tập trung vào cốt, ứng suất tác dụng lên cốt đạt đến giới hạn bền ( b ) f của nó nên giới hạn bền ( b ) c của compozit đ!ợc tính theo biểu thức ( b ) c = V f .( b ) f + (# - V f ) m (9.8) trong đó m là ứng suất trong nền tại thời điểm cốt sợi bị đứt (có thể thấy giá trị t!ơng đối với nhau của ba ứng suất trên ở hình 9.9). Nh! vậy giới hạn bền của compozit tỷ lệ bậc nhất với thể tích cốt sợi V f đ!ợc biểu diễn bằng đ!ờng thẳng dốc lên trên hình 9.8. Hình 9.8. Sự phụ thuộc của độ bền compozit cốt sợi liên tục vào hàm l!ợng cốt Nh! trên đ nói, compozit bị phá hủy do ứng suất trên cốt sợi đạt đến giá trị ( b ) f ứng với độ biến dạng f khi đứt của sợi, tại đó ta có c = f = m = f Đ biết = / E, cốt là vật lệu bền nh!ng giòn, hầu nh! không có biến dạng dẻo nên bị đứt trong vùng đàn hồi (hình 9.9 và 9.#0) nên () f f b f E = Thay () f f b fm E == vào biểu thức m = m . E m ta có () mfm f f b m E.E. E = = (9.9) T!ơng tự, ta có biểu thức về độ cứng vững hay môđun đàn hồi của compozit E c khi biết môđun đàn hồi E f của sợi là () m m fffc d d V1E.VE += (9.#0) trong đó d m / d m là độ dốc của đ!ờng cong trên biểu đồ kéo của nền tại giá trị ứng suất m tác dụng lên nền; riêng khi giá trị của ứng suất này ở trong vùng đàn hồi, tỷ số d m / d m chính là E m - môđun đàn hồi của nền. Vậy trong vùng thuần túy đàn hồi của nền biểu thức (9.#0) trên có dạng mmffc E.VE.VE += (9.##) 338 Biểu thức này chính là biểu thức (9.#), đó chính là giới hạn trên của môđun đàn hồi của các compozit hạt mịn. Nh! vậy trong compozit cốt sợi liên tục (thẳng hàng) lực tác dụng trên nền và cốt sợi nh! sau: () cf c f f bff .E. V V .AF == cm c m mmm .E. V V .AF == nên mm ff m f E.V E.V F F = (9.#2) b. Khi kéo ngang Khi compozit bị kéo ngang tức theo ph!ơng vuông góc với trục sợi thì ứng suất tác dụng lên các pha là nh! nhau và bằng ứng suất tác dụng lên compozit c = f = m = nên độ biến dạng của toàn thể thanh compozit bằng tổng biến dạng của các pha c = f . V f + m . V m vì E = nên m m f fc V. E V. EE + = Chia cả hai vế cho , có m m f f c E V E V E 1 += hay () mfff fm mffm fm c E.VE.V1 E.E E.VE.V E.E E + = + = (9.#3) biểu thức này giống (9.2), đó là giới hạn d!ới của môđun đàn hồi của compozit hạt thô. c. ả nh h!ởng của hàm l!ợng sợi Trong thực tế nếu tỷ lệ thể tích V f (hay còn gọi là hàm l!ợng) của sợi quá nhỏ, sợi không có tác dụng gia c!ờng cho compozit. Đối với compozit thông th!ờng với nền dẻo hơn cốt bao giờ cũng tồn tại một giá trị V f min mà ứng với các giá trị V f < V f min sự phá hủy các sợi cốt ch!a dẫn tới sự phá hủy tức khắc compozit. Khi cốt quá ít nh! vậy, toàn bộ tải sẽ tác dụng lên nền và làm mẫu biến dạng. Quá trình biến dạng đồng thời của cốt sợi và nền xảy ra cho tận đến khi độ gin dài của mẫu bằng độ gin dài khi phá hủy f của sợi. Lúc này nếu lực vẫn tiếp tục tác dụng thì toàn bộ số cốt sợi ít ỏi sẽ bị đứt hết. Ngay cả đến lúc này mẫu vẫn tiếp tục biến [...]... 293 293 295 296 Compozit Ch!ơng 9 9.# Khái niệm về compozit 9.#.# Quy luật kết hợp 9.#.2 Đặc điểm và phân loại 9.#.3 Liên kết nền - cốt 9.2 Compozit hạt 30 30# 30# 30# 302 303 Phần IV 35# 9.2.# Compozit hạt thô 9.2.2 Compozit hạt mịn 9.3 Compozit cốt sợi 9.3.# ảnh h!ởng của yếu tố hình học sợi 9.3.2 Compozit cốt sợi liên tục thẳng hàng 9.3.3 Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng 9.3.4 Compozit cốt sợi... thời: sợi cacbon bị đứt tr!ớc sau đó tải trọng đ!ợc truyền sang sợi thủy tinh, rồi cuối cùng compozit bị phá hủy hoàn toàn khi nền bị hỏng do tải trọng tác dụng vào 9.4 Compozit cấu trúc Compozit cấu trúc là loại bán thành phẩm dạng tấm nhiều ( 3) lớp đ!ợc tạo thành bằng cách kết hợp các vật liệu đồng nhất với compozit theo những ph!ơng án cấu trúc khác nhau Do đó tính chất không những phụ thuộc vào... cả vào thiết kế hình học của chúng trong kết cấu Th!ờng dùng hai loại: dạng lớp và panel sandwich 9.4. Compozit cấu trúc dạng lớp Hình 9. Sơ đồ tạo compozit cấu trúc dạng lớp 345 Có thể dễ dàng hình dung dạng compozit này qua gỗ dán, cót ép Chúng gồm bởi các lớp (tấm) có độ bền dị h!ớng cao (nh! gỗ, compozit cốt sợi liên tục thẳng hàng), đ!ợc sắp xếp sao cho các ph!ơng độ bền cao nhất của các lớp, tấm... giới hạn bền kéo của compozit cốt sợi liên tục khi nền là vật liệu dẻo đ!ợc trình bày ở hình 9.9; còn khi nền là vật liệu giòn (chỉ bị biến dạng đàn hồi) đ!ợc trình bày ở hình 9.#0 9.3.3 Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng Sơ đồ cấu trúc của compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng đ!ợc trình bày ở hình 9.6b Tất nhiên là do chiều dài sợi ngắn (l < #5lc) hiệu quả gia c!ờng của sợi compozit không thể cao... (trên đó polyme bị chảy và hủy hoại) Hiện compozit polyme - sợi thủy tinh đ!ợc dùng ngày càng nhiều trong các ph!ơng tiện vận tải đặc biệt là vỏ (thân) xe hơi, tàu biển, ống dẫn, container chứa hàng, tấm lát sàn công nghiệp Đặc biệt trong công nghiệp ôtô nó có sức cạnh tranh cao nhờ giảm đ!ợc khối l!ợng và do đó là tiêu hao nhiên liệu b Compozit polyme - sợi khác Compozit polyme - sợi cacbon có môđun đàn... học cao hơn nh!ng đắt hơn và chỉ có loại sợi gián đoạn Loại compozit này có sức cạnh tranh lớn trong máy bay do giảm nhẹ đ!ợc khối l!ợng (giảm 20 ữ 30% so với dùng kim loại) Compozit epoxy - sợi bo đ!ợc dùng trong máy bay lên thẳng (làm cánh rôto), còn loại polyme - sợi aramit bắt đầu đ!ợc dùng trong hàng không, tàu biển và đồ dùng thể thao c Compozit kim loại - sợi Trong loại này nền kim loại có thể... lệ thể tích sợi khoảng 20 344 ữ 50% Một trong các compozit có triển vọng nhất là loại nền nhôm - sợi bo có phủ cacbit silic để làm chậm phản ứng không mong muốn giữa nhôm và bo Compozit nền kim loại có nhiệt độ làm việc cao hơn nền polyme Chịu nhiệt độ cao hơn cả là loại nền hợp kim trên cơ sở Ni hoặc Co với cốt sợi là dây vonfram dùng trong tuabin d Compozit cacbon - cacbon Trong loại này tất cả đều... thành và phát triển e Compozit cốt sợi pha Đây là loại compozit trong đó ng!ời ta dùng hai (hay nhiều hơn) loại sợi trong cùng một nền, có sự kết hợp các tính chất tốt hơn loại chỉ có một loại cốt sợi Trong loại này hiện nay phổ biến hơn cả là dùng hai loại cốt sợi cacbon và thủy tinh trong nền polyme (trong đó sợi cacbon bền, cứng vững, nhẹ hơn song đắt hơn sợi thủy tinh) Khi compozit sợi pha bị ứng... của compozit mới cao hơn giới hạn bền của nền Có thể dễ dàng tính đ!ợc giá trị Vf* khi (b)c = (b)m nên Vf (b)f + (# - Vf) m = (b)m giá trị Vf tìm đ!ợc chính là Vf*, sau khi biến đổi ta có ( ) m Vf* = b m ( b )f m 340 Trên hình 9.8 đ!ờng gẫy khúc đ!ợc tô đậm chính là đ!ờng biểu diễn sự phụ thuộc của giới hạn bền của compozit vào hàm l!ợng thể tích cốt sợi liên tục thẳng hàng nền dẻo Nh! vậy compozit. .. Đ!ờng cong biến dạng Hình 9.0 Đ!ờng cong biến dạng kéo của compozit cốt sợi liên tục nền dẻo với Vf > Vf* kéo của compozit cốt sợi liên tục nền giòn với Vf > Vf* Nếu hiệu số (b)m - m quá nhỏ so với (b)f (tr!ờng hợp nền là polyme có độ bền thấp) thì Vfmin = ( b )m m ( b )f Song ngay cả với hàm l!ợng cốt có giá trị Vfmin nh! vậy giới hạn bền của compozit vẫn thấp hơn giới hạn bền của pha thấp nhất là . nền có: - compozit nền chất dẻo (polyme), - compozit nền kim loại, - compozit nền ceramic, - compozit nền hỗn hợp nhiều pha. Theo đặc điểm cấu trúc của cốt có thể phân loại compozit. Theo đặc điểm cấu trúc của cốt có thể phân loại compozit thành ba nhóm: compozit cốt hạt, compozit cốt sợi và compozit cấu trúc nh! trình bày ở hình 9.#. Loại cốt hạt và loại cốt sợi khác. ôxyt của chính kim loại đó. Sau đây trình bày đặc tính của từng loại compozit hạt, sợi và cấu trúc. 9.2. Compozit hạt Compozit hạt là loại có cốt là các hạt đẳng trục, cứng, bền (ôxyt, nitrit,