Đề tài tìm HIỂU về vật LIỆU COMPOSITE

- Theo bản chất của nền có: + Composite nền chất dẻo polyme + Composite nền kim loại + Composite nền ceramic + Composite nền hỗn hợp nhiều pha - Theo đặc điểm cấu trúc của cốt có thể phâ

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG

KHOA CƠ KHÍ LỚP: 13CĐ-CK4

TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU

COMPOSITE

Sinh viên thực hiện: Lê Minh Đạt

Nguyễn Xuân Hiến

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG

KHOA CƠ KHÍ LỚP: 13CĐ-CK4

TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU

COMPOSITE

Sinh viên thực hiện: Lê Minh Đạt

Nguyễn Xuân Hiến

Mục lục

Trang

I Vật liệu composite 1

1 Khái niệm chung 2 Liên kết nền - cốt II Composite cấu trúc 3

III Composite cấu trúc dạng lớp 4

IV Composite cốt sợi 5

1 Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi 2 Các loại composite cốt sợi phổ biến 9

V Composite cốt sợi gián đoạn hỗn hợp 12

VI Composite cốt sợi gián đoạn thẳng hàng 12

VII Composite cốt sợi liên tục thẳng hàng 12

1 Khi kéo dọc 2 Khi kéo ngang 3 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi VIII Kích thước và vật liệu làm cốt sợi 14

1 Kích thước sợi 2 Vật liệu làm sợi 3 Vật liệu làm nền VI Composite hạt 16

1 Composite hạt mịn 2 Composite hạt thô X Ứng dụng và công nghệ chế tạo composite 19

1 Ứng dụng 2 Công nghệ chế tạo composite XI Kết luận 26

b Đặc điểm

- Là vật liệu nhiều pha mà chúng thường rất khác nhau về bản chất, khônghòa tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha Trong thực tế, phần lớncomposite là loại hai pha gồm nền là pha liên tục trong toàn khối, cốt là pha phân

c Phân loại

Thông thường dùng cách phân loại theo các đặc trưng của nền và cốt, tức các pha

cơ bản

- Theo bản chất của nền có:

+ Composite nền chất dẻo (polyme)

+ Composite nền kim loại

+ Composite nền ceramic

+ Composite nền hỗn hợp nhiều pha

- Theo đặc điểm cấu trúc của cốt có thể phân loại composite thành ba nhóm:composite cốt hạt, composite cốt sợi và composite cấu trúc như trình bày ở hình 1.Loại cốt hạt và loại cốt sợi khác nhau ở kích thước hình học của cốt: cốt sợi có tỷ

lệ chiều dài trên đường kính khá lớn, còn cốt hạt là các phần tử đẳng trục Kháiniệm về composite cấu trúc là để chỉ các bán thành phẩm dạng tấm, lớp là vậtliệu đồng nhất và composite khác Trong từng loại cốt: hạt, sợi nền với kíchthước khác nhau còn được chia tiếp thành các nhóm nhỏ hơn: hạt thô và hạt mịn,sợi liên tục và sợi gián đoạn v.v

Hình 1 Sơ đồ phân loại composite

2 Liên kết nền - cốt

Composite chỉ thực sự kết hợp tốt các tính chất của nền và cốt khi liên kết giữachúng là hoàn hảo Tiếp theo trình bày các đặc điểm của nền, cốt và tương tác giữachúng cho composite kết cấu (chịu tải)

a Cốt

Như đã biết cốt là pha không liên tục, đóng vai trò tạo nên độ bền cao, môđuncđànhồi (độ cứng vững) cao cho composite, do vậy cốt phải là loại có các đặcctính đó,đồng thời phải nhẹ để tạo nên độ bền riêng cao Cốt có thể được làm bằng tất cảcác loại vật liệu đã học: kim loại, ceramic và polyme Tỉ mỉ hơn về chúng đượctrình bày trong từng loại composite tiếp theo Như sẽ thấy rõ sau này, hình dạng,kích thước, mật độ và sự phân bố của sợi là những yếu tố có ảnh hưởng mạnh đến

cơ tính của composite

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 composite thống nhất

- Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công composite thành các chitiết theo thiết kế

- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do các tác động hóa học, cơ học và củamôi trường

Yêu cầu chủ yếu đối với nền là phải nhẹ và có độ dẻo cao Phụ thuộc vào tính chấtcủa composite cần chế tạo, người ta chọn loại nền phù hợp trong bốn nhóm: kimloại, 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 nhấtbảocđảm cho sự kết hợp các đặc tính tốt của hai pha trên Để tăng cường độ gắnchắc nền - cốt, người ta có thể áp dụng các biện pháp sau.

- Liên kết cơ học, được thực hiện nhờ khớp nối thông qua độ mấp mô trên bề mặt

do lực ma sát như kiểu bêtông cốt thép có gân (đốt)

- Liên kết nhờ thấm ướt do năng lượng sức căng bề mặt vì pha nền bị nung chảy vàdính ướt 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 chấthóa học, nó như lớp keo dính chặt cốt với nền Đây là loại liên kết tốt nhất

- Liên kết ôxyt, loại liên kết phản ứng đặc trưng cho nền kim loại với cốt là ôxytcủa chính kim loại đó

Sau đây trình bày đặc tính của từng loại composite hạt, sợi và cấu trúc

Qui luật kết hợp: Từ lâu người ta đã biết sự kết hợp tính chất của các pha trong vậtliệu đa pha Ví dụ, độ bền cao cùng với độ dẻo tương 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 cáctính chất tương ứng của sợi xenlulô (bền, dai) được phân bố theo hướng xác địnhvới lignin (cứng vững) bao quanh Đó là bằng các con đường kết hợp tự nhiên.Bằng con đường kết hợp nhân tạo các pha có bản chất khác nhau theo một kiếntrúc định trước sẽ bảo đảm tạo nên một tổ hợp các tính chất phù hợp với các yêucầu sử dụng đề ra

Vậy composite là loại vật liệu nhiều pha khác nhau về mặt hóa học, hầu như khôngtan vào nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha, kết hợp lại nhờ sự can thiệp kỹthuật của con người theo những sơ đồ thiết kế trước, nhằm tận dụng và phát triểnnhững tính chất ưu việt của từng pha trong composite cần chế tạo

II Composite cấu trúc

Composite cấu trúc là loại bán thành phẩm dạng tấm nhiều (≥ 3) lớp được tạothành bằng cách kết hợp các vật liệu đồng nhất với composite theo những phương

án cấu trúc khác nhau Do đó tính chất không những phụ thuộc vào tính chất cácvật liệu thành phần mà còn cả vào thiết kế hình học của chúng trong kết cấu.Thường dùng hai loại: dạng lớp và panel sandwich

Hình 2 Sơ đồ tạo composite cấu trúc dạng lớp.

III Composite cấu trúc dạng lớp

Có thể dễ dàng hình dung dạng composite này qua gỗ dán, cót ép Chúng gồm bởicác lớp (tấm) có độ bền dị hướng cao (như gỗ, composite cốt sợi liên tục thẳnghàng), được sắp xếp sao cho các phương độ bền cao nhất của các lớp, tấm kề nhauđược đổi hướng liên tục (trên hình 2 là tấm gồm năm lớp vuông góc với nhau) vàđược ép kết dính với nhau Nhờ đó loại này có độ bền cao theo các phương songsong với mặt tấm, nhưng rất kém theo phương vuông góc với tấm

Hình 3 Sơ đồ của panel sandwich

Loại này gồm ba lớp (hình 3) trong đó hai lớp mặt được chế tạo từ vật liệu có độbền hay độ cứng vững cao (như hợp kim nhôm, titan, thép và composite dạng lớp)

có chức năng chịu toàn bộ tải trọng tác dụng theo các phương song song với mặttấm Lớp giữa (lõi) có hai chức năng: ngăn cách hai lớp trên, chống biến dạng theophương vuông góc và tạo độ cứng vững tránh cong vênh Vật liệu làm lõi có thể là

polyme xốp, caosu nhân tạo, chất dính vô cơ, gỗ nhẹ hoặc có cấu trúc tổ ong,trong đó vách mỏng liên kết định hướng các ô lục giác vuông góc với mặt như biểuCấu trúc này hao hao giống sandwich - bánh mỳ kẹp (thịt, dămbông ), khác vớiloại trên ở giữa không phải là tấm song song.

IV Composite cốt sợi

1.Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi

1.1 Sự phân bố và định hướng sợi

Hình 4 Sơ đồ phân bố và định hướng 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.

Có nhiều kiểu phân bố và định hướng sợi như biểu thị ở hình 4 ở đây sợi được coinhư thớ trong kim loại, làm cho vật liệu có tính dị hướng rõ rệt Do vật liệu làm cốtbao giờ cũng bền, cứng hơn nền, nên theo phương cốt sợi composite thể hiện độbền cao hơn các phương khác

- Khi các sợi phân bố song song với nhau theo một phương nào đó như biểu thị ởhình a, độ bền theo phương dọc sợi sẽ cao hơn hẳn phương vuông góc với nó

Kiểu này được gọi là một chiều.

- Khi cũng phân bố trên một mặt song theo hai phương vuông góc với nhau nhưvải (các sợi đan vuông góc với nhau) biểu thị ở hình b, thì khi thử theo hai phươngdọc theo trục sợi độ bền nhận được là cao hơn cả Kiểu này được gọi là kiểu dệt

- Khi sợi phân bố trải trên một mặt nhưng không định hướng, nhiều phương (rối),

có tính ngẫu nhiên như ở hình c sẽ làm cho composite có tính đẳng hướng (theotất cả các phương trên mặt các tính chất đều như nhau) Kiểu này được gọi là rốingẫu nhiên trong một mặt (như cấu trúc của dạ, nỉ)

- Cuối cùng khi sợi được phân bố (đan, quấn) và định hướng theo ba phươngvuông góc với nhau như ở hình d thì composite có độ bền lớn nhất theo cả baphương tương ứng Tuy nhiên điều được người ta quan tâm hơn cả có ảnh hưởngđến cơ tính của composite cốt sợi là yếu tố hình học của sợi: chiều dài và đườngkính hay tỷ lệ giữa chúng

1.2 Ảnh hưởng của chiều dài sợi.

Điều quan trọng nhất đối với composite kết cấu cốt sợi phải có cấu trúc sao cho tảitrọng đặt vào phải được dồn vào sợi là pha có độ bền cao, nếu chỉ tập trung vàonền là pha kém bền hơn sẽ dẫn đến phá hủy pha này một cách nhanh chóng, nóikhác đi cơ tính phụ thuộc vào mức độ truyền tải trọng từ nền vào sợi

Hình 5 Sơ đồ biến dạng nền khi đặt tải vào composite cốt sợi ngắn, biến dạng ở phần nền

bao quanh sợi chịu kéo.

Đối với loại cốt sợi ngắn, dưới tác dụng của ứng suất đặt vào sự biến dạng của nềndừng lại ở (đầu) mút sợi, một phần nền bị chảy như thấy rõ ở hình 5 Như vậykhông có sự truyền tải từ nền vào mút sợi Tuy nhiên tình hình sẽ được cải thiệnmột khi chiều dài sợi tăng lên

- Người ta đã tính được rằng khi sợi dài bằng hay dài hơn một chiều dài tới hạn lcmới làm tăng một cách có hiệu quả độ bền và độ cứng vững của composite

Chiều dài tới hạn lc này phụthuộc đường kính d của sợi, giới hạn bền (σb)f của sợib)f của sợi(fiber) và sức bền liên kết giữa sợi và nền (hay giới hạn chảy cắt của nền σb)f của sợim)

- Đối với composite sợi thủy tinh hay sợi cacbon, chiều dài tới hạn này khoảng1mm và gấp 20 đến 150 lần đường kính sợi

- Bây giờ xét trường hợp ứng suất kéo tác dụng lên composite bằng giới hạn bềnkéo của sợi cho các trường hợp chiều dài sợi khác nhau (hình 6)

- Khi chiều dài sợi vừa đúng lc, biểu đồ phân bố ứng suất trên chiều dài dài sợi códạng như ở hình a: tải trọng lớn nhất trên sợi đạt giá trị (σb)f của sợib)f ở chính giữa trục sợi.Khi chiều dài sợi tăng lên, tác dụng gia cường của sợi trở nên hiệu quả hơn nhưbiểu thị ở hình b, tức trên phần lớn chiều dài sợi chịu tác dụng của mức ứng suấtđặt vào (σb)f của sợib)f Còn khi l < lc tác dụng gia cường không có như biểu thị ở hình c,ứng suất lớn nhất tác dụng trên sợi không đạt đến ứng suất đặt vào (σb)f của sợib)f.Người ta quy ước:

Khi l > 15lc, composite là là loại cốt liên tục hay dài

Khi l < 15lc, composite là loại cốt sợi không liên tục hay ngắn; trong đó khi l < lcnền bao quanh sợi bị biến dạng đến mức không có sự truyền tải, tác dụng giacường của sợi không có, được coi như composite hạt

Hình 6 Biểu đồ phân bố ứng suất trên chiều dài sợi khi:

a l = lc,

b l >>lc,

c l <lc (với composite cốt sợi chịu ứng suất kéo bằng giới hạn bền kéo của sợi).

- Trên hình 7 trình bày sơ đồ cấu trúc của loại composite cốt sợi trong đó loại cốtsợi liên tục thẳng hàng (thường chỉ gọi ngắn gọn là liên tục) như ở hình a là loạiquan trọng hơn cả sẽ được khảo sát dưới đây

Hình 7 Sơ đồ cấu trúc của composite cốt sợi:

a liên tục (liên tục thẳng hàng).

b gián đoạn thẳng hàng.

c gián đoạn hỗn độn

2 Các loại composite cốt sợi phổ biến

2.1 Composite polyme - sợi thủy tinh

Hình 8 Thuyền làm từ composite

- Là loại được sản xuất với khối lượng nhiều nhất vì chúng khá rẻ, nhẹ, có độ bềnriêng cao và sự gắn kết tốt giữa hai pha nền - cốt, với cả hai loại cốt sợi liên tụccũng như gián đoạn Loại phổ biến nhất là polyeste - sợi thủy tinh, tiếp đến lànylon

- sợi thủy tinh Tuy nhiên loại này có nhược điểm là không đủ độ cứng vững trongmột số trường hợp yêu cầu (như khi làm kết cấu của máy bay, cầu ), nhiệt độ làmviệc thấp, dưới 200 độ C (trên đó polyme bị chảy và hủy hoại) Hiện compositepolyme

- sợi thủy tinh được dùng ngày càng nhiều trong các phương 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 được khốilượng và do đó là tiêu hao nhiên liệu

2.2 Composite polyme - sợi khác

Hình 9 Xe đạp Composite

Composite polyme - sợi cacbon có môđun đàn hồi riêng cao hơn, tính chịu nhiệt độ

và bền hóa học cao hơn nhưng đắt hơn và chỉ có loại sợi gián đoạn Loại compositenày có sức cạnh tranh lớn trong máy bay do giảm nhẹ được khối lượng (giảm 20 -30% so với dùng kim loại)

Composite epoxy - sợi bo được dùng trong máy bay lên thẳng (làm cánh rôto), cònloại polyme - sợi aramit bắt đầu được dùng trong hàng không, tàu biển và đồ dùngthể thao

2.3 Composite kim loại - sợi

Trong loại này nền kim loại có thể là: nhôm, đồng (phổ biến nhất), magiê,titan với cốt sợi: cacbon, bo, cacbit silic, dây kim loại Tỷ lệ thể tích sợi khoảng

20 - 50%

Một trong các composite có triển vọng nhất là loại nền nhôm - sợi bo có phủcacbit silic để làm chậm phản ứng không mong muốn giữa nhôm và bo Compositenền 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 trongtuabin

Hình 10 Sợi thủy tinh Composite

2.4 Composite cacbon – cacbon

Hình 11 Composite cacbon – cacbon

2.5 Composite cốt sợi pha

- Đây là loại composite trong đó người ta dùng hai (hay nhiều hơn) loại sợitrong cùng một nền, có sự kết hợp các tính chất tốt hơn loại chỉ có một loạicốt 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, nhẹhơn song đắt hơn sợi thủy tinh) Khi composite sợi pha bị ứng suất kéo, sự phá

hủy xảy ra không tức thời: sợi cacbon bị đứt trước sau đó tải trọng được truyềnsang sợi thủy tinh, rồi cuối cùng composite bị phá hủy hoàn toàn khi nền bị hỏng

do tải trọng tác dụng vào

V Composite cốt sợi gián đoạn hỗn hợp

Bảng 1 Giá trị của thông số k ứng với định hướng kh c nhau giữa sợi và

ứng suất.

Sơ đồ cấu trúc của composite cốt sợi gián đoạn hỗn độn được trình bày ở hình 7c.Lúc này biểu thức của quy tắc kết hợp đối với môđun đàn hồi được biểu thị nhưsau:

VI Composite cốt sợi gián đoạn thẳng hàng

Sơ đồ cấu trúc của composite cốt sợi gián đoạn thẳng hàng được trình bày ở hình7c Tất nhiên l do chiều dài sợi ngắn (l < 15lc) hiệu quả gia cường của sợicomposite không thể cao như loại cốt sợi liên tục thẳng hàng Với loại sợi ngắnnhư vậy môđun đàn hồi và giới hạn bền chỉ tương ứng bằng khoảng 90 và 50% sovới loại cốt sợi liên tục (dài) Tuy nhiên loại composite gián đoạn thẳng hàng nàycũng ngày càng có vị trí quan trọng hơn trên thị trường Cơ tính của loại này, ngoàihàm lượng thể tích của sợi ra còn phụ thuộc vào chiều dài hay yếu tố hình học củasợi S = l / d

VII Composite cốt sợi liên tục thẳng hàng

1 Khi kéo dọc

Ở đây sợi dài sắp xếp song song, thẳng hàng là loại có độ bền cao nhưng giòn, có

tỷ lệ thể tích Vf được phân bố trong nền có tỷ lệ thể tích là Vm = 1 - Vf Mộtcomposite bị kéo theo phương dọc trục sợi như 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 như nhau:

Hình 12 Sơ đồ kéo mẫu composite cốt sợi liên tục thẳng hàng theo phương dọc trục sợi.

2 Khi kéo ngang

Khi composite bị kéo ngang tức theo phương vuông góc với trục sợi thì ứng suấttác dụng lên các pha là như nhau và bằng ứng suất tác dụng lên composite nên độbiến dạng của toàn thể thanh composite bằng tổng biến dạng của cá pha

3 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi

Trong thực tế nếu tỷ lệ thể tích Vf (hay còn gọi là hàm lượng) của sợi quá nhỏ, sợikhông có tác dụng gia cường cho composite Đối với composite thông thường vớinền dẻo hơn cốt bao giờ cũng tồn tại một giá trị Vfmin mà ứng với các giá trịVf<Vfmin sự phá hủy các sợi cốt chưa dẫn tới sự phá hủy tức khắc composite Khicốt quá ít như vậy, toàn bộ tải sẽ tác dụng lên nền và làm mẫu biến dạng Quátrình biến dạng đồng thời của cốt sợi và nền xảy ra cho tận đến khi độ giãn dài củamẫu bằng độ giãn dài khi phá hủy của sợi Lúc này nếu lực vẫn tiếp tục tác dụngthì toàn bộ số cốt sợi ít ỏi sẽ bị đứt hết Ngay cả đến lúc này mẫu vẫn tiếp tụcbiến dạng và sự phá hủy cuối cùng xảy ra khi độ biến dạng mẫu đạt đến độ giãn dàikhi phá hủy của nền Như vậy giới hạn bền của composite ứng với Vf <Vfminbằng giới hạn bền kéo (σb)f của sợib)m của nền nhân với tỷ lệ thể tích Vm của nó chiếm, tức

là (σb)f của sợib)c= Vm (σb)f của sợib)m= (1 - Vf) (σb)f của sợib)m