ĐỀ TÀI VẬT LIỆU COMPOSITE

KĨ THUẬT VẬT LIỆU DÀNH CHO SINH VIÊN CƠ KHÍ

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Đề tài: VẬT LIỆU COMPOSITE

Nội dung cơ bản:

I Khái niệm chung

1 Khái niệm, đặc điểm

2 Phân loại

3 Tổ chức của vật liệu composite

4 Liên kết nền- cốt

II Composite hạt

III Composite cốt sợi

IV Composite cấu trúc

V Công nghệ chế tạo composite

I Khái niệm chung

Bêtông = Cát + Đá + Ximăng + Nước

Bồn = Sợi thuỷ tinh + Nhựa

1.Khái niệm và đặc điểm

Là loại vật liệu đa pha có thành phần hóa học khác nhau, hầu như không tan vào nhau, phân cách nhau bởi ranh giới pha, kết hợp với nhau theo những sơ đồ thiết kế trước, nhằm tận dụng và phối hợp các tính chất ưu việt của từng pha

Đặc điểm:

•Là loại vật liệu đa pha khác về bản chất, hầu như không tan vào nhau, phân cách bằng ranh giới pha

•Nền và cốt có tỷ lệ, hình dáng, kích thước và sự phân bố theo thiết kế định trước

•Tính chất của các pha thành phần kết hợp lại tạo nên tính chất của composite

2 Phân loại:

a Theo bản chất nền

b Theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc

3 Tổ chức của vật liệu composite:

Tổ chức: đa pha, thông thường có 2 pha

a Cốt:

CốtNền

Cốt: là pha gián đoạn, đóng vai trò tạo nên độ bền và môđun đàn hồi cao.

•Vật liệu: kim loại, chất vô cơ, polyme,…

•Hàm lượng, hình dạng, kích thước và sự phân

bố của cốt ảnh hưởng mạnh đến tính chất của composite

• Hình dạng: sợi, hạt, tấm

b Nền:

Nền là pha liên tục, đóng vai trò:

 Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành khối đồng nhất.

 Tạo khả năng gia công composite thành các chi tiết theo thiết kế.

 Che phủ, bảo vệ cốt

 Vật liệu: kim loại, polyme, gốm và hỗn hợp.

 Nền phải nhẹ và có độ dẻo cao.

4 Liên kết nền- cốt:

 Liên kết cơ học, được thực hiện bằng phép nối thông qua

độ mấp mô bề mặt do lực ma sát như kiểu bê tông cốt thép

có gân.

 Liên kết nhờ thấm ướt do năng lượng sức căng bề mặt tạo

ra khi pha nền chảy thấm ướt vào cốt.

 Liên kết phản ứng xuất hiện khi ranh giới pha xảy ra phản ứng tạo hợp chất hóa học, nó như lớp keo dính chặt giữa nền và cốt Đây là liên kết tốt nhất.

 Liên kết ôxyt: là liên kết phản ứng đặc biệt, đặc trưng cho nền kim loại với cốt và ôxyt của chính kim loại đó.

 Liên kết hỗn hợp: là hỗn hợp các kiểu liên kết trên khi tương tác nền – cốt phụ thuộc mạnh vào quá trình công nghệ và điều kiện sử dụng

II Composite hạt

1 Composite hạt thô

“Thô” để chỉ tương tác nền- cốt không xảy ra

ở mức độ phân tử, nguyên tử Lúc này sự hóa bền có được là nhờ sự cản trở biến dạng của nền

ở vùng lân cận so với hạt cốt

 Tùy thuộc vào sự phân bố của hạt cốt trong nền mà môđun đàn hồi Ec của composite nằm trong giới hạn 2 đường biểu diễn:

Hình 2.1 Sự phụ thuộc của môđun đàn hồi và hàm

lượng cốt trong composite nền Cu, cốt hạt W

1 số loại composite hạt thô thông dụng:

• Composite hạt thô nền polyme: đưa các hạt cốt

như thạch anh, thủy tinh, Al2O3 ,…vào polyme để cải thiện độ bền kéo, tính chống mài mòn, chịu nhiệt, ổn định kích thước.

• Composite hạt thô nền kim loại: các hợp kim cứng trên cơ sở các hạt WC, MoC, TaC trên nền Co, các hợp kim tiếp điểm gồm các hạt kim loại khó chảy (W, Mo) hàm lượng từ 5  20.

Ví dụ:

Hợp kim cứng = Bột WC + Co

2 Composite hạt mịn ( hóa bền phân tán)

Đặc điểm: tương tác nền xảy ra ở mức độ nguyên tử hoặc phân tử

Nền: thường là kim loại, hợp kim

Cốt: thường rất bé dưới 0,1µm, thường là các vật liệu bền, cứng, có tính ổn định nhiệt cao Vd: ôxyt, cacbit

Cơ chế hóa bền: như hiện tượng biến cứng phân tán khi phân hóa dung dịch rắn quá bão hòa

Ứng dụng: cho vật liệu bền nóng và ổn định nóng cao

1 số loại composite hạt mịn:

•SAP, nền là nhôm hoặc hợp kim nhôm, cốt là

Al2O3 hàm lượng 5  20%, cung cấp dạng bán thành phẩm như tấm, ống, dây để làm các chi tiết có độ bền riêng lớn, làm việc 300  5000 C, chịu tác dụng của môi trường ăn mòn

•TD nickel, nền là nickel và cốt là ThO2 hàm lượng

2 % TD Nickel có độ bền nóng cao khoảng 1000 

11000 C, không bị ăn mòn tinh giới, sử dụng trong hàng không vũ trụ, chế tạo tua bin, ống dẫn,…

III Composite cốt sợi

1 Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi đến cơ tính

composite

a.Sự phân bố và định hướng cốt sợi

Một số kiểu phân bố và định hướng cốt sợi:

Hình 3.1 Sơ đồ phân bố và định hướng cốt sợi

một chiều dệt 2 chiều vuông góc

ngẫu nhiên, rối 1 mặt đan - quấn 3 chiều

vuông góc

b Ảnh hưởng của chiều dài cốt sợi

 Chiều dài sợi có ảnh hưởng lớn đến độ bền và độ cứng vững của composite.

Chiều dài cốt sợi lớn hơn hay nhỏ hơn Lt/h sẽ quyết định đến

cơ tính của composite.

Người ta tính được rằng khi cốt sợi có chiều dài LS:

•LS  Lt/h: cốt sợi có tác dụng tăng bền và độ cứng vững cho composite

•LS  Lt/h: tác dụng gia cứng cốt sợi sẽ không có, composite được coi là composite hạt

 Xét trường hợp ứng suất kéo tác dụng lên composite bằng giới hạn bền kéo của sợi cho các trường hợp chiều dài sợi khác nhau:

Hình 3.2 Biểu

đồ phân bố ứng suất trên chiều dài sợi

LS = Lt/h

LS  Lt/h

LS  Lt/h

Người ta quy ước:

• Khi LS  10Lt/h composite là loại cốt sợi liên tục

• Khi LS  10Lt/h composite là loại cốt sợi ngắn

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc composite cốt sợi

a) Liên tụcb) Ngắn thẳng hàngc) Ngắn hỗn độn

(b)S - giới hạn bền của cốt sợi

n - ứng suất trong nền tại thời điểm cốt sợi bị đứt

• Môđun đàn hồi: EC = VS.ES + Vn.En

• Hàm lượng tối thiểu của cốt sợi:

Ngoài độ dài của cốt sợi, hàm lượng sợi cũng ảnh hưởng đến độ bền của composite:

EC - môđun đàn hồi của composite

VS - thể tích cốt sợi; ES - môđun đàn hồi cốt sợi

Vn - thể tích nền; En - môđun đàn hồi của nền

+Khi hàm lượng sợi nhỏ hơn hàm lượng tối thiểu (Vmin )S nào đó thì sợi sẽ không có tác dụng gia cường.

+Muốn phát huy khả năng hóa bền của cốt sợi, thì VS  (Vmin)S : (Vmin)S = | (b)n - n |  | (b)S - n |

ÞComposite cốt sợi liên tục phải thỏa mãn 2 điều kiện:

+ Chiều dài sợi LS  10Lt/h

+ Hàm lượng sợi VS  (Vmin )S

b Composite cốt sợi ngắn gián đoạn thẳng hàng

•Lt/h  LS  10Lt/h : lúc này cốt sợi vẫn có tác dụng gia cường, tuy nhiên không bằng cốt sợi liên tục

(b)c = (b)S.VS[1 – (Lt/h  2LS)] + n.(1 – VS)

•LS  Lt/h: tác dụng gia cường của cốt sợi không còn,

độ bền được tính theo công thức:

(b)c = (LS / dS)..VS + n.(1 – VS)

- ứng suất tiếp tuyến tại ranh giới phân chia nền cốt

n - ứng suất trong composite khi cốt sợi bị đứt

Định hướng sợi Chiều ứng suất KSợi định hướng song song  Song song với sợi

 Vuông góc với sợi 10Phân bố ngẫu nhiên đồng

nhất trong mặt Theo phương bất kỳ trong mặt 38Phân bố sợi ngẫu nhiên

3 Kích thước và vật liệu làm cốt sợi

a Kích thước sợi

Cốt sợi dùng để chế tạo composite có kích thước càng nhỏ càng tốt vì xác suất tồn tại khuyết tật trên cốt sợi đường kính nhỏ thấp hơn cốt sợi đường kính lớn

Dựa vào đường kính, chia làm 3 loại: râu, sợi

và dây nhỏ

• Râu đơn tinh thể:

+ Có đường kính rất nhỏ (cỡ 1  2m), tỷ lệ chiều dài và đường kính khá lớn, được chế tạo bằng kỹ thuật nuôi đơn tinh thể

+ Hàm lượng khuyết tật rất thấp, không nứt, rỗng nên có độ bền rất cao

+ Vật liệu chế tạo: Graphit, SiC, Al2O3,…

+ Ít sử dụng vì rất đắt tiền và khó gắn kết với nhau

•Sợi: được chế tạo bằng công nghệ kéo, có kích thước tương đối nhỏ (vài chục m), vật liệu chế tạo cốt sợi có thể là sợi thủy tinh, sợi polyme, sợi cacbon, Al2O3, SiC,…

•Dây: có đường kính nhỏ (50  300m), thường

là kim loại: dây thép cacbon cao, vonfram, môlipđen, titan,…Loại cốt này dùng để gia bền lốp ôtô, khung tên lửa, ống dẫn cao áp,…

• Tính chất một số loại cốt sợi:

SợiKevla 49

3,52,73,54,44,81,50  5,5

2,13,93,7

12460726084

150  500170420

300  420

20020055065065020002500

800900

500  700

SiC

Si3N4

Al2O3

2,203,203,203,9

202014

14  28

690480380

415  550

25001600

DâyThép C cao

Mo

W

7,810,219,3

4,11,44,3

210360400

-b Vật liệu làm cốt sợi: thường là thủy tinh, cacbon, polyme, SiC, Al2O3, Si3N4,…

c Vật liệu làm nền: thường là polyme và kim loại

vì chúng có tính dẻo tốt

4 Các loại composite cốt sợi phổ biến

độ bền riêng cao, liên kết hai pha nền - cốt khá cao

•Nền polyme thường là polyeste hoặc nylon

•Nhược điểm: có môđun đàn hồi thấp và chỉ sử

dụng dưới 2000C

•Ứng dụng: được dùng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo vỏ, thân xe ôtô, tàu biển, bồn chứa nước, ống dẫn, tấm lát sàn, containơ chứa hàng

Ngành tàu biển

Chế tạo ống dẫn

b Composite nền polyme - cốt sợi khác

•Composite nền polyme - sợi cacbon: giảm trọng lượng (20  30 so với thép), có môđun đàn hồi riêng rất cao, bền nhiệt và không bị ăn mòn.

•Composite nền polyme - sợi polyamit có thể chế tạo các chi tiết, kết cấu tàu biển, hàng không: lớp phủ bảo vệ nhiệt, dụng cụ thể thao: ván trượt, vợt tennis, cano,…

Chế tạo máy bay

Ngành thể thao

c Composite nền kim loại - sợi

•Nền có thể là Al, Cu, Mg, Ti với cốt sợi C, SiC, sợi

bo, dây kim loại,…với tỉ lệ thể tích khoảng 20  50

•Composite nền Al – sợi bo có phủ SiC có độ bền riêng cao, môđun đàn hồi cao, nhẹ được sử dụng trong lĩnh vực hàng không.

•Composite nền Cu cốt hạt thép có tính chống mài mòn cao dùng làm bạc đỡ ổ trục

•Composite nền Ni hoặc Co với cốt sợi là dây W

có tính chịu nhiệt cao dùng làm tuabin

4 Composite nền cacbon - sợi cacbon

•Tính chất: có tính chịu nhiệt cao nhất, khối lượng riêng nhỏ, độ bền và môđun đàn hồi cao, hệ

số giãn nỡ nhiệt rất nhỏ và không bị ăn mòn

•Ứng dụng: trong lĩnh vực hàng không, vũ trụ, các chi tiết ma sát, chịu nhiệt cao,…

Chế tạo tàu vũ trụ

Chế tạo chi tiết máy

IV Composite cấu trúc

1 Composite cấu trúc dạng lớp

Hình 4.1 Sơ đồ sắp xếp các lớp

composite cấu trúc dạng lớp

•Sắp xếp: theo lớp và đổi hướng thỏa yêu cầu thiết

kế rồi ép dính lại với nhau

Tính chất: có độ bền cao theo các phương

song song với mặt tấm, và kém bền theo phương vuông góc với mặt tấm

Ứng dụng: khá rộng rãi như trong lĩnh vực xây dựng, hàng không, dụng cụ thể thao, cơ khí chế tạo máy; dùng để sản xuất gỗ dán, cót ép

2 Composite cấu trúc dạng tấm ba lớp (panel sandwich)

Hình 4.2 Sơ đồ cấu tạo composite cấu trúc ba lớp

•Hai lớp mặt được chế tạo từ vật liệu có độ bền và

độ cứng vững cao (như hợp kim nhôm, hợp kim titan, thép và composite dạng lớp) có chức năng chịu toàn bộ tải trọng tác dụng theo chiều song song với mặt tấm.

•Lớp lõi có tác dụng duy trì khoảng cách giữa 2 lớp mặt, giảm biến dạng theo chiều vuông góc với mặt tấm, tạo độ cứng vững nhất định, tránh cong vênh.Vật liệu làm lõi như cao su nhân tạo, polyme bọt hoặc dạng

tổ ong

V Công nghệ chế tạo composite

Quy trình chế tạo tổng quát:

Khâu kết hợp nền cốt là đặc biệt quan trọng, nó quyết định chất lượng nền cốt, hình dạng kích thước chi tiết hay bán thành phẩm.

1 Phương pháp đúc: nền và cốt được kết hợp và tạo hình trong khuôn đúc hoặc khuôn ép

2 Phương pháp bột: nền và cốt kết hợp với nhau tạo hình bằng công nghệ bột

3 Phương pháp tẩm chất nền lỏng: cốt được tẩm chất nền lỏng sau đó được đúc hoặc ép trong khuôn + quá trình đóng rắn hoặc gia nhiệt để tạo hình composite.

4 Phương pháp kết tinh định hướng: phương pháp này dùng cho composite ứng với hợp kim cùng tinh

CÁM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN ĐÃ

QUAN TÂM THEO DÕI!