Vật liệu phi kim loại

Vật liệu phi kim loạiBản chất và phân loại Ceramic hay còn gọi là vật liệu vô cơ được tạo thành từ các hợp chất hóa học giữa: - kim loại Me với các á kim bao gồm B, C, N, O và Si bán kim

Vật liệu phi kim loại

Bản chất và phân loại

Ceramic hay còn gọi là vật liệu vô cơ được tạo thành từ các hợp chất hóa học giữa:

- kim loại (Me) với các á kim bao gồm B, C, N, O và Si (bán kim loại hay bán dẫn) bao gồm các borit, cacbit, nitrit, ôxyt, silixit kim loại hay

- các á kim kết hợp với nhau như các cacbit, nitrit, ôxyt của bo và silic (SiC, BN, SiO2) như biểu thị ở hình 7.1

Hình 7.1 Các khả năng kết hợp giữa các nguyên tố hóa học để tạo nên ceramic

Với sự kết hợp đa dạng như vậy làm cho ceramic cũng đa dạng về thành phần hóa học và tính chất Theo các dạng hợp chất hình thành, ceramic có nhiều loại như:+ đơn ôxyt kim loại (Al2O3 trong gốm corindon),

+ đơn ôxyt bán kim loại (SiO2 trong thủy tinh thạch anh),

+ hỗn hợp nhiều ôxyt kim loại (sứ, thủy tinh silicat),

+ các đơn nguyên tố (bo, cacbon),

+ cacbit, nitrit của kim loại và á kim (TiC, SiC, BN, ZrN )

Có thể phân loại ceramic theo thành phần hóa học, theo cấu trúc, theo phương pháp công nghệ, lĩnh vực sử dụng

Theo các đặc điểm kết hợp, thịnh hành cách phân loại ceramic ra làm ba nhóm chính:

• gốm và vật liệu chịu lửa

• thủy tinh và gốm thủy tinh

• ximăng và bêtông

Liên kết nguyên tử

Do ceramic được tạo nên từ các nguyên tố có bản chất hóa học khác nhau: kim loại

và á kim, nên có liên kết và cấu trúc phức tạp khác với kim loại

Khác với kim loại (chủyếu có liên kết kim loại), trong ceramic không có liên kết kim loại mà là kết hợp giữa liên kết ion và liên kết đồng hóa trị Ví dụ, tỷ lệ liên kết ion của các nguyên tố K, Mg, Zr, Ti, Al, B, Si, C với ôxy lần lượt là 90, 80, 67, 63,

60, 45, 40, 22% (phần còn lại là liên kết đồng hóa trị) Chính có liên kết phức hợp như vậy năng lượng liên kết trong ceramic tương đối lớn, khoảng 100 đến

500kJ/mol (cao hơn kim loại, 60 đến 250kJ/mol) nên nó có nhiệt độ nóng chảy cao, mật độ cao, cứng, giòn, trong suốt và cách điện cao

Cũng do đặc điểm về liên kết như vậy mà cấu trúc tinh thể của ceramic khác với kim loại, cụ thể là:

độ nóng chảy (kết tinh) xác định như vật liệu tinh thể, nó chuyển trạng thái từ từ trong một khoảng nhiệt độ

- Với các hợp chất có độ sệt (nhớt) không cao lắm khi làm nguội nhanh cũng nhận được trạng thái vô định hình

Hình 7.11 Sơ đồ cấu trúc theo không gian hai chiều của:

a tinh thể thạch anh (SiO2), b thủy tinh thạch anh (SiO2),

c thủy tinh natri silicat (Na2O - SiO2)

Hãy lấy thủy tinh SiO2 và các dẫn suất của nó làm ví dụ (hình 7.11) Tinh thể thạch anh SiO2 được tạo thành từ mạng lưới không gian ba chiều của các khối bốn mặt (đa diện phối trí) [SiO4]4 - (trên hình chỉ vẽ theo không gian hai chiều), các khối này liên kết với nhau qua đỉnh, sắp xếp một cách có quy luật, trật tự, có các yếu tố đối xứng cao (hình a) Ngược lại khi ở trạng thái vô định hình các khối này sắp xếp không theo quy luật hình học nào: chúng bị xô lệch như ở thủy tinh thạch anh (hình b), hay các ion của chất cho thêm (Na+ của NaO) phân bố vào các vị trí trống trong mạng vốn đã bị xô lệch như ở thủy tinh silicat (Na2O - SiO2) ở hình c, làm giảm mức độ liên kết của khung thủy tinh thậm chí gây đứt mạng

Cơ tính

Nhược điểm quan trọng nhất làm hạn chế sử dụng rộng rãi của ceramic là cơ tính của nó kém vật liệu kim loại mà chủ yếu là do dễ dẫn đến phá hủy giòn một cách nguy hiểm với năng lượng hấp thụ rất thấp

a Phá hủy giòn trong ceramic

Ở nhiệt độ thường, dưới tác dụng của tải trọng kéo cả ceramic tinh thể lẫn vô định hình thường bị phá hủy giòn mà không xảy ra bất kỳ biến dạng dẻo nào trước đó mànguyên nhân chủ yếu do nứt (đặc biệt là nứt trên bề mặt), rỗng với số lượng lớn là đặc thù của ceramic không những từ cấu trúc tinh thể mà còn từ công nghệ chế tạo (sẽ nói sau)

Như đã biết ceramic có giá trị KIC rất nhỏ (< 5 MPa ) so với vật liệu kim loại (30 - 100MPa ) Sự phá hủy của ceramic xảy ra bằng cách phát triển từ từ của vết nứt khi ứng suất là tĩnh Hiện tượng này được gọi là mỏi tĩnh hay phá hủy chậm Dạng phá hủy này đặc biệt nhạy cảm với điều kiện của môi trường, nhất là khi có hơi nước trong khí quyển Quá trình ăn mòn dưới ứng suất xảy ra ở đỉnh vết nứt do có sự kết hợp giữa ứng suất kéo đặt vào và sự hòa tan vật liệu (do ăn mòn) làm cho nứt bị nhọn và dài ra cho đến khi có đủ kích thước để phát triển nhanh

Trong trường hợp chịu ứng suất nén, không có tập trung ứng suất do có nứt, chính

vì vậy ceramic có độ bền ở trạng thái nén cao hơn kéo và thường được dùng trong điều kiện tải trọng nén Độ bền phá hủy của ceramic giòn được cải thiện nhiều nếu trên bề mặt nó có ứng suất nén dư được thực hiện bằng cách tôi

b Biểu đồ ứng suất - biến dạng và môđun phá hủy

Do khó chế tạo mẫu kéo và sự khác nhau quá nhiều giữa kéo và nén nên với

ceramic người ta không tiến hành thử kéo mà thử uốn ngang Như đã biết khi thử uốn ở mặt trên mẫu chịu nén, mặt dưới chịu kéo

Môđun phá hủy hay giới hạn bền uốn là ứng suất lớn nhất hay ứng suất khi phá hủy trong thử uốn, là chỉ tiêu cơ tính quan trọng đối với ceramic giòn Giá trị của môđunphá hủy là luôn luôn lớn hơn giới hạn bền kéo Phần đàn hồi trên biểu đồ ứng suất - biến dạng khi thử uốn ngang của ceramic cũng như khi thử kéo cho kim loại với quan hệ đường thẳng (bậc nhất, tỷ lệ) giữa ứng suất và biến dạng Hình 7.12 trình bày biểu đồ này của hai ceramic điển hình là ôxyt nhôm (alumin) và thủy tinh Môđun đàn hồi (độ dốc của đường thẳng) của ceramic lớn hơn kim loại ít nhiều Bảng 7.3 liệt kê hai giá trị trên của các ceramic phổ biến nhất.

Bảng 7.3 Môđun phá hủy và môđun đàn hồi của các ceramic

Hình 7.12 Biểu đồ ứng suất - biến dạng khi thử uốn ngang cho alumin và thủy tinh

c Cơ chế biến dạng dẻo

Mặc dầu ở nhiệt độ thường ceramic bị phá hủy trước khi biến dạng dẻo, song trong một số điều kiện nó cũng có thể bị biến dạng dẻo Tuy nhiên sự biến dạng dẻo cho ceramic tinh thể và vô định hình có những đặc điểm khác nhau

Ceramic tinh thể

Giống như kim loại là vật liệu tinh thể, với ceramic tinh thể biến dạng dẻo cũng xảy

ra bằng sự dịch chuyển của lệch Một trong những nguyên nhân cho độ cứng và tínhgiòn cao của vật liệu này là do khó trượt hay lệch khó chuyển động vì quá ít hệ trượt Sự khó trượt còn do nguyên nhân về liên kết ion, ban đầu mỗi ion đều được bao bọc bởi các ion khác dấu nên có lực hút, khi trượt đi một khoảng cách nguyên

tử, các ion cùng dấu lại đứng đối diện nhau nên lại nảy sinh lực đẩy Sự biến đổi bản chất liên kết như thế không thể xảy ra nên không thể trượt được (điều này

không có ảnh hưởng gì đến kim loại vì các nút mạng đều là các ion cùng dấu - cation).

Ceramic vô định hình

Đối với ceramic vô định hình, biến dạng dẻo cũng không xảy ra do không có sắp xếp nguyên tử trật tự, vật liệu bị biến dạng bằng chảy nhớt giống như sự biến dạng của chất lỏng: tốc độ biến dạng tỷ lệ thuận với ứng suất đặt vào Dưới tác dụng của ứng suất tiếp, các nguyên tử và ion được trượt dịch đi với nhau bằng cách phá vỡ vàhình thành lại liên kết giữa các nguyên tử không theo cách mô tả theo mô hình mặt, phương trượt với cơ chế lệch Sự chảy nhớt được mô tả ở hình 7.13

Hình 7.13 Mô hình chảy nhớt của chất lỏng và thủy tinh lỏng dưới tác dụng của ứng suất đặt vào

Độ nhớt, tính chất đặc trưng của chảy nhớt, là thước đo sức bền chống biến dạng của vật liệu vô định hình Đối với chảy nhớt trong chất lỏng bị giới hạn bởi hai tấm phẳng song song và bị tác dụng của ứng suất tiếp thì độ nhớt là tỷ số của ứng suất tiếp và sự biến thiên của tốc độ dịch chuyển dv với khoảng cách dy theo phương vuông góc với các tấm

Các đơn vị đo của độ nhớt là poise (P) và pascal.s (pascal.giây, Pa.s); 1P = s/cm2 và 1Pa.s = 1N.s/m2, sự chuyển đổi giữa chúng như sau: 10P = 1Pa.s

1dyne-Gốm và vật liệu chịu lửa

Bản chất và phân loại

Gốm là vật liệu nhân tạo có sớm nhất trong lịch sử loài người Khởi đầu khái niệm gốm được dùng để chỉ vật liệu chế tạo từ đất sét, cao lanh (gốm đất nung) Về sau, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, khái niệm này được mở rộng và bao gồm thêm đồ sứ, các vật liệu trên cơ sở ôxyt (ví dụ gốm Al2O3) và các chất vô cơ không phải là ôxyt (ví dụ SiC) Khái niệm gốm có liên quan đến hai nội dung: phương pháp công nghệ và đặc điểm tổ chức

Phương pháp công nghệ gốm điển hình là phương pháp thiêu kết bột (như hợp kim bột): khi tạo hình nguyên liệu dạng bột có liên kết tạm thời, sau đó được nung lên nhiệt độ cao để liên kết khối

Tổ chức điển hình của gốm là đa pha Nói đa pha vì hai pha chính tạo nên gốm là pha tinh thể và pha vô định hình, trong đó pha vô định hình phân bố xen giữa các

vùng pha tinh thể và gắn kết chúng lại với nhau Tỷ lệ giữa hai pha này trong các sản phẩm sẽ khác nhau, ví dụ tỷ lệ pha vô định hình trong gạch ngói là 20 - 40%, trong sứ - 50 - 65%, gốm Al2O3 < 1% Ngoài hai pha chính ra trong gốm luôn luôn

có lỗ xốp (trong gạch: 10 - 50%, gốm nhẹ: > 40%, sứ: < 5%) mà tỷ lệ, hình dạng, kích thước và sự phân bố có ảnh hưởng rõ rệt đến các tính chất như độ bền cơ học,

độ dẫn nhiệt, khả năng hút nước Ví dụ môđun đàn hồi E giảm đi theo sự tăng lên của thể tích rỗ xốp P theo biểu thức

E = E0 (1 - 1,9P + 0,9P2)

trong đó E0 là môđun đàn hồi của gốm đặc, không lỗ xốp

Theo thành phần hóa học có thể có các loại gốm sau: gốm silicat, gốm ôxyt, gốm không phải ôxyt và gốm chịu lửa

Gốm silicat

Gốm silicat còn gọi là gốm truyền thống là loại chế tạo từ các vật liệu silicat thiên nhiên độ sạch thấp, chủ yếu từ đất sét và cao lanh để tạo nên các sản phẩm gốm xây dựng (gạch, ngói, ống dẫn, sứ vệ sinh ), gốm gia dụng (ấm chén, bát đĩa) và

gốm công nghiệp (cách điện, bền hóa, nhiệt)

Đất sét là silicat nhôm gồm có Al2O3, SiO2 và nước ngậm Tính chất của nó biến đổi rộng phụ thuộc vào lượng tạp chất mà chủ yếu là các ôxyt (Fe, Ba, Ca, Na, K )

và một ít chất hữu cơ Cấu trúc tinh thể của đất sét tương đối phức tạp song có đặc trưng quan trọng là có cấu trúc tầng nên khi có nước các phân tử nước điền kín các tầng này và tạo ra lớp màng mỏng bao quanh các hạt đất sét làm cho các hạt này dễ dịch chuyển với nhau, tạo ra độ dẻo cao cho hỗn hợp đất sét - nước

Cao lanh (kaolinite) là khoáng phổ biến nhất của đất sét có công thức Al2(Si2O5)(OH)4 hay Al2O3.2SiO2.2H2O Ngoài đất sét, cao lanh còn dùng các nguyên liệu phụ như thạch anh SiO2 làm chất độn, tràng thạch KAlSi3O8 làm trợ dung Ví dụ một sứ điển hình chứa 50% đất sét (cao lanh), 25% thạch anh, 25% tràng thạch

Quy trình sản xuất gốm silicat như sau:

- Gia công, tuyển chọn nguyên liệu: quặng thô được nghiền mịn, sàng để có được

độ hạt yêu cầu Do nguyên liệu thô thường chứa nhiều FeO, Fe2O3 nên khi cần thiết (khi cần màu trắng) phải qua tuyển từ khử ôxyt triệt để (< 1%)

- Cân, trộn phối liệu

- Nhào luyện phối liệu (đa thêm nước vào với lượng khác nhau để tạo độ dẻo thích hợp)

- Tạo hình sản phẩm theo ba cách tùy thuộc độ ẩm:

+ Phương pháp bán khô với phối liệu có độ ẩm 8 - 12% được đầm nén trong khuôn

+ Phương pháp dẻo với phối liệu có độ ẩm 12 - 25%, tính dẻo cao được tạo dáng bằng tay hay dụng cụ, máy chuyên dùng

+ Phương pháp đúc rót với phối liệu có lượng nước cao, phối liệu có dạng hồ được

rót vào khuôn thạch cao, khuôn sẽ hút nước để lại sản phẩm mộc.

- Sấy Ban đầu các hạt đất sét được bọc bởi nước, khi sấy hơi nước bay đi làm khoảng trống giữa các hạt giảm đi gây ra co và rỗng

- Nung đến 900 - 1400oC hay cao hơn tùy thuộc vào thành phần, cơ tính yêu cầu, sản phẩm (gốm xây dựng, gạch ở 900oC, sứ: 1400oC, gốm cao alumin 1600oC) Trong quá trình nung mật độ của gốm tăng lên (do giảm lỗ xốp) và cơ tính được cải thiện Khi gốm được nung đến nhiệt độ cao có xảy ra một số phản ứng trong đó đáng quan tâm nhất là sự thủy tinh hóa: sự hình thành dần dần thủy tinh lỏng, chảy vào điền kín các lỗ hổng và sản phẩm được co thêm Khi nguội, pha nóng chảy đông đặc lại tạo ra nền liên kết làm bền, chắc sản phẩm

Gốm có loại tráng men và không tráng men Lớp men có thể được nung chảy cùng một lần với sản phẩm hoặc nung lại lần thứ hai

Theo đặc điểm kết cấu của xương gốm, người ta phân biệt hai loại thô và tinh Gốmthô có cấu trúc xương tạo bởi các hạt vật liệu rắn có kích thước lớn và không đồng đều (ví dụ gạch ngói, gạch chịu lửa) Gốm tinh được tạo bởi các hạt mịn và đồng đều (ví dụ sứ, gốm, corindon Al2O3)

Gốm oxít

Gốm ôxyt là gốm có thành phần hóa học là một đơn ôxyt (Al2O3 hoặc TiO2) hoặc một ôxyt phức xác định (ví dụ MgO.Al2O3, BaO.TiO2), như vậy trong thành phần không có SiO2

Khác với gốm silicat, gốm ôxyt có độ tinh khiết hóa học cao hơn hẳn (tỷ lệ tạp chất rất thấp) và tỷ lệ pha tinh thể cũng cao hơn hẳn (tỷ lệ pha vô định hình rất thấp) để làm vật liệu kỹ thuật có độ bền nhiệt và độ bền cơ học rất cao, có các tính chất điện

và từ đặc biệt Có thể chia thành ba nhóm nhỏ

a Gốm ôxyt trên cơ sở các ôxyt có nhiệt độ nóng chảy cao

Với các ôxyt có nhiệt độ chảy cao tiêu biểu là Al2O3 (2050oC), MgO (2850oC), ZrO2 (2500 - 2600oC), MgO.Al2O3 (2135oC) bằng công nghệ gốm tinh (với độ tinh khiết > 98%), thiêu kết ở nhiệt độ cao với tổ chức tinh mịn và hầu như toàn bộ

là tổ chức một pha Chúng bao gồm các loại sau

Gốm corindon (Al2O3 ở dạng thù hình α) với nhiệt độ sử dụng khoảng 1900oC được dùng làm chén, nồi nấu kim loại với độ cứng HB 2000 được dùng làm vật liệucắt, hạt mài, thậm chí cấy ghép vào xương

Gốm pericla (MgO) với nhiệt độ sử dụng cao tới 2400oC và có tính kiềm (badơ) được dùng làm nồi nấu chảy kim loại bền với muối clorit và fluorit nóng chảy

Gốm ziêcona (ZrO2) với nhiệt độ sử dụng cao (2300oC), giãn nở nhiệt ít, 7/oK, và gốm spinel (MgO.Al2O3) được dùng vào các mục đích đặc biệt ở nhiệt độ cao.

20.10-b Gốm trên cơ sở TiO2

Gốm trên cơ sở TiO2 có các tính chất đặc biệt (điện môi, sắt từ, áp điện) được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử Có thể chỉ là đơn ôxyt như gốm rutil (TiO2) hay có pha thêm các ôxyt khác để điều chỉnh các tính chất điện từ

c Gốm trên cơ sở Fe2O3 và ôxyt kim loại nặng

Gốm trên cơ sở Fe2O3 và các ôxyt kim loại nặng khác thuộc nhóm Fe tạo ra các vậtliệu bán dẫn và vật liệu từ MeO.Fe2O3 (trong đó Me có thể là Mn, Zn, Ni, Mg, Co,

Cu, Cd, Ti ) được gọi là ferit từ hay đơn giản là ferit, thuộc loại vật liệu từ mềm, được dùng rất nhiều trong kỹ thuật điện tần số cao do có điện trở rất lớn nên dòng fucô sinh ra rất nhỏ, tổn thất điện rất nhỏ Một ứng dụng quan trọng của nó là làm dẫn từ ghép vào vòng cảm ứng khi nung nóng bằng dòng điện cảm ứng có tần số cao khi tôi, hàn, nấu chảy và các mục đích khác

d Gạch chịu lửa

Vật liệu chịu lửa (refractories) là loại vật liệu để xây lắp các lò (luyện kim, thủy tinh, hơi, nung kim loại, nhiệt luyện ) và thiết bị công nghiệp làm việc ở nhiệt độ cao Theo quy ước chung một vật liệu được coi là vật liệu chịu lửa khi nó có độ chịulửa lớn hơn 1520oC, tức nhiệt độ tại đó khối vật liệu hình chóp với kích thước quy định bị đánh gục Vật liệu chịu lửa trên thị trường có thể ở nhiều dạng nhưng gạch

là loại quan trọng và phổ biến hơn cả, được sản xuất theo công nghệ gốm thô Đây

là điểm phân biệt quan trọng với các gốm ôxyt kể trên trong khi về thành phần có thể giống nhau Sau đây phân biệt các loại gạch chịu lửa điển hình

Đinat (silica) với thành phần > 93% SiO2 được sản xuất bằng phương pháp thiêu kết bột Gạch đinat có tính axit với nhiệt độ làm việc cao (> 1550oC) dùng để xây lòcoke, vòm lò thủy tinh, các vùng nung trong lò tuynen, một số lò luyện kim

Samôt là gốm thô Al2O3 - SiO2 với nguyên liệu chính là đất sét, cao lanh Theo thành phần hóa học có samôt thường (30 - 40% Al2O3) - trung tính và samôt bán axit (chỉ chứa 20 - 30% Al2O3) Với độ chịu lửa tương đối tốt (~ 1400oC) tùy từng loại chúng được dùng trong lò nung clinke, khí hóa, hơi và một số lò luyện kim

Cao alumin cũng thuộc hệ Al2O3 - SiO2 như samôt nhưng với hàm lượng Al2O3 cao hơn (45 - 95%) nên độ chịu lửa cao hơn (≥ 1600oC), được sử dụng khi có yêu cầu cao về độ chịu lửa mà samôt không đáp ứng nổi

Gạch kiềm tính là hệ gạch chịu lửa có MgO với các thành phần khác nhau: pericla hay manhêzit (MgO), pericla - crômit hay crôm - manhêzit (Cr2O3 - MgO), đôlômit(MgO - CaO) , chúng rất bền với xỉ kiềm là yêu cầu rất quan trọng với luyện thép

và một số kim loại để có thể tạo ra xỉ kiềm (CaO), khử tạp chất có hại và cũng đượcdùng trong một số lò khác.

Như vậy về công dụng các gạch chịu lửa không có sự khác nhau lớn về độ chịu lửa

mà chủ yếu là ở môi trường làm việc (axit, kiềm hay trung tính)

e Vật liệu chịu lửa khác

Đó là loại không sản xuất theo phương pháp gốm mà dùng cách nấu chảy hay vẫn dùng cách thiêu kết bột như gốm nhưng nguyên liệu không phải là ôxyt

Sản xuất theo cách nấu chảy ôxyt (trong lò điện hồ quang) được gốm thô, độ xít chặt cao với tỷ lệ pha vô định hình thấp, có rỗ khí lớn và phân bố không đều gồm corindon (92 - 98% Al2O3), corindon mulit (80%Al2O3, 20% SiO2)

Với grafit và cacbit silic (SiC) có nhiệt độ nóng chảy cao 2300 - 2500oC cũng có thể tạo nên vật liệu chịu lửa (bằng phương pháp thiêu kết bột) có những ứng dụng

nhất định

Thủy tinh và gốm thủy tinh

Về mặt bản chất, có thể phân biệt thủy tinh với gốm và vật liệu chịu lửa ở:

- Thủy tinh có cấu trúc hoàn toàn là vô định hình, là vật liệu một pha đồng nhất (trong khi đó ở gốm phần lớn là tinh thể)

- Thủy tinh sản xuất theo công nghệ nấu chảy và tạo hình tiếp theo bằng kéo (tấm, ống, sợi), cán, ép, dập, thổi (gốm theo công nghệ thiêu kết bột)

Cũng như gốm, thủy tinh được sử dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống Nguyên liệu để sản xuất thủy tinh cũng phổ biến và rẻ tiền như gốm, nó dùng cát trắng (SiO2), sôđa (Na2CO3), đá vôi (CaCO3), tràng thạch [(K,Na)AlSi3O8], đôlômit (CaCO3.MgCO3)

Theo thành phần hóa học và công dụng có thể có các loại: thông dụng và các loại khác

Xi măng và bê tông

ngoài các phương pháp chế tạo đã trình bày, các vật liệu vô cơ đa pha có thể được chế tạo bằng phương pháp khác (ngoài thiêu kết bột và nấu chảy), đó là phương pháp kết dính các thành phần vật liệu rắn với nhau ở nhiệt độ thường nhờ chất dính kết Đây là nguyên lý chế tạo bêtông, loại vật liệu xây dựng quan trọng hàng đầu, như sau: các cốt liệu rắn (sỏi, cát) với ximăng poclan và nước là chất dính kết theo

tỷ lệ xác định được hòa trộn để có hỗn hợp ở thể nhão (vữa bêtông), sau khi ximăng

đã đóng rắn khối vật liệu trở nên liền khối và vững chắc

Vật liệu composite

1 Composite cấu trúc

Composite cấu trúc là loại bán thành phẩm dạng tấm nhiều (≥ 3) lớp được tạo thành 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 các vật 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

Composite cấu trúc dạng lớp

Hình 9.11 Sơ đồ tạo composite cấu trúc dạng lớp.

Có thể dễ dàng hình dung dạng composite này qua gỗ dán, cót ép Chúng gồm bởi các lớp (tấm) có độ bền dị hướng cao (như gỗ, composite cốt sợi liên tục thẳng hàng), được sắp xếp sao cho các phương độ bền cao nhất của các lớp, tấm kề nhau được đổi hướng liên tục (trên hình 9.11 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 song song với mặt tấm, nhưng rất kém theo phương vuông góc với tấm

Panel sandwich

Hình 9.12 Sơ đồ của panel sandwich

Loại này gồm ba lớp (hình 9.12) trong đó hai lớp mặt được chế tạo từ vật liệu có độ bền 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 mặt tấm Lớp giữa (lõi) có hai chức năng: ngăn cách hai lớp trên, chống biến dạng theo phương 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 biểu diễn ởhình vẽ (vách này thường được làm bằng cùng vật liệu như hai lớp mặt) Cấu trúc này hao hao giống sandwich - bánh mỳ kẹp (thịt, dămbông ), khác với loại trên ở giữa không phải là tấm song song

2 Composte cốt sợi

2.1 Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi

a Sự phân bố và định hướng sợi

Hình 9.3 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 9.3 ở đây sợi được coi như thớ trong kim loại, làm cho vật liệu có tính dị hướng rõ rệt Do vật liệu làm cốt bao giờ cũng bền, cứng hơn nền, nên theo phương cốt sợi composite thể hiện độ bền cao hơn các phương khác

- Khi các sợi phân bố song song với nhau theo một phương nào đó như biểu thị ở hình 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 như vải (các sợi đan vuông góc với nhau) biểu thị ở hình b, thì khi thử theo hai phương dọc 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 (theo tất

cả các phương trên mặt các tính chất đều như nhau) Kiểu này được gọi là rối ngẫu nhiên trong một mặt (như cấu trúc của dạ, nỉ)

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

tỷ lệ giữa chúng

b Ảnh hưởng của chiều dài sợi

Điều quan trọng nhất đối với composite kết cấu cốt sợi phải có cấu trúc sao cho tải trọng đặt vào phải được 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 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 nền dừng lại ở (đầu) mút sợi, một phần nền bị chảy như thấy rõ ở hình 9.4 Như vậy không có sự truyền tải từ nền vào mút sợi Tuy nhiên tình hình sẽ được cải thiện một khi chiều dài sợi tăng lên

Người ta đã tính được rằng khi sợi dài bằng hay dài hơn một chiều dài tới hạn

lc mới 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 sợi (fiber) và sức bền liên kết giữa sợi và nền (hay giới hạn chảy cắt của nền σm)

Đối với composite sợi thủy tinh hay sợi cacbon, chiều dài tới hạn này khoảng 1mm và gấp 20 đến 150 lần đường kính sợi

Bây giờ 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 9.5)

Khi chiều dài sợi vừa đúng lc, biểu đồ phân bố ứng suất trên chiều dài dài sợi có dạng như ở hình a: tải trọng lớn nhất trên sợi đạt giá trị (σb)f ở chính giữa trục sợi Khi chiều dài sợi tăng lên, tác dụng gia cường của sợi trở nên hiệu quả hơn như biểu thị ở hình b, tức trên phần lớn chiều dài sợi chịu tác dụng của mức ứng suất đặtvào (σb)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

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 <

lc nền bao quanh sợi bị biến dạng đến mức không có sự truyền tải, tác dụng gia cường của sợi không có, được coi như composite hạt

Hình 9.5 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 9.6 trình bày sơ đồ cấu trúc của loại composite cốt sợi trong đó loại cốt sợi liên tục thẳng hàng (thường chỉ gọi ngắn gọn là liên tục) như ở hình a là loại quan trọng hơn cả sẽ được khảo sát dưới đây

Hình 9.6 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

2.2 Các loại com posite cốt sợi phổ biến

a Composite polyme - sợi thủy tinh

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

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

polyme - sợi thủy tinh được dùng ngày càng nhiều trong các phương tiện vận tải đặcbiệt 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 khối lượng và do đó là tiêu hao nhiên liệu

b Composite polyme - sợi khác

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 composite này 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), còn loại polyme - sợi aramit bắt đầu được dùng trong hàng không, tàu biển và đồ dùng thể thao

c 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 phủ cacbit silic để làm chậm phản ứng không mong muốn giữa nhôm và bo Composite 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 Composite cacbon - cacbon

Trong loại này tất cả đều bằng cacbon: cốt là sợi cacbon còn nền bao quanh là các hạt (tinh thể) cacbon nhiệt phân được phân hóa và tạo thành ở trạng thái nóng trên sợi cacbon Nền cacbon được tạo thành cũng trên nguyên lý như dùng để chế tạo sợicacbon: cacbon hóa một chất hữu cơ ở nhiệt độ cao (trong chất lỏng ở áp suất trung bình và cao, còn trong chất khí ở áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển), trong các điều

kiện như thế các tinh thể grafit sẽ hình thành và phát triển.

e Composite cốt sợi pha

Đây là loại composite trong đó người 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 Trongloại 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 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 truyền sang sợi thủy tinh, rồi cuối cùng composite bị phá hủy hoàn toàn khi nền bị hỏng do tải trọng tác dụng vào

2.3 Composite cốt sợi gián đoạn hỗn hợp

Bảng 9.1 Giá trị của thông số k ứng với định hướng khác nhau giữa sợi và ứng suất

Sơ đồ cấu trúc của composite cốt sợi gián đoạn hỗn độn được trình bày ở hình 9.6c Lúc này biểu thức của quy tắc kết hợp đối với môđun đàn hồi được biểu thị như sau:

Ec = k Ef Vf + Em Vm

Trong đó k - thông số biểu thị hiệu quả hóa bền mà độ lớn phụ thuộc vào hàm lượng thể tích Vf của sợi và tỷ lệ Ef/Em, k dao động trong khoảng 0,1 - 0,6 Bảng 9.1 trình bày giá trị của thông số k của composite sợi gián đoạn cho các trường hợp định hướng khác nhau giữa sợi và ứng suất

2.4 Composite cốt sợi gián đoạn thẳng hàng

Sơ đồ cấu trúc của composite cốt sợi gián đoạn thẳng hàng được trình bày ở hình 9.6b Tất nhiên là do chiều dài sợi ngắn (l < 15lc) hiệu quả gia cường của sợi

composite không thể cao như loại cốt sợi liên tục thẳng hàng Với loại sợi ngắn như vậy môđun đàn hồi và giới hạn bền chỉ tương ứng bằng khoảng 90 và 50% so với loại cốt sợi liên tục (dài) Tuy nhiên loại composite gián đoạn thẳng hàng này cũng ngày càng có vị trí quan trọng hơn trên thị trường Cơ tính của loại này, ngoài hàm lượng thể tích của sợi ra còn phụ thuộc vào chiều dài hay yếu tố hình học của sợi

S = l / d

2.5 Composite 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 nhưng giòn, có tỷ

lệ thể tích Vf được phân bố trong nền có tỷ lệ thể tích là Vm = 1 - Vf Một

composite 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 9.7 Sơ đồ kéo mẫu composite cốt sợi liên tục thẳng hàng theo phương dọc trục sợi

b Khi kéo ngang

Khi composite bị kéo ngang tức theo phương vuông góc với trục sợi thì ứng suất tácdụng 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 các pha

c 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, sợi không có tác dụng gia cường cho composite Đối với composite thông thường với nền dẻo hơn cốt bao giờ cũng tồn tại một giá trị Vfmin mà ứng với các giá trị Vf< Vfmin sự phá hủy các sợi cốt chưa dẫn tới sự phá hủy tức khắc composite Khi cốt quá ít như vậy, toàn bộ tải sẽ tác dụng lên nền và làm mẫu biến dạng Quá trình biếndạng đồng thời của cốt sợi và nền xảy ra cho tận đến khi độ giãn dài của mẫu bằng

độ giãn dài khi phá hủy của sợi Lúc này nếu lực vẫn tiếp tục tác dụng thì toàn bộ sốcốt sợi ít ỏi sẽ bịđứt hết Ngay cả đến lúc này mẫu vẫn tiếp tục biến dạng và sự phá hủy cuối cùng xảy ra khi độ biến dạng mẫu đạt đến độ giãn dài khi phá hủy của nền Như vậy giới hạn bền của composite ứng với Vf <Vfmin bằng giới hạn bền

kéo (σb)mcủa nền nhân với tỷ lệ thể tích Vmcủa nó chiếm, tức là

Trước khi nói về vấn đề này cần nhấn mạnh rằng độ bền của sợi cốt không những chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật liệu làm sợi mà còn phụ thuộc rất mạnh vào kíchthước hình học mà cụ thể là đường kính của nó Với cùng vật liệu, do xác suất có mặt các khuyết tật (ví dụ các vết nứt nhỏ) trên bề mặt sợi nhỏ sẽ thấp hơn ở sợi to,

vì vậy sợi càng nhỏ có độ bền càng cao Đây là đặc điểm rất quan trọng để các nhà công nghệ quan tâm trước hết khi lựa chọn sợi cốt Dựa vào đường kính và đặc tính người ta phân cốt sợi thành ba loại: râu, sợi và dây nhỏ

Râu (râu đơn tinh thể)

Râu (whiskers) là sản phẩm có đường kính rất nhỏ (cỡ 1 - 2µm), tỷ lệ chiều dài trên đường kính rất lớn (khoảng trên nghìn lần), nhận được bằng kỹ thuật nuôi đơn tinh thể Do kích thước nhỏ, các đơn tinh thể (râu) này có mức độ hoàn thiện tinh thể rất cao (hầu như chỉ có một lệch xoắn) và không có nứt, rỗng nên có độ bền rất cao (gần bằng độ bền lý thuyết) Tuy nhiên râu vẫn chưa được dùng rộng rãi vì quá đắt

và rất khó gắn kết vào nền Vật liệu để chế tạo râu có thể là grafit, SiC, Si3N, Al2O3 (bảng 9.2)

Sợi

Sợi được sản xuất bằng công nghệ kéo, chuốt Chúng có thể là đa tinh thể hoặc vô định hình với đường kính tương đối nhỏ (khoảng vài chục đến vài trăm µm) và tỷ lệchiều dài/đường kính rất khác nhau Vật liệu chế tạo cốt sợi có thể là polyme

nhpolyamit, là ceramic như thủy tinh, ôxyt nhôm, cacbit silic hoặc bo, cacbon (bảng9.2)

Dây là loại có đường kính nhỏ, thường là bằng kim loại: thép cacbon cao, vonfram, môlipđen, berili, titan Loại cốt này được dùng để gia bền lốp ôtô, khung tên lửa, ống dẫn cao áp

b Vật liệu làm sợi

Trong loại kích thước kể trên loại được dùng phổ biến nhất là sợi, nên ở đây chỉ khảo sát loại này, không đề cập đến dạng nhỏ hơn (râu) và lớn hơn (dây) Có các nhóm vật liệu để làm sợi cho composite là thủy tinh, cacbon, polyme, bo và

ceramic

Thủy tinh

Thành phần hóa học của thủy tinh gồm các ôxyt SiO2, Al2O3, BO3 CaO, MgO

Sở dĩ sợi thủy tinh được sử dụng rộng rãi làm cốt vì dễ chế tạo nó từ trạng thái mềmlỏng và có độ bền cao Trong quá trình kéo, bề mặt sợi bị cọ sát với bề mặt cứng khác nhờ đó làm mất đi các vết nứt và như là được bọc bởi lớp áo mới, bám dính tốtvới nền

Cacbon

Chính nhờ sự định hướng chủ yếu của các mặt đáy lục giác (chỉ với liên kết đồng hóa trị) song song với trục sợi nên có độ bền rất cao Trong quá trình chế tạo sợi cacbon, sự grafit hóa có thể xảy ra không hoàn toàn nên vẫn còn các vùng vô định hình (chỉ trong râu grafit mới đạt mức độ tinh thể hoàn toàn) nên độ bền có thể thay đổi trong giới hạn (bảng 9.2) tùy thuộc vào tỷ kệ này Nếu như sợi thủy tinh chỉ sử dụng được tới 500 - 700oC thì sợi cacbon tới trên 2000oC

Polyme

Nói chung các polyme có môđun đàn hồi nhỏ Hiện chỉ dùng loại polyamit thơm

Ở dạng thương phẩm vật liệu này có hai loại kelva 49 và kelva 29 Nhược điểm của chất này là nhiệt độ làm việc thấp (< 200oC)

b Các composite hạt mịn

SAP, SAAP, với các tỷ lệ 5 - 20%Al2O3 trên nền nhôm, hợp kim nhôm (giữa nền - cốt có liên kết ôxyt khá bền) đã được sản xuất ở quy mô công nghiệp, cung cấp dưới dạng bán thành phẩm tấm, ống, dây để làm các chi tiết có độ bền riêng lớn, làm việc ở 300 - 500oC và chịu tác dụng của môi trường ăn mòn

T - D Nickel (Thoria Dispersed Nickel) là loại composite nền là niken (Ni), cốt là các phần tử ôxyt tôri ThO2 Chỉ với 2%ThO2 song ở dạng rất nhỏ mịn, nằm phân tán và ổn định nhiệt, có độ bền và khả năng làm việc lâu dài ở 1000 - 1100oC, không bị ăn mòn tinh giới như 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 dưới tác dụng của môi trường ăn mòn

(đường thẳng trên) Ee = Em Vm + Ep Vp

(đường cong dưới) Em.Ep/(Vm.Ep + Vp.Em)

Hình 9.2 Sự phụ thuộc của môđun đàn hồi vào hàm lượng cốt trong composite nền

b Các composite hạt thô thông dụng

Hợp kim cứng tạo ra bằng phương pháp luyện kim bột cũng có thể coi là composite hạt thô, trong đó các phần tử cứng là cacbit: WC, TiC, TaC được 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) vớicác kim loại có tính dẫn nhiệt cao (Cu, Ag) cũng là loại composite hạt thô nền kim loại, trong đó một tính chất (E) của loại nền Cu cốt W đã được trình bày ở hình 9.2

Bêtông là composite hạt thô nền ceramic được dùng rộng rãi nhất Trong bêtông, cốt chính là các hạt rắn khá lớn (đá, sỏi) hay nhỏ (cát vàng) được liên kết với nhau bởi nền cứng là ximăng Người ta có thể đưa các hạt với vai trò chất độn vào

polyme để cải thiện độ bền, tính chống mài mòn, ổn định kích thước, chịu nhiệt, lúc

đó sản phẩm polyme thu được như là composite hạt thô nền polyme [hay chất dẻo tăng cường (độ bền)] Các hạt độn thường là thạch anh, thủy tinh, ôxyt nhôm, đất sét, đá vôi

VẬT LIỆU POLYME

1 Cấu trúc phân tử polyme

1.1 Cấu trúc mạch của polyme