Cơ sở khoa học vật liệu chuong7m

6 261 0
Cơ sở khoa học vật liệu chuong7m

Đang tải... (xem toàn văn)

Thông tin tài liệu

54 CHƯƠNG 7: VẬT LIỆU COMPOSIT 7.1 Khái niệm Vật liệu composite vật liệu chế tạo từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, nhằm mục đích tạo vật liệu có tính ưu việt hẳn vật liệu thành phần ban đầu Ví dụ điển hình bêtông cốt thép: kết hợp kim loại (thép) vật liệu vô (bêtông) tạo cho vật liệu vừa chịu tải trọng kéo tốt (đặc tính thép) vừa chịu tải trọng nén tốt (đặc tính bêtông) Kết hợp kim loại với polyme, polyme với ceramic, ceramic với kim loại sở để tạo vật liệu composit khác với tính hấp dẫn Sơ đồ minh họa nhóm vật liệu 7.1.1 Thành phần vật liệu composit: Như vật liệu composit vật liệu đa pha Trong gồm có pha pha cốt - Pha thành phần phân bố liên tục toàn thể tích vật liệu Vật liệu polymer, ceramic, kim loại hỗn hợp - Pha cốt thành phần phân bố ngẫu nhiên vật liệu Cốt có hai dạng : sợi hạt Ví dụ: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide…, hạt silica, CaCO 3, vẩy mica, vẩy kim loại, bột khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon…Cốt kim loại (thép không rỉ, oxit kim loại, volfram, nikel…), chất vô (bo, cacbon, thủy tinh, gốm…) chất hữu (polyamit, nylon…) Tính chất pha thành phần kết hợp để tạo nên tính chất chung vật liệu composit Tuy tính chất composit không bao hàm tất tính chất pha thành phần chúng đứng riêng rẽ mà lựa chọn tính chất tốt phát huy thêm 7.1.2 Vai trò cốt vật liệu composit: Nền pha liên tục đóng vai trò : - Liên kết toàn phần tử cốt thành khối compozit đồng - Che phủ bảo vệ cốt tránh hư hỏng học hoá học môi trường - Truyền tải phân bố tải trọng sang cốt sợi làm giảm ứng suất tập trung - Tạo khả dễ dàng tiến hành phương pháp gia công compozit thành chi tiết theo thiết kế 55 Đối với loại composit kết cấu cần phải nhẹ có độ dẻo cao Cốt pha gián đoạn đóng vai trò tạo nên độ bền cao, modul đàn hồi cao cho compozit Do cốt phải có độ bền modul đàn hồi cao phải có khối lượng riêng nhỏ Hình dạng, kích thước, hàm lượng phân bố cốt yếu tố ảnh hưởng đến tính chất composit 7.1.3 Phân loại vật liệu composit Cơ sở để phân loại Vật liệu composit : - Theo chất pha nền: Vật liệu composite polymer: Polymer Matrix Composite – PMC, Vật liệu composite kim loại: Metal Matrix Composite – MMC Vật liệu composite ceramic: Ceramic Matrix Composite – CMC - Theo hình học cốt: composit cốt hạt, composit cốt sợi composit cấu trúc 7.1.4 Tương tác cốt : Liên kết vật liệu compozit liên kết cốt vùng ranh giới hai pha ( –cốt) 7.1.4.1 Các dạng tương tác cốt : Nền cốt không hòa tan lẫn không tạo thành hợp chất hóa học Ví dụ composit : Al-B, Al-SiC Nền cốt tương tác tạo dung dịch rắn với độ hòa tan nhỏ không tạo hợp chất hóa học Phần lớn composit kim loại có cốt kim loại khác thuộc loại (NbW, Ni-W) Nền cốt phản ứng với tạo hợp chất hóa học Ví dụ : composit Al-SiO2, TiAl2O3, Ti-SiC 7.1.4.2 Các kiểu liên kết cốt: Liên kết cốt gồm có kiểu bản: a Liên kết học: thực nhờ ma sát mấp mô bề mặt cốt Compozit loại bền kéo ngang nén dọc b Liên kết nhờ thấm ướt hoà tan: nhờ sức căng bề mặt, thấm ướt kèm theo hoà tan cấu tử vào phần c Liên kết phản ứng : xảy phản ứng hóa học biên giới phân chia pha, tạo thành hợp chất hóa học có tính định đến độ bền liên kết –cốt d Liên kết phản ứng phân đoạn: xảy phản ứng hóa học phản ứng hóa học tổng thể xảy theo nhiều giai đoạn, giai đoạn khống chế tốc độ tạo liên kết 56 e Liên kết oxyt:do tạo thành màng oxyt dạng đặc biệt liên kết phản ứng đặc trưng cho compozit kim loại , cốt oxyt f Liên kết hỗn hợp cốt phụ thuộc vào trình công nghệ, ví dụ Al cốt sợi B tẩm Al lỏng vào cốt sợi B xảy tương tác phản ứng (c) compozit chế tạo pp hàn khuyếch tán tương tác loại (a) Để tăng đô liên kết – cốt thường xử lý bề mặt cốt loại chất tẩm để tăng cường kết dính chi tiết thân cốt chất bắc cầu có khả phản ứng với với cốt (chất liên diện) Khả khai thác sử dụng vật liệu composite phụ thuộc trước hết vào đặc tính cơ, lý, hóa thành phần, cấu trúc, hàm lượng phân bố vật liệu cốt, độ bền vững liên kết cốt 7.2 Composit gia cường hạt Composit hạt có cấu tạo gồm phần tử cốt dạng hạt phân bố Các phần tử cốt thường pha cứng bền nền, ví dụ oxyt, nitrit, borit, cacbit,… Cũng hạt cốt pha mềm graphit, mica trường hợp chế tạo composit chống ma sát Người ta phân loại thành composit hạt thô hạt mịn 7.2.1 Composit hạt thô Composit hạt thô đa dạng sử dụng phổ biến lĩnh vực công nghiệp Khái niệm thô dùng để tương tác cốt không xảy mức độ nguyên tử phân tử Một số composit hạt thô thông dụng: a Composit hạt thô polyme Người ta đưa hạt cốt với vai trò chất độn vào polyme để cải thiện độ bền kéo, nén, độ chống mài mòn, độ dai, khả ổn định kích thước chịu nhiệt…Các hạt độn thường thạch anh, thủy tinh, nhôm oxyt, đất sét, steatit, đá vôi b Composit hạt thô kim loại: Các composit hạt thô kim loại thông thường hợp kim cứng tạo phương pháp luyện kim bột có thành phần cốt gồm phần tử cứng WC, TiC, TaC liên kết với kim loại Co dùng phổ biến làm dụng cụ cắt gọt với suất cao c Composit hạt thô gốm Bêtông composit hạt thô gốm sử dụng rộng rãi Trong composit bêtông, cốt tập hợp hạt rắn (đá sỏi) liên kết ximăng 7.2.2 Composit hạt mịn Composit hạt mịn thường vật liệu bền nóng ổn định nóng Do dùng để thay vật liệu truyền thống nhằm nâng cao hiệu suất kéo dài tuổi thọ thiết bị, công trình Nền composit loại thường kim loại hợp kim Các phần tử cốt có kích thước nhỏ (nhỏ 0.1μm), thường vật liệu bền, cứng có tính ổn định nhiệt độ cao Ví dụ oxyt, cácbit, nitrit, borit … Tương tác nền-cốt loại composit xảy mức vi mô ứng với kích thước nguyên tử phân tử Một số loại composit loại này, ví dụ SAP (sintered Aluminium Powder) Kí hiệu Thành phần % σb, MPa σ0,2, MPa δ, % o o o o Al Al2O3 Fe 20 C 500 C 20 C 500 C 20oC 500oC SAP- lại 6-9 0.25 290 100 200 57 930 SAP9-13 0.20 320 100 230 895 SAP13-17 0.25 400 130 340 865 SAP chế tạo xuất xưởng dạng bán thành phẩm tấm, ống, dây,… Người ta sử dụng SAP để chế tạo chi tiết cần độ bền riêng lớn, làm việc vùng nhiệt độ 300-500oC chịu tác dụng môi trường ăn mòn 7.3 Composit gia cường sợi Composit cốt sợi loại vật liệu kết cấu quan trọng Mục tiêu chủ yếu thiết kế chế tạo composit cốt sợi độ bền riêng môđun đàn hồi riêng cao Do vậy, sợi cần có khối lượng riêng nhỏ, phải tương đối dẻo, sợi cốt phải có độ cứng vững bền cao Tính chất composit cốt sợi phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Bản chất vật liệu cốt Độ bền liên kết – cốt ranh giới Hàm lượng sợi, phân bố, định hướng sợi, kích thước, hình dạng 7.3.1 Kích thước hình học sợi Độ bền sợi cốt không phụ thuộc vào chất vật liệu sợi mà phụ thuộc mạnh vào kích thước hình học Dựa vào độ lớn đường kính tính chất, người ta phân cốt sợi thành ba loại: râu đơn tinh thể, sợi cốt dây a Râu đơn tinh thể: Râu đơn tinh thể sản phẩm nhận kỹ thuật nuôi đơn tinh thể Đó loại tinh thể có đường kính nhỏ (cỡ vài micromet) tỷ lệ chiều dài đường kính lớn (khoảng nghìn lần) Nhờ khống chế chặt chẽ thông số kỹ thuật kết tinh định hướng theo chiều, râu tinh thể chứa lệch xoắn nhất, song song với trục Vật liệu để chế tạo râu đơn tinh thể graphit, SiC, Si3N4 Al2O3… b Sợi cốt Sợi cốt sản xuất kỹ thuật kéo, chuốt Đó đa tinh thể vô định hình với đường kính tương đối nhỏ (khoảng vài chục micromet) tỷ lệ chiều dài đường kính khác Vật liệu chế tạo sợi cốt chất hữu polyamit, ceramic thủy tinh, nhôm oxyt, SiC số chất khác Bo C c Dây Dây loại cốt sợi có đường kính lớn (trung bình từ 50 đến 300 micromet), thường chế tạo từ thép cácbon cao, volfram, môlipđen, berili titan Loại cốt dùng để gia bền lốp ôtô, khung tên lửa, ống dẫn cao áp… Một số composit cốt sợi thông dụng: Composit polymer cốt sợi: - Loại cốt sợi thủy tinh Sợi thủy tinh thường làm cốt cho polymer khác nhau, thông dụng polyester Gần có dùng nylon thu composit có độ bền keod độ dai phá hủy cao Nhược điểm dùng cốt sợi thủy tinh môđun đàn hồi nhỏ vùng nhiệt độ ứng dụng hạn chế 200oC 58 Composit sử dụng công nghiệp đóng tàu thuyền, containơ, ống dẫn, lợp, lát sàn, công nghiệp chế tạo ôtô, … - Các loại cốt sợi khác: Sử dụng cốt sợi cacbon có môđun đàn hồi lớn, nhẹ chịu nhiệt, chống ăn mòn cao thay thủy tinh tạo composit có nhiều tính ưu việt ứng dụng lĩnh vực hàng không Sợi polyamit độ bền cao với polymer nhẹ tạo composit có độ bền riêng lớn dùng kết cấu tàu vũ trụ, tàu biển Composit kim loại cốt sợi: Trong số kim loại Al, Mg, Ti, Ni, Cu nghiên cứu ứng dụng làm composit nhiều Composit nhôm cốt sợi B có tiêu tính độ bền, môđun đàn hồi riêng lớn, sử dụng vùng nhiệt độ cao composit polyme có loại cốt Composit siêu hợp kim sở Co Ni với cốt sợi kim loại W có khả chịu nhiệt, chống oxy hóa tốt vừa có độ bền, độ dai phá hủy lớn 7.4 Cấu tạo composit dạng lớp dạng sandwich 7.4.1 Composit cấu trúc dạng lớp Composit loại tạo thành từ lớp sở Các lớp sở thường gồm hai loại: loại thứ lớp đóng vai trò liên kết, thường vật liệu đồng loại thứ hai lớp chịu lực, thường băng composit cốt sợi Sắp xếp lớp đổi hướng băng composit cho thỏa mãn yêu cầu thiết kế ép dính lại Kết nhận dạng bán thành phẩm tấm, thanh, ống Đó composit cấu trúc dạng lớp Gỗ dán, cót ép composit cấu trúc dạng lớp thông dụng Chẳng hạn vải bông, vải sợi thủy tinh cacbon ép lại nhờ chất kết dính polymer cho ta composit dạng lớp có độ bền cao theo phương song song với mặt Nhược điểm chung loại composit độ bền theo phương vuông góc với lớp sở thấp 7.4.2 Composit cấu trúc dạng ba lớp (sandwich) 7.4.2.1 Khái niệm Composite có cấu trúc sandwich nhóm vật liệu composite Nó bao gồm lớp mỏng cứng bên bao bọc lớp lõi dày bên Lớp lõi thường làm từ vật liệu có độ bền thấp, nhờ có độ dày nên cung cấp cho composite sandwich độ bền uốn cao với mật độ toàn phần thấp Mô hình mô tả composite sandwich (A) thành phần gồm: mặt (B) lõi có cấu trúc tổ ong (C) (hoặc thay lõi xốp) Các mặt lớp có độ bền cứng cao, thường chế tạo từ kim loại hợp kim (nhôm, titan, thép) laminate gia cường sợi thủy tinh hay carbon Lõi dạng vật liệu xốp có cấu trúc hở kín, thông thường có hai loại Loại thứ có tổ chức xốp bọt cao su nhân tạo, polymer bọt, chất dính kết vô hay gỗ nhẹ… Loại thứ hai cấu tạo theo dạng tổ ong, vách ngăn liên kết định hướng vuông góc với mặt tấm, ứng dụng làm trần, sàn, tường cách âm, vỏ, thân cánh máy bay… 59 ... composit 7.1.3 Phân loại vật liệu composit Cơ sở để phân loại Vật liệu composit : - Theo chất pha nền: Vật liệu composite polymer: Polymer Matrix Composite – PMC, Vật liệu composite kim loại:... Composite – MMC Vật liệu composite ceramic: Ceramic Matrix Composite – CMC - Theo hình học cốt: composit cốt hạt, composit cốt sợi composit cấu trúc 7.1.4 Tương tác cốt : Liên kết vật liệu compozit... cốt (chất liên diện) Khả khai thác sử dụng vật liệu composite phụ thuộc trước hết vào đặc tính cơ, lý, hóa thành phần, cấu trúc, hàm lượng phân bố vật liệu cốt, độ bền vững liên kết cốt 7.2 Composit

Ngày đăng: 15/09/2017, 15:13

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan