Compsite là vật liệu được tổng hợp nên từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt và bền hơn so với các vật liệu ban đầu. Vật liệu composite bao gồm có vật liệu nền và cốt. Vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bền nhiệt, bền hoá và khả năng chịu đựng khi vật liệu có khuyết tật. Vật liệu nền của composite có thể là polyme, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc các bon. Vật liệu cốt đảm bảo cho composite có các mođun đàn hồi và độ bền cơ học cao. Các cốt của composite có thể là các hạt ngắn, bột, hoặc các sợi cốt như sơi thuỷ tinh, sợi polyme, sợi gốm, sợi kim loại và sợi cácbon.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP.HCM MƠN: ĂN MỊN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI Đề tài: VẬT LIỆU COMPOSITE TP Hồ Chí Minh, 10/2017 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm Compsite vật liệu tổng hợp nên từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên vật liệu mới, ưu việt bền so với vật liệu ban đầu Vật liệu composite bao gồm có vật liệu cốt Vật liệu đảm bảo việc liên kết cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính ngun khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bền nhiệt, bền hoá khả chịu đựng vật liệu có khuyết tật Vật liệu composite polyme, kim loại hợp kim, gốm bon Vật liệu cốt đảm bảo cho composite có mođun đàn hồi độ bền học cao Các cốt composite hạt ngắn, bột, sợi cốt sơi thuỷ tinh, sợi polyme, sợi gốm, sợi kim loại sợi cácbon 1.2 Tính chất chung vật liệu composite • Khối lượng riêng bé tính lý riêng cao thép vật liệu truyền thống khác (thuỷ tinh, gốm sứ, gỗ, ) nhiều • Giá thành khơng cao • Chịu mơi trường, kháng hố chất cao, khơng tốn bảo quản chống ăn mòn, khơng cần sơn bảo quản nhưVL kim loại, gỗ • Cách điện cách nhiệt tốt • Bền lâu (thời gian sử dụng dài VL kim loại, gỗ 2-3 lần) • Gia cơng chế tạo đơn giản, nhanh, đa dạng, dễ tạo hình, thay đổi sửa chữa • Chi phí đầu tư thiết bị gia cơng thấp Hình 1: Một số vật kiệu composite 1.3 Cơ chế gia cường vật liệu compozit • Cơ chế gia cường: tác dụng ngoại lực, vật liệu gia cường (VLGC) điểm chịu ứng suất tập trung mạng nhựa truyền sang • Vật liệu gia cường dạng sợi truyền tải ứng suất tốt vật liệu gia cường dạng hạt, ứng suất điểm sợi phân bố toàn chiều dài, điểm chịu ứng suất nhỏ nhiều so với vật liệu gia cường dạng hạt tác dụng ngoại lực • Khả truyền tải trọng từ vật liệu sang vật liệu gia cường phụ thuộc: vật liệu nền, vật liệu gia cường, kết dính bề mặt tiếp xúc vật liệu vật liệu gia cường Lý thuyết kết dính bề mặt tiếp xúc vật liệu gia cường vật liệu Kết dính bề mặt tiếp xúc vật liệu vật liệu gia cường hình thành sở: • Lực hấp thụ thấm ướt • Lực tĩnh điện • Lực tương tác học • Lực liên kết hố học Vùng tiếp xúc nhỏ (bề mặt tiếp xúc pha) đóng vai trò quan trọng định tính chất cơ, lý vât liệu compozit Hình 2: Bề mặt tiếp xúc vật liệu gia cường vật liệu CHƯƠNG 2: THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE 2.1 Thành phần cốt 2.1.1 Sợi thủy tinh • Sợi thủy tinh có hai dạng điển hình: Sợi dài (dạng chỉ) sợi ngắn Thơng thường chúng có dạng hình trụ tròn, ngồi ra, gặp sợi thủy tinh có thiết diện ngang hình tam giác, hình vng, lục giác, • Ưu điểm sợi thủy tinh nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với tác động hóa-sinh, có độ bền lý cao độ dẫn nhiệt thấp • Công nghệ để sản xuất tất loại sợi thủy tinh kéo sợi từ dung dịch nóng chảy 2.1.2 Sợi bazan • Hiện nay, tùy vào mức đầu tư cơng nghệ sản xuất từ đá bazan loại: Sợi liên tục, sợi ngắn bơng • Sợi bazan chế tạo từ ngun liệu đá bazan Đá bazan có nguồn gốc nham thạch núí lửa hoạt dộng phun kết tinh lại • Ưu điểm khơng độc hại cho người sinh vật, lại không hút ẩm (độ hút ẩm khơng q 1% với sợi thủy tinh lên đến 10-20%), có độ bền cao tác dộng ánh sáng mặt trời, thích hợp cho việc sản xuất sản phẩm cho nước nhiệt đới nắng lắm, mưa nhiều nước ta • Ứng dụng: dùng để chế tạo sản phẩm cách nhiệt thiết bị nhiệt, lò sấy, đường ống dẫn hơi, thiết bị lạnh, dùng xây dựng với mục đích cách âm, cách nhiệt, tăng khả chịu lực 2.1.3 Sợi hữu • Sợi hữu aramit có độ bền cao modun đàn hồi cao loạt ưu việt khác Sợi hữu có độ bền cao kéo, ổn định cao với nhiệt độ, bền va đập, khơng cháy,tính cách điện cao, khối lượng riêng thấp, • Vật liệu composite cốt sợi hữu có độ bền nén khả tương thích với polyme thường so với sợi thủy tinh • Ứng dung: sử dụng rộng rãi việc sản xuất vật liệu composite để chế tạo thân vỏ tên lửa động nhiên liệu rắn, bình, ống chịu áp lực, găng tay cách nhiệt, mũ-áo giáp, chi tiết tàu lượn, thiết bị thê thao nhiều sản phẩm khác 2.1.4 Sợi cacbon • Cho đến sợi cacbon sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu composite ứng dụng nhiều lĩnh vực kinh tế quốc dân • Với ưu điểm nhẹ (khối lượng riêng 2g/cm3), chịu nhiệt độ cao lên đến vài nghìn độ môi trường trơ, hệ số ma sát dãn nỏ nhiệt thấp, vững với nhiều điều kiện khí hậu phản ứng hóa học, có tính chất điện vật lý đa dạng (từ bán dẫn đến dẫn), đặc biệt có độ cứng cao Có thể nói việc phát tìm sợi cacbon đưa chúng vào sử dụng thành phần composite, làm nên cách mạng vể vật liệu • Đến sợi cácbon chủ yếu chế tạo từ ba nguồn nguyên liệu chính: polyacrilonitril (PAN), từ pec mỏ, than đá từ hiđratxenlulo (xenlulohiđrat) • Ứng dụng: để sản xuất chịu lực cánh máy bay; thân vỏ ôtô, máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ, thân vỏ loại động tên lửa; cánh tuabin, khn dập, vòng lót, đệm; thiết bị thể thao, y tế, chi tiết đòi hỏi có độ bền cao siêu chịu nhiệt 2.1.5 Sợi bor • Việc sử dụng sợi bor làm cốt composite cho phép tăng độ bền, tăng moodun đàn hồi vật liệu, giảm độ dẫn nhiệt, dẫn điện • Thơng thường, cơng nghệ sản xuất sơi bor sở thu bor kết tủa từ luồng khí thường sử dụng hidro triclorit BCl3 Phản ứng hóa học tách bor theo sơ đồ sau: 2BC13 + 3H2 2B +6HC1 • Sợi bor có ưu điểm có độ cứng trượt cao so với sô loại sợi khác, thường dùng sản xuất composite vật liệu nhơm polyme • Ứng dụng sản xuất chi tiết cho hàng không, tên lửa kỹ thuật vũ trụ, nơi đòi hỏi tiêu độ bền độ cứng cao Chúng sử dụng đế chế tạo dầm, khung, tâm, chi tiết khác vật thể bay 2.1.6 Sợi cacbua silic (SiC) • Sợi cacbua silic thường dùng làm cốt cho composite kim loại trường hợp đòi hỏi vật liệu phải làm việc lâu nhiệt độ cao • Quá trình nhận sợi SiC củng giống trình nhận sợi bor, thay BC13 lò phản ứng người ta dùng hỗn hợp silan hiđro • Ứng dụng: thường sử dụng chi tiết thiết bị hạt nhân, vòng bi chịu nhiệt độ cao động tuabin, cánh quạt, mũi rẽ dòng tên lửa, 2.1.7 Sợi kim loại • Trong nhiều trường hợp để có hiệu kinh tế hơn, người ta dùng cốt sợi kim loại Đối với composite làm việc nhiệt độ cao hay dùng cốt sợi vonfram, với composite làm việc nhiệt độ thấp hay dùng sợi thép sợi berilic • Ngồi sợi kim loại, sản xuất composite sử dụng sợi cốt mạ kim loại nhằm mục đích như: bảo vệ bề mặt sợi khỏi bị ôxi hóa phản ứng hóa học, tránh tác động nhiệt chế tạo khai thác sử dụng kết cấu từ composite, tăng giảm bớt độ kết dính sợi nền, tăng độ bền sợi cốt, 2.1.8 Cốt vải • Các loại vải thường dột từ sợi có mơđun đàn hồi cao, dùng rộng rãi làm cốt cho composite phân lớp, quấn dạng ông composite, Thuật ngữ “vải” ngành vật liệu composite phân chia theo hai cách: theo tên loại vật liệu sợi theo kiểu cách đan, dệt nên vải • Theo tên loại sợi, ta thường thấy có vải sợi thủy tinh, vải sợi cacbon, vải sợi hữu vải tổng hợp 2.1.9 Sợi ngắn hạt phân tán • Trong cơng nghiệp hay dùng chất độn sợi ngắn hạt • Các sợi khống ngắn thu dược từ nghiền học Các nguyên liệu khoáng thành phần thường chứa silicat canxi (75%) kim Ịoại nhẹ (25%), làm đem nghiền thu hạt dạng bột sợi ngắn với chiều dài trung bình khoảng từ 270mm đường kính từ l-10micrơmet • Sợi franklin nhận từ q trình kết tinh sunỉat canxi môi trường nước nhiệt độ áp suất cao Sợi franklin có dạng bột màu trắng tinh khiết, đơn tinh thể có chiểu dài SOmicrơmet đường kính khoảng 2micrơmet Sợi franklin ổn định mơi trường hóa học, tan nưức, có độ chịu nhiệt cao tính cách nhiệt tốt Sợi franklin thường dùng làm phụ gia cho chất dẻo dùng để gia cường cho alumin • Sợi faibec đơn tinh thể titanat vô cơ, nhận từ kết tinh lại muối từ' thể nóng chảy Sợi faibec có độ môdun đàn hồi cao thường dùng đê làm phụ gia, gia cường cho chất dẻo • Tuy nhiên, giá thành sợi ngắn dạng xơ tinh thể cao, tính chất học chúng tốt ổn định Vì việc sản xuất ứng dụng chúng hạn chế Xơ tinh thể xem loại sợi ngắn nhiều triển vọng cho việc chế tạo composite cho tương lai, đặc biệt vật liệu có khả chịu nhiệt cao 2.2 Vật liệu Vật liệu giữ vai trò quan trọng việc chế tạo vật liệu composite Chính vậy, chúng phải đáp ứng yêu cầu mặt khai thác mặt công nghệ Yêu cầu vật liệu nền: tính chất học tốt, kết dính tốt, dẻo dai tốt phải bền với môi trường Phân loại: Kết tinh Vơ định hình Nhựa nhiệt dẻo Cấu trúc: mạch thẳng nhánh Có khả nóng chảy nhiều lần Có khả hòa tan nhiều lần PP,PE,PVC Một vài điểm khác biệt nhựa nhiệt dẻo, nhiệt rắn cao su 2.2.1 Chất liệu polyme nhiệt rắn Vật liệu nhiệt rắn (đơng rắn) có độ nhớt thấp, dễ hòa tan đóng rắn lại nung nóng (có khơng có chất xúc tác) sau đóng rắn tạo thành cấu trúc mạng lưới khơng thuận nghịch (khơng hồ tan khơng nóng chảy tiếp nữa) Nhựa polyester khơng no (UPE) • Là loại nhựa phổ biến nhất, đặc biệt công nghiệp hàng hải Được tổng hợp từ polyacid polyol khác nhau, tính chất thay đổi rộng • Là chất lỏng nhớt, màu sáng, dạng dung dịch nhựa UPE monome Nhựa có thời gian bảo quản giới hạn nên thường phải dùng chất ức chế Nhựa trước gia công phải thêm chất xúc tác phụ gia thích hợp • Mỗi loại có tính chất khác phụ thuộc chủ yếu vào • yếu tố: Thành phần nguyên liệu (loại tỷ lệ chất sử dụng) Phương pháp tổng hợp Trọng lượng phân tử Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến) Hệ chất độn Bằng cách thay đổi yếu tố trên, người ta tạo nhiều loại nhựa UPE có tính chất đặc trưng khác tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng Có hai loại polyester thường sử dụng cơng nghệ composite: Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, sử dụng rộng rãi nhựa isophthalic lại có khả kháng nước tuyệt vời nên xem vật liệu quan trọng công nghiệp, đặc biệt hàng hải Nhựa EPOXY • Là loại nhựa xem có tính cao • Gồm thành phần: nhựa lỏng chất đóng rắn (hoặc chất xúc tác), nhiệt độ đóng rắn từ 5oC đến 150°C tuỳ thuộc chất đóng rắn, xúc tác • Nhựa lỏng khơng màu đến nâu, nhiệt độ thường tồn nhiều năm bình chứa khơ mà khơng phản ứng với • Độ bền kết dính cao • Bền học (cứng, dẻo dai), nhiệt tốt Do chứa vòng thơm mạch phân tử giúp hấp thụ ứng suất cơ, nhiệt tốt • Bền hố chất • Cách điện tốt • Ứng dụng: epoxy thường sử dụng làm keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn Nhựa Vinylester • Giống nhựa polyester, vị trí nhóm phản ứng nằm cuối mạch nhóm ester • Bền nước hố chất UPE có nhóm ester , dùng nhiều sản xuất đường ống thùng chứa hố chất, tàu thuyền • Nhựa Vinylester đóng rắn bền UPE đóng rắn , dùng làm lớp phủ cho compozit nhựa UPE Nhựa phenolic • Nhựa phenolic sản xuất từ q trình polyme hóa phenolic Q trình đóng rắn thực nhiệt độ phòng dùng axit mạnh • Ưu điểm q trình sản xuất nhựa phenolic ngun liệu sẵn có, giá thành rẻ, chống cháy tốt, bền hóa chất, bền nhiệt Tuy nhiên, chất lại làm cho composite giòn, độ bền thấp độ rỗng cao, giới hạn màu hạn chế • Nhựa phenolic thường ứng dụng làm thân nắp thùng rác 2.2.2 Chất liệu polyme nhiệt dẻo Composite có vật liệu nển sở polyme nhiệt dẻo có độ tin cậy cao, mức độ ứng suất dư nảy sinh sau tạo thành sản phẩm thấp Ưu diêm mặt công nghệ: giảm cơng đoạn đóng rắn, khả thi cơng, tạo dáng sản phẩm dễ thực hiện, áp dụng nhiều công nghệ khác như; dập, đùn, uốn, hàn, , khắc phục khuyết tật trình sản xuất tận dụng phế liệu gia cơng lại lần thứ hai Chính vậy, composite nhiệt dẻo có giá thành thấp Trong đặc trưng lý chúng khơng thua vật liệu composite nhiệt rắn, đặc trưng khác độ bền hóa học độ kín lại Nhược điểm vật liệu composite nhiệt dẻo không chịu nhiệt độ cao (trừ trường hợp chọn từ vật liệu chịu nhiệt đặc biệt), xử lý công nghệ gặp khó khăn độ nhớt dung dịch nóng chảy cao Điều lý giải việc sử dụng nhiệt dẻo gặp nhiều hạn chế So sánh vài tính chất nhựa nhiệt dẻo kết tinh vơ định hình Nhựa nhiệt dẻo kết tinh Nhựa nhiệt dẻo vơ định hình - Bền hóa chất tốt Chống mài mòn tốt Tốc độ gia cơng thấp Độ cứng cao - Bền hóa chất tốt Chống mài mòn Tốc độ gia cơng cao Độ cứng thấp CHƯƠNG 3: XU HƯỚNG VẬT LIỆU COMPOSITE 3.1 Một số xu hướng đại nghiên cứu, ứng dụng vật liệu composite Hiện vật liệu phát triển theo xu hướng sau: • Phát triển vật liệu theo công nghệ mới: công nghệ luyện kim bột; vật liệu nano composite; cơng nghệ nguội nhanh;… • Phát triển vật liệu với tính đặc biệt: vật liệu siêu cứng, vật liệu siêu dẻo, vật liệu nhớ hình, vật liệu composite chức (hay gọi vật liệu có lý tính biến đổi),… • Thiết kế chế tạo vật liệu với khả cách thiết kế lựa chọn hợp lý cấu trúc kết cấu bên vật liệu Thực tế cho thấy vật liệu phát triển theo hướng ngày vươn tới vật liệu bền hơn, nhẹ hơn, với tính ngày mẻ Có thể nói xu phát triển vật liệu thực chất phát triển composite Những năm gần xuất khái niệm nghiên cứu super-composite: (thành phần composite composite) nano composite (khi thành phần composite có cấu trúc nano) Vật liệu chức thực chất vật liệu composite phân lớp, khác với composite lớp truyền thống chỗ tính chất chúng thay đổi theo chiều dày kết cấu, chí phụ thuộc vào nhiệt độ Ngồi ra, người ta sử dụng điều kiện vũ trụ để chế tạo vật liệu vũ trụ , ví dụ kết cấu từ vật liệu composite nở đóng rắn vũ trụ, khoang động phi hành đoàn, ăng ten vũ trụ,… Composite polyme: có đặc tính lý cao kim loại, nhẹ kim loại, cách nhiệt, cách điện tốt bền với tác nhân hố học mơi trường Ví dụ ống dẫn dầu khí d=100mm, có trọng lượng khoảng 3-4kg/met, khai thác sử dụng 50-70 năm, ống thép đường kính độ dày nặng gấp 4-5 lần, khai thác từ 5-10 năm, hay bị gỉ Vật liệu compsite polyme thay cho kim loại chế tạo chi tiết thân vỏ máy bay, tên lửa, thân vỏ động cơ, khung, dầm, vách ngăn máy bay, tàu vũ trụ vật thể bay khác, mũi nắn dòng chi tiết tên lửa; composite polyme dùng chế tạo ăng ten, hệ thống hãm,…thậm chí áo giáp cho cảnh sát quân đội làm từ polyme cốt sợi kevlar Composite polyme ứng dụng làm ống dẫn dầu khí hố chất, thân vỏ chi tiết ô tô, thiết bị khác ngành chế tạo máy Để nâng cao khả lý giảm trọng lượng vật liệu, xu hướng dùng sợi cácbon làm cốt cho composite polyme ứng dụng phát triển rộng rãi Composite polyme sợi cacbon có hệ số dãn nở nhiệt thấp, độ cứng cao nên dùng để chế tạo ăng ten cần ổn định cao kích cỡ hình dáng điều kiện xạ không Sợi cacbon tương thích tốt với mơ thể sống, composite polyme sợi cácbon dùng chế tạo thiết bị thay thể xương, chất hàn răng, vỏ hộp sọ Những năm gần đây, composite polyme sợi cacbon dùng để chế tạo thiết bị thể thao khung xe đua, mũ cho lái xe phi công, cán cánh cung, loại vợt cao cấp, loại thuyền buồm thể thao,… Thống kê cho thấy ví dụ hiệu việc dùng composite polyme sợi cácbon (CPSC) cho máy bay tàu lượn AN124 Nga: - Khối lượng sử dụng CPSC( kg): 2200 - Số chi tiết chế tạo từ CPSC ( ): Giảm trọng lượng máy bay (kg): Tăng hệ số sử dụng vật liệu: (%) Giảm số lượng chi tiết:(%) Giảm mức độ phức tạp chế tạo: (%) Tiết kiệm hợp kim nhôm:(kg) Tăng khối lượng chuyển tải ( tấn.km) Tiết kiệm nhiên liệu:(tấn) 200 800 85 120 300 600 1.106 1,2.104 Nhược điểm lớn composite polyme chế tạo kết cấu chịu nhiệt độ cao có độ bền khơng lớn Việc bổ sung phụ gia bột kim loại, bột gốm, bột cacbon,… vào polyme nâng cao đặc tính lý độ bền, độ cứng , độ mài mòn loại vật liệu composite Hình 3: Vật liệu composite ứng dụng chế tạo thân vỏ tàu vũ trụ Composite gốm: Việc đưa cốt sợi sợi kim loại để chế tạo composite góp phần làm hạn chế tính giòn gốm Hiện phát triển mạnh xu vật liệu composite gốm sở cốt sợi kim loại oxit kim loại, sợi gốm, sợi cácbon Composite gốm vật liệu có độ cứng cao, bền nén cao, có tính cách nhiệt, cách điện cao , chịu mài mòn cao trơ hoá học nên dùng phổ biến chế tạo máy, chịu nhiệt độ lên tới 2000-2500oK, chế tạo máy lực nguyên tử, trục đệm chịu nhiệt cánh quạt tuabin động cơ, ăng ten mũi vật thể bay vũ trụ cần phải thu hồi trở trái đất, mũi nắn dòng tên lửa,… Composite kim loại: ứng dụng phát triển ngày mạnh mẽ, mang lại hiệu kinh tế kỹ thuật cao khí – chế tạo máy Vật liệu composite kim loại có kim loại hợp kim, phần cốt kim loại phi kim loại Để làm cốt cho composite kim loại hay dùng sợi có độ bền cao mođun đàn hồi cao, để làm tăng tính lý cho composite Việc sử dụng kim loại hợp kim cho phép làm tăng độ bền composite theo phương vng góc với phương sợi cốt, tăng độ bền trượt, composite nhận có độ bền trượt kim loại Composite kim loại có tiêu lý cao, ổn định, bền nhiệt khoảng nhiệt độ cao thời gian lớn nhiều so với polyme 3.2 Những vật liệu tiên tiến – composite đại quan tâm Những năm gần đây, giới phát triển mạnh mẽ vật liệu composite theo hướng sau: Composite cacbon-cacbon Là vật liệu có cốt sợi cacbon sở cacbon Nền cacbon có tính chất lý nhẹ tương tự sợi cacbon, nên kết hợp với sợi cacbon cho vật liệu siêu bền siêu nhẹ Thông thường để đưa 1kg lên vũ trụ tiêu tốn khoảng 20000USD-30.000USD, việc phát triển ứng dụng vật liệu cacbon-cabon vũ trụ trở thành xu hướng chủ đạo năm gần Trên hình 10 minh hoạ ảnh máy bay Voyager nặng vẻn vẹn 450kg chế tạo 100% từ vật liệu composite cacbon, bay mạch không nghỉ vòng quang trái đất ( 1987) Vật liệu cacbon có độ bền cao, độ cứng cao Nhiều đòi hỏi khắt khe kỹ thuật, đòi hỏi thay đổi nhiệt đột ngột mức 1000K/cm, độ bền học cao ( lên đến 1000 MPa kéo), có vật liệu cácbon-cacbon với cấu trúc cốt khác đáp ứng được, đặc biệt vật liệu cacbon có đặc tính lý tưởng, khác hẳn so với composite khác, số tính chất lý lại tốt lên nhiệt độ tăng Hình 4: Máy bay Voyager ( Mỹ) chế tạo 100% từ composite Vật liệu cacbon-cacbon có cấu trúc khơng gian đảm bảo độ bền nhiệt, nhẹ, lại đảm bảo độ bền cao theo nhiều phương khác không gian chịu tải, khắc phục nhược điểm vật liệu phân lớp, có hệ số dãn nở nhiệt cực thấp, nên ngày hoàn thiện cơng nghệ, tính tốn học ứng dụng rộng rãi vũ trụ, hàng khơng, quốc phòng ngành khí, chế tạo máy: chế tạo đĩa phanh từ vật liệu cacboncacbon; thiết bị cách nhiệt vũ trụ; chi tiết loa phụt, chóp khí động, thân vỏ động tên lửa; mũi đột có độ bền cao ( bền nén 105MPa 2500oC), có độ dẫn nhiệt thấp cách nhiệt tốt; khuôn đúc áp lực để dập nóng kim loại hợp kim khó chảy; Những khuôn dập chế tạo composite cacboncacbon chịu nhiệt độ 1000oC, thường có khối lượng 84 kg, khuôn dập kim loại thông thường chịu nhiệt hơn, cách nhiệt nặng khoảng 100 lần, độ co composite cacbon-cacbon thấp, gần titan tốt nhiều so với thép Vật liệu composite cacbon -cabon ứng dụng y học, kỹ thuật điện, dầu khí, cơng nghiệp ( chi tiết chịu lực, chịu nhiệt cao, chịu ma sát, chắn phóng xạ lò phản ứng,…) Vì vậy, vật liệu cácbon-cacbon có tiềm triển vọng vơ to lớn, ngày thay dần kim loại hợp kim công nghiệp công nghiệp chế tạo vật thể bay Hình 5: Cấu trúc cốt phổ biến composite cacbon-cacbon Vật liệu nanocomposite Nano composite composite có thành phần cấu thành nên composite có cấu trúc nano Ý tưởng cấu trúc siêu nhỏ nhà khoa học người Mỹ Feynman R.P giải thưởng Nôben vật lý nêu lên đọc giảng cho sinh viên từ năm 1959, sau giảng tập hợp thành sách “There is plenty of room at the bottom in Minituarization New York; Rienhold” xuất vào năm 1960 Trong giảng này, ông đề cấp đến cấu trúc siêu nhỏ, tiên đoán xuất vật liệu có cấu trúc từ hạt, kích cỡ 10 -7 – 109 mét Công nghệ nano ứng dụng mạnh mẽ việc chế tạo thiết bị y tế: “động cơ” cực nhỏ cấy vào chỗ tắc mạch có tác dụng cấp cứu chỗ, làm lưu thông máu, đưa thuốc tới tế bào cần thiết thế; thiết bị siêu nhỏ mang theo thuốc hoá chất cấy vào mô ung thư diệt tế bào ung thư; ứng dụng công nghệ nano giúp cho việc xác định nhanh xác mã gien, phục vụ cho việc dự báo, chuẩn đoán chữa bệnh,… Vật liệu nano ứng dụng mạnh mẽ công nghiệp an ninh quốc phòng: thay đổi cấu trúc graphít thay nguyên tử bon cấu trúc mạng tinh thể graphít nguyên tử kim loại (như đồng chẳng hạn), nhận bon có tính bán dẫn Vật liệu nano đồng có tính khử rung cao, gấp 2-3 lần so với gang xám, vật liệu xem có khả chống rung lý tưởng Gốm nano Zicondioxit có nhiều ưu điểm hơn, thiêu kết nhiệt độ 1250 oC, gốm thơng thường thiêu kết 1600oC, chế tạo gốm nano nhận vật liệu tốt hơn, mà lại giảm đáng kể nguồn lượng cần phí chế tạo Những vật liệu kim loại mạ lớp hạt nano tăng độ cứng lên từ 1663% phụ thuộc vào loại hạt, độ dày lớp mạ độ mịn nhỏ hạt Thay máy dò cồng kềnh, Mỹ triển khai ứng dụng công nghệ nano để chế tạo rơbốt dò mìn đường kính 7,5 cm Nhờ ứng dụng công nghệ nano chế tạo chíp siêu nhỏ có nhớ cực lớn, có máy tính tốc độ siêu cao Người ta ước tính chế tạo lưu trữ thơng tin có cấu trúc nano, có trọng lượng vẻn vẹn gam chứa lượng thông tin thư viện quốc gia Không nghi ngờ nữa, vật liệu nano làm nên điều kỳ diệu kỷ XXI, sản phẩm chúng bước khỏi phòng thí nghiệm, tạo mạng thực công nghiệp Nghiên cứu lĩnh vực công nghệ nano giới lại có hướng sau đây: - Nghiên cứu (tính tốn, xây dựng mơ hình, nghiên - cứu tượng,…) Công nghệ chế tạo Ứng dụng công nghệ nano, phương pháp ứng dụng, khai thác hiệu Nanocomposite polyme nghiên cứu ứng dụng phổ biến Việt Nam Một ví dụ mơ thực tế nghiền hạt khoáng mịn đến nanomét, để trộn với polyme nhằm tạo composite có tính học cao, làm tăng khả chịu nhiệt, tăng khả chống thấm vật liệu,…(hình 12) Để tăng tính học tính chống cháy cho polyme, sản xuất chế tạo polyme, đặc biệt chất dẻo người ta sử dụng composite ba pha: trộn vào polyme tỷ lệ đáng kể hạt hạt thuỷ tinh, hạt cácbon, hạt kim loại (để gia cường khả học), tỷ lệ nhỏ hạt khoáng nano, hạt nano đất sét,…để tăng khả chống cháy cho vật liệu Nano composite nylon có 2-6% hạt nanô đất sét biến dạng nhiệt bắt đầu 150oC, nylon bình thường chảy dẻo 60 oC Hình 6: Mơ hình nanocomposite ba pha gồm polyme, hạt độn gia cường, hạt nano Vật liệu composite chức (hay gọi vật liệu có lý tính biến đổi) Là loại composite hệ nghiên cứu phát triển lần nhóm nhà khoa học viện Sendai Nhật Bản vào năm 1984 Sự đời loại vật liệu xuất phát từ yêu cầu thực tế ngành công nghiệp đại loại vật liệu tiên tiến có chức thơng minh chống chịu tốt với điều kiện khắt khe tải trọng 3.3 Hướng nghiên phát triển vật liệu độ bền cao Việt Nam Vật liệu dùng chế tạo máy khí an ninh quốc phòng chịu tải học, tác động vật lý, hoá học môi trường khác Yêu cầu hàng đầu vật liệu phải có độ bền cao, tức có khả cao chống biến dạng dẻo, chống gia tăng vết nứt, mài mòn bề mặt,…trong thời gian đủ dài cần thiết Các tiêu độ bền nói chung liên quan đến vật liệu chế tạo máy-cơ khí thường là: Chỉ tiêu học • Các mô đun đàn hồi vật liệu; Bền tĩnh (khả chịu tác động tức thời: bền kéo, bền trượt, bền nén, uốn,…); Bền mỏi (khả chịu tải tuần hoàn); Bền va đập, bền từ biến, … • Chỉ tiêu vật lý -hố học: Khối lượng riêng ; Khả dẫn điện, dẫn nhiệt,…; khả bền nhiệt; Bền với độ ẩm, xạ; Bền mơi trường hố học ( kiềm, axít,…); Bền điện hố,… Với composite, ngồi tiêu trên, cần biết thêm thơng số: • Các vật liệu thành phần cấu thành nên composite (các tiêu học vật lý, độ bền thành phần riêng rẽ,…); Tỷ lệ phân bố thể tích cốt nền; Cấu trúc cốt ( phân lớp, đồng phương, phương sợi,…); Độ bền dọc theo phương cốt, theo phương vng góc với cốt sợi,…; Tỷ lệ độ rỗng vật liệu; Nhiệt độ chịu đựng tối đa composite; Hệ số dãn nở nhiệt (của composite thành phần); Phương pháp, công nghệ chế tạo nên vật liệu; Biến dạng tối đa (%),… • Về măt học, độ bền vật liệu biểu diễn qua mối quan hệ ứng suất -biến dạng Vật liệu khơng khả năng”bền” nữa, tức vật liệu xảy phá vỡ tính liên tục mơi trường vật liệu Điều hiểu ứng suất biến dạng vượt mức giới hạn cho phép Mức giới hạn đặc trưng cơ-lý vật liệu, biêủ diễn qua mặt bền (mặt giới hạn) không gian ứng suất không gian biến dạng Những điểm nằm mặt ứng với trạng thái an toàn (trong giới hạn bền vật liệu) Những điểm nằm biên mặt giới hạn tương ứng với trạng thái ứng suất biến dạng khơng an tồn vật liệu Như chúng tơi đề cập đến, đặc tính cơ-lý-hoá, tất nhiên độ bền vật liệu, phụ thuộc vào ba yếu tố chính: • Các cấu tử, vật liệu thành phần cấu thành nên vật liệu • Cấu trúc phân bố thành phần bên vật liệu • Cơng nghệ chế tạo vật liệu Do thay đổi ba yếu tố đủ dẫn đến thay đổi đặc tính độ bền vật liệu Vì để nhận vật liệu có độ bền cao, thay đổi yếu tố, đồng thời hai, ba yếu tố lúc Giải pháp thiết kế-công nghệ: phương án tối ưu, hợp lý để sản xuất vật liệu, kết cấu, sở cân nhắc, tổng hoà yếu tố sau: • • • • u cầu tính kỹ thuật, thiết kế Vật liệu, nguyên liệu ban đầu, trang thiết bị có Các thủ pháp công nghệ khả thi Mức độ sản xuất ( đơn hay hàng loạt, số lượng,… ), lĩnh vực áp dụng ( cho quốc kế dân sinh hay an ninh quốc phòng, đất liền hay hải đảo,…), hiệu kinh tế (giá thành, yếu tố xã hội, vấn đề môi trường, vận chuyển, bảo quản,…), sức cạnh tranh so với sản phẩm tương tự vật liệu cũ, so với sản phẩm loại ngồi nước Có thể nói, cơng nghệ vật liệu có quan hệ khăng khít với nhau: công nghệ tạo vật liệu mới, ý tưởng thiết kế tạo vật liệu đòi hỏi đáp ứng máy móc, trang thiết bị cơng nghệ, để thực thiết kế Với trang thiết bị, giải pháp công nghệ lại đáp ứng yêu cầu định ( khả khai thác vật liệu thành phần, khả tạo dáng, khả gia công chịu nhiệt độ, áp suất định,…) Vì vậy, bắt tay vào lựa chọn vật liệu để chế tạo sản phẩm, kết cấu, phải có lựa chọn giải pháp thiết kế-công nghệ.Việc nghiên cứu hài hoà hợp lý pha vật liệu phương pháp quan trọng hiệu làm tăng độ bền vật liệu Các nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm cho thấy việc đưa cốt sợi làm tăng độ bền trượt, làm tăng mođun đàn hồi, tăng độ cứng vật liệu Còn việc đưa hạt độn nhỏ mịn hình cầu vào pha góp phần làm giảm biến dạng từ biến, làm giảm khuyết tật composite Đồng thời việc sử dụng hài hòa tỷ lệ sợi hạt cho phép giảm giá thành vật liệu cách thay phần sợi liên tục đắt tiền hạt thu cách nghiền học có giá thành rẻ nhiều lần so với sợi KẾT LUẬN Vật liệu composite có tiềm ứng dụng vơ to lớn, vật liệu tương lai Có thể nói kỷ XXI thể kỷ công nghệ cao vật liệu composite (hay gọi cách phổ biến vật liệu tiên tiến) Để chế tạo vật liệu mới, cần có tham gia nhiều ngành, nhiều nhà khoa học: hoá học (để chế tạo vật liệu thành phần, chất xúc tác, kết dính,…), vật lý ( để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử, phân tử liên kết, ảnh hưởng tác động từ, quang, điện,…), học (để tính tốn kết cấu hợp lý, dự báo đánh giá độ bền, thử nghiệm, thiết kế,…), công nghệ ( để xử lý nhiệt độ, áp suất, chọn thủ pháp công nghệ, gia công sản phẩm,…) Như nghiệp xây dựng phát triển ngành vật liệu cho tương xứng với tiềm ứng dụng to lớn khơng thể cơng việc Bộ, ngành riêng lẻ, mà phải chiến lược tổng thể quốc gia Chúng hy vọng tin tưởng ngành vật liệu composite nước ta định đầu tư quan tâm thích đáng (từ nghiên cứu, đào tạo nguồn nhân lực, xây dựng sở vật chất PTN ứng dụng sản xuất), phát triển vững mạnh, góp phần đắc lực hiệu vào nghiệp đại hố, cơng nghiệp hóa an ninh quốc phòng đất nước TÀI LIỆU THAM KHẢO Vật liệu composite- tiềm ứng dụng GS TSKH Nguyễn Đình Đức, ĐHQG Hà Nội Kỹ thuật vật liệu composite TS Đoàn Thị Thu Loan Đại học Đà Nẵng Vật liệu composite- học công nghệ Nguyễn Hoa Thịnh, Nhà xuất khoa học kĩ thuật ... liệu sang vật liệu gia cường phụ thuộc: vật liệu nền, vật liệu gia cường, kết dính bề mặt tiếp xúc vật liệu vật liệu gia cường Lý thuyết kết dính bề mặt tiếp xúc vật liệu gia cường vật liệu Kết dính... triển vật liệu theo cơng nghệ mới: công nghệ luyện kim bột; vật liệu nano composite; cơng nghệ nguội nhanh;… • Phát triển vật liệu với tính đặc biệt: vật liệu siêu cứng, vật liệu siêu dẻo, vật liệu. .. hình, vật liệu composite chức (hay gọi vật liệu có lý tính biến đổi),… • Thiết kế chế tạo vật liệu với khả cách thiết kế lựa chọn hợp lý cấu trúc kết cấu bên vật liệu Thực tế cho thấy vật liệu