Bài thuyết trình vật liệu compozit

Bài thuyết trình vật liệu compozit Trường Đại học Sư Phạm Kĩ Thuật TPHCM Vật liệu composite (còn gọi là Vật liệu compozit hay composite) là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ..........

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

FME-HCMUTE

BÀI THUYẾT TRÌNH MÔN VẬT LIỆU HỌC

GVHD: ThS Nguyễn Nhựt Phi Long

VẬT LIỆU COMPOSITE

Nhóm sinh viên thực hiện

Nguyễn Thành Đạt 18143217Nguyễn Đăng Thìn 18143324Nguyễn Mạnh Đức 18143222Phạm Huỳnh Dương 18143211

Vật liệu composite

Ứng dụng

và hướng phast triển

Công nghệ chế tạo

Khái niệm

đặc

điểm

KHÁI NIỆM.

 Vật liệu composite (còn gọi là Vật

liệu compozit hay composite) là vật

liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật

liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới

có tính năng ưu việt hơn hẳn các

vật liệu ban đầu, khi những vật liệu

này làm việc riêng rẽ

Sợi thủy tinh Sợi cacbon

LIÊN KẾT NỀN CỐT

1 Cốt

• Cốt là pha không liên tục, đóng vai trò tạo nên độ bền cao, môđun đàn hồi (độ cứng vững) cao cho composite, do vậy cốt phải là loại có các đặc tính đó, đồng thời phải nhẹ để tạo nên độ bền riêng cao Cốt có thể được làm bằng tất cả các loại vật liệu đã học: kim loại, ceramic và polyme Tỉ mỉ hơn về chúng được trình 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.

LIÊN KẾT NỀN CỐT

2 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 chi tiết theo thiết kế.

Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do các tác động hóa học, cơ học và của môi trường.

Yêu cầu chủ yếu đối với nền là phải nhẹ và có độ dẻo cao Phụ thuộc vào tính chất của composite cần chế tạo, người ta chọn loại nền phù hợp trong bốn nhóm: kim loại, ceramic, polyme và hỗn hợp.

LIÊN KẾT NỀN CỐT

Liên kết tốt giữa nền và cốt tại vùng ranh giới pha là yếu tố quan trọng nhất bảo đảm cho sự kết hợp các đặc tính tốt của hai pha trên Để tăng cường độ gắn

chắc 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

và dính 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 chất hóa 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 ôxyt của chính kim loại đó

Polime nhiệt dẻo Polime nhiệt rắn

Kim loại Cacbon

Vật liệu

nền

Composite khoáng chất: Bê tông nền gốm, cacbon, hạt kim loại, hạt gốm,

Composite hữu cơ: nền giấy, nền

nhựa, nhựa đường, sợi hữu cơ,

sợi khoáng, sợi kim loại và chịu

nhiệt tối đa là 200/300oC.

Phân loại

Text Text Text

Công nghệ khuôn tiếp xúc

• Trong điều kiện thường

• Trong chân không

Công nghệ dập trong khuôn

Text Text Text

Ứng dụng

và phát triển

Thiết bị giáo dục Thiết bị văn phòng

Cốt hạt

Cốt sợi

Cấu trúc

Composite theo cấu trúc

COMPOSITE CỐT HẠT

Composite cốt hạt

Được chia thành hai nhóm nhỏ hơn là composite cốt hạt thô ( được sử dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp xây dựng ) và composite cốt hạt mịn ( có tính năng đặc biệt

là bền nóng và cả ổn định nóng ).

1 Composite hạt thô

 Khái niệm "thô" được dùng để chỉ tương

tác giữa nền và cốt không xảy ra ở mức độ

nguyên tử, phân tử, lúc này sự hóa bền có

được là nhờ sự cản trở biến dạng của nền

đó một tính chất (E) của loại nền Cu cốt

W

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, 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

độ bền độ cứng của vật liệu.

Các loại 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.

COMPOSITE CỐT SỢI

KHÁI NIỆM

• Composite cốt sợi là loại composite kết cấu quan trọng nhất vì nó

có độ bền riêng và modun đàn hồi riêng cao

• Tính chất của nó phụ thuộc vào bản chất vật liệu cốt và nền, độ

bền liên kết tên ranh giới pha, sự phân bố và định hướng sợi cũng như kích thước và hình dạng của sợi

 Ảnh hưởng của yếu tố hình học

sợi

• Sợi phân bố một chiều song song với nhau thì độ bền

dọc sợi sẽ cao hơn hẳn phương vuông góc với nó.

• Sợi phân bố theo 2 hướng vuông góc với nhau thì khi

thử theo hai phương dọc theo trục sợi độ bền nhận

được là cao hơn cả

• Sợi phân bố không định hướng trên một mặt phẳng sẽ làm cho compozit có tính đẳng hướng

• Sợi phân bố theo 3 phương vuông góc với nhau thì compozit có độ bền lớn nhất theo cả ba phương tương ứng

 Ảnh hưởng của chiều dài sợi

• Đối với loại cốt sợi ngắn , dưới tác dụng của ứng suất đặt vào sự biến dạng của nền dừng lại ở mút sợi, một phần bị chảy

• Tuy nhiên, tình hình sẽ được cải thiện một khi chiều dài sợi được tăng lên.

2 Composite cốt sợi liên tục thẳng hàng

• Ảnh hưởng của hàm lượng sợi :

• Nếu hàm lượng của sợi quá nhỏ, sợi không

có tác dụng gia cường cho composite.

• Nếu cốt quá ít toàn bộ tải sẽ tác dụng lên nền xảy ra cho tận đến khi độ giãn dài của mẫu bằng độ giãn dài khi phá hủy của sợi

3 Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng

• Do chiều dài sợi ngắn nên hiệu quả gia cường của sợi compozit không thể cao như loại cốt sợi liên tục thẳng hàng.

• Tuy nhiên, loại compozit gián đoạn thẳng hang này cũng ngày càng có có vị trí quan trọng hơn trên thị trường.

4 Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn

• 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

• Giá trị của thông số k của composite sợi gián đoạn cho các trường

hợp định hướng khác nhau giữa sợi và ứng suất.

 

5 Kích thước và vật liệu làm cốt sợi

a Kích thước sợi

• Dựa vào đường kính và đặc

tính người ta phân cốt sợi

thành ba loại: râu, sợi và dây

để chế tạo râu có thể là grafit, SiC, Si3N, Al2O3

• 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 lệ chiều 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.

• 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

Tính chất của một

số loại cốt

sợi

b Vật liệu làm sợi

•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 mềm lỏng 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 tốt với 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.

•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).

6 Vật liệu làm nền

• Vật liệu làm nền cho composite cốt sợi thường là polyme và kim loại vì chúng có tính dẻo tốt

• Kim loại dùng làm pha nền thường là nhôm và đồng

• Tuy nhiên polyme là pha nền được dùng phổ biến hơn với đủ chủng loại cả nhiệt rắn lẫn nhiệt dẻo: polyeste, nylon, epoxy, nhựa fenol, polyamit, melamin

• Hiện còn ít dùng nền là ceramic trừ bêtông cốt thép là loại phổ biến nhất hiện nay

Composite

kim loại

Composite cốt sợi pha

Composite cacbon

Composite

polyme

Các loại composite 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.Hiện composite polyme - 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 khối lượng và do đó là tiêu hao nhiên liệu

b Composite polyme - sợi

c Composite kim loại

• 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

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

• 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, 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

COMPOSITE CẤU TRÚC

KHÁI NIỆM

• Composite cấu trúc là loại bán thành phẩm dạng tấm nhiều lớp được tạo bằng cách kết hợp các vật liệu đồng nhất với composite theo những phương pháp cấu trúc khác nhau.

• Tính chất của Composite cấu trúc phụ thuộc vào cả tính chất các vật liệu thành phần và thiết kế hình học của chúng trong kết cấu

Text Text Text

Phân loại

và đặc điểm

Composite cấu

trúc dạng lớp sandwich. Panel

Composite cấu trúc dạng lớp.

• Chúng gồm bởi các lớp có độ bền dị hướng cao (gỗ, composite cốt sợi liên tục thẳng hang), được sắp xếp sao cho các phương độ bền cao nhất của các lớp, tấm

kề nhau được đổi hướng liên tục và được

ép kết dính với nhau.

• Đặc điểm: Độ bền cao theo các phương song song với mặt tấm, nhưng rất kém theo phương vuông góc với tấm

Panel sandwich.

• Gồm 3 lớp trong đó 2 lớp mặt được chế tạo từ vật liệu có độ bền hay độ cứng vững cao (hợp kim nhôm, titan, thép, composite dạng lớp) và lớp giữa (polyme xốp, caosu nhân tạo, chất dính vô cơ, gỗ nhẹ).

• Đặc điểm: 2 lớp mặt chịu toàn bộ tải trọng tac dụng thoe phương song song với mặt tấm Lớp giữa vừa ngăn cách 2 lớp mặt vừa chống biến dạng theo phương vuông góc và tạo độ cứng vững tránh cong vênh.

ỨNG DỤNG CỦA COMPOSITE CẤU TRÚC

• Việc sử dụng các cấu trúc compozit

trong xây dựng ngày càng tăng.

• Sự kết hợp tối ưu của nhiều loại vật liệu khác nhau tạo ra các cấu trúc đặc biệt bền và tiết kiệm được nhiều chi phí.