Phần 1 cuốn sách Vật liệu polyme (Quyển 2 - Vật liệu polyme tính năng cao) cung cấp cho người học các kiến thức: Polyme compozit, polyme nanocompozit và composit carbon - carbon, polyme blend. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Đ ỗ QUANG KHÁNG VRT LIẸU PDLymE Quyển Vật liệu polyme tính cao NHÀ XUấT BÀN KHOA HỌC Tự NHIÊN UÀ CÔNG NGHỆ NỘI DUNG Chương 1: POLYME BLEND 1.1 Polyme biend khái niệm nghiên cửu vật liệu polyme blcnd 1.2 Sự tưong họp polyme blend .4 1.2.1 Biểu đồ pha polyme blend 1.2.2 Lý thuyết định lượng 1.2.3 Bề mặt phân p h a 10 1.3 Cấu trúc hình thái tạo thành cấu trúc polyme blen d 12 1.4 Tính chất vật liệu polyme blend 16 1.4.1 Tính chất quang học polyme blend .18 1.4.2 Nhiệt độ thủy tinh hóa polyme blend 18 1.4.3 Tính chất học polyme blend 19 1.5 Các phương pháp nghiên cứu polyme blcnd 20 1.5.1 Xác định khả tương họp polyme blend 21 1.5.2 Tính chất nhiệt nhiệt động 23 1.5.3 Nghiên cứu cấu trúc 25 1.6 Phương pháp nâng cao tính lý cho vật liệu polyme blen d 26 1.6.1 Dưa vào hệ chất tương h ọ p 27 1.6.2 Dưa vào hệ peroxide 28 1.6.3 Dưa vào tác nhân gồm peroxide vàhọp chất đa chức 29 1.6.4 Chế tạo blend sở cácpolyme có khả tham gia phản ứng trao đổi .29 1.6.5 Dưa vào hệ chất hoạt động bề m ặt 29 1.6.6 Đưa vào hệ chất độn hoạt tính 29 1.6.7 Sử dụng phương pháp nhiệt 30 1.6.8 Sử dụng phương pháp lưu hóa động 30 Tài liệu tham khảo 31 Chương 2: POLYME COMPOZIT, POLYME NANOCOMPOZIT VÀ COMPOSIT cARBON-C ARBON 33 2.1 Vật liệu polyme compozit 33 2.1.1 Những hiểu biết chung vật liệu com pozit 33 2.1.2 Phân loại đặc điểm vật liệu compozit .34 2.1.3 Vấn đề bám dính nghiên cứu vật liệu compozit 37 2.1.4 Các phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit 40 2.1.5 Những ưu điểm ứng dụng vật liệu polyme compozit tình hình nghiên cứu chế tạo ứng dụng vật liệu polyme compozit Việt Nam 57 2.2 Vật liệu polyme nanocompozit 59 2.2.1 Khái niệm vật liệu polyme nanocompozit 59 2.2.2 Phân loại đặc điểm vật liệu polyme nanocompozit 60 2.2.3 Ưu điểm vật liệu polyme nanocompozit .61 2.2.4 Phương pháp chế tạo 61 2.2.5 Sơ lược tình hình nghiên cứu vật liệu polyme nanocompozit 63 2.2.6 Một số loại vật liệu polyme nanocompozit điển hình 65 2.3 Compozit carbon-carbon 81 2.3.1 Giới thiệu chung compozit carbon-carbon 81 2.3.2 Sợi Carbon 82 2.3.3 Vật liệu 87 2.3.4 Chế tạo gia cơng compozit carbon-carbon 88 2.3.5 Tính chất compozit carbon-carbon .102 ii 2.3.6 ứng dụng compozit carbon-carbon 107 Tài liệu tham khảo 109 Chương 3: POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC VÀ POLYME SINH H ỌC 111 3.1 Giói thiệu chung polyme phân hủy sinh học polyme sinh học .111 3.1.1 Khái niệm polyme có khả tự phân hủy, phân hủy sinh học polyme sinh học 111 3.1.2 Những yếu tố định tới phân hủy sinh học polyme 113 3.1.3 Cơ chế phân hủy sinh học vật liệu polyme sinh học « 114 3.1.4 ứng dụng polyme phân hủy sinh học 114 3.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo ứng dụng vật liệu polyme phân hủy sinh học giói Việt Nam 117 3.2.1 Tình hình nghiên cứu, chế tạo ứng dụng vật liệu polyme phân hủy sinh học giới 117 3.2.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo ứng dụng polyme phân hủy sinh học Việt N am 121 3.3 Polyme sinh học có khả phân hủy thủy phân 123 3.3.1 Polỵa-este 123 3.3.2 Polyòrtoeste 150 3.3.3 Polyphosphateste 152 3.3.4 Polyphosphazen 153 3.4 Polyme sinh học có khả phân hủy enzym 155 3.4.1 Protein poly amino axit 155 3.4.2 Polysacarid người 164 3.5 Nhận xét chung polyme phân hủy sinh học 170 Tài liệu tham khảo .171 Chương 4: POLYME DẪN ĐIỆN VÀ POLYME TINH THỂ LỎNG 173 4.1 Polyme dẫn điện 173 4.1.1 Khái niệm polyme dẫn điện 173 4.1.2 Phân loại polyme dẫn điện 175 4.1.3 Cơ chế dẫn điện polyme dẫn điện .178 4.1.4 Một số polyme có khả dẫn điện điển hình 181 4.1.5 Một số hệ chất kích hoạt 186 4.1.6 ứng dụng polyme dẫn điện 190 4.2 Polyme tỉnh thể lỏng 195 4.2.1 Khái niệm tinh thể lỏng polyme tinh thể lỏng 195 4.2.2 Cấu trúc polyme tinh thể lỏng .198 4.2.3 Tính chất polyme tinh thể lỏng 198 4.2.4 Những ứng dụng polyme tinh thể lỏ n g 199 Tài liệu tham khảo 200 Chương 5: POLYME THÔNG MINH VÀ POLYME HYDROGEL THÔNG MINH 201 5.1 Vật liệu thông minh polyme thông m inh 201 5.1.1 Khẩi niệm vật liệu thông minh 201 5.1.2 Một số loại vật liệu, thông minh, polyme thông minh ứng d ụ n g .' 202 5.2 Polyme hydrogel polyme hydrogel thông minh 207 5.2.1 Giới thiệu chung polyme hydrogel .207 5.2.2 Phân loại polyme hydrogel 209 5.2.3 Polyme hydrogel thông m in h 214 5.2.4 Các phương pháp chế tạo hạt nano polyme hydrogel .220 5.2.5 ứng dụng polyme hydrogel 225 Tài liệu tham khảo 231 IV Chương 6: CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO KHẢ NĂNG BỀN CHỐNG CHÁY CHO VẬT LIỆU POLYME 233 6.1 Giới thiệu chung chất chống cháy cho vật liệu polyme 233 6.1.1 Mục đích chống cháy 233 6.1.2 Cơ Chế hoạt động phụ gia chống cháy 234 6.1.3 Chất chống cháy cho vật liệu polyme .237 6.1.4 Chất chổng cháy cho vật liệu cao su 256 6.2 Các phương pháp khảo sát khả chống cháy vật liệu polyme 258 6.2.1 Phương pháp thử UL 258 6.2.2 Khảo sát tinh dễ bắt cháy 259 Tài liệu tham khảo 261 GIẢI THÍCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT 265 t V LỜI MỞ ĐÀU Trong nội dung 1, tác giả trình bày kiến thức vật liệu polyme khái niệm, định nghĩa, tính chất vật liệu polvme nhóm vật liệu polyme chế tạo ứng dụng rộng rãi kinh tế kỹ thuật Đó loại polyme nhiệt dẻo, polvme nhiệt rắn, cao su, phụ gia sử dụng công nghiệp polyme cuối là'các phương pháp đánh giá tính lý, kỹ thuật vật liệu polyme Để giúp cho người đọc người học cập nhật vật liệu polvme, nội dung giới thiệu vật liệu polyme tính cao Đó loại vật liệu polyme có tính đặc biệt phát triển từ loại vật liệu polyme sở, loại polyme blend, polyme compozit, nanocompozit, compozit carbon-carbon, vật liệu polyme mà thân có tiềm đặc biệt vật liệu polyme dẫn điện, polyme sinh học, polyme thông minh, Tuy nhiên, loại vật liệu thường có kết cấu tính da dạng, khơng thể phân biệt cụ thể loại vật liệu riêng biệt ví dụ vật liệu polyme sinh học polyme nguyên polyme blend, polyme compozit, nanocompozit, bên cạnh khả tương thích sinh học, chúng có tính dẫn điện hay thơng minh, Chính vậy, việc phân biệt thành nhóm vật liệu mang tính tương đối Hy vọng với nội dung có thê cung cấp cho người đọc khái niệm việc chế tạo, tính chất, khả phát triển ứng dụng tuyệt vời loại vật liệu lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật đời sống xã hội Từ làm sở cho nghiên cứu sinh, người làm công tác nghiên cứu, sản xuât lĩnh vực vật liệu polyme tìm tịi, sáng tạo q trình nghiên cứu, triển khai ứng dụng mình., Cuối cùng, tác giả xin chân thành cám ơn ủng hộ lãnh đạo hội đồng đào tạo Viện Hóa học, giáo sư thẩm định nội dung, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp nhà xuất KHTN & CN tạo điều kiện cho việc hoàn thành xuất sách Tác giả CHƯƠNG POLYME BLEND 1.1 Polyme blend khái niệm nghiên cứu polyme blend Polyme blend hồn hợp hai polyme copolyme [1], Song có tác giả định nghĩa cụ thể “Vật liệu polyme blend vật liệu cấu thành từ hai nhiều polyme nhiệt dẻo polyme nhiệt dẻo với cao su, qua tối ưu hóa mặt tính lý giá thành cho mục đích sử dụng định” [2], Trong nghiên cứu vật liệu polyme blend, người ta cần quan tâm đến khái niệm sau: - Cấu trúchình thái:là hình ảnh thể cấu trú polyme, polyme blend hay chất rán nói chung - Sự tương hợp polyme blend: tạo thành pha tổ hợp ổn định đồng thể từ hai hay nhiều loại polyme thành phần - Khả trộn họp: nói lên khả polyme thành phần điều kiện định hồ trộn vào tạo thành tổ họp vật liệu đồng thể hay dị thể Có polyme blend cấu tử hồ trộn vào tới mức độ phân tử cấu trúc tồn trạng thái cân bằng, người ta gọi hệ tương hợp mặt nhiệt động học hay “miscibility”, hệ tạo thành nhờ biện pháp gia công định người ta gọi tương hợp mặt kỹ thuật hay “compatible blends” Những tổ họp polyme tồn pha khác dù nhỏ (micrô) gọi tổ hợp không tương hợp “incompatible blend” alloy [3] Trong thực tế, có cặp polyme tương hợp mặt nhiệt động, đa phần polyme không tương họp với Khi trộn với chúng tạo thành vật liệu blend có cấu trúc ba dạng mơ tả hình 1.1 Tính chất vật liệu polyme blend định tương họp cùa polyme thành phân blend Từ kêt nghiên cứu người ta rằng, tương hợp polyme phụ thuộc vào yếu tố sau [3,4]: - Bản chất hoá học cấu trúc phân từ polyme; - Khối lượng phân từ phân bố khối lượng phân tử; - Tỷ lệ cẩu tử tổ hợp; - Năng lượng bám dính ngoại phân tử; - Nhiệt độ (a) Hình (b) (c) 1.1:Các dạng phân bố pha vật liệu polyme blend không tương họp a: Một pha liên tục pha phân tán (hay gặp) b: Hai pha liên tục c: Hai pha phân tán (rất gặp) Cịn tính chất tổ hợp không tương họp phụ thuộc vào: - Sự phân bố pha; - Kích thước hạt; - Loại bám dính pha Những yếu tổ bị chi phối điều kiện chuân bị gia cmg vật liệu Trong thực tế, để tăng độ tương hợp khả tiộn họp polyme polyme blend không tương họp, người ta dùng chất làm tăng khả tương họp (chất làm tưomg họp) rhư copolyme, oligome đồng trùng hợp chất hoạt tính bề rrặt Bên cạnh việc chọn chế độ chuẩn bị gia cơng thích hợp cho ừng hệ blend thơng qua việc khảo sát tính phất lưu biến vật liệu blend Từ kinh nghiệm thực tế cho thấy rằng, polyme có Ciất hóa học giống dễ phối họp với nhau, polyme khác nhai vê cấu tạo hóa học độ phân cực khó trộn họp với Trong trường hợp ta phải dùng chất làm tương hợp (trợ tương hẹp) Trong vật liệu polyme blend, cấu trúc kết tinh phần làm ăng độ bền hóa học, độ bền hình dạng tác dụng nhiệt độ bền mài Mặt khác, phương pháp này, nhiệt độ phản ứng cao tạo lỗ gần giống hình thành lỗ cổ chai Đây tượng không mong muốn, carbon lắng đọng bịt lỗ nhỏ sau tiến tới lỗ lớn tạo thành “khoảng trống” bên Sự lựa chọn kỹ đường kính sợi vật liệu ban đầu làm giảm hiệu ứng cổ chai Người ta khắc phục bàng cách gia cơng học lóp bề mặt sau chu trình lắng đọng, từ mở lỗ nhỏ cho chu trình tiểp sau Từ nội dung cho thấy, nhìn chung, kỹ thuật gia công CVD tạo compozit với trọng lượng riêng lớn hơn, liên kết carbon lắng đọng chất gia cường chặt chẽ Điều khiến nâng cao tính chất học cho vật liệu Tuy nhiên, tượng “bịt lỗ cổ chai” thời gian lắng đọng dài hạn chế lớn phương pháp - Quá trình thấm lỏng Công nghệ chế tạo compozit carbon-carbon trình thấm lỏng ( Liquid Impregnation L roces- IP) liên quan đến P trúc vật liệu ban đầu với hắc ín vật liệu hữu khác trình tái carbon hóa Để đạt tính chất mong muốn compozit trọng lượng riêng cao, độ bền modul cao với tính dẫn nhiệt thấp, trình thấm lỏng bàng vật liệu hữu carbon hóa phải lặp lặp lại Số chu kỳ tối ưu cần dựa theo điều kiện gia công loại sợi vật liệu hữu sử dụng Một tính chất quan trọng vật liệu hữu LIP tỷ lệ lượng carbon tạo lượng suốt trình carbon hóa Hắc ín sở hữu tính chất carbon hóa chậm áp suất cao, khoảng 10 MPa Quan hệ việc tổn hao khối lượng nhiệt độ carbon hóa số vật liệu hữu sử dụng trình thấm ướt để chế tạo vật liệu compozit carbon-carbon thể hình 2.29 Ảnh hưởng áp suất carbon hóa đến tổn hao khối lượng loại hắc in than đá (coal tar pitch-CT) có điểm mềm hóa (softening pointSP) khác thể hình 2.30 Từ hình 2.30 cho thấy khối lượng vật liệu hữu (hắc ín) giảm nhanh chóng áp suất khí lên tới 10 MPa Khối lương ổn định dần sau 100 MPa lúc áp suất khí có ảnh hưởng tới nhiệt phân hắc ín Nhựa nhiệt rắn carbon hóa dễ dàng áp suất thấp Nói chung, thể độ nhớt thấp, độ ướt cao bề mặt vật liệu tạo thành ban đầu khắc phục trước carbon hóa Trong khía cạnh này, nhựa nhiệt rắn tỏ ưu việt so với hắc ín 96 Nhiệt độ T(°C) Hình2.29: Quan hệ tổn hao khối lượng nhiệt độ, áp suất xung quanh q trình carbon hóa với tốc độ nâng nhiệt 2°c/phút Hình 2.30: Quan hệ tổn hao khối lượng áp suất carbon hóa loại hắc ín từ than đá với điểm mềm hóa khác nhau, nhiệt phân đến 600°c tốc độ nâng nhiệt 10°c/phút 97 Các compozit carbon-carbon tạo LIP bắt nguồn từ tiền chất nhựa nhiệt rắn hắc ín Nhựa nhiệt rắn đặc trưng benzimidazol, polyphenylen, biphenol formaldehye, furfuryl alcohol, phenol formaldehyde (phenolic), epoxy novolac polyimide Loại hắc in sừ dụng nhiều hắc ín than đá dầu mỏ Các kỳ thuật cho việc thấm ướt vật liệu compozit carbon-carbon tạo thành ban đầu nhựa nhiệt rắn hắc ín trình bầy đầy đủ Giacơng nhựa nhiệt rắn Nhựa nhiệt rắn gia công nhiệt phân dạng cấu trúc khô ban đầu ( drypreform) thấm ướt chế tạo compozit từ sợi to, sợi tơ, vải dệt sợi ngắn thấm ướt Kỹ thuật bắt nguồn từ loại nhựa nhiệt rắn gia công liên quan đến thấm ướt điều kiện chân khơng theo sau q trình khâu mạch sau khâu mạch Compozit sau nhiệt phân nhiệt độ khoảng 650°c 1000°c Vật liệu sau chuyển tới lị gia nhiệt tới nhiệt độ khoảng 2600 đến 2750° c Tốc độ gia nhiệt phụ thuộc vào kích cỡ hình dạng sản phẩm compozit Chu trình thấm ướt - gia nhiệt lặp lại để làm đặc cấu trúc Trọng lượng riêng compozit bị ảnh hưởng số lượng chu trình (số lần lặp lại) thấm ướt - gia nhiệt thể hình 2.31 Sau số chu trình (khoảng 7), độ bền đạt đến mức vật liệu cốt ban đầu nhiệt phân, nhờ tạo compozit có độ bền cao Các sợi to, sợi tơ, vải dệt sợi ngắn thấm ướt nhựa sử dụng chế tạo compozit carbon-carbon Một kỹ thuật kinh điển để chế tạo loa tên lửa từ vải dệt 3-D Quá trình chế tạo loa tên lửa (rocket nozzle) liên quan đến việc đúc khâu mạch nhựa thấm vải dệt sau thấm ướt chúng với nhựa phenolic Quá trình tiếp sau trình xếp nhiệt phân để đuổi hết khí ẩm khỏi vải Compozit sau thấm ướt với furfuryl alcohol nhiệt phân Trọng lượng riêng độ bền tăng lên với chu trình Lớp gốm phủ bảo vệ (coating) ba© gồm silica nhơm dạng bột sừ dụng cho compozit Compozit sau gia nhiệt tới nhiệt độ khoảng 1650°c Ket silicon carbide tạo thành bề mặt Một phương pháp xử lý khác với tetraetyl-ortosilicat dạng khâu mạch silicon dioxide lại bề mặt để bảo vệ carbon Sản phẩm cuối loa tên lửa chế tạo từ vải dệt 3-D, với thấm ướt nhựa nhiệt rắn thể hình 2.32 [3] 98 Tỷ trọng/cm3 Hình Hình M 2.31: ối quan hệ trọng lượng riêng compozit số chu kỳ thấm ướt- gia nhiệt 2.32:Sản phẩm loa tên lửa chế tạo từ sợi dệt 3-D với tiền chất nhựa nhiệt rắn 99 Nhựa nhiệt rắn ban đầu thường vơ định hình đẳng hướng tính chất chúng cấu trúc micro chúng gia nhiệt xừ lý nhiệt độ 600°c Người ta quan sát thấy bất đắng hướng cục nhựa nhiệt rắn pha trung gian nhựa với sợi nhiệt độ thấp 1000°c Các tính chất bất đẳng hướng tăng lên nhiệt độ xử lý tăng Lớp tiếp giáp sợi trở nên hoàn toàn định hướng 2800°c [3] Những hiệu ứng cho graphit hóa ứng suất Người ta đốn nguồn graphit hóa ứng suất co giãn suốt trình nhiệt phân ứng suất nhiệt sau q trình carbon hóa rão tạo chảy ứng suất nhiệt độ cao Đây nhược điểm liên quan đến kỹ thuật gia công nhựa nhiệt rắn cần phải giải Giacông nhựa hắc ín Nhựa hắc ín từ than đá dầu mỏ gia công cách thấm lỏng áp suất cao (gia cơng áp suất cao) ưa thích để ứng dụng nhựa nhiệt rắn Bởi hắc ín có điểm mềm hóa thấp, độ nhớt thấp trạng thải lỏng có hiệu suất graphit hóa cao Điều khiến chúng trở nên hấp dẫn để làm vật liệu ban đầu (tiền chất nền) cho compozit carbon-carbon Kỹ thuật chấp nhận cho việc gia cơng hắc ín tương tự với nhựa nhiệt rắn, ngoại trừ áp suất đẳng tĩnh pressure) cần phải dùng đến suốt q trình graphit hóa Kỹ thuật liên quan đến chảy hắc ín lỏng điều kiện chân không thùng gia nhiệt Vật liệu tạo thành ban đầu gia nhiệt tới nhiệt độ, môi trường chân khơng thùng liền kề Hắc ín nóng chảy sau chảy qua đường ống tốc độ kiểm soát tới thùng chứa vật liệu cốt ban đầu Dịng chảy hắc ín nóng chảy cách lấp đầy thùng chứa hắc ín với nitơ nén ép Sau thấm ướt hoàn toàn vật liệu cốt tạo thành ban đầu, áp suất thùng vật liệu ban đầu thùng hắc ín cân dịng chảy hắc ín bị ngưng lại Thùng chứa vật liệu ban đầu sau bịt kín chuẩn bị cho bước gia cơng Bước liên quan dến việc dặt thùng bịt kín chứa vật liệu cốt ban đầu vào thùng to chịu áp suất Nhiệt độ áp suất thùng nâng đến 650°c 108,4 MPa Hắc ín nóng chảy lan rỉ qua lỗ vật liệu cốt tạo thành ban đầu nhờ vào áp suất đẳng tĩnh ( isospressure) ca hưởng đáng kể đến hiệu suất graphit hóa compozit Các thí nghiệm compozit carbon-carbon gia công áp suất 100 100 MPa có hiệu suất graphit hóa cao gấp lần compozit gia công áp suất MPa Bước địi hỏi 24 để hồn thành Vật liệu tạo thành lấy khỏi thùng chứa sau graphit hóa lị nhiệt độ lên tới 2300°c Tồn q trình lặp lại vài lân trọng lượng riêng tạo cao Thơng thường, tỷ trọng cụ thể vượt mức 1,6 Một vấn đề quan trọng liên quan tới trình thấm ướt áp suất cao compozit carbon-carbon phồng lên hắc in mesophase khí metan hydro suốt trình nhiệt phân Đó tác nhân gây nên nứt gẫy biến dạng khiến cho việc đạt tới trọng lượng riêng cực đại compozit Việc loại bỏ bọt tạo khí từ mesophase trước graphit hóa để đảm bảo trọng lượng riêng cực đại (ở mức có thể) quan trọng Một giải pháp khả thi cho vấn đề chu trình thay đổi áp suất ứng dụng suốt q trình thấm ướt Nó liên quan đến việc giảm nhanh áp suất tác dụng vào mesophase sau tăng nhanh chóng trở lại mức áp suất cao Điều khiến bong bóng khỏi hắc ín mesophase vật liệu tạo thành ban đầu thấm ướt đầy đủ hom Một giải pháp khả thi khác cố định hắc ín mesophase chỗ oxy hóa cùa hắc ín trước carbon hóa Điều làm giảm hình thành bọt q trình xừ lý nhiệt sau cần phải nhấn mạnh ràng q trình oxy hóa tiến hành để ổn định mesophase Nó hồn tồn khác so với q trình oxy hóa compozit chúng khí hóa khơng khí Q trình oxy hóa compozit giải phần tiếp theo, dạng tính chất oxy hóa bảo vệ Cấu trúc micro đặc trưng compozit carbon-carbon gia cường dạng sợi với hắc in than đá thổ hiộn hình 2.33 Các vết nút thường khởi dầu chỗ tiếp giáp sợi thể mức độ quan trọng độ bền liên kết bề mặt ranh giới Điều cải thiện vật liệu tạo thành ban đầu có mặt nguyên tử carbon hoạt động gán vào lóp hác ín mesophase Đó khơng phải trường họp sợi carbon có modul cao Chúng có cấu trúc vỏ - nhân với lóp vỏ bên ngồi lóp vỏ bọc dẫn đến liên kết yếu sợi 101 Hĩnh 2.33:Dạng cấu trúc micro đặc trưmg compozit carbon-carbon dạng sợi sử dụng hắc in than đá làm vật liệu 2.3.5 Tính chất compozit carbon-carbon 2.3.5 1.Đặc tính oxy hóa bảo vệ Các tính chất vật lý học compozit carbon-carbon khiến cho chúng trở nên hấp dẫn ứng dụng có yêu cầu độ bền cao, trọng lượng nhẹ, độ dai tính dẫn nhiệt thấp nhiệt độ cao Trong điều kiện khí trơ mơi trường chân khơng compozit carboncarbon ưu việt so với vật liệu khác việc trì tính chất chúng Tuy nhiên, vấn đề nghiêm trọng phải đối mặt kỹ sư thiết kế, tính chất oxy hóa compozit carbon-carbon điều kiện nhiệt độ tăng cao Nói chung, carbon dạng phản ứng với oxy cháy nhanh chóng nhiệt độ 500°c Mối quan hệ tổn hao khối lượng nhiệt độ mẫu vật với độ dày khác nhau, chế tạo từ sợi Thomel 300 hắc in carbon hóa thể hình 2.34 Sự tổn hao khối lượng tăng lên nhanh chóng với nhiệt độ mẫu vật mỏng (A B) Đối với mẫu vật dầy (C D), tổn hao khối lượng tăng lên theo nhiệt độ tốc độ thấp so với mẫu vật mỏng Hình 2.35 cho thấy mối quan hệ lượng phần trăm carbon cháy thòi gian cho mẫu vật thể hình 2.34 [3] 102 Hĩnh 2.34:S ự oxy hóa compozit carbon-carbon độ dày khác dòng khơng khí với tốc độ nâng nhiệt đặn 10°c/phút Hĩnh 2.35:Q uan hệ phần trăm carbon cháy thời gian loại vật liệu (hình 2.34) dịng khí nóng 650°c Từ hình 2.35 cho thấy, mẫu vật liệu có độ dày lớn hom (7,9 mm) khoảng 20% carbon bị khí hóa diễn khoảng đến 103 tiếng đồng hồ Điều lần khẳng định ngăn chặn q trình oxy hóa cần thiết để bảo vệ compozit carbon-carbon ứng dụng nhiệt độ cao Để thực vấn đề này, người ta đề xuất hai kỹ thuật để bảo vệ chống oxy hóa compozit carbon-carbon Đó dùng lớp phủ chuyển hóa bề mặt compozit sang dạng Carbide bền oxy hóa Tạolớp phủ Các nỗ lực để tạo lớp phủ bề mặt compozit carbon-carbon tiến hành với lớp bảo vệ Các vật liệu tiềm cho việc tạo lớp phủ bề mặt compozit carbon-carbon không cho oxy thấm qua nhiệt độ cao gồm vật liệu silicon carbide, titan carbide bo nitrit Các lóp vật liệu đưa lên bề mặt compozit lắng đọng hóa học Tuy nhiên, lớp phủ không cho thấy hiệu ứng đầy đủ chúng việc phịng chống oxy hóa nhiệt độ cao Màng thủy tinh hay màng chất lỏng bo oxide hay borat sử dụng để bảo vệ bề mặt compozit carbon-carbon Người ta kết luận phương pháp hiệu việc chống oxy hóa nhiệt độ khơng khí lên tới 1000°c Ở nhiệt độ cao với có mặt nước phương pháp tỏ hiệu Gần người ta thấy ràng nhiệt độ cao với có mặt nước, borat có hiệu chúng ứng dụng vào lớp silicon Carbide kỹ thuật CVD Borat phát có hiệu chúng trộn hợp với pha hạt zirconi hafnium boride Người ta compozit carbon-carbon với lóp bo oxide, ziricon boride silicon carbide liên tục ngăn ngừa oxy hóa nhiệt độ cao tới 1500°c khơng khí khô Sự làm đặc silicon carbide bo nitrat bề mặt Compozit carbon-carbon biết đến Phương pháp phủ yêu cầu bề mặt với lỗ mờ ứng dụng chúng compozit có độ đặc khít cao bị hạn chế Một nhược điểm kỹ thuật phủ phát sinh từ khác biệt nhiệt tỏa lớp phủ compozit Điều gây vết nứt lóp phủ Trong số trường hợp, ví dụ, loa tên lửa - nơi mà nhiệt độ cao nước tồn tại, vài lớp phủ dễ bay khí hóa compozit khơng thể tránh khỏi - Carbide hóa bề mặt Kỹ thuật liên quan đến chuyển hóa bề mặt carbon compozit thành lớp carbide bền oxy hóa Phản ứng hóa học carbon silicon nóng chảy tạo thành lóp silicon carbide bề mặt 104 compozit carbon-carbon Mức độ phản ứng sợi phải giống nhau, khơng độ khơng đồng bề mặt lớp carbide hình thành Mặt khác, phản ứng silicon nóng chảy với sợi carbon mạnh với Điều giải cách tạo carbon có độ hoạt động cao Phương pháp phải chịu nhược điểm giống chất phủ Các vết nứt hình thành suốt chu trình nhiệt Thêm vào đó, cải thiện chống oxy hóa dựa bề mặt carbide hóa gây việc độ dai nứt compozit 2.3.5.2 Tínhchất nhiệt tượng nứt gẫy Tính chất cấu trúc micro compozit gia cường sợi carbon đóng vai trị quan trọng tính chất nhiệt đặc tính vật liệu Thơng thường chúng có cấu trúc bất đẳng hướng tính tự nhiên graphit hóa chúng Ket cục quan trọng cấu trúc bất đẳng hướng mạng lưới vết nứt cỡ micro tạo bời ứng suất nhiệt, co giãn lỗ xốp giống bong bóng suốt q trình sàn xuất Một điều thuận lợi mạng lưới vết nứt cỡ micro có lỗ mở bề mặt compozit Chúng cho lớp phủ bề mặt chống oxy hóa lắng đọng bề mặt “rỉ” qua compozit Kết là, việc chống oxy hóa tốt đạt nhiệt độ cao mà lớp phủ nóng chảy trài kín bề mặt Tuy nhiên, mặt khác, mạng vết nứt cỡ micro có hiệu ứng trực tiếp tính chất nhiệt đặc tính gẫy Những vết nứt ứng suất nhiệt có thổ có nhiều ảnh hưởng lên tính chất nhiệt compozit carboncarbon vết nứt co giãn hay lỗ xốp bong bóng Điều quy cho phát sinh cùa vết nứt học bề mặt trung gian bời chúng mở đóng với việc gia nhiệt làm nóng Do đó, tính chất kỳ thuật compozit carbon-carbon chịu ảnh hưởng trực tiếp có mặt cấu trúc mạng vết nứt micro Tuy nhiên trình sử dụng, vết nứt cỡ micro gây thêm vết nứt liên kết bề mặt trung gian yếu - Tính chất nhiệt học Phần giải chủ yếu tính chất nhiệt học, điểm đặc trưng phân biệt compozit carbon-carbon với vật liệu thông thường khác Trọng tâm hướng trực tiếp vào tính chất hữu ích, cho quan điểm ứng dụng kỹ thuật Đó giãn nở nhiệt, phân tán nhiệt, độ bền 105 kéo đứt độ bền xé Hiệu ứng mạng vết nứt cỡ micro lên tính chất lý giải đầy đủ + Sự tảnnhiệt Sự tản nhiệt thấp khiến compozit carbon-carbon hấp dẫn ứng dụng ý đến độ ổn định chiều cao Graphit có hệ số tản nhiệt âm song song với mặt phẳng Trục sợi carbon nằm mặt phăng Điều khiến cho sợi trải dài dọc theo chiều dài chúng làm mát gia nhiệt Tuy nhiên, compozit carbon-carbon kích cỡ sợi thay đổi ngược lại so với Điều khiến cho hệ số giãn nở nhiệt compozit carbon-carbon nói chung thấp Ngồi ra, vết nứt ứng suất nhiệt đặc trưng compozit 3-D có xu hướng tạo khác biệt giãn sợi Nó có xu hướng tạo hầu hết bất đẳng hướng theo nhiệt độ đóng lại vết nứt ứng suất nhiệt + Tính dẫn nhiệt Đây tính chất khiến compozit carbon-carbon độc đáo- đặc biệt trường hợp mà yêu cầu tính cách nhiệt cao Compozit carbon-carbon có tính dẫn nhiệt thấp so với vật liệu thơng thường khác Ví dụ, 2500°c, độ dẫn nhiệt mẫu vải dệt từ sợi carbon 27,7 W/m.K theo hướng X-Y Tuy nhiên, theo hướng ngang (hướng Z) độ dẫn nhiệt khoảng 24.2 W/m.K Đặc biệt mạng lưới vết nứt cỡ micro bề mặt trung gian compozit carbon-carbon 3-D có xu hướng làm chậm dịng nhiệt bó sợi + Độ bền kẻo đứt Một đặc tính đặc trưng compozit carbon-carbon độ bền kéo đứt phụ thuộc vào hướng lực tác dụng Độ bền ngang qua sợi compozit đa hướng hay ngang qua phiến compozit carbon-carbon 2-D giảm xuống vết nứt mặt trung gian lỗ xốp Theo hướng sợi, độ bền compozit carbon-carbon thay đổi theo định hướng sợi Sự chuyển hóa tốt sợi trơng đợi chúng định hướng mặt phẳng tác dụng lực Sự định hướng sợi phía ngồi mặt phang lực tác dụng có xu hướng giảm hiệu ứng sợi việc mang lực Trong trình đo độ bền kéo đứt, quan sát thây sợi kéo nhiều bị bẻ gẫy Điều cho ứng suất trượt bề mặt trung gian thấp sợi Nó xảy phổ biến sợi định hướng trục đưa lực vào dẫn đến giá trị thấp độ bền kéo đứt 106 Hai nhân tố liên quan đến độ bền kéo đứt compozit carboncarbon đặc tính biến dạng khơng tuyến tính khả tạo vết hình chữ V thấp suốt trình thử độ bền kéo đứt Các kết thử compozit carbon-carbon 3-D đo ứng suất theo trục cho thấy trượt mở vết nứt cỡ micro tồn bề mặt trung gian trước xảy sợi Điều cho thấy mạng vết nứt cỡ micro có vai trị quan trọng tính khơng tuyến tính đặc tính biến dạng compozit carbon-carbon khơng nhạy việc hình thành vết nứt dạng chữ V bề mặt compozit carbon-carbon + Độ bềntrượt Độ bền trượt compozit carbon-carbon quy lậ định hướng sợi Nói chung, chúng có modul trượt thấp Sự khơng tuyến tính tính chất ứng suất- biến dạng, điều kiện ứng suất trượt vng góc với hướng sợi, thường quan sát Các thí nghiệm compozit carbon-carbon 3-D cho thấy độ bền với ứng suất trượt thấp vật liệu độ bền liên kết bề mặt trung gian gian bó sợi thấp Hơn nữa, chế có vai trị tính phi tuyến tính độ bền trượt thấp mạng vết nứt cỡ micro - Tính chất nứt gẫy Khái niệm nứt gẫy học miêu tả kỹ quy trình chuẩn đưa để xác định thông số nứt gẫy độ dai ưên sở lý thuyết tính mềm tuyến tính khơng tuyến tính Cả lý thuyết giải vấn đề cấu trúc vật liệu không đồng thể v ề chế nứt gẫy compozit carbon-carbon phức tạp Song nguyên nhân vấn đề q trình gia cơng rõ khuyết tật xảy suốt q trình gia cơng chất cứng, giòn