Tài liệu Vật liệu học_Chương 9 doc

125 Chơng 9 compozit 9.1. Khái niệm về compozit Là vật liệu kết hợp 2 hoặc nhiều vật liệu khác nhau để phát huy tí nh tốt của mỗi loại vật liệu thành phần 9.1.1. Quy luật kết hợp Vậy compozit là loại vật liệu nhiều pha khác nhau về mặt hóa học, hầu nh không tan vào nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha, kết hợp lại nhờ sự can thiệp kỹ thuật của con ngời theo những ý đồ thiết kế trớc , nhằm tận dụng và phát triển những tí nh chất u việt của từng pha trong compozit cần chế tạo. 9.1.2. Đặc điểm và phân loại a. Đặc điểm - Là vật liệu nhiều pha mà chúng thờng rất khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau thờng là 2 pha gồm nền là pha liên tục trong toàn khối, cốt là pha phân bố gián đoạn - Nền và cốt có tỷ lệ, hình dáng, kí ch thớc và sự phân bố theo thiết kế đã định trớc. - Tí nh chất của compozit chịu ảnh hởng của các pha nhng không phải là cộng đơn thuần các tí nh chất của chúng khi đứng riêng rẽ mà chỉ chọn lấy những tí nh chất tốt và phát huy thêm. b. Phân loại Theo bản chất của nền có: compozit nền chất dẻo (polyme), nền kim loại, nền ceramic và nền hỗn hợp nhiều pha. Theo dạng hình học của cốt: compozit cốt hạt, compozit cốt sợi Theo cấu trúc: lớp, kiểu đá ong, 9.1.3. Liên kết nền - cốt a. Cốt Là pha không liên tục, tạo nên độ bền, môđun đàn hồi (độ cứng vững) cao cho compozit, do vậy cốt phải bền, nhẹ. Cốt có thể là: kim loại, ceramic và polyme. b. Nền Nền là pha liên tục có tác dụng: - Liên kết toàn bộ các phần tử thành một khối thống nhất - Tạo hình chi tiết theo thiết kế - Che phủ, bảo vệ cốt tránh các h hỏng do các tác động hóa học, cơ học và của môi trờng.Thờng nền là: kim loại, ceramic, polyme và hỗn hợp. c. Liên kết nền - cốt - Liên kết cơ học, nhờ lực ma sát giữa cốt và nền nh kiểu bêtông cốt thép có gân (đốt) - Liên kết nhờ thấm ớt do năng lợng sức căng bề mặt 126 - Liên kết phản ứng, phản ứng tạo hợp chất dí nh chặt cốt với nền-đây là loại liên kết tốt nhất. - Liên kết hỗn hợp 9.2. Compozit cốt hạt Các hạt đẳng trục, cứng, bền (ôxyt, nitrit, cacbit, borit) (đôi khi là các hạt mềm nh grafit, mica thuộc loại chống ma sát. Có hạt thô và hạt mịn, hạt mịn nằm phân tán có tác dụng cản trợt hoá bền. 9.2.1 . Compozit hạt thô Compozit hạt thô rất đa dạng và đợc sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp, xây dựng. a. Đặc điểm Khái niệm "thô" đợc dùng để chỉ tơng tác giữa nền và cốt không xảy ra ở mức độ nguyên tử, phân tử, sự hóa bền có đợc là nhờ sự cản trở biến dạng của nền ở vùng lân cận với cốt. Tùy theo đặc tí nh phân bố của hạt trong nền mà quy tắc kết hợp (hỗn hợp) cho môđun đàn hồi E C của compozit phụ thuộc vào tỷ lệ thể tí ch, môđun đàn hồi của nền: V n , E n và của cốt hạt: V H , E H nằm vào khoảng giữa 2 giới hạn: Giới hạn trên: E C =E N V N +E H V H , giới hạn dới: NHHN HN C VEVE EE E + = b. Các compozit hạt thô thông dụng. Hợp kim cứng tạo bằng phơng pháp luyện kim bột, các phần tử cứng là cacbit: WC, TiC, TaC đợc liên kết bằng Co (nền). Các hợp kim làm tiếp điểm có sự kết hợp tốt của các kim loại khó chảy (W, Mo)- cốt với các kim loại có tí nh dẫn nhiệt cao (Cu, Ag)-nền. Bêtông là compozit hạt thô (đá, sỏi) hay nhỏ (cát vàng), nền cứng là ximăng. Polyme Các hạt độn thờng là thạch anh, thủy tinh, ôxyt nhôm, đất sét, đá vôi-cốt, nền polyme. 9.2.2. Compozit hạt mịn (hóa bền phân tán) Compozit hạt mịn là loại có tí nh năng đặc biệt: bền nóng và ổn định nóng. a. Đặc điểm - Nền thờng là kim loại và hợp kim, cốt có kí ch thớc < 0,1 à m, bền, cứng và có tí nh ổn định nhiệt cao: oxit, cacbit, borit, nitrit. - Tơng tác nền - cốt xảy ra ở mức độ vi mô ứng với kí ch thớc nguyên tử, phân tử. - Cơ chế hóa bền: cốt nhỏ mịn phân tán kìm hãm lệch, làm tăng độ bền độ cứng của vật liệu. b. Các compozit hạt mịn SAP , SAAP (CA, CAC) cốt Al 2 O 3 = 5 - 20% trên nền nhôm, chịu nhiệt 300 ữ 500 o C T-D Nickel (Thoria Dispersed Nickel): nền là niken (Ni), cốt là các phần tử ôxyt tôri ThO 2 ~ 2% song ở dạng rất nhỏ mịn, nằm phân tán và ổn định nhiệt, làm việc lâu dài ở 1000 ữ 1100 o C, không bị ăn mòn tinh giới nh 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 dới tác dụng của môi trờng ăn mòn. 127 9.3. Compozit cốt sợi Compozit cốt sợi là loại compozit kết cấu quan trọng nhất vì nó có độ bền riêng và môđun đàn hồi riêng cao. Nền và cốt sợi đều là các vật liệu nhẹ. Tí nh chất của compozit cốt sợi phụ thuộc vào bản chất vật liệu cốt và nền, độ bền liên kết trên ranh giới pha, sự phân bố và định hớng sợi (hình 9.1) . Ngời ta coi liên kết nền - cốt là hoàn hảo để đơn giản trong tí nh toán. a) b) c) Hình 9.1. Sơ đồ phân bố và định hớng cốt sợi: a- một chiều, b- hai chiều vuông góc đan xen nhau c. rối ngẫu nhiên trong một mặt, d- ba chiều vuông góc. 9.3.1. ảnh hởng của yếu tố hình học sợi a. Sự phân bố và định hớng sợi - Sợi phân bố song song với nhau theo một phơng (hình 9.1a), độ bền theo phơng dọc sợi cao hơn phơng vuông góc- sợi phân bố 1 chiều - Sợi đan vuông góc với nhau (hình 9.1b), theo 2 trục sợi độ bền cao hơn cả- kiểu dệt. - Sợi phân bố nhiều phơng (rối-hình 9.1c), compozit đẳng hớng theo tất cả các phơng trên mặt - Sợi đợc phân bố 3 phơng vuông góc với nhau nh ở hình (9.1d) thì compozit có có tí nh đẳng hớng. b. ảnh hởng của chiều dài sợi Điều quan trọng là kết cấu cốt sợi phải tập trung tải trọng vào sợi là pha có độ bền cao. Có 2 loại cốt sợi: cốt sợi ngắn và cốt sợi dài Đối với loại cốt sợi ngắn : lực tác dụng sẽ gây biến dạng của nền nơi liếp xúc giữa sợi và nền, một phần nền bị chảy (hình 9.2) Cốt sợi dài: khi L S l c mới làm tăng một cách có hiệu quả độ bền và độ cứng vững của compozit. Chiều dài tới hạn l c này phụ thuộc đờng kí nh d của sợi, giới hạn bền ( b ) S của sợi và lực liên kết giữa sợi và nền (hay giới hạn chảy cắt của nền m ) theo biểu thức: () d. l m S b c = , đặt () m S b S = thì Đối với compozit sợi thủy tinh hay sợi cacbon, l C ~ 1mm hay S= 20 ữ 150 Hình 9. 2. Sơ đồ liên kết giữa nền và cốt Ngời ta quy ớc: - khi l > 15l c , compozit là là loại cốt liên tục hay cốt sợi dài, - khi l < 15l c , compozit là loại cốt sợi không liên tục hay ngắn; nền vùng nền biến dạ ng sợi d.Sl c = 128 - khi l < l c sợi không đủ dài để lực bám không gây biến dạng nền bao quanh sợi do đó không đủ truyền tải và đợc coi nh compozit hạt. Trên hình 9.3 trình bày sơ đồ cấu trúc của loại compozit cốt sợi trong đó loại cốt sợi liên tục thẳng hàng (thờng chỉ gọi ngắn gọn là liên tục) nh ở hình (a) là loại quan trọng hơn cả sẽ đợc khảo sát dới đây. a) b) c) 9.3.2. Compozit cốt sợi liên tục song song a. Khi kéo dọc Gọi tỷ lệ thể tí ch sợi là V S của nền là V n = 1-V S . Khi chịu kéo theo phơng dọc trục sợi và coi liên kết nền - cốt là hoàn hảo: C = S = n . Tải trọng tác dụng lên compozit P C = P S +P n , trong đó P S , P n lần lợt là tải trọng lên sợi và lên nền. Do đó: C .A C = S . A S + n . A n Trong đó: (A C , A S , A n ) là tiết diện ngang của compzit, sợi và nền. Chia cả cho A C ta có: nnSS C n m C S S VúVú A A . A A . +=+= C vì sợi bằng nhau và phân bố đều nên A S /A C =V S và A n /A C =V n , V S và V n là tỷ lệ thể tí ch, do đó: c = S V S + n V n = S V S + n (1-V S ), thay =E E c = E S V S + E n V n = E S V S + E n (1-V S ) vì ( C = S = n =) b. Khi kéo ngang Lực kéo vuông góc với trục sợi (sợi không chịu đợc lực ngang) thì ứng suất tác dụng lên các pha là nh nhau và bằng ứng suất tác dụng lên compozit là: c = S = n = nên độ biến dạng của compozit bằng tổng biến dạng của cốt và nền: c = S .V S + n .V n vì E = nên n n S SC V. E V. EE += Chia cả hai vế cho , ta có: n n S S C E V E V E += 1 () nSSS Sn nSSn Sn C E.VE.V E.E E.VE.V E.E E + = + = 1 (9.13) biểu thức này giống (9.2), đó là giới hạn dới của môđun đàn hồi của compozit hạt thô. c. ảnh hởng của hàm lợng sợi phơng ngang Hì nh 9.3. Sơ đồ phân bố sợi: a. liên tục song song b. gián đoạn thẳng hàng, c. hỗn độn 129 Ta thấy nếu tỷ lệ thể tí ch V S (hay còn gọi là hàm lợng) của sợi quá nhỏ thì sợi không đủ tác dụng gia cờng cho compozit. Chỉ khi V S > V S min thì mới có tác dụng hoá bền. Giá trị V S min có thể xác định theo công thức: () () S b n n b min S V = Trong đó: ( b ) n , ( b ) S lần lợt là giới hạn bền của nền và của sợi Nh vậy compozit cốt sợi liên tục phải thỏa mãn hai điều kiện: sợi dài l > 15l c và lợng sợi phải đủ lớn V S > V S min . 9.3.3. Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng đợc trình bày ở hình 9.6b. Chiều dài sợi ngắn (l < 15l c ) hiệu quả gia cờng của sợi compozit không thể cao nh loại cốt sợi liên tục thẳng hàng. Môđun đàn hồi và giới hạn bền chỉ bằng khoảng 50-90% loại cốt sợi dài liên tục. Cơ tí nh phụ thuộc vào tỷ lệ thể tí ch của sợi và chiều dài hay yếu tố hình học của sợi S = l/d, đợc tí nh toán riêng rẽ cho 2 trờng hợp sau: - Khi l c < l < 15l c thì: () () () Sn c S S b c b V l l V. + = 1 2 1 - Khi l < l c thì : () () nnSc c b VV. d += 1 1 trong đó: n - ứng suất tác dụng vào nền khi compozit bị phá hỏng, c - giới hạn bền cắt của nền, l, d - chiều dài, đờng kí nh sợi. 9.3.4. Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn Bảng 9.1. Giá trị của thông số k ứng với định hớng khác nhau giữa sợi và ứng suất Định hớng sợi Phơng ứng suất k dọc theo trục sợi 1 Tất cả các sợi song song ngang với trục sợi 0 Phân bố sợi ngẫu nhiên, đồng nhất trong mặt theo phơng bất kỳ trong mặt chứa sợi 8 3 Phân bố sợi ngẫu nhiên, đồng nhất theo ba chiều không gian theo phơng bất kỳ 8 1 Môđun đàn hồi đợc biểu thị nh sau: E c = k. E S .V S + E n .V n Trong đó k - thông số biểu thị hiệu quả hóa bền mà độ lớn phụ thuộc vào hàm lợng thể tí ch V S của sợi và tỷ lệ E S /E n , k dao động trong khoảng 0,1 ữ 0,6 xem bảng 9.1 Dựa vào đờng kí nh và đặc tí nh ngời ta phân cốt sợi thành ba loại: râu, sợi và dây nhỏ. Râu (râu đơn tinh thể): (whiskers) đờng kí nh rất nhỏ (cỡ 1 ữ 2 à m ), l/d > 1000, tạo bằng kỹ thuật nuôi đơn tinh thể. Các đơn tinh thể (râu) này có mức độ hoàn thiện tinh thể rất cao (hầu nh 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 cha đợc dùng rộng 130 rãi vì quá đắt và rất khó gắn kết vào nền. Vật liệu để chế tạo râu có thể là grafit, SiC, Si 3 N, Al 2 O 3 . Sợi : tạo bằng công nghệ kéo, chuốt, d khoảng vài chục đến vài trăm à m, l/d rất khác nhau. Vật liệu làm sợi có thể là polyme nh polyamit, sọi thủy tinh, sợi cacbon, Dây : là loại có đờng kí nh nhỏ, thờng là bằng kim loại: thép cacbon cao, vonfram, môlipđen, berili, titan. Loại cốt này đợc dùng để gia bền lốp ôtô, khung tên lửa, ống dẫn cao áp . . Chơng 9 compozit 9. 1. Khái niệm về compozit Là vật liệu kết hợp 2 hoặc nhiều vật liệu khác nhau để phát huy tí nh tốt của mỗi loại vật liệu thành phần 9. 1.1 hồi riêng cao. Nền và cốt sợi đều là các vật liệu nhẹ. Tí nh chất của compozit cốt sợi phụ thuộc vào bản chất vật liệu cốt và nền, độ bền liên kết trên ranh