Vật liệu Composite

Vật liệu Composite

Lời nói đầu

Vật liệu composite hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật

liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu,khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ

Những vật liệu composite đơn giản đã có từ rất xa xưa Khoảng 5000 nămtrước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khilàm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng Và điền hình về composite chínhlà hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập.

Ngày nay trong điều kiện khoa học kỹ thuật phát triển, sản xuất ngày mộtnâng cao trình độ, việc phát triển các loại vật liệu mới nhằm phục vụ tốt nhấtcho sản xuất kỹ thuật, dân dụng, … phục vụ nhu cầu con người Composite làmột loại vật liệu đáp ứng được nhiều yếu tố trong sản xuất Và khi người ta nhắcđến “ Vật liệu mới ” tức là đồng nghĩa với vật liệu composite.

Trong quá trình học môn học Vật liệu phi kim em đã được học và tìm hiểuvề vật liệu compostie, thành phần cấu tạo, công nghệ chế tạo,…Sau đây là mộtsố trình bày sơ qua của em về loại vật liệu này.

PHẦN I

CÁC THÀNH PHẦN CỐT CỦA VẬTLIỆU COMPOSITE

Các thành phần cốt của composite phải thoả mãn được những đòi hỏi vềkhai thác và công nghệ Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi như yêu cầuvề độ bền, độ cứng, khối lượng riêng, độ bền trong 1 khoảng nhiệt độ nàođó, bền ăn mòn trong môi trường axit, kiềm… Còn đòi hỏi về công nghệ lànhững đòi hỏi về khả năng công nghệ để sản xuất ra các thành phần cốt này.Hiện nay, thành phần cốt của composite trên cơ sở những cốt thường dùng làcác sở ngắn, các sợi dài đơn, các dạng sợi tết (được tết xoắn gồm nhiều sợivới nhau), các cốt lưới, vải, các băng dải sợi và các loại bảng với tính năngcơ lý đã được xác định.

Hiện nay, với các vật liệu composite polyme có pha nền là nhựa tổnghợp, các cốt thường là vải hoặc sợi thuỷ tinh, sợi anamit, sợi cacbon, sợi borhoặc cốt sợi tạp lai.

Trên thực tế, thành phần cốt luôn chiếm không quá 60-65% thể tích củavật liệu composite Theo tính toán nếu thành phần cốt chiếm quá liều lượngtrên (tức là khi các thành phần cốt quá sít gần nhau) giữa chúng sẽ nảy sinhtương tác dẫn đến sự tập trung ứng suất làm giảm sức bền của vật liệu.

1 Sợi thuỷ tinh

Sợi thuỷ tinh được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu compositepolyme Ưu điểm của sợi thuỷ tinh là nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với các tácđộng hoá - sinh, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp.

Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt),có đường kính nhỏ vài chục micro mét Khi đó các sợi này sẽ mất những nhượcđiểm của thủy tinh khối, như: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơhọc hơn Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khoáng chấtnhư: silic, nhôm, magiê , tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủytinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượngkiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S(độ bền cơ học cao) Loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít(chiếm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt.

Sợi thuỷ tinh có hai dạng điển hình: Sợi dài và sợi ngắn thông thườngchúng có hình trụ tròn, ngoài ra, cũng gặp sợi thuỷ tinh có thiết diện nganghình tam giác, hình vuông, lục giác.

Hiện nay có ba phương pháp chính dùng để sản xuất ra sợi thuỷ tinh: Kéo sợi từ dung dịch nóng chảy qua khuôn.

 Kéo sợi từ những phôi thuỷ tinh được sấy nóng

 Nhận được những sợi ngắn từ các tia dung dịch nóng chảybằng cách thổi không khí, hơi, ga.

Quá trình một giai đoạn kéo sợi thuỷ tinh thực chất là từ những thànhphần cơ bản như cát thạch anh, đá vôi, axit bor, đất sét, than Được chọntheo 1 tỷ lệ hợp lý, sau đó nung nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 1260oC.

Dung dịch thuỷ tinh nóng chảy rót trực tiếp vào bộ phận khuôn kéo sợiđược chế tạo từ platin Dưới áp lực, dung dịch thuỷ tinh chảy qua những lỗnhỏ của khuôn đường kính thông thường 0,8 – 3mm và khi qua buồng lạnhđược kéo thành sợi có đường kính từ 3-19µm với vận tốc 20-50m/s.

Sợi thuỷ tinh nhận được như vậy là những sản phẩm sợi thô Thườngđược dùng để xoắn bệnh thành chỉ dệt thành vải cho các công đoạn tiếp theo.Sợi thuỷ tinh có những ưu điểm nổi trội là giá thành rẻ Chúng đượcdùng rộng rĩa trong sản xuất composite polyme được chế tạo các tầu tảitrọng nhẹ, thuyền xuồng cacno, thuyền buồn thể thao…

2 Sợi bazan

Sợi bazan được chế tạo từ nguyên liệu đá bazan Đá bazan có nguồn gócnham thạch do các núi lửa khi hoạt động phan ra rồi kết tinh lại Các sảnphẩm từ đá bazan có đặc tính cơ lý hoá tốt hơn hẳn so với các sản phẩmtruyền thống là bông sợi thuỷ tinh hoặc amian, không độc hại cho người vàsinh vật.

 Sợi liên tục (chỉ) Sợi ngắn

 Bông

Công nghệ sản xuất sợi bazan: Đá bazan sau khi khai thác được phânloại, chọn lọc và làm sạch rồi tán nhỏ 20-40mm Sau đó cho vào lò nung vànung ở 1450-1500o Sau khi đá nóng bỏng, nhờ các vòi phun, bazan lỏngđược phun ra thành sợi, sau đó được làm lạnh đột ngột nhờ một thiết bị hútgió và buồng lắng ta thu được bông, sợi bazan.

Để kéo được sợi bazan liên tục có chất lượng cao, người ta dùng cáctẩm khuôn platin.

3 Sợi hữu cơ

Các loại sợi hữu cơ phổ biến có thể thấy là sợi kenvlar cấu tạo từ hợpchất hữu cơ cao phân tử aramit, được gia công bằng phương pháp tổng hợp ở

nhiệt độ thấp (-10°C), tiếp theo được kéo ra thành sợi trong dung dịch, cuốicùng được sử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi Sợi kenvlar và tất cả các sợi làmtừ aramit khác như: Twaron, Technora, có giá thành thấp hơn sợi thủy tinhnhư cơ tính lại thấp hơn: Các loại sợi aramit thường có độ bền nén, uốn thấp vàdễ biến dạng cắt giữa các lớp.

Sợi hữu cơ anamit có độ bền cao hoặc modun đàn hồi cao và một loạtnhững ưu việt khác Sợi hữu cơ có độ bền khi kéo, ổn định coa với nhiệt độ,bền va đập, không cháy, tính cách điện cao, khối lượng riêng thấp.

Phụ thuộc vào thành phần polyme và phương pháp kéo sợi mà ta nhậnđược sợi hữu cơ có khối lượng 1410-1450kg và độ bền khi kéo 70-150Gpa.Sợi hữu cơ giữ nguyên được những đặc tính cơ lý của mình cho đến 180o,trên ngưỡng này sợi hữu cơ không nóng chảy mà sẽ cacbon hoá.

Vật liệu composite cốt sợi hữu cơ có độ bền khi nén và khả năng tươngthích với nền polyme thường kém hơn so với sợi thuỷ tinh Yếu điển chungcủa sợi anamit là hút ẩm.

Sợi hữu cơ được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất vật liệu compositeđể chế tạo thân vỏ tên lửa động cơ nhiên liệu rắn, các bình, ống chịu áp lực,găng tay cách nhiệt, mũ – áo giáp, các chi tiết của tàu lượn, các thiết bị thểthao và nhiều sản phẩm khác nữa.

4 Sợi carbon

Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạothành các lớp liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35 A° Các nguyêntử cacbon liên kết với nhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lụclăng, với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42 A° Sợi cacboncó cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khảnăng chịu nhiệt cực tốt.

Sợi cacbon được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tếquốc dân Với ưu điểm như nhẹ, chịu được nhiệt độ cao (lên đến vài nghìnđộ trong môi trường trơ), hệ số ma sát dãn nở nhiệt thấp, rất bền vững vớinhiều điều kiện khí hậu và các phản ứng hoá học.

Đến nay sợi cacbon chủ yếu được chế tạo từ ba nguồn nhiên liệu chính:Polyacri Lonitrit, từ dầu mỏ, than đá và từ hidrat xenlulo.

5 Sợi bor

Sợi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học là B), là một dạng sợi gốm thu được nhờphương pháp kết tủa Sản phẩm thương mại của loại sợi này có thể ở các dạng:dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống,vải đồng phương.

Việc sử dụng sợi bor dùng làm cốt composite cho phép tăng độ bền,tăng modun đàn hồi của vật liệu.

Sợi bor có ưu điểm là có độ cứng cao hơn so với một số loại sợi khác.Modun trượt của sợi bor có thể vượt qua 180Gpa.

Sợi bor thường được dùng trong sản xuất composite trên vật liệu nềnnhôm hoặc polyme.

Sợi bỏ có tính bán dẫn, dùng làm cốt cho composite làm giảm dẫn nhiệt,dẫn điện.

Nhược điểm của sợi bor là dùng chúng để quốn các chi tiết cá bán kínhcong nhỏ rất phức tạp.

Ứng dụng: Sản xuất các chi tiết cho hàng không, tên lửa, kỹ thuật vũtrụ.

6 Sợi cacbua silic

Sợi Cacbua Silic (công thức hóa học là: SiC) cũng là một loại sợi gốm thuđược nhờ kết tủa.

Sợi cacbua silic thường dùng làm cốt cho composite kim loại trongnhững trường hợp đòi hỏi vật liệu phải làm việc lâu ở nhiệt độ cao Sợicacbua silic thường hoàn thành trên đệm vonfram hoặc đệm cacbon, nhữngsợi cacbua silic đệm cacbon rẻ hơn có độ bền kém hơn, dễ nhạy cảm với cáchiệu ứng bề mặt.

Composite cốt sợi cacbua silic thường dùng trong những chi tiết củathiết bị hạt nhân, vòng bi chịu nhiệt độ cao trong các động cơ tuabin, cánhquạt…

7 Sợi kim loại

Đối với composite làm việc trong nhiệt độ cao hay dùng cốt sợi kimloại vonfram hoặc moliđen, với composite làm việc trong nhiệt độ thấp haydụng sợi thép hoặc sợi berilic.

Sợi molipđen được dùng làm cốt composite, so với sợi vonfram về độbền, đặc trưng đàn hồi và khả năng chịu nhiệt có kém hơn.

8 Sợi ngắn và các hạt phân tán

Các sợi ngắn thu được từ nghiền cơ học, các nguyên liệu khoáng thànhphần được chứa silicat cãni (75%) và kim loại nhẹ (25%), được làm sạch rồiđem nghiền cho đến khi thu được các dạng bột và các sợi ngắn với chiều dìatrung bình từ 270mm và đường kính 1-10µm.

Sợi foranklin nhận được từ quá trình kết tinh sunfat canxi trong môitrường nước ở nhiệt độ và áp suất cao, được dùng làm phụ gia cho chất dẻovà dùng để gia cường cho aluminum.

Sợi faibec cũng là những đơn tinh thể của titanat vô cơ, nhận được Từsự kết kinh lại các muối từ thể nóng chay Sợi faibec có độ bền và modunđàn hồi khá cao và thường được dùng để làm phụ gia gia cường cho chấtdẻo.

9 Cốt vải

Cốt vải là tổ hợp thành bề mặt (tấm), của vật liệu cốt sợi, được thực hiệnbằng công nghệ dệt Các kỹ thuật dệt vải chuyền thống thường hay dùng là: kiểudệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải mô đun cao, kiểudệt đồng phương Kiểu dệt là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi Kỹthuật dệt cao cấp còn có các kiểu dệt đa phương như: bện, tết, và kiểu dệt thểtích tạo nên vải đa phương.

Các loại vải thường được dệt từ những sợi có modun đàn hồi cao, đượcsử dụng rộng rãi làm cốt cho composite phân lớp, quấn các dạng ốngcomposite.

Theo tên các loại sợi, ta thường thấy có vải sợi cacbon, vải sợi hữu cơvà vải tổng hợp.

Đặc trưng cơ bản của vải cần biết: Các loại sợi thành phần, kiểu dệt, độdày, chiều rộng, khối lượng của mét vuông vải, số sợi và số lượng mắt đếmtrên một đơn vị chiều dài, khối lượng riêng.

Yêu cầu về công nghệ: Vật liệu nền phải đáp ứng được những đòi hỏinảy sinh trong quá trình công nghệ như độ nhớt cà sự đảm bảo phân bố đềucác cốt bên trong, bảo tồn được những tính năng vốn có của các dầm cốt, cáchạt đơn, bảo đảm sự kết dính…

1 Chất liệu nền polyme nhiệt rắn.

Nhựa polyeste và nhóm nhựa cô đặc như: nhựa phenol, nhựa furan,nhựa amin, nhựa epoxy.

Đối với composite polyme, vật liệu nền thường sử dụng là nhựa nhiệtrắn, nhựa nhiệt dẻo.

- Nhựa phenolic: Được dùng làm một số chi tiết bên trong máy bay nhưhệ thống cửa, các vách ngăn, bếp và một số cấu trúc nhiều lớp…

* Ưu điểm: Rẻ, nguồn nhiên liệu có sẵn.

* Nhược điểm: Khi dùng chế tạo composite là dòn, độ bền thấp và độrỗng cao.

- Nhựa phenolformandehit: Được tổng hợp bằng cách tụ phenol vàformandehit Phụ thuộc vào tỷ lệ phenol formandehit và điều kiện phản ứng,sẽ tạo thành nhựa novolac hoặc rerol phenolformandehit.

Nhựa novolac cứng, có nhiệt độ cháy mềm khoảng 80-100o, dễ hoà tantrong cồn, axeton và một số dung môi khác.

Nhựa rerol phụ thuộc vào tỷ lệ phenol và formandehit có thể ở dạnglỏng hoặc cứng Rerol cứng hoà tan trong dung dịch 40-60% cồn.

- Polyeste là những este không no, hoặc hỗn hợp chảy với nhau hoặcvới những phần tử thấp monome polyeste không là sản phẩm đa tụ của axithữu cơ.

- Các nhựa cơ silic: Nhận được từ sự đã tụ của các sản phẩm của sựthuỷ phân hỗn hợp các mono, di, tri và tetraclositan Chúng thường là chấtgiòn, cứng.

- Nhựa epoxy: Rất nhiều ưu điểm và được sử dụng rất rộng rãi để chếtạo composite có tính cơ học cao, độ bám dính cao với nhiều loại cốt.

2 Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo.

Nền của vật liệu là nhựa nhiệt dẻo như cá loại nhựa: PVC, nhựa polyetylen,nhựa polypropylen, nhựa polyamit,

Composite có vật liệu nền trên cơ sở polyme nhiệt dẻo có độ tin cậycao, bởi vì mức độ ứng suất dư nảy sinh trong những thời gian ngay sau khitạo thành sản phẩm rất thấp.

Nhược điểm chính của vật liệu composite nền nhiệt dẻo là không chịuđược nhiệt độ cao, và khi xử lý công nghệ gặp khó khưan do độ nhớt cácdung dịch nóng chảy khá cao.

- Phương pháp pha lỏng, được áp dụng để chế tạo các bán sản phẩm,thực chất là trát, tẩm vật liệu nền lỏng các cốt sợi.

- Phương pháp pha rắn thường được dùng để chế tạo các bán thànhphẩm, trong đó pha nền ở dạng bột.

3 Chất liệu nền cacbon

Nền cacbon có tính chất cơ lý tương tự như sợi cacbon, đảm bảo tínhchịu nhiệt độ cao cho composite cacbon-cacbon và khai thác triệt để ưu điểmcác các sợi cacbon trong vật liệu composite.

Picocacbon: Là loại vật liệu đồng nhất đa tinh thể có độ bền nhiệt vàbền hoá rất tốt, một dạng cấu trúc chuyển tiếp của cacbon.

Thuỷ tinh cacbon: Là sản phẩm của quá trình xử lý nhiệt các polymelưới, có sự đóng rắn không thuận nghịch khi nung nóng Thuỷ tinh cacboncó rất nhiều ưu điểm: Đẳng hướng, có tính không thấm khí, cứng, bền cơ lýhoá.

Nền cacbon trên cơ sở nhựa pec: Ưu điểm là giá thành rẻ, nguồn nhiênliệu sẵn có, hàm lượng cacbon cao, nên cacbon trên cơ sở pec than đá hoặcdầu mỏ được dùng làm vật liệu nền cho composite cabon đã trở thành phổbiến.

3 Chất liệu nền kim loại

Vật liệu compozit nền kim loại có modun đàn hồi rất cao có thể lên tới 110GPa Do đó đòi hỏi chất gia cường cũng có modun cao Các kim loại đượcsử dụng nhiều là: nhôm, niken, đồng.

Nền kim loại cho các composite thường là kim loại nhẹ hoặc là kim loạichịu nhiệt cao hoặc là dạng hợp kim phổ biến được dùng là hợp kim nhôm,do chúng có khả năng kết hợp hài hoà giữa cốt với nền, đảm bảo tốt nhữngđòi hỏi về cơ lý cũng như công nghệ của vật liệu composite.

PHẦN III

PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE

1 Cơ tính riêng

Khảo sát 1 thanh chịu lực:

Quan hệ giữa lực kéo P và biến dạng l được biểu diễn:

Trong đó:

E: Modun đàn hồi của vật liệuF: Diện tích mặt cắt ngangL: Chiều dài thanh

L: Độ dãn dài tuyệt đối.

Độ cứng kéo (nén) EF/L đặc trưng cho tính chất cơ học của thanh trongmiền đàn hồi.

2 loại vật liệu khác nhau 1,2 tỷ lệ các độ cứng:

P

Tỷ lệ khối lượng của 2 thanh được biểu diễn:

Ta thấy ngay: Một vật liệu được coi là tốt hơn khi có giá trị E/ caohơn; có nghĩa là sẽ có đọ cứng của thanh cao hơn Đại lượng E/ được gọi làmudun riêng của vật liệu.

Hoàn toàn tương tự, nếu gọi u là ứng suất phá huỷ của vật liệu thì đạilượng u/ gọi là ứng suất riêng.

2 Cơ tính của vật liệu

m1 F1 l1F

2 l2

2 

K1 E1/

L2 L1

.( ) 2

K1 E1/1E2/2K2 =

. m1 m2

K1 E1/

2=

Ta không thể sử dụng trực tiếp các sợi, vfi đường kính quá nhỏ 20µm) Vì thế cần phải trộn sợi với nhựa (nền) polyme để được vật liệucomposite cốt sợi Nhựa có chức năng liên kết, bảo vệ và truyền lực cho sợi.Vấn đề quan trọng là tìm được những vật liệu vừa có modun đàn hồi cao, lạicó khối lượng nhỏ, giá thành hợp lý.

(10-*Bảng cơ tính riêng của một số vật liệu thường gặp:Modun

E (Gpa)

Ứng suấtphá huỷ u (Mpa)

Khối lượngriêng  (Kg/m3)

Độ bềnriêngu/ (KNm/