Giáo trình Kỹ thuật vật liệu compozit

Giáo trình Kỹ thuật vật liệu compozit

1 Kỹ THUậT VậT LIệU COMPOZIT TS. Đoàn Thị Thu Loan Khoa Hoá - Trờng Đại học Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng 2 Taìi liãûu tham khaío 1. Tráön Êch Thënh, “Váût liãûu compozit”, nhaì xuáút baín giaïo duûc, 1994 2. Ronald F. Gibson, “Principles of composite material mechanics”, Wayne State University Detroit, Michigan, 1994 3. S. T. Peters, “Handbook of composites”, Process Research, Mountain View, Calfornia, USA, second edition 1998. 4. Nicholas P. Cheremisinoff and Paul N. Cheremisinoff, “Fibreglass reinforced plastics”, Published in the United States of America by Noyes Publications Mill Road, Park Ridge, New Jersey 07656, 1995 5. Doan Thi Thu Loan, Doctor thesis “Investigation on jute fibres and their composites based on polypropylene and epoxy matrices”, Technischen Universitaet Dresden (TU Dresden), Germany, 2006 3 GIíI THIÖU CHUNG CHƯƠNG 1 4 1.1. Khái niệm: Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp (mức độ vĩ mô) của hai hay nhiều vật liệu (VL) thành phần nhằm tạo ra VL mới có tính chất trội hơn tính chất của từng VL thành phần. Tổ hợp các tính chất Tạo tính chất mới Sợi thuỷ tinh (bền) Nhựa polyeste (kháng hoá chất) = GRP (bền và kháng hoá chất) + Sợi thuỷ tinh (giòn) Nhựa polyeste (giòn) = GRP (dẻo dai - tough) + * GRP: Glass Reinforced Plastic 5 Hợp kim Hỗn hợp polyme Có phi là vật liệu compozit? VD1: Gỗ (xenlulo/lignin), xơng(collagen/protein+muối canxi phốt phát), VD2: Ván ép, gạch độn trấu hoặc sợi thực vật, VD3: Compozit nhựa (UPE, epoxy,) và sợi thuỷ tinh,sợi cacbon, 6 Vật liệu compozit Vật liệu nền + Vật liệu gia cờng Polyme Sợi cacbon Kim loi Sợi thuỷ tinh Ceramic Sợi Aramic (VD: Kevlar) Sợi, ht kim loại (VD: Ti, Al) 1.2. Thành phần của VL compozit: VL nền VL gia cờng VL compozit gồm một hay nhiều pha gián đoạn (VL gia cờng) phân bố trong pha liên tục (VL nền) 7 -Đóng vai trò là các điểm chịu ứng suất tập trung -Thờng có tính chất cơ lý hoá cao hơn VL nền. -Liên kết VL nền -Chuyển ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên VL. -Bảo vệ sợi khỏi bị h hỏng do tấn công của môi trờng -Ngoài ra còn đóng góp một vài tính chất cần thiết nh: tính cách điện, độ dẻo dai, Vật liệu gia cờngVật liệu nền *Vai trò của các vật liệu thành phần 8 1.3. Cơ chế gia cờng của vật liệu compozit Cơ chế gia cờng: dới tác dụng của ngoại lực, vật liệu gia cờng (VLGC) sẽ là những điểm chịu ứng suất tập trung do mạng nhựa truyền sang -VLGC dạng sợi truyền tải ứng suất tốt hơn VLGC dạng hạt, do ứng suất tại một điểm bất kỳ trên sợi đợc phân bố đều trên toàn bộ chiều dài, do đó tại mỗi điểm sẽ chịu ứng suất nhỏ hơn nhiều so với VLGC dạng hạt dới tác dụng ngoại lực nh nhau. -Kh nng truyn ti trng t VL nền sang VL gia cờng ph thuộc: VL nn, VL gia cng, kết dính tại bề mặt tiếp xúc của VL nn và VL gia cng. 9 Kết dính tại bề mặt tiếp xúc của VL nền và VL gia cờng đợc hình thành trên cở sở: + Lực hấp thụ và thấm ớt + Lực tĩnh điện + Lực tơng tác cơ học + Lực liên kết hoá học VL gia cờng Vùng tiếp xúc VL gia cờng/VL nền VL nền Vùng tiếp xúc rất nhỏ (bề mặt tiếp xúc pha) đóng vai trò quan trọng trong quyết định tính chất cơ, lý của VL compozit Lý thuyết kết dính tại bề mặt tiếp xúc VL gia cờng/VL nền 10 1.4. Phân loại: 1.4.1. Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cờng: gồm compozit cốt sợi và compozit cốt hạt. Compozit cốt sợi Sợi liên tục (sợi dài, vải): tỉ lệ chiều dài / đờng kính (l/d) rất cao, d =3-200 àm Sợi gián đoạn (sợi ngắn, vụn): 5 < l/d < 1000, d = 0,02-100 àm * Compozit cốt sợi: là compozit đợc gia cờng bởi sợi, nó có độ bền riêng và modun đàn hồi cao. VD: Compozit sợi thuỷ tinh, cacbon, xenlulo Fibre aspect ratio: L/D [...]... ng dụng c a v t li u compozit Compozit sợi tự nhiên dùng làm nhà lắp ghép 24 ng dụng c a v t li u compozit Compozit sợi cói dùng làm giá, tủ 25 ng dụng c a v t li u compozit Vật liệu xây dựng từ compozit sợi tự nhiên 26 ng dụng c a v t li u compozit Gu ng trong thi t b x lý n c th i trờn c s compozit s i thu tinh v nh a epoxy (Owens-Corning Fiberglas Corp.) Tu ỏnh cỏ trờn c s compozit s i thu tinh... thể thao cao cấp Compozit là vật liệu của ngày mai, nó đang thay thế dần các VL 19 truyền thống: kim loại, gỗ, sứ, ng dụng c a v t li u compozit Các bộ phận làm bằng compozit trong máy bay Airbus A 380 20 ng dụng c a v t li u compozit Các bộ phận làm bằng compozit sợi Graphite/nhựa epoxy trong máy bay 21 AV-8B ng dụng c a v t li u compozit Compozit s i lanh/nh a polypropylen thay th compozit s i th... cờng/VL nền trong compozit ứng suất kéo -Bản chất VL nền Sợi Compozit Nhựa -Hình dạng, kích thớc của VL gia cờng -Định hớng, sự phân bố của VL gia cờng Biến dạng (nếu là sợi) 15 Khối lợng riêng (Density) của một vài vật liệu cấu trúc phổ biến 16 Độ bền kéo riêng (Specific Tensil Strength) của một vài vật liệu cấu trúc phổ biến 17 Mô đun kéo riêng (Specific Tensile Modulus) của một vài vật liệu cấu trúc... epoxy 27 ng dụng c a v t li u compozit Các bộ phận làm bằng compozit sợi Kevlar/nhựa epoxy trong xe chạy trên tuyết 28 ng dụng c a v t li u compozit L p t ng l n t compozit s i thu tinh d i n c 29 ng dụng c a v t li u compozit Mỏi chốo c a thuy n ua t compozit Kevlar/epoxy B o qu n m t s v tri n mòn c a ng d n b ng compozit thu tinh/epoxy 30 CHNG 2 V T LI U THNH PH N C A POLYME COMPOZIT 31 2.1 Giới thiệu... định hớng Sợi dài đơn hớng Sợi dài ở dạng lớp M t s lo i compozit cốt sợi * Compozit cốt hạt: là compozit đợc gia cờng bởi các hạt với các dạng và cỡ kích khác nhau VD: Bê tông, gỗ ép Một số cốt hạt nh: vảy mica, hạt cao lanh, CaCO3, bột hoặc vảy sắt, đồng, nhôm., b t g , 11 Hạt Vảy, mảnh Compozit c t hạt Mục đích dùng hạt làm VL gia cờng trong compozit: -Đợc dùng trong những ứng dụng yêu cầu về độ... nhôm, hợp kim titan ) với VL gia cờng dạng: -Sợi kim loại: bo -Sợi khoáng: sợi cacbon Compozit nền gốm: với VL gia cờng dạng: -Sợi kim loại: bo, -Hạt kim loại: chất gốm kim * Khả năng chịu nhiệt của VL compozit -nền hữu cơ: đến khoảng 3000C -nền kim loại: đến 6000C 13 -nền gốm: trên 10000C 1.5 Tính chất chung của vật liệu compozit -Khối lợng riêng bé do vậy tính năng cơ lý riêng cao hơn thép và các VL truyền... hạt đợc dùng để c i thiện một số tính chất của VL compozit nh: tng kh nng chịu nhiệt, chịu mài mòn, gi m co ngót -Khắc phục một số khó khăn khi gia công 12 1.4.2 Phân loại theo bản chất VL nền Compozit nền hữu cơ (nhựa): với VL gia cờng dạng -Sợi hữu cơ: sợi polyamit, Kevlar, xenlulo -Sợi khoáng: sợi thuỷ tinh, cacbon, basalt -Sợi kim loại: sợi bo, nhôm Compozit nền kim loại (hợp kim nhôm, hợp kim titan... 30 CHNG 2 V T LI U THNH PH N C A POLYME COMPOZIT 31 2.1 Giới thiệu chung 2.1.1 Thành ph n Polyme compozit VL gia cờng Nhựa nền Nhiệt dẻo Nhiệt rắn PP EP PE UPE PET PF PVAx UF Sợi polyme PP Sợi cacbon -Modul cao Sợi T.tinh TT E Aramic -Modul th p TT S Sợi tự nhiên TT C Ceramic Kim loại Al Ti 32 Vật liệu nền 2.1.2 Yêu cầu đối với VL nền -Tính chất cơ học tốt (chịu tải trọng) -Tính chất thấm ớt,... 1.6 ng dụng c a v t li u compozit - Giao thông vận t i: vỏ cano, tàu thuyền, xe hơi, cabin, - VL xây dựng: cấu kiện nhà lắp ghép, gân dầm chịu lực, đá ốp lát, tấm l p, - VL điện: tấm cách điện, vỏ các thiết bị điện, máy biến thế, - VL chịu hoá chất: bồn chứa, ống dẫn, van, bể điện phân, - VL gia dụng: bàn, ghế, tủ, giá, tấm trần, bồn tắm, lavabo, tấm cách âm, - ồ chơi -VL compozit cao cấp: dùng trong... ớt, kết dính tốt (truyền hiệu quả tải trọng) -Bền dẻo dai tốt (chống lại sự phát triển vết nứt) -Bền dới tác dụng phá huỷ của môi trờng (nớc, các tác nhân từ môi trờng, đặc biệt môi trờng nớc biển) 33 Vật liệu nền Polyme Nhựa nhiệt rắn Kết tinh Nhựa nhiệt dẻo Cao su Vô định hình Polymer = poly (nhiều) + mer (phần, đơn vị) VD: -CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHClViết tắt: (PVC) -CH2-CHCl - n Polyme là . < 1000, d = 0,02-100 àm * Compozit cốt sợi: là compozit đợc gia cờng bởi sợi, nó có độ bền riêng và modun đàn hồi cao. VD: Compozit sợi thuỷ tinh, cacbon,. L/D 11 Mt s loi compozit cốt sợi Sợi dài đơn hớng Sợi dài ở dạng lớp Sợi ngắn sắp xếp hỗn độn Sợi ngắn định hớng * Compozit cốt hạt: là compozit đợc gia