Nhìn chung, mỗi vật liệu compozit gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu compozit). Pha liên tục được gọi là vật liệu nền (matrix), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước.
1.4.4.1. Cốt cho vật liệu compozit
Trong vật liệu compozit, cốt là thành phần có tác dụng chịu ứng suất tâp trung do cơ tính cao hơn nhựa nền. Do đó thành phần cốt phải thảo mãn được những đòi hỏi về khai thác và công nghệ:
- Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi như yêu cầu về độ bền, độ cứng, khối lượng riêng, độ bền trong một khoảng nhiệt độ nào đó, bền ăn mòn trong môi trường axit, kiềm.
- Đòi hỏi về công nghệ đó là những đòi hỏi về khả năng công nghệ để sản xuất ra các thành phần cốt và những vật liệu compozit trên cơ sở những cốt này.
Đặc trưng và mức độ ảnh hưởng của chất độn lên tính chất của vật liệu phụ thuộc vào bản chất, cấu trúc ban đầu, hình thái học và phân bố, diện tích bề mặt riêng của chất gia cường trong vật liệu, tương tác và độ bền liên kết giữa chất gia cường và nền. Chất gia cường quyết định khả năng ra công của vật liệu, ngoài ra còn ảnh hưởng đến các tính chất hóa, điện cũng như giá thành của vật tư.
Chất gia cường được đánh giá trên những đặc điểm sau: - Khả năng tăng cường độ bền cơ học
- Độ bền nhiệt
- Độ bền hóa chất, môi trường
- Khả năng thấm ướt bề mặt bởi nhựa nền - Thuận lợi cho quá trình gia công
- Nhẹ, giá thành hạ, sẵn có.
Tùy theo yêu cầu đối với những loại sản phẩm mà lựa chọn chất gia cường thích hợp nhất, đảm bảo cả về yêu cầu kĩ thuật cũng như hiệu quả kinh tế.
Chất gia cường làm thay đổi đặc trưng cơ bản của vật liệu gọi là chất gia cường hoạt tính. Chất gia cường không làm thay đổi đặc trưng cơ bản của vật liệu gọi là chất gia cường trơ. Tuy nhiên, chất gia cường hoạt tính hay không hoạt tính phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của nhựa nền. Các chất gia cường trơ chủ yếu nhằm mục đích giảm giá thành của vật liệu, trong một số trường hợp còn tăng khả năng gia công.
Dựa trên hình thái học, chất gia cường được chia thành nhiều loại, trong đó chủ yếu là chất gia cường dạng bột và dạng sợi.
Chủ yếu chất gia cường dạng bột là loại phụ gia phân tán đồng đều trong toàn thể tích vật liệu. Vật liệu trên cơ sở chất gia cường dạng bột có tính chất đẳng hướng. Ngoài ra, còn có một số loại chất gia cường bột khác như chất tạo màu, chất chống tác dụng của tia cực tím, chống lão hóa... Các hợp
chất này thường có tỷ lệ nhỏ, ở dạng bột mịn và được đưa vào như một thành phần của nhựa nền. Các chất gia cường dạng bột thường gặp là bột gỗ, bột talc, bột CaCO3.
Vật liệu gia cường cốt dạng sợi có tính dị hướng. Độ bền theo phương song song với phương sắp xếp của cốt có độ bền cao hơn các phương khác. Sợi gia cường thường được xử lý bề mặt trước khi sử dụng nhằm tăng cường khả năng liên kết giữa cốt và nhựa nền. Phương pháp xử lý bề mặt phổ biến nhất là dùng chất liên kết đóng vai trò chất trung gian liên kết giữa nền và cốt. Nói chung, chất liên kết phải có khả năng phản ứng với nhựa nền trong quá trình đóng rắn và phản ứng với các nhóm chức hoạt động trên bề mặt cốt. Xu hướng hiện nay trong vật liệu compozit là chuyển sang sử dụng chất gia cường dạng sợi. Trong những sợi mảnh, độ bền gần đạt tới giá trị lý thuyết và khi đó trong cấu trúc không quan sát thấy khuyết tật. Sợi sử dụng làm cốt gia cường trong vật liệu compozit có thể là dạng sợi liên tục, sợi cacbon, sợi kevlar, sợi bo, sợi nguồn gốc thực vật...
1.4.4.2. Nền cho vật liệu compozit
Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu compozit. Trong vật liệu compozit nền polyme đóng những vai trò chủ yếu sau:
- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối đồng nhất.
- Tạo khả năng gia công vật liệu compozit thành các chi tiết theo thiết kế. - Che phủ, bảo vệ cốt tránh các phá hủy cơ học và hóa học, duy trì tính toàn vẹn và hình dạng của các thành phần.
- Truyền ứng suất tập trung lên chất độn thường có tính cơ học cao hơn, nhờ đó làm giảm độ nhạy cảm với quá tải cục bộ do tập trung ứng suất. Như vậy hệ số an toàn khi sử dụng vật liệu compozit nói chung cao hơn vật liệu truyền thống.
- Nền còn ảnh hưởng lớn tới các đặc tính sử dụng của vật liệu compozit như: nhiệt độ làm việc, độ bền mỏi, khối lượng riêng, độ bền riêng, khả năng chống lại tác dụng của môi trường ngoài.
Nhựa nền được lựa chọn cho vật liệu compozit phải thỏa mãn các yêu cầu nhiều khi mâu thuẫn với nhau. Do đó, việc chế tạo và lựa chọn một loại nhựa nền tối ưu luôn phải dung hòa các thông số về độ bền, độ mềm dẻo, khả năng gia công và các tính chất khác. Nhựa nền được lựa chọn trên cơ sở như sau: - Yêu cầu của sản phẩm, chủ yếu là các đặc tính cơ lý và độ bền nhiệt, ngoài ra độ bền hóa, khả năng làm chậm cháy, đặc tính điện cũng là những yếu tố quan trọng.
- Phương pháp gia công. - Giá thành...
Đối với compozit polyme, vật liệu nền thường sử dụng là nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo.
Vật liệu nền nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hòa tan và đóng rắn lại khi nung nóng và sau khi đóng rắn tạo thành cấu trúc mạng lưới không thuận nghịch. Nhựa nhiệt rắn thường được sử dụng là nhựa phenol-formandehit, polyeste không no, epoxy, vinyleste, ure-formandehit,...
Vật liệu nền nhiệt dẻo là các polyme mạch thẳng, khi nung nóng sẽ chảy dẻo ra, nếu sau đó làm nguội sẽ cứng lại và chúng có trạng thái thuận nghịch. Nhựa nhiệt dẻo hay được sử dụng là PP, PE,...
1.4.4.3. Liên kết giữa nền và cốt trong vật liệu compozit
Độ bền liên kết giữa nhựa nền và chất tăng cường có ảnh hưởng đến hiệu quả truyền ứng lực qua vùng phân chia pha. Sự tương tác pha ảnh hưởng đến độ bền liên kết giữa các cấu tử trong vật liệu compozit, do đó ảnh hưởng đến các tính chất đặc trưng của vật liệu. Vì vậy, điều khiển quá trình này là một khâu quan trọng trong việc hình thành các tính chất của vật liệu.
Trong nhiều năm gần đây, hóa học vùng phân chia pha, tầm quan trọng của hiệu ứng tách lớp giữa các pha và đứt gãy trong vật liệu compozit được thảo luận rất nhiều. Tuy nhiên nhiều vấn đề về các hiện tượng biên vẫn còn ở giai đoạn nghiên cứu và có nhiều ý kiến khác nhau về các vấn đề đó.
Cho đến gần đây, một hướng giải quyết được đề nghị khá nhiều là sử dụng sợi hai lớp hay phủ lên chất tăng cường một lớp đệm mềm dẻo. Thông thường các chất gia cường dạng bột và sợi đều được xử lý bề mặt trước khi sử dụng. Phổ biến nhất là xử lý bằng các chất liên kết bề mặt chất gia cường để tạo một lớp chuyển tiếp giữa chúng và nền polyme. Mặc dù vấn đề này còn nhiều tranh luận nhưng nhiều nhà nghiên cứu cho rằng chất liên kết là chất chứa một loại nhóm chức có khả năng phản ứng với nền polyme trong quá trình đóng rắn và chứa một loại nhóm chức khác có khả năng phản ứng với các nhóm hoạt động trên bề mặt chất gia cường.