a. Định nghĩa
Vật liệu composite (gọi tắt là composite) là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu có bản chất khác nhau đƣợc gọi là các pha. Vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần khi xét riêng rẽ.
16
Ví dụ: Giấy, cáctông (nhựa/hạt/sợi xelulo), vải bạt (nhựa mềm/ vải), lốp xe ( cao su/vải/sắt).
Composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn đƣợc phân bố trong một pha liên tục. Khi composite gồm nhiều pha gián đoạn ta gọi đó là composite hỗn tạp. Pha gián đoạn thƣờng có cơ tính trội hơn pha liên tục.
Pha liên tục đƣợc gọi là nền (matrix).
Pha gián đoạn đƣợc gọi là cốt hay vật liệu gia cƣờng (reinforce).
Vật liệu cốt giúp cho composite có khả năng chịu lực tốt hơn, bền hơn. Vật liệu nền đóng vai trò liên kết vật liệu cốt với nhau, truyền lực tới vật liệu cốt và bảo vệ vật liệu cốt khải tác hại của môi trƣờng xung quanh.
b. Phân loại composite
Composite có thể đƣợc phân loại theo hình dạng cốt (composite cốt sợi, cốt hạt) hoặc theo bản chất vật liệu thành phần( composite nền hữu cơ, nền kim loại, nền khoáng hay gốm).
Trên phƣơng diện cơ học, các loại composite trên đƣợc xếp vào ba nhóm chính:
-Composite đẳng hƣớng: Sợi vụn phân bố ngẫu nhiên theo cả ba phƣơng không gian.
-Composite đẳng hƣớng ngang: là composite gồm nhiều lớp mat hoặc composite nhiều lớp sợi đồng phƣơng.
COMPOSITE Cốt sợi Cốt hạt Nền hữu cơ Nền kim loại Nền khoáng (gốm)
17
-Composite trực hƣớng: là composite gồm nhiều lớp đồng phƣơng xếp vuông góc hoặc composite nhiều lớp cốt vải, …
c. Đặc tính chung của composite
Nói chung khả năng chịu nhiệt của vật liệu composite là khá tốt. Composite nền hữu cơ chỉ chịu đƣợc nhiệt độ khoảng 300oC, trong khi composite nền kim loại có thể chịu tới 600oC, và composite nền gốm là trên 1000o
C [28]. Cơ tính của composite phụ thuộc vào:
-Cơ tính của vật liệu thành phần.
-Luật phân bố hình học của vật liệu cốt.
-Đặc trƣng hình học của vật liệu cốt bao gồm hình dạng, kích thƣớc, độ tập trung và phƣơng phân bố, …
-Tác dụng tƣơng hỗ của các vật liệu thành phần, đặc điểm của mặt tiếp xúc giữa vật liệu cốt và vật liệu nền.
Độ tập trung của vật liệu cốt thƣờng đƣợc đánh giá qua tỷ lệ thể tích hoặc tỷ lệ khối lƣợng. Với cùng một tỷ lệ khối lƣợng, luật phân bố của vật liệu cốt cũng rất quan trọng, nếu đƣợc phân bố đều theo thể tích thì ta nói đó là vật liệu đồng nhất. Nếu vật liệu cốt phân bố không đều thì khi bị phá hủy, nó sẽ bị phá hủy ở nơi có ít vật liệu cốt phân bố nhất, do đó mà độ bền của vật liệu bị giảm đi.
Trong trƣờng hợp composite cốt là dạng sợi thì phƣơng của sợi quyết định tính dị hƣớng của vật liệu. Đây là đặc trƣng trội nhất của vật liệu composite. Có nghĩa là ta có thể điều khiển tính dị hƣớng của vật liệu (quyết định đƣợc phƣơng sợi khi sản xuất), và chọn những phƣơng án công nghệ phù hợp.
Một số loại sợi đƣợc sử dụng để chế tạo composite là: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi aramid, sợi gốm, các loại sợi tổng hợp, sợi gốc thực vật(sơ dừa…), sợi kim loại, .v.v. Vật liệu nền cho các loại cốt sợi thƣờng là các loại nhựa. Nền nhựa có tác dụng liên kết, bảo vệ và truyền lực cho sợi.
18
Bảng 4 : Cơ tính và khối lượng riêng của một số loại polymer
Vật liệu Mô đun đàn hồi (GPa) Giới hạn bền (GPa) Khối lƣợng riêng (Kg/m3) Polyeste 2,8 – 3,5 50 - 80 1200 Nhựa epoxy 3 - 5 60 - 80 1100 - 1500 Poly Propylen 1,1 - 1,4 20 -35 900 Polyamit 1,2 – 2,5 60 - 85 1140
Vật liệu composite nền nhựa/cốt sợi có nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với các vật liệu đẳng hƣớng khác do có ƣu điểm: nhẹ, độ bền riêng, mô đun đàn hồi riêng cao, độ bền mỏi cao…. Do đó composite nền nhựa/cốt sợi đƣợc sử dụng ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: hàng không với các kết cấu dầm, tấm; hàng hải với ứng dụng làm vỏ tàu thuyền; giao thông vận tải; xây dựng dân dụng và công nghiệp.
1.2.2 Vật liệu nanocomposite
Khi vật liệu cốt đạt kích thƣớc cỡ na nô mét theo một phƣơng bất kỳ thì ta gọi chung các composite đó là nanocomposite.
Theo hình dạng hình học, cốt của nanocomposite đƣợc chia làm 3 loại: -Dạng sợi, ống: chiều dài 100 lần đƣờng kính.
-Dạng đĩa: kích thƣớc theo 2 phƣơng 25 lần chiều dày đĩa. -Dạng hạt, bột: kích thƣớc theo ba phƣơng tƣơng đƣơng nhau.
19
•Cốt dạng sợi: các loại nanotube nhƣ carbon nanotube, silicon carbide nanotube, boron nitrite nanotube.
•Cốt dạng đĩa: nhƣ silicate, mica.
•Cốt dạng hạt, bột: Các bột ô xít Al2O3, TiO2, ZrO2…Các bột kim loại: Fe, Ni, Al, Co, Cr…
Vật liệu nền của nanocomposite thƣờng sử dụng là các loại nhựa nhƣ: nhựa epoxy, nhựa polyeste…