. 100% Độ thắt tiết diện tương đối ψ % : ψ % = 0
CHƯƠNG 11: VẬT LIỆU PHI KIMLOẠ
Trong chương này ta nghiờn cứu cỏc loại vật liệu khụng chứa kim loại hay cú kim loại nhưng khụng phải là thành phần chủ yếu như : vật liệu composit, cộramic, pụlyme, ximăng, thủy tinh, cao su...
11.1.VẬT LIỆU KẾT HỢP (COMPOSIT) :11.1.1.Khỏi niệm và phõn loại : 11.1.1.Khỏi niệm và phõn loại :
1-Khỏi niệm : Vật liệu com po zit là loại vật liệu gồm hai hay nhiều loại vật liệu khỏc
nhau kết hợp lại, trong đú cỏc ưu điểm của mỗi loại được kết hợp với nhau hoặc tạo nờn một chất lượng mới hoàn toàn mà nếu đứng riờng lẻ khụng một loại vật liệu thành phần nào cú thể đỏp ứng được
2-Đặc điểm và phõn loại :
-Đặc điểm :
+Là vật liệu nhiều pha : trong đú cỏc pha rắn khỏc nhau về bản chất, khụng hũa tan lẫn nhau và phõn cỏch với nhau bằng ranh giới pha. Phổ biến nhất là loại com po zit hai pha : pha liờn tục trong toàn khối gọi là nền, pha phõn bố giỏn đoạn, được nền bao bọc gọi là cốt.
+Trong vật liệu composit tỷ lệ, hỡnh dỏng, kớch thước, sự phõn bố của nền và cốt tuõn theo quy luật đó thiết kế.
+Tớnh chất của cỏc pha thành phần được kết hợp lại để tạo nờn tớnh chất chung của composit. Ta lựa chọn cỏc tớnh chất tốt để phỏt huy thờm.
-Phõn loại :
*Phõn loại theo bản chất của nền :
+Composit nền chất dẻo (composit polymerit) +Composit nền kim loại (composit metallit) +Composit nền gốm (Composit cộramic)
+Composit nền là hỗn hợp của hai hay nhiều pha. *Phõn loại theo hỡnh học của cốt hoặc đặc điểm cấu trỳc :
Composit ↓
--- ↓ ↓ ↓
Cốt hạt Cốt sợi Composit cấu trỳc ↓ ↓ ↓
--- --- --- ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ Hạt Hạt Liờn Giỏn Lớp Tấm Tổ ong
thụ mịn tục đoạn 3 lớp
3-Tớnh chất của vật liệu composit :
a-Cơ tớnh riờng :
Ta khảo sỏt một thanh chịu kộo dọc, đỳng tõm.
Quan hệ giữa lực P và biến dạng ∆ l được biểu diễn như sau : P = EF l
l ∆
Trong đú : - E là mụ đun đàn hồi của vật liệu (mụ đun Young) - F là tiết diện ngang
- l là chiều dài thanh
- ∆l là độ dón dài tuyệt đối
Độ cứng kộo (nộn) EF/l đặc trưng cho tớnh chất cơ học của thanh trong miền đàn hồi. Ta xột hai loại vật liệu khỏc nhau, ký hiệu là 1 và 2, tỷ lệ cỏc độ cứng sẽ là :
1 1 1 2
2 2 2 1
.
K E F l (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
K = E F l (11-1)
Tỷ lệ khối lượng của hai thanh được biểu diễn như sau :
1 1 1 1 2 2 2 2 . m F l m F l ρ ρ = (11-2) Từ biểu thức (11 -1) và (11 -2) ta suy ra : 2 1 1 1 1 2 2 2 2 2 1 / . . / K E m l K E m l ρ ρ = (11-3)
Trong một kết cấu với cỏc chi tiết cú kớch thước cho trước, ta so sỏnh độ cứng của kết cấu khi l1 = l2 nờn từ (11-3) ta cú : 1 1 1 1 2 2 2 2 / . / K E m K E m ρ ρ = (11-4)
Trong cỏc lĩnh vực cụng nghiệp : hàng khụng, vũ trụ, thể thao, xõy dựng ...ta cần so sỏnh tớnh năng cơ học của cỏc kết cấu cú cựng khối lượng : m1 = m2, ta cú :
1 1 1 2 2 2 / / K E K E ρ ρ = (11-5)
Từ (11-5) ta thấy rằng một vật liệu được coi là tốt hơn khớ cú giỏ trị E/ρ cao hơn, cú nghĩa là sẽ cú độ cứng của thanh cao hơn. Đại lượng E/ρ được gọi là mụ đun riờng của vật liệu (hay mụ đun Young riờng).
175 l
Tương tự như vậy nếu gọi σb là ứng suất phỏ huỷ của vật liệu thỡ đại lượng σ b/ρ được gọi là ứng suất riờng (hay độ bền riờng).
b-Cơ tớnh riờng của vật liệu :
Ta khụng thể sử dụng trực tiếp cỏc sợi cốt vỡ đường kớnh của chỳng quỏ nhỏ (10 đến 20 à m) vỡ vậy cần phải trộn sợi với nhựa polyme (nền) để được vật liệu composit cốt sợi. Nền cú chức năng liờn kết, bảo vệ và truyền lực cho sợi. Vấn đề quan trọng là phải tỡm được cỏc vật liệu vừa cú mụ đun cao, khối lượng riờng nhỏ và giỏ thành hợp lý.
11.1.2.Cốt :
-Trong toàn khối composit thỡ cốt phõn bố khụng liờn tục và rất đa dạng, phụ thuộc vào loại composit cần chế tạo.
-Với loại composit kết cấu : cốt là cỏc kim loại bền ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao, cú mụ đun đàn hồi lớn, khối lượng riờng nhỏ.
CƠ TÍNH RIấNG CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU THễNG DỤNG
Vật liệu Mụ đun E (GPa) ứng suõt phỏ huỷ σb (MPa) Khối lượng riờng 3 (kg m/ ) ρ Mụ đun riờng E/ρ (MNm/kg) Độ bền riờngσ b (kNm/kg) Thộp 210 340-2100 7800 26,9 43-270 Hợp kim nhụm 70 140-620 2700 25,9 52-230 Gỗ 30 - 390 33,3 - Thuỷ tinh 70 700-2100 2500 28 280-840 Von fram 250 1100-4100 19300 18,1 57-210 Beryli 300 700 1830 164 380 Sợi thuỷ tinh E Sợi thuỷ tinh S 72,4 85,5 3500 4600 2540 2480 28,5 34,5 1380 1850 Sợi C mụ đun cao Sợi C ứng suất cao 390 240 2100 3500 1900 1850 205 130 1100 1800 Sợi kevlar 130 2800 1500 87 1870 Sợi bo 385 2800 2630 146 1100
-Cỏc loại vật liệu cốt : Kim loại ( thộp khụng rỉ, W, B, Mo...), chất vụ cơ (cỏc bon, thủy tinh, gốm).
-Hỡnh dạng, kớch thước, hàm lượng và sự phõn bố của cốt ảnh hưởng rất mạnh đến tớnh chất composit.
11.1.3.Nền :
Nền cú vai trũ sau đõy :
-Liờn kết toàn bộ cỏc phần tử cốt thành một khối composit thống nhất.
-Tạo khả năng để tiến hành cỏc phương phỏp gia cụngvật liệu composit thành cỏc chi tiết thiết kế.
-Che phủ, bảo vệ cốt trỏnh cỏc hư hỏng do tỏc dụng của mụi trường. Vật liệu nền : polyme, kim loại, gốm và hỗn hợp.
11.1.4.Cỏc loại vật liệu composit thụng dụng:
1-Composit hạt : Cấu tạo gồm cỏc phần tử cốt dạng hạt đẳng trục phõn bố đều trong
nền. Cỏc phần tử cốt là cỏc pha cứng và bền hơn nền : ụ xyt, nitrit, cỏc bit...
-Composit hạt thụ nền polyme : hạt cốt là thạch anh, thủy tinh, stờalit, ụ xyt nhụm...Được sử dụng phổ biến trong đời sống : cửa, tường ngăn, trần nhà..
177
Hỡnh 11.1- Sơ đồ phõn bố cốt sợi:
a) Một chiều song song;b) Ngẫu nhiờn, rối trong một mặt c) Dệt hai chiều vuụng gúc trong một mặt; (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-Composit hạt thụ nền kim loại : hạt cốt là cỏc phần tử cứng : WC, TiC, TaC nền là Co dựng làm dụng cụ cắt gọt, khuụn kộo, khuụn dập...Ngoài ra cũn cú cỏc hợp kim giả : W-Cu, W-Ag, Mo-Cu, Mo-Ag...sử dụng trong kỹ thuật điện.
-Composit hạt thụ nền gốm : điển hỡnh là bờ tụng. Cốt là tập hợp cỏc hạt rắn : đỏ, sỏi... liờn kết bởi nền là xi măng.
Bờ tụng at phan (nền là xi măng atphan) dựng rải đường, làm cầu, cống...Bờ tụng với nền là xi măng pooc lăng sử dụng rộng rói trong xõy dựng nhà cửa, cỏc cụng trỡnh...
-Composit hạt mịn : cỏc phần tử cốt cú kớch tước rất nhỏ < 0,1à m, cứng và ổn định nhiệt cao, phõn bố trờn nền kim loại hay hợp kim, được sử dụng trong lĩnh vực nhiệt độ cao.
2-Composit sợi : Đõy là loại vật liệu kết cấu quan trọng nhất, hiện đang nghiờn cứu và
sử dụng phổ biến. Cấu tạo của nú gồm cốt dạng sợi phõn bố trong nền theo quy luật đó thiết kế. Gồm cỏc loại sau đõy :
-Composit sợi thủy tinh : hiện tại là loại vật liệu thụng dụng nhất, cốt là sợi thủy tinh, nền là polieste, đụi khi dựng bakờlit. Cụng dụng :mui xe hơi, cửa, thựng xe lạnh, sitec, mũi mỏy bay, vỏ bảo vệ buồng lỏi tàu vũ trụ.
-Composit sợi cỏc bon : Cốt là sợi cỏc bon, hay sợi cỏc bon thủy tinh. Nền là ờpụxi- phờ non, polieste hay cỏc bon. Cụng dụng : thõn mỏy bay quõn sự, phần lỏi cỏnh tàu bay, thựng xe hơi, cụng nghiệp tàu thủy, vật liệu cỏch nhiệt của động cơ, đĩa ma sỏt...
-Composit sợi hữu cơ : Cốt là cỏc sợi polime, nền là polime. Cụng dụng : vật liệu cỏch nhiệt, cỏch điện, cỏc kết cấu ụ tụ, mỏy bay...
11.2.VẬT LIỆU CẫRAMIC (GỐM) :
11.2.1.Khỏi niệm : là vật liệu vụ cơ được chế tạo bằng cỏch dựng nguyờn liệu ở dạng
hạt (bột) ộp thành hỡnh và thiờu kết để tạo thành sản phẩm (luyện kim bột). Sau khi thiờu kết vật liệu cộramic đó cú ngay cỏc cơ lý húa tớnh cõn thiết.
11.2.2.Đặc điểm: Trong vật liệu cộramic bao giờ cũng tồn tại ba pha :
-Pha tinh thể (pha hạt) ở dạng hợpỹ chất húa học hay dung dịch rắn, là pha chủ yếu quyết định cỏc tớnh chất của vật liệu. Pha tinh thể thường dựng là : ụ xýt, nitrit, borit, cỏc bit hay kim loại nguyờn chất.
-Pha thủy tinh (vụ định hỡnh) là chất liờn kết cỏc hạt lại với nhau, chiếm tỷ lệ từ 1ữ 40% thể tớch.
-Pha khớ : do được chế tạo bằng luyện kim bột nờn trong sản phẩm bao giờ cũng cú lỗ xốp nhất định, trong đú chứa cỏc khớ và tạo thành pha khớ. Pha này ảnh hưởng rất lớn đến một số tớnh chất của vật liệu. (độ bền kộo, uốn). Pha khớ thường gặp là cỏc lỗ xốp hở. Nếu là cỏc lỗ xốp kớn sẽ làm giảm mạnh độ bền.
11.2.3.Cỏc loại vật liệu cộramic thụng dụng :
1-Cộramic xốp làm tấm lọc :
Thụng dụng nhất là loại cộ ra mic xốp với hạt hỡnh cầu, cú độ xốp 30-40% cú khả năng lọc cỏc tạp chất cỡ hạt đến 10à m. Nếu dựng loại hạt khụng phải hỡnh cầu độ xốp đạt được 60ữ 70% lọc được tạp chất cỡ 1ữ 2 à m.
Cụng dụng : -Cỏc lọc trờn cơ sở brụng : lọc nhiờn liệu lỏng, dầu, khụng khớ, nước. -Cỏc lọc bằng thộp khụng rỉ : lọc khớ lũ cao, khụng khớ, a xit, kiềm.
-Cỏc lọc bằng titan : lọc a xit acộtit, nước cường toan, cỏc khớ chỏy. -Cỏc lọc bằng tantan : lọc a xit sunphurớc, nitrit, clohydrit.
2-Cộramic xốp cụng dụng đặc biệt :
Là cộramic trờn cơ sở bột thộp khụng rỉ Cr12Ni9 và cỏc hợp kim trờn cơ sở Ni, Co, W, Mo dựng để chống đúng băng trờn đuụi và cỏnh của mỏy bay. Do vậy làm tăng thờm cụng suất động cơ từ 0,5ữ 1,5%.
3-Cộramic xốp chống ma sỏt :
Cỏc ổ trượt chế tạo từ cộramic xốp rẻ tiền hơn cỏc loại babit. Đặc điểm của cộ ramic xốp chống ma sỏt là do cú cỏc lỗ xốp (20ữ 35% thể tớch) chứa dầu bụi trơn, ổn định trong suốt quỏ trỡnh làm việc. Với ỏp lực khụng lớn và tốc độ vũng nhỏ, dầu chứa trong cỏc lỗ xốp đủ đảm bảo cho mỏy làm việc lõu dài mà khụng cần cho thờm dầu mỡ. Cụng dụng: sử dụng chủ yếu trong cụng nghiệp dệt và thực phẩm. Gồm cú cỏc loại sau :
a-Hợp kim trờn cơ sở sắt (bạc sắt xốp) : chủ yếu dựng bột sắt, trộn thờm 0,3ữ 3% graphit ngoài ra cú thể cho thờm : bột can xi (2,5ữ 10%) hay lưu huỳnh (0,8ữ 1%), 4% ZnS hay 3,5% CuS. Sau khi thiờu kết xong đem ngõm trong dầu núng với thời gian từ 40ữ 90 giờ tựy theo yờu cầu độ ngấm dầu.
b-Hợp kim trờn cơ sở đồng (đồng dầu) : thường dựng hợp kim Cu-Sn, Cu-Sn-Pb- Zn. Phổ biến nhất là loại hợp kim Cu-Sn : dựng 90% bột đồng trộn với 10% bột thiếc, cho thờm 1ữ 3% graphit để giảm ma sỏt.
c-Vật liệu xốp kim loại -chất dẻo :
Bằng cỏch tẩm cỏc chất dẻo : flo, teflon, fluoran lờn bề mặt cỏc ổ trượt bằng la tụng, thộp khụng rỉ...Cụng dụng : làm ổ trượt khụng cần bụi trơn trong mụi trường khụng khớ, nước, xăng dầu, một số loại a xit.
4-Vật liệu cộramic đặc : (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Loại vật liệu này cú mật độ cao và độ bền cao gần xấp xỉ vật liệu rốn, đỳc. Ưu điểm nổi bật của nú là cú thể sản xuất hàng loạt cỏc chi tiết phức tạp, cú dung sai nhỏ và khụng cần gia cụng tiếp sau đú. Cụng dụng : chếù tạo bỏnh răng, cam, bỏnh cúc, vũng bi, mõm bơm cỏnh quạt, đai ốc đặc biệt... Gồm cỏc loại sau :
a-Vật liệu trờn cơ sở sắt : Dựng bột sắt thuần tỳy hay hợp kim sắt cỏc bon, pha thờm cỏc nguyờn tố Cu, Ni, Cr, P. Thụng dụng nhất hiện nay là hợp kim Fe-Cu, Fe-Ni khụng cú cỏc bon.
b-Vật liệu trờn cơ sở kim loại màu : Cộramic trờn cơ sở kim loạimàu thụng dụng nhất là trờn cơ sở Cu-Al. Trong cỏc lĩnh vực đặc biệt cũn sử dụng trờn cơ sở Ti, Zr, Be, U..
c-Vật liệu trờn cơ sở bột đồng : dựng bột đồng hay la tụng, brụng cú pha thờm stờarat Li, stờarat Zn . Cụng dụng : làm cỏc chổi điện, tiếp điểm, màng lọc, chi tiết chịu ma sỏt và chống mài mũn.
d-Vật liệu trờn cơ sở bột chỡ : loại này cú khối lượng riờng lớn, chống ăn mũn cao, cỏch õm tương đối tốt. Cụng dụng : làm cỏc chi tiết cỏch õm trong mỏy bay, bỏnh đà mỏy in nhỏ...
11.3.VẬT LIỆU POLYME (VẬT LIỆU HỮU CƠ) :11.3.1.Khỏi niệm về polyme : 11.3.1.Khỏi niệm về polyme :
1-Định nghĩa : Polyme (cũn gọi là cao phõn tử) là phõn tử của nhiều hợp phần cơ bản
(xuất phỏt từ tiếng Hylạp cổ, poly : nhiều, me : phần).
-Theo định nghĩa của liờn hiệp quốc tế về húa cơ bản và ứng dụng : polyme là một hợp chất gồm cỏc phõn tử được hỡnh thành do sự lặp lại nhiều lần của một loại hay nhiều loại nguyờn tử hay một nhúm nguyờn tử, liờn kết với nhau với số lượng khỏ lớn để tạo nờn một loại tớnh chất mà chỳng thay đổi khụng đỏng kể khi lấy đi hoặc thờm vào một vài đơn vị cấu tạo.
2-Phõn loại polyme : cú nhiều cỏch phõn loại khỏc nhau :
a-Theo nguồn gốc hỡnh thành :
-Polyme thiờn nhiờn : cú nguồn gốc thực vật hay động vật : xenlulụ, enzim, cao su, amiăng, graphit thiờn nhiờn ....
-Polyme tổng hợp (nhõn tạo) : được sản xuất từ những loại monome bằng cỏch trựng hợp, trựng ngưng như cỏc loại polyolephin, polyvinylclorit, polyamit, và cao su nhõn tạo. Đõy là loại quan trọng nhất, được sử dụng rất rộng rói trong thực tế.
b-Theo thành phần :
-Polyme hữu cơ : là polyme cú mạch cơ bản là một hydrocỏcbon (cỏc chất dẻo và cao su)
-Polyme vụ cơ : là cỏc polyme mà trong mạch cơ bản của chỳng khụng cú hydrocỏcbon. Thành phần cơ bản của polyme vụ cơ là : ụ xýt silic, ụ xyt nhụm, ụ xyt can xy và ụ xýt ma giờ (thủy tinh silicat, gốm, mica, amiăng...)
-Polyme hữu cơ phõn tử (chỉ cú một phần hữu cơ) : Trong mạch cơ bản của chỳng chứa cỏc nguyờn tử vụ cơ : Si, Ti, Al và nối với cỏc gốc hữu cơ : metyl (-CH3), phenol (-C6H5), etyl (-C2H5)
c-Theo cấu trỳc (hỡnh dỏng đại phõn tử) :
-Polyme mạch thẳng : Đại phõn tử của nú là cỏc chuỗi cỏc mắt xớch nối liền nhau theo đường dớch dắc hay hỡnh xoắn ốc (loại này cú polyờtylen PE, polyamid PA).
-Polyme mạch nhỏnh : là loại mạch thẳng nhưng trong đại phõn tử của nú cú thờm cỏc nhỏnh (polyizobutylen PIB)
-Polyme khụng gian : Cỏc monome cú ba nhúm hoạt động tạo nờn polyme khụng gian ba chiều, cú tớnh cơ, lý, nhiệt đặc biệt. (nhựa ờpoxy, phenon -formalđehyt).
-Polyme mạng lưới : Cỏc mạch cạnh nhau trong polyme này được nối với nhau bằng liờn kết đồng húa trị ((cỏc loại cao su lưu húa)
d-Phõn loại theo tớnh chịu nhiệt :
-Polyme nhiệt dẻo : Thụng thường là cỏc polyme mạch thẳng. Ở nhiệt độ xỏc định chunùg cú thể chảy, trở thành dẻo và nhỏ hơn nhiệt độ này chỳng rắn trở lại. Đõy là loại polyme cú giỏ trị thương mại quan trọng nhất hiện nay.
-Polyme nhiệt rắn : Là cỏc polyme cú khối lượng phõn tử khụng cao lắm, ở nhiệt độ cao chỳng khụng khụng thể chảy mềm và khụng hũa tan trong dung mụi.