Compozit cấutrúc là đểchỉ các bán thành phẩm dạng lớp, dạng tấm ba lớp được tạo thành bằng cách kết hợp với vật liệu đồng nhất với vật liệu compozit theo những phương án cấu trúc khác nhau. Vì vậy, tính chất của nó phụthuộc không chỉ vào tính chất các vật liệu thành phần mà còn vào sự sắp xếp và kiến trúc hình học của chúng trong kết cấu nữa. Các compozit cấu trúc dạng lớp và dạng tấm ba lớp được sử dụng trong nhiều lĩnh vực: vận tải, hàng không, các công trình xây dựng kiến trúc... Nhiều loại compozit cấu trúc khác loại vật liệu chức năng (siêu dẫn, vật liệu từ) chỉ đượcứng dụng trong nhữlĩnh vực nhất định.
a. Compozit cấu trúc dạng lớp
Compozit loại này được tạo thành từ các lớp cơ sở. Các lớp cơ sở này thường gồm hai loại, loại thứnhất là các lớp đóng vai trò liên kết, thường là vật liệu đồng nhất và loại thứ hai là các lớp chịu lực, thường là các băng compozit cốt sợi. Sắp xếp lần lượt các lớp này và đổi hướng các băng compozit sao cho thỏa mãn yêu cầu thiết kế đề ra rồi ép dính lại. Kết quả nhận được ở dạng bán thành phẩm, tấm, thanh, ống... Đó chính là compozit cấu trúc dạng lớp.
Hình 6.3. Sơ đồsắp
Compozit cấu trúc dạ nhiều phương. Chẳng hạn, nhờ chất kết dính là poly theo phương bất kỳsong song v
Nhược điểm chung lớp cơ sởthấp.
Compozit này được dụng cụmáy móc và các lo
b. Compozit cấu trúc d
Loại này còn có tên gồm ba lớp. Hai lớp mặt đư kim nhôm, hợp kim titan, chủ yếu của chúng là chịu song song với mặt tấm.
Lớp lõi nằm giữa hai Lớp này có tác dụng duy chiều vuông góc với mặt vênh tấm.
ắp xếp các lớp cơ sởkhi tạo ra compozit cấu tr
trúc dạng lớp cũng có thểtạo thành từcác lớp cơ ạn, các tấm vải bông, vải sợi thủy tinh hoặc olyme, sẽ cho ta các compozit cấu trúc dạn
g song với mặt tấm.
ung của loại compozit này là độ bền theo phư được sửdụng trong hàng không, xây dựng các
ác loại dụng cụ văn hóa thểthao.
rúc dạng tấm ba lớp
tên gọi là panel sandwich. Khác loại trên, ặt được chếtạo từvật liệu có độbền và cứn tan, thép và các tấm compozit cấu trúc dạng
hịu toàn bộtải trọng (kéo, nén và uốn) tác .
ữa hai lớp mặt là vật liệu nhẹ, độ bền và cứng duy trì khoảng cách giữa hai lớp mặt và gi
ặt tấm, tạo độ cứng vững nhất định, tránh các
it cấu trúc dạng lớp
ớp cơ sở có định hướng hoặc cacbon được ép lại ạng lớp có độ bền cao o phương vuông góc với các công trình, chếtạo
ên, panel sandwich chỉ ứng vững cao như hợp dạng lớp... Chức năng tác dụng theo các chiều ứng vững tương đối nhỏ. và giảm biến dang theo tránh các hiện tượng cong
Hình 6.4. Sơ
Trong kỹthuật thườ Loại thứnhất có tổ vô cơ hoặc gỗnhẹ...
Loại thứ hai cấu tạ hướng vuông góc với mặt Vách ngăn thường rấ Compozit cấu trúc dạ sàn, tường trong xây dựng nhà c
Câu 1. Thếnào là vật liệu c Câu 2. Trình bày cách phân lo Câu 3. Trình bày vật liệu co Câu 4. Trình bày vật liệu co Câu 5. Trình bày vật liệu co
. Sơ đồcấu tạo compozit cấu trúc dạng tấm ba
thường gặp hai loại lõi:
tổchức xốp bọt như cao su nhân tạo, polyme ấu tạo theo dạng tổ ong, trong đó các vách
ặt tấm.
ờng rất mỏng và được chếtạo từcùng vật liệu như trúc dạng tấm ba lớp được ứng dụng rất rộng
ựng nhà cửa, làm vỏ, thân, cánh và đuôi các lo
Câu hỏi ôn tập
t liệu compozit, đặc điểm của loại vật liệu này phân loại vật liệu compozit.
ệu compozit cốt sợi. ệu compozit cốt hạt. ệu compozit cấu trúc.
m ba lớp
yme bọt, chất dính kết vách ngăn liên kết định
ệu như hai lớp mặt. ộng rãi. Ví dụ làm trần, đuôi các loại máy bay.[2]
CHƯƠNG7
ĂN MÒN VÀ BẢO VỆVẬT LIỆU 7.1. Khái niệm chung về ăn mòn kim loại
Ăn mòn là sựphá hoại các tính chất lý học, hóa học, cơ học và hình dáng của chi tiết, chủyếu là thay đổi trạng thái oxy hóa của kim loại, oxyt, bán dẫn.
Ăn mònđược chia ra làm hai loại: ăn mònđiện hóa và ăn mòn hóa học.
Ăn mòn hóa học là sự phá hủy kim loại do kim loại phản ứng hóa học với các chất khí hoặc hơi nước. Bản chất của ăn mòn hóa học là quá trình oxy hóa- khử trong đó các electron của kim loại được chuyển trực tiếp sang môi trường tác dụng.
Ăn mòn điện hóa là sựphá hủy kim loại do kim loại tiếp xúc trực tiếp với dung dịch chất điện ly và tạo nên dòngđiện ăn mòn
7.2.Cơ chế ăn mònđiện hoá
Khi có một kim loại M tiếp xúc với dung dịch điện ly, sẽcó hai quá trình xảy ra: Phảnứng anôt (oxy hóa): M→ Mn++ne
Phảnứng catôt (hoàn nguyên hoặc khử): Xn-+ne→ X
7.2.1. Các phảnứng điện hóa
a. Không có oxy
Trong môi trường axit (pH<7). Ví dụsắt trong môi trường axit không có oxy hòa tan.
→ + 2
2 + 2 →
+ 2 → +
b. Có oxy
+ Trong môi trường axit (pH<7). Ví dụ: sắt trong nước chứa axit có oxy hòa tan.
→ + 2 (phảnứng anôt)
+ 4 + 4 → 2 (phảnứng anôt)
+ Môi trường kiềm ((pH>7). Ví dụ sắt trong môi trường trung tính, thoáng khi như nước biển.
+ 2 → + 2 (phảnứng anôt)
+ 4 + 4 → 4 (phảnứng anôt)
Sản phẩm cuối cùng là : 2 + 4 → ( )
Hydroxyt sắt hai dễ dàng lắng động, không bền, dễ bi oxy hóa mạnh thành hydroxyt sắt ba.
2 ( ) + + 1/2 → 2 ( )
Hydroxyt sắt ba dễ dàng mất một ít nước để tạo thành lớp oxyt xốp không ổn định có công thức: xFeO. yFe2O3. H2O.
Sắt rất dễ bị ăn mòn vì Fe là điện cực kép, tại đó có cả hai phản ứng caôt và anôt.
7.2.2. Xu thế ăn mòn
a.Điện thế điện cực
Khi nhúng kim loại M trong dung dịch điện ly chứa ion Mn+, luôn luôn có phản ứng cân bằng giữa kim loại và dung dịch, không xảy ra hiện tượng ăn mòn.
Như vậy kim loại là điện cực thuận nghịch. Trong dung dịch, trên bề mặt kim loại có lớp ion kép, tại vùng này nồng độ ion dày đặc và cao hơn chỗkhác trong dung dịch điện ly.
Ở điện cực thuận nghị có điện thếcân bằng diễn ta theo biểu thức Nernst
= +
Trong đó E0là điện thếchuẩn; R hằng sốchất khí, F là hằng sốFaraday
Cần xét và so sánh điện thếcân bằng của các kim loại mới biết được tính ổn định nhiệt động của các kim loại và đánh giá được xu thế ăn mòn của chúng.
Bảng 7.1. Thế điện cực của các kim loại
Phảnứng Điện thế tiêu chuẩn cân bằng so với điện
cực hyđrô E0, V Au3++ 3e ↔ Au 1.50 O2+ 4H++ 4e↔ 2H2O 1.23 Ag++ e ↔ Ag 0.80 O2+ 2H2O + 4e↔ 4OH- 0.40 2H++ 2e↔ H2 0.00 Pb2++ 2e↔ Pb - 0.13 Sn2++ 2e↔ Sn - 0.40 Fe2++ 2e↔ Fe -0.44 Cr3++ 3e↔ Cr -0.74 Zn2++ 2e↔ Zn -0.76 Al3++ 3e↔ Al -1.67 Mg2++ 2e↔ Mg -2.37 Na++ e↔ Na -2.71
Thông thường để đo thế điện cực của kim loại phải dùng cách đo so sánh, quy ước điện thế của phản ứng 2H++2e- H2 bằng 0 để làm chuẩn. Cho nên nếu nói rằng
Oxy hóa
M Mn++ne
điện thếso sánh giữa Fe và Cu là 0,78V thì có nghĩa là:
= 0,78 = / − /
Bảng sốliệu điện thế chuẩn của cân bằng oxy hóa- khử ở 250C nêu trên chỉ cho biết xu thế ăn mòn còn trong thực tế để xảy ra ăn mòn còn phải có dòng điện chạy từ phía ngoài và dòng ion chạy trong chất điện ly giữa hai cực.
Tất cả các kim loại có điện thế thấp hơn điện thếcủa hydro sẽ bị ăn mòn trong axit (không có oxy) đểgiải phóng khí H2 bay ra. Đặc biệt, Cu có thế điện cực cao hơn thế điện cực của H nên không bị ăn mòn, nhưng nếu trong môi trường axit có oxy thì Cu cũng sẽbị ăn mòn.
b. Đánh giá ăn mòn
Đánh giá theo trọng lượng: số gam kim loại bị ăn mòn trên 1đơn v ị diện tích trong 1 ngày.
G (mg/dm2. ngày)=
Chiều dày bị ăn mòn xâm nhập: chiều dày kim loại bị ăn mòn tính theo năm. S<0,125mm/năm : kim loại rất bền
S<1,125– 1,25mm/năm : kim loại đạt yêu cầu chống ăn mòn S> 1,25mm/năm: không đạt yêu cầu
7.2.3. Các dạng ăn mònđi ện hóa
Ăn mòn điện hóa là dạng ăn mòn phổ biến hơn cả và phá hủy kim loại nhiều nhất. Các dạng ăn mònđiện hóa được chia ra làm các loại sau: ăn mònđều, ăn mòn tiếp xúc, ăn mòn do chênh lệch khí, ăn mòn lỗ, ăn mòn tinh giới, ăn mòn nứt do ứng lực, ăn mòn mỏi, ăn mòn lựa chọn hay sựphân rã hợp kim, ăn mòn mài mòn.
a. Ăn mònđều, xảy ra trong điều kiện kim loại đồng nhất, môi trường, nhiệt độvà sự phân bố ứng lực là đồng đều, tốc độ ăn mòn là như nhau trên toàn bộbềmặt kim loại.
b. Ăn mòn tiếp xúc (galvanic), là dạng ăn mòn xảy ra khi có sựchênh lệch điện thế tạo nên một pin ăn mòn.Ăn mòn xuất hiện khi có hai hoặc nhiều kim loại có điện thế điện cực khác nhau được lắp ghép trên cùng một kết cấu, do chúng có thểtiếp xúc dẫn điện lẫn nhau và cùng nằm trong môi trường ăn mòn vì thếtạo nên một pin ăn mòn.
Ví dụ, khi chế tạo tàu thủy, phần lớn các chi tiết được làm bằng thép, vỏ tàu, bánh lái...nhưng chân vịt lại được làm bằng hợp kim đồng. Ngoài ra còn có protector bằng hợp kim kẽm hoặc nhôm, tất cả đều được lắp ghép trên một con tàu.
Dạng ăn mòn này thư ờng xuất hiện trong các hợp kim đa pha. Các pha trong hợp kim này có điện thế điện cực khác nhau, sựchênh lệch điện thế điện cực cũng gây nên ăn mòn galvanic giống như khi lắp ghép các vật liệu khác nhau trên cùng một kết cấu.
Ví dụ, các chi tiết bằng đồng thau đúc, hợp kim này cấu tạo gồm hai pha là α giàu Cu vàβ giàu Zn, chúng có điện thế điện cực rất khác nhau.
Giữa các vùng trong hợp kim, sự chênh lệch nồng độ do thiên tích do ba động thành phần...cũng có thểlà nguyên nhân tạo nên ăn mòn galvanic.
Hình 7.1. Ăn mòn tiếp xúc (galvanic) c.Ăn mòn do sựchênh lệch nồng độoxy
Ăn mòn khe là dạng ăn mòn này xảy ra có thể do môi trường không đồng nhất, chẳng hạn sựkhác nhau cục bộ vềthông khí hòa tan (oxy). Lúc này hình thành một pin chênh lệch khí và gâyra ăn mòn. Trong thực tếcó những khe hở giữa các mặt bích, các joăng, đệm, các mối ghép bằng đinh tán, trong quá trình làm việc do chênh lệch nồng độ oxy,ở nơi nằm sâu trong khe hẹp oxy không khuếch tán tới được nên bị ăn mòn.
Hình 7.2. Ăn mòn khe
Hình 7.3. Cơ chế ăn mòn khe
Ăn mòn ở đường mím nước, lớp nước trên bề mặt giàu oxy, lớp nước sát phía dưới nghèo oxy, do đó vật liệu bị ăn mòn tại vùng nghèo oxy theo cơ chếchênh lệch oxy.
Hình 7.4. Một dạng ăn mòn mím nước(1-Vùng ăn mòn, 2-Lớp gỉ sắt)
Ăn mòn chân chim dưới lớp sơn, ăn mòn chân chim ít gây tác hại, song lâu ngày
có thểphát triển phá hủy từng mảng sơn và khởi đầu cho các dạng ăn mòn nguy hiểm khác. Ăn mòn chân chim thường khởi đầuởcác phần lõm trên bềmặt không được tẩy sạch trước khi sơn, do đó còn đọng lại một lớp gỉ xốp hấp phụcác tạp chất, các muối hoạt tính cònđọng lại từ dung dịch làm sạch. Kim loại phía dưới bị oxy hóa tạo thành oxit trương phồng lên làm phá hủy màng sơn phía trên. Nước và oxy chui qua vùng sơn bịphá hủy nứt nẻtạo nên cơ chế ăn mòn do chênh lệch nồng độoxy, vùng tâm lớp gỉ nghèo oxy hơn ngoài biên bị ăn mòn.
Ăn mòn ởvùng lắng đọng, lớp cát bùn, tạp chất lắng đọng trên bềmặt cản trở oxy khuếch tán tới tạo lớp thụ động bề mặt gây nên ăn mòn do lắng đọng. Dạng ăn mòn này thường gặp ở các kết cấu cố định, song cũng có thể gặp khi các tàu neo đậu lâu ngàyở vùng nước bẩn tù đọng không được thường xuyên vệsinh.
Hình 7.5. Ăn mòn ởvùng lắng đọng d. Ăn mòn lỗ
Dạng ăn mòn này thường xảy ra đối với các kim loại và hợp kim có tính thụ động ăn mòn như: Fe, Cr, Al, Ni...các loại thép không gỉ trong môi trường có các anion Cl-, Br-, I-(halogen) bị ăn mòn cục bộdẫn đến tạo ra các lỗ.
kính lỗ. Hiện tượng này xảy ta do các lỗ nhỏ trong lớp phủbảo vệchống ăn mònđ ều (các lớp men, lớp phủ hữu cơ, màng oxyt...). Các lỗ phát triển từtrên bề mặt vào bên trong theo các hướng gần như thẳng góc.
Hình 7.6. Các dạng ănmòn lỗ
Cơ chế ăn mòn lỗ cũng tương tự như cơ chế ăn mòn do sự chênh lệch nồng độ oxy rong môi trường gây ra.
Hình 7.7. Ăn mòn lỗcủa thép thụ động trong ion Cl-
Ở vùng đấy lỗ nghèo oxy do đó bị ăn mòn và là anot, các vùng khác là catot. Do hiện tượng điện di, các anion Cl- di chuyển đến anot gây nên hiện tượng tập trung anion Cl- ở vùng đáy lỗ, làm mất khả năng tái thụ động, do đó ăn mòn tăng lên. Lỗ càng sâu, vùng đáy lỗ càng nghèo oxy càng gây nên ăn mòn.
Dạng ăn mòn này liên quan đếsựcó mặt của các pha dị thể ở biên giới hạt trong hợp kim. Loại ăn mòn này thư ờng gặp nhất ở thép không rỉ vì thép không gỉ được hợp kim với lượng Cr trên 12%, với lượng này có ảnh hưởng quan trọng đến quá trìnhăn mòn của thép. Với hàm lượng Cr trên 12% thì màng oxit Cr2O3 xít chặt, tăng lượng Cr thì tốc độ ăn mòn giảm. Tuy nhiên do hiện tượng tiết cacbit Cr làm xuất hiện vùng nghèo Crở lân cận biên giới hạt, do đó thép bị ăn mòn.
Hình 7.8.Ăn mòn tinh giới của thép không rỉ.
Hình 7.9.Ănmòn nứt ởbiên giới hạt thép không rỉ f. Ăn mòn nứt doứng lực
Các kết cấu kim loại làm việc trong môi trường ăn mòn , dưới tác dụng của lực kéo sẽ gây ra nứt, rạn và gãy. Dạng ăn mòn này gây tổn thất kim loại rất nhỏ, nhưng khó có thểnhìn thấy nên rất nguy hiểm.
g. Ăn mòn mỏi
Là hiện tượng ăn m thay đổi có chu kỳ. Do tác xuất hiện hơn.
h.Ăn mòn lựa chọn
Dạng ăn mòn này xả dung dịch rắn, trong đó kim loại nền.
Hình 7.11. k. Ănmòn mài mòn
Sựmài mòn của kim bảo vệvà hiện tượng này
Hình 7.10.Ăn mòn do ứng lực
ăn mòn xảy ra trong các kết cấu kim loại làm tác dụng ăn mòn tạo điều kiện cho các vết
ọn (sựphân rã hợp kim)
y xảy ra trong các điều kiện nhất định đối rong đó kim loại hòa tan cóđiện thế ăn mòn âm hơ
Hình 7.11.Ăn mòn lựa chọn (sựphân rã của hợp kim n
kim loại thụ động trong môi trường ăn mòn ày gọi là ăn mòn mài mòn.
làm việc dưới tải trọng ết nứt mỏi đầu tiên dễ
nh đối với các hợp kim là hơn nhiều so với kim
p kim)
a) b) Hình 7.12.Ăn mòn mài mòn a. Ăn mòn cục bộdo chảy rối của chất lỏng trongống ngưng b. Ăn mòn mài mòn do sựsủi bọtở nước làm lạnh trong xylanh
7.3. Bảo vệchống ăn mòn
Đểbảo vệkim loại chống ăn mòn, có ba phương pháp cơ bản:
Sơn phủ bề mặt để cách ly chi tiết với môi trường ăn mòn phương pháp này rẻ