nanocompozit epoxy/m-nanosilica/TBuT
Độ bền dai phá hủy là ứng suất cần thiết để lan truyền vết nứt có sẵn dẫn đến phá hủy vật liệu. Nó đặc trưng cho khả năng chống lại phá hủy của vật liệu. Đây được xem là một thông số rất quan trọng trong cơ học phá hủy. Do các khuyết tật xuất hiện dưới dạng các vết nứt, khoảng trống, tạp chất, khiếm khuyết hàn, gián đoạn thiết kế hoặc kết hợp của chúng mà không thể loại bỏ một cách triệt để trong thực tế. Độ bền dai phá hủy thường được đánh giá theo hệ số tập trung ứng suất tới hạn KIC [117]. Do đó, cần phân tán tốt m-nanosilica vào nhựa epoxy để chế tạo vật liệu nanocompozit có khả năng ngăn chặn hoặc làm giảm sự phát triển vết nứt của vật liệu khi chịu tác động của ngoại lực. Ảnh hưởng của hàm lượng m-nanosilica đến hệ số tập trung ứng suất tới hạn KIC, năng lượng phá hủy, mô đun đàn hồi và hệ số Poisson của nhựa epoxy được trình bày trong hình 3.35 và bảng 3.7.
Hình 3.34. KIC và GIC của nhựa epoxy phụ thuộc vào hàm lượng m-nanosilica
Nhựa epoxy nguyên chất có độ bền dai phá hủy là 1,06 MPa.m1/2, giá trị này tương đồng với các công bố về vật liệu epoxy của Arakawa và cộng sự [118]. Khi đưa m- nanosilica vào hệ, độ bền dai của vật liệu tăng đáng kể. Mẫu nanocompozit chứa 1,0%
m-nanosilica có KIC đạt 1,27 MPa.m1/2, lớn hơn 30,93% so với mẫu nhựa epoxy ban đầu. Hệ số KIC đạt giá trị lớn nhất ở hàm lượng m-nanosilica 5%, với giá trị KIC 1,73
MPa.m1/2, tăng 91,51% so với nhựa epoxy ban đầu. Sự tăng KIC của vật liệu nanocompozit cho thấy hiệu quả dai hóa tốt của m-nanosilica với nhựa epoxy, vật liệu
nanocompozit có xu hướng chuyển từ dạng giòn thủy tinh sang dạng dai. Tiếp tục tăng hàm lượng m-nanosilica, giá trị KIC giảm, mẫu EP-N7 có giá trị KIC giảm còn
1,45 MPa.m1/2. Điều này được giải thích do hiện tượng kết tụ của các hạt m-nanosilica ở hàm lượng lớn, quá trình lan truyền vết nứt qua các vùng kết tụ xảy ra dễ dàng, đòi hỏi năng lượng thấp hơn nhiều so với phá hủy liên kết giữa nhựa nền và hạt nano [119,120].
Năng lượng phá hủy vật liệu (GIC) là phần năng lượng cần thiết để lan truyền vết nứt trong vật liệu tạo ra một bề mặt mới, được xác định từ giá trị mô đun đàn hồi (E), độ bền dai và hệ số Poisson (µ) theo phương trình:
GIC = 2 [(1 -µ2)]/E
Từ hình 3.34b ta thấy GIC của nhựa epoxy là 243 J/m2, giá trị này tương đối thấp đặc trưng cho các vật liệu giòn. Khi đưa m-nanosilica vào GIC của vật liệu compozit tăng đáng kể. Mẫu EP-N5 có GIC là 660 J/m2 tăng 171,6% so với nhựa epoxy ban đầu. Sự tăng năng lượng phá hủy một lần nữa cho thấy khả năng dai hóa tốt của m-nanosilica. Với giá trị GIC như trên, vật liệu nanocompozit có đặc trưng của vật liệu bền dai [118].
Bảng 3.7. Độ bền dai và năng lượng phá hủy của nhựa epoxy và
nanocompozit epoxy/m-nanosilica/TBuT
Tên mẫu Hàm lượng, m- Ekéo (GPa) KIC µ GIC (kJ/m2) (MPa.m1/2) nanosilica, (%) EP-N0 0 3,45 0,97 0,330 0,243 EP-N1 1 3,75 1,27 0,358 0,375 EP-N3 3 3,82 1,55 0,363 0,546 EP-N5 5 3,93 1,73 0,365 0,66 EP-N7 7 3,66 1.45 0,383 0,47
Hình 3.35 là ảnh SEM bề mặt phá hủy các mẫu sau thử nghiệm xác định độ bền dai. Kết quả cho thấy với nhựa epoxy nguyên chất bề mặt phá hủy trơn nhẵn đặc trưng cho quá trình lan truyền vết nứt diễn ra nhanh chóng của vật liệu giòn (hình 3.35a). Với các mẫu chứa m-nanosilica, độ nhám bề mặt phá hủy tăng khi tăng hàm lượng m- nanosilica, quá trình lan truyền vết nứt khi phá hủy vật liệu gặp khó khăn do phải đi theo các đường zic zac nên tiêu tốn nhiều năng lượng hơn (hình 3.35 b-c). Như vậy, có thể thấy hạt m-nanosilica khi phân tán trong nền epoxy có khả năng ngăn cản sự lan truyền vết nứt và truyền ứng suất hiệu quả góp phần làm tăng độ bền dai và năng lượng phá hủy của vật liệu [11,78].
86
Hình 3.35. Ảnh SEM bề mặt phá hủy nhựa epoxy (a), vật liệu nanocompozit với 3%
(b), 5% (c) m-nanosilica sau thử nghiệm xác định độ bền dai