Chương 5 : Hợp kim màu và phi kim
5.4Vật liệu compozit
5.4.1 Khái niệm và tính chất chung
5.4.1.1 Khái niệm
Vật liệu compozit là vật liệu nhiều pha, được tạo thành từ những phân tử rất khác nhau về tính chất, khơng hịa tan hoặc ít hịa tan vào nhau, có phân giới rõ rệt.
Trong thực tế, tồn tại phổ biến compozit hai pha. Pha liên tục trong toàn khối vật liệu gọi là pha nền. Pha phân bố gián đoạn được nền bao bọc gọi là pha cốt.
Ví dụ: bê tơng là một loại compozit, trong thành phần của nó gồm các hạt đá, sỏi (cốt) được liên kết bởi chất dính kết xi măng (nền)
5.4.1.2 Cấu tạo
Cấu tạo của compozit gồm hai thành phần chính: nền, cốt
- Nền là kim loại hoặc hợp kim (vật liệu compozit nền kim loại), các polyme, sợi cacbon hoặc gốm (vật liệu compozit nền polyme)
- Cốt: có thể là kim loại (thép không gỉ, vofram, molipden…), các chất
vô cơ (cacbon, thủy tinh, gốm…) và đôi khi cả chất hữu cơ như các polyamit thơm.
5.4.1.3 Đặc điểm và tính chất
Vật liệu compozit nói chung có độ bền ở nhiệt độ thường và ở nhiệt độ cao, độ cứng vững, khả năng chống phá hủy mỏi và các tính chất khác hầu
như cao hơn cả hợp kim kết cấu phổ biến. Ngày nay người ta có thể dự kiến trước tính chất để chế tạo compozit theo ý muốn.
Một đặc điểm đáng chú ý của compozit là sự kết hợp các thành phần luôn tuân theo quy luật sao cho thể hiện nổi bật những ưu điểm của từng cấu tử thành phần, còn nhược điểm bị loại bỏ. Ngồi ra vật liệu compozit có tính chất mà từng thành phần riêng lẻ khơng thể có.
5.4.2 Phân loại vật liệu compozit
Có nhiều cách phân loại. Dưới đây là hai cách phân loại thơng dụng
5.4.2.1 Phân theo hình dạng cốt
* Vật liệu compozit cốt sợi
Đó là vật liệu compozit có cốt là các loại sợi. Sợi được sử dụng ở dạng liên tục, gián đoạn. Ta có thể điều khiển sự phân bố phương của sợi để để tạo tính chất có hướng thích hợp của compozit. Vật liệu compozit cốt sợi có vai trị quan trọng trong công nghiệp. Các loại sợi thường dùng hiện nay như: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi aramit, sợi gốm, sợi tổng hợp cơ tính cao.
*Vật liệu compozit cốt hạt
Đó là vật liệu compozit có cốt ở dạng hạt. Cốt hạt khác cốt sợi ở chỗ nó
khơng có kích thước ưu tiên. Hạt thường dùng như ơxit, nitrit, borit, cácbit … để cải thiện một số tính chất nào đó của nền, kết hợp làm giảm giá thành, ví dụ: Hợp kim ổ trượt đồng chì là một loại compozit cốt hạt, trong đó các hạt chì phân tán đều trên nền đồng, có tác dụng tăng tính cắt gọt cho hợp kim gia cơng, tăng tính chống mài mịn khi sử dụng.
Hình 5.6 Compozit cấu trúc lớp
* Vật liệu compozit cấu trúc (hình 5.6)
Thực chất đây là khái niệm chỉ tên bán thành phẩm của các loại vật liệu được cấu hình từ các compozit khác nhau. Compozit cấu trúc thơng dụng nhất là dạng lớp và dạng tấm ba lớp.
5.4.2.2 Phân theo bản chất vật liệu thành phần
Tùy thuộc bản chất vật liệu thành phần nền, compozit được phân làm ba loại chính: compozit nền hữu cơ, compozit nền kim loại, compozit nền gốm..
5.4.3 Một số vật liệu compozit thông dụng
5.4.3.1 Sợi thủy tinh
Hiện nay sợi thủy tinh là một trong 3 loại sợi quan trọng được làm bằng vật liệu cốt cho compozit. Sợi thủy tinh có những đặc điểm sau: độ bền riêng
cao (б/p) cao, ổn định kích thước, chịu nhiệt, chịu lạnh, chịu ẩm tốt, tính chống ăn mịn cao, tính cách điện cao, dễ sản xuất, giá thành hạ. Mỹ là nước sản xuất sợi thủy tinh mạnh nhất thế giới. Hiện nay có hai loại sợi thủy tinh quan trọng dùng cho vật liệu compozit; Sợi thủy tinh E(electrical) và loại S
(high- strength).
Sợi thủy tinh loại E là sợi thủy tinh có nhiều cơng dụng nhất. Thành phần chủ yếu của nó gồm: (52 ÷56)% SiO2; (12 ÷ 16)% Al2O3; (16 ÷25)% CaO; (8 ÷ 13)% B2O3; độ bền kéo của sợi E khoảng 3.440Gpa và mô đun đàn hồi đạt tới 4.480Mpa.
Sợi thủy tinh loại S là sợi thủy tinh có độ bền và giá thành cao hơn sợi loại E, loại vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hàng khơng vũ trụ và các mục đích qn sự khác. Thành phần hóa học gồm: 65% SiO2, 25% Al2O3, 10% MgO. Độ bền kéo có thể đạt tới 4.480 Mpa, mô đun đàn hồi đạt tới 85.4Gpa.
Người ta sản xuất sợi thủy tinh bằng cách kéo những sợi thủy tinh riêng rẽ từ thủy tinh lỏng, sau đó ghép chúng lại thành sợi.
5.4.3.2 Sợi cacbon
Đây là một trong những vật liệu mới của thế kỷ 20. Sợi cacbon được chế tạo từ Graphit tinh khiết. Như đã biết, do cấu trúc tinh thể ở dạng A3, Graphit thể hiện tính dị hướng mạnh. Trong sợi cacbon, mức độ dị hướng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo. Nếu bằng cách nào đó làm cho graphit kết tinh hoàn toàn (khơng cịn thành phần vơ định hình) và các tinh thể Graphit có sự định hướng chủ yếu song song với trục cốt thì sợi sẽ đạt chỉ tiêu cơ tính rất cao. Trong thực tế người ta đã sản xuất được loại sợi cacbon có độ bền kéo tới 4000 MPa, mơ đun đàn hồi trong khoảng 650.000 MPa. Ưu điểm nổi bật của sợi cacbon cũng như sợi thủy tinh là có độ bền riêng rất cao.
Đáng tiếc giá thành sợi cacbon khá cao do vậy phạm vi sử dụng chúng còn hạn chế.
5.4.3.3 Sợi hữu cơ Aramit
Sợi aramit có nguồn gốc từ sợi polyamit thơm. Sợi aramit do công ty thương mại Dupont giới thiệu trên thị trường vào năm 1972 với tên thương mại là Kevlar, có 2 loại Kevlar 29 và Kevlar 49.
- Kevlar 29 có mật độ thấp, độ bền cao, được sử dụng làm vỏ bảo vệ , ống nối, cáp …
- Kevlar 49 có mật độ, độ bền cao, được sử dụng làm cốt sợi cho vật liệu compozit, dùng trong chế tạo hàng không, tàu thủy, ô tô và nhiều ngành công nghiệp khác.
Sợi Kevlar được chế tạo bằng phương pháp tổng hợp ở -100C, sau đó được kéo thành sợi trong dung dịch. Tiếp theo sợi được xử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi.
Giá thành của sợi Kevlar thấp hơn sợi cacbon từ 3 đến 5 lần, song việc sử dụng chúng để chế tạo vật liệu compozit còn bị hạn chế do độ bền nén và uốn dọc thấp, rất nhạy với biến dạng cắt giữa các lớp. Nhược điểm này gây ra bởi liên kết sợi –nhựa khơng chắc.
Tài liệu tham khảo
1. Trình bày tính chất, ký hiệu, cơng dụng của các loại hợp kim nhôm? 2. Trình bày tính chất, ký hiệu, cơng dụng của các loại hợp kim đồng? 3. Nêu thành phần của gỗ? Trình bày tính chất của gỗ và cách bảo quản gỗ?
4. Nêu tính chất của chất dẻo? Trình bày các phương pháp chế tạo sản phẩm từ chất dẻo? 6. Trình bày thành phần, tính chất của một số vật liệu compozit thông dụng.