Chƣơng 2 GIỚI THIỆU
2.1. Vật liệu composite
2.1.1. Khái niệm và tính chất 2.1.1.1. Khái niệm
Vật liệu composite là vật liệu được tổ hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau. Vật liệu mới được tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng loại vật liệu thành phần riêng rẽ.
Vật liệu composite bao gồm vật liệu nền và cốt. Vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính ngun khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bền nhiệt, bền hoá và khả năng chịu đựng khi vật liệu có khuyết tật. Vật liệu nền của composite có thể là polymer, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc cácbon. Vật liệu cốt đảm bảo cho composite có các mơ đun đàn hồi và độ bền cơ học cao. Các cốt của composite có thể là các hạt ngắn, bột, hoặc các sợi cốt như sợi thuỷ tinh, sợi polymer, sợi gốm, sợi kim loại và sợi cacbon,…
2.1.1.2. Tính chất
Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào những đặc tính sau đây:
- Cơ tính của các vật liệu thành phần: Các vật liệu thành phần có cơ tính tốt thì vật liệu composite cũng có cơ tính tốt và tốt hơn tính chất của từng vật liệu thành phần.
- Luật phân bố hình học của vật liệu cốt: Khi vật liệu cốt phân bố không đồng đều, vật liệu composite bị phá huỷ trước hết ở những nơi có ít vật liệu cốt. Với composite cốt sợi, phương của sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu,
có thể điều chỉnh được tính dị hướng này theo ý muốn để chế tạo được vật liệu cũng như phương án công nghệ phù hợp với yêu cầu.
- Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần: Vật liệu cốt và nền phải liên kết chặt chẽ với nhau mới có khả năng tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau. Ví dụ liên kết giữa cốt thép và xi măng trong bê tông.
2.1.2. Phân loại vật liệu composite 2.1.2.1. Phân loại theo hình dạng 2.1.2.1. Phân loại theo hình dạng
Khi phân loại theo hình dạng thì vật liệu composite bao gồm những loại sau: composite hạt, composite sợi, composite phiến, composite vảy, composite điền đầy (Hình 2.1).
Hình 2.1: Các loại vật liệu composite
a) Composite hạt; b) Composite sợi; c) Composite phiến d) Composite vảy; e) Composite điền đầy
2.1.2.2. Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần
Khi phân loại theo bản chất vật liệu thành phần, composite bao gồm những loại sau:
- Composite nền hữu cơ: nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi khoáng hoặc sợi kim loại.
- Composite nền kim loại: nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng, cốt thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC.
- Composite nền gốm: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc kim loại hoặc hạt gốm.
2.1.3. Vật liệu và thành phần của composite 2.1.3.1. Vật liệu nền 2.1.3.1. Vật liệu nền
- Nhựa phenolformaldehyt. - Nhựa epoxy.
- Nhựa polyester.
- Nhựa polymer nhiệt rắn hoặc nhiệt dẻo. - Các loại nhựa khác.
2.1.3.2. Vật liệu gia cƣờng
Vật liệu gia cường đóng vai trị là chất chịu ứng suất tập trung vì vật liệu gia cường (cốt) thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa.
Có ba dạng cốt cơ bản:
- Cốt dạng sợi: Sợi là loại vật liệu có một chiều kích thước (gọi là chiều dài) lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước khơng gian cịn lại (chiều rộng và chiều cao). Theo chiều rộng và chiều cao, chúng phân bố gián đoạn trong vật liệu composite, còn theo chiều dài thì chúng có thể ở dạng liên tục hay gián đoạn. Các sản phẩm composite dân dụng thường được chế tạo từ loại vật liệu composite cốt sợi, trên nền nhựa là chủ yếu.
- Cốt dạng hạt: Hạt là loại vật liệu gián đoạn, khác sợi là khơng có kích thước ưu tiên. Loại vật liệu composite cốt hạt phổ biến nhất chính là bê tông, thường được gọi ngắn gọn là bê tông, nên ta thường thấy cái được gọi là composite lại là vật liệu composite cốt sợi.
- Cốt dạng vải (cấu trúc): Là tổ hợp thành bề mặt (tấm) của vật liệu cốt sợi, được thực hiện bằng công nghệ dệt. Các kỹ thuật dệt vải truyền thống thường hay dùng là: kiểu dệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt
vải mô đun cao, kiểu dệt đồng phương. Kiểu dệt là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi. Kỹ thuật dệt cao cấp cịn có các kiểu dệt đa phương như: bện, tết và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phương.
2.1.3.3. Vùng chuyển tiếp trong composite
Vùng trung gian là vùng tiếp xúc giữa cốt và nền, nó thường là yếu tố có tính quyết định đến cơ tính và các thuộc tính khác nữa của composite. Vùng trung gian chính là nơi chuyển tải trọng từ nền sang cốt nên tác động đầu tiên của nó chính là tác động đến độ bền. Có nhiều yếu tố tác động đến thành phần và thể tích của vùng chuyển tiếp. Đầu tiên là tính thấm ướt, tức là pha nền ở trạng thái lỏng phải dễ dàng thấm ướt pha gia cường trước khi đóng rắn. Nhưng thực tế khơng phải lúc nào cũng có liên kết nền – cốt lý tưởng do bản chất hoá lý của các vật liệu rất khác nhau.
2.1.3.4. Các chất phụ gia
Là những vật liệu liệu nhằm cải thiện một số tính chất của composite như: - Tính dẫn điện, dẫn nhiệt: thường dùng bột, sợi hoặc vảy kim loại như Fe, Cu,
Al,… hoặc bi tráng kim loại. - Bôi trơn khi dỡ khuôn. - Tạo màu.
- Chống co ngót.
2.1.4. Composite nền nhựa
Chất nền không những là chất làm các sợi gia cố dính lại với nhau mà cịn có tác dụng phân bố lực đồng đều trên tồn bộ composite.
Nhựa nền có tác dụng như chất kết dính, tạo mơi trường phân tán, đóng vai trị truyền ứng suất sang cốt khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu. Nhựa nền có thể tạo thành từ một hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục.
2.1.5. Composite nền kim loại
Trong vật liệu composite nền kim loại, thường dùng nhiều trong kỹ thuật là vật liệu tổ hợp nền kim loại màu do những tính chất ưu việt mà các kim loại đen khơng có được, ví dụ như nhẹ, bền ở nhiệt độ cao, chịu mài mịn tốt… nhưng cơng nghệ chế tạo lại đơn giản hơn. Một số loại như sau:
- Composite nền nhôm cốt hạt. - Composite nền nhôm cốt sợi. - Composite nền đồng hạt thép.
2.1.6. Composite nền gốm
Vật liệu composite nền gốm (ceramic matrix composite, CMC) đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhằm khắc phục những nhược điểm của vật liệu gốm ngun khối, đó là tính dịn cố hữu và khả năng ứng dụng hạn chế của vật liệu gốm nguyên khối.
Vật liệu composite nền gốm thường dùng để chế tạo các chi tiết làm việc trong môi trường rất khắc nghiệt như: động cơ tên lửa và động cơ phản lực, động cơ khí trong nhà máy năng lượng, vỏ cách nhiệt của tàu khơng gian, lớp lót đầu tiên của buồng phản ứng nấu chảy, phanh máy bay, lị nhiệt luyện… đây là mơi trường làm việc có nhiệt độ rất cao nhưng rất khó làm nguội bằng chất lỏng thông thường. Mặt khác, khi thay thế các siêu hợp kim bằng vật liệu gốm composite còn tiết kiệm được khá nhiều khối lượng, điều vô cùng quan trọng đối với ngành hàng không vũ trụ.
Trong composite nền gốm, vật liệu cốt có thể là cốt dạng không liên tục kiểu hạt, sợi ngắn hoặc lát vụn. Cũng có thể dùng cốt liên tục dạng sợi. Trong trường hợp cốt gián đoạn, việc tăng độ bền và độ dai va đập chỉ có thể tăng đến một giới hạn nào đó nhưng vẫn đủ để sử dụng. Một ví dụ composite nền gốm sợi vụn dùng trong lĩnh vực dụng cụ cắt là composite SiC/Si3N4, trong đó SiC là pha gia cường, cịn Si3N4 đóng vai trị vật liệu nền.
2.1.7. Ứng dụng của vật liệu composite 2.1.7.1. Trong một số lĩnh vực của đời sống 2.1.7.1. Trong một số lĩnh vực của đời sống
- Giao thông vận tải: Thay thế các loại sắt, gỗ, ván... như: càng, thùng trần của các loại xe ôtô, một số chi tiết của xe môtô.
- Hàng hải: Làm ghe, thuyền, thùng, tàu...
- Quốc phòng: Những phương tiện chiến đấu: tàu, cano, máy bay, phi thuyền... Thiết bị, dụng cụ, phương tiện phục vụ cho việc sản xuất nghiên cứu trong quân đội: bồn chứa nước hoặc hóa chất, khay trồng rau, bia tập bắn....
- Cơng nghiệp hóa chất: Bồn chứa dung dịch axit (thay gelcoat bằng epoxy hoặc nhựa vinyleste); bồn chứa dung dịch kiềm (thay gelcoat bằng epoxy).
- Dân dụng: Sản phẩm trong sơn mài như bình, tơ, chén, đũa... Sản phẩm trang trí nội thất: khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn... Bàn ghế, tủ giả đá, khay, thùng, bồn.
2.1.7.2. Trong ngành hàng không vũ trụ
Trong những năm gần đây, composite được sử dụng chế tạo các bộ phận trên máy bay như kết cấu khung xương, thân máy bay, cánh, bộ phận dẫn hướng... Một trong những lý do quan trọng nhất của việc ứng dụng rộng rãi loại vật liệu này trong ngành hàng không là độ bền và độ cứng tương đối trên trọng lượng riêng của composite lớn. Điều này làm giảm trọng lượng của máy bay, tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường và tăng hiệu quả kinh tế.
Composite còn được sử dụng để chế tạo các chi tiết hình dáng phức tạp, góp phần làm giảm số lượng chi tiết trên máy bay, đồng thời giảm thời gian và chi phí lắp đặt sản phẩm. Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh có tính trong suốt đối với sóng rada, đặc tính này rất quan trọng trong các ứng dụng quân sự. Nó cịn được sử dụng nhiều trong công nghệ vũ trụ.