3.2.1. Đ
Vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục. Khi vật liệu gồm nhiều pha gián đoạn, ta gọi đó là composite hỗn tạp. Pha gián đoạn thường có cơ tính trội hơn pha liên tục
- Pha liên tục gọi là nền (matrice)
- Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (renfort). Composite có những đặc điểm chính sau:
- Là vật liệu nhiều pha mà chúng thường rất khác nhau về bản chất, không hoà tan lẫn vào nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha. Trong thực tế, phần lớn composite là loại hai pha gồm nền là pha liên tục trong toàn khối, cốt là pha phân bố gián đoạn.
- Nền và cốt có tỷ lệ, hình dáng, kích thước và sự phân bố theo thiết kế đã định trước.
- Tính chất của các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên tính chất chung của composite. Tuy nhiên đó không phải là sự cộng đơn thuần tất cả các tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm.
Phân loại theo bản chất nền của vật liệu có:
- Composite nền polime,
- Composite nền kim loại,
- Composite nền ceramic,
- Composite nền hỗn hợp nhiều pha.
Composite
Loại cốt hạt và loại cốt sợi khác nhau ở kích thước hình học của cốt: Cốt sợi có tỷ lệ chiều dài trên đường kính khá lớn, còn cốt hạt là các phần tử đẳng trục. Khái niệm về composite cấu trúc là để chỉ các bán thành phẩm dạng tấm, lớp là vật liệu đồng nhất và composite khác.
3.3. LIêN KếT NềN • CốT
Composite chỉ thực sự kết hợp tốt các tính chất của nền và cốt khi liên kết giữa chúng là hoàn hảo.
3.3.1. Vật liệu cốt
Cốt là pha không liên tục, đóng vai trò tạo nên độ bền cao, môđun đàn hồi (độ cứng vững ) cao cho composite, do vậy cốt phải là loại có các đặc tính đó, đồng thời phải nhẹ để tạo nên độ bền riêng cao. Cốt có thể được làm bằng các loại vật liệu như: Kim loại, ceramic, polyme. Các yếu tố như: Hình dạng, kích thước, mật độ và sự phân bố của cốt có ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính của composite.
Cốt hạt Cốt sợi Composite cấu trúc
Hạt mịn Liên tục Tổ ong Gián đoạn Tấm ba lớp Có hướng Lớp Ngẫu nhiên Hạt thô
Thành phần của vật liệu cốt bao gồm:
Hạt dùng làm cốt: Người ta dùng hạt làm cốt để cải thiện cơ tính của composite. Hạt dùng làm cốt bao gồm những loại sau:
- Hạt cầu: Hạt cầu (vi bi) có ưu điểm là hạt có dạng hình cầu nên tránh được tập trung ứng xuất, vì thế góp phần làm giảm độ nhạy của nhựa với các vết nứt. Các vi bi có thể đặc có thể rỗng, đường kính trung bình khoảng 10 đến 15mm. Vi bi có thể được chế tạo từ thuỷ tinh, cacbon, phenol …
- Hạt không phải cầu: Các hạt không có dạng cầu như mica (dạng vảy).
Trên thị trường, các chất tăng cường (cốt) thường được thể hiện dưới dạng: + Dạng dài: Sợi được gia công với đường kính khoảng vài micron nên phải hợp chúng lại thành các sợi to hơn hoặc thành các mớ có hình dáng khác nhau.
+ Dạng diện tích (vải): Các sợi được sử dụng để tạo vật liệu dưới dạng mặt theo nhiều kiểu cách khác nhau.
- Mat: Gồm các lớp sợi liên tục hoặc gián đoạn, phân bố hỗn loạn trong một mặt phẳng. Các sợi được giữ với nhau nhờ chất liên kết có thể hoà tan hoặc không hoà tan trong nhựa tuỳ thuộc vào công nghệ sử dụng. Mat gồm: Mat sợi ngắn và Mat sợi dài.
- Vải, băng: Vải (hay băng) là một tổ hợp mặy các sợi, các mớ …, được thực hiện nhờ kỹ thuật dệt.
Sợi thuỷ tinh được chế biến từ thuỷ tinh kéo sợi được, gọi là thuỷ tinh dệt, trong đó chứa silic, alumin, manhê, … Các loại sợi thuỷ tinh bao gồm: Sợi thuỷ tinh E, sợi thuỷ tinh C, loại S và loại R. Thường dùng là loại thuỷ tinh E.
+ ưu điểm: Nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với các tác động hoá- sinh, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp và giá thành rẻ.
Sợi cacbon được sản xuất bằng cách sử lý nhiệt sợi polyacrylonitrile (PAN). Sợi cacbon được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu composite vì chúng có những ưu điểm sau:
- Nhẹ (khối lượng riêng dưới 2g/cm3).
- Chịu được nhiệt độ cao lên đến vài nghìn độ trong môi trường trơ.
- Rất bền vững với nhiều điều kiện khí hậu và các phản ứng hoá học.
- Hệ số ma sát và giãn nở nhiệt thấp.
- Có những tính chất điện vật lý đa dạng.
- Có độ cứng đặc biệt cao.
Sợi Aramit (hay còn gọi là kevlar) được gia công nhờ phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10oC) sau đó được kéo thành sợi trong dung dịch tiếp theo sợi được sử lý nhiệt để làm tăng mô đun đàn hồi.
+ ưu điểm:
- Khối lượng riêng nhỏ.
- Độ cứng cao.
- ổn định dưới tác dụng của tải trọng có chu kỳ và thay đổi nhiệt đột ngột.
- Không cháy, có tính cách điện cao. +Nhược điểm:
- Độ bền nén, uốn, uốn dọc khá thấp.
- Rất nhạy với biến dạng cắt giữa các lớp.
Sợi bazan được chế tạo từ nguyên liệu đá bazan. + ưu điểm:
- Loại sợi này có đăc tính cơ lý, hoá tốt hơn hẳn so với các sản phẩm truyền thống là bông sợi thuỷ tinh.
- Không độc hại.
- Không hút ẩm (độ hút ẩm không quá 1%).
- Có độ bền cao dưới tác động của ánh sáng mặt trời. + Nhược điểm:
- Đắt hơn so với sợi thuỷ tinh.
Nhờ phương pháp kết tủa người ta đã thu được nhiều loại sợi gốm khác nhau như sợi B (bore), sợi B-B4C (bore-carbure de bore), sợi SiC (carbure de silicium). + ưu điểm:
- Cơ tính của loại sơi này rất ổn định ở nhiệt độ cao (từ 1200oC-1600oC) + Nhược điểm:
Nhờ phương pháp tổng hợp hoá học, người ta thu được các sợi tổng hợp ổn định nhiệt nhưng cơ tính của các loại sợi này thấp hơn bao gồm:
- Sợi Kermel.
- Sợi Nomex.
- Sợi Kynol.
- Sợi Apyeil.
Ngoài các loại sợi trên còn có các loại sợi khác nhau được sử dụng vào các lĩnh vực có đặc thù riêng như:
- Sợi gốc thực vật (dứa, đay, gai).
- Sợi gốc khoáng chất (silic, amiăng…).
- Sợi tổng hợp (sợi polyeste, sợi polyamit).
- Sợi kim loại (sắt, đồng, nhôm).
3.3.2 VậT LIệU NềN
Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo vật liệu composite. Chính vì vậy, chúng phải đáp ứng được những yêu cầu về mặt khai thác cũng như công nghệ.
Yêu cầu về mặt khai thác trước hết là những yêu cầu cơ lý đối với vật liệu nền, đòi hỏi phải đảm bảo được cho vật liệu composite làm việc trong những điều kiện khai thác khác nhau, phải đảm bảo được sự làm việc đồng đều hiệu quả giữa các thành phần cốt, độn với các dạng đặt tải khác nhau, đảm bảo cho vật liệu composite làm việc bền vững khi chịu tải trượt, hoặc chịu tải ở những hướng lệch với hướng của các dầm cốt hoặc chịu tải tuần hoàn.
Bản thân vật liệu nền sẽ xác định vật liệu composite mới tạo ra chịu được đến nhiệt độ nào. Vật liệu nền cũng quyết định khả năng chịu đựng của vật liệu composite với các tác động của môi trường, tác động hoá học và quyết định một phần tính chất cơ học, vật lý, điện và những đặc tính khác của vật liệu composite nói chung.
Yêu cầu về công nghệ với vật liệu nền được đặt ra trong quá trình sản xuất composite và các kết cấu sản phẩm từ chúng. Trong quá trình làm ra các sản phẩm composite có một đặc điểm quan trọng cần lưu ý là thường sản xuất ra vật liệu composite bán thành phẩm trung gian gọi là parpreg để chế tạo trực tiếp ra các sản phẩm. Nhưng nhiều khi trong quá trình chế tạo các kết cấu của sản phẩm, ví dụ như
các bình composite, ống composite, trong quá trình quấn các ống này chính chúng ta vừa tạo ra vật liệu, lại vừa tạo ra kết cấu của chi tiết. Vì vậy vật liệu nền phải đáp ứng được các đòi hỏi nảy sinh trong quá trình công nghệ như: Độ nhớt và sự đảm bảo phân bố đều các cốt bên trong, bảo tồn được các tính năng vốn có của các dầm cốt, các hạt độn, đảm bảo được sự kết dính vững chắc giữa chất liệu nền và cốt, khả năng chế tạo trước những bán thành phẩm theo những mục đích định trước, đảm bảo độ co tối thiểu,…
Vật liệu nền có vai trò quan trọng như vậy, nên ngoài cách phân loại theo cấu trúc, người ta còn gọi tên vật liệu composite theo vật liệu nền như: vật liệu composite polyme,vật liệu composite gốm,…
Tóm lại: Nền là pha liên tục, đóng vai trò chủ yếu ở các mặt sau:
- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối composite thống nhất.
- Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công composite thành các chi tiết theo thiết kế.
- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do các tác động hoá học, cơ học và của môi trường.
Yêu cầu chủ yếu đối với nền là nhẹ và có độ dẻo cao. Thành phần của vật liệu nền là nhựa. Có hai loại nhựa chính sau:
Nhựa nhiệt cứng có tính chất là cho phép tạo hình một lần, cơ tính cao, đặc biệt là độ bền nhiệt cao hơn hẳn nhựa nhiệt dẻo. Vì vậy nhựa nhiệt cứng ngày càng được sử dụng rộng rãi. Các loại nhựa nhiệt cứng chính hay được sử dụng trong công nghiệp vật liệu composite: Nhựa polyeste không no, nhựa cô đặc, nhựa epoxy…
+ Nhựa polyeste có ưu điểm:
- Cứng.
- ổn định kích thước.
- Khả năng thấm vào sợi và nhựa cao.
- Dễ vận hành. - Chống môi trường hoá học. - Giá thành hạ. + Nhược điểm: - Dễ bị nứt, đặc biệt là nứt do va đập. - Độ co ngót cao (khoảng 8 đến 10% ).
- Khả năng chịu hơi nước, nước nóng kém.
- Bị hư hại dưới tác dụng của tia cực tím.
- Dễ bắt lửa.
- Chịu nhiệt trung bình (dưới 120oC ).
+ ưu điểm:
- Độ ổn định kích thước cao.
- Chịu nhiệt tốt và khả năng chống từ biến cao.
- Độ bền hoá học cao. - Độ co ngót thấp. - Độ bền cơ học cao. - Giá thành hạ. + Nhược điểm: - Cần đến áp lực để tạo hình, do đó ảnh hưởng đến nhịp độ chế tạo. - Màu nhựa đậm.
- Không sử dụng được trong các thiết bị thực phẩm.
+ ưu điểm:
- Đóng cứng nhanh hơn nhựa phenol.
- Chống ăn mòn cao dưói tác dụng của môi trường hoá học. + Nhược điểm:
- Giá thành cao.
+ Nhựa amin có những tính chất giống nhựa phenol. Trong số những ưu điểm, có thể kể thêm:
- Có thể sử dụng để tạo các thiết bị thực phẩm.
+ ưu điểm:
- Cơ tính cao (kéo, nén, uốn, va đập và từ biến…) hơn polyeste.
- Chịu được nhiệt độ cao: Đến 150oC hoặc 190oC liên tục.
- Độ bền hoá học cao.
- Độ co ngót thấp (0,5 đến 1%).
- Thẩm thấu vào sợi, vải rất tốt.
- Độ bám dính với kim loại rất cao. + Nhược điểm:
- Thời gian polyme hoá dài.
- Giá thành cao.
- Cần tôn trọng các hướng dẫn khi sử dụng.
- Dễ bị nứt.
Nhựa nhiệt dẻo được chia làm hai loại: Nhựa nhiệt dẻo đại trà và nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật chẳng hạn : Polyclorau vinyl (PVC), polyetylen, polyamit…
+ ưu điểm:
- Có độ tin cậy cao.
- Về mặt công nghệ : Giảm đi công đoạn đóng rắn, khả năng thi công, tạo dáng sản phẩm dễ thực hiện, có thể áp dụng nhiều công nghệ khác nhau như: Dập, đùn, uốn, hàn…, có thể khắc phục những khuyết tật trong quá trình sản xuất và tận dụng phế liệu hoặc gia công lại lần hai.
- Giá thành thấp.
+ Nhược điểm:
- Cơ tính và khả năng chịu nhiệt thấp.
- Khi sử lý công nghệ gặp khó khăn do độ nhớt của các dung dịch nóng chảy cao.
Nhựa ổn định nhiệt là loại nhựa có khả năng chịu nhiệt cao. Loại nhựa này được sử dụng trong các lĩnh vực hàng không, vũ trụ.
+ ưu điểm:
- Cơ tính cao.
- Chịu nhiệt tốt : Đến 300oC (liên tục ) và 500oC (gián đoạn).
- Chịu lạnh tốt: Đến -150oC hay -200oC.
- Độ bền hoá học cao.
- Độ bền mỏi và từ biến cao.
+ Nhược điểm:
- Lão hoá (đặc biệt là môi trường hơi nước) nhanh.
- Chuyển đổi khó.
- Giá thành cao.
Đây là loại nhựa nhiệt cứng, chịu được nhiệt độ cao do đó hay được dùng trong công nghiệp hàng không.
3.3.3.CHấT PHụ GIA
Chất phụ gia chiếm khoảng vài % ,chất này được sử dụng với mục đích làm giảm giá thành hoặc cải thiện một số tính chất của composite như: Làm tăng khối lượng riêng chất kết dính, môđun đàn hồi, độ cứng, độ nhớt,bôi trơn và làm tác nhân khi rỡ khuôn, tạo màu, tác nhân chống co ngót, tác nhân chống tia cực tím. Người ta hay dùng các loại hạt chính sau: Cacbonat, silicat, silic. Ngoài ra người ta có thể cho thêm một số hạt dẫn điện, dẫn nhiệt để phục vụ các nhu cầu riêng như: Bột hoặc vảy kim loại, vi bi thuỷ tinh tráng kim loại, sợi kim loại.
3.3.4.LIêN KếT NềN CốT
Liên kết tốt giữa nền và cốt tại vùng ranh giới pha là yếu tố quan trọng nhất đảm bảo cho sự kết hợp đặc tính tốt của hai pha nền và cốt. Để tăng cường độ gắn chắc giữa nền và cốt người ta có thể dùng các biện pháp sau:
- liên kết cơ học (nhờ ma sát của những chỗ mấp mô).
- Liên kết nhờ thấm ướt do sức căng bề mặt.
- Liên kết phản ứng.
- Liên kết ôxyt.
3.4. CấU TRúC CủA VậT LIệU COMPOSITE
Composite dạng này được tạo thành từ các lớp cơ sở. Các lớp cơ sở này thường gồm hai loại: Loại thứ nhất 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 composite cốt sợi.
Sắp xếp lần lượt các lớp này và đổi hướng các băng composite sao cho thoả mãn yêu cầu thiết kế rồi ép dính lại. Kết quả nhận được ở dạng bán thành phẩm tấm, thanh, ống… Đó chính là composite dạng lớp.
Loại này có tên gọi là panel sandwich. Khác loại trên, panel sandwich chỉ gồm ba lớp. Hai lớp mặt được chế tạo từ vật liệu có độ bền và cứng vững cao như hợp kim nhôm, hợp kim titan, thép tấm và các tấm composite cấu trúc dạng lớp…, chức năng chủ yếu của chúng là chịu toàn bộ tải trọng (kéo, nén, uốn) tác dụng theo chiều song song với mặt tấm
Bảng 3.1: Một số vật liệu composite và khả năng ứng dụng của chúng[13, Tr 32].
Bảng 3.1 Vật liệu Vật liệu thành phần Lĩnh vực ứng dụng
1. Composite nền hữu cơ Giấy cáctông Tấm hạt Tấm sợi Vải bạt Vật liệu chống thấm Lốp Tấm nhiều lớp Chất dẻo tăng cường Nhựa/hạt/sợi xelulo Nhựa/mạt cưa Nhựa/sợi gỗ Nhựa mềm/vải Elastome/bitum/vải dệt Cao su/vải/sắt, thép Nhựa/hạt/sợi thuỷ tinh, cacbon Nhựa/vibi Ngành in,bao bì… Ngành mộc Nhà cửa Thể thao, nhà cửa Mái che Ngành ô tô Các ngành công nghiệp khác nhau 2. Composite nền khoáng chất Bê tông Compositecacbon-cacbon Composite gốm Cacbon/sợi cacbon Gốm/sợi gốm
Máy bay, vũ trụ, thể thao,.. Chi tiết chịu nhiệt độ cao 3. Composite nền kim loại Nhôm/sợi bo
Nhôm/sợi cacbon
vũ trụ
4. Composite ba lớp Vỏ
Lõi
3.5. CôNG NGHệ CHế TạO VậT LIệU COMPOSITE
Đúc nguội, không cần ép là kỹ thuật đơn giản cho phép chế tạo các chi tiết