để tạo ra những tính chất khác so với các vật liệu thành phần. Loại compozit điển hình có vật liệu nền cơ bản là polyme với vật liệu cốt sợi phân tán trong nền. Một số compozit nâng cao có nền kim loại. (xem tham khảo 10 và 20)
Những người thiết kế có thể điều chỉnh các tính chất của compozit để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng bằng một vài thay đổi quyết định đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Sau đây là những yếu tố do người thiết kế điều chỉnh:
1. Nền nhựa hay kim loại.
2. Loại cốt sợi.
3. Lượng sợi trong compozit.
4. Sự định hướng sợi.
5. Số lớp riêng lẻ sử dụng.
6. Chiều dày của toàn bộ vật liệu.
7. Sự định hướng tương đối của các lớp với nhau.
8. Tổng hợp hai hoặc nhiều loại compozit hoặc các vật liệu khác vào một cấu trúc hỗnhợp. hợp.
Thông thường cốt là một vật liệu bền chắc, trong khi nền khá nhẹ. Khi hai loại vật liệu liên kết với nhau, khả năng chịu tải của compozit phụ thuộc chủ yếu vào cốt. Nền đóng vai trò giữ cốt được định hướng thuận lợi với kiểu đặt tải và phân tán tải trọng đến cốt. Kết quả là tạo ra compozit gần đến mức tối ưu với độ bền và độ cứng cao và trọng lượng nhỏ. Bảng 2-9 liệt kê một số dạng compozit tổng hợp từ các loại nhựa và sợi với một số đặc trưng tổng quát và ứng dụng. Bảng 2-9 Ví dụ một số loại compozit và ứng dụng của chúng
Loại compozit Những ứng dụng điển hình
Thuỷ tinh/epoxy Các bộ phận ôtô và máy bay, thùng chứa, đồ thể thao, bảng mạch in Bo/epoxy Kết cấu và bộ ổn định máy bay, đồ thể thao
Graphit/epoxy Kết cấu máy bay và tàu vũ trụ, đồ thể thao, thiết bị nông nghiệp, các thiết bị vận chuyển vật liệu, thiết bị y học
Aramit/epoxy Sợi cảm ứng của lò nung, các kết cấu và thiết bị vũ trụ, quần áo bảo hộ, các bộ phận của ôtô
Thuỷ tinh/polyeste Tấm đúc (SMC), thân bảng điều khiển cho xe tải và ôtô, các vỏ lớn
Sự đa dạng gần như không giới hạn của vật liệu compozit được tạo ra bằng cách kết hợp các vật liệu nền khác nhau với các cốt khác nhau theo những cách thức, và sự định hướng khác nhau. Một số loại vật liệu điển hình được liệt kê dưới đây.
Vật liệu nền: dưới đây là một số loại vật liệu thường dùng làm nền
Polyme nhiệt dẻo: Polyetylen, nylon, polypropylen, polystyren, polyamit.
Polyme nhiệt rắn: Polyeste, epoxy, phenolic polyimit.
Ceramic và thuỷ tinh.
Cácbon và graphit.
Kim loại: Nhôm, magiê, titan.
Các dạng vật liệu cốt: nhiều dạng vật liệu cốt được sử dụng
Bó sợi liên tục gồm có nhiều sợi riêng lẻ liên kết với nhau.
Các sợi thuỷ tinh vụn với chiều dài ngắn (0.75 đến 50 mm hay 0.03 đến 2.00 in).
Các sợi thuỷ tinh vụn phân bố ngẫu nhiên ở dạng lưới (tấm mat).
Sợi thô thuỷ tinh: nhóm các sợi song song.
Vải dệt làm từ kéo sợi thô hoặc bện.
Sợi hoặc dây kim loại.
Các quả cầu nhỏ đặc hoặc rỗng (compozit hạt)
Kim loại, thuỷ tinh, hoặc tấm mica.
Râu đơn tinh thể như graphit, silic cacbua, và đồng.
Các loại vật liệu sợi: vật liệu sợi có nhiều loại trên cơ sở cả hai dạng vật liệu hữu cơ và vô cơ.
Dưới đây là một số loại sợi thông dụng
Sợi thuỷ tinh có 5 loại khác nhau.
o Thuỷ tinh-A: độ bền hoá học khá lớn vì nó chứa kiềm ví dụ như oxit natri o Thuỷ tinh-C: dạng đặc biệt cho độ bền hoá học thậm chí cao hơn thuỷ tinh-A o Thuỷ tinh-E: loại thuỷ tinh dùng rộng rãi với khả năng cách điện tốt và độ bền khá
lớn
o Thuỷ tinh-S: độ bền cao, thuỷ tinh nhiệt độ cao o Thuỷ tinh-D: các tính chất điện tốt hơn thuỷ tinh-E
Sợi thạch anh và thuỷ tinh nhiều oxit silic: có những tính chất tốt ở nhiệt độ cao đến 20000F (10950C).
Sợi cácbon làm từ cácbon cơ sở PAN (PAN là polyacrilonitrile CH2CHCN): xấp xỉ 95% Cácbon với môđun đàn hồi rất cao.
Sợi graphit: có nhiều hơn 99% cácbon và môđun đàn hồi thậm chí cao hơn cả cácbon; là loại sợi cứng nhất thường dùng trong compozit.
Sợi wonfam phủ bo: độ bền khá lớn và môđun đàn hồi cao hơn thuỷ tinh.
Sợi wonfam phủ silic cacbua : độ bền và độ cứng tương tự như Bo/wonfam, nhưng khả năng chịu nhiệt cao hơn.
Sợi aramit: thuộc họ polyme polyamit; có độ bền và độ cứng cao hơn nhưng nhẹ hơn thuỷ tinh; rất dẻo. (Sợi aramit được làm ra bởi công ty DuPont tên là KevlarTM).
Chế tạo compozit
Một phương pháp thường xuyên được sử dụng để tạo ra các sản phẩm compozit là xếp các lớp lưới dạng tấm thành một hình dạng mong muốn trước sau đó nhúng vào nhựa chảy. Có thể điều chỉnh hướng của các lớp lưới để tạo ra các tính chất riêng ở sản phẩm cuối cùng. Sau khi hoàn thành ép và tẩm nhựa, đặt dưới áp suất và nhiệt độ để chất liên kết phản ứng với nền nhựa tạo ra liên kết ngang gắn kết tất cả các thành phần thành một kết cấu thống nhất. Polyme liên kết với các sợi và giữ chúng theo vị trí và hướng thuận lợi khi sử dụng.
Một phương pháp khác để chế tạo các sản phẩm compozit là bắt đầu với quá trình tẩm trước các sợi với nguyên liệu nhựa để tạo thành các bó, băng, hoặc tấm. Sản phẩm của quá trình được gọi là tẩm trước, sau đó có thể xếp chồng các lớp lên nhau hoặc cuộn lại tạo ra hình dạng và chiều dày mong muốn. Bước cuối cùng là liên kết như ở phương pháp nhựa chảy.
Compozit nền polyeste thường được tạo ra dưới dạng vật đúc tấm (SMC), ở đó các tấm lưới tẩm trước và được đặt vào khuôn mẫu, tạo hình và liên kết cùng lúc dưới tác dụng của nhiệt và áp suất. Các tấm lớn ứng dụng trong ôtô được làm từ phương pháp này.
Đúc ép là phương pháp mà cốt sợi được phủ chất dẻo khi kéo qua khuôn đốt nóng để tạo
ra hình dạng liên tục như yêu cầu. Phương pháp này được sử dụng để tạo ra thanh, ống, các dạng kết cấu (dầm chữ I, máng, góc, và vân vân), chữ T và các tiết diện sử dụng như gân tăng cứng trong các kết cấu máy bay.
Cuốn sợi được sử dụng để tạo ra ống tròn, bình áp suất, vỏ động cơ tên lửa, vỏ các thiết bị,
và một số thùng chứa đặc biệt. Sợi dài có thể đặt theo các dạng khác nhau, gồm xoắn, hướng tâm, và vòng tròn để tạo ra chiều dài và độ cứng như mong muốn.
Ưu điểm của compozit
Những người thiết kế thường cố gắng tạo ra các sản phẩm vừa an toàn, bền, cứng, nhẹ, và thân thiện với môi trường làm việc. Compozit thường đáp ứng rất tốt các yêu cầu đó khi so sánh với các vật liệu khác ví dụ như kim loại, gỗ, và chất dẻo. Độ bền riêng và môđun riêng được sử dụng để so sánh các vật liệu, định nghĩa như sau:
Độ bền riêng là tỉ số của giới hạn bền kéo với trọng lượng riêng của vật liệu Môđun riêng là tỉ số của môđun đàn hồi với trọng lượng riêng của vật liệu
Vì môđun đàn hồi là thước đo độ cứng của vật liệu, nên môđun riêng đôi khi được gọi là
độ cứng riêng.
Hiên nhiên chúng không phải là độ dài, nhưng cả hai đều có thứ nguyên chiều dài, được suy ra từ tỉ số thứ nguyên của giới hạn bền hoặc môđun đàn hồi và thứ nguyên của trọng lượng riêng. Theo hệ Anh, thứ nguyên của giới hạn bền kéo và môđun đàn hồi là lb/in2, trong khi của trọng lượng riêng (trọng lượng trên thể tích đơn vị) là lb/in3. Vì vậy thứ nguyên của độ bên riêng và và môđun riêng là in. Theo SI, giới hạn bền và môđun đàn hồi được biểu diễn theo N/m2 (Pa), trong khi trọng lượng riêng theo N/m3. Khi đó thứ nguyên của độ bền riêng hoặc khối lượng riêng là mét.
Bảng 2-10 đưa ra các so sánh về độ bền riêng và độ cứng riêng của các vật liệu compozit được chọn với thép hợp kim, hợp kim nhôm, hợp kim titan đã biết. Hình 2-21 chỉ ra so sánh của các vật liệu trên sử dụng biểu đồ cột. Hình 2-22 đưa ra những vật liệu như trên với độ bền riêng là trục thẳng đứng và môđun riêng là trục ngang. Khi trọng lượng có tính quyết định, vật liệu lí tưởng sẽ nằm ở phần trên bên phải của biểu đồ. Chú ý rằng các thông số trong những biểu đồ và hình vẽ trên là của compozit với vật liệu sợi được sắp xếp theo hầu hết định hướng phù hợp để chống lại tải trọng đặt lên.
Bảng 2-10 So sánh độ bền riêng và môđun riêng của các vật liệu được chọn
Vật liệu Giới hạn bền kéo, su (ksi) Trọng lượng riêng, γ (lb/in3) Độ bền riêng (in) Môđun riêng (in) Kim loại Thép (E = 30×106 psi) AISI 1020 HR 55 0.283 0.194 × 106 1.06 × 108 AISI 5160 OQT 700 263 0.283 0.929 × 106 1.06 × 108 Nhôm (E = 10.0×106 psi) 6061-T6 45 0.098 0.459 × 106 1.02 × 108 7075-T6 83 0.101 0.822 × 106 0.99 × 108 Titan (E = 16.5×106 psi)
Ti-6Al-4V, tôi và hoá già ở 10000F
160 0.160 1.00 × 106 1.03 × 108
Compozit
Thuỷ tinh/epoxy (E = 4.0×106
psi) chứa 34% sợi 114 0.061 1.87 × 106 0.66 × 108 Aramit/epoxy (E = 11.0×106
psi) chứa 60% sợi 200 0.050 4.00 × 106 2.20 × 108 Bo/epoxy (E = 30.0×106 psi)
chứa 60% sợi 270 0.075 3.60 × 106 4.00 × 108
Graphit/epoxy (E = 19.7×106
psi) chứa 62% sợi 278 0.057 4.86 × 106 3.45 × 108 Graphit/epoxy (E = 48.0×106
psi) Môđun siêu cao 160 0.058 2.76 × 106 8.28 × 108 Những ưu điểm của compozit được tổng kết dưới đây: