CHƯƠNG III VẬT LIỆU CHẤT DẺO CÓ CỐT SỢI
II. Vật liệu chất dẻo có cốt sợi
1. Giới thiệu về vật liệu chất dẻo có cốt sợi
1.1. Khái quát về vật liệu chất dẻo có cốt sợi:
Dạng cơ bản nhất của vật liệu chất dẻo có cốt sợi chính là loại vật liệu được kết hợp bởi ít nhất hai loại phần tử khác nhau để tạo nên các đặc tính của vật liệu, mà những đặc tính này thì hoàn toàn khác với những đặc tính của bản thân từng loại phần tử. Các phần tử này là phần chất nền và phần cốt chịu lực; chúng chủ yếu để tăng khả năng chịu lực và độ độ cứng cho phần chất nền. Phần cốt chịu lực ở dạng sợi và được làm từ nhiều loại sợi như sợi thủy tinh, sợi carbon và sợi aramid. Chất nền là các loại nhựa gốc polymer.
1.2. Vật liệu chất dẻo có cốt sợi:
Vật liệu CDCCS là một loại vật liệu hợp chất có chất nền là polymer dạng nhiệt dẻo hoặc nhiệt cứng, còn phần cốt chịu lực là một hay nhiều loại vật liệu sợi có tỷ lệ bề mặt (chiều dài so với các chiều còn lại) lớn đảm bảo giữ vai trò làm cốt chịu lực theo một hoặc nhiều hướng. Khác với những loại vật liệu xây dựng truyền thống khác như thép hoặc nhôm, CDCCS là một loại vật liệu không đẳng hướng (tính chất chỉ thể hiện theo hướng tải trọng tác dụng), không giống như thép và nhôm là vật liệu đẳng hướng (tính chất thể hiện ở mọi hướng, không phụ thuộc vào tải trọng tác dụng). Vì vậy, tính chất của CDCCS theo hướng, tức là những tính chất cơ học tốt nhất của vật liệu chỉ thể hiện theo hướng đặt sợi. CDCCS tương tự như bê tông cốt thép với các thanh thép được đặt trong bê tông.
Nhiều tên gọi được sử dụng để chỉ vật liệu CDCCS, như CDCCS thủy tinh, CDCCS carbon, CDCCS aramid.
Các loại nhựa (chất nền) như epoxy và polyester được sử dụng giới hạn do cấu trúc của chúng, tính chất cơ học của chúng không cao khi so sánh với các loại vật liệu khác. Tuy nhiên, chúng có những tính chất đặc biệt mà ưu việt nhất là khả năng dễ dàng tạo hình.
Các loại vật liệu như thủy tinh, aramid, carbon có khả năng chịu kéo và nén rất cao nhưng những đặc tính này lại không thể đạt được ở “dạng khối”. Điều này là do khi chịu lực tác động, thường bề mặt vật liệu bị rạn nứt và bị phá hoại hoàn toàn trước khi đạt đến điểm phá hoại lý thuyết. Để khắc phục vấn đề này người ta sản xuất vật liệu ở dạng sợi, nhờ đó sẽ giúp cho vật liệu có thể đạt được cường độ theo lý thuyết.
Do đó một bó sợi sẽ phản ánh chính xác hơn khả năng tối ưu của vật liệu. Tuy nhiên, những sợi đơn lẻ chỉ có thể biểu hiện khả năng chịu kéo dọc theo chiều dài sợi tương tự như những sợi ở dạng cáp. Chỉ đến khi hệ thống nhựa được kết hợp với các loại sợi đã được gia cường như sợi thủy tinh, sợi carbon và sợi aramid thì vật liệu hỗn hợp sợi- nhựa mới có được những đặc tính vượt trội. Chất nền nhựa phân bố lực trong vật liệu CDCCS giữa mỗi sợi riêng lẽ đồng thời bảo vệ các sợi này khỏi những phá hoại gây ra sự trầy xước và những tác động bên ngoài. Nhờ có khả năng chịu lực và độ cứng cao, khả năng dễ đúc khuôn tạo hình, khả năng chống chịu môi trường cao và trọng lượng thấp mà vật liệu CDCCS chiếm ưu thế hoàn toàn so với kim loại trong nhiều ứng dụng.
Do vật liệu CDCCS được kết hợp từ nhựa và sợi, đặc tính của vật liệu CDCCS sẽ bao gồm một số đặc tính của nhựa và một số đặc tính của sợi. Tổng quát đặc tính của
vật liệu CDCCS được quyết định bởi: đặc tính của sợi, đặc tính của nhựa, tỷ lệ của sợi so với nhựa trong vật liệu, hình dạng và hướng của sợi.
Vật liệu CDCCS có nhiều ưu điểm để chọn lựa và sử dụng. Việc chọn lựa vật liệu phụ thuộc vào đặc điểm và mục đích sử dụng của sản phẩm. Cần phải hiểu rõ môi trường làm việc, đặc điểm của tải trọng, những yêu cầu lâu dài của sản phẩm. Vật liệu CDCCS có những ưu điểm như trọng lượng nhẹ, tỉ lệ giữa khả năng chịu lực và trọng lượng cao, khả năng chịu lực theo hướng, có khả năng chống ăn mòn, chịu được phá hoại của môi trường, kích thước ổn định, không dẫn từ, khả năng cách điện tốt, có khả năng chịu va đập tốt, có kích thước không giới hạn, thời gian sử dụng lâu dài …
1.3. Các dạng lực tác động lên vật liệu CDCCS:
Có bốn dạng tác động trực tiếp lên cấu trúc của vật liệu : lực kéo, lực nén, lực cắt và uốn.
Kéo: ứng xử của vật liệu CDCCS đối với lực kéo dọc theo hướng sợi phụ thuộc rất nhiều vào độ cứng và khả năng chịu kéo của sợi được gia cường, bởi các đặc tính này của sợi cao hơn rất nhiều so với nhựa trong cấu trúc vật liệu.
(Hình 3.2a)
Vật liệu CDCCS chịu kéo.
Nén: khi chịu lực nén dọc theo hướng sợi thì các đặc tính về độ cứng và tính kết dính của nhựa sẽ trở nên rất quan trọng, bởi vì vai trò của nhựa là đảm bảo cho sợi luôn giữ thẳng hướng và ngăn không cho chúng bị chùng lại.
(Hình 3.1)
So sánh quan hệ ứng suất – biến dạng giữa vật liệu CDCCS với sợi và nhựa.
Vật liệu CDCCS
Cắt: lực cắt làm cho các lớp sợi bị tách ra khỏi nhau. Dưới tác động của lực cắt, nhựa sẽ đóng vai trò chính trong việc truyền ứng suất trong vật liệu CDCCS. Vật liệu CDCCS muốn có khả năng chịu lực cắt tốt thì chất nền nhựa bắt buộc phải có không chỉ đặc tính cơ học tốt mà còn phải có khả năng kết dính cao đối với sợi gia cường.
Khả năng chịu cắt giữa các lớp ghép thường được sử dụng để chỉ đặc tính này trong vật liệu CDCCS nhiều lớp.
(Hình 3.2c)
Vật liệu CDCCS chịu cắt.
Uốn: uốn thực sự là do kết hợp của lực kéo, lực nén và lực cắt. Khi chịu uốn, mặt trên của vật liệu sẽ phải làm việc chịu nén, mặt dưới của vật liệu chịu lực kéo và phần giữa của vật liệu chịu lực cắt.
(Hình 3.2c)
Vật liệu CDCCS chịu uốn.