72 hở 130 oC và • 6h ở 220oC
1.1.5Bismaleimit compozit
1.1.5.1 Tổng quan về vật liệu compozit
Compozit là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, trong đĩ cĩ hai thành phần cơ bản là nền (pha liên tục) và cốt (pha khơng liên tục).
Nhựa nền trong vật liệu compozit là chất kết dính, giúp chuyển ứng suất sang cho sợi gia cường khi cĩ ngoại lực tác động vào vật liệu. Nhựa nền quyết định khả năng bền mơi trường, chịu nhiệt của vật liệu. Nhiệt độ thủy tinh hĩa (Tg) của compozit cũng chính là Tg của nhựa nền. Các loại nhựa nhiệt dẻo như Polypropylene (PP), Polyvinyl Chloride (PVC), Polyethylene (PE) … và nhựa nhiệt rắn như UPE, epoxy, bismaleimit … đều cĩ thể dùng để làm nhựa nền cho vật liệu compozit.
Trong vật liệu compozit, thành phần cốt gia cường được sử dụng phổ biến hiện nay là các loại sợi như: sợi thủy tinh, sợi Aramid, sợi cacbon, sợi sisal, sợi amiang …
- 31 -
của cốt gia cường cần được quan tâm khi chọn loại sợi cho vật liệu compozit.
Ngồi hai thành phần cơ bản trên thì trong vật liệu compozit cịn cĩ các phụ gia khác như chất xúc tác, chất xúc tiến, chất tạo màu, chất chống cháy, chống mài mịn…
Hiện nay cĩ nhiều phương pháp gia cơng compozit khác nhau, cĩ thể kể một số
phương pháp chính là: lăn tay (hand lay up), phun (spray up), hút chân khơng (vacuum bag), đúc chuyển (RTM), đúc nén (compression moulding), ép phun (ịnjection moulding) …
Vật liệu compozit nĩi chung cĩ ưu điểm là nhẹ, bền, cơ tính cao, chịu nhiệt, chịu hĩa chất và giá thành phù hợp nên được sử dụng rất rộng rãi. Hiện nay, compozit đã cĩ mặt ở hầu hết các lĩnh vực của đời sống con người. Các ứng dụng cao cấp thường sử
dụng loại vật liệu compozit cĩ tính năng đặc biệt. Chúng cĩ khả năng bền ở nhiệt độ
cao, cĩ tính chất cơ lý bền chắc và thường cĩ giá thành cao. Loại vật liệu này chủ yếu dùng trong ngành hàng khơng dân dụng, quân sự, vũ trụ và để làm một số vật dụng trong thể thao như gậy đánh golf, vợt tennis,…
1.1.5.2 Vật liệu compozit nền nhựa bismaleimit
Trong hầu hết các loại nhựa nền thì polyimit là vật liệu cung cấp nhiều tính năng ưu việt. Nĩ rất thích hợp cho những ứng dụng đặc biệt. Việc chọn đúng nguyên liệu ban
đầu sẽ tạo nên một compozit cĩ Tg cao bền nhiệt, bền lão hĩa, dẻo dai. Như đã nêu, bismaleimit thuộc nhĩm polyimit cao cấp với các tính năng nổi trội so với các loại nhựa nhiệt rắn họ khác. Mảng ứng dụng chủ yếu của bismaleimit là làm nhựa nền cho vật liệu compozit cao cấp chịu nhiệt và cĩ cơ lý tính tốt (hình 1.32).
Hình 1.32: Vùng nhiệt độ sử dụng của nhựa nền compozit [91].
Thời gian dài
- 32 -
Hình 1.32 chỉ ra ưu thế về khoảng nhiệt độ sử dụng cũng như độ bền nhiệt của compozit nền bismaleimit và polyimit so với compozit nền epoxy thơng thường. Bismaleimit (BMI) cĩ một khoảng nhiệt độ sử dụng trên 2300C (4500F) và nằm trung gian giữa epoxy và polyimit. Vật liệu compozit nền nhựa BMI thường được sử dụng trong kỹ thuật hàng khơng dân dụng và quân sự. Compozit từ BMI với sợi thủy tinh
được ứng dụng làm bảng mạch trong kỹ thuật điện tử. a) Sợi cacbon gia cường trong vật liệu compozit
Trong vật liệu compozit nền bismaleimit, sợi gia cường thường được dùng chủ
yếu là sợi cacbon [92,93] Sợi thủy tinh, kevlar cũng được dùng nhưng hầu hết trong lĩnh vực cách điện.
Tính chất cơ học: Cơ tính sợi cacbon đĩng một vai trị quan trọng trong việc đánh giá chất lượng sợi. Sợi cacbon cĩ độ bền cơ lý cao hơn các loại sợi khác. Tính chất cơ học của sợi cacbon phụ thuộc vào cấu trúc của sợi, như đã biết cấu trúc sợi cacbon gồm 2 phần vỏ và lõi. Độ bền của vỏ và lõi sẽ quyết định độ bền của sợi cacbon [92,93]
Tính chất hĩa học: Sợi cacbon bền với mơi trường hĩa chất khác nhau. Tính chất này phụ thuộc vào đặc trưng cấu trúc của sợi cacbon cũng như loại nguyên liêu đầu vào, nhiệt độ xử lý và các nguyên tố trong sợi. Khi nhiệt độ xử lý tăng, độổn định cấu trúc sẽ
tăng lên, mật độ tinh thể tăng nên làm tăng độ bền với mơi trường cũng như chịu được các loại bức xạ. Độ bền hĩa phụ thuộc vào nguyên liệu đầu vào như trên cơ sở Rayon bền hơn sợi trên cơ sở PAN với cùng một chếđộ xử lý nhiệt ở 9000C. Việc đưa các nguyên tố vào thành phần sợi cũng làm thay đổi mạnh độ bền hĩa do sự thay đổi tạo thành các hợp chất cacbon – nguyên tố và các nguyên tố này xúc tác cho sự tạo thành các cấu trúc bền hoặc kém bền trong sợi. Trong điều kiện sử dụng hoặc gia cơng tại nhiệt độ cao, sợi cacbon thường khơng ổn định trong các mơi trường oxy hĩa như axit nitric, sodium hypocloric, ... bởi vì khi đĩ tác nhân oxy hĩa kích thích vào các vùng vơ định hình trong sợi, các phản
ứng hĩa học xảy ra làm đứt một số liên kết trong sợi [92,93,94]
Tính chất nhiệt: Sợi cacbon bền nhiệt hơn so với các loại sợi khác. Cĩ nhiều phương pháp để làm tăng độ bền nhiệt của sợi cacbon nhưng thơng dụng nhất là phủ
lên bề mặt sợi hợp chất bảo vệ oxy hĩa như boron nitrit, zicronium cacbit. Sợi cacbon
được phủ vơi pyrocacbit của silicon và zicronium cĩ khả năng ổn định tốt trong khơng khí tới nhiệt độ 600 ÷ 8000C và trong CO2 tới 800 ÷ 10000C . Việc phủ bề mặt sợi
- 33 -
bằng chất bảo quản chống oxy hĩa cịn cĩ tác dụng làm tăng độ dẫn nhiệt của sợi, ví dụ như khi xử lý với pyrocacbit độ dẫn nhiệt tăng từ 0,116 lên tới 0,581W/mK, đây cũng là lý do để giải thích tính ổn định nhiệt tăng khi được phủ bảo vệ bề mặt. Ngồi ra, sự cĩ mặt của một số nguyên tố như nickel, crom, photpho hay photpho/crom, muối acetat, nitrat, oxalat, clorit, fluorit của các kim loại nặng như: tungsten, zicroni, molypden,... cũng làm tăng độ bền nhiệt của sợi cacbon [92,93,94]
Tính chất điện: Sợi cacbon là loại vật liệu dẫn điện [92,93,94] Tính chất điện của sợi cacbon được xác định bởi 3 yếu tố chính sau:
Chếđộ gia nhiệt theo thời gian trong quá trình chế tạo sợi cũng như xử lý bề mặt. Kéo căng định hướng sợi trong quá trình chế tạo sợi nguyên liệu cũng như quá
trình cacbon hĩa.
Việc đưa các nguyên tố hĩa học và các nhĩm chức hĩa học vào trong nguyên liệu
đầu hay vào sợi.
Sau đây là những tính chất cơ bản về sợi cacbon. (Bảng 1.5) Bảng 1.5: Một số tính chất của sợi cacbon [94]
Tính chất Đơn vị
Loại sợi cacbon
Cacbon hĩa Graphit hĩa
Tỷ trọng (d) g/cm3 1,30÷1,65 1,30÷1,90 Diện tích bề mặt riêng (S) m2/g 0,3÷1000 0,15÷3 Hệ số giãn nở nhiệt (α.105) 1/K 4 2
Nhiệt dung riêng (C) kJ/kgK 0,66 0,66
Hệ số truyền nhiệt (λ) W/mK 0,84÷20,93 83,74÷125,60
Điện trở suất (ρ.10-5) Ωcm 0,4÷70 0,003÷0,6 Tang gĩc tổn hao điện mơi tại 1010 Hz 0,17÷0,42 0,25÷0,33
Độ hút ẩm % 0,1÷10 1
Ứng suất kéo (σ) Mpa 350÷700 1200÷3100
Modul kéo (E) Mpa 30÷200 300÷700
b) Các phương pháp gia cơng compozit nền BMI
Ép khuơn (compression moulding [95,96]): Compozit từ BMI qua quá trình ép khuơn cĩ thể tạo tấm compozit chất lượng cao. Quá trình ép khuơn được thực hiện với prepreg vải nhựa đã đĩng rắn một phần. Đối với tấm mỏng, yêu cầu nhựa phải cĩ tính chảy thấp. Đối với các bảng mạch, cần loại nhựa cĩ khả năng chảy cao hơn.
- 34 -
Đúc khuơn trong nồi hơi cao áp (Autoclave moulding [95,96]):Quá trình đúc khuơn trong thiết bị cao áp đối với hệ BMI là phương pháp phổ biến. Khĩ khăn trong quá trình gia cơng compozit này là từ tính chất lưu biến của nĩ. So với epoxy, BMI thơng thường cĩ độ nhớt thấp hơn. Theo Mc.Govern, BMI đĩng rắn ở nhiệt độ thấp khơng hiệu quả. Một sốđiểm cần lưu ý trong quá trình chế tạo compozit BMI là:
Sự gel hĩa nhựa cĩ thể làm nứt và phá vỡ sợi. Những phần mỏng cĩ thể bị yếu.
Cần thiết kế các bộ phận để kiểm tra khả năng chảy của nhựa.
Mức độ quá trình đĩng rắn thêm của BMI compozit cĩ thể liên quan trực tiếp đến các tính chất cơ lý của vật liệu.
Cuộn sợi (Filament winding [95,96]): Hiện nay, nhiều loại compozit epoxy
được sản xuất theo phương pháp này. Tuy nhiên BMI bị giới hạn dùng cách này do thiếu những đặc tính phù hợp như khả năng duy trì độ nhớt, thời gian sống… Bằng cách trộn lẫn hệ BMI với allylphenyl comonome, Shell-Technochemi đã sản xuất ra một loại nhựa ký hiệu 65FWR thích hợp cho phương pháp cuộn sợi.
Đúc chuyển [95,96]: BMI chỉ được gia cơng theo phương pháp này trong thời gian gần đây do tính chất lưu biến của nhựa được cải thiện. Loại BMI được gia cơng theo phương pháp này là Kerimit 601, R-1-13.
c) Một số tính chất của vật liệu compozit nền BMI
Bảng 1.6 nêu ra một sốđặc tính nổi bật của vật liệu compozit BMI/sợi cacbon. Bảng 1.6: Tính chất của compozit nhựa BMI với sợi cacbon[60,97]
Tính chất Đơn vị Điều kiện Giá trị Tỷ trọng g.cm-3 40% th60% thểể tích nh tích sợựi : a 1,5÷1,6 Độ bền uốn MPa 24oC, khơ 24oC, ướt 177oC, khơ 177oC, ướt 232oC, khơ 1916÷2047 1930÷2041 1930 1378 1234÷1378 Modul uốn MPa 24 oC, khơ 24oC, ướt 124,1÷144,1 x103 142 x103 Nhiệt độ thủy tinh hĩa oC DSC 205÷320
- 35 -
Compozit sợi cacbon cĩ đặc điểm nổi bật so với các loại sợi độn gia cường khác là cĩ modul đàn hồi rất cao, vì vậy compozit sợi cacbon cĩ khối lượng nhẹ mà vẫn
đảm bảo được độ bền vật liệu. Nhưng một nhược điểm lớn đối với sợi cacbon, đặc biệt là sợi cacbon được graphit hĩa tốt, là tính trơ bề mặt, do đĩ khĩ cĩ thể thấm ướt được nhựa, dẫn đến liên kết sợi – nhựa kém. Để khắc phục nhược điểm này, sợi cacbon cần
được xử lý bề mặt tốt.
1.1.5.3 Một sốứng dụng của vật liệu compozit nhựa BMI
Chế tạo máy bay: Vật liệu compozit từ nhựa BMI chủ yếu được sử dụng trong ngành cơng nghiệp hàng khơng dân dụng và quân sự [98] Một trong những ứng dụng
đầu tiên của BMI compozit trong kỹ thuật hàng khơng là vỏ động cơ RB162 sản xuất bởi Rolls – Royce. Vỏ máy nén, cánh roto, chong chĩng stato sản xuất bằng BMI và sợi thủy tinh tăng cường (Kerimid 601) [93] Những dụng cụ này vẫn cịn bảo quản tốt
ở điều kiện nhiệt độ trên 240oC và những tính chất của nĩ vẫn thể hiện tốt. RB162
được sử dụng như một động cơ tăng cường cho máy bay phản lực Tritnt. Ngày nay, nhiều máy bay này vẫn cịn được sử dụng tại Trung Quốc. Những máy bay này được chế tạo vào đầu những năm 1970.
Ngồi ra trong các máy bay dân dụng như Boeing 757 cũng sử dụng compozit nền nhựa BMI để làm vật liệu sản xuất [99] Một trong những ứng dụng nổi tiếng khác là việc nghiên cứu phát triển sử dụng compozit nền nhựa BMI để chế tạo thân máy bay máy bay quân sự F16XL [34,100] Chiếc máy bay đầu tiên cất cánh vào tháng 7 năm 1982. Sau khi kiểm tra bay thử, những máy bay này gây ấn tượng mạnh trong thời gian ngắn khoảng 2÷ 3 năm. Khơng may rằng chiếc máy bay này khơng thành cơng về mặt thương mại.
Máy bay Alpha Jet sản xuất bởi Dornier sản xuất bằng BMI/sợicacbon. Vật liệu sử dụng ởđây là Compimit 8000 từ nhà sản xuất Shell – Technochemic.
Trong lĩnh vực vũ trụ: các cấu trúc tên lửa, giá đỡ động cơ tên lửa, mặt rada, [98,101]
Hĩa học: Trong các thiết bị phản ứng hĩa học như: bình, bồn, bộ phận khuấy ở đỉnh thiết bị quay với tần số lớn, nhiệt độ làm việc cao hoặc các thiết bịđịi hỏi chịu ăn mịn cao.
- 36 -
Cơng nghiệp điện, điện tử: Compozit sợi cacbon cĩ tính bền điện cao, ngay khi ở
nhiệt độ cao, tần số cao, do đĩ đây là loại vật liệu đặc biệt cho ngành cơng nghiệp
điện, điện tử. Một ứng dụng mới của compozit sợi cacbon trong cơng nghiệp điện là chổi quét cho các động cơđiện.
Trong ngành cơ khí chế tạo máy: compozit sợi cacbon mặc dù giá thành cao nhưng vẫn cĩ những ứng dụng nhất định như: kết cấu cho đường ray xe lửa tốc độ cao, thiết bị quay tốc độ cao, các máy dệt tốc độ cao.
Trong thể thao: Các thiết bị địi hỏi phải cĩ độ bền, độ cứng cao và nhẹ. Do đĩ compozit sợi cacbon đã đáp ứng được các yêu cầu khắc khe này như: vợt tennis, vợt bĩng bàn, thanh trượt tuyết, gậy đánh golf, [102]
Chế tạo xe hơi: Compozit sợi cacbon đang được ứng dụng rộng rãi trong cơng nghệ chế tạo xe thể thao, xe đua chất lượng cao như cơng thức I [103]. Đặc biệt trong xe đua, compozit sợi cacbon thể hiện nhiều tính chất ưu việt: như tiết kiệm nhiên liệu,
độ bền cao, độ an tồn cho người lái cao, ...