Tải bản đầy đủ

Đề tài tìm HIỂU về vật LIỆU COMPOSITE

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG

KHOA CƠ KHÍ
LỚP: 13CĐ-CK4

TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU
COMPOSITE

Sinh viên thực hiện: Lê Minh Đạt
Nguyễn Xuân Hiến
1


TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG

KHOA CƠ KHÍ
LỚP: 13CĐ-CK4

TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU
COMPOSITE


Sinh viên thực hiện: Lê Minh Đạt
Nguyễn Xuân Hiến
2


Mục lục
Trang
I. Vật liệu composite ............................................................................... 1
1. Khái niệm chung
2. Liên kết nền - cốt
II. Composite cấu trúc .......................................................................... ..3
III. Composite cấu trúc dạng lớp............................................................. 4
IV. Composite cốt sợi ............................................................................. 5
1. Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi
2. Các loại composite cốt sợi phổ biến ................................................... 9
V. Composite cốt sợi gián đoạn hỗn hợp............................................... 12
VI. Composite cốt sợi gián đoạn thẳng hàng......................................... 12
VII. Composite cốt sợi liên tục thẳng hàng............................................ 12
1. Khi kéo dọc
2. Khi kéo ngang
3. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi
VIII. Kích thước và vật liệu làm cốt sợi ................................................ 14
1. Kích thước sợi
2. Vật liệu làm sợi
3. Vật liệu làm nền
VI. Composite hạt ................................................................................ 16
1. Composite hạt mịn
2. Composite hạt thô
X. Ứng dụng và công nghệ chế tạo composite ...................................... 19
1. Ứng dụng
2. Công nghệ chế tạo composite
XI. Kết luận .......................................................................................... 26

3


I. Vật liệu composite
1.Khái niệm chung
a. Khái niệm
Vật liệu Compozit là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác

nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu
ban đầu. Vật liệu Compozit được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho
Compozit có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các
thành phần của Compozit liên kết, làm việc hài hoà với nhau.
b. Đặc điểm
- Là vật liệu nhiều pha mà chúng thường rất khác nhau về bản chất, không
hòa tan lẫn 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.
c. Phân loại
Thông thường dùng cách phân loại theo các đặc trưng của nền và cốt, tức các pha
cơ bản.
- Theo bản chất của nền có:
+ Composite nền chất dẻo (polyme)
+ Composite nền kim loại
+ Composite nền ceramic
+ Composite nền hỗn hợp nhiều pha
- Theo đặc điểm cấu trúc của cốt có thể phân loại composite thành ba nhóm:
composite cốt hạt, composite cốt sợi và composite cấu trúc như trình bày ở hình. 1.
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. Trong từng loại cốt: hạt, sợi nền với kích
thước khác nhau còn được chia tiếp thành các nhóm nhỏ hơn: hạt thô và hạt mịn,
sợi liên tục và sợi gián đoạn v.v...

4


Hình. 1 Sơ đồ phân loại composite

2. 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. Tiếp theo trình bày các đặc điểm của nền, cốt và tương tác giữa
chúng cho composite kết cấu (chịu tải).
a. Cốt
Như đã biết cốt là pha không liên tục, đóng vai trò tạo nên độ bền cao, môđuncđàn
hồi (độ cứng vững) cao cho composite, do vậy cốt phải là loại có các đặcctính đó,
đồng thời phải nhẹ để tạo nên độ bền riêng cao. Cốt có thể được làm bằng tất cả
các loại vật liệu đã học: kim loại, ceramic và polyme. Tỉ mỉ hơn về chúng được
trình bày trong từng loại composite tiếp theo. Như sẽ thấy rõ sau này, hình dạng,
kích thước, mật độ và sự phân bố của sợi là những yếu tố có ảnh hưởng mạnh đến
cơ tính của composite.
b. Nền
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 hóa học, cơ học và của
môi trường.
Yêu cầu chủ yếu đối với nền là phải nhẹ và có độ dẻo cao. Phụ thuộc vào tính chất
của composite cần chế tạo, người ta chọn loại nền phù hợp trong bốn nhóm: kim
loại, ceramic, polyme và hỗn hợp.
c. Liên kết nền - cốt

5


Liên kết tốt giữa nền và cốt tại vùng ranh giới pha là yếu tố quan trọng nhất
bảocđảm cho sự kết hợp các đặc tính tốt của hai pha trên. Để tăng cường độ gắn
chắc nền - cốt, người ta có thể áp dụng các biện pháp sau.
- Liên kết cơ học, được thực hiện nhờ khớp nối thông qua độ mấp mô trên bề mặt
do lực ma sát như kiểu bêtông cốt thép có gân (đốt).
- Liên kết nhờ thấm ướt do năng lượng sức căng bề mặt vì pha nền bị nung chảy và
dính ướt với cốt nên có sự khuếch tán tuy rất nhỏ, tạo nên sức căng bề mặt.
- Liên kết phản ứng, xuất hiện khi trên ranh giới pha xảy ra phản ứng tạo hợp chất
hóa học, nó như lớp keo dính chặt cốt với nền. Đây là loại liên kết tốt nhất.
- Liên kết ôxyt, loại liên kết phản ứng đặc trưng cho nền kim loại với cốt là ôxyt
của chính kim loại đó.
Sau đây trình bày đặc tính của từng loại composite hạt, sợi và cấu trúc.
Qui luật kết hợp: Từ lâu người ta đã biết sự kết hợp tính chất của các pha trong vật
liệu đa pha. Ví dụ, độ bền cao cùng với độ dẻo tương đối tốt của thép cùng tích là
sự kết hợp của độ dẻo, độ dai cao của nền ferit với tính cứng vững của các tấm
(hạt) xêmentit nằm xen trong đó. Gỗ, tre khá cứng vững, bền, dai chính là nhờ các
tính chất tương ứng của sợi xenlulô (bền, dai) được phân bố theo hướng xác định
với lignin (cứng vững) bao quanh. Đó là bằng các con đường kết hợp tự nhiên.
Bằng con đường kết hợp nhân tạo các pha có bản chất khác nhau theo một kiến
trúc định trước sẽ bảo đảm tạo nên một tổ hợp các tính chất phù hợp với các yêu
cầu sử dụng đề ra.
Vậy composite là loại vật liệu nhiều pha khác nhau về mặt hóa học, hầu như không
tan vào nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha, kết hợp lại nhờ sự can thiệp kỹ
thuật của con người theo những sơ đồ thiết kế trước, nhằm tận dụng và phát triển
những tính chất ưu việt của từng pha trong composite cần chế tạo.

II. Composite cấu trúc
Composite cấu trúc là loại bán thành phẩm dạng tấm nhiều (≥ 3) lớp được tạo
thành bằng cách kết hợp các vật liệu đồng nhất với composite theo những phương
án cấu trúc khác nhau. Do đó tính chất không những phụ thuộc vào tính chất các
vật liệu thành phần mà còn cả vào thiết kế hình học của chúng trong kết cấu.
Thường dùng hai loại: dạng lớp và panel sandwich.

6


Hình. 2 Sơ đồ tạo composite cấu trúc dạng lớp.

III. Composite cấu trúc dạng lớp
Có thể dễ dàng hình dung dạng composite này qua gỗ dán, cót ép. Chúng gồm bởi
các lớp (tấm) có độ bền dị hướng cao (như gỗ, composite cốt sợi liên tục thẳng
hàng), được sắp xếp sao cho các phương độ bền cao nhất của các lớp, tấm kề nhau
được đổi hướng liên tục (trên hình. 2 là tấm gồm năm lớp vuông góc với nhau) và
được ép kết dính với nhau. Nhờ đó loại này có độ bền cao theo các phương song
song với mặt tấm, nhưng rất kém theo phương vuông góc với tấm.

Hình. 3 Sơ đồ của panel sandwich

Loại này gồm ba lớp (hình. 3) trong đó hai lớp mặt được chế tạo từ vật liệu có độ
bền hay độ cứng vững cao (như hợp kim nhôm, titan, thép và composite dạng lớp)
có chức năng chịu toàn bộ tải trọng tác dụng theo các phương song song với mặt
tấm. Lớp giữa (lõi) có hai chức năng: ngăn cách hai lớp trên, chống biến dạng theo
phương vuông góc và tạo độ cứng vững tránh cong vênh. Vật liệu làm lõi có thể là
7


polyme xốp, caosu nhân tạo, chất dính vô cơ, gỗ nhẹ hoặc có cấu trúc tổ ong,
trong đó vách mỏng liên kết định hướng các ô lục giác vuông góc với mặt như biểu
Cấu trúc này hao hao giống sandwich - bánh mỳ kẹp (thịt, dămbông...), khác với
loại trên ở giữa không phải là tấm song song.

IV. Composite cốt sợi
1.Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi
1.1 Sự phân bố và định hướng sợi

Hình. 4 Sơ đồ phân bố và định hướng cốt sợi:
a. một chiều.
b. dệt hai chiều vuông góc trong một mặt.
c. rối ngẫu nhiên trong một mặt.
d. đan quấn ba chiều vuông góc.

Có nhiều kiểu phân bố và định hướng sợi như biểu thị ở hình. 4 ở đây sợi được coi
như thớ trong kim loại, làm cho vật liệu có tính dị hướng rõ rệt. Do vật liệu làm cốt
bao giờ cũng bền, cứng hơn nền, nên theo phương cốt sợi composite thể hiện độ
bền cao hơn các phương khác.
- Khi các sợi phân bố song song với nhau theo một phương nào đó như biểu thị ở
hình a, độ bền theo phương dọc sợi sẽ cao hơn hẳn phương vuông góc với nó.
8


Kiểu này được gọi là một chiều.
- Khi cũng phân bố trên một mặt song theo hai phương vuông góc với nhau như
vải (các sợi đan vuông góc với nhau) biểu thị ở hình b, thì khi thử theo hai phương
dọc theo trục sợi độ bền nhận được là cao hơn cả. Kiểu này được gọi là kiểu dệt.
- Khi sợi phân bố trải trên một mặt nhưng không định hướng, nhiều phương (rối),
có tính ngẫu nhiên như ở hình c sẽ làm cho composite có tính đẳng hướng (theo
tất cả các phương trên mặt các tính chất đều như nhau). Kiểu này được gọi là rối
ngẫu nhiên trong một mặt (như cấu trúc của dạ, nỉ).
- Cuối cùng khi sợi được phân bố (đan, quấn) và định hướng theo ba phương
vuông góc với nhau như ở hình d thì composite có độ bền lớn nhất theo cả ba
phương tương ứng. Tuy nhiên điều được người ta quan tâm hơn cả có ảnh hưởng
đến cơ tính của composite cốt sợi là yếu tố hình học của sợi: chiều dài và đường
kính hay tỷ lệ giữa chúng.
1.2 Ảnh hưởng của chiều dài sợi.
Điều quan trọng nhất đối với composite kết cấu cốt sợi phải có cấu trúc sao cho tải
trọng đặt vào phải được dồn vào sợi là pha có độ bền cao, nếu chỉ tập trung vào
nền là pha kém bền hơn sẽ dẫn đến phá hủy pha này một cách nhanh chóng, nói
khác đi cơ tính phụ thuộc vào mức độ truyền tải trọng từ nền vào sợi.

Hình. 5 Sơ đồ biến dạng nền khi đặt tải vào composite cốt sợi ngắn, biến dạng ở phần nền
bao quanh sợi chịu kéo.

Đối với loại cốt sợi ngắn, dưới tác dụng của ứng suất đặt vào sự biến dạng của nền
dừng lại ở (đầu) mút sợi, một phần nền bị chảy như thấy rõ ở hình. 5. Như vậy
không có sự truyền tải từ nền vào mút sợi. Tuy nhiên tình hình sẽ được cải thiện
một khi chiều dài sợi tăng lên.
- Người ta đã tính được rằng khi sợi dài bằng hay dài hơn một chiều dài tới hạn lc
mới làm tăng một cách có hiệu quả độ bền và độ cứng vững của composite.
Chiều dài tới hạn lc này phụthuộc đường kính d của sợi, giới hạn bền (σb)f của sợi
(fiber) và sức bền liên kết giữa sợi và nền (hay giới hạn chảy cắt của nền σm).
- Đối với composite sợi thủy tinh hay sợi cacbon, chiều dài tới hạn này khoảng
1mm và gấp 20 đến 150 lần đường kính sợi.
- Bây giờ xét trường hợp ứng suất kéo tác dụng lên composite bằng giới hạn bền
kéo của sợi cho các trường hợp chiều dài sợi khác nhau (hình. 6).
9


- Khi chiều dài sợi vừa đúng lc, biểu đồ phân bố ứng suất trên chiều dài dài sợi có
dạng như ở hình a: tải trọng lớn nhất trên sợi đạt giá trị (σb)f ở chính giữa trục sợi.
Khi chiều dài sợi tăng lên, tác dụng gia cường của sợi trở nên hiệu quả hơn như
biểu thị ở hình b, tức trên phần lớn chiều dài sợi chịu tác dụng của mức ứng suất
đặt vào (σb)f. Còn khi l < lc tác dụng gia cường không có như biểu thị ở hình c,
ứng suất lớn nhất tác dụng trên sợi không đạt đến ứng suất đặt vào (σb)f.
Người ta quy ước:
Khi l > 15lc, composite là là loại cốt liên tục hay dài.
Khi l < 15lc, composite là loại cốt sợi không liên tục hay ngắn; trong đó khi l < lc
nền bao quanh sợi bị biến dạng đến mức không có sự truyền tải, tác dụng gia
cường của sợi không có, được coi như composite hạt.

10


Hình. 6 Biểu đồ phân bố ứng suất trên chiều dài sợi khi:
a. l = lc,
b. l >>lc,
c. l (với composite cốt sợi chịu ứng suất kéo bằng giới hạn bền kéo của sợi).

- Trên hình. 7 trình bày sơ đồ cấu trúc của loại composite cốt sợi trong đó loại cốt
sợi liên tục thẳng hàng (thường chỉ gọi ngắn gọn là liên tục) như ở hình a là loại
quan trọng hơn cả sẽ được khảo sát dưới đây.

11


Hình. 7 Sơ đồ cấu trúc của composite cốt sợi:
a. liên tục (liên tục thẳng hàng).
b. gián đoạn thẳng hàng.
c. gián đoạn hỗn độn

2. Các loại composite cốt sợi phổ biến
2.1 Composite polyme - sợi thủy tinh

Hình. 8 Thuyền làm từ composite
12


- Là loại được sản xuất với khối lượng nhiều nhất vì chúng khá rẻ, nhẹ, có độ bền
riêng cao và sự gắn kết tốt giữa hai pha nền - cốt, với cả hai loại cốt sợi liên tục
cũng như gián đoạn. Loại phổ biến nhất là polyeste - sợi thủy tinh, tiếp đến là
nylon
- sợi thủy tinh. Tuy nhiên loại này có nhược điểm là không đủ độ cứng vững trong
một số trường hợp yêu cầu (như khi làm kết cấu của máy bay, cầu...), nhiệt độ làm
việc thấp, dưới 200 độ C (trên đó polyme bị chảy và hủy hoại). Hiện composite
polyme
- sợi thủy tinh được dùng ngày càng nhiều trong các phương tiện vận tải đặc biệt là
vỏ (thân) xe hơi, tàu biển, ống dẫn, container chứa hàng, tấm lát sàn công nghiệp.
Đặc biệt trong công nghiệp ôtô nó có sức cạnh tranh cao nhờ giảm được khối
lượng và do đó là tiêu hao nhiên liệu.
2.2 Composite polyme - sợi khác

Hình. 9 Xe đạp Composite

Composite polyme - sợi cacbon có môđun đàn hồi riêng cao hơn, tính chịu nhiệt độ
và bền hóa học cao hơn nhưng đắt hơn và chỉ có loại sợi gián đoạn. Loại composite
này có sức cạnh tranh lớn trong máy bay do giảm nhẹ được khối lượng (giảm 20 30% so với dùng kim loại).
Composite epoxy - sợi bo được dùng trong máy bay lên thẳng (làm cánh rôto), còn
loại polyme - sợi aramit bắt đầu được dùng trong hàng không, tàu biển và đồ dùng
thể thao.
2.3 Composite kim loại - sợi
Trong loại này nền kim loại có thể là: nhôm, đồng (phổ biến nhất), magiê,
titan với cốt sợi: cacbon, bo, cacbit silic, dây kim loại. Tỷ lệ thể tích sợi khoảng
20 - 50%.
13


Một trong các composite có triển vọng nhất là loại nền nhôm - sợi bo có phủ
cacbit silic để làm chậm phản ứng không mong muốn giữa nhôm và bo. Composite
nền kim loại có nhiệt độ làm việc cao hơn nền polyme. Chịu nhiệt độ cao hơn
cả là loại nền hợp kim trên cơ sở Ni hoặc Co với cốt sợi là dây vonfram dùng trong
tuabin.

Hình. 10 Sợi thủy tinh Composite

2.4 Composite cacbon – cacbon

Hình. 11 Composite cacbon – cacbon

2.5 Composite cốt sợi pha
- Đây là loại composite trong đó người ta dùng hai (hay nhiều hơn) loại sợi
trong cùng một nền, có sự kết hợp các tính chất tốt hơn loại chỉ có một loại
cốt sợi. Trong loại này hiện nay phổ biến hơn cả là dùng hai loại cốt sợi cacbon
và thủy tinh trong nền polyme (trong đó sợi cacbon bền, cứng vững, nhẹ
hơn song đắt hơn sợi thủy tinh). Khi composite sợi pha bị ứng suất kéo, sự phá
14


hủy xảy ra không tức thời: sợi cacbon bị đứt trước sau đó tải trọng được truyền
sang sợi thủy tinh, rồi cuối cùng composite bị phá hủy hoàn toàn khi nền bị hỏng
do tải trọng tác dụng vào.

V. Composite cốt sợi gián đoạn hỗn hợp

Bảng. 1 Giá trị của thông số k ứng với định hướng kh c nhau giữa sợi và
ứng suất.

Sơ đồ cấu trúc của composite cốt sợi gián đoạn hỗn độn được trình bày ở hình 7c.
Lúc này biểu thức của quy tắc kết hợp đối với môđun đàn hồi được biểu thị như
sau:
Ec = k. Ef. Vf + Em. Vm
Trong đó k - thông số biểu thị hiệu quả hóa bền mà độ lớn phụ thuộc vào hàm
lượng thể tích Vf của sợi và tỷ lệ Ef/Em, k dao động trong khoảng 0,1 - 0,6. Bảng
1 trình bày giá trị của thông số k của composite sợi gián đoạn cho các trường
hợp định hướng khác nhau giữa sợi và ứng suất.

VI. Composite cốt sợi gián đoạn thẳng hàng
Sơ đồ cấu trúc của composite cốt sợi gián đoạn thẳng hàng được trình bày ở hình
7c. Tất nhiên l do chiều dài sợi ngắn (l < 15lc) hiệu quả gia cường của sợi
composite không thể cao như loại cốt sợi liên tục thẳng hàng. Với loại sợi ngắn
như vậy môđun đàn hồi và giới hạn bền chỉ tương ứng bằng khoảng 90 và 50% so
với loại cốt sợi liên tục (dài). Tuy nhiên loại composite gián đoạn thẳng hàng này
cũng ngày càng có vị trí quan trọng hơn trên thị trường. Cơ tính của loại này, ngoài
hàm lượng thể tích của sợi ra còn phụ thuộc vào chiều dài hay yếu tố hình học của
sợi S = l / d.

VII. Composite cốt sợi liên tục thẳng hàng
1. Khi kéo dọc
15


Ở đây sợi dài sắp xếp song song, thẳng hàng là loại có độ bền cao nhưng giòn, có
tỷ lệ thể tích Vf được phân bố trong nền có tỷ lệ thể tích là Vm = 1 - Vf. Một
composite bị kéo theo phương dọc trục sợi như biểu thị ở hình 9.7, do liên kết nền
- cốt hoàn hảo, sự truyền tải tốt nên độ biến dạng của nền và cốt như nhau:

Hình. 12 Sơ đồ kéo mẫu composite cốt sợi liên tục thẳng hàng theo phương dọc trục sợi.

2. Khi kéo ngang
Khi composite bị kéo ngang tức theo phương vuông góc với trục sợi thì ứng suất
tác dụng lên các pha là như nhau và bằng ứng suất tác dụng lên composite nên độ
biến dạng của toàn thể thanh composite bằng tổng biến dạng của cá pha.
3. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi
Trong thực tế nếu tỷ lệ thể tích Vf (hay còn gọi là hàm lượng) của sợi quá nhỏ, sợi
không có tác dụng gia cường cho composite. Đối với composite thông thường với
nền dẻo hơn cốt bao giờ cũng tồn tại một giá trị Vfmin mà ứng với các giá trị
Vf< Vfmin sự phá hủy các sợi cốt chưa dẫn tới sự phá hủy tức khắc composite. Khi
cốt quá ít như vậy, toàn bộ tải sẽ tác dụng lên nền và làm mẫu biến dạng. Quá
trình biến dạng đồng thời của cốt sợi và nền xảy ra cho tận đến khi độ giãn dài của
mẫu bằng độ giãn dài khi phá hủy của sợi. Lúc này nếu lực vẫn tiếp tục tác dụng
thì toàn bộ số cốt sợi ít ỏi sẽ bị đứt hết. Ngay cả đến lúc này mẫu vẫn tiếp tục
biến dạng và sự phá hủy cuối cùng xảy ra khi độ biến dạng mẫu đạt đến độ giãn dài
khi phá hủy của nền. Như vậy giới hạn bền của composite ứng với Vf bằng giới hạn bền kéo (σb)m của nền nhân với tỷ lệ thể tích Vm của nó chiếm, tức
là (σb)c= Vm. (σb)m= (1 - Vf) (σb)m

16


Hình. 13 Đường cong biến dạng kéo của composite cốt sợi liên tục nền dẻo với Vf >Vf*.

Hình. 14 Đường cong biến dạng kéo của composite cốt sợi liên tục nền
giòn với Vf >Vf*.

VIII. Kích thước và vật liệu làm cốt sợi
1. Kích thước sợi

17


Bảng. 2 Tính chất của một số loại cốt sợi

Trước khi nói về vấn đề này cần nhấn mạnh rằng độ bền của sợi cốt không những
chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật liệu làm sợi mà còn phụ thuộc rất mạnh vào
kích thước hình học mà cụ thể là đường kính của nó. Với cùng vật liệu, do xác suất
có mặt các khuyết tật (ví dụ các vết nứt nhỏ) trên bề mặt sợi nhỏ sẽ thấp hơn ở sợi
to, vì vậy sợi càng nhỏ có độ bền càng cao. Đây là đặc điểm rất quan trọng để các
nhà công nghệ quan tâm trước hết khi lựa chọn sợi cốt. Dựa vào đường kính và
đặc tính người ta phân cốt sợ thành ba loại: râu, sợi và dây nhỏ.
1.1 Râu (râu đơn tinh thể)
Râu (whiskers) là sản phẩm có đường kính rất nhỏ (cỡ 1 - 2µm), tỷ lệ chiều dài
trên đường kính rất lớn (khoảng trên nghìn lần), nhận được bằng kỹ thuật nuôi đơn
tinh thể. Do kích thước nhỏ, các đơn tinh thể (râu) này có mức độ hoàn thiện
tinh thể rất cao (hầu như chỉ có một lệch xoắn) và không có nứt, rỗng nên có độ
bền rất cao (gần bằng độ bền lý thuyết). Tuy nhiên râu vẫn chưa được dùng rộng
rãi vì quá đắt và rất khó gắn kết vào nền. Vật liệu để chế tạo râu có thể là grafit,
SiC, Si3N, Al2O3.. (bảng. 2).
1.2 Sợi
Sợi được sản xuất bằng công nghệ kéo, chuốt. Chúng có thể là đa tinh thể hoặc vô
định hình với đường kính tương đối nhỏ (khoảng vài chục đến vài trăm µm) và tỷ
18


lệ chiều dài/đường kính rất khác nhau. Vật liệu chế tạo cốt sợi có thể là
polyme nhpolyamit, là ceramic như thủy tinh, ôxyt nhôm, cacbit silic hoặc bo,
cacbon (bảng. 2).
1.3 Dây
Dây là loại có đường kính nhỏ, thường là bằng kim loại: thép cacbon cao, vonfram,
môlipđen, berili, titan. Loại cốt này được dùng để gia bền lốp ôtô, khung tên lửa,
ống dẫn cao áp...
2. Vật liệu làm sợi
Trong loại kích thước kể trên loại được dùng phổ biến nhất là sợi, nên ở đây chỉ
khảo sát loại này, không đề cập đến dạng nhỏ hơn (râu) và lớn hơn (dây). Có các
nhóm vật liệu để làm sợi cho composite là thủy tinh, cacbon, polyme, bo
và ceramic.
+ Thủy tinh
Thành phần hóa học của thủy tinh gồm các ôxyt SiO2, Al2O3, BO3. CaO, MgO...
Sở dĩ sợi thủy tinh được sử dụng rộng rãi làm cốt vì dễ chế tạo nó từ trạng thái
mềm lỏng và có độ bền cao. Trong quá trình kéo, bề mặt sợi bị cọ sát với bề mặt
cứng khác nhờ đó làm mất đi các vết nứt và như là được bọc bởi lớp áo mới, bám
dính tốt với nền.
+ Cacbon
Chính nhờ sự định hướng chủ yếu của các mặt đáy lục giác (chỉ với liên kết đồng
hóa trị) song song với trục sợi nên có độ bền rất cao. Trong quá trình chế tạo sợi
cacbon, sự grafit hóa có thể xảy ra không hoàn toàn nên vẫn còn các vùng vô định
hình (chỉ trong râu grafit mới đạt mức độ tinh thể hoàn toàn) nên độ bền có thể
thay đổi trong giới hạn (bảng. 2) tùy thuộc vào tỷ kệ này. Nếu như sợi thủy tinh chỉ
sử dụng được tới 500 – 700 độ C thì sợi cacbon tới trên 2000 độ C.
+ Polyme
Nói chung các polyme có môđun đàn hồi nhỏ. Hiện chỉ dùng loại polyamit thơm.
Ở dạng thương phẩm vật liệu này có hai loại kelva 49 và kelva 29. Nhược điểm
của chất này là nhiệt độ làm việc thấp (< 200 độ C).
3. Vật liệu làm nền
Vật liệu làm nền cho composite cốt sợi thường là polyme và kim loại vì chúng có
tính dẻo tốt. Kim loại dùng làm pha nền thường là nhô và đồng. Tuy nhiên polyme
là pha nền được dùng phổ biến hơn với đủ chủng loại cả nhiệt rắn lẫn nhiệt dẻo:
polyeste, nylon, epoxy, nhựa fenol, polyamit, melamin. Hiện còn ít dùng nền là
ceramic trừ bêtông cốt thép là loại phổ biến nhất hiện nay.

IX. Composite hạt
1. Composite hạt mịn
Composite hạt mịn là loại có tính năng đặc biệt: bền nóng và ổn định nóng.
1.1 Đặc điểm
Nền các composite này thường là kim loại và hợp kim. Các phần tử cốt có kích
thước nhỏ đến mức dưới 0,1µm, thường là loại bền, cứng và có tính ổn định nhiệt
19


cao: ôxyt, cacbit, borit, nitrit. Tương tác nền - cốt ở đây xảy ra ở mức độ vi mô ứng
với kích thước nguyên tử, phân tử. Cơ chế hóa bền tương tự như cơ chế tiết pha
phân tán, biến cứng khi phân hóa dung dịch rắn quá bão hòa. Khi lực tác dụng lên
composite, nền sẽ hứng chịu hầu như toàn bộ tải, các phần tử cốt nhỏ mịn phân tán
đóng vai trò hãm lệch, làm tăng độ bền độ cứng của vật liệu.
1.2 Các composite hạt mịn
SAP, SAAP, với các tỷ lệ 5 - 20%Al 2O3 trên nền nhôm, hợp kim nhôm (giữa nền cốt có liên kết ôxyt khá bền) đã được sản xuất ở quy mô công nghiệp, cung cấp
dưới dạng bán thành phẩm tấm, ống, dây... để làm các chi tiết có độ bền riêng lớn,
làm việc ở 300 – 500 độ C và chịu tác dụng của môi trường ăn mòn. T - D Nickel
(Thoria Dispersed Nickel) là loại composite nền là niken (Ni), cốt là các phần tử
ôxyt tôri ThO2. Chỉ với 2%ThO2 song ở dạng rất nhỏ mịn, nằm phân tán và ổn định
nhiệt, có độ bền và khả năng làm việc lâu dài ở 1000 – 1100 độ C, không bị ăn
mòn tinh giới như thép không gỉ nên là vật liệu quý trong hàng không, vũ trụ, chế
tạo tuabin, ống dẫn, bình áp lực làm việc ở nhiệt độ cao dưới tác dụng của môi
trường ăn mòn.
2. Composite hạt thô
Composite hạt thô rất đa dạng và được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực công
nghiệp, xây dựng
2.1 Đặc điểm
Khái niệm "thô" được dùng để chỉ tương tác giữa nền và cốt không xảy ra ở mức
độ nguyên tử, phân tử, lúc này sự hóa bền có được là nhờ sự cản trở biến dạng
của nền ở vùng lân cận với hạt cốt do sự chèn ép theo quan điểm của cơ học môi
trường liên tục.
Tùy theo đặc tính phân bố của hạt trong nền mà quy tắc kết hợp (hỗn hợp) cho
môđun đàn hồi Ec của composite phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích, môđun đàn hồi của
nền (matrice): Vm, Em và của cốt hạt (particle): Vp, Ep nằm trong phạm vi giữa
hai đường biểu thị ở hình. 15 bởi hai biểu thức toán học sau:
(đường thẳng trên)
Ee = Em .Vm + Ep .Vp
(đường cong dưới)
Em.Ep/(Vm.Ep + Vp.Em)

20


Hình. 15 Sự phụ thuộc của môđun đàn hồi vào hàm lượng cốt trong composite nền Cu cốt
hạt W.

2.2 Các composite hạt thô thông dụng
Hợp kim cứng tạo ra bằng phương pháp luyện kim bột cũng có thể coi là
composite hạt thô, trong đó các phần tử cứng là cacbit: WC, TiC, TaC được liên
kết bằng Co (nền). Hợp kim cứng là vật liệu cắt rất thông dụng với hiệu quả kinh tế
cao.
Các hợp kim làm tiếp điểm có sự kết hợp tốt của các kim loại khó chảy (W, Mo)
với các kim loại có tính dẫn nhiệt cao (Cu, Ag) cũng là loại composite hạt thô nền
kim loại, trong đó một tính chất (E) của loại nền Cu cốt W đã được trình bày ở
hình. 15
Bêtông là composite hạt thô nền ceramic được dùng rộng rãi nhất. Trong bêtông,
cốt chính là các hạt rắn khá lớn (đá, sỏi) hay nhỏ (cát vàng) được liên kết với nhau
bởi nền cứng là ximăng. Người ta có thể đưa các hạt với vai trò chất độn
vào polyme để cải thiện độ bền, tính chống mài mòn, ổn định kích thước, chịu
nhiệt, lúc đó sản phẩm polyme thu được như là composite hạt thô nền polyme [hay
chất dẻo tăng cường (độ bền)]. Các hạt độn thường là thạch anh, thủy tinh, ôxyt
nhôm, đất sét, đá vôi.
21


X. Ứng dụng và công nghệ chế tạo composite
1. Ứng dụng
1.1 Thế giới
Với lịch sử phát triển phong phú của mình,vật liệu compozit đã được nhiều nhà
nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến. Việc nghiên cứu và áp dụng thành công
vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng. Đại chiến thế giới thứ hai
nhiều nước đã sản xuất mày bay, tàu chiến và vũ khi phụ vụ cho cuộc chiến này.
Cho đến nay thì vật liệu Compozit polyme đã được sử dụng để chế tạo nhiều chi
tiết, linh kiện chế tạo ôtô; Dựa trên những ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng,
tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm
nhiên liệu cho máy móc. Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc
cuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác của các hãng
như Boing 757, 676 Airbus 310… Trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng
để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện. Ngành công nghiệp đóng
tàu, xuồng, ca nô; các ngành dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả,
ghép sọ…, ngành thể thao, các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennit… và các
ngành dân dụng, quốc kế dân sinh khác.
1.2 Việt Nam
Vật liệu compozit được áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền kinh tế
quốc dân. Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu compozit được tiêu thụ ở Việt
Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm; tại Hà Nội đã có 8 đề tài nghiên cứu về compozit
cấp thành phố được tuyển trọn, theo đó vật liệu compozit được sử dụng nhiều
trong đời sống xã hội. Tại khoa răng của bệnh viện trung ương Quân đội 108 đã sử
dụng vật liệu Compozit vào trong việc ghép răng thưa, các ngành thiết bị giáo dục,
bàn ghế, các giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng
trượt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu, các sân vận động và
các trung tâm văn hoá…Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liều Compozit vào các
lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện.
Compozit được ứng dụng rộng rãi trong:
+Trong giao thông vận tải:
Thay thế các loại sắt, gỗ, ván... VD: càng, thùng trần của các loại xe oto, một số
chi tiết của xe môtô.
+ Trong hàng hải:
Làm ghe, thuyền, thùng, tàu...
+ Trong ngành hàng không:
Thay thế vật liệu sắt, nhôm... trong máy bay dân dụng, quân sự
+ Trong quân đội:
Những phương tiện chiến đấu: tàu, cano, máy bay, phi thuyền...
Dụng cụ, phương tiện phục vụ cho việc sản xuất nghiên cứu trong quân đội
như: bồn chứa nước hoặc hóa chất, khay trồng rau, bia tập bắn....
+ Trong công nghiệp hóa chất:
22


Bồn chứa dung dịch acid (thay gelcoat bằng epoxy hoặc nhựa vinyleste)
Bồn chứa dung dịch kiềm ( thay gelcoat bằng epoxy)
+Trong dân dụng:
Sản phẩm trong sơn mài: bình, tô, 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. Công nghệ chế tạo composite

Hình. 16 Một phương pháp chế tạo composite

Hiện nay có nhiều phương pháp chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite. Các
công nghệ chế tạo được lựa chọn tùy theo yêu cầu của sản phẩm và yêu cầu của
sản xuất. Các công nghệ được sử dụng trong chế tạo sản phẩm bằng vật liệu
composite bao gồm:
2.1 Phương pháp chế tạo thủ công
Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong chế tạo sản phẩm
bằng vật liệu composite là phương pháp chế tạo thủ công. Phương pháp thủ công
sử dụng khuôn hở, có thể sử dụng khuôn dương hoặc khuôn âm. Quy trình chế
tạo được thực hiện như sau:
- Quét phủ lớp hỗ trợ tháo khuôn lên bề mặt khuôn;
- Phủ lớp tạo bề mặt sản phẩm (gel-coat);
- Phủ nhựa polymer trên lớp tạo bề mặt;
- Rải lớp vật liệu gia cường trên nền nhựa polymer;
- Dùng con lăn để lăn ép vật liệu gia cường với nhựa;
- Phủ lớp tạo bề mặt trên lớp vật liệu gia cường cuối cùng.
Sau khi quá trình rải vật liệu gia cường và thấm nhựa đã hoàn thành, sản phẩm
được để đông kết tại nhiệt độ môi trường. Tốc độ đông kết của sản phẩm phụ
thuộc theo loại polymer, độ dày sản phẩm, nhiệt độ môi trường và độ dẫn nhiệt của
vật liệu khuôn. Để tăng tốc độ đông kết và giảm thời gian tháo khuôn, các sản
phẩm có kích thước nhỏ được đưa vào lò sấy; các sản phẩm có kích thước lớn hơn
23


có thể được sấy bằng khí nóng. Phản ứng tỏa nhiệt trong quá trình đông kết có thể
làm tăng nhiệt độ của sản phẩm. Tốc độ thay đổi nhiệt cũng là yếu tố quan trọng
quyết định tới cơ tính và chất lượng sản phẩm. Do hệ số giãn nở của vật liệu gia
cường và nhựa polymer khác nhau, sự thay đổi nhiệt độ lớn trong quá trình
đông kết có thể làm biến dạng liên kết giữa hai loại vật liệu.
Vật liệu sử dụng trong phương pháp thủ công thường là polyester không no và sợi
thủy tinh. Phương pháp chế tạo thủ công có ưu điểm sử dụng khuôn mẫu đơn
giản vì quá trình chế tạo ở nhiệt độ và áp suất không cao. Tuy nhiên, do phương
pháp này sử dụng khuôn hở nên chất lượng hai bề mặt sản phẩm không đồng đều.
Phương pháp thủ công thường được áp dụng cho các loạt sản phẩm có số lượng
nhỏ hoặc sản phẩm đơn chiếc.
2.2 Phương pháp phun hỗn hợp composite
Trong phương pháp phun hỗn hợp, vật liệu gia cường có kích thước nhỏ
được trộn với nhựa polymer theo tỷ lệ xác định. Súng phun được sử dụng để phun
hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường vào khuôn. Vật liệu gia cường được
cung cấp liên tục vào một đầu cấp của súng phun, nhựa polymer và chất khởi tạo
phản ứng được cung cấp tới một đầu cấp khác của súng. Quá trình hòa trộn được
diễn ra trong thiết bị hòa trộn tĩnh hoặc động trong súng phun hoặc trong thiết
bị khác. Tương tự như phương pháp chế tạo thủ công, chất hỗ trợ tháo khuôn được
phun hoặc quét lên mặt khuôn, tiếp theo là lớp gel-coat tạo bề mặt cho sản phẩm.
Sau đó hỗn hợp nhựa polymer, chất khởi tạo phản ứng và sợi gia cường được
phun ép vào khuôn.
Vật liệu sử dụng trong phương pháp phun hỗn hợp composite tương tự như trong
phương pháp thủ công. Sợi thủy tinh được cắt với chiều dài từ 10mm tới 40mm
trước khi được trộn vào hỗn hợp.
Phương pháp phun hỗn hợp composite được sử dụng trong chế tạo các sản phẩm
có hình dạng phức tạp và các sản phẩm có yêu cầu cơ tính không cao. Tuy nhiên,
phương pháp phun hỗn hợp composite có thể kiểm soát tốt tỷ lệ của nhựa polymer
và vật liệu gia cường trong hỗn hợp, qua đó đảm bảo tính thẩm mỹ và độ đồng đều
về cơ tính của sản phẩm.
2.3 Phương pháp thấm nhựa trước
Trong phương pháp này, vật liệu gia cường được thấm nhựa polymer và
được bảo quản trong môi trường nhiệt độ thấp. Quy trình chế tạo sản phẩm
composite sử dụng vật liệu thấm nhựa trước được thực hiện như sau: vật liệu gia
cường đã thấm nhựa polymer được lấy ra khỏi thùng bảo quản lạnh, để trao đổi
nhiệt tự nhiên và đạt tới nhiệt độ môi trường trước khi tiến hành gia công. Trong
quá trình trao đổi nhiệt tự nhiên, vật liệu gia cường thấm nhựa polymer được để
trong bao bì bảo quản để tránh ngưng tụ hơi nước trên bề mặt. Vật liệu gia cường
đã thấm nhựa polymer được cắt thành hình dạng theo thiết kế. Quá trình cắt có thể
tiến hành thủ công hoặc tự động. Sau khi vật liệu được cắt theo thiết kế, tiến hành
bóc lớp bảo vệ, đặt vật liệu lên khuôn theo từng lớp. Quá trình được lặp lại tới khi
đạt được yêu cầu về độ dầy của sản phẩm.
24


Vật liệu thấm nhựa polymer trước được sử dụng trong những loạt sản phẩm có số
lượng không lớn. Do độ dầy của vật liệu thấm nhựa polymer trước thường
không lớn nên quá trình rải đặt các lớp yêu cầu độ chính xác cao. Thông thường
quá trình này được thực hiện tự động hoặc với sự hỗ trợ của máy tính. Tương tự
như phương pháp lăn tay thủ công, khuôn mẫu sử dụng trong phương pháp thấm
nhựa trước khá đơn giản, tuy nhiên với các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao
như các chi tiết trên máy bay, khuôn mẫu thường được chế tạo bằng kim loại hoặc
vật liệu composite để có thể chịu được tải trọng lớn trong quá trình chế tạo.
Với các chi tiết yêu cầu tính năng kỹ thuật cao thường sử dụng nén ép để đạt
được độ liên kết tốt giữa các lớp vật liệu. Chi phí chế tạo khuôn cho các chi tiết
này thường khá cao. Túi chân không có thể được sử dụng trong quá trình nén các
lớp vật liệu với nhau. Sau khi các lớp vật liệu được đặt trên khuôn, lớp phim hỗ trợ
tháo khuôn được đặt trên vật liệu đã thấm nhựa. Lớp phim n ôn trong quá trình gia
công. Tiếp theo người ta sử dụng lớp phim phủ bên ngoài lớp phim hỗ trợ tháo
khuôn. Lớp phim này còn có tác dụng hấp thụ phần nhựa thừa bị nén ra khỏi sản
phẩm trong quá trình chế tạo. Lớp vật liệu cuối cùng dưới túi chân không là
phim thông hơi. Lớp phim thông hơi có tác dụng giúp thoát khí dư trong sản
phẩm và khuôn ra ngoài để tránh các rỗ khí. Ngoài ra lớp phim này có tác dụng
điều hòa áp suất trong khuôn và trên toàn bộ bề mặt sản phẩm. Lớp phim
thông khí thường được chế tạo từ vải, sợi hoặc các vật liệu có tính năng tương tự.
Lớp ngoài cùng là túi chân không được làm kín với khuôn bằng băng dính đặc biệt
(sealant tape).
Trong phương pháp vật liệu thấm nhựa trước, sợi carbon và epoxy thường được
sử dụng là vật liệu gia cường và vật liệu nền. Phương pháp này được ứng dụng
chế tạo các sản phẩm trong ngành hàng không. Tuy nhiên phương pháp này đang
dần được áp dụng trong chế tạo các dụng cụ thể thao và giải trí như cần câu cá, gậy
chơi golf, ván trượt, v.v.
Đa số các loại nhựa polymer sử dụng trong phương pháp thấm nhựa trước đông kết
tại nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bình thường trong phòng. Do đó, người ta thường
tiến hành gia nhiệt trong quá trình hoàn thiện sản phẩm. Việc gia nhiệt cho quá
trình đông kết vật liệu có thể được thực hiện bằng gia nhiệt môi trường hoặc gia
nhiệt khuôn với các loại nhựa polymer có nhiệt độ đông kết thấp.

2.4 Phương pháp đùn ép

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×