CƠ SỞ VẬT LIỆU VÀ BẢO VỆ ĂN MÒN tổng quan vật liệu composite ĐH BK HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TPHCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC CƠ SỞ VẬT LIỆU VÀ BẢO VỆ ĂN MÒN ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN VẬT LIỆU COMPOSITE Giáo viên Nguyễn Trường Sơn Lớp Các thành viên trong nhóm MỤC LỤC I Tổng quan về vật liệu composite 7 1 Quá trình hình thành và phát triển vật liệu composite 7 2 Cấu tạo, thành phần và đặc điểm 9 2 1 Thành phần chính 9 2 3 Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào những đặc tính sau đây 10 2 4 Ưu điểm 11 2 5 Nhược điểm 11 3 Phân loại 11 3 1 Phân loại theo hình dạng 1.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TPHCM

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

CƠ SỞ VẬT LIỆU VÀ BẢO VỆ ĂN MÒN

ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN: VẬT LIỆU COMPOSITE

Giáo viên: Nguyễn Trường Sơn

Lớp:

Các thành viên trong nhóm:

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC CÁC BẢNG

I.Tổng quan về vật liệu composite

Khái niệm: Vật liệu composite hay còn có tên gọi khác là composite, vật việu compozit,vật liệu tổng hợp Đây là một loại nguyên vật liệu được tổng hợp từ 2 hay nhiều vật liệu khácnhau tạo thành một loại vật liệu mới Vật liệu mới được tạo thành mang tính chất và nhữngcông dụng vượt trội hơn hẳn so với những vật liệu thành phần riêng rẽ [1]

Hình 1: Vật liệu composite.

1 Quá trình hình thành và phát triển vật liệu composite

Thời gian TCN đánh dấu sự khởi đầu của các loại vật liệu tổng hợp được ứng dụng trongviệc tạo ra các vật dụng sinh hoạt hàng ngày Việc sử dụng đầu tiên của vật liệu tổng hợpđược ghi nhận cho người Mesopotamians, hay còn gọi là người cổ đại Lưỡng Hà Nhữngngười cổ đại dán các dải gỗ ở các góc độ khác nhau để tạo ra ván ép vào năm 3400 TCN.Giữa những năm 2181 và 2055 TCN, người Ai Cập sử dụng các tông (cartonage) và cáclớp vải lanh (linen) hoặc giấy cói (papyrus) được ngâm trong thạch cao (plaster) để làm mặt

nạ chết Khoảng năm 1500 TCN, những người xây dựng, thợ xây của Ai Cập và Lưỡng Hà đã

sử dụng rơm rạ để tăng phần chắc chắn cho gạch, gốm và thuyền bùn Khoảng năm 25TCN, Marcus Vitruvius Pollio (năm 80- 75 trước Công nguyên – năm 15 trước Côngnguyên), là một kiến trúc sư, kỹ sư công binh người Ý, phục vụ cho quân đội La Mã, đãviết 10 cuốn sách về kiến trúc (Ten Books on Architecture) mô tả cụ thể và phân biệt các loạivôi và vữa khác nhau

Vào những năm 1200 sau Công Nguyên, người Mông Cổ đã phát minh ra Cung tên – vukhí chiến đấu chính vào thời ấy – được làm bằng vật liệu từ sự kết hợp giữa gỗ, tre, xương –gân gia súc, sừng, tre và sợi lụa với nhựa thông tự nhiên Những chiến cung nhỏ nhưng mạnh

mẽ và cực kỳ chính xác này là vu khí đáng sợ nhất trên trái đất cho đến khi phát minh ra vukhí hiệu quả từ thế kỷ 14 [2]

Từ thập niên 1870 đến thập niên 1890, một cuộc cách mạng hóa học đã thay đổi sự pháttriển của vật liệu tổng hợp Các loại nhựa tổng hợp mới được chuyển từ chất lỏng sang trạngthái rắn trong cấu trúc phân tử liên kết chéo, diễn ra qua quá trình polymerization (tạm gọi làquá trình trùng hợp) Nhựa tổng hợp sớm bao gồm Celluloid, Melamine và Bakelite [2]Vào đầu những năm 1900, những tiến bộ hóa học đã thúc đẩy sự phát triển của nhựa Cácvật liệu như vinyl, polystyrene, phenolic và polyester được tạo ra và cải tiến nhằm cung cấpcác vật liệu có đủ sức mạnh và độ cứng nhằm mục đích phục vụ cho nhu cầu của nhân loại.Polyoxy-benzyl-methylen-glycol-anhydride (Bakelite), được phát triển bởi Leo Baekelandnăm 1907 – một nhà hóa học người Bỉ, là một loại nhựa phenol formaldehyde nhiệt rắn hìnhthành từ phản ứng loại bỏ phenol với formaldehyde Bakelite là một trong những loại nhựađầu tiên được làm từ thành phần sợi tổng hợp Với tính chất không dẫn điện và chịu nhiệtcủa, Blakelite được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và hàng tiêu dùng như:các chất cách điện, vỏ đài và điện thoại, đồ dùng nhà bếp, đồ trang sức, thân ống và đồ chơitrẻ em Năm 1993, Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ đã công nhận và chỉ định Bakelite là Di tíchhoá học Lịch sử của Quốc gia [2]

Được công nhận là thập kỷ quan trọng nhất trong ngành công nghiệp vật liệu tổng hợp,những năm 1930 chứng kiến sự phát triển của nhựa tổng hợp, vật liệu vẫn được sử dụng ngàynay Năm 1935, Owens Corning giới thiệu sợi thủy tinh đầu tiên và công bố Ngành côngnghiệp chất liệu polyme gia cường sợi (FRP) Năm 1936, nhựa polyester chưa bão hòa đượccấp bằng sáng chế Do đặc tính đóng rắn của chúng, nhựa polyester là sự lựa chọn hàng đầucho các loại nhựa trong sản xuất hiện nay Năm 1938, các vật liệu nhựa hiệu suất cao khácnhư epoxies cung trở nên phổ biến và dễ tìm [2]

Sự kiện Chiến tranh Thế giới II đã đưa ngành công nghiệp FRP phát triển một cách chóngmặt từ nghiên cứu đến sản xuất Ngoài các tính chất có độ bền cao đến trọng lượng nhẹ, cácnhà hóa học đã khám phá được rằng vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh trong suốt, có tần số vôtuyến Điều này dẫn đến sự thích nghi của composite khi được áp dụng trong sản xuất cácmái vòm radar (radar domes) và các thiết bị điện tử khác Đến năm 1947, một chiếc ô tô đượclàm hoàn toàn bằng chất liệu composite được chế tạo hoàn chỉnh và được thử nghiệm, dẫnđến sự phát triển của chiếc Chevrolet Corvette năm 1953 Sợi thủy tinh tổng hợp được ngâmtẩm với nhựa và đúc trong kim loại phù hợp đã được sử dụng để chế tạo chiếc xe cổ điển này

Sự ra đời của ngành công nghiệp chế tạo ô tô đã dẫn đến một số phương pháp mới trong việc

tạo hình Hai phương pháp, nén ép của hợp chất đúc tấm (SMC) và hợp chất đúc khối lớn(BMC), nổi lên như các hình thức đúc tạo hình cho ngành công nghiệp ô tô và các ngànhkhác [2]

Đầu những năm 1950, sản xuất tiếp tục được đổi mới với sự phát triển của Công nghệpultrusion, túi chân không và các cuộn dây tóc quy mô lớn Những vật liệu tổng hợp này vẫnđược sử dụng trong các ứng dụng ngày nay Pultrusion được sử dụng trong sản xuất các thànhphần tuyến tính như thang và khuôn Cuộn dây tóc là một ví dụ về vật liệu composite trongngành hàng không vu trụ khi trở thành nguyên liệu chế tạo cho các động cơ tên lửa quy môlớn, thúc đẩy thăm dò không gian trong những năm 1960 cho đến nay [2]

Năm 1961, sợi carbon đầu tiên được cấp bằng sáng chế và được thương mai hoá chỉ saumột vài năm Sợi carbon cải thiện sự nhiệt rắn từ độ cứng đến tỷ lệ trọng lượng, để sử dụngtrong nhiều ứng dụng hơn như hàng không vu trụ, ô tô, hàng thể thao và hàng tiêu dùng Vàonhững năm 1960, Hàng hải là thị trường tiêu thụ vật liệu composite lớn nhất Trong hai mươinăm tiếp, thị trường vật liệu composite phát triển một cách mạnh mẽ Chất liệupolyethylene có trọng lượng phân tử cao tham gia các sợi tiên tiến khác được sử dụng trongcác thành phần cấu tạo của các sản phẩm thuộc lĩnh vực hàng không vu trụ, áo giáp chiếnđấu, thiết bị thể thao, thiết bị y tế và nhiều lĩnh vực khác Năm 1970, Mar-Bal bắt đầu chế tạocác bộ phận đúc tùy chỉnh cho một số ứng dụng bao gồm: Bộ ngắt điện; Thiết bị lắp ráp độngcơ; các thiết bị cỡ nhỏ Mar-Bal đã trở thành nhà cung cấp giải pháp tổng hợp vật liệu tổnghợp tích hợp nhất hiện nay [2]

2 Cấu tạo, thành phần và đặc điểm

2.1 Thành phần chính

Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn (cốt) phân bốđều trên một pha nền liên tục (nền) Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi là compositehỗn tạp Pha gián đoạn thường có tính chất trội hơn pha liên tục

Hình 2: Cấu tạo vật liệu composite.

Vật liệu composite được cấu tạo bởi 2 thành phần chính gọi là NỀN và CỐT Trong đóNỀN và CỐT đảm nhiệm các vai trò khác nhau

Bảng 1: Vật liệu nền và vật liệu cốt

Vật liệu nền [1]

(còn gọi là pha nhựa)

Vật liệu cốt [1]

(Vật liệu gia cường)

- Có chức năng giúp liên kết, bao bọc các

thành phần cốt bên trong composite

- Tạo nên tính thống nhất, nguyên khối cho

cấu trúc vật liệu composite

- Vật liệu Nền bảo vệ vật liệu Cốt khỏi hư

hỏng do tác động của môi trường

- Vật liệu nền tạo khả năng tiến hàng các

biện pháp gia công

- Bao gồm polymer: (polyester, PE, PP,

PVC, Epoxy, cao su…); kim loại, ceramic

(xi măng…)

- Bổ trợ các đặc tính cần thiết mà vật liệunền không có

- Thường có tính chất cơ lý hóa cao hơn vậtliệu nền

- Về cơ bản có hai kiểu vật liệu cốt là dạngcốt sợi (ngắn hoặc dài) và dạng cốt hạt

- Gồm các loại sợi (thủy tinh, cellulose,cacbon, acramic…), hạt (hạt kim loại, hạtđất sét, bột gỗ, bột đá…), hoặc các hìnhdạng đặc biệt khác

Để cải thiện một số tính chất của composite, người ta thêm vào chất phụ gia Chất phụ gia

là những vật liệu có tính chất như sau:

• Tính dẫn điện, dẫn nhiệt: thường dùng bột, sợi hoặc vảy kim loại như Fe, Cu, Al, …hoặc bi tráng kim loại

• Bôi trơn khi dỡ khuôn

• Tạo màu

• Chống co ngót

2.3 Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào những đặc tính sau đây

Các vật liệu thành phần có cơ tính tốt thì composite cung có cơ tính tốt và tốt hơn tínhchất của từng vật liệu thành phần [5]

Luật phân bố hình học của vật liệu cốt: Khi vật liệu cốt phân bố không đồng đều, vật liệucomposite bị phá huỷ trước hết ở những nơi kít vật liệu cốt Với composite cốt sợi, phươngcủa sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu, có thể điều chỉnh được tính dị hướng này theo ýmuốn để chế tạo được vật liệu cung như phương án công nghệ phù hợp với yêu cầu [5]Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần: Vật liệu cốt và nền phải liên kết chặt chẽvới nhau mới có khả năng tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau Ví dụ: liên kết giữa cốtthép và xi măng trong bê tông [5]

2.4 Ưu điểm

Về mặt giá thành: Đây là loại vật liệu có quá nhiều công dụng và độ bền chắc của nótrong khi đó giá thành lại vô cùng rẻ so với gang và thép Các chủ đầu tư có thể tiết kiệmkhoảng 5 đến 6 lần ngân sách đầu tư của mình để thay thế một sản phẩm bằng loại vật liệunày mà vẫn đảm bảo an toàn cho công trình [3]

Xét về mặt trọng lượng: Như các loại nhựa khác, vật liệu nhựa composite cung rất nhẹ và

êm khi mang vác Vì vậy, việc di chuyển, vận chuyển đến công trình cần thi công tương đốithuận lợi và dễ dàng, đặc biệt nếu công trình nằm trong vùng có địa hình hiểm trở hay xa xôigiúp cho nhà đầu tư tiết kiệm được nhân công vận chuyển [3]

Xét về mặt thẩm mỹ: Ngoài việc dễ dàng cắt hay khắc, loại vật liệu này còn có sự đa dạng

về màu sắc Đây cung là một ưu điểm của loại vật liệu này [3]

Độ bền cao: Đặc tính này khiến composite hơn hẳn các vật liệu nhựa khác, composite cótính chất chống ăn mòn, chống axit, base và các điều kiện khắc nghiệt từ môi trường [3]

lý, hóa tính rất phức tạp [3]

3 Phân loại

3.1 Phân loại theo hình dạng

Gồm: Composite sợi, composite vảy, composite hạt, composite điền đầy, Compositephiến

Hình 3: Các loại composite

3.2 Phân loại dựa theo bản chất của nền

Composite nền chất dẻo: nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi khoánghoặc sợi kim loại

Composite nền kim loại: nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng, cốt thường là sợi kimloại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC

Composite nền ceramic: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc hạt kim loạihoặc cung có thể là hạt gốm

Composite nền hỗn hợp: là sự kết hợp của các loại vật liệu

3.3 Phân loại dựa theo đặc điểm cấu trúc của cốt

Hình 4: Phân loại vật liệu composite.

Đối với composite cốt hạt: được chia thành hai nhóm nhỏ hơn là composite cốt hạt thô(được sử dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp xây dựng) và composite cốt hạt mịn [3, 4]

Đối với composite cốt sợi: được chia thành hai nhóm nhỏ hơn là sợi liên tục và sợi giánđoạn Trong sợi gián đoạn được chia thành hai loại là sợi gián đoạn ngẫu nhiên và sợi giánđoạn có hướng [3, 4]

Loại cốt hạt và loại cốt sợi khác nhau ở kích thước hình học của cốt: cốt sợi có tỷ lệ chiềudài trên đường kính khá lớn, còn cốt hạt là các phần tử đẳng trục [3]

Đối với composite cấu trúc: được chia thành ba nhóm nhỏ hơn là cấu trúc lớp, cấu trúctấm ba lớp và cấu trúc tổ ong [3]

4 Ứng dụng

Trong xây dựng: làm cốt cho cấu kiện bê tông cốt mềm; làm các loại cáp cho kết cấu bêtông dự ứng lực cốt composite; làm kết cấu công trình xây dựng cho các loại thay thế cho cácloại thép kết cấu truyền thống; làm kết cấu vòm cuốn hoặc kết cấu cột chịu nén, bằng ốngcomposite trong nhồi bê tông, làm tấm lộp trần nhà và tấm lót sàn; gia cường cho kết cấu cósẵn

Trong giao thông vận tải: chế tạo bình khí N2, O2 cho các nhà du hành vu trụ; chế tạo cácloại tàu, thuyền, xuồng, cano cỡ nhỏ để giảm chi phí đầu tư, bảo dưỡng, giảm khả năng bị ănmòn bởi môi trường biển,

Trong ngành công nghiệp điện tử để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện.Trong ngành y tế: Hệ thống chân giả, tay giả, răng giả, ghép sọ,

Ngành thể thao: các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennis,

Trong quân sự và công nghệ vu trụ: vật liệu composite cốt sợi thủy tinh trong suốt đối vớisóng rada Làm ống đi cho các loại cáp điện, cáp viễn thông,

II Vật liệu tổ hợp nền gốm (Ceramic Matrix Composite – CMC)

1 Tính chất, đặc điểm

Trong điều kiện sử dụng các vật liệu đúng tiêu chuẩn thì vật liệu composite có các tínhchất:

• Nhẹ nhưng cứng, chịu va đập tốt, uốn, kéo tốt

• Chịu hóa chất, không gỉ sét, chống ăn mòn

• Chịu thời tiết, chống tia tử ngoại, chống lão hóa rất bền

• Chịu nhiệt, chịu lạnh, chống cháy

• Cách điện cách nhiệt tốt

• Chịu ma sát, cường độ lực, nhiệt độ cao (thể hiện ở composite sợi carbon)

• Hấp thụ sóng điện tử tốt (composite-thủy tinh)

• Không thấm nước, không độc hại.

• Bảo trì sửa chữa dễ dàng, chi phí thấp

• Màu sắc đa dạng, bền đẹp

Đây là một loại vật liệu nhân tạo, do chính con người tạo ra bằng phương pháp hóa học

đã được nghiên cứu và kiểm định về tính an toàn của chúng đối với người sử dụng.Composite được sử dụng như một loại vật liệu thay thế nhằm giảm thiểu chi phí và tăngnhững đặc điểm khác lên, ví dụ như có thể lựa chọn màu sắc ưng ý [3]

Vật liệu composite là một loại vật liệu mang nhiều pha, điều đặc biệt ở đây là chúngthường sẽ khác biệt nhau về bản chất cung như chúng không hòa tan lẫn nhau và được phâncách nhau bởi ranh giới pha Trên thực tế, phần lớn vật liệu composite là loại hai pha, trong

đó là hai phần nền và cốt Nền là pha liên tục trong cả khối, còn cốt lại là pha được phân bổmột cách gián đoạn Phần nền và phần cốt của loại vật liệu composite này có tỷ lệ nhất định

kể cả hình dáng, kích thước, sự phân bổ cung được dựng lên theo các thiết kế sẵn có từ trước[3]

Tính chất của các pha thành phần đã được kết hợp lại thành tính chất chung nhất của vậtliệu composite, đó không phải là sự cộng đơn thuần toàn bộ các tính chất của các pha thànhphần khi mà chúng đứng riêng lẻ mà chỉ lựa chọn những tính chất tốt nhất trong nó để tínhtoán định liệu và phát huy thêm những tính năng ấy [3]

2 Phân loại theo thành phần cấu trúc

2.1 Composite nền gốm cốt sợi kim loại

Cốt sợi kim loại sử dụng trong nền gốm thường là sợi W hoặc Mo Sợi kim loại khôngtương tác với nền gốm oxide cho đến nhiệt độ 1800-2500 ° C Vì thế Composite nền gốm cốtsợi kim loại được chế tạo bằng phương pháp bột bằng cách ép nóng Độ dai và tính chịu nhiệtriêng của Composite tăng lên liên tục cùng với sự tăng hàm lượng sợi Hàm lượng sợi vượtquá 25% sẽ làm tăng độ lỗ trong vật liệu Nền liên kết thường là các gốm oxide như MgOhoặc Gốm oxide có độ tinh khiết hóa học cao và tỉ lệ pha tinh thể cung cao (tỉ lệ pha vô địnhhình rất thấp) để làm vật liệu kỹ thuật có độ bền nhiệt và độ bền cơ học rất cao, có tính chấtđiện và từ đặc biệt [6]

Có thể chia nền gốm trường hợp này ra 3 loại: Gốm oxide trên cơ sở các oxide có độnóng chảy cao cao, gốm trên cơ sở TiO, gốm trên cơ sở và các oxide kim loại nặng Gốmoxide trên cơ sở các oxide có độ nóng chảy cao Chúng gồm một số loại tiêu biểu như: gốmcorindon () ở dạng thù hình có độ bền cơ, bền nhiệt, bền hóa chất rất cao, nhiệt độ sử dụngkhoảng 1900°C; gốm pesicla (MgO) với nhiệt độ sử dụng cao tới 2400°C và có tính kiềm, độ

bền cơ, độ bền hóa cao; gốm ziêcona () với nhiệt độ sử dụng cao 2300°C và gốm spinel(MgO.) có nhiệt độ sử dụng cao 1950ºC, độ bền cơ cao, được sử dụng làm các vật liệu kếtcấu chịu nhiệt độ cao trong môi trường kiềm Thế nhưng, vật liệu Composite nền gốm cốt sợikim loại bị hạn chế sử dụng vì ở nhiệt độ cao tính chịu oxy hóa của chúng bị giảm xuống [6]

2.2 Composite nền gốm cốt sợi cacbon

Sợi cacbon tương tác với nền gốm ở nhiệt độ cao hơn so với cốt sợi kim loại, có khả nănglàm việc trong môi trường oxy hóa tới 500°C và trong môi trường khí trơ hoặc chân khôngtới 3000°C Do đó sợi cacbon thường được dùng làm cốt sợi gia cường cho Composite nềngốm [6]

Điều kiện quan trọng để sử dụng có hiệu quả độ bền cao của sợi cacbon trong Compositenền gốm là tỷ lệ tối ưu giữa Module đàn hồi của sợi và nền Khi thể tích sợi cacbon chiếm 50

- 60%, độ bền của sợi sẽ được phát huy đối đa khi = 0,1 Vì thế, để cường hóa cho nền gốm,sợi cacbon cần chọn loại có độ bền cao [6]

Sợi cacbon bây giờ là sản phẩm chính của PAN (Polyacrylonitrile), nhựa than và tơ nhântạo Chúng được bắt nguồn từ độ bền nhiệt lớn và modulus từ các liên kết của liên kết cộnghóa trị, các đáy mặt phẳng của các nguyên tử có mạch cacbon dài theo trục của các sợi.Modulus và độ bền trên các mặt phẳng rất cao, cỡ 100GPa [6]

Nền liên kết có thể là thủy tinh hoặc sợi cacbon Thủy tinh Borosilicat và Alumosilicat có

hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, bền nhiệt, bền hóa học cao được sử dụng chế tạo dụng cụ hóa học,

đo lường, thiết bị hóa học Thủy tinh chì silicat có chỉ số khúc xạ cao được dùng chế tạo dụng

cụ quang học, phalê Thủy tinh (thạch anh) trong suốt dùng chế tạo các dụng cụ, thiết bị chịunhiệt, bền hóa học Sợi cacbon được kéo, chuốc qua một loại vữa của bột thủy tinh vớiPropanol sau đó được quấn trên một tang trống cách ra thành từng lớp, sấy khô rồi cho vàokhuôn ép, tiến hành ép trong chân không hoặc trong khí Arron ở nhiệt độ 1200-1300 ° C với

áp lực 3,5-14 MPa (35-140kg / cm²) [6]

Composite nền thủy tinh Borosilicat cốt sợi cacbon (60%) có thể làm việc lâu dài ở600°C mà độ bền không thay đổi Composite nền thủy tinh Alumosilicat và thủy tinh thạchanh (96%) còn cao hơn, nhiệt độ làm việc cao từ 600 - 800°C đến 1000 - 1100°C tương ứng

Để nâng cao khả năng chịu oxy hóa người ta phủ một lớp silic carbide SiC trên bề mặt sợicacbon với chiều dày 0,26 - 0,6m Tuy nhiên khi đó độ bền sợi cacbon bị giảm từ 2-3 lần.Composite nền gốm cốt sợi cacbon có thể sử dụng để chế tạo các loại bạc trượt chịu nhiệt độcao trong chân không, các vật liệu chịu lửa yêu cầu giản nở nhiệt nhỏ, chịu sốc nhiệt [6]

2.3 Composite nền gốm cốt sợi gốm

Sợi ceramic ngày càng được chú ý do khả năng cải thiện tính giòn của vật liệu ceramic vàcông nghệ chế tạo sợi ngày càng hoàn thiện Thường sợi ceramic có cấu trúc sợi ngắn và rấtđắt (các sợi cacbit silic, nhôm và bor, oxit nhôm… dài 10 - 30m với bán kính khoảng 0,1 -10µm) Sợi sắp xếp theo một hướng chỉ dùng cho các sản phẩm lực tác dụng theo hướng xácđịnh và hướng sợi Ngoài ra, các sản phẩm khác thường dùng sợi bên thành dây hoặc có cấutrúc như vải dệt [6]

Với các vật liệu chịu tải trọng nhỏ, ta dùng sợi ngắn (~50mm) như sợi amiăng, sợi thủytinh có chiều dài chuẩn khoảng 0,3 mm; trên 80% sợi có kích thước nhỏ hơn kích thướcchuẩn nên rất dễ gia công Trong các dạng sợi ceramic, amiăng là loại sợi tự nhiên có nhữngtính năng vượt trội Nhưng vì lý do ảnh hưởng tới sức khỏe con người (bị coi là nguyên nhângây ung thư phổi) nên loại sợi này không được sử dụng phổ biến nữa [6]

Các loại sợi gốm phổ biến như Cacbit, Nitrid, Borid, Silicid có nhiệt nóng chảy rất cao và

có những tính chất nhiệt vật lý rất đặc biệt Nhóm hợp chất này còn có tên là vật liệu khôngoxy, hoặc không có pha thủy tinh, cùng nhóm gốm từ oxide tinh khiết là những chất có nhiệt

độ nóng chảy cao nhất mà chúng ta được biết Khác với nhóm vật liệu từ oxide có liên kếtchủ yếu là liên kết ion, liên kết hóa học đặc trưng của nhóm vật liệu này là cộng hóa trị hoặcliên kết kim loại [6]

Các composite nền thủy tinh như Borosilicat, Alumoborosilicat, Litiborosilicat hoặc hỗnhợp các loại kế trên được gia cường bằng các cốt sợi SiC Sợi SiC có thể ở dạng sợi đơn hoặc

ở dạng sợi mảnh liên tục với đường kính trung bình từng sợi riêng từ 10 - 12µm SiC là hợpchất quen thuộc nhất trong các loại cacbit, trong tự nhiên gặp ở dạng bột trắng từ các thiênthạch SiC có độ cứng cao (độ cứng theo thang Mohs là 9, chi thua kim cương), thường dùnglàm bột mài SiC còn dùng như vật liệu chịu lửa cao cấp Nhưng ứng dụng được coi là quantrọng nhất của cacbit silic liên quan tới tính bán dẫn của nó, SiC được dùng làm detector, cácloại điện trở phi tuyến [6]

Composite nền thủy tinh cốt sợi SiC dạng sợi đơn được chế tạo bằng cách ép nóng cáclớp từ các tấm sợi và bột thủy tinh trong môi trường Argon ở nhiệt độ 1515ºC với áp lực 6,9MPa Composite nền thủy tinh cốt sợi mỏng SiC được chế tạo bằng cách tầm các sợi mảnhSiC với vữa bột thủy tinh pha với Propanol sau đó sấy và ép nóng chân không hoặc trong môitrường khí trơ ở nhiệt độ 710 - 1100°C [6]

Ngoài ra còn có loại sợi này được sử dụng trong gốm Si-C: thành phần bao gồm sợi vớicác oxide như và cacbit TiC, SiC, ) có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng cao, cách điện tốt, bền

trong môi trường kim loại nóng chảy, acid, kiềm nhưng không bền trong môi trường kiểmnóng Sợi là hợp chất thuộc nhóm Nitrid, là các hợp chất có nhiệt độ nóng chảy cao, đặc tínhgiòn, cứng và chịu môi trường oxy hóa tới 1000°C được coi là vật liệu gốm hứa hẹn trongcác vật liệu mới có độ dẫn nhiệt tốt, hệ số dãn nở nhiệt rất nhỏ và do đó rất bền nhiệt, độcứng của tương đương với chịu mài mòn rất tốt, chống ăn mòn hóa học của các hợp kimnóng chảy không chứa sắt, không bị oxy hóa cho tới 1200°C và bị phân hủy ở 1900°C Sovới kim loại, Si3N4 giòn hơn, nhưng với những loại vật liệu không có pha thủy tinh thì Si3N4

có độ uốn rất cao do có cấu trúc sợi Gốm trên cơ sở Si3N4 được dùng làm phụ tùng choturbine khí, dao, phay cắt kim loại, chén nung Đây là vật liệu đang được thử nghiệm hoạtđộng bao gồm các ôtô trong tương lai Đặc biệt gần đây, người ta đã nghiên cứu chế tạo cácđộng cơ trên cơ sở Si3N4 và các hạt SiC có kích thước nano Gốm này bền hơn 5 lần, chịunhiệt độ cao, bền trong môi trường axit, kiềm và siêu dẻo ở 1000°C Ở Nhật, người ta đãcông bố chế tạo các diezel hoàn toàn bằng vật liệu gốm (từ vật liệu Si3N4 và một phần ZrO2

ổn định) [6]

Vật liệu gốm thủy tinh nền MgO.Al2O3 và các tinh thể gia cường MgO nhận được bằngphương pháp kết tinh dẫn hướng có độ bền kéo tới 200MPa, giữ nguyên khả năng chịu đựngtrong môi trường Oxy hóa đến nhiệt độ 1700°C Bằng cách đưa hợp chất tạo mầm và chế độ

xử lý nhiệt khác nhau, chúng ta có thể điều khiển được tính chất của gốm thủy tinh [6]

Để chế tạo các vật liệu chịu lửa có tính chịu nhiệt cao trên cơ sở MgO người ta sử dụngcác râu đơn tinh thể ZrO2 (5-15%) làm cốt gia cường Vật liệu là vật liệu chịu lửa khi độ chịulửa lớn hơn 1520°C Đa số các vật liệu chịu lửa là vật liệu gốm, thành phần vật liệu chịu lửathuộc nhóm gốm silicat, gồm oxit và gốm không phải oxit Một số loại vật liệu gốm chịu lửađiển hình:[6]

• Đinat (silica) với thành phần > 93% SiO2 Gạch đinat có tính acid với nhiệt độ làm việc cao(1550°C) dùng để xây là coke, vòm lò thủy tinh, các vùng nung trong lò men, một số lò luyệnkim)

• Samot là gốm thô hệ Al2O3 – SiO2 Với độ chịu lửa tương đối ( ~ 1400°C) tùy từng loại chúngđược dùng trong lò nung cliknke, khí hóa và một số lò luyện kim

• Cao alumin cung thuộc hệ Al2O3 – SiO2 như samốt nhưng với hàm lượng Al2O3 cao hơn (45 –95%) nên độ chịu lửa cao hơn (1600°C) được sử dụng khi có yêu cầu cao về độ chịu lửa màsamốt không đáp ứng nổi

3 Công nghệ chế tạo composite nền gốm

Vấn đề quan trọng trong công nghệ chế tạo composite nền gốm là làm thế nào để tạo liênkết bền giữa cốt và nền và làm thế nào để phân bố đều pha tăng cường trên nền gốm bởi vìbản chất của 2 cấu tử cốt và nền thường rất khác nhau Vấn đề xử lý pha tăng cường để tạo raliên kết cốt – nền là vô cùng quan trọng

3.1 Xử lý bằng pha khí

Xử lý bằng pha khí hay còn gọi là phương pháp thấm hơi hoá học (chemical vaporinfiltration CVI) Nội dung của phương pháp là, bọc lên pha tăng cường một lớp mỏng vậtliệu nền bằng phương pháp lắng đọng từ một tiền chất là pha khí Việc bọc sợi bằng vật liệunền hoặc tương tự nền nhằm để khống chế liên kết cốt – nền và tăng cường độ bền cơ học củacomposite Các lớp vật liệu như pyrocacbon (PyC), cacbon nitride hoặc (PyC – SiC) và (BN– PyC)n với chiều dày khoảng 0,1 – 1,0 um có cấu trúc lớp tinh thể (PyC, BN) hoặc cấu trúcnhiều lớp, là những hợp chất liên kết cốt – nền thông dụng nhất cho composite không oxide.[7]

Công nghệ CVI đã trải qua nhiều phiên bản Phiên bản đầu tiên cung là phiên bản phổbiến nhất là CVI đẳng nhiệt hoặc đẳng áp Quá trình này xảy ra rất chậm chạp do quá trìnhchuyển chất trong vật liệu xảy ra chủ yếu là cơ chế khuếch tán, trong vật liệu vẫn còn có lỗxốp và mật độ không đồng đều Công nghệ này thích hợp cho việc chế tạo các chi tiết dạngmỏng Để làm tăng tốc độ lắng đọng, từ đó làm giảm thời gian của quá trình, có thể tác độngvào áp suất hoặc nhiệt độ lên tiền chất và thậm chí có thể nhúng hẳn sợi vào tiền chất có chứanguyên tố nền ở trạng thái lỏng [7]

3.2. Xử lý bằng pha lỏng

Sợi đã được bọc lớp trung gian được nhúng vào chất nền ở dạng lỏng Trong công nghệthấm chất lỏng hoạt tính (Reactive Melt Infiltration, RMI), nhờ có lực mao dẫn, sợi đượcthấm một pha lỏng có phản ứng với cả pha rắn dùng để hợp chất tạo sợi (nền SiC – Si hìnhthành bằng cách thấm silic lỏng của tiền chất tăng bền nhờ cacbon), và tác dụng cả với môitrường (nền được hình thành nhờ thấm nhôm lỏng và phản ứng hoá học với môi trường oxyhoá) Công nghệ này có thể áp dụng để chế tạo các chi tiết thành dày và tạo ra vật liệu ít lỗxốp, dẫn nhiệt tốt [7]

3.3 Công nghệ hoả luyện và thấm polymer:

Sợi được nhúng vào tiền chất của nền dạng polyme, có nghĩa là, một loại nhựa phản ứngnhiệt hoặc hắc ín dùng cho cacbon hoặc polycacbonsilan cho SiC, sau đó đem nung đến nhiệt

độ thích hợp Trong quá trình xử lý, vật liệu bị co ngót do hiện tượng thoát khí Hiện tượng

co ngót này có thể hạn chế bằng cách dùng tiền chất dạng cháo nhuyễn hoặc dùng phươngpháp ép nóng với điều kiện là nền phải đủ dẻo để không làm tổn hại đến sợi Phương phápthấm pha ép nóng có thể dùng để chế tạo composite nền gốm thuỷ tinh [7]

Chế tạo vật liệu nền bằng phản ứng thiêu kết hỗn hợp 20% SiC và 80% sau khi đã tạohình bằng phương pháp đúc đổ dưới áp suất Cụ thể, trước hết tiến hành oxy hoá SiC ở1250°C để tạo thành cristobalic, sau đó cho phản ứng với ở nhiệt độ 1550°c để tạo thànhmullit Vật liệu thu được có độ co ngót nhỏ trong quá trình thiêu kết và có thể hình thành sựliên kết giữa các sợi tăng cường mà không để lại các vết nứt do ứng suất dư Dùng thiết bịkéo sợi để bọc xung quanh sợi saphia, đồng thời tạo ra tiền chất dạng sợi Sợi được kéo qua

1 bể chứa, dạng sol sau đó đi qua một lò nung có nhiệt độ 1200°C để tạo được lớp vỏ bọc dàykhoảng 0,5 – 1,0µm Composite chứa 12% sợi được chế tạo bằng kỹ thuật thấm dùng áp suất(the pressure filtration technique), trong kỹ thuật này, bột nhão chứa vật liệu nền được hútthấm vào tiền chất dạng sợi bằng áp lực thấp Sau khi sấy trong buồng có độ ẩm thích hợp,mẫu được đem đi gia công nhiệt tiếp theo để tạo ra trạng thái composite [7]

4 Công nghệ tạo hình vật liệu composite nền gồm

4.1. Phương pháp ép

Có nhiều phương pháp để bột kim loại có thể ép và thiêu kết, tạo thành sản phẩm đặcchắc và các loại bột ceramic cung như vậy Quy trình chế tạo ceramic cung gồm các bước:tạo bột gốm, điền đầy khuôn, ép tạo hình nung thiêu kết gần giống như đối với kim loại bột.[7]

Nguyên công tạo bột, ngoài các phương pháp truyền thống còn có thể dùng phương phápnghiên, đặc biệt là nghiền ướt nếu cần bộ có độ mịn cao Không như dung dịch hoặc huyềnphù, pha rắn trong vữa nghiên có hàm lượng rất cao, 50% hoặc hơn Hàm lượng pha rắn caonhư vậy nhằm mục đích tăng cường lớp vỏ có độ nhớt thích hợp trong môi trường nghiền (bi

và thùng nghiền) để ngăn cản các hạt nghiền thoát ra khỏi vùng nghiền nhưng không làm triệttiêu hoàn toàn ứng suất nghiền [7]

Kỹ thuật chế tạo bột áp dụng nói chung là để làm giảm hoặc loại bỏ các lỗ xốp ra khỏi vậtliệu ban đầu và để tạo thành 1 sự phân bố kích thước hạt theo yêu cầu Tuy nhiên, các bột khô

có kích thước không phải là những vật liệu ban đầu thích hợp cho các nguyên công ép bột.Loại bột này chảy không tốt và điền đầy khuôn cung không tốt Vật liệu khô chậm kết tụthành hạt (powder agglomerate) thì rất thích hợp để đổ khuôn và ép Những hạt này có thể

chế tạo bằng cách ép, ép đùn, phun Trong đó, phương pháp phun được sử dụng khá phổ biến.Thực chất của phương pháp phun tạo hạt cung là tạo mầm và phát triển của mầm nhưng cóphạm vi kích thước lớn hơn so với quá trình kết tinh [7]

Có thể hình dung quá trình hình thành hạt như sau: Khi khuấy bột tung lên, các phần tử sẽquay lại và trượt lên nhau, các hạt mịn sẽ bay lên Một nhân của hạt sẽ hình thành khi mộtgiọt chất lỏng va chạm và bị hấp thụ lên trên bề mặt của một nhóm các phần tử Lực mao dẫntạo thành độ bền cho mầm Các mầm sẽ nhiều lên khi chất lỏng ít dần đi do một lớp màngmịn và bột bị rung dữ dội Sự lớn của hạt bởi quá trình tạo lớp sẽ xảy ra do tiếp xúc và dínhbám của các hạt riêng biệt lên trên mầm tiếp theo Một tổ hợp các mầm nhỏ và các đoạn nhỏcung có thể hình thành nên một hạt Tốc độ của mỗi cơ chế hình thành mầm phụ thuộc vàotốc độ cung cấp pha lỏng, sự hấp phụ pha lỏng lên trên hạt (hay cụm bột) và công nghệ trộn.Hàm lượng pha lòng cao hơn giới hạn sẽ làm tăng kích thước hạt, làm cho kích thước hạtkhông đồng đều và độ xốp của hạt cung tăng lên Lượng chất lỏng cần thiết để tạo hạt sẽ tănglên khi diện tích bề mặt riêng cung tăng lên và thông thường chiếm khoảng 20 – 36% thểtích Với lượng pha lòng như vậy, các lỗ xốp trong hạt được được bão hoà hoàn toàn Hạthình thành bằng phương pháp phun có hình dạng gần hình cầu hơn các phương pháp khác, ví

dụ, nén hoặc ép đùn và thường phải sấy sơ bộ trước khi sử dụng để ép [7]

Sấy phun là một nguyên công khác về cơ bản so với tạo hạt bằng cách phun đã mô tả trên.Khi sấy phun, bột nhão được phun vào trong môi trường có nhiệt độ trung bình để cho mộtphần pha lỏng bay hơi, các hạt tạo thành có dạng gần cầu và đồng nhất hơn so với hạt đượctạo từ phương pháp phun đơn giản Sấy phun thường áp dụng để chế tạo các loại bột ferit, , ,carbide, nitride, gốm [7]

Các hạt được chế tạo từ các phương pháp trên cần phải có thêm chất phụ để tạo hình Tácdụng của chất phụ là để ổn định độ nhớt và làm cho hỗn hợp ceramic có những tính chất phùhợp với quá trình gia công [7]

Tốc độ chảy của bột vào trong khuôn thường được xác định nhờ phương pháp truyềnthống là xác định khối lượng hoặc thể tích trong một đơn vị thời gian Một phương pháp khác

để xác định khả năng chảy của bột là xác định góc ngh mà bột hình thành khi rót bột lên bềmặt phẳng Vật liệu có khả năng chảy tốt sẽ tạo thành một đống phẳng có góc nghi rất nhỏ vàngược lại, vật liệu có tính chảy tốt sẽ hình thành đống cao hơn và góc nghi lớn hơn Các hạtđặc hình cầu có bề mặt nhẵn, đường kính 20µm hoặc cao hơn sẽ cho tính chảy rất tốt [7]Nén sơ bộ là nguyên công dùng áp lực làm các hạt composite chặt lại gần nhau, tạo ramột chi tiết tương đối bền vững và có tính chất và cấu trúc đặc biệt Khi ép lần đầu tiên, áp