Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp (mức độ vĩ mô) của hai hay nhiều vật liệu thành phần khác nhau về hình dạng hoặc thành phần hóa học nhằm tạo nên một vật liệu mới có tính năng vượt trội so với từng vật liệu thành phần. Nhiều vật liệu có nguồn gốc tự nhiên là composite. Ví dụ gỗ là một composite gồm những sợi cellulose trong nền liên kết là lignin, hoặc xương bền và nhẹ được hình thành do sự kết hợp của các tinh thể apatite (một hợp chất của canxi) và những sợi protein collagen. Ở Ấn Độ, Hy Lạp và các nước khác, rơm hoặc trấu được trộn với đất sét để làm nhà cách đây hàng trăm năm là loại composite sợi ngắn.
Trang 1Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ VẬT LIỆU
COMPOSITE
1 1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp (mức độ vĩ mô) của hai hay nhiều vật liệu thành phần khác nhau về hình dạng hoặc thành phần hóa học nhằm tạo nên một vật liệu mới có tính năng vượt trội so với từng vật liệu thành phần
Nhiều vật liệu có nguồn gốc tự nhiên là composite Ví dụ gỗ là một composite gồm những sợi cellulose trong nền liên kết là lignin, hoặc xương bền và nhẹ được hình thành do sự kết hợp của các tinh thể apatite (một hợp chất của canxi) và những sợi protein collagen Ở Ấn Độ, Hy Lạp và các nước khác, rơm hoặc trấu được trộn với đất sét để làm nhà cách đây hàng trăm năm là loại composite sợi ngắn
Sự tổ hợp hai hay nhiều vật liệu khác nhau trong composite nhằm tạo nên một sản phẩm với các tính chất tối ưu, bao gồm tính chất cơ học, tính chất hóa học và tính chất chất vật lý như tính chất nhiệt (độ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chảy mềm), tính chất điện (độ dẫn điện, tổn thất điện môi…), tính chất quang học, tính cách âm…
Từ những năm 1960, xuất hiện nhu cầu ngày càng tăng về các vật liệu yêu cầu cứng và nhẹ hơn Tuy nhiên, không có một vật liệu đơn nào (monolithic material) có thể đáp ứng được yêu cầu đó Xuất phát từ nhu cầu
đó ý tưởng chế tạo vật liệu kết hợp từ một số vật liệu khác nhau ra đời và tạo nên một loại vật liệu mới đó là vật liệu tổ hợp hay còn gọi là vật liệu composite
Vật liệu composite được xem là vật liệu cấu tạo bởi hai hay nhiều thành phần gồm một hay nhiều loại vật liệu gia cường (gián đoạn) phân bố trong thành phần vật liệu nền, liên tục Vật liệu composite phổ biến gồm hai
Trang 2thành phần chính: Vật liệu gia cường (reinforcing material) và vật liệu nền (matrix) (Hình 1.1)
Hình 1.1 Mô hình vật liệu composite
Vật liệu nền đóng vai trò liên kết các vật liệu gia cường rời rạc tạo nên một sản phẩm liên tục Dưới tác dụng ngoại lực, vật liệu gia cường là thành phần chính chịu tải trọng vì nó thường có tính chất cơ lý cao hơn vật liệu nền Ngược lại, vật liệu nền thường có độ bền, độ cứng thấp hơn và dẻo dai hơn vật liệu gia cường Dưới tác dụng ngoại lực vật liệu nền có vai trò chuyển ứng suất sang vật liệu gia cường Ngoài ra, vật liệu nền còn đóng vai trò chính trong việc bảo vệ composite khỏi sự tấn công của môi trường, hóa chất đồng thời đóng vai trò quyết định đến độ bền nhiệt, khả năng gia công… của vật liệu composite
1.2 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU COMPOSITE
Dựa vào các tính chất và nguồn gốc tạo ra vật liệu, trong khoa học phân loại composite theo các cách sau:
1.2.1 Phân loại theo cấu trúc vật liệu gia cường
Dựa vào cấu trúc vật liệu gia cường, composite được phân thành 3 nhóm chính: composite gia cường sợi (composite cốt sợi), composite gia cường hạt (composite cốt hạt) và composite cấu trúc
a) Composite gia cường sợi
Composite gia cường sợi (fibre reinforced composite – FRC) là composite có vật liệu gia cường ở dạng sợi, ví dụ như composite sợi thủy tinh, composite sợi tự nhiên…
Trang 3Trong hệ composite này, sợi chịu tải trọng chính, vật liệu nền chỉ đóng vai trò phân bố tải trọng và truyền tải trọng sang sợi cũng như liên kết các sợi lại với nhau Nói chung, mục đích thiết kế FRC nhằm tạo sản phẩm có modul riêng (modul/khối lượng riêng) và độ bền riêng (độ bền/khối lượng riêng) cao Các sợi trong composite có thể được phân bố ngẫu nhiên hoặc có
sự định hướng nhất định
Tùy thuộc vào tỉ số chiều dài (l)/đường kính (d) mà composite cốt sợi được phân thành composite sợi liên tục (sợi dài) và composite sợi gián đoạn (sợi ngắn) (Hình 1.2).Composite sợi dài: là composite có tỉ số l/d của sợi tối thiểu là 200 Ngược lại, khi composite có có l/d của sợi nhỏ hơn 200 được xem là composite sợi ngắn
Hình 1.2 Composite sợi dài (a) và sợi ngắn (b)
Trong composite gia cường sợi, hiệu quả gia cường và khả năng điều chỉnh sự sắp xếp của sợi ngắn kém hơn sợi dài Sự sắp xếp của sợi ngắn thường kém chặt chẽ hơn nên hàm lượng sợi trong composite sợi ngắn thường thấp hơn trong composite sợi dài Tuy nhiên, tính chất bất đẳng hướng của composite sợi ngắn bé hơn so với composite sợi dài
b) Composite gia cường hạt
Composite gia cường hạt (Particulate reinforced composite): là
composite được gia cường bởi các hạt với các hình dạng (hình cầu, que, vảy ) và cỡ kích khác nhau như bột gỗ, than đen, talc, cao lanh, vảy mica, sắt, đồng, nhôm…
Trang 4Các vật liệu gia cường hạt có kích cỡ macro, micro hoặc nano và thường có độ cứng cao hơn vật liệu nền Một số vật liệu gia cường dạng hạt
có thể cải thiện các tính chất của composite như giảm co ngót, chống chảy, kháng mài mòn, chịu nhiệt… Tuy nhiên, khả năng cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu gia cường dạng hạt thường bé hơn rất nhiều so với vật liệu gia cường dạng sợi và phụ thuộc rất nhiều vào kết dính tại bề mặt ranh giới phân chia pha Chính vì vậy, vật liệu composite hạt thường được dùng trong các ứng dụng yêu cầu về độ bền không cao
Trong nhiều trường hợp các hạt được sử dụng trong chế tạo composite nhằm mục đích giảm giá thành và tăng độ cứng sản phẩm
c) Composite cấu trúc
Composite cấu trúc gồm 2 loại chính: composite dạng lớp (laminate)
và sandwich panel
Composite dạng lớp (Hình 1.3):được tạo thành từ các lớp cơ sở, lớp thứ nhất là lớp chịu lực (thường là các composite cốt sợi đơn hướng) và lớp thứ hai đóng vai trò liên kết (thường là vật liệu đồng nhất) hoặc có thể được tạo thành từ cùng một loại vật liệu (thường là các composite cốt sợi đơn hướng), gồm nhiều lớp sắp xếp đổi hướng các lớp cho phù hợp yêu cầu thiết
kế rồi ép lại sẽ thu được các bán thành phẩm dạng tấm dùng trong xây dựng nhà cửa, làm vỏ thân cánh và đuôi các loại máy bay…
Hình 1.3 Composite dạng lớp
Sandwich panel (Hình 1.4): Cấu tạo gồm hai lớp mặt, là vật liệu có
độ bền và cứng cao như tấm cấu trúc composite dạng lớp, hợp kim nhôm, hợp kim titan… và lớp lõi ở giữa, là vật liệu nhẹ, có độ bền và độ cứng tương đối bé Lớp lõi có tác dụng duy trì khoảng cách giữa hai tấm mặt và giảm biến dạng theo chiều vuông góc mặt tấm, tạo độ cứng nhất định, tránh hiện tượng cong vênh tấm Lớp lõi thường làm bằng: polymer bọt, cao su
Trang 5nhân tạo, gỗ nhẹ, vật liệu dạng tổ ong Composite loại này được ứng dụng rất rộng rãi: trần, sàn, tường trong xây dựng nhà cửa, làm vỏ thân cánh và đuôi các loại máy bay…
Hình 1.4 Sandwich panel
1.2.2 Phân loại theo bản chất vật liệu nền
Theo bản chất vật liệu nền, composite được chia thành ba nhóm chính sau: composite nền polymer, composite nền kim loại và composite nền ceramic
a) Composite nền polymer
Composite nền polymer (Polymer matrix composite – PMC) là composite có nền là các loại polymer nhiệt dẻo như polypropylene, polyethylene, polyvinyl chloride, polyamide… hoặc các polymer nhiệt rắn như polyester không no, vinyl ester, phenolic, melamine, polyurethane, epoxy… Vật liệu gia cường là các sợi, hạt hữu cơ (sợi Kevlar, cellulose…), vô cơ (thủy tinh, carbon…) và kim loại (bo, nhôm, thép, molipden…)
Loại composite này được sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm rất lớn là dễ dàng gia công tạo những sản phẩm có hình dạng phức tạp và kích thước lớn Trong hệ composite này, vật liệu gia cường có độ bền và modul cao còn polymer nền có vai trò truyền tải trọng và tăng khả năng kháng ăn mòn, chịu thời tiết cho composite
b) Composite nền kim loại
Composite nền kim loại (Metal matrix composite – MMC) là composite có nền là các kim loại như nhôm, magie, titan, sắt, cobalt, đồng…
Lớp tổ ong
Lớp kết dính
Lớp bề mặt
Sản phẩm sandwich panel
Trang 6Vật liệu gia cường là các sợi, hạt vô cơ ceramic (oxide, cacbua silic ) hoặc kim loại (chì, vonfram, molipden ) Vật liệu nền thường dẻo dai, vật liệu gia cường thường có tác dụng cải thiện tính chất cơ lý, kháng mài mòn, chống rão, dẫn nhiệt, ổn định kích thước của composite
Ưu điểm lớn của composite nền kim loại so với nền polymer là khả năng chịu nhiệt tốt hơn, không cháy và chống lại sự tấn công của các chất lỏng hữu cơ tốt hơn Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm so với composite nền polymer là giá thành cao hơn và khối lượng riêng lớn hơn, dễ bị phá hủy tại bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường do kim loại
dễ bị ăn mòn
c) Composite nền ceramic
Trong composite nền ceramic (Ceramic matrix composite – CMC), nền ceramic có thành phần chính là oxide, carbide, nitride và boride được gia cường bởi các hạt, sợi vô cơ ceramic hoặc kim loại Do sức căng bề mặt của ceramic nóng chảy cao nên khó thấm ướt lên các loại sợi Chính vì vậy trong thực tế tồn tại rất ít hệ composite nền ceramic
Một hệ composite điển hình trên nền ceramic được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật là composite nền carbon gia cường sợi carbon nhờ những tính chất ưu việt như chịu nhiệt tốt đến 2200oC mà vẫn duy trì độ bền cao, tỉ số
độ bền/trọng lượng và độ cứng/trọng lượng cao, ổn định kích thước tốt, chống ăn mòn tốt, kháng hóa chất tốt… Composite nền carbon gia cường sợi carbon được dùng trong những ứng dụng cấu trúc và phi cấu trúc, đặc biệt là ứng dụng cấu trúc vận hành ở nhiệt độ cao như các bộ phận của máy bay, động cơ phản lực, tên lửa… Nhược điểm lớn nhất của hệ composite này là giá thành cao do giá nguyên liệu và chi phí sản xuất cao
1.3 VAI TRÒ CỦA CÁC VẬT LIỆU THÀNH PHẦN
1.3.1 Vai trò của vật liệu gia cường
Vật liệu gia cường thường đóng những vai trò chính sau:
– Chịu tải trọng tác dụng lên vật liệu composite (đến 70 ÷ 90% tải trọng) nên tính chất cơ lý của vật liệu gia cường thường cao hơn so với vật liệu nền
– Tạo độ cứng, độ bền, ổn định nhiệt và các tính chất cấu trúc khác của composite
Trang 7– Tạo cho sản phẩm có tính cách điện hoặc dẫn điện tùy thuộc vào loại vật liệu gia cường
1.3.2 Vai trò của vật liệu nền
Vật liệu nền thường chiếm 30 ÷ 40% thể tích của composite, nó đóng những vai trò chính sau:
– Liên kết các vật liệu gia cường lại với nhau
– Phân bố tải trọng tác dụng lên vật liệu composite bằng cách truyền tải trọng sang vật liệu gia cường
– Bảo vệ vật liệu khỏi sự tấn công của hóa chất và hơi ẩm
– Bảo vệ bề mặt sợi khỏi bị phá hủy cơ học (do mài mòn…)
– Tạo vẽ thẩm mỹ cho sản phẩm
– Ảnh hưởng lớn đến độ bền lâu, độ dẻo dai, độ bền nhiệt, khả năng gia công… của composite Ví dụ vật liệu nền dẻo dai sẽ tăng độ dẻo dai cho sản phẩm Đối với những ứng dụng yêu cầu độ dẻo dai cao nên lựa chọn vật liệu nền là polymer nhiệt dẻo
– Ngoài ra, mô hình phá hủy của composite bị ảnh hưởng nhiều bởi loại vật liệu nền cũng như tính tương thích với vật liệu gia cường
1.4 KẾT DÍNH TẠI BỀ MẶT TIẾP XÚC GIỮA VẬT LIỆU GIA CƯỜNG VÀ VẬT LIỆU NỀN
1.4.1 Góc tiếp xúc
Khi vật liệu composite chịu tác dụng của ngoại lực, tải trọng tác dụng lên vật liệu nền sẽ được truyền sang vật liệu gia cường qua bề mặt tiếp xúc Nếu composite yêu cầu có độ bền và độ cứng cao thì vật liệu gia cường phải liên kết bền vững với vật liệu nền Tuy nhiên, một bề mặt tiếp xúc bền thì sẽ tạo composite có độ cứng và độ bền cao nhưng khả năng chống lại sự phát triển vết nứt kém do đặc tính dòn
Kết dính giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường tốt là nhờ tồn tại các liên kết, tương tác tại bề mặt tiếp xúc Muốn các liên kết này phát triển thì trước hết phải có sự thấm ướt tốt vật liệu gia cường lên bề mặt vật liệu nền Khả năng thấm ướt được định nghĩa là mức độ trải của chất lỏng lên một bề mặt rắn Trong gia công composite vật liệu nền thường được chuyển sang trạng thái lỏng, có độ nhớt đủ thấp để thấm ướt tốt những chỗ lồi lõm, gồ ghề
Trang 8trên bề mặt vật liệu nền Khả năng thấm ướt thường được đánh giá qua góc tiếp xúc α
Góc tiếp xúc α (Hình 1.5) có mối tương quan với các năng lượng bề mặt được biểu diễn bằng phương trình Young sau:
Cos α = (σS– σSL)/σL
Với:
σS: Năng lượng tự do bề mặt vật liệu gia cường (rắn– solid)
σSL: Sức căng bề mặt tiếp xúc vật liệu gia cường (rắn)/vật liệu nền (lỏng– liquid)
σL: Sức căng bề mặt nhựa (lỏng)
Có ba trường hợp có thể xảy ra như sau:
α = 0: Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn bề mặt vật liệu gia cường rắn 0° < α < 90°: Chất lỏng thấm ướt không hoàn toàn bề mặt vật liệu gia cường rắn
90° < α < 180°: Chất lỏng không thấm ướt bề mặt vật liệu gia cường rắn
Hình 1.5 Góc tiếp xúc của chất lỏng lên bề mặt rắn
1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bám dính, liên kết tại bề mặt
tiếp xúc
Trong quá trình gia công, cần điều chỉnh điều kiện gia công phù hợp
để có sự thấm ướt kết dính tốt giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường Sau đây là các yếu tố giúp tạo liên kết tốt tại bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu gia cường và nhựa nền:
– Góc tiếp xúc bé giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường
– Sức căng bề mặt vật liệu nền lỏng (σL) càng bé càng tốt
– Độ nhớt vật liệu nền khi gia công thấp
Trang 9– Tăng áp suất để giúp vật liệu nền chảy tốt
– Độ nhớt sau gia công của vật liệu nền cao (làm nguội, đóng rắn ) – Làm sạch bề mặt vật liệu gia cường khỏi bụi bẩn
– Loại bỏ các vết nứt, lỗ rỗng trên bề mặt vật liệu gia cường
– Bề mặt vật liệu gia cường có độ nhám phù hợp
– Độ cứng vật liệu nền nên bé hơn vật liệu gia cường
– Hệ số giãn nở nhiệt của các vật liệu thành phần giống nhau
– Thiết kế composite phù hợp
1.4.3 Các loại liên kết hình thành tại bề mặt tiếp xúc
Khi vật liệu nền thấm ướt vật liệu gia cường, một số liên kết có thể được hình thành tại bề mặt tiếp xúc gồm:
– Liên kết cơ học
– Liên kết nhờ lực tương tác tĩnh điện
– Liên kết nhờ lực khuếch tán
– Liên kết vật lý, hóa học
a) Liên kết cơ học
Để giải thích liên kết cơ học hình thành tại bề mặt tiếp xúc, mô hình thuyết kết dính được đưa ra bởi MacBain and Hopkins vào năm 1925 Theo thuyết này, kết dính được hình thành nhờ vật liệu nền khi gia công ở trạng thái lỏng lấp vào những khe, lỗ trống và những chỗ gồ ghề trên bề mặt vật
liệu gia cường, khi vật liệu nền hóa rắn nhờ làm nguội hoặc đóng rắn sẽ hình thành liên kết cơ học tại bề mặt tiếp xúc Ví dụ như trường hợp kết dính giữa cao su và vải trong công nghệ sản xuất lốp xe, vải đóng vai trò là
vật liệu gia cường, cao su đóng vai trò là vật liệu nền Trong quá trình gia công những mạch cao su có đủ độ linh động khuếch tán vào những chỗ gồ
ghề trên bề mặt của vải tạo liên kết cơ học tại bề mặt tiếp xúc giữa cao su
và vải
Khi độ nhám bề mặt vật liệu gia cường tăng thì thấm ướt nhựa nền tốt (Hình 1.6) giúp phát triển các liên kết hóa học, hạn chế hình thành bọt khí tại bề mặt tiếp xúc, tăng cường tương tác cơ học giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường dẫn đến bám dính cơ học sẽ tăng Tuy nhiên, làm nhám quá
mức sẽ xuất hiện các lỗ sâu trên bề mặt vật liệu gia cường thì vật liệu nền
lỏng khó thấm vào sẽ gây hiệu quả ngược lại
Trang 10Liên kết, bám dính cơ học hiệu quả khi ngoại lực tác dụng song song với bề mặt tiếp xúc Nếu bề mặt tiếp xúc chịu tác dụng của lực kéo thì độ bền thường thấp trừ khi các vị trí ngoằn ngoèo như điểm A (Hình 1.7) có mật độ dày đặc do sự thay đổi phân bố ứng suất tại bề mặt tiếp xúc (Hình 1.8) diện tích vùng bề mặt tiếp xúc tăng, ranh giới ngoằn ngèo làm cho sự phân tán ứng suất tốt Quá trình làm nhám còn giúp loại bỏ lớp kém bền trên
bề mặt vật liệu nền như dầu mỡ, chất bẩn, gỉ
Hình 1.6 Mô hình th ấm ướt nhựa nền lên bề mặt nhẵn và nhám
Hình 1.7 Mô hình liên kết cơ học tại bề mặt tiếp xúc
