tổng quan về vật liệu composit

Luận văn này có nhiệm vụ nghiên cứu tổng hợp vật liệu , khảo sát tínhchất và khả năng liên kết tạo vật liệu composit của thuỷ tinh có tính chất sinhhọc tốt với một số vật liệu khác nhau.

Mục Lục

Mở Đầu 1

Phần I: Tổng quan về vật liệu composit 1

I-Khái Niệm 1

II- Lịch sử phát triển

1

III-Xu hớng phát triển 5

IV- Đặc điểm và phân loại 6 V-Vật liệu thành phần của composit 9

VI-Cấu trúc và tính chất của vật liệu composit

12

1-Cấu trúc 12

2-Một số yếu tố ảnh hởng đến tính chất của composit 14

VII-Các phơng pháp chế tạo vật liệu composit 22

PhầnII-Nghiên cứu thực nghiệm và kết quả 26

I-Nhiệm vụ nghiên cứu 26

II-Nghiên cứu thực nghiệm và kết quả 27

II.1-Phơng pháp nghiên cứu 27

II.2-Nghiên cứu quá trình nấu thuỷ tinh 30

II.3- Đo đạc tính chất thuỷ tinh 33

II.4- Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh 39

III.4.1- Sơ đồ tổng hợp vật liệu composit 39

II.4.2 Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh và sợi Cr-Ni.43 II.4.3 Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh và sợi Inox 46 II.4.4 -Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh và sợi SiC .48 II.4.5- Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh bền cơ cao 49

II.4.6- Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh và gốm corun .50

Phần III- Kết luận 51

Tài Liệu Tham Khảo 52

Mở đầu

Vật liệu là một lĩnh vực quan trọng đối với đời sống và sản xuất côngnghiệp Mỗi một loại vật liệu đều có những u ,nhợc điểm riêng (ví dụ:vật liệuhữu cơ :nhẹ , bền, rẻ, dễ gia công nhng không sử dụng đợc ở nhiệt độ cao; vậtliệu vô cơ: chịu lực tốt, rẻ, có thể sử dụng đợc đợc ở khoảng nhiệt độ rộng nh-

ng kém bền, kết cấu nặng nề , khó gia công…) Sự phát triên mạnh mẽ của) Sự phát triên mạnh mẽ củacông nghệ hiện đại dẫn tới nhu cầu to lớn về những vật liệu đồng thời cónhiều tính chất cần thiết mà các vật liệu truyến thông khi đứng riêng rẽ khôngthể có đợc.Vật liệu kết hợp hay composit ra đời vừa đáp ứng nhu cầu cấp bách

đó, vừa là sản phẩm của những công trình nghiên cứu trong nửa sau thế kỷ XXnhằm khai thác, phát triển quy luật kết hợp – một quy luật phổ biến trong tựnhiên Ngày nay, vật liệu composit đã và đang thay thế dần các vật liệu truyềnthống nh: vật liệu vô cơ,hữu cơ, kim loại…) Sự phát triên mạnh mẽ củađể chế tạo ra các chi tiết máy vàkết cấu kể cả các kết cấu chịu tải trọng lớn cũng nh các sản phẩm dân dụngkhác, trong đó có cả lĩnh vực y tế – một lĩnh vực còn mới mẻ - đó là vật liệucomposit y sinh

Vật iệu composit y sinh là một loại vật liệu không những có khẳ năngdung nạp tốt trong cơ thể con ngời mà còn có khẳ năng tạo ra mối liên kếttrực tiếp kiểu sinh hóa giữa nó và tế bào xơng cơ thể sống Vì vậy nó là loạivật liệu lý tởng để sữa chữa , thay thế các bộ phận xơng răng cơ thể con ngờitrong phẫu thuật chỉnh hình

Luận văn này có nhiệm vụ nghiên cứu tổng hợp vật liệu , khảo sát tínhchất và khả năng liên kết tạo vật liệu composit của thuỷ tinh có tính chất sinhhọc tốt với một số vật liệu khác nhau.các loại cốt khác nhau

Phần I : Tổng Quan Về Vật Liệu Composit

I Khái Niệm

Vật liệu composit (composit ) là vật liệu tổ hợp từ hai (hoặc nhiều) vậtliệu có bản chất khác nhau Vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tínhcủa từng vật liệu thành phần khi đứng riêng rẽ.[1]

II Lịch sử phát triển

Vật liệu composit đầu tiên đã xuất hiện cách đây hàng nghìn năm 5000năm trớc công nguyên ngời cổ đại đã thêm đá nghiền nhỏ hoặc những vật liệunguồn gốc hữu cơ vào đất sét để giảm độ co , cứt khi nung gạch hoặc đồgốm ở Ai cập khoảng 3000 năm TCN ngời ta đã làm vỏ thuyền bằng lau sậy

đan tẩm bitum, nếu bỏ qua một số khái niệm thì kỹ thuật đó cũng giống nh kỹthuật làm tàu hiện đại từ chất dẻo cốt thuỷ tinh hiện nay ở Việt Nam , thuyềntre đan trát sơn trộn mùn ca là một ví dụ về vật liệu composit [2]

Năm 1851, Nelson Goodyear đã dùng oxyt kẽm làm chất độn cho elonit Năm

1920 , Bakeland đă dùng bột gỗ độn vào nhựa bakelit và John đã sử dụngxenlulo làm chất độn cho các loại nhựa [8]

Mặc dù đợc hình thành từ rất sớm , nhng việc chế tạo vật liệu composit mớithực sự đợc chú ý khoảng 60 năm trở lại đây Vào những năm 1930 Slayter đã

đợc Ellis và Foster dùng gia cờng cho polyeste không no Polyeste tăng cờngbằng sợi sợi thủy tinh đợc sử dụng trong ngành hàng không năm 1938.[8]Năm 1944 đã sản xuất hàng nghìn chi tiết bằng chất dẻo composit cho máybay và tàu chiến phục vụ đaị chiến thế giới lần thứ II.Năm 1950 chất lợng củavật liệu polyme composit đợc nâng cao nhờ sự ra đời của nhựa epoxy và hàngloạt sợi tăng cờng nh sợi cabon, sợi polyeste, nylon, aramit (kelva), sợi silic…) Sự phát triên mạnh mẽ của

Từ năm 1970 đến nay , các chi tiết chế tạo từ composit cốt sợi đã đợc ứngdụng rộng rãi trong công nghiệp , làm vật liệu xây dựng và những ngành kỹthuật cao [5]

Mặc dù vậy , việc nghiên cứu nâng cao chất lợng , cải thiện tính chất cơ lý ,tính chất nhiệt , điện v.v…) Sự phát triên mạnh mẽ của, mở rộng lĩnh vực ứng dụng của vật liệu này vẫnluôn đợc đợc đặt ra

III- Xu hớng phát triển của vật liệu composit trong thờigian tới [2]

- Thay thế thép bằng vật liệu composit: Sự thay thế thép bằng các vật liệu mới

có liên quan đến các tính chất đặc biệt và bản chất vật lý của chúng Trongcác vật rắn tinh thể , thép và các kim loại khác luôn tồn tại những sai lệch đ -ờng Số lợng của chúng lên tới nhiều tỷ trên 1cm3 , làm yếu kim loại và khôngcho phép tăng độ bền của chúng lên một cách đáng kể, Nhờ những tính chất uviệt , vật liệu polyme composit cho phép đạt đợc độ bền nén lớn hơn nhiều sovới thép

- Chuyển vật liệu sang dạng sợi để tăng cờng độ bền : kết quả nghiên cứutrong nhiều năm đã chứng tỏ khi chuyển vật liệu ở dạng khối sang dạng sợithì độ bền của chúng tăng lên Trong những sợi mảnh , độ bền đạt tới giá trịgần với lý thuyết và khi đó trong cấu trúc không quan sát thấy khuyết tật.-Đa dạng hoá nền polyme và chất tăng cờng : Trong những năm gần đây trênthế giới , cùng với những loại nhựa nhiệt rắn đã đợc sử dụng rộng rãi nh nhựaepoxy , polyeste không no , phenolfomandehyt…) Sự phát triên mạnh mẽ của ngời ta đã sử dụng rất cóhiệu quả các loại nhựa nhiệt dẻo nh PE, PP, polyamit, polycacbonat -Phối hợp giữa các vật liệu polyme , nền kim loại và gốm.[2]

IV đặc điểm và phân loại vật liệu composit

1 Các đặc điểm chung.

- Là vật liệu nhiều pha Các pha tạo nên composit thờng rất khác nhau về mặtbản chất , không hoà tan lẫn nhau , phân tách nhau bằng bề mặt phân chiapha Pha liên tục trong toàn khối composit đợc gọi là nền (matrix), pha phân

bố gián đoạn , đợc nền bao bọc , quy định gọi là cốt (Hình 1.1)

l

dáng , kích thớc , cũng nh sự phân bố củanền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trớc

- Tính chất của các pha thành phần đợc kết hợp để tạo nên tính chất chungcủa composit Tuy vậy tính chất của composit không bao hàm tất cả các tínhchất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đónhững tính chất tốt và phát huy thêm [1]

* Cơ tính của vật liệu composit phụ thuộc vào :

+ Cơ tính của vật liệu thành phần

+ Luật phân bố hình học của vật liệu cốt

+ Tác dụng tơng hỗ giữa các vật liệu thành phần …) Sự phát triên mạnh mẽ của[3]

2 Phân loại :

Để phân loại vật liệu composit ngời ta dựa vào các đặc điểm chung củachúng :

NềnCốtHình 1.1: Vật liệu Composit

- Theo bản chất của vật liệu nền : Composit nền polyme, gốm , graphit, kimloại ,hỗn hợp nhiều pha.

- Theo hình học cốt : Composit cốt hạt ( thô , mịn ) , composit cốt sợi ( dài,ngắn )

- Theo cấu trúc vật liệu : Composit tấm,lớp, tấm 3 lớp, khối , tổ ong…) Sự phát triên mạnh mẽ của

- Theo phơng pháp chế tạo : Đúc,ép ,đúc phun, lăn tô …) Sự phát triên mạnh mẽ của

- Theo phạm vi ứng dụng : Composit cao cấp, composit kỹ thuật

2.1 Phân loại theo bản chất của vật liệu nền

* Nền kim loại :

Kim loại có độ bền, cứng, dẻo khá cao, có thể chịu đợc nhiệt độ cao hơnpolyme trong môi trờng có oxy Vật liệu composit nền kim loại có modun rấtcao (~ 110 GPa ) ,nền đòi hỏi sợi tăng cờng phải có modun cao Al, Mg, Ti,

Cu đợc nghiên cứu ứng dụng làm nền composit hơn cả, đặc biệt các kim loạinhẹ rất đợc a chuộng trong ngành hàng không

- Nền kim loại có một số u điểm so với nền polyme :

+ Kim loại nói chung dẻo , khá bền nên cải thiện chỉ tiêu cơ lý của polyme

nh modun đàn hồi

+ Có độ dẫn điện, nhiệt cao hơn

+ Không bốc cháy, ít bị ảnh hởng của môi trờng ẩm

+Có tính đàn hồi nên trong một số trờng hợp dễ gia công,lắp ráp

- Nhợc điểm chính của nền kim loại là khối lợng riêng lớn Công nghệ chế tạocomposit nền kim loại phức tạp hơn rất nhiều so với nền polyme và do vậy giáthành sản phẩm sẽ cao hơn Chính điều này hạn chế việc lựa chọn và triểnkhai ứng dụng chúng trong công nghiệp

* Nền polyme :

Composit nền polyme chiếm khoảng 90 % trong tổng số các loạicomposit Nền polyme rất đợc a chuộng do có tỷ trọng thấp, cách điện, nhiệttốt, dễ gia công Polyme dùng làm nền có 2 loại:Nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệtdẻo[1]

Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng : Polyetylen (PE) , Polypropen (PP),Polystylen , Polyamit…) Sự phát triên mạnh mẽ của[3]

Nhựa nhiệt rắn phổ biến nhất là : Epoxy, polyeste không no, phenolic,polyuretan…) Sự phát triên mạnh mẽ của[3]

*Nền gốm và thuỷ tinh :

Tổ chức điển hình của gốm là đa pha và đa tinh thể Hai pha chính tạonên tổ chức của gốm : Pha thuỷ tinh phân bố xen kẽ giữa các vùng pha tinhthể và gắn kết chúng lại với nhau Gốm là loại vật liệu có độ bền cao, duy trì

đợc độ bền ở nhiệt độ cao (~ 1600o C ), khả năng chịu oxy hoá cao Tuy nhiên

có độ bền kéo thấp , chịu va đập kém [1]

Thuỷ tinh vô cơ là vật liệu nhận đợc bằng cách làm nguội nhanh một hợp chấtvô cơ từ trạng thái nóng chảy ở nhiệt độ cao đến trạng thái rắn không kết tinh.Quá trình này giống nh đối với nhựa nhiệt dẻo nên có thể áp dụng các phơngpháp gia công của nhạ nhiệt dẻo Thuỷ tinh có độ bền và modun đàn hồi cao(~69GPa), độ dãn nở nhiệt thấp Nhờ tính chảy tốt nên khi tăng nhiệt độ và

áp lực ép thì hàm lợng sợi tăng cờng có thể tăng nhng không làm giảm độ bềnvật liệu.[1]

*Nền cacbon/graphit:

Grafit là vật liệu chịu nhiệt rất tốt, cứng, bền nhiệt(>2000oC ), điển hình

là composit cacbon-cacbon Vật liệu này đợc sử dụng nhiều trong ngành hàngkhông, hoá dợc , y tế…) Sự phát triên mạnh mẽ của[1]

2.2 Phân loại theo hình học cốt:

*Composit cốt hạt :

Có cấu tạo gồm các phân tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố đều trongnền Các phân tử cốt rất đa dạng : Các loại khoáng tự nhiên , oxyt, cacbit,nitrit

- Composit cốt hạt mịn : thờng có nền là kim loại hoặc hợp kim, cốt có kíchthớc nhỏ ( < 0.1 m) thờng là các vật liệu bền cứng , có tính ổn định nhiệt cao

nh cacbit, nitrit Tơng tác nền cốt xảy ra ở mức vi mô với kích thớc nguyên

tử , phân tử

- Composit hạt thô : Nền có thể là polyme , kim loại hoặc gốm Cốt thờng đợc

đa vào để cải thiện độ bền nén , kéo , uốn, độ chống mài mòn ,độ ổn địnhkích thớc , chịu nhiệt…) Sự phát triên mạnh mẽ của hoặc tạo ra một tính chất mới theo yêu cầu Tơng tácnền cốt không xảy ra ở mức nguyên tử , phân tử.[1]

*Composit cốt sợi ngắn :

Độ dài cốt sợi nhỏ hơn 5 cm Composit cốt sợi ngắn đợc gia công bằngcác phơng pháp gia công nhựa thông thờng nh đúc , đùn , đuc phun Khi đùnhoặc đúc phun vào khuôn , sợi phải có khả năng đi qua đợc khe hở trong thânthiết bị Sợi ngắn thờng đợc dùng tăng cờng cho nhựa nhiệt dẻo Nhựa nhiệt

rắn do có khối lợng phân tử lớn khi đóng rắn sẽ không có lợi nếu dùng sợingắn.Tất cả composit cốt sợi ngăn đều thuộc composit kỹ thuật.[4]

*Composit cốt sợi có chiều dài trung bình :

Độ dài cốt sợi từ 10 đến 100 mm, thờng dùng cho nhựa nhiệt rắn có thêmbột độn với hàm lợng khá lớn Phơng pháp gia công thờng đợc sử dụng là ph-

ơng pháp ớt Sợi phải đợc thấm ớt hoàn toàn để composit đạt đợc các tínhchất cao nhất Composit này cũng thuộc composit kỹ thuật.[4]

*Coposit cốt sợi dài :

Sợi này hay còn gọi là sợi liên tục thờng đợc dùng tăng cờng cho nhựa nhiệtrắn, chế tạo composit chất lơng cao Loại composit này có thể đợc chế tạovới nền là vô cơ , gốm , kim loại.[4]

3 Phân loại theo phạm vi ứng dụng:

Theo phạm vi ứng dụng thì composit đợc chia thành 2 nhóm Hai nhómnày khác nhau chủ yếu ở loại sợi , chiều dài sợi tăng cờng và loại nhựa đợc sửdụng làm nền

Nhóm thứ nhất đợc gọi là composit tiên tiến (advanced composit ), đợcchế tạo từ các loại sợi dài và có độ bền cao Nhựa nền cũng là các loại nhựa

có đặc tính tốt , chịu nhiệt , bền hoá học Composit chất lợng cao thờng đợcứng dụng trong ngành hàng không , vũ trụ (nh tên lửa , các bộ phận máy bay),cũng nh các dụng cụ thể thao cao cấp (nh vợt tennis, gây chơi gol…) Sự phát triên mạnh mẽ của), vật liệu

y sinh ( sửa chữa, thay thế các bộ phận răng, xơng cơ thể )

Nhóm thứ hai đợc gọi là composit kỹ thuật ( engineering composit ) gồmcác composit cốt sợi ngắn , có tính chất cơ lý thấp hơn Nhựa nền cũng có tínhchất thấp hơn Các sản phẩm làm từ composit kỹ thuật bao gồm : vỏ tàu , canô , otô bồn tắm , bể chứa…) Sự phát triên mạnh mẽ của

V- Các vật liệu thành phần của composit

Thành phần chính của composit là nền và vật liệu tăng cờng(cốt) Ngoài

ra còn có chất đóng rắn , chất độn và một số chất màu (nếu cần).Vật liệu cốtgiúp cho composit có khả năng chịu lực cao hợn Vật liệu nền đóng vai tròliên kết vật liệu cốt với nhau và truyền lực cơ học tới chúng , cũng nh bảo vệcốt chống chọi với môi trờng xung quanh.[3]

1 Cốt

Trong toàn khối composit xét về mặt sắp xếp thì cốt phân bố không liêntục Về mặt bản chất cốt có thể rất đa dạng tuỳ thuộc vào tính chất củacomposit cần chế tạo Trong thực tế cốt có thể bằng kim loại ( thép không rỉ,vofram, molipden…) Sự phát triên mạnh mẽ của) , bằng chất vô cơ ( bo , cacbon , thuỷ tinh , gốm…) Sự phát triên mạnh mẽ của) vàbằng chất hữu cơ ( polyamit thơm, nhựa epoxy…) Sự phát triên mạnh mẽ của) [1]

Hình dạng, kích thớc, hàm lợng và sự phân bố cốt là những yếu tố ảnh hởngmạnh đến tính chất của composit

Một số dạng thức phân bố cốt trong không gian : cốt hoá một chiều (tuyếntính ), cốt hoá hai chiều ( mặt), cốt hoá ba chiều ( khối)

Về đặc tính của từng loại cốt xem phần 2.2

2 Nền [1]

Trong composit nền đóng vai trò chủ yếu sau đây:

- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối thống nhất

- Tạo khả năng để tiến hành các phơng pháp gia công vật liệu composit thànhcác chi tiết theo thiết kế

- Che phủ , bảo vệ cốt tránh các h hỏng cơ học và hoá học do tác dụng củamôi trờng ngoài

Nền có thể là các vật liệu rất khác nhau Về cơ bản ngời ta có thể phân loạinền thành 4 nhóm :polyme , kim koại , gốm và hỗn hợp Đặc tính của từngloại nền xem phần 2.1

3.1 Các dạng tơng tác giữa nền và cốt [1]

Theo đặc điểm ngời ta phân loại tơng tác nền –cốt thành 3 dạng cơ bảnsau:

- Nền và cốt không hoà tan lẫn nhau và không tạo thành hợp chất hoá học

VD : Các composit Al-B, SiC-Al …) Sự phát triên mạnh mẽ của

- Nền và cốt tơng tác tạo dung dịch rắn với độ hoà tan rất nhỏ và không tạohợp chất hoá học

VD: Các composit :Nb-W, Ni- W…) Sự phát triên mạnh mẽ của

- Nền và cốt tơng tác với nhau tạo hợp chất hoá học

VD: Các composit :Al-SiO2 , Ti-Al2O3, Ti-SiC…) Sự phát triên mạnh mẽ của

Tuỳ thuộc vào dạng tơng tác , giữa nền và cốt sẽ hình thành mối liên kếtnhất định Độ bền của composit chịu ảnh hởng rất mạnh vào độ bền liên kếtcốt- nền

3.2 Các kiểu kiên kết giữa cốt – nền [1]

Trong vật liệu composit , tồn tại 6 kiểu liên kết cơ bản sau:

*Liên kết cơ học (hình vẽ 1.2a ):

Liên kết này thực hiện nhờ khớp nối thuần tuý cơ học giữa nền và cốtthông qua độ mấp mô bề mặt hpặc do lực ma sát

*Liên kết nhờ thấm ớt (hình vẽ 1.2b):

Liên kết này thực hiện nhờ năng lợng sức căng bề mặt Đối với cáccomposit tạo ra kiểu liên kết cơ học , khi tiến hành quy trình chế tạo , nếu phanền dợc nung chảy và thấm ớt với cốt thì bao giờ cũng xảy ra quá trình khuếchtán hoà tan lẫn nhau giữa chúng dù là rất nhỏ.Sức căng bề mặt trên ranh giớinền- cốt sau khi pha nền đông đặc chính là yếu tố quyết định của kiểu liên kếtsau này

Đặc điểm của kiên kết này là phản ứng tổng thể xảy ra theo nhiều giai

đoạn , trong đó có một giai đoạn không chế tốc độ tạo ra liên kết

*Liên kết oxyt (hình vẽ 1.2e)

Liên kết trong composit dạng này thực hiện do tạo ra các sản phẩm phảnứng ở dạng màng oxyt (Mox)

*Liên kết hỗn hợp

Liên kết này là hỗn hợp của các kiểu liên kết xuất hiện trong composit

mà tơng tác giữa nền và cốt phụ thuộc mạnh vào quá trình chế tạo hoặc sửdụng

VI- Cấu trúcvà tính chất của composit

1 Cấu trúc vật liệu composit

Xét về mặt cấu trúc , vật liệu composit đợc chia thành một số loại nhsau:composit nhiều lớp , composit ba lớp

Nếu so sánh các kiểu sắp xếp của vật liệu cốt , ta thấy:

-Các lớp đồng phơng cho cơ tính cao theo phơng của sợi

-Các lớp “mat”(sợi rối) chịu kéo kém, do đó nên bố trí tại vùng chịu nén.-Vật liệu composit lớp vuông dễ bị tách lớp

-Khi tăng cờng theo cả 3 phơng, ta sẽ đợc vật liệu á- đẳng hớng [3]

Hình 1.2: Các kiểu liên kết giữa nền và cốt

Lớp mặt Lớp lõi

1.2 Vật liệu composit ba lớp (hình 1.4) [3]“ ”

Vật liệu composit “ba lớp” gồm có:

-Lõi ( vật liệu hoặc kết cấu nhẹ nhng chịu nén tốt)

-2 lớp vỏ ( có khả năng chịu nén cao)

Việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào mục đích của ngời sử dụng và điềukiện của ngời làm việc( chế độ nhiệt, môi trờng, giá thành )

Ngời ta hay sử dụng các loại vật liệu sau:

+Lõi đặc bằng: gỗ hoặc bông tấc, mút, chất dẻo tăng cờng bởi các vibibông thuỷ tinh

+Lõi rỗng hoặc tổ ong bằng: hợp kim nhẹ, giấy tẩm nhựa, giấypolyamit…) Sự phát triên mạnh mẽ của

+ Vỏ là vật liệu nhiều lớp ( thuỷ tinh, cacbon…) Sự phát triên mạnh mẽ của) hoặc tấm hợp kim nhẹ

2 Một số yếu tố ảnh hởng tới tính chất của composit cốt sợi:

Tính chất của composit phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bản chất của vật liệucốt và nền, độ bền liên kết nền-cốt trên ranh giới, sự phân bố và định hớng sợi,kích thớc- hình dạng của cốt, tỷ lệ nền-cốt ( tỷ lệ thể tích và tỷ lệ khối lợng) [1]

2.1 Tỷ lệ nền-cốt [3]

Tỷ lệ tơng đối của vật liệu cốt và vật liệu nền là một yếu tố quan trọngbậc nhất, nó quyết định cơ tính của vật liệu composit Tỷ lệ này có thể biểudiễn qua tỷ lệ thể tích hoặc tỷ lệ khối lợng

* Tỷ lệ thể tích (Vi):

Ta khảo sát mộtkhối vật liệu composit (vc) chứa một khối sợi (vs) và khốivật liệu nền (vn) Khi đó tỷ lệ thể tích của sợi sẽ là:

c

s s

Giữa khối lợng và thể tích có quan hệ:

mc = vc.c; ms = vs.s; mn = vn.n; ( trong đó i là khối lợng riêng).Khối lợng tổng cộng của vật liệu composit là:

mc = ms + mn hay vc.c = vs.s + vn.n

suy ra : c = Vs s + Vn.n hoặc c = Vs.s + ( 1-Vs).n

Từ quan hệ : vc = vs + vn ta có:

n n

s s

c

c m m m

s s c

M M 1

c c

s s

V v

.

v

2.2 ảnh hởng của yếu tố hình học sợi đến tính tính chất của composit [1]

Cốt sợi có thể đợc phân bố và định hớng theo các phơng án khác nhautuỳ thuộc yêu cầu đề ra đối với composit Để khảo sát ngời ta phân biệt 2 kiểuphân bố sau:

- Phân bố một phơng, trong đó tất cả các sợi đều định hớng song songthống nhất theo một phơng ( hình vẽ1.5a).

- Phân bố nhiều phơng: Theo cách này sợi có thể đợc phân bố dới dạng

“mat” tức là phân bố rối, hoàn toàn ngẫu nhiên trên một mặt, tơng tự nh tấmdạ phớt (hình vẽ1.5b)

Cũng có thể sợi đợc dệt quấn theo 2 chiều ( hình vẽ1.5c) và 3 chiều tơngứng vuông góc ( hình vẽ1.5d)

Hình 1.5 : Sơ đồ phân bố cốt sợi

a) Một chiều song song

b) Ngẫu nhiên, rối trong một mặt

c) Dệt hai chiều vuông góc trong một mặt

d) Đan , quấn ba chiều vuông góc

Độ bền của composit cốt sợi một phơng theo phơng vuông góc với trụccốt rất nhỏ Trờng hợp phân bố theo kiểu nhiều phơng (dạng “mat” hoặc dệt 2chiều) thì độ bền kéo sẽ nhỏ nhất theo chiều vuông góc với mặt phân bố sợi.Nếu sợi đợc quấn theo 3 chiều vuông góc thì composit sẽ có độ bền đồng thờilớn nhất theo cả 3 chiều tơng ứng đó

Yếu tố hình học của sợi bao gồm hình dáng, kích thớc chiều dài và đờngkính có ảnh hởng rất lớn đến tính chất của composit

Dới đây ta sẽ phân tích tính chất của các composit cốt sợi một phơng khithay đổi yếu tố hình học của sợi

2.2.1 Cốt sợi liên tục ( Độ dài cốt sợi vô tận) [1]

Để tiến hành phân tích, giả thiết composit khảo sát thảo mãn một số điềukiện sau:

-Cốt sợi dài vô tận, phân bố đếu và định hớng theo một chiếu song song-Thành phần và tổ chức vật liệu nền, cốt phải hoàn toàn đông nhất

-Liên kết nền- cốt đợc thực hiện 1 cách hoàn hảo, đảm bảo sự biến dạngcủa cốt và nền xảy ra đồng thời, tơng hợp cho đến khi phá huỷ, tức là: composit

= nền = sợi

Khi đặt tải trọng theo chiều song song với trục sợi, từ điều kiện liên kếthoàn hảo giữa nền và cốt ta có: (hình vẽ 1.6)

Vậy trong vùng đàn hồi, biểu thức (4) có dạng:

Ec = Vs.Es + Vn.En (5)

Kết hợp (1) với (5) ta đợc:

n n

s s

n

s

E V

E V p

Nh vậy, độ bền kéo của composit ứng với Vs < min

s

V bằng độ bền kéo củanền nhân với phần trăm thể tích của nó chiếm, tức là:

(b)c = (1- Vs) (b)n (7)

thøc (2.3)

 Sợi Nền

c)

b) a)



n b

s b c b

Đờng cong biến dạng kéo

của composit cốt sợi nền dẻo

Từ hình vẽ trên ta thấy, dới tác dụng của ứng suất đặt vào, sự biến dạngcủa nền dừng lại ở đầu mút sợi Điều này cũng có nghĩa là tại vùng đầu mútsợi, hiện tợng truyền tải từ nền sang cốt không xảy ra Nếu sợi ngắn quá ( nhỏhơn độ dài tới hạn Lth) thì dù cờng độ của lực tác dụng lên mẫu composit cótăng lên bao nhiêu đi chăng nữa ứng suất truyền sang cốt cũng không thể vợtquá giới hạn bền của sợi để phá đứt nó Lúc này chỉ có thể xảy ra khả năng làkhi cờng độ lực tác dụng đủ lớn, vợt quá giới hạn cho phép, nó sẽ kéo nguyênvẹn sợi cốt tuột ra khỏi nền Nh vây độ bền các sợi cốt không đợc tận đụng vàkết quả là composit rất kém bền Chỉ trong trờng hợp chiều dài sợi vợt quá độ

Đờng cong biến dạng kéo của composit cốt sợi nền giòn với V s >V s

Hình 1.8:

Sơ đồ biến dạng nền khi đặt tải trọng vào composit cốt sợi

ngắn

dài tới hạn thì nó mới bị phá huỷ trong mẫu composit khi lực tác dụng vợt quágiới hạn cho phép và lúc này vai trò hoá bền của sợi cốt mới đợc phát huy.

2.3 ảnh hởng của định hớng cốt sợi [1]

Do đặc điểm phân bố của sợi trong nền, tính dị hớng của composit cốtsợi thể hiện rất rõ rệt Vì vậy, cơ tính của composit loại này phụ thuộc rấtmạnh vào sự định hớng của sợi so với chiều ứng suất đặt vào

Dới đây ta chỉ khảo sát một số trờng hợp đặc trng

2.3.1 composit cốt sợi liên tục.

Khảo sát trờng hợp mẫu composit có hàm lợng cốt bằng Vs, chịu tácdụng của ứng suất theo chiều vuông góc với cốt nh hình vẽ sau:

Sử dụng phơng pháp mô hình tơng tự ta khảo sát composit này thông quamẫu hình khối chiều rộng lo Khối này gồm 2 lớp: lớp nền có chiều dày (1-

Vs).lo và lớp sợi có chiều dày Vs.lo

ứng suất y tác dụng lên composit cũng là ứng suất tác dụng lên nền và lênsợi Dới tác dụng của ứng suất này, mẫu composit bị biến dạng một đoạn bằng

y

) E (



; (3)Kết hợp (2), (3) ta có

n s s

y

V 1 E

Y

y

y

(1-Vs).lo Vs.lo

s n n s

n s y

c

E V E V

E E )

, dao động trong khoảng 0,1-0,6

Bảng sau trình bày tham số hiệu quả hoá bền của một số composit sợingắn ứng với các trờng hợp định hớng khác nhau giữa sợi và ứng suất:

Tất cả các sợi song song Song song với sợi

Vuông góc với sợi

10Phân bố ngẫu nhiên, đồng

nhất trong một mặt

Theo phơng bất kỳ trong mặtchứa sợi

3/8Phân bố ngẫu nhiên và đồng

nhất theo 3 chiều không gian

Nhờ những u điểm lớn nh tạo hình dễ dàng các chi tiết phức tạp, giáthành sản phẩm thấp, quy trình công nghệ chế tạo vừa phải dễ cập nhật, ngàynay composit cốt sợi ngắn (có định hớng hoặc ngẫu nhiên) đã trở thành mộttrong những vật liệu mới đợc đặc biệt chú ý nghiên cứu chế tạo và ứng dụng

VI Các phơng pháp chế tạo vật liệu composit

VI.1 Một số phơng pháp chế tạo vật liệu composit vô cơ

1 Nấu chảy kim loại nền sau đó rót vào khuôn chứa cốt.

Nội dung phơng pháp:

-Đa các sợi cốt composit vào khuôn

-Nấu chảy kim loại nền rồi rót vào khuôn

Nhợc điểm của phơng pháp này là khả năng bám dính của kim loại nền vàosợi cốt bị hạn chế

2 Phơng pháp bột.

Kim loại nền đợc chuẩn bị ở dạng bột Sợi cốt đợc trộn lẫn với kim loại ởdạng bột thành hỗn hợp Hỗn hợp này đợc ép và thiêu kết để tạo ra composit.Nhợc điểm của phơng pháp này là quá trình ép có thể ảnh hởng xấu tớitính chất của sợi cốt

3 Phơng pháp ép nóng với sợi cốt có lớp phủ.

Phơng pháp này về cơ bản giống phơng pháp luyện kim bột

Điểm khác biệt là sử dụng sợi cốt có phủ một lớp kim loại khác trên bềmặt Kim loại để phủ sợi cốt sẽ có tác dụng bảo vệ cốt trong quá trình ép cũng

nh đóng vai trò liên kết giữa cốt và nền

4 Phơng pháp trộn nóng.

Trớc khi trộn sợi cốt và bột kim loại nền đợc nung nóng trớc

u điểm của phơng pháp này là khắc phục đợc lớp phân cách giữa cốt và nền

5 Phơng pháp phun phủ.

Sợi cốt trớc khi đem trộn đợc tiến hành phun phủ một lớp kim loại mỏngbên ngoài Lớp phủ có tác dụng làm thay đổi tính chất bề mặt của sợi cốt

VI.2 Một số phơng pháp chế tạo vật liệu composit hữu cơ.[3]

Phơng pháp này cho phép chế tạo hang loạt các chi tiết, giá thành hạ

ph-ơng pháp này chỉ dùng sợi vụn, ngắn mà không dùng cốt vải Do đó cơ tínhcủa vật liệu composit tạo thành không cao Sợi vụn và nhựa đợc bắn đồng thờithẳng góc xuống khuông nhờ các sung chuyên dụng

1.3.Đúc chân không.

Gồm có:

- Đúc chân không dạng túi: khuôn đợc làm bằng vật liệu cứng, trớc tiêntạo lớp lót, sau đặt cốt vải và cấp nhựa Bơm chân không làm giảm áp suấtgiúp cho nhựa đợc trải đều và đẩy bọt khí ra khỏi nhựa

- Đúc hút: Vật liệu cốt và nền đợc hút vào trong khoảng trống giữa 2 chitiết khuôn đúc: khuôn trên và khuôn dới

Phơng pháp này cho phép tạo những chi tiết tròn xoay và dạng côn

áp lực đúc nhỏ hơn 5 atm, không cần sấy nóng khuôn đúc Vật liệu cốt

và nhựa đợc đặt vào khuôn đúc đã có lớp lót và phụ gia giúp cho việc dỡkhuôn dễ dàng Đóng khuôn trên và khuôn dới rồi ép

2.3 Đúc có nhiệt độ.

Vật liệu cốt( sợi rối, sợi ngắn hoặc dài, vải ) đợc đặt vào khuôn nóng Ngời tacũng có thể ép nguội sau đó ép nóng dới tải trọng và ở nhiệt độ xác định

Giải pháp này cho phép sử dụng một tỷ lệ khối lợng vật liệu cốt khá cao, do

đó vật liệu tạo ra có cơ tính cao

5 Đúc ly tâm

Phơng pháp này thờng để chế tạo các chi tiết tròn xoay: ống, thùng…) Sự phát triên mạnh mẽ củaNg

-ời ta đa vật liệu cốt ( mat, sợi ngắn) và nhựa vào khuôn đúc bằng thép cứngsau đó cho khuôn đúc quay (~2000 vòng/phút) Các chi tiết chế tạo bằng đúc

Phần II-Nghiên cứu thực nghiệm và kết quả

I-Nhiệm vụ nghiên cứu

Trong khuôn khổ của một bản luận án tốt nghiệp đại học , bản luận án này

có nhiệm vụ nghiên cứu tổng hợp vật liệu, khảo sát tính chất và khả năng liênkết tạo vật liệu composit của một loại thuỷ tinh có tính chất sinh học tốt vớimột số vật liệu khác nhau

Thuỷ tinh đợc lựa chọn nghiên cứu thuộc hệ :

Na2O-CaO-P2O5-SiO2