TÍNH CHẤT VẬT LIỆU TIÊN TIẾN II

I.1- ĐỊNH NGHĨA, CẤU TẠO & PHÂN LOẠI I.1.1- Định nghĩa:Vật liệu Composite hay Composite là một loại vật liệu được chế tạo bằng cách tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm tạo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

TÍNH CHẤT VẬT LIỆU TIÊN TIẾN II

(4-MAT-3/4-PA&M3)

Biên soạn: Th.S Nguyễn Thanh Việt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHÁI NIỆM CHUNG

VỀ COMPOSITE

Chương I

I.1.1- Định nghĩa:

I.1.3- Phân loại:

I.1.2- Cấu tạo chung của composite:

Chương I - KHÁI NIỆM CHUNG VỀ COMPOSITE

I.1- ĐỊNH NGHĨA, CẤU TẠO & PHÂN LOẠI

I.1.4- Ưu điểm của vật liệu composite:

I.1.5- Ứng dụng của Composite:

I.1- ĐỊNH NGHĨA, CẤU TẠO & PHÂN LOẠI I.1.1- Định nghĩa:

Vật liệu Composite (hay Composite ) là một loại vật liệu được chế tạo bằng cách tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu.

Composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho Composite có được các đặc tính

cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của Composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau

Chương I - KHÁI NIỆM CHUNG VỀ COMPOSITE

Những vật liệu compozit đơn giản đã có từ rất xa xưa Khoảng 5000 năm trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng Và điển hình về composite chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai cập.

Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân cây

gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng licnin Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo- một cấu trúc composite lý tưởng.

Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng Ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát

về mùa hè và ấm vào mùa đông

Mặc dù composite là vật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950 Từ đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và đôi khi thuật ngữ "vật liệu composite" còn đồng nghĩa với thuật ngữ "vật liệu mới"

Lịch sử phát triển của composite

Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu composite.) Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrice), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (renforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước

I.1.2- Cấu tạo chung của vật liệu composite:

a)-Thành phần cốt (renforcement):

- Nhóm sợi khoáng chất: sợi thủy tinh, sợi các bon, sợi gốm…

- Nhóm sợi tổng hợp ổn định nhiệt: sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil…

- Các nhóm sợi khác ít phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, xơ dừa

- Sợi gốc khoáng chất: sợi Amian, sợi Silic

- Sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron, térylène, ), sợi polyamit

- Sợi kim loại: thép, đồng, nhôm

Sợi thủy tinh:

Sợi thủy tinh được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt), có đường kính nhỏ vài chục micro mét Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điểm của thủy tinh khối, (như: giòn, dễ nứt gẫy…), mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khoáng chất như: silic, nhôm, magiê, tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao)

CÁC LOẠI CỐT SỢI

Sợi hữu cơ: Các loại sợi hữu cơ phổ biến gồm:

- Sợi Kenvlar: cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, được gia công bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10 0 C), tiếp theo được kéo ra thành sợi trong dung dịch, cuối cùng được xử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi Sợi kenvlar

và tất cả các sợi làm từ aramit khác như: Twaron, Technora, có giá thành thấp hơn sợi thủy tinh nhưng cơ tính lại thấp hơn: các loại sợi aramit thường có độ bền nén, uốn thấp và dễ biến dạng cắt giữa các lớp

- Sợi Cacbon: Sợi cacbon chính là sợi graphit ( phấn chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35 A 0 Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42

A 0 Sợi cacbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt.

CÁC LOẠI CỐT SỢI

Sợi khác:

- Sợi Bor (Bore- ký hiệu hóa học là B): là một dạng sợi gốm thu được nhờ phương pháp kết tủa Sản phẩm thương mại của loại sợi này có thể ở các dạng: dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống, vải đồng phương.

- Sợi Cacbua Silic (công thức hóa học là SiC): cũng là một loại sợi gốm thu được nhờ kết tủa.

- Sợi kim loại

- Sợi ngắn và các hạt phân tán

- Cốt vải: là tổ hợp thành bề mặt (tấm), của vật liệu cốt sợi, được thực hiện bằng công nghệ dệt Các kỹ thuật dệt vải truyền thống thường hay dùng là: kiểu dệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải mô đun cao, kiểu dệt đồng phương Kiểu dệt là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi Kỹ thuật dệt cao cấp còn có các kiểu dệt đa phương như: bện, tết và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phương.

CÁC LOẠI CỐT SỢI

- Chất liệu nền polyme nhiệt rắn: Nhựa polyeste

và nhóm nhựa cô đặc như: nhựa phenol, nhựa furan, nhựa amin, nhựa epoxy.

- Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo: nhựa nhiệt dẻo như: PVC, nhựa polyetylen, nhựa polypropylen, nhựa polyamit

- Chất liệu nền cacbon

- Chất liệu nền kim loại: Vật liệu composite nền kim loại có modun đàn hồi rất cao có thể lên tới 110 GPa Do đó đòi hỏi chất gia cường cũng có modun cao Các kim loại được sử dụng nhiều là: nhôm, niken, đồng…

b)- Thành phần vật liệu nền (matrice):

Dựa vào thành phần của nền và cốt sợi phân ra: a) Theo bản chất nền:

I.1.3- Phân loại:

Theo hình dạng cốt sợi hoặc cấu trúc sợi, ta có thể phân loại theo sơ đồ sau:

Sơ đồ phân loại

(theo hình học cốt sợi hoặc đặc điểm cấu trúc)

CompositeComp cốt hạt

Gián đọan ngẫu nhiên Gián đoạn có hướng

- Composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao.

- Nhẹ, dễ lắp đặt

I.1.4- Ưu điểm của vật liệu composite:

Có thể chia các sản phẩm composite thành các nhóm chính sau:

I.1.Các loại sản phẩm của Composite:

- Sản phẩm dạng tấm,vỏ:

* Vỏ tên lửa, máy bay, tàu vũ trụ…

* Vỏ tầu thuyền composite

SẢN PHẨM TỪ COMPOSITE:

- Sản phẩm dạng tấm,vỏ:

* Mặt bàn ghế, trang trí nội thất,

SẢN PHẨM TỪ COMPOSITE:

- Sản phẩm dạng tấm,vỏ:

* Tấm panell composite…

SẢN PHẨM TỪ COMPOSITE:

SẢN PHẨM TỪ COMPOSITE:

- Sản phẩm dạng ống:

* Ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn

* Ống dẫn nước thải, dẫn hóa chất

Ống dẫn nước sạch Composite

SẢN PHẨM TỪ COMPOSITE:

- Sản phẩm dạng ống:

* Ống dẫn nước thải, dẫn hóa chất

* Ống thủy nông, ống dẫn nước nguồn qua vùng nước ngập mặn, nhiễm phèn…

- Sản phẩm dạng hộp:

* Bình chịu áp lực cao.

SẢN PHẨM TỪ COMPOSITE:

- Sản phẩm dạng hộp:

* Các hộp đựng , thùng chứa hàng, thùng rác công cộng…

SẢN PHẨM TỪ COMPOSITE:

- Sản phẩm dạng hộp:

* Các hộp đựng , thùng chứa hàng, thùng rác công cộng

SẢN PHẨM TỪ COMPOSITE:

SẢN PHẨM TỪ COMPOSITE:

- Sản phẩm hình dạng phức tạp, chi tiết máy:

* Các chi tiết máy bằng composite

Quạt thông gió khung composite Các đai ốc bằng composite

SẢN PHẨM TỪ COMPOSITE:

- Sản phẩm hình dạng phức tạp, chi tiết máy:

* Các chi tiết máy bằng composite

* Các composite chịu nhiệt độ cao

* Các composite có độ cứng cao…

Sứ treo dây polymer lõi composite nền Epoxy cốt sợi thuỷ

tinh đồng phương Có điện áp tới 110 KV

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

II.1- CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE II.1.1- Đặc trưng cơ học của vật liệu

II.1.2- Cấu trúc của vật liệu composite nhiều lớp

Chương II – CẤU TRÚC VẬT LIỆU QUAN HỆ GIỮA ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG

II.2- QUAN HỆ GIỮA ỨNG SUẤT VÀ

BIẾN DẠNG TRONG VẬT LIỆU DỊ HƯỚNG

II.2.1- Đàn hồi tuyến tính

II.2.2- Vật liệu dị hướng

II.3- CƠ HỌC CỦA COMPOSITE

ĐỒNG PHƯƠNG

II.3.1- Mô đun hiệu quả

II.3.2- Định luật Hooke

trong composite đồngphương

II.1.1- Đặc trưng cơ học của vật liệu:

II.1- CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE

1)- Cơ tính của vật liệu đồng nhất:

Để xem xét cơ tính riêng của vật liệu, ta khảo sát một thanh chịu kéo với sơ đồ hình II.1:

Trong đó: F- lực kéo

L - Chiều dài

S - Tiết diện ngang

ΔL - Độ giãn dài tuyệt đối E- Môđun đàn hồi (Young)

Ở đây là độ cứng và đặc trưng cho tính

S E

K  .

L L

S E

1 1

2

1

L

L S

E

S

E K

K



Tỷ lệ về khối lượng của 2 thanh đó được biểu diễn như sau:

2

1 2

2

1 1 2

L

S m

m

(II-3)

với và là khối lượng riêng của vật liệu 1 và 21 2

Từ biểu thức II.1 và II.2 ta suy ra:

(II-4)

2

1

2 2

1

2 2 1 1

m E

E K







2 1

2 2 1 1

2

1

m

m E

E K

K





(II-5)

Khi thiết kế các kết cấu, chúng ta cần phải có sự so

(II-6)

2 2 1 1

K



Từ (II.6) ta thấy rằng: một vật liệu được coi là tốt hơn khi nó có giá trị lớn hơn, có nghĩa là độ cứng vững của kết cấu đó cao hơn được gọi là môđun riêng của vật liệu ( hay môđun đàn hồi riêng)

Vật liệu composite có rất nhiều loại khác nhau, tuy nhiên hiện nay composite cốt sợi là loại thông dụng nhất, chúng được sử dụng với số lượng lớn.

Việc nghiên cứu vật liệu composite đồng nghĩa với việc tìm hiểu tính chất của vật liệu composite nhằm mục đích chọn lựa hoặc chế tạo ra loại vật liệu mới có nhiều đặc tính nổi bật mà vật liệu đứng riêng lẻ không đáp ứng được: ví dụ vật liệu có mô đun đàn hồi cao nhưng có khối lượng riêng thấp, phù hợp với việc chế tạo ra các sản phẩm mới vừa nhẹ, vừa bền vừa chịu được các tác động vật lý và hóa học khác nhau trong từng điều kiện cụ thể…

2)- Cơ tính của vật liệu composite:

Để nghiên cứu được thuận lợi, ta quy ước ký hiệu vật liệu composite sợi nhiều lớp như sau:

- Mỗi lớp được ký hiệu bởi một số mô tả giá trị của

II.1.2- Cấu trúc của vật liệu composite nhiều lớp

1)- Ký hiệu vật liệu composite nhiều lớp:

2)- Ký hiệu góc âm và dương:

Khi các lớp được hướng theo các góc có giá trị tuyệt đối giống nhau nhưng trái dấu, ta sẽ ghi thêm

3)- Các ví dụ về ký hiệu vật liệu composite:

2)- Ký hiệu góc âm và dương:

Khi các lớp được hướng theo các góc có giá trị tuyệt đối giống nhau nhưng trái dấu, ta sẽ ghi thêm

3)- Các ví dụ về ký hiệu vật liệu composite:

4)- Vật liệu composite nhiều lớp đối xứng:

5)- Vật liệu composite cân bằng:

Cân bằng bất kỳ

2

-450

1-300

3+300

4+450

2

+150

1-150

3-150

4+150

2

-150

1+150

3-150

4+150

Khi số lớp theo phương bằng số lớp theo phương được gọi là composite cân bằng.

+ Cân bằng bất kỳ + Cân bằng đối xứng + Cân bằng phản đối xứng

6)- Vật liệu composite hỗn tạp

Khi vật liệu gồm nhiều lớp liên tục, bản chất cốt sợi của các lớp khác nhau thì vật liệu đó được gọi là composite phức tạp.

Ở đây: K - Sợi Kevla

TT - Sợi thủy tinh

C - Sợi các bon

Ký hiệu: [ 02C / (45 / )STT / 02K]

90

II.2- QUAN HỆ GIỮA ỨNG SUẤT VÀ

BIẾN DẠNG TRONG VẬT LIỆU DỊ HƯỚNG

II.2.1- Đàn hồi tuyến tính

1)- Khái niệm:

Trường ứng suất và biến dạng trong môi trường liên tục, liên hệ với nhau bởi các quy luật nhất định, được gọi là quy tắc ứng xử cơ học.

Thực nghiệm đã chứng minh rằng: khá nhiều môi trường, biến dạng có ứng xử đàn hồi tuyến tính tại một nhiệt độ xác định.

2)- Ma trận độ cứng:

Quan hệ đàn hồi tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng có thể biểu diễn bởi ma trận sau:

46 36

26 16

56 55

45 35

25 15

46 45

44 34

24 14

36 35

34 33

23 13

26 25

24 23

22 12

16 15

14 13

12 11

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

tổng quát.

đàn hồi tuyến tính của một vật liệu trong trường hợp

3)- Ma trận độ mềm:

Trong đó: S = C -1



Trong trường hợp tổng quát ta có:

46 36

26 16

56 55

45 35

25 15

46 45

44 34

24 14

36 35

34 33

23 13

26 25

24 23

22 12

16 15

14 13

12 11

S S

S S

S S

S S

S S

S S

S S

S S

S S

S S

S S

S S

S S

S S

S S

S S

S S

S S

Nghịch đảo ma trận độ cứng ( II.7) và (II.8) ta có:

(II-11)

4)- Biến đổi hệ cơ sở

Mối quan hệ giữa các ứng suất và biến dạng của các ma trận này trong các hệ tương ứng như sau:

Giả sử C = [ C ij ] là ma trận độ cứng biểu diễn

trong hệ cơ sở

sở e    ( e 1 , e 2 , e 3 )

) ,

, ( e1 e2 e3

Mối quan hệ biến đổi hệ cơ sở của ứng suất và

quanh có thể biểu diễn tổng quát theo các biểu

Viết dưới dạng thu gọn ta có:

2 2

2 2

sin cos

0 0

0 cos

sin cos

sin

0 cos

sin 0

0 0

0 sin

cos 0

0 0

0 0

0 1

0 0

cos sin

2 0

0 0

cos sin

cos sin

2 0

0 0

sin cos

Để thành lập biểu thức biến đổi hệ tọa độ trong

kỹ thuật, ta thay thế 9 thành phần của tenxơ biến dạng bằng ma trận cột gồm 6 thành phần và thế các thành phần , , bởi các biến dạng

2 2

2 2

2 2

sin cos

0 0

0 cos

sin 2 cos

sin 2

0 cos

sin 0

0 0

0 sin

cos 0

0 0

0 0

0 1

0 0

cos sin

0 0

0 cos

sin

cos sin

0 0

0 sin

2 2

2 2

sin cos

0 0

0 cos

sin 2 cos

sin 2

0 cos

sin 0

0 0

0 sin

cos 0

0 0

0 0

0 1

0 0

cos sin

0 0

0 cos

sin

cos sin

0 0

0 sin

cos



(II-18)

 T S T

Trong trường hợp tổng quát, mỗi ma trận độ cứng và độ mềm của vật liệu được xác định bởi 21 hằng số độc lập Trường hợp này tương ứng với vật liệu không có tính đối xứng - còn gọi là vật liệu “ tam nghiêng” ( triclinique).



 C T T

Đa số các vật liệu dị hướng đều có cấu trúc đối xứng: vật liệu đơn tinh thể, vật liệu có cấu trúc sợi đối xứng…

Do tính đối xứng hình học nên các hằng số độc lập trong quan hệ mô tả ứng xử cơ học của vật liệu sẽ giảm đi Tính đối xứng càng cao, số hằng số độc lập càng giảm.

2)- Vật liệu đơn nghiêng ( monoclinique):

Vật liệu có một mặt phẳng đối xứng gọi là vật liệu đơn nghiêng Dạng của ma trận độ cứng (hay độ mềm) phải không được thay đổi khi thực hiện một phép biến đổi hệ cơ sở đối xứng mặt phẳng trên.

Nếu mặt phẳng đối xứng là mặt 1-2, sau phép biến đổi hệ cơ sở, ma trận độ cứng có dạng sau:

26 16

55 45

45 44

36 33

23 13

26 23

22 12

16 13

12 11

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

C C

(II-25)

Ma trận độ mềm cũng có dạng tương tự bằng cách thay thế các hằng số độ mềm Số hằng số đàn hồi độc lập chỉ còn lại 13.

3)- Vật liệu trực hướng:

Nếu vật liệu có ba mặt phẳng đối xứng, vuông góc với nhau từng đôi một được gọi là vật liệu trực hướng.

Khi tồn tại hai mặt phẳng đối xứng vuông góc sẽ kéo theo mặt phẳng thứ ba đối xứng Do vậy ma trận

độ cứng được thu nhận bằng cách thêm vào vật liệu đơn nghiêng một mặt phẳng đối xứng, vuông góc với mặt phẳng có trước.

Tính bất biến của ma trận trong phép biến đổi hệ

cơ sở đối xứng với mặt phẳng thứ hai sẽ cho ta ma trận độ cứng sau: