Quy luật kết hợp Vậy compozit 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 c
Trang 1125
Chương 9
compozit
9.1 Khái niệm về compozit
Là vật liệu kết hợp 2 hoặc nhiều vật liệu khác nhau để phát huy tí nh tốt của mỗi loại vật liệu thành phần
9.1.1 Quy luật kết hợp
Vậy compozit 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 ý đồ thiết kế trước, nhằm tận dụng và phát triển
những tí nh chất ưu việt của từng pha trong compozit cần chế tạo
9.1.2 Đặc điểm và phân loại
a Đặc điểm
- Là vật liệu nhiều pha mà chúng thường rất khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau thường là 2 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, kí ch thước và sự phân bố theo thiết kế đã định trước
- Tí nh chất của compozit chịu ảnh hưởng của các pha nhưng không phải là cộng
đơn thuần các tí nh chất của chúng khi đứng riêng rẽ mà chỉ chọn lấy những tí nh chất tốt và phát huy thêm
b Phân loại
Theo bản chất của nền có:
compozit nền chất dẻo (polyme), nền kim loại, nền ceramic và nền hỗn hợp nhiều pha
Theo dạng hình học của cốt:
compozit cốt hạt, compozit cốt sợi
Theo cấu trúc: lớp, kiểu đá ong,…
9.1.3 Liên kết nền - cốt
a Cốt
Là pha không liên tục, tạo nên độ bền, môđun đàn hồi (độ cứng vững) cao cho
compozit, do vậy cốt phải bền, nhẹ Cốt có thể là: kim loại, ceramic và polyme
b Nền
Nền là pha liên tục có tác dụng:
- Liên kết toàn bộ các phần tử thành một khối thống nhất
- Tạo hình 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.Thường nền là: kim loại, ceramic, polyme và hỗn hợp
c Liên kết nền - cốt
- Liên kết cơ học, nhờ lực ma sát giữa cốt và nền như kiểu bêtông cốt thép có gân (đốt)
- Liên kết nhờ thấm ướt do năng lượng sức căng bề mặt
Trang 2126
- Liên kết phản ứng, phản ứng tạo hợp chất dí nh chặt cốt với nền-đây là loại
liên kết tốt nhất
- Liên kết hỗn hợp
9.2 Compozit cốt hạt
Các hạt đẳng trục, cứng, bền (ôxyt, nitrit, cacbit, borit) (đôi khi là các hạt mềm như grafit, mica thuộc loại chống ma sát Có hạt thô và hạt mịn, hạt mịn nằm phân tán
có tác dụng cản trượt → hoá bền
9.2.1 Compozit hạt thô
Compozit hạt thô rất đa dạng và được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp, xây dựng
a 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, sự hóa bền có được là nhờ sự cản trở biến dạng của nền ở vùng lân cận với cốt
Tùy theo đặc tí nh phân bố của hạt trong nền mà quy tắc kết hợp (hỗn hợp) cho môđun đàn hồi EC của compozit phụ thuộc vào tỷ lệ thể tí ch, môđun đàn hồi của nền: Vn, En và của cốt hạt: VH, EH nằm vào khoảng giữa 2 giới hạn:
Giới hạn trên: EC=ENVN+EHVH, giới hạn dưới:
N H H N
H N
C E V E V
E E E
+
b Các compozit hạt thô thông dụng
Hợp kim cứng tạo bằng phương pháp luyện kim bột, các phần tử cứng là cacbit:
WC, TiC, TaC được liên kết bằng Co (nền)
Các hợp kim làm tiếp điểm có sự kết hợp tốt của các kim loại khó chảy (W, Mo)-cốt với các kim loại có tí nh dẫn nhiệt cao (Cu, Ag)-nền
Bêtông là compozit hạt thô (đá, sỏi) hay nhỏ (cát vàng), nền cứng là ximăng
Polyme Các hạt độn thường là thạch anh, thủy tinh, ôxyt nhôm, đất sét, đá vôi-cốt, nền polyme
9.2.2 Compozit hạt mịn (hóa bền phân tán)
Compozit hạt mịn là loại có tí nh năng đặc biệt: bền nóng và ổn định nóng
a Đặc điểm
- Nền thường là kim loại và hợp kim, cốt có kí ch thước < 0,1àm, bền, cứng và có
tí nh ổn định nhiệt cao: oxit, cacbit, borit, nitrit
- Tương tác nền - cốt xảy ra ở mức độ vi mô ứng với kí ch thước nguyên tử, phân tử
- Cơ chế hóa bền: cốt nhỏ mịn phân tán kìm hãm lệch, làm tăng độ bền độ cứng của vật liệu
b Các compozit hạt mịn
SAP, SAAP (CAΠ, CAC) cốt Al2O3= 5 - 20% trên nền nhôm, chịu nhiệt 300 ữ
500oC
T-D Nickel (Thoria Dispersed Nickel): nền là niken (Ni), cốt là các phần tử ôxyt tôri ThO2~ 2% song ở dạng rất nhỏ mịn, nằm phân tán và ổn định nhiệt, làm việc lâu dài ở 1000 ữ 1100oC, 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
Trang 3127
9.3 Compozit cốt sợi
Compozit cốt sợi là loại compozit kết cấu quan trọng nhất vì nó có độ bền riêng và
môđun đàn hồi riêng cao Nền và cốt sợi đều là các vật liệu nhẹ
Tí nh chất của compozit cốt sợi phụ thuộc vào bản chất vật liệu cốt và nền, độ bền liên kết trên ranh giới pha, sự phân bố và định hướng sợi (hình 9.1) Người ta coi liên kết nền - cốt là hoàn hảo để đơn giản trong tí nh toán
a) b) c)
Hình 9.1. Sơ đồ phân bố và định hướng cốt sợi:
a- một chiều, b- hai chiều vuông góc đan xen nhau
c rối ngẫu nhiên trong một mặt, d- ba chiều vuông góc
9.3.1 ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi
a Sự phân bố và định hướng sợi
- Sợi phân bố song song với nhau theo một phương (hình 9.1a), độ bền theo phương dọc sợi cao hơn phương vuông góc- sợi phân bố 1 chiều
- Sợi đan vuông góc với nhau (hình 9.1b), theo 2 trục sợi độ bền cao hơn cả- kiểu dệt
- Sợi phân bố nhiều phương (rối-hình 9.1c), compozit đẳng hướng theo tất cả các phương trên mặt
- Sợi được phân bố 3 phương vuông góc với nhau như ở hình (9.1d) thì compozit
có có tí nh đẳng hướng
b ảnh hưởng của chiều dài sợi
Điều quan trọng là kết cấu cốt sợi phải tập trung tải trọng vào
sợi là pha có độ bền cao Có 2 loại cốt sợi: cốt sợi ngắn và cốt sợi dài
Đối với loại cốt sợi ngắn: lực tác dụng sẽ gây biến dạng của nền nơi liếp xúc giữa sợi và nền, một phần nền bị chảy (hình 9.2)
Cốt sợi dài: khi LS≥ lc mới làm tăng một cách có hiệu quả độ bền và độ cứng vững của compozit Chiều dài tới hạn lc này phụ thuộc đường kí nh d của sợi, giới hạn bền (σb)S của sợi và lực liên kết giữa sợi và nền (hay giới hạn chảy cắt của nền τm) theo biểu thức:
( )
d l
m
S b
c= , đặt ( )
m
S b
S= thì
Đối với compozit sợi thủy tinh hay sợi cacbon, lC~ 1mm hay S= 20ữ150
Hình 9 2 Sơ đồ liên kết giữa nền và cốt
Người ta quy ước:
- khi l > 15lc, compozit là là loại cốt liên tục hay cốt sợi dài,
- khi l < 15lc, compozit là loại cốt sợi không liên tục hay ngắn;
nền
vùng nền biế n dạ ng sợi
d S l
c =
Trang 4128
- khi l < lc sợi không đủ dài để lực bám không gây biến dạng nền bao quanh sợi
do đó không đủ truyền tải và được coi như compozit hạt
Trên hình 9.3 trình bày sơ đồ cấu trúc của loại compozit 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
a) b) c)
9.3.2 Compozit cốt sợi liên tục song song
a Khi kéo dọc
Gọi tỷ lệ thể tí ch sợi là VS của nền là Vn = 1-VS Khi chịu kéo theo phương dọc trục sợi và coi liên kết nền - cốt là hoàn hảo: εC = εS = εn Tải trọng tác dụng lên compozit PC = PS+Pn, trong đó PS, Pn lần lượt là tải trọng lên sợi và lên nền Do đó:
σC.AC = σS AS + σn An
Trong đó: (AC, AS, An) là tiết diện ngang của compzit, sợi và nền Chia cả cho AC ta có:
n n S S C
n m C
S
A
A A
A
=
vì sợi bằng nhau và phân bố đều nên AS/AC=VS và An/AC=Vn , VS và Vn là tỷ lệ thể
tí ch, do đó:
σc = σSVS + σnVn = σSVS + σn(1-VS), thay σ=Eε
Ec = ESVS + EnVn = ESVS + En(1-VS) vì (εC=εS=εn=ε)
b Khi kéo ngang
Lực kéo vuông góc với trục sợi (sợi không chịu được lực ngang) thì ứng suất tác dụng lên các pha là như nhau và bằng ứng suất tác dụng lên compozit là:
σc = σS = σn = σ nên độ biến dạng của compozit bằng tổng biến dạng của cốt và nền:
εc = εS.VS + εn.Vn vì
E
σ
=
n
S S C
V E V E
Chia cả hai vế cho σ, ta có:
n
n
S
S
V E
V
E1 = +
S n n
S S n
S n
E E E
V E V
E E E
+
ư
= +
=
biểu thức này giống (9.2), đó là giới hạn dưới của môđun đàn hồi của compozit hạt thô
c ảnh hưởng của hàm lượng sợi
phương ngang Hì nh 9.3. a liên tục song song Sơ đồ phân bố sợi:
b gián đoạn thẳng hàng,
c hỗn độn
Trang 5129
Ta thấy nếu tỷ lệ thể tí ch VS (hay còn gọi là hàm lượng) của sợi quá nhỏ thì sợi không đủ tác dụng gia cường cho compozit Chỉ khi VS > VSmin thì mới có tác dụng hoá bền Giá trị VSmin có thể xác định theo công thức:
( ) ( )b S
n n b min
S
=
Trong đó: (σb)n,(σb)S lần lượt là giới hạn bền của nền và của sợi
Như vậy compozit cốt sợi liên tục phải thỏa mãn hai điều kiện: sợi dài l > 15lc và lượng sợi phải đủ lớn VS > VSmin
9.3.3 Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng
Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng được trình bày ở hình 9.6b Chiều dài sợi ngắn (l < 15lc) hiệu quả gia cường của sợi compozit không thể cao như loại cốt sợi liên tục thẳng hàng Môđun đàn hồi và giới hạn bền chỉ bằng khoảng 50-90% loại cốt sợi dài liên tục
Cơ tí nh phụ thuộc vào tỷ lệ thể tí ch của sợi và chiều dài hay yếu tố hình học của sợi S = l/d, được tí nh toán riêng rẽ cho 2 trường hợp sau:
- Khi lc < l < 15lc thì: ( ) ( )b c b S S c n( VS)
l
l V
ư
2
- Khi l < lc thì : ( )b c c.VS n( Vn)
trong đó: σn - ứng suất tác dụng vào nền khi compozit bị phá hỏng, τc - giới hạn bền cắt của nền, l, d - chiều dài, đường kí nh sợi
9.3.4 Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn
Bảng 9.1 Giá trị của thông số k ứng với định hướng khác nhau giữa sợi và ứng suất
Tất cả các sợi song song
Phân bố sợi ngẫu nhiên, đồng
nhất trong mặt theo phương bất kỳ trong mặt chứa sợi 8
3
Phân bố sợi ngẫu nhiên, đồng
nhất theo ba chiều không gian theo phương bất kỳ 8
1
Môđun đàn hồi được biểu thị như sau: Ec = k ES.VS + En.Vn
Trong đó k - thông số biểu thị hiệu quả hóa bền mà độ lớn phụ thuộc vào hàm lượng thể tí ch VS của sợi và tỷ lệ ES/En, k dao động trong khoảng 0,1 ữ 0,6 xem bảng 9.1
Dựa vào đường kí nh và đặc tí nh người ta phân cốt sợi thành ba loại: râu, sợi và dây nhỏ
Râu (râu đơn tinh thể): (whiskers) đường kí nh rất nhỏ (cỡ 1 ữ 2àm), l/d > 1000, tạo bằng kỹ thuật nuôi đơn tinh thể 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
Trang 6130 rãi vì quá đắt và rất khó gắn kết vào nền Vật liệu để chế tạo râu có thể là grafit, SiC, Si3N, Al2O3
Sợi : tạo bằng công nghệ kéo, chuốt, d khoảng vài chục đến vài trăm àm, l/d rất
khác nhau Vật liệu làm sợi có thể là polyme như polyamit, sọi thủy tinh, sợi cacbon,
Dây: là loại có đường kí nh 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