Vật liệu Composite

Vật liệu Composite

Lời nói đầu

Vật liệu composite hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật

liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ

Những vật liệu composite 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 điền hình về composite chính

là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập

Ngày nay trong điều kiện khoa học kỹ thuật phát triển, sản xuất ngày một nâng cao trình độ, việc phát triển các loại vật liệu mới nhằm phục vụ tốt nhất cho sản xuất kỹ thuật, dân dụng, … phục vụ nhu cầu con người Composite là một loại vật liệu đáp ứng được nhiều yếu tố trong sản xuất Và khi người ta nhắc đến “ Vật liệu mới ” tức là đồng nghĩa với vật liệu composite

Trong quá trình học môn học Vật liệu phi kim em đã được học và tìm hiểu

về vật liệu compostie, thành phần cấu tạo, công nghệ chế tạo,…Sau đây là một

số trình bày sơ qua của em về loại vật liệu này

PHẦN I CÁC THÀNH PHẦN CỐT CỦA VẬT

LIỆU COMPOSITE

Các thành phần cốt của composite phải thoả mãn được những đòi hỏi về khai thác và công nghệ Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi như yêu cầu

về độ bền, độ cứng, khối lượng riêng, độ bền trong 1 khoảng nhiệt độ nào

đó, bền ăn mòn trong môi trường axit, kiềm… Còn đòi hỏi về công nghệ là những đòi hỏi về khả năng công nghệ để sản xuất ra các thành phần cốt này Hiện nay, thành phần cốt của composite trên cơ sở những cốt thường dùng là các sở ngắn, các sợi dài đơn, các dạng sợi tết (được tết xoắn gồm nhiều sợi với nhau), các cốt lưới, vải, các băng dải sợi và các loại bảng với tính năng

cơ lý đã được xác định

Hiện nay, với các vật liệu composite polyme có pha nền là nhựa tổng hợp, các cốt thường là vải hoặc sợi thuỷ tinh, sợi anamit, sợi cacbon, sợi bor hoặc cốt sợi tạp lai

Trên thực tế, thành phần cốt luôn chiếm không quá 60-65% thể tích của vật liệu composite Theo tính toán nếu thành phần cốt chiếm quá liều lượng trên (tức là khi các thành phần cốt quá sít gần nhau) giữa chúng sẽ nảy sinh tương tác dẫn đến sự tập trung ứng suất làm giảm sức bền của vật liệu

1 Sợi thuỷ tinh

Sợi thuỷ tinh được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu composite polyme Ưu điểm của sợi thuỷ tinh là nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với các tác động hoá - sinh, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp

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) Loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiếm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt

Sợi thuỷ tinh có hai dạng điển hình: Sợi dài và sợi ngắn thông thường chúng có hình trụ tròn, ngoài ra, cũng gặp sợi thuỷ tinh có thiết diện ngang hình tam giác, hình vuông, lục giác

Hiện nay có ba phương pháp chính dùng để sản xuất ra sợi thuỷ tinh:

 Kéo sợi từ dung dịch nóng chảy qua khuôn

 Kéo sợi từ những phôi thuỷ tinh được sấy nóng

 Nhận được những sợi ngắn từ các tia dung dịch nóng chảy bằng cách thổi không khí, hơi, ga

Quá trình một giai đoạn kéo sợi thuỷ tinh thực chất là từ những thành phần cơ bản như cát thạch anh, đá vôi, axit bor, đất sét, than Được chọn theo 1 tỷ lệ hợp lý, sau đó nung nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 1260oC

Dung dịch thuỷ tinh nóng chảy rót trực tiếp vào bộ phận khuôn kéo sợi được chế tạo từ platin Dưới áp lực, dung dịch thuỷ tinh chảy qua những lỗ nhỏ của khuôn đường kính thông thường 0,8 – 3mm và khi qua buồng lạnh được kéo thành sợi có đường kính từ 3-19µm với vận tốc 20-50m/s

Sợi thuỷ tinh nhận được như vậy là những sản phẩm sợi thô Thường được dùng để xoắn bệnh thành chỉ dệt thành vải cho các công đoạn tiếp theo Sợi thuỷ tinh có những ưu điểm nổi trội là giá thành rẻ Chúng được dùng rộng rĩa trong sản xuất composite polyme được chế tạo các tầu tải trọng nhẹ, thuyền xuồng cacno, thuyền buồn thể thao…

2 Sợi bazan

Sợi bazan được chế tạo từ nguyên liệu đá bazan Đá bazan có nguồn góc nham thạch do các núi lửa khi hoạt động phan ra rồi kết tinh lại Các sản phẩm từ đá bazan có đặc tính cơ lý hoá tốt hơn hẳn so với các sản phẩm truyền thống là bông sợi thuỷ tinh hoặc amian, không độc hại cho người và sinh vật

 Sợi liên tục (chỉ)

 Sợi ngắn

 Bông Công nghệ sản xuất sợi bazan: Đá bazan sau khi khai thác được phân loại, chọn lọc và làm sạch rồi tán nhỏ 20-40mm Sau đó cho vào lò nung và nung ở 1450-1500o Sau khi đá nóng bỏng, nhờ các vòi phun, bazan lỏng được phun ra thành sợi, sau đó được làm lạnh đột ngột nhờ một thiết bị hút gió và buồng lắng ta thu được bông, sợi bazan

Để kéo được sợi bazan liên tục có chất lượng cao, người ta dùng các tẩm khuôn platin

3 Sợi hữu cơ

Các loại sợi hữu cơ phổ biến có thể thấy là 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°C), tiếp theo được kéo ra thành sợi trong dung dịch, cuối cùng được sử 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 như 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 hữu cơ anamit có độ bền cao hoặc modun đàn hồi cao và một loạt những ưu việt khác Sợi hữu cơ có độ bền khi kéo, ổn định coa với nhiệt độ, bền va đập, không cháy, tính cách điện cao, khối lượng riêng thấp

Phụ thuộc vào thành phần polyme và phương pháp kéo sợi mà ta nhận được sợi hữu cơ có khối lượng 1410-1450kg và độ bền khi kéo 70-150Gpa Sợi hữu cơ giữ nguyên được những đặc tính cơ lý của mình cho đến 180o, trên ngưỡng này sợi hữu cơ không nóng chảy mà sẽ cacbon hoá

Vật liệu composite cốt sợi hữu cơ có độ bền khi nén và khả năng tương thích với nền polyme thường kém hơn so với sợi thuỷ tinh Yếu điển chung của sợi anamit là hút ẩm

Sợi hữu cơ được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất vật liệu composite

để chế tạo thân vỏ tên lửa động cơ nhiên liệu rắn, các bình, ống chịu áp lực, găng tay cách nhiệt, mũ – áo giáp, các chi tiết của tàu lượn, các thiết bị thể thao và nhiều sản phẩm khác nữa

4 Sợi carbon

Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35 A° 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° 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

Sợi cacbon được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân Với ưu điểm như nhẹ, chịu được nhiệt độ cao (lên đến vài nghìn

độ trong môi trường trơ), hệ số ma sát dãn nở nhiệt thấp, rất bền vững với nhiều điều kiện khí hậu và các phản ứng hoá học

Đến nay sợi cacbon chủ yếu được chế tạo từ ba nguồn nhiên liệu chính: Polyacri Lonitrit, từ dầu mỏ, than đá và từ hidrat xenlulo

5 Sợi bor

Sợi Bor hay 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

Việc sử dụng sợi bor dùng làm cốt composite cho phép tăng độ bền, tăng modun đàn hồi của vật liệu

Sợi bor có ưu điểm là có độ cứng cao hơn so với một số loại sợi khác Modun trượt của sợi bor có thể vượt qua 180Gpa

Sợi bor thường được dùng trong sản xuất composite trên vật liệu nền nhôm hoặc polyme

Sợi bỏ có tính bán dẫn, dùng làm cốt cho composite làm giảm dẫn nhiệt, dẫn điện

Nhược điểm của sợi bor là dùng chúng để quốn các chi tiết cá bán kính cong nhỏ rất phức tạp

Ứng dụng: Sản xuất các chi tiết cho hàng không, tên lửa, kỹ thuật vũ trụ

6 Sợi cacbua silic

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

Sợi cacbua silic thường dùng làm cốt cho composite kim loại trong những trường hợp đòi hỏi vật liệu phải làm việc lâu ở nhiệt độ cao Sợi cacbua silic thường hoàn thành trên đệm vonfram hoặc đệm cacbon, những sợi cacbua silic đệm cacbon rẻ hơn có độ bền kém hơn, dễ nhạy cảm với các hiệu ứng bề mặt

Composite cốt sợi cacbua silic thường dùng trong những chi tiết của thiết bị hạt nhân, vòng bi chịu nhiệt độ cao trong các động cơ tuabin, cánh quạt…

7 Sợi kim loại

Đối với composite làm việc trong nhiệt độ cao hay dùng cốt sợi kim loại vonfram hoặc moliđen, với composite làm việc trong nhiệt độ thấp hay dụng sợi thép hoặc sợi berilic

Sợi molipđen được dùng làm cốt composite, so với sợi vonfram về độ bền, đặc trưng đàn hồi và khả năng chịu nhiệt có kém hơn

8 Sợi ngắn và các hạt phân tán

Các sợi ngắn thu được từ nghiền cơ học, các nguyên liệu khoáng thành phần được chứa silicat cãni (75%) và kim loại nhẹ (25%), được làm sạch rồi đem nghiền cho đến khi thu được các dạng bột và các sợi ngắn với chiều dìa trung bình từ 270mm và đường kính 1-10µm

Sợi foranklin nhận được từ quá trình kết tinh sunfat canxi trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao, được dùng làm phụ gia cho chất dẻo

và dùng để gia cường cho aluminum

Sợi faibec cũng là những đơn tinh thể của titanat vô cơ, nhận được Từ

sự kết kinh lại các muối từ thể nóng chay Sợi faibec có độ bền và modun đàn hồi khá cao và thường được dùng để làm phụ gia gia cường cho chất dẻo

9 Cốt vải

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 chuyền 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 vải thường được dệt từ những sợi có modun đàn hồi cao, được

sử dụng rộng rãi làm cốt cho composite phân lớp, quấn các dạng ống composite

Theo tên các loại sợi, ta thường thấy có vải sợi cacbon, vải sợi hữu cơ

và vải tổng hợp

Đặc trưng cơ bản của vải cần biết: Các loại sợi thành phần, kiểu dệt, độ dày, chiều rộng, khối lượng của mét vuông vải, số sợi và số lượng mắt đếm trên một đơn vị chiều dài, khối lượng riêng

PHẦN II VẬT LIỆU NỀN

Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu composite

Yêu cầu về mặt khai thác: Đảm bảo những yêu cầu về cơ lý đối với vật liệu nền, đòi hỏi nền phải đảm bảo được cho vật liệu composite làm việc trong những điều kiện khai thác khác nhau, đảm bảo sự đồng đều hiệu quả của các thành phần cốt

Yêu cầu về công nghệ: Vật liệu nền phải đáp ứng được những đòi hỏi nảy sinh trong quá trình công nghệ như độ nhớt cà sự đảm bảo phân bố đều các cốt bên trong, bảo tồn được những tính năng vốn có của các dầm cốt, các hạt đơn, bảo đảm sự kết dính…

1 Chất liệu nền polyme nhiệt rắn.

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

Đối với composite polyme, vật liệu nền thường sử dụng là nhựa nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo

- Nhựa phenolic: Được dùng làm một số chi tiết bên trong máy bay như

hệ thống cửa, các vách ngăn, bếp và một số cấu trúc nhiều lớp…

* Ưu điểm: Rẻ, nguồn nhiên liệu có sẵn

* Nhược điểm: Khi dùng chế tạo composite là dòn, độ bền thấp và độ rỗng cao

- Nhựa phenolformandehit: Được tổng hợp bằng cách tụ phenol và formandehit Phụ thuộc vào tỷ lệ phenol formandehit và điều kiện phản ứng,

sẽ tạo thành nhựa novolac hoặc rerol phenolformandehit

Nhựa novolac cứng, có nhiệt độ cháy mềm khoảng 80-100o, dễ hoà tan trong cồn, axeton và một số dung môi khác

Nhựa rerol phụ thuộc vào tỷ lệ phenol và formandehit có thể ở dạng lỏng hoặc cứng Rerol cứng hoà tan trong dung dịch 40-60% cồn

- Polyeste là những este không no, hoặc hỗn hợp chảy với nhau hoặc với những phần tử thấp monome polyeste không là sản phẩm đa tụ của axit hữu cơ

- Các nhựa cơ silic: Nhận được từ sự đã tụ của các sản phẩm của sự thuỷ phân hỗn hợp các mono, di, tri và tetraclositan Chúng thường là chất giòn, cứng

- Nhựa epoxy: Rất nhiều ưu điểm và được sử dụng rất rộng rãi để chế tạo composite có tính cơ học cao, độ bám dính cao với nhiều loại cốt

2 Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo.

Nền của vật liệu là nhựa nhiệt dẻo như cá loại nhựa: PVC, nhựa polyetylen, nhựa polypropylen, nhựa polyamit,

Composite có vật liệu nền trên cơ sở polyme nhiệt dẻo có độ tin cậy cao, bởi vì mức độ ứng suất dư nảy sinh trong những thời gian ngay sau khi tạo thành sản phẩm rất thấp

Nhược điểm chính của vật liệu composite nền nhiệt dẻo là không chịu được nhiệt độ cao, và khi xử lý công nghệ gặp khó khưan do độ nhớt các dung dịch nóng chảy khá cao

- Phương pháp pha lỏng, được áp dụng để chế tạo các bán sản phẩm, thực chất là trát, tẩm vật liệu nền lỏng các cốt sợi

- Phương pháp pha rắn thường được dùng để chế tạo các bán thành phẩm, trong đó pha nền ở dạng bột

3 Chất liệu nền cacbon

Nền cacbon có tính chất cơ lý tương tự như sợi cacbon, đảm bảo tính chịu nhiệt độ cao cho composite cacbon-cacbon và khai thác triệt để ưu điểm các các sợi cacbon trong vật liệu composite

Picocacbon: Là loại vật liệu đồng nhất đa tinh thể có độ bền nhiệt và bền hoá rất tốt, một dạng cấu trúc chuyển tiếp của cacbon

Thuỷ tinh cacbon: Là sản phẩm của quá trình xử lý nhiệt các polyme lưới, có sự đóng rắn không thuận nghịch khi nung nóng Thuỷ tinh cacbon

có rất nhiều ưu điểm: Đẳng hướng, có tính không thấm khí, cứng, bền cơ lý hoá

Nền cacbon trên cơ sở nhựa pec: Ưu điểm là giá thành rẻ, nguồn nhiên liệu sẵn có, hàm lượng cacbon cao, nên cacbon trên cơ sở pec than đá hoặc dầu mỏ được dùng làm vật liệu nền cho composite cabon đã trở thành phổ biến

3 Chất liệu nền kim loại

Vật liệu compozit 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

Nền kim loại cho các composite thường là kim loại nhẹ hoặc là kim loại chịu nhiệt cao hoặc là dạng hợp kim phổ biến được dùng là hợp kim nhôm,

do chúng có khả năng kết hợp hài hoà giữa cốt với nền, đảm bảo tốt những đòi hỏi về cơ lý cũng như công nghệ của vật liệu composite

PHẦN III PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CƠ TÍNH

CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE

1 Cơ tính riêng

Khảo sát 1 thanh chịu lực:

Quan hệ giữa lực kéo P và biến dạng l được biểu diễn:

L

L F

E

Trong đó:

E: Modun đàn hồi của vật liệu

F: Diện tích mặt cắt ngang

L: Chiều dài thanh

L: Độ dãn dài tuyệt đối

Độ cứng kéo (nén) EF/L đặc trưng cho tính chất cơ học của thanh trong miền đàn hồi

2 loại vật liệu khác nhau 1,2 tỷ lệ các độ cứng:

P