1. Các đặc điểm chung.
- Là vật liệu nhiều pha. Các pha tạo nên composit thờng rất khác nhau về mặt
bản chất , không hoà tan lẫn nhau , phân tách nhau bằng bề mặt phân chia pha.
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
- Trong composit thì tỷ lệ , hình dáng , kích th-
ớc , cũng nh sự phân bố của nền 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 chung của
composit. Tuy vậy tính chất của composit không bao hàm tất cả các tính chất
của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó
những 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 [3]
2. Phân loại :
Để phân loại vật liệu composit ngời ta dựa vào các đặc điểm chung của
chúng :
- Theo bản chất của vật liệu nền : Composit nền polyme, gốm , graphit, kim loại
,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
- Theo phơng pháp chế tạo : Đúc,ép ,đúc phun, lăn tô
- Theo phạm vi ứng dụng : Composit cao cấp, composit kỹ thuật.
5
Nền
Cốt
Hình 1.1: Vật liệu Composit
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 hơn
polyme trong môi trờng có oxy. Vật liệu composit nền kim loại có modun rất
cao (~ 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 loại nhẹ
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 tạo
composit nền kim loại phức tạp hơn rất nhiều so với nền polyme và do vậy giá
thành sản phẩm sẽ cao hơn . Chính điều này hạn chế việc lựa chọn và triển khai
ứng dụng chúng trong công nghiệp
* Nền polyme:
Composit nền polyme chiếm khoảng 90 % trong tổng số các loại
composit . Nền polyme rất đợc a chuộng do có tỷ trọng thấp, cách điện, nhiệt
tốt, dễ gia công. Polyme dùng làm nền có 2 loại:Nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt
dẻo[1].
Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng : Polyetylen (PE) , Polypropen (PP),
Polystylen , Polyamit [3]
Nhựa nhiệt rắn phổ biến nhất là : Epoxy, polyeste không no, phenolic,
polyuretan [3]
*Nền gốm và thuỷ tinh:
Tổ chức điển hình của gốm là đa pha và đa tinh thể. Hai pha chính tạo nên
tổ chức của gốm : Pha thuỷ tinh phân bố xen kẽ giữa các vùng pha tinh thể và
6
gắn kết chúng lại với nhau. Gốm là loại vật liệu có độ bền cao, duy trì đợc độ
bền ở nhiệt độ cao (~ 1600
o
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 chất
vô 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 phơng
pháp 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 bền vật
liệu.[1]
*Nền cacbon/graphit:
Grafit là vật liệu chịu nhiệt rất tốt, cứng, bền nhiệt(>2000
o
C ), điển hình là
composit cacbon-cacbon. Vật liệu này đợc sử dụng nhiều trong ngành hàng
không, hoá dợc , y tế [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 trong nền.
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 kích th-
ớc nhỏ ( < 0.1 àm) 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 định kích
thớc , chịu nhiệt hoặc tạo ra một tính chất mới theo yêu cầu. T ơng tác nền 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 bằng
các phơng pháp gia công nhựa thông thờng nh đúc , đùn , đuc phun. Khi đùn
hoặc đúc phun vào khuôn , sợi phải có khả năng đi qua đợc khe hở trong thân
7
thiết 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 sợi
ngắn.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 thêm
bột độn với hàm lợng khá lớn. Phơng pháp gia công thờng đợc sử dụng là phơng
pháp ớt . Sợi phải đợc thấm ớt hoàn toàn để composit đạt đợc các tính chất 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 nhiệt
rắn, chế tạo composit chất lơng cao. Loại composit này có thể đợc chế tạo với
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 nhóm
này khác nhau chủ yếu ở loại sợi , chiều dài sợi tăng cờng và loại nhựa đợc sử
dụng làm nền.
Nhóm thứ nhất đợc gọi là composit tiên tiến (advanced composit ), đợc chế
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 đợc ứng 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 ), 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 ) gồm
các composit cốt sợi ngắn , có tính chất cơ lý thấp hơn. Nhựa nền cũng có tính
chất thấp hơn. Các sản phẩm làm từ composit kỹ thuật bao gồm : vỏ tàu , ca nô
, otô bồn tắm , bể chứa
V- Các vật liệu thành phần của composit
8
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 cốt giúp
cho composit có khả năng chịu lực cao hợn .Vật liệu nền đóng vai trò liên kết
vật liệu cốt với nhau và truyền lực cơ học tới chúng , cũng nh bảo vệ cốt chống
chọi với môi trờng xung quanh.[3]
1. Cốt
Trong toàn khối composit xét về mặt sắp xếp thì cốt phân bố không liên
tục. Về mặt bản chất cốt có thể rất đa dạng tuỳ thuộc vào tính chất của composit
cần chế tạo. Trong thực tế cốt có thể bằng kim loại ( thép không rỉ, vofram,
molipden ) , bằng chất vô cơ ( bo , cacbon , thuỷ tinh , gốm ) và bằng chất
hữu cơ ( polyamit thơm, nhựa epoxy ). [1]
Hình dạng, kích thớc, hàm lợng và sự phân bố cốt là những yếu tố ảnh hởng
mạnh đến tính chất của composit .
Một số dạng thức phân bố cốt trong không gian : cốt hoá một chiều (tuyến
tính ), 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 thành
các chi tiết theo thiết kế.
- Che phủ , bảo vệ cốt tránh các h hỏng cơ học và hoá học do tác dụng của môi
trờng ngoài.
Nền có thể là các vật liệu rất khác nhau . Về cơ bản ngời ta có thể phân loại
nền thành 4 nhóm :polyme , kim koại , gốm và hỗn hợp. Đặc tính của từng loại
nền xem phần 2.1.
3. Tơng tác giữa nền và cốt
Nền và cốt đợc kết hợp thành khối composit thống nhất thông qua liên kết
tại vùng ranh giới pha.Về nguyên tắc giữa nền và cốt trong khối composit ở
điều kiện làm việc bình thờng không xảy ra hiện tợng khuếch tán hoà tan lẫn
9
nhau.Tuy vậy tuỳ thuộc vào qui trình công nghệ chế tạo ,hệ thống có thể trải
qua các trạng thái nhiệt độ , áp suất cao thuận lợi về mặt nhiệt động học cho các
tơng tác khác nhau giữa nền và cốt xảy ra.[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 bản
sau:
- Nền và cốt không hoà tan lẫn nhau và không tạo thành hợp chất hoá học.
VD : Các composit Al-B, SiC-Al
- Nền và cốt tơng tác tạo dung dịch rắn với độ hoà tan rất nhỏ và không tạo hợp
chất hoá học.
VD: Các composit :Nb-W, Ni- W
- Nền và cốt tơng tác với nhau tạo hợp chất hoá học .
VD: Các composit :Al-SiO
2
, Ti-Al
2
O
3
, Ti-SiC
Tuỳ thuộc vào dạng tơng tác , giữa nền và cốt sẽ hình thành mối liên kết
nhất định . Độ bền của composit chịu ảnh hởng rất mạnh vào độ bền liên kết
cốt- 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 cốt
thông 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 các
composit tạo ra kiểu liên kết cơ học , khi tiến hành quy trình chế tạo , nếu pha
nền dợc nung chảy và thấm ớt với cốt thì bao giờ cũng xảy ra quá trình khuếch
tán hoà tan lẫn nhau giữa chúng dù là rất nhỏ.Sức căng bề mặt trên ranh giới
nền- cốt sau khi pha nền đông đặc chính là yếu tố quyết định của kiểu liên kết
sau này .
*Liên kết phản ứng (hình vẽ 1.2c)
10
0
0
0
0
90
0
45
0
-45
0
-45
0
45
0
90
0
0
0
Liên kết phản ứng xuất hiện khi trên ranh giới nền- cốt xảy ra tạo phản
ứng tạo hợp chất hoá học dạng mfx. Đặc tính của hợp chất mới tạo thành này
ảnh hởng quyết định đến độ bền liên kết giữa cốt và nền .
*Liên kết phản ứng phân đoạn (hình vẽ1.2d)
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 phản
ứng 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 sử dụng.
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 nh
sau:composit nhiều lớp , composit ba lớp.
1.1. Composit nhiều lớp .
Vật liệu đợc tổ hợp từ các lớp sợi hay vải đồng phơng ; phơng của sợi
hoặc vải trong mỗi lớp không nhất thiết phải giống nhau ( hình vẽ 1.3 )
11
Hình 1.2: Các kiểu liên kết giữa nền và cốt
Lớp mặt
Lớp lõi
Vật liệu cốt của mỗi lớp vật liệu có bản chất rất khác nhau : có thể là xơ ,
vải thuỷ tinh , cacbon Việc lựa chọn vật liệu cốt của các lớp vật liệu phụ
thuộc vào ngời sử dụng sao cho thoả mãn cao nhất tính chất bền , cứng khi
chịu tải trọng .
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]
1.2. Vật liệu composit ba lớp (hình 1.4) .[3]
12
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 điều
kiện 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 vibi
bông thuỷ tinh.
+Lõi rỗng hoặc tổ ong bằng: hợp kim nhẹ, giấy tẩm nhựa, giấy polyamit
+ Vỏ là vật liệu nhiều lớp ( thuỷ tinh, cacbon ) 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 liệu
cốt 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 trọng bậc
nhất, nó quyết định cơ tính của vật liệu composit . Tỷ lệ này có thể biểu diễn
qua tỷ lệ thể tích hoặc tỷ lệ khối lợng.
* Tỷ lệ thể tích (V
i
):
Ta khảo sát mộtkhối vật liệu composit (v
c
) chứa một khối sợi (v
s
) và khối
vật liệu nền (v
n
) . Khi đó tỷ lệ thể tích của sợi sẽ là:
c
s
s
v
v
V
=
,
Và tỷ lệ thể tích của vật liệu nền sẽ là :
c
n
n
v
v
V
=
. Với V
n
= 1- V
s
, do đó v
c
= v
s
+ v
n
* Tỷ lệ khối lợng (M
i
):
13
Từ khối lợng của composit (m
c
), khối lợng sợi (m
s
) và khối lợng vật liệu
nền (m
n
), ngời ta cũng định nghĩa tỷ lệ khối lợng tơng tự nh trên.
Giữa khối lợng và thể tích có quan hệ:
m
c
= v
c
.
c
; m
s
= v
s
.
s
; m
n
= v
n
.
n
; ( trong đó
i
là khối lợng riêng).
Khối lợng tổng cộng của vật liệu composit là:
m
c
= m
s
+ m
n
hay v
c
.
c
= v
s
.
s
+ v
n
.
n
suy ra :
c
= V
s
.
s
+ V
n
.
n
hoặc
c
= V
s
.
s
+ ( 1-V
s
).
n
.
Từ quan hệ : v
c
= v
s
+ v
n
ta có:
n
n
s
s
c
c
mmm
+
=
.
Từ đó ta biểu diễn tỷ trọng qua khối lợng riêng:
n
n
s
s
c
MM
1
+
=
Từ định nghĩa: M
s
=
c
s
m
m
=
s
c
s
cc
ss
V.
v.
v.
=
M
n
=
n
c
n
V.
ta tìm đợc quan hệ ngợc: V
s
=
s
s
c
M.
; V
n
=
n
n
c
M.
Đối với một composit cốt sợi xác định, nếu coi liên kết nền-cốt là hoàn
hảo thì cơ tính của vật kiệu đó chịu ảnh hởng trực tiếp của các yếu tố nh : sự
phân bố, kích thớc, hình dạng và hàm lợng của cốt sợi.
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 nhau tuỳ
thuộc yêu cầu đề ra đối với composit. Để khảo sát ngời ta phân biệt 2 kiểu phân
bố sau:
- Phân bố một phơng, trong đó tất cả các sợi đều định hớng song song
thống nhất theo một phơng ( hình vẽ1.5a).
14
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét