Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN I VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ Chương Cấu trúc tinh thể vật liệu 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử 1.1.1.Khái niệm cấu tạo nguyên tử 1.1.2 Mô hình nguyên tử 1.1.3.Các dạng liên kết nguyên tử chất rắn 11 1.2.Sự xếp nguyên tử vật chất 15 1.2.1.Chất khí 15 1.2.2 Chất rắn tinh thể 15 1.2.3 Chất lỏng, chất rắn vô định hình vi tinh thể 16 1.3.Khái niệm mạng tinh thể 16 1.3.1 Khái niệm tính chất mạng tinh thể 16 1.3.2 Các yếu tố đối xứng định hướng hay yếu tố đối xứng hình hữu hạn 18 1.3.3 Các yếu tố đối xứng vị trí hay yếu tố đối xứng hình vô hạn 18 1.3.4 Các ô mạng sở 14 kiểu mạng tinh thể 19 1.3.5 Ảnh hưởng kiểu liên kết đến cấu trúc tính chất tinh thể 22 1.4 Một số kiểu mạng tinh thể điển hình kim loại 23 1.5 Sai lệch mạng tinh thể lệch 24 1.5.1 Các sai lệch điểm mạng tinh thể 24 1.5.2 Lệch đường, lệch mặt tác dụng lệch tinh thể 25 1.6 Đơn tinh thể đa tinh thể 26 1.6.1 Tính có hướng tinh thể 26 1.6.2 Đơn tinh thể đa tinh thể 27 1.6.2.1 Đơn tinh thể 27 1.6.2.2 Đa tinh thể 27 Chương 29 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 29 2.1 Cơ sở chung kết tinh 29 2.1.1 Điều kiện xảy kết tinh 29 2.1.2 Chuyển biến xảy kết tinh 30 2.1.2 Sự thải nhiệt 31 2.1.3 Tổ chức tế vi kết tinh 33 2.2 Hai trình kết tinh 34 2.2.1 Quá trình tạo mầm 34 2.2.1.1 Quá trình tạo mầm đồng thể (mầm nội sinh) 34 2.2.1.2 Quá trình tạo mầm dị thể ( mầm ngoại sinh) 35 http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu 2.2.2 Quá trình phát triển mầm 38 2.2.3 Sự tạo mầm chất rắn 38 2.3 Sự hình thành hạt 39 2.4 Cấu tạo tinh thể thỏi đúc 40 Phần II 41 HỢP KIM VÀ TỔ CHỨC 41 Chương 41 Hợp kim giản đồ pha 41 3.1 Cấu trúc tinh thể hợp kim 41 3.1.1.Khái niệm hợp kim 41 3.1.2 Các dạng cấu tạo hợp kim 41 3.1.2.1.Dung dịch rắn 42 3.1.2.2 Hợp chất hóa học 43 3.1.2.3 Hỗn hợp học 44 3.2 Giản đồ pha hệ hai cấu tử 45 3.2.1.Quy tắc pha công dụng 45 3.2.2 Các giản đồ pha công dụng 45 3.2.2.1 Giản đồ loại 46 3.2.2.2 Giản đồ loại 47 3.2.2.3 Giản đồ loại 48 3.3 Giản đồ sắt-cacbon tổ chức 49 3.3.1.Giản đồ pha Fe-Fe3C 50 3.3.2 Các tổ chức hợp kim Fe-C 51 Chương 55 Nhiệt luyện thép 55 4.1 Khái niệm nhiệt luyện 55 4.1.1 Đặc điểm nhiệt luyện 55 4.1.2 Tác dụng nhiệt luyện nhà máy khí 55 4.2 Các chuyển biến xảy nung nóng 57 4.2.1 Cơ sở xác định chuyển biến nung nóng 57 4.2.2 Đặc điểm chuyển biến pec lít thành austenit 58 4.2.3 Chuyển biến xảy giữ nhiệt 59 4.2.4 Chuyển biến austenit làm nguội chậm 59 4.2.6 Chuyển biến austenit làm nguội nhanh 63 4.2.7 Chuyển biến nung nóng thép ( ram) 64 4.2.7.2 Các chuyển biến xảy ram 65 4.3 Các dạng nhiệt luyện thép hợp kim 66 4.3.2.Ủ thép 66 4.3.3.Thường hóa thép 68 4.3.4Tôi thép 69 4.3.5.Ram thép 72 4.4.Các khuyết tật xảy nhiệt luyện thép 74 4.4.1.Biến dạng nứt 74 4.4.2.Oxy hóa thoát cacbon 74 4.4.3.Độ cứng không đạt 75 4.5 Hóa nhiệt luyện 75 http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu 4.5.1 Thấm cacbon 76 4.5.2 Thấm ni tơ cho thép 77 4.5.3 Thấm đồng thời bề mặt thép cacbon ni tơ 78 PHẦN 79 CÁC LOẠI VẬT LIỆU 79 Chương 79 Thép gang 79 5.1 Khái niệm chung thép cacbon thép hợp kim 79 5.1.1 Thép cacbon 79 5.1.2 Thép hợp kim 81 5.2 Thép xây dựng 83 5.2.1 Đặc điểm chung phân loại 83 5.2.2 Thép thông dụng 84 5.2.3 Thép hợp kim thấp độ bền cao 85 5.2.4 Thép làm cốt bê tông 85 5.4 Thép chế tạo máy 86 5.4.1 Các yêu cầu chung 86 5.4.2 Các nhóm thép chế tạo máy 86 5.5 Thép dụng cụ 86 5.5.1 Các yêu cầu chung 86 5.5.2 Các nhóm thép dụng cụ 87 5.6 Thép đặc biệt 90 5.6.1 Đặc điểm chung phân loại 90 5.6.2 Thép không rỉ 90 5.6.3 Thép bền nóng 92 5.7 Gang 93 5.7.1 Đặc điểm chung loại gang 93 5.7.2 Gang xám 94 5.7.3 Gang cầu 95 5.7.4 Gang dẻo 97 Chương 99 6.1 Nhôm hợp kim nhôm 99 6.1.1 Nhôm nguyên chất phân loại hợp kim nhôm 99 6.1.2.Hợp kim nhôm biến dạng 100 6.1.3 Hợp kim nhôm đúc 101 6.2 Đồng hợp kim đồng 103 6.2.1 Đồng nguyên chất đặc tính hợp kim đồng 103 6.2.2 Phân loại hợp kim đồng 103 6.3 Các hợp kim ổ trượt 105 6.3.1 Yêu cầu hợp kim làm ổ trượt 105 6.3.2 Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp 105 6.3.3 Hợp kim nhôm làm ổ trượt 106 Chương 107 Vật liệu polyme 107 7.1 Khái niệm 107 7.1.1 Định nghĩa 107 http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu 7.1.2 Phân loại polyme 108 7.2 Cấu trúc phân tử polyme tính chất 110 7.2.1 Cấu trúc phân tử polyme 110 7.2.2 Sự kết tinh polyme 114 7.2.3 Tính chất học polyme 115 7.3 Một số phương pháp gia công polyme 117 7.3.1 Công nghệ cán 117 7.3.2 Công nghệ đùn 118 7.3.3.Công nghệ đúc áp lực (hay gọi đúc phun) 119 7.3.4 Công nghệ thổi vật rỗng 120 7.4 Các loại vật liệu polyme công dụng 121 7.4.1 Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng 121 7.4.2 Các loại nhựa nhiệt rắn thông dụng 124 7.4.3.Elastome tổng hợp 125 Chương 126 8.1 Khái niệm chung 126 8.1.1 Định nghĩa 126 8.2 Vật liệu Polyme Compozit 129 8.2.1 Thành phần vật liệu 129 8.2.3 Chất độn phụ gia 136 8.2.4 Đặc điểm tính chất sử dụng vật liệu polyme compozit 139 8.3 Một số phương pháp chế tạo kết cấu từ vật liệu polyme compozit 140 8.3.1 Đặc trưng chung công nghệ 140 8.3.2 Một số phương pháp gia công chế tạo kết cấu từ compozit 140 8.4 Ứng dụng vật liệu polyme compozit 144 8.4.1 Ứng dụng chế tạo ôtô phương tiện giao thông mặt đất 145 8.4.2 Ứng dụng lĩnh vực đóng tàu 145 8.4.3 Ứng dụng hàng không vũ trụ 145 8.4.4 Các ứng dụng quan trọng khác vật liệu polyme compzozit 146 http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu LỜI NÓI ĐẦU Từ loài người biết dùng lửa để sưởi ấm, biết hái lượm săn bắn để đảm bảo tồn nay, khoa học kỹ thuật có bước phát triển vượt bậc làm thay đổi sống người Ngày khoa học kỹ thuật chủ yếu tập trung vào năm lĩnh vực lớn là: công nghệ thông tin, khí-tự động hóa, điện tử viễn thông, công nghệ sinh học công nghệ vật liệu Trong công nghệ vật liệu có bước phát triển quan trọng tạo nhiều loại vật liệu có tính ưu việt ứng dụng lĩnh vực đời sống kỹ thuật Vì vật liệu có tầm quan trọng việc sử dụng vật liệu cho thích hợp với yêu cầu điều kiện làm việc vấn đề quan trọng Mỗi loại vật liệu lại có đặc điểm riêng tính chất giá thành để lựa chọn vật liệu cho phù hợp không đơn giản Trong lĩnh vực khí đóng tàu không liên quan đến vật liệu, yêu cầu tối thiểu kỹ sư khí đóng tàu phải nắm tính chất số loại vật liệu để lựa chọn sử dụng chúng điều kiện làm việc cụ thể kết cấu chi tiết máy Muốn phải hiểu kiến thức số loại vật liệu sử dụng phổ biến nay, vật liệu kim loại, vật liệu polyme vật liệu compozit Đó nội dung chủ yếu giảng Hiện nhà khoa học vật liệu liên tục nghiên cứu tìm tòi phát minh nhiều loại vật liệu làm biến đổi sâu sắc loại vật liệu truyền thống, có loại vật liệu biến tính để áp dụng chi tiết, kết cấu làm việc điều kiện khắc nghiệt Tuy nhiên thời gian tư liệu có hạn chắn giảng chưa cung cấp vấn đề nhất, tác giả có gắng hoàn thiện liên tục bổ sung vấn đề khoa học vật liệu thời gian sớm Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo môn học-vật liệu, khoa kỹ thuật tàu thủy, đặc biệt PGS.TS Quách Đình Liên trường đại học Nha Trang có đóng góp quý báu cho giảng http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu PHẦN I VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ Chương Cấu trúc tinh thể vật liệu 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử 1.1.1.Khái niệm cấu tạo nguyên tử Như biết môn học vật lý hóa học đại cương, cấu tạo nguyên tử hệ thống gồm hạt nhân mang điện tích dương, xung quanh hạt nhân điện tử mang điện tích âm bao quanh, trạng thái bính thường nguyên tử trung hoà điện Nguyên tử phần tử vật chất không phân chia nhỏ phản ứng hóa học Mỗi loại nguyên tử có tính chất vật lý hóa học đặc trưng tạo nên nguyên tố hóa học Mỗi nguyên tố có nguyên tử số xác định Các thông số nguyên tử thể bảng 1-1 Bảng 1-1.Các thông số nguyên tử Khối lượng Điện tích Đường kính Số nguyên tử quan sát vũ trụ ≈ 1.67 × 10-27 to 4.52 × 10-25 kg Bằng không (nếu có số điện tử quỹ đạo số proton nguyên tử 50 pm(H) đến 520 pm(Cs) ~1080 Kích thước nguyên tử phải nói nhỏ, đường kính phân tử hydro có độ lớn vào khoảng hai lần bán kính Van de Van (van der Waals radius) Bán kính van der Walls nguyên tử khoảng điện tử xa đến hạt nhân nguyên tử (trong trường hợp nguyên tử độc lập) đến trung tâm phân tử Sở dĩ có tên bán kính van der Walls để kỷ niệm Johannes Diderik van der Walls ông nhận giả thưởng Nobel vào năm 1910 Kích thước số nguyên tử thể bảng http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu Bảng 1-2 Kích thước số nguyên tử Bán kính (Å) Nguyên tố Hydro Cac bon Ni tơ Ô xy Flo Phốt Lưu huỳnh (sulphur) Clo (chlorine) 1.20 1,70 1,55 1,52 1,35 1,90 1,85 1,8 Nếu so sánh kích thước nguyên tử với sợi tóc người sợi tóc có khoảng triệu nguyên tử bon, giọt nước chứa khoảng 2x1021 nguyên tử ôxy hai lần lớn số lượng nguyên tử hydro Còn hạt bụi trung bình chứa 3x1012 (3 tỉ) nguyên tử Số nguyên tử 12 gam than củi vào khoảng 6x1023 nhiều 1.400.000 thời gian tuổi vũ trụ tính giây Nguyên tử -phần tử giữ nguyên- phần tử nhỏ không phân chia phản ứng hóa học, từ có tên gọi nguyên tử Tuy nhiên, số tương tác vật lý, nguyên tử tách thành thành phần nhỏ bé hơn, gọi hạt hạ nguyên tử Do nguyên tử trung hòa điện, mà điện tử lại có điện tích âm nên cần phải có điện tích dương tồn nguyên tử Hơn nữa, khối lượng điện tử nhỏ so với khối lượng nguyên tử nên cần phải có thực thể tạo khối lượng lớn nguyên tử Các kết thực nghiệm cho thấy nguyên tử bị phân chia sở cho mô hình nguyên tử Cấu tạo hạt nhân nguyên tử gồm có hạt mang điện tích dương gọi proton hạt không mang điện gọi notron Các điện tử phân bố quanh hạt nhân theo mức lượng từ thấp đến cao + Electron hạt hạ nguyên tử tìm dựa vào tính chất điện vật chất Vào cuối thập kỷ kỷ thứ 19, người ta nghiên cứu ống chùm ca-tốt (cathode ray tube) Ống chùm ca-tốt ống thuỷ tinh, bên có chứa khí có áp suất thấp, đầu ống cực dương, đầu cực âm Hai cực nối với nguồn có điện khác nhau, nguồn tạo dòng hạt qua khí bên ống Người ta giả thiết có chùm hạt phát từ cực dương phía cực âm làm cho ống phát sáng Chùm gọi chùm ca-tốt Khi đặt vật chướng ngại nhẹ ống vật bị di chuyển từ cực dương cực âm, người ta kết luận hạt có khối lượng Khi đặt từ trường vào dòng hạt bị dịch chuyển, người ta kết luận hạt có điện tích Năm 1897, nhà vật lý người Anh Joseph John Thomson (1856-1940) kiểm chứng tượng nhiều thí nghiệm khác nhau, ông đo tỷ số khối lượng hạt điện tích độ lệch hướng chùm tia từ trường điện trường khác Thomson dùng nhiều kim loại khác làm cực dương cực âm đồng thời thay đổi nhiều loại khí ống Ông thấy độ lệch chùm tia tiên đoán công thức http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu toán học Thomson tìm thấy tỷ số điện tích/khối lượng số không phụ thuộc vào việc ông dùng vật liệu Ông kết luận tất chùm ca-tốt tạo thành từ loại hạt mà sau nhà vật lý người Ái Nhĩ Lan George Johnstone Stoney đặt tên "electron", vào năm 1891 Các nhà khoa học xác định khối lượng điện tích electron Theo đó, điện tích electron -1,602.10-9 C khối lượng 9,1.10-31 kg Electron có đường kính khoảng 10-7Ao Mặc dù có kích thước khối lượng nhỏ electron chuyển động không gian chung quanh hạt nhân lớn gấp hàng tỷ lần thể tích hạt nhân + Proton Năm 1911 Rutherford sử dụng radi phóng chùm hạt α mang điện tích dương, có khối lượng gấp khoảng 7500 lần khối lượng electron, hướng vào vàng mỏng L Ông dùng huỳnh quang theo dõi đường hạt Kết thí nghiệm cho thấy hầu hết hạt α xuyên thẳng qua vàng có số lệch hướng ban đầu bị bật trở lại sau gặp vàng Điều giải thích electron tạo thành lớp vỏ nguyên tử, nguyên tử hạt nhân mang điện tích dương tập trung hầu hết khối lượng nguyên tử có kích thước nhỏ so với thể tích nguyên tử Năm 1913, nhà vật lý người Anh Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887-1915) thấy nguyên tố có điện tích dương hạt nhân nguyên tử Do hạt nhân phải chứa loại hạt mang điện tích dương gọi proton Số proton hạt nhân gọi nguyên tử số hay gọi số hiệu nguyên tử + Neutron Người ta thấy nguyên tử lượng hyđrô lớn tổng khối lượng proton điện tử phải tồn loại hạt khác hạt nhân đóng góp vào khối lượng nguyên tử Vì nguyên tử trung hòa điện nên hạt phải không mang điện tích Đó hạt neutron vật lý người Pháp Irene Joliot-Curie (1897-1956) nhà vật lý người Anh James Chadwick (1891-1974) phát Các phát giúp người hiểu biết sâu sắc cấu trúc nguyên tử, mở nhiều hướng nghiên cứu cho lượng nguyên tử sau Đồng thời hoàn thiện mô hình cấu trúc nguyên tử Điển hình mô hình nguyên tử Rutherford lúc là: proton neutron tạo nên hạt nhân nguyên tử, điện tử chuyển động xung quanh chiếm phần lớn thể tích nguyên tử Khối lượng điện tử nhỏ so với khối lượng hạt nhân nguyên tử 1.1.2 Mô hình nguyên tử Trong lịch sử ngành hoá học nhà khoa học đưa nhiều mô hình cấu trúc nguyên tử, điển hình mô hình Dalton, Thompson, Rutherford mô hình lượng tử nguyên tử Đặc biệt người phát proton neutron Dựa số giả thuyết Lord Kelvin (1824-1907) đưa kết Millikan, năm 1902, Năm 1903 Thomson nhà vật lý học người Anh đưa mẫu nguyên tử http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu gồm ion tích điện dương điện tử gọi thuyết ion-điện tử Mô hình cho điện tử mang điện tích âm trộn lẫn vật chất mang điện tích dương, giống mận nhỏ trộn lẫn bánh, mô hình gọi mô hình bánh mận (tiếng Anh: plum pudding) Nếu điện tử bị xê dịch bị kéo vị trí ban đầu Điều làm cho nguyên tử trung hòa điện trạng thái ổn định Theo ông, nguyên tử gồm ion tích điện dương có điện tử xâm nhập vào đủ để đảm bảo tính trung hòa điện Mẫu ion điện tử không giải thích tượng xạ α qua kim loại mỏng mà Rutherford thực thí nghiệm ông Cùng khoảng thời gian đó, nhà vật lý người Nhật Hantaro Nagoaka đưa mô hình Sao Thổ ông vào năm 1904 Mô hình cho vật chất mang điện tích dương nguyên tử giống Thổ, điện tử mang điện tích âm chuyển động giống vòng đai Thổ Mô hình không bền điện tử lượng rơi vào tâm nguyên tử Mô hình Thomson thừa nhận mô hình Nagoaka đứng vững vài năm nhà vật lý người New Zealand Ernest Rutherford (1871-1937) đưa mô hình nguyên tử ông Cùng với đồng nghiệp Hans Geiger Ernest Mardsen, Rutherford dùng chùm hạt alpha bắn phá vàng mỏng thí nghiệm mang tên ông Hạt alpha hạt mang điện dương (+2), có khối lượng khoảng bốn lần khối lượng nguyên tử hydrogen Kết thu cho thấy hầu hết hạt alpha qua vàng mà không bị lệch hướng, số hạt (1/8000 so với số hạt thẳng) bị lệch hướng số hạt bị bật ngược trở lại Kết cho phép kết luận sau: nguyên tử có cấu tạo rỗng, electron bao quanh hạt có kích thước nhỏ so với kích thước nguyên tử (ta tưởng tượng hạt nhân nguyên tử lớn cỡ nắm tay mét nguyên tử phải to nhà ba tầng rộng tới 10km) Trên kim loại phân tử mang điện tích dương phân bố thưa thớt hạt alpha qua kim loại dễ dàng Một số hạt gần với hạt điện tích dương hạt tích điện lớn nên đẩy hạt alpha lệch hướng ban đầu ngược hướng ban đầu Do lực Coulomb tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nên hạt nhân cần có kích thước nhỏ để đạt lực đẩy lớn khoảng cách nhỏ hạt alpha hạt nhânÔng gọi hạt nhân Hạt nhân có điện tử quay xung quanh giống hành tinh quay xung quanh Mặt Trời, thể tích hạt nhân nhỏ so với nguyên tử phần lớn khối lượng nguyên tử lại tập trung Mô hình có tên mẫu hành tinh nguyên tử Trên sở Rutherford xây dựng nguyên tử kiểu hành tinh mang tên ông có nội dung sau: + Mỗi nguyên tử gồm hạt nhân tích điện dương có kích thước nhỏ so với kích thước nguyên tử, xung quanh hạt nhân có điện tử chuyển động quỹ đạo khác + Nguyên tử trung hòa điện nên số điện tử nguyên tử trị số điện tích hạt nhân nguyên tố Trong mẫu hành tinh nguyên tử, hạt nhân mang điện tích dương nhỏ bé, tập trung phần lớn khối lượng nguyên tử trung tâm; điện tử mang điện tích âm quay chung quanh hạt nhân quỹ đạo giống hành tinh quay chung quanh Mặt Trời http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu Mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford không giải thích tính bền nguyên tử Khi điện tử chuyển động trường hạt nhân, theo thuyết điện động học hệ xạ lượng liên tục, kết điện tử chuyển động đường xoắn ốc, cuối rơi vào hạt nhân Hiện hai mô hình sử dụng để mô tả cấu trúc giải thích mối liên kết nguyên tử mô hình Bohr mô hình nguyên tử xây dựng sở thuyết học lượng tử Dựa học lượng tử, người ta thay đổi mô hình nguyên tử Bohr để xây dựng lên mô hình đại nguyên tử Quỹ đạo xác định mô hình Bohr thay quỹ đạo xác suất, điện tử tìm thấy với xác suất định Quỹ đạo trạng thái điện tử đặc trưng bốn số lượng tử Sự xếp điện tử nguyên tử tuân theo nguyên lý Aufbau, tức điện tử chiếm trạng thái có lượng thấp Nhưng chúng phải thỏa mãn nguyên lý loại trừ Pauli nói có nhiều hai điện tử nguyên tử trạng thái lượng có bốn số lượng tử giống Sau chúng phải thỏa mãn quy tắc Hund phát biểu điện tử chiếm quỹ đạo cho có số quỹ đạo nhiều điện tử Quy tắc Hund Friedrich Hund (1896-1997) đưa tính đến lực đẩy tĩnh điện điện tử quỹ đạo Hình1.1 mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford Liti Mô hình nguyên tử chấp nhận ngày sau: • • • Nguyên tử tạo thành từ hạt nhân mang điện tích dương nằm tâm nguyên tử điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh Hạt nhân tạo thành từ hạt proton mang điện tích dương hạt neutron không mang điện Mỗi nguyên tố có số proton có số neutron khác (các nguyên tố gọi đồng vị) Hạt nhân điện tử chiếm vùng không gian nhỏ bé so với kích thước nguyên tử (nếu ta coi kích thước nguyên tử bao gồm không gian quỹ đạo đám mây điện tử) Nếu coi hạt nhân cầu bán kính m đặt Hà Nội điện tử to hạt cát gần cách 100 km, tức Hải Phòng Các điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân quỹ đạo có bán kính xác định tuân theo điều kiện lượng tử Sự xếp quỹ đạo nguyên tử gọi cấu hình điện tử Mỗi quỹ đạo đặc trưng ba số lượng tử là: số lượng tử chính, số lượng tử phương vị số lượng tử từ Trên quỹ đạo có hai điện tử, hai điện tử phải có số lượng tử thứ tư spin khác Khi điện tử chuyển động quỹ đạo không xạ hay hấp thụ lượng Những quỹ đạo gọi quỹ đạo dừng Sự hấp thụ hay xạ lượng điện tử chuyển dời từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác Ý nghĩa số lượng tử mô hình nguyên tử đại sau: + Ý nghĩa số lượng tử đặc trưng cho mức lượng orbitan http://www.ebook.edu.vn 10 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bảng 8.4 đặc trưng sợi cacbon theo nguyên liệu ban đầu Sợi cacbon sở PAN Tính chất Sợi sở pec tinh thể lỏng Độ bền cao Độ dãn dài cao Mô đun cao Mô đun đàn hồi kéo, GPa 230-240 230-250 350-450 380-690 Độ bền kéo, GPa 3,0-3,5 4,0-4,5 2,0-2,5 2,1-2,4 Độ dãn dài đứt, % 1,3-1,4 1,7-1,8 0,5-0,6 - 1740-1780 740-1780 1780-1840 2000 Khối lượng riêng, kg/m3 8.2.1.2 Vật liệu Vật liệu giữ vai trò quan trọng việc chế tạo vật liệu compozit Chính vậy, chúng phải đáp ứng yêu cầu mặt khai thác mặt công nghệ Yêu cầu mặt khai thác trước hết yêu cầu lý vật liệu nền, đòi hỏi phải đảm bảo cho vật liệu compozit làm việc bền vững chịu tải, đảm bảo làm việc đồng hiệu thành phần cốt, độn với dạng đặt tải khác Bản thân vật liệu xác định vật liệu tạo chịu đến nhiệt độ Vật liệu định khả chịu đựng vật liệu compozit tác động môi trường, tác động hóa học vài tính chất khác vật liệu compozit nói chung Yêu cầu mặt công nghệ với vật liệu đặt trình sản xuất compozit kết cấu sản phẩm từ chúng Trong trình làm sản phẩm compozit có đặc điểm quan trọng cần lưu ý thường chế tạo bán thành phẩm trung gian gọi prepreg để chế tạo sản phẩm kết cấu, ví dụ sản xuất bình compozit, ống compozit, trình quấn chi tiết chúng vừa tạo vật liệu, lại vừa tạo kết cấu compozit Vì vậy, vật liệu phải đáp ứng đòi hỏi nảy sinh trình công nghệ: độ nhớt, phân bố cốt bên Đối với compozit polymer vật liệu thường sử dụng nhựa nhiệt rắn nhựa nhiệt dẻo a.Nền nhựa nhiệt rắn Vật liệu nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hòa tan đóng rắn lại nung nóng ( có chất xúc tác) sau đóng rắn tạo thành cấu trúc mạng lưới không gian không thuận nghịch Trong trình chế tạo vật liệu compozit người ta thường bổ sung thêm dung môi vào vật liệu nhằm làm giảm độ nhớt, làm trình phối hợp vật liệu vật liệu cốt dễ dàng Thông thường người ta hay sử dụng loại nhựa nhiệt rắn sau đây: + Nhựa phenol fomandehit: loại nhựa tổng hợp cách đa tụ phenol fomandehit Nhược điểm loại nhựa đóng rắn độ co ngót lớn, loại nhựa có tính giòn cao dẫn đến tạo ứng suất dư trình đóng rắn http://www.ebook.edu.vn 133 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật + Nhựa polyeste: sản phẩm đa tụ axit hữu không no anhidrit chúng với alcol đa chức Những nhựa chất rắn, dễ hòa tan dung môi khác Ưu điểm loại nhựa đóng rắn có độ bền cao với nước, dầu khoáng, axit vô cơ, tính cách điện tốt đặc biệt độ nhớt thấp, đảm bảo thuận lợi cho trình gia công Nhược điểm loại nhựa tính không cao đóng rắn, dính bám với chất cốt không cao, độ co đáng kể thành phần có momone Nhựa polyester sử dụng rộng rãi công nghệ compozit Polyester loại thường loại không no, nhựa nhiệt rắn, có khả đóng rắn dạng lỏng dạng rắn có điều kiện thích hợp Thông thường người ta gọi polyester không no nhựa polyester Polyester có nhiều loại, từ acid, glycol monomer khác nhau, loại có tính chất khác Chúng khác loại nhựa UPE khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố : + Thành phần nguyên liệu + Phương pháp tổng hợp + Trọng lượng phân tử + Hệ đóng rắn + Hệ chất độn Bằng cách thay đổi yếu tố trên, người ta tạo nhiều loại nhựa UPE có tính chất đặc biệt khác tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng Có hai loại polyester thường sử dụng công nghệ compozit Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, sử dụng rộng rãi Còn nhựa isophthalic lại có khả kháng nước tuyệt vời nên xem vật liệu quan trọng công nghiệp, đặc biệt hàng hải.Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường pha loãng styrene Lượng styrene lên đến 50% để làm giảm độ nhớt nhựa, dễ dàng cho trình gia công Ngoài ra, styrene làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang phân tử mà tạo thành sản phẩm phụ Polyester có khả ép khuôn mà không cần áp suất Polyester có thời gian tồn trữ ngắn tượng tự đóng rắn sau thời gian Thông thường, người ta thêm vào lượng nhỏ chất ức chế trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa tượng Nhà sản xuất cung cấp nhựa dạng tự nhiên hay có dùng số phụ gia Nhựa sản xuất để cần cho xúc tác vào sử dụng Như đề cập trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn Tốc độ trùng hợp chậm cho mục đích sử dụng, cần dùng chất xúc tác chất xúc tiến để đạt độ trùng hợp nhựa khoảng thời gian đó.Khi đóng rắn, polyester cứng có khả kháng hoá chất Quá trình đóng rắn hay tạo kết ngang gọi trình Polymer hóa Đây phản ứng hoá học có chiều Cấu trúc không gian cho phép nhựa chịu tải mà không bị giòn Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước sử dụng Nhựa phụ gia khác phải phân tán trước cho xúc tác vào Phải khuấy cẩn thận để loại bỏ bọt khí nhựa ảnh hưởng trình gia công Điều quan trọng bọt khí nhựa ảnh hưởng tính chất lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu Cần phải ý việc dùng xúc tác xúc tiến với hàm lượng vừa đủ cho vật liệu tính chất tốt Nếu nhiều xúc tác làm trình gel hoá xảy nhanh hơn, ngược lại, xúc tác trình đóng rắn bị chậm lại +Vinylester có cấu trúc tương tự polyester, điểm khác biệt chủ yếu với polyester vị trí phản ứng, thường cuối mạch phân tử vinyl ester có kết đôi C=C http://www.ebook.edu.vn 134 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật hai đầu mạch mà Toàn chiều dài mạch phân tử sẵn chịu tải, nghĩa vinylester dai đàn hồi polyester Vinylester có nhóm ester polyester, nhóm ester dễ bị thủy phân, tức vinylester kháng nước tốt polyester khác, thường ứng dụng làm ống dẫn bồn chứa hoá chất Khi so sánh với polyester số nhóm ester vinyl ester hơn, nghĩa vinyl ester bị ảnh hưởng phản ứng thủy phân Thường dùing vật liệu lớp phủ bên cho sản phẩm ngập nước, vỏ tàu, thuyền Cấu trúc đóng rắn vinyl ester có khuynh hướng dai polyester, để đạt tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đóng rắn + Nhựa silic: loại nhựa có ưu điểm có khả làm việc dải nhiệt độ rộng, bền với tác động dung môi hữu axit vô cơ, có tính cách điện cao Nhược điểm chúng có đặc tính học thấp so với loại nhựa khác nhiệt độ 100oC Việc chế tạo chi tiết nhựa silic thường phải xử lý áp lực cao trình đóng rắn dài + Nhựa epoxy: Nhựa epoxy tạo thành từ mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tự vinylester, với nhóm epoxy phản ứng vị trí cuối mạch Nhựa epoxy nhóm ester, khả kháng nước epoxy tốt Ngoài ra, có hai vòng thơm vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất nhiệt tốt mạch thẳng, vậy, epoxy cứng, dai kháng nhiệt tốt Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng không gian ba chiều Chất đóng rắn ưa sử dụng amine, cho vào epoxy, lúc chúng xảy phản ứng hoá học Thường nhóm epoxy phản ứng kết khối với nhóm amine, tạo cấu trúc phân tử ba chiều phức tạp Amine kết hợp với epoxy theo tỉ lệ định, yếu tố quan trọng việc trộn tỉ lệ đảm bảo cho phản ứng xảy hoàn toàn Nếu tỉ lệ trộn không nhựa chưa phản ứng chất đóng rắn dư hỗn hợp ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm sau đóng rắn Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn xác, nhà sản xuất thường công thức hoá thành phần đưa tỉ lệ trộn đơn giản cách đo khối lượng hay thể tích chúng Cả nhựa epoxy lỏng tác nhân đóng rắn có độ nhớt thấp thuận lợi trình gia công Epoxy đóng rắn dễ dàng nhanh chóng nhiệt độ phòng từ 5-150oC, tuỳ cách lựa chọn chất đóng rắn Một ưu điểm bật epoxy co ngót thấp đóng rắn Lực kết dính, tính chất lý epoxy tăng cường tính cách điện khả kháng hoá chất.Ứng dụng epoxy đa dạng, dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn.Nhựa epoxy có nhiều ưu điểm sử dụng rộng rãi để chế tạo compozit có tính học cao, độ bám dính cao với nhiều loại cốt, tiện lơi xử lý công nghệ, tạo dáng kết cấu giữ lâu trạng thái chưa đóng rắn, tiện lợi cho việc chế tạo kết cấu compozit bán thành phẩm Nhược điểm epoxy chịu nhiệt tuơng đối thấp Đặc trưng học epoxy bị giảm nhanh với nhiệt độ gần nhiệt độ thủy tinh hóa polymer Việc biến tính epoxy nâng nhiệt độ chịu nhiệt độ cao chút Sau bảng trình bày tính chất số vật liệu nhiệt rắn Bảng 8.5 tính chất số vật liệu nhiệt rắn Tính chất Phenol -fomandehit Cơ silic Polyeste Epoxy Độ bền kéo, MPa 40-70 20-50 30-70 35-100 Độ bền nén, MPa 100-125 60-100 80-150 90-160 http://www.ebook.edu.vn 135 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Khối lượng riêng, 103 kg/m3 1,2-1,3 1,35-1,4 1,2-1,35 1,2-1,3 Bền nhiệt, oC 140-180 250-280 50-80 130-150 Độ giãn dài tương đối, % 0,4-0,5 0,3-0,5 1-5 2-9 6-8 2-4,2 6-9 4,8-8 0,3-0,4 0,08-0,12 0,1-0,2 0,01-0,08 Hệ số dãn nở nhiệt, 106/K Độ ngậm nước sau 24h, % b Nền nhựa nhiệt dẻo Compozit có vật liệu sở polyme nhiệt dẻo có độ tin cậy cao, mức độ ứng suất nảy sinh sau chế tạo thành sản phẩm thấp Ưu điểm mặt công nghệ là: giảm công đoạn đóng rắn, khả thi công, tạo dáng sản phẩm dễ dàng, khắc phục khuyết tật trình sản xuất tận dụng phế liệu gia công lại lần thứ hai Nhược điểm vật liệu compozit nhiệt dẻo không chịu nhiệt độ cao xử lý công nghệ gặp khó khăn độ nhớt dụng dịch nóng chảy cao Chính vậy, việc sử dụng nhựa nhiệt dẻo chế tạo vật liệu compozit nhiều hạn chế 8.2.3 Chất độn phụ gia 8.2.3.1 Chất độn Chất độn chất thêm vào vật liệu mục đích để giảm giá thành vật liệu, số trường hợp làm nâng cao độ bền học vật liệu Có nhiều loại chất độn sử dụng cho vật liệu compozit, loại chất độn có đặc điểm riêng giá thành tính chất Những loại chất độn sử dụng chủ yếu công nghiệp chế tạo sản phẩm từ vật liệu compozit là: bột nhẹ, bột mica, bột barit, bột SiO2… Chất độn( cốt)Đóng vai trò chất chịu ứng suất tập trung độn thường có tính chất lý cao nhựa Người ta đánh giá độn dựa đặc điểm sau: •Tính gia cường học •Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ •Phân tán vào nhựa tốt •Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt •Thuận lợi cho trình gia công •Giá thành hạ, nhẹ Tuỳ thuộc vào yêu cầu cho loại sản phẩm mà người ta chọn loại vật liệu độn cho thích hợp Có hai dạng độn: http://www.ebook.edu.vn 136 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật •Độn dạng sợi: sợi có tính lý hoá cao độn dạng hạt, nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide… •Độn dạng hạt: thường sử dụng : silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon… khả gia cường tính chất độn dạng hạt dược sử dụng với mục đích sau: - Giảm giá thành - Tăng thể tích cần thiết độn trơ, tăng độ bền lý, hoá, nhiệt, điện, khả chậm cháy - Dễ đúc khuôn, giảm tạo thành bọt khí nhựa có độ nhớt cao ảnh hưởng đến gia công - Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút đóng rắn, che khuất sợi cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt đóng rắn Cốt sợi sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông…), sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải, sợi poliamit…) Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà người ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác : sợi ngắn, sợi dài, sợi rối Việc trộn thêm loại cốt sợi vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền học độ bền hoá học vật liệu PC : khả chịu va đập ; độ giãn nở cao ; khả cách âm tốt ; tính chịu ma sát- mài mòn ; độ nén, độ uốn dẻo độ kéo đứt cao ; khả chịu môi trường ăn mòn : muối, kiềm, axít… Những khả chứng tỏ tính ưu việt hệ thống vật liệu PC so với loại Polyme thông thường Và, tính ưu việt âý mà hệ thống vật liệu PC sử dụng rông rãi sản xuất đời sống 8.2.3.2 Phụ gia Phụ gia đưa vào sản phẩm trình chế tạo vật liệu compozit nhằm mục đích nâng cao tính cơ, lý, hóa sản phẩm, thường đưa vào với lượng không nhiều Các loại phụ gia sử dụng chủ yếu cho vật liệu PC là: chất chống oxy hóa, chất chống tia tử ngoại, chất chống cháy, chất liên kết… + Chất pha loãng Tính chất cuả polyester phụ thuộc vào hàm lượng nối đôi nhóm ete, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ mà phụ thuộc vào tính chất cuả tác nhân nối ngang – monomer.Các monomer khâu mạch ngang dùng để đồng trùng hợp với nối đôi nhựa UPE, tạo kết ngang, thường chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên có tác dụng làm giảm độ nhớt hỗn hợp, chúng gọi chất pha loãng Monomer pha loãng phải thỏa mãn điều kiện sau: •Đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm không đồng nhất, làm ảnh hưởng đến tính chất cuả sản phẩm, sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, bền •Monomer phải tạo hỗn hợp đồng với polyester, tốt dung môi cho polyester Lúc hoà tan hoàn toàn vào mạch phân tử polyester, tạo thuận lợi cho phản ứng đóng rắn tạo độ nhớt thuận lợi cho trình gia công •Nhiệt độ sôi cao, khó bay trình gia công bảo quản •Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp co rút •Ít độc http://www.ebook.edu.vn 137 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Để đóng rắn polyester, người ta dùng monomer : styrene, metyl meta acrylat (MMA), vinyl, triallil xianuarat, … styrene sử dụng nhiều có tính chất ưu việt: •Có độ nhớt thấp •Tương hợp tốt với polyester, khả đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp •Đóng rắn nhựa nhanh •Sản phẩm chịu thời tiết tốt, lý tính cao, cách điện tốt •Khả tự bốc cháy thấp + Chất tách khuôn, chất làm kín phụ gia khác •Chất róc khuôn - Chất róc khuôn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khuôn - Chất róc khuôn dùng đắp tay loại chất róc khuôn ngoại bôi trực tiếp lên khuôn - Một số chất róc khuôn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo… •Chất làm kín: - Với khuôn làm từ vật liệu xốp gỗ, thạch cao cần phải bôi chất làm kín trước dùng chất róc khuôn - Các chất làm kín xâm nhập vào lỗ xốp, ngăn chặn nhựa bám vào - Một số chất làm kín: Cellulose acetate, wax, silicon, stearic acid, nhựa furane, véc ni, sơn mài… •Chất tẩy bọt khí - Bọt khí làm sản phẩm compozit bị giảm độ chịu lực, độ chịu thời tiết thẩm mỹ bề mặt - Lượng thường sử dụng: 0.2-0.5% lượng nhựa - Lưu ý: nên cho chất tẩy bọt khí vào nhựa trước dùng thành phần khác •Chất thấm ướt sợi: - Có tác dụng tăng khả thấm ướt sợi giúp sử dụng độn nhiều - Lượng dùng: 0.5-1.5% so với độn •Chất tăng độ phân tán •Chất ngăn thoát styrene + Xúc tác – Xúc tiến •Xúc tác Các chất xúc tác cho vào nhựa trước gia công Vai trò chúng tạo gốc tự kích động cho trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp Tác nhân kích thích cho tạo thành gốc tự chất xúc tiến, xạ ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ Chất xúc tác gồm loại Xúc tác Peroxide + Peroxide : thông dụng benzoil-peroxide Nó loại bột trắng, tồn ba dạng : khô (khoảng 5% ẩm), paste nước (khoảng 25% nước), thông dụng paste tricresyl-phosphonate hay dimetyl phthalate (khoảng 70% peroxide) Nó dùng để đóng rắn nhựa polyester (ở nhiệt độ khoảng 80Oc) thường dùng với tỉ lệ 0,5-2% so với nhựa Khi cho vào nhựa thường dạng paste dạng Ngoài chất xúc tác thuộc loại peroxide có: + Di-t-butyl peroxide (CH3)3-C-O-O-C-(CH3)3 + Di-acetyl peroxide (CH3)3-CO-O-O-OC-(CH3)3 + Hydroperoxide : + t-butyl-hydroperoxide (CH3)3-COOH http://www.ebook.edu.vn 138 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật + Cumen-hydroperoxide C6H5-C-(CH3)2-O-OH Hai loại MEKP HCH dùng để đóng rắn nguội cho nhựa polyester MEKP tên viết tắt cuả metyl ethyl keton peroxide, thực chất hỗn hợp số hợp chất peroxide, thành phần thay đổi tùy thuộc vào nhà sản xuất Nó chất oxi hoá mạnh nên phải tránh tiếp xúc với oxi HCH sản phẩm phản ứng hydroperoxide với cyclohexanol peroxide gọi tên cyclo-hexanol peroxide Tuy nhiên hỗn hợp hai bốn chất sau (theo Criegree, Schorenberg Becke) Xúc tác azo diazo + Diazo aminobenzen: C6H5-NH-N=N-C6H5 + Dinitric cuả acid diizobutyric: NC(CH3)2-N=N-C(CH3)2-COO-CN + Dimetyl ester cuả acid diizobutyric: C2H5-OOC-C(CH3)2-N=N-C(CH3)2-COO-C2H5 •Chất xúc tiến:Chất xúc tiến chất đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự cuả chất xúc tác Dùng chất xúc tiến giảm nhiệt độ thời gian đóng rắn cách đáng kể đóng rắn nguội Gồm loại: Xúc tiến kim loại: Xúc tiến kim loại muối cuả kim loại chuyển tiếp như: cobalt, chì, mangan, ceri, … acid như: naphthenic, linoleic, octonic,… hoà tan tốt polymer Loại xúc tác thường dùng chung với chất xúc tác dạng hydroperoxit (MEKP, HCH) Amin bậc ba:Loại xúc tiến thường dùng với chất xúc tác peroxide, thuộc loại thường gặp + Dimetyl-aniline ( DMA ) : C6H5N(CH3)2 + Dietyl-aniline ( DEA ) : C6H5N(C2H5)2 + Dimetyl-p-toluidin ( DMPT ) : CH3C6H5N(CH3)2 8.2.4 Đặc điểm tính chất sử dụng vật liệu polyme compozit Độ bền độ cứng cao vật liệu polyme compozit làm cho chi tiết chuyển động bánh xe, trục quay có khả hoạt động nhanh nhiều so với cac chi tiết làm hợp kim Khác với vật liệu truyền thống, phá hủy vật liệu polyme compozit đạt đến tải trọng tới hạn không xảy tức thời, nghĩa không xảy hư hỏng thảm họa Vật liệu tiếp tục biến dạng mà trì khả làm việc tải trọng thấp tải trọng phá hủy Cơ chế phá hủy đảm bảo cho chi tiết chế tạo từ vật liệu làm việc với đô tin cậy cao + Khi sử dụng vật liệu PC gia cường sợi có môđun cao giảm mômen quán tính tốc độ tới hạn trục quay giảm số lượng gối hay ổ đỡ trung gian, cho phẻp trục quay làm việc với tốc độ cao + Chống ăn mòn đặc tính loại vật liệu dựa vào việc lựa chọn loại nhựa thích hợp + Tính ổn định kích thước kết cấu từ vật liệu PC điều kiện quan trọng để ứng dụng thiết bị máy công nghiệp, kính viễn vọng, cánh tay robot + Các chi tiết liên kết tiêu chuẩn từ vật liệu PC sản xuất nhanh kinh tế so với trường hợp dùng kim loại Đồng thời dễ thay + Vật liệu PC có khả cách âm giảm xóc tuyệt vời Độ rung âm học giảm 10% so với kim loại http://www.ebook.edu.vn 139 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật + Tính chất ma sát mài mòn vật liệu PC gia cường sợi cacbon tốt Hệ số ma sát compozit cacbon thép 40% so với thép thép có bôi trơn + Vật liệu PC có khả chịu khí hậu tốt môi trường nước biển + Do khối lượng nhẹ, tiết chế tạo từ PC dễ tháo rời vận chuyển + Giảm phế liệu trình gia công, chi tiết từ vật liệu PC thường làm theo hình dáng sản phẩm yêu cầu phương pháp phay bào tiện khoan kim loại 8.3 Một số phương pháp chế tạo kết cấu từ vật liệu polyme compozit 8.3.1 Đặc trưng chung công nghệ Vì vật liệu compozit vật liệu chế tạo nên từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, trình chế tạo chúng kết cấu từ compozit tổng hòa nhiều trình thao tác công nghệ khác Đặc trưng chung công nghệ chế tạo kết cấu sản phẩm từ compozit polyme bao gồm thao tác sau: + Chuẩn bị vật liệu cốt ( bao gồm việc kiểm tra chất lượng tính chất chúng xem có phù hợp với yêu cầu kỹ thuật không, xử lý bề mặt sợi cốt để tăng độ bền kết dính, loại bỏ chất bẩn tạp chất, sấy khô…) + Kết dính vật liệu cốt: Việc kết dính có hai cách thức: trực tiếp gián tiếp Phương pháp trực tiếp phương pháp mà trình sản xuất kết cấu trực tiếp kết dính từ vật liệu thành phần ban đầu, bỏ qua giai đoạn chuẩn bị bán thành phẩm Phương pháp gián tiếp phương pháp chi tiết kết cấu tạo từ bán thành phẩm, sợi tẩm nhựa từ trước Cho đến có nhiều trình sản xuất chế tạo kết cấu chi tiết từ compozit với hình dạng cấu trúc mục đích sử dụng khác Những công nghệ giới thiệu sau 8.3.2 Một số phương pháp gia công chế tạo kết cấu từ compozit Với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, đặc biệt khí tự động hóa tin học ngày có nhiều phương pháp gia công vật liệu PC, tùy thuộc vào mục đích vào qui mô sản xuất vào tính chất kích thước kết cấu vào yêu cầu kỹ thuật mà lựa chọn phương pháp gia công thích hợp Sau số phương pháp gia công phổ biến: + Lăn ép tay: Đây phương pháp dùng rulô hay chổi quét tẩm nhựa lên vải sợi Sợi gia cường xếp khuôn Sử dụng loại gia cường khác cho phần kết cấu sản phẩm Sau tẩm nhựa lên sợi gia cường dùng rulô ép để loại bỏ không khí Tiếp tục sử dụng kỹ thuật kết cấu đạt đến độ dày cần thiết Tách sản phẩm sau thời gian xác định nhựa đóng rắn hoàn toàn Chú ý trước gia công dễ dàng tách sản phẩm phải bôi lên khuôn chất chống dính thích hợp Phương pháp gia công sử dụng phổ biến thiết bị máy móc đơn giản, không cần công nhân có trình độ tay nghề cao nhiên nhược điểm độc hại sức khỏe người thi công trực tiếp làm ô nhiễm môi trường http://www.ebook.edu.vn 140 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Điểm đặc biệt trình công nghệ nhận sản phẩm với kích cỡ xác, có độ nhẵn bề mặt phần tiếp xúc với khuôn trình chế tạo Khuôn chế tạo từ vật liệu tùy ý, phải đảm bảo độ cứng đảm bảo thi công tạo dáng sản phẩm với kích cỡ đạt yêu cầu Ngoài khuôn phải chịu tác động hóa học nhựa Thông thường khuôn chế tạo từ gỗ, thạch cao, bê tông, kim loại Hinh.8.2 Công nghệ lăn ép tay 1.con lăn, 2.khuôn, 3.gel cốt, sợi gia cường, 5.chất chống dính, nhựa Các lỗi kỹ thuật cách khắc phục phương pháp đắp tay: Các sai hỏng Nguyên nhân Cách khắc phục Gel coat dính khuôn Sử dụng không chất Bôi lại chất róc khuôn giữ khô Nếu phun PVOH lớp róc khuôn wax Nhựa qua lớp Gelcoat bị trương tách Cho gelcoat đóng rắn nhanh Lớp gelcoat khỏi bề mặt khuôn không gelcoat khoảng 0.025 – 0.035mm đủ chất đóng rắn styren vừa Đóng rắn nhanh lớp nhựa phủ nhựa gelcoat cách thêm vào chất xúc tiến Kéo dài thời gian đóng rắn Bề mặt sản phẩm Lấy sản phẩm nhanh bề mặt mờ không bóng khuôn bị làm bẩn gelcoat sản phẩm láng Lớp gel coat có Do phồng lên lớp Phun gel coat thành nhiều lớp lỗ khuyết gelcoat (lớp gelcoat bị tách kiểm tra vết trương sau đắp khỏi lớp nhựa) giữ không Sửa chữa liền sau tháo khuôn khí cách đắp mastic Bọt, trương phồng, Bọt khí, dung môi, dơ, nhiệt Hạn chế bọt trình rỗ mặt gelcoat độ sinh trình gia khuấy trộn xúc tác giữ ổn định công cao thời gian ngắn sau trộn trước phun Làm sách khu vực làm việc khuôn http://www.ebook.edu.vn 141 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Xuất vùng Đóng rắn không đồng mền Đưa thêm xúc tác trộn kỹ Có vết rỗ lớn Sử dụng nhiều chất róc Cẩn thận khị chọn lựa sử dụng chất khuôn góc sản phẩm róc khuôn làm cho gelcoat không thấm ướt vùng Xuất Vết nứt lớn Phun gelcoat đồng Trộn rãnh khe nứt lớp gelcoat dày hay nhiệt chất xúc tác kỹ Cẩn thận độ tỏa lớn phun Điều chỉnh lại độ nhớt nhựa Các vết Độ nhớt nhựa khuyết dọc theo bề thấp, khuôn nhiệt độ Giản nhiệt độ phòng khuôn phòng cao mặt Bọt khí Bọt khí bị giữ sợi Khử bọt cẩn thận hơn, sau thấm ướt nhựa thấm trước lượng nhựa lên khuôn Có thể pha thêm lượng nhỏ màu xanh vào nhựa để nhận thấy bọt dễ dàng + Ép nóng khuôn: Quá trình hiệu kinh tế để sản xuất qui mô lớn kết cấu có kích thước nhỏ đến trung bình Chế tạo sản phẩm máy ép thủy lực khuôn kim loại gia nhiệt Sợi gia cường xếp vào khuôn gia nhiệt phủ lớp chống dính Nhựa có chất xúc tác rót lên Khuôn đóng mở xác phụ thuộc vào tốc độ phản ứng nhựa Phương pháp Hình 8.3 công nghệ ép nóng khuôn, trục dẫn động, nhựa+sợi, khuôn dương, khuôn âm, điện trở gia nhiệt + Đúc kéo: Để chế tạo sản phẩm dạng thẳng uốn, với thiết diện không đổi gia cường chắn theo phương Sản phẩm gia cường thấm nhựa bể nhựa cho xúc tác Sau sợi gia cường tẩm nhựa kéo qua khuôn gia nhiệt để gạt bỏ phần nhựa thừa, tạo hình cho sản phẩm đồng thời đóng rắn nhựa http://www.ebook.edu.vn 142 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Hình 8.4 Công nghệ đúc kéo, Khuôn đóng rắn, lăn kéo, thớt gia nhiệt, Sợi gia cương, tang quay, bể tẩm nhựa nền, sản phẩm + Phương pháp quấn: Công nghệ quấn kết cấu compozit xuất vào đầu năm 60 kỷ trước, trải qua thời gian dài hoàn thiện công nghệ đến công nghệ quấn đạt đến trình độ tiên tiến tự động bán tự động, cho phép chế tạo nhiều loại kết cấu có độ bền cao Trong phương pháp quấn sợi gia cường tẩm nhựa có xúc tác cho cuộn xung quanh trục quay tròn có hình dáng mặt kết cấu cần chế tạo Sau quấn với số lần quấn định theo chiều khác nhau, đạt độ dày cấu trúc cốt thiết kế, sản phẩm trải qua trình đóng rắn tháo sản phẩm Sản phẩm có tỷ lệ sợi gia cường cao nên tính chất học cao Công nghệ quấn chủ yếu dùng để chế tạo kết cấu có hình dạng vật thể quay, ống kỹ thuật, ống dẫn dầu, nước, hóa chất, lọai bình chứa, xitec, vỏ động tên lửa, thùng chuyên trở vận tải, thân vỏ máy bay Chính ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật nên phương pháp phương pháp quan trọng công nghệ chế tạo compozit Hình 8.5 Công nghệ cuôn, Đầu cấp sợi, động cơ, thân máy, sợi tẩm nhựa, lõi trục + Công nghệ SMC hay gọi cán tấm: Theo phương pháp nhựa sau trộn bơm lên màng nhựa hai vị trí lúc, sợi liên tục cắt dao cắt phía máy rải lên vào hai lớp nhựa Toàn nguyên vật liệu qua phận cán Hệ thống cán nhằm tạo thấm uớt đồng nhựa lên sợi http://www.ebook.edu.vn 143 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Những ưu điểm công nghệ SMC Š Kiểm soát sợi SMC điều chỉnh tính lý tính sản phẩm Š Sản phẩm đuợc ép khuôn tạo gân, tạo lỗ đưa chi tiết phụ vào Š Trọng lượng nhẹ, SMC có trọng lượng riêng nhẹ cấu trúc kim loại Š Ổn định kích thước, SMC có độ ổn định kích thước điều kiện nhiệt độ môi trường Sự thay đổi thể tích gia công kiểm soát theo lượng phụ gia đưa vào công thức Hình 8.6 dây chuyền công nghệ SMC, 1.SMC, 2,4.màng nhựa, sợi, nhựa dao cắt sợi, sợi ngắn + Công nghệ khuôn chân không ô tôcla: Phương pháp áp dụng để sản xuất sản phẩm có kích thước lớn với cấu trúc phức tạp, với đòi hỏi ổn định tiêu chuẩn lý hóa khai thác sử dụng chúng với số lượng sản phẩm lớn Quá trình chế tạo sản phẩm thực chênh lệch áp lực lên màng đàn hồi điapham bình otocla Nhiệt độ bình làm tăng lên sau đưa khuôn có vật liệu vào Các túi chân không đàn hồi điapham có tác dụng phân bố đồng áp suất lên khuôn Dưới tác dụng nhiệt độ áp lực ép túi chân không vật liệu đóng rắn thành sản phẩm mong muốn Hình 8.7 khuôn chân không ô tôc la, gia nhiệt, không khí vào, vật liệu, hút chân không, khuôn, túi điapham 8.4 Ứng dụng vật liệu polyme compozit Hiện nay, lĩnh vực ứng dụng vật liệu compozit phong phú, từ sản phẩm đơn giản bồn tắm, thùng chứa nước, lợp… chi tiết kết cấu phức http://www.ebook.edu.vn 144 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật tạp có yêu cầu đặc biệt máy bay, tàu vũ trụ Những ứng dụng quan trọng vật liệu compozit qui lĩnh vực lớn sau đây: 8.4.1 Ứng dụng chế tạo ôtô phương tiện giao thông mặt đất Việc sử dụng vật liệu compozit chế tạo ô tô đem lại hiệu sau đây; + Giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng thông số sử dụng, chịu ăn mòn tốt + Tăng độ lớn chi tiết, giảm chi phí sản xuất + Giảm độ ồn độ rung, tăng độ tiện nghi + Giảm nguy hiểm cho người xảy tai nạn + Giảm vốn đầu tư cho thiết bị sản xuất Hiện hầu hết loại ô tô đua nhiều chi tiết ô tô vận tải hành khách chế tạo từ vật liệu compozit 8.4.2 Ứng dụng lĩnh vực đóng tàu Vật liệu polyme compozit dạng chất dẻo tăng cường sợi thủy tinh ứng dụng rộng rãi công nghiệp đóng tàu từ thời điểm bắt đầu sử dụng vật liệu vào công nghiệp năm 1940 Độ bền riêng lớn, tuổi thọ cao, bền với môi trường nước biển, đơn giản sử dụng sửa chữa, độ dẫn nhiệt thấp so với kim loại Ngoài vật liệu cho phép người thiết kế tàu sử dụng độ mềm dẻo vật liệu vào kết cấu mà kim loại thông thường Đối với tàu chiến đặc biệt tàu ngầm tiếng động động chân vịt trở ngại lớn thiết kế sử dụng tàu, thật ra, chân vịt tàu ngầm nghiên cứu kỹ phương diện thiết kế hình dạng, vật liệu, thủy động lực học âm học Nó chế tạo hợp kim nickel, nhôm đồng, có đường kính m, nặng 40 Thời gian cần để hoàn thành chân vịt 12 tháng Hợp kim nầy có khả chống rung hiệu tiếng ồn gây tác động nước khối kim loại khổng lồ nặng 40 giảm thiểu Chân vịt compozitdùng sợi carbon nhà khoa học kỹ sư thiết kế đặc biệt lưu tâm Đây thách thức lớn lời giải cho việc chống rung giảm tiếng ồn, giảm thời gian sản xuất, giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng vận tốc, tăng linh hoạt thao tác chiến đấu 8.4.3 Ứng dụng hàng không vũ trụ Theo số liệu thống kê hãng sản xuất máy bay Airbus, sử dụng chất dẻo tăng cường sợi cabon sản xuất loại máy bay A380 có thay đổi cách chi phí cho vật liệu sản xuất Do chất dẻo cacbon đắt nên giá thành máy bay tăng từ 20,5-73,8% song chi phí sản xuất lại giảm từ 79,5-22,9% Nếu tính chung hiệu kinh tế cao Vấn đề quan trọng giảm trọng lượng kết cấu, nhờ mà giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng khối lượng vận chuyển tầm bay xa Trong ngành vũ trụ, việc chế tạo chi tiết tàu vũ trụ vật liệu compozit sợi cacbon phổ biến có vật liệu đáp ứng yêu cầu công nghệ kỹ thuật mà chi tiết đòi hỏi Với mép cánh tàu vũ trụ yêu cầu kỹ thuật vật liệu phải chịu http://www.ebook.edu.vn 145 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật nhiệt độ cao bền vững với tải khí động lực học thay đổi nhiệt độ lớn bề mặt chi tiết bị va chạm Đối với loa động tên lửa nhờ có vật liệu compozit sợi cacbon mà phân quan trọng vòng 15 năm trở lại có thay đổi lớn kích cỡ, cấu trúc hình dáng Vật liệu compozit cacbon-cacbon xem vật liệu tốt để làm chóp khí động tên lửa Những chóp làm từ vật liệu compozit cacbon có độ bền cao với ô xy hóa không khí nhiệt độ cao, thử nghiệm gần cho thấy chóp khí làm loại vật liệu giữ hình dáng bảo vệ thiết bị bên tên lửa làm việc điều kiện nhiệt độ 2760oC vận tốc lớn 5370m/s 8.4.4 Các ứng dụng quan trọng khác vật liệu polyme compzozit Vật liệu polyme compozit sở sơi cacbon tương thích tốt với mô thể sống, vật liệu sợi cacbon dùng đê chế tạo thiết bị y tế, phận thay xương, chất hàn răng, vỏ sọ não Các loại vải cabon băng vết bỏng làm cho chúng mau lành gỡ thay băng róc, không gây thương tổn cho vết thương vừa lành Những năm gần polyme compozit sợi cacbon dùng để chế tạo thiết bị viễn thông đặc biệt anten có hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ cứng cao dẫn nhiệt tốt Ngoài có độ bền hóa học cao, compozit polyme sợi cacbon dùng nhiều công nghiệp hóa chất để chế tạo ống dẫn, bể chứa, loại máy bơm, loại bình chứa hóa chất thiết bị khác phải làm việc môi trường hóa học độc hại Đối với ngành luyện kim vật liệu compozit chế tạo khuôn đúc áp lực cho việc dập nóng kim loại hợp kim khó nóng chảy Các khuôn đúc vật liệu có độ bền lý cao, chịu nhiệt độ cao, bền với ứng suất nóng, lại nhẹ có thời gian sử dụng lâu khuôn đúc làm từ vật liệu truyền thống http://www.ebook.edu.vn 146 Bộ môn học-vật liệu Bài giảng Vật liệu kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức, vật liệu compozit học công nghệ, nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2007 Nghiêm Hùng, vật liệu học sở, nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2007 Trần Vĩnh Diệu, Trần Trung Lê, môi trường gia công chất dẻo compozit, nhà xuất đại học Bách Khoa Hà Nội, 2007 J.W.Martin, material for engineering, third edition, CRC Press GauTam R DesiRaJu, Crystal design: structure and function, Wiley Michael F Ashby, David R.H Jones, enginerring material: an introduction to their properities and application, Butterworth Heinmann Richard J.D Tilley, Crystals and Crystals structure, John Wiley and Sons, LTD R.J Crawford, Plastics enginerring, Third Edition, Butterworth Heinmannn Arie Ram, Fundamentals of Polymer enginerring, Plenum Pres 10 Daniel Gay, Suong V Hoa, Stephen W Tsai, Composites material: Design and application, CRC Press http://www.ebook.edu.vn 147 [...]... nhau, tuy nhiên các nhà khoa học đã chứng minh được chỉ có 14 kiểu mạng Bravair được thể hiện như hình vẽ sau: http://www.ebook.edu.vn 20 Bài giảng Vật liệu kỹ thuật http://www.ebook.edu.vn Bộ môn cơ học -vật liệu 21 Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn cơ học -vật liệu 1.3.5 Ảnh hưởng của kiểu liên kết đến cấu trúc và tính chất tinh thể Kiểu liên kết của các hạt cơ bản trong tinh thể được quyết định bởi... loại ở trạng thái lỏng tồn tại những hạt bụi rắn, những hạt này chính là những nhân tố đầu tiên tạo nên mầm tinh http://www.ebook.edu.vn 35 Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn cơ học -vật liệu thể Đó chính là sự tạo mầm dị thể, chúng tuỳ thuộc vào từng loại vật liệu cụ thể Các hạt rắn tạp chất đó đóng vai trò như một tác nhân xúc tác tạo mầm Sự tạo mầm tinh thể chủ yếu xuất hiện khi các nguyên tử có... nhau Theo các phương có mật độ http://www.ebook.edu.vn 26 Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn cơ học -vật liệu nguyên tử lớn liên kết bền hơn nên có độ bền cao hơn các phương có mật độ nguyên tử bé Ví dụ tinh thể đồng theo các phương khác nhau có độ bền kéo thay đổi từ 140 đến 250 Mpa 1.6.2 Đơn tinh thể và đa tinh thể 1.6.2.1 Đơn tinh thể Nếu vật tinh thể có mạng thống nhất và phương không thay đổi trong... chiều giảm năng lượng, tức là theo chiều ở trạng thái mới có năng lượng dự trữ nhỏ hơn Trong hệ thống vật chất gồm chuyển động của các chất điểm ( nguyên tủ, phân tử) thì năng lượng dự trữ được đặc trưng bằng năng lượng tự do F http://www.ebook.edu.vn 29 Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn cơ học -vật liệu F=U-TS Trong đó U là nội năng của hệ thống S là entropi T là nhiệt độ tuyệt đối oK Năng lượng tự... chỉ có thể giải thích được trong một số trường hợp đơn giản, để giải bài toán trên thì một đại lượng rất quan trọng là hệ số truyền nhiệt từ kim loại đang kết tinh đặc sang khuôn, ký hiệu là α Thông thường giữa lớp vỏ đã đông đặc của khối kim loại và thành khuôn http://www.ebook.edu.vn 31 Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn cơ học -vật liệu xuất hiện một khe hở khí, nhất là trong trường hợp khuôn kim loại... nhôm hoặc đồng) + Vật đúc thành mỏng Trong trường hợp này phương trình cân bằng nhiệt có thể được viết như sau: q = αΔT = dT cV L = vΔH f ρ dt Căn cư vào phương trình cân bằng nhiệt trên ta có thể rút ra biểu thức tính tốc độ nguội và tốc độ đông đặc Tốc độ nguội: dT αΔT = dt cV L Tốc độ đông đặc: v = αΔT ΔH f ρ http://www.ebook.edu.vn 32 Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn cơ học -vật liệu 2.1.3 Tổ chức... tương đương nhau do đó sau khi cho mạng tịnh tiến như vậy ta không thể phân biệt được vị trí cuối cùng và vị trí đầu tiên của mạng http://www.ebook.edu.vn 17 Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn cơ học -vật liệu Trong mạng tinh thể chính sự xắp sếp của vật chất theo qui luật mạng không gian đã tạo nên những tính chất đặc trưng cho tinh thể đó là tính đồng nhất và tính dị hướng + Tính đồng nhất: Tinh thể có.. .Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn cơ học -vật liệu + Ý nghĩa số lượng tử orbitan đặc trưng cho hình dạng orbitan và mômen động lượng orbitan Nghĩa là mỗi giá trị l, orbitan có hình dạng xác định và mômen động lượng có giá trị... xứng và phép tịnh tiến song song với mặt đối xứng đó, chúng tác động không riêng lẻ mà đồng thời.Ở đây việc chuyển dịch bằng một nửa đoạn tịnh tiến cơ sở http://www.ebook.edu.vn 18 Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn cơ học -vật liệu + Trục xoắn ốc: LXn : Là tập hợp gồm một trục đối xứng và một phép tịnh tiến song song với trục đối xứng đó, chúng tác dụng không riêng lẻ mà đồng thời Ví dụ cho một hình gồm... hộp lệch a ≠ b ≠ c, α=γ=90o≠ β, + Hệ trực thoi: mức đối xứng hạng thấp, ô mạng cơ sở hình hộp diêm hay lăng trụ đáy chữ nhật a ≠ b ≠ c, α = β =γ = 90o http://www.ebook.edu.vn 19 Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn cơ học -vật liệu + Hệ tam phương: mức đối xứng hạng trung, ô mạng cơ sở hình mặt thoi hay đa diện đáy thoi a = b = c, α = β = γ ≠ 90o + Hệ tứ phương: mức đối xứng hạng trung, ô mạng cơ sở lăng ... hình vẽ sau: http://www.ebook.edu.vn 20 Bài giảng Vật liệu kỹ thuật http://www.ebook.edu.vn Bộ môn học -vật liệu 21 Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn học -vật liệu 1.3.5 Ảnh hưởng kiểu liên kết đến... học -vật liệu, khoa kỹ thuật tàu thủy, đặc biệt PGS.TS Quách Đình Liên trường đại học Nha Trang có đóng góp quý báu cho giảng http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bộ môn học -vật liệu. .. nghệ vật liệu Trong công nghệ vật liệu có bước phát triển quan trọng tạo nhiều loại vật liệu có tính ưu việt ứng dụng lĩnh vực đời sống kỹ thuật Vì vật liệu có tầm quan trọng việc sử dụng vật liệu