Chương 11 VẬT LIỆU COMPOZIT (VẬT LIỆU KẾT HỢP) 1. KHÁI NIỆM. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hiện đại dẫn tới nhu cầu về những lọai vật liệu có nhiều tính chất kết hợp cần thiết mà các vật liệu truyền thống khi đứng riêng lẻ không thể đáp ứng được. Một lọai vật liệu mới ra đời là loại vật liệu phức tạp được tạo thành từ những phần tử rất khác nhau về tính chất, không hịa tan hay hịa tan rất ít vào nhau và phân cách nhau bằng một ranh giới rõ rệt, vật liệu đó có tên gọi vật liệu kết hợp hay vật liệu compozít. Compozít có có tạo gồm hai thành phần là nền và cốt. Nền là pha liên tục trong tịan khối vật liệu có chức năng liên kết khối compozít và tạo hình dạng cho nĩ. Nền có thể là các vật liệu rất khác nhau phụ thuộc vào tính chất compozít cần chế tạo. Nền được chia làm bốn lọai là nền kim lọai (hay hợp kim), nền polyme, nền gốm, và nền hỗn hợp. Tính chất của nền không những ảnh hưởng mạnh đến chế độ công nghệ chế tạo mà cịn ảnh hưởng đến các đặc tính sử dụng của compozít như khối lượng riêng, nhiệt độ làm việc, độ bền mỏi, độ bền riêng và khả năng chống lại tác dụng của mơi trường bên ngịai v.v. Cốt là pha gián đọan phân bố đều và được nền bao bọc. Cũng giống như nền, cốt có thể rất đa dạng tùy thuộc vào tính chất của compozít cần chế tạo. Cụ thể, trong thực tế cốt có thể là kim lọai (hay hợp kim) như vônfram, môlibđen, thép không gỉ, v.v. hay là chất vô cơ như bo, các bon, thủy tinh, gốm hoặc là chất hữu cơ như polyamit thơm v.v. Hình dạng, kích thước và hàm lượng cũng như sự phân bố cốt là những yếu tố ảnh hưởng mạnh đến tính chất của vật liệu compozít. Hình dạng của cốt được mơ tả trên hình 11.1. Hình 11.1 Hình dạng của cốt trong vật liệu compozít Theo hình dạng của cốt người ta chia chúng thành ba nhóm cơ bản là cốt không chiều (11.1a), cốt một chiều (Hình 11.1b) và cốt hai chiều (11.1c). Cốt không chiều có kích thước rất nhỏ cùng bậc theo cả ba chiều đo và được gọi là cốt hạt. Cốt một chiều có kích thước nhỏ theo hai chiều đo và rất lớn (dài) theo chiều cịn lại được gọi là cốt sợi. Cốt hai chiều có kích thước lớn tưông đưông kích thước vật liệu compozít theo hai chiều đo và có kích thước rất nhỏ theo chiều cịn lại gọi là cốt mặt, cốt tấm hay là vải. Tính chất của compozít phụ thuộc cả vào hình dáng, kích thước, khối lượng và đặc điểm phân bố của cốt (sơ đồ cốt hoá hình 11.2). 167 Hình 11.2 Sơ đồ cốt hoá vật liệu compozít. Theo sơ đồ cốt hoá người ta chia compozít thành ba nhóm là cốt hoá một chiều, cốt hoá hai chiều và cốt hoá ba chiều. Ðể cốt hoá một chiều người ta dùng cốt hạt hay cốt sợi (hình 8.2 a). Các cốt hạt được phân bố sao cho khỏang cách giữa chúng theo một trục (theo trục x chẳng) nhỏ hơn đáng kể so với hai trục cịn lại. Cốt sợi được phân bố song song với nhau. Hàm lượng thể tích của cốt một chiều chiếm khỏang 1-5%. Ðể cốt hóa hai chiều người ta dùng chất nhồi không chiều, một chiều và hai chiều (hình 8.2b). Cốt hạt và cốt sợi được phân bố trong các mặt song song với nhau. Khỏang cách giữa các cốt trong mặt khá nhỏ so với khỏang cách giữa các mặt với nhau. Trong cùng một mặt, cốt sợi nằm song song với nhau cịn giữa các mặt thì chúng lại tạo thành những gĩc khác nhau. Cốt mặt luơn được phân bố song song với nhau. Hàm lượng cốt hai chiều trong compozít có thể đạt tới 15-16%. Với cốt hoá ba chiều không có phương nào được ưu tiên trong sự sắp xếp cốt và để cốt hoá ba chiều người ta dùng cốt hạt và cốt sợi (hình 8.2 c) Khỏang cách giữa các phần tử cốt hạt là cùng một bậc. Cốt sợi đươcï sắp xếp trong ba mặt phẳng vuông gĩc với nhau. Với lọai cốt hoá này hàm lượng thể tích có thể vượt quá 15-16%. Ðể mở rộng sự tổng hợp các tính chất hoặc cường hóa một tính chất nào đó, khi cốt hóa vật liệu compozít, người ta thường dùng đồng thời các lọai cốt với hình dạng khác nhau. Thí dụ để tăng thêm độ bền liên kết giữa các cốt sợi như sợi thủy tinh hay sợi các bon với nền polyme, người ta cho thêm vào nền các cốt hạt như các hạt amiăng, silic các bua, v.v. Còn để nâng cao môđun đàn hồi của vật liệu compozít nền polyme cốt sợi thủy tinh, người ta lại cho thêm các sợi bo. Vật liệu compozít chứa từ hai lọai cốt khác nhau trở lên được gọi là vật liệu compozít đa cốt (Hình 11.3a). Vật liệu compozít với nền phức tạp (từ hai nền trở) lên được gọi là compozít đa nền (hình 11.3b). 168 Hình 11.3 Compozít ña coát (a), ña neàn (b) Nền và cốt được kết hợp thành khối compozít thống nhất thông qua liên kết tại vùng ranh giới pha. Về nguyên tắc, ở điều kiện làm việc bình thường giữa nền và cốt trong compozít không xảy ra hiện tượng khuyếch tán hịa tan lẫn nhau. Tuy nhiên, phụ 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 tưông tác khác nhau giữa nền và cốt xảy ra. 11.2 ÐẶC ĐIỂM TÍNH CHẤT. Vật liệu compozít là một vật liệu mới được tạo thành với tổ chức và tính chất hồn tồn mới, nĩ là sự kết hợp các thành phần theo quy luật sao cho thể hiện nổi bật những ưu điểm của từng cấu tử thành phần, cịn nhược điểm bị lọai bỏ. Cĩ thể nĩi vật liệu compozít có những tính chất mà mỗi vật liệu thành phần nếu đứng riêng lẻ không thể có được. Bê tông cốt thép là một ví dụ điển hình của vật liệu kết hợp – compozít. Bê tông cốt thép là sự kết hợp giữa thép (vật liệu kim loại) có tính chịu tải trọng kéo tốt và bê tông (là vật liệu vô cơ) có tính chịu nén tốt, vì thế bê tông cốt thép là loại vật liệu kết cấu vừa chịu kéo và vừa chịu nén tốt. Vật liệu compozít nĩi chung là lọai vật liệu có độ bền ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao, có độ cứng vũng, có khả năng chống phá hủy mỏi và các tính chất khác hầu như cao hơn cả các hợp kim kết cấu phổ biến. Ngày nay người ta cịn có thể dự kiến trước tính chất để chế tạo compozít theo ý muốn. Ðộ bền của vật liệu compozít phụ thuộc nhiều vào độ bền liên kết giữa cốt và nền. Ðể nâng cao chất lượng liên kết, cần thiết phải bảo đảm sự tiếp xúc tốt trên tịan biên giới các pha như không dây bẩn, không chứa tạp chất khí hay các vật lẫn khác. Vật liệu compozít về cơ bản thuộc hệ không cân bằng nhiệt động học, đó là nguyên nhân chính gây nên khuyếch tán, phản ứng hoá học ở biên giới giữa nền và cốt. Các quá trình này xảy ra khi chế tạo và cả khi sử dụng vật liệu compozít. Ðối với vật liệu compozít nền kim lọai, liên kết bền vững giữa nền và cốt được thực hiện nhờ sự tưông tác giữa chúng, tạo nên một lớp rất mỏng pha liên kết kim lọai (1÷ 2µm). Nếu giữa nền và cốt hịan tịan không tưông tác, người ta sẽ tạo trên bề mặt sợi một lớp phủ đặc biệt để bảo đảm cho sự tưông tác này, nhưng chiều dày lớp tạo thành này phải rất mỏng (hình 11.4). Liên kết giữa các thành phần trong vật liệu compozít nền phi kim lọai được thực hiện nhờ lực dính bám. 169 a. b. [ Hình 11.4 Tổ chức mặt gẫy mẫu compozít. 11.3 PHÂN LỌAI VẬT LIỆU COMPOZIT. Có nhiều cách phân lọai vật liệu compozít, thông thường người ta phân lọai theo bản chất của vật liệu thành phần nền và phân lọai theo hình dạng của cốt. Theo bản chất của vật liệu thành phần nền, người ta chia vật liệu compozít thành bốn lọai là vật liệu compozít nền kim lọai, vật liệu compozít nền hữu cơ, vật liệu compozít nền gốm, vật liệu compozít nền hỗn hợp nhiều pha. Theo hình dạng cốt, người ta chia vật liệu compozít thành ba loại là vật liệu compozít cốt hạt, vật liệu compozít cốt sợi, và vật liệu compozít cấu trúc như mô tả trên hình 11.5. Compozít Compozít cốt hạt Compozít cốt sợi Compozít cấu trúc Hạt thô Hạt mịn Liên tục Gián đọan Lớp Tấm ba lớp Tổ ong Có hướng Ngẫu nhiên Hình 11.5 Sơ đồ phân lọai compozít theo hình dạng cốt. Vật liệu compozít cốt hạt là lọai compozít có cốt dạng hạt. Hạt không có kích thước ưu tiên và thường được dùng nhằm cải thiện một số tính chất nào đó của nền và kết hợp làm giảm giá thành của vật liệu compozít. Những hạt thường dùng là ơxýt, nitrit, borit, các bít v.v. Hợp kim ổ trượt đồng chì là một thí dụ về lọai vật liệu compozít cốt hạt. Trong vật liệu này các hạt chì được phân bố đều trên nền đồng có tác dụng tăng tính dễ cắt gọt khi gia công và tăng tính chống mài mịn khi sử dụng. 170 Vật liệu compozít cốt sợi là lọai compozít có cốt dạng sợi. Sợi có thể ở dạng liên tục hoặc gián đọan. Với lọai vật liệu compozít cốt sợi gián đọan có thể là lọai có hướng hay ngẫu nhiên. Vật liệu compozít cốt sợi có vai trị quan trọng trong công nghiệp. Hiện nay người ta thường hay dùng sợi thủy tinh, sợi các bon, sợi gốm, sợi aramit và sợi tổng hợp. Vật liệu compozít cấu trúc là lọai bán thành phẩm của các lọai vật liệu được cấu hình từ các compozít khác nhau. Compozít cấu trúc gồm ba lọai là dạng lớp, dạng ba lớp và dạng tổ ong. Compozít cấu trúc lớp được mô tả trên hình 11.6. Hình 11.6 Compozít cấu trúc lớp 11.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU COMPOZIT THÔNG DỤNG. 11.4.1 Sợi thủy tinh. Hiện nay sợi thủy tinh là một trong ba lọai sợi quan trọng được sử dụng làm vật liệu cốt cho compozít. Sợi thủy tinh có những đặc điểm là có độ bền riêng (σ/ρ) cao, có tính chống ăn mòn cao, có tính cách điện cao, lại dễ sản xuất, ổn định kích thước, chịu nhiệt, chịu lạnh, chịu ẩm. Hình 11.7 mô tả vài sản phẩm của sợi thủy tinh. Hình 11.7 Một số sản phẩm của sợi thủy tinh. Có hai lọai sợi thủy tinh quan trọng được sử dụng rộng rãi cho vật liệu compozít là sợi thủy tinh loại E (Electrical) và sợi thủy tinh loại S (high strength). Sợi thủy tinh loại E là lọai sợi có nhiều công dụng nhất, nĩ có độ bền kéo khỏang 3.440 GPa và mơđun đàn hồi đạt cao tới 72.300MPa. Thành phần của lọai sợi thủy tinh này bao gồm 52-56%SiO 2 , 16-25%CaO,12-16%Al 2 O 3 và 8-13%B 2 O 3. 171 Sợi thủy tinh loại S là lọai sợi có độ bền và giá thành cũng cao hơn sợi thủy tinh lọai E. Ðây là lọai vật liệu được dùng rất rộng rãi trong công nghiệp hàng không và phục vụ nhiều trong quân sự. Ðộ bền kéo của lọai sợi thủy tinh S đạt tới 4.480MPa cịn mođun đàn hồi đạt khỏang 85,4GPa. Thành phần hoá học của sợi thủy tinh lọai S bao gồm 65%SiO 2 , 25%Al 2 O 3 và 10%MgO. Sợi thủy tinh được sản xuất bằng cách kéo những sợi tơ thủy tinh riêng rẻ từ thủy tinh lỏng, sau đó ghép chúng lại thành sợi. 11.4.2 Sợi các bon. Sợi các bon là một trong những vật liệu mới của thế kỷ 20, chúng được chế tạo từ graphít tinh khiết. Do có cấu trúc A3 (Lục giác xếp chặt), graphít thể hiện tính dị hướng mạnh nên ảnh hưởng tới tính chất của sợi các bon. Trong quá trình chế tạo nếu làm cho graphít kết tinh hòan tòan tức không còn thành phần vô định hình và làm cho graphít có sự định hướng chủ yếu song song với trục của cốt thì sợi các bon sẽ có độ bền kéo cao tới 4.000MPa và mô đun đàn hồi Yong có thể đạt tới 650.000MPa. Ưu điểm nổi bật của sợi các bon và các lọai sợi thủy tinh là có độ bền riêng rất cao. Tuy nhiên, sợi các bon có nhược điểm là giá thành rất cao, nên phạm vi sử dụng còn hạn chế. Hình 11.8 giới thiệu ảnh của khỏang 6.000 sợi các bon. Hình 11.8 Ảnh của khỏang 6.000 sợi các bon. 11.4.3 Sợi hữu cơ Aramit. Sợi aramít là sản phẩm được công ty thưông mại Du Pont giới thiệu trên thị trường với tên thưông mại là Kevlar vào những năm 1972, nĩ có nguồn gốc từ sợi polyamit thơm. Sợi Kevlar được chế tạo bằng cách tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10 0 C), sau đó kéo thành sợi trong dung dịch rồi xử lý nhiệt để tăng mơ đun đàn hồi. Giá thành của sợi Kevla thấp hơn sợi các bon từ 3 đến 5 lần nhưng việc sử dụng chúng để chế tạo vật liệu compozít còn bị hạn chế vì những lý do sau: − Sợi Kevla có độ bền nén và uốn dọc thấp − Sợi Kevla rất nhạy cảm với biến dạng cắt giữa các lớp Liên kết sợi –nhựa không chắc là nguyên nhân của những hạn chế này. Hai lọai Kevlar được dùng nhiều ngày nay là Kevlar 29 và Kevlar 49. 172 Kevlar 29 là lọai sợi có mật độ thấp, độ bền cao và được dùng nhiều để chế tạo vỏ bảo vệ, ống nối, cáp, v.v. Kevlar 49 có mật độ và độ bền cao và được dùng nhiều để làm cốt sợi cho vật liệu compozít dùng trong ngành hàng khơng, ơ tơ, tầu thủy và nhiều ngành cơng nghiệp khác. Cơng thức hóa học của mắt sợi Kevlar được trình bày trên hình 11.9. O O C C N N H H Hình 11.9 Cấu trúc hóa học của mặt sợi Kevlar. Tính chất của một số cốt được nêu trên bảng 11.1 và giáo trình này chỉ trình bày một số ít trong đó. Bảng 11.1 Tính chất của một số lọai cốt sợi. Vật liệu Khối lượng riêng (kG/cm 3 ) Giới hạn bền (MPa.10 3 ) Mơđun đàn hồi (MPa.10 3 ) Khỏang nhiệt độ làm việc, ( 0 C) Râu đơn tinh thể Graphít 2.200 20 690 2.500 SiC 3.200 20 840 1.600 Sợi cốt Thủy tinh E 2.540 2,4 75 550 Thủy tinh R 2.500 4,4 80 650 Thủy tinh S 2.480 4,8 84 650 Các bon 1.800 1,5 – 5,5 150 - 500 2.000 – 2.500 Dây kim lọai Thép các bon cao 7.800 4,1 210 Mơlibđen 10.200 1,4 360 Vơnfram 9.300 4,3 400 173 174 . Chương 11 VẬT LIỆU COMPOZIT (VẬT LIỆU KẾT HỢP) 1. KHÁI NIỆM. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hiện đại dẫn tới nhu cầu về những lọai vật liệu. chất của vật liệu thành phần nền, người ta chia vật liệu compozít thành bốn lọai là vật liệu compozít nền kim lọai, vật liệu compozít nền hữu cơ, vật liệu