Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn CHƯƠNG I KHOA HỌC VẬT LIỆU Khoa học vật liệu khoa học liên ngành nghiên cứu mối quan hệ thành phần, cấu trúc, công nghệ chế tạo, xử lý tính chất vật liệu Các ngành khoa học tham gia vào việc nghiên cứu chủ yếu vật lý, hóa học, tốn học Thông thường đối tượng nghiên cứu vật liệu thể rắn, sau đến thể lỏng, thể khí Các tính chất nghiên cứu cấu trúc, tính chất điện, từ, nhiệt, quang, cơ, tổ hợp tính chất với mục đích tạo vật liệu để thỏa mãn nhu cầu kỹ thuật Nghiên cứu vật liệu tạo ứng dụng đời sống mà ngành khoa học vật liệu, công nghệ vật liệu ngày trở nên phổ biến phát triển rộng rãi Phân loại vật liệu Vật liệu đối tượng ngành khoa học vật liệu gồm nhiều loại khác chất vật liệu, cấu trúc vật liệu, tính chất, Thơng thường, phân chia theo chất vật liệu có loại sau: • • • • • • Vật liệu kim loại Vật liệu cao phân tử ( Polime) Vật liệu gốm Vật liệu composite Vật liệu xi măng Vật liệu sơn Trong chương nghiên cứu loại vật liệu : kim loại , cao phân tử, gốm, composite, sơn 1.1.VẬT LIỆU KIM LOẠI 1.1.1 Khái niệm chung Kim loại có cấu trúc tinh thể Nút mạng ion dương, điện chuyển động tự khoảng khơng gian mạng Chính có cấu trúc mà kim loại có tính chất quý báu : cường độ lớn, độ dẻo độ chống mỏi cao, dẫn điện, dẫn nhiệt, dễ gia cơng Nhờ mà kim loại sử dụng rộng rãi ngành kĩ thuật khác Ở dạng nguyên chất, cường độ độ cứng thấp, độ dẻo cao, kim loại có phạm vi sử dụng hạn chế Chúng sử dụng chủ yếu dạng hợp kim với kim loại kim khác, thí dụ cacbon Sắt hợp kim (thép Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn gang) gọi kim loại đen; kim loại lại (Be, Mg, Al, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, v.v ) hợp kim chúng gọi kim loại màu Kim loại đen sử dụng xây dựng nhiều cả, giá kim loại đen thấp kim loại màu Kim loại màu lại có nhiều tính chất có giá trị: cường độ, độ dẻo, khả chống ăn mịn, tính trang trí cao Những điều mở rộng phạm vi sử dụng kim loại màu xây dựng, phổ biến chi tiết kiến trúc kết cấu nhôm Nguyên liệu để chế tạo kim loại đen quặng sắt, mangan, crơm, mà khống đại diện cho chúng nhóm oxit: macnetit (Fe 3O4), quặng sắt đỏ (Fe2O3), piroluzit (MnO2), crômit (FeCr2O4) Để sản xuất kim loại màu người ta sử dụng boxit chứa hidroxit: hidracgilit (Al(OH)3, diasno (HAlO2); loại quặng sunfua cacbonat đồng, niken, chì v.v với khống đại diện chancopirit (CuFeS2), sfalêit (ZnS), xeruxit (PbCO 3), magiezit ( MgCO3) v.v 1.1.2 Tính chất vật lý chủ yếu kim loại 1.1.2.1 Tính dẫn điện Kim loại chất có chứa nhiều electron tự với độ linh động cao, dễ dàng chuyển động theo hướng tác dụng điện trường bên độ chênh lệch nhiệt độ kim loại dẫn điện dẫn nhiệt tốt so với loại vật liệu khác Với kim loại khác độ dẫn điện kim loại khác điện trở suất kim loại khác Điện trở kim loại phụ thuộc hình dáng kích thước, chất trạng thái kim loại Với dây dẫn hình trụ chiều dài l tiết diện s : R=ρ l ; ρ= s σ ρ,σ điện trở suất độ dẫn điện kim loại Điện trở kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ : R = R0 (1 + α t ) α hệ số nhiệt điện trở; R0 điện trở kim loại t = 00C 1.1.2.2 Tính dẫn nhiệt Kim loại chất dẫn nhiệt tốt Tính chất người sử dụng làm dụng cụ gia đình nồi niêu soong chảo Hệ số truyền nhiệt λ kim loai kim loại lớn so với chất lỏng chất khí λ kim loai = 5- 400 λ λ lỏng khoảng 0,005 đến 0,8 (kcal/m.h.0C )[1] Hầu hết kim loại có tính dẫn điện tốt dẫn nhiệt tốt 1.1.2.3 Tính biến dạng Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn Kim loại có cấu trúc tinh thể Các Ion dương nút mạng điện tử tự chuyển động khoảng khơng gian nút mạng Do có cấu trú Ion xê dịch tác dụng ngoại lực : kim loại có tính dẻo cao, dễ bị biến dạng Khi kim loại chịu tác dụng tải trọng có giai đoạn biến dạng: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo phá huỷ Quan hệ biến dạng (Δl) tải trọng (P) giới thiệu hình 1-1 Biến dạng đàn hồi có quan hệ Δl P bậc (vùng I) Biến dạng dẻo biến dạng xảy tải trọng vượt tải trọng đàn hồi, quan hệ Δl - P khơng cịn bậc (vùng II) Nguyên nhân gây biến dạng dẻo trượt mạng tinh thể Giai đoạn phá hoại tải trọng đạt tới giá trị cực đại (P max), vết nứt xuất mẫu bị phá hoại (vùng III) Biến dạng dẻo đặc trưng quan trọng kim loại nói chung vật liệu thép nói riêng, làm kim loại gia cơng nhiệt để tạo sản phẩm với tính chất phù hợp với điều kiện sử dụng Đặc trưng biến dạng kim loại chịu kéo là độ giãn dài tương đối độ thắt tương đối Độ giãn dài tương đối ε tỉ số phần trăm độ giãn dài sau kéo Δl độ dài ban đầu lo mẫu xác định theo công thức: ε= ∆l l0 Độ thắt tương đối ψ xác định theo công thức: Ψ= S0 − S K S0 Trong đó: So Sk diện tích tiết diện ban đầu có biến dạng thắt (đứt) 1.1.2.4 Cường độ Khi thí nghiệm kéo mẫu, cường độ kim loại đặc trưng tiêu sau: Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn Giới hạn đàn hồi σp ứng suất lớn ứng với tải trọng P p mà biến dạng dư không vượt 0,05% : σp = Pp S0 , Giới hạn chảy σc ứng suất kim loại chảy (tải trọng không đổi chiều dài tiếp tục tăng) ứng với biến dạng dư không vượt 0,2%: σc = Pc S0 Giới hạn bền σb ứng suất lớn mẫu bị phá hoại, xác định Pmax theo công thức sau: σ b = S0 Để xác định khả chịu biến dạng dẻo kim loại thép uốn người ta tiến hành thử uốn cách uốn kim loại xung quanh trục uốn có đường kính định, uốn đến góc uốn theo qui định kiểm tra xuất vết nứt Độ cứng Đo độ cứng phương pháp đơn giản dùng phổ biến Cách xác định sau: ấn vật liệu cứng ( biến dạng dẻo) lực xác định Sau bỏ lực tác dụng mũi đâm để lai vật liệu vết lõm.Vết lõm to sâu giá trị độ cứng thấp Vậy độ cứng đặc trưng cho khả chống lại biến dạng dẻo vật liệu thông qua tác dụng mũi đâm Độ cứng có đặc điểm: • Biểu thị khả chống lại biến dạng dẻo bề mặt khơng phải tồn sản phẩm vật liệu có cấu trúc khơng đồng bề mặt lõi • Biểu thị khả chống mài mịn vật liệu, độ cứng cao tính chống mài mịn tốt • Có liên quan đến giới hạn bền kéo khả gia công cắt Độ cứng kim loại thường được xác định theo phương pháp Brinen 1.1.3 Các loại thép thông thường 1.1.3.1 Thép bon Thành phần hóa học thép bon gồm chủ yếu Fe C, chứa số nguyên tố khác tùy theo điều kiện luyện thép C < 2%; Mn ≤ 0,8%; Si ≤ 0,5%; P, S ≤ 0,05% Cr, Ni, Cu, W, Mo, Ti (0,1 - 0,2%) Mn, Si nguyên tố có tác dụng nâng cao tính thép bon P, S nguyên tố làm giảm chất lượng thép, nâng cao tính giịn nguội thép, lại tạo tính dễ gọt cho thép Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn 1.1.3.2 Thép hợp kim thấp Thành phần hóa học: Thép hợp kim thấp loại thép thành phần Fe, C tạp chất chế tạo có nguyên tố khác cho vào với hàm lượng định để thay đổi cấu trúc tính chất thép, ngun tố : Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti, Cu Trong thép hợp kim thấp tổng hàm lượng nguyên tố ≤ 2,5% Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1659:1975), thép hợp kim ký hiệu hệ thống ký hiệu hóa học, số tỷ lệ phần vạn bon % nguyên tố hợp kim Ví dụ: loại thép ký hiệu 9Mn2 có 0,09% C 2% Mn Tính chất lý: Thép hợp kim thấp có tính cao thép bon, chịu nhiệt độ cao có tính chất vật lý, hóa học đặc biệt chống tác dụng ăn mịn mơi trường Thép hợp kim thấp thường dùng để chế tạo kết cấu thép (dàn cầu, tháp khoan dầu mỏ, đường ống dẫn khí, v.v ), cốt thép cho kết cấu bê tông cốt thép 1.1.4 Gia công kim loại (Biện pháp thay đổi cấu trúc tính chất thép) 1.1.4.1.Gia cơng nhiệt Gia cơng nhiệt gồm phương pháp ủ, thường hố, tơi ram Ủ thường hoá nhằm giảm độ cứng thép (làm mềm), tăng độ dẻo để dập, cán, kéo nguội, làm đồng tiết diện thép chuẩn bị cho công tác gia công nhiệt cuối Ủ nung nóng thép đến nhiệt độ định, giữ nhiệt độ thời gian, làm nguội Thép sau ủ có độ bền độ cứng giảm, độ dẻo độ dai cao Thường hoá phương pháp nung nóng thép lên đến nhiệt độ cao nhiệt độ ủ, giữ nhiệt sau làm nguội khơng khí, nhờ thép có độ bền, độ cứng cao đôi chút so với trạng thái ủ Tơi thép nung nóng thép lên q nhiệt độ tới hạn giữ nhiệt thời gian, sau làm nguội đột ngột, kết thép khó biến dạng dẻo có độ cứng cao Ram trình cần thiết bắt buộc sau tơi Thép sau tơi có tính giịn, dễ gãy, có độ cứng cao, ram thép nhằm mục đích tạo cho thép có tính chất học (độ cứng, độ bền, độ dẻo) thích hợp với điều kiện sử dụng cần thiết Ngoài ram thép nhiệt độ cao để làm mềm thép giúp cho việc gia công cắt gọt dễ dàng, tạo độ nhẵn bóng cao cắt gọt 1.1.4.2 Gia cơng học Gia công học thép nằm cải thiện cấu tạo tính chất thép để khắc phục nhược điểm luyện tạo hình dạng Có hai phương pháp học: gia cơng nguội gia cơng nóng Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn Gia công nguội gia công thép nhiệt độ thường nhằm tạo biến hình dẻo để nâng cao tính học (tăng cường độ, độ cứng, lại làm giảm độ dẻo) Gia công nguội gồm có kéo, rèn dập, cán nguội, vuốt Các sản phẩm thép dây, sợi kim loại hầu hết qua kéo nguội, dập nguội Một hình thức gia công khác cán nguội Thép sau cán nguội, mặt ngồi có vết lồi lõm theo quy luật So với kéo, thép cán nguội có nhiều ưu điểm hơn: Cường độ kéo, cường độ nén lực dính bám bê tơng cốt thép tăng cường Đối với dây thép nhỏ (đường kính ÷ 10 mm) người ta dùng phương pháp vuốt Trong phương pháp này, dây thép kéo qua lỗ có đường kính nhỏ dây thép Mỗi lần vuốt giảm khoảng 10% tiết diện dây Số lần vuốt phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng, để đảm bảo tính dẻo dai, sau lần vuốt thứ 4, phải ủ thép lần Dây thép vuốt nguội dùng làm cốt thép bê tông dự ứng lực, làm dây cáp v.v Gia công nguội biện pháp tiết kiệm kim loại Gia công (rèn, cán) nóng (biến dạng nóng) hình thức làm kim loại biến dạng trạng thái nóng Đối với thép biến dạng nhiệt độ 650-700 oC biến dạng nóng, để đảm bảo đủ độ dẻo cần thiết, thường biến dạng thực nhiệt độ cao nhiều Cán phương pháp gia cơng ép nóng qua máy Do cán liên tục nhiều lần mặt cắt thép cải biến với hình dạng kích thước u cầu Các loại thép hình dùng xây dựng chế tạo phương pháp cán Rèn phương pháp gia nhiệt đến trạng thái dẻo cao, dùng búa đập thành cấu kiện có hình dạng định Rèn thực tay máy Thép cán rèn có cấu tạo tương đối tốt tính học cao 1.2.VẬT LIỆU CAO PHÂN TỬ (Polimer) 1.2.1 Khái niệm chung : Vật liệu cao phân tử ( chất dẻo) chất hợp chất hữu cao phân tử tạo thành Vật liệu cao phân tử đóng vai trị quan trọng ngành khí chế tạo xây dựng Các vật liệu cao phần tử thay vật liệu truyền thống kim loại, gỗ, đá 1.2.2 Nhựa tổng hợp (polime): Các polime đóng vai trị chất kết dính vật liệu chất dẻo, chúng phân loại theo phương pháp chế tạo : Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn - Nhựa trùng hợp tạo thành phản ứng trùng hợp đơn phân liên kết thành polime mà không tách sản phẩm phụ Phần lớn nhựa trùng hợp có đặc tính mềm chịu nóng rắn trở lại gặp lạnh, tan dung môi hữu Đây tính chất nhựa nhiệt dẻo hóa -Nhựa trùng ngưng tạo thành phản ứng trùng ngưng, số hợp chất đơn giản tạo thành phân tử phức tạp tách sản phẩm phụ (như nước, amôniắc, v.v ) Hầu hết sản phầm trùng ngưng có đặc tính q báu như: nung nóng có trạng thái rắn khơng chảy lỏng, khơng tan dung mơi cịn gọi nhựa nhiệt hố rắn Loại nhựa có cường độ, độ cứng khả chịu nhiệt tốt nhựa nhiệt dẻo 1.2.2.1 Một số nhựa trùng hợp : Pôlyêtylen ( - CH2 - CH2 - )n - Chế tạo: pôlyêtylen cách trùng hợp êtylen CH = CH2 sản xuất từ than đá hay khí đốt - Tính chất: nhựa suốt, ổn định hóa học, cách điện, có cường độ cao, dễ hàn dễ gia cơng; có nhược điểm dễ lão hố, chịu nhiệt, dễ cháy độ cứng nhỏ - Sử dụng: thường dùng làm màng mỏng chống thấm cho công trình, sản xuất giấy gói, vải gỗ dán, bọc dây điện v.v Polyvinylclorua ( - CH2 - CHCl - )n - Chế tạo: Polyvinylclorua (PVC) cách trùng hợp clorua vinyl (CH2 = CHCl) - Tính chất : nhựa có cường độ cao, chống thấm tốt, khó bắt lửa, ổn định hóa học với kiềm axit, khả trộn với chất độn lớn, dễ tạo hình dễ hàn dán; nhựa có nhược điểm chịu nhiệt và khả dính bám vào số vật liệu thấp - Sử dụng : nhựa PVC thường dùng làm sàn, chống thấm, trang trí, đường ống phụ tùng dùng cho nơi chịu tác dụng ăn mịn Pơlistirơn (- CH2 - CHC6H5 - )n - Chế tạo: Pôlistirôn tiến hành cách trùng hợp stirơn (CH2=CHC6H5) có chất xúc tác - Tính chất : có khả ổn định hóa học cao, cách điện ổn định với nhiệt - Sử dụng: sản xuất ốp, màng mỏng có tính đàn hồi, ống chịu axit, chất dẻo xốp, v.v Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn Ngoài nhựa trùng hợp nêu trên, sử dụng nhiều loại khác : pôlyizôbutylen, pôlyvinyl axêtat , v.v 1.2.2.2 Một số nhựa trùng ngưng : a/Phênon foócmanđêhyt - Chế tạo: sản xuất cách trùng ngưng phênon (C 6H5OH) foocmanđêhyt (CH2O) (còn gọi anđêhyt foocmic), sản phẩm phụ tách nước (H2O), phản ứng xảy môi trường axit thừa phênon nhận nhựa nhiệt dẻo mà phân tử có cấu trúc mạch thẳng, cịn phản ứng xảy mơi trường kiềm có chất xúc tác amơniắc (NH 3) hay hyđrôxyt natri (NaOH) loại nhựa nhiệt hoạt mà phân tử có cấu trúc mạng khơng gian - Tính chất: có khả trộn chất độn lớn, tính bền học cao, chịu nước, cách điện - Sử dụng: dùng nhiều công nghiệp gỗ dán urê foocmanđêhyt (còn gọi nhựa cacbamit) - Chế tạo: cách đem trùng ngưng urê (CO(NH 2)2) gọi cácbamit fcmanđêhyt (CH2O) - Tính chất: so với phênon fcmanđêhyt nhựa urê foocmanđêhyt tốt khơng có màu, bền với tác dụng ánh sáng, khơng có mùi rẻ song lại mặt chịu nhiệt, chịu nước chịu axit - Sử dụng : keo dán gỗ, vecni v.v Ngồi cịn nhiều loại nhựa trùng ngưng khác : phênon fuafurôn pôlyerte, pôly amit, pôlyvinyl axêtat.v.v b/ Epoxy: Epoxy loại nhựa dùng xây dựng, nguyên liệu cho keo dán, vữa sửa chữa, bê tông polime loại vật liệu chất dẻo khác Epoxy nhựa trùng ngưng hai hợp chất hữu có hợp chất gốc epoxy (C - O - C) chất có chứa nguyên tử H linh động (thường phênol cao phân tử) Công thức epoxy mạch thẳng sau: CH2 - CH - CH2 - Rn - CH2 - CH - CH2 O O Rn yếu tố tái tạo mơi trường liên kết Đặc tính epoxy sau : γa = 1,28; nhiệt độ ổn định 80 - 100 oC; giới hạn đàn hồi 10 - 30MPa; giới hạn bền : Rk = 40 - 100 MPa, Rn = 70 160MPa, Ru = 60 - 130 MPa Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn Có khả liên tốt với thép, bê tông , gỗ , ổn định với hóa học nước Kém ổn định với tác dụng ánh sáng mặt trời Các loại epoxy thường dùng ED5, ED6, ED20, ED40 (Nga) keo E Thụy sĩ, Mỹ Tuy giá thành epoxy đắt nên thường pha thêm chất độn để chế tạo epoxy nhiều thành phần để có giá thành thấp 1.2.3 Các tính chất chất dẻo : 1.2.3.1 Cường độ: Cường độ chất dẻo đa dạng phụ thuộc vào loại chất dẻo Vật liệu làm tường bao cần có độ dai cao Với vật liệu làm kết cấu chịu lực cần đáp ứng khả sản xuất cấu kiện chịu lực: chất dẻo dùng chất độn bột hay sợi có cường độ nén 120 - 160MPa cường độ uốn 40 - 60MPa, chất dẻo dùng chất độn dạng có cường độ cao, thí dụ CBAM (chất độn dạng sợi thuỷ tinh) có cường độ kéo 480 - 950MPa cường độ nén 420 MPa Sợi cácbon có cường độ chịu kéo đến 2000MPa Cường độ chịu nén chất dẻo khơng độn thí nghiệm mẫu 2x2x2 cm tuổi 6, 12 ngày Các loại vữa bê tơng pơlime xi măng thí nghiệm vữa bê tơng thường 1.2.3.2 Tính chất vật lý : - Khối lượng riêng polimer biến đổi phạm vi rộng tuỳ theo dạng chất độn cấu trúc 15 - 2000 kg/m3 - Tính dẫn nhiệt tốt, loại đặc có λ = 0,2 - 0,6 kcal/mo.C.h cịn loại rỗng có λ = 0,026 kcal/mo.C.h - Khả chống mài mịn tốt nên thích hợp cho việc dùng làm vật liệu lát sàn Có khả chống rung; có hệ số ma sát lớn hơng có dầu mỡ - Ổn định hóa học tốt nên dùng cơng trình dẫn nước bể chứa chất lỏng ăn mòn - Bền mầu nên sơn nhiều lần - Dễ hàn, dán nên thuận tiện thi công - Một số loại chất dẻo suốt (pơlystirơn, v.v ) dùng làm kính hữu có đặc trưng học quý, v.v 1.2.4 Vật liệu xây dựng chất dẻo 1.2.4.1 Các vật liệu bao che : Vật liệu làm kết cấu bao che tường, trần, vách ngăn vật liệu chiu lực không lớn, mỏng, giá thành không cao : ván gỗ ép, lát trần, vải dán tường v.v Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn 1.2.4.2 Chất dẻo làm nền, lợp Các chất dẻo thường có gốc Linolêin, PVC, Nitroxenluloo, Linôlêin cao su dạng cuộn, vải Gleptan, vải Renlin v.v Kích thước chuẩn theo ISO (tiêu chuẩn quốc tế) 10 x 10; 15 x 15; 20 x 20cm ; δ = 1,25 - 6mm Các cuộn có b = 1,5 - 3,0m ; L = - 20m ; δ = 1,5 3,0mm Các chất dẻo thường có màu sắc đẹp, đa dạng, bền nước, dung mơi hữu khó cháy, chịu mài mòn tốt Chất dẻo lợp thường chống nước tuyệt đối, có cấu tạo dạng thẳng lượn sóng dài - 16m; dày 0,5 - 2mm Các vật liệu chống thấm cho mặt đường, nhà, mặt cầu thường dạng vải có chiều dày nhỏ Tùy theo cơng trình cho nước thấm qua cách nước tuyệt đối 1.2.4.3 Chất dẻo chịu lực Các chất dẻo chịu lực thơng thường có gốc epoxy, chất độn sợi thuỷ tinh cao cấp sợi cácbon 1.2.4.3.1 Chất dẻo thủy tinh Chất dẻo thuỷ tinh gồm có polime chất độn sản phẩm thuỷ tinh Theo dạng chất độn thuỷ tinh, chất dẻo thuỷ tinh phân làm nhóm Nhóm sợi thuỷ tinh (sợi thẳng liên tục xếp thành lớp theo chiều dày vật liệu) Nhóm sợi thuỷ tinh cắt ngắn dàn thành thảm trải cách phun Nhóm sợi thuỷ tinh dạng vải gai (tectôlit) Sợi thuỷ tinh dị hướng - CBAM - dạng chất dẻo sợi thuỷ tinh thuộc nhóm A sản xuất cách đặt kéo căng sợi thủy tinh song song với đồng thời phun chất kết dính lên để tạo thành sợi thuỷ tinh CBAM gồm số lớp, đặt vng góc với CBAM có kích thước rộng đến 50cm dày - 30mm Tính chất học phụ thuộc vào dạng polime, chiều dày sợi thuỷ tinh, tỷ lệ polime chất độn, phân bố sợi phương pháp phân bố lớp kết cấu Tính chất lý CBAM sau : khối lượng thể tích từ 1,9 - 2,0g/cm 3; cường độ chịu kéo 450MPa, chịu nén 400MPa, chịu uốn 700MPa; độ dai va đập 500 kG.cm/cm2; độ cứng (theo phương pháp Brinen) 55 Chất dẻo thuỷ tinh nhóm A sử dụng cho phận chịu lực trần lớp, kết cấu bao che, làm cốt cho bê tông Các chất dẻo thủy tinh sở sợi thuỷ tinh thấm epoxy thể thay cho cốt thép cường độ cao bê tông 10 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn sóng đàn hồi bề mặt Sợi Cốt cách nhiệt cho gốm kim loại Cách nhiệt bền nhiệt Bột Bột mài, vật liệu cắt gọt Sợi thuỷ tinh dẫn ánh sáng Mỹ phẩm trắng Sợi cácbon Bột mài (kim cương) bơi trơn,than chì 1.3.3.3 Phương pháp tổng hợp vật liệu gốm đặc biêt Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, phương pháp cho phép tổng hợp ưu tiên dạng sản phẩm khác (đơn tinh thể có kích thước lớn, bột đa tinh thể có cấp hạt xác định (nanơ, micrơ, mili), màng mỏng, dạng sợi ) Do xuất phát từ lĩnh vực sử dụng, từ yêu cầu dạng sản phẩm, điều kiện phịng thí nghiệm ta lựa chọn phương pháp thích hợp Vật liệu gốm góp phần đặc biệt quan trọng phát triển ngành khoa học kỹ thuật công nghiệp cuối kỷ XX công nghệ vật liệu xây dựng, công nghệ chế tạo máy, giao thông vận tải, công nghệ thông tin, kỹ thuật điện, từ, quang, công nghệ chinh phục vũ trụ Đến lượt mình, nhờ phát triển đặc biệt nhanh chóng khoa học kỹ thuật cơng nghệ cuối kỷ XX, góp phần cho việc xây dựng nhiều phương pháp tổng hợp nhiều dạng vật liệu có cấu trúc tính chất đặc biệt Có nhiều cách phân loại phương pháp tổng hợp vật liệu gốm như: Dựa vào sản phẩm phân thành: - Tổng hợp vật liệu gốm dạng bột (nanô, micrô, mili, ); - Thiêu kết bột gốm thành linh kiện mong muốn; - Tổng hợp vật liệu gốm dạng màng mỏng; - Tổng hợp vật liệu gốm dạng sợi Dựa vào điều kiện kĩ thuật phân thành: - Phương pháp sử dụng nhiệt độ cao; - Phương pháp tổng hợp áp suất cao; - Phương pháp tổng hợp có sử dụng pha 15 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn Một số gốm đặc biệt PZT có tính chất đặc biệt áp điện (sóng học gây nên điện trường lòng chất áp điện ngược lại) từ giảo ( từ trường lòng vật liệu thay đổi xuất vùng nén dãn) Các vật liệu sử dụng làm đầu thu phát dao động sử dụng kỹ thuật điện Sau số thông số loại gốm áp điện PZT-4 Gốm Độ cứng( 1010 N/m2) Lớp C11 PZT-4 6mm Gốm PZT-4 lớp 6mm 13,9 C12 7,8 C13 7,4 Mật độ C33 C44 11,5 2,56 Các số áp điện e15 e31 e33 12,7 -5,2 15,1 103kg/m3 7,5 Hằng số điện môi ε S 11 ε S 33 650 560 1.4.VẬT LIỆU SƠN 1.4.1 Khái niệm chung Vật liệu sơn vật liệu dạng lỏng có thành phần dung môi, dầu sơn chất tạo màu Sơn vật liệu để bảo vệ chống rỉ cho kim loại, chống ẩm phòng mục cho gỗ, bảo vệ thiết bị chống tác dụng phá hoại hóa chất mơi trường, đảm bảo điều kiện khai thác tuổi thọ cho phương tiện công trình xây dựng, giao thơng vận tải Ở Việt nam có nhiều nguyên liệu làm sơn sơn ta, dầu thực vật v.v , Việt nam chế tạo nhiều loại sơn có giá trị Các loại sơn ngoại nhập Việt nam phong phú đa dạng Sơn vật liệu sử dụng rộng rãi lĩnh vực xây dựng (sơn thép, gỗ, bàn nghế, nhà cửa đồ dùng sinh hoạt), giao thông vận tải (sơn cầu, vạch dẫn đường, phương tiện giao thơng), khí (sơn máy móc, thiết bị), cơng nghiệp nhẹ (sơn vải, hàng hóa), cơng nghiệp điện (sơn cách điện bảo vệ cho máy móc thiết bị điện) Để đảm bảo tuổi thọ chất lượng trang trí, sơn cần phải thoả mãn yêu cầu sau : mau khô (không muộn 24 sau sơn), tính co giãn tốt, có độ bền học cao, chịu va chạm, bền thời tiết, bền tác động tia tử ngoại, tính dính bám cao vào vật liệu sơn, có mặt nhẵn bóng, màu sắc phù hợp, v.v Ngồi ra, sơn đặc biệt phải có độ cách điện, cách âm, bền nhiệt bền hóa học, đảm bảo điều kiện vệ sinh 16 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn Sơn phân : sơn, vecni vật liệu phụ Sơn dùng để tạo lớp màu khơng suốt có tác dụng bảo vệ Cịn vecni suốt phủ trang trí lần cuối lên bề mặt sơn Vật liệu phụ (matit bồi mặt, sơn lót, matit gắn) để chuẩn bị bề mặt sơn Tùy theo thành phần sơn có loại sơn sau : sơn dầu, sơn tổng hợp, sơn silicát, sơn polime 1.4.2 Thành phần sơn Thành phần sơn gồm có chất kết dính (chất tạo màng), chất tạo màu, chất độn dung mơi 1.4.2.1 Chất kết dính Chất kết dính thành phần sơn, định độ quánh, cường độ, độ cứng tuổi thọ sơn Tùy thuộc vào yêu cầu độ dính bám với vật sơn, chọn chất kết dính : polime (trong sơn polime, sơn men), cao su (trong sơn cao su), xenlulo dẫn suất (trong sơn nitro), dầu thực vật (trong sơn dầu), keo động vật keo cazein (trong sơn dính), chất kết dính vơ (trong sơn vôi, sơn xi măng, sơn silicát) Việc sử dụng polime tổng hợp sơn, vecni dung mơi hóa học hỗn hợp với dầu thực vật xi măng Cho phép giảm đáng kể lượng dầu sơn sản xuất loại sơn có tuổi thọ hiêụ kinh tế cao Nguyên liệu chủ yếu công nghiệp sơn nhựa thiên nhiên dầu thực vật Dầu sơn chất kết dính sản xuất từ dầu khô Sau rắn lớp mỏng có khả hình thành màng có tính dẻo Dầu sơn có loại: dầu nguyên thể, dầu bán nguyên thể dầu nhân tạo (tổng hợp) Dầu ngun thể cịn có dạng : dầu oxy hóa dầu trùng hợp Dầu oxy hóa chế tạo từ dầu lanh, dầu gai Dầu bán nguyên thể chế tạo từ dầu trùng hợp, dầu oxy hóa trộn với loại dầu đặc biệt khác Dầu tổng hợp không chứa dầu thực vật có hàm lượng khơng vượt 35% Trong số loại dầu nhân tạo dầu gliptan, dầu đá phiến thạch, dầu xinton, etinon, dầu cumaron - inđen sử dụng rộng rãi Keo loại chất kết dính loại sơn dính tan nước dùng cho sơn lót matit gắn, làm chất ổn định chế tạo sơn nhũ tương Có nhiều loại keo : keo động vật, keo thực vật, keo nhân tạo keo tổng hợp Keo động vật có loại : keo da, keo xương keo cazêin Keo thực vật có loại: đextrin bụi xay xát Keo nhân tạo dung dịch keo nước, thường dạng hỗn hợp cacboxyl - metyl - xenlulo metyl 17 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn xenlulo Keo polime loại nhựa tổng hợp có khả dính bám cao Để chế tạo keo polime người ta dùng nhựa polivinylaxetat 1.4.2.2 Chất tạo màu chất độn : Chất tạo màu chất độn chất vô hữu nghiền mịn, khơng tan tan nước dung mơi hữu cơ, dùng để cải thiện tính chất tăng tuổi thọ sơn Mỗi chất tạo màu có màu sắc riêng tính chất định Khả che phủ, khả tạo màu, độ mịn, độ bền ánh sáng, tính chịu lửa, độ bền hóa học, độ ổn định thời tiết đặc tính chất tạo màu Bột màu có loại thiên nhiên, loại nhân tạo, vơ hữu Bột khống màu thiên nhiên chế tạo cách nghiền mịn loại vật liệu thiên nhiên Trong nhóm gồm có : đá phấn trắng, đất son khơ màu vàng, minium sắt (Fe2O3.FeO) màu nâu hồng có độ bền ánh sáng chống ăn mịn cao, mơni thiên nhiên khơ (bauxit loại màu ánh sáng loại tối) có màu hồng, than chì xám, glaucoxit xanh peoxyt mangan Bột khống màu nhân tạo nhận cách gia cơng hóa học ngun liệu khống Trong nhóm gồm có : Bột oxyt titan (TiO2) màu trắng, chế tạo từ quạng titan, dùng sơn dính Bột kẽm trắng, chế tạo cách làm thăng hoa kẽm với việc oxy hố loại khống chất chứa kẽm Nó có khả che phủ bền ánh sáng cao, không độc, dùng sơn dầu, sơn men loại sơn khác Bột chì trắng (2PbCO3.Pb(OH)2), có độ che phủ tốt, bền ánh sáng, bền kiềm, dạng bột độc, dùng cho sơn kim loại Litopon trắng hỗn hợp sunfua kẽm sunfat bari, bền thời tiết, dùng chủ yếu để sơn phủ phận bên nhà Bột kẽm khô màu vàng sáng hợp chất kép oxyt crom oxyt kẽm với cromat axit kali natri, có chứa lượng muối sunfat clorua kẽm; dùng cho sơn dầu, sơn lót kim loại Ơxýt crom (Cr2O3) màu xanh, bền với tác dụng axit, kiềm, ánh sáng nhiệt độ, dùng nhiều loại sơn Muội khí đốt sản phẩm đốt khí axetylen, nhẹ, có khả che phủ nhuộm màu cao, ổn định với tác dụng axit kiềm, dùng tất loại sơn Bột màu dạng bột kim loại tinh khiết (bột nhôm, bột đồng thau), loại bột đặc xong cho loại sơn đẹp 18 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn Chất tạo màu hữu chất tổng hợp có nguồn gốc hữu cơ, màu tinh khiết, có khả tạo màu cao, khơng tan tan nước dung mơi hữu khác Bột màu hữu có tính ổn định kiềm, ổn định ánh sáng thấp Chất độn vô không tan nước, màu trắng, pha vào sơn nhằm tiết kiệm chất tạo màu làm cho sơn có tính tốt Chất độn thường dùng bột than, cát nghiền nhỏ, thạch cao, v.v 1.4.2.3 Dung môi Dầu thông, dầu than đá, spirit trắng, etxăng thường sử dụng làm dung môi cho sơn dính dạng nhũ tương 1.4.2.4 Chất làm khơ Chất làm khơ làm tăng q trình khơ cứng (đóng rắn) cho sơn vecni Chất làm khô thường sử dụng 5-8% sơn 10% vecni Trong sơn xây dựng hay dùng dung dịch muối chì - mangan axit naftalen làm chất làm khô 1.4.2.5 Chất pha loãng Chất pha loãng dùng để pha loãng sơn đặc sơn vô khô Khác với dung môi, chất pha lỗng ln chứa lượng cần thiết chất tạo màng để tạo cho sơn có chất lượng cao 1.4.3 Các loại sơn Sơn chia loại : sơn dầu, sơn men, sơn pha nước, sơn pha nhựa bay 1.4.3.1 Sơn dầu : Sơn dầu hỗn hợp chất tạo màu, chất độn nghiền mịn máy nghiền với dầu thực vật Sơn dầu sản xuất dạng: sơn đặc chứa 12 - 25%, cịn sơn lỗng chứa 30 - 35% dầu (so với khối lượng chất tạo màu) Độ khô hoàn toàn sơn dầu nhiệt độ 18 - 23 oC không lớn 24 Sơn dầu loại sơn phổ biến dùng để sơn kim loại, gỗ bê tông 1.4.3.2 Sơn men : Sơn men huyền phù chất tạo màu vô hoăc hữa với vecni tổng hợp vecni dầu Sơn men chứa nhiều chất kết dính nên mặt sơn dễ bong Sơn men có độ bền ánh sáng độ chống mài mịn tốt, mau khơ, dùng để sơn kim loại, gỗ, bê tơng, mặt vữa phía phía ngồi nhà Sơn men ankit, epơxy urê - fomanđêhyt loại sơn phổ biến 19 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn Sơn ankit huyền phù chất tạo màu phân tán mịn vecni gliptan, pentaftalat loại vecni khác có pha thêm dung mơi chất làm khơ Trong nhóm sơn ankit gồm có nhiều loại sơn với tính ổn định nước, chống tác dụng kiềm, độ bền tuổi thọ khác Sơn epoxy loại huyền phù chất tạo màu dung dịch epoxy Chúng có độ bền hóa học, bền nước cao, dùng để chống ăn mòn cho kim loại gỗ Huyền phù chất tạo màu nhựa urê - fomanđêhyt tạo sơn cacbamít, có độ bền nước cao dùng để sơn phủ trang thiết bị Hiện giới hay sử dụng sơn hệ epoxy - urê than urê - than cải tiến 1.4.3.3 Nhóm sơn polime - xi măng, sơn silicát : Trong nhóm gồm có sơn polime - xi măng, sơn nhũ tương, loại sơn sơn men có nhựa bay Chúng hỗn hợp chất kết dính vơ cơ, bột màu với chất phụ gia hòa vào nước đến độ đặc thi công Loại sơn bền kiềm bền ánh sáng Theo dạng chất kết dính, sơn khống chất chia ra: sơn vơi, sơn silicát, sơn xi măng Sơn vơi gồm có vơi, bột màu clorua natri, clorua canxi stiorat canxi muối canxi, axit, dầu lanh Sơn vôi dùng để sơn tường gạch, bê tơng vữa cho mặt mặt bên nhà Sơn silicát chế tạo từ bột đá phấn nghiền mịn, bột tan, bột kẽm trắng bột màu bền kiềm với dung dịch thủy tinh kali natri Sơn silicát kinh tế có tuổi thọ cao sơn peclovinyl, sơn vôi sơn cazêin Để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn điều kiện ẩm ướt dung dịch muối có nồng độ vừa phải để bảo vệ chi tiết " chờ" nhà panen cỡ lớn dùng loại sơn bảo vệ đặc biệt Chúng huyền phù bột kẽm, bột màu chất đồng trùng hợp silicát - silicon Sơn xi măng loại sơn có dung mơi nước Sơn polime - xi măng chế tạo từ chất tạo màu bền kiềm, bền ánh sáng với xi măng nhựa tổng hợp Sơn polime - xi măng có màu sắc khác phục vụ cho công tác thi công vào mùa khác 1.4.4 Vecni Vecni dầu có nhựa dung dịch dung môi hữu nguyên thể nhựa ankin nhựa tổng hợp biến tính dầu khô, sử dụng 20 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn quét mặt trong, mặt đồ gỗ, quét phủ lên sơn dầu màu sáng, pha sơn men, tạo lớp phủ bền chống ăn mòn chế tạo matit, sơn lót Vecni tổng hợp khơng có dầu dung dịch nhựa dung mơi hữu Trong xây dựng người ta sử dụng rộng rãi loại vecni sở urê focmanđêhyt để quét sàn gỗ, gỗ dán, sàn từ dăm bào ép Các loại vecni peclovinyl, inđenclorit dùng để quét tráng sản phẩm sơn dầu nhằm tăng cường tính chống ăn mịn cho sơn Vecni bitum vecni nhựa át phan dung dịch bitum, nhựa át phan dầu thực vật dung môi hữu (etxăng benzen) Vecni bitum có màu đen nâu, ổn định với tác dụng xâm thực axit kiềm Vecni bitum nhựa át phan dùng để tạo lớp màng chống ăn mòn, ngăn nước, ngăn hơi, sơn phủ lò nung, sơn bếp v.v Vecni alcon vecni bóng dung dịch nhựa thiên nhiên hay nhân tạo rượu, có màu sặc khác (vàng, xanh cây, xanh da trời, nâu v.v ) đựoc dùng để đánh bóng mặt gỗ, che phủ kín kim loại Vecni nitroxenlulo estexenlulo dung dịch nhựa estexenlulo dung môi hữu Để nâng cao chất lượng vecni gần người ta cho thêm chất tăng dẻo - nhựa nguyên thể, nhựa nhân tạo nhựa tổng hợp Vecni nitroxenlulo có màu vàng màu nâu dùng để quét sản phẩm gỗ Vecni estexenlulo không màu dùng để quét sản phẩm gỗ có màu khơng màu 1.4.5 Vật liệu phụ Trong thi công sơn người ta thường dùng loại vật liệu phụ sau : matit bồi mặt, matit gắn, sơn lót Matit bồi mặt loại vật liệu hồn thiện dùng để san phẳng mặt sơn Tùy thuộc vào loại sơn sử dụng mà người ta dùng loại matit sunfuric phèn, keo polyvinyl axetat Matít gắn loại bột nhão dùng để gắn kính sổ, liên kết rãnh soi, gắn thép mái Để lắp kính sổ thường dùng matit đá phấn, matit minium chì, matít trắng matit naftalen chế tạo từ dầu trùng hợp nguyên thể, bột đá phấn, minium chì bột chì trắng Matit gắn có tính ổn định nước độ dẻo cao 21 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn Sơn lót loại sơn chế tạo từ chất tạo màu, chất độn chất kết dính Sơn lót có hai dạng: sơn lót lớp sơn nước sơn lót lớp sơn dầu sơn tổng hợp Trong cơng tác hồn thiện, sơn lót sử dụng để giảm độ rỗng mặt sơn, để giảm bớt lượng sơn đắt tiền làm tốt vẻ bề lớp sơn, để tăng cường khả bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn, để sơn sơ kết cấu gỗ kết cấu khác, để tăng cường sức dính bám lớp sơn màu với sơn 1.4.6 Sơn bảo vệ kết cấu thép 1.4.6.1 Yêu cầu kỹ thuật : Các loại sơn bảo vệ cầu thép, kết cấu xây dựng thép điều kiện khí hậu nhiệt đới ngồi trời, chống ăn mòn vật liệu tác động thường xuyên theo thời gian mơi trường có độ xâm thực yếu (kí hiệu "la" ) trung bình (kí hiệu " ma") Theo tiêu chuẩn Việt Nam thường dùng sơn chóng khơ, khả chống ăn mịn cao, sử dụng vật liệu nước Trường hợp cầu thép phận kết cấu thép đặt mơi trường có độ xâm thực mạnh (kí hiệu " ha"), cần có yêu cầu kỹ thuật riêng để bảo vệ, lựa chọn kĩ loại sơn đặt biệt chủ yếu dùng sơn nhập ngoại sở epoxy - kẽm - urêthane có kết hợp với biện pháp điện hóa Sơn bảo vệ cầu kết cấu thép sản xuất thành Mỗi gồm từ hai đến ba loại sơn : - Sơn lót (lớp cùng) - Sơn phủ (lớp ngăn cách) - Sơn phủ cùng, tùy thuộc yêu cầu kỹ thuật mức độ bảo vệ dầm cầu thép Bộ sơn bảo vệ cầu kết cấu thép phải đạt yêu cầu kỹ thuật sau : • Màng sơn phải đạt tính cách ly cao • Loại sơn lót phải có độ dính bám cao mặt thép, có tính thụ động cao chống ăn mịn • Loại sơn phủ phải bền màu, có độ dính bám cao với lớp lót, chịu thời tiết nóng ẩm, chịu xạ mặt trời • Các lớp sơn phải tạo thành màng phủ có đủ chiều dày bám dính chặt với bao bọc kín bề mặt thép; ngồi cịn chịu axit, khí SO2 số hóa chất khác 22 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn 1.4.7.Quy trình sơn Q trình thi cơng sơn tiến hành theo bước sau : a - Chuẩn bị bề mặt vật liệu : làm dầu, mỡ, rỉ làm khô bề mặt Với kết cấu thép cũ phải đánh rỉ, với kết cấu thép làm phun cát với áp lực để làm b - Lớp sơn : thơng thường lớp sơn lót chống rỉ c - Lớp sơn : lớp sơn phủ : lớp sơn loại sơn có độ đặc cao matit sơn để tạo mặt cho kết cấu d - Lớp sơn : lớp sơn tạo màu cho kết cấu e - Lớp sơn : lớp làm bề mặt kết cấu bóng, đẹp lớp có chất lượng cao, sơn sơn vecni polime Nguyên tắc sơn : Các lớp sơn sau thi công sau lớp sơn trước khô hẳn 1.5.VẬT LIỆU COMPOSITE 1.5.1 Khái niệm chung Vật liệu composite hay composite vật liệu tạo nên từ nhiều thành phần khác khác chất, hình dạng chức Trong vật liệu composite vật liệu thành phần phối hợp chặt chẽ theo thiết kế định trước Các vật liệu composite đề cập phần gồm thành phần khác hóa học khơng tan vào nhau, phân cách ranh giới, kết hợp nhờ tiến kỹ thuật Composite phân thành nhóm chính: composite tạo hình composite cấu trúc Loại composite cấu trúc bán thành phẩm dạng lớp, dạng lớp cấu tạo từ vật liệu đồng Trong chương khảo sát vật liệu composite tạo hình Loại vật liệu thứ vật liệu cốt (renfot) ( thường dạng sợi) sợi thủy tinh, sợi bon, sợi thép vật liệu thứ hai chất (matrice); chất dẻo kim loại kim loại có độ dẻo cao chất có độ cứng cao tùy theo yêu cầu sủ dụng Một vật liệu composite xây cất thường thấy bê tông cốt sắt xi măng chất sắt vật liệu gia cố Composite vật liệu 23 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác tạo lên vật liệu có tính hẳn vật liệu ban đầu, vật liệu làm việc riêng rẽ Những vật liệu composiet đơn giản có từ xa xưa Khoảng 5000 năm trước công nguyên người biết trộn viên đá nhỏ vào đất trước làm gạch để tránh bị cong vênh phơi nắng Chính thiên nhiên tạo cấu trúc composite trước tiên, thân gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài kết nối với licnin Kết liên kết hài hoà thân vừa bền dẻo- cấu trúc composite lý tưởng Người Hy Lạp cổ biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng Việt Nam, truyền lại cách làm nhà bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khô tạo lớp vật liệu cứng, mát mùa hè ấm vào mùa đông Mặc dù composite vật liệu có từ lâu, ngành khoa học vật liệu composite hình thành gắn với xuất cơng nghệ chế tạo tên lửa Mỹ từ năm 1950 Từ đến nay, khoa học cơng nghệ vật liệu composite phát triển toàn giới có thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu composite" 1.5.2.Thành phần cấu tạo Nhìn chung, vật liệu composite gồm hay nhiều pha gián đoạn phân bố pha liên tục (Pha loại vật liệu thành phần nằm cấu trúc vật liệu composite.) Pha liên tục gọi vật liệu (matrice), thường làm nhiệm vụ liên kết pha gián đoạn lại Pha gián đoạn gọi cốt hay vật liệu tăng cường (renfot) trộn vào pha làm tăng tính, tính kết dính, chống mịn, chống xước 1.5.2.1.Thành phần cốt Nhóm sợi khống chất: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm; nhóm sợi tổng hợp ổn định nhiệt: sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil Các nhóm sợi khác phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa, ; sợi gốc khoáng chất: sợi Amiăng, sợi Silic, ; sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron, térylène, ), sợi polyamit, ; sợi kim loại: thép, đồng, nhôm, 1.5.2.1.1 Sợi thuỷ tinh 24 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn Sợi thủy tinh, kéo từ loại thủy tinh kéo sợi (thủy tinh dệt), có đường kính nhỏ vài chục micro mét Khi sợi nhược điểm thủy tinh khối, như: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ưu điểm học Thành phần thủy tinh dệt chứa thêm khống chất như: silic, nhôm, magiê, tạo loại sợi thủy tinh khác 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 sợi thủy tinh S (độ bền học cao) Loại thủy tinh E loại phổ biến, loại khác thường (chiếm 1%) sử dụng ứng dụng riêng biệt 1.5.2.1.2.Sợi hữu Các loại sợi hữu phổ biến Sợi kenvlar cấu tạo từ hợp chất hữu cao phân tử aramit, gia công phương pháp tổng hợp nhiệt độ thấp (-10°C), kéo thành sợi dung dịch, cuối sử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi Sợi kenvlar tất sợi làm từ aramit khác như: Twaron, Technora, có giá thành thấp sợi thủy tinh tính lại thấp hơn: loại sợi aramit thường có độ bền nén, uốn thấp dễ biến dạng cắt lớp 1.5.2.1.3.Sợi Cacbon Sợi cacbon sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành lớp liên kết với nhau, cách khoảng 3,35 A° Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau, mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách nguyên tử lớp 1,42 A° Sợi cacbon có tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả chịu nhiệt cực tốt 1.5.2.1.4.Sợi Bor Sợi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học B), dạng sợi gốm thu nhờ phương pháp kết tủa Sản phẩm thương mại loại sợi dạng: dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng tẩm thấm dùng để quấn ống, vải đồng phương 1.5.2.1.5.Sợi Cacbua Silic Sợi Cacbua Silic (cơng thức hóa học là: SiC) loại sợi gốm thu nhờ kết tủa 1.5.2.1.6.Cốt vải 25 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn Cốt vải tổ hợp thành bề mặt (tấm), vật liệu cốt sợi, thực 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 cách đan sợi, hay gọi kiểu chéo sợi Kỹ thuật dệt cao cấp cịn có kiểu dệt đa phương như: bện, tết, kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phương Bảng 2: Cơ tính tỷ trọng cuả loại sợi Thép Nhôm Sợi carbon (HS) Sợi carbon (HM) Sợi carbon (UHS) Sợi aramid (Kevlar) Sợi thủy tinh (loại E) Sợi thủy tinh (loại S) Ống nano carbon Độ cứng Độ bền (109 Độ giãnđứt (109 N/m2 N/m2 ) (%)* 203 0.6 - 75 0.075 1.0 240 6.4 1.8 310 3.5 825 180 3.5 3.0 76 3.5 4.7 96 4.8 650-1000 150 - 180 - Tỷ trọng (kg/m3) 7.8 2.6 1.8 1.9 1.9 1.5 2.9 2.9 1.8 Sợi carbon có cấu trúc giống than chì (graphite) hình tổ ong Những cấu trúc tổ ong nầy tạo thành nối cộng hóa trị (những đường gạch thẳng hình) bền kim loại ceramic Nó cho thấy độ cứng siêu việt tiềm ẩn sợi carbon Thật vậy, nhờ vào phương pháp chế tạo sợi carbon liên tục cải thiện qua nhiều thập niên, độ cứng loại sợi nầy nâng cao từ 200 đến 600 đạt đến 825 109 N/m2 , cao thép lần (tỷ trọng) nhẹ thép lần (Bảng 2) Như vậy, với trọng lượng tương đương sợi carbon "siêu cứng" nầy cứng thép 16 lần Sợi thủy tinh loại sợi thông dụng cho nhiều ứng dụng tất loại sợi có cân cần thiết tính, hóa tính (khơng bị nước dung mơi cơng), điện tính (cách điện tốt), giá phải Composite sợi thủy tinh dùng cho vật dụng nhà chậu rửa mặt, bồn tắm ứng dụng cao cấp thân du thuyền, hộp bảo toàn động hỏa tiễn, vại chịu áp suất Sợi carbon loại sợi dùng nhiều thứ hai sau sợi thủy tinh Giá sợi carbon cao so với sợi thủy tinh Sợi aramid ( poly phenyleneter ephthamide) có thương hiệu Kevlar phát minh công ty DuPont thương mại hóa vào đầu thập niên 60 Trong nhiều ứng dụng sợi thủy tinh đan xen với sợi Kevlar hay sợi carbon để làm giảm giá thành gia tăng tính đàn hồi composite sợi thủy tinh có độ kéo giãn (elongation) (Bảng 2) lớn sợi carbon Kevlar; mặt độ cứng trì từ hai loại sợi nầy 26 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn 1.5.2.2.Chất Chất chất làm sợi gia cố dính lại với mà cịn có tác dụng phân bố lực đồng toàn composite Chất sợi phải có tương hợp hóa học để tối ưu hóa độ dính chất sợi Bề mặt sợi thủy tinh thường xử lý để có nối hóa học với chất Trong ứng dụng bình thường, polyester, vinyl ester, nhựa epoxy chất thông dụng Trong cấu trúc xây dựng địi hỏi sức chịu lớn, polymer cơng nghiệp chất cần thiết Để có tính cao nhà sản xuất dùng nhiều phương pháp để gia tăng hàm lượng sợi Hàm lượng sợi khỏang 50 - 60 % thể tích composite mực tối ưu Hàm lượng sợi nhiều đạt đến 70 - 75 % thể tích số nầy chất không đủ để tạo độ dính cần thiết 1.5.3.Một số ứng dụng Mặc dù sợi thủy tinh loại sợi thông dụng nhờ vào giá rẻ, nhiều composite phải dùng sợi carbon nhẹ hơn, có độ cứng độ bền cao (Bảng 2) Sợi Kevlar khơng có độ cứng cao sợi carbon (Bảng 2) có có độ chống thủng (penetration/impact resistance) tuyệt vời Đây loại sợi chống đạn (ballistic fibre) dùng cho áo giáp mũ cối quân đội Dù có đặc tính siêu việt, Kevlar khơng phải tồn Vì loại sợi thuộc họ amid, Kevlar dễ bị phân hủy với gặp nước thoái hóa tiếp xúc với tia tử ngoại Trong trường hợp nầy chất phải loại "ghét nước" phải có chất phụ gia hấp thụ tia tử ngoại Đã có báo cáo trường hợp viên đạn "thản nhiên" xuyên qua áo giáp Kevlar cũ bị thối hóa khơng kiểm sốt bảo quản thường xuyên Lốp ô tô composite đại tiêu biểu Sự phát triển bánh xe ô tô song song với phát triển ô tô tốc độ, gia tốc, sức kéo, độ an toàn, tiết giảm nhiên liệu yêu cầu tơ đại Độ bền, độ dai độ cứng lớp cao su bên lốp xe tăng cường lớp sợi ép vào lớp cao su thành thể thống Sự tiến hóa vỏ xe thấy qua loại sợi khác dùng thời gian dài gần 50 năm Các nhà sản xuất dùng sợi cotton, nylon, thủy tinh Hiện nay, sợi Kevlar thép dùng nhiều cho vỏ xe Gần đây, kỹ sư ngành xây dựng đề xướng phương pháp dùng composite sợi carbon để sửa chữa khúc xa lộ, cầu bị hư hao Đại học Monash (Úc) dùng sợi carbon gia cố phần bìa Westgate Bridge, cầu dài thành phố Melbourne bắc ngang sông Yarra So với phương pháp cổ điển dùng thép, composite sợi carbon tăng độ bền từ 30 đến 80 % Composite khơng trì độ cứng, độ bền kim loại, 27 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn cịn loại trừ khả bị ăn mòn (corrosion) cố gây đường nứt xuất phát từ chỗ dùng ốc siết bù-lon thường thấy kim loại Đặc điểm phận cấu trúc (structural component) composite đúc sẵn khn Vì vậy, người ta khơng cần phải lắp ghép mảng phận dùng ốc bu-lon Những ốc nầy gót người hùng A-sin (Achilles' heel) ốc, ăn mịn rung động đầu mối thảm họa Khi siết ốc người ta vơ tình gây sức căng vùng quanh ốc Nước thấm vào, ăn mòn xảy gây vết nứt nhỏ vùng bị căng nầy Khi vật thể bị rung động liên tục cánh, đuôi máy bay, cầu thành phố, tượng "mệt" (fatigue) vật thể đưa đến gãy đổ bất thần liên kết vết nứt ngầm không bảo quản kiểm soát thường xuyên Composite với loại sợi gia cố cao cấp tạo bước nhảy vọt chất lượng dụng cụ thể thao kỷ lục vận động viên Sử dụng vật liệu composite nâng kỷ lục độ vận động viên nhảy sào Ban đầu với sào tre, kim loại người vất vả mà không qua mức sào m Sau đó, sào composite đời người chinh phục chiều cao kỷ lục nầy vượt m Năm 1991, vận động viên người Ukraine lần tạo kỷ lục vượt độ cao 6.1 m với sào composite sợi thủy tinh Vì người vừa mang sào dài vừa chạy với tốc độ gần 40 km/h để vượt qua độ cao m, nguyên nhân giúp vận động viên người Ukraine phá kỷ lục? Trong trình nhảy sào, vận động viên phải mang sào chạy thật nhanh cắm sào vào đất phải vận dụng sức mạnh bắp bẻ cong sào để sau bng sức bật sào giúp anh tung người lên cao Năng lượng để nâng cao vận động viên phần từ đơi chân chạy nhanh phần từ sức mạnh đôi tay anh Từ phân tích nầy, nhà thiết kế phải nghĩ vật liệu thích hợp có độ cứng, độ bền, độ dai thích hợp, nhẹ cân tình đàn hồi tối ưu Tre gỗ nhẹ cân dễ gãy Nhôm nhẹ cân, độ cứng cao thiếu tính đàn hồi Những vật liệu đồng chất (monolithic) khơng thỏa mãn tất yêu cầu vận động viên Composite sợi thủy tinh thiết kế để đáp ứng phần lớn địi hỏi nầy Sợi thủy tinh có độ giãn cao tất loại sợi (Bảng 2) Nhờ sào bị bẻ cong có sức bật tối đa mà khơng sợ sào gãy đứt sợi Hiện nay, người ta thiết kế nhiều loại sào khác với sức nặng, độ cứng độ bền khác thích ứng cho vận động viên Cây sào đại có ba lớp với lớp composite sợi carbon/epoxy làm tăng độ cứng giảm trọng lượng, lớp composite mạng sợi thủy tinh/epoxy lớp vịng sợi thủy tinh (Hình 3) 28 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn Hình 3: Cấu trúc sào nhảy đại Kết luận Những vật liệu sử dụng trình bày Sự phát triển mạnh mẽ khoa học kinh tế địi hỏi có vật liệu có tính chất đặc biệt Ở nước tiên tiến, chương trình nghiên cứu vật liệu chương trình nghiên cứu trọng điểm Trong nghành điện điện tử nhiều loại vật liệu đặc thù nữa: cáp quang ( truyền dẫn tín hiệu ) đơn tinh thể, loại gốm đặc biệt ( chế tạo chip điện tử, mạch tổ hợp) Những loại vật liệu đặc biệt nghiên cứu môn sau Câu hỏi ôn tập Định nghĩa tính chát chủ yếu kim loại Thép hợp kim thép hợp kim thấp, biện pháp chủ yếu để gia công kim loại? Khái niệm chung vật liệu chất dẻo? Các tính chất? Các polyme chủ yếu? Polyme sợi bon? Thành phần chủ yếu sơn? Các tính chất vật liệu sơn? Vật liệu composite : định nghĩa, thành phần cấu tạo, loại sợi Tham khảo: [1] Lê Công Dưỡng, VẬT LIỆU HỌC, Nhà xuất KHKT năm 2005 [2] R.Truell, Các phương pháp siêu âm vật lý chất rắn, Nhà xuất Hịa bình, ( Bản tiếng Nga-1972) [3] 29 ... 6mm 13 ,9 C12 7,8 C13 7,4 Mật độ C33 C44 11 ,5 2,56 Các số áp điện e15 e 31 e33 12 ,7 -5 ,2 15 ,1 103kg/m3 7,5 Hằng số điện môi ε S 11 ε S 33 650 560 1. 4.VẬT LIỆU SƠN 1. 4 .1 Khái niệm chung Vật liệu. .. chất sắt vật liệu gia cố Composite vật liệu 23 Bài giảng Kỹ thuật Đại cương –PGS.TS Lê Bá Sơn tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác tạo lên vật liệu có tính hẳn vật liệu ban đầu, vật liệu làm... bền (10 9 Độ giãnđứt (10 9 N/m2 N/m2 ) (%)* 203 0.6 - 75 0.075 1. 0 240 6.4 1. 8 310 3.5 825 18 0 3.5 3.0 76 3.5 4.7 96 4.8 65 0 -1 000 15 0 - 18 0 - Tỷ trọng (kg/m3) 7.8 2.6 1. 8 1. 9 1. 9 1. 5 2.9 2.9 1. 8