Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN CỒNG NGHỆ HOÁ HỌC
---------------o0o------------...
LỜI NÓI ĐẦU
Vật liệu compozit đơn giản đã có từ rất xa xƣa. Khoảng 5000 năm
trƣớc công nguyên con ngƣời đã biết trộn những...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 1
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VÀ THÀNH PHẦN VẬT LIỆU COMPOSITE
1.1...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 2
1.1.2. Lịch sử ra đời.
Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu tr...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 3
1.1.4. Ưu, nhược điểm
a. Ưu điểm:
Có nhiều loại chất làm ...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 4
b. Nhược điểm:
- Vật liệu composite khó có thể tái chế kh...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 5
 Polyester:
Nhựa polyester đƣợc sử dụng rộng rãi trong c...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 6
phản ứng hoá học chỉ có một chiều.Cấu trúc không gian này...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 7
Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng không gian ...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 8
Có hai dạng độn:
 Độn dạng sợi:sợi có tính năng cơ lý ho...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 9
1,42 A°. Sợi cacbon có cơ tính tƣơng đối cao, có loại gần...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 10
Liên kết tốt giữa nền và cốt tại vùng ranh giới pha là y...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 11
Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 12
 Nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi trong quá trình gia công...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 13
1.2.2. Phân loại
Vật liệu composite đƣợc phân biệt theo ...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 14
2.1. Compozit nền nhựa
Các loại nhựa nhƣ epoxy, phenolfo...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 15
đóng rắn.;
Hình 2.1 a: đúc ly tâm Hình 2.1b: ép nguội
2....
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 16
2.1.5. Đúc lăn tay
Phủ một lớp màng mỏng lên trên bề mặt...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 17
Hình 2.3a: đúc lăn tay Hình 2.3b: đúc bán đồng thời
2.1....
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 18
nhƣng công nghệ chế tạo lại đơn giản hơn. Trong giáo trì...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 19
2.2.1.2. Vật liệu nền nhôm cốt hạt (SiN, NB, TiC)
Hạt Si...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 20
cần chọn sao cho không đƣợc gây hiện tƣợng xô lệch sợi h...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 21
vật liệu gốm tổ hợp còn tiết kiệm đƣợc khá nhiều trọng l...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 22
a.Xử lý bằng pha khí
Xử lý bằng pha khí hay còn gọi là p...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 23
hại đến sợi. Phƣơng pháp thấm pha ép nóng có thể dùng để...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 24
điền đầy khuôn cũng không tốt.Vật liệu khô chậm kết tụ t...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 25
nghi mà bột hình thành khi rót bột lên bề mặt phẳng.Vật ...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 26
giai đoạn hai, các lỗ xốp hơn và bề mặt giữa các hạt khô...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 27
Feldspar 10 15
Đất sét 15 25
Nƣớc 45 60 50 60
Chất phụ c...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 28
nói trên, trong bột nhão còn có các thành phần khác nhƣ:...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 29
Hình 2.4. đặc tính kết khối của hai loại bột nén 0.8 và ...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 30
Làm cốt cho cấu kiện bê tông cốt mềm với hình thức thanh...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 31
a) Có khả năng giảm đƣợc khối lƣợng thép trong bê tông.
...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 32
với việc tiết kiệm nhiên liệu, tăng khả năng chuyên chở ...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 33
3.2.2. Vật liệu composite polymer
- Thành phần:
 Nền: t...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 34
- Ứng dụng: cơ cấu ăngten ở mũi những vật thể bay vũ trụ...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 35
- Dùng làm cán của các vật dụng gia đình và cán của các ...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 36
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 37
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VÀ THÀNH PHẦN VẬT LIỆU COMP...
Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 38
2.3.4. Công nghệ chế tạo compozit nền gốm .................
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

composite phân loại và ứng dụng

17,333 views

Published on

trong xây dựng và vận tải

Published in: Technology

composite phân loại và ứng dụng

  1. 1. TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BỘ MÔN CỒNG NGHỆ HOÁ HỌC ---------------o0o--------------- ĐỀ TÀI: PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE GVHD : TS. Nguyễn Học Thắng SVTH : Trƣơng Thành Công MSSV: 2204150056 Trƣơng Lê Duy MSSV: 2204150058 (NT) Nguyễn Thị Cẩm Hân MSSV: 2204150061 Lâm Thị Quế Minh MSSV: 2204150069 Ngô Ánh Nguyệt MSSV: 2204150073 Lê Thị Phƣợng MSSV: 2204150079 Mai Thị Phƣơng Thảo MSSV: 2204150083 Tp Hồ Chí Minh, Tháng 11 Năm 201
  2. 2. LỜI NÓI ĐẦU Vật liệu compozit đơn giản đã có từ rất xa xƣa. Khoảng 5000 năm trƣớc công nguyên con ngƣời đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trƣớc khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng. Và điền hình về compozit chính là hợp chất đƣợc dùng để ƣớp xác của ngƣời Ai Cập. Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trƣớc tiên, đó là thân cây gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợixenlulo dài đƣợc kết nối với nhau bằng licnin. Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo- một cấu trúc composite lý tƣởng. Ngƣời Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng. Và ở Việt Nam, ngày xƣa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm vào mùa đông... Mặc dù composite là vật liệu đã có từ lâu, nhƣng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950. Từ đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và có khi thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu composite". Composite đƣợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực ở đây nhóm chỉ tìm hiều về phân loại cũng nhƣ một số ứng dụng của composite lĩnh vực xây dựng, giao thông vận tải và một số ứng dụng khác.. có điều sơ xót mong các bạn và thầy thông cảm.!
  3. 3. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 1 CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VÀ THÀNH PHẦN VẬT LIỆU COMPOSITE 1.1 GIỚI THIỆU VẬT LIỆU COMPOSITE Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại dẫn đến các nhu cầu to lớn về loại vật liệu đồng thời có nhiều tính chất mà các vật liệu nhƣ kim loại, ceramic, polymer khi đứng riêng lẽ không có đƣợc mà nổi bật là loại vừa bền, vừa nhẹ, rẻ lại có tính chống ăn mòn cao. Composite (hay còn gọi là vật liệu kết hợp) ra đời mấy chục năm gần đây đã đáp ứng đƣợc các yêu cầu đó, đã đáp ứng, ứng dụng và phát triển tới trình độ cao trong quy luật kết hợp – một quy luật phổ biến trong tự nhiên. Ngành khoa học và công nghệ về composite đã có nhiều sản phẩm dùng trong mọi lĩnh vực: từ ô tô máy bay cho đến các vật liệu chỉnh hình và hiện phát triển đến mức nhiều ngƣời cho rằng thế kỉ 21 sẽ là văn minh của composite. 1.1.1. Khái niệm Composite bao gồm Com từ Complexvà -posite từ position nghĩa là thành phần. Vật liệu Composite là vật liệu đƣợc chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có đặt tính sức bền cơ lý hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi mà những vật liệu này làm việc riêng lẻ. Nói cách khác vật liệu composite là vật liệu đa thành phần. Hình 1.1: Cấu trúc Polymer Vật liệu composite đƣợc cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho composite có đƣợc các đặc tính cơ học, độ cứng cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau, tạo nên các kết cấu có khả năng chịu sự ăn mòn, chịu nhiệt trong môi trƣờng khắc nghiệt.
  4. 4. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 2 1.1.2. Lịch sử ra đời. Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trƣớc tiên, đó là thân cây gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài đƣợc kết nối với nhau bằng licnin. Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo - một cấu trúc composite lý tƣởng. Vật liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm trƣớc Công nguyên ngƣời cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống (ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm). Ngƣời Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu Composite từ khoảng 3.000 năm trƣớc Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan bằng tre chát mùn cƣa và nhựa thông hay các vách tƣờng đan tre chát bùn với rơm là những sản phẩm composite đƣợc áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội. Hay ngƣời Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng. Và ở Việt Nam, ngày xƣa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm vào mùa đông... Sự phát triển của vật liệu composite đã đƣợc khẳng định và mang tính đột phá vào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cƣờng cho Polyeste không no và giải pháp này đã đƣợc áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến thế giới lần thức hai. Năm 1950 bƣớc đột phá quan trọng trong ngành vật liệu Composite đó là sự xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia cƣờng nhƣ Polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền chất dẻo đã đƣợc đƣa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng,y tế, thể thao, quân sự và ô tô, vv… 1.1.3. Đặc điểm Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha: trong đó các pha rắn khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha. Phổ biến nhất là loại composite 2 pha:  Pha liên tục trong toàn khối gọi là nền.  Pha phân bố gián đoạn đƣợc nền bao quanh gọi là cốt. Trong vật liệu composite tỷ lệ hình dáng, kích thƣớc, sự phân bố của nền và cốt tuân theo quy luật đã thiết kế. Tuy nhiên, tính chất của các pha thành phần đƣợc kết hợp lại để tạo nên tính chất chung của composite.
  5. 5. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 3 1.1.4. Ưu, nhược điểm a. Ưu điểm: Có nhiều loại chất làm nền và cốt đƣợc sử dụng để chế tạo composite.Mỗi loại composite cụ thể có tính ƣu việt riêng. Do đó, cần có sự lựa chọn đúng tiêu chuẩn kỹ thuật để áp dụng phù hợp với mục đích sử dụng. Vật liệu composite là vật liệu có nhiều tính ƣu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi: - Tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao,cứng vững, chịu va đập, uốn kéo tốt. - Chịu hóa chất, không sét rỉ, chống ăn mòn. Đặc tính này đặc biết thích hợp cho biển và khí hậu vùng biển. - Chịu thời tiết, chóng tia UV, chống lão hóa nên rất bền. - Dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trƣng đàn hồi cao. - Chịu nhiêt chịu lạnh chống cháy. - Cách điện, cách nhiệt tốt. - Chi phí bảo quản thấp, màu sắc đa dạng, thiết kế tạo dáng dễ dàng, đầu tƣ thiết bị và tổ chức sản xuất không phức tạp, chi phí vận chuyển và sản xuất không cao… - Không thấm nƣớc, không độc hại. Sau đây là một bảng so sánh ngắn thể hiện tính ƣu việt vật liệu composite của Công ty cổ phần đầu tƣ và phát triển vật liệu composite Sao Đỏ, khi giới thiệu sản phẩm bể chứa composite. BỂ THÉP BỂ COMPOSITE - Bể thép thƣờng xuyên bị rỉ sét, mọt hoặc bông tróc lớp sơn bảo vệ. - Chất lƣợng mối hàn không đảm bảo, hệ số an toàn thấp. - Thời gian gia công lâu, khó khăn. - Trọng lƣợng nặng, hình thức xấu.. - Thƣờng không có rốn bể, dẫn đến cặn bẩn có thể bị quấn vào hệ thống sử dụng. - Bể com posite hoàn toàn ngƣợc lại - Không cần sơn mà vẫn đẹp. - Có thể lựa chọn màu sắc tuỳ ý. - Khi cần có thể tháo ra, lắp lại dễ dàng BỂ NHỰA BỂ COMPOSITE - Tuổi thọ kém, chịu áp suất, chịu hoá chất kém, sớm lão hóa dƣới ánh mặt trời, cơ tính kém, kích thƣớc giới hạn - Bể composite hoàn toàn ngƣợc lại
  6. 6. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 4 b. Nhược điểm: - Vật liệu composite khó có thể tái chế khi không sử dụng hay là phế phẩm trong quá trình sản xuất. - Giá thành nguyên liệu thô làm nên vật liệu composite khá cao. Phƣơng pháp gia công vật liệu composite đòi hỏi mất thời gian. - Việc phân tích mẫu vật liệu composite và cơ, lý hóa tính rất phức tạp. 1.2 THÀNH PHẦN VẬT LIỆU COMPOSITE 1.2.1. Cấu tạo vật liệu composite a. Chất nền (pha nền). Là chất kết dính, tạo môi trƣờng phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu. Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất đƣợc trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục. Nền có vai trò sau đây:  Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối composite thống nhất.  Tạo khả năng để tiến hành các phƣơng pháp gia công vật liệu composite thành các chi tiết thiêt kế.  Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hƣ hỏng do tác dụng của môi trƣờng.  Vật liệu nền (pha nền) trong cấu trúc của vật composite không chịu trực tiếp tải trọng hay ứng suất tác dụng lên vật liệu. Nó chỉ đóng vai trò trung gian truyền dẫn ứng suất hay tải trọng vào bên trong cho vật liệu đóng vai trò là chất độn (pha cốt). Tuy nhiên, việc chọn lựa chọn lựa một vật liệu làm nền đóng một vai trò rất quan trọng định hình nên tính chất hóa học và cơ lý của vật liệu composite. Sự hòa hợp giữa pha nền và pha cốt cũng là một nhân tố quan trọng trong việc thiết kế cấu trúc composite. Trong thực tế, ngƣời ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền:  Nhựa nhiệt dẻo: PE (polyethylene), PS (polystyrene), ABS (acrylonytril butadien styrene), PVC (polyvynyl clorur)…độn đƣợc trộn với nhựa, gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy.  Nhựa nhiệt rắn: PU (polyurethane), PP (polypropylene), UF, Epoxy, Polyester không no, gia công dƣới áp suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polyester không no có thể tiến hành ở điều kiện thƣờng, gia công bằng tay (hand lay-up method). Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo. Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thƣờng:
  7. 7. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 5  Polyester: Nhựa polyester đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, Polyester loại này thƣờng là loại không no, đây là nhựa nhiệt rắn, có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp. Thông thƣờng ngƣời ta gọi polyester không no là nhựa polyester hay ngắn gọn hơn là polyester. Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol và monomer khác nhau, mỗi loại có những tính chất khác nhau. Chúng có thể rất khác nhau trong các loại nhựa UPE khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố:  Thành phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ tác chất sử dụng).  Phƣơng pháp tổng hợp.  Trọng lƣợng phân tử.  Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến).  Hệ chất độn. Bằng cách thay đổi các yếu tố trên, ngƣời ta sẽ tạo ra nhiều loại nhựa UPE có các tính chất đặc biệt khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng. Có hai loại polyester chính thƣờng sử dụng trong công nghệ composite.Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, đƣợc sử dụng rộng rãi.Còn nhựa isophthalic lại có khả năng kháng nƣớc tuyệt vời nên đƣợc xem là vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là hàng hải. Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thƣờng đƣợc pha loãng trong styrene. Lƣợng styrene có thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho quá trình gia công.Ngoài ra, styrene còn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang giữa các phân tử mà không có sự tạo thành sản phẩm phụ nào.Polyester còn có khả năng ép khuôn mà không cần áp suất. Polyester có thời gian tồn trữ ngắn là do hiện tƣợng tự đóng rắn của nó sau một thời gian. Thông thƣờng, ngƣời ta thêm vào một lƣợng nhỏ chất ức chế trong quá trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa hiện tƣợng này. Nhà sản xuất có thể cung cấp nhựa ở dạng tự nhiên hay có dùng một số phụ gia. Nhựa có thể đƣợc sản xuất để chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng đƣợc.Nhƣ đã đề cập ở trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn.Tốc độ trùng hợp quá chậm cho mục đích sử dụng, vì vậy cần dùng chất xúc tác và chất xúc tiến để đạt độ trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó. Khi đã đóng rắn, polyester rất cứng và có khả năng kháng hoá chất. Quá trình đóng rắn hay tạo kết ngang đƣợc gọi là quá trình Polymer hóa. Đây là
  8. 8. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 6 phản ứng hoá học chỉ có một chiều.Cấu trúc không gian này cho phép nhựa chịu tải đƣợc mà không bị giòn. Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trƣớc khi sử dụng.Nhựa và các phụ gia khác phải đƣợc phân tán đều trƣớc khi cho xúc tác vào.Phải khuấy đều và cẩn thận để loại bỏ bọt khí trong nhựa ảnh hƣởng quá trình gia công. Điều này rất quan trọng do bọt khí còn trong nhựa sẽ ảnh hƣởng tính chất cơ lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu. Cần phải chú ý rằng việc dùng xúc tác và xúc tiến với hàm lƣợng vừa đủ sẽ cho vật liệu những tính chất tốt nhất.Nếu quá nhiều xúc tác sẽ làm quá trình gel hoá xảy ra nhanh hơn, ngƣợc lại, nếu ít xúc tác quá trình đóng rắn sẽ bị chậm lại.  Vinylester. Vinylester có cấu trúc tƣơng tự nhƣ polyester, nhƣng điểm khác biệt chủ yếu của nó với polyester là vị trí phản ứng, thƣờng là ở cuối mạch phân tử do vinylester chỉ có kết đôi C=C ở hai đầu mạch mà thôi. Toàn bộ chiều dài mạch phân tử đều sẵn chịu tải, nghĩa là vinylester dai và đàn hồi hơn polyester. Vinylester có ít nhóm ester hơn polyester, nhóm ester rất dễ bị thủy phân, tức là vinylester kháng nƣớc tốt hơn các polyester khác, do vậy nó thƣờng đƣợc ứng dụng làm ống dẫn và bồn chứa hoá chất. Khi so sánh với polyester thì số nhóm ester trong vinylester ít hơn, nghĩa là vinylester ít bị ảnh hƣởng bởi phản ứng thủy phân.Thƣờng dùng vật liệu này nhƣ là lớp phủ bên ngoài cho sản phẩm ngập trong nƣớc, nhƣ là vỏ ngoài của tàu, thuyền. Cấu trúc đóng rắn của vinylester có khuynh hƣớng dai hơn polyester, mặc dù để đạt tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đóng rắn.  Epoxy. Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nói chung, epoxy có tính năng cơ lý, kháng môi trƣờng hơn hẳn các nhựa khác, là loại nhựa đƣợc sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay. Với tính chất kết dính và khả năng kháng nƣớc tuyệt vời của mình, epoxy rất lý tƣởng để sử dụng trong ngành đóng tàu, là lớp lót chính cho tàu chất lƣợng cao hoặc là lớp phủ bên ngoài vỏ tàu hay thay cho polyester dễ bị thủy phân bởi nƣớc và gelcoat. Nhựa epoxy đƣợc tạo thành từ những mạch phân tử dài, có cấu trúc tƣơng tự vinylester, với nhóm epoxy phản ứng ở vị trí cuối mạch. Nhựa epoxy không có nhóm ester, do đó khả năng kháng nƣớc của epoxy rất tốt. Ngoài ra, do có hai vòng thơm ở vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất cơ và nhiệt nó tốt hơn mạch thẳng, do vậy, epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt.
  9. 9. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 7 Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng không gian ba chiều. Chất đóng rắn ƣa sử dụng là amine, đƣợc cho vào epoxy, lúc này giữa chúng sẽ xảy ra phản ứng hoá học. Thƣờng nhóm epoxy sẽ phản ứng kết khối với nhóm amine, tạo ra cấu trúc phân tử ba chiều phức tạp. Amine kết hợp với epoxy theo một tỉ lệ nhất định, đây là yếu tố quan trọng vì việc trộn đúng tỉ lệ đảm bảo cho phản ứng xảy ra hoàn toàn. Nếu tỉ lệ trộn không đúng thì nhựa chƣa phản ứng hoặc chất đóng rắn còn dƣ trong hỗn hợp sẽ ảnh hƣởng đến tính chất sản phẩm sau đóng rắn. Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn chính xác, nhà sản xuất thƣờng công thức hoá các thành phần và đƣa ra một tỉ lệ trộn đơn giản bằng cách đo khối lƣợng hay thể tích của chúng. Cả nhựa epoxy lỏng và tác nhân đóng rắn đều có độ nhớt thấp thuận lợi quá trình gia công. Epoxy đóng rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phòng từ 5-1500 C, tuỳ cách lựa chọn chất đóng rắn. Một trong những ƣu điểm nổi bật của epoxy là co ngót thấp trong khi đóng rắn. Lực kết dính, tính chất cơ lý của epoxy đƣợc tăng cƣờng bởi tính cách điện và khả năng kháng hoá chất. Ứng dụng của epoxy rất đa dạng, nó đƣợc dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn. b. Pha cốt. Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thƣờng có tính chất cơ lý cao hơn nhựa. Ngƣời ta đánh giá chất độn dựa trên các đặc điểm sau:  Tính gia cƣờng cơ học.  Tính kháng hoá chất, môi trƣờng, nhiệt độ.  Phân tán vào nhựa tốt.  Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.  Thuận lợi cho quá trình gia công.  Giá thành hạ, nhẹ. Trong toàn khối compsite thì cốt phân bố không liên tục và rất đa dạng, phụ thuộc vào loại composite cần chế tạo. Với loại composite kết cấu: cốt là các kim loại bền ở nhiệt độ thƣờng và nhiệt độ cao, có môđun đàn hồi lớn, khối lƣợng riêng nhỏ. Các loại vật liệu cốt: Kim loại (thép không rỉ, W, B, Mo … ), chất vô cơ (các bon, thủy tinh, gốm). Hình dạng, kích thƣớc, hàm lƣợng và sự phân bố của cốt ảnh hƣởng rất mạnh đến tính chất composite. Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà ngƣời ta có thể chọn loại vật liệu độn cho thích hợp.
  10. 10. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 8 Có hai dạng độn:  Độn dạng sợi:sợi có tính năng cơ lý hoá cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thƣờng dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp nhƣ: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide…Cốt sợi cũng có thể là sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông…), có thể là sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải, sợi poliamit…). Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà ngƣời ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác nhau: sợi ngắn, sợi dài, sợi rối, tấm sợi…. Hình 1.3: Một số dạng composite cốt sợi Một số sợi thông dụng - Sợi thuỷ tinh:Sợi thủy tinh, đƣợc kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi đƣợc (thủy tinh dệt), có đƣờng kính nhỏ vài chục micro mét. Khi đó các sợi này sẽ mất những nhƣợc điểm của thủy tinh khối, nhƣ: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ƣu điểm của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khoáng chất nhƣ: silic, nhôm, magiê, ... cơ học hơn. Thành phần tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau nhƣ: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lƣợng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao). Loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thƣờng ít (chiếm 1%) đƣợc sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt. - Sợi hữu cơ: Sợi kenvlar cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, đƣợc gia công bằng phƣơng pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-100 C), tiếp theo đƣợc kéo ra thành sợi trong dung dịch, cuối cùng đƣợc sử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi. Sợi kenvlar và tất cả các sợi làm từ aramit khác nhƣ: Twaron, Technora,... có giá thành thấp hơn sợi thủy tinh nhƣ cơ tính lại thấp hơn: các loại sợi aramit thƣờng có độ bền nén, uốn thấp và dễ biến dạng cắt giữa các lớp. - Sợi Cacbon: Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết với nhau, nhƣng cách nhau khoảng 3,35 A°. Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là
  11. 11. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 9 1,42 A°. Sợi cacbon có cơ tính tƣơng đối cao, có loại gần tƣơng đƣơng với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt. - Sợi Bor: Sợi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học là B), là một dạng sợi gốm thu đƣợc nhờ phƣơng pháp kết tủa. Sản phẩm thƣơng mại của loại sợi này có thể ở các dạng: dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống, vải đồng phƣơng - Cốt vải: Cốt vải là tổ hợp thành bề mặt (tấm), của vật liệu cốt sợi, đƣợc thực hiện bằng công nghệ dệt. Các kỹ thuật dệt vải truyền thống thƣờng hay dùng là: kiểu dệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải mô đun cao, kiểu dệt đồng phƣơng. Kiểu dệt là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi. Kỹ thuật dệt cao cấp còn có các kiểu dệt đa phƣơng nhƣ: bện, tết, và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phƣơng. Việc trộn thêm các loại cốt sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ học cũng nhƣ độ bền hoá học của vật liệu nhƣ: khả năng chịu đƣợc va đập; độ giãn nở cao; khả năng cách âm tốt; tính chịu ma sát – mài mòn; độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao; khả năng chịu đƣợc trong môi trƣờng ăn mòn nhƣ: muối, kiềm, axít… Những khả năng đó đã chứng tỏ tính ƣu việt của hệ thống vật liệu mới so với các loại Polyme thông thƣờng.Và cũng chính vì những tính năng ƣu việt âý mà hệ thống vật liệu composite đã đƣợc sử dụng rông rãi trong sản xuất cũng nhƣ trong đời sống.  Độn dạng hạt:thƣờng đƣợc sử dụng là: silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talic, hay graphite, carbon… khả năng gia cƣờng cơ tính của chất độn dạng hạt dƣợc sử dụng với mục đích sau:  Giảm giá thành.  Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy đối với độn tăng cƣờng.  Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao.  Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng rắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cƣờng sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn. Hình1.4 : Một số loại composite cốt hạt Liên kết nền cốt
  12. 12. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 10 Liên kết tốt giữa nền và cốt tại vùng ranh giới pha là yếu tố quan trọng nhất bảo đãm sự kết hợp các đặc tính tốt của hai pha trên. Hình1.5 : Liên kết pha nền và pha cốt Để tăng cƣờng độ rắn chắc giữa nền và cốt ngƣời ta có thể áp dụng các biện pháp sau: - Liên kết cơ học đƣợc thực hiện nhờ độ mấp mô trên bề mặt do lực ma sát nhƣ kiểu bê tông cốt thép. - Liên kế nhờ thấm ƣớt do năng lƣợng sức căng bề mặt vì pha nền bị nung chảy và dính ƣớt với cốt nên có sự khuếch tán tuy rất nhỏ, tạo nên sức căng bề mặt. - Liên kết phản ứng, xuất hiện khi ranh giới pha xảy ra phản ứng tạo hợp chất hóa học, hợp chất này nhƣ một lớp keo kết dính hai pha. Đây là loại liên kết tốt nhất. - Liến kết oxuyt, loại liên kết đặc trƣng cho nền kim loại với cốt là oxit của chính kim loại đó. c. Chất xúc tác – Xúc tiến. Trên đây chúng ta đã nêu hai thành phần chủ yếu của composite là keo nhựa và sợi gia cƣờng.Chất xúc tác và chất xúc tiến là thành phần thứ ba, chiếm một tỷ lệ rất nhỏ: 1,2 – 3% so với trong lượng nhựa trong cấu trúc composite.[1,59] Polyester liến kết với sợi thủy tinh là thông qua phản ứng hóa học liên kết nối ngang để đóng rắn cho vật liệu. Nhƣng phải có chất xúc tác thì phản ứng mới đƣợc khởi động và phải có chất xúc tiến thì tốc độ phản ứng diễn ra nhanh chóng làm cho thời gian đông đặc và đóng rắn đƣợc rút ngắn theo ý muốn. Do đó, tỷ lệ pha chế chất xúc tác và xúc tiến cũng khá chặt chẽ quyết định chất lƣợng đóng rắn của sản phẫm composite.  Chất xúc tác. Các chất xúc tác chỉ đƣợc cho vào nhựa trƣớc khi gia công. Vai trò của chúng là tạo gốc tự do kích động cho quá trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp.
  13. 13. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 11 Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ. Chất xúc tác gồm các loại: Hai loại MEKP (metyl ethyl keton peroxide) và HCH (cyclo-hexanol peroxide) đƣợc dùng để đóng rắn nguội cho nhựa polyester. MEKP là hỗn hợp của một số hợp chất peroxide, thành phần thay đổi tùy thuộc vào nhà sản xuất. Nó là chất oxi hoá mạnh nên phải tránh tiếp xúc với oxi. HCH là sản phẩm phản ứng giữa hydroperoxide với cyclohexanol peroxide. Tuy nhiên nó là hỗn hợp của ít nhất hai trong bốn chất sau (theo Criegree, Schorenberg và Becke).  Chất xúc tiến. Nhƣ đã nêu ở trên, ở nhiệt độ phòng các chất xúc tác chƣa thể làm cho resin đông, đóng rắn nhanh chóng và toàn phần nếu không có chất xúc tiến pha vào resin. Chất xúc tiến là chất đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự do cuả chất xúc tác. Dùng chất xúc tiến sẽ giảm đƣợc nhiệt độ và thời gian đóng rắn một cách đáng kể và có thể đóng rắn nguội. Vì vậy thông thƣờng các nhà cung cấp resin đã pha sẵn vào trong resin chất xúc tiến với hàm lƣợng 0,05 – 0,5% so với khối lƣợng của resin để cung ứng ra thị trƣờng. Gồm các loại: d. Các chất phụ gia sử dụng trong quá trình sản xuất composite  Chất pha loãng. Tính chất của polyester phụ thuộc không những vào hàm lƣợng nối đôi và nhóm este, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ mà còn phụ thuộc vào tính chất cuả tác nhân nối ngang – monomer. Các monomer khâu mạch ngang đƣợc dùng để đồng trùng hợp với các nối đôi trong nhựa UPE, tạo kết ngang, thƣờng là chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên còn có tác dụng làm giảm độ nhớt của hỗn hợp, do vậy chúng còn đƣợc gọi là chất pha loãng. Monomer pha loãng phải thỏa mãn các điều kiện sau:  Đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm không đồng nhất, làm ảnh hƣởng đến tính chất của sản phẩm, hoặc còn sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền.  Monomer phải tạo hỗn hợp đồng nhất với polyester, tốt nhất là dung môi cho polyester. Lúc đó nó hoà tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyester, tạo thuận lợi cho phản ứng đóng rắn và tạo độ nhớt thuận lợi cho quá trình gia công.
  14. 14. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 12  Nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi trong quá trình gia công và bảo quản.  Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp ít co rút.  Ít độc.  Chất đóng rắn Để đóng rắn polyester, ngƣời ta dùng các monomer: styrene, metyl meta acrylat (MMA), vinyl, triallil xianuarat,… trong đó styrene đƣợc sử dụng nhiều nhất do có những tính chất ƣu việt:  Có độ nhớt thấp.  Tƣơng hợp tốt với polyester, khả năng đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp.  Đóng rắn nhựa nhanh.  Sản phẩm chịu thời tiết tốt, cơ lý tính cao, cách điện tốt.  Khả năng tự bốc cháy thấp.  Chất róc khuôn. - Chất róc khuôn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khuôn. - Chất róc khuôn dùng trong đắp tay là loại chất róc khuôn ngoài đƣợc bôi trực tiếp lên khuôn. - Một số chất róc khuôn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo…  Chất làm kín. - Với khuôn làm từ các vật liệu xốp nhƣ gỗ, thạch cao thì cần phải bôi chất làm kín trƣớc khi dùng chất róc khuôn. - Các chất làm kín xâm nhập vào các 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 composite bị giảm độ chịu lực, độ chịu thời tiết và thẩm mỹ bề mặt. - Lƣợng thƣờng sử dụng: 0,2 – 0,5% lƣợng nhựa. Lƣu ý: nên cho chất tẩy bọt khí vào nhựa trƣớc khi dùng các thành phần khác.  Chất thấm ƣớt sợi. - Có tác dụng tăng khả năng thấm ƣớt sợi giúp sử dụng độn nhiều hơn. - Lƣợng dùng: 0,5-1,5% so với chất độn. - Ngoài ra còn sử dụng nhiều chất phụ gia khác nhƣ: Chất tăng độ phân tán, Chất ngăn thoát hơi styrene,…
  15. 15. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 13 1.2.2. Phân loại Vật liệu composite đƣợc phân biệt theo bản chất và hình dạng của vật liệu thành phần. a. Theo bản chất vật liệu nền và cốt: Composite nền hữu cơ: composite nền giấy (cáctông), composite nền nhựa, nền nhựa đƣờng, nền cao su (tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xe máy),... Loại nền này thƣờng có thể kết hợp với mọi dạng cốt liệu, nhƣ: sợi hữu cơ (polyamit, kevlar (là sợi aramit cơ tính cao), ...), sợi khoáng (sợi thủy tinh, sợi cacbon,...), sợi kim loại (Bo,nhôm,...). Vật liệu composite nền hữu cơ chỉ chịu đƣợc nhiệt độ tối đa là khoảng 200 ÷ 3000 C. Composite nền khoáng (gốm): bê tông, bê tông cốt thép, composite nền gốm, composite cacbon – cacbon. Thƣờng loại nền này kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại (Bo, thép,...), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua, gốm Nitơ,...). Composite nền kim loại: nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm,... Thƣờng kết hợp với cốt liệu dạng: sợi kim loại (Bo,...), sợi khoáng (cacbon, SiC,...). Composit nền kim loại hay nền khoáng chất có thể chịu nhiệt độ tối đa khoảng 600 ÷ 10000 C (nền gốm tới 10000 C). b. Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc: Vật liệu composite độn dạng sợi: Khi vật liệu tăng cƣờng có dạng sợi, ta gọi đó là composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cƣờng tăng cơ lý tính cho polymer nền. Vật liệu composite độn dạng hạt: Khi vật liệu tăng cƣờng có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer nền. Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thƣớc ƣu tiên. Vật liệu composite cốt hạt và sợi: Bê tông là một loại composite (hay compozit) nền khoáng chất. Khi bê tông kết hợp với cốt thép tạo nên bê tông cốt thép, thì đá nhân tạo tạo thành từ xi măng là vật liệu nền, các cốt liệu bê tông là cát vàng và đá dăm thì là cốt hạt, còn cốt thép trong bê tông là cốt sợi. CHƯƠNG 2. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU COMPOSITE Composite Cốt hạt Cốt sợi Composite cấu trúc Liên tục Gián đoạn Lớp Tấm 3 lớpHạt mịnHạt thô Tổ ong
  16. 16. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 14 2.1. Compozit nền nhựa Các loại nhựa nhƣ epoxy, phenolformadehyl, polyester… đều có tính thấm ƣớt tốt đối với vật liệu tăng cƣờng dạng hữu cơ, bởi vậy công đoạn trộn nhựa với cốt rất thuận lợi và đơn giản.Riêng đối với cốt là vật liệu vô cơ, thí dụ nhƣ các loại sợi gốm, có tính thấm ƣớt rất kém nên trƣớc khi trộn phải có công đoạn bọc hoặc thấm nền lên trên cốt. Đối với cốt dạng vải, có nhiều cách để chế tạo bán thành phẩm. Thí dụ nhúng tấm vải vào thùng nhựa rồi xếp thành từng lớp và tiến hành ép, hoặc trải từng tấm vải vào lòng khuôn rồi phun hoặc quét nhựa… Lập lại quy trình nhƣ vậy cho đến khi đạt chiều dày theo yêu cầu. Đối với compozit nền nhựa có một số phƣơng pháp tạo hình sản phẩm nhƣ sau. 2.1.1. Đúc ly tâm Đổ chất tăng cƣờng và hỗn hợp nhựa lên trên bề mặt của khuôn ly tâm đang quay với tốc độ cao. Máng đổ vật liệu có thể dịch chuyển qua lại để làm đồng đều các hạt vật liệu.Lực ly tâm vừa làm cho hạt liên kết với nhau, vừa làm thoát ẩm cho vật liệu.Thổi không khí nóng vào bề mặt để thúc đẩy quá trình đóng rắn của nhựa và ngăn ngừa nhựa chảy thẩm thấu. 2.1.2. Ép nguội Cắt nhỏ chất tăng cƣờng rồi đổ vào khuôn. Tiếp theo đổ nhựa đóng rắn nguội vào và tiến hành ép. Trong quá trình ép, nhựa sẽ thay thế chỗ của không khí và thẩm thấu vào xung quanh vật liệu tăng cƣờng.Nhiệt lƣợng tỏa ra trong quá trình đóng rắn cùng với năng lƣợng của áp lực sẽ là tác nhân làm cho nhựa
  17. 17. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 15 đóng rắn.; Hình 2.1 a: đúc ly tâm Hình 2.1b: ép nguội 2.1.3. Đúc phun Đặt các lớp vải giữa hai nửa khuôn rồi ép đùn nhựa vào giữa các lớp đó.Nhựa sẽ thẩm thấu vào cốt vải.Tỷ lệ vật liệu cốt có thể cao nên chi tiết có cơ tính cao. Phƣơng pháp này dung để chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp. 2.1.4. Đúc kéo định hình Sợi hoặc bán thành phẩm đã tẩm nhựa đƣợc kéo qua hàng loạt khuôn có hình dáng khác nhau để tạo hình.Khuôn cuối cùng có lỗ hình chính xác và đƣợc nung nóng để đóng rắn nhựa.Hình dạng của sản phẩm phụ thuộc vào hình dạng lỗ hình của khuôn. Có thể cắt sản phẩm thành từng đoạn hoặc kéo dài, hoặc cuộn lại theo tang trống. Hình 2.2a: đúc phun Hình 2.2b: đúc kéo định hình
  18. 18. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 16 2.1.5. Đúc lăn tay Phủ một lớp màng mỏng lên trên bề mặt khuôn. Rải lên đó một lớp cốt sợi, dùng chổi sơn hoặc chổi lăn phết lên lớp cốt đó một lớp nền, rồi lại rải một lớp cốt sợi, cứ làm nhƣ vậy theo từng lớp một cho đến khi đạt chiều dày yêu cầu thì dừng lại. Ƣu điểm: - Thiết kế linh động, dễ dàng thay đổi - GC sản phẩm phức tạp và lớn - Chi phí đầu tƣ thiết bị thấp, dụng cụ rẻ tiền - Hàm lƣợng sợi cao và sợi dại hơn cơ tính cao hơn so với phƣơng pháp phun Nhƣợc điểm: - Sản phẩm chỉ có một bề mặt nhẵn - Thời gian đóng rắn thƣờng dài - Chất lƣợng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào kỹ năng thao tác - Vấn đề an toàn sức khỏe, nhựa dùng trong pp này thƣờng có KLPT thấp nên mức độ độc hại cao hơn, dễ thấm vào áo quần… - Nhựa yêu cầu có độ nhớt thấp, ảnh hƣởng đến tính chất cơ học, tính chất nhiệt do yêu cầu lƣợng chất pha loãng (VD: styren) thích hợp. 2.1.6. Đúc bán đồng thời Sợi đƣợc cắt vụn và phun lên bề mặt khuôn đồng thời với nhựa, dùng con lăn chà lên bề mặt vừa đƣợc phun, tạo độ nhẳn và đồng đều chiều dày của chị tiết. Phƣơng pháp này không thể dùng sợi dài đƣợc nên chất lƣợng chi tiết không cao. Ƣu điểm : - Chi phí khuôn thấp hơn nhiều, yêu cầu về độ bền khuôn không cao - Có thể dung sản xuất những sản phẩm lớn Nhƣợc điểm - Quá trình tạo khuôn mẫu tƣơng đối phức tạp - Yêu cầu độ nhớt của nhựa phải rất thấp, do vậy ảnh hƣởng đến tính chất
  19. 19. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 17 Hình 2.3a: đúc lăn tay Hình 2.3b: đúc bán đồng thời 2.1.7. Đúc chân không và túi áp lực Trƣớc hết tạo lớp lót, rải cốt vải rồi đổ nhựa lên trên.Hút chân không hoặc đƣa khí nén vào túi. Áp suất tác động lên màng dẻo, màng dẻo đè sát lên bề mặt sản phẩm làm cho nhựa trải đều và đẩy không khí ra khỏi nhựa. 2.1.8. Đúc ép đùn Vật liệu cốt và hạt nhựa hoặc mat đã tẩm thấu đƣợc đùn vào khuôn đã nung nóng qua hệ thống xilanh trục vít. Cũng có thể dùng nhựa dạng lỏng và phun vào khuôn nóng nhờ áp lực cao.Phƣơng pháp này có năng suất cao và dùng phổ biến cho nhiệt nhựa dẻo. 2.2. Compozit nền kim loại Trong vật liệu tổ hợp nền kim loại, thƣờng dùng nhiều trong kỹ thuật và vật liệu tổ hợp nền kim loại màu do những tính chất ƣu việt mà các kim loại đen không có đƣợc, thí dụ nhƣ: nhẹ, bền ở nhiệt độ cao, chịu mài mòn tốt…
  20. 20. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 18 nhƣng công nghệ chế tạo lại đơn giản hơn. Trong giáo trình này chỉ trình bày một vài loại vật liệu tổ hợp nền kim loại điển hình nhƣ nền nhôm, nền đồng. 2.2.1. Compozit nền nhôm cốt hạt Nhôm là kim loại nhẹ và có nhiệt độ nóng chảy không cao, 6600 C. Nhôm và hợp kim của nó đã và đang trở thành vật liệu nền có nhiều triển vọng để chế tạo các vật liệu compozit kết cấu nhẹ nhàng nhƣng có độ bền riêng cao, đặc biệt trong ngành hàng không vũ trụ. Có nhiều công trình công bố về kết quả nghiên cứu các compozit nền nhôm cốt hạt nhƣ SiO2, SiC, BN… Nhƣng trong kỹ thuật đang sử dụng rộng rãi nền nhôm cốt hạt Al2O3.Compozit này còn có tên là SAP. 2.2.1.1 Compozit nền nhôm cốt hạt Al2O3 Nguyên lý chế tạo chế tạo loai vật liệu này là ép bột nhôm đã oxy hóa một phần để tạo hình, sau đó đem thiêu kết ở nhiệt độ xác dịnh để tạo các vật liệu thành phần, đem nghiền nhôm thành hạt bột có dạng vảy, chiều dày xấp xỉ 1µm rồi tiến hành oxy hóa để có lớp màng Al2O3 bao bọc bên ngoài hạt với chiều dày cỡ 0,01 ÷ 0,1 µm. Tổ chức cuối cùng của SAP là các hạt Al2O3 nhỏ mịn phân bố đều trên nền nhôm. Tăng hàm lƣợng Al2O3 sẽ làm tăng độ bền ở cả nhiệt độ thƣờng và cả ở nhiệt độ cao, tăng độ cứng nhƣng độ dẻo lại giảm đi. Vật liệu Al2O3, % , MPa /( ), km , MPa , % E, GPa E/( ), .103 km SAP-1 6 ÷ 8 300 11 220 7 67 2,7 SAP-2 9 ÷ 12 350 13 280 5 71 2,6 SAP-3 13 ÷ 17 400 15 320 3 76 2,8 SAP-4 18 ÷ 22 450 17 370 1,5 80 2,9 Vật liệu SAP có thể chịu đƣợc gia công biến dạng, gia công cắt gọt và hàn. Từ vật liệu này, đem chế tạo các bán thành phẩm dạng tấm, dạng ống, phôi dập và các chi tiết làm việc ở nhiệt độ khoảng 300 ÷ 5000 C nhƣng đồi hỏi độ bền riêng lớn, ổn định chống hao mòn cao, thí dụ: piston, cánh máy nén, cánh tubin, các bình ngƣng…
  21. 21. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 19 2.2.1.2. Vật liệu nền nhôm cốt hạt (SiN, NB, TiC) Hạt SiC rất khó phân bố đều trong hợp kim nhôm lỏng do sự khác biệt về tỷ trọng và sức căng bề mặt giữa hai loại vật liệu trên. Phƣơng pháp truyền thống để đƣa hạt SiC vào nhôm lỏng là khuấy trộn cơ học trong thời gian 4 ÷ 5 giờ. Thiết bị khuấy là máy ép trục vít hoặc máy khuấy có cánh khuấy vừa có tác dụng khuấy vừa có tác dụng tạo xoáy trong bể kim loại. Phƣơng pháp thứ hai để đƣa hạt SiC vào nhôm lỏng là dùng cách thấm hoặc bọc một lớp nhôm mỏng lên trên các hạt SiC bằng công nghệ bốc hơi chân không hoặc công nghệ thấm.Các hạt SiC sau khi đã đƣợc bọc sẽ đƣợc nấu luyện cũng với vật liệu nền để chế tạo thành các chi tiết. 2.2.2. Compozit nền nhôm cốt sợi Chất lƣợng của compozit hoàn toàn phụ thuộc vào tính chất liên kết giữa vật liệu nền và cốt sợi.Để đảm bảo đƣợc độ bền liên kết này, thƣờng sử dụng các quá trình sau đây: Quá trình pha rắn: Dùng phƣơng pháp hàn khuếch tán dƣới áp lức hàn nổ hoặc gia công áp lực, ép và sau đó là thiêu kết. Quá trình pha lỏng: thực chất đây là quá trình tẩm cốt, trƣớc khi tẩm, các sợ cốt đƣợc sắp xếp theo một trật tự đã đƣợc thiết kế từ trƣớc. Quá trình tẩm cốt có thể tiến hành dƣới áp lực, trong chân không hoặc có thể phối hợp cả hai. Quá trình pha khí: Tạo một lớp mỏng phủ lên sợi cốt để tránh sự phá hủy cốt khi nền và cốt tƣơng tác với nhau. Quá trình này có năng suất thấp nên việc sử dụng bị hạn chế. Quá trình bốc hơi hoặc ngƣng tụ chân không.Sử dụng plasma trong công nghệ PVD để hình thành một lớp phủ mà lên bên trên sợi cốt. Quá trình điện hóa: Nguyên lý của phƣơng pháp này chính là hiện tƣợng mạ điện, tức là tạo ra một quá trình lắng tụ vật liệu nền trên sợi cốt. Quá trình xảy ra ở nhiệt độ thấp, không có áp lực do vậy chất lƣợng khá cao. Quá trình hóa học: dùng để tạo lớp phủ trên sợi cốt không dẫn điện tức là tạo ra quá trình hoàn nguyên ion kim loại trên bề mặt sợi cốt. Trong kỹ thuật hiện đang dùng phổ biến ba loại sợi cho compozit nền nhôm, đó là sợi thép, sợi bo và sợi cacbon. Với sợi thép thì công nghẹ phổ biến là cán nóng. Nhiệt độ cán, phƣơng cán và mức độ biến dạng hoàn toàn phụ thuộc và vật liệu làm cốt sợi. Phƣơng cán
  22. 22. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 20 cần chọn sao cho không đƣợc gây hiện tƣợng xô lệch sợi hoặc đứt sợi cốt. Nhiệt độ cán khoảng 380 ÷ 4500 C tùy thuộc vào vật liệu sợi. Khi chế tạo compozit sợi bo cần hạn chế đến mức tối thiểu sự tƣơng tác giữa nền và cốt. Muốn vậy cần phải bọc xung quanh các sợi bo bởi một lớp mỏng nitrit bor hoặc cacbua silic. Với sợi cacbon thì công nghệ chế tạo phức tạp hơn nhiều do ở nhiệt độ cao, sợi cacbon tác dụng rất mạnh với nền nhôm. Để khắc phục hiện tƣợng trên, có thể dùng biện pháp kéo nhanh sợi cacbon qua bể nhôm lỏng.Trong quá trình chế tạo, mức độ graphit hóa ảnh hƣởng rất mạnh đến chỉ tiêu cơ tính của vật liệu, nên độ bền, modum đàn hồi của compozit nền nhôm sợi cacbon có giá trị dao động trong một khoảng rộng. Thí dụ, vât liệu có (18 – 53)% thể tích cacbon sẽ có độ bền từ 400 ÷ 1000 MPa, modun đàn hổi E = (116 ÷ 168).103 MPa 2.2.3. Comppozit nền đồng hạt thép Giữa đồng và thép dễ hình thành liên kết bền nên loại vật liệu này đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực vật liệu chịu mài mòn.Chất lƣợng của vật liệu phụ thuộc vào dạng liên kết cốt – nền và sự phân bố đồng đều của vật liệu cốt trên nền trong khi trọng lƣợng riêng của đồng và thép khác nhau khác khá lớn. Để đƣa các hạt thép vào nền đồng có thể dung phƣơng pháp đúc huyền phù hoặc tạo một bộ “khung” treo lơ lửng các hạt thép trong khuôn rồi rót đồng lỏng có nhiệt độ thích hợp vào khuôn sao cho các hạt bi thép không bị lắng xuống phía dƣới của khuôn. Chất lƣợng sản phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ và tốc độ rót, vật liệu và chiều dày thành khuôn, khung giữa của viên bị thép trong khuôn. 2.3. Compozit nền gốm 2.3.1. Khái niệm Vật liệu tổ hợp nền gốm (Ceramic Matrix Compozit, CMC) đã đƣợc nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhằm khắc phục những những điểm của vật liệu gốm từ đá nguyên khối, đó là tính giòn cố hữu và khả năng ứng dụng hạn chế của vật liệu đán nguyên khối. Vật liệu tổ hợp nền gốm thƣờng dùng để chể tạo các chị tiết trong môi trƣờng khắt nghiệt nhƣ: động cơ tên lửa và động cơ phản lực; động cơ khí trong nhà máy năng lƣợng; vở cách nhiệt của tàu không gian; lớp lót đầu tiên của buồng phản ứng nấu chảy; phanh máy bay; lò nhiệt luyện… Đây là môi trƣờng làm việc có nhiệt độ rất cao nhƣng rất khó làm nguội nằng chất lỏng thông thƣờng. Mặt khác, thay thế các siêu hợp kim bằng
  23. 23. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 21 vật liệu gốm tổ hợp còn tiết kiệm đƣợc khá nhiều trọng lƣợng, điều vô cùng quan trọng đối với ngành hàng không vũ trụ. Trong compozit nền gốm, vật liệu cốt có thể là cốt dạng không liên tục liểu hạt, sợi ngắn hoặc lát vụn.Cũng có thể dùng cốt liên tục dạng sợi.Trong trƣờng hợp cốt dán đoạn, việc tang độ bền và độ va đập chỉ có thể tăng đên một giới hạn nào đó nhƣng vẫn đủ để sử dụng. Một thí dụ, compozit nền gốm cốt sợi vụn dùng trong lĩnh vực dụng cụ cắt là compozit SiC/Si3N4, trong đó SiC là pha tăng cƣờng còn Si3N4 đóng vai trò vât liệu nền. 2.3.2. Composite nền gốm không oxyt Khi xem xét các loại sợi về mặt trơn nhẵn, độ bền, tính chịu nhiệt và mật độ thì sợi không oxyt là loại sợi đƣợc sử dụng rộng rãi hơn cả, ví dụ sợi cacbon hay sợi SiC. Sợi cacbon có đặc tính là rẻ tiền hơn các loại sợi khác và nó cũng đƣợc sử dụng để làm cốt trong compozit nền polime. Để tránh vấn đề lai tạo lẫn nhau thƣờng xảy ra mãnh liệt ở nhiệt độ cao, các sợi không oxyt này đƣợc dìm vào nền không oxyt. Đầu tiên là compozit cacbon/cacbon đƣợc sản xuất và dùng trong động cơ phản lực và lớp vỏ phủ cửa phun nhiên liệu. Đó là những chi tiết phải làm việc trong điều kiện rất ngặt nghèo nhƣng tuổi thọ lại rất ngắn. Tiếp theo là compozit C/SiC và SiC/SiC đƣợc nghiên cứu để nâng cao tính chống oxy hoá của vật liệu và qua đó là nâng cao tuổi thọ của chi tiết trong môi trƣờng oxy hoá. Nitrit silic cũng đƣợc dùng làm vật liệu nền trong compozit tuy rằng, ở nhiệt độ cao nó kém ổn định hơn so với SiC. 2.3.3. Compozit nền gốm oxyt Là sự lựa chọn tốt hơn cả trên quan điểm nhiệt động học của các chi tiết làm việc trong môi trƣờng oxy hoá. Đáng tiếc, các sợi oxyt mặc dù có tính chịu nhiệt khá tốt nhƣng khi làm việc ở nhiệt độ cao, các hạt trong tổ chức của sợi oxyt sẽ lớn lên, điều này làm cho độ bền của vật liệu giảm đi. Ở nhiệt độ cao, sợi oxyt còn thể hiện có độ bền khá thấp nhƣng lại có mật độ lớn hơn mật độ sợi cacbon. 2.3.4. Công nghệ chế tạo compozit nền gốm Vấn đề quan trọng trong công nghệ chế tạo compozit nền gốm là làm thế nào để tạo liên kết bền giữa cốt và nền và làm thế nào để phân bố đều pha tăng cƣờng trên nền gốm bởi vì bản chất của 2 cấu tử cốt và nền thƣờng rất khác nhau. Vấn đề xử lý pha tăng cƣờng để tạo ra liên kết cốt – nền là vô cùng quan trọng. Có 2 cách xử lý:
  24. 24. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 22 a.Xử lý bằng pha khí Xử lý bằng pha khí hay còn gọi là phƣơng pháp thấm hơi hoá học (chemical vapor infiltration CVI). Nội dung của phƣơng pháp là, bọc lên pha tăng cƣờng 1 lớp mỏng vật liệu nền bằng phƣơng pháp lắng đọng từ 1 tiền chất là pha khí, ví dụ hydro cacbon đối với vật liệu cacbon hoặc hỗn hợp metyltriclhoặcoxylan và khí hydro cho SiC. Việc bọc sợi bằng vật liệu nền hoặc tƣơng tự nền nhằm để khống chế liên kết cốt – nền và tăng cƣờng độ bền cơ học của compozit. Các lớp vật liệu nhƣ pyrocacbon (PyC), nitrit cacbon hoặc (PyC – SiC) và (BN – PyC)n với chiều dày khoảng 0,1 – 1,0 µm có cấu trúc lớp tinh thể (PyC, BN) hoặc cấu trúc nhiều lớp, là những hợp chất liên kết cốt – nền thông dụng nhất cho compozit không oxyt. Công nghệ CVI đã trải qua nhiều phiên bản. Phiên bản đầu tiên cũng là phiên bản phổ biến nhất là CVI đẳng nhiệt hoặc đẳng áp. Quá trình này xảy ra rất chậm chạp do quá trình chuyển chất trong vật liệu xảy ra chủ yếu là cơ chế khuếch tán và trong vật liệu vẫn còn có lỗ xốp và mật độ không đồng đều. Công nghệ này thích hợp cho việc chế tạo các chi tiết dạng mỏng. Để làm tăng tốc độ lắng đọng và do đó làm giảm thời gian của quá trình, có thể tác dụng hoặc là áp lực hoặc là nhiệt độ lên tiền chất và thậm chí có thể nhúng hẳn sợi vào tiền chất có chứa nguyên tố nền ỏ trạng thái lỏng. b.Xử lý bằng pha lỏng Sợi đã đƣợc bọc lớp trung gian đƣợc nhúng vào chất nền ở dạng lỏng. Trong công nghệ thấm chất lỏng hoạt tính (Reactive Melt Infiltration, RMI), nhờ có lực mao dẫn, sợi đƣợc thấm 1 pha lỏng có phản ứng với cả pha rắn dùng để hợp chất tạo sợi (nền SiC – Si hình thành bằng cách thấm silic lỏng của tiền chất tăng bền cơ nhờ cacbon), và tác dụng cả với môi trƣờng (nền Al2O3 – Al đƣợc hình thành nhờ thấm nhôm lỏng và phản ứng hoá học với môi trƣờng oxy hoá). Công nghệ này có thể áp dụng để chế tạo các chi tiết thành dày và tạo ra vật liệu ít lỗ xốp và dẫn nhiệt tốt. c.Công nghệ hoả luyện và thấm polyme Sợi đƣợc nhúng vào tiền chất của nền dạng polyme, có nghĩa là, 1 loại nhựa phản ứng nhiệt hoặc hắc ín dùng cho cacbon hoặc polycacbonsilan cho SiC, rồi sau đó compozit sơ chế này sẽ đƣợc nung đến nhiệt độ thích hợp. Trong quá trình xử lý, vật liệu bị co ngót do hiện tƣợng thoát khí. Hiện tƣợng co ngót này có thể hạn chế bằng cách dùng tiền chất dạng cháo nhuyễn hoặc dùng phƣơng pháp ép nóng với điều kiện là nền phải đủ dẻo để không làm tổn
  25. 25. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 23 hại đến sợi. Phƣơng pháp thấm pha ép nóng có thể dùng để chế tạo compozit nền gốm thuỷ tinh. Một ví dụ về việc chế tạo compozit nền gốm mullit pha tăng cƣờng là sợi saphia bọc ZrO2. Có thể tóm tắt nhƣ sau. Chế tạo vật liệu nền bằng phản ứng thiêu kết hỗn hợp 20% SiC và 80% SiO2 sau khi đã tạo hình bằng phƣơng pháp đúc đổ dƣới áp suất. Cụ thể, trƣớc hết tiến hành oxy hoá SiC ở 12500 C để tạo thành cristobalic, sau đó cho phản ứng với Al2O3 ở nhiệt độ 15500 C để tạo thành mullit. Vật liệu thu đƣợc có độ co ngót nhỏ trong quá trình thiêu kết và có thể hình thành sự liên kết giữa các sợi tăng cƣờng mà không để lại các vết nứt do ứng suất dƣ. Dùng thiết bị kéo sợi để bọc ZrO2 xung quanh sợi saphia, đồng thời tạo ra tiền chất dạng sợi. Sợi đƣợc kéo qua 1 bể chứa ZrO2 dạng sol sau đó đi qua 1 lò nung có nhiệt độ 12000 C để tạo đƣợc lớp vỏ bọc dày khoảng 0,5 – 1,0µm. Compozit chứa 12% sợi đƣợc chế tạo bằng kỹ thuật thấm dùng áp suất (the pressure filtration technique), trong kỹ thuật này, bột nhão chứa vật liệu nền đƣợc hút thấm vào tiền chất dạng sợi bằng áp lực thấp. Sau khi sấy trong buồng có độ ẩm thích hợp, mẫu đƣợc đem đi gia công nhiệt tiếp theo để tạo ra trạng thái compozit. 2.3.5. Công nghệ tạo hình vật liệu compozit nền gốm a.Phương pháp ép Nhƣ đã biết, có nhiều phƣơng pháp để bột kim loại có thể ép và thiêu kết, tạo thành sản phẩm đặc chắc và các loại bột ceramic cũng nhƣ vậy. Quy trình chế tạo ceramic cũng gồm các bƣớc: tạo bột gốm, điền đầy khuôn, ép tạo hình nung thiêu kết gần giống nhƣ đối với kim loại bột. Nguyên công tạo bột, ngoài các phƣơng pháp truyền thống còn có thể dùng phƣơng pháp nghiên, đặc biệt là nghiền ƣớt nếu cần bộ có độ mịn cao. Không nhƣ dung dịch hoặc huyền phù, pha rắn trong vữa nghiên có hàm lƣợng rất cao, 50% hoặc hơn. Hàm lƣợng pha rắn cao nhƣ vậy nhằm mục đích tăng cƣờng lớp vỏ có độ nhớt thích hợp trong môi trƣờng nghiền (bi và thùng nghiền) để ngăn cản các hạt nghiền thoát ra khỏi vùng nghiền nhƣng không làm triệt tiêu hoàn toàn ứng suất nghiền. Kỹ thuật chế tạo bột áp dụng nói chung là để làm giảm hoặc loại bỏ các lỗ xốp ra khỏi vật liệu ban đầu và để tạo thành 1 sự phân bố kích thƣớc hạt theo yêu cầu. Tuy nhiên, các bột khô có kích thƣớc không phải là những vật liệu ban đầu thích hợp cho các nguyên công ép bột.Loại bột này chảy không tốt và
  26. 26. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 24 điền đầy khuôn cũng không tốt.Vật liệu khô chậm kết tụ thành hạt (powder agglomerate) thì rất thích hợp để đổ khuôn và ép. Những hạt này có thể chế tạo bằng cách ép, ép đùn, phun. Trong đó, phƣơng pháp phun đƣợc sử dụng khá phổ biến. Thực chất của phƣơng pháp phun tạo hạt cũng là tạo mầm và phát triển của mầm nhƣng có phạm vi kích thƣớc lớn hơn so với quá trình kết tinh. Có thể hình dung quá trình hình thành hạt nhƣ sau. Khi khuấy bột tung lên, các phần tử sẽ quay lại và trƣợt lên nhau, các hạt mịn sẽ bay lên. 1 nhân của hạt sẽ hình thành khi 1 giọt chất lỏng va chạm và bị hấp thụ lên trên bề mặt của 1 nhóm các phần tử. Lực mao dẫn tạo thành độ bền cho mầm. Các mầm sẽ nhiều lên khi chất lỏng ít dần đi do 1 lớp màng mịn và bột bị rung dữ dội. Sự lớn của hạt bởi 1 quá tình gọi là tạo lớp sẽ xảy ra do tiếp xúc và dính bám của các hạt riêng biệt lên trên mầm. tiếp theo. 1 tổ hợp các mầm nhỏ và các đoạn nhỏ cũng có thể hình thành nên 1 hạt. Tốc độ của mỗi cơ chế hình thành mầm phụ thuộc vào tốc độ cung cấp pha lỏng, sự hấp phụ pha lỏng lên trên hạt (cụm bột) và công nghệ trộn. Hàm lƣợng pha lỏng cao hơn giới hạn sẽ làm tăng kích thƣớc hạt, làm cho kích thƣớc hạt không đồng đều và độ xốp của hạt cũng tăng lên. Lƣợng chất lỏng cần thiết để tạo hạt sẽ tăng lên khi diện tích bề mặt riêng cũng tăng lên và thông thƣờng chiếm khoảng 20 – 36% thể tích. Với lƣợng pha lỏng nhƣ vậy, các lỗ xốp trong hạt đƣợc đƣợc bão hoà hoàn toàn. Hạt hình thành bằng phƣơng pháp phun có hình dạng gần hình cầu hơn các phƣơng pháp khác, ví dụ, nén hoặc ép đùn và thƣờng phải sấy sơ bộ trƣớc khi sử dụng để ép. Sấy phun là 1 nguyên công khác về cơ bản so với tạo hạt bằng cách phun đã mô tả trên. Khi sấy phun, bột nhão đƣợc phun vào trong môi trƣờng có nhiệt độ trung bình để cho 1 phần pha lỏng bay hơi, các hạt tạo thành có dạng gần cầu và đồng nhất hơn so với hạt đƣợc tạo từ phƣơng pháp phun đơn giản. Sấy phun thƣờng áp dụng để chế tạo các loại bột ferit, TiO2, Al2O3, cacbit, nitrit, gốm. Các hạt đƣợc chế tạo từ các phƣơng pháp trên, cần phải có thêm chất phụ để tạo hình. Tác dụng của chất phụ là để ổn định độ nhớt và làm cho hỗn hợp ceramic có những tính chất phù hợp với quá trình gia công. Tính điền đầy khuôn Tốc độ chảy của bột vào trong khuôn thƣờng đƣợc xác định nhờ phƣơng pháp truyền thống là xác định khối lƣợng hoặc thể tích trong một đơn vị thời gian. Một phƣơng pháp khác để xác định khả năng chảy của bột là xác định góc
  27. 27. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 25 nghi mà bột hình thành khi rót bột lên bề mặt phẳng.Vật liệu có khả năng chảy tốt sẽ tạo thành một đống phẳng có góc nghỉ rất nhỏ và ngƣợc lại, vật liệu có tính chảy tồi sẽ hình thành đống cao hơn và góc nghỉ lớn hơn.Các hạt đặc hình cầu có bề mặt nhẵn, đƣờng kính 20 m hoặc cao hơn sẽ cho tính chảy rất tốt. Nén sơ bộ là nguyên công dùng áp lực làm các hạt sít chặt lại gần nhau, tạo ra một chi tiết tƣơng đối bền vừng và có tính chất và cấu trúc đặc biệt. Khi ép lần đầu tiên, áp lực lan truyền qua các hạt bột hoặc cụm hạt bột thông qua nơi tiếp xúc giữa các hạt. Tốc độ làm sít chặt ban đầu rất cao nhƣng cũng rất nhanh chóng giảm đi khi các hạt tiếp xúc với nhau. Thí nghiệm chứng tỏ rằng, khi áp lực ép khoảng 50 MPa bắt đầu làm cho các hạt sít lại gần nhau, trong giai đoạn đầu này, không khí từ các lỗ xốp bị đồn ra ngoài và bị hút vào khe hở giữa chày và khuôn ép. Đa số máy ép công nghiệp vận hành với áp lực dƣới 100 MPa đối với ceramic kỹ thuật chất lƣợng cao và dƣới 40 MPa đối với sứ trắng và ngói. Quá trình làm sít chặt các hạt bột khi nén đƣợc chia làm ba giai đoạn.Trong giai đoạn một, các hạt trƣợt tƣơng đối lên nhau và đƣợc tái bố trí lại khi áp lực còn thấp vì chày mới tiếp xúc với bột. Mật độ hơi tang so với mật độ đổ đống tại điểm này. Giai đoạn hai, bắt đầu xảy ra biến dạng các hạt trong các khe hở lân cận khi áp lực vƣợt quá áp lực tới hạn của hạt (Py) và đồng thời làm giảm thể tích, kích thƣớc của các khe hở giữa các hạt (hình 10.16). Áp lực tới hạn của hạt có liên quan hệ đến tỷ số ép, thể tích hạt (Vb) và thể tích chất dính (Vp) và độ bền của hạt (). Py = C ( ( ). () C là hằng số xác định bằng thực nghiệm. Phần lớn trong quá trình làm sít chặt đều xảy ra trong giai đoạn hai.Cơ chế biến dạng hạt là cơ chế sít chặt chiếm ƣu thế. Mật độ nén Dnén, có thể tích gần đúng nhƣ sau: Dnén = Dfill + m log(Pa/Py) Trong đó Pa – áp lực sử dụng; Py – áp lực tới hạn của hạt; Dfill – mật độ đổ đống; m – hằng số ép lún phụ thuộc vào khả năng biến dạng và mức độ sít chặt của hạt. Bột chứa hạt một độ cao sẽ tạo ra mật độ nén và hệ số m tƣơng đối thấp, nhƣng việc loại tất cả các lỗ xốp giữa các hạt là rất thuận lợi khi bột có chứa hạt có mật độ hơi thấp, giá trị m nằm trong khoảng 0,07 0,10. Với mỗi loại bột có một giá trị tối ƣu về mật độ hạt, mật độ đổ đống và m. Trong
  28. 28. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 26 giai đoạn hai, các lỗ xốp hơn và bề mặt giữa các hạt không còn tồn tại nữa. Áp lực cao sẽ làm cho các hạt bị nứt làm hạn chế quá trình sít chặt tiếp theo. Khe hở giữa các hạt lớn và các lỗ xốp lớn trong các hạt có hình dạng cái bánh rán thì vẫn tồn tại trong giai đoạn ba. Các khuyết tật này không thể loại bỏ đƣợc trong quá trình thiêu kết và gây hậu quả làm giảm tính chất cơ học của sản phẩm. b.Đúc đổ. Dung dịch nƣớc của các hạt sét mịn gọi là nƣớc áo.Đúc đổ (slip casting) là phƣơng pháp rót nƣớc cáo vào khuôn thƣờng là khuôn thạch cao xốp. Do xảy ra lực hút mao dẫn của nƣớc từ nƣớc áo vào khuôn, các hạt trong nƣớc áo sẽ kết tụ lại gần bề mặt khuôn và vật đúc hình thành. Các thông số trong quá trình đúc đỗ bao gồm: áp lực ép, chân không, lực ly tâm. Có hai kiểu đúc đổ cơ bản: Đúc thấm và đúc đặc (hình 10.17). Nguyên lý đúc thấm là, trƣớc hết đổ nƣớc áo vào đầy khuôn, chờ một thời gian vừa đủ cho một lớp hạt kết tinh, phần nƣớc áo thừa sẽ đƣợc tháo đổ ra khỏi khuôn. Phƣơng pháp này phù hợp cho các chi tiết rỗng ruột, thí dụ, nồi nấu kim loại hoặc ống. Đúc đặc là cách đúc đổ toàn bộ nƣớc áo vào khuôn để tạo thành một chi tiết đặc chắc và hoàn chỉnh. Độ nhớt thấp (< Bột nhão 1000 cP) là thích hợp để lọc bột nhão trƣớc khi rót vào khuôn hoặc khi cần loại bỏ các bọt khí khỏi bột nhão. Mật độ, độ nhớt biểu kiến và ứng suất cắt của bột nhão cần phải đủ lớn để hạn chế hiện tƣợng sa lắng và kết tụ các hạt trong khi đúc. Ứng suất cắt của bột nhão y có thể tính theo công thức: y = (2/3) a (Dp – Ds)g Trong đó: a là đƣờng kính hạt; Dp là mật độ sau ép; Ds là mật độ của bột nhão; g là gia tốc trọng trƣờng. Khi bột nhão không chịu ứng suất cắt thì độ nhớt cao với tốc độ trƣợt thấp có thể làm chậm quá trình sa lắng của các hạt. Bảng 10.3.Thành phần của một số bột nhão để đúc đổ. Vật liệu Thành phần, % Gốm Oxyt nhôm Al2O3 40 50 Silica 10 15
  29. 29. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 27 Feldspar 10 15 Đất sét 15 25 Nƣớc 45 60 50 60 Chất phụ chống keo tụ Na silicat <0,5 NH4 polyacrylat 0,5 2,0 Na xitrat 0,0 0,5 Chất keo tụ CaCO3 < 0,1 BaCO3 < 0,1 Chất dính Na cacboxymethylxellulo 0,0 0,5 c.Đúc băng Bột ceramic dùng để đúc băng chỉ nên dùng kích thƣớc cực đại là 15m và bề mặt riêng 25 m2 /g. Bột càng nhỏ sẽ làm cho bề mặt băng đúc càng minh. Do những băng đúc này thƣờng dùng để chế tạo các chi tiết điện tử nên độ đồng nhất vế mặt hóa học là có giới hạn.Kích thƣớc và độ phân tán của hạt cũng có ảnh hƣởng đến tính ổn định kích thƣớc trong quá trình sấy và nung sản phẩm.bởi vậy, hệ dung môi – chất lỏng cần phải hòa tan đƣợc cả những chất phụ nhƣng cũng phải để cho những chất phụ này dƣợc hấp phụ lên trên bề mặt ceramic, thỏa mãn điều này, thƣờng dùng hỗn hợp của các dung môi. Dung môi hữu cơ có độ nhớt, điểm sôi và nhiệt hóa hơi thấp nhƣng lại có áp suất hơi khá cao và thời gian sấy sẽ ngắn hơn. Vấn đề quan trọng là phải kết hợp chất dính và chất làm mềm để vừa đảm bảo tính chất cơ học nhƣng cũng đảm bảo bột rắn có hàm lƣợng pha rắn khá cao. Dùng quá nhiều chất dính sẽ làm cho các hạt dễ bị phân tán rới nhau và làm giảm giá trị PE (packing fraction) của các hạt trong dải đúc. Ngoài các chất đã
  30. 30. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 28 nói trên, trong bột nhão còn có các thành phần khác nhƣ: chất thầm ƣớt, chất đồng nhất dung dịch, chất chống tạo bọt. Cân nhắc lại mật độ ép PF. PF = Trong đó: n0=N/V là mật độ hạt trung bình, là đƣờng kính va chạm. Nguyên lý đúc băng: Trong công nghệ đúc băng, bột nhão đƣợc rải đều trên bề mặt nhẵn, sạch và không thấm nƣớc, còn gọi là vật mang bằng teflon hoặc celulo axetat. Tốc độ đúc khoảng 1.5m/ph, chiều dày băng đúc khoảng 25150 m. Băng đúc hình thành khi lớp bột nhão chảy phía dƣới lƣỡi dao phân phối và hình thành màng mỏng trên băng tải.Chiều dày băng đúc H đƣợc tính theo công thức: H= AD0.h0.(1+ ) Trong đó: A là hằng số; D 0 là tỉ lệ giữa mật độ bột nhão và mật độ trạng thái khô; h0 là chiều dày lƣỡi dao gạt; là áp lực làm cho bột nhão chuyển động đƣợc; là độ nhớt của bột nhão và L là chiều dài đúc. Rõ ràng, chiều dày băng đúc phụ thuộc vào tốc độ băng tải khi tỉ lệ h0 / khá nhỏ. Để đảm bảo chiều dày của băng tƣơng đối đồng đều, tốc độ băng tải phải đặt khoảng 0.5cm/s và độ nhớt của bột nhão phải khá lớn. 2.3.6. Nung sản phẩm Ngay khi các cấu tử ceramic mới đã đƣợc chế tạo, dù bằng bất cứ phƣơng pháp nào bƣớc tiếp theo đều phải sấy khô và hoàn thiện bề mặt, thì đều chịu thêm một nguyên công nữa là nung, tức là nung ceramic lên nhiệt độ cao để phát triển cấu trúc và các thuộc tính cần thiết. Thực chất của quá trình nung là để tạo cho vật liệu kết tinh cũng giống nhƣ kết tinh của kim loại, đều có quá trình tạo mầm và phát triển mầm. Gồm 3 giai đoạn: ban đầu, trung gian, kết thúc. Phần lớn quá trình kết khối của vật liệu chỉ xảy ra ở giai đoạn trung gian.Cơ chế chuyển khối còn bao hàm các quá trình khuếch tán biên giới hạt, khuếch tán trong ô mạng, tính chảy nhớt và chảy dẻo.Các quá trình chuyển khối nhƣ khuếch tán bề mặt và hóa hơi xảy ra trong khi thiêu kết nhƣng không có tác dụng làm kết khối vật liệu.
  31. 31. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 29 Hình 2.4. đặc tính kết khối của hai loại bột nén 0.8 và 1.3m có so sánh với phương pháp nén ống. Trong giai đoạn ban đầu, quá trình xảy ra chủ yếu là co ngót do hiện tƣợng thoát ẩm vá khuếch tán. Trong giai đoạn trung gian, ngoài việc co ngót thì còn quá trình phát triển của hạt, nghĩa là đƣờng kính d của hạt không phải là hằng số nữa và hình dáng hình học của các lỗ xốp cũng bị thay đổi.trong giai đoạn cuối cùng, quá trình kết khối phụ thuộc rất nhiều vào quá trình tụ đám của các lỗ xốp và biên giới hạt, tốc độ và kiểu phát triển của hạt. Sự khuếch tán các nguyên tử chính là nguyên nhân gây ra hiện tƣợng dịch chuyển của biên giới hạt. Tính linh động biên giới hạt Mb, nếu là hằng số thì tốc độ phát triển của biên giới hạt đƣợc mô tả nhờ phƣơng trình: - = 2AMb Trong đó: n là thông số kích thƣớc và lấy giá trị 23; d 0 là kích thƣớc hạt trung bình ban đầu d t là kích thƣớc hạt trung bình tại thời điểm t A là hệ số phụ thuộc vào hình dáng hình học là năng lƣợng bền mặt giữa các hạt. CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG VẬT LIỆU COMPOSITE 3.1. TRONG XÂY DỰNG Khả năng sử dụng vật liệu composite có thể rất đa dạng:
  32. 32. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 30 Làm cốt cho cấu kiện bê tông cốt mềm với hình thức thanh rời và lƣới buộc và có thể gọi là kết cấu bê tông composite Làm các loại cáp (căng trƣớc hoặc căng sau) cho kết cấu bê tông dự ứng lực cốt composite Làm ván khuôn để lại, khi đúc tại chỗ những cấu kiện bê tông cốt thép đổ tại chỗ, lắp ghép hoặc bán lắp ghép Để gia cƣờng, sửa chữa những công trình đã hƣ hỏng hoặc nứt, xuống cấp bằng gỗ, thép, gạch, đá và bê tông cốt thép Trong xây dựng, composite đƣợc sử dụng làm kết cấu công trình xây dựng thay thế cho các loại thép kết cấu truyền thống. Ƣu điểm của vật liệu composite trong ứng dụng này là: độ bền uốn, bền kéo cao, dễ thi công lắp đặt, chống phá hủy mỏi, bền môi trƣờng và giá rẻ hơn vật liệu kim loại truyền thống. Làm kết cấu liên hợp vật liệu giữa composite và thép hoặc bê tông cốt thép Làm kết cấu vòm cuốn hoặc kết cấu cột chịu nén, bằng ống composite trong nhồi bê tông, một loại kết cấu liên hợp giữa composite và bê tong Phối hợp với các vật liệu khác trong kết cấu liên hợp nhiều vật liệu Ngoài ra còn đƣợc dùng làm tay vịnh cầu thang ngoài trời do tránh bị hƣ hại do môi trƣờng, một điều mà các vật liệu truyền thống khó có đƣợc. Sử dụng làm tấm lợp trần nhà và tấm lót sàn chịu lực thay cho bê tông. Ƣu điểm của tính bền chắc và tính cách nhiệt Trong ứng dụng này vật liệu composite làm kết cấu cho các công trình biển nhƣ giàn khoan dầu. Ƣu điểm của FRP trong ứng dụng này là: tỉ trọng nhẹ giúp giảm áp lực cho công trình, độ bền cao, chống ăn mòn của nƣớc biển, chi phí bảo dƣỡng thấp. 3.1.1. Làm cốt thép cho bê tông cốt thép Vật liệu composite nhƣ: chất dẻo cốt sợi cacbon (CFRP), cốt sợi thủy tinh (GFRP), cốt sợi aramid (AFRP), hoặc các loại sợi khác, đƣợc gọi chung là composite chất dẻo cốt sợi (viết tắt là FRP). 1. Cốt thanh rời hoặc lƣới FRP làm cốt cho các cấu kiện dầm bê tông chịu uốn cũng nhƣ cột chịu nén và những cấu kiện chịu lực phức tạp khác. 2. Cáp bằng vật liệu composite FRP làm cốt ứng lực trƣớc thay cáp thép để căng kéo trong cấu kiện bêtông dự ứng lực, có thể gọi là bê tông dự ứng lực với cáp composite . 3. Các tấm mỏng bằng vật liệu composite FRP có thể làm ván khuôn để lại, tạo hình, khi đúc bêtông tƣơi cho kết cấu bê tông cốt thép, nhƣ vậy sẽ có hai tác dụng
  33. 33. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 31 a) Có khả năng giảm đƣợc khối lƣợng thép trong bê tông. b) Đồng thời bảo vệ tốt cho cốt thép trong kết cấu chống xâm thực của môi trƣờng. 3.1.2. Gia cường cho kết cấu có sẵn Vật liệu composite đã đƣợc sử dụng có hiệu quả nhất để sửa chữa nâng cấp công trình xây dựng ở nhiều nƣớc nhƣ một vật liệu mới vì có nhiều ƣu điểm mà các liệu truyền thống nhƣ gạch đá, kim loại (thép nhôm), gỗ, bê tông…đều khiếm khuyết. Đối với các cấu kiện cần nâng cấp thƣờng sử dụng hai hình thức: gia cƣờng và sửa chữa. Gia cƣờng khi kết cấu nguyên thủy không đủ cƣờng độ hoặc độ cứng.Gia cƣờng cũng có thể dùng khi cần thiết phải thay đổi cho phù hợp với quy chuẩn hiện hành hoặc khi thay đổi cho phù hợp nhu cầu sử dụng mới của công trình (đặc biệt khi gia cố để chịu tải trọng động đất). Vấn đề sửa chữa thƣờng dùng khi công trình xuống cấp do tác động của môi trƣờng, nhƣ cốt thép trong kết cấu bị han gỉ nặng, hoặc trong quá trình thiết kế và xây dựng bố trí thiếu cốt thép v.v… không đủ khả năng chịu tải hoặc bị biến dạng nhiều. Có thể sử dụng để gia cố kết cấu bê tông bằng vật liệu FRP, không những cho kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu bê tông dự ứng lực, mà còn sử dụng hiệu quả cho các loại kết cấu công trình xây gạch đá, kết cấu gỗ và kim loại. Gia cƣờng cho kết cấu có sẵn có thể là công trình bê tông cốt thép (kể cả bê tông dự ứng lực), công trình thép gỗ hoặc công trình xây nề bằng gạch đá khi muốn khôi phục, nâng cấp để công trình phục vụ đúng yêu cầu hiện tại, bảo đảm theo tiêu chuẩn hiện hành. Đối với công trình bê tông cốt thép thƣờng gia cƣờng bằng cách bọc ngoài với các tấm hoặc dải CFRP chế tạo sẵn trong nhà máy. Những cấu kiện chịu uốn nhƣ dầm, bản thƣờng gia cƣờng bằng cách dán trực tiếp các dải composite lên đáy dầm hoặc bản tức là những vị trí theo đúng chiều chịu ứng suất kéo của cấu kiện. Nếu cần có thể dán đè lên đó những dải theo chiều thẳng góc (những dải hình chữ U) để neo lại. Những cấu kiện chịu nén nhƣ cột bêtông cốt thép với các mặt cắt ngang dạng tròn, dạng hình vuông hoặc dạng chữ nhật thƣờng gia cƣờng bằng cách nhƣ “bó bột”cấu kiện, tức là cuốn quanh chu vi cột bằng các dải CFRP. 3.2. TRONG GIAO THÔNG VẬN TẢI - Ứng dụng của composite trong ngành vận tải là rất lớn. Loại vật liệu mới này cho phép chế tạo các phƣơng tiện vận tải nhẹ hơn. Điều đó đồng nghĩa
  34. 34. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 32 với việc tiết kiệm nhiên liệu, tăng khả năng chuyên chở và giảm ô nhiễm môi trƣờng. Composite đƣợc sử dụng chế tạo thân và các chi tiết yêu cầu tính năng kỹ thuật cao trong các xe đua cũng nhƣ xe ô tô thƣơng mại. Ngày nay các toa xe tàu hỏa cũng đƣợc chế tạo bằng vật liệu composite. Hiệu quả của nó làm giảm thiểu tự trọng của các toa xe và đoàn tàu, tăng lƣợng hàng chuyên chở, tăng hiệu suất vận tải đƣờng sắt. Đặc biệt hơn, với yêu cầu ngày càng khắt khe về bảo vệ môi trƣờng, các dòng động cơ mới nhƣ động cơ điện, fuel cell đƣợc đƣa vào ứng dụng trong thị trƣờng xe cơ giới. Hạn chế của các loại động cơ mới này là dung tích acquy sử dụng cho xe không cao, hạn chế tính cơ động của xe, trong khi giảm trọng lƣợng xe là rất cấp thiết cho các phƣơng tiện sử dụng công nghệ xanh. Do đó, vật liệu composite đƣợc sử dụng tối đa trong chế tạo thân vỏ và các chi tiết trong thế hệ xe sạch này. - Vật liệu composite trong ngành đóng tàu: Composite đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các loại tàu thuyền, xuồng cỡ nhỏ, cano... do chi phí đầu tƣ chế tạo phƣơng tiện bằng vật liệu này thấp hơn sản phẩm cùng loại sử dụng chất liệu bằng gỗ, nhôm hoặc thép. Bên cạnh đó, yêu cầu về tay nghề của công nhân cũng đơn giản hơn. Vật liệu composite sử dụng cho đóng tàu, mang lại lợi ích cao bảo dƣỡng rất ít, không bị ăn mòn, hen rỉ hay ảnh hƣởng của môi trƣờng nƣớc biển. 3.2.1. Chế tạo bình khí N2, O2 dùng cho các nhà du hành vũ trụ - Mỗi trạm có 12 bình, dung tích 27 lít, chịu áp 30Mpa. - Lớp vỏ trong chế tạo từ màng polyetylen terephtalat và polyimit PMF352 - Lớp vỏ ngoài chế tạo theo quấn sợi cacbon, sợi cacbon YKH nền epoxy EDT-10P
  35. 35. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 33 3.2.2. Vật liệu composite polymer - Thành phần:  Nền: thƣờng đƣợc dùng rộng rãi là các polyme nhiệt rắn(epoxy, polyeste…) và các polyme nhiệt dẻo khác.  Cốt: sợi thủy tinh, sợi bazan, sợi cacbon, sợi hữu cơ, sợi bor, sợi tạp lai… - Ƣu điểm: nhẹ, độ bền cơ lý cao, bền trong môi trƣờng hóa học, dẫn điện, dẫn nhiệt thấp, công nghệ chế tạo không phức tạp. Với các cấu trúc chịu lực quan trọng (gân cánh máy bay) chỉ có thể dùng sợi với biến dạng không thấp hơn 2%, độ bền trƣợt lớn hơn 100Mpa. - Việc chọn vật liệu nền là vấn đề quan trọng hàng đầu trong việc chế tạo composite polyme. - Công nghệ chế tạo bởi nhiều phƣơng pháp: truyền thống: nén, dập, đổ khuôn và khuôn tiếp xúc chân không đến những phƣơng pháp đặc biệt: quấn(khô hoặc ƣớt), đúc đẩy, đúc giọt, phun… - Ứng dụng: thân, vỏ, vách ngăn tàu vũ trụ sử dụng composite polyme sợi cacbon  Thân vỏ máy bay vận tải Lirphan làm hoàn toàn từ composite cốt sợi cacbon  Một số chi tiết của máy bay chở khách đƣợc chế tạo từ composite nền epoxy cốt sợi thủy tinh và cacbon:  Mũ nắn dòng và thân vỏ tên lửa đƣợc chế tạo từ composite  Ghế hành khách trên máy bay  Vỏ bảo vệ khởi động của tàu vũ trụ Apolo: polyme cốt sợi thủy tinh và nhựa nền phenolic - Composite sợi bor: dầm, khung panen, các sống dọc của những phần chịu lực, càng, khoang, vỏ cánh máy bay, nâng cao độ bền, độ cứng, độ tĩnh và bền rung giảm trọng lƣợng. 3.2.3. Vật liệu composite gốm - Thành phần: nền gốm,thủy tinh ( ceramic,borsilicat, nhôm silicat), cốt có thể là sợi kim loại hoặc phi kim loại( vonfram, molipden, thép, niobi). - Chế tạo: phƣơng pháp dập nóng nhiều lần những dải sợi cốt và bột thủy tinh trong môi trƣờng agon. - Ƣu điểm: có rất nhiều triển vọng, đùng để chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt độ lên tới 2073K.
  36. 36. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 34 - Ứng dụng: cơ cấu ăngten ở mũi những vật thể bay vũ trụ cần phải thu hồi trở về trái đất, mũi nắn dòng tên lửa. - Cột buồm cho tàu thuyền khi có ƣu điểm chống ăn mòn của nƣớc biển, chống mòn do gió ngoài biển, vật liệu nhẹ giúp cho thuyền nhẹ và chạy nhanh hơn. 3.2.4. Vật liệu compozit kim loại : - Thành phần nền: kim loại hoặc hợp kim (hợp kim nhôm, titan, megie), cốt: sợi kim loại hoặc phi kim loại. - Chế tạo: sử dụng các phƣơng pháp có cƣờng độ lực và nhiệt độ cao bao gồm:  Phƣơng pháp pha rắn: ép dẻo, hàn nổ, khuếch tán…  Phƣơng pháp pha lỏng: tẩm sợi cốt bằng dung dịch nền nóng chảy.  Kết dẻo và phun( khí ga+ hóa học + điện hóa). - Ƣu điểm: ứng dụng rộng rãi đòi hỏi vật liệu làm việc ở các miền nhiệt độ khắc nhiệt, những nơi mà điều kiền sử dụng không cho phép dùng kim loại truyền thống. - Ứng dụng: Vật liệu composite bor sợi nhôm: máy bay tàu lƣợn F- 106A (Mỹ), giảm 30% trọng lƣợng.  IL-62 (Nga), giảm 17% trọng lƣợng.  Vật thể bay vũ trụ: chi tiết khung cứng, vỏ, vòng đai chịu lực bao quanh động cơ tên lửa, những bậc ngăn nối tên lửa đạn đạo.  Vật liệu composite nhôm sợi cacbon: độ cứng cao, độ bền mỏi cao, dùng cho chi tiết chị tải cao, thân vỏ cách tua bin, ống xả của động cơ máy bay-tên lửa 3.3. MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHÁC - Trong ngành công nghiệp điện tử đƣợc sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện. - Các ngành dân dụng nhƣ y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ,… - Ngành thể thao, các đồ dùng thể thao nhƣ gậy gôn, vợt tennis… và các ngành dân dụng, quốc kế dân sinh khác. - Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh có tính trong suốt đối với sóng rada, đặc tính này rất quan trọng trong các ứng dụng quân sự. Nó còn đƣợc sử dụng nhiều trong công nghệ vũ trụ.
  37. 37. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 35 - Dùng làm cán của các vật dụng gia đình và cán của các vật dụng thể thao nhƣ: các cây lau nhà, cán xẻn, cán chổi, cán gậy đánh gôn, cán gậy khúc côn cầu do có độ bền chắc và nhẹ. - Ứng dụng làm ống đi cho các loại dây cáp điện, cáp viễn thông sử dụng trong môi trƣờng đất ngầm cũng nhƣ ngoài trời, nhằm bảo vệ cho dây cáp không bị hƣ hại. Ƣu điểm của Composite dùng trong ứng dụng này là bộ bền môi trƣờng cao, ít cần bảo dƣỡng, độ bền cơ học cao.
  38. 38. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO
  39. 39. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 37 MỤC LỤC CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VÀ THÀNH PHẦN VẬT LIỆU COMPOSITE.. 1 1.1 GIỚI THIỆU VẬT LIỆU COMPOSITE................................................. 1 1.1.1. Khái niệm ....................................................................................... 1 1.1.2. Lịch sử ra đời. .................................................................................. 2 1.1.3. Đặc điểm........................................................................................... 2 1.1.4. Ưu, nhược điểm................................................................................ 3 1.2 THÀNH PHẦN VẬT LIỆU COMPOSITE ............................................ 4 1.2.1. Cấu tạo vật liệu composite............................................................... 4 1.2.2. Phân loại ........................................................................................13 CHƢƠNG 2. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU COMPOSITE..................................13 2.1. Compozit nền nhựa ..................................................................................14 2.1.1. Đúc ly tâm ......................................................................................14 2.1.2. Ép nguội .........................................................................................14 2.1.3. Đúc phun ........................................................................................15 2.1.4. Đúc kéo định hình ..........................................................................15 2.1.5. Đúc lăn tay .....................................................................................16 2.1.6. Đúc bán đồng thời..........................................................................16 2.1.7. Đúc chân không và túi áp lực ........................................................17 2.1.8. Đúc ép đùn .....................................................................................17 2.2. Compozit nền kim loại..........................................................................17 2.2.1. Compozit nền nhôm cốt hạt............................................................18 2.2.1.1 Compozit nền nhôm cốt hạt Al2O3 ...........................................18 2.2.1.2. Vật liệu nền nhôm cốt hạt (SiN, NB, TiC)..............................19 2.2.2. Compozit nền nhôm cốt sợi............................................................19 2.2.3. Comppozit nền đồng hạt thép.........................................................20 2.3. Compozit nền gốm................................................................................20 2.3.1. Khái niệm .......................................................................................20 2.3.2. Composite nền gốm không oxyt......................................................21 2.3.3. Compozit nền gốm oxyt ..................................................................21
  40. 40. Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page 38 2.3.4. Công nghệ chế tạo compozit nền gốm ...........................................21 2.3.5. Công nghệ tạo hình vật liệu compozit nền gốm.............................23 2.3.6. Nung sản phẩm...............................................................................28 CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG VẬT LIỆU COMPOSITE..................................29 3.1. TRONG XÂY DỰNG..........................................................................29 3.1.1. Làm cốt thép cho bê tông cốt thép .................................................30 3.1.2. Gia cường cho kết cấu có sẵn ........................................................31 3.2. TRONG GIAO THÔNG VẬN TẢI .....................................................31 3.2.1. Chế tạo bình khí N2, O2 dùng cho các nhà du hành vũ trụ............32 3.2.2. Vật liệu composite polymer............................................................33 3.2.3. Vật liệu composite gốm ..................................................................33 3.2.4. Vật liệu compozit kim loại :............................................................34 3.3. MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHÁC ............................................................34

×