Bài giảng Vật liệu compozite

NỘI DUNG Khái niệm vật liệu compozite Lịch sử phát triển vật liệu compozite Thành phần cấu tạo vật liệu compozite Phân loại vật liệu compozite Công nghệ chế tạo vật liệu compozite Một số sản phẩm được chế tạo tư vât liệu compozite Phương hướng phát triển. 1. KHÁI NIỆM VẬT LIỆU COMPOZITE Vật liệu composite hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ. Vật liệu Composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho Composite có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của Composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau 3. THÀNH PẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOZITE Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất. (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu composite.) Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrice), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (renfot) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước ... Nền cácbon 3. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOZITE 3.1 thành phần cốt: gồm có 9 loại cốt 3.1.1 Sợi thuỷ tinh Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt), có đường kính nhỏ vài chục micro mét. Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điểm của thủy tinh khối, như: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn. Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khoáng chất như: silic, nhôm, magiê, ... tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau 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 và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao). Loại thủy tinh E là loại phổ biến. 3. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOZITE 3.1.2 Sợi Bazan 3. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOZITE 3.1.3 Sợi hữu cơ Các loại sợi hữu cơ phổ biến: Sợi kenvlar cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, được gia công bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10°C), tiếp theo được kéo ra thành sợi trong dung dịch, cuối cùng được sử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi. Sợi kenvlar và tất cả các sợi làm từ aramit khác như: Twaron, Technora, ... có giá thành thấp hơn sợi thủy tinh như cơ tính lại thấp hơn: các loại sợi aramit thường có độ bền nén, uốn thấp và dễ biến dạng cắt giữa các lớp. 3. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOZITE 3.1.4 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, nhưng 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 1,42 A°. Sợi cacbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt. 3. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOZITE 3.1.5 Sợi Bor Sợi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học là B), là một dạng sợi gốm thu được nhờ phương pháp kết tủa. Sản phẩm thương 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 phương. 3. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOZITE 3.1.6 Sợi Cacbua Silic Sợi Cacbua Silic (công thức hóa học là: SiC) cũng là một loại sợi gốm thu được nhờ kết tủa. 3. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOZITE 3.1.7 Sợi kim loại 3. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOZITE 3.1.8 Sợi ngắn và các hạt phân tán 3. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOZITE 3.1.9 Cốt vải Cốt vải là tổ hợp thành bề mặt (tấm), của vật liệu cốt sợi, được thực hiện bằng 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 là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi. Kỹ thuật dệt cao cấp còn có các kiểu dệt đa phương như: bện, tết, và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phương. 3. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOZITE 3.2 Vật liệu nền 3.2.1 Chất liệu nền polyme nhiệt rắn: Nhựa polyeste và nhóm nhựa cô đặc như: nhựa phenol, nhựa furan, nhựa amin, nhựa epoxy. 3. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOZITE 3.2.2 Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo Nền của vật liệu là nhựa nhiệt dẻo như: PVC, nhựa polyetylen, nhựa polypropylen, nhựa polyamit,... 3. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOZITE 3.2.3 Chất liệu nền cacbon: 3. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO VẬT LIỆU COMPOZITE 3.2.4 Chất liệu nền kim loại Vật liệu compozit nền kim loại có modun đàn hồi rất cao có thể lên tới 110 GPa. Do đó đòi hỏi chất gia cường cũng có modun cao. Các kim loại được sử dụng nhiều là: nhôm, niken, đồng. .ƯU, NHƯỢC ĐIỂM VẬT LIỆU COMPOZITE Ưu điểm: Khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau Khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai được các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất. 4.PHÂN LOẠI VẬT LIỆU COMPOZITE 4.6 Theo bản chất vật liệu nền và cốt Composite nền hữu cơ: composite nền giấy (cáctông), composite nền nhựa, nền nhựa đường, nền cao su (tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xe máy),... Loại nền này thường có thể kết hợp với mọi dạng cốt liệu, như: 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 được nhiệt độ tối đa là khoảng 200 ÷ 300°C. Composite nền khoáng chất: bê tông, bê tông cốt thép, composite nền gốm, composite cacbon - cacbon. Thường 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,... Thường 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 ÷ 1.000°C (nền gốm tới 1.000°C). .ƯU, NHƯỢC ĐIỂM VẬT LIỆU COMPOZITE Nhược điểm: 4.PHÂN LOẠI VẬT LIỆU COMPOZITE 4.1 Vật liệu composite polyme là loại vật liệu được cấu tạo bởi 2 hay nhiều cấu tử (thành phần). Trong đó, loại cấu tử thứ nhất là 1 hay nhiều polyme nền thông thường. Loại cấu tử thứ hai là các chất phụ gia (chất độn) như vật liệu sợi, bột của các chất vô cơ cơ... Còn có thể có thêm 1 thành phần thứ ba là chất liên kết. 4.2 Vật liệu composite cacbon-cacbon Đây là vật liệu nền cacbon cốt sợi cacbon. 4.3 Vật liệu composite gốm Thành phần là Đất sét hay đất sình nhiều mùn được xem như nguyên liệu chủ yếu để làm gạch 4.4 Vật liệu composite kim loại Đây là vật liệu nền kim loại và sợi kim loại: thép, đồng, nhôm,... 4.5 Vật liệu composite tạp lai Là loại vât liêu được làm từ nhiều loại cốt sợi và vật liệu nền khác nhau 4.PHÂN LOẠI VẬT LIỆU COMPOZITE 4.7 Theo hình dạng cốt liệu 4.7.1 Vật liệu composite cốt sợi Sợi là loại vật liệu có một chiều kích thước (gọi là chiều dài) lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước không gian còn lại. Theo hai chiều kia chúng phân bố gián đoạn trong vật liệu composite, còn theo chiều dài thì chúng có thể ở dạng liên tục hay gián đoạn. Ta thường thấy các loại vật liệu cốt sợi này gắn liền với từ composite trong tên gọi. Các sản phẩm composite dân dụng thường là được chế tạo từ loại vật liệu composite cốt sợi, trên nền nhựa là chủ yếu. 4.PHÂN LOẠI VẬT LIỆU COMPOZITE 4.7.2 Vật liệu composite cốt hạt Hạt là loại vật liệu gián đoạn, khác sợi là không có kích thước ưu tiên. Loại vật liệu composite cốt hạt phổ biến nhất chính là bê tông, thường lại được gọi ngắn gọn chỉ là bê tông, nên ta thường thấy cái được gọi là composite lại là vật liệu composite cốt sợi. 4.7.3 Vật liệu composite cốt hạt và sợi Ví dụ: ở 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. 5.CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO 5.Công nghệ chế tạo 5.1 Công nghệ khuôn tiếp xúc Lát tay Phun Lát máy. 5.2 Công nghệ khuôn với diaphragm đàn hồi Khuôn chân không Khuôn chân khônAg - autoclave Khuôn ép diaphragm. 5.3 Công nghệ tẩm áp lực Tẩm áp lực trong điều kiện thường Tẩm áp lực trong chân không 5.4 Công nghệ dập trong khuôn Dập trực tiếp Dập đúc Dập ép nóng 5.5 Công nghệ quấn Các phương pháp công nghệ Máy quấn 5.6 Công nghệ pulltrusion clip 6.MỘT SỐ SẢN PHẨM ĐƯỢC CHẾ TẠO TƯ VẬT LIỆU COMPOZITE Vỏ động cơ tên lửa Vỏ tên lửa, máy bay, tàu vũ trụ Bình chịu áp lực cao. Bộ quần áo cho nhà du hành vũ trụ. Chiếc Boeing 787 Dreamliner đầu tiên được lắp đặt tại Everett, Washington. Ảnh: Reuters 6.MỘT SỐ SẢN PHẨM ĐƯỢC CHẾ TẠO TƯ VẬT LIỆU COMPOZITE Ống dẫn xăng dầu composite cao cấp 3 lớp (Sử dụng công nghệ cuốn ướt của Nga và các tiêu chuấn sản xuất ống dẫn xăng, dầu). Ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn composite (hay còn gọi là ống nhựa cốt sợi thủy tinh); Ống dẫn nước thải, dẫn hóa chất composite; Ống thủy nông, ống dẫn nước nguồn qua vùng nước ngậm mặn, nhiễm phèn; ống dẫn dầu 6.MỘT SỐ SẢN PHẨM ĐƯỢC CHẾ TẠO TƯ VẬT LIỆU COMPOZITE Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất, tấm panell composite; Hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng; Hệ thống sứ cách điện, sứ polymer, sứ cilicon, sứ epoxy các loại sứ chuỗi, sứ đỡ, sứ cầu giao, sứ trong các bộ thiết bị điện, chống sét, cầu chì. 6.MỘT SỐ SẢN PHẨM ĐƯỢC CHẾ TẠO TƯ VẬT LIỆU COMPOZITE Lốp xe ô tô, xe máy, xe đạp; Vỏ tầu thuyền composite (vỏ lãi)..... Thùng rác công cộng Mô hình đồ chơi trẻ Làm tôn nhựa sợi thủy tinh. Tôn nhựa sợi thủy tinh Vỏ tàu thuyền compuzite 6.MỘT SỐ SẢN PHẨM ĐƯỢC CHẾ TẠO TƯ VẬT LIỆU COMPOZITE 6.MỘT SỐ SẢN PHẨM ĐƯỢC CHẾ TẠO TƯ VẬT LIỆU COMPOZITE 6.MỘT SỐ SẢN PHẨM ĐƯỢC CHẾ TẠO TƯ VẬT LIỆU COMPOZITE 6.MỘT SỐ SẢN PHẨM ĐƯỢC CHẾ TẠO TƯ VẬT LIỆU COMPOZITE Máy phát điện nano Máy biến nước biển thành nước ngọt được làm từ vật liệu compozite