CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu vật liệu composite 1. Khái niệm vật liệu composite Vật liệu composite là vật liệu được tạo từ hai hay nhiều vật liệu khác biệt, với mỗi thành phần lại có những đặc trưng cơ- lý- hóa riêng biệt, khi tổng hợp chúng lại sẽ cho một vật liệu hoàn toàn mới có tính chất vừa trội so với những vật liệu ban đầu [1]. Vật liệu mới đó được gọi là vật liệu composite, từ “Composite” xuất phát từ gốc tiếng Anh có nghĩa là “hỗn hợp, tổng hợp, phức hợp…” Trong nhiều tài liệu khoa học, thuật ngữ “vật liệu mới” chính là “vật liệu composite”.
Hai thành phần chính của vật liệu composite thường là vật liệu nền và vật liệu gia cường (cốt) được minh họa ở hình 1. Ngoài ra có thể các chất phụ gia như: chất chống cháy, chống chảy, chống UV, chống tạo bọt, chống oxi hóa. Hình TỔNG QUAN.1 Minh hoạ về vật liệu composite 1. Lịch sử hình thành vật liệu composite Loài người lần đầu tiên biết sử dụng đến vật liệu composite từ những năm 1500 trước Công Nguyên khi những người Ai Cập cổ đại và Lưỡng Hà sử dụng hỗn hợp bùn và rơm để xây dựng những tòa nhà vững chắc và bền bỉ.
Rơm tiếp tục được sử dụng làm vật liệu gia cường cho sản phẩm composite cổ xưa như thuyền và gốm. Sau đó vào năm 1200 sau Công Nguyên, người Mông Cổ chế tạo làm bằng vật liệu composite đầu tiên bằng việc sử dụng kết hợp gỗ, xương và “keo động vật”, những chiếc cung này đã được ép và bộc bằng vỏ cây bạch dương. 1 Thời đại của vật liệu composite chưa thực sự bắt đầu cho đến khi các nhà khoa học phát minh ra các loại nhựa tổng hợp. Cho đến lúc đó, nhựa tự nhiên được lấy từ thực vật và động vật cũng là nguồn gốc ban đầu của keo và chất kết dính.
Vào đầu những năm 1900, các loại nhựa như vinyl, polystyrene, phenolic và polyester đã được tổng hợp. Những loại nhựa mới được tổng hợp này vượt trội hơn nhựa có nguồn gốc từ tự nhiên, nhưng chỉ riêng nhựa thì không đủ cung cấp độ cứng và cơ tính cho vật liệu. Năm 1935, Owens Corning lần đầu tiên giới thiệu sợi thủy tinh và công bố ngành công nghiệp vật liệu Polymer gia cường cốt sợi. Năm 1936 nhựa polyester không no được cấp bằng sáng chế, do đặc tính đóng rắn của chúng, nhựa polyester là sự lựa chọn hàng đầu cho các loại nhựa trong sản xuất hiện nay.
Năm 1946, Brandth Goldsworthy đã phát triển các quy trình sản xuất và các sản phẩm mới như thuyền phục vụ thương mại, ván lướt sóng. Ngoài ra, ông còn phát minh ra quy trình sản xuất Pultrusion. Đầu những năm 1950, sản xuất tiếp tục được đổi mới với sự phát triển của công nghệ Pultrusion, túi chân không và các cuộn dây tóc quy mô lớn. Những vật liệu tổng hợp này vẫn được sử dụng trong các ứng dụng ngày nay.
Cuộn dây tóc là một ví dụ về vật liệu composite trong ngành hàng không vũ trụ. Nó trở thành nguyên liệu chế tạo cho các động cơ tên lửa quy mô lớn, thúc đẩy việc tiến vào không gian trong những năm 1960 đến nay. Năm 1961, sợi cacbon đầu tiên được cấp bằng sáng chế và được thương mại hóa chỉ sau một vài năm. Sợi cacbon cải tiện từ tính chất cơ lý đến tỷ lệ trọng lượng, để ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô, hàng thể thao và hàng tiêu dùng cao cấp.
Vào những năm 1960, hàng hải là ngành tiêu thụ vật liệu composite lớn nhất. Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự và ô tô… Nhờ ứng dụng của của vật liệu mới con người đã nâng tầm cao, tầm xa và thời gian bay của các vật thể bay. Năm 1987, máy bay thử nghiệm Vogayer (tổ hợp Hercules Aerospace Company-Mỹ sản xuất) nặng vỏn vẹn có 450Kg, được chế tạo 100% vật liệu composite, đã thực hiện thành công chuyến bay liên tục không nghỉ vòng quay trái đất. Không chỉ dừng lại ở bước thử nghiệm, các nhà khoa học đang thiết kế, chế tạo máy bay 2 siêu tốc, chủ yếu từ composite, bay trên tầng khí quyển với vận tốc gấp 25 lần tốc độ truyền âm trong không khí [2].
Nhờ ứng dụng vật liệu mới, đã có những chuyến bay dài ngày của các vệ tinh, tàu vũ trụ và con người trong không gian, đảm bảo cho hoạt động của hệ thống viễn thông quốc tế.2 cho thấy sự thay đổi tỷ lệ thành phần tạo nên một chiếc máy bay khi vật liệu composite xuất hiện. Hình TỔNG QUAN.2 Tỷ lệ thành phần vật liệu của một chiếc máy bay 1. Tính chất của vật liệu composite Các yếu tố chính giúp thúc đẩy việc sử dụng vật liệu composite là giảm khối lượng của vật liệu, chống ăn mòn và giảm chi phí. Với các ưu điểm khác như tăng cường khả năng chống va đập, tăng cường độ bền mỏi, khả năng cách âm hay cách nhiệt tốt, hệ số giãn nhiệt và cách nhiệt thấp…[3].
Ngoài ra vật liệu composite còn có những tính chất chung làm chúng ngày càng được phổ biến là: Vật liệu composite có những tính năng ưu việt so với các vật liệu thành phần. Linh hoạt trong việc lựa chọn vật liệu thành phần, tỷ lệ phối trộn, phương pháp gia công để tạo ra nhiều sản phẩm có tính năng đa dạng đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của con người. Linh hoạt trong việc tạo ra hình dạng, kích thước, kết cấu theo yêu cầu người sử dụng. Tuổi thọ sản phẩm cao, dễ sửa chữa khi hư hỏng.
Phân loại vật liệu composite Vật liệu composite được phân biệt theo bản chất và hình dạng của vật liệu thành phần. Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường Vật liệu composite phân loại theo vật liệu gia cường bao gồm composite cốt sợi và composite cốt hạt. Composite cốt sợi Composite cốt sợi là composite được gia cường với sợi với các hình dạng sợi khác nhau được minh họa trong hình 1. Ví dụ: sợi thủy tinh, sợi xenlulo, sợi cacbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide….
Composite cốt sợi có các đặc điểm như sau: Có tính năng cơ lý, hóa cao hơn độn dạng hạt. Giá thành cao hơn. Thường dùng để chế tạo các vật liệu cao cấp với mục đích gia cường cơ tính là chủ yếu. Composite cốt sợi thường phân thành 2 loại chính: Sợi liên tục (sợi dài, vải…): tỉ lệ chiều dài/đường kính (l/d) rất cao, d= 3-200 μm.
Sợi gián đoạn (sợi ngắn, vụn…): 5 < l/d <1000, d= 0. Hình TỔNG QUAN.3 Một số loại composite cốt sợi b. Composite cốt hạt 4 Composite cốt hạt là là composite được gia cường bởi các hạt với các dạng và kích cỡ khác nhau được minh họa ở hình 1. Một số cốt hạt như: silica, CaCO3, vảy mica, vẩy kim loại (sắt, đồng, nhôm), cao lanh, đất sét, bột talc, graphite, cacbon, bột gỗ… Mục đích sử dụng hạt làm vật liệu gia cường vì: Độn trơ: tăng thể tích làm giảm giá thành.
Độn tăng cường: Dùng để cải thiện một số tính chất của vật liệu composite như tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, khả năng chậm cháy… 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 cường sợi, giảm tỏa nhiệt khi đóng rắn. Hình TỔNG QUAN.4 Một số loại composite 1. Phân loại theo bản chất vật liệu nền Composite phân loại theo vật liệu nền thường có ba loại chính: Composite nền hữu cơ: nền là nhựa hữu cơ thường có thể kết hợp với dạng cốt liệu như: sợi hữu cơ (polyamit, kevlar, sợi aramit), 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 - 300oC.
Composite nền khoáng (gốm): nền là vật liệu gốm thường kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại (bo, thép), hạt kim loại, hạt gốm (gốm cacbua, gốm nitơ) có khả năng chịu nhiệt đến 1000oC. Composite nền kim loại: nền là các kim loại kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại (bo, thép), sợi khoáng (cacbon, SiC), có khả năng chịu nhiệt đến 600oC. Cấu tạo vật liệu composite Vật liệu composite được tạo thành do sự kết hợp của hai hay nhiều vật liệu để đạt được các tính chất (vật lý, hóa học…) vượt trội so với các thành phần riêng lẻ của nó. Các thành phần chính của vật liệu composite bao gồm vật liệu gia cường và vật liệu nền.
Gia cường cung cấp hầu hết độ cứng và cơ tính cho vật liệu, trong khi đó vật liệu nền là nơi liên kết và truyền tải ứng suất lên vật liệu gia cường khi có lực tác động từ bên ngoài. Ngoài ra, nó còn giúp chống lại sự ăn mòn từ môi trường và một số chất khác giúp cải thiện tính chất cụ thể, ví dụ chất độn được sử dụng để giảm chi phí và cải thiện khả năng cơ tính và ổn định kích thước [4]. Vật liệu gia cường Các thành phần cốt của vật liệu composite phải thỏa mãn được những đòi hỏi về khai thác và công nghệ. Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi như yêu cầu độ bền, độ cứng, khối lượng riêng, độ bền trong một khoảng nhiệt độ nào đó, bền ăn mòn trong môi trường axit, kiềm… Còn đòi hỏi về công nghệ đó là những đòi hỏi về khả năng công nghệ để sản xuất ra thành phần cốt và những vật liệu composite trên cơ sở những thành phần cốt này.
Hiện nay, thành phần cốt của composite thường dùng là các sợi ngắn, các sợi dài đơn, các dạng sợi tết (được tết xoắn gồm nhiều sợi lại với nhau), các cốt lướt vải, các băng dải sợi và các loại bông với tính năng cơ lý đã được xác định. Với các vật liệu composite polymer có pha nền là nhựa tổng hợp, các cốt thường là vải hoặc sợi thủy tinh, sợi aramit, sợi cacbon và sợi bor hoặc cốt sợi tạp lai. Mỗi loại sợi có tính năng ưu, khuyết và hiệu quả riêng (xem ở bảng 1. Ngoài ra, cũng sử dụng các loại sợi khác như sợi bazan, sợi xaphia, sợi cacbua silic, sợi polyetylen.
Vật liệu nền kim loại thường dùng sợi thép, vonfam, titan, beri… Các sợi độn cũng có thể là các sợi có tính không đồng nhất, bất tính hướng. Các sợi như sợi hữu cơ, sợi aramit, sợi cacbon và sợi bor có tính bất đẳng hướng cao. Sợi kim loại và sợi thủy tinh được xem là những sợi đẳng hướng nhất.