CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE VÀ COMPOSITE DẠNG SANDWICH 1.1 Giới thiệu chung Ngày nay, sự phát triển, tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ ngày càng cao phục vụ cho những nhu cầu cuộc sống. Trong các ngành kỹ thuật, khoa học, công nghệ đặc biệt là các ngành công nghệ cao ngày càng có sự phát triển vượt bậc do được ứng dụng những thành tựu, những tiến bộ trong nhiều lĩnh vực. Trong kỹ thuật mỗi bước tiến hay những ghi nhận về những đột phá trong việc phát triển, ứng dụng của vật liệu sẽ mang lại ý nghĩa to lớn cho các ngành, lĩnh vực liên quan, nó luôn được xác định là nền tảng của mỗi sự phát triển, khi làm chủ được khoa học, kỹ thuật vật liệu thì đều có khả năng tiên phong trong phát triển lĩnh vực đó. Có thể khẳng định không có một ứng dụng, tiến bộ khoa học kỹ thuật nào lại không khai thác, phát triển những ưu thế của vật liệu, nếu có như vậy thì sẽ mãi tụt hậu.
Trong một số lĩnh vực, ngành như công nghệ hàng không, vũ trụ, công nghiệp đường sắt cao tốc, công nghiệp tầu biển [1]…những lĩnh vực đó càng cho thấy nhu cầu về phát triển và ứng dụng của vật liệu sẽ mang lại ý nghĩa to lớn hơn bao giờ hết đối với sự phát triển của chúng. Song song với sự phát triển, ứng dụng vật liệu, đặc biệt là nghiên cứu ứng dụng các loại vật liệu mới, vật liệu có tính chất đặc biệt… thì việc nghiên cứu, ứng dụng về kết cấu tương ứng với mỗi loại, kết cấu sử dụng vật liệu phức hợp…cũng đã được quan tâm nhiều và nó cũng trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng, đóng góp chung cho sự phát triển ngành vật liệu và kết cấu nói riêng hay trong kỹ thuật nói chung. Là loại vật liệu phức hợp, được tạo thành bằng cách kết hợp của nhiều hơn một loại vật liệu ban đầu, vật liệu composite (hay compozit) có thể có được các đặc tính mới theo mong muốn và hơn hẳn các đặc tính của các loại vật liệu ban đầu. Mặc dù đã được biết đến từ rất lâu đời nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới NguyÔn Quang H-ng 3 download by : skknchat@gmail.com LuËn v¨n th¹c sÜ Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp hình thành và bắt đầu phát triển vào những năm 1950 tại Mỹ.
Từ đó đến nay, khoa học và công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và những ứng dụng của nó đã cho thấy những hiệu quả cực kỳ to lớn đóng góp và thúc đẩy phát triển cho các ngành kỹ thuật và khoa học công nghệ. Ưu điểm lớn nhất của vật liệu composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân bố và các vật liệu thành phần để tạo ra vật liệu mới có độ bền theo mong muốn. Rất nhiều những đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại (nhẹ, chịu nhiệt tốt, chịu ăn mòn tốt, hấp thụ bức xạ tốt…) mà chỉ có composite mới đáp ứng được, vì vậy vật liệu composite giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới. Quá trình tạo nên composite là sự tiến hóa trong ngành vật liệu, từ vật liệu chỉ có một cấu tử người ta đã biết tận dụng tính ưu việt của các cấu tử để tạo ra các vật liệu có hai hay nhiều cấu tử (hợp kim), rồi từ ba nhóm vật liệu đã biết là kim loại, vật liệu vô cơ ceramic và hữu cơ polyme, người ta đã tìm cách tạo ra composite – vật liệu của các vật liệu – để kết hợp và sử dụng kim loại – hợp kim, các vật liệu vô cơ và hữu cơ một cách đồng thời, hợp lý.
Và hiện nay là nanocomposite, super-composite: composite của composite (loại vật liệu mà các thành phần của nó cũng là composite) Những năm gần đây, vật liệu composite được quan tâm phát triển theo một số hướng như: phát triển vật liệu theo công nghệ mới, phát triển vật liệu với tính chất cơ, hóa, lý đặc biệt. Một số ví dụ cụ thể cho thấy rõ hiệu quả của việc sử dụng vật liệu composite, tàu lượn Antonov-124 của Nga được xuất xưởng vào những năm 1980 của thế kỷ 20 sử dụng composite polyme sợi cacbon (CPSC) (Bảng 1): NguyÔn Quang H-ng 4 download by : skknchat@gmail.com LuËn v¨n th¹c sÜ Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp Bảng 1: Mức độ sử dụng Composite polyme sợi cacbon những năm1980 1 Khối lượng sử dụng CPSC( kg) 2200 2 Số các chi tiết chế tạo từ CPSC ( cái ) 200 3 Giảm được trọng lượng máy bay (kg) 800 4 Tăng hệ số sử dụng vật liệu: (%) 85 5 Giảm số lượng các chi tiết:(%) 120 6 Giảm mức độ phức tạp khi chế tạo: (%) 300 7 Tiết kiệm hợp kim nhôm:(kg) 600 8 Tăng khối lượng chuyển tải ( tấn.106 9 Tiết kiệm nhiên liệu:(tấn) 1,2.104 Một trong các đặc tính nổi bật của vật liệu composite là giảm được đáng kể khối lượng cho kết cấu, nó được đặc biệt chú ý tới trong lĩnh vực hàng không, vũ trụ. Thông thường để vận chuyển 1kg lên vũ trụ tiêu tốn khoảng 20000USD – 30000USD, với việc đưa composite vào chế tạo máy bay, tàu không gian, tên lửa… mang lại lợi ích to lớn về nhiều mặt và đặc biệt là kinh tế. Ở Việt Nam, mặc dù mới tiếp cận với vật liệu composite từ cuối những năm 80 của thế kỷ trước nhưng việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng của vật liệu này đã có những bước đi đáng kể, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống, kinh tế, xã hội nhưng trong các ngành công nghiệp hàng hải, tàu biển, xây dựng, công nghiệp ô tô… nhưng so với tiềm năng phát triển thì những kết quả đó vẫn còn được xem là khiêm tốn, do thời gian ứng dụng và phạm vi ứng dụng chưa nhiều, việc sản xuất nhỏ lẻ, kỹ thuật và công nghệ còn chưa đủ đáp ứng cho những nghiên cứu, sản suất ở mức độ đòi hỏi cao hơn.
Bên cạnh đó, vật liệu composite vẫn còn vấp phải sự cạnh tranh gay gắt của những vật liệu truyền thống, mặc dù vậy thì sự phát triển mạnh mẽ và lấn át của nó sẽ là điều hiển nhiên phù hợp với sự phát triển chung của xã hội khi mà nó đáp ứng đủ các yêu cầu về mặt kỹ thuật, công nghệ và yếu tố thị trường. Vật liệu composite thường được chia ra làm hai dạng vật liệu cấu thành chính, thứ nhất là một pha liên tục làm nhiệm vụ gắn kết được gọi là vật liệu nền (matrix) NguyÔn Quang H-ng 5 download by : skknchat@gmail.com LuËn v¨n th¹c sÜ Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp và thứ hai là vật liệu cốt hay vật liệu gia cường (reinfocement) thường là một pha gián đoạn: o Vật liệu nền: thường được sử dụng với chất liệu nền polyme nhiệt rắn, polyme nhiệt dẻo, nền cacbon, nền kim loại. o Vật liệu cốt: Nhóm sợi khoáng chất được sử dụng nhiều làm vật liệu cốt như: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm; nhóm thứ hai cũng được sử dụng tương đối nhiều đó là nhóm sợi tổng hợp ổn định nhiệt: Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil; các nhóm sợi khác thì ít phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa,.; sợi gốc khoáng chất: sợi Amiăng, sợi Silic,.; sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron,.; sợi kim loại: thép, đồng, nhôm,. Từ những đặc điểm về kết cấu như vậy, vật liệu composite thường có một số tính chất chung như sau: o Khối lượng riêng nhỏ: Tính năng cơ, lý riêng cao hơn các vật liệu truyền thống khác (gỗ, gốm, sứ…) rất nhiều; o Chịu được môi trường khắc nghiệt, kháng hóa chất cao, ít tốn kém trong việc bảo quản chống ăn mòn; o Cách nhiệt, cách điện tốt; o Bền lâu; o Đơn giản trong công nghệ chế tạo, gia công, tạo hình, chi phí gia công thấp; o Độ bền mỏi cũng như khả năng chịu phá hủy cao; o Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính cơ tính của vật liệu composite: - Bản chất vật liệu: cốt, nền; - Độ bền liên kết ở mặt tiếp xúc pha; - Tỉ lệ vật liệu: cốt, nền; - Hình dạng và kích thước vật liệu gia cường; - Sự phân bố và định hướng của vật liệu gia cường.
NguyÔn Quang H-ng 6 download by : skknchat@gmail.com LuËn v¨n th¹c sÜ Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp Bảng 2: Một số tính chất của vật liệu kim loại và vật liệu composite. Giới Module Tỉ trọng Module Giới hạn Giới hạn đàn hồi/tỉ STT Vật liệu riêng đàn hồi bền kéo hạn bền/tỉ trọng (g/cm3) (Mpa) (Mpa) chảy trọng riêng riêng 1 SAE 101 stell 7.7 alloy 4 Ti-6Al-4V alloy 4.9 H-trength 5 Cacbon fiber- 1.9 epoxy matrix H-modulus 6 Cacbon fiber- 1.5 epoxy matrix E-glass fiber- 7 1.2 epoxy matrix Kevlar 49 fiber- 8 1.8 epoxy matrix Boron fiber- 9 6061 A1 alloy 2.1 matrix Bảng 3: Đặc tính nhiệt của một số vật liệu. Hệ số giãn Tỉ số độ dẫn Tỉ trọng Độ dẫn nhiệt STT Vật liệu nở nhiệt nhiệt/tỉ trọng riêng (g/cm3) (W/moK) (10-6/oC) riêng 1 Thép các bon 7.6 3 Hợp kim nhôm 2.5 4 Ti-6Al-4V alloy 4.51 NguyÔn Quang H-ng 7 download by : skknchat@gmail.com LuËn v¨n th¹c sÜ Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp 5 Invar 8.7 fiber-epoxy matrix Glass fiber-epoxy 7 2.12 matrix Với những ưu điểm nổi bật đó, vật liệu composite ngày càng được phổ biến trong nhiều lĩnh vực, khởi đầu từ nhưng ứng dụng trong một số ngành kỹ thuật cao, hàng không, vũ trụ.và dần phổ biến trong các ngành xây dựng, công nghiệp nói chung và trong dân dụng (bảng 4). Bảng 4: Một số ứng dụng ban đầu của vật liệu composite trên máy bay quân sự Tỉ lệ giảm trọng STT Model Bộ phận/kết cấu Vật liệu lượng so với VL kim loại (%) F14 (1969) Stabilizer box Boron-fiber 1 19 epoxy F15 (1975) Wing fairings Cacbon-fiber 2 25 epoxy F17 (1977) Fin leading edge Boron-fiber 3 23 epoxy F/A 18 (1978) Wing skins Cacbon-fiber 4 35 epoxy AV-8B Wing skins, Cacbon-fiber 5 25 (1982) structure epoxy Để thuận tiện trong nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng người ta xếp vật liệu composite thành các lớp, các nhóm theo các tiêu chí chung nhất định: oTheo vật liệu: Composite polyme, composite cacbon-cacbon, composite gốm, composite kim loại, composite gỗ, composite tạp lai….; oTheo bản chất vật liệu nền và cốt: Composite nền hữu cơ, composite nền khoáng chất, composite nền kim loại.; NguyÔn Quang H-ng 8 download by : skknchat@gmail.com LuËn v¨n th¹c sÜ Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp oTheo hình dạng cốt liệu: Composite cốt hạt, composite cốt sợi, composite cốt hạt và sợi; oTheo công nghệ chế tạo: Công nghệ khuôn tiếp xúc, công nghệ khuôn với diaphragm đàn hồi, công nghệ tẩm, công nghệ dập, công nghệ quấn và công nghệ pulltrustion.