CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về vật liệu composite 1.1 Khái niệm composite Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp (mức độ vĩ mô) của hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm tạo ra vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu thành phần. Những đặc điểm chính của vật liệu composite gồm: - Là vật liệu nhiều pha. - Trong vật liệu composite có tỉ lệ, hình dạng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước. - Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của composite.
Tuy nhiên tính chất của composite không bao gồm tất cả tính chất của pha thành phần khi chúng đứng riêng lẻ mà chỉ lựa chọn những tính chất tốt và phát huy thêm [1-3].2 Cấu tạo của vật liệu composite Vật liệu composite bao gồm 3 thành phần chính: Thành phần nền + thành phần cốt + chất pha loãng (lớp sơn) [1-3] (xem hình 1.1: Cấu trúc của một tấm composite). Cấu trúc của một tấm composite. 6 * Thành phần nền: Vật liệu nền cần có độ cứng cần thiết để cho composite chịu được tải và cấu trúc đồng nhất của composite [1-3]. - Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo vật liệu composite.
- Vật liệu nền cần đáp ứng được yêu cầu khai thác và công nghệ. - Vật liệu nền có thể được tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất. - Một số loại vật liệu nền thường gặp: Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo làm nền [1-3]. - Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC.
gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy. - Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyester không no được gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polyme không no có thể tiến hành ở nhiệt độ thường và gia công bằng tay. Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu và cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo. - Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường: + Polyester không no (Nhựa Polyester): Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite.
Polyester thường là loại không no, có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp (xem hình 1. Hai loại polyester thường dùng trong công nghệ composite là orthophthalic và isophthalic, Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi. Còn nhựa isophthalic có khả năng kháng nước tuyệt vời nên là vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là hàng hải. Thời gian đề polyester tự đóng rắn chậm, vì vậy cần dùng chất xúc tác và chất xúc tiến để đạt tốc độ trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó.
7 Quá trình đóng rắn được gọi là quá trình polyme hoá. Đây là phản ứng hoá học một chiều cho phép nhựa chịu tải tốt mà không bị giòn. + Vinylester: Vinylester có cấu trúc tương tự như polyester. Tuy nhiên, vinylester có ít nhóm este hơn polyester, nhóm ester rất dễ bị thuỷ phân, tức là vinylester kháng nước tốt hơn các loại polyester khác do vậy thường dùng vật liệu này làm lớp phủ bên ngoài cho sản phẩm ngập trong nước như là vỏ ngoài của tàu, thuyền, ống dẫn, bồn chứa hóa chất.
+ Epoxy: Epoxy đại diện cho nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nói chung, epoxy có tính năng cơ lý, kháng môi trường hơn hẳn các loại nhựa khác, là loại nhựa được sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay. Nhựa epoxy không có nhóm ester, do đó khả năng kháng nước của epoxy rất tốt. Với tích chất kết dính và khả năng kháng nước tuyệt vời của mình, epoxy rất lý tưởng để sử dụng trong ngành đóng tàu.
Epoxy đóng rắn dễ dàng ở nhiệt độ từ 5 - 1500C. Ưu điểm nổi bật của epoxy là co ngót thấp khi đóng rắn. Lực liên kết, tính chất cơ lý của epoxy được tăng cường bởi tính cách điện và khả năng kháng hóa chất (xem hình 1. Ứng dụng của epoxy rất đa dạng, nó được dùng làm keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, bột trét, sơn.
* Thành phần cốt (chất độn): Chất độn đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa[1-3]. Người ta đánh giá chất độn dựa trên đặc điểm sau: - Tính gia cường cơ học - Tính kháng hóa chất, môi trường, nhiệt độ. - Phân tán vào nhựa tốt. - Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.
- Thuận lợi cho quá trình gia công. - Giá thành hạ, nhẹ. Tuỳ thuộc vào yêu cầu của từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu độn thích hợp. Có hai dạng độn: - Độn dạng hạt: Chất độn thường được sử dụng là: silica, CaCO3, vảy mica, vảy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, hay graphite, carbon, bột đá.
Khả năng gia cường cơ tính của chất độn dạng hạt được sử dụng với mục đích sau (xem hình 1. - Giảm giá thành. - Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện. - 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 đông rắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm tỏa nhiệt khi đóng rắn. - Độn dạng sợi: Sợi có tính năng cơ lý hoá cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn nên thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp. Cốt sợi cũng có thể là sợi tự nhiên như sợi gai, sợi đay, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông. có thể là sợi nhân tạo như: sợi thuỷ tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide.
Việc độn thêm các loại sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ học cũng như độ bền hoá học của vật liệu composite như: khả năng chịu được 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 được trong môi trường ăn mòn như: muối, kiềm, axit. + Sợi thuỷ tinh: Là chất vô cơ dẻo hơn sợi thực vật hoặc động vật, không thể thắt nút, đàn hồi hay giãn rộng ra, không cháy, không dẫn điện, không mục nát, không thấm nước và bền với hầu hết các axit (bền vững hơn bất kỳ sợi dệt nào). Sợi thuỷ tinh thường có dạng thô, sợi chỉ và sợi bện đã cắt đoạn; dạng tấm mỏng, chiếu đệm và các sản phẩm không dệt; dạng vải dệt từ các sợi thô. Sợi thuỷ 10 tinh thường được ứng dụng trong sản xuất composite polymer, chế tạo vỏ tàu thuyền, ôtô, vỏ xe máy, cánh quạt trong tua bin nước.5: Vải sợi thủy tinh dạng vải dệt và sợi bện đã cắt đoạn).
Vải sợi thủy tinh dạng vải dệt và sợi bện đã cắt đoạn. + Sợi hữu cơ: Có mô đun đàn hồi cao, độ bền cao khi kéo, ổn định cao về nhiệt độ, bền va đập, không chảy, tính cách điện cao. Sợi hữu cơ có 2 loại phổ biến: Sợi hữu cơ aramid và sợi polyetylen, nhiệt độ làm việc của composite sử dụng sợi hữu cơ thường dưới 2000C. Sợi hữu cơ được sử dụng rộng rãi để chế tạo thân, vỏ tên lửa, động cơ nhiên liệu rắn, bình, ống chịu lực gang tay cách nhiệt, mũ, áo giáp, thiết bị thể thao.6: Vải sợi carbon).
Vải sợi carbon. 11 * Chất pha loãng: Các chất pha loãng phải thoả mãn các điều kiện sau đây [1-3]: - Chất pha loãng phải đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm không đồng nhất làm ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm, hoặc còn sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền. - Chất pha loãng phải tạo hỗn hợp đồng chất 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.
- 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. Để đóng rắn polyester, người ta thường dùng các chất pha loãng: styrene, metyl meta acrylat (MMA), vinyl, triallyl xianuarat. trong đó styrene được sử dụng nhiều nhất do có những tính chất ưu việt: - Có độ nhớt thấp.
- Tương 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.3 Vật liệu composite lớp CFRP CFRP là viết tắt của Carbon Fiber Reinforced Polymer (composite polymer gia cường sợi carbon) là vật liệu nhẹ, mạnh được sử dụng trong sản xuất nhiều sản phẩm được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
Nó là một thuật ngữ được sử dụng để mô tả vật liệu composite cốt sợi sử dụng sợi carbon làm thành phần cấu trúc chính. Cần lưu ý rằng chữ "P" trong CFRP cũng có thể là viết tắt của "plastic" tức là nhựa thay vì "polymer" [1-3] (xem hình 1.7: Vật liệu composite lớp CFRP). Vật liệu composite lớp CFRP. Nói chung, vật liệu composite CFRP sử dụng nhựa nhiệt rắn như epoxy, polyester hoặc vinyl ester.
Mặc dù nhựa nhiệt dẻo cũng được sử dụng trong vật liệu tổng hợp CFRP, vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo sợi carbon thường được viết tắt riêng là CFRTP [1-3]. - Thuộc tính của vật liệu composite CFRP: Vật liệu composite, được gia cố bằng sợi carbon, khác với các vật liệu composite FRP khác sử dụng vật liệu truyền thống như sợi thủy tinh hoặc sợi aramid [1-3]. Vật liệu composite CFRP những ưu điểm: + Trọng lượng nhẹ: Một hỗn hợp gia cố sợi thủy tinh truyền thống sử dụng sợi thủy tinh liên tục với sợi thủy tinh 70% (trọng lượng thủy tinh / tổng trọng lượng), thường sẽ có mật độ 1,8 g mỗi cm khối. Trong khi đó, hỗn hợp CFRP, với cùng trọng lượng sợi 70%, thường có thể có mật độ 1,5 g mỗi cm khối.
+ Tăng sức mạnh: Không chỉ các vật liệu tổng hợp bằng sợi carbon có trọng lượng nhẹ hơn, mà vật liệu tổng hợp CFRP cũng mạnh hơn và cứng hơn trên mỗi đơn vị trọng lượng. Điều này đúng khi so sánh vật liệu composite sợi carbon với sợi thủy tinh, thậm chí còn hơn thế khi so sánh với kim loại. Ví dụ, khi so sánh thép với vật liệu tổng hợp CFRP là cấu trúc sợi carbon có độ bền tương đương thường sẽ nặng bằng 1/5 so với thép. Khi so sánh vật liệu composite CFRP với nhôm, một trong những kim loại nhẹ nhất được sử dụng.