phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục trong luận văn gồm có các chƣơng nhƣ sau : Chƣơng 1: TỔNG QUAN Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về vật liệu polyme compozit 1. Lịch sử phát triển Vật liệu compozit có lịch sử phát triển rất sớm, ngay từ khi hình thành nền văn minh của nhân loại. Nhƣng việc chế tạo vật liệu polymer compozit (PC) mới đƣợc thực sự chú ý trong 40 năm trở lại đây.
Mục đích chế tạo vật liệu PC là làm sao phối hợp đƣợc các tính chất mà mỗi vật liệu ban đầu không thể có đƣợc. Nhƣ vậy, có thể chế tạo vật liệu compozit từ những cấu tử mà bản thân chúng không thể đáp ứng đƣợc các yêu cầu đối với vật liệu. Khái niệm về vật liệu polyme compozit Vật liệu polyme compozit (PC) là hệ thống gồm hai hay nhiều pha, trong đó pha liên tục là polyme. Tùy thuộc vào bản chất của các pha khác vật liệu PC đƣợc phân thành các loại [12, 25]: - Vật liệu có phụ gia phân tán - Vật liệu đƣợc gia cƣờng bằng sợi ngắn - Vật liệu đƣợc gia cƣờng bằng sợi liên tục - Vật liệu đƣợc độn khí hay xốp - Vật liệu là hỗn hợp polyme – polyme (polyme blend) 1.
Thành phần của vật liệu polyme compozit Vật liệu PC nói chung đƣợc cấu tạo từ hai thành phần cơ bản là nền và chất gia cƣờng, ngoài ra còn có một số chất khác nhƣ chất mầu, phụ gia chống dính, chất chống cháy… 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đối với vật liệu PC, khả năng liên kết của các thành phần với nhau là rất quan trong. Vật liệu càng bền khi các thành phần liên kết với nhau càng chặt chẽ [1, 5]. Nhựa nền [5] Nhựa nền là pha liên tục, đóng vai trò liên kết toàn bộ các phần tử gia cƣờng thành một khối compozit thống nhất, che phủ, bảo vệ tránh tác động của môi trƣờng bên ngoài đồng thời truyền ứng suất lên chúng. Không những thế, nhựa nền còn tạo khả năng để gia công vật liệu compozit thành các chi tiết theo thiết kế.
Tính chất của nền ảnh hƣởng mạnh không chỉ đến chế độ công nghệ mà còn đến các đặc tính sử dụng của compozit nhƣ: nhiệt độ làm việc, độ bền, khối lƣợng riêng, khả năng chống tác dụng của môi trƣờng bên ngoài… Do vậy, nhựa nền cần đảm bảo các yêu cầu sau: - Có khả năng thấm ƣớt tốt hoặc tạo đƣợc sự kết hợp về hóa học với vật liệu gia cƣờng. - Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra do co ngót thể tích. - Phù hợp với các điều kiện gia công thông thƣờng đƣợc dùng để chế tạo vật liệu compozit theo ý muốn. - Bền môi trƣờng ở các điều kiện sử dụng vật liệu PC.
- Giá thành phù hợp. Trên thực tế có rất nhiều hệ nhựa đƣợc dùng làm nền cho vật liệu compozit. Chúng có thể là nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt rắn Nhƣạ nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hòa tan và đóng rắn khi đun nóng (có hoặc không có xúc tác).
Sản phẩm sau đóng rắn có cấu trúc không gian không thuận nghịch nghĩa là không nóng chảy và không hòa tan. Một số nhựa nhiệt rắn thƣờng 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đƣợc sử dụng để sản xuất các kết cấu từ compozit: phenolfomandehyt, polyeste, epoxy… Nhựa nhiệt dẻo Compozit nền nhựa nhiệt dẻo có độ tin cậy cao bởi mức độ ứng suất dƣ này sinh trong những giờ đầu tiên ngay sau khi tạo thành sản phẩm rất thấp. Ƣu điểm nữa là về mặt công nghệ: giảm công đoạn đóng rắn, khả năng thi công tạo dáng sản phẩm dễ thực hiện và có thể khắc phục những khuyết tật trong quá trình sản xuất và tận dụng phế liệu hoặc gia công lại lần thứ hai… Nhƣợc điểm chính của compozit nền nhựa nhiệt dẻo là không chịu đƣợc nhiệt độ cao. Tuy nhiên, nền polyme nhiệt dẻo đang đƣợc quan tâm nghiên cứu do khả năng ứng dụng rất rộng rãi và khả năng tái sinh chúng.
Một số nhựa nhiệt dẻo thƣờng đƣợc dùng làm nền cho compozit: polyetylen, polypropylen… 1. Chất gia cường Chất gia cƣờng đóng vai trò chịu ứng suất tập trung trong vật liệu, làm tăng đáng kể độ bền của vật liệu. Cấu trúc, hàm lƣợng, hình dáng và kích thƣớc, tƣơng tác của chất gia cƣờng và nhựa nền cũng nhƣ độ bền liên kết giữa chúng ảnh hƣởng đến tính chất của vật liệu PC và quyết định khả năng gia công của vật liệu. Sự liên kết giữa chất gia cƣờng và polyme đƣợc quyết định bởi tính chất hóa học ban đầu của polyme và đặc trƣng hình học và hóa học của chất gia cƣờng.
Liên kết bền đƣợc tạo thành khi giữa chất gia cƣờng và nền polyme xuất hiện những liên kết hóa học hay lực bám dính [24]. Chất gia cƣờng có thể ở dạng bột hoặc dạng sợi Chất gia cƣờng dạng sợi Chất gia cƣờng dạng sợi có khả năng gia cƣờng rất lớn, do đó vật liệu có độ bền cơ lý cao hơn rất nhiều so với vật liệu gia cƣờng dạng bột. Việc lựa chọn loại 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com sợi phụ thuộc vào giá thành và các đặc tính, tính chất của sợi. Để sử dụng làm chất gia cƣờng sợi cần có độ bền và độ bền nhiệt cao, tỷ trọng thấp… Sợi đƣợc sử dụng làm chất gia cƣờng có thể ở dạng liên tục (sợi dài, vải…) hay gián đoạn (sợi ngắn, vụn, mạt…).
Một số cốt dạng sợi thƣờng đƣợc sử dụng: sợi cacbon, sợi thủy tinh, sợi aramit, sợi đay, sợi tre, sợi dừa… Chất gia cƣờng dạng bột Chất gia cƣờng dạng bột vừa đóng vai trò chất gia cƣờng, vừa đóng vai trò chất độn. Bản chất hóa học, các tính chất của hạt, khả năng liên kết giữa bề mặt hạt và nền quyết định khả năng gia cƣờng của chúng: làm tăng độ cứng, giảm độ co ngót, tăng khả năng chống cháy, tăng độ bền nhiệt, điện, hóa, quang… Chất gia cƣờng dạng hạt cần có kích thƣớc nhỏ, đồng đều, phân tán tốt, có khả năng hấp thụ nhựa nền tốt trên toàn bộ bề mặt và phải có giá thành hợp lý, dễ kiếm. Một số chất gia cƣờng dạng bột thông dụng: đất sét, cao lanh, bột nhẹ, mica, bột talc, dioxit silic, oxit nhôm, hydroxit nhôm. Chất gia cường dạng hạt kích thước nano Vật liệu polyme nanocompozit sử dụng các chất gia cƣờng dạng hạt có kích thƣớc nano đƣa vào các polyme có nhiều tính chất ƣu việt.
Hơn nữa bản thân các chất gia cƣờng này có mật độ khuyết tật rất thấp vì kích thƣớc chúng cũng xấp xỉ các khuyết tật, từ đó tạo nên các vật liệu nanocompozit có tính cơ lý vƣợt trội so với các compozit truyền thống. Đặc biệt do kích thƣớc nhỏ ở mức độ phân tử nên khi kết hợp với các pha nền có thể tạo ra các liên kết vật lý nhƣng tƣơng đƣơng với liên kết hoá học, vì thế cho phép tạo ra các vật liệu có tính chất mới, tạo ra các polyme có rất nhiều ứng dụng trong thực tế. Các chất gia cƣờng đƣợc sử dụng phổ biến nhƣ: sợi cacbon, bột talc, hạt silica, clay, bột canxi cacbonat… 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Giới thiệu về vật liệu BaTiO3 pha tạp Zr kích thƣớc nano Hạt áp điện là những loại hạt mà khi phân tán chúng trong vật liệu thì vật liệu đó có khả năng tạo ra một điện áp (dòng điện hay sự chênh lệch về thế) khi có tác dụng của một ứng suất cơ học (kéo hoặc nén) làm biến đổi kích thƣớc của vật liệu, hiệu ứng đó ngƣời ta gọi là hiệu ứng điện thuận.
Ngƣợc lại, tác động của điện trƣờng sẽ tạo nên một biến dạng cơ học của vật liệu, gọi là hiệu ứng điện nghịch. Hiệu ứng áp điện có thể thấy trong các vật liệu vô cơ nhƣ thạch anh SiO2, bari titanat BaTiO3, chì zirconat PZT, kẽm oxit, nhôm nitrit hay trong các vật liệu hữu cơ nhẹ polyvinyl điflo (CH2F2)n hay trong các đối tƣợng sinh học nhƣ tóc và xƣơng. Mặc dù đƣợc phát hiện ra từ năm 1880 nhƣng mãi đến những năm 1950 vật liệu này mới đƣợc ứng dụng rộng rãi. Trong suốt nửa thập kỷ vừa qua, vật liệu gốm PZT (PbZr1-xTixO3) đƣợc các nhà khoa học nghiên cứu và chứng minh đƣợc rằng nó có hệ số áp điện tƣơng đối lớn (d33 = 220 ÷ 590 pC/N).
Cũng chính vì thế mà hầu hết những ứng dụng áp điện, từ pin điện thoại đến kính hiển vi điện tử xuyên ngầm công nghệ cao (high-tech scanning-tunneling microscope), đều sử dụng vật liệu áp điện PZT. Tuy nhiên, Pb là một nguyên tố gây nguy hiểm cho con ngƣời đồng thời là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trƣờng toàn cầu nếu sử dụng nhiều. Cho nên, việc tìm kiếm các vật liệu có hằng số điện môi lớn không chứa Pb là một vấn đề có ý nghĩa lớn cho khoa học, công nghệ và ứng dụng vật liệu điện môi. Bari titanat gần đây đã thu hút sự chú ý do nhu cầu sử dụng vật liệu áp điện không sử dụng chì và có ý nghĩa lớn về mặt khoa học công nghệ ứng dụng.
Vật liệu BaTiO3 đƣợc chế tạo với kích thƣớc nano, khi vật liệu này càng nhỏ và kích thƣớc càng đồng đều thì tính chất áp điện (hay kể cả một số tính chất vật lý khác) càng đƣợc thể hiện một cách rõ nét. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc perovskit Cấu trúc tinh thể của BaTiO3 giống hoàn toàn với cấu trúc perovskit tự nhiên CaTiO3 với cấu trúc dạng A(II)B(IV)O3 và có dạng lập phƣơng thuộc nhóm Pm- 3m. Trong cấu trúc tinh thể, B là cation có 6 liên kết với oxi còn A có số liên kết với oxi là 12.
Trong cấu trúc lý tƣởng, độ dài liên kết B-O là a/2 (a là kích thƣớc ô mạng lập phƣơng đơn vị), còn độ dài liên kết A-O là a/√2, do đó biểu thức liên hệ giữa các bán kính ion: rA + rO = √2(rB + rO) Trong đó: rA, rB và rO là bán kính các ion A, B và O. Ngƣời ta thấy rằng cấu trúc lập phƣơng vẫn đƣợc giữ khi phƣơng trình trên không hoàn toàn đúng. Thừa số dung sai τ, đƣợc định nghĩa bằng phƣơng trình sau: (R A +R B ) τ= 2(R B +R O ) Trong đó: RA, RB, RO lần lƣợt là bán kính của các ion A, B và O. Cấu trúc lập phƣơng của BaTiO3.
Phƣơng trình đƣợc áp dụng ở nhiệt độ phòng. Trong thực tế cấu trúc lập phƣơng perovskit xuất hiện khi 0,75 < τ < 1.