phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và các phụ lục, còn có các phần nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Thực nghiệm và phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 3: Kết quả và bàn luận Kết luận và kiến nghị. xi do an CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu vật liệu composite 1. Lịch sử ra đời và phát triển của vật liệu composite Vật liệu composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm trƣớc Công nguyên ngƣời cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống ,ví dụ nhƣ sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm.
Ngƣời Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu composite từ khoảng 3.000 năm trƣớc Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan bằng tre thát mùn cƣa và nhựa thông hay các vách tƣờng đan tre trát bùn với rơm là những sản phẩm composite đƣợc áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội. Ngƣời Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng. Sự phát triển của vật liệu composite đã đƣợc khẳng định và mang tính đột phá vào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh, Fillis và Foster dùng sợi thủy tinh gia cƣờng trên nền polyester không no và giải pháp này đã đƣợc áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến thế giới lần thức hai. Năm 1950 bƣớc đột phá quan trọng trong ngành vật liệu composite đó là sự xuất hiện nhựa epoxy và các sợi gia cƣờng nhƣ nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền chất dẻo đã đƣợc đƣa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự và ô tô, v.v… Đặc biệt góp phần rất lớn cho sự phát triển về cả hình thức thể hiện lẫn phong phú thêm vật liệu xây dựng ứng dụng trên toàn thế giới, trong đó có Việt Nam.1 cho thấy một vài ứng dụng của vật liệu composite trong ngành ô tô.
Trong ngành công nghiệp xây dựng thì thị phần của vật liệu composite tăng lên đáng kể, cụ thể là ngày nay compsite dần thay thế các cấu trúc xi măng. Đối với lĩnh vực hàng tiêu dùng, có sự gia tăng đáng kể trong hàng tiêu dùng hằng ngày cũng nhƣ giải 1 do an trí cụ thể là các thiết bị thể thao. Giao thông là lĩnh vực ứng dụng sâu rộng nhất đối với các loại vật liệu này. Có sự khác nhau về tính năng của vật liệu composite giữa Mỹ và các nƣớc châu Âu.
Ngƣời châu Âu thì chú trọng đến khả năng tái sử dụng và khối lƣợng của vật liệu, ngƣời Mỹ thì nhấn mạnh đến độ bền của vật liệu. Điều này ảnh hƣởng đến loại polymer đƣợc sử dụng. Ở Mỹ thì loại nhựa nhiệt rắn đƣợc ƣu tiên hơn, trong khi đó các nƣớc châu Âu lựa chọn nhựa nhiệt dẻo [1]. Vật liệu composite ứng dụng trong ô tô Thị phần vật liệu composite nền nhựa năm 2015 trên toàn thế giới là 5.73 triệu tấn hoặc khoảng 15 tỷ USD.
Mỹ, các nƣớc châu Âu, châu Á Thái Bình Dƣơng là các nƣớc chiếm thị phần lớn nhất, lần lƣợc là 31%, 27% và 26% đƣợc thể hiện cụ thể ở bảng 1. Thị phần vật liệu composite nền nhựa năm 2015 Thị trƣờng (2001) Số lƣợng (tỷ USD) Mức tăng hằng năm (%) Tây Âu $5.8 Châu Á Thái Bình Dƣơng $5.6 Ở Việt Nam vật liệu composite đã có từ ngày xa xƣa, ngƣời xƣa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, 2 do an mát về mùa hè và ấm vào mùa đông. Vật liệu composite bắt đầu phát triển từ 1985, trên cơ sở nhựa polyester không no (UPE) và sợi thủy tinh [2] để tạo một số sản phẩm nhƣ cano, ghe xuồng nhỏ. Tuy nhiên vật liệu này thực phát triển 1995 đến nay, kể cả chất lƣợng và số lƣợng, đặc biệt đồng bằng sông Cửu Long các sản phẩm nhƣ: ghe, thuyền, nhà chống lũ.
Công nghệ chế tạo vật liệu composite nhanh chóng phát triển vƣợt bật. Sự ra đời của vật liệu composite là cuộc cách mạng về vật liệu nhằm thay thế cho vật liệu truyền thống ở những mục đích thích hợp trong công nghiệp và đời sống. Vật liệu truyền thống có những điểm khó hoặc không thể khắc phục đƣợc nhƣ: nặng (bê tông, gạch, sắt thép), dễ vỡ (sành, sứ), mối mọt, khai thác nhiều thì ảnh hƣởng môi trƣờng sinh thái (gỗ), sét gỉ, chi phí bảo dƣỡng cao (sắt thép), v.v… Những nhƣợc điểm này khiến cho việc tổ chức sản xuất, vận chuyển phức tạp, đắt tiền, đồng thời sử dụng không thuận tiện, chi phí bảo quản cao, v.v… Trái lại, với những ƣu điểm nêu trên, composite có thể khắc phục những nhƣợc điểm của vật liệu truyền thống. Vì vậy nó đƣợc ứng dụng vào những mục đích, những sản phẩm và ở những nơi mà những ƣu điểm của composite đƣợc phát huy một cách có hiệu quả, thỏa mãn đƣợc yêu cầu trong sử dụng.
Cho nên từ những năm 60 đầu thế kỷ 20, cùng với sự phát triển của công nghệ polymer, vật liệu composite đã không ngừng đƣợc phát triển cho đến ngày nay và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp và đời sống nhƣ: vật dụng gia đình, trang trí nội thất, tƣợng đài, cầu trƣợt, bể bơi, nhà cửa, tấm lợp, vách ngăn, ống dẫn, bồn chứa, bể xí tự hoại, vỏ ô tô, tàu thủy, xe lửa, máy bay, cấu kiện điện tử và cấu kiện cho ngành hang không vũ trụ… 1. Khái niệm vật liệu composite Vật liệu composite là một loại vật liệu đƣợc tổ hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau trong đó bao gồm vật liệu nền và cốt gia cƣờng, tạo nên một loại vật liệu mới có tính năng ƣu việt hơn so với từng thành phần vật liệu riêng lẻ. Vật liệu nền có vai trò định vị và giữ ổn định cấu trúc của chúng thƣờng đƣợc cấu tạo từ polyme, kim loại, hợp kim, gốm, vữa xi măng,… 3 do an Vật liệu cốt gia cƣờng đƣợc cấu tạo từ các sợi thuỷ tinh, sợi polyme, sợi gốm, sợi kim loại, sợi cacbon… hoặc là các loại hạt nhƣ kim loại và phi kim…[3] đƣợc thể hiện ở hình 1. Vật liệu nền Vật liệu cốt gia Hình 1.
Minh hoạ về vật liệu composite 1. Phân loại vật liệu composite Vật liệu composite đƣợc phân biệt theo bản chất và hình dạng của vật liệu thành phần [4]. Phân loại composite theo vật liệu nền - Composite nền hữu cơ: composite nền nhựa, nền nhựa đƣờng, nền cao su (tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xe máy). Loại nền này thƣờng có thể kết hợp với mọi dạng cốt liệu nhƣ: sợi hữu cơ (polyamit, kevlar, 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 đƣợc nhiệt độ tối đa là khoảng 200 - 300oC. - Composite nền khoáng (gốm): bê tông, bê tông cốt thép, composite nền gốm, composite cacbon – cacbon. Thƣờng loại nền này kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại (bo, thép), hạt kim loại, hạt gốm (gốm cacbua, gốm nitơ). - Composite nền kim loại: nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm,.
Thƣờng kết hợp với cốt liệu dạng: sợi kim loại (bo, thép), sợi khoáng (cacbon, SiC). Composite nền kim loại hay nền khoáng chất có thể chịu nhiệt độ tối đa khoảng 600 - 1000oC. Phân loại composite theo cốt Vật liệu composite phân loại theo cốt có 2 loại: composite cốt sợi và composite cốt hạt [3]. Composite gia cƣờng dạng hạt (Particulate reinforced composite) Composite gia cƣờng dạng hạt hình 1.3: là composite đƣợc gia cƣờng bởi các hạt với các hình dạng (hình cầu, que, vảy.) và cỡ kích khác nhau nhƣ bột gỗ, than đen, cao lanh, vảy mica, sắt, đồng, nhôm… Hình 1.
Composite gia cƣờng hạt Các vật liệu gia cƣờng hạt có kích cỡ macro, micro hoặc nano và thƣờng có độ cứng cao hơn vật liệu nền. Một số vật liệu gia cƣờng dạng hạt có thể cải thiện các tính chất của composite nhƣ giảm co ngót, chống chảy, kháng mài mòn, chịu nhiệt… Tuy nhiên, khả năng cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu gia cƣờng dạng hạt thƣờng bé hơn rất nhiều so với vật liệu gia cƣờng dạng sợi và phụ thuộc rất nhiều vào kết dính tại bề mặt ranh giới phân chia pha. Chính vì vậy, vật liệu composite hạt thƣờng đƣợc dùng trong các ứng dụng yêu cầu về độ bền không cao. Trong nhiều trƣờng hợp các hạt đƣợc sử dụng trong chế tạo composite nhằm mục đích giảm giá thành và tăng độ cứng sản phẩm.
Composite gia cƣờng dạng sợi Composite gia cƣờng sợi (Fibre reinforced composite – FRC) là composite có vật liệu gia cƣờng ở dạng sợi, ví dụ nhƣ composite sợi thủy tinh, composite sợi tự nhiên… Hình 1.5 mô tả cấu tạo của vật liệu composite gia cƣờng dạng sợi. Trong hệ composite này, sợi chịu tải trọng chính, vật liệu nền chỉ đóng vai trò phân bố tải trọng và truyền tải trọng sang sợi cũng nhƣ liên kết các sợi lại với nhau. Nói chung, mục đích chế tạo ra vật liệu composite gia cƣờng dạng sợi là tạo sản phẩm có modul riêng (modul/khối lƣợng riêng) và độ bền riêng (độ bền/khối lƣợng riêng) cao. Các sợi trong composite có thể đƣợc phân bố ngẫu nhiên hoặc có sự định hƣớng nhất định.
Composite gia cƣờng sợi Tùy thuộc vào tỉ số l/d (chiều dài/đƣờng kính) mà composite cốt sợi đƣợc phân thành composite sợi liên tục (dạng sợi dài) và composite sợi gián đoạn (dạng sợi ngắn) (Hình 1. Composite dạng sợi dài là composite có tỉ số l/d của sợi tối thiểu là 200. Ngƣợc lại, khi composite có có l/d của sợi nhỏ hơn 200 đƣợc xem là composite dạng sợi ngắn [3]. 6 do an Hình 1.
Composite gia cƣờng dạng sợi (a) Sợi dài (b) Sợi ngắn 1. Composite cấu trúc Composite cấu trúc gồm 2 loại chính: composite dạng lớp (laminate) và composite dạng tấm (sandwich panel). - Composite dạng lớp (Hình 1.7): đƣợc tạo thành từ các lớp cơ sở, lớp thứ nhất là lớp chịu lực (thƣờng là các composite cốt sợi đơn hƣớng) và lớp thứ hai đóng vai trò liên kết (thƣờng là vật liệu đồng nhất) hoặc có thể đƣợc tạo thành từ cùng một loại vật liệu (thƣờng là các composite cốt sợi đơn hƣớng), gồm nhiều lớp sắp xếp đổi hƣớng các lớp cho phù hợp yêu cầu thiết kế rồi ép lại sẽ thu đƣợc các bán thành phẩm dạng tấm dùng trong xây dựng nhà cửa, làm vỏ thân cánh và đuôi các loại máy bay… Hình 1. Composite dạng lớp - Composite dạng tấm (hình 1.