Chương 1 - TỔNG QUAN 1. Vật liệu composite FGM Vật liệu composite là loại vật liệu được chế tạo nên từ hai hay nhiều loại vật liệu thành phần khác nhau. Mỗi thành phần lại có những đặc trưng cơ – lý – hóa riêng biệt và khi tổng hợp chúng lại sẽ tạo ra một vật liệu mới nh m đạt được các tính chất ưu việt như khối lượng nh , độ cứng và độ bền cao, khả năng kháng nhiệt, chống ăn mòn hoá học tốt,… Công dụng và đặc tính của vật liệu composite phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố [3]: các vật liệu thành phần của composite, cấu trúc sự phân bố của các thành phần, và công nghệ chế tạo. Khi thay đổi một trong ba yếu tố này sẽ dẫn đến thay đổi sang một dạng composite khác; chẳng hạn khi thay đổi vật liệu composite cốt sợi đồng phương 1D sang cấu trúc cốt sợi không gian 3D với cùng thành phần ban đầu chúng ta sẽ có vật liệu mới với môđun trượt có thể cao hơn gấp 2-3 lần.
Còn nếu là vật liệu 3D cacbon-cacbon thì khả năng kháng nhiệt có thể là 25000C đến 30000C. Chính nhờ những ưu điểm nổi trội mà không vật liệu tự nhiên nào có được, hiện nay, vật liệu composite đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: Y tế, Thể thao, Công nghiệp Dân dụng, Giao thông Vận tải, Xây dựng, Công nghiệp nặng, điện hạt nhân,… và đặc biệt là trong ngành Hàng không Vũ trụ. Chính nhờ có các đặc tính nổi trội của loại vật liệu mới composite mà việc khám phá vũ trụ của loài người đã thu được nhiều kết quả quan trọng và đưa ngành khoa học Vũ trụ có những bước tiến dài trong việc thực hiện mơ ước chinh phục Vũ trụ của con người. Để phân loại composite, người ta có 2 cách [3]: Trong công nghệ có thể dựa vào vật liệu nền, gọi tên theo vật liệu nền, như vật liệu composite polymer, composite kim loại (nền là kim loại hoặc hợp kim), composite gốm và composite carbon-carbon.
Nếu một trong các thành phần cấu thành nên composite có cấu trúc nano, composite khi đó được gọi là nano composite (khá phổ biến là composite nền polymer trộn các hạt nano hoặc các sợi ống nano). Trong cơ học, người ta phân loại composite theo kết cấu của các thành phần độn gia cường, theo đó có thể phân thành các loại như sau: composite cốt hạt hoặc sợi nhỏ phân tán; composite cốt sợi đồng phương, composite phân lớp, composite có cấu trúc không gian nD và composite có cấu trúc không gian nhiều pha nDm. + Vật liệu composite cốt hạt hoặc sợi nhỏ phân tán là một trong các mô hình cơ bản nhất của cơ học vật liệu composite [3]. Trong đó các hạt được đưa vào với mục đích làm tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mòn, giảm độ co ngót…Trong một số trường hợp hạt dùng để giảm giá thành sản phẩm mà không làm thay đổi cơ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 tính của vật liệu.
Cốt hạt trong vật liệu composite phổ biến là dạng hình cầu, sợi nhỏ phân tán để tránh sự tập trung ứng suất, qua đó giảm độ nhạy của vật liệu với các vết nứt. Cốt hạt khác cốt sợi ở đặc điểm là nó không có phương ưu tiên. + Vật liệu composite cốt sợi đồng phương [3, 4] là mô hình vật liệu trong đó thành phần cốt là các sợi được sắp xếp theo cùng một phương (ngang, dọc hoặc xiên). Cốt sợi gồm nhiều loại như: sợi thủy tinh; sợi các bon; sợi aramit, kevla,… + Vật liệu composite phân lớp [3, 4] là loại vật liệu tạo nên từ nhiều lớp có tính chất khác nhau được xếp chồng lên nhau.
Có thể là xơ, sợi, vải (thủy tinh, carbon,…). Mỗi lớp cần phải được chỉ r bản chất của sợi s dụng, loại vật liệu làm cốt, tỷ lệ sợi theo phương dọc ngang. Việc lựa chọn sợi của các lớp vật liệu phụ thuộc vào người s dụng sao cho thỏa mãn cao nhất tính bền, tính cứng khi chịu tải trọng. Trong đó ta thấy nếu các lớp là đồng phương sẽ cho cơ tính cao theo phương của sợi; nếu là các lớp mạt” sẽ chịu kéo kém và cần bố trí lại vùng chịu nén; nếu các lớp là vuông góc [0/90]n thì vật liệu dễ bị tách lớp; nếu vật liệu tăng cường theo cả ba phương ta sẽ được vật liệu 3D có cấu trúc không gian.
+ Vật liệu composite có cấu trúc không gian là vật liệu composite có cốt sợi độn được hướng theo nhiều phương khác nhau trong không gian [3]. Khác với vật liệu composite truyền thống như vật liệu composite phân lớp hay vật liệu composite cốt sợi đồng phương (1D - cốt sợi độn song song theo một phương nhất định). Composite cấu trúc không gian có độ bền, khả năng chịu lực, chịu va đập cũng như có độ cứng cao theo nhiều phương khác nhau. Chúng là vật liệu l tưởng cho ngành chế tạo máy, ngành hàng không vũ trụ.
Rất nhiều chi tiết phức tạp của vật thể bay như bánh lái, các điểm tiếp nối, loa phụt…của tên l a, các tấm chắn chịu lực, chịu nhiệt…của các vật thể bay được chế tạo từ vật liệu composite có cấu trúc không gian. Khi vật liệu composite được hướng theo n phương khác nhau trong không gian thì ta có sợi gia cường theo n phương khác nhau và k hiệu là nD. Thực tế hiện nay đã tạo ra được vật liệu Composite 3D, 4D, 6D, 9D, 11D…Nhưng các nhà cơ học đã tính toán và thấy r ng chỉ có composite 3D và 4D là có độ bền ưu việt hơn, đặc biệt composite 4D có mô đun trượt cao nhất [3]. Khi các cốt sợi được phân bố theo quá nhiều phương, khoảng cách gần nhau của chúng dẫn đến sự tập chung ứng suất bên trong và vì vậy làm giảm độ bền của vật liệu.
Khi vật liệu nền của composite nD lại được bổ sung thêm các hạt hoặc các sợi phân tán khác nhau, khi đó composite được cấu thành từ trên 3 thành phần khác nhau, và vật liệu như vậy được ký hiệu là composite nDm. Chỉ số m được ký hiệu để hiểu là vật liệu nền đã được bổ sung thêm từ pha thứ 3. Gần đây một số loại vật liệu composite có các chức năng thông minh đã ra đời nh m đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong việc chế tạo các kết cấu hiện đại và thoả mãn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 các điều kiện làm việc khắc nghiệt như là các vật liệu gia cường sợi SMA (shape memory alloy), vật liệu chức năng (có cơ tính biến đổi). Từ nguồn tài liệu mở có thể thấy loại vật liệu có cơ tính biến đổi điển hình và được quan tâm nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây là vật liệu composite hai thành phần được cấu thành từ các vật liệu ceramic và kim loại.
Vì vậy, trong Luận văn này cũng tập trung nghiên cứu sự ổn định của kết cấu tấm từ vật liệu FGM hai thành phần có cơ tính biến đổi như vậy. Vật liệu chức năng, hay còn được gọi là vật liệu có cơ tính biến đổi với tên quốc tế là Functionally Graded Material và thường được viết tắt phổ biến là FGM đã được phát triển và đặt tên bởi một nhóm các nhà khoa học vật liệu ở Viện Sendai của Nhật Bản vào năm 1984. Vật liệu này là một loại composite thế hệ mới, composite thông minh, ra đời như là kết quả của những đòi hỏi thực tế về một loại vật liệu có thể khắc phục được những nhược điểm của các loại kim loại truyền thống, đặc biệt là trong các kết cấu chịu nhiệt độ cao. Vật liệu có cơ tính biến đổi loại này được tạo thành từ hai loại vật liệu thành phần là ceramic và kim loại (hình 1) trong đó tỷ lệ thể tích của mỗi thành phần biến đổi (graded) một cách trơn và liên tục từ mặt này sang mặt kia theo chiều dày thành kết cấu cho phù hợp với thế mạnh đặc trưng của các vật liệu thành phần.
Do có mô đun đàn hồi cao cùng với hệ số truyền nhiệt và hệ số dãn nở nhiệt rất thấp nên thành phần ceramic làm cho vật liệu có cơ tính biến đổi có độ cứng cao và khả năng kháng nhiệt rất tốt. Trong khi đó thành phần kim loại làm cho vật liệu có cơ tính biến đổi trở nên mềm dẻo hơn, bền hơn và khắc phục sự rạn nứt có thể xảy ra do tính dòn của vật liệu ceramic khi chịu nhiệt cao (xem bảng 1). Tính chất của một số vật liệu thành phần của vật liệu FGM [70] Vật liệu Các tính chất E ( N / m2 ) (o C 1 ) K (W / mK ) (kg / m3 ) Kim loại: Nhôm 70.4 3750 Điều đặc biệt là các thành phần vật liệu biến đổi một cách trơn và liên tục từ mặt này sang mặt kia theo chiều dày thành kết cấu nên các vật liệu có cơ tính biến đổi tránh được các nhược điểm thường gặp trong các loại composite nền – sợi thông LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 thường như là sự bong tách giữa các lớp hoặc các pha vật liệu, sự đứt gãy các sợi và sự tập trung ứng suất cao trong vật liệu, những điều có thể gây phá huỷ vật liệu và làm giảm hiệu quả làm việc của các kết cấu, đặc biệt là trong các kết cấu chịu nhiệt. Đối với vật liệu composite hai thành phần có cơ tính biến đổi tạo thành từ sự kết hợp của kim loại và ceramic, tỷ lệ thể tích của các thành phần vật liệu được giả thiết biến đổi theo chiều dày thành kết cấu theo một hàm luỹ thừa của biến chiều dày như sau [8]: (1.1) trong đó là một số không âm được gọi là chỉ số tỷ lệ thể tích (volume fraction index) có thể được chọn để tối ưu ứng x của kết cấu và các chỉ số dưới và để chỉ thành phần ceramic và kim loại (metal) tương ứng.
Rõ ràng giá trị tương ứng với tấm đồng nhất đẳng hướng được làm từ vật liệu ceramic, là trường hợp các thành phần ceramic và kim loại phân bố tuyến tính qua chiều dày thành kết cấu và khi tăng thì tỷ lệ thể tích của thành phần ceramic trong kết cấu giảm (xem hình 2). bÒ mÆt giµu kim lo¹i h/2 x h/2 bÒ mÆt giµu ceramic z Hình 1. Mô hình kết cấu làm từ vật liệu có cơ tính biến đổi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sự biến đổi của tỷ lệ ceramic qua chiều dày thành kết cấu.
Các tính chất hiệu dụng của vật liệu có cơ tính biến đổi xác định theo quy tắc hỗn hợp sau đây (1.