CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Giới thiệu về vật liệu composite 1.1 Khái niệm vật liệu composite Vật liệu composite là vật liệu được tạo ra từ sự kết hợp của hai hoặc nhiều thành phần khác nhau [9]. Mỗi loại vật liệu đều có những đặc trưng tính chất (vật lý, hoá học) riêng biệt, khi tổng hợp lại chúng sẽ cho một vật liệu hoàn toàn mới khác với những vật liệu ban đầu. Vật liệu mới này có tính chất vượt trội so với các vật liệu ban đầu [10, 11].
Những thành phần chính của vật liệu composite bao gồm vật liệu nền đảm bảo cho sự liên kết của vật liệu và vật liệu gia cường nhằm đảm bảo cho composite có những tính năng cơ học cần thiết. Sự kết hợp giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường tạo nên một sản phẩm cuối cùng có những tính chất ưu việt như độ bền, độ cứng, và trọng lượng nhẹ [10, 11]. Ngoài ra, vật liệu composite còn có thể chứa các chất phụ gia như chất chống cháy, chống chảy, chống tia UV, chống tạo bọt, hay chất chống oxi hóa để cải thiện quá trình gia công và khả năng chống chọi với môi trường [9]. Tính linh hoạt trong việc kết hợp các thành phần này giúp tạo ra các sản phẩm composite có đặc tính đa dạng, đáp ứng được nhiều yêu cầu và ứng dụng khác nhau trong các lĩnh vực như hàng không, ô tô, xây dựng, và nhiều ngành công nghiệp khác.
Vật liệu composite.2 Cấu tạo vật liệu composite 1.1 Vật liệu nền Vật liệu nền giữ một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo vật liệu composite. Đầu tiên, vật liệu nền được sử dụng như chất kết dính hay môi trường phân tán để liên kết và phân tán đồng đều vật liệu gia cường trong sản phẩm composite để tạo ra một cấu trúc đồng nhất và ổn định. Bên cạnh đó, vật liệu nền đóng vai trò bảo vệ vật liệu gia cường khỏi sự tác động của môi trường xung quanh, đảm bảo tính ổn định và tuổi thọ của sản phẩm. Ngoài ra, vật liệu nền còn truyền ứng suất từ môi trường lên vật liệu gia cường khi có lực tác động.
Cuối cùng, vật liệu nền cung cấp các tính chất đặc biệt như chịu nhiệt, chống ăn mòn, cách điện và độ bền, góp phần làm cho composite đáp ứng được yêu cầu của nhiều ứng dụng khác nhau trong các ngành công nghiệp. Với vai trò quan trọng và đa dạng, vật liệu nền chính là nền tảng của sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của vật liệu composite trong các lĩnh vực công nghiệp hiện nay [9, 10, 12]. Đối với composite polymer, vật liệu nền thường sử dụng là nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo. Đối với nền nhựa nhiệt dẻo các phân tử polymer không liên kết với nhau về mặt hoá học mà được giữ cố định bởi các liên kết thứ cấp hoặc liên kết liên phân tử chẳng hạn như liên kết van-der-waals và liên kết hydro.
Khi nung nóng polymer nhiệt dẻo sẽ chảy dẻo ra nhưng sau khi làm nguội nó sẽ cứng lại [13]. Ví dụ: PE (Polyethylene), PS (Polystyrene), ABS (Acrylonytril butadien styrene), PVC (Polyvinyl clorua) … Đối với nền nhựa nhiệt rắn khi nung nóng (có hoặc không có xúc tác) các phân tử polymer được nối với nhau bằng các liên kết chéo, tạo thành mạng không gian ba chiều. Sau khi đóng rắn, nhựa nhiệt rắn không thể hòa tan và không nóng chảy được tiếp nữa [13]. Ví dụ: PU (Polyurethane), PP (Polypropylene), UF (Ure Fomandehyde), epoxy, polyester không no… 1.3 Vật liệu gia cường Vật liệu gia cường đảm bảo những tính chất cơ học của vật liệu composite.
Những tính chất cơ học bao gồm như về độ bền, độ cứng, khối lượng riêng, độ bền ăn mòn trong môi trường kiềm, axit,…Thành phần cốt cốt của composite thường dùng là các sợi ngắn, các sợi dài đơn, các dạng sợi tết (được tết xoắn gồm nhiều sợi lại với nhau), các cốt lưới với tính năng cơ lý được xác định. Mỗi loại sợi có tính chất ưu nhược điểm và hiệu quả riêng. Trong vật liệu composite thành phần cốt luôn chiếm không quá 60-65% thể tích 2 của vật liệu composite. Nếu thành phần cốt chiếm quá nhiều giữa chúng sẽ nảy sinh tương tác dẫn đến sự tập trung ứng suất làm giảm sức bền của vật liệu [10].
Một số loại sợi thường được được sử dụng làm chất độn gia cường cho vật liệu composite. Sợi thủy tinh được xử lý từ thủy tinh khối một chất vô định hình được chế tạo từ hỗn hợp cát, đá vôi và các hợp chất oxy hóa khác. Do đó, thành phần hóa học chính của sợi thủy tinh (46-75%) là silica (SiO2). Kiểm soát thành phần hóa học và quy trình sản xuất, có thể thu được nhiều loại sợi thủy tinh cho các loại ứng dụng khác nhau, nhưng tính chất điển hình của chúng vẫn là độ cứng, chống ăn mòn và tính trơ.
Hơn nữa, chúng linh hoạt, nhẹ và không tốn kém, với những đặc tính này làm cho sợi thủy tinh trở thành loại sợi phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp chi phí thấp [9, 11]. Sợi carbon là loại sợi nhẹ và bền với khả năng kháng hoá chất cao. Sợi carbon thường được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ và cơ khí. Tính chất của sợi carbon được xác định bởi cấu hình nguyên tử của carbon và các sự liên kết của chúng, tương tự như cấu trúc tinh thể than chì.
Độ bền của sợi carbon được kiểm soát bằng cách định hướng cấu trúc nguyên tử carbon với các liên kết nguyên tử dọc theo hướng sợi carbon [11]. Sợi bazan được chế tạo từ nguyên liệu đá bazan, đá bazan có nguồn gốc nham thạch do các núi lửa khi hoạt động phun ra rồi kết tinh lại. Các sản phẩm từ đá bazan có đặc tính cơ lý hóa tốt hơn hẳn so với các sản phẩm truyền thống là bông sợi thủy tinh hoặc amian, không độc hại cho người và sinh vật, không hút ẩm và có độ bền cao dưới ánh nắng mặt trời. Vât liệu composite cốt sợi bazan thường được dùng để chế tạo các sản phẩm cách nhiệt cho công nghiệp.
Bông bazan được dùng thay thể bông thủy tinh và các loại bông khoáng khác để bảo tôn hoặc bảo hàn thiết bị nhiệt, lò sấy, các đường ống dẫn hơi, các thiết bị lạnh hoặc dùng trong xây dựng với mục đích cách âm, cách nhiệt, tăng khả năng chịu lực [10]. Sợi tự nhiên: cellulose là sợi quan trọng nhất, người ta hay dùng loại sợi này ở dạng vải sợi cắt ngắn hay chỉ yarn, tốt tương đương sợi viscose tái tạo. Vải cellulose ở dạng dệt thường được dùng cho vật liệu tấm laminate. Trong các loại sợi thường, nylon được dùng trong chất dẻo thay thế bộ phận người thuộc họ phenolic, và sợi polypropylene được dùng gia cường cho xi măng vô cơ.
Vật liệu composite cốt sợi hữu cơ có độ bền khi nén và khả năng tương thích với nền polymer thường cao hơn sợi thủy tinh. Yếu điểm chung của các sợi aramit là hút ẩm, và sự hút ẩm làm cho các đặc trưng cơ-lý của 3 sợi bị giảm đi 15-20%. Sợi hữu cơ thích ứng tốt với việc dệt thành vải. Sau khi dệt những đặc tính ban đầu của sợi vẫn giữ được trên 90%, vì vậy khi dùng sợi hữu cơ làm cốt cho composite hay dùng ở dạng đã dệt thành các loại vải khác nhau [10].4 Tính chất vật liệu composite Vật liệu composite ngày được ưu chuộn và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực do có nhiều đặc tính ưu việc.
Đầu tiên, một trong những tính chất nổi bật nhất của vật liệu composite là trọng lượng nhẹ. Sự kết hợp giữa các sợi nhẹ như sợi carbon hay sợi thủy tinh với nhựa nền nhẹ tạo ra một sản phẩm có khối lượng thấp mà vẫn giữ được độ bền và cứng. Điều này làm cho vật liệu composite trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cần giảm trọng lượng như trong ngành hàng không và ô tô [14]. Ngoài ra, vật liệu composite còn có độ bền cao và khả năng chịu lực tốt.
Sự kết hợp giữa các sợi có độ bền cao và ma trận có khả năng chịu lực tốt tạo ra một sản phẩm có khả năng chịu tải và áp lực cao, vượt trội so với nhiều vật liệu truyền thống. Điều này làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc sản xuất các thành phần cần độ bền và cứng chắc như các bộ phận trong máy bay và tàu thủy. Khả năng chống ăn mòn là một trong những tính chất quan trọng của vật liệu composite. Vật liệu nền thường có khả năng chống lại ảnh hưởng của môi trường hóa học và tác động của các yếu tố khắc nghiệt, giúp bảo vệ các thành phần composite khỏi sự ăn mòn và suy giảm hiệu suất theo thời gian.
Các ưu điểm khác như khả năng tăng cường chống va đập, độ bền mỏi cao, cách âm, cách nhiệt tốt, hệ số giãn nhiệt và cách nhiệt thấp làm cho vật liệu composite trở thành lựa chọn lý tưởng trong các ứng dụng yêu cầu tính an toàn và hiệu suất cao. Ngoài ra, tính linh hoạt trong việc lựa chọn vật liệu thành phần, tỷ lệ phối trộn và phương pháp gia công giúp tạo ra nhiều sản phẩm với tính năng đa dạng đáp ứng được nhiều yêu cầu khác nhau. Khả năng tạo hình dạng, kích thước và cấu trúc theo yêu cầu của người sử dụng cũng là một ưu điểm lớn trong thiết kế vật liệu. Tóm lại, với những tính chất ưu việt và khả năng đáp ứng đa dạng vật liệu composite không chỉ là một lựa chọn hiệu quả trong ngành công nghiệp mà còn đang ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau.5 Phân loại vật liệu composite Vật liệu composite được phân loại theo bản chất và hình dạng của vật liệu thành phần.1 Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường Vật liệu composite phân loại theo vật liệu gia cường bao gồm composite cốt hạt và composite cốt sợi.
Composite cốt hạt Composite cốt hạt là một dạng composite được gia cường bởi sự thêm vào các hạt có các dạng và kích thước khác nhau. Các loại hạt thường được sử dụng bao gồm silica, CaCO3, vảy mica, vẩy kim loại như sắt, đồng, nhôm, cao lanh, đất sét, bột talc, graphite, cacbon và bột gỗ. Mục đích sử dụng hạt làm vật liệu gia cường là đa dạng và đáp ứng nhiều yêu cầu của ứng dụng cụ thể. Độn trơ: Hạt có thể được sử dụng như là chất độn trơ để tăng thể tích và giảm giá thành của vật liệu.
Sự thêm vào hạt giúp điều chỉnh khối lượng và đặc tính của composite mà không ảnh hưởng đến tính chất chính.