CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.Giới thiệu vật liệu composite 1. Khái niệm vật liệu composite Vật liệu composite là loại nguyên vật liệu được tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu có tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Loại vật liệu này sẽ mang tính chất và những công dụng vượt trội hơn hẳn so với các vật liệu ban đầu. Những vật liệu tổng hợp đã được con người sử dụng từ rất lâu trước đây.
Khi con người biết trộn những viên đá nhỏ vào đất để làm gạch, hay trộn bùn với rơm, cỏ để làm tường, vách nhà,… Dù đã xuất hiện từ lâu nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành khi xuất hiện công nghệ chế tạo tên lửa (Mỹ) vào những năm 1950. Từ đó đến nay khoa học công nghệ của loại vật liệu này đã phát triển trên toàn thế giới với tên gọi “vật liệu composite”. Hai thành phần chính của vật liệu composite thường là vật liệu nền và vật liệu gia cường (cốt) được minh họa ở hình 1. Ngoài ra có thể các chất phụ gia như: chất chống cháy, chống chảy, chống UV, chống tạo bọt, chống oxi hóa.1 Minh hoạ về vật liệu composite [1] 1.
Lịch sử hình thành vật liệu composite Khoảng 5000 năm trước công nguyên, con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng, điển hình về composite chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập. 1 Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân cây gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi cenlulose dài, được kết nối với nhau bằng lignin. Kết quả của sự liên kết hài hòa ấy là thân cây vừa bền vừa dẻo – một cấu trúc composite lý tưởng. Người Hy Lạp cổ đại cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát, sỏi, làm vật liệu xây dựng.
Ở Việt Nam ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát vào mùa hè và ấm về mùa đông… Năm 25 trước công nguyên, bê tông đã xuất hiện trong các tài liệu của một kỹ sư Roman cổ xưa, ông đã tạo nhiều kiểu composite khác nhau bằng việc kết hợp cát với vôi và xi măng. Năm 1800, Francois Coignet mở ra một kỷ nguyên mới cho bê tông dự ứng lực với cốt là thép. Năm 1905, nhà hóa học Leo Baekeland đã tạo ra vật liệu composite dạng sợi đầu tiên, được gọi là Bakelite. Ông đã kết hợp nhựa với bột gỗ hoặc bột amiang.
Năm 1936, Dupont đã làm ra những sợi thủy tinh đầu tiên, kết hợp giữa thủy tinh với nhựa. Cuộc đua vào vũ trụ ở thập niên 60 đòi hỏi một vật liệu nhẹ hơn, chịu lực và chịu nhiệt tốt hơn. Sau đó vật liệu composite kim loại gọi là MMC ( Metal Matrix Composite) kết hợp kim loại nhẹ ( Mg, Titan, Al,…) với một vật liệu khác như sợi gốm, sợi cacbon liên tục hoặc cacbua silic. Nổi bật ở thập niên 70, Kevlar composite được tạo nên với một trong những thành phần là sợi nilon.
Kevlar ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, sản xuất ô tô và các sản phẩm thân thiện với môi trường. Trong những năm 1990, các nhà nghiên cứu từ nhiều trường đại học đã tìm cách thêm một số nguyên tố hóa học và polymer để làm gỗ trở nên trong suốt. 2 Từ đó tạo ra một loại composite chống vỡ mảnh và tự phân hủy để thay thế kính và nhựa truyền thống. Tuy nhiên ở thời điểm đó việc vận dụng polymer trong suốt vẫn chưa được rộng rãi.
Tính chất của vật liệu composite Khi sử dụng vật liệu đúng tiêu chuẩn, composite mang lại nhiều ưu điểm nổi bật [3]. Đầu tiên, nó rất nhẹ nhưng vẫn đảm bảo độ cứng vững, có khả năng chịu va đập, uốn và kéo tốt. Vật liệu này cũng có khả năng chống hóa chất, không bị sét gỉ và chống ăn mòn. Ngoài ra, composite chịu được thời tiết khắc nghiệt, chống tia tử ngoại và lão hóa.
Về mặt nhiệt độ, nó có khả năng chịu nhiệt, chịu lạnh và chống cháy. Composite còn có đặc tính cách điện, cách nhiệt tốt, và khả năng chịu ma sát, cường độ lực, cũng như nhiệt độ cao, đặc biệt là với loại composite sợi carbon. Đối với các ứng dụng liên quan đến sóng điện tử, composite thủy tinh có khả năng hấp thụ sóng tốt. Vật liệu này không thấm nước, không độc hại và dễ bảo trì, bảo dưỡng với chi phí thấp.
Composite còn nổi bật với màu sắc đa dạng, bền đẹp nhờ việc pha màu trực tiếp trong nguyên liệu. Cuối cùng, việc thiết kế và tạo dáng sản phẩm từ composite rất thuận lợi và đa dạng, với nhiều công nghệ gia công để lựa chọn. Phân loại vật liệu composite Vật liệu composite được phân biệt theo bản chất và hình dạng của vật liệu thành phần. Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường Vật liệu composite phân loại theo vật liệu gia cường bao gồm composite cốt sợi và composite cốt hạt.
Composite cốt sợi Composite cốt sợi là composite được gia cường với sợi với các hình dạng sợi khác nhau được minh họa trong hình 1. Ví dụ: sợi thủy tinh, sợi cenlulose, sợi cacbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide…. Composite cốt sợi có các đặc điểm nổi bật như: có tính năng cơ lý hóa cao hơn độn dạng hạt, giá thành cao 3 hơn, thường dùng để chế tạo các vật liệu cao cấp với mục đích gia cường cơ tính là chủ yếu. Composite cốt sợi thường được phân thành hai loại chính.
Loại đầu tiên là sợi liên tục, bao gồm các dạng như sợi dài hoặc vải, với tỷ lệ chiều dài trên đường kính (l/d) rất cao, thường dao động từ 3 đến 200 μm. Loại thứ hai là sợi gián đoạn, bao gồm sợi ngắn hoặc vụn, với tỷ lệ chiều dài trên đường kính (l/d) nằm trong khoảng từ 5 đến 1000 μm, và đường kính của sợi từ 0.2 Một số loại composite cốt sợi [4] 4 b. Composite cốt hạt Composite cốt hạt là loại composite được gia cường bằng các hạt với nhiều dạng và kích cỡ khác nhau, như được minh họa trong hình 1. Các loại hạt thường được sử dụng bao gồm: silica, CaCO₃, vảy mica, vảy kim loại (sắt, đồng, nhôm), cao lanh, đất sét, bột talc, graphite, cacbon, và bột gỗ.
Mục đích sử dụng các hạt làm vật liệu gia cường bao gồm nhiều yếu tố quan trọng. Đầu tiên, các hạt có thể được dùng để độn trơ, giúp tăng thể tích của vật liệu và giảm giá thành sản xuất. Thứ hai, chúng có thể đóng vai trò trong việc độn tăng cường, cải thiện các tính chất của vật liệu composite như tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, và khả năng chậm cháy. Các hạt cũng hỗ trợ dễ đúc khuôn bằng cách giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao, làm cho quá trình chế tạo trở nên dễ dàng hơn.
Cuối cùng, việc sử dụng hạt còn giúp cải thiện tính chất bề mặt của vật liệu, bao gồm hỗ trợ chống co rút khi đóng rắn, che khuất sợi trong cấu trúc tăng cường sợi, và giảm tỏa nhiệt trong quá trình đóng rắn.3 Một số loại composite cốt hạt [5] 1. Phân loại theo bản chất vật liệu nền Composite có thể được phân loại theo vật liệu nền thành ba loại chính: a. Composite nền hữu cơ: Nền của loại composite này là nhựa hữu cơ, và có thể kết hợp với các dạng cốt liệu như: Sợi hữu cơ (Polyamit, Kevlar, sợi aramit), sợi khoáng (Sợi thủy tinh, sợi cacbon), sợi kim loại (Bo, nhôm). 5 Vật liệu composite nền hữu cơ thường chỉ chịu được nhiệt độ tối đa khoảng 200 - 300°C.
Composite nền khoáng (gốm): Nền của loại composite này là vật liệu gốm, và thường kết hợp với các dạng cốt liệu như: Sợi kim loại (Bo, thép), hạt kim loại, hạt gốm (Gốm cacbua, gốm nitơ). Composite nền khoáng có khả năng chịu nhiệt đến 1000°C. Composite nền kim loại: Nền của loại composite này là các kim loại, và có thể kết hợp với các dạng cốt liệu như: sợi kim loại (Bo, thép), sợi khoáng (Cacbon, SiC). Composite nền kim loại có khả năng chịu nhiệt đến 600°C.
Cấu tạo vật liệu composite Vật liệu composite được tạo thành từ sự kết hợp của hai hoặc nhiều vật liệu nhằm đạt được các tính chất vượt trội về vật lý và hóa học so với các thành phần riêng lẻ [6]. Các thành phần chính của vật liệu composite bao gồm vật liệu gia cường và vật liệu nền. Trong đó, vật liệu gia cường cung cấp hầu hết độ cứng và cơ tính cho vật liệu composite. Vật liệu gia cường có thể là sợi (sợi thủy tinh, sợi cacbon) hoặc các dạng hạt khác, tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật và ứng dụng.
Vật liệu nền đóng vai trò liên kết và truyền tải ứng suất từ bên ngoài lên vật liệu gia cường. Vật liệu nền còn giúp chống lại sự ăn mòn từ môi trường và các chất khác, đồng thời cải thiện các tính chất cụ thể của composite. Ví dụ, chất độn có thể được sử dụng để giảm chi phí sản xuất và cải thiện khả năng cơ tính cũng như ổn định kích thước của vật liệu. Nhờ vào sự kết hợp này, vật liệu composite có thể đạt được những tính chất ưu việt như độ bền cao, khối lượng nhẹ, khả năng chịu nhiệt tốt và khả năng chống ăn mòn, làm cho chúng phù hợp cho nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.
Vật liệu gia cường Các thành phần cốt của vật liệu composite cần đáp ứng một số yêu cầu quan trọng về khai thác và công nghệ. Về khai thác, cốt phải có độ bền và độ cứng phù hợp để chịu đựng các điều kiện sử dụng cụ thể. Khối lượng riêng của cốt cũng cần được kiểm soát để đạt được các đặc tính mong muốn của composite. Ngoài ra, cốt cần có khả năng chịu nhiệt tốt trong một phạm vi nhiệt độ nhất định và phải có khả năng chống ăn mòn, đảm bảo độ bền trong các môi trường acid, kiềm và các môi trường ăn mòn khác.
Về công nghệ, cần phải có công nghệ phù hợp để sản xuất các thành phần cốt và chế tạo composite từ những thành phần này, đảm bảo rằng các quy trình công nghệ đáp ứng được yêu cầu của vật liệu composite. Hiện nay, các thành phần cốt của composite thường bao gồm nhiều loại khác nhau. Các sợi có thể được chia thành sợi ngắn, sợi dài đơn và sợi tết, với khả năng tết xoắn hoặc kết hợp theo nhiều cách để tạo thành cốt hiệu quả. Ngoài ra, còn có các loại cốt lướt vải, băng dải sợi và bông, tất cả đều đã được xác định rõ về tính năng cơ lý của chúng.