CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về vật liệu FGM rỗng Trong nhiều thập kỷ trở lại đây vật liệu composite lớp được sử dụng ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật như hàng không dân dụng, giao thông vận tải, công nghiệp quốc phòng, điện tử, y sinh,. do có trọng lượng nhẹ, độ bền và độ cứng riêng cao, chi phí bảo trì thấp, tính linh hoạt trong thiết kế, chế tạo để có được các tính chất cơ học mong muốn.
Tuy nhiên loại vật liệu này có thể bị bong tách lớp khi ứng suất tiếp xúc giữa các bề mặt vượt quá giá trị cho phép. Thêm vào đó, chúng không hoàn toàn thích hợp cho những ứng dụng trong môi trường nhiệt độ cao. Gần đây, những hạn chế của vật liệu composite truyền thống đã được khắc phục bởi sự ra đời của một loại composite thế hệ mới - vật liệu có cơ tính biến thiên (Functionally Graded Material - FGM), đây là loại vật liệu được các nhà khoa học vật liệu Nhật Bản phát kiến vào năm 1984 như là một loại vật liệu cách nhiệt [19] và được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp vũ trụ, công nghiệp hàng không, công nghiệp năng lượng,… Vật liệu có cơ tính biến thiên (FGM) là loại vật liệu được tạo nên từ hai hay nhiều pha với các thành phần biến đổi trơn và liên tục. Loại vật liệu tiên tiến này có tỷ phần thể tích của các vật liệu thành phần biến đổi trơn và liên tục trong không gian vật liệu.
Các tính chất cơ học như mô đun đàn hồi Young, hệ số Poisson, mô đun đàn hồi cắt, và khối lượng riêng của vật liệu, thay đổi trơn và liên tục theo các hướng được ưu tiên trong vật liệu. Vật liệu FGM điển hình bao gồm hai thành phần kim loại/ceramic, tận dụng được khả năng chịu nhiệt tốt của thành phần ceramic và độ bền dẻo của thành phần kim loại. Do không tồn tại bề mặt phân chia giữa các lớp vật liệu, vì thế tránh được sự tập trung ứng suất và không xảy ra sự bong tách. Một trong những phát triển mới nhất gần đây của vật liệu FGM là vật liệu rỗng hay vật liệu xốp (porous materials) có các lỗ rỗng (hay bọt xốp) trong cấu trúc vật liệu.
Các lỗ rỗng này phân bố liên tục với một quy luật phân bố các lỗ rỗng xác định nhằm đạt được những tính chất cơ học mong muốn của người thiết kế. Do có 7 trọng lượng nhẹ, các kết cấu làm từ vật liệu FGM rỗng, chẳng hạn bọt kim loại (metal foam) có tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp hàng không, công nghiệp ô tô, xây dựng dân dụng, …[14, 58, 84, 103]. Với khả năng hấp thụ năng lượng tốt, bọt kim loại là lựa chọn thích hợp cho các kết cấu chịu tải trọng động, tải trọng va chạm [12, 27, 80, 85]. Kết hợp giữa vật liệu có cơ tính biến thiên và vật liệu rỗng cho ra đời một kết cấu có các lỗ rỗng biến đổi trơn, quy luật phân bố các lỗ rỗng cũng như hệ số rỗng có thể điều khiển được theo mong muốn của người sử dụng.
Các loại vật liệu FGM rỗng Mật độ và kích thước các lỗ rỗng là khác nhau với từng chủng loại vật liệu FGM rỗng, về cơ bản có thể chia thành ba loại: rỗng thấp, rỗng trung bình và rỗng lớn. Vật liệu với độ rỗng thấp và trung bình có các lỗ rỗng kín, ứng xử như là một pha tạp chất (Hình 1. Mặt cắt ngang của gốm rỗng, Hình 1. Vật liệu rỗng tổ ong hai chiều, có mật độ lỗ rỗng nhỏ có mật độ lỗ rỗng lớn Với vật liệu có độ rỗng lớn, có hai trường hợp, được phân loại theo cấu trúc của lỗ rỗng và pha rắn liên tục.
Trường hợp thứ nhất pha rắn phân bố thành dãy đa giác hai chiều, các lỗ rỗng kín cũng được tạo thành các dãy đa giác tương tự; hình dạng mặt cắt ngang của lỗ rỗng thường là tam giác, tứ giác hoặc lục giác. Cấu trúc này nhìn tương tự như lõi tổ ong, vì vậy vật liệu rỗng hai chiều như thế này còn gọi là vật liệu tổ ong (honeycomb materials – Hình 1. Vật liệu FGM rỗng có các lỗ rỗng được định hướng [77], được gọi là vật liệu rỗng kiểu hoa sen, có cấu trúc tương tự vật 8 liệu tổ ong, nhưng hình dạng mặt cắt ngang của lỗ rỗng là hình tròn hoặc hình elip. Trong trường hợp thứ hai, các pha rắn phân bố liên tục dạng cấu trúc lưới ba chiều, và được gọi là vật liệu bọt ba chiều (three-dimensional foam materials).
Loại vật liệu này có các lỗ rỗng tạo thành một cấu trúc hở (open-cell structures – Hình 1. Vật liệu rỗng ba chiều: (a): bọt niken, (b) bọt thép Chất rắn rỗng có thể chia thành hai loại: tự nhiên và nhân tạo. Chất rắn rỗng tự nhiên có thể tìm thấy phổ biến như xương người và xương động vật, gỗ, bọt biển, san hô, đá bọt và dung nham. Vật liệu rỗng nhân tạo có các thành phần rỗng chủ yếu là pha khí, được phân thành bọt kim loại rỗng, bọt gốm rỗng và bọt polymer.
Trong khuôn khổ luận án chỉ tập trung nghiên cứu về bọt kim loại rỗng (open-metal foam) là loại vật liệu được sử dụng nhiều trong kỹ thuật. Phương pháp chế tạo bọt kim loại rỗng Chế tạo kim loại rỗng (porous metals) có một lịch sử dài. Phương pháp chế tạo đầu tiên bằng quá trình luyện kim bột được tiến hành vào đầu thế kỷ hai mươi. Với sự phát triển công nghệ và tính cấp thiết của loại vật liệu mới này, ngày nay có thể chế tạo được kim loại rỗng với 98% lỗ rỗng hoặc hơn.
Tuy nhiên trong những năm đầu thế kỷ, loại vật liệu này mới chỉ đạt được độ rỗng thấp khoảng 30%. Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo loại kim loại rỗng [16, 29, 67, 68, 107]. Luyện bột kim loại (Powder Metallurgy) Luyện bột kim loại là quá trình mà qua đó vật liệu rỗng được hình thành bởi quá trình trộn bột, đóng khuôn và nung kết. Tỷ lệ lỗ rỗng, bán kính và phân bố lỗ rỗng của vật liệu có thể kiểm soát một cách hiệu quả.
Kim loại rỗng được sản xuất bằng cách nung bột kim loại đến nhiệt độ thiêu kết, lúc này bột kim loại vẫn duy trì ở trạng thái rắn. Kim loại rỗng sau khi được nung kết có cấu trúc lỗ rỗng kín với độ rỗng nhỏ, hoặc lỗ rỗng hở với độ rỗng lớn. Cấu trúc pha rắn là những hạt hình cầu được liên kết với nhau tạo ra khung rỗng giữa các hạt. Thiêu kết bột kim loại là phương pháp sớm nhất để tạo ra kim loại rỗng và nó cũng là phương pháp chung được sử dụng trong ngành luyện bột kim loại.
Để sản xuất vật liệu rỗng người ta thường dùng các loại bột hình cầu đều nhau với ưu điểm dễ dàng kiểm soát bán kính lỗ rỗng và thẩm thấu tốt, các hạt không đồng đều và không có dạng hình cầu sẽ bị loại bỏ. Với các hạt không có hình dạng xác định để làm tăng độ rỗng người ta sử dụng các chất tạo lỗ như Ammonium acid carbonate (NH4HCO3), urea (CH4N2O), methyl cellulose (C6H7O2(OH)x(OCH3)y). Nung kết sợi (Fiber Sintering) Nung kết sợi kim loại được tiến hành tương tự như luyện bột kim loại, trong đó sợi kim loại được thay thế toàn bộ hoặc một phần của bột kim loại trong quá trình chuẩn bị nguyên liệu. Nung chảy kim loại Trong quá trình kim loại nóng chảy pha khí được giải phóng tạo nên lỗ rỗng trong vật liệu, hàm lượng pha khí được thay đổi tạo ra mật độ lỗ rỗng khác nhau.
Khí phát ra từ quá trình nung làm đẩy nhanh quá trình xuất hiện pha lỏng, cuối cùng bọt kim loại được tạo ra trong quá trình làm lạnh. Sau khi tiếp xúc với kim loại nóng chảy, các tác nhân tạo lỗ rỗng sẽ phân hủy nhanh chóng, các bọt khí được giải phóng tạo nên sự phân phối đồng đều của lỗ rỗng trong thời gian ngắn (Hình 1. Quy trình kỹ thuật tạo rỗng khi sản xuất bọt kim loại 1. Phun khí vào kim loại Phương pháp này dễ thực hiện và chi phí sản xuất thấp hơn.
Vấn đề là cần kiểm soát nhiệt độ tạo bọt nóng chảy và thời gian xử lý cần thiết trong quá trình chế tạo. Bọt kim loại sản xuất bằng phương pháp phun khí vào kim loại có kích thước lỗ rỗng khác nhau và mật độ lỗ rỗng lớn (lên đến > 90%). Khí từ bên ngoài được bơm vào đáy của kim loại nóng chảy để tạo ra bọt khí. Khí được sử dụng ở đây có thể là không khí, hơi nước, oxy, cacbonic hoặc khí trơ.
Đúc thẩm thấu Trong quá trình đúc thẩm thấu các hạt rỗng vô cơ hoặc hữu cơ được sắp xếp sẵn trong khuôn đúc, kim loại nóng chảy được đưa vào thẩm thấu giữa các hạt rỗng. Các kim loại rỗng thu được sau khi loại bỏ các hạt rỗng bằng cách hòa tan trong dung môi hoặc bằng quy trình xử lý nhiệt. Các hạt vô cơ có khả năng chịu nhiệt và có thể hòa tan trong dung môi như NaCl, bóng đất sét nung, bóng cát, bóng bọt thủy tinh. Tính chất biến đổi trơn của vật liệu FGM rỗng Trong các tài liệu, các nhà nghiên cứu sử dụng các phương pháp luận khác nhau để nhận được các thuộc tính biến đổi trơn của vật liệu FGM rỗng.
Mặc dù vậy các tác giả đều cho rằng các đặc trưng cơ học vật liệu có thể không thay đổi (phân bố lỗ rỗng đều) hoặc biến thiên theo quy luật hàm cosine (phân bố lỗ rỗng không đều) theo phương chiều dày. Dưới đây, trong khuôn khổ luận án ta xét tấm bằng vật liệu FGM rỗng - bọt kim loại (open-cell metal foam) với ba quy luật phân bố: Phân bố đều, phân bố không đều đối xứng và phân bố không đều bất đối xứng. 11 Mô đun đàn hồi kéo - nén, mô đun đàn hồi trượt và khối lượng riêng của vật liệu FGM rỗng (metal foam) phụ thuộc vào mật độ phân bố lỗ rỗng, và biến thiên liên tục theo chiều dày tấm. Các quy luật này đã được đề cập đến trong một số nghiên cứu và có dạng sau [17, 24, 25, 71, 114, 126]: Phân bố đều (xem Hình 1.1) 2 1 12 2 1 e0 1 e0 e0 Phân bố không đều - đối xứng (xem Hình 1.2) h z ( z ) 1 1 em cos h Phân bố không đều - bất đối xứng (xem Hình 1.