Vật liệu composite – Wikipedia tiếng Việt

Vải đan từ những sợi Cacbon

Vật liệu composite, còn gọi là Vật liệu tổ hợp, Vật liệu compozit,hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính chất vượt trội hơn hẳn so với các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ.[1]

Những vật tư tổng hợp đơn thuần đã có từ rất thời xưa. 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, nổi bật về compozit chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập .

Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân cây gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng Lignin. Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo – một cấu trúc composite lý tưởng.

Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật tư kiến thiết xây dựng ; và ở Nước Ta, thời xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật tư cứng, mát về mùa hè và ấm vào mùa đông …Mặc dù composite là vật tư đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật tư composite chỉ mới hình thành gắn với sự Open trong công nghệ tiên tiến sản xuất tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950. Từ đó đến nay, khoa học công nghệ tiên tiến vật tư composite đã tăng trưởng trên toàn quốc tế và có khi thuật ngữ ” vật tư mới ” đồng nghĩa tương quan với ” vật tư composite ” .

Mục lục nội dung

Thành phần và cấu trúc[sửa|sửa mã nguồn]

Nhìn chung, mỗi vật tư composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bổ trong một pha liên tục duy nhất. ( Pha là một loại vật tư thành phần nằm trong cấu trúc của vật tư tổng hợp. ) Pha liên tục gọi là vật tư nền ( matrix ), thường làm trách nhiệm link những pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật tư tăng cường ( reinforcement ) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước …

Thành phần cốt[sửa|sửa mã nguồn]

Vật liệu cốt, hay còn gọi là vật tư gia cường, có vai trò bảo vệ cho composite có được những đặc tính cơ học thiết yếu. Về cơ bản có hai kiểu vật tư cốt là dạng cốt sợi ( ngắn hoặc dài ) và dạng cốt hạt .Nhóm sợi khoáng chất : sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm ; nhóm sợi tổng hợp không thay đổi nhiệt : sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil. Các nhóm sợi khác ít phổ cập hơn : sợi gốc thực vật ( gỗ, xenlulô ) : giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa, … ; sợi gốc khoáng chất : sợi Amiăng, sợi Silic, … ; sợi nhựa tổng hợp : sợi polyeste ( tergal, dacron, térylène, .. ), sợi polyamit, … ; sợi sắt kẽm kim loại : thép, đồng, nhôm, …

Sợi thuỷ tinh[sửa|sửa mã nguồn]

Sợi thủy tinh, được kéo ra từ những loại thủy tinh kéo sợi được ( thủy tinh dệt ), có đường kính nhỏ vài chục micro mét. Khi đó những sợi này sẽ mất những điểm yếu kém của thủy tinh khối, như : giòn, dễ nứt gãy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn. Thành phần của thủy tinh dệt hoàn toàn có thể chứa thêm những khoáng chất như : silic, nhôm, magiê, … tạo ra những loại sợi thủy tinh khác nhau như : sợi thủy tinh E ( dẫn điện tốt ), sợi thủy tinh D ( cách điện tốt ), sợi thủy tinh A ( hàm lượng kiềm cao ), sợi thủy tinh C ( độ bền hóa cao ), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S ( độ bền cơ học cao ). Loại thủy tinh E là loại phổ cập, những loại khác thường ít ( chiếm 1 % ) được sử dụng trong những ứng dụng riêng không liên quan gì đến nhau .

Sợi hữu cơ[sửa|sửa mã nguồn]

Các loại sợi hữu cơ thông dụng :

  • Sợi kevlar cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, được gia công bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10 °C), tiếp theo được kéo ra thành sợi trong dung dịch, cuối cùng được xử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi. Sợi kevlar và tất cả các sợi làm từ aramit khác như: Twaron, Technora,… có giá thành thấp hơn sợi thủy tinh như cơ tính lại thấp hơn: các loại sợi aramit thường có độ bền nén, uốn thấp và dễ biến dạng cắt giữa các lớp.

Sợi cacbon chính là sợi graphit ( than chì ), có cấu trúc tinh thể mặt phẳng, tạo thành những lớp link với nhau, nhưng cách nhau khoảng chừng 3,35 A °. Các nguyên tử cacbon link với nhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách giữa những nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42 A °. Sợi cacbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương tự với sợi thủy tinh, lại có năng lực chịu nhiệt cực tốt .
Sợi Bor hay Bore ( ký hiệu hóa học là B ), là một dạng sợi gốm thu được nhờ chiêu thức kết tủa. Sản phẩm thương mại của loại sợi này hoàn toàn có thể ở những dạng : dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống, vải đồng phương .

Sợi Carbide Silic[sửa|sửa mã nguồn]

Sợi Carbide Silic ( công thức hóa học là : SiC ) cũng là một loại sợi gốm thu được nhờ kết tủa .

Sợi sắt kẽm kim loại[sửa|sửa mã nguồn]

Sợi ngắn và những hạt phân tán[sửa|sửa mã nguồn]

Cốt vải là tổ hợp thành mặt phẳng ( tấm ), của vật tư cốt sợi, được thực thi bằng công nghệ tiên tiến dệt. Các kỹ thuật dệt vải truyền thống cuội nguồn thường hay dùng là : kiểu dệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải mô đun cao, kiểu dệt đồng phương. Kiểu dệt là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi. Kỹ thuật dệt hạng sang còn có những kiểu dệt đa phương như : bện, tết và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phương .

Vật liệu nền[sửa|sửa mã nguồn]

Vật liệu nền có vai trò bảo vệ cho những thành phần cốt của composite link với nhau nhằm mục đích tạo ra tính nguyên khối và thống nhất cho composite. Có những dạng vật tư nền điển hình như nền hữu cơ ( nền nhựa ), nền sắt kẽm kim loại, nền khoáng, nền gốm

Chất liệu nền polyme nhiệt rắn[sửa|sửa mã nguồn]

Nhựa polyeste và nhóm nhựa cô đặc như : nhựa phenol, nhựa furan, nhựa amin, nhựa epoxy. Nhựa epoxy được sử dụng nhiều ( sau polyeste không no ) trong công nghiệp composite. Do những đặc tính cơ học cao của nhựa epoxy, người ta sử dụng nó để tạo ra những composite có độ bền cao dùng cho ngành sản xuất máy bay, tàu ngoài hành tinh, tên lửa v.v… Nhựa epoxy có những đặc tính cơ học như kéo, nén, uốn, va đập và từ biến … hơn polyeste .

Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo[sửa|sửa mã nguồn]

Nền của vật tư là nhựa nhiệt dẻo như : PVC, nhựa polyetylen, nhựa polypropylen, nhựa polyamit, …

Chất liệu nền cacbon[sửa|sửa mã nguồn]

Nền cacbon có tính cơ lý tựa như như sợi cacbon, bảo vệ tính chịu nhiệt độ cao cho composite cacbon-cacbon và khai thác triệt để ưu điểm những sợi cacbon trong vật tư composite. Picocacbon : là loại vật tư giống hệt đa tinh thể có độ bền nhiệt và bền hố rất tốt, một dạng cấu trúc chuyển tiếp của cacbon. Thủy tinh cacbon : là loại sản phẩm cảu quy trình giải quyết và xử lý nhiệt những polyme lưới, có sự đóng rắn không thuận nghịch khi nung nóng. Thủy tinh cacbon có nhiều ưu điểm : đẳng hướng, có tính không thấm khí, cứng, bền cơ lý hố .

Chất liệu nền sắt kẽm kim loại[sửa|sửa mã nguồn]

Vật liệu tổng hợp nền sắt kẽm kim loại có modun đàn hồi rất cao hoàn toàn có thể lên tới 110 GPa. Do đó yên cầu chất gia cường cũng có modun cao. Các sắt kẽm kim loại được sử dụng nhiều là : nhôm, niken, đồng .

Phân loại vật tư composite[sửa|sửa mã nguồn]

Vật liệu tổng hợp polyme[sửa|sửa mã nguồn]

Xem bài Polyme compozit

Vật liệu tổng hợp cacbon-cacbon[sửa|sửa mã nguồn]

Đây là vật tư nền cacbon cốt sợi cacbon .

Vật liệu tổng hợp gốm[sửa|sửa mã nguồn]

Vật liệu tổng hợp sắt kẽm kim loại[sửa|sửa mã nguồn]

Vật liệu tổng hợp tạp lai[sửa|sửa mã nguồn]

Gỗ tổng hợp[sửa|sửa mã nguồn]

Gỗ tổng hợp ( WPC – wood plastic composite ) là một loại vật tư tổng hợp được ép tạo hình từ bột gỗ và nhựa, ngoài những nó còn được phối trộn thêm những chất phụ gia như chất tạo màu, chất không thay đổi, chất gia cường, chất chống cháy .

Theo thực chất vật tư nền và cốt[sửa|sửa mã nguồn]

Tổng hợp nền sắt kẽm kim loại hay nền khoáng chất hoàn toàn có thể chịu nhiệt độ tối đa khoảng chừng 600 ÷ 1.000 °C ( nền gốm tới 1.000 °C ) .

Theo hình dạng cốt liệu[sửa|sửa mã nguồn]

Vật liệu tổng hợp cốt sợi[sửa|sửa mã nguồn]

Sợi là loại vật tư có một chiều size ( gọi là chiều dài ) lớn hơn rất nhiều so với hai chiều size khoảng trống còn lại. Theo hai chiều kia chúng phân bổ gián đoạn trong vật tư composite, còn theo chiều dài thì chúng hoàn toàn có thể ở dạng liên tục hay gián đoạn. Ta thường thấy những loại vật tư cốt sợi này gắn liền với từ composite trong tên gọi. Các loại sản phẩm composite gia dụng thường là được sản xuất từ loại vật tư composite cốt sợi, trên nền nhựa là đa phần .

Vật liệu tổng hợp cốt hạt[sửa|sửa mã nguồn]

Hạt là loại vật tư gián đoạn, khác sợi là không có kích cỡ ưu tiên. Loại vật tư composite cốt hạt phổ cập nhất chính là bê tông, thường lại được gọi ngắn gọn chỉ là bê tông, nên ta thường thấy cái được gọi là composite lại là vật tư composite cốt sợi .

Vật liệu tổng hợp cốt hạt và sợi

[sửa|sửa mã nguồn]

Bê tông là một loại tổng hợp ( hay compozit ) nền khoáng chất [ 2 ]. Khi bê tông tích hợp với cốt thép tạo nên bê tông cốt thép, thì đá tự tạo tạo thành từ xi-măng là vật tư nền, những cốt liệu bê tông là cát vàng và đá dăm thì là cốt hạt, còn cốt thép trong bê tông là cốt sợi .

Công nghệ sản xuất[sửa|sửa mã nguồn]

Công nghệ khuôn tiếp xúc[sửa|sửa mã nguồn]

  • Lăn tay
  • Phun
  • Lát máy

Công nghệ khuôn với diaphragm đàn hồi[sửa|sửa mã nguồn]

  • Khuôn chân không
  • Khuôn chân không- autoclave
  • Khuôn ép diaphragm

Công nghệ tẩm áp lực đè nén[sửa|sửa mã nguồn]

  • Tẩm áp lực trong điều kiện thường
  • Tẩm áp lực trong chân không

Công nghệ dập trong khuôn[sửa|sửa mã nguồn]

  • Dập trực tiếp
  • Dập đúc
  • Dập ép nóng

Công nghệ quấn[sửa|sửa mã nguồn]

  • Các phương pháp công nghệ
  • Máy quấn

Công nghệ pulltrusion[sửa|sửa mã nguồn]

  • Là quy trình LIÊN TỤC, tự động. Sản phẩm dạng PROFILE (thanh chữ U, chữ I) có tính chất vật lý, hóa học tốt => thay thế vật liệu truyền thống như sắt thép, nhôm, gỗ trong nhiều ứng dụng. Tỉ lệ phế liệu thấp Khả năng lựa chọn cái loại nhựa, vật liệu gia cường cũng như cường độ lao động, giá thành khuôn có thể điều chỉnh trong khoảng rộng

Ưu điểm yếu kém[sửa|sửa mã nguồn]

  • Khối lượng riêng nhỏ, độ bền cơ học cao, độ cứng vững và uốn kéo tốt.
  • Khả năng chịu đựng thời tiết, chống lão hóa, chống tia UV cao, cách điện và cách nhiệt tốt.
  • Khả năng kháng hóa chất và kháng ăn mòn cao, không gây tốn kém trong bảo quản, không cần phải sơn phủ chống ăn mòn.
  • Gia công và chế tạo đơn giản, dễ tạo hình, tạo màu, thay đổi và sửa chữa, chi phí đầu tư trang thiết bị sản xuất và chi phí bảo dưỡng thấp.
  • Tuổi thọ sử dụng cao (thời gian sử dụng dài hơn kim loại, gỗ khoảng 2-3 lần).
  • Khó tái chế, tái sử dụng khi hư hỏng hoặc là phế phẩm trong quá trình sản xuất.
  • Giá thành nguyên liệu thô tương đối cao, phương pháp gia công tốn thời gian.
  • Phức tạp trong phân tích cơ, lý, hóa tính của mẫu vật.
  • Chất lượng vật liệu bị phụ thuộc nhiều vào trình độ của công nhân

Một số mẫu sản phẩm từ vật tư tổng hợp[sửa|sửa mã nguồn]

  • Vỏ động cơ tên lửa
  • Vỏ tên lửa, máy bay, tàu vũ trụ
  • Bình chịu áp lực cao.
  • Ống dẫn xăng dầu composite cao cấp 3 lớp (Sử dụng công nghệ cuốn ướt của Nga và các tiêu chuấn sản xuất ống dẫn xăng, dầu).
  • Ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn composite (hay còn gọi là ống nhựa cốt sợi thủy tinh);
  • Ống dẫn nước thải, dẫn hóa chất composite;
  • Ống thủy nông, ống dẫn nước nguồn qua vùng nước ngậm mặn, nhiễm phèn;
  • Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất, đúc tượng, bồn tắm, chậu rửa chén, tấm panell composite;
  • Hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng;
  • Hệ thống sứ cách điện, sứ polymer, sứ cilicon, sứ epoxy các loại sứ chuỗi, sứ đỡ, sứ cầu giao, sứ trong các bộ thiết bị điện, chống sét, cầu chì;
  • Lốp xe ô tô, xe máy, xe đạp;
  • Vỏ tàu thuyền composite (vỏ lãi)…..
  • Thùng rác công cộng
  • Mô hình đồ chơi trẻ em, mô hình quảng cáo…
  • Vật liệu cải tạo nhà
  • Giáp cho xe tăng, xe thiết giáp chở quân và các phương tiện chiến tranh khác
  1. ^

    Vật liệu compozit-Cơ học và tính toán kết cấu của Trần Ích Thịnh, chương 1 Giới thiệu về vật liệu compozit, vật liệu compozit-định nghĩa, trang 9.

  2. ^

    Vật liệu compozit-Cơ học và tính toán kết cấu của Trần Ích Thịnh, chương 1 Giới thiệu về vật liệu compozit, bảng 1.1 Một số vật liệu compozit, trang 10.

Rate this post