nghiên cứu về composite

Composite
1) What is composite?
Composite được cấu tạo nên từ 2 hay nhiều vật liệu có các đặc tính khác nhau, cấu trúc khác nhau, tính
chắc khác nhau.
VD: Bê tơng cốt thép. Được cấu tạo nên từ các vật liệu bao gồm các thanh thép hợp kim, cát, xi măng.
Các composite được thể hiện bằng cách có 2 vật liệu bổ trợ cho nhau.
Vật liệu A: Bảo đảm về cấu trúc vật liệu thường là cấu trúc sống của composite. Ở dạng thanh hoặc dạng
sợi.
Vật liệu B: Ở dạng ma trận (matrix)
 Các vl composite khơng hịa tan được nhau, và nhận biết dễ dàng
Như ví dụ trên,
Vật liệu A: Là các thanh thép làm cấu trúc sườn sống của vl
Vật liệu B: Là các hỗn hợp xi măng và cát có nhiệm vụ tăng cường gia cố bởi các ma trận.
 2 vật liệu khơng hịa tan được lẫn nhau. Nhưng bổ trợ cho nhau với những đặc tính khác nhau.
Như thép là cấu trúc kiên cố giữ vững tòa nha. Xi măng và cát có nhiệm vụ chống oxi hóa thép
theo thời gian... Và gia cố vững chắc cho tòa nhà.

2) Types of composite
-

Vật liệu Composite tự nhiên tồn tại ở cả động vật và thực vật

VD: Gỗ bao gồm sự kết hợp giữa xenlulozo và lighin

Xenlulozo
-

lignin

Vật liệu Composite nhân tạo là do con người tạo ra

VD: Sợi thủy tinh, sợi cacbon làm vật liệu cấu trúc cho composite hiện đại ngày nay như vỏ thuyền vỏ oto
Hiện nay thì sợi cacbon được sử dụng rộng rãi hơn so với sợi thủy tinh vì nhẹ hơn và chắc hơn so với sợi
thủy tinh. Nhược điểm lại đắt hơn để sản xuất.


Thủy tinh được sử dụng làm vật liệu đầu tiên trong ngành hàng không năm 1950 chiếm 2% cấu trúc
boeing 707. Hiện nay thì boeing 787 Dreamliner là máy bay thương mại đầu tiên mà các cấu trúc chính
được làm bằng composite tổng hợp.

Các loại vật liệu composite:
Composte dạng sợi: Tổng hợp các sợi gia cố theo đường chiều dài của chúng. Có thể là 1 chiều, 2 chiều 3,
chiêu.
Ví dụ:

Composite dạng hạt:
Là một compostise đẳng hướng vì chúng tăng cường vật liệu ở mọi hướng.
VD: Composite dạng gốm kim loại


Vật liệu bao gồm gốm và các kim loại
Gốm KL dựa trên oxit: Cacbon titan, Cacbon vonfarm

Composite dạng tấm:

Compostie dạng vảy
Là 1 dạng composit có hình dạng vảy nhỏ, mỏng thường được gia công trong 2 chiều. Các vảy thông
thường có vật liệu cấu tạo là mica( tạo nên từ silicat sáng bóng ) và glass.

3) Why need to create composite
-

Độ bền tốt hơn các vật liệu khác
Nhẹ hơn
Tỷ lệ giữa sức mạnh trên trọng lượng và độ cứng so với trọng lượng lần lượt lớn hơn so với vật
liệu thông thường
Gia cố các bộ phận hay sản xuất các hình dạng thơ ban đầu
Đặc tính mỏi tốt hơn ( Chịu được chu kì ứng suất kéo, nén tốt hơn các Vật liệu thơng thường &
tổng hợp bình thuồng)
Cải thiện các đặc tính mà thép, nhơm khơng đạt được (Khơng bị ăn mịn,khơng tĩnh điện)

4) Components of composite material
-

Cốt (thép,cacbon,thủy tin) và nền (Ma trận -Matrix)


Vai trị nền:
Thơng thường được chia thành 4 nhóm: polyme, kim loại, gốm và hỗn hợp.
-

Giữ các sợi và thanh lại với nhau
Bảo vệ khỏi tác động môi trường
Phân bổ đồng đều tải trọng để các thanh và sợi chịu được tải trọng biến dạng
Chống va đập và cải thiện đứt gãy các thành phần
Các Composite cốt sợi, nền dẻo có tác dụng truyền và phân bố tải trọng sang cốt. Vì vậy độ nhạy
cảm với quá tải cục bộ do tập trung ứng suất ở một vùng nào đó của Composite sẽ giảm xuống,
khi xuất hiện sự cố một vài sợi cốt có thể bị đứt. Dó đó hệ số an toàn khi sử dụng vật liệu
Composite cao hơn so với các vật liệu truyền thống khá nhiều.

Vai trò cốt:

Cải thiện tính chất bền kéo, độ cứng, chống va đập
Ví dụ: Các loại Composite kết cấu thì cốt thướng là vật liệu bền cả ở nhiệt độ thướng và cả nhiệt độ cao,
có modun đàn hồi lớn và khối lượng riêng nhỏ. Cốt có thể là bằng các vật liệu khác nhau như KL ( thép ko
gỉ, volfram, molipden,...), các chất vô cơ (bo, cacbon, thủy tinh, gốm,...), chất vô cơ ( polyamit, ..)

5) Tương tác giữa nền và cốt
Nền và cốt được kết hợp qua liên kết tại vúng ranh giới pha. Thông thường nền và cốt không hòa
tan lẫn nhau . Tuy nhiên phụ thuộc vào quy trình cơng nghệ chế tạo, hệ thống có thể trải qua các trạng
thái nhiệt độ, áp suất thuận lợi về mặt nhiệt động học cho các tương tác khác nhau giữa nền và cốt xảy
ra.
Các dạng tương tác
- Nền và cốt khơng hịa tan lẫn nhau và khơng tạo thành hợp chất hóa học: Các Composite Al-B, Al-SiC,..
-Nền và cốt tương tác tạo dung dịch rắn với độ hòa tan rất nhỏ cà khơng tạo ra hợp chất hóa học (phần
lớn là các Composite nền KL có cốt là những kim loai khác đều thuộc loại này): Nb-W,Ni-W,...
- Nề và cốt tạo phản ứng hóa học: composite Al-SiO2, Ti-Al2O3, Ti-SiC
Độ bền của Composite chịu ảnh hướng rất mạnh vào độ bền liên kết giữa cốt và nền
Các kiểu liên kết
- Lk cơ học: liên kết thông qua độ mấp mô bề mặt hoặc do ma sát. Composite dạng này thướng kém bền
khi chịu lực nén dọc hoặc kéo ngang sợi cốt.
- Lk nhờ thấm ướt: được thực hiện nhờ năng lượng sức căng bề mặt. Các composite tạo ra kiểu liên kết
cơ học, khi chế tạo, nếu pha nền được nung chảy và dính ướt với cốt thì sẽ xảy ra q trình khuếch tán
hịa tan lẫn nhau. Sức căng bề mặt trên ranh giới giữa nề và cốt sau khi pha nền đông đặc quyết định độ
bền của kiểu liên kết này.


-Lk phản ứng: xảy ra khi xuất hiện pưhh tại ranh giới nền và cốt tạo thành hợp chất dạng keo dính chặt
cốt với nền.
- Lk phản ứng phân đoạn: pưhh tổng thể xảy ra theo nhiều giai đoạn, trong đó có 1 giai đoạn khống chế
tốc độ tạo ra liên kết

- Lk oxit: là 1 dạng liên kết phản ứng, đặc trưng cho Composite nền kim loại cốt là các oxit. Sản phẩm pư
ở dạng màn oxit
-Lk hỗn hợp: là hỗn hợp của các kiểu liên kết, có trong các composite mà tương tác giữa nền và cốt phụ
thuộc mạnh vào q trình cơng nghệ hoặc điều kiện sử dụng.
6 Những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất vật liệu
-

Loại
Phân bố
Kích thước
Định hướng
Hình dạng
Sự sắp xếp cốt (thép) ảnh hưởng đến tính chất và tính dị hướng vật liệu

Sợi cacbon
Đc cấu tạo từ >90% cacbon. Trong ngành hàng không hiện nay người ta đã điều chế gần 99% cacbon có
trong sợi.
Sợi cacbon có đường kính ống từ 5-10 um
VD: Sợi tóc của chúng ta theo nghiên cứu các nhà khoa học có đường kính 50-120um. Nhưng sợi cacbon
chỉ 5-10um nhỏ hơn từ 10->12 lần sợi tóc.
Sợi cacbon bền chắc khi tạo thành 1 bó. Và điều gây nên sự chắc chắn cacbon là nhờ đến cấu trúc
nguyên tử của nguyên tố cacbon
Nhờ vào sự hình thành liên kết giữa cacbon và các nguyên tử khác -> 1 cấu trúc phức tạp và rộng lớn
tồn bộ ngành hóa học phải đào sâu để ứng dụng.
Có rất nhiều sự tồn tại nhiều liên kết thông qua các obitan .
Liên kết trong hợp chất cacbon được tạo thành bởi 2 thứ


Liên kết thường thấy trong kim cương và chất béo. Gồm các chuỗi nguyên tử cacbon như polyolefine
hoặc các cấu trúc ba chiều cứng và đẳng hướng.

Hỗn hợp liên kết thường thấy trong than chì có cấu trúc nhiều lớp và có tính dị hướng cao
 Sự sắp xếp cấu trúc nguyên tử cacbon ảnh hưởng đến đặc tính vật liệu
Ví dụ: Trong cấu trúc kim cương và cấu trúc than chì

Cấu trúc kim cương được sắp xếp theo khơng gian 3 chiều nên mang lại độ cứng cho cấu trúc. Liên kết
các điện tử trong mạng tinh thể của kim cương được cố định giữa các nguyên tử sao cho độ dẫn điện rất
thấp, hầu như là cách điện. Kim cương là dạng hình thù ổn định nhất trong áp suất cao ( >600GPA)

Cấu trúc than chì được sắp xếp theo mạng lưới lục giác không gian 2 chiều và mạng lưới của nó rất lỏng
lẻo khá giống với sợi cacbon nên cấu trúc của than chí khơng mang lại độ cứng cho than chì. Các đặc
tính của than chì rất dị hướng do đến từ cấu trúc tinh thể của nó.

Khác với 2 cấu trúc tinh thể trên. Sợi cacbon có cấu trúc tương tư than chì nhưng khác là cấu trúc sợi
cacbon đan xen vào nhau còn với than chì là song song -> khiến cho lực liên kết của chúng cực kì mạnh.


Và với cấu tạo dạng ống như tóc người khiến cho chúng chắc chắn và khi tạo thành 1 bó thì càng tăng
liên kết cấu trúc -> Đây là điều mà các kĩ sư và nhà khoa học áp dụng vào phần cốt của vật liệu composite
trên máy bay -> Cấu trúc vật liệu.
Trong cấu trúc sợi cacbon hầu như các cấu trúc đều có trật tự và khơng có trật tự do các ngto khác có
trong sợi. Như ta đã nói ở trên 1 sợi cacbon có tỉ lệ cacbon càng cao thì liên kết càng mạnh điều đó dựa
trên cấu trúc của vật liệu.
. Một trong những khía cạnh quan trọng nhất quyết định bản chất và đặc tính của vật liệu composite là
giao diện giữa các thành phần. Độ bền của composite thường bị chi phối bởi lực kết dính có thể là hóa
học, vật lý hoặc sự kết hợp của cả hai. Phần lớn cacbon và than chì trong kỹ thuật cơng nghiệp thuộc loại
vật liệu tổng hợp chứa đầy hạt

Graphiti khơng hóa

Graphiti hóa 1 phần

Graphiti hóa tồn phần

Graphit là dạng hình thù của cacbon bao gồm các lớp nguyên tử cacbon được sắp xếp hình lục giác trong
1 hệ thống vịng cơ đặc phẳng
Graphit hóa là sự biến đổi trạng thái rắn của cacbon không phải graphit bền vững t hành 1 cấu trúc
graphit = cách hoạt hóa nhiệt. "Graphiti hóa lại là một quá trình diễn ra thẳng trong bầu khơng khí trơ


dưới sức căng. Có rất ít sự tiến hóa của khí, những thay đổi chính là trong cấu trúc vật lý của các sợi. Vi
tinh thể phát triển về kích thước và hướng ưu tiên của các mặt phẳng bazơ cacbon là được cải thiện. Sợi
có thể được coi là đang chuyển đổi theo cấu trúc graphit. Việc kéo dài các sợi bằng cách áp dụng lực
căng phù hợp đã được chứng minh là giúp chuyển đổi và cải thiện hơn nữa sự liên kết và do đó mơ đun
Cần phải cẩn thận Tuy nhiên, thực hiện để tránh đứt các sợi do vị q kỹ
Có 3 cách chế tạo sợi cacbon: rayon,pan,
Cách chế tạo sợi cacbon dựa trên rayon
Hình thái của các sợi carbon ex-rayon có bề mặt sần sùi, giống như một que cần tây. mà có nguồn gốc từ
tiền chất ban đầu (Hình 2.3). Sự kết hợp của các đặc tính cơ học kém, năng suất carbon thấp và chi phí
graphit hóa có nghĩa là sợi carbon ex-rayon nói chung khơng chứng tỏ được tính cạnh tranh trên thị
trường, mặc dù chúng được sử dụng rộng rãi trong khoa học mài mòn. Điều này là do khả năng dẫn
nhiệt theo chiều dày kém và bởi vì vật liệu tổng hợp của chúng mang lại độ bền cắt giữa các lớp cao Bảng
2.3 liệt kê các đặc tính điển hình của sợi carbon dựa trên rayon

Composite cacbob cacbon
Carbon và graphite là những vật liệu hấp dẫn để sử dụng ở nhiệt độ cao trong môi trường trơ và mơi
trường mài mịn. Việc sử dụng vật liệu tổng hợp cacbon hoặc hạt nguyên khối bị hạn chế rất nhiều bởi
đặc tính cơ học giịn, độ nhạy khuyết tật, tính chất thay đổi, tính dị hướng và khó chế tạo liên quan đến
các thành phần và cấu trúc lớn và phức tạp. Vật liệu tổng hợp ma trận carbon được gia cố bằng sợi
carbon bao gồm các sợi carbon được nhúng trong một nền carbon. Mục đích của các vật liệu này là kết
hợp các ưu điểm của vật liệu tổng hợp gia cố bằng sợi như cường độ riêng cao, độ cứng và độ dẻo dai

trong mặt phẳng với các đặc tính chịu lửa của gốm kết cấu Việc duy trì các đặc tính ical cơ học ở nhiệt độ
cao, vượt trội so với bất kỳ vật liệu nào khác đã dẫn đến việc khai thác vật liệu tổng hợp carbon-carbon
làm vật liệu cấu trúc trong tấm chắn nhiệt xe khơng gian, vịi phun tên lửa và phanh máy bay