VẬT LIỆU COMPOSIT (Cơ học ứng dụng)

CHƯƠNG 9. VẬT LIỆU COMPOSIT
9.1. Khái niệm và phân loại
9.2. Cốt.
9.3. Nền
9.4. Các loại vật liệu composit thông dụng:

CHƯƠNG 9. VẬT LIỆU COMPOSIT

9.1. Khái niệm và phân loại
9.1.1. Khái niệm:
Vật liêu composit là loại vật liệu gồm hai hay nhiều loại vật liệu khác
nhau kết hợp lại, trong đó các ưu điểm của mỗi loại được kết hợp với nhau
hoặc tạo nên một chất lượng mới hoàn toàn mà nếu đứng riêng lẻ không một
loại vật liệu thành phần nào có thể đáp ứng được.
9.1.2. Đặc điểm và phân loại :
* Đặc điểm:
- Là vật liệu nhiều pha: trong đó các pha rắn khác nhau về bản chất, khơng hịa
tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha. Phổ biến nhất là loại
composit hai pha.Pha liên tục trong toàn khối gọi là nền. Pha phân bố gián
đoạn được nền bao bọc gọi là cốt
+Trong vật liệu composit tỷ lệ, hình dáng, kích thước, sự phân bố của
nền và cốt tuân theo quy luật đã thiết kế.
+ Tính chất của các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên tính chất
chung của composit.
Ta lựa chọn các tính chất tốt để phát huy thêm.
* Phân loại:
- Phân loại theo bản chất của nền:
+ Composit nền chất dẻo (composit polymerit)
+ Composit nền kim loại (composit metallit)
+ Composit nền gốm (Composit ceramic )
+ Composit nền là hỗn hợp của hai hay nhiều pha.

- Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc:

9.1.3. Tính chất của vật liệu Coposit:
a. Cơ tính riêng:
Ta khảo sát một thanh chịu kéo dọc, đung tâm.


Quan hệ giữa lực P và biến dạng ∆l được biểu diễn như sau:
P=

EF
∆l
l

9.1

Trong đó : E – mơ đun đàn hồi của vật liệu
F – Tiết diện ngang
L – là chiều dài thanh
∆l – độ giãn dài tuyệt đối
Độ cứng kéo (nén) EF/l đặc trưng cho tính chất cơ học của thanh trong miền
đàn hồi. Ta xét hai loại vật liệu khác nhau, ký hiệu là 1 và 2, tỷ lệ các độ cứng
sẽ là:
K 1 E1 F1 l 2
=
.
K 2 E 2 F2 l1

(9.2)
Tỷ lệ khối lượng của hai thanh được biểu diễn như sau :

m1 F1l1 ρ1
=
.
m2 F2 l 2 ρ 2

(9.3)

Từ biểu thức 9.2 và 9.3 ta suy ra :
E1
K1
ρ1 m1
=
.
K 2 E 2 ρ 2 m2

(9.4)
Trong các lĩnh vực công nghiệp :hàng không, vũ trụ, thể thao, xây dựng… ta
cần so sánh tính năng cơ học của các kết cấu có cùng khối lượng : m1 = m2, ta
có :
E1
K1
ρ1
=
K 2 E2 ρ 2

(9.5)
Từ 9.5. ta thấy một vật liệu được coi là tốt hơn khi có giá trị E/ρ được gọ là mơ
đun riêng của vật liệu. Tương tự như vậy nếu gọi σ b là ứng suất phá hủy của vật
liệu thì đại lượng σb/ ρ được gọi là ứng suất riêng (hay độ bền riêng).
Ta không thể sử dụng trực tiếp các si ct vỡ ng kớnh ca chỳng quỏ nh

(10 ữ20àm) vì vậy cần phải trộn sợi với nhựa polyme (nền) để được vật liệu
composit cốt sợi. Nền có chức năng liên kết, bảo vệ và truyền lực cho sợi. Vấn
đề quan trọng là phải tìm được các vật liệu vừa có mơ đun cao, khối lượng
riêng nhỏ và giá thành hợp lý.

2

2


9.2. Cốt.
- Trong tồn khối composit thì cốt phân bố không liên tục và rất đa dạng, phụ
thuộc vào loại composit cần chế tạo.
- Với loại composit kết cấu: Cốt là các kim loại bền ở nhiệt độ thường và nhiệt
độ cao, có mơ đun đàn hồi lớn, khối lượng riêng nhỏ.

Bảng 9.1. Cơ tính riêng của một số vật liệu thông dụng
- Các loại vật liệu cốt: Kim loại ( thép không gỉ, W, B, Mo...), chất vô cơ
(cacbon, thủy tinh, gốm).
- Hình dạng, kích thước, hàm lượng và sự phân bố của cốt ảnh hưởng rất mạnh
đến tính chất composit.

9.3. Nền
Nền có vai trị sau đây:
- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối composit thống nhất.
- Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu composit thành
các chi tiết thiết kế.
- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do tác dụng của mơi trường.
Vật liệu nền gồm có : polyme, kim loại, gốm và hỗn hợp.

3

3


9.4. Các loại vật liệu composit thông dụng:
9.4.1. Composit hạt.
Cấu tạo gồm các phần tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố đều trong nền. Các
phần tử cốt là các pha cứng và bền hơn nền: o xyt, nitrit, cac bit... Đôi khi là
các hạt mềm như grafit, mica thuộc loại chống ma sát. Có hạt thơ và hạt mịn,
hạt mịn nằm phân tán có tác dụng cản trượt hóa bền.
9.4.1.1. Composit hạt thô:
Copozit hạt thô rất đa dạng và được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực
công nghiệp, xây dựng.
Đặc điểm của Compozit hạt thô.
Hạt thô được dùng để chỉ tương tác giữa nền và cốt không xảy ra ở mức độ
nguyên tử, phân tử, sự hóa bền có được là nhờ sự cản trở biến dạng của nền ở
vùng lân cận với cốt.
Compozit hạt thô thông dụng.
Copozit hạt thô nền polyme. Hạt cốt là thạch anh, thủy tinh, ô xyt nhôm...
được sử dụng phổ biến trong đời sống như làm cửa, tường ngăn, trần nhà...

Hình 9.3.Sơ đồ phân bố cốt sợi
a.Một chiều song song
b. Ngẫu nhiên, rối trong một mặt
c. Dệt hai chiều vng góc trong một mặt d. Đan quấn 3 chiều vng góc
- Composit hạt thô nền kim loại: hạt cốt là các phần tử cứng: WC, TiC, TaC
nền là Co dùng làm dụng cụ cắt gọt, khn kéo, khn dập...Ngồi ra cịn có
4

4


các hợp kim giả W – Cu, W – Ag, Mo – Cu, Mo – Ag....sử dung trong kỹ thuật
điện.
- Composit hạt thơ nền gốm: điển hình là bê tơng, cốt là tập hợp các hạt rắn đá
sỏi... liên kết bởi nền là xi măng.
Bê tông (nền là xi măng) dùng để rải đường, làm cầu, cống...
9.4.1.2.Composit hạt mịn:
Các phần tử cốt có kích thước rất nhỏ e < 0.1µm cứng và ổn định nhiệt
cao ( bền nóng ), phân bố trên nền kim loại hay hợp kim được sử dụng trong
lĩnh vực nhiệt độ cao.
a. Đặc điểm:
- Nền thường là kim loại và hợp kim, cốt có kích thước e< 0.1µm, các
Compozit có độ bền, độ cứng và có tính ổn định nhiệt cao như oxit, các bit,
borit, nitrit.
- Tương tác nền – Cốt xảy ra ở mức độ vi mơ ứng với kích thước ngun tử,
phân tử.
- Cơ chế hóa bền: Cốt nhỏ mịn phân tán kìm hãm lệch, làm tăng độ bền độ
cứng của vật liệu.
b.Các Compozit hạt mịn.
- Compozit hạt mịn với cốt Al 2O3 = 5 ÷ 20% trên nền nhơm, chịu nhiệt khoảng
300 ÷5000C
- Compozit hạt mịn có nền là Niken (Ni), cốt là các phần tử ô xyt tô ri ThO 2 ∼
2% song ở dạng rất nhỏ mịn, nằm phân tán và ổn định nhiệt, làm việc lâu dài
ở nhiệt độ 1000 ÷ 11000C, khơng bị ăn mịn tinh giới như thép không gỉ nên là
vật liệu quý trong hàng không, vũ trụ, chế tạo tuabin, ống dẫn , bình áp lực làm
việc ở nhiệt độ cao dưới tác dụng của môi trường ăn mòn.
9.4.2. Composit sợi:
Compozit cốt sợi là loại compozit kết cấu quan trọng nhất vì nó có độ

bền riêng và mô đun đàn hồi riêng cao. Nền và cốt sợi đều là các vật liệu nhẹ.
Tính chất của compozit cốt sợi phụ thuộc vào bản chất vật liệu cốt và
nền, độ bền liên kết trên ranh giới pha, sự phân bố và định hướng sợi
9.4.2.1.Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi
a. Sự phân bố và định hướng sợi.
- Sợi phân bố song song với nhau theo một phương (hình 9.3a) sự phân bố này
có độ bền theo phương dọc.
- Sợi đan vng góc với nhau (hình 9.3b) phân bố theo 2 trục sợi độ bền cao
hơn cả- kiểu dệt.
- Sợi phân bố nhiều phương (rối-hình 9.3c), compozit đẳng hướng theo tất cả
các phương trên mặt
- Sợi được phân bố 3 phương vng góc với nhau như ở hình (9.3d) thì
compozit có tính đẳng hướng.
b. Ảnh hưởng của chiều dài sợi.
Điều quan trọng là kết cấu cốt sợi phải tập trung tải trọng vào sợi là pha
có độ bền cao. Có 2 loại cốt sợi: cốt sợi ngắn và cốt sợi dài
5

5


Đối với loại cốt sợi ngắn: lực tác dụng sẽ gây biến dạng của nền nơi liếp xúc
giữa sợi và nền, một phần nền bị chảy (hình 9.4)
Cốt sợi dài: Khi LS ≥ LC mới làm tăng một cách có hiệu quả độ bền và độ cứng
vững của compozit. Chiều dài tới hạn l C này phụ thuộc đường kính d của sợi,
giới hạn bền (σb)S của sợi và lực liên kết giữa sợi và nền (hay giới hạn chảy cắt
của nền τm) theo biểu thức.
LC =

(σ b ) S

τm

.d

Đặt

S=

(σ b ) S
τm

Thì

LC = S .d

Người ta quy ước:
- Khi L ≥ 15LC compozit là loại cốt liên tục hay cốt sợi dài
- Khi L < 15Lc compozit là loại cốt sợi ngắn hay không liên tục
- Khi L < Lc sợi không đủ dài để lực bám không gây biến dạng nền bao quanh
sợi, do đó khơng đủ truyền tải và được coi như compozit hạt.
Trên hình 9.5 trình bày sơ đồ cấu trúc của loại compozit cốt sợi trong đó loại
cốt sợi liên tục thẳng hàng (thường chỉ gọi ngắn gọn là liên tục ) như ở hình a
là loại quan trọng hơn cả sẽ được khảo sát dưới đây.

Hình 9.4. Sơ đồ liên kết giữa nền và cốt

Hình 9.5. Sơ đồ phân bố sợi
a. Sợi liên tục song song
b. Sợi gián đoạn thẳng hàng
Sợi hỗn độn

6

c.

6


9.4.2.2. Các Compozit cốt sợi.
Đây là loại vật liệu kết cấu quan trọng nhất, hiện đang nghiên cứu và sử
dụng phổ biến. Cấu tạo của nó gồm cốt dạng sợi phân bố trong nền theo quy luật
đã thiết kế. Gồm các loại sau đây.
- Composit sợi thủy tinh nền polymer : hiện tại là loại vật liệu thông dụng nhất,
cốt là sợi thủy tinh nền là polyeste đôi khi dùng bakelit. Loại này vừa bền, vừa
nhẹ, chống ăn mòn tốt, chống va đập tốt,cách điện tốt, công nghệ chế tạo đơn
giản, giá thành hạ.
Công dụng là làm mui xe hơi, cửa, thùng xe lạnh, sitec, mũi máy bay, vỏ bảo vệ
buồng lái tàu vũ trụ, chế tạo vỏ xuồng và ca nô tốc độ cao, các tấm áp tường
trong máy bay, toa xe, các phòng tắm, phòng vệ sinh, bể bơi, vỏ thân xe hơi, tàu
biển ống dẫn, container chứa hàng... Đặc biệt trong cơng nghiệp ơ tơ, nó có sức
cạnh tranh nhờ giảm được khối lượng và tiêu hao nhiên liệu ít nhất khi làm việc.
- Composit sợi cac bon hoặc sợi Bo: Cốt là sợi cac bon hay sợi các bon thủy
tinh. Nền là epoxy phenon, polyeste hay các bon, Polymer, vật liệu compozit
này có độ bền cao hơn 4 ÷ 5 lần so với thủy tinh, là vật liệu nhẹ, có độ bền cao,
chịu được nhiệt độ, ăn mòn cao, đàn hồi và chống rung tốt, chịu mỏi cao, phù
hợp để chế tạo những chi tiết máy cần có cơ tính tổng hợp cao và nhẹ.
Cơng dụng làm thân máy bay quân sự, phần lái cánh tàu bay, thùng xe hơi, công
nghiệp tàu thủy, vật liệu cách nhiệt của động cơ, đĩa ma sat, cánh quạt máy bay
lên thẳng, cánh quạt máy nén khí, dụng cụ thể thao...Loại compozit này có sức
cạnh tranh trong sản xuất máy bay do giảm nhẹ được khối lượng nên nhiên liệu

tiêu hao ít (giảm 20 ÷ 30%) so với dùng kim loại.
Chú ý : Dùng sợi Bo đắt hơn sợi Cacbon nên ít dùng hơn.
- Composit sợi hữu cơ: Cốt là các sợi polyme nền là polyme công dụng dùng
làm vât liệu cách nhiệt, cách điện, các kết cấu ô tô, máy bay...
- Compozit nền kim loại cốt sợi: loại phổ biến nhất có triển vọng nhất là nền
nhơm sợi Bo có phủ Cacbit Silic vì có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao hơn
nhiều so với nền Polyme mà trọng lượng riêng nhỏ hơn nên có độ bền riêng tốt.