CẨM NANG VẬT LIỆU COMPOSITE

Chương 1
NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ VẬT LIỆU
COMPOSITE
1.1. KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE

Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp (mức độ vĩ mô) của hai hay
nhiều vật liệu thành phần khác nhau về hình dạng hoặc thành phần hóa
học nhằm tạo nên một vật liệu mới có tính năng vượt trội so với từng vật
liệu thành phần.
Nhiều vật liệu có nguồn gốc tự nhiên là composite. Ví dụ gỗ là một
composite gồm những sợi cellulose trong nền liên kết là lignin, hoặc xương
bền và nhẹ được hình thành do sự kết hợp của các tinh thể apatite (một hợp
chất của canxi) và những sợi protein collagen. Ở Ấn Độ, Hy Lạp và các
nước khác, rơm hoặc trấu được trộn với đất sét để làm nhà cách đây hàng
trăm năm là loại composite sợi ngắn.
Sự tổ hợp hai hay nhiều vật liệu khác nhau trong composite nhằm tạo
nên một sản phẩm với các tính chất tối ưu, bao gồm tính chất cơ học, tính
chất hóa học và tính chất chất vật lý như tính chất nhiệt (độ dẫn nhiệt, hệ số
giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chảy mềm),
tính chất điện (độ dẫn điện, tổn thất điện mơi…), tính chất quang học, tính
cách âm…
Từ những năm 1960, xuất hiện nhu cầu ngày càng tăng về các vật liệu
yêu cầu cứng và nhẹ hơn. Tuy nhiên, khơng có một vật liệu đơn nào
(monolithic material) có thể đáp ứng được yêu cầu đó. Xuất phát từ nhu cầu
đó ý tưởng chế tạo vật liệu kết hợp từ một số vật liệu khác nhau ra đời và
tạo nên một loại vật liệu mới đó là vật liệu tổ hợp hay còn gọi là vật liệu
composite.
Vật liệu composite được xem là vật liệu cấu tạo bởi hai hay nhiều
thành phần gồm một hay nhiều loại vật liệu gia cường (gián đoạn) phân bố
trong thành phần vật liệu nền, liên tục. Vật liệu composite phổ biến gồm hai
1

thành phần chính: Vật liệu gia cường (reinforcing material) và vật liệu nền
(matrix) (Hình 1.1).
Vật liệu gia cường

Vật liệu nền

Hình 1.1. Mơ hình vật liệu composite

Vật liệu nền đóng vai trò liên kết các vật liệu gia cường rời rạc tạo nên
một sản phẩm liên tục. Dưới tác dụng ngoại lực, vật liệu gia cường là thành
phần chính chịu tải trọng vì nó thường có tính chất cơ lý cao hơn vật liệu
nền. Ngược lại, vật liệu nền thường có độ bền, độ cứng thấp hơn và dẻo dai
hơn vật liệu gia cường. Dưới tác dụng ngoại lực vật liệu nền có vai trị
chuyển ứng suất sang vật liệu gia cường. Ngồi ra, vật liệu nền cịn đóng vai
trị chính trong việc bảo vệ composite khỏi sự tấn công của mơi trường, hóa
chất đồng thời đóng vai trị quyết định đến độ bền nhiệt, khả năng gia
công… của vật liệu composite.
1.2. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU COMPOSITE

Dựa vào các tính chất và nguồn gốc tạo ra vật liệu, trong khoa học
phân loại composite theo các cách sau:
1.2.1. Phân loại theo cấu trúc vật liệu gia cường

Dựa vào cấu trúc vật liệu gia cường, composite được phân thành 3
nhóm chính: composite gia cường sợi (composite cốt sợi), composite gia
cường hạt (composite cốt hạt) và composite cấu trúc.
a) Composite gia cường sợi

Composite gia cường sợi (fibre reinforced composite – FRC) là
composite có vật liệu gia cường ở dạng sợi, ví dụ như composite sợi thủy
tinh, composite sợi tự nhiên… .

2


Trong hệ composite này, sợi chịu tải trọng chính, vật liệu nền chỉ đóng
vai trị phân bố tải trọng và truyền tải trọng sang sợi cũng như liên kết các
sợi lại với nhau. Nói chung, mục đích thiết kế FRC nhằm tạo sản phẩm có
modul riêng (modul/khối lượng riêng) và độ bền riêng (độ bền/khối lượng
riêng) cao. Các sợi trong composite có thể được phân bố ngẫu nhiên hoặc có
sự định hướng nhất định.
Tùy thuộc vào tỉ số chiều dài (l)/đường kính (d) mà composite cốt sợi
được phân thành composite sợi liên tục (sợi dài) và composite sợi gián đoạn
(sợi ngắn) (Hình 1.2). Composite sợi dài: là composite có tỉ số l/d của sợi tối
thiểu là 200. Ngược lại, khi composite có có l/d của sợi nhỏ hơn 200 được
xem là composite sợi ngắn.

Hình 1.2. Composite sợi dài (a) và sợi ngắn (b)

Trong composite gia cường sợi, hiệu quả gia cường và khả năng điều
chỉnh sự sắp xếp của sợi ngắn kém hơn sợi dài. Sự sắp xếp của sợi ngắn
thường kém chặt chẽ hơn nên hàm lượng sợi trong composite sợi ngắn
thường thấp hơn trong composite sợi dài. Tuy nhiên, tính chất bất đẳng
hướng của composite sợi ngắn bé hơn so với composite sợi dài.
b) Composite gia cường hạt

Composite gia cường hạt (Particulate reinforced composite): là
composite được gia cường bởi các hạt với các hình dạng (hình cầu, que,

vảy...) và cỡ kích khác nhau như bột gỗ, than đen, talc, cao lanh, vảy mica,
sắt, đồng, nhôm…

3


Các vật liệu gia cường hạt có kích cỡ macro, micro hoặc nano và
thường có độ cứng cao hơn vật liệu nền. Một số vật liệu gia cường dạng hạt
có thể cải thiện các tính chất của composite như giảm co ngót, chống chảy,
kháng mài mịn, chịu nhiệt… Tuy nhiên, khả năng cải thiện tính chất cơ lý
của vật liệu gia cường dạng hạt thường bé hơn rất nhiều so với vật liệu gia
cường dạng sợi và phụ thuộc rất nhiều vào kết dính tại bề mặt ranh giới
phân chia pha. Chính vì vậy, vật liệu composite hạt thường được dùng trong
các ứng dụng yêu cầu về độ bền không cao.
Trong nhiều trường hợp các hạt được sử dụng trong chế tạo composite
nhằm mục đích giảm giá thành và tăng độ cứng sản phẩm.
c) Composite cấu trúc

Composite cấu trúc gồm 2 loại chính: composite dạng lớp (laminate)
và sandwich panel.
Composite dạng lớp (Hình 1.3): được tạo thành từ các lớp cơ sở, lớp
thứ nhất là lớp chịu lực (thường là các composite cốt sợi đơn hướng) và lớp
thứ hai đóng vai trò liên kết (thường là vật liệu đồng nhất) hoặc có thể được
tạo thành từ cùng một loại vật liệu (thường là các composite cốt sợi đơn
hướng), gồm nhiều lớp sắp xếp đổi hướng các lớp cho phù hợp yêu cầu thiết
kế rồi ép lại sẽ thu được các bán thành phẩm dạng tấm dùng trong xây dựng
nhà cửa, làm vỏ thân cánh và đi các loại máy bay…

Hình 1.3. Composite dạng lớp

Sandwich panel (Hình 1.4): Cấu tạo gồm hai lớp mặt, là vật liệu có
độ bền và cứng cao như tấm cấu trúc composite dạng lớp, hợp kim nhôm,
hợp kim titan… và lớp lõi ở giữa, là vật liệu nhẹ, có độ bền và độ cứng
tương đối bé. Lớp lõi có tác dụng duy trì khoảng cách giữa hai tấm mặt và
giảm biến dạng theo chiều vng góc mặt tấm, tạo độ cứng nhất định, tránh
hiện tượng cong vênh tấm. Lớp lõi thường làm bằng: polymer bọt, cao su
4


nhân tạo, gỗ nhẹ, vật liệu dạng tổ ong. Composite loại này được ứng dụng
rất rộng rãi: trần, sàn, tường trong xây dựng nhà cửa, làm vỏ thân cánh và
đuôi các loại máy bay…

Lớp tổ ong
Lớp kết dính
Lớp bề mặt

Sản phẩm
sandwich panel
Hình 1.4. Sandwich panel

1.2.2. Phân loại theo bản chất vật liệu nền

Theo bản chất vật liệu nền, composite được chia thành ba nhóm chính
sau: composite nền polymer, composite nền kim loại và composite nền
ceramic.
a) Composite nền polymer

Composite nền polymer (Polymer matrix composite – PMC) là
composite có nền là các loại polymer nhiệt dẻo như polypropylene,

polyethylene, polyvinyl chloride, polyamide… hoặc các polymer nhiệt rắn
như polyester không no, vinyl ester, phenolic, melamine, polyurethane,
epoxy… . Vật liệu gia cường là các sợi, hạt hữu cơ (sợi Kevlar,
cellulose…), vô cơ (thủy tinh, carbon…) và kim loại (bo, nhôm, thép,
molipden…).
Loại composite này được sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm rất lớn là dễ
dàng gia cơng tạo những sản phẩm có hình dạng phức tạp và kích thước lớn.
Trong hệ composite này, vật liệu gia cường có độ bền và modul cao
cịn polymer nền có vai trị truyền tải trọng và tăng khả năng kháng ăn mòn,
chịu thời tiết cho composite.
b) Composite nền kim loại

Composite nền kim loại (Metal matrix composite – MMC) là
composite có nền là các kim loại như nhơm, magie, titan, sắt, cobalt, đồng…
5


Vật liệu gia cường là các sợi, hạt vô cơ ceramic (oxide, cacbua silic...) hoặc
kim loại (chì, vonfram, molipden...). Vật liệu nền thường dẻo dai, vật liệu
gia cường thường có tác dụng cải thiện tính chất cơ lý, kháng mài mịn,
chống rão, dẫn nhiệt, ổn định kích thước của composite.
Ưu điểm lớn của composite nền kim loại so với nền polymer là khả
năng chịu nhiệt tốt hơn, không cháy và chống lại sự tấn công của các chất
lỏng hữu cơ tốt hơn. Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm so với composite
nền polymer là giá thành cao hơn và khối lượng riêng lớn hơn, dễ bị phá
hủy tại bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường do kim loại
dễ bị ăn mòn.
c) Composite nền ceramic

Trong composite nền ceramic (Ceramic matrix composite – CMC),

nền ceramic có thành phần chính là oxide, carbide, nitride và boride được
gia cường bởi các hạt, sợi vô cơ ceramic hoặc kim loại. Do sức căng bề mặt
của ceramic nóng chảy cao nên khó thấm ướt lên các loại sợi. Chính vì vậy
trong thực tế tồn tại rất ít hệ composite nền ceramic.
Một hệ composite điển hình trên nền ceramic được ứng dụng rộng rãi
trong kỹ thuật là composite nền carbon gia cường sợi carbon nhờ những tính
chất ưu việt như chịu nhiệt tốt đến 2200oC mà vẫn duy trì độ bền cao, tỉ số
độ bền/trọng lượng và độ cứng/trọng lượng cao, ổn định kích thước tốt,
chống ăn mịn tốt, kháng hóa chất tốt… Composite nền carbon gia cường
sợi carbon được dùng trong những ứng dụng cấu trúc và phi cấu trúc, đặc
biệt là ứng dụng cấu trúc vận hành ở nhiệt độ cao như các bộ phận của máy
bay, động cơ phản lực, tên lửa… Nhược điểm lớn nhất của hệ composite
này là giá thành cao do giá nguyên liệu và chi phí sản xuất cao.
1.3. VAI TRỊ CỦA CÁC VẬT LIỆU THÀNH PHẦN
1.3.1. Vai trò của vật liệu gia cường

Vật liệu gia cường thường đóng những vai trị chính sau:
– Chịu tải trọng tác dụng lên vật liệu composite (đến 70 ÷ 90% tải
trọng) nên tính chất cơ lý của vật liệu gia cường thường cao hơn so với vật
liệu nền.
– Tạo độ cứng, độ bền, ổn định nhiệt và các tính chất cấu trúc khác
của composite.
6


– Tạo cho sản phẩm có tính cách điện hoặc dẫn điện tùy thuộc vào
loại vật liệu gia cường.
1.3.2. Vai trò của vật liệu nền

Vật liệu nền thường chiếm 30 ÷ 40% thể tích của composite, nó đóng

những vai trị chính sau:
– Liên kết các vật liệu gia cường lại với nhau.
– Phân bố tải trọng tác dụng lên vật liệu composite bằng cách truyền
tải trọng sang vật liệu gia cường.
– Bảo vệ vật liệu khỏi sự tấn công của hóa chất và hơi ẩm.
– Bảo vệ bề mặt sợi khỏi bị phá hủy cơ học (do mài mòn…).
– Tạo vẽ thẩm mỹ cho sản phẩm.
– Ảnh hưởng lớn đến độ bền lâu, độ dẻo dai, độ bền nhiệt, khả năng
gia cơng… của composite. Ví dụ vật liệu nền dẻo dai sẽ tăng độ dẻo dai cho
sản phẩm. Đối với những ứng dụng yêu cầu độ dẻo dai cao nên lựa chọn vật
liệu nền là polymer nhiệt dẻo.
– Ngoài ra, mơ hình phá hủy của composite bị ảnh hưởng nhiều bởi
loại vật liệu nền cũng như tính tương thích với vật liệu gia cường.
1.4. KẾT DÍNH TẠI BỀ MẶT TIẾP XÚC GIỮA VẬT LIỆU GIA
CƯỜNG VÀ VẬT LIỆU NỀN
1.4.1. Góc tiếp xúc

Khi vật liệu composite chịu tác dụng của ngoại lực, tải trọng tác dụng
lên vật liệu nền sẽ được truyền sang vật liệu gia cường qua bề mặt tiếp xúc.
Nếu composite yêu cầu có độ bền và độ cứng cao thì vật liệu gia cường phải
liên kết bền vững với vật liệu nền. Tuy nhiên, một bề mặt tiếp xúc bền thì sẽ
tạo composite có độ cứng và độ bền cao nhưng khả năng chống lại sự phát
triển vết nứt kém do đặc tính dịn.
Kết dính giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường tốt là nhờ tồn tại các
liên kết, tương tác tại bề mặt tiếp xúc. Muốn các liên kết này phát triển thì
trước hết phải có sự thấm ướt tốt vật liệu gia cường lên bề mặt vật liệu nền.
Khả năng thấm ướt được định nghĩa là mức độ trải của chất lỏng lên một bề
mặt rắn. Trong gia công composite vật liệu nền thường được chuyển sang
trạng thái lỏng, có độ nhớt đủ thấp để thấm ướt tốt những chỗ lồi lõm, gồ ghề
7

trên bề mặt vật liệu nền. Khả năng thấm ướt thường được đánh giá qua góc
tiếp xúc α.
Góc tiếp xúc α (Hình 1.5) có mối tương quan với các năng lượng bề
mặt được biểu diễn bằng phương trình Young sau:
Cos α = (σ S – σ SL )/σ L
Với:
σ S : Năng lượng tự do bề mặt vật liệu gia cường (rắn– solid).
σ SL : Sức căng bề mặt tiếp xúc vật liệu gia cường (rắn)/vật liệu nền
(lỏng– liquid)
σ L : Sức căng bề mặt nhựa (lỏng)
Có ba trường hợp có thể xảy ra như sau:
α = 0: Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn bề mặt vật liệu gia cường rắn
0° < α < 90°: Chất lỏng thấm ướt không hoàn toàn bề mặt vật liệu gia
cường rắn
90° < α < 180°: Chất lỏng không thấm ướt bề mặt vật liệu gia cường rắn.

Hình 1.5. Góc tiếp xúc của chất lỏng lên bề mặt rắn

1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bám dính, liên kết tại bề mặt
tiếp xúc

Trong q trình gia cơng, cần điều chỉnh điều kiện gia cơng phù hợp
để có sự thấm ướt kết dính tốt giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường. Sau
đây là các yếu tố giúp tạo liên kết tốt tại bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu gia
cường và nhựa nền:
– Góc tiếp xúc bé giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường
– Sức căng bề mặt vật liệu nền lỏng (σ L ) càng bé càng tốt
– Độ nhớt vật liệu nền khi gia công thấp

8


– Tăng áp suất để giúp vật liệu nền chảy tốt
– Độ nhớt sau gia công của vật liệu nền cao (làm nguội, đóng rắn...)
– Làm sạch bề mặt vật liệu gia cường khỏi bụi bẩn
– Loại bỏ các vết nứt, lỗ rỗng trên bề mặt vật liệu gia cường
– Bề mặt vật liệu gia cường có độ nhám phù hợp
– Độ cứng vật liệu nền nên bé hơn vật liệu gia cường.
– Hệ số giãn nở nhiệt của các vật liệu thành phần giống nhau.
– Thiết kế composite phù hợp.
1.4.3. Các loại liên kết hình thành tại bề mặt tiếp xúc

Khi vật liệu nền thấm ướt vật liệu gia cường, một số liên kết có thể
được hình thành tại bề mặt tiếp xúc gồm:
– Liên kết cơ học
– Liên kết nhờ lực tương tác tĩnh điện
– Liên kết nhờ lực khuếch tán
– Liên kết vật lý, hóa học
a) Liên kết cơ học

Để giải thích liên kết cơ học hình thành tại bề mặt tiếp xúc, mơ hình
thuyết kết dính được đưa ra bởi MacBain and Hopkins vào năm 1925. Theo
thuyết này, kết dính được hình thành nhờ vật liệu nền khi gia công ở trạng
thái lỏng lấp vào những khe, lỗ trống và những chỗ gồ ghề trên bề mặt vật
liệu gia cường, khi vật liệu nền hóa rắn nhờ làm nguội hoặc đóng rắn sẽ
hình thành liên kết cơ học tại bề mặt tiếp xúc. Ví dụ như trường hợp kết
dính giữa cao su và vải trong cơng nghệ sản xuất lốp xe, vải đóng vai trị là
vật liệu gia cường, cao su đóng vai trị là vật liệu nền. Trong q trình gia
cơng những mạch cao su có đủ độ linh động khuếch tán vào những chỗ gồ

ghề trên bề mặt của vải tạo liên kết cơ học tại bề mặt tiếp xúc giữa cao su
và vải.
Khi độ nhám bề mặt vật liệu gia cường tăng thì thấm ướt nhựa nền
tốt (Hình 1.6) giúp phát triển các liên kết hóa học, hạn chế hình thành bọt
khí tại bề mặt tiếp xúc, tăng cường tương tác cơ học giữa vật liệu nền và vật
liệu gia cường dẫn đến bám dính cơ học sẽ tăng. Tuy nhiên, làm nhám quá
mức sẽ xuất hiện các lỗ sâu trên bề mặt vật liệu gia cường thì vật liệu nền
lỏng khó thấm vào sẽ gây hiệu quả ngược lại.
9


Liên kết, bám dính cơ học hiệu quả khi ngoại lực tác dụng song song
với bề mặt tiếp xúc. Nếu bề mặt tiếp xúc chịu tác dụng của lực kéo thì độ
bền thường thấp trừ khi các vị trí ngoằn ngo như điểm A (Hình 1.7) có
mật độ dày đặc do sự thay đổi phân bố ứng suất tại bề mặt tiếp xúc (Hình
1.8) diện tích vùng bề mặt tiếp xúc tăng, ranh giới ngoằn ngèo làm cho sự
phân tán ứng suất tốt. Q trình làm nhám cịn giúp loại bỏ lớp kém bền trên
bề mặt vật liệu nền như dầu mỡ, chất bẩn, gỉ... .

Hình 1.6. Mơ hình thấm ướt nhựa nền lên bề mặt nhẵn và nhám

Hình 1.7. Mơ hình liên kết cơ học tại bề mặt tiếp xúc

10


Hình 1.8. Mơ hình phân bố lực tác dụng tại bề mặt tiếp xúc

b) Liên kết nhờ lực tương tác tĩnh điện

Khi có sự tiếp xúc giữa vật liệu gia cường và vật liệu nền, trong một
số trường hợp sẽ có sự dịch chuyển điện tử qua vùng ranh giới phân chia
pha, làm xuất hiện lớp điện tích kép tại bề mặt tiếp xúc (Hình 1.9) và hình
thành lực tương tác tĩnh điện giúp chống lại sự phá hủy bề mặt ranh giới
phân
chia pha. Cơ chế kết dính này được đưa ra bởi Deryaguin và các cộng
sự và xảy ra điển hình đối với các hệ composite kim loại/polymer, thủy
tinh/polymer... .
Tương tác tĩnh điện xảy ra trong giới hạn gần và chỉ hiệu quả trong
khoảng cách nhỏ tương đương vài nguyên tử và sẽ giảm hiệu quả khi bề mặt
vật liệu nền bị nhiễm bẫn hoặc có khí thâm nhập.

Hình 1.9. Mơ hình liên kết nhờ tương tác tĩnh điện

11