Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ vật liệu gia cường đến tính chất vật liệu composite lai trên nền polyme

1
MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC BẢNG 4
DANH MỤC CÁC HÌNH 5
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 7
LỜI NÓI ĐẦU 8
CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 9
1.1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 9
1.1.1. Vật liệu Composie 10
1.1.1.1. Khái niệm 10
1.1.1.2. Phân loại vật liệu composite 11
1.1.1.3. Cấu tạo vật liệu composite 12
1.1.2. Vật liệu composite lai 19
1.1.2.1. Định nghĩa 19
1.1.2.2. Vật liệu composite lai đa cốt 20
1.1.2.3. Vật liệu composite lai đa nền 21
1.1.3. Vật liệu composite lai sinh học 21
1.1.4. Vật liệu nano composite lai 21
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE LAI 24
1.2.1. Tình hình nghiên cứu vật liệu composite lai trên thế giới 24
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 30
1.3. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 30
1.3.1. Phương pháp nghiên cứu 30
1.3.2. Đối tượng nghiên cứu 30
1.3.3. Mục tiêu nghiên cứu 30
1.3.4. Phạm vi nghiên cứu 30
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 31
2.1. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SẢN PHẨM BẰNG COMPOSITE 31
2.1.1. Công nghệ bằng tay (Hand lay up) 31

2.1.2. Công nghệ phun bắn (Spray up) 32
2.1.3. Công nghệ đúc chuyển resin RTM (Resin Tranfer Molding) 32
2
2.1.4. Công nghệ quấn sợi (Filament winding) 34
2.1.5. Công nghệ ép phun (Injection Molding) 34
2.1.6. Công nghệ đúc kéo (Pultrusion) 35
2.1.7. Công nghệ đúc ép – phun phản ứng RRIM ( Reinforced Reaction Injection
Molding) 36
2.2. SỢI THỦY TINH 37
2.2.1. Thành phần và tính chất 37
2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của sợi thủy tinh 39
2.2.2.1. Tính chất sợi 39
2.2.2.2. Tính chất nhựa nền 40
2.2.2.3. Tỉ lệ giữa nhựa/sợi 41
2.2.2.4. Sắp xếp hình học và định hướng của sợi trong FRP 41
2.2.2.5. Chế độ và quy trình gia công 42
2.3. NHỰA EPOXY 42
2.3.1. Khái niệm 42
2.3.2. Tổng hợp nhựa epoxy 42
2.3.3. Lý tính của nhựa epoxy 44
2.3.4. Hóa tính của nhựa epoxy 46
2.3.4.1. Phản ứng của nhóm epoxy 46
2.3.4.2. Khả năng phản ứng của nhóm hydroxyl 47
2.3.5. Chất đóng rắn cho nhựa epoxy 47
2.3.5.1. Hệ đóng rắn nguội 48
2.3.5.2. Hệ đóng rắn nóng 50
2.3.5.3. Ứng dụng của nhựa epoxy 51
2.4. BỘT TITAN 51
2.4.1. Đặc điểm cấu trúc 51
2.4.2. Ứng dụng 52

2.4.3. Bột titan đioxit (TiO
2
) 54
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 57
3.1. MỤC ĐÍCH CỦA THỰC NGHIỆM 57
3.2. CƠ SỞ LỰA CHỌN VẬT LIỆU THÀNH PHẦN 57
3.2.1. Vật liệu gia cường 57
3
3.2.2. Phân bố và định hướng sợi 58
3.2.3. Chiều dài sợi 58
3.2.4. Hàm lượng sợi 60
3.2.5. Vật liệu độn 61
3.2.6. Vật liệu nền 61
3.2.7. Chất đóng rắn cho nhựa epoxy 61
3.3. QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM 63
3.3.1. Chọn tỉ lệ vật liệu thành phần 63
3.3.2. Tính toán các thông số vật liệu composite theo lý thuyết 64
3.3.2.1. Tỉ lệ % trọng lượng và thể tích 64
3.3.2.2. Tỉ trọng composite 65
3.3.3. Tiến hành thực nghiệm 66
3.3.3.1. Mục đích chế tạo mẫu thử cơ tính 66
3.3.3.2. Kích thước, số lượng và ký hiệu mẫu thử 67
3.3.3.3. Xác định thời gian đông đặc và đóng rắn của nhựa 70
3.3.3.4. Chế tạo mẫu thử 72
3.3.4. Kết quả thực nghiệm 72
3.3.4.1. Kiểm tra cơ tính 72
3.3.4.2. Phân tích kết quả thực nghiệm 78
3.3.4.3. Kiểm tra độ hấp thụ nước 83
3.3.4.4. Kiểm tra độ trương nở 84
3.3.4.5. Kiểm tra trạng thái ma sát và mòn 85

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 91
4.1. KẾT LUẬN 91
4.2. ĐỀ XUẤT 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO 94
PHỤ LỤC 1: CHẾ TẠO MẪU THỬ CƠ TÍNH 97
PHỤ LỤC 2: KIỂM TRA ĐỘ HẤP THỤ NƯỚC CỦA COMPOSITE 106
PHỤ LỤC 3: QUY TRÌNH KIỂM TRA TRẠNG THÁI MA SÁT VÀ MÀI MÒN . 110
PHỤ LỤC 4: PHIẾU KẾT QUÁ KIỂM NGHIỆM 123



4
DANH MỤC CÁC BẢNG

Tên bảng Trang
Bảng 1.1. Đặc tính chủ yếu của polyester 14
Bảng 1.2. Đặc tính chủ yếu của gelcoat 15
Bảng 1.3. So sánh sự hấp thụ nước vật liệu composite lai cốt sợi thủy tinh-sợi sinh học
nền polyester so với vật liệu composite không lai 26
Bảng 1.4. Tính chất nhiệt vật lý PALF-thủy tinh của vật liệu composite lai 27
Bảng 1.5. So sánh thuộc tính của sợi tự nhiên với sợi thủy tinh 27
Bảng 2.1. Thành phần hóa học của sợi thủy tinh 38
Bảng 2.2. Đặc tính cơ lý của sợi thủy tinh 38
Bảng 2.3. Đường kính sợi thủy tinh đơn (Filament) 39
Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật của một số nhựa epoxy thông dụng 45
Bảng 2.5. Đặc tính chủ yếu của nhựa epoxy 45
Bảng 2.6. Độ chức của một số loại amin 48
Bảng 2.7. Đặc tính cơ lý của nguyên tố titan 54
Bảng 2.8. Đặc tính cơ lý của bột TiO
2

55
Bảng 2.9. Tính chất quang học của TiO
2
56
Bảng 3.1. Đặc tính cơ lý và chiều dài sợi được chọn 59
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của bột titan đioxit (TiO
2
) 61
Bảng 3.3. Đặc tính cơ lý của vật liệu nền được chọn 61
Bảng 3.4. Đặc tính kỹ thuật của TETA 62
Bảng 3.5. Đặc tính tỉ trọng vật liệu composite theo tính toán lý thuyết 66
Bảng 3.6. Số lượng mẫu cần tiến hành thực nghiệm 67
Bảng 3.7. Ký hiệu mẫu 67
Bảng 3.8. Thời gian đóng rắn của epoxy 128S khi chưa có sợi (t
0
phòng
= 27
0
C) 70
Bảng 3.9. Thời gian đóng rắn của epoxy 128S khi đã trộn sợi (t
0
phòng
= 27
0
C) 71
Bảng 3.10. Thời gian thực hiện các bước công nghệ đúc mẫu (t
0
phòng
= 27
0

C) 71
Bảng 3.11. Tổng hợp kết quả kiểm tra cơ tính mẫu thử composite lai 78
Bảng 3.12. Độ hấp thụ nước của composite lai C 35/60/5 84
Bảng 3.13. Độ trương nở của composite lai C 35/60/5 85
Bảng 3.14. Hệ số ma sát khô và ướt của vật liệu composite lai 86
Bảng 3.15. Kết quả kiểm tra mài mòn của vật liệu composite lai 90
5
DANH MỤC CÁC HÌNH

Tên hình Trang
Hình 1.1. Vật liệu composite 10

Hình 1.2. Nhu cầu sử dụng nhựa polyester không no trên thế giới năm 2007 13

Hình 1.3. Một số loại sợi thường dùng để chế tạo vật liệu composite 16

Hình 1.4. Kết dính nhựa nền và sợi liên kết bằng hóa học 19

Hình 1.5. Các phương án cấu tạo composite lai 20

Hình 1.6. Sơ đồ thể hiện thành phần cấu trúc của vật liệu polymer composite 21

Hình 1.7. Các dạng khác nhau của nanocomposite 22

Hình 1.8. Các giải pháp chung cho sự phát triển hybrid composie ứng dụng trong
Tribology 23

Hình 1.9. Các dạng hybrid composie ứng dụng trong Tribology nhận được từ giải pháp
24

Hình 1.10. Đường cong ứng suất kéo - biến dạng. 24

Hình 1.11. Sự thay đổi độ bền uốn với tỉ lượng theo thể tích sợi 28

Hình 1.12. Quan sát sự nứt gãy cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi SEM 28

Hình 1.13. Cải thiện độ bền va đập của nhựa epoxy bởi hạt độn nano 29

Hình 2.1. Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp lăn tay 31

Hình 2.2. Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp phun bắn 32

Hình 2.3. Gia công vật liêu FRP bằng phương pháp RTM 33

Hình 2.4. Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp quấn sợi 34

Hình 2.5. Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp ép phun 35

Hình 2.6. Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp đúc kéo 35

Hình 2.7. Công nghệ đúc ép – phun phản ứng RRIM 36

Hình 2.8. Độ bền kéo của một số loại vật liệu 39

Hình 2.9. Ứng suất kéo và biến dạng kéo của một số loại sợi 40

Hình 2.10. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của hệ lý tưởng 40

Hình 2.11. Ứng suất kéo của nhựa nền, sợi gia cường và vật liệu FRP 41

Hình 2.12. Cấu trúc epoxy resin 44

Hình 2.13. Cơ chế đóng rắn của epoxy bằng cách sử dụng Anhydride 50

Hình 2.14. Hình dạng cấu trúc tinh thể của titan ở dạng nguyên tử 52

Hình 2.15. Kiểu cấu trúc tinh thể titan 52

6
Hình 2.16. Biểu đồ thể hiện sự lựa chọn cấu trúc và đặc tính của hợp kim titan 53

Hình 3.1. Giá cả của một số loại vật liệu 57

Hình 3.2. Modul kéo riêng một số loại sợi của vật liệu composite 58

Hình 3.3. Biểu đồ phân bố ứng suất trên chiều dài sợi 59

Hình 3.4. Sơ đồ khối quy trình chế tạo và kiểm tra mẫu 68

Hình 3.5. Kích thước mẫu thử cơ tính composite theo tiêu chuẩn ISO 69

Hình 3.6. Máy thử kéo, uốn, nén của Anh: HOUNSFEILD H50K – S 72

Hình 3.7. Máy thử va đập của Mỹ: TINIUS OLSEN, thang đo từ 0 ÷ 460 Jun 73

Hình 3.8. Ảnh hưởng tỉ lệ TiO
2
đến độ bền kéo của composite lai 78

Hình 3.9. Ảnh hưởng tỉ lệ TiO

2
đến modul đàn hồi kéo của composite lai 79

Hình 3.10. Ảnh hưởng tỉ lệ TiO
2
đến độ bền uốn của composite lai 80

Hình 3.11. Ảnh hưởng tỉ lệ TiO
2
đến modul đàn hồi uốn của composite lai 80

Hình 3.12. Ảnh hưởng tỉ lệ TiO
2
đến độ bền nén của composite lai 81

Hình 3.13. Ảnh hưởng tỉ lệ TiO
2
đến modul đàn hồi nén của composite lai 82

Hình 3.14. Ảnh hưởng tỉ lệ TiO2 đến độ dai va đập của composite lai 83

Hình 3.15. Kích thước mẫu thử độ hấp thụ nước của vật liệu composite theo tiêu chuẩn
ASTM D570 – ISO 62 84

Hình 3.16. Máy thử nghiệm ma sát 85

Hình 3.17. Hệ số ma sát của vật liệu composite khi có 0% TiO
2
87

Hình 3.18. Hệ số ma sát của vật liệu composite khi có 2% TiO
2
87

Hình 3.19. Hệ số ma sát của vật liệu composite khi có 5% TiO
2
88

Hình 3.20. Hệ số ma sát của vật liệu composite khi có 10% TiO
2
88

Hình 3.21. Hệ số ma sát của vật liệu composite khi có 15% TiO
2
88

Hình 3.22. Kích thước mẫu thử độ mài mòn theo tiêu chuẩn ASTM D1044 –99 .89

Hình 3.23. Máy kiểm tra độ mài mòn TABER 5131 ABRASER 89

Hình 3.24. Quan sát mẫu thử trước và sau khi kiểm tra mài mòn 90

7
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT


OPEFB (oil palm empty fruit bunch) : Bó sợi cây cọ dầu
PALF (pineapple leaf fibre) : Sợi lá dứa
E128S : Nhựa epoxy 128S
TiO
2
: Titan đioxit
UPE : Nhựa polyester không no
AF : Sợi aramid
GF : Sợi graphit
CF : Sợi carbon
PU : Nhựa Polyurethane
PP : Nhựa Polypropylene
UF : Nhựa Ure Formaldehyde
PEEK : Nhựa Polyether Etherketone
PS : Nhựa Polystyrene
ABS : Nhựa Acrylonitrile Butadiene Styrene
PVC : Nhựa Poly Vinyl Chloride
MEKP : Chất xúc tác Methyl Ethyl Petone proxide
PVDF : Nhựa Polyvinyidene Fluoride
SEM : Kính quét hiển vi điện tử

8
LỜI NÓI ĐẦU

Theo một số nhà nghiên cứu có uy tín trên Thế giới, hàng năm ma sát đã lấy đi
của loài người 30 - 35% năng lượng được sản xuất ra.

Cũng phải nói thêm rằng, hàng
năm trên Thế giới hàng trăm ngàn các máy móc thiết bị loại ra khỏi dây chuyền sản
xuất do hậu quả của hao mòn. Từ đó ta thấy việc nghiên cứu Tribology và ứng dụng
những kết quả nghiên cứu vào sản xuất có ý nghĩa kinh tế đến nhường nào. Trong
những giải pháp làm giảm ma sát, hao mòn thì giải pháp tìm kiếm vật liệu thay thế
đang được quan tâm rất lớn của những nhà khoa học vật liệu, trong đó phải kể đến vật
liệu composite lai và nano composite lai. Tuy nhiên, để đạt hiệu quả việc sử dụng vật
liệu composite lai trong lĩnh vực ma sát và mài mòn, thì cần đánh giá ảnh hưởng của
các chất độn, chất gia cường đến tính chất vật liệu composite lai.
Sự ra đời của vật liệu composite là cuộc cách mạng về vật liệu, nhằm thay thế
cho vật liệu truyền thống ở những mục đích thích hợp trong công nghiệp và cuộc sống.
Với những ưu điểm: nhẹ, chắc, bền, không gỉ, chống ăn mòn, chịu hóa chất, chịu thời
tiết, composite có thể khắc phục những nhược điểm của vật liệu truyền thống, được

ứng dụng vào những mục đích, những sản phẩm và ở những nơi mà ưu điểm của
composite được phát huy một cách hiệu quả, thỏa mãn được yêu cầu sử dụng. Tuy
nhiên, vật liệu composite truyền thống còn một số tồn tại như: chất thải khó xử lý, giá
thành sản phẩm cao, độ bền va đập kém, có cấu trúc phức tạp,
Chính vì vậy, chúng tôi thực hiện đề tài: “Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ vật
liệu gia cường đến tính chất vật liệu composite lai trên nền polyme” là ý nghĩa thực
tiễn rất lớn, làm tăng khả năng ứng dụng của vật liệu composite lai trong lĩnh vực ma
sát và mài mòn, góp phần làm hạ giá thành sản phẩm.
Với sự quyết tâm, được sự chỉ bảo và hướng dẫn tận tình của PGS.TS Quách
Đình Liên, đề tài được hoàn thành. Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học
Nha Trang, Khoa Kỹ thuật Tàu thủy, đặc biệt cảm ơn Thầy PGS.TS Quách Đình Liên
đã tận tình chỉ bảo và động viên tôi trong suốt thời gian làm đề tài. Xin được ghi nhớ
tình cảm, sự giúp đỡ của: các thầy cô giáo trong Khoa Kỹ thuật tàu thủy, Viện nghiên
cứu Tàu thủy - Trường Đại học Nha Trang, Bộ môn chế tạo máy, xưởng thực hành cơ
khí, gia đình và bạn bè luôn luôn chia sẻ cùng tôi trong quá trình nghiên cứu.

9
CHƯƠNG I
ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Theo nhu cầu cải thiện tính năng làm việc của vật liệu, trong đó đặc biệt coi
trọng trọng lượng nhẹ, sức bền cao, giá thành thấp; các nhà khoa học vật liệu, các kỹ
thuật gia luôn cố gắng để hoặc là cải thiện vật liệu truyền thống, hoặc tạo ra vật liệu
hoàn toàn mới.
Trong vòng 50 năm gần đây, các sản phẩm bằng vật liệu composite nhân tạo
tăng rất nhanh. Dự báo trong tương lai nhu cầu về vật liệu composite sẽ tăng liên tục.
Vật liệu composite có thể được nghiên cứu dưới nhiều quan điểm khác nhau,
mỗi quan điểm yêu cầu một kỹ năng khác nhau. Do vậy, sự phát triển của vật liệu
composite để chống lại môi trường ăn mòn là chủ yếu trong lĩnh vực khoa học vật liệu

và hóa học.
Hiện nay, ngành công nghiệp đóng tàu bằng vật liệu composite phát triển rất
mạnh vì giá thành thấp, nhẹ, độ bền cao và có thể hoạt động trong môi trường biển
linh hoạt không thua gì tàu thép. Vì tàu luôn hoạt động trong môi trường biển có tính
oxy hóa mạnh nên tuổi thọ của chúng không cao. Chính vì vậy, việc thêm vào một số
phụ gia, cốt gia cường để đảm bảo tuổi thọ cho tàu khi làm việc trong môi trường nước
biển đang được các nhà khoa học vật liệu tập trung nghiên cứu. Trong số chất độn
thêm vào thì bột titan đioxit (cỡ hạt micro) có triển vọng rất cao, đặc biệt khi chúng có
kích thước cỡ nano.
Trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng bột titan đioxit (cỡ hạt
micro, nano) độn vào vật liệu composite, tuy nhiên việc đánh giá ảnh hưởng của nó
đến tính chất vật liệu composite lai còn mới, đặc biệt tại Việt Nam.
Việc đánh giá ảnh hưởng của vật liệu độn có ý nghĩa rất lớn, nhất là trong thời
đại nguồn nguyên liệu đang dần cạn kiệt như hiện nay.

10
1.1.1. Vật liệu Composie
1.1.1.1. Khái niệm
Composite là một hỗn hợp gồm ít nhất hai pha hay hai thành phần vật liệu,
nhằm mục đích tạo ra vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn những thành phần vật
liệu ban đầu. Vật liệu composite được cấu tạo từ các thành phần cốt, nhằm đảm bảo
cho composite có được đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành
phần của composite liên kết, làm việc hài hòa với nhau.
Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn phân
bố đều trên một pha nền liên tục. Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi là
composite hỗn tạp. Pha gián đoạn thường có tính chất trội hơn pha liên tục.
Pha liên tục gọi là nền (matrix). Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu gia cường
(reinforcement).

Hình 1.1. Vật liệu composite

Lịch sử hình thành và phát triển
Vật liệu composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm
trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống (ví
dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự giãn nở trong quá trình nung đồ
gốm).
Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu composite từ khoảng 3.000 năm trước
Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum; về sau
này các thuyền đan bằng tre trát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan tre
trát bùn với rơm, rạ là những sản phẩm composite được áp dụng rộng rãi trong đời
sống xã hội.
Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến
vào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công
sợi thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cường cho polyester không no và giải pháp này
11
đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ
cho đại chiến thế giới lần thứ hai.
Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu composite đó là sự
xuất hiện nhựa epoxy và các sợi gia cường như polyester, nylon, Từ năm 1970 đến
nay vật liệu composite polymer đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành
công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự v.v
Ưu điểm của vật liệu composite
Tính ưu việt của vật liệu composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành
các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn. Các
thành phần cốt của composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm
bảo cho các thành phần liên kết hài hòa, tạo các liên kết có khả năng chịu nhiệt và chịu
sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Một trong các ứng
dụng hiệu quả nhất là composite polymer, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có
khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, dễ lắp
đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn
hóa học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp.

1.1.1.2. Phân loại vật liệu composite
 Phân loại theo hình dạng
* Vật liệu composite độn dạng sợi
Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi là composite độn dạng sợi, chất độn
dạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho polymer nền. Composite cấu tạo từ loại sợi nào
thì mang tên loại sợi đó. Ví dụ: Composite thủy tinh (với sợi thủy tinh), Composite
carbon (với sợi carbon), v.v…
Một số loại sợi được dùng dùng phổ biến như: amiăng, sợi carbon, sợi than chì,
berili, berili cacbua, berili oxit, molypden, nhôm oxit, sợi thủy tinh, sợi tự nhiên
polyamide,v.v… Tương ứng với nền phổ biến gồm epoxy, phenol, polyester,
polyurethane, polyetherethrketone (PEEK), vinyleste, v.v… Trong số các vật liệu
nhựa, polyester không no được sử dụng rộng rãi nhất. Epoxy có độ bám dính cao và
chi phí cao hơn nhưng độ co ngót ít hơn PEEK.
* Vật liệu composite độn dạng hạt
12
Khi vật liệu composite tăng cường có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán
vào polymer nền. Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thước ưu tiên. Một số loại hạt
độn thường dùng như gốm, thủy tinh, nhôm, vật liệu vô định hình, v.v… Ví dụ như lốp
ô tô gồm hạt carbon đen gia cường nền đàn hồi polymer poly-isobutilen.
Vật liệu polymer composite đang được ứng dụng rất rộng rãi, đặc biệt ngành
hàng không vũ trụ. Trên thế giới rất nhiều công trình nghiên cứu về sự kết hợp giữa
sợi và hạt độn để tạo ra các vật liệu có thể làm việc trong nhiều điều kiện khác nhau.
Trước tình hình đó, việc phát triển một loạt vật liệu composite nền PEEK với cốt sợi
thủy tinh và hạt độn gốm để nghiên cứu đặc tính mài mòn của hạt rắn.
Hạt thường được sử dụng để cải thiện một số cơ tính của vật liệu hoặc vật liệu
nền, chẳng hạn tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mòn, giảm độ co ngót,
v.v… Trong một số trường hợp, hạt được sử dụng với mục đích làm giảm giá thành
sản phẩm mà vẫn không làm thay đổi cơ tính của vật liệu.
 Phân loại theo bản chất thành phần
- Composite nền hữu cơ (nhựa) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ

(polyamide, kevlar), sợi khoáng (thủy tinh, carbon …), sợi kim loại (Bo, Al).
- Composite nền kim loại: nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al, …) cùng
với sợi độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C), …
- Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt
kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, nitơ), …
1.1.1.3. Cấu tạo vật liệu composite
 Polymer nền
Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu
composite. Chính vì vậy, chúng phải đáp ứng được những yêu cầu về mặt khai thác
cũng như về mặt công nghệ.
Polymer nền là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng
suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu. Polymer nền có thể tạo thành từ
một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục.
Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm
polymer nền:
13
Nhựa nhiệt dẻo (Thermo plastics): PE, PS, ABS, PVC,… độn được trộn với
nhựa, gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy.
Nhựa nhiệt rắn (Thermosetting plastics): PU, PP, UF, Epoxy, Polyester không
no, gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao. Riêng polyester không no và epoxy có thể
tiến hành gia công ở nhiệt độ thường, gia công bằng tay (hand lay – up method). Nhìn
chung nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo.
Khi polymer được tạo ra bằng cách liên kết các nhóm este với nhau thì cho ta
polyester. Theo khả năng tham gia phản ứng hóa học, polyester được chia làm 2 loại:
- Polyester bão hòa (Saturated polyester): Là các polyester không còn có khả
năng tham gia phản ứng hóa học nữa. Còn gọi là polyester no.
- Polyester chưa bão hòa (Unsaturated polyester): Là các polyester còn có khả
năng tiếp tục tham gia phản ứng hóa học với các nhóm khác để đóng rắn. Phản ứng
hóa học này tỏa nhiệt, được gọi là phản ứng nối ngang hay phản ứng đóng rắn.
Polyester chưa bão hòa còn gọi là polyester không no (UPE).

Polyester không no được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, đây là
nhựa nhiệt rắn, có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện
thích hợp. Thông thường người ta gọi là polyester không no là nhựa polyester hay
ngắn gọn hơn là polyester.

Hình 1.2. Nhu cầu sử dụng nhựa polyester không no trên thế giới năm 2007

14
Bảng 1.1. Đặc tính chủ yếu của polyester [5]
Đặc tính cơ lý Đơn vị Giá trị
Khối lượng riêng g/cm
3

1,2÷1,35
Modul đàn hồi GPa 2,8÷3,8
Ứng suất kéo MPa 30÷70
Ứng suất uốn MPa 90÷130
Độ bền kéo MPa 80÷150
Độ dãn dài tương đối % 1÷5
Thể tích co % 5÷10
Hệ số giãn nở vì nhiệt
0
C 6÷9
Bền nhiệt 50÷80
Độ ngậm nước sau 24 giờ % 0,1÷0,2

 Gelcoat
* Chức năng của gelcoat
Lớp gelcoat có 3 chức năng chính:
- Tạo mặt ngoài nhẵn bóng có màu sắc làm nên vẻ đẹp của sản phẩm;

- Bảo vệ các lớp gia cường bằng sợi thủy tinh bên trong; vì glecoat có đặc
tính cơ lý cao hơn, chống thẩm thấu nước, chống xây xát tốt hơn;
- Tách khuôn để lấy sản phẩm ra, do gelcoat có đặc tính co ngót thích hợp và
không có sợi thủy tinh.
* Yêu cầu chủ yếu đối với gelcoat
- Tính đàn hồi tốt, dễ pha màu, sẵn sàng đưa vào sử dụng được.
- Phải có đặc tính không cong lõm, không chảy. Có thể phun hoặc quét vài
lần để đạt chiều dày tiêu chuẩn 18±2 mils (≈ 0,5 mm), với chỉ tiêu 0,5÷0,7 kg/m
2
-
Thời gian đông và đóng rắn phải chuẩn xác, đảm bảo cho quy trình sản xuất. Thời gian
đông và đóng rắn chính xác còn có tác dụng làm giảm tỉ lệ khuyết tật “da cá sấu” do
styren gây ra, sản phẩm bóng đẹp hơn.
- Chịu nước tốt, tránh được rạn nứt, giộp bề mặt.
- Tính phủ kín và vá đắp tốt. Khi trộn với màu phải có khả năng phủ kín trên
bề mặt khuôn với chiều dày tiêu chuẩn 18±2 mils. Màu sáng thì dùng tỉ lệ hàm lượng
màu nhiều hơn để đảm bảo phủ kín, nhưng không thuận lợi cho phun và đóng rắn. Các
15
màu vàng nhạt, vàng da cam, đỏ, xanh đậm tính phủ kín lâu hơn. Gelcoat phải có tính
ứng dụng tốt mỗi khi vá đắp các khuyết tật trong sửa chữa, bảo trì.
* Đặc tính cơ bản của gelcoat
Bảng 1.2. Đặc tính chủ yếu của gelcoat [1]
Đặc tính Chỉ số yêu cầu
Độ nhớt (khác nhau tùy màu) 9.000÷21.000 cps
Tỉ trọng 1,1÷1,36 g/cm
3

Chỉ số Thixotropic 5÷7
Độ võng uốn ở chiều dãy tiêu chuẩn 18±2 mils Đáp ứng yêu cầu
Tính phủ kín chiều dày 18±2 mils Luôn kín hoàn toàn bề mặt

Khả năng áp dụng cho phun hoặc quét Rất tốt
Tuổi thọ (thời gian lưu trữ cho phép) 3 tháng ở 23
0
C (73
0
F)
Năng suất phủ bề mặt với chiều dày 18±2 mils 1 lít/1,5 m
2

Ghi chú:
- cps: đơn vị đo độ nhớt (cm
3
/s)
- 1 mils = 10
-3
inch = 25,4 µm

* Thời gian đông đặc và đóng rắn của gelcoat
Tùy theo hàm lượng chất xúc tác, thời gian đông đặc của một gelcoat tiêu chuẩn
thường từ 8 ÷ 15 phút ở nhiệt độ 25
0
C.
Gelcoat cho công nghệ phun và quét tay có khác nhau. Gelcoat cho công nghệ
phun thì sau khi hòa xúc tác 40 ÷ 60 phút, vẫn có thể đem sử dụng nhưng chỉ quét
bằng tay, không phun được. Còn gelcoat cho quét tay sau 60 ÷ 80 phút sẽ hoàn toàn
đóng rắn, phải loại bỏ. Không sử dụng gelcoat ở nhiệt độ môi trường dưới 15,5
0
C vì
khó có thể đóng rắn chuẩn xác được. Tốt nhất gelcoat được lưu trữ và sử dụng ở nhiệt
độ 25

0
C.
 Chất độn (cốt)
Đóng vai trò chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý cao hơn
nhựa. Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:
- Tính gia cường cơ học;
- Tính kháng hóa chất, môi trường;
- Phân tán vào nhựa tốt;
- Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt;
16
- Thuận lợi cho quá trình gia công, giá thành thấp.
Có hai dạng độn:
* Độn dạng sợi
Sợi có tính năng cơ lý hóa cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên sợi có giá thành cao
hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi carbon,
sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi aramid (còn có tên là sợi kevlar), …










Hình 1.3. Một số loại sợi thường dùng để chế tạo vật liệu composite
Việc độn thêm các loại cốt sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ
học cũng như độ bền hóa học của vật liệu polycacbonat (PC) như: khả năng chịu được
va đập, độ giãn nở cao, khả năng cách âm tốt, tính chịu ma sát - mài mòn, độ nén, độ

uốn dẻo và độ kéo đứt cao, khả năng chịu được trong môi trường ăn mòn như: muối,
kiềm, axit,… Những khả năng đó đã chứng tỏ tính ưu việt của hệ thống vật liệu PC
mới so với các loại polymer thông thường và cũng chính vì những tính năng ưu việt ấy
mà hệ thống vật liệu PC đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất cũng như trong đời
sống.
* Độn dạng hạt
Thường được sử dụng là silica, titan đioxit, CaCO
3
, vẩy mica, vẩy kim loại, độn
khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc và graphit, carbon,… Khả năng gia cường cơ tính
của chất độn dạng thường sử dụng với mục đích sau:
- Giảm giá thành;
Sợi carbon
Sợi thủy tinh
Sợi Aramid
Vải thủy tinh
Mat thủy tinh
17
- Tăng thể tích cần thiết, ổn định kich thước, tăng độ bền cơ lý, hóa, nhiệt,
điện, khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường;
- Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao;
- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng rắn, che khuất sợi
trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm tỏa nhiệt khi đóng rắn.
 Chất pha loãng
Các monome khâu mạch ngang được dùng để đồng trùng hợp với các nối đôi
trong nhựa UPE, tạo kết ngang, thường chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên còn có
tác dụng làm giảm độ nhớt của hỗn hợp, do vậy chúng thường được gọi là chất pha
loãng.
 Chất tách khuôn, chất làm kín và các phụ gia khác
* Chất róc khuôn

- Chất róc khuôn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khuôn.
- Chất róc khuôn dùng trong đắp tay là loại chất róc khuôn ngoại được bôi
trực tiếp lên khuôn.
- Một số chất róc khuôn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo,…
* Chất làm kín
- Với khuôn làm từ vật liệu xốp như gỗ, thạch cao cần phải bôi trơn chất làm
kín trước khi dùng chất róc khuôn.
- Các chất làm kín xâm nhập vào các lỗ xốp, ngăn chặn nhựa bám vào.
- Một số chất làm kín: cellulose axetate, wax, silicon, steric acid, nhựa furane,
véc ni, sơn mài, …
* Các phụ gia
- Chất tẩy bọt khí: Bọt khí làm sản phẩm composite bị giảm độ chịu lực, độ
chịu thời tiết và thẩm mỹ bề mặt. Lượng thường được sử dụng 0,2÷0,5% lượng nhựa.
- Chất thấm ướt sợi: Có tác dụng tăng khả năng thấm ướt sợi giúp sử dụng
độn nhiều hơn. Lượng dùng từ 0,5÷1,5% so với độn.
- Chất tăng độ phân tán; chất ngăn thoát hơi styren.
 Chất xúc tác - xúc tiến
* Chất xúc tác (Catalyst)
Chất xúc tác là hợp chất hóa học được hòa vào resin chưa no (dạng lỏng) với tỉ
lệ phù hợp để kích hoạt (khởi xướng) phản ứng kết nối ngang xảy ra một cách nhanh
18
chóng và mãnh liệt, từ đó tạo ra các gốc tự do đủ để làm cho nhựa đông và đóng rắn
hoàn toàn. Việc hóa chất xúc tác được tiến hành ngay trước khi tạo các lớp hoặc đúc
sản phẩm composite. Chất xúc tác gồm các loại: xúc tác peroxid, xúc tác azo và diazo,
mecaptan và các hệ xúc tác khác.
* Chất xúc tiến (Accelerator or promoter)
Chất xúc tiến có tác dụng như cái ngòi kích hoạt làm cho chất xúc tác phản ứng
ngay với nó và tăng độ phân tách, tạo các gốc tự do ban đầu để khởi xướng phản ứng
kết nối ngang nhanh chóng và toàn phần để đóng rắn nhựa. Dùng chất xúc tiến sẽ giảm
được nhiệt độ và thời gian đóng rắn một cách đáng kể và có thể đóng rắn nguội. Ví dụ:

nếu không có chất xúc tiến, thì với 1,2% chất xúc tác MEKP, thời gian đông đặc rất
lâu (2÷8 giờ) nhưng nếu hòa chất xúc tiến đúng tỉ lệ thì thời gian này chỉ là 30 phút.
Chất xúc tiến gồm các loại: xúc tiến kim loại, amin bậc ba.
 Liên kết giữa nền – cốt
Nhờ có đặc tính cơ lý cao mà chất độn đóng vai trò là những điểm chịu ứng
suất tập trung do mạng nhựa truyền sang khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu, vì vậy
mà sản phẩm có cơ lý tính cao. Để đạt được điều đó phải có sự truyền tải ứng suất từ
nhựa qua độn thật tốt, điều này được quyết định bởi sự tương tác giữa bề mặt nhựa và
độn. Phân tích các liên kết dựa trên cơ sở lý thuyết kết dính ta nhận thấy giữa bề mặt
độn và nhựa có một số liên kết như sau:
* Lực hấp phụ và thấm ướt
Bề mặt độn luôn tồn tại các mao quản rỗng, số lượng và kích thước mao quản
tùy thuộc vào bản chất và cách chế tạo độn. Nhựa ở dạng lỏng được thấm ướt trên bề
mặt độn bằng lực vật lý ứng với một năng lượng liên kết bề mặt. Sự thấm ướt sẽ tốt
khi sức cản giữa hai bề mặt càng bé. Nhựa sau khi thấm ướt trên bề mặt sẽ được hấp
phụ vào các mao dẫn nhờ lực hấp phụ.
* Lực tĩnh điện
Bề mặt điện tích luôn tích điện dương hay âm tùy thuộc vào thành phần và cách
xử lý bề mặt, nhựa nền có độ phân cực nhất định. Vì vậy mà dẫn đến sự tương tác tĩnh
điện giữa nhựa và độn thông qua việc tạo thành lớp điện tích kép trên hai bề mặt vật
liệu này.

19
* Liên kết hóa học
Liên kết hóa học được thực hiện khi xảy ra phản ứng hóa học trên phân giới
phân chia nền – cốt cùng với việc tạo thành hợp chất hóa học mới. Tính chất hóa học
mới được tạo thành ảnh hưởng quyết định đến độ bền liên kết nền – cốt.

Hình 1.4. Kết dính nhựa nền và sợi liên kết bằng hóa học
* Liên kết cơ học

Sự khuếch tán nhựa vào các lỗ trống trên bề mặt độn tạo thành những chân
bám. Liên kết này phụ thuộc vào hình dạng, cách phân bố và loại độn.
1.1.2. Vật liệu composite lai
1.1.2.1. Định nghĩa
Vật liệu composite lai là composite gồm có ít nhất ba vật liệu thành phần khác
nhau cấu thành nên vật liệu [5].
Vật liệu composite đa nền là vật liệu composite mà pha nền được cấu thành từ ít
nhất hai loại vật liệu khác nhau.
Vật liệu composite đa cốt là vật liệu composite mà cốt (pha tăng cường) gồm ít
nhất từ hai loại vật liệu khác nhau được liên kết bởi cùng một pha nền.
Các hợp chất composite lai phổ biến là sợi carbon-aramid gia cố epoxy (tăng độ
bền và tính chống mòn) và sợi thủy tinh-carbon gia cố epoxy (làm cho vật liệu bền hơn
với giá cả hợp lý).
Đến nay rất nhiều phương án lựa chọn thành phần của composite lai như
phương án đa cốt (Hình 1.5a), phương án cốt vải được đan xen các loại sợi từ các vật
liệu khác nhau (Hình 1.5b), phương án nhiều lớp với mỗi lớp lại có các cốt sợi cốt
khác nhau (Hình 1.5c).
20

Hình 1.5. Các phương án cấu tạo composite lai
Có hai nguyên nhân chủ yếu dẫn đến việc cần thiết phải chế tạo composite lai.
Một là sử dụng vật liệu cốt sợi nào đó có những tham số cơ lý hóa cao hơn so với các
cốt sợi khác trong composite sẽ giúp hạn chế được các yếu điểm của những cốt sợi còn
lại. Hai là góp giảm giá thành sản phẩm.
Ví dụ việc chế tạo các composite lai đa cốt sợi thủy tinh kết hợp sợi carbon và
sợi hữu cơ kết hợp với sợi carbon, tạo ra vật liệu mới có hệ số giãn nở nhiệt ổn định
trong khoảng từ -120 đến +160
0
C (Hình 1.6), trong khi composite cốt sợi thủy tinh
hoặc composite cốt sợi hữu cơ thông thường (khi không có sự bổ sung thêm của sợi

carbon) lại có sự thay đổi đặc tính cơ lý đáng kể khi nhiệt độ tăng.
1.1.2.2. Vật liệu composite lai đa cốt
Sự pha tạp lai các thành phần vật liệu khác nhau ảnh hưởng nhiều đến modul
đàn hồi, độ bền nén, bền ứng suất và những đặc tính chịu nhiệt của composite.
Việc lựa chọn những vật liệu khác nhau và kết hợp hợp lý giữa chúng cho phép
tạo ra những composite lai là hướng có nhiều triển vọng, đáp ứng cao về chỉ tiêu
– của vật liệu mới composite. Những composite lai như vậy có nhiều ưu
điểm mới và có thể tiết kiệm chi phí hơn so với composite không lai. Ví dụ như
composite lai đa cốt, có 20% sợi carbon và 80% sợi thủy tinh, có độ bền cao bằng 75%
so với composite có cùng lượng cốt toàn sợi carbon, trong khi đó giá thành của chúng
chỉ bằng 30% các composite cốt sợi carbon.
21
1.1.2.3. Vật liệu composite lai đa nền
Hiện nay, vấn đề nghiên cứu vật liệu composite lai đa nền cũng rất quan tâm.
Tuy nhiên việc nghiên cứu vật liệu này chỉ áp dụng cho các thiết bị chịu lực ít, thẩm
mỹ bề mặt, phun phủ bề mặt, v.v…
1.1.3. Vật liệu composite lai sinh học
Vật liệu composite lai sinh học được tạo ra bởi sự kết hợp giữa sợi tổng hợp và
sợi tự nhiên (biofibre) trong cùng một nền. Để cải thiện tính chất cơ học của vật liệu
composite lai, các nhà nghiên cứu tiến hành thực nghiệm lai sợi thủy tinh với sợi tự
nhiên nền polymer, hiệu quả của nó khác nhau phụ thuộc vào việc thiết kế và cấu trúc
của composite [15].
1.1.4. Vật liệu nano composite lai
Đây là lĩnh vực nghiên cứu thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học vật
liệu trên thế giới nói chung và Việt Nam chúng ta nói riêng, hứa hẹn sẽ đem lại những
lợi ích to lớn về mặt kinh tế - xã hội rất cao.
Trong các lĩnh vực nghiên cứu thì lĩnh vực ma sát đang có những bước tiến
mạnh mẽ, đặc biệt sự thay thế dần vật liệu composite cho vật liệu polymer thuần khiết.
Sự phát triển gần đây trong composite hạt là sự gia cường bằng các hạt nano và
thường được gọi là nanocomposite. Các hạt này có đường kính cỡ nanometer, trái với

các loại hạt đang dùng có đường kính cỡ vài micrometer. Các nanocomposite có
những tính chất vô cùng quý giá như làm tăng khả năng chống mòn và giảm thiểu ma
sát góp phần nâng cao độ tin cậy của các chi tiết máy được chế tạo bằng vật liệu chất
dẻo và composite.

Hình 1.6. Sơ đồ thể hiện thành phần cấu trúc của vật liệu polymer composite [12]

22
Với kích thước của hạt gia cường được giảm từ cỡ micro xuống đến cỡ nano
hiện tượng mòn và ma sát của vật liệu composite có sự thay đổi đột biến. Các vật liệu
polymer được làm đầy bằng các hạt nano được gọi là polymer nanocomposite, một vật
liệu đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng trong kỹ thuật và đời sống. Chúng được chờ đợi
sẽ thay thế một phần vật liệu polymer, hỗn hợp polymer và vật liệu composite truyền
thống cùng loại cũng như thay thế các vật liệu phải qua công nghệ nấu chảy. Nét nổi
trội của vật liệu nanocomposite là diện tích tiếp xúc rất lớn giữa vật liệu nền và vật
liệu gia cường (liên diện), điều này có thể đưa đến những cấu trúc mạng vật lý khác
thường giữa các pha trong không gian ba chiều.

Hình 1.7. Các dạng khác nhau của nanocomposite
Việc sử dụng các hạt nano để tạo ra các vật liệu nanocomposite được tiến hành
vào giữa thập kỷ 1990 và nó nhanh chóng mở ra một khả năng đầy hứa hẹn cho việc sử
dụng vật liệu nano để tăng cường các tính chất cho vật liệu composite nói chung và các
tính chất về ma sát và hao mòn nói riêng, mang lại lợi ích về kỹ thuật và kinh tế vô cùng
to lớn. Các tính chất cơ học của vật liệu nanocomposite được nâng cao là do sự liên kết
mạnh giữa vật liệu nền và vật liệu tăng cường dạng các hạt nano hay các sợi nano.
Tiêu biểu cho các hạt nano được sử dụng hiện nay là từ gốm như điôxit silic
(silicon dioxide), silic nitride (silicon nitride) hoặc ô xit nhôm (ví dụ: Al
2
O
3

, TiO
2
,
ZnO, CuO, SiC, ZrO
2
, Si
3
N
4
, SiO
2
và CaCO
3
). Kiểm tra ở dạng trượt đơn hướng trên
epoxy và epoxy - polyacrylamide composites đã cho thấy với thành phần 2% hạt
silicon dioxide đường kính 9 nm, cường độ mòn của vật liệu giảm xuống 1/3 và hệ số
ma sát cũng giảm đáng kể so với polymer không được pha thêm hạt nano silicon
dioxide. Khi pha lẫn với hạt nano silicon dioxide và silicon nitride PEEK cũng có
những cải thiện về tính chất tương tự. Sự xử lý bề mặt của các hạt silicon dioxide được
thiết kế để cải thiện liên kết với chất nền có thể tăng cường được các tính chất
tribology của vật liệu như khả năng chống hao mòn và hệ số ma sát.
23
Khi pha trộn các hạt nano ô xit nhôm với kích thước đường kính trung bình 38
nm với PTFE cho kết quả giảm cường độ mòn rất lớn khoảng 600 lần nhưng lại có
nhược điểm duy nhất là làm tăng hệ số ma sát. Qua nghiên cứu người ta thấy khả năng
chống mòn cao nhất là vật liệu có hàm lượng 20% trọng lượng hạt nano ô xit nhôm
trong PTFE.
Các Fullerene (C60, C70, C80,… gần đây người ta đã điều chế được C540)
cũng là phụ gia có tiềm năng cho các chất polyimide. Khi nhào trộn cỡ vài phần trăm
trọng lượng, chúng có khả năng làm giảm đáng kể cường độ mòn khi trượt khô của

polyimide trên mặt nhẵn của thép.
Đối với vật liệu composite truyền thống thường có có khả năng chống mòn tốt
nhưng hệ số ma sát lại lớn. Trái lại, đối với nanocomposite cải thiện rất tốt về mòn và
ma sát cho vật liệu polymer thuần túy, từ đó đã nảy sinh sự phối hợp hai vật liệu gia
cường này cho polymer để tạo ra loại vật liệu được gọi là polymer nanocomposite lai
(Polymeric Hybrid Nanocomposites). Khác với composie thông thường composite
hybrid thường có nhiều thành phần chất độn.
Các vật liệu dùng cho các cặp ma sát thường được tổ hợp từ các loại vật liệu sau:
- Vật liệu nền (matrix) là các polymer có khả năng chịu được ma sát.
- Vật liệu độn gồm ba loại chính:
+ Chất gia cường dạng sợi;
+ Chất gia cường dạng hạt;
+ Chất bôi trơn rắn.

Hình 1.8. Các giải pháp chung cho sự phát triển hybrid composie ứng dụng trong
Tribology
24

Hình 1.9. Các dạng hybrid composie ứng dụng trong Tribology nhận được từ giải
pháp [12]
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE LAI
1.2.1. Tình hình nghiên cứu vật liệu composite lai trên thế giới
Sử dụng sợi thủy tinh, aramid và sợi polyethylene cùng với sợi carbon để cải
thiện độ dai của vật liệu composite. Kết quả “lai” ảnh hưởng làm tăng biến dạng phá
hoại làm cho độ giãn dài (sợi carbon) của composite thấp khi lai. Tuy nhiên

(1990)
khi thêm thành phần sợi polyethylene kết hợp sợi carbon trong nền epoxy làm cho vật
liệu composite có khả năng giảm xóc cao [9].

Hình 1.10. Đường cong ứng suất kéo - biến dạng ( :sợi thủy tinh và sợi carbon
liên kết với epoxy, : sợi thủy tinh và sợi carbon không liên kết với epoxy).
epoxy là sự kết hợp pha đàn hồi giữa sợi thủy tinh với nền epoxy.
25
thể là carboxyl- terminated butadien-acrylonitrile (CTBN) hoặc cao su nitrile. Các hạt
cao su có kích thước 5 µm khi thêm vào như một chất độn, cơ tính của vật liệu
composite lai bao gồm các sợi carbon và hạt cao su được quyết định bởi tốc độ biến
dạng và nhiệt độ. Tại một tốc độ biến dạng cao hoặc nhiệt độ thấp, các hạt cao su bị xé
nát bởi sự nứt gãy lan truyền qua những hạt này, kết quả thu được độ bền cao. Tại một
tốc độ biến dạng thấp hoặc nhiệt độ cao, các hạt cao su không bị xé nát bởi vì sự nứt
gãy lan truyền xung quanh các hạt này, kết quả thu được độ bền thấp.
Một phương án thay thế khác để tăng độ dẻo dai là sử dụng các hạt nhựa dẻo,
chẳng hạn như PVDF và PEEK, chiếm khoảng 5÷15 % trọng lượng của nhựa epoxy.
Thay thế này làm cho năng lượng va đập của composite cốt sợi carbon được tăng lên
mà độ cứng và độ bền của composite không giảm.
Hạt cứng như nhôm, silic, hạt thủy tinh và khối copolyme cũng như sợi đơn
tinh thể gốm, đã được sử dụng như là chất độn thêm vào vật liệu composite sợi carbon
nền epoxy để tăng độ bền, độ cứng, độ dai, hoặc cường độ chịu mỏi.
Hợp kim hạt dẻo thiếc - chì kích thước 20÷25 µm có hiệu quả như là một chất
độn thứ hai trong vật liệu composite sợi carbon nền epoxy để tăng độ bền mỏi. Sự
nóng chảy không phải là nguyên nhân để các hạt liên kết với nhau, nhưng lại làm tăng
liên kết giữa các hạt với nhựa epoxy. Nguồn gốc của tăng cường độ chịu mỏi là do sự
ngăn chặn của việc truyền vết nứt giữa các lớp hợp kim hạt dẻo.
Một số công trình nghiên cứu của các nhà khoa học vật liệu cũng cho rằng, khi
lai sợi đơn tinh thể silicon carbide có đường kính 0,05÷1,50 µm và sợi carbon có
đường kính 7 µm với nền nhôm thì làm cho vật liệu composite cải thiện khả năng
chống mòn và tăng độ bền uốn ngang. Để tăng khả năng chống mòn cao hơn thì thêm
vào hạt SiC đường kính 1,5÷5 µm, kết quả là composite lai chứa 10% hạt SiC, 5% sợi
đơn tinh thể SiC, và 4% sợi carbon nền nhôm cải thiện đặc tính tốt nhất [9].
Bên cạnh, việc pha tạp lai giữa các sợi với nhau còn có sự pha tạp lai giữa sợi

và hạt, tùy mục đích sử dụng và yêu cầu của vật liệu chế tạo. Dẫn chứng như kết quả
nghiên cứu của tác giả S.S. Mahapatra (2009) [17], đặc tính cơ học và xói mòn của vật
liệu composite lai thành phần nền polyester gia cố bằng sợi thủy tinh loại E và hạt độn
gồm bụi ximăng, Al
2
O
3
và SiC cho thấy khả năng chống xói mòn của vật liệu tăng lên
(tương ứng góc va đập, thành phần độn, vận tốc va đập như nhau), trong đó thành phần
độn hạt Al
2
O
3
làm tăng tối đa khả năng chống xói mòn của vật liệu composite lai.