Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit sử dụng trong lĩnh vực vật liệu ma sát chống mòn

Nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit sử dụng trong lĩnh vực
vật liệu ma sát
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MA SÁT- MÒN
1. Các lý thuyết về ma sát.
Còng nh các ngành khoa học khác, khoa học về ma sát phát triển không
ngừng và gắn liền với các ngành công nghiệp có liên quan nh công nghiệp ô
tô, giao thông đường sắt và gia công kim loại. Việc nghiên cứu, tìm hiểu về
bản chất của ma sát là rất cần thiết để trước hết có thể mô hình hoá, tiếp theo
đó là lượng hoá và điều khiển được các quá trình xảy ra khi ma sát. Các kiến
thức về ma sát giúp cho các nhà nghiên cứu định hướng được công việc và
giải quyết được các vấn đề do thực tiễn đặt ra.
Những nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu trong lĩnh vực ma sát là Amoton,
Culong, Leona dơ Vinxi và sau này là M.L.Lomonoxop,….
Ở Nga, khoa học về ma sát, bôi trơn và mài mòn được hình thành từ khi
thành lập Viện hàn lâm khoa học Nga. Nhà khoa học vĩ đại M.L.Lomonoxop
đã thiết kế thiết bị đầu tiên nghiên cứu sự liên kết giữa các phân tử của các vật
thể. Đó là tiền thân cho các thiết bị hiện đại sau này nghiên cứu về độ mài mòn
của vật liệu.
Ma sát đã được nghiên cứu từ lâu nhưng các lý thuyết về ma sát mài mòn
vẫn không ngừng được bổ xung và phát triển cùng với sự phát triển của các
ngành khoa học khác. Bắt đầu từ lý thuyết cổ điển, lý thuyết phân tử, lý thuyết
điện cho đến các lý thuyết hiện đại ngày nay.
1.1 Lý thuyết cổ điển
Nhà bác học đầu tiên nghiên cứu và đề xuất lý thuyết cổ điển về ma sát là
Amoton. Trong tài liệu vào năm 1969, tác giả đưa ra những hiểu biết về ma sát
và mô tả dụng cụ dùng trong thí nghiệm nghiên cứu. Đó là một dụng cụ đơn
giản bao gồm một lò so gắn vào vật thí nghiệm và tất cả được đặt trên một mặt
phẳng. Đầu kia của lò so được gắn với một tải trọng nhờ đó mà vật nghiên cứu
có thể trượt trên mặt phẳng.
Nhiều thí nghiệm đã được thực nghiệm và đi đến kết luận sau:
- Lực ma sát cân bằng với tải trọng mà vật bên trên tác động xuống vật thể

bên dưới.
- Với các vật thể khác nhau lực cản do ma sát xấp xỉ 1/3 tải trọng.
- Lực ma sát độc lập với diện tích tiếp xúc và phụ thuộc vàp bản chất của
hai vật thể tiếp xúc với nhau.
Leona dơ Vinxi khi nghiên cứu về ma sát cũng đã chỉ ra rằng: lực ma sát
không phụ thuộc vào hình dáng mà chỉ phụ thuộc vào trọng lượng của vật thể
và độ ráp bề mặt.
Có thể nói giai đoạn phát triển đầu tiên của khoa học kinh điển về ma sát
ngoài là những công trình nghiên cứu ma sát tĩnh. Bản chất động của ma sát
ngoài lần đầu tiên được đặt ra trong công trình nghiên cứu nổi tiếng của
S.Culong vào năm 1785. Quan điểm của S.Culong gần giống với Amoton, cho
rằng lực ma sát cân bằng với tải trọng, không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc
nhưng phụ thuộc vào bản chất của vật liệu. Culong còng chỉ ra là cần phân biệt
ma sát tĩnh với ma sát động và lực ma sát động độc lập với tốc độ chuyển
động. Culong đã tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của lực phân tử và coi đó là
phần của lực ma sát. Thành công lớn của tác giả là tổng hợp của hai sức cản,
sức cản thứ nhất là của liên kết không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc mà tỷ
lệ với tải trọng, sức cản thứ hai là của liên kết phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc.
Bản chất hai mặt đó được thể hiện qua phương tình sau:

NAF
µ
+=
(1)
Trong đó: F là lực ma sát.
A là hằng số đặc trưng cho khả năng liên kết tương hỗ của vật
thể.
µ
là hệ số ma sát
N là phản lực pháp tuyến.

Về mặt gia công thô, trị số A là rất nhỏ có thể bỏ qua được. Khi đó công
thức (1) chuyển thành:
F=
µ
N (2)
Công thức (2) thường đựơc gọi là định luật Culong- Amoton.
Tóm lại, lý thuyết cổ điển về ma sát cho rằng: lực ma sát phụ thuộc vào
hai yếu tố chính là tải trọng đặt lên vật thể ( bao gồm cả trọng lượng của vật
thể và tổng ngoại lực tác dụng lên vật thể) và bản chất của hai vật thể tiếp xúc
với nhau
1.2 Lý thuyết phân tử
Các tác giả thuộc trường phái này mà đại diện là F.P.Bowden, D.Tabor đã
làm nhiều thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của độ ráp bề mặt, diện tích tiếp
xúc, tốc độ trượt và sự chuyển dời của vật liệu từ bề mặt tiếp xúc này sang bề
mặt tiếp xúc khác đến lực ma sát. Về ảnh hưởng của độ ráp bề mặt đến hệ số
ma sát, Athur Morin (1934) cho rằng: lực ma sát khi hai vật thể chuyển động
tương đối với nhau là không đổi khi độ ráp bề mặt thay đổi và hệ số ma sát
giảm đi dẫn đến độ mài mòn thấp.
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của diện tích tiếp xúc, các tác giả đó cho rằng
khi bề mặt hai vật thể rất gần nhau lúc đó số điểm tiếp xúc thực tế sẽ cân bằng
với diện tích tiếp xúc giữa hai bề mặt và khi đó lực ma sát là lớn nhất. Nh vậy
lực ma sát phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc thực tế giữa hai bề mặt.
Mét nhà bác học khác như: H.Shaw (1986), F.P.Bowden (1938- 1942) khi
nghiên cứu về ma sát đã nhận thấy bề mặt của các vật thể thường bị cào xước
và đã nảy sinh việc khảo sát quá trình vận chuyển vật liệu từ bề mặt này đến
bề mặt khác. Các tác giả trên cho rằng bản chất của quá trình là do lực tương
tác giữa các phân tử trên bề mặt của hai vật thể và rót ra nhận xét sau: khối
lượng chuyển dời phụ thuộc vào quãng đường chứ không phụ thuộc vào tải
trọng. Khi một vật thể cứng hơn chuyển động trên bề mặt của vật thể mềm hơn
thì lượng vật liệu chuyển sang vật thể cứng hơn phụ thuộc vào độ ráp bề mặt

của hai vật thể.
Lý thuyết phân tử cũng đề cập tới ảnh hưởng của tốc độ trượt tới lực ma
sát. Galton (1978) khi nghiên cứu ma sát xảy ra khi tàu chuyển động trên
đường ray đã đưa ra nhận xét sau:
- Khi tốc độ trượt thấp, lực ma sát tăng lên cùng với tốc độ.
- Tại tốc độ trượt trung bình khoảng 1 m/s tới vài ft/s, lực ma sát gần như
không phụ thuộc vào tốc độ.
- Với tốc độ trượt cao, lực ma sát giảm đi cùng với tốc độ.
Tại cận dưới của dải tốc độ P.P.Ewald, T.Poschl, L.Prandtl (1930) đã đưa
ra công thức liên hệ giữa hệ số ma sát và tốc độ trượt như sau:

0
06,01
0112,01
µ
ν
ν
µ
+
+
=
Trong đó:
0
µ
: hệ số ma sát tĩnh.

µ
: tốc độ trượt (m/s).
Tuy nhiên, các tác giả chưa chỉ ra là công thức trên có áp dụng được hay
không khi hai vật thể chuyển động với tốc độ lớn, bề mặt chuyển động sang

trạng thái mềm cao thậm chí bị chảy nhít làm giảm đáng kể hệ số ma sát.
Tóm lại, lý thuyết phân tử về ma sát cho rằng bản chất của lực ma sát là
lực hót giữa các phân tử khi hai bề mặt vật thể tiếp xúc với nhau. Do đó lực
ma sát không phụ thuộc hay nói cách khác là độc lập với tải trọng. Lực ma sát
chỉ phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc thực tế và tốc độ chuyển động tương đối
của hai vật thể.
1. 3 Lý thuyết điện.
Lý thuyết này được đề xuất do trong thực tế khi hai vật thể tiếp xúc với
nhau gây ra sự phát sáng và có khả năng hót các vật thể nhẹ khác. Hiện tượng
này nhận thấy nhiều nhất trong công nghiệp giấy khi giấy được cán qua hai
trục. Các tác giả J.A.Joné (1925), P.Schnurmann (1940), E.Warlow- Davises
(1942) cho rằng điện ma sát (triboeletricity) và ma sát là hai mặt của cùng một
sự kiện: phá huỷ liên kết giữa các nguyên tử của các bề mặt tiếp xúc với nhau.
Theo lý thuyết điện thì ma sát là tổng hợp toàn bộ các liên kết điện giữa
các nguyên tử của hai bề mặt khi chúng tiếp xúc với nhau. Tương tác nguyên
tử- phân tử được coi là chủ yếu còn các tương tác cơ học chỉ là kết quả của
công liên kết nguyên tử- phân tử.
1.4 Lý thuyết hiện đại.
Các lý thuyết trình bày ở trên tuy có thừa hưởng, phát triển những kết quả
đã đạt được của công trình lý thuyết trước đó, nhưng do điều kiện, mức độ
nghiên cứu và theo các xu hướng khác nhau nên đã xuất hiện những quan
điểm không giống nhau về ma sát. Mặt khác, do chưa có những phương tiện
máy móc hiện đại để nghiên cứu một cách chính xác các hiện tượng xảy ra
trong quá trình ma sát nên các kết luận rót ra thường từ trực quan và đã dẫn tới
sự bất đồng về quan điểm.
Nhược điểm lớn nhất của các lý thuyết về ma sát trước đây là chúng đều
dùa trên các hiện tượng cá biệt như cơ học, vật lý hoặc điện mà không xét tới
ảnh hưởng tương hỗ giữa chúng, do đó đã không phân biệt được lực ma sát
với sức cản của các khuyết tật trên bề mặt vật liệu.
Sự phát triển của khoa học về ma sát được gắn liền với sự phát triển chung

của khoa học. Nhờ những định luật về phá huỷ biến dạng dẻo- đàn hồi, các
công trình nghiên cứu về bề mặt của vật thể khi chuyển động, kết cấu mỏng
của kim loại ở các bề mặt khi làm việc mà các nhà nghiên cứu về ma sát đã
đưa ra lý thuyết về ma sát ngoài tổng quát bao gồm cơ chế vật lý, cơ học, hoá
học, năng lượng…
Theo các lý thuyết hiện đại thì lực ma sát không chỉ là hàm của lực pháp
tuyến mà còn phụ thuộc vào tổ hợp các yếu tố: tốc độ trượt, vật liệu, điều kiện
môi trường,…Sự phụ thuộc này có thể biểu diễn bằng công thức tổng quát như
sau:
T(n) = f(n,v,c) (4)
Trong đó: T(n)- Là lực ma sát ứng với tải pháp tuyến n.
v- Tốc độ trượt.
c- Các thông sè nh môi trường, vật liệu,…
Các khái niệm mới về ma sát sau này do Suh và Sin đề xướng (1981).
Theo các tác giả này thì các tính chất về cơ học có ảnh hưởng lớn hơn so với
các tính chất hoá học đối với lực ma sát, nếu trong quá trình chuyển động
không có hiện tượng tăng nhiệt độ. Theo quan điểm này có thể phân chia lực
ma sát ra làm 3 thành phần:
- Biến dạng của các nhấp nhô trên bề mặt.
- Sự bám dính của các diện tích tiếp xúc.
- Sự tróc của bề mặt.
Các nhà nghiên cứu khác cũng đưa ra những lý thuyết về ma sát, bôi trơn,
hao mòn cho từng trường hợp cụ thể. Khi nghiên cứu về ma sát xảy ra ở một
vật thể có khả năng phục hồi cao tương tự như cao su, G.M.Bartenev,
V.V.Lavrentjev và N.A.Konstantinova (1971) đã đưa ra công thức sau:
ESN
e
S
S
ScF

α
β
α
α
/
0
11.
−
















−−=
Trong đó: F- Lực ma sát.
c- Hệ số phụ thuộc vào góc trượt.

α
S

-Diện tích tiếp xúc thực tế.
S
O
- Diện tích tiếp xúc khi không có áp lực (P
→
O).

β
- Yếu tố hình học của bề mặt vật thể.
N- Tải trọng.
Vật liệu ma sát trên cơ sở nhựa phenol- formandehyt rất phổ biến, do vậy
đã thu hót được dự quan tâm của các nhà nghiên cứu S.K.Rhee và cộng sự
(1971). Các tác giả đã nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố như áp lực, vận
tốc và thời gian tới lượng mài mòn của vật liệu ma sát trên cơ sở nhựa phenol-
formandehyt độn sợi amiang và đưa ra công thức sau( áp dụng cho nhiệt độ bề
mặt nhỏ hơn 220
o
C ):

∆
W= K.P
a
.V
b
.
τ
c
.
Trong đó:
∆

W- Lượng vật liệu bị mất đi.
P- Tải trọng.
V- Tốc độ.

τ
- Thời gian.
a,b,c- Hằng số phụ thuộc vào từng cặp ma sát.
Ứng dụng các lý thuyết về ma sát đã đem lại lợi Ých to lớn giúp cho
những nhà nghiên cứu, người sản xuất nhận thức và khắc phục được những
hạn chế còn tồn tại của vật liệu. Hạn chế tới mức tối đa ảnh hưởng có hại do
ma sát gây ra.
2. Các loại vật liệu có khả năng làm giảm ma sát
Giảm ma sát và mài mòn có ý nghĩa quan trọng đối với nền kinh tế quốc
dân. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra 3 loại vật liệu chính có khả năng làm giảm
ma sát và mài mòn bao gồm: gốm, hợp kim và polyme.
So với kim loại và polyme, gốm có ưu điểm là hệ số ma sát thấp, độ cứng
bề mặt tương đối cao, Ýt bị mài mòn và không bị ôxy hoá trong quá trình làm
việc. Tuy nhiên, gốm lại bị ảnh hưởng của nhiệt, dao động và đặc biệt dễ bị vỡ
khi va đập.
Kim loại và hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực vật liệu
chống ma sát do những ưu điểm nổi bật như: có độ cứng bề mặt cao, có khả
năng làm việc ở nhiệt độ cao Nhược điểm của chúng là khó gia công, có giá
thành cao và không bền hoá chất.
Việc nghiên cứu sử dụng vật liệu Polyme cho các kết cấu ma sát đã cho
kết quả bất ngờ. So với kim loại, polyme có hệ số ma sát nhỏ hơn, Ýt mòn
hơn, Ýt bị ảnh hưởng của dao động và va đập, có giá thành rẻ, tính công nghệ
cao hơn trong việc chế tạo chi tiết, có khả năng làm việc trong môi trường hoá
chất và bôi trơn bằng nước.
Tuy nhiên sự thay thế kim loại bằng Polyme không phải lúc nào cũng có
lợi. Đối với kết cấu chống ma sát, hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng nhất

là kết hợp giữa polyme và các vật liệu khác.
3. Các phương pháp nghiên cứu ma sát và mài mòn
Trong quá trình cọ xát sẽ xảy ra tương tác cục bộ của các líp bề mặt vật
liệu trên các diện tích rất nhỏ. Sự tương tác này làm thay đổi cấu trúc và tính
chất vật liệu trên bề mặt cọ xát. Đối với các chất dẻo, các thay đổi này rất
mạnh và chúng xảy ra dưới tác dụng của nhiệt, tác động cơ học, các chất hoạt
động bề mặt, điện tích xuất hiện…
Để sản phẩm từ chất dro với một tổ hợp tính chất cho trước, điều quan
trọng là sử dụng các sơ đồ thử nghiệm độ ma sát mô phỏng được các điều kiện
dễ sử dụng nhất, điển hình nhất.
Khi nghiên cứu sâu về ma sát và mài mòn trong điều kiện bôi trơn người ta
đã sử dụng đến rôbốt.
Trong đa số các trường hợp, các đặc trưng cần đánh giá hơn cả là lực ma
sát, độ bám dính, các thay đổi cơ lý bề mặt, chuyển vị ngang và vuông góc.
Lực ma sát thường được đo bằng các phương pháp cân lực kế hoặc tenxơ,
hoặc theo độ tắt dần của con lắc. Vì tính chất bề mặt cọ xát thường xét theo
kết quả đo tuyến hình bề mặt được đánh giá theo kết quả khối phổ, phổ điện tử
và phân tích cấu trúc Rơghen. Sự tăng tốc độ, nhiệt độ và tải trọng kỹ thuật
hiện đại dẫn đến sự gia tăng độ khắc nghiệt của các thử nghiệm về mài mòn
vật liệu. Bên cạnh đó, đôi khi phải tính đến các yếu tố ảnh hưởng như chân
không sâu, bức xạ và môi trường xâm thực…
Hệ sè ma sát phụ thuộc rất lớn vào tải trọng vuông góc, tốc độ trượt, nhiệt
độ và các yếu tố khác.
Sự phụ thuộc của các hệ số ma sát vào tải trọng thay đổi theo nhiệt độ. Ở
nhiệt độ thử nghiệm cố định thì hệ số ma sát giảm khi tăng tải trọng còn nếu
tải trọng cố định hệ số ma sát tăng khi tải trọng tăng.
Khi thay đổi nhiệt độ thì cả vận tốc trượt của chất dẻo cũng có thể có các
đặc tính khác nhau như một vật thuỷ tinh, vật mềm cao hoặc vật dẻo.
Khi đánh giá độ chịu mài mòn của chất dẻo nên chọn một đặc trưng không
thay đổi theo cường độ cọ xát. Ví dụ: chọn tỷ số giữa cường độ mài mòn

chung và cường độ cọ xát. Sự đánh giá độ chịu mài mòn, theo tỷ số trên có
tính chất gần đúng do sự phụ thuộc của sự mài mòn không chỉ vào tính chất
vật liệu mà cả vào điều kiện thử nghiệm.
Cường độ mài mòn có thể đánh giá định lượng theo một đại lượng thông
số đo:
In =
∆
h/
∆
L =
∆
V/(A.
∆
L)
Trong đó:
∆
h- bề dày líp bị mài mòn đi.

∆
V- thể tích líp bị mài mòn đi.

∆
L- quãng đường cọ xát.
A- diện tích chuẩn của bề mặt.
Độ mài mòn cũng có thể đánh giá bằng chỉ tiêu năng lượng
In =
∆
V/W
Trong đó: W- năng lượng cọ xát.
Chương II: Tổng quan vật liệu polyme Compozit- Vật liệu ma

sát, các yếu tố ảnh hưởng
1. Tổng quan về vật liệu Polyme Compozit. Khái niệm cơ bản - Đặc
điểm - Phân loại.
1.1 Khái niệm.
Vật liệu Compozit có lịch sử phát triển từ rất sớm. Ngay từ khi hình thành
văn minh nhân loại nhưng việc nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit mới
được thực sự chú ý trong những năm 50 trở lại đây. Mục đích chế tạo vật liệu
Compozit là làm sao phối hợp được các tính chất mà mỗi vật liệu ban đầu
không thể có được. Như vậy có thể chế tạo vật liệu Compozit từ những cấu tử
mà bản thân chúng không thể đáp ứng được các yêu cầu đối với vật liệu.
Vật liệu Compozit nói chung là loại vật liệu đồng nhất trong thể tích lớn
nhận được bằng cách hợp nhất các thể tích nhỏ của các vật liệu khác. Về bản
chất vật liệu Compozit là hệ thống hai hay nhiều pha khác nhau về bản chất
hoá học gần như không tan lẫn trong nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha
trong đó pha liên tục hay nền là polyme, pha phân tán là phụ gia tăng cường.
Ngoài ra còn có một số hợp chất khác như: chất tạo màu, chất tăng cường đặc
biệt.
Vật liệu Compozit có thể chế tạo bằng các phương pháp cơ nhiệt từ các
thành phần hay bằng phản ứng hoá học mà dẫn đến sự phân chia pha trong
hỗn hợp đồng nhất ban đầu. Vật liệu Compozit có thể được chế tạo bằng nhiều
phương pháp khác nhau như đúc Ðp, quấn ống
1.2 Đặc điểm.
Việc đưa chất gia cường vào nền polyme đưa lại cho vật liệu Compozit
nhiều ưu điểm nổi bật so với vật liệu truyền thống: độ bền được nâng cao, mô
đun đàn hồi cao, tỷ trọng thấp, ổn định tính chất trong nhiều môi trường hoá
chất, chống mài mòn tốt
Những đặc điểm nổi bật của vật liệu Compozit là: Là vật liệu nhiều pha,
trong thực tế phổ biến nhất là loại vật liệu Compozit hai pha, pha gián đoạn là
cốt được bao bọc bởi nhiều pha liên tục là nền polyme. Các pha tương tác với
nhau qua bề mặt phân chia pha nên tính chất của vật liệu không chỉ phụ thuộc

vào bản chất của các thành phần mà có phụ thuộc rất nhiều vào liên kết giữa
các thành phần. Vật liệu có tính chất càng cao khi liên kết giữa các thành phần
càng chặt chẽ. Cơ tính của vật liệu còn phụ thuộc vào hình thái học như hình
dạng, kích thước mật độ phân bố và phương, thứ tự sắp xếp của cốt. Mật độ
của cốt được xác định qua tỷ lệ khối lượng hoặc thể tích. Đây là một thông số
quan trọng trong việc quyết định tính chất cơ học của vật liệu. Khi cốt phân bố
không đồng đều vật liệu sẽ bị phá huỷ trước tại những vị trí mật độ cốt thấp do
đó làm giảm độ bền kết cấu của vật liệu. Đây là một đặc trưng trội nhất của vật
liệu Compozit. Vì vậy với những phương pháp chế tạo khác có thể đưa lại
những vật liệu Compozit có tính chất cơ lý khác mặc dù có cùng thành phần
giống nhau như phương pháp quấn ống và đúc kéo liên tục.
- Trong vật liệu Compozit tỷ lệ hình dáng - kích thước cũng như sự phân
bố của nền, cốt tuân theo các qui định thiết kế trước, nói cách khác với sự lùa
chọn thích hợp chất tăng cường và nhựa nền tính chất của vật liệu Compozit
có thể tính toán trước.
- Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất
chung của Compozit. Tuy vậy, tính chất Compozit không bao hàm tất cả các
tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lùa chọn và
phát huy thêm những tính chất tốt.
- Có nhiều phương pháp gia công cho phép chế tạo nhiều dạng sản phẩm
có đặc tính khác.
Tuy nhiên vật liệu Compozit còn có một số nhược điểm:
- Là vật liệu đa thành phần nên việc đồng thời thoả mãn tất cả các yêu cầu
của vật liệu rất khó khăn. Chỉ có thể lùa chọn các thành phần và phương pháp
chế tạo thích hợp để có thể đáp ứng những yêu cầu quan trọng nhất.
- Mô đun đàn hồi không cao.
- Nhiệt độ làm việc tương đối thấp.
1.3 Phân loại vật liệu Compozit.
Để phân loại vật liệu compozit người ta dùa vào các đặc điểm chung của
chúng:

- Theo bản chất vật liệu nền: compozit nền polyme, gốm, graphit, kim
loại.
- Theo hình học cốt: compozit cốt hạt (thô, mịn), compozit cốt sợi (dài,
ngắn).
- Theo cấu trúc vật liệu: compozit tấm, líp, tấm 3 líp, khối, tổ ong
- Theo phương pháp chế tạo: đúc, Ðp, đúc phun, lăn lô…
- Theo phạm vi ứng dụng: compozit cao cấp, compozit kỹ thuật.
a. Phân loại theo bản chất vật liệu nền:
* Nền kim loại: Kim loại có độ bền, cứng, dẻo khá cao, có thể chịu được
nhiệt độ cao hơn polyme trong môi trường không có oxy. Vật liệu compozit
nền kim loại có modun rất cao (110GPa) nên đòi hỏi sợi tăng cường phải có
modun cao. Al, Mg, Ti, Ni, Cu được nghiên cứu ứng dụng làm nền compozit
nhiều hơn cả, đặc biệt các kim loại nhẹ rất được ưa chuộng trong ngành hàng
không.
Nền kim loại có một số ưu điểm so với nền polyme:
- Kim loại nói chung dẻo, khá bền nên cải thiện chỉ tiêu cơ lý của polyme
như modun đàn hồi.
- Có độ dẫn điện, nhiệt cao hơn.
- Không bốc cháy, Ýt bị ảnh hưởng của môi trường Èm.
- Có tính đàn hồi tốt nên trong một số trường hợp dễ gia công lắp ráp.
Nhược điểm chính của nền kim loại là có khối lượng riêng lớn. Công nghệ
chế tạo compozit nền kim loại phức tạp hơn rất nhiều so với nền polyme và do
vậy giá thành sản phẩm sẽ cao hơn. Chính điều này hạn chế việc lùa chọn và
triển khai ứng dụng chúng trong công nghiệp.
Compozit nền nhôm cốt sợi bo có cơ tính cao là một trong những
compozit nền kim loại được ứng dụng khá nhiều trong các ngành công nghiệp
như hàng không, vũ trụ, chế tạo ô tô.
*Nền polyme: Compozit nền polyme chiếm 90% trong tổng số các loại
compozit. Nền polyme rất được ưa chuộng do có tỷ trọng thấp, cách điện, cách
nhiệt tốt, dễ gia công. Polyme dùng làm nền có 2 loại: nhựa nhiệt rắn và nhựa

nhiệt dẻo.
1. Nhựa nhiệt dẻo có cấu trúc mạch thẳng hoặc mạch nhánh, chảy mềm ở
nhiệt độ cao và có thể lấy lại trạng thái rắn khi làm lạnh. Nhựa có thể ở dạng
tinh thể hoặc vô định hình. Khả năng chịu dung môi, chịu nhiệt kém hơn nhựa
nhiệt rắn. Người ta thường tăng độ bền, độ chịu tải và chống rão cho vật liệu
bằng các loại sợi ngắn. Nhựa nhiệt dẻo gia công chủ yếu bằng phương pháp
đúc. Ở nhiệt độ thường, compozit nhựa nhiệt dẻo có tính dai, bền, cứng nhưng
đều bị mất tính bền ở nhiệt độ cao. Có thể khắc phục phần nào nhược điểm
này bằng cách tăng cường chất độn. Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dông:
polyetylen (PE), polypropylene (PP), polystyrene…
2. Nhựa nhiệt rắn được tạo thành từ các polyme cũng chính là compozit
nhiệt rắn, có khả năng tạo được các liên kết ngang (liên kết hoá học). Qúa
trình tạo các liên kết ngang gọi là quá trình đóng rắn. Các phản ứng tạo liên
kết ngang này đã liên kết các phân tử polyme lạ với nhau tạo thành mạng lưới
không gian ba chiều có khối lượng phân tử lớn. Chính điều này khiến cho
nhựa nhiệt rắn sau khi đóng rắn không có khả năng nóng chảy hoặc hoà tan
mà chỉ có thể bị phân huỷ.
Tổ hợp của nhựa phenol – fomandehyt với sợi amiăng bền với axit, kiềm ở
nồng độ nhỏ hơn 40%, bền với axeton ở 50
0
C và bền với axetic ở bất kỳ nhiệt
độ nào.
Vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa phenol – fomandehyt với chất
độn thích hợp như: sợi thuỷ tinh, sợi amiang, có khả năng làm việc ở nhiệt độ
cao tới 250
0
C hoặc trong điều kiện nhiệt độ làm việc thay đổi trong một phạm
vi rộng mà không có nguy cơ bị thay đổi kích thước.
Độ chịu mài mòn của tấm phẳng từ nhựa phenol - fomandehyt có thể so
sánh với nhôm, đồng. Tuy nhiên khả năng này bị suy giảm khi độ Èm của môi

trường tăng. Hệ số ma sát của nhựa phenol- fomandehyt tương tự như các loại
nhựa nhiệt rắn khác, nằm trong khoảng 0,2- 0,3, tương đối thấp so với cao su
và kim loại nhưng với các chất độn thích hợp có thể tăng hệ số ma sát của vật
liệu lên tới 0,7- 0,8.
Vật liệu polyme compozit đi từ các loại nhựa nhiệt rắn được tăng cường
các loại sợi dài sử dụng nhiều trong công nghiệp hàng không, vũ trụ, quân sự,
ô tô,… Nhựa nhiệt rắn phổ biến nhất là epoxy, polyeste không no, phenolic,
polyuretan…Tính chất cơ lý của phenol- fomandehyt so với các loại nhựa
nhiệt rắn khác được trình bày qua bảng sau:
Tính chất Đơn vị Polyeste Epoxy Phenol- Ure-
Không no fomandehyt fomandehyt
Độ bền
kéo
Mpa 25
÷
80 30
÷
100 25
÷
65 25
÷
45
Độ bền
nén
Mpa 60
÷
160 60
÷
90 45
÷

125 40
÷
120
Độ bền
uốn
Mpa 70
÷
140 60
÷
180 45
÷
95 45
÷
95
Độ hót
nước
Mpa 10
÷
30 7
÷
20 15
÷
30 15
÷
30
Tỷ trọng g/cm
3
1,1
÷
1,15 1,15

÷
1,25 1,15
÷
1,3 1,1
÷
1,4
* Nền gốm và thuỷ tinh: Tổ chức điển hình của gốm là đa pha và đa tinh
thể. Hai pha chính tạo nên tổ chức của gốm: pha vô định hình phân bố xen lẫn
giữa các vùng pha tinh thể và gắn kết chúng lại với nhau. Gốm là vật liệu có
độ bền cao, duy trì được độ bền ở nhiệt độ cao (1650
o
C), khả năng chịu oxy
hoá cao. Tuy nhiên có độ bền kéo thấp, chịu va đập kém.
Thuỷ tinh vô cơ là vật liệu nhận được bằng cách làm nguội một hợp chất
vô cơ từ trạng thái nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ cao đến trạng thái rắn
không kết tinh. Qúa trình này giống như đối với nhựa nhiệt dẻo nên có thể áp
dụng các phương pháp gia công của chất dẻo. Thuỷ tinh có độ bền và modun
đàn hồi cao (69GPa), độ giãn nở nhiệt thấp. Nhờ tính chảy tốt nên khi tăng
nhiệt độ và áp lực Ðp thì hàm lượng sợi tăng cường có thể sẽ tăng nhưng
không làm giảm độ bền vật liệu.
* Nền cacbon/ graphit : Là vật liệu chịu nhiệt rất tốt, cứng, bền nhiệt
(2500
0
K) điển hình là compozit cacbon- cacbon. Vật liệu này được sử dụng
nhiều trong ngành hàng không, hoá dược, y tế
b. Phân loại theo hình học cốt:
* Compozit cốt hạt: có cấu tạo gồm các phân tử cốt dạng hạt đẳng trục
phân bố đều trong nền. Các phân tử cốt rất đa dạng: các loại khoáng tự nhiên,
oxit, cacbit, nitrit…Compozit cốt hạt gồm hai loại: cốt hạt thô và cốt hạt mịn.
- Compozit cốt hạt mịn thường có nền là kim loại hoặc hợp kim, cốt có

kích thước nhỏ (<0,1mm) thường là các vật liệu bền cứng, có tính ổn định
nhiệt cao như cacbit, nitrit… Tương tác nền cốt xảy ra ở mức độ vi mô ứng
với kích thước nguyên tử hoặc phân tử.
- Compozit cốt hạt thô: nền có thể là polyme, kim loại hoặc gốm. Cốt
thường được đưa vào để cải thiện độ bền kéo, nén, uốn, độ chống mài mòn, độ
ổn định kích thước, chịu nhiệt… hoặc ra một tính chất mới theo yêu cầu.
Tương tác nền- cốt không xảy ra ở mức nguyên tử, phân tử.
* Compozit cốt sợi ngắn: Độ dài cốt thường nhỏ hơn 5 cm đôi khi được
gọi là ria. Compozit cốt sợi ngắn thường được gia công bằng các phương pháp
gia công nhựa thông thường như đúc, đùn, đúc phun. Khi đùn hoặc đúc phun
vào khuôn, sợi phải có khả năng đi qua được các khe hở nhỏ trong thân thiết
bị. Sợi ngắn thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt rắn
do có khối lượng phân tử lớn khi đóng rắn sẽ không có lợi khi dùng sợi ngắn.
Tất cả compozit cốt sợi ngắn đều thuộc compozit kỹ thuật.
* Compozit cốt sợi có chiều dài trung bình: Độ dài cốt từ 10 đến 100 mm,
thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn có thêm bột đệm với hàm
lượng khá lớn. Phương pháp gia công thường được sử dụng là phương pháp
ướt. Sợi phải được nhựa thấm ướt hoàn toàn để compozit đạt được các tính
chất cao nhất. Compozit này cũng thuộc nhóm compozit kỹ thuật.
* Compozit cốt sợi dài: Sợi dài hay còn gọi là sợi liên tục thường được
dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn, chế tạo compozit chất lượng cao.
Compozit cốt sợi dài có thể được chế tạo với cả nền vô cơ, gốm kim loại.
c. Phân loại theo phạm vi ứng dụng
Polyme compozit được chia thành 2 nhóm. Hai nhóm này khác nhau chủ
yếu ở loại sợi, chiều dài sợi tăng cường và loại nhựa được sử dụng làm nền.
Nhóm thứ nhất được gọi là compozit tiên tiến, được chế tạo từ các loại sợi
dài và có độ bền cao. Nhựa nền cũng là các loại nhựa có đặc tính tốt, chịu
nhiệt, độ bền hoá học. Compozit chất lượng cao thường được ứng dụng trong
ngành hàng không, vũ trụ, cũng như các dụng cụ thể thao cao cấp như vợt
tennis, gậy chơi gôn…

Nhóm thứ hai được gọi là compozit kỹ thuật: gồm các compozit cốt sợi
ngắn, có tính chất cơ lý thấp hơn. Nhựa nền cũng có tính chất thấp hơn. Các
sản phẩm làm từ compozit kỹ thuật bao gồm: vỏ tàu, canô, bồn tắm, bể chứa…
2. Nghiên cứu tổng quan về vật liệu ma sát- Các yếu tố ảnh hưởng đến
tính chất cơ lý của tổ hợp vật liệu ma sát.
2.1 Nghiên cứu tổng hợp bột ma sát.
Với mục đích chế tạo được loại bột ma sát có chất lượng cao chóng ta có
thể tiến hành tổng hợp Este arylborat thay cho việc sử dụng phenol nguyên
thể.
Este arylborat là sản phẩm phản ứng của hai hay nhiều phenol với hợp
chất của Bo có khả năng tạo este như axit boric, các andehyt của Bo
Bét ma sát được tổng hợp bằng cách cho Este arylborat phản ứng với
fomandehyt.
Quá trình tổng hợp bột ma sát có thể mô tả như sau:
Cho hỗn hợp phenol cacdanol với tỷ lệ định sẵn vào thiết bị phản ứng nâng
dần nhiệt độ đến 90-95
0
C. Trộn axit boric vào khuấy đều đến khi tan hết. Thời
gian phản ứng của giai đoạn này kéo dài 45'. Tiếp tục nâng nhiệt độ tới 140-
145
0
C, cho xúc tác và fomandehyt vào (xúc tác có thể là kiềm, axit). Hỗn hợp
tạo thành được tách nước với thời gian 2 giê. Sau đó tiếp tục nâng nhiệt của
phản ứng lên 160
0
C và giữ ở nhiệt độ này trong thời gian 1 giê 30 phót. Sản
phẩm được lấy ra khi đã được làm bay hơi hết nước. Dung môi đóng sẵn ở
nhiệt độ 200
0
C đem nghiền mịn với kích thước hạt đạt 74-104 µm. Tiến hành

tổng hợp bột ma sát với 4 tỷ lệ khác nhau: fenol - fomandehyt (1: 1,12; 1:
1,13; 1: 1,14; 1: 1,15) được ký hiệu FR
1
, FR
2
, FR
3
, FR
4
tương ứng. Qua một số
thí nghiệm sơ bộ có được tỷ lệ các cấu tử cho vào tổng hợp vật liệu ma sát.
- Phôi liệu của hỗn hợp được trình bày ở bảng sau: (theo % trọng lượng)
Bảng 1.
Cấu tử %
Nhựa 29
Bột amiăng 61
Bét ma sát 9,5
Axit Stearic 0,5
Kết quả đánh giá độ mài mòn được trình bày ở bảng 2.
Bảng 2.
Loại bét ma
sát
Tỷ lệ phenol : Fomandehyt (mol)
Không có
bột ma sát
1:1,2 1:1,3 1:1,4 1;1,5
FR
1
FR
2

FR
3
FR
4
Độ mài mòn
(g/1000 vòng)
0,1065 0,0405 0,036 0,037 0,0382
Hệ sè ma sát 0,347 0,356 0,512 0,506 0,494
Từ kết quả đánh giá tại bảng 2 cho thấy: Việc đưa bột ma sát vào tổ hợp
vật liệu làm giảm độ mài mòn của vật liệu ma sát xuống gần 3 lần từ 0,1065
g/1000 vòng →0,0405g/ 1000 vòng đồng thời hệ số ma sát tăng lên từ
0,347→0,512 (xấp xỉ 1,5 lần).
Tổ hợp vật liệu có chứa bột ma sát ký hiệu FR
2
sau khi trải qua 1000 vòng
mài mòn được tiếp tục cho mài mòn tiếp và đo hệ số ma sát. Kết quả cho thấy
không có sự sai khác nhiều về kết quả giữa hai lần đo, độ mài mòn sai lệch
khoảng 0,8% và hệ số ma sát sai lệch xấp xỉ 1%. Điều này chứng tỏ khi đưa
bột ma sát FR
2
vào trong vật liệu đã làm cho tính chất của sản phẩm ổn định
hơn trong quá trình sử dông. Kết quả đo độ mài mòn và hệ số ma sát sau vài
lần thử nghiệm được trình bày ở bảng 3.
Bảng 3
Số vòng thử mài
mòn (vòng)
Độ mài mòn
(g/1000 vòng)
Hệ sè ma sát
1000 0,036 0,512

2000 0,0358 0,512
3000 0,0362 0,509
4000 0,0360 0,51
5000 0,0364 0,507
2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các cấu tử chính trong tổ hợp vật liệu.
Tính chất cơ lý của vật liệu Polyme- Compozit không chỉ phụ thuộc vào
tính chất của nhựa nền, bột độn mà còn phụ thuộc vào tỷ lệ của chúng trong tổ
hợp. Tỷ lệ của các cấu tử trong tổ hợp có thể thay đổi tùy từng trường hợp cụ
thể. Khi hàm lượng nhựa quá thấp khả năng chế tạo vật liệu trở nên khó khăn
do tổ hợp có độ chảy kém, các tính chất như độ bền va đập, độ bền hoá giảm,
độ hấp thụ nước tăng lên do lượng nhựa quá Ýt không đủ liên kết các chất độn
lại với nhau. Nếu hàm lượng quá cao (>50%) thì việc tạo hình càng khó do tổ
hợp vật liệu có độ nhít thấp. Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa đến tính chất cơ
lý của vật liệu Polyme-Compozit trên cơ sở nhựa phenol fomandehyt với bột
độn thông dụng được trình bày ở bảng sau (Bảng 4)
0 20 40 60 80 100
2
4
6
10
8
12
14
§é bÒn (TÊn/in
2
)
Hµm lîng nhùa theo % träng lîng
Qua hình 4 có thể thấy việc thay đổi hàm lượng của một cấu tử nào đó
trong tổ hợp vật liệu đề đạt mong muốn là tăng một số tính chất cơ lý nào đó
thì lại làm giảm một số tính chất cơ lý khác. Đối với trường hợp vật liệu ma

sát trên cơ sở nhựa phenol fomandehyt để đạt được tính chất cơ lý mong muốn
cần phải xác định được một tỷ lệ nhất định các thành phần trong tổ hợp đồng
thời giữ được một tỷ lệ chất dính kết thấp nhất không làm thay đổi độ mài
mòn, hệ số ma sát của sản phẩm.
Qua tham khảo tài liệu: "Nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit sử dông
trong lĩnh vực vật liệu ma sát" của tiến sĩ Nguyễn Thanh Liêm tác giả đã tìm
ra được tỷ lệ tối ưu của các cấu tử nh sau:
Bảng 4: Thành phần hỗn hợp Ðp.
Cấu tử %
Nhựa 27
Bột amiăng 64
Bét ma sát 8,5
Axit Stearic 0,5
Kết quả đo kiểm tra cơ lý được trình bày ở bảng 5.
Bảng 5.
Thông số kỹ thuật Kết quả đo
Hệ sè ma sát 0,52
Độ hót nước % 0,021
Độ hót dầu % 0,023
Độ mài mòn (g/1000
vòng)
0,032
Độ cứng HB 36,02
Độ bền va đập
(KJ/m
2
)
4,000
2.3 Nghiên cứu vấn đề đưa cao su vào tổ hợp vật liệu ma sát.
Để giải quyết vấn đề có được một vật liệu vừa có đầy đủ tính chất cơ lý

của nhựa tổng hợp sử dụng cho vật liệu ma sát đồng thời có tính mềm dẻo, có
khả năng phục hồi cao thì việc sử dụng cao su để biến tính nhựa đặc biệt là các
loại nhựa phenol fomandehyt đem lại hiệu quả cao. Cao su dùng để biến tính
là cao su Butadienitil và cao su Clopreu.
Nguyên tắc để biến tính nhựa bằng cao su là trộn hỗn hợp nhựa với cao su
sau đó cho đóng rắn. Trong quá trình đóng rắn cao su phản ứng với nhựa và
cùng tham gia vào quá trình khâu mạch. Cũng có thể nhựa tham gia vào quá
trình lưu hoá cao su và được coi như một mắt xích trong mạng lưới. Tuy vậy
tổ hợp nhựa - cao su được coi như một hệ thống hai pha riêng biệt. Cao su có