Nghiên cứu ảnh hưởng của chất độn vô cơ Al2O3 đến tính chất cơ lý của vật liệu composite trên cơ sở nhựa polyeste không no gia cường bằng sợi thủy tinh

Đồ án tốt nghiệp 1 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập-Tự do-Hạnh phúc
KHOA HÓA
NGÀNH CÔNG NGHỆ POLYME
o0o o0o
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Lê Ngọc Thường.
Lê Thị Thu Trang.
Lớp: 04H4.
1. Tên đề tài
Nghiên cứu sử dụng chất độn vô cơ nhôm oxit nhằm nâng cao khả năng
chịu nhiệt cho vật liệu composite trên cơ sở nhựa polyeste không no gia cường
bằng sợi thủy tinh.
2. Nội dung thuyết minh
Mở đầu
Chương 1: Lý thuyết tổng quan
- Vật liệu composite
- Vật liệu composite trên cơ sở nhựa polyester gia cường bằng
sợi thủy tinh
Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu
- Nội dụng nghiên cứu
- Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ cần thiết
- Phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Kết luận
Tài liệu tham khảo
3. Ngày giao nhiệm vụ: 15/2/2009
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 08/06/2009
Giáo viên hướng dẫn

ThS. Phan Thị Thúy Hằng
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 2 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
LỜI CẢM ƠN
Mặc dù còn nhiều thiếu thốn về thiết bị nghiên cứu nhưng với sự giúp
đỡ tận tình của thầy cô và bạn bè chúng tôi đã hoàn thành được nhiệm vụ được
giao.
Chúng tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của cô Phan Thị Thúy Hằng
trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp
Tiếp đến tôi xin cảm ơn chú Nguyễn Hồng Sơn làm việc Trung Tâm Kỹ
Thuật Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng 2 đã giúp chúng tôi đo mẫu TP Đà
Nẵng , và cảm ơn gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ, động viên tôi hoàn
thành đồ án này.
Xin cảm ơn các thầy cô bộ môn đã chỉ dẫn tôi trong quá trình làm đồ án.
Cuối cùng xin chân thành cảm ơn giáo viên duyệt, hội đồng bảo vệ đã
dành thời gian đọc, đóng góp ý kiến cho đồ án của tôi.
Đà Nẵng, ngày 30- 05- 2009.
Sinh viên
Lê Ngọc Thường
Lê Thị Thu Trang
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 3 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 3
1.1.Vật liệu composite 3

1.1.1. Khái niệm vật liệu composite 3
1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển 3
1.1.3. Đặc điểm tính chất của vật liệu composite 5
1.1.4. Phân loại vật liệu composite 7
1.1.5. Thành phần chính cấu tạo nên vật liệu composite polyme 9
1.1.6. Cơ chế gia cường của vật liệu composite 16
1.1.7. Các phương pháp gia công vật liệu composite 18
1.2. Vật liệu composite trên cơ sở nhựa UPE gia cường sợi thủy tinh 20
1.2.1. Tổng quan 20
1.2.2. Nhựa nền cho vật liệu composite –Polyeste không no 21
1.2.3. Gelcoat 34
1.2.4. Sợi thủy tinh 36
1.2.5. Chất độn Al
2
O
3
42
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46
2.1. Nội dung nghiên cứu 46
2.2. Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị nghiên cứu 46
2.2.1. Nguyên liệu 46
2.2.2. Hóa chất 49
2.2.3. Dụng cụ và thiết bị 49
2.3. Phương pháp nghiên cứu 49
2.3.1. Phương pháp gia công và chế tạo vật liệu composite 49
2.3.2. Phương pháp xác định dộ bền cơ học 57
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 4 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
2.3.3. Phương pháp xác định độ bền môi trường 60
2.3.4. Phương pháp xác định độ bền nhiệt 61

2.3.5. Phương pháp đánh giá gelcoat bằng ngoại quan 61
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 65
3.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi, hàm lượng độn đến tính
chất cơ lý của vật liệu composite 65
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi, hàm lượng độn đến độ
bền kéo của vật liệu composite 65
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi, hàm lượng độn đến độ
bền uốn của vật liệu composite 66
3.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi, hàm lượng độn đến độ bền
của vật liệu trong các môi trường khác nhau 68
3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi, hàm lượng độn đến
độ trương trong môi trường nước biển 68
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi, hàm lượng độn đến
độ trương trong môi trường nước máy 68
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi, hàm lượng độn đến
độ trương trong môi trường HCl 15% 68
3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi, hàm lượng độn đến
độ trương tan trong môi trường NaOH 15% 70
3.2.5. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi, hàm lượng độn đến
độ tan trong môi trường HCl 15% 70
3.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi, hàm lượng độn đến
độ lão hóa nhiệt của vật liệu composite 71
3.4. Tối ưu hóa các hàm mục tiêu 72
3.4.1. Tối ưu hóa hàm mục tiêu y
1
72
3.4.2. Tối ưu hóa hàm mục tiêu y
2
73
3.4.3. Tối ưu hóa hàm mục tiêu y

3
74
3.4.4. Tối ưu hóa hàm mục tiêu y
4
75
3.4.5. Tối ưu hóa hàm mục tiêu y
5
75
3.4.6. Tối ưu hóa hàm mục tiêu y
6
76
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 5 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
3.4.7. Tối ưu hóa hàm mục tiêu y
7
76
3.4.8. Tối ưu hóa hàm mục tiêu y
8
77
3.5.So sánh tính chất cơ lý của mẫu không độn và mẫu có độn 77
3.5.1. So sánh độ bền cơ học của mẫu không độn và mẫu có độn 78
3.5.2. So sánh độ bền nhiệt của mẫu không độn và mẫu có độn 80
3.6. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ bền của vật liệu 82
3.6.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ bền vật liệu
trong môi trường nước biển 82
3.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ bền vật liệu
trong môi trường nước máy 83
3.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ bền vật liệu
trong môi trường HCl 15% 84
3.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ bền vật liệu

trong môi trường NaOH 15% 85
3.7. Khảo sát hình dạng bề mặt và sự phân bố độn trong cấu trúc vật
liệu composite bằng kính hiển vi điện tử 85
3.7.1. Cấu trúc bề mặt của các tấm composite 86
3.7.2. Sự phân bố các hạt độn trong cấu trúc vật liệu composite 86
3.8. Khảo ảnh hưởng của chất tạo màu vô cơ và hữu cơ đến lớp
gelcoat 86
3.8.1. Khảo sát ảnh hưởng của chất tạo màu đến độ bền xước của
lớp gelcoat 86
3.8.2. Khảo sát ảnh hưởng của chất tạo màu đến độ độ mềm dẻo của
lớp gelcoat 87
3.8.3. Thử tính bền màu và thử tính chịu nước bằng phương pháp
thử sôi 88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 91
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 6 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 7 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Trên thế giới vật liệu composite trên cơ sở nhựa polyester gia cường sợi
thủy tinh đã được phát triển từ lâu, song nước ta gần đây mới phát triển và
được coi là vật liệu mới.
Loại composite này có nhiều đặc tính ưu việt nên được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau. Nhược điểm chung của vật liệu composite là khả
năng chịu nhiệt kém. Do đó để mở rộng ứng dụng của vật liệu này, người ta
ngày càng cải tiến vật liệu theo nhiều chiều hướng khác nhau nhằm nâng cao
tính chịu nhiệt của vật liệu. Trong đó việc bổ sung các loại chất độn ở dạng oxit
kim loại được ứng dụng phổ biến.

Oxit nhôm là loại vật liệu được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật cũng như
trong đời sống. Việc bổ sung chất độn Al
2
O
3
trong vật liệu composite là một
hướng đi nhằm khắc phục những nhược điểm của loại vật liệu này. Do đó nó
được chọn làm chất độn cho vật liệu composite trong đề tài nghiên cứu này,
góp phần cải thiện tính chịu nhiệt đồng thời mở rộng ứng dụng của vật liệu này.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của chất độn vô cơ Al
2
O
3
đến tính chất cơ lý của vật
liệu composite trên cơ sở nhựa polyeste không no gia cường bằng sợi thủy tinh
và đánh giá chất lượng lớp gelcoat sử dụng các chất tạo màu khác nhau.
3.Nội dung nghiên cứu:
-Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi, độn đến tính chất cơ lý của vật
liệu composite.
-Khảo sát độ bền trong các môi trường khác nhau của vật liệu composite.
-Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ bền của vật liệu composite.
- So sánh tính chất cơ lý của vật liệu composite không độn với loại vật liệu
composite có độn.
- Khảo sát cấu trúc bề mặt vật liệu và sự phân bố của độn trong thành phần
của composite dưới kính hiển vi điện tử.
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 8 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
- Khảo sát ảnh hưởng của một số loại chất màu đến tính chất của lớp
gelcoat.

4. Mục tiêu nghiên cứu:
- Xác định hàm lượng sợi, hàm lượng độn tối ưu để đạt độ bền cơ học cao
nhất.
- Xác định hàm lượng sợi, hàm lượng độn tối ưu để đạt độ bền nhiệt cao
nhất.
- Xác định hàm lượng sợi, hàm lượng độn tối ưu để đạt độ bền môi trường
cao nhất.
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 9 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1. VẬT LIỆU COMPOSITE:
1.1.1. Khái niệm về vật liệu composite: [2]
Vật liệu composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật
liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn
hẳn vật liệu ban đầu. Vật liệu composite được cấu tạo từ các thành phần cốt
nhằm đảm bảo cho composite có được các 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.
Vật liệu nền + Vật liệu thành phần = Vật liệu composite.
1.1.2. 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 dãn 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 chất mùn cưa và
nhựa thông hay các vách tường đan tre chát bùn với rơm, dạ 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 Polyeste không no và giải pháp này 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 Polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền
chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân
dụng, y tế, thể thao, quân sự vv [5]
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 10 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Bảng 1.1: Lịch sử phát triển của vật liệu composite [10]
Năm Vật liệu
5000 Tr CN Cây cối giấy/nhựa thông (tàu thuyền)
1500 Tr CN Tấm trang trí bằng gỗ
1909 Composite nền phenolic
1928 Composite nền ure formaldehit
1938 Composite nền melamin formaldehit
1942 Polyeste gia cường sợi thủy tinh
1946 Composite nền nhựa epoxy
1946 Nylon gia cường sợi thủy tinh
1951 Polystyrene gia cường sợi thủy tinh
1956 Composite Phenolic-sợi khoáng amiăng
1964 Nhựa gia cường sợi cacbon
1965 Nhựa gia cường sợi bo
1969 Composite gia cường hỗn hợp sợi cacbon/thủy
tinh
1972 Nhựa gia cường sợi aramit
1975 Composite gia cường hỗn hợp sợi
aramit/cacbon
Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu composite đã được
nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến. Việc nghiên cứu và áp

dụng thành công vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng. Đại
chiến thế giới thứ hai nhiều nước đã sản xuất mày bay, tàu chiến và vũ khí phục
vụ cho cuộc chiến này. Cho đến nay thì vật liệu composite polyme đã được sử
dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện chế tạo ôtô. Dựa trên những ưu thế đặc
biệt như giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ
rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc. Ngành hàng không vũ trụ
sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh
kiện, máy móc khác của các hãng như Boing 757, 676 Airbus 310… Trong
ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng
mạch và các linh kiện. Ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nô; các ngành
dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ…, ngành thể thao,
các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennis… và các ngành dân dụng, quốc
kế dân sinh khác. [5]
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 11 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Ở các nước phát triển trên thế giới thì vật liệu composite đã được phát
triển từ lâu, nhưng nước ta, thì vật liệu composite được coi là vật liệu mới, bởi
lẽ thời gian đưa vào ứng dụng và phạm vi ứng dụng ở nước ta vẫn còn chưa
nhiều.
Có lẽ vật liệu composite sợi thủy tinh (FRP) được bắt đầu nghiên cứu và
áp dụng thử ở nước ta từ 1988, khởi đầu là canô, xuồng nhỏ với tư cách là một
loại vật liệu mới. Đến đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, một vài đơn vị sản xuất
composite đã hình thành với các sản phẩm ghe, thuyền, bồn chứa có kích thước
không lớn, đặc biệt là ở đồng bằng sông Cửu Long. Tuy nhiên composite thực
sự bắt đầu phát triển kể từ 1995 đến nay kể cả về số lượng các đơn vị sản xuất
cũng như chất lượng và chủng loại sản phẩm. Hiện nay trong toàn quốc có
khoảng 40 đơn vị lớn nhỏ, nhưng chỉ một số đơn vị chuyên sản xuất mặt hàng
conmpozit, còn lại là kết hợp với các sản phẩm nhựa khác. Các mặt hàng đã
mở rộng, đa dạng, phong phú cùng với chất lượng cao hơn như: ghe, thuyền,
canô, xuồng, tàu cảng vụ, tàu nghiên cứu hải dương, tàu đánh cá xa bờ, cầu

trượt, máng trượt (cho công viên nước), bể bơi, bồn tắm, kiốt, trang trí nội thất,
ngoại thất, các công trình cho công viên, đồ chơi trẻ em, tấm lợp nhà máy, nhà
dân, các loại bể xí tự hoại, toilet lưu động phục vụ đô thị, nông thôn, công
trường, nhà máy. Các loại bồn chứa đặt dưới đất hoặc trên tháp cao với dung
tích hàng trăm mét khối. Chống thấm, dột, bọc vỏ tàu gỗ, v.v… [1]
1.1.3. Đặc điểm, tính chất của vật liệu composite:
Những đặc điểm chính của vật liệu composite gồm: [2]
 Là vật liệu nhiều pha. Các pha tạo nên composite thường khác
nhau về bản chất, không hoà tan lẫn nhau và phân cách nhau
bằng ranh giới pha. Trong thực tế phổ biến là loại composite hai
pha. Pha liên tục trong toàn bộ khối vật liệu composite được gọi
là nền. Pha phân bố gián đoạn, được nền bao bọc gọi là cốt.
 Trong composite tỉ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân
bố của nền và cốt tuân theo các qui định thiết kế trước.
 Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính
chất chung của composite. Tuy nhiên tính chất của composite
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 12 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
không bao gồm tất cả tính chất của pha thành phần khi chúng
đứng riêng lẻ mà chỉ lựa chọn những tính chất tốt và phát huy
thêm.
Vật liệu composite rất phong phú, đa dạng và được sử dụng rộng rãi
trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống do các đặc điểm ưu việt của nó như
sau:
 Tỷ số tính năng cơ lý/giá thành và tỷ số tính năng cơ lý/khối
lượng cao hơn sắt thép rất nhiều lần.
 Nhẹ hơn nhôm.
 Phương pháp gia công chế tạo đơn giản, đa dạng.
 Dễ tạo hình, thay đổi, sửa chữa.
 Không tốn kém trong bảo quản và chống ăn mòn.

 Chi phí đầu tư thấp.
Sau đây là thông số kĩ thuật của vật liệu composite và hợp kim thép: [3]
Bảng 1.2: Thông số kĩ thuật của vật liệu composite và hợp kim thép.
Thông số
Hợp kim
thép
Vật liệu composite trên cơ
sở polyeste không no gia
cường bằng sợi thủy tinh
V
f
= 0,5
Song song Vuông góc
Khối lượng riêng (g/cm
3
)
Môđun đàn hồi (kG/mm
2
)
Độ bền kéo (kG/mm
2
)
Độ dãn dài (%)
Hệ số giãn nở nhiệt (10
-5
/
o
C)
Môđun đàn hồi riêng (kG/mm
2

)
Độ bền kéo riêng (kG/mm
2
)
Độ bền nhiệt (
o
C)
7,85
21100
61,2 – 209
12 – 28
11
2691,1
7,8 – 26,6
800
1,93
3873,6
70,45
1,8
11
2008,2
38,76
250
1,93
1019,4
2,243
0,2
-
-
-

-
1.1.4. Phân loại vật liệu composite:
Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của các
vật liệu thành phần.
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 13 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
1.1.4.1. Phân loại theo hình dạng:[2], [3]
Theo hình dạng của vật liệu gia cường, vật liệu composite được phân thành
hai loại lớn :
+ Vật liệu composite cốt sợi
+ Vật liệu composite cốt hạt
a. Vật liệu composite cốt sợi:
Khi vật liệu gia cường là sợi, ta gọi đó là composite cốt sợi, nó có độ bền
riêng và môđun đàn hồi cao.
Sợi có thể được sử dụng dưới dạng: sợi liên tục (sợi dài, vải…): tỉ lệ chiều
dài/đường kính (l/d) rất cao, d = 3-200µm hoặc sợi gián đoạn (sợi ngắn,
vụn…): 5<l/d<1000, d = 0,02-100.
Hình 1.1. Composite cốt sợi [2]
b. Vật liệu composite cốt hạt:
Khi vật liệu cốt có dạng hạt, thì gọi đó là composite cốt hạt. Hạt khác sợi ở
chỗ nó không có kích thước ưu tiên nhất định.
Hạt thường được sử dụng để cải thiện một số tính chất cơ lý của vật liệu sản
phẩm, chẳng hạn như tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn,
giảm độ co ngót…
Trong nhiều trường hợp hạt được sử dụng với mục đích làm giảm giá thành
sản phẩm mà vẫn không là thay đổi cơ lý tính vật liệu.
Hình 1.2. Composite cốt hạt [2]
Trong vật liệu gia cường có thể sử dụng hệ hỗn hợp của nhiều loại sợi hoặc
hệ hỗn hợp của sợi và hạt: [10]
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4

Đồ án tốt nghiệp 14 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng

Dạng hạt Sợi cắt ngắn sắp Hỗn hợp sợi và hạt Dạng vảy và mảnh
xếp hỗn độn

Sợi ngắn sắp xếp Sợi đơn được quấn Sợi đơn được quấn Sợi dệt trơn và
định hướng đơn hướng theo hình trụ sợi dệt chéo

Dạng tấm Sợi hỗn hợp sắp xếp Sợi dệt hỗn hợp Cấu trúc mạng
hỗn độn lưới thâm nhập
1.1.4.2. Phân loại theo bản chất vật liệu nền:
Tùy thuộc vào bản chất của vật liệu nền, vật liệu composite được chia thành
ba nhóm chính sau:
 Composite nền polymer cùng với vật liệu gia cường dạng:
- Sợi hữu cơ: polyamide, polyester
- Sợi khoáng: thủy tinh, cacbon…
- Sợi kim loại: Bo, nhôm…
 Composite nền kim loại (hợp chất Titan, hợp chất nhôm…) với vật
liệu gia cường dạng:
- Sợi kim loại: Bo, nhôm…
- Sợi khoáng: thủy tinh, cacbon…
 Composite gốm (ceramic) với vật liệu gia cường dạng:
- Sợi kim loại: Bo, nhôm…
- Hạt kim loại: chất gốm kim…
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 15 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Sợi thủy tinh:
Hình 1.3: Sợi thủy tinh [11]
Sợi cacbon:
Hình 1.4: Sợi cacbon [11]

Sợi aramid:
Hình 1.5: Sợi aramid [12]
1.1.5. Thành phần chính cấu tạo nên vật liệu composite polyme:
Thành phần chính để cấu tạo nên vật liệu composite là : vật liệu cốt gia
cường (sợi, hạt) và vật liệu nền kết dính (nền) là polyme.
1.1.5.1. Polyme nền:
Polyme nền trong vật liệu composite đóng vai trò là chất kết dính, liên
kết các vật liệu gia cường với nhau và chuyển ứng suất sang độn khi có
ngoại lực tác dụng lên vật liệu.
Polyme dung trong vật liệu composite là vật liệu biến dạng được và
tương thích với sợi. Trong thực tế, người ta có thể dung nhựa nhiệt dẻo hoặc
nhiệt nhiệt rắn
a. Nhựa nhiệt dẻo:
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 16 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Nhựa nhiệt dẻo gồm các loại nhựa như: PVC, PE, PP, ABS… Độn được
trộn với nhựa và được gia công trên máy đúc tiêm ở trạng thái nóng
chảy.
Hình 1.6: Sản phẩm composite nhựa nhiệt dẻo [14]
Hình 1.7: Sản phẩm composite nhựa nhiệt dẻo [15]
 Ưu điểm của composite nhựa nhiệt dẻo: [2]
- Gia công nhanh hơn composite nhựa nhiệt rắn, gồm các công
đoạn: gia nhiệt, tạo hình, làm nguội, không có phản ứng đóng
rắn xảy .
- Độ bền tách lớp cao, độ hấp thụ ẩm thấp và bền hóa chất của
polyme kết tinh một phần rất tốt.
- Dưới ánh sáng của môi trường, composite nhựa nhiệt dẻo có
những ưu điểm: độ độc hại thấp, do không chứa các tác nhân
phản ứng.
- Có thể được tái sinh do có khả năng nóng chảy và hòa tan trở

lại
 Tuy nhiên nhựa nhiệt dẻo có cơ tính và khả năng chịu nhiệt thấp,
vì vậy trong công nghiệp người ta ít dùng nhựa nhiệt dẻo.
b. Nhựa nhiệt rắn:[5]
Các loại nhựa nhiệt rắn chính thường hay sử dụng trong vật liệu
composite là : nhựa polyeste không no, epoxy, vinyleste,…
 Nhựa UPE:
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 17 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol và monomer khác nhau,
mỗi loại có những tính chất khác nhau. Chúng có thể rất khác nhau trong các
loại nhựa UPE khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố :
+ Thành phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ xúc tác sử dụng)
+ Phương pháp tổng hợp
+ Trọng lượng phân tử
+ Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến)
+ Hệ chất độn
Bằng cách thay đổi các yếu tố trên, người ta sẽ tạo ra nhiều loại nhựa
UPE có các tính chất đặc biệt khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng.
Có hai loại polyester chính thường sử dụng trong công nghệ composite:
Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi. Còn nhựa
isophthalic lại có khả năng kháng nước tuyệt vời nên được xem là vật liệu quan
trọng trong công nghiệp, đặc biệt là hàng hải.
Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường được pha loãng trong styrene.
Lượng styrene có thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho
quá trình gia công. Ngoài ra, styrene còn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết
ngang giữa các phân tử mà không có sự tạo thành sản phẩm phụ nào. Polyester
còn có khả năng ép khuôn mà không cần áp suất.
Polyester có thời gian tồn trữ ngắn là do hiện tượng tự đóng rắn của nó
sau một thời gian. Thông thường, người ta thêm vào một lượng nhỏ chất ức chế

trong quá trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa hiện tượng này.
Nhà sản xuất có thể cung cấp nhựa ở dạng tự nhiên hay có dùng một số phụ
gia. Nhựa có thể được sản xuất để chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng được.
Như đã đề cập ở trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn. Tốc độ
trùng hợp quá chậm cho mục đích sử dụng, vì vậy cần dùng chất xúc tác và
chất xúc tiến để đạt độ trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó
Khi đã đóng rắn, polyester rất cứng và có khả năng kháng hoá chất. Quá
trình đóng rắn hay tạo kết ngang được gọi là quá trình polymer hóa. Đây là
phản ứng hoá học chỉ có một chiều. Cấu trúc không gian này cho phép nhựa
chịu tải được mà không bị giòn.
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 18 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước khi sử dụng. Nhựa và các phụ gia
khác phải được phân tán đều trước khi cho xúc tác vào. Phải khuấy đều và cẩn
thận để loại bỏ bọt khí trong nhựa ảnh hưởng quá trình gia công. Điều này rất
quan trọng do bọt khí còn trong nhựa sẽ ảnh hưởng tính chất cơ lý, làm cấu trúc
sản phẩm bị yếu. Cần phải chú ý rằng việc dùng xúc tác và xúc tiến với hàm
lượng vừa đủ sẽ cho vật liệu những tính chất tốt nhất. Nếu quá nhiều xúc tác sẽ
làm quá trình gel hoá xảy ra nhanh hơn, ngược lại, nếu ít xúc tác quá trình đóng
rắn sẽ bị chậm lại.
Hình 1.8: Composite nhựa nhiệt rắn trên cơ sở nhựa UPE [5]
Nhựa UPE có các ưu, nhược điểm sau:
* Ưu điểm:
- Cứng
- Ổn định kích thước sau khi đóng rắn
- Khả năng thấm vào sợi cao
- Dễ thao tác gia công
- Chống môi trường hóa chất tốt
- Giá thành sản phẩm không cao so với các loại nhựa khác
* Nhược điểm:

- Dễ bị nứt
- Độ co ngót cao
- Khả năng chịu hơi nước, nước nóng kém
- Bị hư hại dưới tác dụng của tia cực tím
- Dễ bắt lửa
- Chịu nhiệt độ trung bình (dưới 120
o
C)
 Nhựa Epoxy:
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 19 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nhựa
epoxy không có nhóm ester, do đó khả năng kháng nước của epoxy rất tốt.
Ngoài ra, do có hai vòng thơm ở vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất
cơ và nhiệt nó tốt hơn mạch thẳng, do vậy, epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt
tốt. Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng không gian ba chiều. Chất
đóng rắn sử dụng là amine, được cho vào epoxy, lúc này giữa chúng sẽ xảy ra
phản ứng hoá học tạo ra cấu trúc phân tử ba chiều.
Ứng dụng của epoxy rất đa dạng, nó được dùng làm: keo dán, hỗn hợp
xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn.
Hình 1.9: Sản phẩm composite nhựa nhiệt rắn trên cơ sở nhựa epoxy [16]
Nhựa epoxy có những ưu, nhược điểm:
* Ưu điểm:
- Cơ tính cao hơn UPE
- Chịu được nhiệt độ cao
- Độ bền hóa học rất cao
- Độ co ngót thấp
- Thẩm thấu vào vào sợi, vải rất tốt
- Độ bám dính với kim loại cao
* Nhược điểm:

- Thời gian đóng rắn dài
- Giá thành cao
- Dễ bị nứt
 Nhựa Vinyleste:
Vinylester có cấu trúc tương tự như polyester, nhưng điểm khác biệt chủ
yếu của nó với polyester là vị trí phản ứng, thường là ở cuối mạch phân tử do
vinyl ester chỉ có kết đôi C=C ở hai đầu mạch mà thôi. Toàn bộ chiều dài mạch
phân tử đều sẵn chịu tải, nghĩa là vinylester dai và đàn hồi hơn polyester.
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 20 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Vinylester có ít nhóm ester hơn polyester, nhóm ester rất dễ bị thủy phân, tức là
vinylester kháng nước tốt hơn các polyester khác
Hình 1.10: Sản phẩm composite nhựa nhiệt rắn trên cơ sở nhựa vinyleste [17]
Nhựa vinyleste có ưu, nhược điểm:
* Ưu điểm:
- Bền nước và hóa chất hơn UPE do có ít nhóm este hơn.
- Tính chất cơ lý cao hơn UPE.
* Nhược điểm:
- Yêu cầu đóng rắn hoàn toàn trường hợp yêu cầu tính năng cao
- Hàm lượng Styren cao
- Co ngót khi đóng rắn cao.
1.1.5.2. Vật liệu gia cường [2], [3]
Vật liệu gia cường đóng vai trò là các điểm chịu ứng suất tập trung vì
chúng thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa
Người ta thường thêm vào nhựa một số vật liệu gia cường khi chế tạo
vật liệu composite nhằm cải thiện cơ tính vật liệu theo mong muốn và góp
phầm làm giảm giá thành sản phẩm.
Người ta thường hay đánh giá vật liệu gia cường dựa vào các đặc điểm
sau:
- Tính gia cường cơ học

- Tính kháng hóa chất, môi trường, nhiệt độ.
- Khả năng phân tán nhựa.
- Khả năng truyền và giải nhiệt.
- Giá thành hạ, dễ kiếm, ít độc hại.
- Tỷ trọng thấp.
- Tính thuận lợi cho quá trình gia công.
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 21 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Tùy thuộc vào yêu cầu đối với từng loại sản phẩm cụ thể mà người ta
chọn vật liệu gia cường cho thích hợp, thường có hai dạng và dạng sợi.
a. Vật liệu gia cường dạng sợi:
Vật liệu gia cường dạng sợi có tính năng cơ lý cao hơn độn dạng hạt, tuy
nhiên giá thành cũng cao hơn và thường dùng để chế tạo vật liệu cao cấp.
Theo nguồn gốc có thể phân loại sợi như sau:
 Sợi tự nhiên:
- Sợi thực vật: thành phần chủ yếu là xenluloza. Ví dụ như sợi
bông, lanh, đay, dứa…
- Sợi gốc động vật: thành phần chủ yếu là protein. Ví dụ như
len, lụa, vải nỉ, lông lạc đà, sơi casein, sợi aliginat…
- Sợi gốc khoáng: sợi amiăng,
 Sợi tổng hợp:
- Sợi trên cơ sở polymer hữu cơ nhân tạo: tơ nhân tạo, sợi
vitxcô, sợi nitroxenluloza, sợi axetatxenluloza, sợi
triaxetatxenluloza…
- Sợi trên cơ sở polymer hữu cơ tổng hợp: sợi acrylic, sơi
nylon, sợi polyester, sợi polyvinylalcol, sợi aramide
- Sợi trên cơ sở các chất vô cơ: sợi thủy tinh, sợi gốm, sợi
cacbon, sợi Bo…
Chỉ có một vài loại sợi được sử dụng để chế tạo vật liệu
composite. Phổ biến nhất là sợi thủy tinh, ngoài ra còn có sợi

cacbon, sợi aramide, sợi Bo cũng được dùng nhưng hạn chế hơn.
b. Vật liệu gia cường dạng hạt
Vật liệu gia cường dạng hạt thường được sử dụng như: Slica, CaCO3,
cao lanh, đất sét, bột talt, graphic…
Mục đích dùng hạt làm vật liệu gia cường trong composite:
- Được dùng trong những ứng dụng yêu cầu không cao thường
được sử dụng để làm giảm giá thành sản phẩm.
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 22 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
- Trong một số trường hợp hạt được dùng để cải thiện một số
tính chất cơ lý của vật liệu composite như: tăng khả năng chịu
nhiệt, chịu mài mòn, giảm co ngót…
- Khắc phục một số khó khăn khi gia công.
1.1.6. Cơ chế gia cường của vật liệu composite:
1.1.6.1. Liên kết trong vật liệu composite: [4]
Liên kết trong vật liệu composite là liên kết giữa nền và cốt tại vùng
ranh giới giữa hai pha (nền – cốt). Về nguyên tắc giữa nền và cốt trong vật liệu
composite không có sự hòa tan khuếch tán vào nhau. Tuy nhiên do điều kiện
công nghệ chế tạo ở các trạng thái nhiệt độ, áp suất khác nhau có thể xảy ra các
tương tác giữa nền và cốt như trình bày dưới đây.
a. Các kiểu tương tác giữa nền và cốt
Có ba dạng cơ bản tương tác giữa nền và cốt trong composite như sau:
- Nền và cốt không hòa tan vào nhau không tạo thành hợp chất
hóa học, ví dụ như các composite hệ Al-B, Al-SiC…
- Nền và cốt tương tác tạo thành dung dịch rắn có độ hòa tan rất
nhỏ và không tạo thành hợp chất hóa học.
- Nền và cốt phản ứng với nhau tạo thành hợp chất hóa học
Tùy thuộc vào dạng tương tác mà hình thành nên mối liên kết nền – cốt xác
định và sẽ ảnh hưởng rất mạnh đến độ bền của composite.
b. Lý thuyết kết dính trên bề mặt nhựa sợi:

Vai trò của vật liệu gia cường dạng hạt cũng như dạng sợi là những điểm
chịu ứng suất tập trung do nhựa truyền sang khi có ngoại lực tác dụng. vì thế
vật liệu gia cường thường có cơ lý tính cao hơn vật liệu nền rất nhiều, nên làm
cho tính năng của vật liệu composite được cải thiện đáng kể.
Vấn đề đạt ra ở đây là phải có sự truyền tải ứng suất từ nhựa lên vật liệu
gia cường cho tốt. Điều đó quyết định bởi sự tương tác giữa bề mặt vật liệu gia
cường và nền.
Trong đó thành phần, cấu trúc bề mặt vật liệu gia cường, thành phần và
bản chất của nền là những yếu tố ảnh hưởng quyết định đến tương tác đó.
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 23 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Hình dạng, kích thước vật liệu cũng ảnh hưởng đáng kể. Đối với vật liệu
gia cường dạng sợi, sự truyền tải ứng suất xảy ra dễ dàng hơn so với dạng hạt.
điều này là vì ứng suất nhựa truyền đến một điểm bất kỳ trên chiều dài sợi sẽ
được phân bố đều trên khoảng chiều dài tới hạn, nên mỗi điểm sẽ chịu ứng suất
nhỏ hơn rất nhiều so với vật liệu gia cường dạng hạt khi cùng chịu chung một
tác dụng như vậy.
Với giả thiết vật liệu composite gia cường dạng sợi như sau:
 Nhựa và sợi là vật đàn hồi.
 Bề mặt tiếp xúc là một lớp vô cùng bé.
 Vật liệu tăng cường là vật liệu đẳng hướng, đồng nhất về lực tác
dụng.
 Sợi được tách ra ở dạng sơ cấp.
Dựa trên lý thuyết kết dính cho thấy giữa sợi và nhựa tồn tại những mối
liên kết như sau:
+ Liên kết cơ học: Liên kết cơ học giữa nền và cốt thực hiện nhờ lực lực
ma sát do sự mấp mô bề mặt của nền và cốt hoặc do lực ma sát.
Composite có liên kết dạng nền thường kém bền khi chịu lực nén dọc
hoặc kéo ngang sợi cốt.
+ Liên kết thấm ướt: Liên kết này thực hiện nhờ sức căng bề mặt đối với

các composite tạo ra kiểu liên kết cơ học, khi tiến hành quy trình chế
tạo, nếu pha nền được nung chảy và dính ướt với cốt thì bao giờ cũng
xảy ra quá trình khuyếch tán hòa tan lẫn nhau giữa chúng dù là rất nhỏ.
Sức căng bề mặt trên ranh giới nền-cốt sau khi pha nền đóng rắn chính
là yếu tố quyết định độ bền của kiểu liên kết này.
+ Liên kết phản ứng : Liên kết phản ứng xuất hiện trên ranh giới nền-cốt
xảy phản ứng tạo hợp chất hóa học. Đặc tính của hợp chất mới tạo thành
này ảnh hưởng quyết định đến độ bền liên kết giữa cốt và sợi.
+ Liên kết hỗn hợp: Liên kết này là hỗn hợp các kiểu liên kết xuất hiện
trong composite mà tương tác giữa nền và cốt phụ thuộc nhiều vào quy
trình gia công và điều kiện sử dụng.
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 24 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Trong một số trường hợp để tăng độ bền liên kết người ta thường xử lý
bề mặt cốt sợi bằng cách tẩm vào bề mặt một hỗn hợp. Có hai loại chất
tẩm với công dụng khác nhau: [4]
+ Loại thứ nhất có tác dụng tăng cường dính kết.
+ Loại thứ hai là chất ‘bắc cầu” có khả năng phản ứng với nền và với sợi
cốt.
1.1.6.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng gia cường: [2]
Khi gia công sản phẩm composite thì tính năng sản phẩm phụ thuộc vào
một số yếu tố sau:
- Bản chất vật liệu cốt
- Bản chất vật liệu nền
- Độ bền liên kết ở bề mặt tiếp xúc pha
- Tỉ lệ vật liệu gia cường/vật liệu nền trong composite
- Hình dạng, kích thước của vật liệu gia cường
- Định hướng, sự phân bố của vật liệu gia cường
1.1.7. Các phương pháp gia công vật liệu composite [3], [8], [18]
1.1.7.1. Gia công ở áp suất thường

a. Gia công bằng tay (hand lay- up)
Phương pháp này ra đời sớm và đơn giản nhất. Khuôn dùng có thể lồi
hoặc lõm. Đầu tiên quét lớp chống dính. Dùng cọ quét nhựa lên khuôn. Tiếp
đến đặt vải lên. Sau đó dùng con lăn lèn chặt. Lần lượt đắp các lớp vải, sợi cho
đến khi đạt yêu cầu.
Hình 1.11. Gia công bằng phương pháp lăn tay [18]
b. Đúc bắn đồng thời (spray-up)
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 25 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Sợi được cắt ngắn và phun cùng với nhựa tuần tự cho đến khi đạt chiều
dày theo yêu cầu. Phương pháp này sử dụng cho sợi dạng cắt ngắn hoặc dạng
vụn. Do đó tính chất cơ lý của vật liệu composite không cao.
Hình 1.12. Gia công bằng phương pháp phun bắn đồng thời [19]
c. Đúc chân không
+ Đúc chân không dạng túi (vaccum bag)
Khuôn được làm bằng vật liệu cứng. Trước tiên tạo lớp lót. Sau đó đặt
vải và cấp nhựa. Đóng khuôn đúc và cho bơm chân không hoạt động làm cho
áp suất giảm giúp cho nhựa được trải đều và đẩy bọt khí ra khỏi nhựa.
Hình 1.13. Gia công bằng phương pháp đúc chân không [2]
+ Đúc chân không dạng hút
Khuôn đúc được phủ các lớp cốt. Sau đó nhựa được hút vào khoảng hai
chi tiết của khuôn đúc: khuôn trên và khuôn dưới, làm cho lớp sợi sát vào
khuôn và đẩy bọt khí ra.
1.1.7.2. Gia công dưới áp suất
a. Đúc phun nhựa
Trong các phương pháp gia công vật liệu nhựa nhiệt dẻo có cốt thì
phương pháp đúc phun là phổ biến nhất.
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4