Một số vật liệu được dùng làm vỏ máy bay, tàu vũ trụ

ĐỀ TÀI
Một số vật liệu được dùng làm vỏ máy bay, tàu vũ trụ? Ưu và nhược điểm của các loại vật liệu
này?


A. VÀI NÉT VỀ NGÀNH HÀNG KHÔNG, VŨ TRỤ
Từ lâu, con người đã có ước mơ chinh phục được khoảng không gian rộng lớn là bầu trời, xa
hơn nữa là vũ trụ bao la.
Diều là khí cụ bay đầu tiên tiền thân cho máy bay ngày nay đã được người Trung Quốc sử dụng
từ hơn 2000 năm trước và theo thời gian được sử dụng đưa người lên cao và do thám tiếp tế, thông
tin thời tiết… Và diều đã trở thành cảm hứng cho nhà phát minh người anh George Cayley trong
thiết kế mô hình tàu lượn đầu tiên trên thế giới. Những nhà hàng không đầu tiên như Percy Pilcher
(Anh), Otto Lilienthanl (Đức) dùng diều để triển khai các tàu lượn của họ. Otto Lilienthanl được coi
như một nhà hàng không thực sự đầu tiên trên thế giới. Ông bay lên bằng các tàu lượn tự tạo, và
thực hiện hơn 2500 chuyến bay trên nhiều tàu lượn.
Ngày 15-6-1783 hai anh em người Pháp Joseph và Etienne Montogofier chế tạo khí cầu bằng
giấy và vải, hai ông thả nó bay bằng cách đốt nóng đóng lửa để làm nóng không khí bên trong.
Có rất nhiều ý tưởng cho nghững chiếc máy bay nhưng đa số đều không thể thành công tuy nhiên
những thiết kế ấy đã đóng góp rất nhiều cho các nhà hàng không sau này tiếp bước. Sự ra đời động
cơ hơi nước vào thế kỉ 19 đã đưa tới những dự định nghiêm túc về việc chế tạo máy bay.
Năm 1842 William Henson chế tạo một mô hình máy bay có gắn một động cơ hơi nước nhỏ làm
quay cánh quạt. Tuy chỉ là mô hình nhưng nhiều nét trong thiết kế của ông vẫn còn được sử dụng
trong thiết kế máy bay hiện nay.
Năm 1894 Hiram Maxim chế tạo một máy bay 3 tầng cánh và trang bị hai động cơ hơi nước
nhưng cỗ máy này chỉ nâng những người đứng trên nó khỏi đường ray.


Hình 1: Mô hình máy bay của anh em nhà Wright
Sau đó máy bay được cải tiến dần. Hiện nay, do được thừa hưởng các thành tựu khoa học - kĩ
thuật, đặc biệt là công nghệ vật liệu với những vật liệu mới bền, nhẹ, các máy bay có thê bay nhanh
hơn, ổn định hơn, chuyên chở được nhiều người và hàng hóa hơn. Chính những điề này đã thúc đẩy

cho ngành hàng không phát triển mạnh mẽ.

Hình 2: Vệ tinh nhân tạo Sputnik
Vệ tinh nhân tạo đầu tiên của loài người, Sputnik đã được người Liên Xô phóng lên quỹ đạo trái
đất vào ngày 4/10/1957. Sputnik là một quả cầu kim loại có kích thước 58cm, và nặng khoảng


83,6kg. Mặc dù Sputnik dường như rất nghèo nàn so với các tiêu chuẩn ngày nay nhưng đó là một
thành tựu đáng ghi nhớ. Ngày nay, nhiều tàu vũ trụ đã được phóng lên để phục vụ cho nhiều mục
đích khác nhau, ví dụ như các trạm vệ tin, tàu thám hiểm…
Trạm vệ tinh là các loại tàu vũ trụ chỉ được phóng và trở thành một vệ tinh nhân tạo của Trái
Đất nhằm làm một trạm có khả năng kết nối với các tàu vũ trụ khác, thực hiện các thí nghiệm không
gian, và có thể dùng làm trạm trung chuyển cho các chuyến phi hành có người lái vào khoảng
không xa hơn của vũ trụ. Một số trạm vũ trụ đang hoạt đông như Skylab, Trạm không gian quốc tế
ISS
Tàu thám hiểm là loại tàu vũ trụ có khả năng bay theo một quỹ đạo nào đó hoặc vượt ra khỏi
tầm hút của Trái Đất như các tàu con thoi.

Hình 3: Tàu con thoi Endeavour được gắn trên lưng chiếc máy bay vận tải Boeing 747
Để máy bay và tàu vũ trụ có thể hoạt động tốt và ổn định với vận tốc mong muốn thì ảnh hưởng
của các vật liệu làm các chi tiết trên máy bay và tàu vũ trụ là rất lớn, đạc biệt là hệ thống khung vỏ.
Yêu cầu phải có của hệ thống khung vỏ máy bay và tàu vũ trụ là phải nhẹ nhất có thể, bền và chịu
được sự thay đổi của nhiệt độ. Dưới đây là những vật liệu được sử dụng để chế tạo:

B. VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
I. Nhôm và hợp kim nhôm


Về phương diện sản xuất và ứng dụng, nhôm và hợp kim của nhôm chiếm vị trí thứ hai sau thép.
Sở dĩ như vậy vì vật liệu này có các tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, trong một số

trường hợp không thể thay thế được, đặc biệt là trong ngành hang không, vũ trụ.
1. Đặc tính chủ yếu
Nhôm nguyên chất có màu trắng bạc. Các tính chất của kim loại nhôm:
Khối lượng riêng nhỏ: 2,7g/cm3, nhẹ hơn sắt khoảng 3 lần. Chỉ tiêu này rất quan trọng đối với
các lĩnh vực., khi đòi hởi sự giảm khối lượng của chi tiết và cả hệ thống đến mức nhỏ nhất, ví dụ:
trong thiết kế các chi tiết vỏ máy bay, tàu vũ trụ hoặc các phương tiện giao thông vận tải khác.
Tính dẫn điện cao
Chống ăn mòn tốt nhờ lớp Al2O3 có cấu trúc sít chặt trên bề mặt với độ dày khoảng vài
angtrong.
Độ bền thấp, độ dẻo cao.
Nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp.
Phân loại
Theo tính công nghệ, hợp kim nhôm gồm hợp kim biến dạng và hợp kim đúc.
Theo thành phần hóa học hợp kim nhôm bao gồm các hệ: Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mn, Al-Si, AlMg, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg, Al-Li…
Bảng 1: Một số hợp kim của nhôm
Hệ

Kí hiệu theo TCVN

Thành phần (%)

Hợp kim đúc
Al sạch

Al99,6

99,6 Al

Al công nghiệp

Al99,0

99,0 Al

Al-Cu

AlCu4,4Mg0,5Mn0,8

4,4 Cu, 0,5 Mg, 0,8 Mn

Al-Cu-Mg

AlCu4,4Mg1,5Mn0,6

4,4 Cu, 1,5 Mg, 0,6 Mn

Al-Mn

AlMn1,2

1,2 Mn, 0,2 Cu

Al-Mg

AlMg1,4

1,4 Mg


Al-Mg-Si

AlMg1Si0,6

1 Mg, 0,6 Si, 0,2 Cr, 0,3 Cu

Al-Zn-Mg

AlZn5,4Mg1,4

4,5 Zn, 1,4 Mg, 0,12 Cr, 0,4 Mn, 0,152 Zr

Al-Zn-Mg-Cu

AlZn5,6Mg2,5Cu1,6

5,6 Zn, 2,5 Mg, 1,6 Cu
Hợp kim đúc

Al-Cu

AlCu4,5Đ

4,5 Cu, 1 Si

Al-Si-Cu

AlSi5,5Cu4,5Đ

5,5 Si, 4,5 Cu

Al-Si-Mg

AlSi7Mg0,3Đ

7,0 Si, 0,3 Mg

Al-Si-Mg-Cu

AlSi12Mg1,3Cu4Mn0,6Đ

12,0 Si, 1,3 Mg, 2,0 Cu, 0,6 Mn, 1,0 Ni, 0,2 Ti

Một số hợp kim có ứng dụng làm vỏ máy bay, tàu vũ trụ:
a, Hợp kim Al-Cu, Al-Cu-Mg
Loại hợp kim này được sản xuất và ứng dụng sớm nhất. Sau biến dạng, tôi và hóa già, chúng có
hiệu ứng hóa bền rất cao. Trong thực tế người ta gọi loại hợp kim này là dura.
Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng xấu đến cơ tính của dura. Chúng tạo ra các pha dạng
Cu2FeAl7, gây giòn hợp kim.
Trên cơ sở Al-Cu-Mg, đưa them đồng thời Fe, Ni theo tỉ lệ 1/1 được các hợp kim nhôm biến
dạng bền nóng.
Độ bền cao (σb= 450-480MPa), khối lượng riêng nhỏ (γ ≈ 2,7g/cm3) nên có độ bền riêng (σb/γ)
cao, tới 15-16 km so với gang 1,5-6 km.
Tính chống ăn mòn kém do có nhiều pha với điện thế điện cực khác nhau, nhưng có thể khắc
phục bằng cách phủ một lớp Al, nguyên chất mỏng ( khoảng 4% chiều dày tấm) lên bề mặt khi cán
nóng.
Bảng 2: Các hợp kim dung trong hàng không, vũ trụ
Trạng thái
Tên
kĩ thuật

Cơ tính
σ0,2 (MPa)

σb (MPa)

Ψ (%)


AlCu4,5Mg0,5MnSi

0

100

200

20

T4

290

420

18

T6

430

480

12

0

100

200

20

T4

320

460

18

T6

390

470

10

AlCu2,5Mg1,5NiFeTi

T6

280

420

-

AlZn5,5Mg2,5Cu1,5Cr

0

105

230

17

T6

500

570

11

AlCu4,5Mg1,5Mn0,5

Các loại hợp kim trên đều là hợp kim chịu nóng, được ứng dụng làm vỏ tàu vũ trụ, chịu sức
nóng do ma sát khi quay trở về khí quyển trái đất

b, Hợp kim hệ Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu
Khi tăng hàm lượng của kẽm và magie lên 8-11%, thêm vào khoảng 2% Cu sẽ tạo ra hợp kimọ
bền có độ bền cao nhất (σb ≥550MPa). Thực tế thường dùng Zn trong khoảng từ 4-8%, Mg từ 13%. Khi đưa thêm Cu, nó sẽ hòa tan vào dung dịch rắn và hóa bền trong pha này. Các nguyên tố
Mn, Cr, Zr, Ti đưa vào để làm nhỏ hạt, nâng cao cơ tính. Họ hợp kim này nhiệt luyện dễ, có tốc độ
tới hạn nhỏ, đây là dạng hợp kim tiềm năng được khai thác, sử dụng trong hang không, chế tạo vũ
khí, dụng cụ thể thao.
Nhược điểm của dạng hợp kim này là xu hướng nhạy cảm ăn mòn dưới ứng suất và thải bền
nhanh khi nâng nhiệt độ quá 1200C.
c, Hợp kim Al- Li.
Thực tế hợp kim chỉ gồm Al- Li không được ứng dụng vì nó có tính bị oxi hóa mạnh và cơ tính
không cao. Trên cơ sở Al-Li có thể đưa thêm Cu và Mg. Ưu điểm của hợp kim này là sau khi tôi và
hóa già thì có hiệu quả bền khá lớn, đặc biệt chúng có mô đun đàn hồi E vượt trội (76000 MPa so
với 70000 MPa của hợp kim Al thông thường).


Thêm 5% Mg được hợp kim AlMg5Li2, là hợp kim nhôm nhẹ nhất. Các chỉ tiêu có thể đạt: σb=
560 MPa, σ0,2=290 MPa, ψ = 11%, E=76000 MPa, nên chứng có thể chế tạo ra các vật liệu kết cấu
giá trị.
Một dạng hợp kim khác của nhôm là hợp kim nhôm đúc, như các hệ Al-Si, Al-Cu, nhưng chúng
ít hoặc không có ứng dụng trong công nghiệp hàng không vũ trụ.
II. Magie và hợp kim của magie
Khồi lượng riêng của kim loại magie là 1,74 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 651oC.
Magie được ứng dụng làm vật liệu kết cấu chủ yếu ở trong các hợp kim. Ưu điểm của chúng là
nhẹ, có khả năng thấm tốt, nên các hợp kim của magie được chú ý khai thác trong công nghiệp hàng
không, vũ trụ, ví dụ như hệ MgZn6Zr0,5, ở trạng thái T5, có σ0,2=285 MPa, σb=350 MPa, ψ=
11%.
III. Hợp kim titan
Nguyên tố để hợp kim hóa titan vô cùng đa dạng, phong phú. Tùy theo các nguyên tố ổn định
hai dạng thù hình α (lập phương xếp chặt), β (lập phương tâm diện).
1. Hợp kim titan α

Ngoài Al, còn có một số nguyên tố hòa tan xen kẽ như cacbon, nito, oxi. Hợp kim anpha có độ
bền chống dão khá tốt (đếm 650oC), chống oxi hóa đến 1100oC, nhưng nhiệt biến dạng nguội kém
và không thể hóa bền bằng nhiệt luyện được.
2. Hợp kim titan α-β
Hợp kim hình thành khi tổ hợp các nguyên tố ổn định α và β theo một tỉ lệ nhất định.Sau khi
nhiệt luyện, hóa bền, giới hạn bền lớn, độ dẻo dai ở mức cho phép, làm việc tốt đến nhiệt độ 550oC.
Đây là dạng hợp kim của titan được dung nhiều hơn cả.
3. Hợp kim titan β
Loại hợp kim này chịu được biến dạng ở nhiệt độ thường khá tốt, sau tôi và hóa già có độ bền
cao. Nhược điểm của chúng lầ độ bền nóng nhỏ (<350oC), biến giòn ở nhiệt độ -60oC. Việc thêm
vào các kim loại đắt, hiếm như V, Mo, Nb, Ta để có được tính chất như mong muốn lại làm nặng
hợp kim.


Việc đúc hợp kim titan không hề đơn giản vì nó hấp thụ khí mạnh, tác dụng với vật liệu làm
khuôn. Song hợp kim titan có độ bền riêng cao nhất (σb/γ=22km) tương tự sắt hợp kim nhưng khối
lượng riêng chỉ bằng 60%. Cùng với đặc tính như bền nóng, chống ăn mòn cao, hợp kim titan được
ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy bay, tên lửa, đóng tàu và công nghiệp hóa học. ở máy bay
phản lực, mép trước của cánh, cánh phụ, đầu nhọn, mép trước của bộ ổn định được làm bằng hợp
kim titan. Thân máy bay siêu âm được làm bằng hợp kim titan có thể bay với vận tốc gấp 3 đến 3,5
lần tốc độ âm thanh khi bề mặt bị nung nóng tới 450-500oC. Vỏ tên lửa ở tầng 2, tầng 3 cũng được
làm bằng vật liệu này.

C. VẬT LIỆU VÔ CƠ
I. Khái quát chung
Vật liệu vô cơ được chia thành các dạng:
1. Gốm và vật liệu chịu lửa
2. Thủy tinh, gốm thủy tinh
3. Xi măng, bê tông.
Trong đó gốm thủy tinh có một số ứng dụng sản xuất các chi tiết trên vỏ máy bay, tàu vũ trụ.

II. Gốm thủy tinh
Gốm thủy tinh, còn gọi là glass ceramics, vitroceram… có tổ chức kết hợp giữa vô định hình và
tinh thể, bao gồm một hoặc nhiều pha tinh thể phân bố trên miền pha vô định hình.
Các gốm thủy tinh không giãn nở nhiệt, chứa các pha tinh thể với hệ số giãn nở vì nhiệt đặc biệt
nhỏ hoặc có trị số âm như eucryptit LiAlSiO4, spodumen SiAl(Si2O6), thạch anh β- và pha thủy
tinh phù hợp để có hệ số giãn nở rất nhỏ hoặc bằng 0. Các vật liệu này có độ bền xung nhiệt cao, ổn
định kích thước trong điều kiện nhiệt độ cao nên được ứng dụng làm vật liệu vũ trụ.

D. VẬT LIỆU HỮU CƠ POLYMER
I. Khái quát chung


1. Định nghĩa
Polymer là một hợp chất gồm các phân tử được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của một loại
hay nhiều loại nguyên tử hay nhóm nguyên tử, liên kết với nhau với số lượng khá lơn để tạo nên
một tính chất mà chúng thay đổi không đáng kể khi lấy đi howacj thêm vào một số đơn vị cấu tạo.
2. Phân loại polymer
Theo nguồn gốc hình thành gồm polymer thiên nhiên và polymer tổng hợp.
Theo thành phần có polymer vô cơ, polymer hữu cơ, polymer hữu cơ phân tử.
Theo cấu trúc có polymer mạch thẳng, mạch nhánh, polymer mạng lưới và polymer không gian.
Theo tính chịu nhiệt có polymer nhiệt dẻo, polymer nhiệt rắn.
Theo lĩnh vực sử dụng có chất dẻo, sợi, cao su, sơn và keo.
2. Tính chất của polyme
a, Tính nóng chảy và hòa tan
Do khối lượng phân tử lớn nên polymer không thể biến sang dạng khí. Khi nung nóng chúng sẽ
chuyển sang dạng chất lỏng có độ nhớt cao. Nếu trọng lượng phân tử lớn và độ phân cực mạnh thì
chúng không thể hòa tan trong bất kì dung môi nào.
b, Cơ tính của polymer
Polymer tinh thể và vô định hình giòn ở nhiệt độ thấp và có độ dai va đập tương đối thấp.
Độ bền mỏi: polymer có thể bị phá hủy mỏi dưới tác dụng của lực có chu kì.

Độ bền xé, độ cứng.
c, Lý tính
Khối lượng riêng không cao lắm. Polymer đơn giản như PE, PP: 0,9-1,1 g/cm 3, khi có các
nguyên tử khác như O, F, Cl, khối lượng riêng tăng lên, ví dụ như PVC: 1,2-1,5 g/cm3.
Độ dẫn nhiệt thấp. Bọt polyuretan, polystiren, PVC, poly phemol-fomandehit có độ dẫn nhiệt
thấp vào khoảng 0,035 W/moC.


Thông thường các polymer không có phân tử tích điện nên có điện trở rất cao, được dùng làm
chất cách điện tốt.
II. Các loại polymer thông dụng và có ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ
1. Chất dẻo
a, Polymetylmet-acrylat (PMA)
Tên thương mại là plexigalass.
Được dùng làm cửa máy bay.
b, Phenolic
Tên thương mại là epon, araldite
c, Nhựa epoxy
d, Vinyl este
e, Bismelamide

E. VẬT LIỆU COMPOSITE
I. Khái quát
Vật liệu composite hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo
lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ
Những vật liệu composite đơn giản đã có từ rất xa xưa. Khoảng 5000 năm trước công
nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh
khi phơi nắng. Và điền hình về composite chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai
Cập.
Ngày nay trong điều kiện khoa học kỹ thuật phát triển, sản xuất ngày một nâng cao trình độ,

việc phát triển các loại vật liệu mới nhằm phục vụ tốt nhất cho sản xuất kỹ thuật, dân dụng, phục vụ
nhu cầu con người. Composite là một loại vật liệu đáp ứng được nhiều yếu tố trong sản xuất.
II. Các thành phần cốt của vật liệu composite


Các thành phần cốt của composite phải thoả mãn được những đòi hỏi về khai thác và công
nghệ. Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi như yêu cầu về độ bền, độ cứng, khối lượng riêng,
độ bền trong một khoảng nhiệt độ nào đó, bền ăn mòn trong môi trường. Còn đòi hỏi về công
nghệ là những đòi hỏi về khả năng công nghệ để sản xuất ra các thành phần cốt này. Hiện nay,
thành phần cốt của composite trên cơ sở những cốt thường dùng là các sở ngắn, các sợi dài
đơn, các dạng sợi tết, các cốt lưới, vải, các băng dải sợi và các loại bảng với tính năng cơ lý đã
được xác định.
Hiện nay, với các vật liệu composite polyme có pha nền là nhựa tổng hợp, các cốt thường là
vải hoặc sợi thuỷ tinh, sợi anamit, sợi cacbon, sợi bor hoặc cốt sợi tạp lai.
Trên thực tế, thành phần cốt luôn chiếm không quá 60-65% thể tích của vật liệu composite.
Theo tính toán nếu thành phần cốt chiếm quá liều lượng trên (tức là khi các thành phần cốt quá
sít gần nhau) giữa chúng sẽ nảy sinh tương tác dẫn đến sự tập trung ứng suất làm giảm sức bền
của vật liệu.
1. Sợi thuỷ tinh
Sợi thuỷ tinh được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu composite polyme. Ưu điểm của sợi
thuỷ tinh là nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với các tác động hoá - sinh, có độ bền cơ lý cao và độ
dẫn nhiệt thấp.
Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt), có đường kính nhỏ
vài chục micro mét. Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điểm của thủy tinh khối, như: giòn, dễ
nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn. Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm
những khoáng chất như: silic, nhôm, magiê ,... tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủy
tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy
tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao). Loại thủy tinh E là
loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiếm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt.
Sợi thuỷ tinh có hai dạng điển hình: Sợi dài và sợi ngắn thông thường chúng có hình trụ

tròn, ngoài ra, cũng gặp sợi thuỷ tinh có thiết diện ngang hình tam giác, hình vuông, lục giác.
Sợi thuỷ tinh có những ưu điểm nổi trội là giá thành rẻ. Chúng được dùng rộng rãi trong sản
xuất composite polyme được chế tạo các chi tiết vỏ máy bay, tầu tải trọng nhẹ.
2. Sợi bazan
Sợi bazan được chế tạo từ nguyên liệu đá bazan. Đá bazan có nguồn góc nham thạch do các
núi lửa khi hoạt động phan ra rồi kết tinh lại. Các sản phẩm từ đá bazan có đặc tính cơ lý hoá


tốt hơn hẳn so với các sản phẩm truyền thống là bông sợi thuỷ tinh hoặc amian, không độc hại
cho người và sinh vật.
3. Sợi hữu cơ
Các loại sợi hữu cơ phổ biến có thể thấy là sợi kenvlar cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử
aramit, được gia công bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10°C), tiếp theo được kéo ra
thành sợi trong dung dịch, cuối cùng được sử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi.
Sợi hữu cơ anamit có độ bền cao hoặc modun đàn hồi cao và một loạt những ưu việt khác.
Sợi hữu cơ có độ bền khi kéo, ổn định coa với nhiệt độ, bền va đập, không cháy, tính cách điện
cao, khối lượng riêng thấp.
Phụ thuộc vào thành phần polyme và phương pháp kéo sợi mà ta nhận được sợi hữu cơ có
khối lượng 1410-1450kg và độ bền khi kéo 70-150GPa. Sợi hữu cơ giữ nguyên được những
đặc tính cơ lý của mình cho đến 180 o, trên ngưỡng này sợi hữu cơ không nóng chảy mà sẽ
cacbon hoá.
Vật liệu composite cốt sợi hữu cơ có độ bền khi nén và khả năng tương thích với nền
polyme thường kém hơn so với sợi thuỷ tinh. Nhược điểm chung của sợi anamit là hút ẩm.
Sợi hữu cơ được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất vật liệu composite để chế tạo thân vỏ
tên lửa động cơ nhiên liệu rắn,vỏ máy bay, các bình, ống chịu áp lực, các chi tiết của tàu lượn,
…
4. Sợi carbon
Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết
với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35 A°. Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau, trong một mặt
phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42

A°. Sợi cacbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng
chịu nhiệt cực tốt.
Sợi cacbon được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Với ưu
điểm như nhẹ, chịu được nhiệt độ cao (lên đến vài nghìn độ trong môi trường trơ), hệ số ma sát
dãn nở nhiệt thấp, rất bền vững với nhiều điều kiện khí hậu và các phản ứng hoá học.
Đến nay sợi cacbon chủ yếu được chế tạo từ ba nguồn nhiên liệu chính: polyacri lonitrit, từ
dầu mỏ, than đá và từ hidrat xenlulo.
5. Sợi bor


Sợi bor là một dạng sợi gốm thu được nhờ phương pháp kết tủa. Sản phẩm thương mại của loại
sợi này có thể ở các dạng: dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để
quấn ống, vải đồng phương.
Việc sử dụng sợi bor dùng làm cốt composite cho phép tăng độ bền, tăng modun đàn hồi
của vật liệu.
Sợi bor có ưu điểm là có độ cứng cao hơn so với một số loại sợi khác. Modun trượt của sợi
bor có thể vượt qua 180GPa.
Sợi bor thường được dùng trong sản xuất composite trên vật liệu nền nhôm hoặc polyme.
Sợi bỏ có tính bán dẫn, dùng làm cốt cho composite làm giảm dẫn nhiệt, dẫn điện.
Người ta ứng dung sợi bor trong sản xuất các chi tiết cho hàng không, tên lửa, kỹ thuật vũ
trụ.
6. Sợi cacbua silic
Sợi Cacbua Silic (công thức hóa học là: SiC) cũng là một loại sợi gốm thu được nhờ kết tủa.
Sợi cacbua silic thường dùng làm cốt cho composite kim loại trong những trường hợp đòi
hỏi vật liệu phải làm việc lâu ở nhiệt độ cao. Sợi cacbua silic thường hoàn thành trên đệm
vonfram hoặc đệm cacbon, những sợi cacbua silic đệm cacbon rẻ hơn có độ bền kém hơn, dễ
nhạy cảm với các hiệu ứng bề mặt.
7. Sợi kim loại
Đối với composite làm việc trong nhiệt độ cao hay dùng cốt sợi kim loại vonfram hoặc
moliđen, với composite làm việc trong nhiệt độ thấp hay dụng sợi thép hoặc sợi berilic.

Sợi molipđen được dùng làm cốt composite, so với sợi vonfram về độ bền, đặc trưng đàn
hồi và khả năng chịu nhiệt có kém hơn.
8. Sợi ngắn và các hạt phân tán
Các sợi ngắn thu được từ nghiền cơ học, các nguyên liệu khoáng thành phần được chứa
silicat cãni (75%) và kim loại nhẹ (25%), được làm sạch rồi đem nghiền cho đến khi thu được
các dạng bột và các sợi ngắn với chiều dìa trung bình từ 270mm và đường kính 1-10µm.
9. Cốt vải
Cốt vải là tổ hợp thành bề mặt (tấm), của vật liệu cốt sợi, được thực hiện bằng công nghệ dệt.
Các loại vải thường được dệt từ những sợi có modun đàn hồi cao, được sử dụng rộng rãi làm
cốt cho composite phân lớp, quấn các dạng ống composite.


Theo tên các loại sợi, ta thường thấy có vải sợi cacbon, vải sợi hữu cơ và vải tổng hợp.
III. Vật liệu nền
Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu composite.
Yêu cầu về mặt khai thác: Đảm bảo những yêu cầu về cơ lý đối với vật liệu nền, đòi hỏi
nền phải đảm bảo được cho vật liệu composite làm việc trong những điều kiện khai thác khác
nhau, đảm bảo sự đồng đều hiệu quả của các thành phần cốt.
Yêu cầu về công nghệ: Vật liệu nền phải đáp ứng được những đòi hỏi nảy sinh trong quá
trình công nghệ như độ nhớt cà sự đảm bảo phân bố đều các cốt bên trong, bảo tồn được những
tính năng vốn có của các dầm cốt, các hạt đơn, bảo đảm sự kết dính…
1. Chất liệu nền polymer nhiệt rắn.
a, Nhựa phenolic được dùng làm một số chi tiết bên trong máy bay như hệ thống cửa, các
vách ngăn, bếp và một số cấu trúc nhiều lớp…
Ưu điểm: rẻ, nguồn nhiên liệu có sẵn.
Nhược điểm: khi dùng chế tạo composite là dòn, độ bền thấp và độ rỗng cao.
b, Nhựa phenolformandehit được tổng hợp bằng cách tụ phenol và formandehit. Phụ thuộc
vào tỷ lệ phenol formandehit và điều kiện phản ứng, sẽ tạo thành nhựa novolac hoặc rerol
phenolformandehit.
Nhựa novolac cứng, có nhiệt độ cháy mềm khoảng 80-100 o, dễ hoà tan trong cồn, axeton và

một số dung môi khác.
Nhựa rerol phụ thuộc vào tỷ lệ phenol và formandehit có thể ở dạng lỏng hoặc cứng. Rerol
cứng hoà tan trong dung dịch 40-60% cồn.
c, Polyeste là những este không no, hoặc hỗn hợp chảy với nhau hoặc với những phần tử
thấp monome polyeste không là sản phẩm đa tụ của axit hữu cơ.
d, Các nhựa cơ silic nhận được từ sự đã tụ của các sản phẩm của sự thuỷ phân hỗn hợp các
mono, di, tri và tetraclositan. Chúng thường là chất giòn, cứng.
e, Nhựa epoxy có rất nhiều ưu điểm và được sử dụng rất rộng rãi để chế tạo composite có
tính cơ học cao, độ bám dính cao với nhiều loại cốt.
2. Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo.
Nền của vật liệu là nhựa nhiệt dẻo như cá loại nhựa như PVC, nhựa polyetylen,
nhựa polypropylen, nhựa polyamit,...


Composite có vật liệu nền trên cơ sở polyme nhiệt dẻo có độ tin cậy cao, bởi vì mức độ ứng
suất dư nảy sinh trong những thời gian ngay sau khi tạo thành sản phẩm rất thấp.
Nhược điểm chính của vật liệu composite nền nhiệt dẻo là không chịu được nhiệt độ cao, và
khi xử lý công nghệ gặp khó khăn do độ nhớt các dung dịch nóng chảy khá cao.
3. Chất liệu nền cacbon
Nền cacbon có tính chất cơ lý tương tự như sợi cacbon, đảm bảo tính chịu nhiệt độ cao cho
composite cacbon-cacbon và khai thác triệt để ưu điểm các các sợi cacbon trong vật liệu
composite.
Picocacbon là loại vật liệu đồng nhất đa tinh thể có độ bền nhiệt và bền hoá rất tốt, một
dạng cấu trúc chuyển tiếp của cacbon.
Thuỷ tinh cacbon: Là sản phẩm của quá trình xử lý nhiệt các polyme lưới, có sự đóng rắn
không thuận nghịch khi nung nóng. Thuỷ tinh cacbon có rất nhiều ưu điểm như đẳng hướng,
có tính không thấm khí, cứng, bền cơ lý hoá.
Nền cacbon trên cơ sở nhựa pec có ưu điểm là giá thành rẻ, nguồn nhiên liệu sẵn có, hàm
lượng cacbon cao, nên cacbon trên cơ sở pec than đá hoặc dầu mỏ được dùng làm vật liệu nền
cho composite cabon đã trở thành phổ biến.

4. Chất liệu nền kim loại
Vật liệu compozit nền kim loại có modun đàn hồi rất cao có thể lên tới 110 GPa. Do đó đòi hỏi
chất gia cường cũng có modun cao. Các kim loại được sử dụng nhiều là: nhôm, niken, đồng.
Nền kim loại cho các composite thường là kim loại nhẹ hoặc là kim loại chịu nhiệt cao hoặc
là dạng hợp kim phổ biến được dùng là hợp kim nhôm, do chúng có khả năng kết hợp hài hoà
giữa cốt với nền, đảm bảo tốt những đòi hỏi về cơ lý cũng như công nghệ của vật liệu
composite.

G. VẬT LIỆU NANO
I. Khái quát
Chữ nano, gốc Hy Lạp, được gắn vào trước các đơn vị đo để tạo ra đơn vị ước giảm đi 10 -9 lần.
Công nghệ nano là công nghệ xử lý vật chất ở mức nanomet. Công nghệ nano tìm cách lấy phân tử
đơn nguyên tử nhỏ để lắp ráp ra những vật to kích cỡ bình thường để sử dụng, đây là cách làm từ
nhỏ đến to khác với cách làm thông thường từ trên xuống dưới, từ to đến nhỏ.


Vật liệu ở thang đo nano, bao gồm các lá nano, sợi và ống nano, hạt nano được điều chế bằng
nhiều cách khác nhau. Ở cấp độ nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền
thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài của loại vật
liệu này. Vật liệu nano có thể được định nghĩa một cách khái quát là loại vật liệu mà trong cấu trúc
của các thành phần cấu tạo nên nó ít nhất phải có một chiều ở kích thước nanomet.
Vật liệu nanocomposite là loại vật liệu nano có ứng dụng rộng rãi cả trong kỹ thuật và dân dụng.
Nanocomposite bao gồm cả ba loại nền kim lọai, nền gốm và nền polymer. Ở đây, ta chỉ đề cập chủ
yếu đến nanocomposite trên cơ sở chất nền là polymer.
II. Ứng dụng của các vật liệu nano trong ngành hàng không, vũ trụ
1. Ống nano cacbon

Hình 4: Cấu tạo ống nanocacbon
Ống nano carbon được tạo ra bởi các nguyên tử carbon, các nguyên tử carbon này liên kết hóa
trị với nhau bằng lai hóa sp2. Composite sợi carbon trước đây rất nổi tiếng vì nhẹ, bền, ít bị tác dụng

hóa học nếu thay sợi carbon bằng ống nano cacbon chắc chắn sẽ làm vật liệu nhẹ hơn nhiều, được
sử dụng trên các phương tiện cần giảm trọng lượng như máy bay…
2. Hạt nano
Đất sét chứa các hạt nano là loại vật liệu xây dựng lâu đời. Hiện nay, polymer gia cường bằng
đất sét (nanoclay) được ứng dụng khá nhiều. Nó có thể làm vật liệu chống cháy, ví dụ như một số
loại nanocomposite của Nylon 6/silicate, PS/layered silicat, hay vật liệu dẫn điện như


nanocomposite PEO/Li-montmorillonite) dùng trong pin, vật liệu phân hủy sinh học như
PCL/MMT hay PLA/MMT.
Ngoài ra, khi các polymer như ABS, PS, PVA…được gia cường hạt đất sét khác nhau sẽ cải
thiện đáng kể tính chất cơ lý của polymer và có những ứng dụng khác nhau như ABS/MMT làm
khung xe hơi hay khung máy bay, PMMA/MMT làm kính máy bay, kính chắn gió,
Các hạt nano được sử dụng trong sơn có thể cải thiện đáng kể tính chất như làm cho lớp sơn
mỏng hơn, nhẹ hơn, sử dụng trong máy bay nhằm giảm trọng lượng máy bay.
Nhìn chung, vật liệu nanocomposite có tính chất tốt hơn so với composite thông thường nên có
nhiều ứng dụng đặc biệt và hiệu quả hơn. Đây sẽ là lọai vật liệu mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới
và hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng cao.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Phan Văn Tường, Vật liệu vô cơ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2004.
2. Phan Văn Tường, Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội,
2004.
3. Nghiêm Hùng, Vật liệu học cơ sở, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2002.
4. Lê Công Dưỡng (Chủ biên), Vật liệu học, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2000.
5. Các tư liệu từ internet.