ĐỀ TÀI VẬT LIỆU COMPOSITE

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Đề tài: VẬT LIỆU COMPOSITE


Nội dung cơ bản:
I.

Khái niệm chung
1. Khái niệm, đặc điểm
2. Phân loại
3. Tổ chức của vật liệu composite
4. Liên kết nền- cốt

II.

Composite hạt

III. Composite cốt sợi
IV. Composite cấu trúc
V. Công nghệ chế tạo composite


I. Khái niệm chung

Bêtông = Cát + Đá + Ximăng + Nước


Bồn = Sợi thuỷ tinh + Nhựa

1.Khái niệm và đặc điểm
.Là loại vật liệu đa pha có thành phần hóa
học khác nhau, hầu như không tan vào nhau, phân
cách nhau bởi ranh giới pha, kết hợp với nhau theo
những sơ đồ thiết kế trước, nhằm tận dụng và phối
hợp các tính chất ưu việt của từng pha.


Đặc điểm:
•Là loại vật liệu đa pha khác về bản chất, hầu như
không tan vào nhau, phân cách bằng ranh giới pha.
•Nền và cốt có tỷ lệ, hình dáng, kích thước và sự
phân bố theo thiết kế định trước.
•Tính chất của các pha thành phần kết hợp lại tạo
nên tính chất của composite.


2. Phân loại:
a. Theo bản
chất nền


b. Theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc


3. Tổ chức của vật liệu composite:
Tổ chức: đa pha, thông thường có 2 pha
a.

Cốt:

Nền

Cốt


Cốt: là pha gián đoạn, đóng vai trò tạo nên độ
bền và môđun đàn hồi cao.
•Vật liệu: kim loại, chất vô cơ, polyme,…
•Hàm lượng, hình dạng, kích thước và sự phân
bố của cốt ảnh hưởng mạnh đến tính chất của
composite.
• Hình dạng: sợi, hạt, tấm


b. Nền:
Nền là pha liên tục, đóng vai trò:
− Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành khối đồng nhất.
− Tạo khả năng gia công composite thành các chi tiết theo
thiết kế.
− Che phủ, bảo vệ cốt
− Vật liệu: kim loại, polyme, gốm và hỗn hợp.
− Nền phải nhẹ và có độ dẻo cao.


4. Liên kết nền- cốt:
− Liên kết cơ học, được thực hiện bằng phép nối thông qua độ mấp mô bề mặt
do lực ma sát như kiểu bê tông cốt thép có gân.
− Liên kết nhờ thấm ướt do năng lượng sức căng bề mặt tạo ra khi pha nền
chảy thấm ướt vào cốt.

− Liên kết phản ứng xuất hiện khi ranh giới pha xảy ra phản ứng tạo hợp chất
hóa học, nó như lớp keo dính chặt giữa nền và cốt. Đây là liên kết tốt nhất.


− Liên kết ôxyt: là liên kết phản ứng đặc biệt,
đặc trưng cho nền kim loại với cốt và ôxyt của
chính kim loại đó.
− Liên kết hỗn hợp: là hỗn hợp các kiểu liên kết
trên khi tương tác nền – cốt phụ thuộc mạnh vào
quá trình công nghệ và điều kiện sử dụng.


II. Composite hạt
1.

Composite hạt thô
−. “Thô” để chỉ tương tác nền- cốt không xảy ra ở
mức độ phân tử, nguyên tử. Lúc này sự hóa bền có
được là nhờ sự cản trở biến dạng của nền ở vùng lân
cận so với hạt cốt.
−. Tùy thuộc vào sự phân bố của hạt cốt trong nền
mà môđun đàn hồi Ec của composite nằm trong giới
hạn 2 đường biểu diễn:


Hình 2.1. Sự phụ thuộc của môđun đàn hồi và hàm
lượng cốt trong composite nền Cu, cốt hạt W


1 số loại composite hạt thô thông dụng:

• Composite hạt thô nền polyme: đưa các hạt cốt
như thạch anh, thủy tinh, Al2O3 ,…vào polyme để cải
thiện độ bền kéo, tính chống mài mòn, chịu nhiệt, ổn
định kích thước.
• Composite hạt thô nền kim loại: các hợp kim cứng
trên cơ sở các hạt WC, MoC, TaC trên nền Co, các hợp
kim tiếp điểm gồm các hạt kim loại khó chảy (W, Mo)
hàm lượng từ 5 ÷ 20%.


Ví dụ:

Hợp kim cứng = Bột WC + Co


2. Composite hạt mịn ( hóa bền phân tán)
Đặc điểm: tương tác nền xảy ra ở mức độ nguyên tử
hoặc phân tử.
Nền: thường là kim loại, hợp kim.
Cốt: thường rất bé dưới 0,1µm, thường là các vật liệu
bền, cứng, có tính ổn định nhiệt cao. Vd: ôxyt, cacbit
Cơ chế hóa bền: như hiện tượng biến cứng phân tán
khi phân hóa dung dịch rắn quá bão hòa.
Ứng dụng: cho vật liệu bền nóng và ổn định nóng cao


1 số loại composite hạt mịn:
•SAP, nền là nhôm hoặc hợp kim nhôm, cốt là Al2O3
hàm lượng 5 ÷ 20%, cung cấp dạng bán thành phẩm như
tấm, ống, dây để làm các chi tiết có độ bền riêng lớn,

làm việc 300 ÷ 5000 C, chịu tác dụng của môi trường ăn
mòn.
•TD nickel, nền là nickel và cốt là ThO2 hàm lượng 2
%. TD Nickel có độ bền nóng cao khoảng 1000 ÷
11000 C, không bị ăn mòn tinh giới, sử dụng trong hàng
không vũ trụ, chế tạo tua bin, ống dẫn,…


III. Composite cốt sợi
1.

Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi đến cơ tính
composite
a.Sự phân bố và định hướng cốt sợi
Một số kiểu phân bố và định hướng cốt sợi:


một chiều

dệt 2 chiều vuông góc

ngẫu nhiên, rối 1 mặt

đan - quấn 3 chiều
vuông góc

Hình 3.1 Sơ đồ phân bố và định
hướng cốt sợi

b. Ảnh hưởng của chiều dài cốt sợi
 Chiều dài sợi có ảnh hưởng lớn đến độ bền và độ cứng vững của
composite.
Chiều dài cốt sợi lớn hơn hay nhỏ hơn Lt/h sẽ quyết định đến cơ
tính của composite.
Lt/h = [(σb)s.ds ] / (2τ)
(σb)s- giới hạn bền của cốt sợi
ds - đướng kính sợi
τ - ứng suất tiếp tại biên giới phân chia nền- cốt


Người ta tính được rằng khi cốt sợi có chiều dài LS:
•LS ≥ Lt/h: cốt sợi có tác dụng tăng bền và độ
cứng vững cho composite.
•LS < Lt/h: tác dụng gia cứng cốt sợi sẽ không có,
composite được coi là composite hạt.

Xét trường hợp ứng suất kéo tác dụng lên
composite bằng giới hạn bền kéo của sợi cho các
trường hợp chiều dài sợi khác nhau:


LS = Lt/h

LS > Lt/h

LS < Lt/h

Hình 3.2 Biểu
đồ phân bố ứng

suất trên chiều
dài sợi


Người ta quy ước:
• Khi LS ≥ 10Lt/h composite là loại cốt sợi liên tục.
• Khi LS < 10Lt/h composite là loại cốt sợi ngắn.
Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc
composite cốt sợi
a) Liên tục
b) Ngắn thẳng hàng
c) Ngắn hỗn độn