Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu cốt đến một số tính chất của composite vải dệt kim

LỜI CẢM ƠN

Quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp là khoảng thời gian mà em gặp
nhiều khó khăn. Tuy nhiên với sự hƣớng dẫn nhiệt tình, giúp đỡ, động viên của
các thầy cô, đồng nghiệp, gia đình, bạn bè và sự nỗ lực của bản thân em đã
hoàn thành đề tài luận văn.
Trƣớc hết em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới Tiến sĩ Đào
Anh Tuấn, ngƣời thầy đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và cung cấp những kiến thức
quý báu cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang
đã tận tình giúp đỡ em thực hiện các thí nghiệm.
Tôi xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và bạn bè luôn quan tâm, ủng hộ và tạo
mọi điều kiện tốt nhất để tôi yên tâm học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Tronng quá trình thực hiện luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Kính
mong quý thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày 20 tháng 3 năm 2015
Học viên

Vũ Thị Nếp

2


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Các
số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ

công trình nào khác.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với nội dung của luận văn và đảm bảo
rằng kết quả nghiên cứu không có sự sao chép từ các luận văn khác.

Hà Nội, ngày 20 tháng 3 năm 2015
Tác giả

Vũ Thị Nếp

3


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 2
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 3
MỤC LỤC ......................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................... 9
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................ 10
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................. 11
Chƣơng 1. ........................................................................................................ 12
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE ................................................ 12
1.1. VẬT LIỆU COMPOSITE .................................................................... 12
1.1.1. Khái niệm về vật liệu composite [1,2, 8] .......................................... 12
1.1.2. Lịch sử, xu hƣớng phát triển của loại vật liệu polyme composite
[1,2,6] .......................................................................................................... 13
1.1.3. Phân loại vật liệu composite [1,2] ..................................................... 14
1.1.4. Tính chất của vật liệu polyme composite [4] .................................... 21
1.1.5. Các ứng dụng của composite [1, 20, 22].......................................... 23
1.1.6. Công nghệ chế tạotừ vật liệu composite [1, 11] ............................... 25

1.2. VẬT LIỆU COMPOSITE CỐT DỆT .................................................. 36
1.2.1. Giới thiệu chung vật liệu composite cốt dệt [6] ................................ 36
1.2.2. Phân loại vật liệu composite cốt dệt [2, 4] ........................................ 36
1.2.3. Ứng dụng của vật liệu composite cốt dệt [1] .................................... 38
1.3. VẬT LIỆU NỀN POLYPROPYLEN (PP) [10] ................................... 39
1.3.1. Tính chất của Polypropylen .............................................................. 40
1.3.2. Ứng dụng của Polypropylen ............................................................. 43
1.4. COMPOSITE CỐT VẢI DỆT KIM .................................................... 44
1.4.1. Các kết cấu cốt dệt dùng cho composite ........................................... 44
1.4.2. Kết cấu cốt vải dệt kim ..................................................................... 44
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ............................................................................ 52
Chƣơng 2 ..................................................................................................... 53
4


ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........... 53
2.1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ................................................................ 53
2.2. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ............................................................. 53
2.2.1. Vải thí nghiệm ................................................................................... 53
2.2.2. Nhựa polypropylen [10] .................................................................... 54
2.2.3. Vật liệu composite cốt vải dệt kim.................................................... 54
2.2.4. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................ 54
2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................ 58
2.3.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết ................................................... 58
2.3.2. Phƣơng pháp thực nghiệm ................................................................ 58
2.3.3. Phƣơng pháp xử lý số liệu................................................................. 58
2.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................ 59
2.4.1. Chế tạo vật liệu composite ................................................................ 59
2.4.2. Thí nghiệm xác định khối lƣợng (đơn vị g/m2) ................................ 63
2.4.3. Thí nghiệm xác định độ dày .............................................................. 64

2.4.4. Xác định độ bền kéo đứt ................................................................... 66
Chƣơng 3. .................................................................................................... 68
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN ............................................. 68
3.1. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐO ĐỘ DÀY (mm) ................................... 68
3.2. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CÂN KHỐI LƢỢNG (g/m2) .................... 69
3.3. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH ĐỘ BỀN KÉO ĐỨT (N) ............................... 70
3.3.1. Kết quả xác định độ bền kéo đứt mẫu vải dệt kim (N) ..................... 70
3.3.2. Kết quả xác định độ bền kéo đứt vật liệu composite tỷ lệ cốt vải/keo
25/75 ............................................................................................................ 77
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................. 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 90

5


DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ, ẢNH
Hình 1.1. Cấu trúc vật liệu composite .......................................................................12
Hình 1.2. Sơ đồ phân loại vật liệu composite theo hình dạng cốt ............................15
Hình 1.3. Quần áo cho nhà du hành vũ trụ ...............................................................23
Hình 1.4. Máy bay .....................................................................................................24
Hình 1.5. Ôtô .............................................................................................................25
Hình 1.6. Tàu và ca nô ..............................................................................................25
Hình 1.7. Phƣơng pháp gia công bằng tay ................................................................27
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý phƣơng pháp ép phun.....................................................27
Hình 1.9. Sơ đồ tạo hình theo phƣơng pháp khuôn chân không ở mặt trong cà ngoài
...................................................................................................................................29
Hình 1.10. Mô hình phƣơng pháp khuôn chân không ôtôcla....................................30
Hình 1.11. Sơ đồ khuôn ép diaphragm......................................................................30
Hình 1.12. Sơ đồ tẩm dƣới áp lực .............................................................................31
Hình 1.13. Sơ đồ tẩm trong chân không ...................................................................32

Hình 1.14. Sơ đồ dập đúc ..........................................................................................34
Hình 1.15. Vải dùng làm cốt vật liêu composite .......................................................37
Hình 1.16. Hệ thống vải tổng hợp phân loại theo Fukuta et al .................................44
Hình 2.1. Mẫu vải dệt kim đan dọc và cấu trúc vải ..................................................53
Hình 2.2. Thiết bị tạo áp lực chế tạo vật liệu composite...........................................55
Hình 2.3. Thiết bị thử nghiệm độ bền kéo đứt ..........................................................56
Hình 2.4: Thiết bị thử nghiệm cân khối lƣợng ..........................................................57
Hình 2.5. Thiết bị thử nghiệm đo độ dày ..................................................................57
Hình 2.6. Hình ảnh chuẩn bị dụng cụ tạo màng PP ..................................................59
Hình 2.7. Hình ảnh tạo màng PP ...............................................................................60
Hình 2.8: Hình ảnh sấy màng PP ..............................................................................60
Hình 2.9. Hình ảnh cắt, đánh số màng PP.................................................................61
Hình 2.10. Hình ảnh quá trình tạo vật liệu composite ..............................................62
Hình 3.1. Biểu đồ so sánh độ dày của các mẫu vải và composite ............................68
Hình 3.2. Biểu đồ so sánh khối lƣợng của các mẫu vải và composite ......................69
Hình 3.3. Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt theo chiều dọc vải dệt kim.......................70

6


Hình 3.4. Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt theo chiều ngang vải dệt kim ..................70
Hình 3.5. Biểu đồ so sánh độ bền kéo đứt vải dệt kim theo chiều khác nhau ..........71
Hình 3.6. Biểu đồ so sánh độ giãn đứt vải dệt kim theo chiều khác nhau ................72
Hình 3.7. Đồ thị thể hiện bền kéo đứt vật liệu cptheo tỷ lệ cốt vải/keo (45/55) - Ký
hiệu M1 .....................................................................................................................73
Hình 3.8. Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt vật liệu compositetheo tỷ lệ cốt vải/keo
(35/65) - ký hiệu M2 .................................................................................................73
Hình 3.9. Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt vật liệu compositetheo tỷ lệ cốt vải/keo
(25/75) - Ký hiệu M3 ................................................................................................74
Hình 3.10. Biểu đồ so sánh độ bền kéo đứt vật liệu composite theo tỷ lệ phần khối

lƣợng vải/keo khác nhau ...........................................................................................76
Hình 3.11. Biểu đồ so sánh độ giãn đứt vật liệu composite theo tỷ lệ phần khối
lƣợng vải/keo khác nhau………………………………………………………..….76
Hình 3.12. Đồ thị so sánh độ bền kéo đứt vật liệu compositetheo tỷ lệ vải/keo khác
nhau ...........................................................................................................................76
Hình 3.13. Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt chiều dọcvật liệu composite 2 lớp cốt ...77
Hình 3.14. Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt chiều ngangvật liệu composite 2 lớp cốt
...................................................................................................................................77
Hình 3.15. Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt vật liệu cp2 lớp cốt đặt vuông góc ........79
Hình 3.16. Đồ thị so sánh độ bền kéo đứt vật liệu composite theo tỷ lệ vải/keo
25/75, 2 lớp cốt theo chiều khác nhau.......................................................................80
Hình 3.17. Biểu đồ so sánh độ giãn đứt vật liệu composite theo tỷ lệ vải/keo 25/75,
2 lớp cốt theo chiều khác nhau ..................................................................................80
Hình 3.18. Đồ thị so sánh độ bền kéo đứt vật liệu composite theo tỷ lệ vải/keo
25/75, 2 lớp cốt theo chiều khác nhau.......................................................................81
Hình 3.19. Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt chiều dọc vật liệu...................................80
Hình 3.20. Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt chiều ngang vật liệu composite4lớpcốt 82
Hình 3.21. Biểu đồ so sánh độ bền kéo đứt vật liệu composite theo tỷ lệ vải/keo
25/75, 4 lớp cốt theo chiều khác nhau.......................................................................83
Hình 3.22. Biểu đồ so sánh độ giãn đứt vật liệu composite theo tỷ lệ vải/keo 25/75,
4 lớp cốt theo chiều khác nhau ..................................................................................84
Hình 3.23. Đồ thị so sánh độ bền kéo đứt vật liệu composite theo tỷ lệ vải/keo
25/75, 4 lớp cốt theo chiều khác nhau.......................................................................84
Hình 3.24. Biểu đồ so sánh ảnh hƣởng kết cấu cốt đến độ bền kéo đứt của vật liệu
composite ..................................................................................................................85

7


Hình 3.25. Đồ thị so sánh độ bền kéo đứt chiều dọcvật liêu composite 2 lớp cốt và

4 lớp cốt .....................................................................................................................86
Hình 3.26. Đồ thị so sánh độ bền kéo đứt chiều ngang ............................................86
vật liêu composite 2 lớp cốt và 4 lớp cốt .................................................................86
Hình 3.27. Đồ thị so sánh độ bền kéo đứt chiều ngangvật liêu composite 2 lớp cốt
và 4 lớp cốt, mẫu vải .................................................................................................87

8


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tính chất nhiệt của polypropylen ............................................................40
Bảng 1.2. Tính chất của PP có trọng lƣợng phân tử 80.000 - 150.000 .....................42
Bảng 2.1. Bảng tỷ lệ phần khối lƣợng cốt vải/ keo PP khác nhau ............................62
Bảng 2.2. Các phƣơng án tạo vật liệu composite với các kết cấu khác nhau ...........63
Bảng 2.3. Bảng ghi kết quả thí nghiệm cân khối lƣợng ............................................64
Bảng 2.4: Bảng ghi kết quả thí nghiệm đo độ dày ....................................................65
Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm đo độ dày mẫu vải và composite...............................68
Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm cân khôi lƣợng mẫu vải và composite ......................69
Bảng 3.3. Kết quả đo độ bền kéo đứt, độ giãn đứt mẫu vải dệt kim .........................71
Bảng 3.4. Kết quả độ bền kéo đứt vật liệu composite theo tỷ lệ phần ......................74
khối lƣợng cốt vải/keo khác nhau .............................................................................74
Bảng 3.5. Kết quả độ bền kéo đứt vật liệu composite cốt vải dệt kim .....................75
và keo PP với tỷ lệ phần khối lƣợng vải/keo khác nhau ...........................................75
Bảng 3.6. Kết quả độ bền kéo đứt và độ giãn đứt vật liệu composite ......................78
2 lớp cốt tỷ lệ cốt vải và keo: 25/75 ..........................................................................78
Bảng 3.7. Kết quả độ bền kéo đứt vật liệu composite 2 lớp cốt ..............................78
Bảng 3.8. Kết quả so sánh độ bền kéo đứt vật liệu composite cốt vải dệt kim và keo
PP với tỷ lệ phần khối lƣợng vải/keo 25/75 theo các chiều khác nhau ....................79
tỷ lệ cốt vải và keo: 25/75 - ký hiệu M5 ...................................................................78
Bảng 3.9. Kết quả đo độ bền kéo đứt, độ giãn đứt vật liệu composite .....................83

kết cấu 4 lớp cốt - ký hiệu M6 ..................................................................................83
Bảng 3.10. Độ bền kéo đứt vật liệu composite 2 lớp cốt và 4 lớp cốt ......................85

9


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết
tắt

Ý nghĩa

PP

Polypropylen

CP

Composite

ASTM

Tiêu chuẩn Mỹ

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

Mv

Mẫu vải dệt kim

M1

Vật liệu composite với tỷ lệ cốt vải/keo PP là 45/55

M2

Vật liệu composite với tỷ lệ cốt vải/keo PP là 35/65

M3

Vật liệu composite với tỷ lệ cốt vải/keo PP là 25/75

M4

Vật liệu composite 2 lớp cốt đặt song song

M5

Vật liệu composite 2 lớp cốt đặt vuông góc

M6

Vật liệu composite 4 lớp cốt đặt song song

G

Khối lƣợng (g/m2)

S

Diện tích mẫu vải (m2)

M

Khối lƣợng mẫu vải (g)

̅
𝐷

Độ dày trung bình

Di

Độ dày của từng mẫu đo

n

Số lƣợng mẫu thí nghiệm

10


LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay composite đƣợc ứng dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực khác
nhau của ngành chế tạo máy và của nền kinh tế quốc dân. Việc nghiên cứu, chế tạo
vật liệu mới và các kết cấu sản phẩm từ chúng là một trong những thành tựu quan

trọng nhất của tiến bộ khoa học kỹ thuật và đó cũng chính là nhiệm vụ cấp bách
chiến lƣợc của đất nƣớc Việt Nam đang phát triển, có đầy đủ trong tay những tiềm
năng về nguyên liệu và năng lƣợng.
Vật liệu composite rất đa dạng về chủng loại, nó đã và đang đƣợc sử dụng để
thay thế cho các loại vật liệu truyền thống nhƣ kim loại, gỗ, da trong nhiều ngành
kỹ thuật với các tính năng ƣu việt nhƣ khối lƣợng riêng nhỏ, độ bền riêng cao, chịu
mài mòn, cách điện, cách nhiệt, mềm dẻo, dễ gia công, chịu tác động môi trƣờng,
giá thành hạ.
Từ khi đất nƣớc thực hiện chính sách mở cửa, nền kinh tế chuyển sang cơ
chế thị trƣờng. Ngành công nghiệp dệt phải đƣơng đầu với cạnh tranh gay gắt,
những sản phẩm đƣợc sản xuất ra từ nguyên liệu truyền thống gặp khó khăn tìm thị
trƣờng tiêu thụ, trong khi giá thành sản xuất lại có xu hƣớng tăng. Đồng thời ngành
công nghiệp dệt may nƣớc ta còn đang đứng trƣớc những thách thức: công nghệ sản
xuất lạc hậu, chƣa tự chế tạo đƣợc máy móc thiết bị phục vụ sản xuất; nguyên vật
liệu, phụ liệu, phụ tùng thay thế vẫn chủ yếu nhập từ nƣớc ngoài và thiếu lao động
kỹ thuật cao. Vấn đề này đang là một thách thức lớn.
Để góp phần giải quyết những khó khăn nên trên, ngành công nghiệp dệt
may cần đầu tƣ nghiên cứu thiết kế, sản xuất ra những sản phẩm sử dụng làm vật
liệu gia cƣờng trong vật liệu composite. Có nhƣ vậy chúng ta mới thực hiện đƣợc đa
dạng hóa sản phẩm và giải quyết việc làm cho xã hội.
Nhận thức đƣợc tầm quan trọng của việc sử dụng cốt dệt vào làm vật liệu
composite tôi đã tìm hiểu, nghiên cứu và lựa chọn đề tài: "Nghiên cứu ảnh hưởng
của kết cấu cốt đến một số tính chất của composite vải dệt kim".

11


Chƣơng 1.
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE

1.1. VẬT LIỆU COMPOSITE
1.1.1. Khái niệm về vật liệu composite [1,2, 8]
Vật liệu composite là loại vật liệu đƣợc chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều
thành phần khác nhau, nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ƣu việt
hơn hẳn những vật liệu thành phần ban đầu.[1]
Vật liệu composite là loại vật liệu nhiều pha khác nhau về thành phần hóa
học, không hòa tan hoặc ít hòa tan vào nhau, phân cách nhau bằng danh giới pha,
kết hợp lại nhờ can thiệp kỹ thuật của con ngƣời theo những sơ đồ thiết kế trƣớc,
nhằm tận dụng và phát triển những tính chất tốt của từng pha trong vật liệu kết hợp
cần chế tạo. [8]
Vật liệu composite phải thỏa mãn 3 điều kiện:
+ Cả hai chất thành phần phải có tỉ lệ hợp lý ( tối thiểu phải > 5%).
+ Cơ tính vật liệu composite khác hẳn cơ tính của vật liệu thành phần.
+ Các thành phần trong vật liệu composite không đƣợc hòa tan vào nhau.
Nhựa nền
Cốt gia cƣờng

Hình 1.1. Cấu trúc vật liệu composite
Về phƣơng diện hoá học, composite có ít nhất hai thành phần đƣợc giới hạn
bởi các mặt phân cách riêng biệt. Thành phần liên tục tồn tại với khối lƣợng lớn hơn

12


trong composite đƣợc gọi là nền, nó là thành phần giữ vai trò cực kỳ quan trọng
trong việc chế tạo ra vật liệu composite, chất liệu nền không những đảm bảo cho
các thành phần của composite liên kết hài hoà với nhau, đảm bảo tính liền khối của
vật liệu, tạo ra các kết cấu composite, phân bố lại chịu tải khi một phần cốt bị đứt
gẫy để đảm bảo tính liên tục của kết cấu, chất liệu nền cũng quyết định một phần
lớn khả năng chịu nhiệt, chịu ăn mòn của vật liệu, cũng chính vật liệu nền là cơ sở

để xác định phƣơng thức công nghệ chế tạo sản phẩm. Còn thành phần thứ hai là
cốt, nó đảm bảo cho vật liệu composite có độ cứng, độ bền cơ học cao.
Hiện nay, trên trên thế giới có nhiều loại vật liệu composite khác nhau nhƣ:
Vật liệu composite polyme, composite cacbon - cacbon, composite gốm và vật liệu
composite tạp lai, nhƣng chỉ có vật liệu composite polyme là đƣợc ứng dụng rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế hay nói cách khác là nó đƣợc sử
dụng phổ biến nhất (chiếm hơn 90% vật liệu composite đang đƣợc sử dụng trên thế
giới).
1.1.2. Lịch sử, xu hƣớng phát triển của loại vật liệu polyme composite [1,2,6]
1.1.2.1. Lịch sử phát triển
Vật liệu composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5000
năng trƣớc công nguyên. Thời cổ đại đã biết dùng vật liệu composite vào cuộc sống
ví dụ nhƣ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình
nung đồ gốm.
Ngƣời Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu composite từ khoảng 3000 năm trƣớc
công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm bitum về sau
này các thuyền đƣợc đan bằng tre trát mùn cƣa và nhựa thông hay các vách tƣờng
đan tre trát bùn với rơm, rạ là những sản phẩm của composite đƣợc áp dụng rộng
rãi trong đời sống xã hội.
Sự phát triển của vật liệu composite đã đƣợc khẳng định và mang tính đột
biến vào những năm 1930 khi Stayer và Thomat đã nghiên cứu ứng dụng thành
công sợi thủy tinh. Fillis và Foster đã dùng sợi thủy tinh gia cƣờng cho polyeste

13


không no và giải pháp này đã đƣợc áo dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế
tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến thế giới lần thứ hai.
Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền chất dẻo đã đƣợc đƣa vào sử
dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự…

1.1.2.2. Xu hướng phát triển[2 ]
Composite nền polyme là loại vật liệu composite phát triển mạnh nhất trong
những năm gần đây. Tiêu biểu là composite sợi thủy tinh, vừa bền vừa nhẹ, giới hạn
bền đạt 1500-2000 MPa, nhẹ hơn nhôm gần 1.5 lần, chống ăn mòn tốt, chống va
đập tốt, cách điện tốt, công nghệ chế tạo đơn giản, đã đƣợc chế tạo quy mô lớn và
sử dụng phổ biến để tạo vỏ xuồng và ca nô tốc độ cao, các tấm tƣờng trong máy
bay, toa xe, phòng tắm, phòng vệ sinh, nhà bơi.
Composite polyme sợi bo và sợi các bon (Độ bền 4-5 lần cao hơn sợi thủy
tinh) là vật liệu nhẹ có độ bền cao. Mô đun đàn hồi cao, chống rung và chịu mỏi tốt,
phù hợp cho những chi tiết cần có cơ tính tổng hợp cao và nhẹ nhƣ cánh quạt máy
bay lên thẳng, cánh thăng bằng.
Công nghệ chế tạo composite cốt sợi cho đến nay đã tƣơng đối hoàn chỉnh,
đảm bảo năng suất cao, giá thành rẻ, đáp ứng yêu cầu của nhiều lĩnh vực khác nhau
Đa dạng hóa nền polyme và chất tăng cƣờng: Trong những năm gần đây trên
thế giới, cũng với những loại nhựa nhiệt rắn đã đƣợc sử dụng rộng rãi nhƣ epoxy,
polyeste không no, phenolfomandehyt… ngƣời ta đã sử dụng rất có kết quả các loại
nhựa nhiệt dẻo nhƣ polyolefin, polypropylene, polyamit, polycacbonat.
1.1.3. Phân loại vật liệu composite [1,2]
1.1.3.1. Các đặc điểm chung [2]
Những đặc điểm chính của vật liệu composite gồm:
Thứ nhất: Composite là vật liệu nhiều pha. Các pha tạo nên composite
thƣờng rất khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng
ranh giới pha. Trong thực tế phổ biến khá nhiều composite 2 pha. Pha liên tục trong
toàn khối vật liệu composite đƣợc gọi là nền. Pha phân bố gián đoạn đƣợc nền bao
bọc, quy định gọi là cốt.

14


Thứ hai: Trong composite thì tỷ lệ, hình dáng, kích thƣớc cũng nhƣ sự phân

bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trƣớc.
Thứ ba: Tính chất của các pha thành phần đƣợc kết hợp để tạo nên tính chất
chung của composite. Tuy vậy tính chất của composite không bao hàm tất cả các
tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó
những tính chất tốt và phát huy thêm.
1.1.3.2. Phân loại [1, 2]
Để phân loại vật liệu composite ngƣời ta dựa vào các đặc điểm đặc trƣng của
chúng:
- Theo bản chất vật liệu nến, vật liệu composite đƣợc phân thành
+ Composite nền chất dẻo
+ Composite nền kim loại
+ Composite nền gốm
+ Composite nền là hỗn hợp nhiều pha
- Theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc, ta có thể phân loại
composite thành 3 nhóm: composite cốt hạt , composite cốt sợi và composite cấu
trúc

Composite

Cốt hạt

Hạt thô

Hạt mịn

Cốt sợi

Liên tục

Composite cấu trúc

Gián đoạn

Có hƣớng

Lớp

Tấm ba lớp

Ngẫu nhiên

Hình 1.2. Sơ đồ phân loại vật liệu composite theo hình dạng cốt
- Theo phƣơng pháp chế tạo: đúc, ép, đúc phun, lăn lô…
- Theo phạm vi ứng dụng: composite cao cấp, composite kỹ thuật. [2]

15

Tổ ong


a. Phân loại theo bản chất vật liệu nến [1,2]
Trong composite, nền đóng vai trò chủ yếu sau đây: [2]
- Liên kết toàn bộ các phân tử cốt thành 1 khối composite thống nhất
- Tạo khả năng để tiến hành các phƣơng pháp gia công vật liệu composite
thành các chi tiết theo thiết kế
- Nền che phủ, bảo vệ cốt tránh các hƣ hỏng cơ học do tác dụng môi trƣờng
bên ngoài
Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu
composite. Chính vì vậy, chúng phải đáp ứng đƣợc những yêu cầu về khai thác cũng
nhƣ về mặt công nghệ. [1]

Thành phần nền cho vật liệu composite có vật liệu nền hữu cơ, vật liệu nền
kim loại, vật liệu nền khoáng.
Những yêu cầu cơ lý đối với vật liệu nền, đòi hỏi nền phải đảm bảo đƣợc cho
vật liệu composite làm việc trong những điều kiện khai thác khác nhau, phải đảm
bảo đƣợc sự làm việc đồng đều hiệu quả giữa các thành phần cốt, độn với các dạng
đặt tải khác nhau, đảm bảo cho vật liệu composite làm việc bền vững khi chịu tải
trƣợt hoặc chịu tải ở những hƣớng lệch với hƣớng của các dầm cốt hoặc chịu tải
tuần hoàn [1]
Bản thân vật liệu nền sẽ xác định vật liệu composite mới tạo ra chịu đƣợc
đến nhiệt độ nào. Vật liệu nền cũng quyết định khả năng chịu đựng cho vật liệu
composite với tác động của môi trƣờng, tác động hóa học và quyết định một phần
tính chất cơ học, vật lý, điện và những đặc tính khác của vật liệu composite nói
chung.
Những yêu cầu về công nghệ với vật liệu nền đƣợc đặt ra trong quá trình sản
xuất composite và các kết cấu sản phẩm từ chúng. Trong quá trình làm ra các sản
phẩm composite có một đặc điểm quan trọng cần lƣu ý, là thƣờng sản xuất ra vật
liệu composite bán thành phẩm trung gian gọi là prepreg để chế tạo ra các sản
phẩm. Nhƣng nhiều khi trong quá trình chế tạo các sản phẩm kết cấu, ví dụ nhƣ sản
xuất các bình composite, các ống composite, trong quá trình quấn các chi tiết này

16


chính chúng ta đã vừa chế tạo ra vật liệu, lại vừa chế tạo ra các kết cấu composite.
Vì vậy vật liệu nền phải đáp ứng đƣợc những đòi hỏi nảy sinh trong quá trình công
nghệ: nhƣ độ nhớt và sự đảm bảo phân bố đều các cốt bên trong, bảo tồn đƣợc
những tính năng vốn có của các dầm cốt, các hạt độn, bảo đảm đƣợc sự kết dính
vững chắc giữa chất liệu nền và cốt, khả năng chế tạo trƣớc những bán thành phẩm
theo những mục đích định trƣớc, đảm bảo độ co tối thiểu…[1]
Chính vì vật liệu nền có vai trò quan trọng nhƣ vậy, nên ngoài cách phân loại

vật liệu theo cấu trúc, ngƣời ta còn gọi tên vật liệu composite theo vật liệu nền, nhƣ
vật liệu composite polime, vật liệu composite kim loại, vật liệu composite cacbon,
vật liệu composite gốm
a1. Nền kim loại
Vật liệu composite kim loại là composite mà chất liệu nền bằng kim loại
hoặc các hợp kim, còn thành phần cốt có thể là những sợi kim loại hoặc phi kim
loại. Việc sử dụng nền kim loại hoặc hợp kim làm tăng độ bền của composite theo
phƣơng góc với các phƣơng của sợi cốt và tăng độ bền trƣợt, làm cho vật liệu
composite có độ bền trƣợt nhƣ kim loại nền. Chúng có đặc trƣng cơ lý ổn định trong
khoảng nhiệt độ lớn hơn nhiều so với composite nền polyme. Các nền kim loại hay
đƣợc dùng là nền hợp kim nhôm, titan, magie,…
Nền kim loại so với nền polyme có những ƣu điểm sau: [2]
- Kim loại nói chung dẻo và khá bền nên nó cải thiện các chỉ tiêu cơ tính của
composite nhƣ modun đàn hồi, giới hạn tỷ lệ…
- Chịu đựng một số môi trƣờng hoạt tính tốt hơn, vùng nhiệt độ sử dụng rộng
hơn.
- Có độ dẫn nhiệt, dẫn điện cao, do vậy trong một số ứng dụng đó là ƣu điểm
đặc biệt.
- Không bị ảnh hƣởng mạnh của môi trƣờng ẩm
- Không bị bốc cháy.
- Có tính hàn tốt, nên trong một số trƣờng hợp việc gia công lắp ráp dễ dàng.

17


Nhƣợc điểm chính của nền kim loại là khối lƣợng riêng lớn, ở nhiệt độ cao
có thể phản ứng với cốt tạo pha dòn làm giảm yếu liên kết cốt - nền. Nhƣ vậy,
composite nền kim loại không thể hiện tính đàn hồi hoàn hảo. Công nghệ chế tạo
nền kim loại phức tạp hơn rất nhiều so với nền polyme và do vậy giá thành sẽ cao
hơn.

Trong số các kim loại thì Al, Mg, Ti, Ni, Cu đƣợc nghiên cứu ứng dụng làm
nền composite nhiều hơn cả.
Composite nền kim loại đƣợc ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực hàng không,
chế tạo máy, công nghệ tên lửa, kỹ thuật vũ trụ và nguyên tử với những ƣu điểm về
mặt tính năng của chúng.
Composite ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong những ngành kỹ thuật
đòi hỏi vật liệu làm việc ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ cao và siêu cao, trong những môi
trƣờng ăn mòn do ma sát và chịu những tải trọng tĩnh, tuần hoàn, va đập, dao động
và những tác động lực cao khác, ở những nơi mà điều kiện sử dụng không cho phép
dùng vật liệu kim loại truyền thống.
Những composite kim loại nhẹ thƣờng hay dùng vật liệu nền nhôm cốt sợi
cacbon có nhiều ƣu điểm hơn hẳn so với hợp kim nhôm tốt nhất
+ Mô đun đàn hồi hơn hẳn 140-160 Gpa so với 70 Gpa
+ Khối lƣợng riêng nhẹ hơn 2300kg/m3 so với 2750kg/m3
+ Độ cứng gấp 2,5 lần
+ Độ bền mỏi cao nhƣ titan, thép hợp kim
+ Hệ số giãn nở nhiệt thấp trong khoảng 293 - 6700K
+ Chúng đƣợc ứng dụng làm thân vỏ cánh tuabin, ống xả của động cơ máy
bay, tên lửa
a2. Nền polyme
Đối với composite, vật liệu nền polyme thƣờng đƣợc sử dụng rộng rãi là
epoxy, polyeste, … và các polyme nhiệt rắn, dẻo khác. Vật liệu composite polyme

18


có ƣu điểm nhẹ, độ bền cơ lý cao, bền với những môi trƣờng hóa học (chống ăn
mòn tốt), độ dẫn điện, nhiệt thấp, công nghệ chế tạo không phức tạp.
Vật liệu composite polyme ngày nay phổ biến với các cốt là sợi thủy tinh, sợi
ba gian, các bon, sợi hữu cơ, sợi tạp lai. Composite nền polyme ngƣời ta hay sử

dụng những sợi có độ cứng cao, khối lƣợng riêng thấp và độ bền cơ học cao khi
kéo, nén, trƣợt.
a3. Nền gốm
Gốm là loại vật liệu có độ bền cao, duy trì ở độ bền ở nhiệt độ cao, khả năng
chịu oxy hóa. Tuy nhiên có độ bền kéo thấp, chịu va đập kém.
a4. Nền thủy tinh
Thủy tinh vô cơ là loại vật liệu nhận đƣợc 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. Quá trình này giống nhƣ đối với nhựa nhiệt dẻo nên có thể áp dụng các
phƣơng pháp gia công của chất dẻo. Thủy tinh có độ bền và mô đun đàn hồi cao, độ
giãn nở thấp. Nhờ tính chảy tốt nên khi tăng nhiệt độ và áp lực ép thì hàm lƣợng sợi
tăng cƣờng có thể tăng nhƣng không làm giảm đi độ bền vật liệu.
b. Phân loại theo hình học của cốt [2]
Thành phần cốt cho vật liệu composite có hai loại cốt sợi và cốt hạt. Cốt hạt
dùng trong vật liệu composite để tăng cơ lý tính của hạt nhựa, hạt dùng để giảm giá
thành của vật liệu, tăng tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt cho nhựa nền cốt sợi dùng
trong vật liệu composite sẽ tăng thêm tính chất cơ học của vật liệu. Các tính chất
khác cũng tăng thêm nhƣ tính dẫn nhiệt, dẫn điện.
b1. Composite cốt hạt
Composite cốt hạt có cấu tạo gồm các phân tử cốt dạng hạt đẳng trục phân
bố đều trong nền. Các phân tử cốt trong trƣờng hợp này thƣờng là các pha cứng và
bền hơn nền, ví dụ nhƣ các oxyt, nitrit, borit, cacbit, … Cũng có thể hạt cốt là các
pha mềm, có độ bền cắt nhỏ nhƣ graphit, mica… Đó là các composite chống ma sát.

19


Từ đặc điểm của cơ chế hóa bền trong composite hạt, ngƣời ta phân thành
hai loại: composite hạt thô và composite hạt mịn (composite hóa bền phân tán).
Composite hạt thô nền có thể là polyme, kim loại, gốm. Ngƣời ta đƣa các hạt

cốt với vai trò là chất độn vào polyme để cải thiện độ bền kéo, nén, độ chống mài
mòn, độ dai, khả năng ổn định kích thƣớc… Các hạt độn thƣờng là thạch anh, thủy
tinh, oxyt, đất sét, steatit, đá vôi. Vai trò các hạt cốt trong trƣờng hợp này một mặt là
tác nhân tăng bền tạo cho composite có tính chất mới, mặt khác là chất độn thuần
túy nhằm tiết kiệm polyme. [2]
Composite hạt mịn thƣờng là các vật liệu hạt nóng và ổn định nóng. Do vậy
nó đƣợc dùng để thay thế các loại vật liệu truyền thống nhằm nâng cao hiệu suất
hoặc kéo dài tuổi thọ thiết bị, công trình trong các điều kiện sử dụng tƣơng đƣơng.
Nền các composite này thƣờng là kim loại hoặc hợp kim. Các phân tử cốt có kích
thƣớc nhỏ (<0,1µm), thƣờng là các vật liệu bền, cứng và có tính ổn định nhiệt cao
nhƣ oxyt, cacbit, nitrit, borit hoặc các pha liên kim loại. Tƣơng tác nền – cốt trong
loại composite này xảy ra ở mức vi mô ứng với kích thƣớc nguyên tử hoặc phân tử.
Cơ chế hóa bền tƣơng tự cơ chế tiết pha phân tán biến cứng khi phân hóa dung dịch
rắn bão hòa. Dƣới tác dụng của lực, trong mẫu composite, nền sẽ hứng chịu hầu nhƣ
toàn bộ tải, các phân tử cốt nhỏ mịn phân tán đóng vai trò hãm lệch, làm tăng bền
và cứng của vật liệu. Hiệu ứng hóa bền phân tán đạt đƣợc trong composite hạt mịn
không lớn lắm nhƣng ổn định ở nhiệt độ cao. Vì vậy các phân tử cốt đƣợc chọn từ
những vật liệu có khả năng ổn định tổ chức, tính chất và không hòa tan vào nền khi
nhiệt độ tăng cao. [2]
b2. Composite cốt sợi
Composite cốt sợi là loại vật liệu kết cấu rất quan trọng. Mục tiêu chủ yếu
nhất khi thiết kế chế tạo composite cốt sợi là độ bền riêng và modun đàn hồi riêng
cao. Do vậy, cả nền và sợi đều cần có khối lƣợng nhỏ, nền phải tƣơng đối dẻo, còn
sợi cốt phải có độ cứng vững và độ bền cao. Tính chất của composite cốt sợi phụ
thuộc vào nhiều yếu tố: bản chất vật liệu cốt và nền, độ bền liên kết nền cốt trên
ranh giới, sự phân bố và định hƣớng sợi, kích thƣớc, hình dạng của nó.[2]

20

Những thành phần của vật liệu composite bao gồm:
Các thành phần cốt của composite phải thỏa mãn đƣợc những đòi hỏi về khai
thác và công nghệ. Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi nhƣ yêu cầu về độ bền, độ
cứng, khối lƣợng riêng, độ bền trong một khoảng nhiệt độ nào đó, bền ăn mòn trong
môi trƣờng axit, kiềm… Còn đòi hỏi về công nghệ đó là những đòi hỏi về khả năng
công nghệ để sản xuất ra các thành phần cốt và những vật liệu composite trên cơ sở
những cốt này. Hiện nay, thành phần cốt của composite thƣờng dùng là các sợi
ngắn, các sợi dài đơn, các dạng sợi tết (đƣợc tết xoắn gồm nhiều sợi lại với nhau),
các cốt lƣới, vải, các băng dải sợi và các loại bông với tính năng cơ lý đã đƣợc xác
định. [1]
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng vật liệu cốt có thể có nguồn gốc khác nhau
nhƣ từ sợi thực vật, sợi khoáng, sợi nhân tạo, sợi tổng hợp.
1.1.4. Tính chất của vật liệu polyme composite [4]
Tính chất của vật liệu polyme composite (PC) là tổ hợp tính chất của các cấu
tử có mặt trong vật liệu. Tính chất của cấu tử polyme trong vật liệu composite phụ
thuộc vào khoảng thời gian, tốc độ và tần số của sự biến dạng hay tải trọng tác dụng
lên. Tính dàn nhớt của polyme cũng tạo nên đặc tính của composite nhƣ tính rão,
hồi phục ứng suất và sự tiêu tán năng lƣợng có thể dẫn tới sự sinh nhiệt bên trong
vật liệu. Sự phụ thuộc của vật liệu composite vào thời gian, tần số, tốc độ của tải
trọng đƣợc biểu diễn qua độ bền mỏi, độ bền kéo, độ bền va đập.
Đối với vật liệu composite cần quan tâm một số tính chất sau: modun xé rách
và hệ số Poisson đặc trƣng cho khả năng chịu biến dạng của vật liệu. Độ bền kéo,
nén cho biết khả năng chịu tải của vật liệu. Hệ số dãn nở nhiệt đặc trung cho sự thay
đổi kích thƣớc dƣới tác dụng của nhiệt độ và tải trọng. Ngoài các yêu cầu về tính
chất cơ lý còn cần phải biét các thông số nhƣ: độ dẫn nhiệt, điện, độ thấm chất lỏng
hoặc khí, hệ số khuyếch tán…
Tính chất nổi bật nhƣ của các polyme composite so với các vật liệu khác nói
chung là nhẹ, bền, chịu môi trƣờng, dễ lắp ráp, có tính đẳng hƣớng hay không đẳng

21

hƣớng chỉ phụ thuộc vào thiết kế ban đầu. Tuy nhiên tính chịu nhiệt vẫn là điểm yếu
hơn so với kim loại hoặc gốm.
Tính chất cơ lý của vật liệu composite phụ thuộc và đƣợc quyết định bởi các
yếu tố sau:
- Tính chất cơ lý của sợi tăng cƣờng.
- Sự thay đổi hàm lƣợng sợi - nhựa, hình học cốt sợi.
- Sự kết hợp giữa pha nhựa và sợi. Điều này đƣợc quyết định không chỉ bởi
độ bền liên kết tại bề mặt phân chia pha nhựa/sợi mà còn về độ nhạy cảm khác nhau
đối với những thay đổi của môi trƣờng ngoài của nhựa và sợi. Ví dụ: sự không
tƣơng ứng về hệ số dãn nở nhiệt của sợi và pha nhựa nền có thể gây ra sự phát triển
ứng suất gần bề mặt phân chia pha nhựa/sợi khi composite phải chịu sự thay đổi
nhiệt độ lớn, thƣờng xảy ra trong quá trình gia công.
- Các khuyết tật và tính không liên tục của nhựa nền.
Ưu điểm chủ yếu của composite nền polyme là: có độ bền riêng và các đặc
trƣng đàn hồi cao, bền vững với các môi trƣờng hóa học ăn mòn, độ dẫn nhiệt, điện
rất thấp. Ngoài ra, ƣu điểm của vật liệu polyme là khi chế tạo, với nhiệt độ và áp
suất nhất định có thể dễ triển khai các thủ pháp công nghệ, dễ kết dính sợi với nền.
Nhược điểm của composite polyme là: độ bền và độ cứng thấp khi trƣợt, khi
nén; khả năng chịu nhiệt và chịu các tác động phóng xạ không cao; có tính hút nƣớc
và dễ biến dạng khi bị thay đổi các đặc trƣng cơ lý cùng với thời gian và dƣới tác
động của các điều kiện khí hậu. Nhƣng nhƣợc điểm này của composite polyme
trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng lắm mƣa nhiều nhƣ ở Việt Nam đòi hỏi phải
có những nghiên cứu cơ bản cũng nhƣ thực nghiệm bổ xung để đảm bảo an toàn khi
sử dụng, cũng nhƣ đòi hỏi phải nâng cao các chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu nền và
khả năng thay thế chúng bằng những nền loại khác nhƣ nền gốm, nền hợp kim, nền
cacbon. Trong trƣờng hợp khai thác vật liệu kết cấu composite với những điều kiện
sử dụng khắt khe hơn.

22


1.1.5. Các ứng dụng của composite [1, 20, 22]
Vật liệu composite là sự kết hợp của các vật liệu nhằm phát huy các ƣu điểm
về các tính năng kỹ thuật của các vật liệu thành phần. Vật liệu này có khả năng chịu
lực và độ cứng, là loại vật liệu nhẹ so với các loại vật liệu truyền thống khác. Đây là
loại vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng hiện tại và tƣơng lai, đặc biệt trong các
ngành công nghệ cao nhƣ cộng nghệ vũ trụ. Vật liệu composite thu hút đƣợc sự
quan tâm của các nhà nghiên cứu và giới khoa học.

Hình1.3. Quần áo cho nhà du hành vũ trụ
* Ứng dụng của composite trong hàng không
Trong những năm gần đây, composite đƣợc sử dụng chế tạo các bộ phận trên
máy bay nhƣ kết cấu khung xƣơng, thân máy bay, cánh, bộ phận dẫn hƣớng… Theo
thống kê của hãng máy bay Boeing, chiếc Boeing Dreamline 878 sử dụng đến 50%
composite trên toàn bộ trọng lƣợng.
Một trong những lý do quan trọng nhất của việc ứng dụng rộng rãi loại vật
liệu này trong ngành hàng không là độ bền và độ cứng tƣơng đối trên trọng lƣợng
riêng của composite lớn. Điều này làm giảm tự trọng của máy bay, tiết kiệm nhiên
liệu, giảm ô nhiễm môi trƣờng và tăng hiệu quả kinh doanh. Composite còn đƣợc sử
dụng để chế tạo các chi tiết hình dạng phức tạp góp phần làm giảm số lƣợng chi tiết
trên máy bay, đồng thời giảm thời gian và chi phí lắp đặt sản phẩm. [2]

23


Chiếc Boeing 787 Dreamliner đầu
tiên đƣợc lắp đặt tại Everett,
Washington.

Ảnh: Reuters

Hình 1.4. Máy bay
* Ứng dụng của composite trong quân sự
Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh có tính trong suốt đối với sóng rada, đặc
tính này rất quan trọng trong các ứng dụng quân sự.
* Ứng dụng vật liệu composite trong ngành vận tải
Ứng dụng vật liệu composite trong ngành vận tải là rất lớn. Loại vật liệu này
cho phép chế tạo các phƣơng tiện vận tải nhẹ hơn, tiết kiệm nhiên liệu, tăng khả
năng chuyên chở, giảm ô nhiễm môi trƣờng. Ngoài ta composite sử dụng chế tạo
thân các chi tiết yêu cầu tính năng cao trong các xe đua, xe ô tô thƣơng mại khác.
Ngày nay các toa xe tàu hỏa cũng đƣợc chế tạo bằng vật liệu composite.
Hiệu quả làm giảm thiểu tự trọng của các toa xe và đoàn tàu, tăng lƣợng hàng
chuyên chở, tăng hiệu suất vận tải đƣờng sắt.
Đặc biệt hơn, với yêu cầu ngày càng khắt khe về bảo vệ môi trƣờng, các
dòng xe mới nhƣ động cơ điện, fuel cell đƣợc đƣa vào ứng dụng trong thị trƣờng xe
cơ giới. Hạn chế của các loại xe cơ giới này là dung tích ắc quy sử dụng cho xe
không cao, hạn chế tính cơ động của xe, trong khi giảm trọng lƣợng xe là rất cấp
thiết cho các phƣơng tiện sử dụng công nghệ xanh. Do đó vật liệu composite đƣợc
sử dụng tối đa trong chế tạo thân vỏ và các chi tiết trong thế hệ xe sạch này.

24