TIỂU LUẬN VẬT LIỆU COMPOSIT

I. Năm cơ chế phá hủy vật liệu composite.
Độ bền phá hủy của một vật liệu phụ thuộc vào các tính chất của vật liệu,
các tính chất bao gồm: bền kéo, ứng suất chảy, mô đun đàn hồi, độ bền uốn và
độ bền phá hủy. Các tính chất này lại phụ thuộc vào tỉ lệ và loại chất độn có
trong vật liệu nền. Do đó, chất độn có vai trò quan trọng, quyết định đến độ bền
phá hủy . Chỉ có những hiện tượng liên quan đến va đập, uốn, ứng suất kéo mới
có thể gây ra sự phá hủy vật liệu. Tất cả các hiện tượng liên quan tới độ mỏi của
vật liệu khi chịu tải trọng động được thảo luận trong từng phần như sau.


Các cách phá hủy.



Các cơ chế phá hủy.



Cấu trúc vi mô của hạt chất độn.



Những sự thay đổi trong nền dưới tác động



Làm bền vật liệu.



Dự đoán và mô phỏng phương thức phá hủy vật liệu.

Năm kiểu phá hủy quan sát được trong các thí nghiệm kéo. Phần lớn các
vật liệu mềm, dễ uốn bị phá hủy trong lúc biến dạng cứng dẻo( kiểu A) hoặc
phát triển cổ chai ( kiểu B). Kiểu C và kiểu D là hai kiểu điển hình trong kiểu
phá hủy tương tự phá hủy giòn. Kiểu C, một vùng mỏng được tạo ra trong quá
trình hình thành cổ eo. Trong trường hợp này, ứng suất giảm đến ứng suất kéo.
Trong kiểu D, phá hủy mẫu thông quá sự hình thành dải băng. Các dải băng này
cắt ngang qua mẫu và sự phá hủy xuất hiện khi vượt quá giới hạn đàn hồi. Kiểu
E là phá hủy giòn, phát triển vuông góc với phương tác động lực. Sự phá hủy
xuất hiện trước biến dạng đàn hồi.


H. Sơ đồ biểu diễn năm kiểu phá hủy vật liệu khi kéo
Từ sơ đồ ta nhận thấy khi hàm lượng chất độn càng tăng thì sự phát triển
cổ eo của mẫu khi chịu tác động của lực càng giảm, sự phá hủy tiến dần tới phá
hủy giòn.
Các mô tả trong các cơ chế phá hủy dưới đây được quan sát bằng SEM
và nhựa nền là polyeste nhiệt dẻo với chất độn sử dụng là Canxi terephalat,
Canxi cacbonat.

1.Cơ chế 1( cơ chế A).
Vật liệu: có tỉ lệ chất độn thấp so với nền.
Hình số 1 mô tả cơ chế phá hủy kiểu A.


H.1. Sơ đồ mô tả quá trình phá hủy theo cơ chế A.
Dưới tác dụng của lực kéo, các vết nứt phát triển tạo nên vùng thô ráp trên
bề mặt mẫu. Biến dạng cứng dẻo giúp mẫu không bị phá hủy dưới tác động của
tải trọng. Tỉ lệ chất độn thấp, điều đó giúp có đủ polyme nền để mẫu không bị
phá hủy dưới tác động của tải trọng bên ngoài. Bề mặt có 1 vùng rời ra (vị trí

phá hủy ban đầu) và 1 vùng hình hoa hầu như tách rời ra (nơi mở rộng vết xé
xảy ra). Các đặc điểm hình thái học bao gồm : mất kết dính hạt và kéo dài
khoảng trống. Sự phá hủy xuất hiện khi ứng suất cục bộ trong các mạch phân tử
polyme đạt tới ứng suất phá hủy của nền. Trong vật liệu cần có tỉ lệ chất độn
thấp, thì “ hoa thị” mới có thể hình thành. Hiện tượng trên được giải thích như
sau, khi ta tác động lực lên hai đầu của mẫu, mẫu biến dạng, do sự khác nhau về
độ cứng nên dẫn tới sự khác nhau về biến dạng giữa hạt độn và nền. Chính vì sự
khác nhau giữa biến dạng giữa mẫu và nền, các khoảng trống bắt đầu xuất hiện (
đây chính là các vết nứt tế vi). Tuy nhiên tỉ lệ chất độn so với nền rất thấp nên
các khoảng trống lúc nay không tập hợp lại được vớ nhau, độ bền của mẫu lúc


này phụ thuộc chủ yếu vào độ bền của nhựa nền. Giả sử là các hạt chất độn đã
lấp đầy được hết các khuyết tật của mẫu, thì khi lực tác động, nơi yếu nhất trong
mẫu chính là hai bên bề mặt của mẫu bởi vì với các phân tử bên trong lòng mẫu
khi lực tác động các phân tử đó được hai phân tử hai bền gánh bớt lực, còn với
bên bề mặt ngoài mẫu thì các phân tử chỉ có được một sự trợ lực của phân tử bên
cạnh, do vậy sự phá hủy mẫu sẽ xảy ra từ bề mặt ngoài của mẫu.

2. Cơ chế phá hủy B.
Vật liệu: tỉ lệ chất độn cao hơn A.
Hình 2 mô tả cơ chế phá hủy kiểu B. Sự hình thành và phát triển các
khoảng trống tương tự như kiểu phá hủy A. Chỉ khác là ở kiểu này các khoảng
trống đó tập trung lại với nhau và sự phá hủy xảy ra khi các tập hợp hạt độn tập
kết tụ lại với nhau tạo khoảng trống lớn tối đa. Phá hủy bắt đầu xảy ra ở vị trí
bên ( bề mặt ngoài) như kiểu A , cả phá hủy từ bên trong mẫu và không có vùng
hoa thị. Các bó sợi ngắn và nhỏ theo đường kính.

H.2. Sơ đồ mô tả quá trình phá hủy vật liệu theo cơ chế B.

Hiện tượng trên được giải thích như sau: khi ta càng kéo mẫu thì
khoảng trống càng dài ra, do hàm lượng chất độn lớn nên các khoảng
trống sẽ tập hợp lại với nhau theo chiều dọc. Ta càng kéo, chiều rộng
của mẫu càng giảm, các khoảng trông lớn càng tiến lại gần nhau, khi
chúng đủ gần, thì sẽ tập hợp lại với nhau và lúc đó vết phá hủy sẽ phát
triển hướng ra bên ngoài bề mặt mẫu. Kết thúc quá trình là sự phá hủy
mẫu.


3. Cơ chế phá hủy C.
Vật liệu : tỉ lệ chất độn cao hơn B.
Hình số 3 mô tả cơ chế phá hủy kiểu C. Không những có sự hình thành
khoảng trống và kết tụ các hạt độn xảy ra bên trong mẫu mà còn cả hướng ra bề
mặt ngoài của mẫu. Phá hủy bắt đầu trong lòng mẫu và có nhiều vết nứt thứ cấp.
Kiểu phá hủy này là điển hình của phá hủy thể tích, các hạt chất độn đủ gần để
kết tụ lại và dẫn tới làm giảm thể tích, hình thành một chút nhỏ cổ eo dẫn tới sự
phá hủy vật liệu. Đây là kiểu phá hủy tương tự phá hủy giòn.

H.3. Sơ đồ mô tả quá trình phá hủy vật liệu kiểu C.

4. Phá hủy kiểu D.
Vật liệu: tỉ lệ chất độn cao hơn C.
Trường hợp D, do hàm lượng chất độn rất lớn, khi tác động lực vào hai
đầu của mẫu, mẫu chưa kịp biến dạng thì trong mẫu đã xuất hiện các vết nứt, khi
các vết nứt xuất hiện, cộng với hàm lượng polyme nền ít, các vết nứt sẽ phát
triển rất nhanh và kết thúc bằng sự phá hủy mẫu.
Hình H.4 mô tả cơ chế phá hủy kiểu D. Phá hủy bắt đầu từ một bên của khối
mẫu và phát triển theo một góc sang phía cạnh bên kia. Khi tốc độ phát triển vết
nứt tăng, sự phá hủy không phát triển theo hướng cũ nữa mà nó phát triển theo
hướng vuông góc với phương chịu lực tác động. Kiểu D không xuất hiện hiện

tượng Stress-whitening ( stress-whitening là hiện tượng khi ta tác động lực đủ
lớn vào một thanh vật liệu polyme, tại nơi chịu ứng suất lớn nhất ta sẽ quan sát
thấy chỗ đó có màu trắng, đó là do sự xuất hiện và phát triển của các vết nứt tế
vi) mà là phá hủy giòn. Các hạt chất độn trong mẫu không kết tụ lại với nhau
nhưng một số hạt sẽ bị vỡ.

H.4. Sơ đồ mô tả quá trình phá hủy vật liệu theo cơ chế D.
Khi đó hình thành một dải băng hình được hình thành theo phương ngang
với phương của lực ( nó hơi chéo chéo), dải băng đó chính là nơi mà mẫu chịu
ứng suất lớn nhất và các đại phân tử bị dãn kéo căng ra, kết thúc của sự dãn kéo
căng này là mạch polymer sẽ bị đứt, do lực tác động vượt quá năng lượng liên
kết. Khi các vết nứt ( sự phá hủy) đầu tiên xuất hiện ở một cạnh bên mẫu, thì nó
nhanh chóng phát triển theo hướng góc mở sang cạnh đối diện, khi mà vết nứt
này phát triển tới một giới hạn đủ lớn thì nó sẽ phát triển theo phương vuông góc
với phương tác động của lực. Các vết nứt đó phát triển với tốc độ rát nhanh và
kết thúc bằng sự phá hủy mẫu. Kiểu phá hủy này là kiểu phá hủy tương tự phá
hủy giòn.
5. Cơ chế phá hủy E.
Cơ chế phá hủy E. Trong cơ chế phá hủy E không có sự kết tụ của các hạt chất
độn, mẫu cũng không có biến dạng mà thay vào đó cả chất độn và nền polyme
đều bị phá hủy cùng nhau, đây là phá hủy giòn. Trong trường hợp E, do hàm
lượng chất độn quá lớn, nên polyme nền không thấm ướt hoặc thấm ướt một lớp
rất mỏng lên hạt chất độn, nên liên kết giữa chất độn và nền yếu dẫn tới mẫu
yếu. Khi có lực tác động, các vệt nứt xuất hiện và phát triển sẽ cực kì nhanh,
nhanh hơn ở trường hợp D.

II.Sự ảnh hưởng của một số yếu tố đến độ bền của compozit.

Các sản phẩm polymer trong quá trình gia công, hay trong quá trình tổng
hợp luôn có những khuyết tật. Khi một mẫu polymer chịu tác động của một lực,
thì các đại phân tử ở mép các khuyết tật sẽ chịu ứng suất lớn hơn các đại phân tử
khác, và chính sự chịu ứng xuất tập chung đó gây ra sự phá hủy mạch đại phân
tử ở gần mép khuyết tật, cho dù lực tác động chưa cần vượt quá lực thực tế để
phá hủy vật liệu. Sự phá hủy đó, các khuyết tật bắt đầu phát triển rộng ra và kết
thúc bằng sự phá hủy mẫu. Bởi vậy, người ta đưa hạt chất độn vào, nhằm lấp đầy
tối đa có thể những chỗ trống đó. Khi chất độn được đưa vào, các lực tương tác
giữa nền và chất độn xảy ra, chính sự tương tác này đã giúp vật liệu bền hơn nhờ
chất độn đã gánh bớt một phần năng lượng khi vật liệu chịu lực tác động và hơn
nữa chất độn đã giảm bớt được rất nhiều sự tập chung ứng suất vào một hay một
số đại phân tử nào đó.Việc một chất độn được đưa vào một polymer nền có ảnh
hưởng tới sự thay đổi về tính chất, mà rõ nhất là tính chất cơ học của polymer đó
như thế nào phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Sau đây là một vài yếu tố đó: bản
chất hóa học của chất độn và polymer, kích thước hạt chất độn, sự đồng đều
trong phân tán, tỉ lệ giữa chất độn và polymer, sự tương hợp giữa chất độn và
nền polymer.
Bảng dưới đây cho ta thấy sự ảnh hưởng của các một số loại chất độn
( kích cỡ, loại, tỉ tệ so với nền ) đến cơ chế phá hủy của vật liệu.
Bảng 1.1
Filler
CaT-1
Vol %
0
2,4
4,5
7,0
14,0
18,0

24,0
27,0
45,0
54,0

CaT-2

CaCO3-1

CaCO3-2

CaCO3-3

Mode A

B
C
D
E

Biểu đồ ảnh hưởng của của các loại chất độn và tỉ lệ chất độn đến các cơ chế phá
hủy A, B, C, D.
Từ bảng trên ta có thể thấy rằng, ví dụ ta xét trường hợp của CaT-1, CaT-2
( calcium terephthalate) với cùng một lại chất độn nhưng lại có kích thước khác
nhau và cùng một kích thước nhưng có tỉ lệ so với nền khác nhau thì cơ chế phá
hủy mẫu cũng khác nhau. CaT-1 có kích thước nhỏ hơn CaT-2, khi tỉ lệ chất


độn-polymer là 14% thể tích thì cơ chế phá hủy mẫu của nền-CaT1 là cơ chế A,
trong khí đó với mẫu nền-CaT2 là cơ chế B. Giờ ta lại đi xét cặp nền-CaT1 với

CaCO3-3, ta cũng nhận thấy điều tương tự, CaT-1 thì có tính chất rất khác so với
CaCO3-3, nó tương tác với nền tốt hơn, nó có kích thước nhỏ hơn cho nên nó có
hiệu quả tăng cường tính chất tốt hơn, còn với CaCO 3-3 thì có hiệu quả tăng
cường tính chất kém hơn, thậm chí là không có bởi nó có d=6,1μm, khi tỉ lệ độn
nền là 14,0 thì với CaCO3-3 đã phá hủy theo cơ chế tươn tự phá hủy giòn. Với
CaCO3, mẫu phá hủy theo cơ chế phá hủy giòn là do, mức độ tương tác giữa nền
và chất độn tỉ lệ thuận với diện tích tiếp xúc pha, khi hạt chất độn càng to thì
diện tích tiếp xúc pha càng nhỏ, do vậy mà khi hạt chất độn to dần tới mẫu yếu
và khi chịu lực tác động, sự phá hủy mẫu sẽ xảy ra theo cơ chế phá hủy giòn.
Độ tương hợp giữa nền và chất độn có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền phá
hủy của vật liệu. Độ tương hợp tăng lên thì tính chất của vật liệu cũng được tăng
lên. Nếu độ tương hợp kém, khi có lực tác động chất độn và nền rất dễ tách ra
khỏi này làm giảm tính chất của vật liệu. Mức độ tương hợp phụ thuộc vào khá
nhiều yếu tố như, hình dạng của hạt chất độn ( hình cầu, hình kim..), bản chất
hóa học của nền và chất độn, bề mặt chất độn. Hình dạng hạt chất độn, ví dụ như
bột tacl có cấu trúc hình kim( cấu trúc bất đẳng hướng) gây giảm độ bền xé
rách- độ bền theo chiều dọc các hạt độn lớn hơn rất nhiều so với chiều
ngang( định hướng của hạt trong quá trình gia công), nhưng với chất độn aramid
thì lại làm tăng độ bền của vật liệu đặc biệt là độ bền kéo lên rất nhiều. Bề mặt
hạt chất độn, ví dụ như chất độn CaCO3 chưa biến tính bề mặt trong PE làm
giảm độ bền kéo, tuy nhiên khi biến tính photphate thì lại làm tăng độ bền kéo
rất nhiều. Hay với chất độn silica với cao su, nếu ra không biến tính bề mặt
silica ( sử dụng silan) thì độ tương hợp với nền rất kém, đưa vào sẽ làm giảm
tính chất nền ( độ chịu mài mòn, bền kéo, xé..). Hay về bản chất của chất độn và
nền, nếu một chất độn mà không phân cực, hay không có các nhóm chức, nhóm
hoạt động ở bề mặt đưa vào một nền polymer phân cực như Epoxy thì sẽ làm
giảm tính chất cơ lí của vật liệu do độ tương hợp rất thấp. Tuy nhiên không phải
cứ độn tương hợp càng cao càng tốt, ta chần một độ tương hợp phù hợp với tính
chất mà ta cần cải thiện, ví dụ như trường hợp chất độn Alumino-silicate với
PVAc ( polyvinyl axetat) do sự tương tác quá mạnh dẫn tới độ cứng của vật liệu

tăng và làm giảm độ bền kéo – chọn cặp nền –độn phù hợp.
Tỉ lệ chất độn với nền, độ bền, cụ thể là bền kéo không tăng tuyến tính với
tỉ lệ chất độn, mà nó sẽ có một tỉ lệ gọi là tỉ lệ tối ưu.Đó là tỉ lệ mà tại đó cho ta
độ bền cơ lí và giá thành sản phấm phù hợp nhất. Tỉ lệ chất độn cao quá có thể
dẫn tới sự tập hợp các hạt chất độn lại do khi đó tương tac độn-độn cao hơn độnnền, làm bất đồng nhất về tính chất cơ lí, thậm chí có thể xảy ra đảo pha. Với tỉ
lệ chất độn thấp quá thì độ bền của vật liệu lại được cải thiện quá ít, không đạt
được yêu cầu.


Trong trường hợp ta không sử dụng cao su liên kết, nhận thấy rằng khi có lực tác động đủ lớn

Sự biến dạng của hạt chất độn theo chiều lực tác động, điều này khá quan
trọng. Nếu khi có lực tác động vào vật liệu, làm nền polymer biến dạng, mà khi
đó hạt chất độn không phần nào biến dạng theo, sẽ dần tới khác nhau về sức
căng, liên kết độn-nền sẽ bị phá vỡ hoặc suy giảm, tạo điều kiện cho vết nứt tế vi
xuất hiện
Nhưng phần lớn khả năng biến dạng của các chất độn vô cơ rất kém, điều
này ngược lại hoàn toàn với khả năng biến dạng của các chất độn polymer.Với
các chất độn là polymer thì sự biến dạng khi có lực tác động không thành vấn
đề, còn với chất độn vô cơ ta phải tìm cách khắc phục khả năng biến dạng của
nó.Với chất độn vô cơ ta sử dụng polymer liên kết, polymer này sẽ tạo một vỏ
bọc bền ngoài hạt chất độn, và nó tương hợp tốt với nền.
Dưới đây là một vài ví dụ về sử dụng chất độn trong polymer và sự khác
biệt giữa một polymer có sử dụng cao su liên kết và một polymer không có.


a

b

c

H.5. Ba sơ đồ biểu diễn việc sử dụng chất độn trong nền polymer.
X: chất độn,
a.
b.
c.

: hạt cao su.

Sử dụng hỗ hợp cả chất độn vô cơ và cao su, cao su liên kết trông nền
polymer.
Sử dụng cao sư và chất độn vô cương một cách riêng biệt.
Sử dụng cao su liên kết và chất độn vô cơ.

Mô hình biểu diễn sự khác biệt
Giữa sử dụng và không sử dụng cao su
Liên kết.
Đưa các hạt cao su nhỏ, hay sử dụng cao su liên kết vào trong các
polymer có tính giòn nhằm tăng độ bền va đập của vật liệu. Các hạt cao su, hay
cao su liên kết sẽ hạn chế sự phát triển của các “ khoảng trống” từ đó giảm sự
hình thành vết nứt tế vi, điều đó xảy ra được là nhờ chúng có khả đàn hồi khi có
lực tác động, nhờ đó sẽ định hướng lại ứng suất và chia đều ra trên một khoảng
diện tích bề mặt rộng.


Độ bền của một composite được tính như sau:
Độ bền phá hủy có thể được tính toán từ phương trình Einstein:
Trong đó:
là độ bền phá hủy của composite.

là độ bền phá hủy của nền.
là phần thể tích chất độn.
Phương trình này phù hợp với những hệ thống không có sự kết dính giữa
chất độn và nền. Phương trình này dự đoán rằng độ bền phá hủy của composite
bị giảm khi mà mật độ chất độn tăng lên.
Với những vùng chứa các hạt cùng kích cỡ, lượng tự do, có phần thể tích chất
độn tập trung là 0,56>>0, phương trình như sau:
Phương trình này dự đoán sẽ có vài sự tăng nhẹ trong độ bền phá hủy khi
mà mật độ chất độn tăng lên. Với composite độn sợi, phương trình sau dưới đây
được xây dựng nhờ những số liệu thực nghiệm.
∂c = ∂m ( 1 + 1.64.∅)
Phương trình này giải thích tại sao sợi gia cường có vai trò quan trọng
trong việc tăng khả năng chịu phá hủy. Những phương trình trên quan trọng với
việc phân loại cơ bản của chất độn xét về mặt ảnh hưởng của chúng trên khả
năng chịu phá hủy nhưng chúng không đủ khả năng trong việc miêu tả ảnh
hưởng của nền và tương tác của chất độn.
Một phương pháp được sử dụng là sự tính toán tốc độ năng lượng của tích
phân J. Nó được thừa nhận rằng có 2 hằng số đánh giá một là ở điểm khởi đầu
vết nứt, Jc, và cái khác ở điểm hư hỏng,Jr, được đưa ra bởi phương trình:
Trong đó:
B là độ dày mẫu đo.
Uc là năng lượng khởi đầu.
a là chiều dài vết nứt.
UT là tổng năng lượng phá hủy.
Những giá trị của 2 năng lượng này có thể tìm thấy nhờ vẽ đồ thị U trên
một đơn vị chiều dày (U/B) với a. Những giá trị J có thể được xác định từ những
dốc của những đường thẳng. Vẽ đồ thị những giá trị J với phần thể tích chất độn
cho thấy ảnh hưởng của chất độn với việc bắt đầu vết nứt và với năng lượng phá
hủy.

Những phương pháp khác của việc xử lí dữ liệu gồm tính toán cường độ
tới hạn (độ bền phá hủy), tốc độ phát triển vết nứt, năng lượng phá hủy, và khả
năng chịu phá hủy. Những mẫu này tiên đoán sự phân tán lực và tính chất lưu
biến của nền xung quanh hạt.

III. Độ bền ma sát và bền mài mòn trong vật liệu polymer.
1.

Độ bền ma sát.
Sự ma sát xuất hiện khi ta cho hai bề mặt vật liệu trượt trên nhau, lúc này
lực ma sát xuất hiện do sự cản trở dịch chuyển hai bề mặt bởi các chỗ lồi lõm
trên bề mặt vật liệu hay do các lực bán dính của hai bề mặt vật liệu tại các
điểm tiếp xúc. Lực ma sát được đặc trưng bởi một hệ số, gọi là hệ số ma sát.
Hệ số ma sát này phụ thuộc rất lớn vào tải trọng và nhiệt độ. Sự phụ thuộc
của hệ số ma sát vào tải trọng được tính như sau.
µ = K.W0.3-0.4
Ở đây:
K – hệ số tỷ lệ
W – Tải trọng

Ở một nhiệt độ cố định, thì khi ta tăng tải trọng lên mẫu hệ số ma sát sẽ
giảm, nếu tải trọng cố định và nhiệt độ tăng thì hệ số ma sát tăng.
Khi thay đổi nhiệt độ và tốc độ trượt thì chất dẻo có thể thay đổi tính cách:
chúng có thể như vật thể ở trạng thái thủy tinh, có thể là vật thể mềm cao hoặc
vật thể dẻo. Quan sát quá trình ma sát trong điều kiện đẳng nhiệt là rất khó vì
trong vùng tiếp xúc giữa hai mặt phẳng luôn luôn có sự tỏa nhiệt. Ngoài ra có
thể có hai loại tương tác của các vật liệu khi cọ xát với nhau. Loại thứ nhất là do
các lực bám dính tại các điểm tiếp xúc gây ra. Các lực này cản trở sự trượt, do
đó sự trượt chỉ có thể xảy ra khi phá vỡ các liên kết cục bộ tương ứng. Loại thứ

hai là do các chỗ lồi lõm trên bề mặt tiếp xúc mắc vào nhau và sự biến dạng
nhiều lần của các chỗ lồi lõm đó khi trượt. Trong trường hợp này, công của lực
ma sát sẽ tiêu thụ vào tổn hao trễ của các biến dạng nhiều lần.
Đối với những vật liệu polymer sử dụng chất độn thì hệ số ma sát còn
phụ thuộc vào tỉ lệ chất độn, loại chất độn trong vật liệu. Bảng dưới đây cung
cấp một số ví dụ về tỉ lệ chất độn ảnh hưởng tới hệ số ma sát trong vật liệu ( hệ
số ma sát động)
Bảng 2. Hệ số ma sát trong một số chất dẻo.


Polyme

Chất độn

Polycarbonate
Polycarbonate
Polycarbonate

PTFE
Aramid
PTFE
PTFE
Polyoxymethylene
Aramid
Silicone
Polybutyleneterephthalat PTFE
e
Polyethyleneterephthalat PTFE
e
Polyamide-6

PTFE
PTFE
Polyamide-6
Silicone

Tỉ lệ, wt%

Hệ số ma sát
Động

10
15
15
10
5
3
15

0.12
0.15
0.10

10

0.15

15
18
2

0.23

0.05
0.20

0.11

PTFE
Glass fiber

15
30

PTFE
Glass fiber
Silicone
PTFE
Carbon fiber

13
30
2
15
30
15
20
20
15
20

0.31
0.20
0.22

Polypropylene

PTFE
PTFE
PTFE
PTFE
Glass fiber

Polyurethane,
thermoplastic

PTFE

15

0.32

Polyamide-6,6
Polyamide-6,6
Polyamide-6,6
Polyamide-11
Polyamide-12
Polyamide, amorphous

0.26
0.14

0.11

0.09

Từ bảng số liệu trên ta nhận thấy rằng, với cùng một nền polymer, khi tỉ lệ chất
độn tăng lên ( tổng chất độn) thì hệ số ma sát sẽ giảm xuống. Với cùng một loại
chất độn, cùng một tỉ lệ nhưng trên hai nền polymer khác nhau thì hệ số ma sát
cũng khác nhau.
2.

Độ bền mài mòn.


Sự mài mòn của chất dẻo xảy ra khi có sự tương tác bám dính chất, sự mềm
mỏi, biến dạng kéo lớn, tác động mài mòn tương tác nhiệt và tương tác nhiệt oxy
hóa, sự ăn mòn, sự tạo lỗ..v.v.. Thể tích bị mài mòn của vật liệu chất dẻo được
tính bằng công thức:

Ở đây:
K – Hằng số tỷ lệ
µ - Hệ số ma sát
P – Trọng lực
E – Modun
D – Khoảng cách trượt
W – Tải trọng
Is – Cường độ biến dạng giữa các lớp với nhau.
Một chất độn được sử dụng như một phụ gia để làm giảm sự mài mòn bởi
không hạ thấp sức căng cho phép, µP/E.
Cả chất nền và chất độn đều góp phần làm tăng độ bền mài mòn. Một số
Polyme điển hình sử dụng trong những ứng dụng chống mài mòn như: polyamit,

polyaxetat, polybuten terePhtalat, và polycacbonnat. Những polymer này có
những tính chất phù hợp như khả năng ma sát thấp, tính cơ học tốt, chịu va đập,
độ ổn định hình khối. Việc lựa chọn chất độn thông qua hệ số ma sát sao cho ảnh
hưởng ít nhất đến tính chất cơ học của nên và bám dính tốt với nền. Thường thì
rất khó có được những chất độn theo tiêu chuẩn như trên vì chất độn có hệ số ma
sát thấp làm tiếp xúc với các chất khác không được tốt. Polyterafloetylen thường
sử dụng làm phụ gia chống mài mòn, ví dụ ta thêm 20% PTFE vào polyamit 66
làm bền kéo xuống 40%. Để khắc phục hiện tượng này PTFE thường được sử
dụng cùng với với sợi thủy tinh. Sợi thủy tinh làm tăng độ mài mòn của vật liệu
nhưng cũng tăng cường tính chất cơ học cho vật liệu và do đó làm bù lại những
khuyết điểm nhờ sử dụng PTFE
Một số chất độn điển hình sử dụng giúp tăng độ bền gồm :PTFE, silicon, bột
graphit, molipden, disunfit và chất độn aramit. Với hỗn hợp mica và oxit
ziroconi cũng cho hiệu quả gia cường tương tự. Hình.6biểu diễn tác dụng tăng
độ chịu mài mòn cho nền Epoxy của mica và mica trong hỗn hợp với oxit
ziriconi.


H.6 Wear volume vs amount of filler.
Hình.7 cho thấy, MoS2 kết hợp với PTFE có hiệu quả tăng chống mài mòn
cho nền cao hơn là sử dụng Graphite kết hợp với PTFE. Kết quả này là giới hạn
tới 1 dãy khá nhỏ của chất độn tập trung bởi vì PTFE không tương tác với chất
độn và tính chất cơ học của nó bị giảm đi nhanh chóng như việc chất độn tập
trung tăng lên. Việc thêm vào 40% chất độn (graphit hay MoS 2) làm giảm độ
dãn dài từ 240% về gần đến 0. Thêm vào chỉ 20% chất độn cũng làm giảm độ
dãn dài xuống khoảng không đầy một nửa giá trị.

H.7. Wear rate vs filler content

Hình 7.9 minh họa ảnh hưởng của sự định hướng sợi trong tốc độ mài
mòn. Sự bám dính của sợi tới nền và chất phân tán của chúng là những thông số
chủ yếu của sợi aramit. Diện tích bề mặt của sợi aramit tạo ra sự bao bọc bề mặt
phân chia cơ học và giới hạn phân tán của chúng trong nền. Một số chất độn có
kích thước nhỏ làm tăng độ bám dính nhưng cũng khiến cho các sợi tạo bó, các
bó này rất khó bị phá vỡ sau quá trình gia công cắt. Một loại dầu gia công đặc
biệt được dùng để ngăn tạo bó.
Mài mòn là sự phá hủy các lớp bề mặt polymer trong khi cọ xát.Trong quá
trình mài mòn vật liệu bị tách khỏi bề mặt cọ xát. Sự mài mòn chất dẻo xảy ra
theo các cơ chế khác nhau: cơ chế “giấy ráp”, cơ chế cọ xát và cơ chế kết dính
nội. Mài mòn kiểu “giấy ráp” xảy ra do sự cắt, cào bề mặt vật liệu bởi các mấu
lồi cứng của vật liệu gay ra cọ xát. Dấu hiệu bên ngoài của mài mòn theo cơ chế
này là các vạch đặc trưng trên bề mặt sắp xếp dọc theo hướng chuyển động
tương hỗ của hai vật cọ xát. Mài mòn do cọ xát xuất hiện do lực ma sát của các
điểm lôi kéo mạnh các lớp bề mặt chất dẻo. Vi vậy, vùng tiếp xúc sẽ chịu tải
trọng động lien tục và kết quả là xảy ra phá hoại do mỏi. Tùy thuộc vào trạng
thái của chất dẻo và điều kiện thử nghiệm, cơ chế mài mòn dạng này có thể
chuyển sang dạng khác.
Có 2 vấn đề sẽ được thảo luận là khả năng chống chịu của vật liệu và sử dụng
chất độn trong vật liệu ma sát. Cả 2 đều có những đặc điểm riêng biệt và khác
nhau.
Thông thường, cao su có tính chống mài mòn thấp do khả năng đàn hồi của
nó. Ta có thể tăng khả năng chống mài mòn bằng cách cho thêm silica và carbon
đen. Đồ thị dưới đây cho ta thấy các mức độ mài mòn khác nhau khi cho carbon
đen.
Từ đó ta thấy khoảng cách liên hợp giảm thì độ mài mòn cũng giảm
Một đồ thị khác dưới đây cho thấy việc tăng chất độn trong vật liệu làm giảm độ
mài mòn. Do tương tác hóa học giữa gốc hydroxyl trong đất sét và liên kết ion
trong EPDM, đất sét giúp giảm mài mòn tốt hơn carbon đen.

H.8. Abrasion loss of SBR containing different types of carbone balck
Vs interaggregate distance.

H.9. Abrasion loss EPDM vs filler content.
Carbon black tạo sự tương tác yếu với mạch chính, tăng độ bám dính giữa
chất độn và nền góp phần làm tăng khả năng chống mài mòn. Dựa vào nghiên
cứu cao su thiên nhiên với chất độn silica, ta có thể cải thiện khả năng kết dính
giữa chất độn và nền bằng 1 chất độn đa chức . Như vậy nồng độ của các chất
độn tăng, sự mất mát mài mòn giảm.
Vật liệu ma sát điển hình được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô là má
phanh. Trong quá khứ, amiăng là chất độn được sử dụng nhiều nhất nhưng sau
năm 1983, việc sử dụng amiăng đã được dần dần giảm bớt và thay vào đó là vật
liệu thay thế (đã được tìm thấy sau khi thử nghiệm rộng rãi trên hơn 1200 vật


liệu khác nhau). Có ba công nghệ chính được sử dụng để sản xuất má phanh: lót
kim loại, phanh carbon - carbon composite, vật liệu ma sát từ cao su. Chúng ta
sẽ nói về vật liệu ma sát từ cao su. Các vật liệu ma sát được lựa chọn qua một
quá trình phức tạp với một số yêu cầu nhất định. Ngoài hệ số ma sát, hệ thống
phanh cần tính toán để không bị ảnh hưởng quá lớn của ma sát trong chu kỳ lặp
đi lặp lại từ quá nhiệt và trở về nhiệt độ bình thường. Phanh nên có khả năng
phục hồi nhanh chóng tổn thất ma sát khi tiếp xúc với nước, chúng cần có khả
năng chống chịu với cao độ lớn khác nhau của tải và ma sát. Chất độn hiếm khi
được sử dụng một mình mà thường kết hợp với các chất khác . Có thể bao gồm
một dây dẫn để tạo điều kiện tản nhiệt (bột kim loại, thường xuyên nhất đồng
hoặc đồng thau), một chất độn hạt cho bề mặt (điển hình là barytes, canxi
cacbonat, và đất sét) và gia cố (sợi mà có thể chịu được nhiệt độ và duy trì cơ
tính và khả năng ma sát như aramid, thủy tinh, carbon… ) . Tuy vậy tất cả các
sợi được sử dụng ngày nay vẫn không thể bằng amiăng với sự ổn định nhiệt,

tính chất cơ học cao, độ đàn hồi và đủ để ngăn chặn đứt gãy cấu trúc (thủy tinh
thông thường và sợi carbon)

IV. Độ bền trầy xước.
Trong thực tế, chống trầy xước là một yêu cầu rất quan trọng, vì một sản
phẩm có bề mặt trầy xước không ổn định, có thể làm hỏng sản phẩm( do có
khuyết tật trên bề mặt dẫn đến phá hủy sản phẩm trong khi sử dụng) tuy nhiên
lại có rất ít nghiên cứu tin cậy được thực hiện vì rất khó để thực hiện chính xác.
Gần đây, kĩ thuật phân tích hình ảnh đã trợ giúp quá trình khắc phục các
lỗi kĩ thuật xảy ra trong quá trình thực nghiệm. Ngoài những thiệt hại tại chính
nơi bị trầy xước, các khu vực xung quanh vết xước cũng bị ảnh hưởng. Sử dụng
nhựa trong công nghiệp sản xuất oto, đặc biệt là việc nghiên cứu sử dụng
polypropylene để phát triển các sản phẩm có chất lượng cao hơn, độ bền trầy
xước cao hơn.
Phương pháp trong việc nghiên cứu bằng phân tích hình ảnh gồm các bước sau:




Sử dụng một thiết bị kiểm soát bề mặt bị trầy xước,
Phân tích khu vực bị trầy xước bằng ánh sáng phân cực trong kính hiển vi
quang học
Sao chép và phân tích các hình ảnh thu được.

Ví dụ về chất độn chống trầy xước.
Bột talc là một chất độn làm giảm độ bền trầy xước của vật liệu polyme
compozit:
Đồ thị dưới đây thể hiện các dữ liệu thu được khi phân tích bề mặt trầy
xước có phụ gia propylene:

H.10. Average scattering difference vs talc load in polypropylene.
Như vậy lượng bột talc tăng thì khả năng chống trầy xước giảm.
Độ bám dính giữa chất độn và nền ở đây có thể được tăng cường vì bột talc có
độ cứng kém, hoàn toàn có thể thêm chất độn vào để cải thiện.
Dưới đây là một chất độn nano có tác dụng tăng khả năng chống trầy xước của
vật liệu.

Hình.11. cấu trúc của 1 chuỗi nano composite và phản ứng hình thành.


Nanocomposite này có khả năng chống trầy xước tốt. Nó thường được
phủ thêm một lớp màng kính, nhờ đó khả năng chống xước của nó tăng gấp 3
lần so với vật liệu thường khi cắt bằng kim cương, và gấp 2 lần các vật liệu khác
với cùng màng phủ đấy.
Vậy ta có thể nhận thấy rằng, khi kích thước hạt chất độn càng nhỏ, với
cùng một diện tích bề mặt thì mật độ hạt chất độn có ở lớp bề mặt đôi với chất
độn kích thước nhỏ cao hơn rất nhiều so với hạt độn có kích thước lớn, sự tương
tác chất độn-nền càng tăng, thì vật liệu có khả năng chống chày xước cao hơn,
tuy nhiên vấn đề phân bố chất độn đồng đều trong khối hỗn hợp là rất khó khăn
bởi kích thước hạt chất độn càng nhỏ thì sự kết tụ lại với nhau càng lớn.

V. Độ bền mỏi.
Chất độn ảnh hưởng đến tính đàn hồi của vật liệu, do đó ảnh hưởng đến độ
bền mỏi. Chúng ta sẽ đề cập đến những vấn đề sau :
• Yếu tố ảnh hưởng sự kháng mỏi
• Cơ chế của sự suy giảm độ bền mỏi của chất độn
• Ảnh hưởng của chất độn trong việc tăng cường độ bền mỏi.
Định luật Paris chỉ ra quan hệ tốc độ phát triển vết phá hủy và mức độ
mỏi:

a: độ dài vết phá hủy
N: Số chu kỳ
C,m: Hằng số phụ thuộc vật liệu
∆K= Kmax - Kmin, khoảng hệ số độ mỏi
Giá trị của hằng số C và m không kèm theo ý nghĩa vật lý riêng nào. ∆K
tăng lên khi lượng chất độn tăng. Điều này chỉ ra rằng chất độn tăng độ bền
mỏi.Dữ liệu phát triển vết phá hủy có thể thu được với máy kiểm tra độ bền kéo
hoạt động trong một chế độ tuần hoàn với sự kết hợp phần mềm/phần cứng có
khả năng xác định chiều dài vết phá hủy tại một khoảng chu kỳ. Phương trình
sau được dùng để tính toán:
n: số lần lặp .
Hình H.12 chỉ ra kết quả của vài nghiên cứu. Việc cộng thêm vào bề mặt
các hạt thủy tinh đã được xử lý đòi hỏi ứng suất thực tế cao hơn để hỗ trợ tốc độ
phát triển giống nhau của các vết nứt so với epoxy nguyên chất. Độ kết dính tốt
và khả năng phân phối lực đóng vai trò quan trọn trong việc cải thiện tính chất.


H.12. Crack growth rate of epoxy with and without glass beads vs stress intensity factor

Nhân tố khác quan trọng trong việc nghiên cứu kháng mỏi liên quan đến
việc phân tán năng lượng. Nội năng vật liệu phải được phân tán. Năng lượng
phân tán được tính bằng phương trình :

Hình 13. cho thấy sự khác biệt trong sự tác động của vật liệu có chất độn
và không có chất độn. Đó là sự khác biệt lớn về năng lượng trong hai hệ do sự
gia cường của cacbon đen. Các hệ được độn khác về phản ứng của chúng trước
các lực liên tục tác động vào. Ở trong hệ chất độn, Tính chất không tuyến tính
được theo dõi với mức năng lượng liên quan đến chu kỳ. Cái này ảnh hưởng đến
hiệu quả của sự phân tán năng lượng và hình thành các liên kết ngang.
Hiệu ứng làm mềm là một hiện tượng liên quan đến chất độn gia cường.

Khi vật liệu biến dạng đến mức căng nhất định, trở về ban đầu và bị kéo căng
lần thứ hai thì đường cong biến dạng lần 2 sẽ nằm dưới đường cong thứ nhất. Có
vài lí do cho hiện tượng này,bao gồm hồi phục đàn hồi không hoàn toàn,sự đảo
pha từ cứng sang mềm, phá vỡ mạng lưới, sự trượt cửa chuỗi từ các điểm tách
rời.


Hình 13.Modun của cao su nitril có và không có than đen
Phương trình biểu diễn sự mất mát năng lượng biến dạng .

∆W

: năng lượng biến dạng mất mát

σ

: giá trị ứng suất ở chu kỳ 2 ( biến dạng)

Ɛ

: biến dạng tối đa

σ0

: giá trị ứng suất ở chu kỳ đầu

Phương trình Mooney-Rivlin thường được sử dụng để giải thích kết quả
thí nghiệm liên quan đến Hiệu ứng làm mềm:
g(Ɛ) = 1 +(C2/C1)*(1/ƛ).
Trong đó:

g(Ɛ) Hàm tắt dần ( dựa trên thực tế là sự phản ứng của vật liệu không
còn tỉ lệ thuận với sự biến dạng ).
C1

hằng số đàn hồi (thước đo độ kết nối các thành phần mạng lưới).

C2 hằng số hồi phục ứng suất (đóng góp của những sự tập trung đến
modun cân bằng)
ƛ

tỉ lệ giãn nở


Quá trình phá hủy diễn ra theo 2 bước: xuất hiện vết phá hủy và phát triển
vết phá hủy. Những ví dụ trên và một vài ví dụ ở dưới chỉ ra rằng đưa thêm các
chất độn vào có thể giúp can thiệp vào bước phát triển vết phá hủy. Những chất
độn không đồng nhất với nền có thể góp phần tạo và phát triển vết phá hủy .
Trong phương diện này, tính chất của nền rất quan trọng. Nếu nền có đặc tính
giòn, độ bền mỏi sẽ phụ thuộc vào việc xuất hiện vết phá hủy. Một khi đã xuất
hiện vết phá hủy thì quá trình phát triển của nó rất nhanh. Trong nền có tính
mềm dẻo, có sức kháng mỏi lớn hơn để phát triển vết phá hủy, do vậy sự xuất
hiện vị trí có vết nứt không gây ra bất lợi cho toàn sự kháng mỏi. Sự bám dính
giữa nền và chất độn và đặc tính nền quyết định ảnh hưởng của chất độn trên sự
xuất hiện của vết phá hủy.
Sự phát triển vết phá hủy bị ảnh hưởng bởi bản chất của chất độn và
tương tác của nó với nền. Hình.14 cho thấy cơ chế các hạt chất độn làm chậm
quá trình phát triển vết phá hủy. Mặt trước vết phá hủy tiến đến các hạt chất độn
có độ kết dính tốt tới nền. Mặt trước của vết phá hủy sẽ phát triển chậm lại bởi
các hạt chất độn do tương tác của chúng tới vùng ứng suất trên đỉnh. Sự hình
thành và tập trung các khoảng trống thường đi kèm với phá hủy nền từ các hạt

độn và mặt trước của vết phá hủy phát triển tiếp tục. [H.14]

H.14. Crack front propagation slowed down by a pinning mechanism.
Hình.16 cho thấy số liệu thực nghiệm từ nguồn khác xác nhận cơ chế
ghim. Trong vật liệu có chất độn bám dính tố với nền, để phát triển các vết phá
hủy cần có ứng suất tác động vào mẫu cao hơn nhiều so với trong vật liệu có các
hạt chất độn bám dính với nền kém ( từ Eq).


Hình 16.Ảnh hưởng của sự gắn kết lên tốc độ phát triển vết nứt trong HDPE độn cao lanh

Hình.17 cho thấy ảnh hưởng của sự phát triển vết phá hủy trên toàn bộ các
hạt chất độn. Vết nứt phát triển có thể bị cản trở bởi cơ chế ghim nếu ứng suất
nhỏ hơn độ bám dính ngoại và độ bám dính nội của hạt chất độn. Nếu ứng suất
cao hơn độ bám dính nội hạt chất độn thì hạt sẽ bị vỡ. Các bằng chứng thực
nghiệm hoạt động của cơ chế này được đưa ra ở hình [7.31].

H.17. Crack growth mechanism.
Cơ chế mất kết dính sợi được đưa ra ở hình 8.47. Có nhiều giai đoạn, bao
gồm mất kết dính, hình thành khoảng trống, tập hợp, và cuối cùng là hình thành
vết phá hủy. Bởi vì có một ứng suất lớn hơn xung quanh các điểm cuối của sợi,
Mất kết dính có nhiều khả năng xảy ra ở các chỗ này. Có những bằng chứng
thực từ nghiên cứu của SEM xác nhận rằng cơ chế đó xảy ra trong composites.


H.18. Failure mechanism in fiber reinforce system.
Một vài ví dụ dưới đây minh họa sự ảnh hưởng của chất độn lên sự kháng
mỏi. Hình.19 cho thấy chiều dài vết phá hủy phụ thuộc vào số chu kỳ. Bột Talc
tăng thời gian phá hủy lên khoảng 50%. Quá trình hình thành và phát triển vết
phá hủy đều được cải thiện bằng cách thêm vào bột Talc.

Hình.19 Độ dài vết phá hủy và số chu kỳ của PC/ABS độn talc
Hình.20 chỉ ra ảnh hưởng của mật độ chất độn tới độ bền mỏi. Sự mất mát
trọng lượng trong suốt quá trình tác dụng lực theo chu kỳ được gây ra bởi phản