Khái niệm về vật liệu composit

Chương 2. Khái niệm về vật liệu composit
2-
1

Chương 2
KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU COMPOSIT
2.1. Khái niệm chung
Vật liệu composit là một hệ thống dị thể (không đồng nhất) được chế tạo từ 2 cấu tử
trở lên nhưng vẫn giữ nguyên được đặc tính của từng cấu tử.
Một trong các cấu tử có đặc tính liên tục trên toàn bộ thể tích vật liệu được gọi là
cấu tử nền, cấu tử khác có tính chất gián đoạn, bị phân cách trong toàn bộ thể tích c
ủa hệ
thống được gọi là cấu tử cốt (làm đặc). Cấu tử nền có thể là hợp kim, gốm, polime, vô cơ
và polime hữu cơ. Cấu tử cốt thường là các dạng hạt phân tán mịn, các dạng sợi thiên
nhiên hoặc nhân tạo.
Trong composit, các cấu tử tạo ra hiêu qủa tổng hợp, một chất lượng mới cho vật
liệu khác với các tính chất của cấu tử ban đầu. Trong composit kết c
ấu, đó là hệ số chất
lượng, kết cấu cao, vượt xa thép đến 15 lần. Dưới tác dụng của tải trọng, do tính dị hướng
của composit mà biến dạng hình thành không trùng với ứng suất phát sinh.
Nhờ việc giảm thể tích 4 lần, năng suất nâng cao 2-3 lần, thời gian sử dụng được
nâng cao 2-3 lần. 1 tấn composit về mặt lý thuyết có thể thay được 15-25 tấn thép. Do có
những ưu điểm nh
ư vậy việc sản xuất composit trên thế giới ngày 1 tăng. Những loại vật
liệu xây dựng thuộc composit có thể kể đến là bê tông, bê tông cốt thép, bê tông cốt sợi,
ximăng amiăng, tấm sợi gỗ ép, chất dẻo thuỷ tinh...
Việc xuất hiện tên “composit” có liên quan đến 1 hướng kỹ thuật hoàn toàn mới. Đó
là việc hình thành 1 loại công nghệ chế tạo ra những vật liệu cường độ cao, chủ yế
u dùng
cho các ngành chế tạo máy, máy bay, vệ tinh. Trong tương lai việc tạo ra 1 loại vật liệu
mới cho xây dựng phải gắn liền với lý thuyết và công nghệ của loại vật liệu composit.

2.2. Thành phần và cấu tạo của Composit
Tính chất cơ học và các tính chất khác của composit được xác định bằng 3 thông số
cơ bản: cường độ của cốt, cường độ của vật liệu nền và cường độ
liên kết trên bề mặt
phân chia nền và cốt
Vật liệu composit có nhiều loại. Việc phân loại chúng dựa vào bản chất của các cấu
tử, của vật liệu nền, dựa vào dạng cốt liệu và sự xắp xếp của nó trong vật liệu nền
Theo dạng cốt, composit đươc chia thành 2 nhóm: dạng hạt phân tán tăng độ bền và
dạng sợi. Chúng khác nhau về cấu tạo và cơ chế tạ
o cường độ cao. Composit hạt phân tán
tăng độ bền là loại vật liệu mà những hạt mịn phân tán một cách đều đặn trong nền với
hàm lượng thích hợp 2-4%. Hiệu quả tăng độ bền là tuỳ thuộc vào kích thước và hàm
lượng của các hạt. Khi kích của hạt mịn là 0.001 đến 0.1 micromet thì thể tích hạt có thể
đến 25% hoặc lớn hơn. Trong loại composit này, tuy có cường độ, độ cứng, độ ổn đị
nh
nhiệt cao nhưng độ dẻo vẫn đuợc giữ nguyên (thí dụ như các hạt phấn, mica, carbon, cát,
đá vôi trong nền bitum, cao su, polime nhân tạo)
Trong composit dạng sợi các sợi cường độ cao tiếp nhận ứng suất chủ yếu khi chịu
tác dụng của ngoại lực và đảm bảo độ cứng cho composit. Nét đặc biệt về cấu tạo của
loại này là sự phân bố sợi một cách đều đặn trong toàn kh
ối nền dẻo. Phần thể tích sợi có
thể đạt đến 75% hoặc lớn hơn.
Chương 2. Khái niệm về vật liệu composit
2-
2

Việc phân loại composit còn dựa theo phương pháp tạo cốt: composit có lớp cốt sợi
song song liên tục; composit có các lớp cốt vải hoặc sợi phân bố trong hệ không gian hỗn
độn.
Theo bản chất của vật liệu nền composit còn phân ra: composit nền polime;

composit nền kim loại; composit nền gốm; composit nền ximăng.
Tuỳ theo bản chất của cốt sợi, composit trên 1 loại nền còn được phân ra các loại
khác nhau. Thí dụ, composit trên cơ sở nền polime được phân ra: chấ
t dẻo sợi thuỷ tinh,
chất dẻo sợi kim loại, chất dẻo sợi carbon, chất dẻo sợi hữu cơ v.v...với các loại nền khác
ta cũng có thể đưa ra được các thí dụ tương tự.
Cốt sợi cần phải đảm bảo được toàn bộ các yêu cầu sử dụng và các yêu cầu công
nghệ của composit. Đối với yêu cầu sử dụng thì composit phải thoả mãn về cường
độ, độ
cứng, độ đặc, tính ổn định trong khoảng nhiệt độ nhất định, độ ổn định hoá học.
Cường độ composit tăng với sự tăng của mođun đàn hồi, năng lượng bề mặt các
chất và giảm với sự tăng khoảng cách bề mặt của các phân tử cạnh nhau. Như vậy, những
vật liệu rắn cường độ
cao cần phải có môđun đàn hồi cao, năng lượng bề mặt lớn và số
các phần tử trong một đơn vị thể tích lớn. Những nguyên tử beri, bo, carbon, nitơ, hidrô,
nhôm, silic đều thoả mãn những yêu cầu đó. Vật liệu bền nhất thường chứa một trong các
nguyên tố này.
Để làm cốt thường người ta hay sử dụng các loại sợi: thuỷ tinh, carbon, bo, hữu cơ
cường độ cao, kim loại, c
ũng như các loại sợi và những tinh thể dạng sợi của cacbit, oxit
nitrit và các chất khác. Các cấu tử cốt thường ở dạng sợi đơn, chỉ, sợi dây, dây bện, lưới ,
vải, băng, xơ.
Đối với các yêu cầu công nghệ cốt sợi phải tạo ra khả năng cho quá trình chế tạo
sản phẩm có năng suất cao.
Một yêu cầu không kém phần quan trọng đối với sợi là sự
đồng thời giữa sợi và
nền, có nghĩa là khả năng đạt được mối liên kết bền giữa sợi và nền mà vẫn giữ được tính
chất cơ học ban đầu của các cấu tử.
Vật liệu nền đảm bảo sự toàn khối cho composit, cố định hình dạng của sản phẩm,
và sự xắp xếp tương hỗ của sợi, đồng thời phân b

ố đều tải trọng tác dụng trên toàn bộ thể
tích vật liệu, ngay cả khi vật liệu đạt đến trạng thái giới hạn. Vật liệu nền quyết định
phương pháp chế tạo sản phẩm, các thông số của quá trình công nghệ, cũng như khả năng
gia công các kết cấu nhà và công trình.
Những yêu cầu đối với vật liệu nền cũng được phân ra làm 2 loại: yêu cầu về sử

dụng và yêu cầu về công nghệ.
Yêu cầu sử dụng có liên quan đến các tính chất cơ học, các tính chất lí hoá đảm bảo
cho khả năng làm việc của composit dưới sự tác dụng của các yếu tố sử dụng khác nhau.
Những yêu cầu công nghệ được xác định bằng quá trình chế tạo composit, có nghĩa là
quá trình nhào trộn cốt với nền và tạo hình sản phẩm cuối cùng. Mục đích của quá trình
công nghệ là
đảm bảo sự phân bố sợi một cách đều đặn trong nền (không bị dính vào
nhau) và giữ được tính chất ban đầu của sợi (chủ yếu là cường độ), đồng thời tạo ra được
sự tác động tương hỗ trên bề mặt phân cách nền – sợi.
Bề mặt phân cách được biểu thị trước tiên bằng sự dính bám tương hỗ của sợi và
nền xác định mức chất lượ
ng của composit và khả năng làm việc của nó trong quá trình
sử dụng. ứng suất cục bộ trong composit thường đạt giá trị lớn nhất trên bề mặt phân
Chương 2. Khái niệm về vật liệu composit
2-
3

cách, nơi bắt đầu phá huỷ vật liệu. Vì vậy bề mặt phân cách phải đảm bảo chuyền tải
trọng từ nền vào sợi một cách tốt nhất, đồng thời phải đảm bảo các liên kết trên bề mặt
sợi-nền không bị phá hoại do co ngót trong quá trình rắn chắc hoặc do nở vì nhiệt.
2.3 Sự làm việc đồng thời của vật liệu nền và cốt
Trong composit hạt phân tán, h
ạt chỉ bắt đầu tỏ tác dụng tăng độ bền khi nó hạn chế
được biến dạng của nền bằng sự chèn lấp cơ học. Điều đó phụ thuộc vào khoảng cách

giữa các hạt với đường kính của chúng, cũng như đặc tính đàn hồi của nền và hạt.
Nếu gọi môđun đàn hồi của composit là E
c
, thể tích của vật liệu nền là V
n
được lèn
chặt bằng thể tích hạt V
h
thì ta có “quy luật phối hợp” như sau:
E
c
= E
n
.V
n
+ E
h
.V
h
(2- 1)
Phương trình này biểu hiện dạng tương đối của môđun đàn hồi. Vì vậy môđun đàn
hồi của composit hạt phân tán phải thoả mãn quan hệ sau:
nh
hn
hn
c
EV
EV
EE
E .

.
.
+=
(2- 2)
Bất kỳ sai lệch dương nào so với phương trình này đều biểu hiện sự lèn chặt nền, có
nghĩa là tác dụng làm đặc của hạt.
Trong composit sợi bao gồm 2 cấu tử: sợi và nền có tác dụng tạo ra cường độ kéo
và uốn cao.
Khi ta chọn thể tích composit có sợi xắp xếp song song là 1 đơn vị, hàm lượng sợi
là V
s
và nền là V
n
(tính bằng số thập phân) thì:
V
s
+ V
n
=

1 hay V
n
= 1 – V
s
(2- 3)
Lực kéo đúng tâm và song song với sợi P sẽ được phân bổ cho sợi là P
s
và cho nền
là P
n

thì:
P = P
s
+ P
n
(2- 4)
Nếu chuyển thành ứng suất, thì sự phân bố ứng suất trong composit sẽ như

sau:
σ
c
=
σ
s
V
s
+
σ
n
(1-V
s
) (2- 5)
Trong giới hạn đàn hồi, theo định luật Húc thì:
σ
c
=
ε
s
E
s

V
s
+
ε
n
E
n
(1-V
s
) (2- 6)
Composit làm việc như một vật thể đồng nhất (biến dạng của cốt và của nền xẩy ra
đồng thời), đảm bảo không có sự trượt của sợi trong nền. Lúc đó biến dạng tương đối của
composit
ε
c
, của sợi
ε
s
và của nền
ε
n
sẽ bằng nhau:

ε
c
=
ε
s
=
ε

n
=
ε
(2- 7)
Khi xét đến điều kiện toàn khối của composit, phương trình cường độ của composit
sợi R
c
có dạng như sau:
R
c
= [E
s
V
s
+ E
n
(1-V
s
)]
ε
(2- 8)
Do đó môđun đàn hồi của composit E
c
trong trường hợp

này hình thành theo quy
luật phối hợp như sau:
E
c
= E

s
V
s
+ E
n
(1-V
s
) (2- 9)
Chương 2. Khái niệm về vật liệu composit
2-
4

Từ quan hệ
)1(
.
s
s
n
s
n
s
V
V
E
E
P
P
−
⎟
⎟

⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
(2- 10)
Thấy rõ rằng: lực mà sợi tiếp nhận P
s
tăng lên theo mức độ tăng của hàm lượng sợi
(V
s
) và môđun đàn hồi của nó là E
s
. Tương ứng với điều kiện đó là sự giảm tải trọng
truyền lên cho nền (có cường độ nhỏ hơn). Cường độ khi kéo và môđun đàn hồi của sợi
phụ thuộc vào
đ
ường kính của nó.
2.4 Tính toán composit sợi carbon và thuỷ tinh
(Phần này sinh viên tìm đọc các tài liệu của tác giả PGS.TS.Nguyễn Việt Trung Đại
học giao thông vận tải)