Bài tiểu luận vật liệu composite

BÀI TIỂU LUẬN

VẬT LIỆU COMPOSITE

Môn

: Vật liệu học


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................................1
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE.................................2
1.1 . Giới thiệu về vật liệu Composite..........................................................2
1.2. Cấu tạo của vật liệu Composite...............................................................3
1.2.1. Vật liệu nền (phần nền).....................................................................3
1.2.2. Một số chất nền thường gặp trong vật liệu Composite.....................4
1.2.3. Thành phần cốt..................................................................................9
1.2.4. Chất pha lỗng.................................................................................13
1.2.5. Chất tách khn, chất làm kín và các phụ gia khác.......................13
1.2.6. Xúc tác – Xúc tiến............................................................................14
1.3. Cơ chế của vật liệu gia cường................................................................14
1.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu Composite............15
1.4.1. Sự định hướng của sợi.....................................................................15
1.4.2. Tương tác giữa nền và sợi................................................................15
1.4.3. Lượng sợi có trong vật liệu..............................................................16
1.4.4. Tỉ lệ chất đóng rắn, thời gian, nhiệt độ, loại chất đóng rắn...........16
1.4.5. Kỹ thuật gia công..............................................................................16
CHƯƠNG II: VẬT LIỆU COMPOSITE CỐT SỢI THỦY TINH.....................17
2.1.Khái quát về vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh................................17
2.1.1. Cấu trúc của vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh..........................17
2.1.2. Vai trò của thành phần.....................................................................17

2.1.3. Phân loại vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh................................17
2.2.Vật liệu Composite nhựa Epoxy gia cường bằng cốt sợi thủy tinh.....19
2.2.1. Tổng quan.........................................................................................19
2.2.2. Nguyên liệu.......................................................................................20
2.3. Tính năng của vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh............................23
2.3.1. Tính năng đặc trưng........................................................................23
2.3.2. Ưu điểm và nhược điểm...................................................................23


CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE CỐT
SỢI THỦY TINH................................................................................................25
3.1. Phương pháp handlayup (lăn ép bằng tay)......................................25
3.2. Phương pháp lăn ép phun..................................................................26
3.3. Phương pháp đúc kéo.........................................................................26
3.4. Phương pháp quấn sợi.......................................................................27
3.5. Phương pháp đúc chân không...........................................................28
3.6. Phương pháp túi chân không............................................................29
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE CỐT SỢI THỦY
TINH...................................................................................................................31
4.1. Trong ngành y tế.................................................................................31
4.2. Trong lĩnh vực công nghiệp...............................................................31
4.3. Trong ngành cơng nghiệp đóng tàu...................................................31
4.4. Trong ngành chế tạo ô tô....................................................................31
4.5. Trong lĩnh vực hàng không...............................................................32
4.6. Trong trang trí nội thất......................................................................32
4.7. Trong ngành xây dựng:......................................................................32
4.8. Một số hình ảnh của vật liệu Composite..........................................32
KẾT LUẬN.........................................................................................................35
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................36

DANH MỤC BẢNG, HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Vật liệu Composite
Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc Vật liệu Composite
Hình 1.3. Cơng thức nhựa UPE (Unsaturated Polyester)
Hình 1.4. Một số tính chất của nhựa UPE (Unsaturated Polyester)
Hình 1.5. Cơng thức cấu tạo của nhựa Epoxy
Hình 1.6. Một số đặc tính cơ bản của nhựa Epoxy
Hình 1.7. Sơ đồ cơng nghệ phủ Cu lên graphit trong dung dịch đồng sunfat
Hình 1.8. Ứng dụng của vật liệu PC
Hình 1.9. Lý thuyết kết dính tại bề mặt tiếp xúc vật liệu gia cường/ vật liệu nền.
Hình 2.1. Sàn nhà máy được quét lớp bọc nhựa cốt sợi thủy tinh
Hình 2.2. Hình ảnh SEM mặt cắt vật liệu Composite nhựa Epoxy cốt sợi thủy
tinh
Hình 2.3. Sơ đồ cơng nghệ chế tạo sọi thủy tinh một giai đoạn
Hình 2.4. Một số chất liên kết thông dụng dùng trong Epoxy và sợi thủy tinh
Hình 3.1. Sơ đồ cơng nghệ phương pháp Handlayup
Hình 3.2. Sơ đồ cơng nghệ phương pháp lăn ép phun
Hình 3.3. Sơ đồ cơng nghệ phương pháp đúc kéo
Hình 3.4. Sơ đị cơng nghệ phương pháp quấn sợi
Hình 3.5. Thiết bị và vật liệu trong cơng nghệ đúc chân khơng
Hình 3.6. Sơ đồ cơng nghệ phương pháp đúc chân khơng
Hình 3.7 Sơ đồ cơng nghệ phương pháp tứi chân khơng
Hình 4.1. Ống Composite và bàn hình chữ nhật để ngồi hiên
Hình 4.2. Bồn và bể chứa làm bằng vật liệu Composite nhựa Epoxy cốt sợi thủy
tinh (GRE)
Hình 4.3. Sản phẩm giả làm từ vật liệu Composite
Hình 4.4. Thang cáp và ống dây dẫn
Hình 4.5. Vỏ xe, tàu làm bằng vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh

LỜI MỞ ĐẦU
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 để làm
gạch tạo thành những cơng trình kiến trúc vĩ đại. Và điền hình về vật liệu
Composite lúc bấy giờ chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai
Cập.
Vật liệu Composite xuất hiện lần đầu tiên tiên trên Trái Đất cũng chính do
thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc Composite, đó là thân cây gỗ cấu trúc của nó gồm
nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng licnin1. Kết quả của sự liên kết
hài hoà này làm thân cây vừa bền và dẻo đây là một cấu trúc vật liệu Composite
do tạo hóa tạo ra rất lý tưởng.
Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây
dựng. Và ở Việt Nam, từ ngày xưa người xưa đã truyền lại cho nhau cách làm
nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để làm vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu
cứng, mát về mùa hè và ấm vào mùa đông
Mặc dù vật liệu Composite là vật liệu đã có mặt từ rất lâu, nhưng ngành khoa
học về vật liệu Composite chỉ mới hình thành gần đây gắn với sự xuất hiện trong
công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950. Từ đó đến nay, khoa học
công nghệ vật liệu Composite ngày càng phát triển trên tồn thế giới và có khi
thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu Composite".
Trong vật liệu Composite có rất nhiều loại khác nhau được áp dụng trong
từng loại lĩnh vực khác ở đây nhóm chỉ tìm hiểu về vật liệu Composite cốt sợi
thủy tinh (FRP)2 được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong tiểu luận này
sẽ đề cập một cách tổng quan nhất về vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh như:
Nguyên liệu chế tạo, các phương pháp gia công, ứng dụng…

1 (A. lignin) hợp chất cao phân tử hữu cơ có trong gỗ. Cấu tạo của linic rất phức tạp, có nhiều nhóm
chức khác nhau như nhóm OH, OCH3,... và số lượng các nhóm chức trong phân tử phụ thuộc vào chủng loại thực vật.

2 Tên viết tắt của vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh (Fibeglass Reinfored Plastic)


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE
1.1. Giới thiệu về vật liệu Composite
Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu
khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn
các vật liệu ban đầu tạo ra nó.

Hình 1.1 Vật liệu Composite
Vật liệu Composite được cấu tạo từ hai thành phần chính :
+ Vật liệu nền ( hay cịn gọi là phần nền) có chức năng đảm bảo các thành
phần cốt bên trong vật liệu Composite được liên kết với nhau, nhằm tạo ra tính
nguyên khối và thống nhất cho vật liệu Composite.
+ Vật liệu gia cường ( hay còn gọi là phần cốt) nhằm đảm bảo cho vật liệu
Composite có được các đặc tính cơ học cần thiết.


+ Ngồi ra cịn có chất đóng rắn (đối với nhựa nhiệt rắn), chất độn và một số
phụ gia cần thiết.

Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc Vật liệu Composite
Thành phần trong vật liệu Composite có thể là:
+ Phần nền có thể là các loại Polymer (chiếm 90%) như PolyEtilen (PE),
PolyVinylAxetat (PVA), PolyPropilen (PP), PolyVinylClorua (PVC), Epoxy, cao
su,… Ngồi ra cịn có thể là vật liệu Ceramic (Xi măng, thủy tinh,…), kim loại
( Sắt, thép, đồng,…).
+ Phần cốt về cơ bản nó có hai loại cốt là: cốt sợi (thủy tinh, cellolose 3,
cacbon, aramid,…), cốt hạt (kim loại, đất sét, bột gỗ, bột đá,…) hoặc các hình
dạng đặc biệt khác.

1.2. Cấu tạo của vật liệu Composite
1.2.1. Vật liệu nền (phần nền)
Vật liệu nền cần có độ cứng cần thiết để đảm bảo cho vật liệu Composite chịu
được tải, và cấu trúc đồng nhất của nó.
Vật liệu nền giữ vai trị cực kì quan trọng trong việc chế tạo vật liệu
Composite.
Vật liệu nền phải đáp ứng được yêu cầu khai thác và cơng nghệ.
3 Xen-lu-lơ (bắt nguồn từ tiếng Pháp: cellulose) cịn gọi là xenlulôzơ, xenlulôza, là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ
các liên kết các mắt xích β-D-Glucose, có cơng thức cấu tạo là (C6H10O5)n trong đó n có thể nằm trong khoảng 5000-14000,
là thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật


Là chất kết dính, tạo mơi trường phân tán, đóng vai trị truyền ứng suất sang
độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu. Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn
hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục.
1.2.2. Một số chất nền thường gặp trong vật liệu Composite
1.2.2.1. Nhựa nhiệt rắn
Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm
polymer nền cho vật liệu Composite:
Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS4, ABS5, PVC… độn được trộn với nhựa, gia công trên
máy ép phun ở trạng thái nóng chảy.
Nhựa nhiệt rắn: PU6, PP, UF7, Epoxy, Polyester khơng no, gia công dưới áp
suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polymer khơng no có thể tiến hành ở
điều kiện thường, gia cơng bằng tay. Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho ra các loại
vật liệu Composite có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo.
Một số loại nhựa nhiệt rắn thơng thường:
a. Nhựa Polyester

Hình 1.3. Cơng thức nhựa UPE (Unsaturated Polyester)
Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ vật liệu Composite,

Polyester loại này thường là loại không no, đây là nhựa nhiệt rắn, có khả năng
đóng rắn ở dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp.
4 Nhựa Polystyren
5 Nhựa Acrylonitrin butadien styren
6 Polyurethane có khả năng chống mài mịn và sức bền nứt tốt hơn so với cao su, đồng thời có khả năng chịu tải cao hơn. Khi
so sánh với nhựa, Polyurethane có độ bền va đập tốt hơn, đặc tính chịu mòn và đàn hồi rất tốt.
7 Nhựa urê-formaldehyde là một loại nhựa nhiệt được làm bằng Urê và formaldehyde được tạo ra bởi phản ứng trùng hợp
ngưng tụ giữa Urê và formaldehyde. Nó có độ tinh khiết cao và lưu trữ được rất lâu.


Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol hay monomer khác nhau, mỗi
loại có những tính chất riêng biệt đặc trưng khác nhau.
Để tạo nên nó phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau:
+ Thành phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ các chất sử dụng)
+ Phương pháp tổng hợp
+ Trọng lượng phân tử
+ Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến)
+ Hệ chất độn
Bằng cách thay đổi các yếu tố trên, người ta sẽ tạo ra nhiều loại nhựa có các
tính chất đặc biệt khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng.

Hình 1.4. Một số tính chất của nhựa UPE (Unsaturated Polyester)

Có hai loại polyester chính thường sử dụng trong cơng nghệ vật liệu này là :
1. Nhựa orthophthalic cho giá trị kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi.
2. Nhựa isophthalic lại có khả năng kháng nước tuyệt vời nên được xem là
vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực hàng hải.
Đa số nhựa Polyester có màu nhạt, thường được pha lỗng trong styrene.
Lượng styrene có thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho
q trình gia cơng. Ngồi ra, styrene cịn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết

ngang giữa các phân tử mà khơng có sự tạo thành sản phẩm phụ. Polyester cịn
có khả năng ép khn mà khơng cần áp suất.


Nhựa Polyester có thời gian tồn trữ ngắn là do hiện tượng tự đóng rắn của nó
sau một thời gian. Thông thường, người ta thêm vào một lượng nhỏ chất ức chế
trong quá trình tổng hợp nên nhựa polyester để ngăn ngừa hiện tượng này.
Nhà sản xuất có thể cung cấp nhựa ở dạng tự nhiên hay có dùng một số phụ
gia. Nhựa có thể được sản xuất chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng được nhưng
cần phải có thời gian để Polyester tự đóng rắn.
Do tốc độ trùng hợp q chậm cho mục đích sử dụng, vì vậy cần dùng chất
xúc tác và chất xúc tiến để đạt độ trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời
gian nào đó. Khi đã đóng rắn, nhựa Polyester rất cứng và có khả năng kháng các
loại hóa chất. Q trình đóng rắn hay tạo kết ngang được gọi là quá trình
Polymer hóa. Đây là phản ứng hóa học chỉ có một chiều. Cấu trúc không gian
này cho phép nhựa chịu tải được mà khơng bị giịn.
Nhựa và các phụ gia phải được phân tán đều trước khi cho xúc tác vào. Phải
khuấy đều và cẩn thận để loại bỏ bọt khí trong nhựa nếu khơng loại bỏ bọt khí
có thể ảnh hưởng đến q trình gia cơng. Điều này rất quan trọng do bọt khí cịn
trong nhựa sẽ ảnh hưởng tính chất cơ lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu. Cần phải
chú ý rằng việc dùng xúc tác và xúc tiến với hàm lượng vừa đủ sẽ cho vật liệu
những tính chất tốt nhất.
Nếu quá nhiều xúc tác sẽ làm q trình gel hố xảy ra nhanh hơn, ngược lại,
nếu ít xúc tác q trình đóng rắn sẽ bị chậm lại.
b. Nhựa Vinylester
Nó có cấu trúc tương tự như nhựa Polyester, nhưng điểm khác biệt chủ yếu của nó
với polyester là vị trí phản ứng, thường là ở cuối mạch phân tử do vinyl ester chỉ có
kết đơi C = C ở hai đầu mạch.
Toàn bộ chiều dài mạch phân tử đều sẵn chịu tải, nghĩa là vinylester dài và đàn hồi
hơn polyester. Vinylester có ít nhóm Ester hơn nhựa Polyester và nhóm Ester rất dễ bị

thủy phân, tức là vinylester kháng nước tốt hơn các loại nhựa Polyester khác.
Ứng dụng: làm ống dẫn và bồn chứa hóa chất.

c. Nhựa Epoxy


Hình 1.5. Cơng thức cấu tạo của nhựa Epoxy
Nhựa Epoxy được tạo thành từ những mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tự
vinyl Ester, với nhóm Epoxy phản ứng ở vị trí cuối mạch.
Nhựa Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nó có
tính năng cơ lý cao, kháng mơi trường hơn hẳn các loại nhựa khác, là loại nhựa được
sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay và sử dụng phổ biến nhất hiện nay.

Với tính chất kết dính và khả năng kháng nước tuyệt vời của mình, Epoxy rất
lý tưởng để sử dụng trong ngành đóng tàu, lớp lót chính cho tàu chất lượng cao
hoặc là lớp phủ bên ngoài vỏ tàu hay thay cho nhựa Polyester dễ bị thủy phân
bởi nước và gel coat8.
Tính chất nổi bật của nhựa Epoxy:
Khả năng kháng nước của Epoxy rất tốt do nó khơng có nhóm Ester. Do đó
Chịu ứng suất cơ và nhiệt tốt, dai và kháng nhiệt tốt hơn mạch thẳng do có hai
vịng thơm ở vị trí trung tâm. Cả nhựa Epoxy lỏng và tác nhân đóng rắn đều có
độ nhớt thấp thuận lợi cho q trình gia cơng.
Epoxy đóng rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phòng từ 5 – 150 oC, tuỳ
cách lựa chọn chất đóng rắn, nhựa Epoxy cơ tính cao, độ bám dính cao với
nhiều loại cốt, có thể khai thác sử dụng đến 150 – 200oC.
Độ co ngót thấp trong khi đóng rắn. Lực kết dính, tính chất cơ lý của nó được
tăng cường bởi tính cách điện và khả năng kháng hóa chất.

8 Gelcoat là dạng chất lỏng đơng cứng để tạo thành 1 lớp bề mặt dày phía trên lớp sợi thủy tinh composite, nhằm bảo vệ và
giúp bề mặt láng và sáng đẹp hơn. Công dụng của gelcoat là bao bọc lớp ngoài cùng của sản phẩm, giúp làm khn, trang trí

cho bề mặt thêm đẹp, sáng bóng hơn.


Hình 1.6. Một số đặc tính cơ bản của nhựa Epoxy
Ứng dụng của Epoxy rất đa dạng, nó được sử dụng rất đa dạng trong nhiều
lĩnh vực thực tế như:
Xây dựng: Sản xuất sơn nước Epoxy, keo dán xử lý mối nối, hỗn hợp xử lý bề
mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn…
Công nghiệp sản xuất các chi tiết công nghệ cao, trong sản xuất máy bay, tàu
ngầm, vệ tinh...
1.2.2.2 Chất nền Polyme dẻo
Khơng có cơng đoạn đóng rắn, khả năng thi cơng tạo hình dáng dễ thực hiện
và có giá thành thấp.
Nhược điểm: khơng chịu được nhiệt độ cao, xử lý độ nhớt dung dịch khó
khăn.
Vật liệu dẻo: Nylon, Poly - Phenylin, RolivxanPolyester nhiệt dẻo.
1.2.2.3. Chất nền Cacbon
Nền cacbon có tính chất cơ lý tương tự như sợi cacbon, đảm bảo tính chịu
nhiệt độ cao và khai thác triệt để ưu điểm của cốt sợi cacbon trong vật liệu
Composite.


1.2.2.4. Chất nền kim loại
Thường là kim loại nhẹ: nhôm, Magie, hoặc các kim loại chịu nhiệt độ cao
(titan, niken) hoặc là dạng hợp kim.
Phổ biến hiện nay dùng nền lưới dạng hợp kim nhơm, chúng có khả năng kết
hợp hài hòa với cốt bảo đảm tốt những đòi hỏi cơ lý cũng như cơng nghệ.

Hình 1.7. Sơ đồ cơng nghệ phủ Cu lên graphit trong dung dịch đồng sunfat
1.2.3. Thành phần cốt

Đóng vai trị là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý
cao hơn nhựa.
Các tiêu chí đánh giá đặc điểm chất độn:
Tính gia cường cơ học, tính kháng hóa chất, mơi trường, nhiệt độ.
Phân tán vào nhựa tốt, truyền nhiệt, giải nhiệt tốt, thuận lợi cho việc gia công.


1.2.3.1. Độn dạng sợi
Sợi có tính năng cơ lý hóa cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành
cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi
cacbon9, sợi Bor10, sợi cacbua silic11,…
1.2.3.2. Độn dạng hạt
Thường được sử dụng là : bột đá (CaCO 3), vẩy mica, vẩy kim loại, độn
khoáng, cao lanh, đất sét, hay graphite, cacbon…
Ưu điểm:
Giảm giá thành, dễ đúc khn, giảm tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao.
Tăng thể tích cần thiết đối với độ trơ lỳ, tăng độ bền cơ lý, hóa, nhiệt, điện.
Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đông rắn, che khuất sợi
trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đông rắn.
Vật liệu Composite có pha nền là nhựa tổng hợp, nhựa nhiệt rắn cốt thường là
sợi thuỷ tinh, sợi cacbon, sợi bor. Các vật liệu composite nền kim loại sử dụng
cốt là sợi thép, vonfram,...

Hình 1.8. Ứng dụng của vật liệu PC

1.2.3.3. Sợi thủy tinh
a. Cấu tạo
9 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.
10 Sợi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học là B), 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.
11 Sợi Cacbua Silic (cơng thức hóa học là: SiC) cũng là một loại sợi gốm thu được nhờ kết tủa.


Sợi thuỷ tinh có 2 dạng: sợi dài (dạng chỉ) và sợi ngắn, có dạng hình trụ trịn.
Nhiệt độ làm việc ở độ cao nhất định của vật liệu Composite sử dụng cốt sợi
thuỷ tinh từ 500 – 700oC.
b. Chế tạo
Được chế tạo từ quá trình nhiệt phân một chất hữư cơ thích hợp để phân hóa
thành Polyme và Cacbon, bằng nung nóng rất lâu hàng tuần để pha khí khuyếch
tán ra khỏi vật liệu. Sau khi xử lý như vậy thể tích khối giảm 50% và tinh thể
nhỏ mịn, độ bền cao đạt 70 - 200 Mpa.
c. Đặc điểm
Trọng lượng nhẹ, chịu nhiệt cao, ổn định với các tác động hóa sinh, có độ bền
cơ lý tính cao, độ dẫn nhiệt thấp và giá thành thấp.
d. Ứng dụng
Sản xuất Vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh, chế tạo vỏ tàu thuyền, ôtô, vỏ
máy bay, cánh quạt trong tua bin nước…
1.2.3.4. Sợi hữu cơ
a. Cấu tạo
Gồm 2 loại sợi phổ biến: Sợi hữu cơ Aramid 12và sợi Polyetylen (PE).
Nhiệt độ làm việc của vật liệu Composite sợi hữu cơ thường dưới 200oC.
b. Đặc điểm
Mođun đàn hồi cao, độ bền cao, tính cách điện cao, ổn định về nhiệt độ.
c. Ứng dụng
Được sử dụng rộng rãi trong sản xuất chế tạo thân, vỏ tên lửa, động cơ nhiên
liệu rắn, ống chịu lực, găng tay cách nhiệt, áo giáp, thiết bị thể thao,…

1.2.3.5. Sợi Cacbon
a. Cấu tạo
Là loại vật liệu quan trọng nhất, có vai trị ngày càng lớn trong khoa học kỹ
thuật do khối lượng riêng nhỏ (khoảng 2g/cm 3). Độ bền rất cao 2000 - 3000
12 Aramid là viết tắt của “Aromatic Polyamide” (Polyamide có chứa vịng thơm). Sợi Aramid là sợi nhân tạo chất lượng cao.
Phân tử Aramid là mạch Polymer cứng, liên kết nhau bằng liên kết Hydro rất mạnh nên truyền ứng suất cơ rất tốt.


Mpa, nhiệt độ làm việc của vật liệu Composite sử dụng sợi Cacbon lên đến
2000oC.
b. Ưu điểm
Rất nhẹ, chịu được nhiệt độ cao, hệ số ma sát, giãn nở nhiệt thấp, rất bền vững
với khí hậu, có độ cứng cao.
Độ bền từ 2000 - 4000 Mpa, mođun đàn hồi 200 -700 Mpa, Vật liệu
Composite Polymer sợi cacbon cứng hơn cả sắt.
c. Ứng dụng
Vật liệu Composite cốt sợi Cacbon được dùng để sản xuất các tấm chịu lực
cản máy bay, thân vỏ ôtô, máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ, thân vỏ các động cơ tên
lửa, cánh tua bin, khuôn dập…chi tiết địi hỏi có độ bền cao và siêu bền khi chịu
nhiệt.
1.2.3.6. Sợi bor
a. Cấu tạo
Sợi Bor (B) cho phép tăng độ bền, tăng mođun đàn hồi của vật liệu, nhiệt độ
trong khoảng làm việc nhỏ hơn 500oC.
b. Đặc điểm
Sợi bor dùng sản xuất vật liệu Composite trên nền vật liệu nhôm hoặc
polymer, làm giảm độ dẫn nhiệt, dẫn điện của vật liệu, có độ bền cao hơn hẳn
sợi cacbon từ 300 - 3500 Mpa, nhưng nhiệt độ làm việc thấp và giá thành rất
cao.
c. Ứng dụng

Vật liệu Composite này được ứng dụng trong sản xuất các chi tiết cho hàng
khơng, kỹ thuật tên lửa và vũ trụ, địi hỏi chỉ tiêu về độ bền và độ cứng cao. Sử
dụng để chế tạo các khung, tấm, cũng như các chi tiết khác của vật thể bay.
1.2.4. Chất pha loãng
Đồng trùng hợp tốt với Polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm
khơng đồng nhất, làm ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm, hoặc cịn sót lại
các monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền.


Monomer phải tạo hỗn hợp đồng nhất với Polyester, tốt nhất là dung mơi cho
Polyester. Lúc đó nó hịa tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử Polyester, tạo
thuận lợi cho phản ứng đóng rắn và tạo độ nhớt thuận lợi cho q trình gia cơng.
Nhiệt độ sơi cao, khó bay hơi trong q trình gia cơng và bảo quản.
Nhiệt phản ứng đồng trung hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp ít co rút, ít
độc.
Để đóng rắn Polyester, người ta dùng các monomer : styrene, metyl meta
acrylat (MMA), vinyl, triallil xianuarat,…
Trong đó Styrene được sử dụng nhiều do có những tính chất ưu việt:
Có độ nhớt thấp, khả năng tự bốc cháy thấp, đóng rắn nhựa nhanh.
Trùng hợp tốt với Polyester, khả năng đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp.
Sản phẩm chịu thời tiết tốt, cơ lý tính cao, cách điện tốt.
1.2.5. Chất tách khn, chất làm kín và các phụ gia khác
a. Chất róc khn:
Có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khn như silicon, dầu mỏ,…
b. Chất làm kín:
Với khn làm từ các vật liệu xốp như gỗ, thạch cao thì cần phải bơi chất làm
kín trước khi dùng chất róc khn như là Cellulose acetate, stearic acid,…
c. Chất tẩy bọt khí:
Bọt khí làm sản phẩm của vật liệu Composite bị giảm độ chịu lực, độ chống
chịu thời tiết và thẩm mỹ bề mặt. Lượng sử dụng: 0.2 - 0.5 % so với lượng nhựa.

d. Chất thấm ướt sợi:
Có tác dụng tăng khả năng thấm ướt sợi giúp sử dụng độn nhiều hơn. Lượng
sử dụng: 0.5 - 1.5% so với độn. Cùng với chất tăng độ phân tán và chất thoát
hơi.
1.2.6. Xúc tác – Xúc tiến
a. Xúc tác:
Chỉ được cho vào nhựa trước khi gia cơng. Vai trị của chúng tạo gốc tự do
kích động cho q trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp. Tác nhân kích thích


cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ ánh sáng, tia tử ngoại,
nhiệt độ.
Chất xúc tác gồm các loại: Xúc tác Peroxide, xúc tác azo và diazo.
b. Chất xúc tiến:
Là chất đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự do của chất xúc tác.
Dùng chất xúc tiến sẽ giảm được nhiệt độ và thời gian đóng rắn một cách đáng
kể và có thể đóng rắn nguội.
Gồm các loại:
Xúc tiến kim loại: Là muối cuả kim loại chuyển tiếp như: chì, mangan,… và
các acid như: naphthenic, linoleic, octonic,… hòa tan tốt trong polymer.
Amin bậc ba: thường được dùng với các chất xúc tác peroxide, thuộc loại này
thường gặp: Dimetyl-aniline C6H5N(CH3)2, Dietyl-aniline C6H5N(C2H5)2,
Dimetyl-p-toluidin CH3C6H5N(CH3)2.
1.3. Cơ chế của vật liệu gia cường
Dưới tác dụng của ngoại lực, vật liệu gia cường có cơ tính cao hơn rất nhiều
so với nền, bởi vậy năng lượng do ngoại lực tác động sẽ chuyển sang chất gia
cường.
Vật liệu gia cường dạng sợi chịu ứng suất tốt hơn vật liệu gia cường dạng hạt,
do ứng suất tại một điểm bất kỳ trên sợi được phân bố đều trên tồn bộ chiều
dài, do đó tại mỗi điểm sẽ chịu ứng suất nhỏ hơn so với vật liệu gia cường dạng

hạt dưới tác dụng của ngoại lực như nhau.
Khả năng truyền năng lượng do ngoại lực tác động từ vật liệu nền lên vật liệu
gia cường phụ thuộc vào vật liệu nền, vật liệu gia cường, kết dính tại bề mặt tiếp
xúc của vật liệu nền và vật liệu gia cường.


Hình 1.9. Lý thuyết kết dính tại bề mặt tiếp xúc vật liệu gia cường/ vật liệu nền.
1.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu Composite
1.4.1. Sự định hướng của sợi
Sự định hướng của sợi có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của vật liệu
Composite. Thông thường khi chế tạo vật liệu Composite người ta sẽ bố trí các
lớp gia cường có góc lệch với nhau nhằm đạt tính chất cao nhất có thể về mọi
hướng.
1.4.2. Tương tác giữa nền và sợi
Mức độ tương hợp: sợi và nền càng có độ tương hợp cao thì tính chất của vật
liệu càng cao, do nó sẽ hạn chế được sự phát triển, hình thành các vết nứt dẫn tới
sự tách lớp, gãy sợi, hay phát hủy nền và kết quả là vật liệu sẽ bị phá hủy.
Độ thấm ướt: độ thấm ướt của nền lên sợi càng cao thì tương tác giữa nền và
sợi càng lớn, hạn chế được sự tồn tại các rỗ khí, khoảng trống trong vật liệu và
dẫn tới vật liệu càng bền.


Diện tích tiếp xúc: sợi có tiết diện càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc giữa nền và
sợi càng lớn, từ đó tính chất của sợi càng được nâng cao. Tuy nhiên, tiết diện sợi
nhỏ quá gây khó khăn cho q trình thấm ướt sợi.
1.4.3. Lượng sợi có trong vật liệu
Khi chế tạo người ta sẽ cố gắng nâng cao tỉ lệ sợi trong vật liệu, tỉ lệ sợi càng
cao thì cơ tính của vật liệu càng tăng.
Tuy nhiên lượng sợi phải hợp lí để cho nhựa nền có thể thấm ướt đều lên sợi,
tránh tình trạng nhựa khơng đủ, mất kết dính, tồn tại khuyết tật.

1.4.4. Tỉ lệ chất đóng rắn, thời gian, nhiệt độ, loại chất đóng rắn
Chất đóng rắn tham gia trực tiếp vào cấu trúc, thành phần của nhựa nền, nó
khơng chỉ có nhiệm vụ là tạo mạng khơng gian ba chiều đơn thuần mà nó cịn
giúp biến tính nhựa nền.
Việc lựa chọn chất đóng rắn là rất quan trọng trong chế tạo vật liệu
Composite. Các chất đóng rắn khác nhau, có yêu cầu về nhiệt độ, thời gian đóng
rắn khác nha và tùy vào yêu cầu kĩ thuật của vật liệu mà ta có sự lựa chọn chất
đóng rắn, nhiệt độ, thời gian đóng rắn cho phù hợp.
1.4.5. Kỹ thuật gia công
Kỹ thuật gia công có ảnh hưởng cực kì quan trọng tới tính chất của sản phẩm,
trong nhiều trường hợp đó cịn được coi như là một bí quyết cơng nghệ tạo nên
sự khác biệt rất lớn về tính chất của sản phẩm.
Trong gia công cố gắng phải đảm bảo một số yếu tố sau đây:
1. Hạn chế tối đã sự hiện diện của bọt khí trong lịng vật liệu.
2. Đảm bảo sự đồng đều của nhựa.
3. Đảm bảo sự sắp xếp bố trí sợi đúng theo thiết kế.
4. Đảm bảo môi trường gia công phù hợp.


CHƯƠNG II: VẬT LIỆU COMPOSITE CỐT SỢI THỦY TINH
2.1.Khái quát về vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh
Vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh có tên viết tắt là FRP ( Fibeglass
Reinfored Plastic). Đây là loại sản phẩm được sản xuất từ ứng dụng vật liệu
Composite được gọi là nhựa Composite.
2.1.1. Cấu trúc của vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh
Phần nền là nhựa nhiệt rắn và phần cốt là sợi thủy tinh.
2.1.2. Vai trò của thành phần
Nhựa nhiệt rắn sẽ đóng vai trị là chất làm tăng tính gia cường cho sản phẩm
tạo ra tính siêu cứng và có khả năng chịu được các tác nhân vật lý (lực) và chắc
chắn loại nhựa này sẽ có độ bền cao hơn hẳn các loại nhựa khác như PVC, PP,…

Sợi thủy tinh sẽ đóng vai trị là chất liên kết tạo cho vật liệu Composite cốt sợi
thủy tinh có liên kết bền vững và tạo ra khả năng chống lại sự oxy hóa cũng như
sự ăn mịn của acid.
2.1.3. Phân loại vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh
Chúng ta phải dựa vào đặc thù cơng trình và chức năng sử dụng mà chia làm
hai loại chính:
1. Loại bọc nhựa cốt sợi thủy tinh (FRP LINING: Fibeglass Reinfored Plastic
Lining). Thường được trang bị ở những cơng trình có bề mặt lớn
Ví dụ: Bể chứa hóa chất cỡ lớn, bể xử lý hóa chất, sàn nhà máy,…


Hình 2.1. Sàn nhà máy được quét lớp bọc nhựa cốt sợi thủy tinh
2. Loại bồn nhựa cốt sợi thủy tinh (FRP TANK: Fibeglass Reinfored Plastic
Tank). Chuyên dùng để chứa những loại hóa chất mạnh như acid, bazơ,… Mà
các loại chất khác như sắt, thép,… không thể sử dụng lâu dài vì dễ bị oxi hóa, rị
rỉ và ăn mịn bởi hóa chất.

Hình 11. Một số bồn nhựa cốt sợi thủy tinh


2.2.Vật liệu Composite nhựa Epoxy gia cường bằng cốt sợi thủy tinh
2.2.1. Tổng quan
Vật liệu Composite nền nhựa epoxy gia cường bằng cốt sợi thủy tinh (GRE13)
là này là loại vật liệu cao cấp, có pha nền là nhựa Epoxy và pha gia cường là sợi
thủy tinh.
Ưu điểm của GRE:
Độ bền kéo, bền va đập, độ cứng cao, khả năng chịu dung mơi, hóa chất và
mơi trường tốt. khả năng in phun, kết dính tốt.
Nhiệt độ chịu tối đa 180oC, áp suất chịu tối đa 10 - 20 bar.
Nhược điểm của GRE : khó khăn trong vấn đề xử lí các phế thải

Hình 2.2. Hình ảnh SEM14 mặt cắt vật liệu Composite nền nhựa Epoxy cốt sợi thủy tinh

13 Kí hiệu viết tắt của Glass fiber reinforce epoxy resin (vật liệu composite nền nhựa epoxy gia cường bằng cốt sợi
thủy tinh)
14 Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, thường viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có
thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét
trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thơng qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương
tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.


2.2.2. Nguyên liệu
2.2.2.1. Nhựa nền Epoxy
Nhựa Epoxy đặc trưng bởi có nhiều hơn một nhóm 1, 2- Epoxy trong một
phân tử Polyme, thường nằm ở cuối mạch.
Phần phi Epoxy của phân tử có thể là hydrocacbon no, hidrocacbon mạch
vịng no hoặc hydrocacbon thơm.
Nhựa Epoxydian chiếm 80 - 90% tổng sản lượng Epoxy. Khoảng 25% trong
số đó được sử dụng làm chất kết dính cho vật liệu Composite có độ bền cao.
2.2.2.2. Sợi thủy tinh
a) Ưu và nhược điểm chủa sợi thủy tinh
Sợi thuỷ tinh được ứng dụng rộng rãi nhờ có nhiều ưu điểm:
Khơng cháy, bền hố, bền mơi trường. Độ bền, độ cứng cao.
Ổn định kích thước, dễ tạo hình, đa dạng, cách điện rất tốt, giá thành thấp.
Bên cạnh những ưu điểm sợi thuỷ tinh cịn có nhược điểm sau:
Hấp phụ nền kém dẫn đến tính chất của vật liệu Composite không cao.
Đối với những vật liệu Composite cần độ bền cao với tỷ trọng thấp mà không
quan tâm đến giá thành người ta ít sử dụng sợi thuỷ tinh.
b) Cơng nghệ chế tạo sợi
Có hai phương pháp chế tạo sợi:

Phương pháp một giai đoạn: nấu thuỷ tinh và kéo sợi cùng tiến hành trên một
dây chuyền liên tục. Công nghệ này phù hợp với sản xuất ở quy mô lớn.

Phương pháp hai giai đoạn: sản xuất ra bi thuỷ tinh trước và bán thành phẩm
này được đưa vào lị nấu để nóng chảy, sau đó được qua bộ phận phun ở nhiệt độ
cao để kéo thành sợi. Sợi được kéo căng đến kích thớc xác định và được làm
lạnh sau khi đã gom thành bó.


Hình 2.3. Sơ đồ cơng nghệ chế tạo sợi thủy tinh một giai đoạn
c) Xử lý bề mặt sợi
Mục đích của q trình xử lý sợi để chống ăn mịn sợi trong quá trình kéo
sợi, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình kéo sợi và làm tăng độ tương hợp của
sợi với nhựa nền. Xử lý sợi bằng:
Các hợp chất silan: là tác nhân liên kết giữa sợi và nhựa nền.
PolyVinylAxetat: Sử dụng dạng nhũ tương tạo lớp vỏ bảo vệ sợi.
Các farafin làm chất bôi trơn.
Sau khi xử lý bề mặt sợi, sợi được tiếp tục qua các công đoạn tiếp theo để sản
xuất thành các vật liệu gia cường.
2.2.2.3. Phụ gia và chất độn
a) Phụ gia: là những chất được đưa vào vật liệu nhựa Composite một lượng
nhỏ và nó làm thay đổi rất tích cực các tính chất của vật liệu nhựa Composite.
Chất liên kết đưa vào nhằm nâng cao mức độ tương tác giữa nền và sợi thông
qua cầu nối là chất liên kết. Chúng thường có hai nhóm chức, một nhóm liên kết
với sợi, nhóm cịn lại liên kết với nền.