Tài liệu Vật liệu composite là gì ppt

Giới thiệu vật liệu compozit

Vật liệu Compozit 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 vật liệu
ban đầu. Vật liệu Compozit được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho
Compozit có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các
thành phần của Compozit liên kết, làm việc hài hoà với nhau.
1. Lịch sử hình thành và phát triển:
Vật liệu Compozit đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm trước Công
nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu compozit vào cuộc sống (ví dụ: sử dụng bột
đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm). Người Ai Cập đã
biết vận dụng vật liệu Compozit từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển
hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan bằng tre chát
mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan tre chát bùn với rơm, rạ là những sản
phẩm Compozit được áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội. Sự phát triển của vật liệu
compozit đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những năm 1930 khi mà stayer và
Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cường
cho Polyeste không no và giải pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp
chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến thế giới lần thức hai. Năm 1950 bước đột
phá quan trọng trong ngành vật liệu Compozit đó là sự xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia
cường như Polyeste, Nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu compozit nền chất dẻo đã
được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng,y tế, thể thao,
quân sự vv…
2. Ưu điểm:
Tính ưu việt của vật liệu Compozit là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu
sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt
của Compozit có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành
phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật
liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất
đó là Compozit polyme, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng
rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt, có độ bền riêng và các

đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện
thấp. Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ vận dụng các thủ pháp công nghệ,
thuận lợi cho quá trình sản xuất.
PHÂN LOẠI COMPOZIT:
Vật liệu compozit được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần.
1 - Phân loại theo hình dạng
a. Vật liệu compozit độn dạng sợi:
Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi đó là compozit độn dạng sợi, chất độn dạng sợi
gia cường tăng cơ lý tính cho polymer nền.
b. Vật liệu compozit độn dạng hạt :
Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer nền. Hạt
khác sợi ở chỗ nó không có kích thước ưu tiên.
2 - Phân loại theo bản chất, thành phần
• Compozit nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ (polyamide,
kevlar…), Sợi khoáng (thủy tinh, carbon…), sợi kim loại (Bo, nhôm…)
• Compozit nền kim loại: nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al,…) cùng với độn dạng
hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)…
• Compozit nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất
gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…
CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT
1) Polymer nền:
Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò 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.
Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền:
•Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC…độn được trộn với nhựa, gia công trên máy ép phun
ở trạng thái nóng chảy.
•Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyester không no, gia công dưới áp suất và nhiệt độ
cao, riêng với epoxy và polyester không no có thể tiến hành ở điều kiện thường, gia công

bằng tay (hand lay- up method). Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn
nhựa nhiệt dẻo.
•Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường:
Polyester:
Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ compozit, 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. Thông thường người ta gọi polyester không no là
nhựa polyester hay ngắn gọn hơn là polyester.
Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol và monomer khác nhau, mỗi loại có những
tính chất khác nhau. Chúng có thể rất khác nhau trong các loại nhựa UPE khác nhau, phụ
thuộc chủ yếu vào các yếu tố:
Thành phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ tác 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 UPE có các tính chất
đặc biệt khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng.
Có hai loại polyester chính thường sử dụng trong công nghệ compozit. Nhựa orthophthalic
cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi. Còn nhựa isophthalic lại có khả năng kháng
nước tuyệt vời nên được xem là vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là hàng hải.
Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường được pha loãng trong styrene. Lượng styrene có
thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho quá trình gia công. Ngoài ra,
styrene còn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang giữa các phân tử mà không có sự tạo
thành sản phẩm phụ nào. Polyester còn có khả năng ép khuôn mà không cần áp suất.
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
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 để chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng được. Như đã đề cập ở trên, cần

phải có thời gian để polyester tự đóng rắn. Tốc độ trùng hợp quá 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, polyester rất cứng và có khả năng kháng hoá chất. Quá trình đóng rắn hay
tạo kết ngang được gọi là quá trình Polymer hóa. Đây là phản ứng hoá học chỉ có một
chiều. Cấu trúc không gian này cho phép nhựa chịu tải được mà không bị giòn.
Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước khi sử dụng. Nhựa và các phụ gia khác phải được
phân tán đều trước khi cho xúc tác vào. Phải khuấy đều và cẩn thận để loại bỏ bọt khí trong
nhựa ảnh hưởng quá trình gia công. Điều này rất quan trọng do bọt khí còn 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 quá trình gel hoá xảy ra nhanh hơn, ngược lại, nếu ít xúc tác quá trình
đóng rắn sẽ bị chậm lại.
Vinylester:
Vinylester có cấu trúc tương tự như polyester, nhưng điểm khác biệt chủ yếu của nó với
polyester là vị trí phản ứng, thường là ở cuối mạch phân tử do vinylester chỉ có kết đôi
C=C ở hai đầu mạch mà thôi. Toàn bộ chiều dài mạch phân tử đều sẵn chịu tải, nghĩa là
vinylester dai và đàn hồi hơn polyester. Vinylester có ít nhóm ester hơn polyester, nhóm
ester rất dễ bị thủy phân, tức là vinylester kháng nước tốt hơn các polyester khác, do vậy
nó thường được ứng dụng làm ống dẫn và bồn chứa hoá chất.
Khi so sánh với polyester thì số nhóm ester trong vinylester ít hơn, nghĩa là vinylester ít bị
ảnh hưởng bởi phản ứng thủy phân. Thường dùing vật liệu này như là lớp phủ bên ngoài
cho sản phẩm ngập trong nước, như là vỏ ngoài của tàu, thuyền. Cấu trúc đóng rắn của
vinylester có khuynh hướng dai hơn polyester, mặc dù để đạt tính chất này, nhựa cần nhiệt
độ cao sau đóng rắn.
Epoxy:
Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nói chung, epoxy có
tính năng cơ lý, kháng môi trường hơn hẳn các nhựa khác, là loại nhựa được sử dụng nhiều
nhất trong các chi tiết máy bay. 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, là lớp lót chính cho tàu chất

lượng cao hoặc là lớp phủ bên ngoài vỏ tàu hay thay cho polyester dễ bị thủy phân bởi
nước và gelcoat.
Nhựa epoxy được tạo thành từ những mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tự vinylester,
với nhóm epoxy phản ứng ở vị trí cuối mạch. Nhựa epoxy không có nhóm ester, do đó khả
năng kháng nước của epoxy rất tốt. Ngoài ra, do có hai vòng thơm ở vị trí trung tâm nên
nhựa epoxy chịu ứng suất cơ và nhiệt nó tốt hơn mạch thẳng, do vậy, epoxy rất cứng, dai
và kháng nhiệt tốt.
Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng không gian ba chiều. Chất đóng rắn ưa sử
dụng là amine, được cho vào epoxy, lúc này giữa chúng sẽ xảy ra phản ứng hoá học.
Thường nhóm epoxy sẽ phản ứng kết khối với nhóm amine, tạo ra cấu trúc phân tử ba
chiều phức tạp. Amine kết hợp với epoxy theo một tỉ lệ nhất định, đây là yếu tố quan trọng
vì việc trộn đúng tỉ lệ đảm bảo cho phản ứng xảy ra hoàn toàn. Nếu tỉ lệ trộn không đúng
thì nhựa chưa phản ứng hoặc chất đóng rắn còn dư trong hỗn hợp sẽ ảnh hưởng đến tính
chất sản phẩm sau đóng rắn.
Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn chính xác, nhà sản xuất thường công thức hoá các thành phần và
đưa ra một tỉ lệ trộn đơn giản bằng cách đo khối lượng hay thể tích của chúng.
Cả nhựa epoxy lỏng và tác nhân đóng rắn đều có độ nhớt thấp thuận lợi quá trình gia công.
Epoxy đóng rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phòng từ 5-150oC, tuỳ cách lựa chọn
chất đóng rắn. Một trong những ưu điểm nổi bật của epoxy là co ngót thấp trong khi đóng