Giáo trình Kỹ thuật vật liệu compozit

1
Kỹ THUậT VậT LIệU COMPOZIT
TS. Đoàn Thị Thu Loan
Khoa Hoá - Trờng Đại học Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng
2
Taìi liãûu tham khaío
1. Tráön Êch Thënh, “Váût liãûu compozit”, nhaì xuáút baín giaïo duûc, 1994
2. Ronald F. Gibson, “Principles of composite material mechanics”,
Wayne State University Detroit, Michigan, 1994
3. S. T. Peters, “Handbook of composites”, Process Research, Mountain
View, Calfornia, USA, second edition 1998.
4. Nicholas P. Cheremisinoff and Paul N. Cheremisinoff, “Fibreglass
reinforced plastics”, Published in the United States of America by Noyes
Publications Mill Road, Park Ridge, New Jersey 07656, 1995
5. Doan Thi Thu Loan, Doctor thesis “Investigation on jute fibres and
their composites based on polypropylene and epoxy matrices”,
Technischen Universitaet Dresden (TU Dresden), Germany, 2006
3
GIíI THIÖU CHUNG
CHƯƠNG 1
4
1.1. Khái niệm: Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp (mức độ vĩ mô) của hai
hay nhiều vật liệu (VL) thành phần nhằm tạo ra VL mới có tính chất trội
hơn tính chất của từng VL thành phần.
Tổ hợp các tính chất
Tạo tính chất mới
Sợi thuỷ tinh
(bền)
Nhựa polyeste
(kháng hoá chất)
= GRP

(bền và kháng hoá chất)
+
Sợi thuỷ tinh
(giòn)
Nhựa polyeste
(giòn)
= GRP
(dẻo dai - tough)
+
*
GRP: Glass Reinforced Plastic
5
Hợp kim
Hỗn hợp polyme
Có phi là vật liệu compozit?
VD1: Gỗ (xenlulo/lignin), xơng(collagen/protein+muối canxi phốt phát),
VD2: Ván ép, gạch độn trấu hoặc sợi thực vật,
VD3: Compozit nhựa (UPE, epoxy,) và sợi thuỷ tinh,sợi cacbon,
6
Vật liệu compozit
Vật liệu nền + Vật liệu gia cờng
Polyme Sợi cacbon
Kim loi Sợi thuỷ tinh
Ceramic Sợi Aramic (VD: Kevlar)
Sợi, ht kim loại (VD: Ti, Al)
1.2. Thành phần của VL compozit:
VL nền
VL gia cờng
VL compozit gồm một hay nhiều pha gián đoạn (VL gia
cờng) phân bố trong pha liên tục (VL nền)

7
-Đóng vai trò là các điểm chịu
ứng suất tập trung
-Thờng có tính chất cơ lý hoá
cao hơn VL nền.
-Liên kết VL nền
-Chuyển ứng suất sang độn khi có
ngoại lực tác dụng lên VL.
-Bảo vệ sợi khỏi bị h hỏng do tấn công
của môi trờng
-Ngoài ra còn đóng góp một vài tính
chất cần thiết nh: tính cách điện, độ
dẻo dai,
Vật liệu gia cờngVật liệu nền
*Vai trò của các vật liệu thành phần
8
1.3. Cơ chế gia cờng của vật liệu compozit
Cơ chế gia cờng: dới tác dụng của ngoại lực, vật liệu gia cờng (VLGC) sẽ
là những điểm chịu ứng suất tập trung do mạng nhựa truyền sang
-VLGC dạng sợi truyền tải ứng suất tốt hơn VLGC dạng hạt, do ứng suất tại một
điểm bất kỳ trên sợi đợc phân bố đều trên toàn bộ chiều dài, do đó tại mỗi điểm
sẽ chịu ứng suất nhỏ hơn nhiều so với VLGC dạng hạt dới tác dụng ngoại lực
nh nhau.
-Kh nng truyn ti trng t VL nền sang VL gia cờng ph thuộc: VL nn, VL
gia cng, kết dính tại bề mặt tiếp xúc của VL nn và VL gia cng.
9
Kết dính tại bề mặt tiếp xúc của VL
nền và VL gia cờng đợc hình
thành trên cở sở:
+ Lực hấp thụ và thấm ớt

+ Lực tĩnh điện
+ Lực tơng tác cơ học
+ Lực liên kết hoá học
VL gia cờng
Vùng tiếp xúc
VL gia cờng/VL nền
VL nền
Vùng tiếp xúc rất nhỏ (bề mặt tiếp xúc pha) đóng vai trò quan trọng
trong quyết định tính chất cơ, lý của VL compozit
Lý thuyết kết dính tại bề mặt tiếp xúc VL gia cờng/VL nền
10
1.4. Phân loại:
1.4.1. Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cờng:
gồm compozit cốt sợi
và compozit cốt hạt.
Compozit
cốt sợi
Sợi liên tục (sợi dài, vải): tỉ lệ chiều dài / đờng kính (l/d)
rất cao, d =3-200 àm
Sợi gián đoạn (sợi ngắn, vụn): 5 < l/d < 1000, d = 0,02-100
àm
* Compozit cốt sợi: là compozit đợc gia cờng bởi sợi, nó có độ bền riêng
và modun đàn hồi cao. VD: Compozit sợi thuỷ tinh, cacbon, xenlulo
Fibre aspect ratio: L/D
11
Mt s loi compozit cốt sợi
Sợi dài đơn
hớng
Sợi dài ở
dạng lớp

Sợi ngắn sắp
xếp hỗn độn
Sợi ngắn
định hớng
* Compozit cốt hạt: là compozit đợc gia cờng bởi các hạt với các dạng và
cỡ kích khác nhau. VD: Bê tông, gỗ ép
Một số cốt hạt nh: vảy mica, hạt cao lanh, CaCO
3
, bột hoặc vảy sắt, đồng,
nhôm., bt g,
12
Mục đích dùng hạt làm VL gia cờng trong compozit:
-Đợc dùng trong những ứng dụng yêu cầu về độ bền không cao thờng đợc
sử dụng để làm giảm giá thành sn phẩm.
-Trong một số trờng hợp hạt đợc dùng để ci thiện một số tính chất của VL
compozit nh: tng kh nng chịu nhiệt, chịu mài mòn, gim co ngót
-Khắc phục một số khó khăn khi gia công
Vảy, mảnh
Compozit ct hạt
Hạt
13
1.4.2. Phân loại theo bản chất VL nền
Compozit nền hữu cơ (nhựa): với VL gia cờng dạng
-Sợi hữu cơ: sợi polyamit, Kevlar, xenlulo
-Sợi khoáng: sợi thuỷ tinh, cacbon, basalt
-Sợi kim loại: sợi bo, nhôm
Compozit nền kim loại (hợp kim nhôm, hợp kim titan ) với VL gia
cờng dạng:
-Sợi kim loại: bo
-Sợi khoáng: sợi cacbon

Compozit nền gốm: với VL gia cờng dạng:
-Sợi kim loại: bo,
-Hạt kim loại: chất gốm kim.
* Khả năng chịu nhiệt của VL compozit
-nền hữu cơ: đến khoảng 300
0
C
-nền kim loại: đến 600
0
C
-nền gốm: trên 1000
0
C
14
1.5. Tính chất chung của vật liệu compozit
-Khối lợng riêng bé do vậy tính năng cơ lý riêng cao hơn thép và các VL
truyền thống khác (thu tinh, gm s, g, ) rất nhiều
-Giá thành không cao
-Chịu môi trờng, kháng hoá chất cao, không tốn kém trong bảo quản và
chống ăn mòn, không cần sơn bảo quản nh VL kim loại, gỗ
-Cách đIện cách nhiệt tốt
-Bền lâu (thời gian sử dụng dài hơn VL kim loại, gỗ 2-3 lần)
-Gia công chế tạo đơn giản, nhanh, đa dạng, dễ tạo hình, thay đổi và sửa chữa
-Chi phí đầu t thiết bị gia công thấp
15
-Bản chất VL cốt
-Bản chất VL nền
- Độ bền liên kết ở bề mặt tiếp xúc pha
-Tỉ lệ VL gia cờng/VL nền trong compozit
-Hình dạng, kích thớc của VL gia cờng

-Định hớng, sự phân bố của VL gia cờng
(nếu là sợi)
Nhựa
Compozit
Sợi
Biến dạng
ứ
n
g
s
u
ấ
t
k
é
o
*Các yếu tố ảnh hởng đến tính năng gia cờng
16
Khèi l−îng riªng (Density) cña mét vµi vËt liÖu cÊu tróc phæ biÕn
17
§é bÒn kÐo riªng (Specific Tensil Strength) cña mét vµi
vËt liÖu cÊu tróc phæ biÕn
18
M« ®un kÐo riªng (Specific Tensile Modulus) cña
mét vµi vËt liÖu cÊu tróc phæ biÕn
19
1.6. ng dụng ca vt liu compozit
- Giao thông vận ti: vỏ cano, tàu thuyền, xe hơi, cabin,
- VL xây dựng: cấu kiện nhà lắp ghép, gân dầm chịu lực, đá ốp lát, tấm lp,
- VL điện: tấm cách điện, vỏ các thiết bị điện, máy biến thế,

- VL chịu hoá chất: bồn chứa, ống dẫn, van, bể điện phân,
- VL gia dụng: bàn, ghế, tủ, giá, tấm trần, bồn tắm, lavabo, tấm cách âm,
- ồ chơi
-VL compozit cao cấp: dùng trong hàng không, vũ trụ, dụng cụ thể thao cao
cấp
Compozit là vật liệu của ngày mai, nó đang thay thế dần các VL
truyền thống: kim loại, gỗ, sứ,
20
C¸c bé phËn lµm b»ng compozit trong m¸y bay Airbus A 380
Ứng dông của vật liệu compozit
21
C¸c bé phËn lµm b»ng compozit sîi Graphite/nhùa epoxy trong m¸y bay
AV-8B
Ứng dông của vật liệu compozit
22
Compozit sợi lanh/nhựa polypropylen thay thế compozit sợi thủy tinh trong
một số bộ phận phần thận của xe hơi (Mercedes Benz A –Class)
Ứng dông của vật liệu compozit
23
24
Compozit sîi tù nhiªn dïng lµm nhµ l¾p ghÐp
Ứng dông của vật liệu compozit
25
Compozit sîi cãi dïng lµm gi¸, tñ
Ứng dông của vật liệu compozit