THÀNH PHẦN VẬT LIỆU COMPOSITE - Môi Trường Hưng Phương

1. Khái niệm và tính chất

1.1. Khái niệm 

Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau. Vật liệu mới được tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng loại vật liệu thành phần riêng rẽ. Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn phân bố đều trên một pha nền liên tục. Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi là composite hổn tạp. Pha gián đoạn thường có tính chất trội hơn pha liên tục. Pha liên tục gọi là nền (matrice). Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu gia cường (reenforce).

Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào những đặc tính sau đây:

– Cơ tính của các vật liệu thành phần. Các vật liệu thành phần có cơ tính tốt thì vật liệu composite cũng có cơ tính tốt và tốt hơn tính chất của từng vật liệu thành phần.

– Luật phân bố hình học của vật liệu cốt. Khi vật liệu liệu cốt phân bố không đồng đều, vật liệu composite bị phá huỷ trước hết ở những nơi cít vật liệu cốt. Với composite cốt dợi, phương của sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu, có thể điều chỉnh được tính dị hướng này theo ý muốn để chế tạo được vật liệu cũng như phương án công nghệ phù hợp với yêu cầu.

– Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần. Vật liệu cốt và nền phải liên kết chặt chẽ với nhau mới có khả năng tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau. Ví dụ liên kết giữa cốt thép và xi măng trong bê tông.

2. Phân loại
3. a) Phân loại theo hình dạng

Composite sợi, composite vảy, composite hạt, composite điền đầy, composite phiến.

1. b) Phân loại theo bản chất và vật liệu thành phần

– Composite nền hữu cơ: nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi khoáng hoặc sợi kim loại.

– Composite nền kim loại: nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng, cốt thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC.

– Composite nền gốm: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc hạt kim loại hoặc cũng có thể là hạt gốm.

2. Vật liệu và thành phần của composite

2.1. Vật liệu nền 

1. a) Nhựa phênolformaldehyt
2. b) Nhựa êpoxy
3. c) Nhựa polyeste
4. d) Các loại nhựa khác

2.2. Vật liệu gia cường

1. a) Cốt dạng sợi
2. b) Cốt dạng vải
3. c) Cốt dạng hạt

2.3. Vùng chuyển tiếp trong composite 

Vùng trung gian là vùng tiếp xúc giữa cốt và nền và nó thường là yếu tố có tính quyết định đến các tính chất cơ học và các thuộc tính khác nữa của composite.

Vùng trung gian chính là nơi chuyển tải trọng từ nền sang cốt nên tác động đầu tiên của nó chính là tác động đến độ bền. Có nhiều yếu tố tác động đến thành phần và thể tích của vùng chuyển tiếp.  Đầu tiên, là tính thấm ướt, tức là pha nền ở trạng thái lỏng phải dễ dàng thấm ướt pha gia cường trước khi đóng rắn. Nhưng thực tế không phải lúc nào cũng có liên kết nền – cốt lý tưởng do bản chất hoá lý của các vật liệu rất khác nhau. Trong trường hợp này, cần phải thêm chất thấm ướt để cải thiện khả năng thấm ướt cốt – nền.

2.4. Các chất phụ gia

Là những vật liệu liệu nhằm cải thiện một số tính chất của composite như:

– Tính dẫn điện, dẫn nhiệt: thường dùng bột, sợi hoặc vảy kim loại như Fe, CU, Al,… hoặc bi tráng kim loại.

– Bôi trơn khi dỡ khuôn.

– Tạo màu.

– Chống co ngót.

3. Composite nền nhựa

Các loại nhựa như êpoxy, phênolformaldehyt, polyeste… đều có tính thấm ướt tốt đối với vật liệu gia cường dạng hữu cơ, bởi vậy công đoạn trộn nhựa với cốt rất thuận lợi và đơn giản. Riêng đối với cốt là vật liệu vô cơ, ví dụ như các loại sợi gốm, có tính thấm ướt rất kém nên trước khi trộn phải có công đoạn bọc hoặc thấm lên trên cốt.  Đối với dạng vải, có nhiều cách để chế tạo bán thành phẩm. Ví dụ, nhúng tấm vải vào thùng nhựa rồi xếp thành từng lớp và tiến hành ép, hoặc trải từng lớp vải vào lòng khuôn rồi phun hoặc quét nhựa, lại trải vải, lại quét nhựa… Lặp lại quy trình như vậy cho đến khi đạt chiều dày yêu cầu.

4. Composite nền kim loại

Trong vật liệu composite nền kim loại, thường dùng nhiều trong kỹ thuật là vật liệu tổ hợp nền kim loại màu do những tính chất ưu việt mà các kim loại đen không có được, ví dụ như nhẹ, bền ở nhiệt độ cao, chịu mài mòn tốt… nhưng công nghệ chế tạo lại đơn giản hơn. Một số loại như sau:

4.1. Composite nền nhôm cốt hạt     

4.2. Composite nền nhôm cốt sợi     

4.3. Composite nền đồng hạt thép

4.5. Composite nền gốm 

Vật liệu composite nền gốm (ceramic matrix composite, CMC) đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhằm khắc phục những nhược điểm của vật liệu gốm nguyên khối, đó là tính dòn cố hữu và khả năng ứng dụng hạn chế của vật liệu gốm nguyên khối. Vật liệu composite nền gốm thường dùng để chế tạo các chi tiết làm việc trong môi trường rất khắc nghiệt như: động cơ tên lửa và động cơ phản lực, động cơ khí trong nhà máy năng lượng, vỏ cách nhiệt của tàu không gian, lớp lót đầu tiên của buồng phản ứng nấu chảy, phanh máy bay, lò nhiệt luyện… đây là môi trường làm việc có nhiệt độ rất cao nhưng rất khó làm nguội bằng chất lỏng thông thường. Mặt khác, khi thay thế các siêu hợp hợp kim bằng vật liệu gốm composite còn tiết kiện được khá nhiều khối lượng, điều vô cùng quan trọng đối với ngành hàng không vũ trụ.   Trong composite nền gốm, vật liệu cốt có thể là cốt dạng không liên tục kiểu hạt, sợi ngắn hoặc lát vụn. Cũng có thể dùng cốt liên tục dạng sợi. Trong trường hợp cốt gián đoạn, việc tăng độ bền và độ dai va đập chỉ có thể tăng đến một giới hạn nào đó nhưng vẫn đủ để sử dụng. Một ví dụ composite nền gốm sợi vụn dùng trong lĩnh vực dụng cụ cắt là composite SiC/Si3N4, trong đó SiC là pha gia cường, còn Si3N4 đóng vai trò vật liệu nền.