11.1.VẬT LIỆU KẾT HỢP (COMPOSIT) : 11.1.1.Khái niệm và phân loại : 1-Khái niệm : V ûtâ liệu com po zit là loại vật liệu gồm hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau kết hợp lại, trong đó các ưu điểm của mỗi loại được kết hợp với nhau hoặc tạo nên một chất lượng mớihoàn toàn mà nếu đứng riêng lẻ không một loại vật liệu thành phần nào có thể đáp ứng được 2-Đặc điểm và phân loại : -Đặc điểm : +Là vật liệu nhiều pha : trong đó các pha rắn khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha. Phổ biến nhất là loại com po zit hai pha : pha liên tục trong toàn khối gọi là nền, pha phân bố gián đoạn, được nền bao bọc gọi là cốt. +Trongvật liệu composit tỷ lệ, hình dáng, kích thước, sự phân bố của nền và cốt tuân theo quy luật đã thiết kế. +Tínhchất của các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên tính chất chung của composit. Ta lựa chọn các tính chất tốt để phát huy thêm. -Phân loại : *Phân loại theo bản chất của nền : +Composit nền chất dẻo (composit polymerit) +Composit nền kim loại (composit metallit) +Composit nền gốm (Composit céramic) +Composit nền là hỗn hợp của hai hay nhiều pha. *Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc : Composit ↓ --------------------------------------------------------------------------------------↓ ↓ ↓ Cốt hạt Cốt sợi Composit cấu trúc ↓ ↓ ↓ -------------- ---------------------------------------------- ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ Hạt Hạt Liên Gián Lớp Tấm Tổ ong thô mịn tục đoạn 3 lớp 3-Tính chất của vật liệu composit : a-Cơ tính riêng : Ta khảo s ït một thanh chịu kéo dọc, đúng tâm. P l Quan hệ giữa lực P và biến dạng ∆l được biểu diễn như sau : EF P=l ∆l Trong đó : - E là mô đun đàn hồi của vật liệu (mô đun Young) -Flà tiết diện ngang -llà chiều dài thanh là độ dãn dài tuyệt đối Độ cứng kéo (nén) EF/l đặc trưng cho tính chất cơ học của thanh trong miền đàn hồi. Ta xét hai loại vật liệu khác nhau, ký hiệu là 1 và 2, tỷ lệ các độ cứng sẽ là : KEFl= 1112 . (11-1) KEFl 2221 Tỷ lệ khối lượng của hai thanh được biểu diễn như sau : m Fl 1 111 = ρ (11-2)m F l. ρ 2 2 22 Từ biểu thức (10 -1) và (10 -2) ta suy ra : ⎛ ⎞2K1 111E l(11-3) K = E / . . ⎜⎟/ m 22221⎝⎠ Trong một kết cấu với các chi tiết có kích thước cho trước, ta so sánh độ cứng của kết cấu khi l1 = l nên từ (11-3) ta có : 2 KE m= 1111 . (11-4)KE m 2222 Trong ïc lĩnh vực công nghiệp : hàng không, vũ trụ, thể thao, xây dựng ...ta cần so sánh tính năng cơ học của các kết cấu có cùng khối lượng : m1 = m , ta có : 2 KE / ρ =11 1 (11-5)KE / ρ 22 2 Từ (11-5) t a thấy rằng một vật liệu được coi là tốt hơn khí có giá trị E/ ρcao hơn, có nghĩa là sẽ có đô ü cứng của thanh cao hơn. Đại lượng E/ ρđược gọi là mô đun riêng của vật liệu (hay mô đun Young riêng). Tươngtự như vậy nếu gọi σb là ứng suất phá huỷ của vật liệu thì đại lượng bσ/ρ đ ược gọi là ứng suất riêng (hay độ bền riêng). b-Cơ tính riêng của vật liệu :Ta không thể sử dụng trực tiếp các sợi cốt vì đường kính của chúng quá nhỏ (10 đến 20 µm) vì vậy cần phải trộn sợi với nhựa polyme (nền) để được vật liệu composit cốt sợi. Nền có chức năng liên kết, bảo vệ và truyền lực cho sợi. Vấn đề quan trọng là phải tìm được các vật liệu vừa có mô đun cao, khối lượng riêng nhỏ và giá thành hợp lý. 11.1.2.Cốt : -Trong toàn khối composit thì cốt phân bố không liên tục và rất đa dạng, phụ thuộc vào loại composit cần chế tạo. -Với loại composit kết cấu : cốt là các kim loại bền ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao, có mô đun đàn hồi lớn, khối lượng riêng nhỏ. CƠ TÍNH RIÊNG CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU THÔNG DỤNG Vật liệu Mô đun E ứng suât Khối lượng Mô đun Độ bền (GPa) phá huỷ riêng riêng E/ρ riêngσ b 3 bσ(MPa) ρ(/ ) (MNm/kg) (kNm/kg)Thép 210 340-2100 7800 26,9 43-270 Hợp kim 70 140-620 2700 25,9 52-230 nhôm Gỗ 30 - 390 33,3 - Thuỷ tinh 70 700-2100 2500 28 280-840 Von fram 250 1100-4100 19300 18,1 57-210 Beryli 300 700 1830 164 380 Sợi thuỷ 72,4 3500 2540 28,5 1380 tinh E Sợi thuỷ 85,5 4600 2480 34,5 1850 tinh S Sợi C mô 390 2100 1900 205 1100 đun cao Sợi C ứng 240 3500 1850 130 1800 suất cao Sợi kevlar 130 2800 1500 87 1870 Sợi bo 385 2800 2630 146 1100 -Các loại vật liệu cốt : Kim loại ( thép không rỉ, W, B, Mo...), chất vô cơ (các bon, th ủy tinh, gốm). -Hìnhdạng, kích thước, hàm lượng và sự phân bố của cốt ảnh hưởng rất mạnh đến tính chất composit. 11.1.3.Nền : Nền có vai trò sau đây : -Liênkết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối composit thống nhất. -Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia côngvật liệu composit thành các c hi tiết thiết kế.-Chephủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do tác dụng của môi trường. Vật liệu nền : polyme, kim loại, gốm và hỗn hợp. 11.1.4.Các loại vật liệu composit thông dụng: 1-Composit hạt : Cấu tạo gồm các phần tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố đều trong nền. Các phần tử cốt là các pha cứng và bền hơn nền : ô xyt, nitrit, các bit... -Composit hạt thô nền polyme : hạt cốt là thạch anh, thủy tinh, stêalit, ô xyt nhôm...Được sử dụng phổ biến trong đời sống : cửa, tường ngăn, trần nhà..chiều vuông góc -Composit hạt thô nền kim loại : hạt cốt là các phần tử cứng : WC, TiC, TaC nền là Co dùng làm dụng cụ cắt gọt, khuôn kéo, khuôn dập...Ngoài ra còn có các hợp kim giả : W-Cu, W-Ag, Mo-Cu, Mo-Ag...sử dụng trong kỹ thuật điện. -Composit hạt thô nền gốm : điển hình là bê tông. Cốt là tập hợp các hạt rắn : đá, sỏi... liên kết bởi nền là xi măng. Bê tông at phan (nền là xi măng atphan) dùng rải đường, làm cầu, cống...Bê tông với nền là xi măng pooc lăng sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cửa, các công trình... -Composit hạt mịn : các phần tử cốt có kích tước rất nhỏ < 0,1µm, cứng và ổn định nhiệt cao, phân bố trên nền kim loại hay hợp kim, được sử dụng trong lĩnh vực nhiệt độ cao. 2-Composit sợi : Đây là loại vật liệu kết cấu quan trọng nhất, hiện đang nghiên cứu và sử dụng phổ biến. Cấu tạo của nó gồm cốt dạng sợi phân bố trong nền theo quy luật đã thiết kế. Gồm các loại sau đây : -Composit sợi thủy tinh : hiện tại là loại vật liệu thông dụng nhất, cốt là sợi thủy tinh, nền làpolieste, đôi khi dùng bakêlit. Công dụng :mui xe hơi, cửa, thùng xe lạnh, sitec, mũi máy bay, vỏ bảo vệ buồng lái tàu vũ trụ. -Composit sợi các bon : Cốt là sợi các bon, hay sợi các bon thủy tinh. Nền là êpôxiphê non, polieste hay các bon. Công dụng : thân máy bay quân sự, phần lái cánh tàu bay, thùng xe hơi, công nghiệp tàu thủy, vật liệu cách nhiệt của động cơ, đĩa ma sát... -Composit sợi hữu cơ : Cốt là các sợi polime, nền là polime. Công dụng : vật liệu cách nhiệt, cách điện, các kết cấu ô tô, máy bay...
