Chương 11 : VẬT LIỆU COMPOZIT (VẬT LIỆU KẾT HỢP)

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hiện đại dẫn tới nhu cầu về những lọaivật liệu có nhiều tính chất kết hợp cần thiết mà các vật liệu truyền thống khi đứng riênglẻ không thể đáp ứng được. Một lọai vật liệu mới ra đời là loại vật liệu phức tạp đượctạo thành từ những phần tử rất khác nhau về tính chất, không hịa tan hay hịa tan rất ít vàonhau và phân cách nhau bằng một ranh giới rõ rệt, vật liệu đó có tên gọi vật liệu kết hợphay vật liệu compozít....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 11 : VẬT LIỆU COMPOZIT (VẬT LIỆU KẾT HỢP) Chương 11 VẬT LIỆU COMPOZIT (VẬT LIỆU KẾT HỢP)1. KHÁI NIỆM. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hiện đại dẫn tới nhu cầu về những lọaivật liệu có nhiều tính chất kết hợp cần thiết mà các vật liệu truyền thống khi đứng riênglẻ không thể đáp ứng được. Một lọai vật liệu mới ra đời là loại vật liệu phức tạp đượctạo thành từ những phần tử rất khác nhau về tính chất, không hịa tan hay hịa tan rất ít vàonhau và phân cách nhau bằng một ranh giới rõ rệt, vật liệu đó có tên gọi v ật liệu kết hợphay vật liệu compozít. Compozít có có tạo gồm hai thành phần là nền và cốt. Nền là pha liên tục trong tịan khối vật liệu có chức năng liên kết khối compozít vàtạo hình dạng cho nĩ. Nền có thể là các vật liệu rất khác nhau phụ thuộc vào tính chấtcompozít cần chế tạo. Nền được chia làm bốn lọai là nền kim lọai (hay hợp kim), nềnpolyme, nền gốm, và nền hỗn hợp. Tính chất của nền không những ảnh hưởng mạnh đếnchế độ công nghệ chế tạo mà cịn ảnh hưởng đến các đặc tính sử dụng của compozít nhưkhối lượng riêng, nhiệt độ làm việc, độ bền mỏi, độ bền riêng và khả năng chống lại tácdụng của mơi trường bên ngịai v.v. Cốt là pha gián đọan phân bố đều và được nền bao bọc. Cũng giống như nền, cốt cóthể rất đa dạng tùy thuộc vào tính chất của compozít cần chế tạo. Cụ thể, trong thực tếcốt có thể là kim lọai (hay hợp kim) như vônfram, môlibđen, thép không gỉ, v.v. hay là chấtvô cơ như bo, các bon, thủy tinh, gốm hoặc là chất hữu cơ như polyamit thơm v.v. Hình dạng, kích thước và hàm lượng cũng như sự phân bố cốt là những yếu tố ảnhhưởng mạnh đến tính chất của vật liệu compozít. Hình dạng của cốt được mơ tả trênhình 11.1. Hình 11.1 Hình dạng của cốt trong vật liệu compozít Theo hình dạng của cốt người ta chia chúng thành ba nhóm cơ bản là cốt không chiều(11.1a), cốt một chiều (Hình 11.1b) và cốt hai chiều (11.1c). Cốt không chiều có kích thước rất nhỏ cùng bậc theo cả ba chiều đo và được gọi làcốt hạt. Cốt một chiều có kích thước nhỏ theo hai chiều đo và rất lớn (dài) theo chiều cịn lạiđược gọi là cốt sợi. 167 Cốt hai chiều có kích thước lớn tưông đưông kích thước vật liệu compozít theo haichiều đo và có kích thước rất nhỏ theo chiều cịn lại gọi là cốt mặt, cốt tấm hay là vải. Tính chất của compozít phụ thuộc cả vào hình dáng, kích thước, khối lượng và đặcđiểm phân bố của cốt (sơ đồ cốt hoá hình 11.2). Hình 11.2 Sơ đồ cốt hoá vật liệu compozít. Theo sơ đồ cốt hoá người ta chia compozít thành ba nhóm là cốt hoá một chiều, cốthoá hai chiều và cốt hoá ba chiều. Ðể cốt hoá một chiều người ta dùng cốt hạt hay cốt sợi (hình 8.2 a). Các cốt hạtđược phân bố sao cho khỏang cách giữa chúng theo một trục (theo trục x chẳng) nhỏ hơnđáng kể so với hai trục cịn lại. Cốt sợi được phân bố song song với nhau. Hàm lượng thểtích của cốt một chiều chiếm khỏang 1-5%. Ðể cốt hóa hai chiều người ta dùng chất nhồi không chiều, một chiều và hai chiều(hình 8.2b). Cốt hạt và cốt sợi được phân bố trong các mặt song song với nhau. Khỏangcách giữa các cốt trong mặt khá nhỏ so với khỏang cách giữa các mặt với nhau. Trongcùng một mặt, cốt sợi nằm song song với nhau cịn giữa các mặt thì chúng lại tạo thànhnhững gĩc khác nhau. Cốt mặt luơn được phân bố song song với nhau. Hàm lượng cốt haichiều trong compozít có thể đạt tới 15-16%. Với cốt hoá ba chiều không có phương nào được ưu tiên trong sự sắp xếp cốt và đểcốt hoá ba chiều người ta dùng cốt hạt và cốt sợi (hình 8.2 c) Khỏang cách giữa các phầntử cốt hạt là cùng một bậc. Cốt sợi đươcï sắp xếp trong ba mặt phẳng vuông gĩc với nhau.Với lọai cốt hoá này hàm lượng thể tích có thể vượt quá 15-16%. Ðể mở rộng sự tổng hợp các tính chất hoặc cường hóa một tính chất nào đó, khi cốthóa vật liệu compozít, người ta thường dùng đồng thời các lọai cốt với hình dạng khácnhau. Thí dụ để tăng thêm độ bền liên kết giữa các cốt sợi như sợi thủy tinh hay sợi cácbon với nền polyme, người ta cho thêm vào nền các cốt hạt như các hạt amiăng, silic cácbua, v.v. 168 Còn để nâng cao môđun đàn hồi của vật liệu compozít nền polyme cốt sợi thủy tinh,người ta lại cho thêm các sợi bo. Vật liệu compozít chứa từ hai lọai cốt khác nhau trở lênđược gọi là vật liệu compozít đa cốt (Hình 11.3a). Vật liệu compozít với nền phức tạp (từhai nền trở) lên được gọi là compozít đa nền (hình 11.3b). a. b. Hình11. Compozítñacoát(a),ñaneàn(b) 3 Nền và cốt được kết hợp thành khối compozít thống nhất thông qua liên kết tại vùngranh giới pha. Về nguyên tắc, ở điều kiện làm việc bình thường giữa nền và cốt trongcompozít không xảy ra hiện tượng khuyếch tán hịa tan lẫn nhau. Tuy nhiên, phụ thuộc vàoqui trình công nghệ chế tạo, hệ thống có thể trải qua các trạng thái nhiệt độ, áp suất caothuận lợi về mặt nhiệt động học cho các tưông tác khác nhau giữa nền và cốt xảy ra. 11.2 ÐẶC ĐIỂM TÍNH CHẤT. Vật liệu compozít là một vật liệu mới được tạo thành với tổ chức và tính chất hồntồn mới, nĩ là sự kết hợp các thành phần theo quy luật sao cho thể hiện nổi bật những ưuđiểm của từng cấu tử thành phần, cịn nhược điểm bị lọai bỏ. Cĩ thể nĩi vật liệu compozítcó những tính chất mà mỗi vật liệu thành phần nếu đứng riêng lẻ không thể có được. Bêtông cốt thép là một ví dụ điển hình của vật liệu kết hợp – compozít. Bê tông cốt thép là sự kết hợp giữa thép (vật liệu kim loại) có tính chịu tải trọng kéotốt và bê tông (là vật liệu vô cơ) có tính chịu nén tốt, vì thế bê tông cốt thép là loại vật liệukết cấu vừa chịu kéo và vừa chịu nén tốt. Vật liệu compozít nĩi chung là lọai vậ ...