Vật Liệu Composite Là Gì? Đặc Điểm Cấu Tạo Và Phân Loại

57 lượt xem Kiến Thức
Vật liệu composite là gì, liệu có phải là vật liệu của tương lai?



Hiện nay vật liệu composite đang ngày càng trở nên phổ biến hơn với các sản phẩm như bồn composite FRP, hầm biogas, bồn chứa axit đậm đặc. Vậy vật liệu composite là gì, tại sao vật liệu này lại được ưa chuộng tới như vậy

Giới Thiệu Về Thành Phần Cấu Tạo Và Lịch Sử Hình Thành

Giới thiệu

Vật liệu composite, hay người tiêu dùng có thể gọi vật liệu tổng hợp, vật liệu composite, với công thức tạo ra vật liệu là tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau, tạo nên một loại vật liệu mới, với tính chất vượt trội hơn hẳn so với những vật liệu ban đầu, hay nói cách khác nó bao gồm hầu hết những tính năng của vật liệu cũ , khi những vật liệu cũ làm việc riêng rẽ với nhau đồng thời do liên kết mà tạo thêm nhiều những tính năng tốt hơn.

Lịch sử nghiên cứu

Ước tính khoảng thời gian tạo ra vật liệu tổng hợp, được phát minh từ rất xa xưa, khoảng 5000 năm trước công nguyên, với những vật liệu tổng hợp đơn giản, sơ khai đã được con người trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi tạo ra gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng. Thành công nhất của vật liệu composite được chứng minh đã xuất hiện từ rất lâu đời là hợp chất dùng để ướp xác của người Ai Cập. Ngoài ra, trước khi con người phát hiện hay đơn giản tạo ra những vật liệu composite, thì thiên nhiên diệu kỳ cũng đã tạo ra một loại vật liệu mà tên vật liệu tổng hợp composite, kể đến ví dụ là thân cây gỗ, có cấu trúc composite, với những sợi xenlulo dài được kết nối với nhau dưới tác động của licnin, nhờ sự kết nối này mà thân cây vừa bền vừa dẻo, trở thành công cụ, nguyên liệu để con người xây nhà,  làm bàn ghế, tủ với thời gian sử dụng lâu dài.

Vật liệu composite là gì, liệu có phải là vật liệu của tương lai?
Vật liệu composite là gì, liệu có phải là vật liệu của tương lai?

Đây có lẽ là một cấu trúc lý tưởng về vật liệu tổng hợp composite, sự tự nhiên của thiên nhiên đã giúp con người tạo ra được những vật liệu thật tuyệt vời để sử dụng hiện nay. Hàng loạt những chứng minh có thể khẳng định vật liệu tổng hợp composite được tạo ra, phát minh rất nhiều lần không chỉ trên thế giới mà còn ở Việt Nam cũng xuất hiện. Cùng tìm hiểu về việc người Hy Lạp cổ đã biết cách sử dụng mật ong trộn với đất, đá, cát , sỏi để làm vật liệu xây dung, nhưng để xây dựng được một ngôi nhà lớn, thì số lượng mật ong bỏ ra cũng không phải nhỏ, vì thế khá tốn kém chi phí. Rời Hy Lạp, chúng ta biết được ở Việt Nam, cha ông ta đã truyền lại cho con cháu cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo được lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm áp vào mùa đông, đây là phát minh rất sáng tạo lại không tốn kém, vì Việt Nam là quốc gia nông nghiệp, chú yếu sống bằng nghề làm nông, lúa nước, lại nhiều sông ngòi nên phù sa và bùn đất rất nhiều.

Vật liệu composite được hình thành từ rất sớm, nhưng cái tên khoa học , vật liệu tổng hợp, vật liệu composite lại chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950. Và dưới nền cở sở hình thành đó, khoa học công nghệ vật liệu composite đã tiếp tục phát triển trên toàn thế giới , rồi được hình thành với tên gọi “ vật liệu mới” rồi là “ vật liệu composite”.

Cấu tạo của Vật Liệu Composite

Nhiều chuyên gia đã cho biết , để tạo nên được sản phẩm vật liệu composite, người ta cần  tổng hợp một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất.  Tìm hiểu về pha, chúng tôi biết được rằng, pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu tổng hợp, mỗi pha liên tục được gọi là vật liệu nền( matrix) , với nhiệm vụ chính là liên kết các pha gián đoạn, và mỗi pha gián đoạn với cốt và vật liệu tăng cường ( reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, đặc biệt là tính kết dính, chống mòn, chống xước,… những tính năng vượt trội thực sự cần thiết trong quá trình làm việc, sử dụng các vật liệu, sản phẩm.

Thành phần cốt lõi

Được coi là vật liệu quan trọng trong cấu trúc của vật liệu composite, vật liệu cốt hay là vật liệu gia cường, đúng như tên gọi của nó giúp cho vật liệu composite có được những đặc tính cơ học cần thiết, với hai loại cơ bản là dạng cốt sợi ( ngắn hay dài), và dạng cốt hạt.

Ngoài ra bên trong cấu trúc của vật liệu  composite còn gồm các sợi khoáng chất gồm: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm và nhóm sợi tổng hợp ổn định nhiệt như các sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil. Và thậm chí  những sợi ít phổ biến hơn nhưng cũng có tác dụng rất lớn trong việc tạo nên một cấu trúc hoàn chính của vật liệu composite như: : sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa,…; sợi gốc khoáng chất: sợi Amiăng, sợi Silic,…; sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron, térylène,..), sợi polyamit,…; sợi kim loại: thép, đồng, nhôm,… Cùng nhau tìm hiểu về thông tin chi tiết về các sợi chủ yếu trong cấu trúc tạo nên vật liệu composite, để hiểu rõ rằng tại sao các loại sơi liên kết với nhau một cách chặt chẽ và hoàn hảo tới như vậy.

  • Sợi thủy tinh: những thông tin nhận được về loại sợi thủy tinh là loại sợi được tạo ra từ quá trình kéo từ các loại thủy tinh kéo sợi được ( chủ yếu là loại thủy tinh dệt), đây là loại sợi thủy tinh có đường kính nhỏ chỉ vài chục micro mét, với quá trình kéo sợi, thủy tinh mất đi những nhược điểm còn tồn tại của thủy tinh khối, được kể đến như: giòn, dễ nứt gãy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn. Có thể khẳng định những tính năng của sợi thủy tinh là nhờ vào các khoáng chất như: silic, nhôm, magiê,… và tổng hợp những khoáng chất để tạo nên những loại sợi thủy tinh khác nhau, bao gồm: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao). Đặc biệt là loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiếm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt.
  • Sợi Bazan
  • Các loại sợi hữu cơ phổ biến: được hình thành từ hợp chất hữu cơ, sợi kenvlar, cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, dưới sự gia công bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp ( -10 độ C), sau đó được kéo thành các sợi nhỏ trong dung dịch, và kết thúc quá trình xử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi. Trên thị trường hiện nay, giá thành của các sợi Kenvlar, hay những sợi được tạo nên từ nguyên lý từ các chất hữu cơ như Twaron, Technora,… có giá thành thấp hơn so với sợi thủy tinh, nhưng thường tính năng của sợi từ các chất hữu cơ này lại không cao như sợi thủy tinh, có thể thấy, các loại sợi Aramit có độ bền nén, uốn thấp và dễ biến dạng cắt giữa các lớp.
  • Sợi Carbon: chính là sợi grphit ( than chì) với cấu trúc bề mặt tạo thành các lớp liên liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3.35 A độ. Như chúng ta đã biết, các phân tử các phân tử Carbon, được tạo thành từ những nguyên tử carbon, mà các nguyên tử lại liên kết với nhau rất chặt chẽ, trong một mặt phẳng, tạo thành mạng tinh thể lục lăng, với khoảng cách giữa cách  giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1.42 A độ,chính vì sự liên kết mà độ bền cũng như độ đàn hồi của sợi carbon rất cao, đây được coi là cấu trúc bền vững mạnh. Đánh giá về tính năng của sợi carbon, là loại sợi có cơ tính cao, lại gần tương đương với sợi thủy tinh, và khả năng chịu nhiệt rất tốt giúp chúng trở thành một sợi quan trọng trong quá trình tổng hợp vật liệu composite.
  • Sợi Bor: còn được gọi với tên Bore ( ký hiệu là B- trong hóa học),  là một dang sợi gốm được tạo thành nhờ phương pháp kết tủa. Sau quá trình kết tủa, chúng ta sẽ nhận được một thành phẩm với nhiều hình dạng khác nhau: như sợi dài, gồm nhiều sợi nhỏ, song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống, vài đồng phương.
  • Sợi Cacbua Silic ( với công thức hóa học SiC): cũng được hình thành từ quá trình kết tủa, và là một loại sợi gốm thu.
  • Sợi kim loại
  • Sợi ngắn và các hạt phân tán
  • Cốt vải: là tấm được hinh thành tổ hợp ở bề mặt, từ các vật liệu cốt sợi được hình thành khi thực hiện công nghệ dệt. Với những kỹ thuật dệt khác nhau có thể tạo ra được cốt vải khác nhau, từ những kiểu dệt vải truyền thống thường dùng như kiểu dệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải mô đun cao, kiểu dệt đồng phương đến những kiểu dệt, lỹ thuật dệt đa phương, kể đến: bện, tết và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phương. Tìm hiểu các kiểu dệt, mới hiểu được kỹ cách tạo nên cốt vải, kiểu dệt được hình thành từ quá trình đan sợi, hay là kiểu chéo sợi.
  • Vật liệu nền: đây được coi là vật liệu có tính quyết đến sự liên kết trong cấu trúc của vật liệu composite, được đảm nhận vai trò là thành phần cốt của vật liệu tổng hợp, liên kết với nhau tạo nên tính nguyên khối, và thống nhất, nhất quán trong cấu trúc composite. Người thiết kể thường sử dụng một số loại vật liệu nền điển hình, không thể bỏ qua với loại: nền hữu cơ ( nền nhựa), nền kim loại, nền khoáng, và nền gốm.
  • Chất liệu nền polyme nhiệt rắn
  • Nhựa polyester và nhóm nhựa cô đặc gồm: nhựa phenol, nhựa furan, nhựa amin, nhựa epoxy. Nhựa epoxy là loại nhựa được ưu tiên sử dụng,  phổ biến (sau polyeste không no) trong công nghiệp composite.  Nguyên nhân chính cho việc nên sử dụng nhiều nhựa epoxy là loại nhựa có  đặc tính cơ học cao, vì thế khi sử dụng để tạo vật liệu tổng hợp composite, giúp vật liệu có độ bền cao hơn, đặc biệt thích hợp dùng trong việc chế tạo máy bay, tàu vũ trụ, tên lửa,… với những đặc tính ưu việt như kéo, uốn, nén, va đập và từ biến, hơn polyeste,… nên trong khoa học, hay trong ngành sản xuất vẫn ưu tiên sử dụng nhựa epoxy.
  • Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo: với nền của vật liệu là nhựa nhiệt dẻo là : PVC, nhựa polyetylen, nhựa polypropylen, nhựa polyamit,…
  • Chất liệu nền carbon
  • Chất liệu nền kim loại: Vật liệu nền tổng hợp kim loại có modun đàn hồi rất cao, có thể lên tới 110 GPa, vì thế mà chất gia cường cũng có modun cao, vì thế mà sử dụng hầu hết các loại kim loại như nhôm, niken, đồng.
    • Phân loại vật liệu composite:
  • Vật liệu tổng hợp polyme
  • Vật liệu tổng hợp cacbon-cacbon
  • Vật liệu tổng hợp gốm
  • Vật liệu tổng hợp kim loại
  • Vật liệu tổng hợp tạp lai
  • Gỗ tổng hợp: ( WPC – wood plastic composite) đây là một loại vật liệu tổng hợp được tạo thành nhờ quá trình ép hình từ bột gỗ, và nhựa , sau đó còn được  phối trộn thêm các chất phụ gia như chất tạo màu, chất ổn định, chất gia cường, hay chất chống cháy.

Các loại Vật Liệu Composite

Theo bản chất vật liệu nền và cốt hình thành vật liệu composite có:

Vật Liệu Composite nền hữu cơ

Đây là loại composite nền trắng (casctong), hay các composite nền nhựa, nền nhựa đường, nền cao su ( tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thầm, lốp ô tô xe máy,…  sau khi lựa chọn được loại nền để quyết định đến loại composite, người ta bắt đầu chọn lựa kết hợp với các dạng cốt liệu thích hợp như : sợi hữu cơ (polyamit, kevlar – là sợi aramit cơ tính cao…), sợi khoáng (sợi thủy tinh, sợi cacbon,…), sợi kim loại (Bo, nhôm…),  sau khi thành sản phẩm composite để chế tạo thành các sản phẩm khác nhau, thì tính chịu nhiệt tối đa của sản phẩm là khoảng từ 200 – 300 độ C.

Tổng hợp nền khoáng chất

Sản phẩm mà chúng ta có thể nhìn thấy từ việc sử dụng nền khoáng chất tạo vật liệu composite là bê tông, bô tông cốt thép, composite nền gốm, composite carbon – carbon, và thường sử dụng kết hợp với cốt dạng là sợi kim loại (Bo, thép,…), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua, gốm Nitơ…).

Tổng hợp nền kim loại

Lấy các nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm,…. Kết hợp với những cốt liệu chủ yếu sợi kim loại (Bo,…), sợi khoáng (cacbon, SiC,…).

  • Tổng hợp nền kim loại và khoáng chất có thể chịu được nhiệt tối đa là khoảng 600 đến 1000 độ C ( nếu loại composite nào sử dụng vật liệu nền là gốm thì nhiệt độ luôn đạt tới 1000 độ C).
  • Theo hình dạng cốt liệu:

Vật liệu tổng hợp cốt sợi

Sợi là vật liệu có một chiều kích thước ( chiều dài), lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước không gian còn lại, với hai chiều kia được phân bố gián đoạn trong vật liệu composite, còn chiều dài thì được sử dụng ở dạng liên tục hay gián đoạn tùy từng trường hợp. Vật liệu cốt sợi là vật liệu quan trọng nhất, thường được gắn liền với composite trong tên gọi, với những sản phẩm composite dân dụng, thường chủ yếu sử dụng vật liệu sợi để chế tạo vật liệu composite cốt sợi, và kết hợp với nền nhựa.

Vật liệu tổng hợp cốt hạt

cũng như tên gọi của hạt, khác với vật liệu sợi, thường thì không có kích thước ưu tiên, bởi bản chất của hạt là rất nhỏ bé, với những loại vật liệu composite, hạt phổ biến nhất trên thị trường là bê tông,  và thường được gọi với cái tên là bê tông, nên chúng ta thường thấy phố biến là vật liệu composite cốt sợi.

Vật liệu tổng hợp cốt hạt và sợi

Bê tông được coi là một loại tổng hợp ( compozit) với nền khoáng chất được sử dụng chủ yếu,  bê tông khi kết hợp với cốt thép, được tạo nên bê tông cốt thép, và có tính chất vượt trội hơn so với bê tông, với việc sử dụng đá nhân tạo tạo thành từ xi măng là vật liệu nền, các cốt liệu bê tông là cát vàng, và đá dăm, thì là cốt hạt, còn cốt thép trong bê tông là cốt sợi.

Công nghệ chế tạo

  • Công nghệ khuôn tiếp xúc

+Lăn tay

+Phun

+Lát máy

  • Công nghệ khuôn với diaphragm đàn hồi

+Khuôn chân không

+ Khuôn chân không- autoclave

+ Khuôn ép diaphragm

  • Công nghệ tẩm áp lực

+ Tẩm áp lực trong điều kiện thường

+ Tẩm áp lực trong chân không

  • Công nghệ dập trong khuôn

+ Dập trực tiếp

+ Dập đúc

+ Dập ép nóng

  • Công nghệ quấn

+ Các phương pháp công nghệ

+ Máy quấn

  • Công nghệ pulltrusion :  theo công nghệ được tiến hành liên tục, tự động, để tạo thành một sản phẩm dạng Profile ( thanh chữ U, chữ I), với tính chất hóa học, vật lý cao, với những tính năng tốt, có thể thay thế vật liệu truyền thống như sắt, thép, nhôm, gỗ, trong nhiều ứng dụng, hơn nữa với thời gian sử dụng lâu dài, thường tỷ lệ phế liệu thấp,  khả năng lựa chọn cái loại nhựa, vật liệu gia cường cũng như cường độ lao động , với thành khuôn cố thể điều chỉnh trong khoảng rộng.

Một số Ưu điểm – Nhược điểm chính

Ưu điểm của Vật Liệu Composite

  • Khối lượng riêng nhỏ, độ bền cơ học cao, độ cứng vững và uốn kéo tốt.
  • Khả năng chịu đựng thời tiết, chống lão hóa, chống tia UV cao, cách điện và cách nhiệt tốt.
  • Khả năng kháng hóa chất và kháng ăn mòn cao, không gây tốn kém trong bảo quản, không cần phải sơn phủ chống ăn mòn.
  • Gia công và chế tạo đơn giản, dễ tạo hình, tạo màu, thay đổi và sửa chữa, chi phí đầu tư trang thiết bị sản xuất và chi phí bảo dưỡng thấp.
  • Tuổi thọ sử dụng cao (thời gian sử dụng dài hơn kim loại, gỗ khoảng 2-3 lần).
  • Với hàng loạt ưu điểm, thể hiện rõ những tính năng vượt trội tuyệt vời, khác hẳn với những vật liệu khi sử dụng riêng, chính vì thế vật liệu composite được sử dụng trong việc sản xuất rất nhiều sản phẩm như bồn chứa các dung dịch hóa chất hay các loại dung môi có tính ăn mòn cao, bọc lót , …

Nhược điểm của Vật Liệu Composite

  • Khó tái chế, tái sử dụng khi hư hỏng hoặc là phế phẩm trong quá trình sản xuất, vì thế sử dụng với số lượng quá lớn tạo ra một nguồn phế phẩm lớn ra môi trường, có thể gây ôi nhiễm môi trường nhanh chóng.
  • Giá thành nguyên liệu thô tương đối cao, phương pháp gia công tốn thời gian.
  • Phức tạp trong phân tích cơ, lý, hóa tính của mẫu vật.
  • Chất lượng vật liệu bị phụ thuộc nhiều vào trình độ của công nhân, với nhiều quốc gia cần sử dụng nhiều đến nguồn lao động trẻ, phổ thông.

Ứng dụng của Vật Liệu Composite

  • Vỏ động cơ tên lửa
  • Vỏ tên lửa, máy bay, tàu vũ trụ
  • Bình chịu áp lực cao.
  • Ống dẫn xăng dầu composite cao cấp 3 lớp : Sử dụng công nghệ cuốn ướt của Nga và các tiêu chuấn sản xuất ống dẫn xăng, dầu, đảm bảo việc dẫn đưa các loại xăng dầu, an toàn, tránh gây ảnh hưởng xấu ra môi trường và chất lượng cuộc sống của con người.
  • Ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn composite ( gọi là ống nhựa cốt sợi thủy tinh);
  • Ống dẫn nước thải, dẫn hóa chất composite;
  • Ống thủy nông, ống dẫn nước nguồn qua vùng nước ngậm mặn, nhiễm phèn;
  • Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất, tấm panell composite;
  • Hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng;
  • Hệ thống sứ cách điện, sứ polymer, sứ cilicon, sứ epoxy các loại sứ chuỗi, sứ đỡ, sứ cầu giao, sứ trong các bộ thiết bị điện, chống sét, cầu chì;
  • Lốp xe ô tô, xe máy, xe đạp;
  • Vỏ tàu thuyền composite (vỏ lãi)…..
  • Thùng rác công cộng
  • Mô hình đồ chơi trẻ em
  • Vật liệu cải tạo nhà

Mong rằng những thông tin về vật liệu composite trong bài viết giúp người đọc có thể hiểu sâu về loại vật liệu này, và biết cách sử dụng các loại sản phẩm từ vật liệu composite một cách hiệu quả nhất

Vật Liệu Composite Là Gì? Đặc Điểm Cấu Tạo Và Phân Loại
5 (100%) 5 votes

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Hotline: 0963.24.24.55 (Hà Nội) - 0327.690.819 (Tp.Hcm)