Tiềm năng và ứng dụng vật liệu Composite Phần 1
GS.TSKH Nguyễn Đình Đức, Đại học Quốc gia Hà Nội
1:Khái niệm về vật liệu mới composite:
Compsite là vật liệu được tổng hợp nên từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt và bền hơn so với các vật liệu ban đầu. Vật liệu composite bao gồm có vật liệu nền và cốt. Vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bền nhiệt, bền hoá và khả năng chịu đựng khi vật liệu có khuyết tật. Vật liệu nền của composite có thể là polyme, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc các bon. Vật liệu cốt đảm bảo cho composite có các mođun đàn hồi và độ bền cơ học cao. Các cốt của composite có thể là các hạt ngắn, bột, hoặc các sợi cốt như sơi thuỷ tinh, sợi polyme, sợi gốm, sợi kim loại và sợi các bon,…
Về mặt đặt bài toán của cơ học, người ta còn định nghĩa vật liệu composite là vật liệu mà tính chất của nó phụ thuộc vào toạ độ. Ưu điểm lớn nhất của composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân bố và các vật liệu thành phần đẻ tạo ra một vật liệu mới có độ bền theo mong muốn. Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại ( như nhẹ, lại chịu được nhiệt lên đến 3000oC,…) chỉ có composite mới đáp ứng nổi, vì vậy, vật liệu composite giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới. Thực ra, quá trình tạo nên composite là sự tiến hoá trong ngành vật liệu: Từ vật liệu chỉ có một cấu tử ( như kim loại nguyên chất), người ta đã biết tận dụng tính ưu việt của các cấu tử để tạo ra các vật liệu có hai hay nhiều cấu tử ( hợp kim ), rồi từ 3 nhóm vật liệu đã biết là kim loại, vật liệu vô cơ ceramic và hữu cơ polyme, người ta đã tìm cách tạo ra composite – vật liệu của các vật liệu để kết hợp và sử dụng kim loại-hợp kim, các vật liệu vô cơ và hữu cơ đồng thời, hợp lý. Và mới đây người ta đã nói đến super-composite: composite của composite ( khi các vật liệu thành phần cũng là composite).
Dựa vào các đặc trưng cơ lý hoá, người ta phân vật liệu ra thành 4 nhóm chính: kim loại và các hợp kim, vật liệu vô cơ-ceramic, vật liệu polyme và gần đây nhất là vật liệu tổ hợp compsite. Vật liệu kim loại (và hợp kim) là những vật liệu dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng, có khả năng biến dạng dẻo cao. Đặc điểm cấu trúc kim loại là sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử, tạo thành mạng tinh thể, trong những điều kiện nhất định có thể chuyển hoàn toàn sang trạng thái không trật tự ( vô định hình ). Kim loại thông dụng có thể kể ra như thép, đồng, nhôm, tin tan, niken,…và các hợp kim của chúng. Ưu điểm của kim loại là dẫn điện, dẫn nhiệt, mô đun đàn hồi cao, độ bền cơ học cao.
Nhược điểm lớn nhất của kim loại là không bền với môi trường kiềm và axit, dễ bị oxi hóa, và nhiều kim loại độ bền nhiệt không cao. Khối lượng riêng của nhiều kim loại rất lớn nên bị hạn chế khi sử dụng để thiết kế chế tạo các khí cụ bay. Vật liệu vô cơ-ceramic là hợp chất giữa kim loại ( Mg, Al, Si,…) và các phi kim loại dưới dạng các oxyt, cacbit, nitrit,… với các liên kết bền vững kiểu ion hoặc đồng hoá trị, tạo thành mạng tinh thể ( có trật tự), hoặc trạng thái vô định hình. Các ceramic truyền thống là thuỷ tinh, gốm, sứ, gạch,…Ceramic có ưu điểm chung là cách điện, cách nhiệt, bền vững với môi trường kiềm và axít, tuy nhiên gốm lại giòn, không biến dạng dẻo. Vật liệu polyme có hai loại: nhiệt rắn ( đông rắn ở nhiệt độ cao, quá trình polyme hoá không có tính thuận nghịch) và nhiệt dẻo ( quá trình thuận nghịch, chảy dẻo ra ở nhiệt độ cao, đông rắn khi nguội và lại có thể chảy dẻo lại được ở nhiệt độ cao). Polyme có thể có nguốn gốc từ thực vật hoặc động vật như xenlulo, caosu, protein, enzym,…hoặc được tổng hợp từ các monome bằng các phản ứng trùng hợp như nhựa phenolphomalđehit, polyamit, polyephin,…Polyme có cấu trúc mạch thẳng ( polyetylen, polystyren,…), mạch nhánh, polyme mạng lưới và các polyme cấu trúc không gian (epoxy, phenolphomanđehit,…) và được cấu thành nên bởi hai nguyên tố chủ yếu là cacbon và hyđrô, có chứa thêm oxy, clo, nitơ,…. Polyme có ưu điểm là nhẹ, cách điện, bền vững với các môi trường hoá học, tuy nhiên lại có mô đun đàn hồi thấp và khả năng chịu nhiệt không cao.
Trong các vật liệu kể trên, trước đây người ta thường đánh giá cao vai trò của vật liệu nhóm kim loại và cho rằng chúng giữ vị trí quyết định đến sự phát triển xã hội và kỹ thuật. Tuy nhiên như đã phân tích trên đây, chúng ta có thể thấy vật liệu kim loại (hay hợp kim), gốm và polyme, mặc dù mỗi loại vật liệu có những ưu điểm riêng, nhưng cũng có những yếu điểm. Trong khi công nghiệp hiện đại, nhất là công nghiệp quốc phòng yêu cầu những vật liệu mới, đáp ứng được các đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật, như vật liệu chế tạo khí cụ bay phải vừa nhẹ, lại vừa bền nhiệt, …là những tính chất lý tưởng mà không vật liệu tự nhiên nào có được.
Từ đó con người đã nảy sinh ý tưởng, và sau đó đã trở thành hiện thực là chế tạo những vật liệu mới, tổ hợp được các ưu điểm của các loại vật liệu nói trên. Vật liệu mới composite, có thể có các chỉ tiêu cơ lý cao hơn kim loại và hợp kim, lại bền với cả môi trường hoá học và rất nhẹ. Ngày nay, composite ngày càng chiếm ưu thế, đã thay thế kim loại và hợp kim trong chế tạo máy, trong việc chế tạo các vật thể bay, và đã có mặt trong tất cả mọi ngành, mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Để thấy được quy mô phát triển của ngành vật liệu composite, hình 1 là biểu đồ sử dụng vật liệu composite trong máy bay tàu lượn: năm 1991 composite chiếm có 3% khối lượng, được dùng thay thế dần kim loại và hợp kim, và đến năm 2000 đã chiếm đến 65% khối lượng máy bay (hình 1). Ngày nay, một số thiết bị bay đã được chế tạo hoàn toàn bằng composite (hình 10).[img]/upload/images/vat lieu composite.png[/img] Hình 1. Tỷ lệ composite trong máy bay tàu lượn Thực tế cho thấy tất cả các vật liệu mới xuất hiện trong các năm gần đây, đều thuộc vào khái niệm vật liệu composite. Điều này lý giải vì sao trong nhiều tài liệu khoa học, thuật ngữ ” vật liệu mới” được dùng đồng nghĩa với vật liệu composite.
2.Mối quan hệ giữa cấu trúc-tính chất của vật liệu
Đặc tính cơ, lý, hoá của composite phụ thuộc vào 3 yếu tố chính:
– Các vật liệu thành phần
– Cấu trúc của cốt
– Công nghệ chế tạo
Thay đổi một trong ba yếu tố đó cũng đủ dẫn đến thay đổi composite. Chính vì vậy, các nhà hóa học và vật lý luôn vươn tới tìm tòi, phát hiện những vật liệu mới, tính chất mới của vật liệu và các công nghệ mới để chế tạo ra composite. Các nhà cơ học nghiên cứu để tìm cách thiết kế, lựa chọn các thành phần với tỷ lệ và kết cấu của hợp lý nhất.
Việc thay đổi cấu trúc của composite là một những yếu tố quan trọng quyết định việc nâng cao độ bền của vật liệu. Dựa theo cấu trúc hình học của cốt, về mặt cơ học có thể phân chia composite theo cấu trúc cốt ra làm 3 loại chính:
– Composite phân lớp ( gồm nhiều lớp được liên kết lại với nhau).
– Composite với các hạt độn ( bột độn), hoặc các sợi ngắn phân tán.
– Composite có cấu trúc sợi không gian nD ( các sợi độn song song với n phương trong không gian). 1D là composite có cốt sợi đồng phương. Hình 2 trình bày một số cấu trúc đơn giản nhất của composite 1D, 3D và 2D.[img]/upload/images/vat lieu composite2.png[/img]Hình 2. Một số cấu trúc phổ biến của composite cốt sợi Bảng 1 cho thấy các hằng số đàn hồi của composite tương ứng với sơ đồ cốt trên hình 2 (nền epoxy cốt sợi thuỷ tinh).
Bảng 1. Mô đun đàn hồi của composite polyme epoxy-thủy tinh với cấu trúc khác nhau[img]/upload/images/vat lieu composite 3.png[/img] Từ bảng 1 chúng ta nhận xét là với composite epoxy-thuỷ tinh đang xét, việc thay đổi cấu trúc cốt làm thay đổi đáng kể mođun đàn hồi và hệ số poát xông của composite, nhưng ít làm ảnh hưởng tới môđun trượt. Điều này cũng có nghĩa là khi kết cấu làm việc trong các trường hợp chịu ứng suất-biến dạng trượt, với vật liệu epoxy-thuỷ tinh đang xét, chúng ta có thể thay thế các vật liệu 3D bằng các vật liệu 1D, 2D đơn giản và rẻ hơn nhiều lần.
Vật liệu composite cũng có thể có nhiều pha. Hình 3 giới thiệu mô hình vật liệu composite có cấu trúc không gian 3Dm, khi trong vật liệu nền đưa bổ sung vào các hạt độn ( các hạt này có thể cùng loại hoặc khác so với vật liệu sợi). Hoặc cũng có thể hiểu như vật liệu gồm nền và các hạt độn bổ sung thêm pha thứ ba là các sợi cốt. Việc đưa các sợi vào làm cốt cho composite làm tăng môđun trượt, tăng độ cứng, độ bền của vật liệu.[img]/upload/images/Vat lieu composite 4.png[/img]Hình 3. Composite có cấu trúc không gian 3Dm Để thấy được vai trò của các cốt, trong hình 4 biểu diễn mođun trượt của composite 3 pha 1Dm, nền epoxy cốt sợi và hạt đều là thuỷ tinh, tương ứng sự thay đổi thể tích của các pha cốt. Trên hình 4 đường cong 1- khi composite 0m, chỉ toàn các hạt độn, đường cong 2-composite 1D-chỉ toàn cốt sợi, và đường cong 3,4, của composite 1Dm tương ứng tỷ lệ cốt sợi là 20% và 40% thể tích. Rõ ràng việc đưa các sợi vào composite cốt hạt đã làm tăng độ cứng, độ bền cho composite khi chịu ứng suất trượt. Điều này cũng có nghĩa là chúng ta đưa thêm các hạt độn vào vật liệu nền đã làm tăng được độ bền trượt của vật liệu. Trên hình 4, chỉ cần tăng 20% sợi cốt, chúng ta nhận được composite có mođun trượt cao hơn gấp 1,7 lần- điều này rất khó đạt được bằng các thủ pháp công nghệ xử lý nhiệt.
[img]/upload/images/vat lieu composite 5.png[/img] Hình 4. Sự thay đổi mô đun đàn hồi của composite phụ thuộc tỷ lệ hạt độn Tham số quan trọng đặc trưng cho phân bố cấu trúc là hệ số thể tích Vđ ( thể tích cốt độn)/ V ( của toàn bộ composite). Hệ số này thông thường từ 0,3-0,7 – tức là thành phần cốt thường từ 30% và không quá 70% thể tích composite. Khi phân bố cốt chiếm trên 70% thể tích, chúng quá sát nhau, giữa chúng nảy sinh tương tác dẫn đến sự tập trung ứng suất, và làm giảm sức bền của vật liệu.
Vật liệu composite có thể đa nền ( nếu nền gồm hai loại vật liệu trở lên cấu thành), hoặc đa cốt (khi cốt gồm hai hay nhiều loại vật liệu trở lên). Hình 5 cho thấy mốt số phương án của composite cốt tạp lai. Có hai nguyên nhân chủ yếu dẫn đến việc tạo ra cốt sợi tạp lai của composite: khi một trong các loại cốt sợi có chỉ số cơ lý cao hơn nhiều so với sợi kia, sẽ hạn chế được yếu điểm của các sợi có chỉ số cơ lý thấp hơn, và làm giảm giá thành của vật liệu. Ví dụ như việc dùng cốt tạp lai đa cốt sợi thuỷ tinh + sợi cacbon và sợi hữu cơ + sợi cácbon , tạo ra vật liệu có hệ số dãn nở nhiệt ổn định trong khoảng từ -120oC đến + 160oC, trong khi composite cốt sợi thuỷ tinh, hoặc cốt sợi hữu cơ thông thường ( khi không có sợi cácbon) lại có sự thay đổi đặc tính cơ lý đáng kể khi nhiệt độ tăng. Hoặc ví dụ như composite có 20% cốt là sợi các bon và 80% cốt là sợi thuỷ tinh, có độ bền bằng 75% so với composite có cùng tỷ lệ cốt độn nhưng chỉ toàn là sợi cácbon, trong khi đó giá thành composite cốt tạp lai lại chỉ bằng 1/3 so với composite cốt sợi cacbon. Sự pha tạp các thành phần vật liệu khác nhau ảnh hưởng nhiều đến mođun dàn hồi, độ bền nén, bền uốn, và các khả năng chịu nhiệt và giá thành của composite.[img]/upload/images/vat lieu composite 6.png[/img] Hình 5. Một số phương án cốt đa sợi của composite 3.Một số xu hướng hiện đại trong nghiên cứu, ứng dụng vật liệu composite
Hiện nay vật liệu mới phát triển theo các xu hướng sau: Phát triển vật liệu mới theo công nghệ mới: công nghệ luyện kim bột; vật liệu nano composite; công nghệ nguội nhanh;…
Phát triển vật liệu mới với các tính năng đặc biệt: vật liệu siêu cứng, vật liệu siêu dẻo, vật liệu nhớ hình, vật liệu composite chức năng (hay còn gọi là vật liệu có cơ lý tính biến đổi),…. Thiết kế chế tạo vật liệu với những khả năng mới bằng cách thiết kế và lựa chọn hợp lý cấu trúc và kết cấu bên trong vật liệu. Thực tế cho thấy vật liệu mới phát triển theo hướng ngày càng vươn tới những vật liệu bền hơn, nhẹ hơn, với các tính năng ngày càng mới mẻ. Có thể nói xu thế phát triển của vật liệu mới thực chất là phát triển các composite mới.
Về mặt công nghệ, người ta phân loại composite theo tính chất của vật liệu nền:
– Composite nền polyme
– Composite nền gốm
– Composite nền kim loại và các hợp kim
– Composite cacbon-cacbon ( cả nền và cốt sợi đều là cácbon)
Những năm gần đây còn xuất hiện khái niệm và các nghiên cứu về super-composite: (thành phần của composite cũng là composite) và nano composite (khi ít nhất một thành phần của composite có cấu trúc nano). Vật liệu chức năng thực chất là vật liệu composite phân lớp, nhưng khác với composite lớp truyền thống ở chỗ tính chất của chúng thay đổi theo chiều dày kết cấu, và thậm chí phụ thuộc vào nhiệt độ.
Ngoài ra, người ta còn sử dụng các điều kiện vũ trụ để chế tạo các vật liệu mới trong vũ trụ , ví dụ các kết cấu từ vật liệu composite được nở ra và đóng rắn trong vũ trụ, như các khoang cơ động của phi hành đoàn, các ăng ten vũ trụ,… Composite polyme hiện nay đã có đặc tính cơ lý cao hơn kim loại, nhẹ hơn kim loại, cách nhiệt, cách điện tốt và rất bền với các tác nhân hoá học và môi trường. Ví dụ như một ống dẫn dầu khí d=100mm, có trọng lượng khoảng 3-4kg/met, và có thể khai thác sử dụng 50-70 năm, trong khi ống thép cùng đường kính và độ dày nặng gấp 4-5 lần, và chỉ khai thác từ 5-10 năm, rất hay bị gỉ.
Vật liệu compsite polyme đang được thay thế cho kim loại chế tạo các chi tiết của thân vỏ máy bay, tên lửa, thân vỏ động cơ, các khung, dầm, vách ngăn của máy bay, tàu vũ trụ và các vật thể bay khác, các mũi nắn dòng và các chi tiết của tên lửa; composite polyme còn được dùng chế tạo các ăng ten, các hệ thống hãm,…thậm chí cả các áo giáp cho cảnh sát và quân đội cũng được làm từ polyme cốt sợi kevlar. Composite polyme còn được ứng dụng làm các ống dẫn dầu khí hoá chất, thân vỏ và các chi tiết của ô tô, và các thiết bị khác của ngành chế tạo máy.[img]/upload/images/vat lieu composite 7.jpeg[/img]Hình 6. Các ống từ vật liệu mới composite đang được lắp đặt dẫn dầu thay cho các ống kim loại. Để nâng cao khả năng cơ lý và giảm trọng lượng vật liệu, xu hướng dùng sợi các bon làm cốt cho composite polyme đang được ứng dụng và phát triển rất rộng rãi. Composite polyme sợi cacbon có hệ số dãn nở nhiệt thấp, độ cứng cao nên được dùng để chế tạo các ăng ten cần ổn định cao về kích cỡ hình dáng trong điều kiện bức xạ không đều. Sợi cacbon tương thích rất tốt với các mô của cơ thể sống, vì vậy composite polyme sợi cácbon còn được dùng chế tạo các thiết bị thay thế trong cơ thể như xương, chất hàn răng, vỏ hộp sọ. Các loại vải cacbon khi băng cac vết bỏng làm cho chúng mau lành , và khi gỡ thay băng rất róc, không gây thương tổn. Loại vải cacbon dùng trong y học đã được các nhà khoa học Việt Nam, phối hợp với các nhà khoa học của Viện NIGRAPHIT (LB Nga) sản xuất và ứng dụng thành công tại Việt Nam. Những năm gần đây, composite polyme sợi cacbon được dùng để chế tạo các thiết bị thể thao như khung xe đua, mũ cho lái xe và phi công, cán và cánh cung, các loại vợt cao cấp, các loại thuyền buồm thể thao,… Thống kê dưới đây cho thấy ví dụ về hiệu quả của việc dùng composite polyme sợi cácbon (CPSC) cho máy bay tàu lượn AN-124 của Nga:
- Khối lượng sử dụng CPSC( kg): 2200
- Số các chi tiết chế tạo từ CPSC ( cái ): 200
- Giảm được trọng lượng máy bay (kg): 800
- Tăng hệ số sử dụng vật liệu: (%) 85
- Giảm số lượng các chi tiết %) 120
- Giảm mức độ phức tạp khi chế tạo: (%) 300
- Tiết kiệm hợp kim nhômkg) 600
- Tăng khối lượng chuyển tải ( tấn.km) 1.106
- Tiết kiệm nhiên liệutấn) 1,2.104
Nhược điểm lớn nhất của composite polyme là khi chế tạo các kết cấu chịu nhiệt độ cao có độ bền không lớn. Việc bổ sung các phụ gia như bột kim loại, bột gốm, bột cacbon,… vào nền polyme đã nâng cao các đặc tính cơ lý như độ bền, độ cứng , độ mài mòn của loại vật liệu composite này.[img]/upload/images/image13.jpeg[/img]Hình 7: Vật liệu composite được ứng dụng để ( theo thứ tự từ trên xuống dưới) chế tạo: thân vỏ tàu vũ trụ; thanh truyền và pittông
Mời các bạn đón đọc phần 2:
Tiềm năng và ứng dụng vật liệu Composite Phần 2 |
Dạng hẹp
