Vật liệu composite, đặc điểm, phân loại (24/04/2019)
Tính ưu việt của vật liệu compozit là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau như mong muốn. Các thành phần cốt của compozit có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hòa tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định, dễ vận dụng được các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất.
Đặc điểm của vật liệu composite:
Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha khác nhau về bản chất, các pha phân cách nhau bằng bề mặt phân chia pha trong đó pha chủ hay pha nền chiếm tỷ lệ xác định đóng vai trò trong liên kết với các pha còn lại. Nếu vật liệu có hai pha thì pha liên tục trong khối vật liệu là pha nền, còn pha không liên tục phân bố gián đoạn và được pha nền bao bọc gọi là pha cốt. Đặc điểm thứ hai, trong composite thì tỷ lệ các pha, hình dạng và kích thước từng pha được phân bố theo quy luật định trước của người thiết kế tạo vật liệu.
Đặc điểm thứ ba, tính chất các pha thành phần sẽ tạo được tính chất chung trội hơn của vật liệu so với các pha thành phần. Tuy vậy tính chất của composite không phải bao gồm tất cả các tính chất của các pha thành phần tạo thành vật liệu, mà chỉ lựa chọn những tính chất tốt và phát triển thêm do những quy luật kết hợp của các pha thành phần.
Thành phần của vật liệu composite:
- Pha nền trong vật liệu composite: Trong vật liệu composite thì pha nền làm nhiệm vụ liên kết các phần tử của pha không liên tục (pha cốt) để tạo khối vật liệu thống nhất có sự phân bố định trước. Pha nền giúp cho vật liệu có khả năng gia công tạo hình các chi tiết theo thiết kế do khả năng liên kết giữa pha nền và pha cốt và che phủ bao bọc pha cốt tạo tính năng bảo vệ và cơ tính tốt hơn khi làm việc trong các môi trường khác nhau. Pha nền được hình thành từ các vật liệu hay các chất khác nhau như kim loại, các chất hữu cơ, các hợp chất vô cơ dưới dạng nguyên tố hay các hợp chất oxit và nền hỗn hợp giữa các chất đó.
Tính chất của pha nền ảnh hưởng trực tiếp đến tính công nghệ và tính sử dụng của composite trong các điều kiện về môi trường lựa chọn. Ngoài ra giữa nền và cốt có sự phối hợp sẽ tạo được tính năng phân bố và truyền lực tác dụng vào vật liệu composite, khả năng bảo vệ trong các môi trường dễ hơn các vật liệu truyền thống.
Pha cốt trong vật liệu composite: Pha cốt là pha không liên tục, phân bố ở trong pha nền. Về bản chất pha cốt trong vật liệu compozit là tăng cường các tính năng cho vật liệu dựa vào tính năng của vật liệu làm cốt, do đó pha cốt rất đa dạng tuỳ thuộc yêu cầu về tính chất của composite. Đối với composite kết cấu thì cốt cần phải có tính bền cơ cao, mô đun đàn hồi lớn. Cốt có thể ở dạng hạt hay sợi làm bằng vật liệu kim loại, phi kim, các hợp chất vô cơ, các hợp chất hữu cơ như xenlulo… Hình dạng, kích thước, hàm lượng của vật liệu và sự phân bố nó trong pha nền có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của composite. Cốt có thể phân bố theo mặt phẳng và trong không gian của khối vật liệu composite nhằm tăng cường những tính chất cơ lý của vật liệu.
Những vật liệu composite đơn giản đã có từ rất xa xưa. ở Ai cập khoảng 3000 năm trước công nguyên người ta đã làm vỏ thuyền bằng lau sậy tẩm bitum và cũng kết cấu giống như thuyền của dân địa phương tam giác châu thổ sông Nill dùng hiện nay. Ở Việt Nam, thuyền tre đan trát sơn ta trộn với mùn cưa, các vách làm đất trộn rơm cốt tre là các ví dụ điển hình về vật liệu compozit. Mặc dù composite là vật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950. Từ đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và có khi thuật ngữ “ vật liệu mới” đồng nghĩa với “ vật liệu composite”.
Phân loại:
Vật liệu composite được phân biệt theo bản chất và hình dạng của vật liệu thành phần:
Phân loại theo bản chất vật liệu nền và cốt: Composite nền hữu cơ: composite nền giấy (cacton), composite nền nhựa, nền nhựa đường, nền cao su (tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xe máy)… ; Composite nền khoáng chất: Bê tông, bê tông cốt thép, composite nền gốm…. Composite nền kim loại: nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm,…Thường kết hợp với cốt liệu dạng sợi kim loại, sợi khoáng.
Theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc: Vật liệu composite cốt sợi: Sợi là loại vật liệu có một chiều kích thước (gọi là chiều dài) lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước không gian còn lại. Vật liệu cốt sợi gia cường tăng cơ lý tính cho polymer nền; Vật liệu composite cốt hạt: Hạt là loại vật liệu gián đoạn, khác sợi là không có kích thước ưu tiên. Loại vật liệu composite cốt hạt phổ biến nhất chính là bê tông thường được gọi ngắn gọn chỉ là bê tong; Vật liệu composite cốt hạt và sợi: bê tong là một loại composite nền khoáng chất. khi bê tong kết hợp với cốt thép tạo nên bê tông cốt thép, thì đá nhân tạo tạo từ xi măng là vật liệu nền, các cốt liệu bê tông là các vàng và đá dăm thì là cốt hạt, còn cốt thép trong bê tông gọi là cốt sợi.
Tài liệu tham khảo:
(1) https://compositeviet.com.vn;
(2) Phan Thị Thúy Ngan, 2011, Nghiên cứu vật liệu composite chế tạo khuôn ép có độ bền cơ học cao tạo hình sản phẩm gốm, sứ dân dụng.
Nguyễn Nhi