Chương 9: Compozit pdf

329

Ch!¬ng 9 compozit

Sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña c«ng nghiÖp hiÖn ®¹i dÉn tíi c¸c nhu cÇu to lín

vÒ lo¹i vËt liÖu ®ång thêi cã nhiÒu tÝnh chÊt mµ c¸c vËt liÖu võa häc (kim lo¹i,

ceramic, polyme) khi ®øng riªng rÏ kh«ng cã ®!îc mµ næi bËt lµ lo¹i võa bÒn l¹i

võa nhÑ, rÎ l¹i cã tÝnh chèng ¨n mßn cao. Compozit (hay cßn gäi lµ vËt liÖu kÕt

hîp) ra ®êi trong mÊy chôc n¨m gÇn ®©y ®¸p øng ®!îc c¸c yªu cÇu ®ã, ®∀ øng

dông vµ ph¸t triÓn tíi tr×nh ®é cao quy luËt kÕt hîp - mét quy luËt phæ biÕn trong

tù nhiªn. Ngµnh khoa häc vµ c«ng nghÖ vÒ compozit ®∀ cã nhiÒu s¶n phÈm dïng

trong mäi lÜnh vùc: tõ «t«, m¸y bay cho ®Õn vËt liÖu chØnh h×nh vµ hiÖn ph¸t triÓn

m¹nh ®Õn møc nhiÒu ng!êi cho r»ng thÕ kû 2# sÏ lµ v¨n minh cña compozit.

9.∀.Kh¸i niÖm vÒ compozit

9.∀.∀. Quy luËt kÕt hîp

Tõ l©u ng!êi ta ®∀ biÕt sù kÕt hîp tÝnh chÊt cña c¸c pha trong vËt liÖu ®a

pha. VÝ dô, ®é bÒn cao cïng víi ®é dÎo t!¬ng ®èi tèt cña thÐp cïng tÝch lµ sù kÕt

hîp cña ®é dÎo, ®é dai cao cña nÒn ferit víi tÝnh cøng v÷ng cña c¸c tÊm (h¹t)

xªmentit n»m xen trong ®ã. Gç, tre kh¸ cøng v÷ng, bÒn, dai chÝnh lµ nhê c¸c tÝnh

chÊt t!¬ng øng cña sîi xenlul« (bÒn, dai) ®!îc ph©n bè theo h!íng x¸c ®Þnh víi

lignin (cøng v÷ng) bao quanh. §ã lµ b»ng c¸c con ®!êng kÕt hîp tù nhiªn. B»ng

con ®!êng kÕt hîp nh©n t¹o c¸c pha cã b¶n chÊt kh¸c nhau theo mét kiÕn tróc

®Þnh tr!íc sÏ b¶o ®¶m t¹o nªn mét tæ hîp c¸c tÝnh chÊt phï hîp víi c¸c yªu cÇu sö

dông ®Ò ra.

VËy compozit lµ lo¹i vËt liÖu nhiÒu pha kh¸c nhau vÒ mÆt hãa häc, hÇu nh!

kh«ng tan vµo nhau, ph©n c¸ch nhau b»ng ranh giíi pha, kÕt hîp l¹i nhê sù can

thiÖp kü thuËt cña con ng!êi theo nh÷ng s¬ ®å thiÕt kÕ tr!íc, nh»m tËn dông vµ

ph¸t triÓn nh÷ng tÝnh chÊt !u viÖt cña tõng pha trong compozit cÇn chÕ t¹o.

9.∀.2. §Æc ®iÓm vµ ph©n lo¹i

a. §Æc ®iÓm

Compozit cã nh÷ng ®Æc ®iÓm chÝnh sau.

- Lµ vËt liÖu nhiÒu pha mµ chóng th!êng rÊt kh¸c nhau vÒ b¶n chÊt, kh«ng

hßa tan lÉn nhau vµ ph©n c¸ch nhau b»ng ranh giíi pha. Trong thùc tÕ, phÇn lín

compozit lµ lo¹i hai pha gåm nÒn lµ pha liªn tôc trong toµn khèi, cèt lµ pha ph©n

bè gi¸n ®o¹n.

- NÒn vµ cèt cã tû lÖ, h×nh d¸ng, kÝch th!íc vµ sù ph©n bè theo thiÕt kÕ ®∀

®Þnh tr!íc.

- TÝnh chÊt cña c¸c pha thµnh phÇn ®!îc kÕt hîp l¹i ®Ó t¹o nªn tÝnh chÊt

chung cña compozit. Tuy nhiªn ®ã kh«ng ph¶i lµ sù céng ®¬n thuÇn tÊt c¶ c¸c tÝnh

chÊt cña c¸c pha thµnh phÇn khi chóng ®øng riªng rÏ mµ chØ lùa chän trong ®ã

nh÷ng tÝnh chÊt tèt vµ ph¸t huy thªm.

330

b. Ph©n lo¹i

Th«ng th!êng dïng c¸ch ph©n lo¹i theo c¸c ®Æc tr!ng cña nÒn vµ cèt, tøc

c¸c pha c¬ b¶n.

Theo b¶n chÊt cña nÒn cã:

- compozit nÒn chÊt dÎo (polyme),

- compozit nÒn kim lo¹i,

- compozit nÒn ceramic,

- compozit nÒn hçn hîp nhiÒu pha.

Theo ®Æc ®iÓm cÊu tróc cña cèt cã thÓ ph©n lo¹i compozit thµnh ba nhãm:

compozit cèt h¹t, compozit cèt sîi vµ compozit cÊu tróc nh! tr×nh bµy ë h×nh 9.#.

Lo¹i cèt h¹t vµ lo¹i cèt sîi kh¸c nhau ë kÝch th!íc h×nh häc cña cèt: cèt sîi cã tû

lÖ chiÒu dµi trªn ®!êng kÝnh kh¸ lín, cßn cèt h¹t lµ c¸c phÇn tö ®¼ng trôc. Kh¸i

niÖm vÒ compozit cÊu tróc lµ ®Ó chØ c¸c b¸n thµnh phÈm d¹ng tÊm, líp lµ vËt liÖu

®ång nhÊt vµ compozit kh¸c. Trong tõng lo¹i cèt: h¹t, sîi nÒn víi kÝch th!íc kh¸c

nhau cßn ®!îc chia tiÕp thµnh c¸c nhãm nhá h¬n: h¹t th« vµ h¹t mÞn, sîi liªn tôc

vµ sîi gi¸n ®o¹n...

COMPOZIT

↓ ↓ ↓

Cèt h¹t Cèt sîi Compozit cÊu tróc

↓ ↓ ↓

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

H¹t th« H¹t mÞn Liªn tôc Gi¸n ®o¹n Líp TÊm ba líp Tæ ong

↓

↓ ↓

Cã h!íng NgÉu nhiªn

H×nh 9.∀. S¬ ®å ph©n lo¹i compozit

9.∀.3.Liªn kÕt nÒn - cèt

Compozit chØ thùc sù kÕt hîp tèt c¸c tÝnh chÊt cña nÒn vµ cèt khi liªn kÕt

gi÷a chóng lµ hoµn h¶o. TiÕp theo tr×nh bµy c¸c ®Æc ®iÓm cña nÒn, cèt vµ t!¬ng t¸c

gi÷a chóng cho compozit kÕt cÊu (chÞu t¶i).

a. Cèt

Nh! ®∀ biÕt cèt lµ pha kh«ng liªn tôc, ®ãng vai trß t¹o nªn ®é bÒn cao,

m«®un ®µn håi (®é cøng v÷ng) cao cho compozit, do vËy cèt ph¶i lµ lo¹i cã c¸c

®Æc tÝnh ®ã, ®ång thêi ph¶i nhÑ ®Ó t¹o nªn ®é bÒn riªng cao. Cèt cã thÓ ®!îc lµm

b»ng tÊt c¶ c¸c lo¹i vËt liÖu ®∀ häc: kim lo¹i, ceramic vµ polyme. TØ mØ h¬n vÒ

chóng ®!îc tr×nh bµy trong tõng lo¹i compozit tiÕp theo. Nh! sÏ thÊy râ sau nµy,

h×nh d¹ng, kÝch th!íc, mËt ®é vµ sù ph©n bè cña sîi lµ nh÷ng yÕu tè cã ¶nh h!ëng

m¹nh ®Õn c¬ tÝnh cña compozit.

b. NÒn

NÒn lµ pha liªn tôc, ®ãng vai trß chñ yÕu ë c¸c mÆt sau.

- Liªn kÕt toµn bé c¸c phÇn tö cèt thµnh mét khèi compozit thèng nhÊt.

- T¹o kh¶ n¨ng ®Ó tiÕn hµnh c¸c ph!¬ng ph¸p gia c«ng compozit thµnh c¸c