Phương pháp chế tạo vật liệu COMPOSIT

hương pháp nghiên cứu 27 II.2-Nghiên cứu quá trình nấu thuỷ tinh 30 II.3- Đo đạc tính chất thuỷ tinh 33 II.4- Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh 39 III.4.1- Sơ đồ tổng hợp vật liệu composit 39 II.4.2 Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh và sợi Cr-Ni.43 II.4.3 Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh và sợi Inox 46 II.4.4 -Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh và sợi SiC .48 II.4.5- Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh bền cơ cao. 49 II.4.6- Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh và gốm corun. 50 Phần III- Kết luận 51 Tài Liệu Tham Khảo 52 Mở đầu Vật liệu là một lĩnh vực quan trọng đối với đời sống và sản xuất công nghiệp. Mỗi một loại vật liệu đều có những ưu ,nhược điểm riêng (ví dụ:vật liệu hữu cơ :nhẹ , bền, rẻ, dễ gia công nhưng không sử dụng được ở nhiệt độ cao; vật liệu vô cơ: chịu lực tốt, rẻ, có thể sử dụng được được ở khoảng nhiệt độ rộng nhưng kém bền, kết cấu nặng nề , khó gia công…). Sự phát triên mạnh mẽ của công nghệ hiện đại dẫn tới nhu cầu to lớn về những vật liệu đồng thời có nhiều tính chất cần thiết mà các vật liệu truyến thông khi đứng riêng rẽ không thể có được.Vật liệu kết hợp hay composit ra đời vừa đáp ứng nhu cầu cấp bách đó, vừa là sản phẩm của những công trình nghiên cứu trong nửa sau thế kỷ XX nhằm khai thác, phát triển quy luật kết hợp – một quy luật phổ biến trong tự nhiên. Ngày nay, vật liệu composit đã và đang thay thế dần các vật liệu truyền thống như: vật liệu vô cơ,hữu cơ, kim loại…để chế tạo ra các chi tiết máy và kết cấu kể cả các kết cấu chịu tải trọng lớn cũng như các sản phẩm dân dụng khác, trong đó có cả lĩnh vực y tế – một lĩnh vực còn mới mẻ - đó là vật liệu composit y sinh. Vật iệu composit y sinh là một loại vật liệu không những có khẳ năng dung nạp tốt trong cơ thể con người mà còn có khẳ năng tạo ra mối liên kết trực tiếp kiểu sinh hóa giữa nó và tế bào xương cơ thể sống. Vì vậy nó là loại vật liệu lý tưởng để sữa chữa , thay thế các bộ phận xương răng cơ thể con người trong phẫu thuật chỉnh hình. Luận văn này có nhiệm vụ nghiên cứu tổng hợp vật liệu , khảo sát tính chất và khả năng liên kết tạo vật liệu composit của thuỷ tinh có tính chất sinh học tốt với một số vật liệu khác nhau.các loại cốt khác nhau. Phần I : Tổng Quan Về Vật Liệu Composit I. Khái Niệm Vật liệu composit (composit ) là vật liệu tổ hợp từ hai (hoặc nhiều) vật liệu có bản chất khác nhau . Vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần khi đứng riêng rẽ.[1] II. Lịch sử phát triển Vật liệu composit đầu tiên đã xuất hiện cách đây hàng nghìn năm . 5000 năm trước công nguyên người cổ đại đã thêm đá nghiền nhỏ hoặc những vật liệu nguồn gốc hữu cơ vào đất sét để giảm độ co , cứt khi nung gạch hoặc đồ gốm. ở Ai cập khoảng 3000 năm TCN người ta đã làm vỏ thuyền bằng lau sậy đan tẩm bitum, nếu bỏ qua một số khái niệm thì kỹ thuật đó cũng giống như kỹ thuật làm tàu hiện đại từ chất dẻo cốt thuỷ tinh hiện nay. ở Việt Nam , thuyền tre đan trát sơn trộn mùn cưa là một ví dụ về vật liệu composit .[2] Năm 1851, Nelson Goodyear đã dùng oxyt kẽm làm chất độn cho elonit. Năm 1920 , Bakeland đă dùng bột gỗ độn vào nhựa bakelit và John đã sử dụng xenlulo làm chất độn cho các loại nhựa .[8] Mặc dù được hình thành từ rất sớm , nhưng việc chế tạo vật liệu composit mới thực sự được chú ý khoảng 60 năm trở lại đây. Vào những năm 1930 Slayter đã được Ellis và Foster dùng gia cường cho polyeste không no. Polyeste tăng cường bằng sợi sợi thủy tinh được sử dụng trong ngành hàng không năm 1938.[8] Năm 1944 đã sản xuất hàng nghìn chi tiết bằng chất dẻo composit cho máy bay và tàu chiến phục vụ đaị chiến thế giới lần thứ II.Năm 1950 chất lượng của vật liệu polyme composit được nâng cao nhờ sự ra đời của nhựa epoxy và hàng loạt sợi tăng cường như sợi cabon, sợi polyeste, nylon, aramit (kelva), sợi silic… Từ năm 1970 đến nay , các chi tiết chế tạo từ composit cốt sợi đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp , làm vật liệu xây dựng và những ngành kỹ thuật cao .[5] Mặc dù vậy , việc nghiên cứu nâng cao chất lượng , cải thiện tính chất cơ lý , tính chất nhiệt , điện v.v…, mở rộng lĩnh vực ứng dụng của vật liệu này vẫn luôn được được đặt ra. III- Xu hướng phát triển của vật liệu composit trong thời gian tới. [2] - Thay thế thép bằng vật liệu composit: Sự thay thế thép bằng các vật liệu mới có liên quan đến các tính chất đặc biệt và bản chất vật lý của chúng . Trong các vật rắn tinh thể , thép và các kim loại khác luôn tồn tại những sai lệch đường . Số lượng của chúng lên tới nhiều tỷ trên 1cm3 , làm yếu kim loại và không cho phép tăng độ bền của chúng lên một cách đáng kể, Nhờ những tính chất ưu việt , vật liệu polyme composit cho phép đạt được độ bền nén lớn hơn nhiều so với thép . - Chuyển vật liệu sang dạng sợi để tăng cường độ bền : kết quả nghiên cứu trong nhiều năm đã chứng tỏ khi chuyển vật liệu ở dạng khối sang dạng sợi thì độ bền của chúng tăng lên . Trong những sợi mảnh , độ bền đạt tới giá trị gần với lý thuyết và khi đó trong cấu trúc không quan sát thấy khuyết tật. -Đa dạng hoá nền polyme và chất tăng cường : Trong những năm gần đây trên thế giới , cùng với những loại nhựa nhiệt rắn đã được sử dụng rộng rãi như nhựa epoxy , polyeste không no , phenolfomandehyt… người ta đã sử dụng rất có hiệu quả các loại nhựa nhiệt dẻo như PE, PP, polyamit, polycacbonat . -Phối hợp giữa các vật liệu polyme , nền kim loại và gốm.[2] IV. đặc điểm và phân loại vật liệu composit 1. Các đặc điểm chung. - Là vật liệu nhiều pha. Các pha tạo nên composit thường rất khác nhau về mặt bản chất , không hoà tan lẫn nhau , phân tách nhau bằng bề mặt phân chia pha. Pha liên tục trong toàn khối composit được gọi là nền (matrix), pha phân bố gián đoạn , được nền bao bọc , quy định gọi là cốt .(Hình 1.1) l Nền Cốt Hình 1.1: Vật liệu Composit - Trong composit thì tỷ lệ , hình dáng , kích thước , cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước. - Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của composit. Tuy vậy tính chất của composit không bao hàm tất cả các tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm. [1] * Cơ tính của vật liệu composit phụ thuộc vào : + Cơ tính của vật liệu thành phần + Luật phân bố hình học của vật liệu cốt + Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần …[3] 2. Phân loại : Để phân loại vật liệu composit người ta dựa vào các đặc điểm chung của chúng : - Theo bản chất của vật liệu nền : Composit nền polyme, gốm , graphit, kim loại ,hỗn hợp nhiều pha. - Theo hình học cốt : Composit cốt hạt ( thô , mịn ) , composit cốt sợi ( dài, ngắn ). - Theo cấu trúc vật liệu : Composit tấm,lớp, tấm 3 lớp, khối , tổ ong… - Theo phương pháp chế tạo : Đúc,ép ,đúc phun, lăn tô … - Theo phạm vi ứng dụng : Composit cao cấp, composit kỹ thuật. 2.1. Phân loại theo bản chất của vật liệu nền . * Nền kim loại : Kim loại có độ bền, cứng, dẻo khá cao, có thể chịu được nhiệt độ cao hơn polyme trong môi trường có oxy. Vật liệu composit nền kim loại có modun rất cao (~ 110 GPa ) ,nền đòi hỏi sợi tăng cường phải có modun cao. Al, Mg, Ti, Cu được nghiên cứu ứng dụng làm nền composit hơn cả, đặc biệt các kim loại nhẹ rất được ưa chuộng trong ngành hàng không. - Nền kim loại có một số ưu điểm so với nền polyme : + Kim loại nói chung dẻo , khá bền nên cải thiện chỉ tiêu cơ lý của polyme như modun đàn hồi. + Có độ dẫn điện, nhiệt cao hơn + Không bốc cháy, ít bị ảnh hưởng của môi trường ẩm. +Có tính đàn hồi nên trong một số trường hợp dễ gia công, lắp ráp. - Nhược điểm chính của nền kim loại là khối lượng riêng lớn. Công nghệ chế tạo composit nền kim loại phức tạp hơn rất nhiều so với nền polyme và do vậy giá thành sản phẩm sẽ cao hơn . Chính điều này hạn chế việc lựa chọn và triển khai ứng dụng chúng trong công nghiệp * Nền polyme: Composit nền polyme chiếm khoảng 90 % trong tổng số các loại composit . Nền polyme rất được ưa chuộng do có tỷ trọng thấp, cách điện, nhiệt tốt, dễ gia công. Polyme dùng làm nền có 2 loại:Nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo[1]. Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng : Polyetylen (PE) , Polypropen (PP), Polystylen , Polyamit…[3] Nhựa nhiệt rắn phổ biến nhất là : Epoxy, polyeste không no, phenolic, polyuretan…[3] *Nền gốm và thuỷ tinh: Tổ chức điển hình của gốm là đa pha và đa tinh thể. Hai pha chính tạo nên tổ chức của gốm : Pha thuỷ tinh phân bố xen kẽ giữa các vùng pha tinh thể và gắn kết chúng lại với nhau. Gốm là loại vật liệu có độ bền cao, duy trì được độ bền ở nhiệt độ cao (~ 1600o C ), khả năng chịu oxy hoá cao. Tuy nhiên có độ bền kéo thấp , chịu va đập kém. [1] Thuỷ tinh vô cơ là vật liệu nhận được bằng cách làm nguội nhanh một hợp chất vô cơ từ trạng thái nóng chảy ở nhiệt độ cao đến trạng thái rắn không kết tinh. Quá trình này giống như đối với nhựa nhiệt dẻo nên có thể áp dụng các phương pháp gia công của nhưạ nhiệt dẻo. Thuỷ tinh có độ bền và modun đàn hồi cao (~69GPa), độ dãn nở nhiệt thấp. Nhờ tính chảy tốt nên khi tăng nhiệt độ và áp lực ép thì hàm lượng sợi tăng cường có thể tăng nhưng không làm giảm độ bền vật liệu.[1] *Nền cacbon/graphit: Grafit là vật liệu chịu nhiệt rất tốt, cứng, bền nhiệt(>2000oC ), điển hình là composit cacbon-cacbon. Vật liệu này được sử dụng nhiều trong ngành hàng không, hoá dược , y tế…[1] 2.2. Phân loại theo hình học cốt: *Composit cốt hạt: Có cấu tạo gồm các phân tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố đều trong nền. Các phân tử cốt rất đa dạng : Các loại khoáng tự nhiên , oxyt, cacbit, nitrit. - Composit cốt hạt mịn : thường có nền là kim loại hoặc hợp kim, cốt có kích thước nhỏ ( < 0.1 mm) thường là các vật liệu bền cứng , có tính ổn định nhiệt cao như cacbit, nitrit. Tương tác nền cốt xảy ra ở mức vi mô với kích thước nguyên tử , phân tử. - Composit hạt thô : Nền có thể là polyme , kim loại hoặc gốm. Cốt thường được đưa vào để cải thiện độ bền nén , kéo , uốn, độ chống mài mòn ,độ ổn định kích thước , chịu nhiệt… hoặc tạo ra một tính chất mới theo yêu cầu. Tương tác nền cốt không xảy ra ở mức nguyên tử , phân tử.[1] *Composit cốt sợi ngắn: Độ dài cốt sợi nhỏ hơn 5 cm . Composit cốt sợi ngắn được gia công bằng các phương pháp gia công nhựa thông thường như đúc , đùn , đuc phun. Khi đùn hoặc đúc phun vào khuôn , sợi phải có khả năng đi qua được khe hở trong thân thiết bị. Sợi ngắn thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt rắn do có khối lượng phân tử lớn khi đóng rắn sẽ không có lợi nếu dùng sợi ngắn.Tất cả composit cốt sợi ngăn đều thuộc composit kỹ thuật.[4] *Composit cốt sợi có chiều dài trung bình: Độ dài cốt sợi từ 10 đến 100 mm, thường dùng cho nhựa nhiệt rắn có thêm bột độn với hàm lượng khá lớn. Phương pháp gia công thường được sử dụng là phương pháp ướt . Sợi phải được thấm ướt hoàn toàn để composit đạt được các tính chất cao nhất. Composit này cũng thuộc composit kỹ thuật.[4] *Coposit cốt sợi dài: Sợi này hay còn gọi là sợi liên tục thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn, chế tạo composit chất lương cao. Loại composit này có thể được chế tạo với nền là vô cơ , gốm , kim loại.[4] 3. Phân loại theo phạm vi ứng dụng: Theo phạm vi ứng dụng thì composit được chia thành 2 nhóm . Hai nhóm này khác nhau chủ yếu ở loại sợi , chiều dài sợi tăng cường và loại nhựa được sử dụng làm nền. Nhóm thứ nhất được gọi là composit tiên tiến (advanced composit ), được chế tạo từ các loại sợi dài và có độ bền cao. Nhựa nền cũng là các loại nhựa có đặc tính tốt , chịu nhiệt , bền hoá học . Composit chất lượng cao thường được ứng dụng trong ngành hàng không , vũ trụ (như tên lửa , các bộ phận máy bay), cũng như các dụng cụ thể thao cao cấp (như vợt tennis, gây chơi gol…), vật liệu y sinh ( sửa chữa, thay thế các bộ phận răng, xương cơ thể ) . Nhóm thứ hai được gọi là composit kỹ thuật ( engineering composit ) gồm các composit cốt sợi ngắn , có tính chất cơ lý thấp hơn. Nhựa nền cũng có tính chất thấp hơn. Các sản phẩm làm từ composit kỹ thuật bao gồm : vỏ tàu , ca nô , otô bồn tắm , bể chứa… V- Các vật liệu thành phần của composit Thành phần chính của composit là nền và vật liệu tăng cường(cốt). Ngoài ra còn có chất đóng rắn , chất độn và một số chất màu (nếu cần).Vật liệu cốt giúp cho composit có khả năng chịu lực cao hợn .Vật liệu nền đóng vai trò liên kết vật liệu cốt với nhau và truyền lực cơ học tới chúng , cũng như bảo vệ cốt chống chọi với môi trường xung quanh.[3] 1. Cốt Trong toàn khối composit xét về mặt sắp xếp thì cốt phân bố không liên tục. Về mặt bản chất cốt có thể rất đa dạng tuỳ thuộc vào tính chất của composit cần chế tạo. Trong thực tế cốt có thể bằng kim loại ( thép không rỉ, vofram, molipden…) , bằng chất vô cơ ( bo , cacbon , thuỷ tinh , gốm…) và bằng chất hữu cơ ( polyamit thơm, nhựa epoxy…). [1] Hình dạng, kích thước, hàm lượng và sự phân bố cốt là những yếu tố ảnh hưởng mạnh đến tính chất của composit . Một số dạng thức phân bố cốt trong không gian : cốt hoá một chiều (tuyến tính ), cốt hoá hai chiều ( mặt), cốt hoá ba chiều ( khối). Về đặc tính của từng loại cốt xem phần 2.2. 2. Nền [1] Trong composit nền đóng vai trò chủ yếu sau đây: - Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối thống nhất . - Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu composit thành các chi tiết theo thiết kế. - Che phủ , bảo vệ cốt tránh các hư hỏng cơ học và hoá học do tác dụng của môi trường ngoài. Nền có thể là các vật liệu rất khác nhau . Về cơ bản người ta có thể phân loại nền thành 4 nhóm :polyme , kim koại , gốm và hỗn hợp. Đặc tính của từng loại nền xem phần 2.1. 3. Tương tác giữa nền và cốt Nền và cốt được kết hợp thành khối composit thống nhất thông qua liên kết tại vùng ranh giới pha.Về nguyên tắc giữa nền và cốt trong khối composit ở điều kiện làm việc bình thường không xảy ra hiện tượng khuếch tán hoà tan lẫn nhau.Tuy vậy tuỳ thuộc vào qui trình công nghệ chế tạo ,hệ thống có thể trải qua các trạng thái nhiệt độ , áp suất cao thuận lợi về mặt nhiệt động học cho các tương tác khác nhau giữa nền và cốt xảy ra.[1] 3.1. Các dạng tương tác giữa nền và cốt .[1] Theo đặc điểm người ta phân loại tương tác nền –cốt thành 3 dạng cơ bản sau: - Nền và cốt không hoà tan lẫn nhau và không tạo thành hợp chất hoá học. VD : Các composit Al-B, SiC-Al … - Nền và cốt tương tác tạo dung dịch rắn với độ hoà tan rất nhỏ và không tạo hợp chất hoá học. VD: Các composit :Nb-W, Ni- W… - Nền và cốt tương tác với nhau tạo hợp chất hoá học . VD: Các composit :Al-SiO2 , Ti-Al2O3, Ti-SiC… Tuỳ thuộc vào dạng tương tác , giữa nền và cốt sẽ hình thành mối liên kết nhất định . Độ bền của composit chịu ảnh hưởng rất mạnh vào độ bền liên kết cốt- nền. 3.2. Các kiểu kiên kết giữa cốt – nền .[1] Trong vật liệu composit , tồn tại 6 kiểu liên kết cơ bản sau: *Liên kết cơ học (hình vẽ 1.2a ): Liên kết này thực hiện nhờ khớp nối thuần tuý cơ học giữa nền và cốt thông qua độ mấp mô bề mặt hpặc do lực ma sát. *Liên kết nhờ thấm ướt (hình vẽ 1.2b): Liên kết này thực hiện nhờ năng lượng sức căng bề mặt . Đối với các composit tạo ra kiểu liên kết cơ học , khi tiến hành quy trình chế tạo , nếu pha nền dược nung chảy và thấm ướt với cốt thì bao giờ cũng xảy ra quá trình khuếch tán hoà tan lẫn nhau giữa chúng dù là rất nhỏ.Sức căng bề mặt trên ranh giới nền- cốt sau khi pha nền đông đặc chính là yếu tố quyết định của kiểu liên kết sau này . *Liên kết phản ứng (hình vẽ 1.2c) Liên kết phản ứng xuất hiện khi trên ranh giới nền- cốt xảy ra tạo phản ứng tạo hợp chất hoá học dạng mfx. Đặc tính của hợp chất mới tạo thành này ảnh hưởng quyết định đến độ bền liên kết giữa cốt và nền . *Liên kết phản ứng phân đoạn (hình vẽ1.2d) Đặc điểm của kiên kết này là phản ứng tổng thể xảy ra theo nhiều giai đoạn , trong đó có một giai đoạn không chế tốc độ tạo ra liên kết. *Liên kết oxyt (hình vẽ 1.2e) Liên kết trong composit dạng này thực hiện do tạo ra các sản phẩm phản ứng ở dạng màng oxyt (Mox). *Liên kết hỗn hợp Liên kết này là hỗn hợp của các kiểu liên kết xuất hiện trong composit mà tương tác giữa nền và cốt phụ thuộc mạnh vào quá trình chế tạo hoặc sử dụng. Hình 1.2: Các kiểu liên kết giữa nền và cốt VI- Cấu trúcvà tính chất của composit . 1. Cấu trúc vật liệu composit . Xét về mặt cấu trúc , vật liệu composit được chia thành một số loại như sau:composit nhiều lớp , composit ba lớp. 1.1. Composit nhiều lớp . Vật liệu được tổ hợp từ các lớp sợi hay vải đồng phương ; phương của sợi hoặc vải trong mỗi lớp không nhất thiết phải giống nhau ( hình vẽ 1.3 ) Vật liệu cốt của mỗi lớp vật liệu có bản chất rất khác nhau : có thể là xơ , vải thuỷ tinh , cacbon…Việc lựa chọn vật liệu cốt của các lớp vật liệu phụ thuộc vào người sử dụng sao cho thoả mãn cao nhất tính chất bền , cứng … khi chịu tải trọng . Nếu so sánh các kiểu sắp xếp của vật liệu cốt , ta thấy: -Các lớp đồng phương cho cơ tính cao theo phương của sợi. -Các lớp “mat”(sợi rối) chịu kéo kém, do đó nên bố trí tại vùng chịu nén. -Vật liệu composit lớp vuông dễ bị tách lớp. -Khi tăng cường theo cả 3 phương, ta sẽ được vật liệu á- đẳng hướng. [3] 1.2. Vật liệu composit “ba lớp”(hình 1.4) .[3] Vật liệu composit “ba lớp” gồm có: -Lõi ( vật liệu hoặc kết cấu nhẹ nhưng chịu nén tốt) -2 lớp vỏ ( có khả năng chịu nén cao). Việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào mục đích của người sử dụng và điều kiện của người làm việc( chế độ nhiệt, môi trường, giá thành..). Người ta hay sử dụng các loại vật liệu sau: +Lõi đặc bằng: gỗ hoặc bông tấc, mút, chất dẻo tăng cường bởi các vibi bông thuỷ tinh. +Lõi rỗng hoặc tổ ong bằng: hợp kim nhẹ, giấy tẩm nhựa, giấy polyamit… + Vỏ là vật liệu nhiều lớp ( thuỷ tinh, cacbon…) hoặc tấm hợp kim nhẹ. 2. Một số yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của composit cốt sợi: Tính chất của composit phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bản chất của vật liệu cốt và nền, độ bền liên kết nền-cốt trên ranh giới, sự phân bố và định hướng sợi, kích thước- hình dạng của cốt, tỷ lệ nền-cốt ( tỷ lệ thể tích và tỷ lệ khối lượng).. [1] 2.1. Tỷ lệ nền-cốt. [3] Tỷ lệ tương đối của vật liệu cốt và vật liệu nền là một yếu tố quan trọng bậc nhất, nó quyết định cơ tính của vật liệu composit . Tỷ lệ này có thể biểu diễn qua tỷ lệ thể tích hoặc tỷ lệ khối lượng. * Tỷ lệ thể tích (Vi): Ta khảo sát mộtkhối vật liệu composit (vc) chứa một khối sợi (vs) và khối vật liệu nền (vn) . Khi đó tỷ lệ thể tích của sợi sẽ là: , Và tỷ lệ thể tích của vật liệu nền sẽ là : . Với Vn = 1- Vs, do đó vc = vs + vn * Tỷ lệ khối lượng (Mi): Từ khối lượng của composit (mc), khối lượng sợi (ms) và khối lượng vật liệu nền (mn), người ta cũng định nghĩa tỷ lệ khối lượng tương tự như trên. Giữa khối lượng và thể tích có quan hệ: mc = vc.rc; ms = vs.rs; mn = vn.rn; ( trong đó ri là khối lượng riêng). Khối lượng tổng cộng của vật liệu composit là: mc = ms + mn hay vc.rc = vs.rs + vn.rn suy ra : rc = Vs. rs + Vn.rn hoặc rc = Vs.rs + ( 1-Vs).rn. Từ quan hệ : vc = vs + vn ta có: . Từ đó ta biểu diễn tỷ trọng qua khối lượng riêng: Từ định nghĩa: Ms = = Mn = ta tìm được quan hệ ngược: Vs = ; Vn = Đối với một composit cốt sợi xác định, nếu coi liên kết nền-cốt là hoàn hảo thì cơ tính của vật kiệu đó chịu ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố như : sự phân bố, kích thước, hình dạng và hàm lượng của cốt sợi. 2.2 ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi đến tính tính chất của composit [1] Cốt sợi có thể được phân bố và định hướng theo các phương án khác nhau tuỳ thuộc yêu cầu đề ra đối với composit. Để khảo sát người ta phân biệt 2 kiểu phân bố sau: - Phân bố một phương, trong đó tất cả các sợi đều định hướng song song thống nhất theo một phương ( hình vẽ1.5a). - Phân bố nhiều phương: Theo cách này sợi có thể được phân bố dưới dạng “mat” tức là phân bố rối, hoàn toàn ngẫu nhiên trên một mặt, tương tự như tấm dạ phớt (hình vẽ1.5b). Cũng có thể sợi được dệt quấn theo 2 chiều ( hình vẽ1.5c) và 3 chiều tương ứng vuông góc ( hình vẽ1.5d). Hình 1.5 : Sơ đồ phân bố cốt sợi a) Một chiều song song b) Ngẫu nhiên, rối trong một mặt c) Dệt hai chiều vuông góc trong một mặt d) Đan , quấn ba chiều vuông góc Độ bền của composit cốt sợi một phương theo phương vuông góc với trục cốt rất nhỏ. Trường hợp phân bố theo kiểu nhiều phương (dạng “mat” hoặc dệt 2 chiều) thì độ bền kéo sẽ nhỏ nhất theo chiều vuông góc với mặt phân bố sợi. Nếu sợi được quấn theo 3 chiều vuông góc thì composit sẽ có độ bền đồng thời lớn nhất theo cả 3 chiều tương ứng đó. Yếu tố hình học của sợi bao gồm hình dáng, kích thước chiều dài và đường kính có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của composit . Dưới đây ta sẽ phân tích tính chất của các composit cốt sợi một phương khi thay đổi yếu tố hình học của sợi. 2.2.1 Cốt sợi liên tục ( Độ dài cốt sợi vô tận). [1] Để tiến hành phân tích, giả thiết composit khảo sát thảo mãn một số điều kiện sau: -Cốt sợi dài vô tận, phân bố đếu và định hướng theo một chiếu song song -Thành phần và tổ chức vật liệu nền, cốt phải hoàn toàn đông nhất. -Liên kết nền- cốt được thực hiện 1 cách hoàn hảo, đảm bảo sự biến dạng của cốt và nền xảy ra đồng thời, tương hợp cho đến khi phá huỷ, tức là: ecomposit = enền = esợi. Khi đặt tải trọng theo chiều song song với trục sợi, từ điều kiện liên kết hoàn hảo giữa nền và cốt ta có: (hình vẽ 1.6) Pc = Pn + Ps (1) Hoặc (sb)c.Fc = sb.Fn + sb.Fs (2) biến đổi tiếp ta được: (sb)c = Vs. (sb)s + (1- Vs). (sb)n (3) Trong đó: Fc,Fn, Fs: diện tích tiết diện ngang tổng cộng tương ứng của composit, nền, sợi. sb: ứng suất tác dụng tại thời điểm cốt sợi bị đứt, với s = e.E. Vậy (3) tương đương: Ec = Vs. Es + (1- Vs). (4) Trong đó: là độ nghiêng của đường cong biến dạng kéo nền xác định tại giá trị sn . Khi giá trị sn nằm trong vùng đàn hồi của đường cong kéo, có giá trị bằng modun đàn hồi của nền En. Vậy trong vùng đàn hồi, biểu thức (4) có dạng: Ec = Vs.Es + Vn.En (5) Kết hợp (1) với (5) ta được: (6) Đối với composit có nền dẻo tốt hơn bao giờ cũng tồn tại một giá trị ứng với các giá trị Vs < sự phá huỷ các sợi cốt không dẫn tới sự phá huỷ tức khắc vật liệu composit. Trong trường hợp này, hàm lượng quá nhỏ của cốt đã không đủ để gây ra hiệu ứng hoá bền. Nếu đặt tải trọng vào mẫu composit thì toàn bộ tải sẽ tác dụng lên nền và làm mẫu biến dạng. Quá trình biến dạng đồng thời của cốt sợi và nền xảy ra cho tận đến khi độ dãn dài của mẫu bằng độ dãn dài phá huỷ của sợi (esợi). Lúc này, nếu lực vẫn tiếp tục tác dụng thì toàn bộ số sợi ít ỏi sẽ bị phá huỷ ( đứt). Tuy vậy, mẫu vẫn tiếp tục biến dạng và sự phá huỷ cuối cùng chỉ xảy ra khi độ biến dạng mẫu đạt tới giá trị độ biến dạng phá huỷ của nền (en).  Như vậy, độ bền kéo của composit ứng với Vs < bằng độ bền kéo của nền nhân với phần trăm thể tích của nó chiếm, tức là: (sb)c = (1- Vs). (sb)n (7) Để các cốt sợi phát huy vai trò hoá bền của chúng, hàm lượng cốt ít nhất cần phải đạt giá trị tới hạn . Bắt đầu từ hàm lượng cốt tới hạn này giới hạn bền kéo của composit sẽ bằng và vượt quá giới hạn bền kéo của nền, tức là (sb)c >(sb)n (8) Kết hợp (3) và (8) ta xác định được hàm lượng thể tích của sợi : (9). Ta có thể biểu diễn bằng hình vẽ 1.7: Sự phụ thuộc vào hàm lượng cốt củađộ bền composit cốt sợi một phương nền dẻo Đường cong biến dạng kéo của composit cốt sợi nền giòn với Vs>Vs Đường cong biến dạng kéo của composit cốt sợi nền dẻo Nhận xét: Trong cả 2 trường hợp, nền dẻo cũng như nền giòn, độ dài phá huỷ của composit hoàn toàn phụ thuộc vào độ dãn dài phá huỷ của sợi. 2.2.2 Độ dài cốt sợi có hạn. [1] Trong thực tế các sợi cốt thường có chiều dài giới hạn, do vậy cần phải tính đến “hiệu ứng đầu mút”. Đó là hiệu ứng phụ thuộc vào yếu tố hình học sợi cốt, gây ảnh hưởng rất mạnh đến độ bền của composit ( hình vẽ 1.8) Hình 1.8: Sơ đồ biến dạng nền khi đặt tải trọng vào composit cốt sợi ngắn. Từ hình vẽ trên ta thấy, dưới tác dụng của ứng suất đặt vào, sự biến dạng của nền dừng lại ở đầu mút sợi. Điều này cũng có nghĩa là tại vùng đầu mút sợi, hiện tượng truyền tải từ nền sang cốt không xảy ra. Nếu sợi ngắn quá ( nhỏ hơn độ dài tới hạn Lth) thì dù cường độ của lực tác dụng lên mẫu composit có tăng lên bao nhiêu đi chăng nữa ứng suất truyền sang cốt cũng không thể vượt quá giới hạn bền của sợi để phá đứt nó. Lúc này chỉ có thể xảy ra khả năng là khi cường độ lực tác dụng đủ lớn, vượt quá giới hạn cho phép, nó sẽ kéo nguyên vẹn sợi cốt tuột ra khỏi nền. Như vây độ bền các sợi cốt không được tận đụng và kết quả là composit rất kém bền. Chỉ trong trường hợp chiều dài sợi vượt quá độ dài tới hạn thì nó mới bị phá huỷ trong mẫu composit khi lực tác dụng vượt quá giới hạn cho phép và lúc này vai trò hoá bền của sợi cốt mới được phát huy. 2.3. ảnh hưởng của định hướng cốt sợi. [1] Do đặc điểm phân bố của sợi trong nền, tính dị hướng của composit cốt sợi thể hiện rất rõ rệt. Vì vậy, cơ tính của composit loại này phụ thuộc rất mạnh vào sự định hướng của sợi so với chiều ứng suất đặt vào. Dưới đây ta chỉ khảo sát một số trường hợp đặc trưng. 2.3.1. composit cốt sợi liên tục. z Khảo sát trường hợp mẫu composit có hàm lượng cốt bằng Vs, chịu tác dụng của ứng suất theo chiều vuông góc với cốt như hình vẽ sau: Z sy sy Y lo x sy sy y (1-Vs).lo Vs.lo Sử dụng phương pháp mô hình tương tự ta khảo sát composit này thông qua mẫu hình khối chiều rộng lo. Khối này gồm 2 lớp: lớp nền có chiều dày (1-Vs).lo và lớp sợi có chiều dày Vs.lo. ứng suất sy tác dụng lên composit cũng là ứng suất tác dụng lên nền và lên sợi. Dưới tác dụng của ứng suất này, mẫu composit bị biến dạng một đoạn bằng Dl. Ta có: Dl = es.Vslo + (1-Vs).enlo (1) hoặc ey =es.Vs + (1-Vs).en (2) Mặt khác: es = ; en = ; ey = ; (3) Kết hợp (2), (3) ta có (4) hoặc: (5) Biểu thức (5) chính là giới hạn dưới của modun đàn hồi của composit hạt thô. 2.3.2 Composit cốt sợi ngắn. [1] Ta khảo sát trường hợp sợi ngắn phân bố hoàn toàn ngẫu nhiên vô trật tự như hình vẽ: Biểu thức quy tắc hỗn hợp đối với mudun đàn hồi được biểu thị như sau: Ec = k.Es.Vs + En.Vn (1) Trong đó: k: là tham số hiệu quả hoá bền, giá trị của nó phụ thuốc vào Vs, và tỷ lệ , dao động trong khoảng 0,1-0,6. Bảng sau trình bày tham số hiệu quả hoá bền của một số composit sợi ngắn ứng với các trường hợp định hướng khác nhau giữa sợi và ứng suất: Định hướng sợi Chiều ứng suất K Tất cả các sợi song song Song song với sợi Vuông góc với sợi 1 0 Phân bố ngẫu nhiên, đồng nhất trong một mặt Theo phương bất kỳ trong mặt chứa sợi 3/8 Phân bố ngẫu nhiên và đồng nhất theo 3 chiều không gian Theo phương bất kỳ 0,2 Nhờ những ưu điểm lớn như tạo hình dễ dàng các chi tiết phức tạp, giá thành sản phẩm thấp, quy trình công nghệ chế tạo vừa phải dễ cập nhật, ngày nay composit cốt sợi ngắn (có định hướng hoặc ngẫu nhiên) đã trở thành một trong những vật liệu mới được đặc biệt chú ý nghiên cứu chế tạo và ứng dụng VI. Các phương pháp chế tạo vật liệu composit VI.1. Một số phương pháp chế tạo vật liệu composit vô cơ 1. Nấu chảy kim loại nền sau đó rót vào khuôn chứa cốt. Nội dung phương pháp: -Đưa các sợi cốt composit vào khuôn. -Nấu chảy kim loại nền rồi rót vào khuôn. Nhược điểm của phương pháp này là khả năng bám dính của kim loại nền vào sợi cốt bị hạn chế. 2. Phương pháp bột. Kim loại nền được chuẩn bị ở dạng bột. Sợi cốt được trộn lẫn với kim loại ở dạng bột thành hỗn hợp. Hỗn hợp này được ép và thiêu kết để tạo ra composit. Nhược điểm của phương pháp này là quá trình ép có thể ảnh hưởng xấu tới tính chất của sợi cốt. 3. Phương pháp ép nóng với sợi cốt có lớp phủ. Phương pháp này về cơ bản giống phương pháp luyện kim bột. Điểm khác biệt là sử dụng sợi cốt có phủ một lớp kim loại khác trên bề mặt. Kim loại để phủ sợi cốt sẽ có tác dụng bảo vệ cốt trong quá trình ép cũng như đóng vai trò liên kết giữa cốt và nền. 4. Phương pháp trộn nóng. Trước khi trộn sợi cốt và bột kim loại nền được nung nóng trước. ưu điểm của phương pháp này là khắc phục được lớp phân cách giữa cốt và nền. 5. Phương pháp phun phủ. Sợi cốt trước khi đem trộn được tiến hành phun phủ một lớp kim loại mỏng bên ngoài. Lớp phủ có tác dụng làm thay đổi tính chất bề mặt của sợi cốt. VI.2. Một số phương pháp chế tạo vật liệu composit hữu cơ.[3] 1.Đúc không áp lực Đúc nguội, không cần ép là kỹ thuật đơn giản cho phép chế tạo các chi tiết bằng vật liệu composit sợi thuỷ tinh. 1.1.Đúc tiếp xúc Đây là phương pháp cổ và đơn giản nhất. Khuôn có thể lồi lõm. Nội dung phương pháp: Vật liệu nền và cốt được con lăn dát thành tấm theo hình dạng của thành khuôn dưới tác dụng của lực ép giữa con lăn và bề mặt của khuôn 1.2.Đúc bắn đồng thời. Phương pháp này cho phép chế tạo hang loạt các chi tiết, giá thành hạ. phương pháp này chỉ dùng sợi vụn, ngắn mà không dùng cốt vải. Do đó cơ tính của vật liệu composit tạo thành không cao. Sợi vụn và nhựa được bắn đồng thời thẳng góc xuống khuông nhờ các sung chuyên dụng 1.3.Đúc chân không. Gồm có: - Đúc chân không dạng túi: khuôn được làm bằng vật liệu cứng, trước tiên tạo lớp lót, sau đặt cốt vải và cấp nhựa. Bơm chân không làm giảm áp suất giúp cho nhựa được trải đều và đẩy bọt khí ra khỏi nhựa. - Đúc hút: Vật liệu cốt và nền được hút vào trong khoảng trống giữa 2 chi tiết khuôn đúc: khuôn trên và khuôn dưới. Phương pháp này cho phép tạo những chi tiết tròn xoay và dạng côn. 2. Đúc áp lực( đúc ép) 2.1.Đúc phun nhựa Vải đươc đăt giữa 2 chi tiết khuôn đúc, phun nhựa nhờ áp lực, nhựa thấm vào cốt. 2.2. Đúc nguội nhờ áp lực. áp lực đúc nhỏ hơn 5 atm, không cần sấy nóng khuôn đúc. Vật liệu cốt và nhựa được đặt vào khuôn đúc đã có lớp lót và phụ gia giúp cho việc dỡ khuôn dễ dàng. Đóng khuôn trên và khuôn dưới rồi ép. 2.3. Đúc có nhiệt độ. Vật liệu cốt( sợi rối, sợi ngắn hoặc dài, vải..) được đặt vào khuôn nóng. Người ta cũng có thể ép nguội sau đó ép nóng dưới tải trọng và ở nhiệt độ xác định. Giải pháp này cho phép sử dụng một tỷ lệ khối lượng vật liệu cốt khá cao, do đó vật liệu tạo ra có cơ tính cao. 3. Đúc liên tục Phương pháp này thường ._.