Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG VẬT LIỆU COMPOSITE 1.1 GIỚI THIỆU VẬT LIỆU COMPOSITE Sự phát triển mạnh mẽ công nghiệp đại dẫn đến nhu cầu to lớn loại vật liệu đồng thời có nhiều tính chất mà vật liệu kim loại, ceramic, polymer đứng riêng lẽ khơng có mà bật loại vừa bền, vừa nhẹ, rẻ lại có tính chống ăn mịn cao Composite (hay cịn gọi vật liệu kết hợp) đời chục năm gần đáp ứng yêu cầu đó, đáp ứng, ứng dụng phát triển tới trình độ cao quy luật kết hợp – quy luật phổ biến tự nhiên Ngành khoa học cơng nghệ composite có nhiều sản phẩm dùng lĩnh vực: từ ô tô máy bay vật liệu chỉnh hình phát triển đến mức nhiều người cho kỉ 21 văn minh composite 1.1.1 Khái niệm Composite bao gồm Com từ Complex -posite từ position nghĩa thành phần Vật liệu Composite vật liệu chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhằm mục đích tạo vật liệu có đặt tính sức bền lý hẳn vật liệu ban đầu, mà vật liệu làm việc riêng lẻ Nói cách khác vật liệu composite vật liệu đa thành phần Hình 1.1: Cấu trúc Polymer Nguồn [2] Vật liệu composite cấu tạo từ thành phần cốt nhằm đảm bảo cho composite có đặc tính học, độ cứng cần thiết vật liệu đảm bảo cho thành phần composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau, tạo nên kết cấu có khả chịu ăn mịn, chịu nhiệt mơi trường khắc nghiệt GVHD : Trần Anh Sơn SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo Đồ án tốt nghiệp 1.1.2 Lịch sử đời Chính thiên nhiên tạo cấu trúc composite trước tiên, thân gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài kết nối với licnin Kết liên kết hài hoà thân vừa bền dẻo - cấu trúc composite lý tưởng Vật liệu Composite xuất từ lâu sống, khoảng 5.000 năm trước Công nguyên người cổ đại biết vận dụng vật liệu composite vào sống (ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo dãn nở trình nung đồ gốm) Người Ai Cập biết vận dụng vật liệu Composite từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình vỏ thuyền làm lau, sậy tẩm pitum sau thuyền đan tre chát mùn cưa nhựa thông hay vách tường đan tre chát bùn với rơm sản phẩm composite áp dụng rộng rãi đời sống xã hội Hay người Hy Lạp cổ biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng Và Việt Nam, truyền lại cách làm nhà bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khô tạo lớp vật liệu cứng, mát mùa hè ấm vào mùa đông Sự phát triển vật liệu composite khẳng định mang tính đột phá vào năm 1930 mà Stayer Thomat nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; Fillis Foster dùng gia cường cho Polyeste không no giải pháp áp dụng rộng rãi ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến giới lần thức hai Năm 1950 bước đột phá quan trọng ngành vật liệu Composite xuất nhựa Epoxy sợi gia cường Polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến vật liệu composite chất dẻo đưa vào sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp dân dụng,y tế, thể thao, quân ô tô, vv… 1.1.3 Đặc điểm Vật liệu composite vật liệu nhiều pha : pha rắn khác chất, khơng hịa tan lẫn phân cách với ranh giới pha Phổ biến loại composite pha :  Pha liên tục toàn khối gọi GVHD : Trần Anh Sơn SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo Đồ án tốt nghiệp  Pha phân bố gián đoạn bao quanh gọi cốt Trong vật liệu composite tỷ lệ hình dáng, kích thước, phân bố cốt tuân theo quy luật thiết kế Tuy nhiên, tính chất pha thành phần kết hợp lại để tạo nên tính chất chung composite 1.1.4 Ưu, nhược điểm a Ưu điểm: Có nhiều loại chất làm cốt sử dụng để chế tạo composite Mỗi loại composite cụ thể có tính ưu việt riêng Do đó, cần có lựa chọn tiêu chuẩn kỹ thuật để áp dụng phù hợp với mục đích sử dụng Vật liệu composite vật liệu có nhiều tính ưu việt có khả áp dụng rộng rãi: - Tính chất bật nhẹ, độ bền cao,cứng vững, chịu va đập, uốn kéo tốt - Chịu hóa chất, khơng sét rỉ, chống ăn mịn Đặc tính đặc biết thích hợp cho biển khí hậu vùng biển - Chịu thời tiết, chóng tia UV, chống lão hóa nên bền - Dễ lắp đặt, có độ bền riêng đặc trưng đàn hồi cao - Chịu nhiêt chịu lạnh chống cháy - Cách điện, cách nhiệt tốt - Chi phí bảo quản thấp, màu sắc đa dạng, thiết kế tạo dáng dễ dàng, đầu tư thiết bị tổ chức sản xuất khơng phức tạp, chi phí vận chuyển sản xuất không cao… - Không thấm nước, không độc hại Sau bảng so sánh ngắn thể tính ưu việt vật liệu composite Công ty cổ phần đầu tư phát triển vật liệu composite Sao Đỏ, giới thiệu sản phẩm bể chứa composite BỂ THÉP BỂ COMPOSITE - Bể thép thường xuyên bị rỉ sét, mọt - Bể com posite hoàn toàn ngược lại bơng tróc lớp sơn bảo vệ - Khơng cần sơn mà đẹp - Chất lượng mối hàn không đảm bảo, hệ - Có thể lựa chọn màu sắc tuỳ ý số an tồn thấp - Khi cần tháo ra, lắp lại dễ - Thời gian gia công lâu, khó khăn dàng - Trọng lượng nặng, hình thức xấu - Thường khơng có rốn bể, dẫn đến cặn GVHD : Trần Anh Sơn SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hồng Bảo Đồ án tốt nghiệp bẩn bị quấn vào hệ thống sử dụng BỂ NHỰA BỂ COMPOSITE - Tuổi thọ kém, chịu áp suất, chịu hố - Bể composite hồn tồn ngược lại chất kém, sớm lão hóa ánh mặt trời, tính kém, kích thước giới hạn b Nhược điểm: - Vật liệu composite khó tái chế khơng sử dụng phế phẩm trình sản xuất - Giá thành nguyên liệu thô làm nên vật liệu composite cao Phương pháp gia cơng vật liệu composite địi hỏi thời gian - Việc phân tích mẫu vật liệu composite cơ, lý hóa tính phức tạp 1.1.5 Phân loại Vật liệu composite phân biệt theo chất hình dạng vật liệu thành phần a Theo chất vật liệu cốt:  Composite hữu cơ: composite giấy (cáctông), composite nhựa, nhựa đường, cao su (tấm hạt, sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xe máy), Loại thường kết hợp với dạng cốt liệu, như: sợi hữu (polyamit, kevlar (là sợi aramit tính cao), ), sợi khoáng (sợi thủy tinh, sợi cacbon, ), sợi kim loại (Bo,nhôm, ) Vật liệu composite hữu chịu nhiệt độ tối đa khoảng 200 ÷ 300 °C  Composite khống (gốm): bê tơng, bê tơng cốt thép, composite gốm, composite cacbon - cacbon Thường loại kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại (Bo, thép, ), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua, gốm Nitơ, )  Composite kim loại: hợp kim titan, hợp kim nhôm, Thường kết hợp với cốt liệu dạng: sợi kim loại (Bo, ), sợi khoáng (cacbon, SiC, ) Composit kim loại hay khống chất chịu nhiệt độ tối đa khoảng 600 ÷ 1.000 °C (nền gốm tới 1.000 °C) GVHD : Trần Anh Sơn SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo Đồ án tốt nghiệp b Phân loại theo hình học cốt đặc điểm cấu trúc:  Vật liệu composite độn dạng sợi: Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng lý tính cho polymer  Vật liệu composite độn dạng hạt: Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer Hạt khác sợi chỗ khơng có kích thước ưu tiên  Vật liệu composite cốt hạt sợi: Bê tông loại composite (hay compozit) khống chất Khi bê tơng kết hợp với cốt thép tạo nên bê tông cốt thép, đá nhân tạo tạo thành từ xi măng vật liệu nền, cốt liệu bê tông cát vàng đá dăm cốt hạt, cịn cốt thép bê tông cốt sợi Composite Cốt hạt Composite cấu trúc Cốt sợi Liên tục Gián đoạn Hạt thô Hạt mịn 1.1.6 Cấu tạo vật liệu Composite Lớp Tấm lớp Tổ ong a Chất (pha nền) Là chất kết dính, tạo mơi trường phân tán, đóng vai trị truyền ứng suất sang độn có ngoại lực tác dụng lên vật liệu Có thể tạo thành từ chất hỗn hợp nhiều chất trộn lẫn cách đồng tạo thể liên tục Nền có vai trị sau đây:  Liên kết tồn phần tử cốt thành khối composite thống  Tạo khả để tiến hành phương pháp gia công vật liệu composite thành chi tiết thiêt kế  Che phủ, bảo vệ cốt tránh hư hỏng tác dụng môi trường GVHD : Trần Anh Sơn SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo Đồ án tốt nghiệp  Vật liệu (pha nền) cấu trúc vật composite không chịu trực tiếp tải trọng hay ứng suất tác dụng lên vật liệu Nó đóng vai trị trung gian truyền dẫn ứng suất hay tải trọng vào bên cho vật liệu đóng vai trị chất độn (pha cốt) Tuy nhiên, việc chọn lựa chọn lựa vật liệu làm đóng vai trị quan trọng định hình nên tính chất hóa học lý vật liệu composite Sự hòa hợp pha pha cốt nhân tố quan trọng việc thiết kế cấu trúc composite Trong thực tế, người ta sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền:  Nhựa nhiệt dẻo: PE (polyethylene), PS (polystyrene), ABS (acrylonytril butadien styrene), PVC (polyvynyl clorur)…độn trộn với nhựa, gia công máy ép phun trạng thái nóng chảy  Nhựa nhiệt rắn: PU (polyurethane), PP (polypropylene), UF, Epoxy, Polyester không no, gia công áp suất nhiệt độ cao, riêng với epoxy polyester khơng no tiến hành điều kiện thường, gia cơng tay (hand lay-up method) Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có tính cao nhựa nhiệt dẻo Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường:  Polyester: Nhựa polyester sử dụng rộng rãi công nghệ composite, Polyester loại thường loại khơng no, nhựa nhiệt rắn, có khả đóng rắn dạng lỏng dạng rắn có điều kiện thích hợp Thơng thường người ta gọi polyester không no nhựa polyester hay ngắn gọn polyester Polyester có nhiều loại, từ acid, glycol monomer khác nhau, loại có tính chất khác Chúng khác loại nhựa UPE khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố:  Thành phần nguyên liệu (loại tỷ lệ tác chất sử dụng)  Phương pháp tổng hợp  Trọng lượng phân tử  Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến) GVHD : Trần Anh Sơn SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo Đồ án tốt nghiệp  Hệ chất độn Bằng cách thay đổi yếu tố trên, người ta tạo nhiều loại nhựa UPE có tính chất đặc biệt khác tùy thuộc vào u cầu sử dụng Có hai loại polyester thường sử dụng cơng nghệ composite Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, sử dụng rộng rãi Còn nhựa isophthalic lại có khả kháng nước tuyệt vời nên xem vật liệu quan trọng công nghiệp, đặc biệt hàng hải Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường pha loãng styrene Lượng styrene lên đến 50% để làm giảm độ nhớt nhựa, dễ dàng cho q trình gia cơng Ngồi ra, styrene cịn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang phân tử mà khơng có tạo thành sản phẩm phụ Polyester cịn có khả ép khn mà khơng cần áp suất Polyester có thời gian tồn trữ ngắn tượng tự đóng rắn sau thời gian Thơng thường, người ta thêm vào lượng nhỏ chất ức chế trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa tượng Nhà sản xuất cung cấp nhựa dạng tự nhiên hay có dùng số phụ gia Nhựa sản xuất để cần cho xúc tác vào sử dụng Như đề cập trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn Tốc độ trùng hợp chậm cho mục đích sử dụng, cần dùng chất xúc tác chất xúc tiến để đạt độ trùng hợp nhựa khoảng thời gian Khi đóng rắn, polyester cứng có khả kháng hố chất Q trình đóng rắn hay tạo kết ngang gọi q trình Polymer hóa Đây phản ứng hố học có chiều Cấu trúc không gian cho phép nhựa chịu tải mà khơng bị giịn Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước sử dụng Nhựa phụ gia khác phải phân tán trước cho xúc tác vào Phải khuấy cẩn thận để loại bỏ bọt khí nhựa ảnh hưởng q trình gia cơng Điều quan trọng bọt khí cịn nhựa ảnh hưởng tính chất lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu Cần phải ý việc dùng xúc tác xúc tiến với hàm lượng vừa đủ cho vật liệu tính chất tốt Nếu nhiều xúc tác làm trình gel hố xảy nhanh hơn, ngược lại, xúc tác q trình đóng rắn bị chậm lại GVHD : Trần Anh Sơn SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo Đồ án tốt nghiệp  Vinylester Vinylester có cấu trúc tương tự polyester, điểm khác biệt chủ yếu với polyester vị trí phản ứng, thường cuối mạch phân tử vinylester có kết đơi C=C hai đầu mạch mà thơi Tồn chiều dài mạch phân tử sẵn chịu tải, nghĩa vinylester dai đàn hồi polyester Vinylester có nhóm ester polyester, nhóm ester dễ bị thủy phân, tức vinylester kháng nước tốt polyester khác, thường ứng dụng làm ống dẫn bồn chứa hố chất Hình 1.16 : Ứng dụng Vynylester việc lót đáy tàu Nguồn : [5.2] Khi so sánh với polyester số nhóm ester vinylester hơn, nghĩa vinylester bị ảnh hưởng phản ứng thủy phân Thường dùng vật liệu lớp phủ bên cho sản phẩm ngập nước, vỏ ngồi tàu, thuyền Cấu trúc đóng rắn vinylester có khuynh hướng dai polyester, để đạt tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đóng rắn  Epoxy Epoxy đại diện cho số nhựa có tính tốt Nói chung, epoxy có tính lý, kháng mơi trường hẳn nhựa khác, loại nhựa sử dụng nhiều chi tiết máy bay Với tính chất kết dính khả kháng nước tuyệt vời mình, epoxy lý tưởng để sử dụng ngành đóng tàu, lớp lót cho tàu chất lượng cao lớp phủ bên vỏ tàu hay thay cho polyester dễ bị thủy phân nước gelcoat Nhựa epoxy tạo thành từ mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tự vinylester, với nhóm epoxy phản ứng vị trí cuối mạch Nhựa epoxy khơng có nhóm ester, khả kháng nước epoxy tốt Ngoài ra, có hai vịng thơm GVHD : Trần Anh Sơn SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo Đồ án tốt nghiệp vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất nhiệt tốt mạch thẳng, vậy, epoxy cứng, dai kháng nhiệt tốt Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng khơng gian ba chiều Chất đóng rắn ưa sử dụng amine, cho vào epoxy, lúc chúng xảy phản ứng hố học Thường nhóm epoxy phản ứng kết khối với nhóm amine, tạo cấu trúc phân tử ba chiều phức tạp Amine kết hợp với epoxy theo tỉ lệ định, yếu tố quan trọng việc trộn tỉ lệ đảm bảo cho phản ứng xảy hoàn tồn Nếu tỉ lệ trộn khơng nhựa chưa phản ứng chất đóng rắn cịn dư hỗn hợp ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm sau đóng rắn Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn xác, nhà sản xuất thường cơng thức hố thành phần đưa tỉ lệ trộn đơn giản cách đo khối lượng hay thể tích chúng Cả nhựa epoxy lỏng tác nhân đóng rắn có độ nhớt thấp thuận lợi q trình gia cơng Epoxy đóng rắn dễ dàng nhanh chóng nhiệt độ phòng từ 5-150 oC, tuỳ cách lựa chọn chất đóng rắn Một ưu điểm bật epoxy co ngót thấp đóng rắn Lực kết dính, tính chất lý epoxy tăng cường tính cách điện khả kháng hố chất Ứng dụng epoxy đa dạng, dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn b Pha cốt Đóng vai trị chất chịu ứng suất tập trung độn thường có tính chất lý cao nhựa Người ta đánh giá chất độn dựa đặc điểm sau:  Tính gia cường học  Tính kháng hố chất, mơi trường, nhiệt độ  Phân tán vào nhựa tốt  Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt  Thuận lợi cho q trình gia cơng  Giá thành hạ, nhẹ Trong tồn khối compsite cốt phân bố không liên tục đa dạng, phụ thuộc vào loại composite cần chế tạo GVHD : Trần Anh Sơn SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo Đồ án tốt nghiệp 10 Với loại composite kết cấu: cốt kim loại bền nhiệt độ thường nhiệt độ cao, có mơđun đàn hồi lớn, khối lượng riêng nhỏ Các loại vật liệu cốt: Kim loại (thép không rỉ, W, B, Mo … ), chất vô (các bon, thủy tinh, gốm) Hình dạng, kích thước, hàm lượng phân bố cốt ảnh hưởng mạnh đến tính chất composite Tuỳ thuộc vào yêu cầu cho loại sản phẩm mà người ta chọn loại vật liệu độn cho thích hợp Có hai dạng độn: • Độn dạng sợi :sợi có tính lý hoá cao độn dạng hạt, nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide…Cốt sợi sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông…), sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải, sợi poliamit…) Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà người ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác nhau: sợi ngắn, sợi dài, sợi rối, sợi… Hình 1.3: Một số dạng composite cốt sợi Nguồn [1] Một số sợi thông dụng - Sợi thuỷ tinh: Sợi thủy tinh, kéo từ loại thủy tinh kéo sợi (thủy tinh dệt), có đường kính nhỏ vài chục micro mét Khi sợi nhược điểm thủy tinh khối, như: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ưu điểm thủy tinh dệt chứa thêm khống chất như: silic, nhôm, magiê, học Thành phần tạo loại sợi thủy tinh khác như: 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 sợi thủy tinh S (độ bền học cao) Loại thủy tinh E loại phổ biến, loại khác thường (chiếm 1%) sử dụng ứng dụng riêng biệt Theo số liệu năm 1996, giới tiêu thụ GVHD : Trần Anh Sơn SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo ... đội 108 sử dụng vật liệu Composite vào việc ghép thưa, làm giả, đặc biệt ứng dụng vào ngành sản xuất linh kiên, cấu kiện, đóng thùng tơ, đóng thùng xe tải, đóng thùng xe đơng lạnh, xe bus phận... Ứng dụng vật liệu composite đời sống a Thế giới: Với lịch sử phát triển phong phú mình, vật liệu composite nhiều nhà nghiên cứu khoa học giới biết đến Việc nghiên cứu áp dụng thành công vật liệu. .. giới vật liệu composite phát triển từ lâu, nước ta composite xem vật liệu mới, thời gian đưa vào ứng dụng phạm vi ứng dụng nước ta chưa lâu chưa nhiều Vật liệu composite sợi thủy tinh bắt đầu nghiên