Vật Liệu Composite Là Gì? Thành Phần Và Ứng Dụng
1. Vật liệu Composite là gì?
Vật liệu composite, còn gọi là vật liệu tổ hợp, vật liệu compozit, hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính chất vượt trội, ưu việt hơn hẳn so với các vật liệu riêng rẽ ban đầu.
Thực tế vật liệu composite đã được con người tạo ra từ rất lâu, chẳng hạn những viên đá nhỏ đã được trộn vào đất trước khi làm gạch để tránh cong vênh khi phơi nắng từ khoảng 5000 năm trước công nguyên; hay người Hy Lạp cổ đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng; tại nước ta, bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, tạo thành lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm về mùa đông. Trong tự nhiên, cấu trúc composite có trong chính thân gỗ, bao gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết hợp với nhau bằng Lignin, tạo thành một cấu trúc composite lý tưởng giúp thân cây vừa bền vừa dẻo dai.
Ngành khoa học về vật liệu composite bắt đầu được hình thành khi xuất hiện công nghệ chế tạo tên lửa của Mỹ vào những năm 1950. Từ đó tới nay, nhờ vào những thành tựu và sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đã có rất nhiều những loại vật liệu composite mới đã được tạo ra, với những tính chất đáp ứng rất cao những yêu cầu thực tế trong sản xuất – chế tạo.
2. Cấu tạo và thành phần của Composite
Về cấu tạo, vật liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn phân bố đều trên một pha nền liên tục. Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu tổng hợp.
Pha nền liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn gọi là vật liệu cốt hay vật liệu gia cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước… Nói một cách khác vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần cốt bên trong composite được liên kết với nhau tạo ra tính nguyên khối và thống nhất cho composite, còn vật liệu cốt thì đảm bảo cho composite có được những đặc tính cơ học cần thiết.
Các dạng vật liệu nền điển hình là nền hữu cơ (nền nhựa như polyester, PE, PP, PVC, Epoxy, cao su…), nền kim loại (titan, nhôm, đồng…), nền gốm ceramic và nền hỗn hợp. Vật liệu nền là chất kết dính và tạo môi trường phân tán, khi có ngoại lực tác dụng thì vật liệu nền sẽ truyền ứng suất sang pha gia cường. Vật liệu nền cần bền dẻo dai để chống lại những hư hỏng từ tác động bên ngoài. Đồng thời nó cũng ảnh hưởng đến tính cách điện, độ dẻo dai, màu sắc…
Vật liệu nền nhựa có tính thấm ướt tốt đối với vật liệu cốt dạng hữu cơ, bởi vậy công đoạn trộn nhựa với cốt rất dễ dàng, thuận lợi. Tuy nhiên đối với vật liệu cốt là vô cơ, chẳng hạn như các loại sợi gốm thì trước khi trộn phải có công đoạn bọc hoặc thấm lên cốt.
Vật liệu nền kim loại thường sử dụng các kim loại màu do các tính chất ưu việt mà kim loại đen không đáp ứng được, như nhẹ, bền ở nhiệt độ cao, chịu mài mòn tốt… và công nghệ chế tạo cũng đơn giản.
Vật liệu nền gốm khắc phục được những nhược điểm của gốm nguyên khối (như tính giòn và khả năng sử dụng hạn chế). Vật liệu nền gốm có tính bền nhiệt cao, cách nhiệt tốt, đồng thời cũng có trọng lượng khá nhẹ.
Vật liệu cốt có hai kiểu là dạng cốt sợi (ngắn hoặc dài) và dạng cốt hạt. Nhóm sợi gồm sợi khoáng chất (sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm), sợi tổng hợp ổn định nhiệt (sợi kermel, sợi nomex, sợi kynol, sợi apyeil), sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulo), sợi gốc khoáng chất (sợi amiang, sợi silic), sợi nhựa tổng hợp (sợi polyestes, sợi polyamit), sợi kim loại (sợi thép, đồng, nhôm). Nhóm dạng cốt hạt gồm hạt kim loại, hạt đất sét, bột đá bột gỗ…
Vật liệu cốt đóng vai trò là điểm chịu ứng suất tập trung, cần có tính kháng hóa chất môi trường và nhiệt độ, phân tán tốt vào vật liệu nền, truyền nhiệt cũng như tản nhiệt tốt, và cần phải thuận lợi cho quá trình gia công. Cùng Tinh Hà tìm hiểu một số loại vật liệu cốt dạng sợi ở dưới đây.
2.1 Sợi thủy tinh
Sợi thủy tinh được tạo thành từ những loại thủy tinh có thể kéo sợi được (thủy tinh dệt), mỗi sợi thủy tinh có đường kính nhỏ vài chục micro mét. Khi thủy tinh được kéo thành sợi thì những nhược điểm của thủy tinh khối như giòn, dễ nứt gãy sẽ được loại bỏ, thay vào đó là nhiều ưu điểm cơ học hơn. Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khoáng chất như silic, nhôm, magie… khiến tạo ra những loại sợi thủy tinh khác nhau như sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh R và S có độ bền cơ học cao.
2.2 Sợi cacbon
Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết với nhau, cách nhau khoảng 3,35 Ao. Trong sợi cacbon, các nguyên tử carbon sẽ được liên kết với nhau trên một mặt phẳng, tạo thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42 Ao. Sợi cacbon được ứng dụng rất nhiều trong thực tế bởi cơ tính tương đối cao, bền, nhẹ, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt.
2.3 Sợi kevlar
Sợi kevlar cũng là một sợi hữu cơ phổ biến, nó được cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, được gia công bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10 oC), sau đó sẽ được kéo ra thành dạng sợi trong dung dịch, sau cùng sẽ được xử lý nhiệt để tăng tính đàn hồi. Ngoài sợi kevlar thì còn có những loại sợi khác được tạo thành từ aramit như twaron, technora,.. Chúng có giá thành thấp hơn sợi thủy tinh, tuy nhiên lại có cơ tính thấp hơn.
2.4 Sợi Bor
Sợi Bor hay Bore, là một dạng sợi gốm thu được bằng phương pháp kết tủa. Sợi bor có các dạng: dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống, vải đồng phương.
2.5 Sợi Carbide Silic
Giống như sợi bor thì sợi carbide silic cũng là một dạng sợi gốm thu được nhờ phương pháp kết tủa.
Những ảnh hưởng đến cơ tính của Composite
Cơ tính của các vật liệu Composite phụ thuộc vào những đặc tính sau:
- Cơ tính của các vật liệu thành phần. Các vật liệu thành phần có cơ tính càng tốt thì vật liệu composite cũng sẽ cơ tính tốt hơn, và đương nhiên là sẽ tốt hơn tính chất của từng loại vật liệu thành phần.
- Phân bố hình học của vật liệu cốt. Khi phân bố vật liệu cốt không đồng đều, tại những nơi có ít vật liệu cốt thì cơ tính của vật liệu composite sẽ yếu và dễ bị phá hủy tại những điểm đó. Với composite sợi, phương của sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu, có thể điều chỉnh được tính dị hướng này để chế tạo vật liệu theo ý muốn.
- Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần. Vật liệu cốt và nền phải liên kết chặt chẽ với nhau mới có khả năng tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau.
Phân loại vật liệu Composite
a- Composite hạt; b- Composite sợi; c- Composite phiến; d- Composite vẩy; e- Composite điền đầy
Có một số cách để phân loại các vật liệu composite. Nếu phân loại theo hình dạng sẽ có composite sợi, composite vảy, composite hạt, composite phiến, composite điền đầy, composite tấm.
Dựa vào vật liệu nền có loại vật liệu composite như sau:
- Composite nền hữu cơ: là composite nền nhựa hữu cơ, nền giấy, nhựa đường, cao su… Cốt thường là sợ hữu cơ (polyamit, kevlar..), sợi khoáng (sợi thủy tinh, sợi cacbon…) hoặc sợi kim loại (Bo, Al…).
- Composite nền kim loại: nền thường là các kim loại titan, nhôm, đồng, hợp kim titan, hợp kim nhôm… Cốt thường là sợi kim loại (Bo,..) hoặc sợi khoáng (Cacbon, SiC…).
- Composite nền gốm: nền lầ các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc hạt kim loại hoặc cũng có thể là hạt gốm.
- Composite nền hỗn hợp.
Công nghệ chế tạo vật liệu Composite
Vật liệu Composite được chế tạo bởi một trong những công nghệ dưới đây:
- Công nghệ khuôn tiếp xúc như lăn tay, phun, lát máy.
- Công nghệ khuôn với diaphragm đàn hồi như khuôn chân không, khuôn chân không-autoclave, khuôn ép diaphragm.
- Công nghệ tẩm áp lực như tẩm áp lực trong điều kiện thường, tẩm áp lực trong chân không.
- Công nghệ dập trong khuôn như dập trực tiếp, dập đúc, dập ép nóng.
- Công nghệ quấn.
- Công nghệ pulltrusion.
Ưu nhược điểm của vật liệu Composite
Ưu điểm của Composite
Vật liệu composite có khá nhiều ưu điểm như sau:
- Khối lượng riêng nhỏ, độ bền cơ học cao, độ cứng vững và uốn kéo tốt.
- Khả năng chống chịu thời tiết, chống lão hóa, chống tia UV cao.
- Khả năng cách điện và cách nhiệt tốt.
- Kháng hóa chất và chống ăn mòn cao, dễ bảo quản, bảo dưỡng.
- Gia công và chế tạo đơn giản, dễ tạo hình, tạo màu, thay đổi và sửa chữa.
- Tuổi thọ sử dụng cao, hơn kim loại và gỗ khoảng 2-3 lần.
- Chi phí đầu tư trang thiết bị sản xuất và chi phí bảo dưỡng thấp.
Nhược điểm của Composite
Giống nhiều loại vật liệu khác, cùng với những ưu điểm thì composite cũng có những nhược điểm, hạn chế như sau:
- Khó tái chế, tái sử dụng khi hư hỏng hoặc là phế phẩm trong quá trình sản xuất.
- Giá thành nguyên liệu thô khá cao, tốn thời gian khi gia công.
- Khá phức tạp khi phân tích cơ, lý, hóa tính của các mẫu vật.
- Chất lượng vật liệu phụ thuộc vào tay nghề, trình độ của công nhân.
Ứng dụng thực tế của vật liệu Composite
Các vật liệu composite được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống và sản xuất, như:
- Composite nền polyme cốt vải sợi thủy tinh được dùng để chế tạo các đường ống dẫn nước của các nhà máy hóa chất, ống dẫn nước trong qua các vùng nước ngập mặn, nhiễm phèn vì có độ bền cao, chống ăn mòn trong môi trường nước bẩn và axit.
- Vật liệu composite nền polyme cốt SiO2 và sỏi được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo máy bởi độ bền cao, hệ số giãn nở nhỏ, chống được những tác động của môi trường không khí và nước bẩn.
- Vật liệu composite nền gồm thường dùng để chế tạo các chi tiết làm việc trong môi trường khắc nghiệt như các động cơ tên lửa, động cơ phản lực, động cơ khí trong nhà máy năng lượng, vỏ cách nhiệt của tàu không gian, phanh máy bay…
- Composite nền cốt oxit nhôm dạng hạt hình cầu có thêm sợi cacbon được dùng để chế tạo các bộ phận máy như cánh tay robot do đặc tính bền tương tự thép nhưng có trọng lượng nhẹ hơn nhiều.
- Vật liệu composite hạt thô nền kim loại có các thành phần là cacbit vonfram, cacbit titan, cacbit tantan(wc.TiC, TaC) được liên kết với nhau trên nền cacbon, có độ bền, độ cứng, khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn cao nên được dùng để chế tạo các dụng cụ cắt gọt.
- Ngoài ra còn rất nhiều các loại vật liệu composite khác để chế tạo vỏ máy bay, tàu thuyền, tàu vũ trụ, bình áp suất, sứ cách điện, lốp ô tô/xe máy, vật liệu xây dựng, nội thất, trám răng thẩm mỹ bằng composite, đồ chơi trẻ em, mô hình quảng cáo, các loại máy móc, thiết bị…
Gia công vật liệu Composite
Do cấu trúc dị hướng và không đồng nhất của các vật liệu tổng hợp nên và độ mài mòn cao của các thành phần gia cố mà các vật liệu composite rất khó để gia công. Các dụng cụ cắt gọt sẽ rất nhanh bị mòn khi gia công composite. Bởi vậy, đối với vật liệu composite thì cần phải lựa chọn được loại dụng cụ cắt, điều kiện, chế độ gia công phù hợp.
Dụng cụ cắt gọt để gia công trên các vật liệu composite nên được dùng là các dao cụ bằng kim cương vì sẽ đảm bảo được tuổi thọ lâu dài. Những dụng cụ cắt thông thường bằng hợp kim carbide có thể được sử dụng nhưng sẽ rất nhanh bị mài mòn khi gia công composite. Một lưỡi dao sắc bén và khả năng thoát phoi tốt cũng sẽ giúp gia công composite được dễ dàng hơn. Để được tư vấn về các dụng cụ cắt gọt cho vật liệu composite, các bạn có thể liên hệ Tinh Hà để được hỗ trợ.
Các máy gia công cũng rất quan trọng đối với quá trình gia công vật liệu composite, chẳng hạn máy phay năm trục thường được sử dụng để chế tạo nhiều dạng chi tiết bằng composite. Tuy nhiên thì lượng công suất và mô-men xoắn cần thiết để gia công cho kim loại thường không cần thiết đối với vật liệu composite.
Mặc dù gia công vật liệu composite thường đơn giản chỉ là các ứng dụng khoan, phay nhưng đồ gá để sử dụng cho các chi tiết composite lại rất quan trọng. Bởi để các chi tiết sau gia công có được vết cắt sắc bén, không sờn thì đòi hỏi các chi tiết phải được gá kẹp chắc chắn đảm bảo chống rung rất tốt trong quá trình gia công.
Trên đây là những đặc điểm, ứng dụng của vật liệu composite. Nếu các bạn đang gia công loại vật liệu này và cần tìm mua những dụng cụ cắt gọt phù hợp, hãy liên hệ với Tinh Hà để được tư vấn, hỗ trợ và lựa chọn được dụng cụ cắt gọt phù hợp.
