M
670

TS. ĐOÀN THỊ THU LOAN

NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NỘI


TS. ĐOÀN THỊ THU LOAN

GIA CÔNG
COMPOSITE
[‫؛‬ĨÍÍƯƠHÕBẠI HỌCNHATRANG
,٠
. ...٠
^

Ĩ ‫؛‬-‫؛؛‬J

|٠٠٠.٠M.،iiv ٠
٠
j٠
٠
r٠u٣٠,٠، ٠٠،٠٠... ٠١

V íỀW
Ễi

0035954
NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NỘI

Mã số: 1129- 20I3/CXB/23- 50/BKHN

٠

Biên mục trên xuất bản phẩm của Thư việri Quốc gia Việt Nam
Đoàn Thị Thu Loan
Gia công composite / Đoàn Thị Thu Loan. - H. : Bách khoa Hà Nội,
2013. ٠220tr. ;24cm
Thư mục: tr. 217-219
ISBN 9786049115561
1. Vật liệu tô hợp 2. Công nghệ gia công
620.1 -d c l4
BKF0034p-CIP


LỜI NÓI ĐẨU
\'ật liệu composite dược sử dụng ngày càng nniều trong mọi lĩnh vực
Ciìia clời sổng con ngiíời. (Aiốn sách Gia công composite nhằm cung cấp
mhững tư liệu cẩn thiết vế vật liệu composite cũng như các công nghệ gia
C(ông, chế tạo composite.
Sách Gia công composite dành cho sinh viên, học viên cao học
cchuyén ngành công nghệ vật liệu, công nghệ hóa học, ... đổng thời cũng là
t‫؛‬ài liệu bổ ích cho các kỹ sù, cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy gia công nhựa,
compo.site...
Sách gốm 12 chưưng. Chương 1 giới thiệu các thông tin chung vê' vật
hiệu composite, chương 2 giới thiệu chi tiết các vật liệu thành phần dùng
trong chế tạo composite, chương 3 giới thiệu đặc điểm các công nghệ gia
công composite, chương 4 đến 12 giới thiệu các công nghệ gia công
composite phổ biến như: Còng nghệ lăn tay; Công nghệ phun; Công nghệ

túi chần không; Công nghệ đúc chuyển nhựa và đúc chuyển nhựa dưới chân
không; Công nghệ quấn sỢi; Công nghệ kéo định hình; Công nghệ đúc tiêm;
Công nghẹ đúc ép và công nghệ ép dùn. Các chương trong sách đều được bổ
sung và cập nhật với khoa học và công nghệ hiện đại để tạo ra vật liệu mới
có tính năng tốt hơn.
Trong quá trình biên soạn sách không thể tránh khỏi những thiếu sót
cả vế nội dung và hình thức, tác già rẫt mong nhận dược những ý kiến đóng
góp của đồng nghiệp và bạn đọc. Mọi ý kiến dóng góp xin gửi về Bộ môn
Công nghệ Hóa học và Vật liệu, khoa Hóa, trường Đại học Bách Khoa, Đại
học Dà Nẵng, 54 Nguyễn hương Bằng, Đà Nảng.
Xin chân thành cảm ơn.

r ٢١١ /

_ ٠ 2

Tác giả
TS. Đoàn Thị Thu Loan
،١


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU..................................... 8
CHƯƠNG 1. NHŨNG VÁN ĐÈ CHUNG VÈ VẬT LIỆU c o m p o s i t e : 9
1.1. Khái niệm về vật liệu composite.................................................. 9
1.2. Phân loại vật liệu composite......................................................... ỈIO
1.2.1. Phân loại theo cẩu trúc vật liệu gia cường........................ II1
1.2.2. Phân loại theo bản chất vật liệu nền.................................... 113
1.3. Vai trò của các vật liệu thành phần................................................ 115
1.3.1. Vai trò của vật liệu gia cường.............................................. 115

1.3.2. Vai trò cùa vật liệu nền.........................................................115
1.4. Kết dính tại bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu gia cưòmg
và vật liệu n ề n ................................................................................116
1.4.1. Góc tiếp x ú c .......................................................................... 116
1.4.2. Các yểu tố ảnh hưởng đến độ bám dính, liên kêl
tại bề mặt tiếp xúc................................................................117
1.4.3. Các loại liên kết hình thành tại bề mặt tiếp xúc................ 118
1.5. Những tính chất đặc trưng của vật liệu composite......................23
1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của composite.....................27
1.7. Những rào cản đối với lĩnh vực vật liệu composite......................27
1.8. ứ ng dụng của vật liệu composite.................................................29
CHƯƠNG 2. CÁC VẬT LIỆU THÀNH PHẦN CỦA COMPOSITE ..32
2.1. Vật liệu gia cường......................................................................... 32
2.1.1.
2.1.2.
2.1.3.
2.1.4.
2.1.5.

Vật liệu gia cường dạng sợ i.................................................32
Vật liệu gia cường dạng hạt.................................................65
Preform..................................................................
84
Compound đúc (Molding compound)................................. 86
Vật liệu tổ ong và các vật liệu lõi khác..............................91


2.2. ٧ật liệu nền.................................................................................92
2.2. ỉ.
2.2.2.

2.2.
2.2.4.
2.2.5.
CHƯƠNG 3.

Giới thiệu...........................................................................92
Cấu tnĩc, tinh chut của polymer nhiệt dẻo, nhiệt ran ........‫ و‬2‫ا‬
ỉ, Nền polymer nhiệt dèo hết tinh VCI vô định h'inh,..,.............9‫>؟‬
Một so nen polvmer nìĩiệt răn.......................................... 101
Một so nen nhựa nhiệt dẻo............................................... 118

٠ẶC ĐIẺM c On G n g h ệ c h é t ạ o COMPOSITE..... 129

3 .1 . G‫؛‬ỞÌ thiệu................................................................................... 129
3.2. Các tiêu chi lựa chọn công nghệ gia công composite................ 130
3.2.1.
3.2.2.
3.2.3.
3.2.4.
3.2.5.
3.2.6.
3.2.7.
5.2.8.
CHƯƠNG 4.

Tốc độ sản xuất................................................................. 130
Giá thành........................................................................... 131
Tinh năng sản pham......................................................... 132
Kích thước sản pham.........................................................132
Hình dạng sản phatn..........................................................132

l ầ g y ê u cầu doi với sản xudt sản pham composite..... 134
Những luu V hhì thiết hếhhuỗn..........................................\2>4
Cốc bước gla công một sàn phẩm composìte hodn chinh ..\ ٦‫ ؛‬b

c On G n g h ệ là n t a y ................................................. 137

4.1. Giới thiệu.................................................................................... 137
4.2. ĩ)ụng cụ, thiểt b‫ ؛‬và nguyênliệu..................................................137
4.3. Gia công...................................................................................... 138
4.4. Những uu, nliược của công nghệ lân tay................................... 142
4.5 ứng dụng..................................................................................... 144
CHƯƠNG 5. CO n G n g h ệ PHLN.........................................................146
5.1. Giới thiệu.................................................................................... 146
5.2. Dụng cụ, thiết bỊ và nguyên liệu................................................ 146
5.3. Gia công...................................................................................... 147
5.4. N htog ưu, nhược của công nghệ phun........................................1.51
5.5. ứng dụng............................................................

151


C H IO N C 6. CÔNG NGHỆ DỦC TỦI CHẰN KHÔNG....................... 152
6.1. (jiới thiệu..................................................................................... 52 ‫ل‬
6.2. Diing cụ, thiết h ‫'\ ؛‬à uguyêii. liệu................................................. ! 52
6.3. Gia công....................................................................................... 53 ‫ا‬
6.4. Những ưti, nhược điểm của công nghệ tú‫ ؛‬chân kỉiông.............. 154
CHƯONG 7. CÔNG NGHỆ ĐỦC CHUY.ẾN NHỤ٠
٨
VÀ ĐÚC CHHYEN Nh ỰA DU.Ó.I CHÂN KHÔNG................... 155
7.1. Giới t


h

i

ệ

u

.

.

.

155

7.2. Dụng cụ, thiết bị và nguyên hệu..................................................155
7.3. Gia côitg....................................................................................... 159
7.4. Nliững u'u, nliược đieiTi của công nghệ dúc chuyên nhự£i........... 160
7.5. ửng dụng....................................................................................161
7.6. Công nghộ dúc chuyCn nhựa dưới chân k.hông............................ .162
CHƯƠNG 8. CO n G

nghệ

QUAn

s ợ i ................................................ 166


8.1. Giới thiệu.................................................................................... 166
8.2. Dụng cụ, tliiểt bị và nguyên liệu................................................. 166
8.3. Gia công...................................................................................... 170
8.4. Những uu, nhược của công nghệ quấn sợ i................................ 176
8.5. ứng dụng.................................................................................... 77‫ا‬
CHƯƠNG 9.

c On G n g h ệ k é o đ ịn h

HÍNH.................................... 1"9

9.1 Gỉới thiệu..................................................................................... 1^9
9.2. Dụng cụ, thỉểt bị và nguyên liệu................................................. 1'9
9.3. Gỉa cOng....................................................................................

14‫؟‬

9.4. NhCmg ưu, nhược của công nghệ kéo định hình........................ 15‫ز‬
9.5. ú'ng dụng.................................................................................... 116
CHƯƠNG 10.

c O n G n g h ệ đ ú c é p .....................................................118

10.1. Đúc ép composite nhựa nhiệt rắn........................................... 118
10.1.1. Giới thiệu....................................................................... 118


10.1.2. Dụng cụ, tìĩiểt hi và nguvcri liệu..................................... 188
10.1.3. Gia công..........................................................................189
1().1.4. Nhĩtn١١ ‫ا‬،‫آ‬.‫ ا ا اا‬1‫ ا‬١,‫( آ‬.)'،‫ ذ‬củu công nghệ đ١'ic ẻp coniposlte

nhiixi nhiệt răn................................................................. 192
10.1.5. ủng (ỉiiníỊ........................................................................ 192
10.2. Đúc ép composite iiliLia nhiệt dèo............................................ 193
10.2.1.
10.2.2.
10.2.3.
10.2.4.

Giới thiệu........................................................................193
Dụng cụ, tỉiiêt hi và nguyền liệu..................................... 193
Gia công.......................................................................... 193
Nhũng ‫ أا‬٠‫ ااا‬nhuxrc của c‫ ة‬١‫ا‬g nghệ điic ép coinposlte
nhira nhiệt dẻo................................................................. 197
10.2.5. ủng dụng.........................................................................197

CHƯƠNG 11. CÓNG NGHỆ DÚC TIÊM ............................................ 199
11.1. Giớỉ thíệu.................................................................................199
11.2. Dụng cụ, thiết bị và nguyCn liệu..............................................200
11.3. Gia công................................................................................... 200
11.4. Những lai, nhược của công nghộ dúc tiCm.............................. 204
11.5. ủ'ng dụng................................................................................. 205
11.6. COng nghệ dúc tidm nhựa nhiệt rắn.........................................206
CH Ư O ^G 12. CÔNG NGHỆ ÉP BÙN...................................................208
12.1. Giới thỉộu................................................................................. 208
12.2. Dụng cụ, thiết bỊ và nguyên liệu...............................................208
12.3. Gia cOng................................................................................... 214
12.4. Những ưu, nhu'ợc của cdng nghệ ép dUn.................................. 216
12.5. ủ'ng dụ!ig................................................................................. 216
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................ 217


7


DANH MỤC CÁC Tữ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
BMC
CMC
FRC
GMT
HBA
HDPE
HNA
LDPE
LLDPE

Bulk moulding compounds (Compound đúc dạng khối)
Ceramic matrix composite (Composite nền ceramic)
Fibre reinforced composite (Composite gia cường sợi)
Glass mat thermoplastic (Nhựa nhiệt dẻo gia cường mat thủy t;inh)
Hydroxy benzoic acid
High density polyethylene (Polyethylene tỷ trọng cao)
Hydroxy naphthanoic acid
Low density polyethylene (Polyethylene tỷ trọng thấp)
Linear low density polyethylene
(Polyethylene mạch thẳng tỷ trọng thấp)
L/D
Length/diameter (Chiều dài/đường kính)
MMC
Metal matrix composite (Composite nền kim loại)
MPD
Poly(meta-phenylene)

PAN
Polyacrylonitrile
РВТ
Poly(butylene terephthalate)
PE
Polyethylene
PEEK Polyetheretherketone
PET
Poly(ethylene terephthalate)
PMC
Polymer matrix composite (Composite nền polymer)
pp
Polypropylene
PPD
p-phenylene phthalamide
Preform Vật liệu gia cường được định hình sẵn
Prepreg Vật liệu gia cường được tẩm thấm trước nhựa nền
PVC
Poly (vinyl chloride)
RTM
Resin Transfer Moulding (Đúc chuyển nhựa)
SMC
Sheet molding compound (Compound đúc dạng tấm)
TP A
Terephthalic acid
VARTM Vacuum assisted resin transfer moulding
(ĐÚC chuyển nhựa dưới chân không)
VLDPE Very low density polyethylene (Polyethylene tỷ trọng rất thấp)
y-ABS y.aminopropyl trimethoxy silane


8


Chương 1
NHỮNG VẤN ĐỀ CHƯNG VỀ VẬT LIỆU
COMPOSITE

1.1. KHÁI NIỆM VÈ VẬT LIỆU COMPOSITE
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp (mức độ vĩ mô) của hai hay
nhiếu vật liệu thành phần khác nhau vế hình dạng hoặc thành phẩn hóa
học nhằm tạo nên một vật liệu mới có tính năng vượt trội so với từng vật
liệu thành phần.

'

Nhiều vật liệu có nguồn gốc tự nhiên là composite. Ví dụ gỗ là một
composite gồm những sợi cellulose trong nền liên kết là lignin, hoặc xương
bển và nhẹ được hình thành do sự kết hợp của các tinh thể apatite (một hợp
chất của canxi) và những sợi protein collagen, ở Ấn Độ, Hy Lạp và các nước
khác, rơm hoặc trấu được trộn với đất sét để làm nhà cách đầy hàng trăm
năm là loại composite sợi ngắn.
Sự tổ hợp hai hay nhiều vật liệu khác nhau trong composite nhằm tạo
nên một sản phẩm với các tính chất tối ưu, bao gổm tính chất cơ học, tính
chất hóa học và tính chất chất vật lý như tính chất nhiệt (độ dẫn nhiệt, hệ số
giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chảy mẽm),
tính chất điện (độ dẫn điện, tồn thất điện môi...), tính chất quang học, tính
cách âm...
Từ những năm 1960, xuất hiện nhu cẩu ngày càng tăng về các vật liệu
yêu cầu cứng và nhẹ hơn. Tuy nhiên, không có một vật liệu đơn nào
(monolithic material) có thể đáp ứng được yêu cầu đó. Xuất phát từ nhu cẩu

đó ý tưởng chế tạo vật liệu kết hợp từ một số vật liệu khác nhau ra đời và tạo


ncn một loại vặt ٦
iỌu mới đó là vật liệu tổ hợp hay còn gọi là vật liệu
composite.
Vật liệu composite được xem là vật liệu cấu tạo bởi hai hay n.hiếu
thành phần gổm một hay nhiều loại vật liệu gia cường (gián đoạn) phâìn bố
trong thành phần vật liệu nền, liên tục. Vật liệu composite phổ biến g6rr.i hai
thành phần chính: Vật liệu gia cường (reinforcing material) và vật liệu nến
(matrix) (Hình 1.1).

Vật liệu gia cường

Vật liệu nến

•

Ф ,·,

■ ■

Hình 1.1. Mô hình vật liệu composite

Vật liệu nến đóng vai trò liên kết các vật liệu gia cường rời rạc tạo nên
một sản phẩm liên tục. Dưới tác dụng ngoại lực, vật liệu gia cường là thành
phẩn chính chịu tải trọng vì nó thường có tính chất cơ lý cao hơn vật liệu
nền. Ngược lại, vật liệu nền thường có độ bền, độ cứng thấp hơn và dẻo dai
hơn vật liệu gia cường. Dưới tác dụng ngoại lực vật liệu nến có vai trò
chuyển ứng suất sang vật liệu gia cường. Ngoài ra, vật liệu nền còn đóng vai

trò chính trong việc bảo vệ composite khỏi sự tấn công của môi trường, hóa
chất đồng thời đóng vai trò quyết định đến độ bền nhiệt, khả năng gia
công... của vật liệu composite.
1.2. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU COMPOSITE
Dựa vào các tính chất và nguồn gốc tạo ra vật liệu, trong khoa học
phân loại composite theo các cách sau:

10


1.2.1. Phân loại theo cấu trúc vật liệu gia cường
Dựa vào cấu trúc vật liệu gia cường, composite được phân thành 3
nhóm chính: composite gia cường sợi (composite cốt sợi), composite gia
cuVmg hạt (composite cốt hạt) và composite cấu trúc.
a) Composite gia cường sợi

Composite gia cường sợi (fibre reinforced composite - FRC) là
composite có vật liệu gia cưừng

ở

dạng sợi, ví dụ như composite sợi thủy

tinh, composite sợi tự nhiên... .
Trong hộ composite nàv١ ،sợi chịu tải trọng chính, vật liệu nến chỉ
dóng vai trò phân bố tải trọng và truyến tải trọng sang sợi cũng như liên kết
các sỢi lại vcVi nhau. Kói chung, mục dích thiết kế FRC nhằm tạo sản phẩm
có modul riêng (modul/khổi hieing riêng) và độ bển riêng (độ bê'n/kh()i
lượng riêng) cao. Các ،sợi trong composite có thể được phân bố ngẫu nhiên
hoặc có sự định hướng nhất dịnh.

Tùy thuộc vào tỉ số chiếu dài (!)/đường kính (d) mà composite cốt sợi
được phân thành composite sợi liên tục (sợi dài) và composite sợi gián đoạn
(،sựi ngắn) (hỉình 1.2). Composite sợi dài: là composite có tỉ số 1/d của sợi tối
thiểu là 200. Ngược lại, khi composite có có 1/d của sợi nhỏ hơn 200 được
xem là composite sỢi ngắn.

(a)
Hình 1.2. Composite sợi dài (a) và sợi ngắn (b)

II


Trong composite gia cường sỢi, hiệu quả gia cường và klìả năng điều
chỉnh sự sắp xếp của sợi ngắn kém hơn sợi dài. Sự sắp xếp của sỢi mgắn
thường kém chặt chẽ hơn nên hàm lượng sợi trong composite sợi mgắn
thường thấp hơn trong composite sợi dài. Tuy nhiên, tính chất bất <đẳng
hướng của composite sợi ngắn bé hơn so với composite sợi dài.
b) Composite gia cường hạt
Composite gia cường hạt (Particulate reinforced composite;): là
composite được gia cường bởi các hạt với các hình dạng (hình cẩu, que,
vảy...) và cỡ kích khác nhau như bột gỗ, than đen, talc, cao lanh, vảy rmica,
sắt, đồng, nhôm...
Các vật liệu gia cường hạt có kích cỡ macro, micro hoặc nan (0 và
thường có độ cứng cao hơn vật liệu nền. Một số vật liệu gia cường dạng hạt
có thể cải thiện các tính chất của composite như giảm co ngót, chống chảy,
kháng mài mòn, chịu nhiệt... Tuy nhiên, khả năng cải thiện tính chất cơ lý
của vật liệu gia cường dạng hạt thường bé hơn rất nhiều so với vật liệu gia
cường dạng sợi và phụ thuộc rất nhiều vào kết dính tại bề mặt ranh giới
phân chia pha. Chính vì vậy, vật liệu composite hạt thường được dùng tirong
các ứng dụng yêu cẩu về độ bển không cao.

Trong nhiều trường hợp các hạt được sử dụng trong chế tạo
composite nhằm mục đích giảm giá thành và tăng độ cứng sản phẩm.
c) Composite cấu trúc
Composite cấu trúc gôm 2 loại chính: composite dạng lớp (laminate)
và sandwich panel.
Composite dạng lớp (Hình 1.3): được tạo thành từ các lớp cơ sở, lớp
thứ nhất là lớp chịu lực (thường là các composite cốt sợi đơn hướng) và lớp
thứ hai đóng vai trò liên kết (thường là vật liệu đổng nhất) hoặc có thê’ được
tạo thành từ cùng một loại vật liệu (thường là các composite cốt sỢi đơn
hướng), gồm nhiều lớp sắp xếp đổi hướng các lớp cho phù hỢp yêu cầu thiết
kế rổi ép lại sẽ thu được các bán thành phẩm dạng tấm dùng trong xây dựng
nhà cửa, làm vỏ thân cánh và đuôi các loại máy bay...
12


Hình 1.3. Composite dạng lóp

Sandwich panel (Hình 1.4): Cấu tạo gồm hai lớp mặt, là vật liệu có độ
bền và cứng cao như tấm cấu trúc composite dang lớp, hợp kim nhôm, hợp
kim titan... và lớp lõi ở giữa, là vật liệu nhẹ, có độ bển và độ cứng tương đối
bé. Lớp lõi có tác dụng duy trì khoảng cách giữa hai tấm mặt và giảm biến
dạng theo chiều vuông góc mặt tấm, tạo độ cứng nhất định, tránh hiện
tượng cong vênh tấm. Lớp lõi thường làm bằng: polymer bọt, cao su nhân
tạo, gỗ nhẹ, vật liệu dạng tổ ong. Composite loại này được ứng dụng rất
rộng rãi: trần, sàn, tường trong xây dựng nhà cửa, làm vỏ thân cánh và đuôi
các loại máy bay...

Lớp tố ong

·--►


Lớp kct dính—►
Lớp bê' mặt —►

Sản phẩm
sandwich panel

Hình 1.4. Sandwich panel

1.2.2. Phân loại theo bản chất vật liệu nền
Theo bản chất vật liệu nển, composite được chia thành ba nhóm chính
sau: composite nền polymer, com.posite nền kim loại và composite nến
ceramic.

13


a) Composite nền polymer
Composite nển polymer (Polymer matrix composite - PMC) là
composite

CÓ

nến

là

các loại polymer nhiệt dẻo như polypropylenie,

polyethylene, polyvinyl chloride, polyamide... hoặc các polymer nhiệt rần

như polyester không no, vinyl ester, phenolic, melamine, polyurethante,
epoxy... . Vật liệu gia cường là các sợi, hạt hữu cơ (sợi Kcviar, cellulose....),
vô cơ (thủy tinh, carbon...) và kim loại (bo, nhôm, thép, molipden...).
Loại composite này được sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm rất lớn là dễ
dàng gia công tạo những sản phẩm có hình dạng phức tạp và kích thước lớin.
Trong hệ composite này, vật liệu gia cường có độ bền và modul caio
còn polymer nến có vai trò truyến tải trọng và tăng khả năng kháng ăn mòm,
chịu thời tiết cho composite.
b) Composite nền kim loại
Composite nền kim loại (Metal matrix composite - MMC) Hà
composite có nền là các kim loại như nhôm, magie, titan, sắt, cobalt, đổng. -.
Vật liệu gia cường là các sợi, hạt vô cơ ceramic (oxide, cacbua silic...) hoặc
kim loại (chì, vonfram, molipden...). Vật liệu nền thường dẻo dai, vật liệu
gia cường thường có tác dụng cải thiện tính chất cơ lý, kháng mài mòn,
chống rão, dẫn nhiệt, ổn định kích thước của composite.
ưu điểm lớn của composite nền kim loại so với nến polymer là khả
năng chịu nhiệt tốt hơn, không cháy và chống lại sự tấn công của các chất
lỏng hữu cơ tốt hơn. Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm so với composite
nền polymer là giá thành cao hơn và khối lượng riêng lớn hơn, dễ bị phá
hủy tại bế mặt tiếp xúc giữa vật liệu nến và vật liệu gia cường do kim loại dễ
bị ăn mòn.
c) Composite nền ceramic
Trong composite nến ceramic (Ceramic matrix composite - CMC),
nển ceramic có thành phẩn chính là oxide, carbide, nitride và boride được
gia cường bởi các hạt, sợi vô cơ ceramic hoặc kim loại. Do sức căng bề mặt

14


củíi conimic nứ!ig chảy cao nên khỏ thấm ướt !ốn các loạ‫ ؛‬sợi. Chliih vì vậy

trong thực tê' tổn tạ‫ ؛‬rất ít hệ composite nển ceramic.
Một hệ composite điLn hlnh irêii nển ceramic dược ứng dụng rộng rãi
trong ky thuật là composite ndn carhon gia cường sọi carbon nhờ những
tínli chất ưu việt như chịu nhiệt tdt dến 22()()"c mà vẫn duy tri độ bển cao, tỉ
số độ bển/trợng lượng và độ cứng/trọng lượng cao, ổn định kích thríớc tốt,
chống ăn mOn tổt, kháng hda cliẩt tOt... Compo.site nển carbon gia cường
sợi Cirrbon du'Ợc dUng trong những ứng dụng cấu trUc và phi cấu trUc, đặc
biệt là ứng dụng cấu trUc vận hành ở nhiệt độ cao nhu' các bộ phận của máy
bay, dộng co phản lực, tên lửa... Nhưr.íc điểm l('tn nhất của hệ composite này
là giá thành cao do giá nguyên liệu và chi phi sản xuất cao.

1.3. VAI TRÒ CỦA

cAc v Ạ t

l iệ u t h A n h p h A n

1.3.1. Vai trò của vật liệu gia cương
Vật liệu gia cường thường dOng những vai trO chinh sau:
- Chịu tải trpng tác dụng lên vật liệu cojnposite (dến 70 90 ‫ب‬% tải
trọng) nên tinh chất cơ lý của vật liệu gia cường thương cao hơn so với vật
liệu nển.
- Tạo độ cứng, độ bổn, Ổ!1 địnli nhiệt và các tínli chất cấu trUc khác
của composite.
- Tạo ch() sản phẩm có tinh cách điện hoặc dẫn díện tùy thuộc vào
loại vật liệu gia cường.
1.3.2. Vai trò của vật lìệu nền
Vật hệu nển thường chiếm 30 40 ‫ب‬% thể tích của composite, nó đóng
những vai trO chinh sau:
- Liên kết các vật liệu gia cường lại với nhau.

- Phân bổ tải trọng tác dụng lên vật liệu composite bằng cách truyển
tải trọng sang vật litu gia cương.

15


- Bảo vệ vật liệu khỏi sự tấn công của hóa chất và hơi ẩm.
- Bảo vệ bề mặt sợi khỏi bị phá hủy cơ học (do mài mòn...).
- Tạo vẽ thẩm mỹ cho sản phẩm.
- Ảnh hưởng lớn đến độ bền lâu, độ dẻo dai, độ bền nhiệt, khả năng
gia công... của composite. Ví dụ vật liệu nền dẻo dai sẽ tăng độ dẻo dai cho
sản phẩm. Đối với những ứng dụng yêu cầu độ dẻo dai cao nên lựa chọn vật
liệu nền là polymer nhiệt dẻo.
- Ngoài ra, mô hình phá hủy của composite bị ảnh hưởng nhiều bởi
loại vật liệu nền cũng như tính tương thích với vật liệu gia cường.
1.4. KÉT DÍNH TẠI BÈ MẶT TIẾP x ú c GIỮA VẬT LIỆU
GIA CƯỜNG VÀ VẬT LIỆU NÈN
1.4.1. Góc tiếp xúc
Khi vật liệu composite chịu tác dụng của ngoại lực, tải trọng tác d ụng
lên vật liệu nền sẽ được truyền sang vật liệu gia cường qua bề mặt tiếp

5CÚC.

Nếu composite yêu cầu có độ bền và độ cứng cao thì vật liệu gia cường phìi
liên kết bền vững với vật liệu nền. Tuy nhiên, một bề mặt tiếp xúc bến thì sẽ
tạo composite có độ cứng và độ bến cao nhưng khả năng chống lại sự phit
triển vết nứt kém do đặc tính dòn.
Kết dính giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường tốt là nhử tổn tại cíc
liên kết, tương tác tại bề mặt tiếp xúc. Muốn các liên kết này phát triển tlì
trước hết phải có sự thấm ướt tốt vật liệu gia cường lên bể mặt vật liệu niêT.

Khả năng thấm ướt được định nghĩa là mức độ trải của chất lỏng lên mộtt bể
mặt rắn. Trong gia công composite vật liệu nền thường được chuyển san'
trạng thái lỏng, có độ nhớt đủ thấp để thấm ướt tốt những chỗ lồi lõm, gổ ghề
trên bể mặt vật hệu nền. Khả năng thấm ướt thường được đánh giá qua gó:
tiếp xúc a.
Góc tiếp xúc a (Hình 1.5) có mối tương quan với các năng lượng b‫؛‬
mặt được biểu diễn bằng phương trình Young sau:

16


Cos a

= ( ơ s - ƠSI. ) / ٢ ‫ ؛‬I.

Với:
as: Năng lượng tự do bẽ mặt vật liệu gia cường (rắn- solid).
ƠSI.: Sức căng bê' mặt tiếp xúc vật liệu gia cường (rắn)/vật liệu nền
(lỏng- liquid)
ƠI,: Sức căng bề mặt nhựa (lỏng)
Có ba trường hợp có thể xảy ra như sau:
a = 0: Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn bể mặt vật liệu gia cường rắn
0° < a < 90°; Chất lỏng thấm ướt không hoàn toàn bê' mặt vật liệu gia
cường rắn
90° < (X < 180°: Chất lỏng không thấm ướt bế mặt vật liệu gia cường rắn.
Thấm ướt khòna tốt (90. < a < 180.)
Tlimn irớt tốt (a < 90.)

٠L - ٨
٠

a
Ơ SL

Hình 1.5. Góc tiếp xúc của chất lỏng lén bề mặt rắn

1.4.2. Các yếu tố ảnh hường đến độ bám dính, liên kết tại
bề mặt tiếp xúc
Trong quá trình gia công, cẩn điều chỉnh điều kiện gia công phù hợp
để có sự thám ướt kết dính tốt giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường. Sau
đây là các yếu tố giúp tạo liên kết tốt tại bể mặt tiếp xúc giữa vật liệu gia
cường và nhựa nền:
- Góc tiếp xúc bé giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường
- Sức căng bể mặt vật liệu nến lỏng (ơi.) càng bé càng tốt
- Độ nhớt vật liệu nền khi gia công thấp
- Tăng áp suất để giúp vật liệu nền chảy tốt

17


- Độ nhớt sau gia công của vật lỉệu nển cao (làm nguội, d')ng rắn...)
- Làm sạch bể mặt vật liệu gia cường khỏi bụỉ bẩn
- Loại bỏ các vết nứt) lỗ rỗng trên bể mặt vật liệu gia cương
- Bể mặt vật liệu gia cường có độ nhám phù hợp
- Độ cứng vật liệu nển nên bé hon vật liệu gia cường.
- Hệ số giẵn nở nhiệt của các vật liệu thành phẩn giống nhau.
- Thiết kế composite phù hợp.
1.4.3. Các

‫ اوﻫﺎ‬liên kết hỉnh thành tại bề mặt tỉếp xúc


Khỉ vật lỉệu nền thấm ướt vật liệu gia cường, một số liên kết có t,hê'
được hinh thành tại bể mặt tiếp xúc gôm:
- Liên kết cơ học
- Liên kết nhờ lực tương tác tĩnh diện
- Liên kết nhờ lực khuếch tán
- Liên kểt vật lý, hóa học
a) Liên kết cơ học
Dể giảỉ thích liên kết cơ hpc hình thành tạỉ bề mặt tiếp xúc, mô hình
thuyết kết dinh dược dưa ra bởi MacBain and Hopkins vào năm 1925. Theo
thuyết này, kết dinh dược hình thảnh nhờ vật liệu nền khi gia công ở trạng
thái lỏng lấp vầo những khe, lỗ trống và những chỗ gổ ghề trên bể mặt vật
líệu gia cường, khi vật liệu nển hốa rắn nhờ làm nguội hoặc dOng rắn sẽ
hình thành liên kểt cơ học tại bể mặt tỉếp xúc. Ví dụ như trường hơp kết
dinh giữa cao su và vải trong công nghệ sẳn xuất lốp xe, vảỉ dóng vai trò là
vật lỉệu gia cường, cao su dOng vai trò là vật lỉệu nển. Trong quá trinh gỉa
công những mạch cao su có đủ độ linh dộng khuểch tán vằo những chỗ gổ
ghể trên bể mặt của vảỉ tạo, hên kết cơ hpc tạí bể mặt tiếp xúc gỉữa cao su
và vải.
Khi độ nhám bể mặt vật liệu gia cường tăng thi thấm ươt nhựa nễn
tốt (Hình 1.6) giUp phát triển các liên kết hóa hợc, hạn chế hinh thành bọt
18


khi tạl bể mặt tiếp xúc, tăiig citòng tương tác cơ hpc giữa vật lỉệu nển và V’‫؛‬
‫!ﻻ'(ذ‬

gia cương dẫn đến bám dinh cơ học sẽ tăng. 1'uy nhiên, làm nhám q■

mức sẽ xuất hiện các lỗ sâu ti'ên bể mặt vật liệu gia cường thi vật liệu Π
lOng khó thấm vào SCgây hiệu quả ngược lại.

Liên kết, bám dinh cơ học hiệu quả khi ngoại lực tác dụng song s('‫؛‬: vớỉ bề mặt tiếp xúc. Nếu bể mặt tỉếp xúc chịu tác dụng của lực kéo thl

('·

bển thường thẩp trừ khi các vị tri ngoằn ngoèo như d‫؛‬ểm A (Hình 1.7) co
mật độ dày ،lặc do sự thay dổỉ phần bố ứng suất tại bể mặt tiếp xúc (Hình
1.8) diện tích vUng bể mặt tíếp xUc tăng, ranh giới ngoằn ngèo làm cho sự
phân tán ứng suất tốt. Quá trinh làm nhám còn giUp loại bỏ lớp kém bển
trên bể mặt vật liệu nển như dầu mỡ, chất bẩn, gl....

Hình 1.6 . Mô hình thấm Ể

nhựa nền lên ٥ ể mặt nhẵn và nhám

19


b) Liên kết nhờ lực tương tác tĩnh điện
Khi có sự tiếp xúc giữa vật liệu gia cường và vật liệu nền, trong một số
trường hợp sẽ có sự dịch chuyển điện tử qua vùng ranh giới phân chia pha,
làm xuất hiện lớp điện tích kép tại bề mặt tiếp xúc (Hình 1.9) và hình thành
lực tương tác tĩnh điện giúp chống lại sự phá hủy bề mặt ranh giới phân
chia pha. Cơ chế kết dính này được đưa ra bởi Deryaguin và các cộng
sự và xảy ra điển hình đối với các hệ composite kim loại/polymer, thủy
tinh/polymer....
Tương tác tĩnh điện xảy ra trong giới hạn gần và chỉ hiệu quả trong
khoảng cách nhỏ tương đương vài nguyên tử và sẽ giảm hiệu quả khi bề mặt
vật liệu nền bị nhiễm bẫn hoặc có khí thâm nhập.
\ W
\ \ \ \ \ \ V \

! j '٠
Ị ! I 1ỉ ١
>
Ị
ị ị
I
،í I I I
j 11 ‫؛‬
/ / - / / / / / - / / / / / >

\ \ \ \ V v
■
I■ II I> ■
I I
‫؛‬I I I I I
- >

\ \ \ \ *
ỊI IỊ I٠IF
I

1

،

I

- / / / / / / / -

Hình 1.9. Mô hình liên kết nhờ tương tác tĩnh điện


c) Liên kết nhờ lực khuếch tán
Khi vật liệu gia cường và vật liệu nền đều là polymer thì cơ chế kết
dính nhờ khuếch tán xảy ra chủ yếu. Kết dính này được hình thành dc sự
20


khuvếch tán phân tử giữa vật liệu nển và vật liệu gia cường cũng là polymer
như sỢi polypropylene, sựi pơlyamid... Các mạch phân tử của các vật liệu
này tương đối dài có đủ độ linh dộng và có khả năng khuếch tán, thâm nhập
vào nhau giúp bề mặt bẽn vững. Tác dụng nhiệt làm cho các phần tử linh
động hơn và dung môi làm tăng thể tích tự do cũng làm tăng độ linh động
các mạch phân tử giúp chúng khuếch tán vào nhau tốt hơn. Thuyết khuếch
tán được đưa ra bởi Voyutskii. Hình 1.10 cho thấy mô hình liên kết hình
thành nhờ khuếch tán.

wwwxw
Hìqh 1.10. Mô hình liên nhờ khuếch tán

d) Liên kết hóa học
Liên kết hóa học (Hình 1.11) được hình thành giữa các nhóm chức
hóa học trên hê' mặt vật liệu gia cường (A) và vật liệu nền (B). Độ bền của
liên kết hóa học phụ thuộc nhiểu vào số liên kết trên một đơn vị diện tích bể
mặt tiếp xúc và loại liên kết.

21


Trong thực tế, liên kết hóa học thường tổn tại nhờ sử dụ ng chất liên
diện, phổ biến là silane. Hình 1.12 cho thấy sự hình thành liên kết hóa học

tại bể mặt tiếp xúc đối với vật liệu gia cường là sợi thủy tinh khi có mặt
Ỵ- aminopropyl trimethoxy silane (y- APS). Đầu tiên sẽ có sự thiủy phân của
(y- APS) tạo silanol. Các nhóm hydroxyl của silanol này sẽ phản ứng
polymer hóa với nhau và với các nhóm hydroxyl trên bể mặt sợi thủy tinh.
Mặt khác, đầu kém phân cực của silane (-CH 2-C H 2-C H 2-N H 2)) sẽ làm cho
bể mặt sợi thủy tinh trở nên kém phần cực hơn giúp các nhựa nền kém
phân cực thấm ướt tốt hơn, đổng thời có khả năng khuếch tám cũng như
hình thành liên kết hóa học với một số nhựa nền. Chính vì vậy' silane giúp
bề mặt tiếp xúc nhựa/sợi thủy tinh bền vững hơn. Silane thường; được dùng
để biến tính bê' mặt tiếp xúc cho nhiều hệ composite với nhiều loại vật liệu
gia cường khác nhau với hàm lượng thấp (thường khoảng 0,1%) và cải thiện
đáng kể các tính chất cơ lý.
NH٥

٠

NHa

H٩o

١
CH 3 O.^
' J!
J ^١
٠ ١
١ OCM 3
OCH.
v-auiinopropyl triiucứioxy silanc

Tlmypliân


HO

OH

O.H

SUanol

Pol>٦ner hổa

^

^NH

٥٠١١١١٠

> CH — C tH ^ C H j

> C

Hình 1.12. Liên kết hóa học tại bề mặt tiếp xúc của com posite
sợi thủy tinh xử /ý silane

22


1.5. NHỮNG TIn H CHAT đ ặ c
COMPOSITE


trưng c ủ a

٧ẬT

l iệ u

So vớ‫ ؛‬những vật liệu truyên thống nhu' kim loại, gỗ, ceramic...
composite có những ưu điểm sau:
- Trọng lượng riCng bé nên modul riíuig và độ bền riêng cao. Nhờ
tinh chất n ‫؛‬١y mà các bộ phận làm bằng composite thường nhẹ hơn các vật
liệu truyển thống (sắt, thbp, bê tông...), điểu này rất quan trọng đối với vật
líệu khi ứng dụng trong lĩnh vực hàng không, giao thông vận tải... Độ bển
riêng của composite nóí chung bằng 3 dến 5 lần thép và hợp kim nhôm.
Hlnh 1.13 -1.15 bíểu diễn các giá trị trọng lượng ríêng, độ bền kéo rỉêng và
modul kéo riêng của một vài vật liệu cấu trUc thông dụng.
- Độ bển mỏi (fatigue strength) cùa composite cao hon. Thép và hợp
kim nhôm có độ bển mỏi dến khoảng 50% độ bền tĩnh, trong khi dó
composite nền nhựa epoxy gia cường sợi carbon don hướng có độ bển mỏỉ
tốt dến khoảng 90% độ bển tinh.
- Composite thường có độ bền va dập cao hon.

23


Hình 1,14. Độ bền kéo riêng của một vài vật liệu cấu trúc thông dụng
2000

1800
1600
c.

G
-

1400

٠٥ 1200
.1c)
٠c 1000

■S

800

I

600
400
200

0

I

-----------------------------------------------------------------------------1--------------------------------------1--------------------------------------1----------------------------------

Gồ

Hợp kiin
Iiliôm


Titan

Tliẻp

I

I

------------

I------------------------------------

Composite Composite Composite Conipo>ite
thủy tinli E ứiủy tiiili s ai amid carbon HS

Hình 1.15. ModuÊ kéo riêng của một vài vật liệu cấu trúc thông dụng

24