125
Chơng 9
compozit

9.1. Khái niệm về compozit
Là vật liệu kết hợp 2 hoặc nhiều vật liệu khác nhau để phát huy tí nh tốt của mỗi
loại vật liệu thành phần
9.1.1.

Quy luật kết hợp

Vậy compozit là loại vật liệu nhiều pha khác nhau về mặt hóa học, hầu nh không
tan vào nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha, kết hợp lại nhờ sự can thiệp kỹ
thuật của con ngời
theo những ý đồ thiết kế trớc
, nhằm tận dụng và phát triển
những tí nh chất u việt của từng pha trong compozit cần chế tạo.
9.1.2. Đặc điểm và phân loại
a. Đặc điểm
- Là vật liệu nhiều pha mà chúng thờng rất khác nhau về bản chất, không hòa
tan lẫn nhau thờng là 2 pha gồm nền là pha liên tục trong toàn khối, cốt là pha
phân bố gián đoạn
- Nền và cốt có tỷ lệ, hình dáng, kí ch thớc và sự phân bố theo thiết kế đã định
trớc.
- Tí nh chất của compozit chịu ảnh hởng của các pha nhng không phải là cộng
đơn thuần các tí nh chất của chúng khi đứng riêng rẽ mà chỉ chọn lấy những tí nh
chất tốt và phát huy thêm.
b. Phân loại
Theo bản chất của nền có:

compozit nền chất dẻo (polyme), nền kim loại, nền ceramic và nền hỗn hợp nhiều
pha.
Theo dạng hình học của cốt:

compozit cốt hạt, compozit cốt sợi
Theo cấu trúc:
lớp, kiểu đá ong,
9.1.3.

Liên kết nền - cốt

a. Cốt
Là pha không liên tục,
tạo nên độ bền, môđun đàn hồi
(độ cứng vững)
cao
cho
compozit, do vậy cốt phải bền, nhẹ. Cốt có thể là: kim loại, ceramic và polyme.
b. Nền
Nền là pha liên tục có tác dụng:
- Liên kết toàn bộ các phần tử thành một khối thống nhất
- Tạo hình chi tiết theo thiết kế
- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các h hỏng do các tác động hóa học, cơ học và của
môi trờng.Thờng nền là: kim loại, ceramic, polyme và hỗn hợp.
c. Liên kết nền - cốt
- Liên kết cơ học, nhờ lực ma sát giữa cốt và nền nh kiểu bêtông cốt thép có gân
(đốt)
- Liên kết nhờ thấm ớt do năng lợng sức căng bề mặt

126

- Liên kết phản ứng, phản ứng tạo hợp chất dí nh chặt cốt với nền-đây là loại
liên kết tốt nhất.
- Liên kết hỗn hợp
9.2. Compozit cốt hạt
Các hạt đẳng trục, cứng, bền (ôxyt, nitrit, cacbit, borit) (đôi khi là các hạt mềm nh
grafit, mica thuộc loại chống ma sát. Có hạt thô và hạt mịn, hạt mịn nằm phân tán
có tác dụng cản trợt hoá bền.
9.2.1
.
Compozit hạt thô
Compozit hạt thô rất đa dạng và đợc sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực công
nghiệp, xây dựng.
a. Đặc điểm
Khái niệm "thô" đợc dùng để chỉ tơng tác giữa nền và cốt không xảy ra ở mức
độ nguyên tử, phân tử, sự hóa bền có đợc là nhờ sự cản trở biến dạng của nền ở
vùng lân cận với cốt.
Tùy theo đặc tí nh phân bố của hạt trong nền mà quy tắc kết hợp (hỗn hợp) cho
môđun đàn hồi E
C
của compozit phụ thuộc vào tỷ lệ thể tí ch, môđun đàn hồi của
nền: V
n
, E
n
và của cốt hạt: V
H
, E
H
nằm vào khoảng giữa 2 giới hạn:
Giới hạn trên: E

C
=E
N
V
N
+E
H
V
H
, giới hạn dới:
NHHN
HN
C
VEVE
EE
E
+
=

b.

Các compozit hạt thô thông dụng.

Hợp kim cứng
tạo bằng phơng pháp luyện kim bột, các phần tử cứng là cacbit:
WC, TiC, TaC đợc liên kết bằng Co (nền).
Các hợp kim làm tiếp điểm
có sự kết hợp tốt của các kim loại khó chảy (W, Mo)-
cốt với các kim loại có tí nh dẫn nhiệt cao (Cu, Ag)-nền.
Bêtông

là compozit hạt thô (đá, sỏi) hay nhỏ (cát vàng), nền cứng là ximăng.
Polyme
Các hạt độn thờng là thạch anh, thủy tinh, ôxyt nhôm, đất sét, đá vôi-cốt,
nền polyme.
9.2.2. Compozit hạt mịn (hóa bền phân tán)
Compozit hạt mịn là loại có tí nh năng đặc biệt: bền nóng và ổn định nóng.
a. Đặc điểm
- Nền thờng là kim loại và hợp kim, cốt có kí ch thớc < 0,1
à
m, bền, cứng và có
tí nh ổn định nhiệt cao: oxit, cacbit, borit, nitrit.
- Tơng tác nền - cốt xảy ra ở mức độ vi mô ứng với kí ch thớc nguyên tử, phân tử.
- Cơ chế hóa bền: cốt nhỏ mịn phân tán kìm hãm lệch, làm tăng độ bền độ cứng
của vật liệu.
b.

Các compozit hạt mịn

SAP
, SAAP (CA, CAC) cốt Al
2
O
3
= 5 - 20% trên nền nhôm, chịu nhiệt 300 ữ
500
o
C
T-D Nickel
(Thoria Dispersed Nickel): nền là niken (Ni), cốt là các phần tử ôxyt tôri
ThO

2
~ 2% song ở dạng rất nhỏ mịn, nằm phân tán và ổn định nhiệt, làm việc lâu
dài ở 1000 ữ 1100
o
C, không bị ăn mòn tinh giới nh thép không gỉ nên là vật liệu
quý trong hàng không, vũ trụ, chế tạo tuabin, ống dẫn, bình áp lực làm việc ở nhiệt
độ cao dới tác dụng của môi trờng ăn mòn.

127
9.3.

Compozit cốt sợi

Compozit cốt sợi là loại compozit kết cấu quan trọng nhất vì nó có độ bền riêng và
môđun đàn hồi riêng cao. Nền và cốt sợi đều là các vật liệu nhẹ.
Tí nh chất của compozit cốt sợi phụ thuộc vào bản chất vật liệu cốt và nền, độ bền
liên kết trên ranh giới pha, sự phân bố và định hớng sợi (hình 9.1)... Ngời ta coi
liên kết nền - cốt là hoàn hảo để đơn giản trong tí nh toán.



a) b) c)
Hình 9.1.
Sơ đồ phân bố và định hớng cốt sợi:
a- một chiều, b- hai chiều vuông góc đan xen nhau
c. rối ngẫu nhiên trong một mặt, d- ba chiều vuông góc.


9.3.1. ảnh hởng của yếu tố hình học sợi
a. Sự phân bố và định hớng sợi

- Sợi phân bố song song với nhau theo một phơng (hình 9.1a), độ bền theo
phơng dọc sợi cao hơn phơng vuông góc- sợi phân bố 1 chiều
- Sợi đan vuông góc với nhau (hình 9.1b), theo 2 trục sợi độ bền cao hơn cả- kiểu
dệt.
- Sợi phân bố nhiều phơng (rối-hình 9.1c), compozit đẳng hớng theo tất cả các
phơng trên mặt
- Sợi đợc phân bố 3 phơng vuông góc với nhau nh ở hình (9.1d) thì compozit
có có tí nh đẳng hớng.
b.
ảnh hởng của chiều dài sợi
Điều quan trọng là kết cấu cốt sợi phải tập trung
tải trọng vào
sợi là pha có độ bền cao. Có 2 loại cốt sợi: cốt sợi ngắn và cốt sợi dài
Đối với loại cốt sợi ngắn
: lực tác dụng sẽ gây biến dạng của nền nơi liếp xúc giữa
sợi và nền, một phần nền bị chảy (hình 9.2)
Cốt sợi dài: khi L
S
l
c
mới làm tăng một cách có hiệu quả độ bền và độ cứng
vững của compozit. Chiều dài tới hạn l
c
này phụ thuộc đờng kí nh d của sợi, giới
hạn bền (
b
)
S
của sợi và lực liên kết giữa sợi và nền (hay giới hạn chảy cắt của
nền

m
) theo biểu thức:
()
d.


l
m
S
b
c
=
, đặt
()
m
S
b


S
=
thì
Đối với compozit sợi thủy tinh hay sợi cacbon, l
C
~ 1mm hay S= 20
ữ
150


Hình 9. 2. Sơ đồ liên kết giữa nền và cốt


Ngời ta quy ớc:
- khi l > 15l
c
, compozit là là loại cốt liên tục hay cốt sợi dài,
- khi l < 15l
c
, compozit là loại cốt sợi không liên tục hay ngắn;
nền
vùng nền
biến dạ ng
sợi
d.Sl
c
=

128
- khi l < l
c
sợi không đủ dài để lực bám không gây biến dạng nền bao quanh sợi
do đó không đủ truyền tải và đợc coi nh compozit hạt.
Trên hình 9.3 trình bày sơ đồ cấu trúc của loại compozit cốt sợi trong đó loại
cốt sợi liên tục thẳng hàng (thờng chỉ gọi ngắn gọn là liên tục) nh ở hình (a) là
loại quan trọng hơn cả sẽ đợc khảo sát dới đây.








a) b) c)

9.3.2. Compozit cốt sợi liên tục song song
a. Khi kéo dọc
Gọi tỷ lệ thể tí ch sợi là V
S
của nền là V
n
= 1-V
S
. Khi chịu kéo theo phơng dọc trục
sợi và coi liên kết nền - cốt là hoàn hảo:

C
=

S
=

n
. Tải trọng tác dụng lên
compozit P
C
= P
S
+P
n
, trong đó P
S

, P
n
lần lợt là tải trọng lên sợi và lên nền. Do đó:

C
.A
C
=
S
. A
S
+
n
. A
n

Trong đó: (A
C
, A
S
, A
n
) là tiết diện ngang của compzit, sợi và nền. Chia cả cho A
C
ta
có:


nnSS
C

n
m
C
S
S
VúVú
A
A
.
A
A
.
+=+=
C

vì sợi bằng nhau và phân bố đều nên A
S
/A
C
=V
S
và A
n
/A
C
=V
n
, V
S
và V

n
là tỷ lệ thể
tí ch, do đó:

c
=
S
V
S
+
n
V
n
=
S
V
S
+
n
(1-V
S
), thay =E
E
c
= E
S
V
S
+ E
n

V
n
= E
S
V
S
+ E
n
(1-V
S
) vì (
C
=
S
=
n
=)
b. Khi kéo ngang
Lực kéo vuông góc với trục sợi (sợi không chịu đợc lực ngang) thì ứng suất tác
dụng lên các pha là nh nhau và bằng ứng suất tác dụng lên compozit là:

c
=
S
=
n
=
nên độ biến dạng của compozit bằng tổng biến dạng của cốt và nền:

c

=
S
.V
S
+
n
.V
n
vì
E

=
nên
n
n
S
SC
V.
E
V.
EE

+=

Chia cả hai vế cho , ta có:
n
n
S
S
C

E
V
E
V
E
+=
1

()
nSSS
Sn
nSSn
Sn
C
E.VE.V
E.E
E.VE.V
E.E
E
+
=
+
=
1
(9.13)
biểu thức này giống (9.2), đó là giới hạn dới của môđun đàn hồi của compozit hạt
thô.
c. ảnh hởng của hàm lợng sợi
phơng ngang


Hì nh 9.3.
Sơ đồ phân bố sợi:
a. liên tục song song
b. gián đoạn thẳng hàng,
c. hỗn độn

129
Ta thấy nếu tỷ lệ thể tí ch V
S
(hay còn gọi là hàm lợng) của sợi quá nhỏ thì sợi
không đủ tác dụng gia cờng cho compozit. Chỉ khi V
S
> V
S
min
thì mới có tác dụng
hoá bền. Giá trị V
S
min
có thể xác định theo công thức:
()
()
S
b
n
n
b
min
S
V




=

Trong đó: (

b
)
n
,

(

b
)
S
lần lợt là giới hạn bền của nền và của sợi
Nh vậy compozit cốt sợi liên tục phải thỏa mãn hai điều kiện: sợi dài l > 15l
c
và
lợng sợi phải đủ lớn V
S
> V
S
min
.
9.3.3. Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng
Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng đợc trình bày ở hình 9.6b. Chiều dài sợi
ngắn (l < 15l

c
) hiệu quả gia cờng của sợi compozit không thể cao nh loại cốt sợi
liên tục thẳng hàng. Môđun đàn hồi và giới hạn bền chỉ bằng khoảng 50-90% loại
cốt sợi dài liên tục.
Cơ tí nh phụ thuộc vào tỷ lệ thể tí ch của sợi và chiều dài hay yếu tố hình học của
sợi S = l/d, đợc tí nh toán riêng rẽ cho 2 trờng hợp sau:
- Khi l
c
< l < 15l
c
thì:
() () ()
Sn
c
S
S
b
c
b
V
l
l
V.
+







= 1
2
1

- Khi l < l
c
thì :
() ()
nnSc
c
b
VV.
d
+= 1
1


trong đó:

n
- ứng suất tác dụng vào nền khi compozit bị phá hỏng,

c
- giới hạn
bền cắt của nền, l, d - chiều dài, đờng kí nh sợi.
9.3.4. Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn
Bảng 9.1. Giá trị của thông số k ứng với định hớng khác nhau giữa sợi và ứng
suất
Định hớng sợi Phơng ứng suất k
dọc theo trục sợi 1 Tất cả các sợi song song

ngang với trục sợi 0
Phân bố sợi ngẫu nhiên, đồng
nhất trong mặt
theo phơng bất kỳ trong mặt
chứa sợi
8
3

Phân bố sợi ngẫu nhiên, đồng
nhất theo ba chiều không gian
theo phơng bất kỳ
8
1

Môđun đàn hồi đợc biểu thị nh sau: E
c
= k. E
S
.V
S
+ E
n
.V
n

Trong đó k - thông số biểu thị hiệu quả hóa bền mà độ lớn phụ thuộc vào hàm
lợng thể tí ch V
S
của sợi và tỷ lệ E
S

/E
n
, k dao động trong khoảng 0,1 ữ 0,6 xem
bảng 9.1
Dựa vào đờng kí nh và đặc tí nh ngời ta phân cốt sợi thành ba loại: râu, sợi và
dây nhỏ.
Râu
(râu đơn tinh thể): (whiskers) đờng kí nh rất nhỏ (cỡ 1 ữ 2
à
m
), l/d > 1000, tạo
bằng kỹ thuật nuôi đơn tinh thể. Các đơn tinh thể (râu) này có mức độ hoàn thiện
tinh thể rất cao (hầu nh chỉ có một lệch xoắn) và không có nứt, rỗng nên có độ
bền rất cao (gần bằng độ bền lý thuyết). Tuy nhiên râu vẫn cha đợc dùng rộng