Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
Lời nói đầu
Vật liệu composite hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật
liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu,
khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ
Những vật liệu composite đơn giản đã có từ rất xa xưa. Khoảng 5000 năm
trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi
làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng. Và điền hình về composite chính
là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập.
Ngày nay trong điều kiện khoa học kỹ thuật phát triển, sản xuất ngày một
nâng cao trình độ, việc phát triển các loại vật liệu mới nhằm phục vụ tốt nhất
cho sản xuất kỹ thuật, dân dụng, ….. phục vụ nhu cầu con người. Composite là
một loại vật liệu đáp ứng được nhiều yếu tố trong sản xuất. Và khi người ta nhắc
đến “ Vật liệu mới ” tức là đồng nghĩa với vật liệu composite.
Trong quá trình học môn học Vật liệu phi kim em đã được học và tìm hiểu
về vật liệu compostie, thành phần cấu tạo, công nghệ chế tạo,…Sau đây là một
số trình bày sơ qua của em về loại vật liệu này.
Sinh viên thực hiện: Nông Minh Toàn – Động cơ - ĐHBKHN Page 1
Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
PHẦN I
CÁC THÀNH PHẦN CỐT CỦA VẬT
LIỆU COMPOSITE
Các thành phần cốt của composite phải thoả mãn được những đòi hỏi về
khai thác và công nghệ. Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi như yêu cầu
về độ bền, độ cứng, khối lượng riêng, độ bền trong 1 khoảng nhiệt độ nào
đó, bền ăn mòn trong môi trường axit, kiềm… Còn đòi hỏi về công nghệ là
những đòi hỏi về khả năng công nghệ để sản xuất ra các thành phần cốt này.
Hiện nay, thành phần cốt của composite trên cơ sở những cốt thường dùng là
các sở ngắn, các sợi dài đơn, các dạng sợi tết (được tết xoắn gồm nhiều sợi
với nhau), các cốt lưới, vải, các băng dải sợi và các loại bảng với tính năng
cơ lý đã được xác định.

Hiện nay, với các vật liệu composite polyme có pha nền là nhựa tổng
hợp, các cốt thường là vải hoặc sợi thuỷ tinh, sợi anamit, sợi cacbon, sợi bor
hoặc cốt sợi tạp lai.
Trên thực tế, thành phần cốt luôn chiếm không quá 60-65% thể tích của
vật liệu composite. Theo tính toán nếu thành phần cốt chiếm quá liều lượng
trên (tức là khi các thành phần cốt quá sít gần nhau) giữa chúng sẽ nảy sinh
tương tác dẫn đến sự tập trung ứng suất làm giảm sức bền của vật liệu.
1. Sợi thuỷ tinh
Sinh viên thực hiện: Nông Minh Toàn – Động cơ - ĐHBKHN Page 2
Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
Sợi thuỷ tinh được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu composite
polyme. Ưu điểm của sợi thuỷ tinh là nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với các
tác động hoá - sinh, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp.
Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt),
có đường kính nhỏ vài chục micro mét. Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược
điểm của thủy tinh khối, như: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ
học hơn. Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khoáng chất
như: silic, nhôm, magiê ,... tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau 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 và sợi thủy tinh S
(độ bền cơ học cao). Loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít
(chiếm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt.
Sợi thuỷ tinh có hai dạng điển hình: Sợi dài và sợi ngắn thông thường
chúng có hình trụ tròn, ngoài ra, cũng gặp sợi thuỷ tinh có thiết diện ngang
hình tam giác, hình vuông, lục giác.
Hiện nay có ba phương pháp chính dùng để sản xuất ra sợi thuỷ tinh:
 Kéo sợi từ dung dịch nóng chảy qua khuôn.
 Kéo sợi từ những phôi thuỷ tinh được sấy nóng
 Nhận được những sợi ngắn từ các tia dung dịch nóng chảy
bằng cách thổi không khí, hơi, ga.

Quá trình một giai đoạn kéo sợi thuỷ tinh thực chất là từ những thành
phần cơ bản như cát thạch anh, đá vôi, axit bor, đất sét, than. Được chọn
theo 1 tỷ lệ hợp lý, sau đó nung nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 1260
o
C.
Dung dịch thuỷ tinh nóng chảy rót trực tiếp vào bộ phận khuôn kéo sợi
được chế tạo từ platin. Dưới áp lực, dung dịch thuỷ tinh chảy qua những lỗ
nhỏ của khuôn đường kính thông thường 0,8 – 3mm và khi qua buồng lạnh
được kéo thành sợi có đường kính từ 3-19µm với vận tốc 20-50m/s.
Sinh viên thực hiện: Nông Minh Toàn – Động cơ - ĐHBKHN Page 3
Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
Sợi thuỷ tinh nhận được như vậy là những sản phẩm sợi thô. Thường
được dùng để xoắn bệnh thành chỉ dệt thành vải cho các công đoạn tiếp theo.
Sợi thuỷ tinh có những ưu điểm nổi trội là giá thành rẻ. Chúng được
dùng rộng rĩa trong sản xuất composite polyme được chế tạo các tầu tải
trọng nhẹ, thuyền xuồng cacno, thuyền buồn thể thao…
2. Sợi bazan
Sợi bazan được chế tạo từ nguyên liệu đá bazan. Đá bazan có nguồn
góc nham thạch do các núi lửa khi hoạt động phan ra rồi kết tinh lại. Các sản
phẩm từ đá bazan có đặc tính cơ lý hoá tốt hơn hẳn so với các sản phẩm
truyền thống là bông sợi thuỷ tinh hoặc amian, không độc hại cho người và
sinh vật.
 Sợi liên tục (chỉ)
 Sợi ngắn
 Bông
Công nghệ sản xuất sợi bazan: Đá bazan sau khi khai thác được phân
loại, chọn lọc và làm sạch rồi tán nhỏ 20-40mm. Sau đó cho vào lò nung và
nung ở 1450-1500
o
. Sau khi đá nóng bỏng, nhờ các vòi phun, bazan lỏng

được phun ra thành sợi, sau đó được làm lạnh đột ngột nhờ một thiết bị hút
gió và buồng lắng ta thu được bông, sợi bazan.
Để kéo được sợi bazan liên tục có chất lượng cao, người ta dùng các
tẩm khuôn platin.
3. Sợi hữu cơ
Các loại sợi hữu cơ phổ biến có thể thấy là
sợi kenvlar cấu tạo từ hợp
chất hữu cơ cao phân tử aramit, được gia công bằng phương pháp tổng hợp ở
Sinh viên thực hiện: Nông Minh Toàn – Động cơ - ĐHBKHN Page 4
Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
nhiệt độ thấp (-10°C), tiếp theo được kéo ra thành sợi trong dung dịch, cuối
cùng được sử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi. Sợi kenvlar và tất cả các sợi làm
từ aramit khác như: Twaron, Technora,... có giá thành thấp hơn sợi thủy tinh
như cơ tính lại thấp hơn: Các loại sợi aramit thường có độ bền nén, uốn thấp và
dễ biến dạng cắt giữa các lớp.
Sợi hữu cơ anamit có độ bền cao hoặc modun đàn hồi cao và một loạt
những ưu việt khác. Sợi hữu cơ có độ bền khi kéo, ổn định coa với nhiệt độ,
bền va đập, không cháy, tính cách điện cao, khối lượng riêng thấp.
Phụ thuộc vào thành phần polyme và phương pháp kéo sợi mà ta nhận
được sợi hữu cơ có khối lượng 1410-1450kg và độ bền khi kéo 70-150Gpa.
Sợi hữu cơ giữ nguyên được những đặc tính cơ lý của mình cho đến 180
o
,
trên ngưỡng này sợi hữu cơ không nóng chảy mà sẽ cacbon hoá.
Vật liệu composite cốt sợi hữu cơ có độ bền khi nén và khả năng tương
thích với nền polyme thường kém hơn so với sợi thuỷ tinh. Yếu điển chung
của sợi anamit là hút ẩm.
Sợi hữu cơ được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất vật liệu composite
để chế tạo thân vỏ tên lửa động cơ nhiên liệu rắn, các bình, ống chịu áp lực,
găng tay cách nhiệt, mũ – áo giáp, các chi tiết của tàu lượn, các thiết bị thể

thao và nhiều sản phẩm khác nữa.
4. Sợi carbon
Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo
thành các lớp liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35 A°. Các nguyên
tử cacbon liên kết với nhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục
lăng, với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42 A°. Sợi cacbon
có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả
năng chịu nhiệt cực tốt.
Sinh viên thực hiện: Nông Minh Toàn – Động cơ - ĐHBKHN Page 5
Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
Sợi cacbon được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế
quốc dân. Với ưu điểm như nhẹ, chịu được nhiệt độ cao (lên đến vài nghìn
độ trong môi trường trơ), hệ số ma sát dãn nở nhiệt thấp, rất bền vững với
nhiều điều kiện khí hậu và các phản ứng hoá học.
Đến nay sợi cacbon chủ yếu được chế tạo từ ba nguồn nhiên liệu chính:
Polyacri Lonitrit, từ dầu mỏ, than đá và từ hidrat xenlulo.
5. Sợi bor
Sợi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học là B), là một dạng sợi gốm thu được nhờ
phương pháp kết tủa. Sản phẩm thương mại của loại sợi này có thể ở các dạng:
dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống,
vải đồng phương.
Việc sử dụng sợi bor dùng làm cốt composite cho phép tăng độ bền,
tăng modun đàn hồi của vật liệu.
Sợi bor có ưu điểm là có độ cứng cao hơn so với một số loại sợi khác.
Modun trượt của sợi bor có thể vượt qua 180Gpa.
Sợi bor thường được dùng trong sản xuất composite trên vật liệu nền
nhôm hoặc polyme.
Sợi bỏ có tính bán dẫn, dùng làm cốt cho composite làm giảm dẫn nhiệt,
dẫn điện.
Nhược điểm của sợi bor là dùng chúng để quốn các chi tiết cá bán kính

cong nhỏ rất phức tạp.
Ứng dụng: Sản xuất các chi tiết cho hàng không, tên lửa, kỹ thuật vũ
trụ.
Sinh viên thực hiện: Nông Minh Toàn – Động cơ - ĐHBKHN Page 6