Vật liệu composite - Khái niệm, cấu tạo và ứng dụng của vật liệu Composite. 1.Khái niệm Vật liệu composite a.Vật liệu composite là gì? Vật...
Vật liệu composite - Khái niệm, cấu tạo và ứng dụng của vật liệu Composite.
1.Khái niệm Vật liệu composite
a.Vật liệu composite là gì?
Vật liệu composite (hay còn gọi là vật liệu tổng hợp, vật liệu compozit) là loại nguyên vật liệu được tạo thành từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau có tính chất vật lý và hóa học khác biệt, khi kết hợp lại sẽ tạo ra một vật liệu mới có tính chất vượt trội hơn hẳn so với các vật liệu ban đầu khi làm việc riêng rẽ.
b.Đặc điểm của vật liệu composite:
Đặc điểm của composite là các thành phần trong đó vẫn giữ nguyên tính chất cơ bản, nhưng khi phối hợp, chúng bổ trợ lẫn nhau để tạo nên một sản phẩm có độ bền cao, khả năng chịu lực tốt, chống ăn mòn và nhiều đặc tính nổi bật khác. Nhờ vậy, composite thường vượt trội hơn các vật liệu truyền thống như kim loại, gỗ hay thủy tinh.
Vật liệu composite là loại nguyên vật liệu được tạo thành từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau
Ví dụ điển hình là sự kết hợp giữa sợi thủy tinh (có độ bền cao) và nhựa polyester (có khả năng kháng hóa chất), tạo ra vật liệu composite có độ bền cơ học cao và khả năng chịu hóa chất tốt – được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và xây dựng.
Tương tự, khi nhựa PVC được dùng làm chất nền kết hợp với bột gỗ, ta sẽ thu được vật liệu composite gỗ nhựa. Vật liệu này sở hữu nhiều đặc tính vượt trội so với gỗ tự nhiên như độ bền cao, khả năng chống nước, hạn chế tình trạng mối mọt, cong vênh và phù hợp với nhiều điều kiện môi trường khắc nghiệt.
2.Cấu tạo vật liệu composite
Thành phần vật liệu composite được tạo thành từ hai phần cơ bản là vật liệu cốt (gia cường) và vật liệu nền (chất kết dính). Hai thành phần này khi kết hợp với nhau sẽ tạo nên một vật liệu mới có tính năng vượt trội hơn so với từng vật liệu riêng lẻ.
Thành phần vật liệu composite bao gồm là vật liệu cốt và vật liệu nền
a.Vật liệu cốt (Fiber – Vật liệu gia cường)
Đây là thành phần đóng vai trò chính trong việc tăng cường độ bền và độ cứng cho composite. Nhờ vào vật liệu cốt, composite có thể chịu được lực kéo, nén, uốn hoặc va đập rất tốt. Tùy theo mục đích sử dụng và yêu cầu kỹ thuật, vật liệu cốt có thể có các dạng khác nhau:
a1.Dạng sợi
Đây là dạng phổ biến nhất, có thể là sợi ngắn, dài hoặc liên tục, thường dùng trong các ứng dụng yêu cầu độ bền cao. Một số loại sợi phổ biến:
Sợi thủy tinh (Fiberglass): rẻ, nhẹ, chống ăn mòn tốt.
Sợi carbon (Carbon fiber): siêu bền, nhẹ, dùng trong công nghiệp hàng không, xe đua.
Sợi aramid (ví dụ Kevlar): chịu lực tốt, chống va đập cao.
Sợi ceramic: chịu nhiệt và mài mòn cực tốt.
Vật liệu cốt dạng sợi là thành phần được sử dụng để tạo nên compostite
a2.Dạng hạt hoặc bột
Thường dùng trong các loại composite gỗ-nhựa hoặc xi măng-compostite.
Ví dụ:
- Bột gỗ, bột tre: dùng trong gỗ nhựa composite (WPC).
- Bột đá, hạt kim loại, đất sét: dùng để tăng độ cứng, trọng lượng hoặc cải thiện tính thẩm mỹ.
b.Vật liệu nền (Matrix – Chất kết dính)
Vật liệu nền có chức năng bao bọc, liên kết và phân bố đều các vật liệu cốt, giúp composite có tính đồng nhất và định hình sản phẩm. Ngoài ra, nó còn bảo vệ sợi gia cường khỏi môi trường bên ngoài (ẩm, nhiệt, hóa chất…).
Các loại vật liệu nền phổ biến:
- Polymer nền nhiệt dẻo (Thermoplastics): như PE, PP, PVC – dễ tạo hình, tái chế tốt.
- Polymer nền nhiệt rắn (Thermosets): như Epoxy, Polyester – có độ bền nhiệt và cơ học cao.
- Kim loại nóng chảy: như nhôm, magie – dùng trong composite kim loại (Metal Matrix Composite).
- Ceramic (gốm): như xi măng, dùng trong vật liệu xây dựng composite chịu nhiệt.
3.Đặc điểm tính chất của vật liệu composite
Dưới đây là các đặc tính chi tiết của composite, bao gồm đặc tính của vật liệu cốt và vật liệu nền:
3.1 Đặc tính vật liệu cốt
Chịu ứng suất tập trung: Vật liệu cốt giúp composite chịu được các lực tác động mạnh, đặc biệt là lực kéo và lực nén, làm tăng độ bền cơ học của composite.
Kháng hóa chất và nhiệt độ: Vật liệu cốt có khả năng chống lại sự tác động của hóa chất và nhiệt độ cao, giúp composite duy trì tính ổn định trong môi trường khắc nghiệt.
Phân tán tốt vào vật liệu nền: Các vật liệu cốt có khả năng phân tán đồng đều vào vật liệu nền, giúp cải thiện tính chất cơ lý của composite mà không làm mất đi sự đồng nhất của kết cấu.
Thuận lợi cho quá trình gia công: Sự linh hoạt trong gia công vật liệu cốt giúp composite có thể được tạo hình dễ dàng, đồng thời giúp tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất.
Truyền nhiệt và giải nhiệt tốt: Vật liệu cốt có khả năng truyền nhiệt và giải nhiệt hiệu quả, điều này giúp bảo vệ các bộ phận máy móc và thiết bị khỏi sự gia tăng nhiệt độ trong quá trình sử dụng.
Thân thiện với môi trường: Một số loại vật liệu cốt, đặc biệt là sợi thủy tinh hoặc sợi tự nhiên, có thể tái chế hoặc ít tác động đến môi trường, giúp composite thân thiện với tự nhiên.
3.2 Đặc tính vật liệu nền
Vật liệu nền giữ cho các thành phần cốt liên kết chặt chẽ, đồng thời tạo ra môi trường để các thành phần cốt phân tán đều trong toàn bộ composite.
Khi có ngoại lực tác dụng lên composite, vật liệu nền sẽ truyền ứng suất đến vật liệu cốt, giúp composite chịu được các lực tác động mà không bị phá vỡ.
Vật liệu nền giúp bảo vệ các thành phần cốt khỏi sự tác động của các yếu tố như hóa chất, độ ẩm hoặc sự ăn mòn, giúp duy trì độ bền của composite trong môi trường khắc nghiệt.
Vật liệu nền có tính chất bền dẻo, giúp composite có khả năng chống lại sự phát triển của vết nứt, đồng thời tăng khả năng chịu lực của sản phẩm.
Vật liệu nền còn có thể bổ sung thêm các tính chất khác như khả năng cách điện, độ dẻo dai, hoặc khả năng chống cháy, tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng của composite.
4. Ứng dụng thực tế của vật liệu composite hiện nay
Với sự phát triển của công nghệ hiện đại, vật liệu composite nhanh chóng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Vật liệu dùng để chế tạo vỏ động cơ tên lửa, máy bay, và tàu vũ trụ.
Composite dùng sản xuất các loại ống dẫn nước sạch, nước thô và nước nguồn.
Ứng dụng làm vật liệu chế tạo bình chứa trong hệ thống xử lý nước sinh hoạt.
Composite dùng chế tạo ống dẫn nước thải, ống dẫn nước cho các vùng nước bị ngập mặn, nước bị nhiễm phèn và ống thủy nông.
Composite sử dụng để làm vỏ bọc cho các loại bồn chứa nước, thùng chứa hàng và tấm panel composite.
Vật liệu dùng sản xuất các loại sứ cách điện, sứ polymer, sứ silicon, sứ cầu giao, sứ cầu chì, và thiết bị chống sét.
Chế tạo vỏ tàu thuyền bằng composite.
Vật liệu ứng dụng trong sản xuất phù điêu, điêu khắc, nha khoa, và nội thất.
Composite sử dụng trong chế tạo bồn lọc cho các hệ thống xử lý nước.
Xem thêm:
COMMENTS