Bài giảng Kỹ thuật vật liệu Compozit

Kü THUËT VËT LIÖU COMPOZIT

TS. §oµn ThÞ Thu Loan

Khoa Ho¸ - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt - §¹i häc §µ N½ng

1

Tai liãu tham khao

1. Trán Êch Thënh, “Vát liãu compozit”, nha xuát ban giao duc, 1994

2. Ronald F. Gibson, “Principles of composite material mechanics”,

Wayne State University Detroit, Michigan, 1994

3. S. T. Peters, “Handbook of composites”, Process Research, Mountain

View, Calfornia, USA, second edition 1998.

4. Nicholas P. Cheremisinoff and Paul N. Cheremisinoff, “Fibreglass

reinforced plastics”, Published in the United States of America by Noyes

Publications Mill Road, Park Ridge, New Jersey 07656, 1995

5. Doan Thi Thu Loan, Doctor thesis “Investigation on jute fibres and

their composites based on polypropylene and epoxy matrices”,

Technischen Universitaet Dresden (TU Dresden), Germany, 2006

2

CHƯƠNG 1

GIíI THIÖU CHUNG

3

1.1. Kh¸i niÖm: VËt liÖu compozit lµ vËt liÖu tæ hîp (møc ®é vÜ m«) cña hai

hay nhiÒu vËt liÖu (VL) thµnh phÇn nh»m t¹o ra VL míi cã tÝnh chÊt tréi

h¬n tÝnh chÊt cña tõng VL thµnh phÇn.

Tæ hîp c¸c tÝnh chÊt

= GRP

(bÒn vµ kh¸ng ho¸ chÊt)

+ Nhùa polyeste

(kh¸ng ho¸ chÊt)

Sîi thuû tinh

(bÒn)

T¹o tÝnh chÊt míi

Sîi thuû tinh + Nhùa polyeste = GRP

(gißn)

(dÎo dai - tough)

*GRP: Glass Reinforced Plastic

4

VD1: Gç (xenlulo/lignin), x−¬ng(collagen/protein+muèi canxi phèt ph¸t),..

VD2: V¸n Ðp, g¹ch ®én trÊu hoÆc sîi thùc vËt,…

VD3: Compozit nhùa (UPE, epoxy,…) vµ sîi thuû tinh,sîi cacbon,…

Hîp kim

Cã phꢀi lµ vËt liÖu compozit?

Hçn hîp polyme

5

1.2. Thµnh phÇn cña VL compozit:

VËt liÖu compozit

VËt liÖu nÒn + VËt liÖu gia c−êng

Polyme

Kim loꢁi

Ceramic

Sîi cacbon

Sîi thuû tinh

Sîi Aramic (VD: Kevlar)

Sîi, hꢁt kim lo¹i (VD: Ti, Al)

VL gia c−êng

VL nÒn

VL compozit gåm mét hay nhiÒu pha gi¸n ®o¹n (VL gia

c−êng) ph©n bè trong pha liªn tôc (VL nÒn)

6

*Vai trß cña c¸c vËt liÖu thµnh phÇn

VËt liÖu nÒn

VËt liÖu gia c−êng

-Liªn kÕt VL nÒn

-§ãng vai trß lµ c¸c ®iÓm chÞu

øng suÊt tËp trung

-ChuyÓn øng suÊt sang ®én khi cã

ngo¹i lùc t¸c dông lªn VL.

-Th−êng cã tÝnh chÊt c¬ lý ho¸

cao h¬n VL nÒn.

-B¶o vÖ sîi khái bÞ h− háng do tÊn c«ng

cña m«i tr−êng

-Ngoµi ra cßn ®ãng gãp mét vµi tÝnh

chÊt cÇn thiÕt nh−: tÝnh c¸ch ®iÖn, ®é

dÎo dai,..

7

1.3. C¬ chÕ gia c−êng cña vËt liÖu compozit

C¬ chÕ gia c−êng: d−íi t¸c dông cña ngo¹i lùc, vËt liÖu gia c−êng (VLGC) sÏ

lµ nh÷ng ®iÓm chÞu øng suÊt tËp trung do m¹ng nhùa truyÒn sang

-VLGC d¹ng sîi truyÒn t¶i øng suÊt tèt h¬n VLGC d¹ng h¹t, do øng suÊt t¹i mét

®iÓm bÊt kú trªn sîi ®−îc ph©n bè ®Òu trªn toµn bé chiÒu dµi, do ®ã t¹i mçi ®iÓm

sÏ chÞu øng suÊt nhá h¬n nhiÒu so víi VLGC d¹ng h¹t d−íi t¸c dông ngo¹i lùc

nh− nhau.

-Khꢀ nꢂng truyꢃn tꢀi trꢄng tꢅ VL nÒn sang VL gia c−êng phꢆ thuéc: VL nꢃn, VL

gia cưꢇng, kÕt dÝnh t¹i bÒ mÆt tiÕp xóc cña VL nꢃn vµ VL gia cưꢇng.

8

Lý thuyÕt kÕt dÝnh t¹i bÒ mÆt tiÕp xóc VL gia c−êng/VL nÒn

KÕt dÝnh t¹i bÒ mÆt tiÕp xóc cña VL

Vïng tiÕp xóc

nÒn vµ VL gia c−êng ®−îc h×nh

VL gia c−êng/VL nÒn

thµnh trªn cë së:

+ Lùc hÊp thô vµ thÊm −ít

VL gia c−êng

+ Lùc tÜnh ®iÖn

+ Lùc t−¬ng t¸c c¬ häc

VL nÒn

+ Lùc liªn kÕt ho¸ häc

•Vïng tiÕp xóc rÊt nhá (bÒ mÆt tiÕp xóc pha) ®ãng vai trß quan träng

trong quyÕt ®Þnh tÝnh chÊt c¬, lý cña VL compozit

9

1.4. Ph©n lo¹i:

1.4.1. Ph©n lo¹i theo h×nh d¹ng vËt liÖu gia c−êng: gåm compozit cèt sîi

vµ compozit cèt h¹t.

* Compozit cèt sîi: lµ compozit ®−îc gia c−êng bëi sîi, nã cã ®é bÒn riªng

vµ modun ®µn håi cao. VD: Compozit sîi thuû tinh, cacbon, xenlulo…

Sîi liªn tôc (sîi dµi, v¶i…): tØ lÖ chiÒu dµi / ®−êng kÝnh (l/d)

Compozit

cèt sîi

rÊt cao, d =3-200 µm

Sîi gi¸n ®o¹n (sîi ng¾n, vôn…): 5 < l/d < 1000, d = 0,02-100

µm

Fibre aspect ratio: L/D

10

Sîi ng¾n s¾p

xÕp hçn ®én

Sîi ng¾n

®Þnh h−íng

Sîi dµi ®¬n

h−íng

Sîi dµi ë

d¹ng líp

Mꢈt sꢉ loꢁi compozit cèt sîi

* Compozit cèt h¹t: lµ compozit ®−îc gia c−êng bëi c¸c h¹t víi c¸c d¹ng vµ

cì kÝch kh¸c nhau. VD: Bª t«ng, gç Ðp…

Mét sè cèt h¹t nh−: v¶y mica, h¹t cao lanh, CaCO₃, bét hoÆc v¶y s¾t, ®ång,

nh«m., bꢈt gꢊ,...

11

H¹t

V¶y, m¶nh

Compozit cꢉt h¹t

Môc ®Ých dïng h¹t lµm VL gia c−êng trong compozit:

-§−îc dïng trong nh÷ng øng dông yªu cÇu vÒ ®é bÒn kh«ng cao th−êng ®−îc

sö dông ®Ó lµm gi¶m gi¸ thµnh sꢀn phÈm.

-Trong mét sè tr−êng hîp h¹t ®−îc dïng ®Ó cꢀi thiÖn mét sè tÝnh chÊt cña VL

compozit nh−: tꢂng khꢀ nꢂng chÞu nhiÖt, chÞu mµi mßn, giꢀm co ngãt…

12

-Kh¾c phôc mét sè khã kh¨n khi gia c«ng

1.4.2. Ph©n lo¹i theo b¶n chÊt VL nÒn

Compozit nÒn h÷u c¬ (nhùa): víi VL gia c−êng d¹ng

-Sîi h÷u c¬: sîi polyamit, Kevlar, xenlulo…

-Sîi kho¸ng: sîi thuû tinh, cacbon, basalt…

-Sîi kim lo¹i: sîi bo, nh«m…

Compozit nÒn kim lo¹i (hîp kim nh«m, hîp kim titan..) víi VL gia

c−êng d¹ng:

-Sîi kim lo¹i: bo…

-Sîi kho¸ng: sîi cacbon…

Compozit nÒn gèm: víi VL gia c−êng d¹ng:

-Sîi kim lo¹i: bo,…

* Kh¶ n¨ng chÞu nhiÖt cña VL compozit

-nÒn h÷u c¬: ®Õn kho¶ng 300⁰C

-H¹t kim lo¹i: chÊt gèm kim….

-nÒn kim lo¹i: ®Õn 600⁰C

13

-nÒn gèm: trªn 1000⁰C

1.5. TÝnh chÊt chung cña vËt liÖu compozit

-Khèi l−îng riªng bÐ do vËy tÝnh n¨ng c¬ lý riªng cao h¬n thÐp vµ c¸c VL

truyÒn thèng kh¸c (thuꢋ tinh, gꢉm sꢌ, gꢊ,.. ) rÊt nhiÒu

-Gi¸ thµnh kh«ng cao

-ChÞu m«i tr−êng, kh¸ng ho¸ chÊt cao, kh«ng tèn kÐm trong b¶o qu¶n vµ

chèng ¨n mßn, kh«ng cÇn s¬n b¶o qu¶n nh− VL kim lo¹i, gç…

-C¸ch ®IÖn c¸ch nhiÖt tèt

-Gia c«ng chÕ t¹o ®¬n gi¶n, nhanh, ®a d¹ng, dÔ t¹o h×nh, thay ®æi vµ söa ch÷a

-Chi phÝ ®Çu t− thiÕt bÞ gia c«ng thÊp

14

*C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn tÝnh n¨ng gia c−êng

-B¶n chÊt VL cèt

Sîi

-B¶n chÊt VL nÒn

- §é bÒn liªn kÕt ë bÒ mÆt tiÕp xóc pha

-TØ lÖ VL gia c−êng/VL nÒn trong compozit

-H×nh d¹ng, kÝch th−íc cña VL gia c−êng

Compozit

Nhùa

BiÕn d¹ng

(nÕu lµ sîi)

15

Khèi l−îng riªng (Density) cña mét vµi vËt liÖu cÊu tróc phæ biÕn

16

§é bÒn kÐo riªng (Specific Tensil Strength) cña mét vµi

vËt liÖu cÊu tróc phæ biÕn

17

M« ®un kÐo riªng (Specific Tensile Modulus) cña

mét vµi vËt liÖu cÊu tróc phæ biÕn

18

1.6. Ứng dông của vật liệu compozit

- Giao th«ng vËn tꢀi: vá cano, tµu thuyÒn, xe h¬i, cabin,…

- VL ®iÖn: tÊm c¸ch ®iÖn, vá c¸c thiÕt bÞ ®iÖn, m¸y biÕn thÕ,…

- ꢎå ch¬i

-VL compozit cao cÊp: dïng trong hµng kh«ng, vò trô, dông cô thÓ thao cao

cÊp…

Compozit lµ vËt liÖu cña ngµy mai, nã ®ang thay thÕ dÇn c¸c VL

19

truyÒn thèng: kim lo¹i, gç, sø,..

Ứng dông của vật liệu compozit

C¸c bé phËn lµm b»ng compozit trong m¸y bay Airbus A 380

20

Bài giảng Kỹ thuật vật liệu Compozit - Đoàn Thị Thu Lan