Vật Liệu Composite: Ưu Điểm, Ứng Dụng & Cấu Tạo Chi Tiết A-Z

Vật liệu composite ngày càng chứng tỏ vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ bồn composite FRP, hầm biogas đến bồn chứa axit đậm đặc. Vậy, vật liệu composite là gì và điều gì khiến nó được ưa chuộng đến vậy?

Vật Liệu Composite: Định Nghĩa và Thành Phần

Composite, còn được gọi là vật liệu tổng hợp hoặc vật liệu compozit, là sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau để tạo ra một vật liệu mới, ưu việt và bền hơn so với các vật liệu ban đầu. Vật liệu composite bao gồm hai thành phần chính: vật liệu nền (matrix) và vật liệu cốt (reinforcement).

• Vật liệu nền: Đảm bảo liên kết các cốt lại với nhau, tạo tính nguyên khối và liên tục cho vật liệu. Vật liệu nền giúp composite có độ bền nhiệt, bền hóa và khả năng chịu đựng khi vật liệu có khuyết tật. Vật liệu nền có thể là polyme, kim loại, hợp kim, gốm hoặc carbon.
• Vật liệu cốt: Đảm bảo cho composite có các mô đun đàn hồi và độ bền cơ học cao. Vật liệu cốt có thể là các hạt ngắn, bột hoặc các sợi như sợi thủy tinh, sợi polyme, sợi gốm, sợi kim loại và sợi carbon.

Lịch Sử Hình Thành và Phát Triển

Vật liệu composite có lịch sử phát triển lâu đời, từ những ứng dụng sơ khai cách đây khoảng 5000 năm trước Công nguyên. Người xưa đã biết trộn đá nhỏ vào đất để làm gạch, tránh cong vênh khi phơi nắng. Một ví dụ nổi tiếng khác là hợp chất ướp xác của người Ai Cập cổ đại.

Thiên nhiên cũng tạo ra vật liệu composite, ví dụ như thân cây gỗ. Cấu trúc composite của gỗ bao gồm các sợi xenlulo dài liên kết với nhau nhờ lignin, tạo nên vật liệu vừa bền vừa dẻo.

Vật liệu composite hiện đại, với tên gọi khoa học, bắt đầu phát triển mạnh mẽ từ những năm 1950 trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ và sau đó lan rộng ra toàn thế giới.

Ưu Điểm Vượt Trội của Vật Liệu Composite

Ưu điểm lớn nhất của composite là khả năng tùy biến cấu trúc hình học, sự phân bố và thành phần vật liệu để tạo ra vật liệu có độ bền theo yêu cầu. Composite đáp ứng được nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại, ví dụ như vật liệu nhẹ, chịu được nhiệt độ lên đến 3000°C.

Dưới đây là tổng hợp các ưu điểm của vật liệu composite:

• Khối lượng riêng nhỏ, độ bền cơ học cao, độ cứng vững và uốn kéo tốt.
• Khả năng chịu đựng thời tiết, chống lão hóa, chống tia UV cao, cách điện và cách nhiệt tốt.
• Khả năng kháng hóa chất và kháng ăn mòn cao, không tốn kém trong bảo quản, không cần sơn phủ chống ăn mòn.
• Gia công và chế tạo đơn giản, dễ tạo hình, tạo màu, thay đổi và sửa chữa, chi phí đầu tư trang thiết bị sản xuất và bảo dưỡng thấp.
• Tuổi thọ sử dụng cao, dài hơn kim loại hoặc gỗ khoảng 2-3 lần.

Nhược Điểm Cần Lưu Ý

Bên cạnh những ưu điểm, vật liệu composite cũng có một số nhược điểm:

• Khó tái chế, tái sử dụng khi hư hỏng hoặc là phế phẩm trong quá trình sản xuất.
• Giá thành nguyên liệu thô tương đối cao, phương pháp gia công tốn thời gian.
• Phức tạp trong phân tích cơ, lý, hóa tính của mẫu vật.
• Chất lượng vật liệu phụ thuộc nhiều vào trình độ của công nhân.

Ứng Dụng Đa Dạng trong Đời Sống và Sản Xuất

Vật liệu composite được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để tạo ra các sản phẩm phục vụ đời sống và sản xuất, khắc phục nhược điểm của các vật liệu khác, góp phần nâng cao hiệu suất, hiệu quả và chất lượng công việc:

• Công nghiệp hàng không vũ trụ: Vỏ động cơ tên lửa, vỏ tên lửa, máy bay, tàu vũ trụ.
• Công nghiệp hóa chất: Bình chịu áp lực cao, ống dẫn xăng dầu composite cao cấp 3 lớp, ống dẫn nước thải, dẫn hóa chất.
• Xây dựng: Ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn composite, hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng, vật liệu sửa chữa, nâng cấp công trình dân dụng và công nghiệp (sợi carbon, sợi thủy tinh gia cố cầu cảng, tấm bọc cọc pilejax).
• Giao thông vận tải: Lốp xe ô tô, xe máy, xe đạp, vỏ tàu thuyền composite.
• Đời sống: Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất, tấm panel composite, thùng rác công cộng, mô hình đồ chơi trẻ em.
• Công nghiệp điện: Hệ thống sứ cách điện, sứ polymer, sứ cilicon, sứ epoxy các loại sứ chuỗi, sứ đỡ, sứ cầu giao, sứ trong các bộ thiết bị điện, chống sét, cầu chì.

Cấu Tạo Chi Tiết Của Vật Liệu Composite

Để tạo nên vật liệu composite, người ta cần tổng hợp một hoặc nhiều pha gián đoạn phân bố trong một pha liên tục duy nhất.

• Pha: Vật liệu thành phần trong cấu trúc composite.
• Vật liệu nền (matrix): Pha liên tục, liên kết các pha gián đoạn.
• Vật liệu cốt (reinforcement): Pha gián đoạn, tăng cơ tính, đặc biệt là tính kết dính, chống mòn, chống xước.

Thành phần cốt lõi: Vật liệu cốt

Vật liệu cốt, hay vật liệu gia cường, giúp composite có được những đặc tính cơ học cần thiết. Có hai loại cốt cơ bản:

• Cốt sợi: Sợi ngắn hoặc dài.
• Cốt hạt.

Vật liệu composite còn chứa các sợi khoáng chất (sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm), sợi tổng hợp ổn định nhiệt (Kermel, Nomex, Kynol, Apyeil), sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulôzơ: giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa), sợi gốc khoáng chất (sợi Amiăng, sợi Silic), sợi nhựa tổng hợp (polyester, polyamit) và sợi kim loại (thép, đồng, nhôm).

Các loại sợi chủ yếu:

• Sợi thủy tinh: Tạo ra từ quá trình kéo sợi thủy tinh dệt (chủ yếu là loại thủy tinh dệt). Đường kính nhỏ (vài chục micromet). Tính năng nhờ khoáng chất như silic, nhôm, magiê. Các loại sợi thủy tinh: E (dẫn điện tốt), D (cách điện tốt), A (hàm lượng kiềm cao), C (độ bền hóa cao), R và S (độ bền cơ học cao).
• Sợi Bazan
• Sợi hữu cơ phổ biến: Hình thành từ hợp chất hữu cơ, sợi kenvlar, cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, gia công bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10 độ C), sau đó kéo thành các sợi nhỏ trong dung dịch và xử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi.
• Sợi Carbon: Sợi graphit (than chì), cấu trúc bề mặt tạo thành các lớp liên kết với nhau, cách nhau khoảng 3.35 A độ. Các phân tử carbon liên kết chặt chẽ trong một mặt phẳng, tạo thành mạng tinh thể lục lăng. Độ bền và độ đàn hồi cao, khả năng chịu nhiệt tốt.
• Sợi Bor: Tạo thành nhờ phương pháp kết tủa.
• Sợi Cacbua Silic (SiC): Tạo thành từ quá trình kết tủa, sợi gốm.
• Sợi kim loại
• Sợi ngắn và các hạt phân tán
• Cốt vải: Tấm hình thành tổ hợp ở bề mặt, từ các vật liệu cốt sợi được hình thành khi thực hiện công nghệ dệt.

Vật liệu nền:

Quyết định đến sự liên kết trong cấu trúc composite, thành phần cốt của vật liệu tổng hợp, liên kết tạo nên tính nguyên khối, tính thống nhất.

• Nền hữu cơ (nền nhựa).
• Nền kim loại.
• Nền khoáng.
• Nền gốm.

Chất liệu nền polyme:

• Nhiệt rắn: Nhựa polyester, phenol, furan, amin, epoxy. Nhựa epoxy được ưu tiên sử dụng (sau polyester không no) trong công nghiệp composite do đặc tính cơ học cao.
• Nhiệt dẻo: PVC, polyetylen, polypropylen, polyamit.
• Nền carbon.
• Nền kim loại: Modun đàn hồi rất cao (110 GPa), sử dụng nhôm, niken, đồng.

Phân Loại Vật Liệu Composite

• Vật liệu tổng hợp polyme.
• Vật liệu tổng hợp cacbon-cacbon.
• Vật liệu tổng hợp gốm.
• Vật liệu tổng hợp kim loại.
• Vật liệu tổng hợp tạp lai.
• Gỗ tổng hợp (WPC – wood plastic composite): Ép hình từ bột gỗ và nhựa, phối trộn thêm chất phụ gia (chất tạo màu, chất ổn định, chất gia cường, chất chống cháy).
• Sợi thủy tinh composite.

Theo bản chất vật liệu nền và cốt:

• Vật liệu composite nền hữu cơ: Composite nền trắng (casctong), composite nền nhựa, nền nhựa đường, nền cao su (tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xe máy).
• Vật liệu composite nền khoáng chất: Bê tông, bê tông cốt thép, composite nền gốm, composite carbon – carbon.
• Vật liệu composite nền kim loại: Nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm.

Theo hình dạng cốt liệu:

• Vật liệu tổng hợp cốt sợi: Chiều dài lớn hơn rất nhiều so với hai chiều còn lại.
• Vật liệu tổng hợp cốt hạt: Kích thước không ưu tiên.
• Vật liệu tổng hợp cốt hạt và sợi: Bê tông cốt thép (đá nhân tạo từ xi măng là nền, cát vàng, đá dăm là cốt hạt, cốt thép là cốt sợi).

Công nghệ chế tạo

• Công nghệ khuôn tiếp xúc (lăn tay, phun, lát máy).
• Công nghệ khuôn với diaphragm đàn hồi (khuôn chân không, khuôn chân không-autoclave, khuôn ép diaphragm).
• Công nghệ tẩm áp lực (tẩm áp lực trong điều kiện thường, tẩm áp lực trong chân không).
• Công nghệ dập trong khuôn (dập trực tiếp, dập đúc, dập ép nóng).
• Công nghệ quấn.
• Công nghệ pulltrusion: Tiến hành liên tục, tự động, tạo sản phẩm dạng Profile (thanh chữ U, chữ I), tính chất hóa học, vật lý cao, thay thế vật liệu truyền thống (sắt, thép, nhôm, gỗ).

Vật liệu composite – Vật liệu của tương lai?

Vật liệu composite đã được phát minh và sử dụng từ rất sớm trong lịch sử, từ việc người Hy Lạp cổ đại trộn mật ong với đất đá để xây dựng, đến việc người Việt Nam dùng bùn trộn rơm để trát vách nhà.

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, vật liệu composite ngày càng được cải tiến và ứng dụng rộng rãi hơn, khẳng định vai trò là một trong những vật liệu quan trọng của tương lai.

Nguồn: https://merakicenter.edu.vn/ Tác giả: Nguyễn Lân dũng