Vật liệu composite là gì? đặc điểm cấu tạo và phân loại

Hiện nay trên thị trường Việt Nam vật liệu composite đang ngày càng trở  nên phổ biến và được sử dụng rộng rãi hơn so với các sản phẩm như: bồn cầu composite FRP, hầm biogas, bồn chứa axit đạm đặc… Vậy vật liệu composite là gì và vì sao loại vật liệu này lại được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi đến như vậy.

Giới thiệu về thành phần cấu tạo và lịch sử hình thành 

Giới thiệu

Vật liệu composite, hay người ta thưởng gọi là vật liệu tổng hợp, vật liệu composite, với công thức tạo ra vật liệu là tổng hợp từ nhiều vật liệu khác nhau để tạo nên một loại vật liệu mới, với tính vượt trội hơn hẳn so với những vật liệu cũ, khi nà vật liệu cũ làm việc riêng rẽ đồng thời do liên kết mà tạo thêm nhiều những tính năng tốt hơn.

Lịch sử nghiên cứu 

Như người ta ước tính khoảng thời gian tạo ra vật liệu tổng hợp được phát minh từ rất lâu, khoảng 4000 đến 5000 năm trước công nguyên, với những vật liệu tổng hợp đơn giản, thời sơ khai đã được con người trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi tạo ra gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng ngoài trời. Nhưng thành công nhất  vẫn là vật liệu composite, vật liệucomposite đã được chứng minh đã xuất hiện từ rất lâu đời đây là hợp chất dùng để ướp xác của người ai cập cổ. Ngoài ra, trước khi loài người phát hiện hay đơn giản tạo ra những vật liệu tổng hợp composite, thì mẹ thiên nhiên diệu kỳ cũng đã tạo ra một loại vật liệu mang tên vật liệu tổng hợp composite, ví dụ là thân cây gỗ có cấu trúc composite, với những sợi xenlulo dài được kết nối với nhau dưới tác động của licnin, nhờ sự kết nối này giúp thân cây vừa bền vững dẻo dai, trở thành công cụ, nguyên liệu để con người sử dụng trong đời sống hàng ngày như dựng nhà, làm bàn ghế, tủ với thời gian sử dụng rất lâu và bền

Đây có lẽ là cấu trúc lý tưởng về vật liệu tổng hợp composite, sự tự nhiên của thiên nhiên đã giúp con người tạo ra được những vật liệu thật tuyệt vời để sử dụng hiện nay, hàng loạt những chứng minh có thể khẳng định vật liệu composite được tạo ra, phát minh rất nhiều lần không chỉ trên thế giới mà còn có ở Việt Nam chúng ta cũng xuất hiện. Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu về việc người Hy Lạp cổ đại đã biết cách sử dụng mật ong trộn với đất, đá, cát, sỏi để làm vật liệu xây dựng, nhưng để xây dựng được một ngôi nhà lớn, chắc chắn và bền vững, thì số lượng mật ong bỏ ra không phải là một con số nhỏ, vì thế khá là tốn kém. Rời Hy Lạp quy trở về với Việt Nam chúng ta, từ rất lâu ông cha chúng ta đã truyền lại cho con cháu cách làm nhà bằng cách trộn bùn lẫn với rơm băm nhỏ để trát lên các vách tường, vách nhà, sau khi khô hỗn hợp trên sẽ tạo ra một loại vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm áp vào mùa đông, đây là phát minh sáng tạo mà lại không tốn kém, vì Việt Nam chúng ta là quốc gia ngông nghiệp, chủ yếu sống bằng nghề làm ruộng, chồng lúa, lại có thêm nhiều sông ngòi ao hồ nên phù sa cùng với bùn là không thiếu

Vật liệu composite được hình thành từ rất sớm, nhưng cái tên khoa học vật liệu tổng hợp, vật liệu composite lại chỉ mới được hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở mỹ từ năm 1950. Và dưới nền cơ sở hình thành đó, khoa học công nghệ vật liệu composite đã tiếp tục phát triển trên toàn thế giới, còn được hình thành với tên gọi ” vật liệu mới ” hay là ” vật liệu composite “

Cấu tạo của Vật Liệu Composite

Nhiều chuyên gia đã cho biết , để tạo nên được sản phẩm vật liệu composite, người ta cần  tổng hợp một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất.  Tìm hiểu về pha, chúng tôi biết được rằng, pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu tổng hợp, mỗi pha liên tục được gọi là vật liệu nền( matrix) , với nhiệm vụ chính là liên kết các pha gián đoạn, và mỗi pha gián đoạn với cốt và vật liệu tăng cường ( reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, đặc biệt là tính kết dính, chống mòn, chống xước,… những tính năng vượt trội thực sự cần thiết trong quá trình làm việc, sử dụng các vật liệu, sản phẩm.

Thành phần cốt lõi 

Được coi là vật liệu quan trọng trong cấu trúc của vật liệu composite, vật liệu cốt hay là vật liệu gia cường, đúng như tên gọi của nó giúp cho vật liệu composite có được những đặc tính cơ học cần thiết, với hai loại cơ bản là dạng cốt sợi ( ngắn hay dài), và dạng cốt hạt.

Ngoài ra bên trong cấu trúc của vật liệu  composite còn gồm các sợi khoáng chất gồm: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm và nhóm sợi tổng hợp ổn định nhiệt như các sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil. Và thậm chí  những sợi ít phổ biến hơn nhưng cũng có tác dụng rất lớn trong việc tạo nên một cấu trúc hoàn chính của vật liệu composite như: : sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa,…; sợi gốc khoáng chất: sợi Amiăng, sợi Silic,…; sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron, térylène,..), sợi polyamit,…; sợi kim loại: thép, đồng, nhôm,… Cùng nhau tìm hiểu về thông tin chi tiết về các sợi chủ yếu trong cấu trúc tạo nên vật liệu composite, để hiểu rõ rằng tại sao các loại sơi liên kết với nhau một cách chặt chẽ và hoàn hảo tới như vậy.

+ Sợi thủy tinh: Những thông tin nhận được về loại sợi thủy tinh đây là loại sợi được tạo ra từ quá trình kéo từ các loại thủy tinh kéo sợi được ( chủ yếu là loại thủy tinh dệt ) đây là loại sợi thủy tinh có đường kính nhỏ chỉ vài chục micro mét, với quá trình kéo sợi, thủy tinh mất đi những nhược điểm còn tồn tại của thủy tinh khối, được kể đến như: giòn, dễ nứt gãy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn. Có thể khẳng định những tính năng của sợi thủy tinh là nhờ vào các khoáng chất như: silic, nhôm, magiê,… và tổng hợp những khoáng chất để tạo nên những loại sợi thủy tinh khác nhau, bao gồm: 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). Đặc biệt là 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 bazan

+ Các loại sợi hữu cơ phổ biến: được hình thành từ hợp chất hữu cơ, sợi kenvlar, cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, dưới sự gia công bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp ( -10 độ C), sau đó được kéo thành các sợi nhỏ trong dung dịch, và kết thúc quá trình xử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi. Trên thị trường hiện nay, giá thành của các sợi Kenvlar, hay những sợi được tạo nên từ nguyên lý từ các chất hữu cơ như Twaron, Technora,… có giá thành thấp hơn so với sợi thủy tinh, nhưng thường tính năng của sợi từ các chất hữu cơ này lại không cao như sợi thủy tinh, có thể thấy, các loại sợi Aramit có độ bền nén, uốn thấp và dễ biến dạng cắt giữa các lớp.

+ Sợi Carbon: chính là sợi grphit ( than chì) với cấu trúc bề mặt tạo thành các lớp liên liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3.35 A độ. Như chúng ta đã biết, các phân tử các phân tử Carbon, được tạo thành từ những nguyên tử carbon, mà các nguyên tử lại liên kết với nhau rất chặt chẽ, trong một mặt phẳng, tạo thành mạng tinh thể lục lăng, với khoảng cách giữa cách  giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1.42 A độ,chính vì sự liên kết mà độ bền cũng như độ đàn hồi của sợi carbon rất cao, đây được coi là cấu trúc bền vững mạnh. Đánh giá về tính năng của sợi carbon, là loại sợi có cơ tính cao, lại gần tương đương với sợi thủy tinh, và khả năng chịu nhiệt rất tốt giúp chúng trở thành một sợi quan trọng trong quá trình tổng hợp vật liệu composite.

+ Sợi Bor: còn được gọi với tên Bore ( ký hiệu là B- trong hóa học), là một dang sợi gốm được tạo thành nhờ phương pháp kết tủa. Sau quá trình kết tủa, chúng ta sẽ nhận được một thành phẩm với nhiều hình dạng khác nhau: như sợi dài, gồm nhiều sợi nhỏ, song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống, vài đồng phương.
+ Sợi Cacbua Silic ( với công thức hóa học SiC): cũng được hình thành từ quá trình kết tủa, và là một loại sợi gốm thu.

+ Sợi kim loại

+ Sợi ngăn và các hạt phân tán

+ Cốt vải: Là tấm được hình thành tổng hợp ở bề mặt, từ các vật liệu cốt sợi được hình thành khi thực hiện công nghệ dệt. Với những kỹ thuật dệt khác nhau có thể tạo ra được cốt vải khác nhau, từ những kiểu dệt vải truyền thống thường dùng như kiểu dệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải mô đun cao, kiểu dệt đồng phương đến những kiểu dệt, lỹ thuật dệt đa phương, kể đến: bện, tết và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phương. Tìm hiểu các kiểu dệt, mới hiểu được kỹ cách tạo nên cốt vải, kiểu dệt được hình thành từ quá trình đan sợi, hay là kiểu chéo sợi.

+ Vật liệu nền: đây được coi là vật liệu có tính quyết đến sự liên kết trong cấu trúc của vật liệu composite, được đảm nhận vai trò là thành phần cốt của vật liệu tổng hợp, liên kết với nhau tạo nên tính nguyên khối, và thống nhất, nhất quán trong cấu trúc composite. Người thiết kể thường sử dụng một số loại vật liệu nền điển hình, không thể bỏ qua với loại: nền hữu cơ ( nền nhựa), nền kim loại, nền khoáng, và nền gốm.

+ Chất liệu nền polyme nhiệt rắn

+ Nhựa polyester và nhóm nhựa cô đặc: nhựa phenol, nhựa furan, nhựa amin, nhựa epoxy. Nhựa epoxy là loại nhựa được ưu tiên sử dụng, phổ biến (sau polyeste không no) trong công nghiệp composite. Nguyên nhân chính cho việc nên sử dụng nhiều nhựa epoxy là loại nhựa có đặc tính cơ học cao, vì thế khi sử dụng để tạo vật liệu tổng hợp composite, giúp vật liệu có độ bền cao hơn, đặc biệt thích hợp dùng trong việc chế tạo máy bay, tàu vũ trụ, tên lửa,… với những đặc tính ưu việt như kéo, uốn, nén, va đập và từ biến, hơn polyeste,… nên trong khoa học, hay trong ngành sản xuất vẫn ưu tiên sử dụng nhựa epoxy.
+ Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo: với nền của vật liệu là nhựa nhiệt dẻo là : PVC, nhựa polyetylen, nhựa polypropylen, nhựa polyamit,…

+ Chất liệu nền carbon

+ Chất liệu nền kim loại: Vật liệu nền tổng hợp kim loại có modun đàn hồi rất cao, có thể lên tới 110 GPa, vì thế mà chất gia cường cũng có modun cao, vì thế mà sử dụng hầu hết các loại kim loại như nhôm, niken, đồng.

+ Phân loại vật liệu composite

– Vật liệu tổng hợp polyme

– Vật liệu tổng hợp cacbon

– Vật liệu tổng hợp gốm

– Vật liệu tổng hợp kim loại

– Vật liệu tổng hợp tạp lai

– Gỗ tổng hợp

Các loại vật liệu composite

theo bản chất vật liệu nền và cốt hình thành vật liệu camposite có: 

1. Vật liệu composite nền hữu cơ

Đây là loại composite nền trắng, hay các composite nền nhựa, nền nhựa đường, nền cao su, sợi khoáng, sợi kim loại, sau khi thành sản phẩm composite để chế tạo thành các sản phẩm khác nhau, thì tính chịu nhiệt tối đa của sản phẩm có thể lên tới 200 đến 300 độ C

2. Tổng hợp nền khoáng chất

Sản phẩm mà chúng ta có thể nhìn thấy từ việc sử dụng nền khoáng chất tạo vật liệu composite là bê tông, bê tông cốt thép, composite nền gốm… composite carbon – carbon, và thường sử dụng kết hợp với cốt dạng là sợi kim loại (Bo, thép,…), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua, gốm Nitơ…).

3. Tổng hợp nền kim loại

Lấy các nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm… Kết hợp với những cốt liệu chủ yếu sợi kim loại ( BO…) và các sợi khoáng

+ Tổng hợp nền kim loại và khoáng chất có thể chịu được nhiệt tối đa là khoảng 600 đến 1000 độ C ( nếu loại composite nào sử dụng vật liệu nền là gốm thì nhiệt độ luôn đạt tới 1000 độ C).

+ Theo hình dạng cốt liệu:

Vật liệu tổng hợp cốt sợi

Sợi là vật liệu có một chiều kích thước ( chiều dài), lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước không gian còn lại, với hai chiều kia được phân bố gián đoạn trong vật liệu composite, còn chiều dài thì được sử dụng ở dạng liên tục hay gián đoạn tùy từng trường hợp. Vật liệu cốt sợi là vật liệu quan trọng nhất, thường được gắn liền với composite trong tên gọi, với những sản phẩm composite dân dụng, thường chủ yếu sử dụng vật liệu sợi để chế tạo vật liệu composite cốt sợi, và kết hợp với nền nhựa.

Vật liệu tổng hợp cốt hạt

Cũng như tên gọi của hạt, khác với vật liệu sợi, thường thì không có kích thước ưu tiên, bởi bản chất của hạt là rất nhỏ bé, với những loại vật liệu composite, hạt phổ biến nhất trên thị trường là bê tông,  và thường được gọi với cái tên là bê tông, nên chúng ta thường thấy phố biến là vật liệu composite cốt sợi.

Vật liệu tổng hợp cốt hạt và sợi

Bê tông được coi là một loại tổng hợp, với nền khoáng chất được sử dụng chủ yếu, bê tông khi kết hợp với cốt thép, được tạo nên bê tông cốt thép, và có tính chất vượt trội hơn so với bê tông, với việc sử dụng đá nhân tạo, tạo từ xi măng là vật liệu nền, các cốt liệu bê tông là cát vàng, và đá dăm, thì là cốt hạt, còn cốt thép bên trong là cốt sợi

Công nghệ chế tạo

– Công nghệ không tiếp xúc

+ Lăn tay

+ Phun

+ Lăn máy

– Công nghệ khuôn với diaphragm

+ Khuân chân không

+ khuân chân không- autoclave

+ Khuân ép diaphragm

– Công nghệ tẩm áp lực

+ Tẩm áp lực trong điều kiện thường

+ Tẩm áp lực trong chân không

– Công nghệ dập trong khuân

+ Dập trực tiếp

+ Dập đúc

+ Dập ép nóng

– Công nghệ quấn

+ Các phương pháp công nghệ

+ Máy quấn

Công nghệ pulltrusion :  theo công nghệ được tiến hành liên tục, tự động, để tạo thành một sản phẩm dạng Profile ( thanh chữ U, chữ I), với tính chất hóa học, vật lý cao, với những tính năng tốt, có thể thay thế vật liệu truyền thống như sắt, thép, nhôm, gỗ, trong nhiều ứng dụng, hơn nữa với thời gian sử dụng lâu dài, thường tỷ lệ phế liệu thấp,  khả năng lựa chọn cái loại nhựa, vật liệu gia cường cũng như cường độ lao động , với thành khuôn cố thể điều chỉnh trong khoảng rộng.

Ưu và nhược điểm 

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 được thời tiết, chống lão hóa cao, cách điện, cách nhiệt tốt

+ Khả năng kháng hóa chất và kháng ăn mòn cao, không gây tốn kém trong trong thời gian bảo quản, không cần phải phun 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 chi phí bảo dưỡng thấp.

+ Tuổi thọ sử dụng cao (thời gian sử dụng dài hơn kim loại, gỗ khoảng 2-3 lần).

+ Với hàng loạt những ưu điểm, đã thể hiện rõ những tính năng vượt trội tuyệt vời, khác hẳn với những vật liệu khi sử dụng riêng, chính vì thế vật liệu composite được sử dụng trong việc sản xuất rất nhiều sản phầm như bồn chứa các dụng dịch hóa chất hay các loại dụng môi có tính ăn mòn cao.

Nhược điểm của vật liệu composite

Khó tái chế, tái sử dụng khi hư hỏng hoặc là phế phẩm trong quá trình sản xuất, vì thế sử dụng với số lượng quá lớn tạo ra một nguồn phế phẩm lớn ra môi trường, có thể gây ôi nhiễm môi trường nhanh chóng.

+ 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 bị phụ thuộc nhiều vào trình độ của công nhân, với nhiều quốc gia cần sử dụng nhiều đến nguồn lao động trẻ, phổ thông.

Ứng dụng của vật liệu Camposite

+ Vỏ động cơ tên lửa

+ Vỏ tên lửa, máy bay, tàu vũ trụ

+ Bình chịu áp lực cao

+ Ống dẫn xăng dầu composite  cao cấp 3 lớp

+ Ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn composite

+ Ôngs dẫn nước thải, dẫn hóa chất composite

+ Ống thủy nông, ống dẫn nước nguồn qua vùng nước ngâm mặn, nhiễm phèn

+ Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa, mặt bàn ghếtrang trí nội thất

+ Hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng

+ Hệ thống sử dụng 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

+ Lốp xe ô tô, xe máy, xe đạp

+ Vỏ tàu thuyền composite

+ Thùng rác dông cọng

+ Mô hình đồ chơi trẻ em

+ Vật liệu cải tạo nhà