Tai lieu composite
Chia sẻ bởi Bùi Đức Tuân |
Ngày 23/10/2018 |
135
Chia sẻ tài liệu: tai lieu composite thuộc Bài giảng khác
Nội dung tài liệu:
1. T?ng quan v? v?t li?u
Vật liệu là những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị xây dựng, nhà cửa, các bộ phận thay thế cho các bộ phận cơ thể hoặc mang tính nghệ thuật ....
Có 3 nhóm vật liệu cơ bản:
- Vật liệu kim loại,
- Vật liệu vô cơ – ceramic
- Vật liệu hữu cơ – polymer
- Ngoài ba nhóm cơ bản trên thì có thể bổ sung thêm một nhóm quan trọng thứ tư đó là vật liệu composite
1.1 V?t li?u kim lo?i
Là tổ hợp chủ yếu của các nguyên tố kim loại.
Các tính chất điển hình của vật liệu kim loại:
- Đắt và khá đắt tiền
- Dẫn nhiệt và dẫn điện tốt
- Có ánh kim, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng, không cho ánh sáng thường đi qua
- Trừ Al ra thì các kim loại thông dụng như Fe, Cu, … đều khá nặng
1.1 V?t li?u kim lo?i
- Nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng được yêu cầu đa dạng của kỹ thuật
- Thông thường thì chúng kém bền hóa học
- Vật liệu kim loại thông dụng như: thép và gang, đồng, nhôm, niken ... và các hợp kim của chúng
1.2 V?t li?u vơ co - ceramic
Có nguồn gốc vô cơ
Thường là hợp chất giữa kim loại như Mg, Al, Si, Ti... và phi kim loại dưới dạng oxit hay muối nitric...
Vật liệu ceramic có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp
Ceramic truyền thống như thủy tinh, gốm sứ, gạch xây dựng thường hay gạch chịu lửa ...
Ngày nay vật liệu ceramic được hiểu theo nghĩa rộng hơn
1.2 V?t li?u vơ co - ceramic
Các tính chất điển hình:
Rẻ và khá rẻ tiền;
Khá nặng;
Dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện);
Cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vật liệu hữu cơ
1.3 V?t li?u h?u co - polymer
Có nguồn gốc từ hữu cơ
Các tính chất điển hình như:
Rẻ và khá rẻ tiền
Dẫn nhiệt, dẫn điện tương đối kém, giòn ở nhiệt độ thấp và có khả năng biến dạng dẻo ở nhiệt độ phòng
Dễ uốn dẻo, đặc biệt tính biến dạng càng tăng khi nhiêt độ càng cao.
Khối lượng riêng nhỏ
1.3 V?t li?u h?u co - polymer
Bền vững hóa học ở nhiệt độ phòng và trong không khí, dễ nóng chảy hoặc bị phân hủy ở nhiệt độ cao.
Hai nguyên tố chủ yếu là Cacbon và Hydro, ngoài ra còn có thể chứa thêm Nitơ, Oxi, Lưu huỳnh, Clo ...
Những vật liệu hữu cơ thiên nhiên như cao su, gỗ xenlulo, ...
Những vật liệu hữu cơ ngày nay dùng là vật liệu polyme tổng hợp.
1.4 V?t li?u Composite
Nhóm quan trọng thứ tư đó là vật liệu composite.
Đây là sản phẩm của sự kết hợp giữa hai hoặc nhiều loại vật liệu kể trên với các tính chất đặc trưng khác nhau để tạo thành một loại vật liệu với tổ hợp tính chất hoàn toàn mới mà mỗi loại vật liệu thành phần khi đứng riêng biệt thì không thể có đựơc.
1.4 V?t li?u Composite
Ví dụ:
Bê tông cốt thép: Là sự kết hợp giữa kim loại (thép) và vật liệu vô cơ (bê tông) tạo cho vật liệu kết hợp có tính chất vừa chịu được tải trọng kéo tốt (đặc trưng của thép) vừa chịu được tải trọng nén tốt (đặc trưng của bê tông).
Gỗ, tre khá cứng vững, bền, dai chính là nhờ các tính chất tương ứng của sợi xenlulô (bền, dai) được phân bố theo hướng xác định với lignin (cứng, vững) bao quanh
C�c nhĩm v?t li?u kh�c
C�c nhĩm v?t li?u kh�c
Vật liệu bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn ở nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa kim loại và ceramic (trong đó hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, hai nhóm sau cùng gần với ceramic hơn
Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu cơ hơn, với các vật liệu như: vật liệu nhớ hình, vật liệu y sinh, vật liệu nano ...
1.5 L?ch s? s? d?ng v� ph�t tri?n c?a v?t li?u
Thời kỳ sử dụng vật liệu có sẵn
Thời kỳ sử dụng và chế tạo vật liệu theo kinh nghiệm
Thời kỳ chế tạo và sử dụng vật liệu theo kiến thức khoa học
1.5.1 Th?i k? s? d?ng v?t li?u cĩ s?n
Giai đoạn đầu bắt đầu cách đây hàng ngàn năm trước công nguyên. Một số vật liệu như:
Vật liệu hữu cơ: da, gỗ, sợi thực vật ...
Vật liệu vô cơ: đất sét, đá, các khoáng vật ...
Vật liệu kim loại: vàng, bạc, đồng tự nhiên ...
Sự phát triển duy nhất là biết phơi đất sét ngoài nắng để làm gạch xây dựng của người Ai Cập, La Mã và Trung Quốc.
1.5.2 Th?i k? s? d?ng v� ch? t?o v?t li?u theo kinh nghi?m
Khoảng 6000 - 4000 năm TCN con người đã biết chế tạo các vật dụng hay vũ khí bằng đồng
Con người nhận thấy các vật dụng và vũ khí bằng sắt có tính năng tốt hơn đồng rất nhiều
Những lò luyện sắt đầu tiên xuất hiện ở Trung Quốc và Ai Cập hơn 3000 năm TCN. Một số dụng cụ bằng thép (sắt chứa cacbon) đã xuất hiện khoảng 1500 năm TCN.
1.5.2 Th?i k? s? d?ng v� ch? t?o v?t li?u theo kinh nghi?m
Sau đó khoảng hơn 1000 năm TCN người La Mã và Hy Lạp đã biết tôi thép.
Người Ấn Độ đã đúc một cột bằng sắt nặng khoảng 6.5 tấn vào thế kỷ thứ 5 sau CN
Vật liệu làm chất kết dính trong xây dựng cũng xuất hiện rất sớm khoảng 1500 năm TCN, đầu tiên chỉ dưới dạng hỗn hợp đá nghiền và vôi tôi, dùng ở Ai Cập, La Mã.
1.5.3 Th?i k? ch? t?o v� s? d?ng v?t li?u theo khoa h?c
Cuộc cách mạng KHKT vào cuối thế kỷ XIX đã thúc đẩy phát triển nhiều ngành khoa học khác nhau trong đó đặc biêt là Hóa Học và Vật Lý.
Cuối thế kỷ XIX kỹ thuật chế tạo thép quy mô lớn xuất hiện
Kỹ thuật đúc bêtông cốt thép sử dụng đầu tiên ở Mỹ vào năm 1875, và đỉnh cao đó là tháp Eiffel bằng thép cao 320m, nặng hơn 7300 tấn, hoàn thành vào năm 1889 ở Pháp.
1.5.3 Th?i k? ch? t?o v� s? d?ng v?t li?u theo khoa h?c
Những mốc giai đoạn đánh dấu sự phát triển khoa học vật liệu như:
CN chế tạo hợp kim nhôm cứng năm 1930
CN chế tạo chất dẻo polyme bằng trùng hợp năm 1940
CN chế tạo bán dẫn năm 1955
Vật liệu làm lò phản ứng hạt nhân năm 1960
CN chế tạo vật liệu composite sợi năm 1965
Hợp kim nhớ hình năm 1975 ...
1.6 Vai trị c?a v?t li?u
Vật liệu kim loại đã có vai trò quyết định trong tiến hóa của loài người. Hiện nay vật liệu kim loại vẫn còn có tầm quan trọng hàng đầu trong sản xuất cơ khí, giao thông vận tải, năng lượng, xây dựng và quốc phòng.
Chất dẻo – polymer từ giữa thế kỷ này đã trở thành nhóm vật liệu mới, hiện đang đóng vai trò ngày càng quan trọng và chiếm tỷ lệ ngày càng cao trong đời sống hàng ngày cũng như trong thiết bị, máy móc, …
1.6 Vai trị c?a v?t li?u
Vật liệu vô cơ – ceramic có lịch sử lâu đời hơn cả (thời kỳ đồ đá). Trong quá trình phát triển, vật liệu này cũng được phổ biến một cách rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
Vật liệu composite được phát triển rất mạnh trong những năm gần đây. Chắc chắn sự phát triển mạnh mẽ của loại vật liệu này sẽ tạo ra những thay đổi quan trọng trong các ngành công nghiệp đặc biệt là ngành cơ khí.
2. T?ng quan v? v?t li?u Composite
Vật liệu composite là loại vật liệu được tổ hợp ít nhất từ hai loại vật liệu khác nhau và phải có sự tương tác chặt chẽ giữa các thành phần với nhau.
Vật liệu tạo thành phải có tính năng vượt trội hơn các thành phần hợp thành.
2.1 L?ch s? ph�t tri?n c?a v?t li?u composite tr�n th? gi?i
Những vật liệu composite đơn giản đã có từ rất xa xưa.
Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng.
Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu composite từ khỏang 3000 năm trước công nguyên.
2.1 L?ch s? ph�t tri?n c?a v?t li?u composite tr�n th? gi?i
Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những năm 1930
Từ năm 1970 đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và có khi thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu composite".
2.2 L?ch s? ph�t tri?n c?a v?t li?u composite ? Vi?t Nam
Vật liệu composite bắt đầu phát triển từ 1985, trên cơ sở nhựa polyeste không no (UPE) và sợi thủy tinh để tạo một số sản phẩm như cano, ghe xuồng nhỏ mà lúc bấy giờ được xem là một loại vật liệu mới.".
Loại vật liệu bằng sợi thường bằng sợi liên tục đã đuợc triển khai tại Thành Phố Hồ Chí Minh năm 1986, trên cơ sở nhựa UPE và sợi thủy tinh.
2.2 L?ch s? ph�t tri?n c?a v?t li?u composite ? Vi?t Nam
Vật liệu composite thực sự phát triển kể từ 1995 đến nay, kể cả về số lượng và chất lượng.
Công nghệ chế tạo vật liệu composite nhanh chóng phát triển, một số cơ sở như trung tâm nghiên cứu vật liệu polymer ĐHBK TPHCM, trung tâm Khoa học kỹ thuật và Công nghệ Quốc gia… đã nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu composite rất nhiều.
2.3 T? ch?c c?a v?t li?u composite
Composite là vật liệu có tổ chức đa pha mà phổ biến nhất là chúng được tạo nên từ hai thành phần cơ bản là vật liệu nền và cốt.
Cốt: là pha gián đoạn, đóng vai trò tạo nên độ bền cao, mođun đàn hồi cao do đó bản thân cốt phải có độ bền cao, modun đàn hồi cao và phải nhẹ để có độ bền riêng cao.
CỐT
NỀN
Nền là pha liên tục, đóng vai trò chủ yếu sau:
- Liên kết tòan bộ các phần tử cốt thành khối composite đồng nhất.
- Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công composite thành các chi tiết theo thiết kế.
- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng cơ học và hóa học của môi trường
Liên kết giữa nền và cốt
Vai trò các vật liệu thành phần
2.4 Ph�n lo?i
Composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần.
Theo hình dạng: sợi, hạt
Theo bản chất, thành phần: nền hữu cơ, nền kim loại, nền khoáng
2.4 Ph�n lo?i
2.4. Ph�n lo?i
2.4.1. Phân loại theo bản chất của vật liệu nền
Composite nền polymer (h?u co).
Composite nền kim loại
Composite nền (khống ch?t ) ceramic
2.4 Ph�n lo?i
Phân loại theo bản chất nền và thành phần
Composite nền hữu cơ: composite nền giấy (cáctông), composite nền nhựa, nền nhựa đường, nền cao su. Loại nền này thường có thể kết hợp với mọi dạng cốt liệu, như: sợi hữu cơ, sợi khoáng, sợi kim loại.
Vật liệu này chỉ chịu được nhiệt độ tối đa là khoảng 200 ÷ 300°C. Trong nhóm này, phổ biến và thông dụng nhất là Composite nền polyme.
2.4 Ph�n lo?i
Phân loại theo bản chất nền và thành phần
Composite nền khóang chất: bêtông, betông cốt thép, composite nền gốm, composite cacbon - cacbon. Thường loại nền này kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại (Bo, thép...), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua, gốm Nitơ,...).
Trong một số lĩnh vực chuyên biệt đòi hỏi vật liệu phải có tính chịu nhiệt và cơ học cao. Composite nền gốm có đủ ưu thế để sử dụng trong lĩnh vực này.
2.4 Ph�n lo?i
Phân loại theo bản chất nền và thành phần
Composite nền kim loại: nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm... Thường kết hợp với cốt liệu dạng: sợi kim loại (Bo,...), sợi khoáng (cacbon, SiC,...).
Vật liệu này có nhiều ưu điểm như cơ tính cao, làm việc ở nhiệt độ cao, có độ bền nóng cao cũng như tính dẫn điện và dẫn nhiệt rất tốt.
Composite nền kim loại hay nền khoáng chất có thể chịu nhiệt độ tối đa khoảng 600 ÷ 1000°C (nền gốm tới 1000°C).
2.4 Ph�n lo?i
Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc
Vật liệu composite cốt sợi:
Sợi là loại vật liệu có một chiều kích thước (gọi là chiều dài) lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước không gian còn lại. Theo hai chiều kia chúng phân bố gián đoạn trong vật liệu composite, còn theo chiều dài thì chúng có thể ở dạng liên tục hay gián đoạn.
Các sản phẩm composite dân dụng thường là được chế tạo từ loại vật liệu composite cốt sợi, trên nền nhựa là chủ yếu.
2.4.2. Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc
Vật liệu composite cốt hạt:
Hạt là loại vật liệu gián đoạn, khác sợi là không có kích thước ưu tiên. Loại vật liệu composite cốt hạt phổ biến nhất chính là bê tông, thường lại được gọi ngắn gọn chỉ là bê tông.
2.4 Ph�n lo?i
Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc
Vật liệu composite cấu trúc:
Loại cốt hạt và cốt sợi khác nhau ở kích thước hình học của cốt: cốt sợi có tỷ lệ chiều dài trên đường kính khá lớn, còn cốt hạt là các phân tử đẳng trục.
Khái niệm về composite cấu trúc là để chỉ các bán thành phẩm dạng tấm, lớp là vật liệu đồng nhất và composite khác. Trong từng loại cốt: hạt, sợi nền với kích thước khác nhau còn được chia tiếp thành các nhóm nhỏ hơn: hạt thô, hạt mịn, sợi liên tục và sợi gián đoạn,
2.5 C�c uu di?m c?a v?t li?u composite
Giá thành rẻ hơn thép không gỉ.
Tỉ số tính năng cơ lý/giá thành và tỉ số tính năng cơ lý/khối lượng cao hơn sắt thép rất nhiều.
Phương pháp gia công chế tạo đơn giản và đa dạng.
Dễ tạo hình thay đổi, sửa chữa.
Không tốn kém trong bảo quản và chống ăn mòn.
Nhẹ hơn nhôm và chi phí thấp.
2.6 Th�nh ph?n c?a v?t li?u composite
Polymer nền:
Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu.
Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục.
Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền
2.6 Th�nh ph?n c?a v?t li?u composite
Chất độn:
Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thông thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa.
Tính gia cường cơ học.
Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ.
Phân tán vào nhựa tốt.
Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.
Thuận lợi cho quá trình gia công.
Giá thành hạ, nhẹ.
Các thành phần khác:
Chất pha lõang
Chất róc khuôn
Chất làm kín
Chất tẩy bọt khí
Chất thấm ướt sợi
Chất xúc tiến
Chất xúc tác
Chất tăng độ phân tán
Chất ngăn thoát hơi styrene
2.6 Th�nh ph?n c?a v?t li?u composite
2.7 ?ng d?ng c?a v?t li?u composite
Vật liệu gia dụng: bồn tắm, tấm cách nhiệt, cách âm, lavabo, tủ, giường…
Các công cụ dùng trong thể thao, giải trí: cần câu, vợt tennis, ván trượt …
Thủy lợi, giao thông:
Hàng không vũ trụ: thân cánh máy bay, tên lửa, ..
Ống dẫn nước, xăng dầu, nước thải….
Hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng
2.7 ?ng d?ng c?a v?t li?u composite
Vật liệu điện: vi mạch, board mạch có khả năng cách điện, chịu nhiệt, không nhiễu từ, hộp chứa điện..
Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất, tấm panell composite
Hệ thống sứ cách điện, sứ polymer, sứ silicon, sứ epoxy các loại sứ chuỗi, sứ đỡ, sứ cầu giao, sứ trong các bộ thiết bị điện, chống sét, cầu chì.
Thùng rác công cộng.
3. V?t li?u Composite n?n g?m
Nền gốm là nền được xếp vào nhóm vật liệu vô cơ – ceramic.
Vật liệu vô cơ là sự kết hợp của các nguyên tố phi kim với kim loại hoặc giữa các nguyên tố phi kim với nhau. Các nguyên tố chính tạo nên vật liệu vô cơ là kim loại – silic – bo – cacbo – nitơ – oxy
3. V?t li?u Composite n?n g?m
Kim loại, Bo, Silic có thể cùng 5 nguyên tố còn lại tạo nên các Borit, Silicide, Cacbit, Nitơrit và Oxit.
3.1 B?n ch?t v� ph�n lo?i g?m
Gốm và vật liệu nhân tạo có sớm nhất trong lịch sử loài người. Khởi đầu khái niệm gốm được dùng để chỉ vật liệu chế tạo từ đất sét, cao lanh (gốm đất nung).
Về sau được mở rộng bao gồm thêm đồ sứ, các vật liệu trên cơ sở oxyt (ví dụ gốm Al2O3, MgO) và các chất vô cơ không phải là oxyt (ví dụ SiC).
1. B?n ch?t v� ph�n lo?i g?m
Vật liệu gốm có ưu điểm nổi bậc là có độ bền nóng cao, có nhiệt độ nóng chảy cao, tính đàn hồi cao, tỉ trọng nhỏ, độ bền nén cao, trơ hóa học và có tính ổn định cao đối với sự xâm thực.
Tuy nhiên gốm có độ bền kéo, uốn thấp, độ giòn cao, chịu sốc nhiệt kém, độ dai va đập thấp.
Cốt sợi trong Composite nền gốm có thể là dây kim loại, sợi cacbon hoặc sợi gốm.
1.1 Composite n?n g?m c?t s?i kim lo?i
Cốt sợi kim loại sử dụng trong nền gốm thường là sợi W hoặc Mo.
Sợi kim loại không tương tác với nền gốm oxýt cho đến nhiệt độ 1800-25000C. Vì thế Composite nền gốm cốt sợi kim loại được chế tạo bằng phương pháp bột bằng cách ép nóng.
Độ dai và tính chịu nhiệt riêng của Composite tăng lên liên tục cùng với sự tăng hàm lượng sợi.
1.1 Composite n?n g?m c?t s?i kim lo?i
Hàm lượng sợi vượt quá 25% sẽ làm tăng độ lỗ trong vật liệu.
Nền liên kết thường là các gốm oxýt như MgO hoặc Al2O3.
Gốm oxyt có độ tinh khiết hóa học cao (tỉ lệ tạp chất rất thấp) và tỉ lệ pha tinh thể cũng cao (tỉ lệ pha vô định hình rất thấp) để làm vật liệu kỹ thuật có độ bền nhiệt và độ bền cơ học rất cao, có tính chất điện và từ đặc biệt.
1.1 Composite n?n g?m c?t s?i kim lo?i
Có thể chia nền gốm trường hợp này ra 3 loại như sau:
Gốm oxyt trên cơ sở các oxyt có độ nóng chảy cao
Gốm trên cơ sở TiO2
Gốm trên cơ sở Fe2O3 và các oxyt kim loại nặng
1.1 Composite n?n g?m c?t s?i kim lo?i
Gốm oxyt trên cơ sở các oxyt có độ nóng chảy cao
Chúng bao gồm một số loại tiêu biểu sau:
Gốm corindon (Al2O3) ở dạng thù hình α: gốm này có độ bền cơ, bền nhiệt, bền hóa chất rất cao, với nhiệt độ sử dụng khỏang 19000C.
Gốm pesicla (MgO) với nhiệt độ sử dụng cao tới 24000C và có tính kiềm (baz), độ bền cơ, độ bền hóa cao.
1.1 Composite n?n g?m c?t s?i kim lo?i
Gốm oxyt trên cơ sở các oxyt có độ nóng chảy cao
Gốm ziêcona (ZrO2) với nhiệt độ sử dụng cao 23000C.
Gốm spinel (MgO.Al2O3) có nhiệt độ sử dụng cao 19500C, độ bền cơ cao, được sử dụng làm các vật liệu kết cấu chịu nhiệt độ cao trong môi trường kiềm.
1.1 Composite n?n g?m c?t s?i kim lo?i
Bảng 3.1: Cơ tính của Composite nền MgO cốt sợi W hoặc Mo
Vật liệu Composite nền gốm cốt sợi kim loại bị hạn chế sử dụng vì ở nhiệt độ cao tính chịu oxy hóa của chúng bị giảm xuống.
1.2 Composite n?n g?m c?t s?i carbon
Cốt sợi cacbon được sử dụng trong Composite nền gốm do sợi cacbon tương tác với nền gốm xảy ra ở nhiệt độ cao hơn so với cốt sợi kim loại.
Mặt khác sợi cacbon có khả năng làm việc trong môi trường oxy hóa tới 5000C và trong môi trường khí trơ hoặc chân không tới 30000C. Điều đó cho phép sử dụng sợi cacbon làm cốt sợi gia cường hiệu quả cho Composite nền gốm.
1.2 Composite n?n g?m c?t s?i carbon
Điều kiện quan trọng để sử dụng có hiệu quả độ bền cao của sợi Cacbon trong Composite nền gốm là tỷ lệ tối ưu giữa Module đàn hồi của sợi và nền.
Khi thể tích sợi Cacbon chiếm 50-60%, độ bền của sợi sẽ được phát huy đối đa khi En/Es = 0,1. Vì thế để cường hóa cho nền gốm, sợi cacbon cần chọn loại có độ bền cao.
1.2 Composite n?n g?m c?t s?i carbon
Sợi cacbon có thể được làm từ bởi một số người đi trước, nhưng bây giờ nó là sản phẩm chính của PAN (Polyacrylonitrile), nhựa than và tơ nhân tạo. Chúng được bắt nguồn từ độ bền nhiệt lớn và modulus từ các liên kết của liên kết cộng hóa trị, các đáy mặt phẳng của các nguyên tử có mạch cacbon dài theo trục của các sợi. Modulus và độ bền trên các mặt phẳng rất cao, cỡ 100GPa.
1.2 Composite n?n g?m c?t s?i carbon
Nền liên kết có thể là:
Thủy tinh Borosilicat và Alumosilicat có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, bền nhiệt, bền hóa học cao được sử dụng chế tạo dụng cụ hóa học, đo lường, thiết bị hóa học.
Thủy tinh chì silicat có chỉ số khúc xạ cao được dùng chế tạo dụng cụ quang học, phalê.
Thủy tinh SiO2 (thạch anh) trong suốt dùng chế tạo các dụng cụ, thiết bị chịu nhiệt, bền hóa học.
1.2 Composite n?n g?m c?t s?i carbon
Sợi cacbon được kéo, chuốc qua một loại vữa của bột thủy tinh với Probanol sau đó được quấn trên một tang trống cách ra thành từng lớp, sấy khô rồi cho vào khuôn ép.
Tiến hành ép trong chân không hoặc trong khí Arron ở nhiệt độ 1200-13000C với áp lực 3,5-14 MPa ( 35-140kg/cm2).
1.2 Composite n?n g?m c?t s?i carbon
Composite nền thủy tinh Borosilicat cốt sợi cacbon (60%) có thể làm việc lâu dài ở 6000C mà độ bền không thay đổi.
Composite nền thủy tinh Alumosilicat và thủy tinh thạch anh (96% SiO2) còn cao hơn (600-8000C) và 1000 - 11000C tương ứng.
Để nâng cao khả năng chịu oxy hóa người ta phủ một lợp cácbit silic SiC trên bề mặt sợi cacbon với chiều dày 0,26-0,6m. Tuy nhiên khi đó độ bền sợi cacbon bị giảm từ 2-3 lần.
1.2 Composite n?n g?m c?t s?i carbon
Bảng 3.2: Cơ tính của composite nền thủy tinh borosilicat – sợi cacbon
Composite nền gốm cốt sợi cacbon có thể sử dụng để chế tạo các loại bạc trượt chịu nhiệt độ cao trong chân không, các vật liệu chịu lửa yêu cầu giản nở nhiệt nhỏ, chịu sốc nhiệt.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Sợi ceramic ngày càng được chú ý do khả năng cải thiện tính giòn của vật liệu ceramic và công nghệ chế tạo sợi ngày càng hoàn thiện. Thường sợi ceramic có cấu trúc sợi ngắn và còn rất đắt (các sợi carbit silic, nhôm và bor, oxit nhôm .. dài 10-3m với bán kính khỏang 0,1 - 10μm).
Sợi sắp xếp theo một hướng chỉ dùng cho các sản phẩm lực tác dụng theo hướng xác định và hướng sợi. Ngoài ra, các sản phẩm khác thường dùng sợi bện thành dây hoặc có cấu trúc như vải dệt.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Với các vật liệu chịu tải trọng nhỏ, ta dùng sợi ngắn (~50mm) như sợi amiăng, sợi thủy tinh … có chiều dài chuẩn khỏang 0,3 mm; trên 80% sợi có kích thước nhỏ hơn kích thước chuẩn nên rất dẽ gia công.
Trong các dạng sợi ceramic, amiăng là loại sợi tự nhiên có những tính năng vượt trội. Nhưng rất tiếc, vì lý do ảnh hưởng tới sức khỏe con người (bị coi là nguyên nhân gây ung thư phổi) nên loại sợi này không được sử dụng phổ biến nửa).
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Các loại sợi gốm phổ biến như Cacbit, Nitrid, Borid, Silicid. Đây là nhóm vật liệu có nhiệt nóng chảy rất cao và có những tính chất nhiệt vật lý rất đặc biệt. Nhóm hợp chất này còn có tên là vật liệu không oxy, hoặc không có pha thủy tinh, cùng nhóm gốm từ oxýt tinh khiết là những chất có nhiệt độ nóng chảy cao nhất mà chúng ta được biết.
Khác với nhóm vật liệu từ oxýt có liên kết chủ yếu là liên kết ion, liên kết hóa học đặc trưng của nhóm vật liệu này là cộng hóa trị hoặc liên kết kim loại
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Các composite nền thủy tinh như Borosilicat, Alumoborosilicat, Litiborosilicat hoặc hỗn hợp các loại kể trên được gia cường bằng các cốt sợi SiC.
Sợi SiC có thể ở dạng sợi đơn hoặc ở dạng sợi mảnh liên tục với đường kính trung bình từng sợi riêng từ 10-12μm.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
SiC là hợp chất quen thuộc nhất trong các loại cacbit, trong tự nhiên gặp ở dạng bột trắng từ các thiên thạch. SiC có độ cứng cao (độ cứng theo thang Mohs là 9, chỉ thua kim cương), thường dùng làm bột mài.
SiC còn dùng như vật liệu chịu lửa cao cấp. Nhưng ứng dụng được coi là quan trọng nhất của carbit silic liên quan tới tính bán dẫn của nó, SiC được dùng làm detector, các loại điện trở phi tuyến.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Composite nền thủy tinh cốt sợi SiC dạng sợi đơn được chế tạo bằng cách ép nóng các lớp từ các tấm sợi và bột thủy tinh trong môi trường Argon ở nhiệt độ 15150C với áp lực 6,9 MPa.
Composite nền thủy tinh cốt sợi mỏng SiC được chế tạo bằng cách tẩm các sợi mảnh SiC với vữa bột thủy tinh pha với Propanol sau đó sấy và ép nóng chân không hoặc trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ 710 -11000C.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Ngoài ra còn có sợi Si3N4, sợi này được sử dụng trong gốm Si-C: thành phần bao gồm sợi Si3N4 với các ôxít như Al2O3 và cacbit TiC, SiC. Si3N4 có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng cao, cách điện tốt, bền trong môi trường kim loại nóng chảy, acid, kiềm nhưng không bền trong môi trường kiềm nóng.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Sợi Si3N4 là hợp chất thuộc nhóm Nitrid, là các hợp chất có nhiệt độ nóng chảy cao, đặc tính giòn, cứng và chịu môi trường oxy hóa tới 10000C. Si3N4 được coi là vật liệu gốm hứa hẹn trong các vật liệu mới.
Si3N4 có độ dẫn nhiệt tốt, hệ số dãn nở nhiệt rất nhỏ và do đó rất bền nhiệt, độ cứng của Si3N4 tương đương với α- Al2O3, chịu mài mòn rất tốt, chống ăn mòn hóa học của các hợp kim nóng chảy không chứa sắt. Không bị oxy hóa cho tới 12000C và bị phân hủy ở 19000C.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
So với kim loại, Si3N4 giòn hơn, nhưng với những loại vật liệu không có pha thủy tinh thì Si3N4 có độ bền uốn rất cao do có cấu trúc sợi. Gốm trên cơ sở Si3N4 được dùng làm phụ tùng cho turbin khí, dao, phay cắt kim loại, chén nung.
Đây là vật liệu đang được thử nghiệm làm động cơ gốm cho ôtô trong tương lai.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Đặc biệt gần đây người ta đã nghiên cứu chế tạo các động cơ gốm trên cơ sở Si3N4 và các hạt SiC có kích thước nano. Gồm này bền hơn 5 lần, chịu nhiệt độ cao, bền trong môi trường acid, kiềm và siêu dẻo ở 10000C.
Ở Nhật, người ta đã công bố chế tạo được các động cơ diezel hoàn tòan bằng vật liệu gốm (từ vật liệu Si3N4 và một phần ZrO2 ổn định). Trong một tương lai không xa, loại động cơ này có thể được đưa ra thị trường.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Vật liệu gốm thủy tinh nền MgO.Al2O3 và các tinh thể gia cường MgO nhận được bằng phương pháp kết tinh dẫn hướng có độ bền kéo tới 200MPa, giữ nguyên khả năng chịu đựng trong môi trường Oxy hóa tới nhiệt độ 17000C.
Bằng cách đưa hợp chất tạo mầm và chế độ xử lý nhiệt khác nhau người ta có thể điều khiển được tính chất của gốm thủy tinh.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Bảng 3.3: Cơ tính của một số composite nền thủy tinh cốt sợi SiC
Để chế tạo các vật liệu chịu lửa có tính chịu nhiệt cao trên cơ sở MgO người ta sử dụng các râu đơn tinh thể ZrO2 (5-15%) làm cốt gia cường.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Để chế tạo các vật liệu chịu lửa có tính chịu nhiệt cao trên cơ sở MgO người ta sử dụng các râu đơn tinh thể ZrO2 (5-15%) làm cốt gia cường.
Vật liệu là vật liệu chịu lửa khi độ chịu lửa lớn hơn 15200C. Đa số các vật liệu chịu lửa là vật liệu gốm, thành phần vật liệu chịu lửa thuộc nhóm gốm silicat, gốm oxít và gốm không phải oxít.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Một số loại vật liệu gốm chịu lửa điển hình:
Đinat (silica) với thành phần > 93% SiO2. Gạch đinat có tính acid với nhiệt độ làm việc cao (15500C) dùng để xây là coke, vòm lò thủy tinh, các vùng nung trong lò men, một số lò luyện kim).
Samốt là gốm thô hệ Al2O3 – SiO2. Với độ chịu lửa tương đối (~ 14000C) tùy từng loại chúng được dùng trong lò nung cliknke, khí hóa và một số lò luyện kim.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Một số loại vật liệu gốm chịu lửa điển hình:
Cao alumin cũng thuộc hệ Al2O3 – SiO2 như samốt nhưng với hàm lượng Al2O3 cao hơn (45 – 95%) nên độ chịu lửa cao hơn (16000C) được sử dụng khi có yêu cầu cao về độ chịu lửa mà samốt không đáp ứng nổi.
Samốt
Cao Al
(80%Al2O3)
2. Tính ch?t m?t s? lo?i s?i c?t gia cu?ng d�ng trong composite n?n g?m
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
1. T?ng quan
C�c kim lo?i nh? nhu magie, nhơm, titan . . . v� h?p kim c?a ch�ng thu?ng du?c s? d?ng l�m n?n cho c�c v?t li?u composite cĩ ch?t lu?ng cao. Nh?ng v?t li?u composite n�y cĩ th? d�p ?ng du?c di?u ki?n l�m vi?c kh?c nghi?t v� ? nhi?t d? cao kho?ng 1500C, 3500C, 5000C, th?m chí l� ? >7000C
M?c d? khĩ khan khi ch? t?o composite n?n kim lo?i l� r?t l?n, vì th? composite n?n kim lo?i khơng du?c ph? bi?n nhu composite n?n polymer.
Nhung v?t li?u composite n?n kim lo?i cĩ m?t s? tính ch?t t?t v� thu?n l?i hon composite n?n polymer, d?c bi?t l� trong linh v?c h�ng khơng, vu tr?.
V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
C�c kim lo?i n?n thu?ng ph?n ?ng hĩa h?c v� l�m cho c�c s?i l�m c?t y?u di trong su?t qu� trình s?n xu?t c? trong qu� trình s? d?ng ? nhi?t d? cao. Xu hu?ng kim lo?i t�c d?ng v?i c�c c?t s?i ph?i du?c gi?i h?n trong ph?m vi tính tuong h?p gi?a kim lo?i v� s?i l�m c?t.
Nhìn chung, chính vì tính tuong h?p n�y m� h?u h�t c�c s?i crematic nhu SiC, Al2O3 v� bosric ( s?i boron t?m silic cacbua ) d?u ph� h?p d? gia cu?ng cho composite n?n kim lo?i.
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Tuy nhi�n s?i carbon cĩ th? gia cu?ng cho composite n?n nhơm ho?c n?n magie, ch? s? d?ng ? nhi?t d? th?p.
N?n kim lo?i cho c�c composite thu?ng l� c�c kim lo?i nh? nhu : nhơm, Magie, berili . . . ho?c c�c kim lo?i ch?u nhi?t cao nhu : titam, niken, niobi . . ., ho?c c�c h?p kim.
Ph? bi?n nh?t l� ngu?i ta hay d�ng n?n h?p kim nhơm, do ch�ng cĩ kh? nang k?t h?p h�i hịa v?i c?t v� d?m b?o t?t nh?ng dịi h?i co l� cung nhu cơng ngh?
www.themegallery.com
Company Logo
Composite n?n kim lo?i
HẠT
Như các hạt Al2O3, SiO2, BN, SiC, Ni…
Cốt
SỢI
sợi kim loại (Bo), sợi khoáng ( Si, C)…
4. V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
2.D?c di?m c?a composite n?n kim lo?i c?t s?i
So v?i composite n?n polymer, composite n?n kim lo?i c?t s?i cĩ nh?ng uu di?m n?i b?t sau :
L�m vi?c du?c ? nhi?t d? cao hon
Khơng b? ch�y
D? c?ng v� b?n theo chi?u ngang cao hon
Khơng h�t ?m
Tính d?n di?n v� d?n nhi?t cao hon
Kh? nang ch?ng b?c x? nhi?t t?t hon
Khơng cĩ hi?n tu?ng b?c hoi trong qu� trình s? d?ng
4. V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
So s�nh v?i v?t li?u kim lo?i, composite n?n kim lo?i cĩ uu di?m :
Composite n?n kim lo?i b?n hon so v?i kim lo?i c�ng t? tr?ng
D? c?ng cao hon so v?i kim lo?i c�ng t? tr?ng
Kh? nang ch?ng m?i t?t hon
Tính d?n nhi?t t?t hon do b?n hon v� c?u tr�c ít l? h?ng hon
H? s? d�n n? nhi?t th?p hon
Kh? nang ch?ng m�i mịn cao hon
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
M?t s? nhu?c di?m c?a composite n?n kim lo?i so v?i composite n?n polymer v� v?t li?u kim lo?i :
Chi phí ch? t?o d?t hon
K? thu?t ch? t?o ph?c t?p,khĩ khan hon
M?c d? s? d?ng gi?i h?n v� ch? du?c s? d?ng trong nh?ng ngh�nh k? thu?t cao
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
3. Composite n?n nhơm
Trong s? c�c composite n?n kim lo?i thì composite n?n nhơm ( Al ) du?c nghi�n c?u ?ng d?ng nhi?u hon c?. Nhơm v� h?p kim nhơm bi?n d?ng t? tr?ng nh?, d? d?o cao r?t thích h?p v?i vai trị l�m n?n li�n k?t.
Nhơm cĩ kh?i lu?ng ri�ng kho?ng 2700kg/m3, nhi?t d? nĩng ch?y g?n 7800C v� tro hĩa h?c v?i ph?n l?n c�c s?i d�ng l�m c?t.
V? m?t cơng ngh?, h?p kim nhơm du?c chia th�nh ba lo?i : bi?n d?ng, d�c v� b?t. Phuong ph�p li�n k?t n?n v?i s?i c?t cung da d?ng : pha c?ng, pha l?ng v� k?t t?a l?ng.
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Phuong ph�p pha c?ng : ngu?i ta thu?ng x?p t?ng l?p n?n nhơm l�n t?ng l?p s?i c?t, sau dĩ li�n k?t ch�ng l?i v?i nhau
Phuong ph�p pha l?ng : dung d?ch nhơm nĩng ch?y du?c d? v�o khuơn c�c c?t s?i d� du?c d?nh d?ng t? tru?c. Qu� trình du?c th?c hi?n trong ch�n khơng hay di?u ki?n bình thu?ng, ho?c gia tang �p l?c.
Phuong ph�p k?t t?a : du?c th?c hi?n b?ng c�ch "tr�t" l�n c�c s?i c?t ( b?ng phuong ph�p hĩa h?c, d�ng khí th?i, di?n ph�n, . . . ) l?p b?t nhơm v� sau dĩ l?p d?y ch�ng v�o nh?ng kho?ng tr?ng gi?a c�c s?i c?t d? t?o th�nh composit
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Nh?ng h?p kim nhơm thu?ng d�ng trong phuong ph�p pha c?ng l� c�c h?p kim chua qua x? l� nhi?t AlMg, AlMn, . . . v?i th�nh ph?n ch? y?u l� magie (Mg) v� mangan (Mn). Nh?ng h?p kim n�y cĩ d? d?o t?t, b?n v?i s? mịn, g?, nhung cĩ d? b?n co h?c khơng cao.
Nh?ng h?p kim cĩ d? b?n co h?c cao l� nh?ng h?p kim d� qua x? l� nhi?t nhu duranhơm (D1,D6, . . . ) v� nh?ng h?p kim nhơm AB, AK, B95.
Nh?ng h?p kim du?c d�ng nhi?u theo phuong ph�p d�c l� silumin (Al,Si), nhung ch�ng ít d?o, cĩ d? b?n va d?p v� d? b?n ch?u nhi?t v� d? b?n ch?u nhi?t th?p.
N?n nhơm cĩ d? b?n nhi?t cao hay d�ng l� v?t li?u lo?i CAP ( nhơm d� du?c thi�u k?t v� du?c b? sung v�o t? 6-20% c�c lo?i b?t oxit Al2O3 ). V?t li?u d?ng CAP ? 5000C cĩ th? gi? du?c d? b?n d?n 120 Mpa.
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
D? ch? t?o composite s?i kim lo?i tr�n co s? n?n nhơm cĩ th? s? d?ng phuong ph�p phun l?a. B?ng phuong ph�p n�y, v?t li?u n?n du?c hình th�nh tr�n co s? s? chuy?n d?i v?i v?n t?c cao c?a nh?ng h?t n?n r?t nh? nĩng ch?y, s? va d?p c?a ch�ng v?i b? m?t s? k?t tinh nhanh. Khi dĩ, n?n th?c ch?t l� t?p h?p nh?ng h?t m?nh c? 2-10 micromet tr�n b? m?t cĩ nh?ng m�ng oxit.
C�c s?i gia cu?ng cĩ th? l�m d�y th�p m�c 12Cr18Ni10Ti, s?i SiO2, s?i bo v� s?i cacbon. composite n?n Al ho?c h?p kim nhơm c?t s?i Bo cĩ d? b?n cao nh?t v� l�m vi?c ?n d?nh trong kho?ng nhi?t d? d?n 300 - 4000C.
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Nh?ng composite n?n nhơm quan tr?ng nh?t g?m :
C?t s?i li�n t?c : boron, silic cacbua, nhơm, graphite
C?t s?i khơng li�n t?c : nhơm, nhơm silicat
D?ng s?i d�i : silic cacbua
D�y l� lo?i composite cĩ uu th? c?nh tranh r?t m?nh v?i composite n?n polymer trong l�nh v?c h�ng khơng vu tr?.
4. V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
4. Composite n?n Magie
Magie v� h?p kim c?a nĩ cĩ d? b?n ri�ng cao, r?t nh? vì th? cung nhu nhơm, nĩ du?c s? d?ng l�m n?n li�n k?t cho c�c composite n?n kim lo?i.
Khi gia cu?ng c�c s?i cĩ d? b?n, mơ dun d�n h?i cao cho ph�p t?o ra c�c v?t li?u k?t c?u v?a nh? l?i v?a cĩ d? b?n ri�ng, d? b?n nĩng v� mơ dun d�n h?i cao.
Ngu?i ta hay d�ng c�c h?p kim Magie m�c MA2-1, MA5, MA8, . . .l�m n?n composite.
C?t s?i gia cu?ng composite n?n magie cĩ th? l� s?i bo, s?i cacbon, d�y th�p d? b?n cao, s?i SiC, d�y titan kim lo?i.
4. V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
D? li�n k?t n?n - c?t trong composite n?n Magie thu?ng s? d?ng phuong ph�p t?m ch�n khơng, d�c �p, d�c li�n t?c, h�m n?, �p ho?c c�n nĩng
Nh?ng composite n?n Magie quan tr?ng nh?t g?m :
C?t s?i li�n t?c : nhơm, graphite
D?ng s?i d�i : silic cacbua
Linh v?c s? d?ng : h�ng khơng vu tr?
4. V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
5. Composite n?n Titan
Titan thu?c nhĩm kim lo?i cĩ nhi?t d? nĩng ch?y cao, d? b?n ri�ng cao hon th�p, nh? hon th�p v� cĩ tính ch?ng an mịn cao. S? d?ng titan l�m n?n cho c�c composite c?t s?i kh�c nhau nhu s?i Mo, B, SiC, Be nh?m m? r?ng nhi?t d? l�m vi?c l�n d?n 700 - 8000C.
N?n titan cĩ tính kh? thi cơng ngh? t?t khi bi?n d?ng nĩng, h�n du?c, cĩ kh? nang gi? du?c d? b?n l�u ( 360 - 1050 Mpa ) ? nhi?t d? cao ( 300 - 4500C ). Tuy nhi�n, nh?ng v?t li?u n�y cĩ bi?n d?ng r?t b� ( th?m chí ? nhi?t d? cao ), vì th? khi ch? t?o composite v?i c�c s?i giịn, nh?t thi?t ph?i s? d?ng co ch? bi?n d?ng d?o ( ? nhi?t d? r?t cao ).
4. V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
K?t h?p n?n titan v?i c�c s?i ho?c c�c d�y kim lo?i nhu Mo, Be s? d?ng phuong ph�p c�n, �p nĩng d?ng v� h�n n?. D?i v?i c�c s?i B v� SiC d? k?t h?p n?n - c?t ngu?i ta s? d?ng phuong ph�p h�n kh?ch t�n ch�n khơng.
Composite n?n titan c?t s?i SiC l?i cĩ modul d�n h?i cao hon c?. Tính ch?u nhi?t v� d? b?n l�u c?a Composite n?n titan c?t s?i Molipden l� cao nh?t.
Nh?ng composite n?n Magie quan tr?ng nh?t l� c�c c?t s?i li�n t?c : silic cacbua, boron
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
6. Composite tr�n co s? n?n Niken v� Coban
L� c�c si�u h?p kim cĩ kh? nang l�m vi?c l�u d�i ? 1000 - 11000C, c�c chi ti?t nhu c�nh, dia tuabin khí l� nh?ng linh v?c quan tr?ng d?c bi?t c?n s? d?ng c�c composite n?n Ni v� Co.
C?t s?i gia cu?ng cho composite n?n niken ho?c h?p kim b?n nĩng niken l� c�c r�u don tinh th? Al2O3, s?i cacbon, s?i W v� s?i Mo.
Phuong ph�p ch? t?o composite n?n niken thơng d?ng nh?t l� k?t t?a niken hĩa h?c ho?c di?n hĩa tr�n c�c c?t s?i. Ngồi ra cung cĩ th? s? d?ng phuong ph�p pha l?ng nhu d�c ho?c h�t ch�n khơng d? li�n k?t n?n c?t
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Composite n?n niken v� c?t s?i l� Al2O3 ho?c cacbon cĩ d? b?n nĩng th?p hon c?a composite n?n h?p kim niken b?n nĩng s?i W ho?c s?i Mo.
D? b?n l�u c?a c�c h?p ch?t composite n?n h?p kim niken b?n nĩng m�c NaSa - 3 - (W-ThO2) v� NaSa - 3 - ( W - Hf - C ) l� cao nh?t.
H?p kim niken b?n nĩng m�c NaSa - 3 cĩ th�nh ph?n 56% Ni, 15% Cr, 25% W, 2% Ti, 2% Al. S?i W - ThO2 g?m 98% W v� 2% ThO2. S?i W - Hf - C cĩ th�nh ph?n 99,644% W, 0,3% Hf, 0,036 C
Cơng d?ng : s? d?ng trong vi?c ch? t?o c�c chi ti?t thi?t b? tuabin khí, d?ng co trong h�ng khơng vu tr?.
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
V?t li?u composite n?n cobal du?c nghi�n c?u v� ?ng d?ng ít hon composite h?p kim b?n nĩng tr�n co s? niken. C�c s?i d�y volfram ho?c molipden du?c l�m c?t s?i cho composite n?n cobal.
Cung nhu composite n?n niken, composite n?n cobal du?c ch? t?o b?ng phuong ph�p pha l?ng ( t?m h�t ch�n khơng ) v� phuong ph�p luy?n kim b?t
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
7. Composite c�ng tinh
T? ch?c c�ng tinh c?a h?p kim bao g?m t? ch?c n?n kim lo?i v� h?p kim xen k? c�c pha trung gian d?ng t?m ho?c d?ng s?i. S? li�n k?t c?a c�c c?t pha trung gian d?ng t?m ho?c d?ng s?i.
S? li�n k?t c?a c�c c?t pha trung gian v?i n?n theo quy t?c c?a composite d� n�u v� do dĩ h?p kim c�ng tinh k?t tinh cĩ hu?ng du?c g?i l� composite c�ng tinh. Pha trung gian cĩ th? l� cacbit ho?c c�c pha li�n kim lo?i nhu TaC, NbS, Al2Ni, CuAl2, . . .
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
D? b?n c?a composite c�ng tinh ph? thu?c v�o t? ch?c c�ng tinh, kho?ng c�ch gi?a c�c t?m ( ho?c s?i ) l� c�c thơng s? cĩ s? ?nh hu?ng l?n d?n d? b?n c?a composite, kho?ng c�ch gi?a t?m c?t pha trung gian c�ng nh? thì d? b?n composite c�ng cao.
T? ch?c c�ng tinh l?i ph? thu?c v�o ch? y?u v�o t?c d? k?t tinh c?a h?p kim c�ng tinh. Ngu?i ta th?y r?ng c�c c?t pha trung gian cĩ d?ng t?m hay s?i ph? thu?c v�o h�m lu?ng tinh th? c?a nĩ trong composite.
N?u h�m lu?ng ph?n tram th? tích c?a c?t pha trung gian nh? hon 32% thì c?t l� c�c d?ng s?i cịn l?i tr�n 32% thì c?t l� d?ng t?m.
4. V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Composite c�ng tinh tr�n co s? niken v� h?p kim c?a nĩ v?i c�c c?t pha trung gian nhu TaC, NbC, NiBe, Ni3Nb, Ni3Ta, CoAl . . . cĩ d? b?n nĩng cao hon r?t nhi?u c�c h?p kim b?n nĩng hi?n d?i.
C�c composite c�ng tinh cĩ n?n cobal ho?c h?p kim Co-Cr cĩ co tính v� d? b?n nĩng r?t cao nhung nĩ b? h?n ch? s? d?ng do chính b?i s? h?n ch? s? d?ng c?a cobal.
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Composite c�ng tinh n?n Al cĩ th? d�ng l�m d�y d?n nhi?t d? b?n cao, cịn c�c composite c�ng tinh n?n niken v� cobal du?c s? d?ng ch? t?o c�nh tuabin d? b?n cao.
Hi?n nay c�c composite c�ng tinh du?c tri?n khai nghi�n c?u m?nh m? trong linh v?c di?n - t? nh?m t?o ra c�c composite cĩ tính d?n di?n v� t? tính d? hu?ng.
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
7. ?ng d?ng
Tham kh?o t?i website
http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/0104/Rawal-0104.html
Tru?c nh?ng dịi h?i r?t cao v? tính chính x�c v� s?c b?n c?a v?t li?u trong vi?c ch? t?o c�c thi?t b? c?a ngh�nh du h�nh vu tr?, D?n ng�y nay, du?ng nhu ch? cĩ composite n?n kim lo?i m?i cĩ th? d�p ?ng du?c nh?ng y�u c?u tr�n.
?ng d?ng d?u ti�n dĩ l� c�c ?ng composite n?n nhơm c?t s?i Boron du?c d�ng l�m khung su?n cho t�u con thoi c?a co quan h�ng khơng M? NASA.
Trong hình 5 mơ t? c?u tr�c th�n t�u con thoi, h�ng tram ?ng Al/B du?c l?p r�p, k?t n?i v?i nhau v� ph?n cu?i s? n?i v?i c�c vịng titanium. Trong ?ng d?ng n�y Al/B d� gi�p NASA ti?t ki?m du?c 45% kh?i lu?ng so v?i v?t li?u l�m b?ng Al thơng thu?ng
Hình 5. Khung th�n t�u con thoi c?a NASA
Khung thân tàu con thoi của NASA
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
?ng d?ng chính c?a composite n?n nhơm c?t s?i grafite l� v?t li?u d? ch? t?o antena c?a kính thi�n van - v? tinh vu tr? ( Hubble Space Telescope ). S?i antena n�y d�i kho?ng 3,6m d�p ?ng du?c c�c y�u c?u v? d? c?ng v� h? s? t?a nhi?t th?p d? cĩ th? ho?t d?ng b?n b? trong khơng gian.
V?i tính ch?t d?n di?n c?c t?t composite Gr/Al d?m b?o cho s? truy?n d?n tín hi?u v� sĩng gi?a dia antena v� t�u vu tr?. Tuy nhi�n cung nhu nh?ng composite n?n kim lo?i kh�c , vi?c ch? t?o Gr/Al l� r?t khĩ v� d?t d?.
Kính thi�n van vu tr? cĩ antenta
du?c l�m t? composite Gr/Al
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Cung gi?ng nhu composite Gr/Al, m?t s? composite n?n kim lo?i c?t s?i kh�c cung du?c s? d?ng cho nhi?u linh v?c kh�c nhau nhu : x�y d?ng, di?n l?c, di?u khi?n nhi?t . . . composite Gr/Al, Gr/Cu cĩ th? d�ng l�m khung c?a c�c thi?t b? ho?t d?ng ? nhi?t d? cao.
Composite n?n nhơm c?t s?i gi�n do?n cĩ th? d�ng l�m t?n nhi?t . . .
C�c ?ng composite Gr/Mg du?c ch? t?o t? quy trình d�c ch�n khơng v� ?ng d?ng th?c ti?n c?a ch�ng
M?t s? ?ng d?ng kh�c c?a composite n?n kim lo?i
www.themegallery.com
Company Logo
Composite n?n kim lo?i-c?t h?t
Trong loại compozit này , các phần tử kích thước nhỏ của các pha khó chảy như oxit , nitrua, cacbua(Al2O3,SiO2,BN,SiC...)được dùng làm cốt trên các nền kim loại thông dụng như Al, Ni, Cu, B…
www.themegallery.com
Company Logo
môdun đàn hồi cao
khối lượng riêng nhỏ
tác dụng yếu với vật liệu nền
giá thành rẻ
Ưu điểm
www.themegallery.com
Company Logo
Vật liệu composite nền kim loại cốt hạt: Al-Al2O3
www.themegallery.com
Company Logo
D�y l� lo?i composite n?n kim lo?i v� c�c ph?n t? c?t h?t nh? m?n (<0,1�m) du?c dua v�o ph�n b? tr�n n?n b?ng phuong ph�p b?t ho?c pha l?ng (d�c).
www.themegallery.com
Company Logo
Hi?n nay ngu?i ta d� nghi�n c?u ch? t?o c�c composite h? h?p kim nhơm - oxit nhơm g?i l� SAAP (sintered aluminum alloy powder ). C�c SAP v� SAAP v?a nh? l?i v?a cĩ d? b?n v� d? b?n nĩng cao, ch�ng l� c�c composite du?c ?ng d?ng nhi?u trong linh v?c h�ng khơng vu tr? .
www.themegallery.com
Company Logo
GIA CƠNG V?T LI?U
COMPOSIT CACBON - CACBON
Composit cacbon - cacbon l� v?t li?u cĩ c�c c?t s?i cacbon tr�n co s? n?n cacbon
Nền cacbon có tính chất cơ lý và nhẹ tương tự như sợi cacbon nên khi kết hợp với sợi cacbon sẽ cho chúng ta một loại vật liệu siêu bền, siêu nhẹ.
Gia cơng th�nh ph?n c?t : S?i Cacbon
S?i cacbon du?c ch? t?o ch? y?u t? ba ngu?n nguy�n li?u chính :
polyacrilonitril (PAN)
t? pec d?u m?, than d�
t? hidratxenlulo (xenlulohidrat)
Gia cơng s?i cacbon t? xenlulohidrat
- Chu?n b? v?t li?u xenlulozo
Qu� trình hĩa xenlulozo du?c x? l� ? nhi?t d? 350 - 400oC
Sau dĩ, ch�ng du?c x? l� nhi?t ti?p ? giai do?n cacbon hĩa di?n ra trong mơi tru?ng nito trung tính v?i nhi?t d? 900 - 1500oC l�m gi�u n?ng d? cacbon v� tang tính co l� c?a s?i
- Qu� trình cacbon hĩa xenlulozo g?m ba giai do?n :
+ Giai do?n 1 : 200-300oC, v?t li?u khơng th? k�o th�nh s?i du?c. Sau kho?ng 30 ph�t, n?ng d? cacbon l�n t?i 50-60%.
+ Giai do?n 2 : 500-1000oC, n?ng d? cacbon l�n t?i 70-85% v� k�o du?c th�nh s?i.
+ Giai do?n 3 : K�o s?i ? nhi?t d? d?n 1500oC, n?ng d? cacbon l�n t?i 90%.
- Qu� trình Graphic hĩa : S?i du?c x? l� ? nhi?t d? r?t c
Vật liệu là những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị xây dựng, nhà cửa, các bộ phận thay thế cho các bộ phận cơ thể hoặc mang tính nghệ thuật ....
Có 3 nhóm vật liệu cơ bản:
- Vật liệu kim loại,
- Vật liệu vô cơ – ceramic
- Vật liệu hữu cơ – polymer
- Ngoài ba nhóm cơ bản trên thì có thể bổ sung thêm một nhóm quan trọng thứ tư đó là vật liệu composite
1.1 V?t li?u kim lo?i
Là tổ hợp chủ yếu của các nguyên tố kim loại.
Các tính chất điển hình của vật liệu kim loại:
- Đắt và khá đắt tiền
- Dẫn nhiệt và dẫn điện tốt
- Có ánh kim, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng, không cho ánh sáng thường đi qua
- Trừ Al ra thì các kim loại thông dụng như Fe, Cu, … đều khá nặng
1.1 V?t li?u kim lo?i
- Nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng được yêu cầu đa dạng của kỹ thuật
- Thông thường thì chúng kém bền hóa học
- Vật liệu kim loại thông dụng như: thép và gang, đồng, nhôm, niken ... và các hợp kim của chúng
1.2 V?t li?u vơ co - ceramic
Có nguồn gốc vô cơ
Thường là hợp chất giữa kim loại như Mg, Al, Si, Ti... và phi kim loại dưới dạng oxit hay muối nitric...
Vật liệu ceramic có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp
Ceramic truyền thống như thủy tinh, gốm sứ, gạch xây dựng thường hay gạch chịu lửa ...
Ngày nay vật liệu ceramic được hiểu theo nghĩa rộng hơn
1.2 V?t li?u vơ co - ceramic
Các tính chất điển hình:
Rẻ và khá rẻ tiền;
Khá nặng;
Dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện);
Cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vật liệu hữu cơ
1.3 V?t li?u h?u co - polymer
Có nguồn gốc từ hữu cơ
Các tính chất điển hình như:
Rẻ và khá rẻ tiền
Dẫn nhiệt, dẫn điện tương đối kém, giòn ở nhiệt độ thấp và có khả năng biến dạng dẻo ở nhiệt độ phòng
Dễ uốn dẻo, đặc biệt tính biến dạng càng tăng khi nhiêt độ càng cao.
Khối lượng riêng nhỏ
1.3 V?t li?u h?u co - polymer
Bền vững hóa học ở nhiệt độ phòng và trong không khí, dễ nóng chảy hoặc bị phân hủy ở nhiệt độ cao.
Hai nguyên tố chủ yếu là Cacbon và Hydro, ngoài ra còn có thể chứa thêm Nitơ, Oxi, Lưu huỳnh, Clo ...
Những vật liệu hữu cơ thiên nhiên như cao su, gỗ xenlulo, ...
Những vật liệu hữu cơ ngày nay dùng là vật liệu polyme tổng hợp.
1.4 V?t li?u Composite
Nhóm quan trọng thứ tư đó là vật liệu composite.
Đây là sản phẩm của sự kết hợp giữa hai hoặc nhiều loại vật liệu kể trên với các tính chất đặc trưng khác nhau để tạo thành một loại vật liệu với tổ hợp tính chất hoàn toàn mới mà mỗi loại vật liệu thành phần khi đứng riêng biệt thì không thể có đựơc.
1.4 V?t li?u Composite
Ví dụ:
Bê tông cốt thép: Là sự kết hợp giữa kim loại (thép) và vật liệu vô cơ (bê tông) tạo cho vật liệu kết hợp có tính chất vừa chịu được tải trọng kéo tốt (đặc trưng của thép) vừa chịu được tải trọng nén tốt (đặc trưng của bê tông).
Gỗ, tre khá cứng vững, bền, dai chính là nhờ các tính chất tương ứng của sợi xenlulô (bền, dai) được phân bố theo hướng xác định với lignin (cứng, vững) bao quanh
C�c nhĩm v?t li?u kh�c
C�c nhĩm v?t li?u kh�c
Vật liệu bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn ở nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa kim loại và ceramic (trong đó hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, hai nhóm sau cùng gần với ceramic hơn
Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu cơ hơn, với các vật liệu như: vật liệu nhớ hình, vật liệu y sinh, vật liệu nano ...
1.5 L?ch s? s? d?ng v� ph�t tri?n c?a v?t li?u
Thời kỳ sử dụng vật liệu có sẵn
Thời kỳ sử dụng và chế tạo vật liệu theo kinh nghiệm
Thời kỳ chế tạo và sử dụng vật liệu theo kiến thức khoa học
1.5.1 Th?i k? s? d?ng v?t li?u cĩ s?n
Giai đoạn đầu bắt đầu cách đây hàng ngàn năm trước công nguyên. Một số vật liệu như:
Vật liệu hữu cơ: da, gỗ, sợi thực vật ...
Vật liệu vô cơ: đất sét, đá, các khoáng vật ...
Vật liệu kim loại: vàng, bạc, đồng tự nhiên ...
Sự phát triển duy nhất là biết phơi đất sét ngoài nắng để làm gạch xây dựng của người Ai Cập, La Mã và Trung Quốc.
1.5.2 Th?i k? s? d?ng v� ch? t?o v?t li?u theo kinh nghi?m
Khoảng 6000 - 4000 năm TCN con người đã biết chế tạo các vật dụng hay vũ khí bằng đồng
Con người nhận thấy các vật dụng và vũ khí bằng sắt có tính năng tốt hơn đồng rất nhiều
Những lò luyện sắt đầu tiên xuất hiện ở Trung Quốc và Ai Cập hơn 3000 năm TCN. Một số dụng cụ bằng thép (sắt chứa cacbon) đã xuất hiện khoảng 1500 năm TCN.
1.5.2 Th?i k? s? d?ng v� ch? t?o v?t li?u theo kinh nghi?m
Sau đó khoảng hơn 1000 năm TCN người La Mã và Hy Lạp đã biết tôi thép.
Người Ấn Độ đã đúc một cột bằng sắt nặng khoảng 6.5 tấn vào thế kỷ thứ 5 sau CN
Vật liệu làm chất kết dính trong xây dựng cũng xuất hiện rất sớm khoảng 1500 năm TCN, đầu tiên chỉ dưới dạng hỗn hợp đá nghiền và vôi tôi, dùng ở Ai Cập, La Mã.
1.5.3 Th?i k? ch? t?o v� s? d?ng v?t li?u theo khoa h?c
Cuộc cách mạng KHKT vào cuối thế kỷ XIX đã thúc đẩy phát triển nhiều ngành khoa học khác nhau trong đó đặc biêt là Hóa Học và Vật Lý.
Cuối thế kỷ XIX kỹ thuật chế tạo thép quy mô lớn xuất hiện
Kỹ thuật đúc bêtông cốt thép sử dụng đầu tiên ở Mỹ vào năm 1875, và đỉnh cao đó là tháp Eiffel bằng thép cao 320m, nặng hơn 7300 tấn, hoàn thành vào năm 1889 ở Pháp.
1.5.3 Th?i k? ch? t?o v� s? d?ng v?t li?u theo khoa h?c
Những mốc giai đoạn đánh dấu sự phát triển khoa học vật liệu như:
CN chế tạo hợp kim nhôm cứng năm 1930
CN chế tạo chất dẻo polyme bằng trùng hợp năm 1940
CN chế tạo bán dẫn năm 1955
Vật liệu làm lò phản ứng hạt nhân năm 1960
CN chế tạo vật liệu composite sợi năm 1965
Hợp kim nhớ hình năm 1975 ...
1.6 Vai trị c?a v?t li?u
Vật liệu kim loại đã có vai trò quyết định trong tiến hóa của loài người. Hiện nay vật liệu kim loại vẫn còn có tầm quan trọng hàng đầu trong sản xuất cơ khí, giao thông vận tải, năng lượng, xây dựng và quốc phòng.
Chất dẻo – polymer từ giữa thế kỷ này đã trở thành nhóm vật liệu mới, hiện đang đóng vai trò ngày càng quan trọng và chiếm tỷ lệ ngày càng cao trong đời sống hàng ngày cũng như trong thiết bị, máy móc, …
1.6 Vai trị c?a v?t li?u
Vật liệu vô cơ – ceramic có lịch sử lâu đời hơn cả (thời kỳ đồ đá). Trong quá trình phát triển, vật liệu này cũng được phổ biến một cách rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
Vật liệu composite được phát triển rất mạnh trong những năm gần đây. Chắc chắn sự phát triển mạnh mẽ của loại vật liệu này sẽ tạo ra những thay đổi quan trọng trong các ngành công nghiệp đặc biệt là ngành cơ khí.
2. T?ng quan v? v?t li?u Composite
Vật liệu composite là loại vật liệu được tổ hợp ít nhất từ hai loại vật liệu khác nhau và phải có sự tương tác chặt chẽ giữa các thành phần với nhau.
Vật liệu tạo thành phải có tính năng vượt trội hơn các thành phần hợp thành.
2.1 L?ch s? ph�t tri?n c?a v?t li?u composite tr�n th? gi?i
Những vật liệu composite đơn giản đã có từ rất xa xưa.
Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng.
Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu composite từ khỏang 3000 năm trước công nguyên.
2.1 L?ch s? ph�t tri?n c?a v?t li?u composite tr�n th? gi?i
Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những năm 1930
Từ năm 1970 đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và có khi thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu composite".
2.2 L?ch s? ph�t tri?n c?a v?t li?u composite ? Vi?t Nam
Vật liệu composite bắt đầu phát triển từ 1985, trên cơ sở nhựa polyeste không no (UPE) và sợi thủy tinh để tạo một số sản phẩm như cano, ghe xuồng nhỏ mà lúc bấy giờ được xem là một loại vật liệu mới.".
Loại vật liệu bằng sợi thường bằng sợi liên tục đã đuợc triển khai tại Thành Phố Hồ Chí Minh năm 1986, trên cơ sở nhựa UPE và sợi thủy tinh.
2.2 L?ch s? ph�t tri?n c?a v?t li?u composite ? Vi?t Nam
Vật liệu composite thực sự phát triển kể từ 1995 đến nay, kể cả về số lượng và chất lượng.
Công nghệ chế tạo vật liệu composite nhanh chóng phát triển, một số cơ sở như trung tâm nghiên cứu vật liệu polymer ĐHBK TPHCM, trung tâm Khoa học kỹ thuật và Công nghệ Quốc gia… đã nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu composite rất nhiều.
2.3 T? ch?c c?a v?t li?u composite
Composite là vật liệu có tổ chức đa pha mà phổ biến nhất là chúng được tạo nên từ hai thành phần cơ bản là vật liệu nền và cốt.
Cốt: là pha gián đoạn, đóng vai trò tạo nên độ bền cao, mođun đàn hồi cao do đó bản thân cốt phải có độ bền cao, modun đàn hồi cao và phải nhẹ để có độ bền riêng cao.
CỐT
NỀN
Nền là pha liên tục, đóng vai trò chủ yếu sau:
- Liên kết tòan bộ các phần tử cốt thành khối composite đồng nhất.
- Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công composite thành các chi tiết theo thiết kế.
- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng cơ học và hóa học của môi trường
Liên kết giữa nền và cốt
Vai trò các vật liệu thành phần
2.4 Ph�n lo?i
Composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần.
Theo hình dạng: sợi, hạt
Theo bản chất, thành phần: nền hữu cơ, nền kim loại, nền khoáng
2.4 Ph�n lo?i
2.4. Ph�n lo?i
2.4.1. Phân loại theo bản chất của vật liệu nền
Composite nền polymer (h?u co).
Composite nền kim loại
Composite nền (khống ch?t ) ceramic
2.4 Ph�n lo?i
Phân loại theo bản chất nền và thành phần
Composite nền hữu cơ: composite nền giấy (cáctông), composite nền nhựa, nền nhựa đường, nền cao su. Loại nền này thường có thể kết hợp với mọi dạng cốt liệu, như: sợi hữu cơ, sợi khoáng, sợi kim loại.
Vật liệu này chỉ chịu được nhiệt độ tối đa là khoảng 200 ÷ 300°C. Trong nhóm này, phổ biến và thông dụng nhất là Composite nền polyme.
2.4 Ph�n lo?i
Phân loại theo bản chất nền và thành phần
Composite nền khóang chất: bêtông, betông cốt thép, composite nền gốm, composite cacbon - cacbon. Thường loại nền này kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại (Bo, thép...), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua, gốm Nitơ,...).
Trong một số lĩnh vực chuyên biệt đòi hỏi vật liệu phải có tính chịu nhiệt và cơ học cao. Composite nền gốm có đủ ưu thế để sử dụng trong lĩnh vực này.
2.4 Ph�n lo?i
Phân loại theo bản chất nền và thành phần
Composite nền kim loại: nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm... Thường kết hợp với cốt liệu dạng: sợi kim loại (Bo,...), sợi khoáng (cacbon, SiC,...).
Vật liệu này có nhiều ưu điểm như cơ tính cao, làm việc ở nhiệt độ cao, có độ bền nóng cao cũng như tính dẫn điện và dẫn nhiệt rất tốt.
Composite nền kim loại hay nền khoáng chất có thể chịu nhiệt độ tối đa khoảng 600 ÷ 1000°C (nền gốm tới 1000°C).
2.4 Ph�n lo?i
Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc
Vật liệu composite cốt sợi:
Sợi là loại vật liệu có một chiều kích thước (gọi là chiều dài) lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước không gian còn lại. Theo hai chiều kia chúng phân bố gián đoạn trong vật liệu composite, còn theo chiều dài thì chúng có thể ở dạng liên tục hay gián đoạn.
Các sản phẩm composite dân dụng thường là được chế tạo từ loại vật liệu composite cốt sợi, trên nền nhựa là chủ yếu.
2.4.2. Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc
Vật liệu composite cốt hạt:
Hạt là loại vật liệu gián đoạn, khác sợi là không có kích thước ưu tiên. Loại vật liệu composite cốt hạt phổ biến nhất chính là bê tông, thường lại được gọi ngắn gọn chỉ là bê tông.
2.4 Ph�n lo?i
Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc
Vật liệu composite cấu trúc:
Loại cốt hạt và cốt sợi khác nhau ở kích thước hình học của cốt: cốt sợi có tỷ lệ chiều dài trên đường kính khá lớn, còn cốt hạt là các phân tử đẳng trục.
Khái niệm về composite cấu trúc là để chỉ các bán thành phẩm dạng tấm, lớp là vật liệu đồng nhất và composite khác. Trong từng loại cốt: hạt, sợi nền với kích thước khác nhau còn được chia tiếp thành các nhóm nhỏ hơn: hạt thô, hạt mịn, sợi liên tục và sợi gián đoạn,
2.5 C�c uu di?m c?a v?t li?u composite
Giá thành rẻ hơn thép không gỉ.
Tỉ số tính năng cơ lý/giá thành và tỉ số tính năng cơ lý/khối lượng cao hơn sắt thép rất nhiều.
Phương pháp gia công chế tạo đơn giản và đa dạng.
Dễ tạo hình thay đổi, sửa chữa.
Không tốn kém trong bảo quản và chống ăn mòn.
Nhẹ hơn nhôm và chi phí thấp.
2.6 Th�nh ph?n c?a v?t li?u composite
Polymer nền:
Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu.
Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục.
Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền
2.6 Th�nh ph?n c?a v?t li?u composite
Chất độn:
Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thông thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa.
Tính gia cường cơ học.
Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ.
Phân tán vào nhựa tốt.
Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.
Thuận lợi cho quá trình gia công.
Giá thành hạ, nhẹ.
Các thành phần khác:
Chất pha lõang
Chất róc khuôn
Chất làm kín
Chất tẩy bọt khí
Chất thấm ướt sợi
Chất xúc tiến
Chất xúc tác
Chất tăng độ phân tán
Chất ngăn thoát hơi styrene
2.6 Th�nh ph?n c?a v?t li?u composite
2.7 ?ng d?ng c?a v?t li?u composite
Vật liệu gia dụng: bồn tắm, tấm cách nhiệt, cách âm, lavabo, tủ, giường…
Các công cụ dùng trong thể thao, giải trí: cần câu, vợt tennis, ván trượt …
Thủy lợi, giao thông:
Hàng không vũ trụ: thân cánh máy bay, tên lửa, ..
Ống dẫn nước, xăng dầu, nước thải….
Hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng
2.7 ?ng d?ng c?a v?t li?u composite
Vật liệu điện: vi mạch, board mạch có khả năng cách điện, chịu nhiệt, không nhiễu từ, hộp chứa điện..
Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất, tấm panell composite
Hệ thống sứ cách điện, sứ polymer, sứ silicon, sứ epoxy các loại sứ chuỗi, sứ đỡ, sứ cầu giao, sứ trong các bộ thiết bị điện, chống sét, cầu chì.
Thùng rác công cộng.
3. V?t li?u Composite n?n g?m
Nền gốm là nền được xếp vào nhóm vật liệu vô cơ – ceramic.
Vật liệu vô cơ là sự kết hợp của các nguyên tố phi kim với kim loại hoặc giữa các nguyên tố phi kim với nhau. Các nguyên tố chính tạo nên vật liệu vô cơ là kim loại – silic – bo – cacbo – nitơ – oxy
3. V?t li?u Composite n?n g?m
Kim loại, Bo, Silic có thể cùng 5 nguyên tố còn lại tạo nên các Borit, Silicide, Cacbit, Nitơrit và Oxit.
3.1 B?n ch?t v� ph�n lo?i g?m
Gốm và vật liệu nhân tạo có sớm nhất trong lịch sử loài người. Khởi đầu khái niệm gốm được dùng để chỉ vật liệu chế tạo từ đất sét, cao lanh (gốm đất nung).
Về sau được mở rộng bao gồm thêm đồ sứ, các vật liệu trên cơ sở oxyt (ví dụ gốm Al2O3, MgO) và các chất vô cơ không phải là oxyt (ví dụ SiC).
1. B?n ch?t v� ph�n lo?i g?m
Vật liệu gốm có ưu điểm nổi bậc là có độ bền nóng cao, có nhiệt độ nóng chảy cao, tính đàn hồi cao, tỉ trọng nhỏ, độ bền nén cao, trơ hóa học và có tính ổn định cao đối với sự xâm thực.
Tuy nhiên gốm có độ bền kéo, uốn thấp, độ giòn cao, chịu sốc nhiệt kém, độ dai va đập thấp.
Cốt sợi trong Composite nền gốm có thể là dây kim loại, sợi cacbon hoặc sợi gốm.
1.1 Composite n?n g?m c?t s?i kim lo?i
Cốt sợi kim loại sử dụng trong nền gốm thường là sợi W hoặc Mo.
Sợi kim loại không tương tác với nền gốm oxýt cho đến nhiệt độ 1800-25000C. Vì thế Composite nền gốm cốt sợi kim loại được chế tạo bằng phương pháp bột bằng cách ép nóng.
Độ dai và tính chịu nhiệt riêng của Composite tăng lên liên tục cùng với sự tăng hàm lượng sợi.
1.1 Composite n?n g?m c?t s?i kim lo?i
Hàm lượng sợi vượt quá 25% sẽ làm tăng độ lỗ trong vật liệu.
Nền liên kết thường là các gốm oxýt như MgO hoặc Al2O3.
Gốm oxyt có độ tinh khiết hóa học cao (tỉ lệ tạp chất rất thấp) và tỉ lệ pha tinh thể cũng cao (tỉ lệ pha vô định hình rất thấp) để làm vật liệu kỹ thuật có độ bền nhiệt và độ bền cơ học rất cao, có tính chất điện và từ đặc biệt.
1.1 Composite n?n g?m c?t s?i kim lo?i
Có thể chia nền gốm trường hợp này ra 3 loại như sau:
Gốm oxyt trên cơ sở các oxyt có độ nóng chảy cao
Gốm trên cơ sở TiO2
Gốm trên cơ sở Fe2O3 và các oxyt kim loại nặng
1.1 Composite n?n g?m c?t s?i kim lo?i
Gốm oxyt trên cơ sở các oxyt có độ nóng chảy cao
Chúng bao gồm một số loại tiêu biểu sau:
Gốm corindon (Al2O3) ở dạng thù hình α: gốm này có độ bền cơ, bền nhiệt, bền hóa chất rất cao, với nhiệt độ sử dụng khỏang 19000C.
Gốm pesicla (MgO) với nhiệt độ sử dụng cao tới 24000C và có tính kiềm (baz), độ bền cơ, độ bền hóa cao.
1.1 Composite n?n g?m c?t s?i kim lo?i
Gốm oxyt trên cơ sở các oxyt có độ nóng chảy cao
Gốm ziêcona (ZrO2) với nhiệt độ sử dụng cao 23000C.
Gốm spinel (MgO.Al2O3) có nhiệt độ sử dụng cao 19500C, độ bền cơ cao, được sử dụng làm các vật liệu kết cấu chịu nhiệt độ cao trong môi trường kiềm.
1.1 Composite n?n g?m c?t s?i kim lo?i
Bảng 3.1: Cơ tính của Composite nền MgO cốt sợi W hoặc Mo
Vật liệu Composite nền gốm cốt sợi kim loại bị hạn chế sử dụng vì ở nhiệt độ cao tính chịu oxy hóa của chúng bị giảm xuống.
1.2 Composite n?n g?m c?t s?i carbon
Cốt sợi cacbon được sử dụng trong Composite nền gốm do sợi cacbon tương tác với nền gốm xảy ra ở nhiệt độ cao hơn so với cốt sợi kim loại.
Mặt khác sợi cacbon có khả năng làm việc trong môi trường oxy hóa tới 5000C và trong môi trường khí trơ hoặc chân không tới 30000C. Điều đó cho phép sử dụng sợi cacbon làm cốt sợi gia cường hiệu quả cho Composite nền gốm.
1.2 Composite n?n g?m c?t s?i carbon
Điều kiện quan trọng để sử dụng có hiệu quả độ bền cao của sợi Cacbon trong Composite nền gốm là tỷ lệ tối ưu giữa Module đàn hồi của sợi và nền.
Khi thể tích sợi Cacbon chiếm 50-60%, độ bền của sợi sẽ được phát huy đối đa khi En/Es = 0,1. Vì thế để cường hóa cho nền gốm, sợi cacbon cần chọn loại có độ bền cao.
1.2 Composite n?n g?m c?t s?i carbon
Sợi cacbon có thể được làm từ bởi một số người đi trước, nhưng bây giờ nó là sản phẩm chính của PAN (Polyacrylonitrile), nhựa than và tơ nhân tạo. Chúng được bắt nguồn từ độ bền nhiệt lớn và modulus từ các liên kết của liên kết cộng hóa trị, các đáy mặt phẳng của các nguyên tử có mạch cacbon dài theo trục của các sợi. Modulus và độ bền trên các mặt phẳng rất cao, cỡ 100GPa.
1.2 Composite n?n g?m c?t s?i carbon
Nền liên kết có thể là:
Thủy tinh Borosilicat và Alumosilicat có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, bền nhiệt, bền hóa học cao được sử dụng chế tạo dụng cụ hóa học, đo lường, thiết bị hóa học.
Thủy tinh chì silicat có chỉ số khúc xạ cao được dùng chế tạo dụng cụ quang học, phalê.
Thủy tinh SiO2 (thạch anh) trong suốt dùng chế tạo các dụng cụ, thiết bị chịu nhiệt, bền hóa học.
1.2 Composite n?n g?m c?t s?i carbon
Sợi cacbon được kéo, chuốc qua một loại vữa của bột thủy tinh với Probanol sau đó được quấn trên một tang trống cách ra thành từng lớp, sấy khô rồi cho vào khuôn ép.
Tiến hành ép trong chân không hoặc trong khí Arron ở nhiệt độ 1200-13000C với áp lực 3,5-14 MPa ( 35-140kg/cm2).
1.2 Composite n?n g?m c?t s?i carbon
Composite nền thủy tinh Borosilicat cốt sợi cacbon (60%) có thể làm việc lâu dài ở 6000C mà độ bền không thay đổi.
Composite nền thủy tinh Alumosilicat và thủy tinh thạch anh (96% SiO2) còn cao hơn (600-8000C) và 1000 - 11000C tương ứng.
Để nâng cao khả năng chịu oxy hóa người ta phủ một lợp cácbit silic SiC trên bề mặt sợi cacbon với chiều dày 0,26-0,6m. Tuy nhiên khi đó độ bền sợi cacbon bị giảm từ 2-3 lần.
1.2 Composite n?n g?m c?t s?i carbon
Bảng 3.2: Cơ tính của composite nền thủy tinh borosilicat – sợi cacbon
Composite nền gốm cốt sợi cacbon có thể sử dụng để chế tạo các loại bạc trượt chịu nhiệt độ cao trong chân không, các vật liệu chịu lửa yêu cầu giản nở nhiệt nhỏ, chịu sốc nhiệt.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Sợi ceramic ngày càng được chú ý do khả năng cải thiện tính giòn của vật liệu ceramic và công nghệ chế tạo sợi ngày càng hoàn thiện. Thường sợi ceramic có cấu trúc sợi ngắn và còn rất đắt (các sợi carbit silic, nhôm và bor, oxit nhôm .. dài 10-3m với bán kính khỏang 0,1 - 10μm).
Sợi sắp xếp theo một hướng chỉ dùng cho các sản phẩm lực tác dụng theo hướng xác định và hướng sợi. Ngoài ra, các sản phẩm khác thường dùng sợi bện thành dây hoặc có cấu trúc như vải dệt.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Với các vật liệu chịu tải trọng nhỏ, ta dùng sợi ngắn (~50mm) như sợi amiăng, sợi thủy tinh … có chiều dài chuẩn khỏang 0,3 mm; trên 80% sợi có kích thước nhỏ hơn kích thước chuẩn nên rất dẽ gia công.
Trong các dạng sợi ceramic, amiăng là loại sợi tự nhiên có những tính năng vượt trội. Nhưng rất tiếc, vì lý do ảnh hưởng tới sức khỏe con người (bị coi là nguyên nhân gây ung thư phổi) nên loại sợi này không được sử dụng phổ biến nửa).
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Các loại sợi gốm phổ biến như Cacbit, Nitrid, Borid, Silicid. Đây là nhóm vật liệu có nhiệt nóng chảy rất cao và có những tính chất nhiệt vật lý rất đặc biệt. Nhóm hợp chất này còn có tên là vật liệu không oxy, hoặc không có pha thủy tinh, cùng nhóm gốm từ oxýt tinh khiết là những chất có nhiệt độ nóng chảy cao nhất mà chúng ta được biết.
Khác với nhóm vật liệu từ oxýt có liên kết chủ yếu là liên kết ion, liên kết hóa học đặc trưng của nhóm vật liệu này là cộng hóa trị hoặc liên kết kim loại
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Các composite nền thủy tinh như Borosilicat, Alumoborosilicat, Litiborosilicat hoặc hỗn hợp các loại kể trên được gia cường bằng các cốt sợi SiC.
Sợi SiC có thể ở dạng sợi đơn hoặc ở dạng sợi mảnh liên tục với đường kính trung bình từng sợi riêng từ 10-12μm.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
SiC là hợp chất quen thuộc nhất trong các loại cacbit, trong tự nhiên gặp ở dạng bột trắng từ các thiên thạch. SiC có độ cứng cao (độ cứng theo thang Mohs là 9, chỉ thua kim cương), thường dùng làm bột mài.
SiC còn dùng như vật liệu chịu lửa cao cấp. Nhưng ứng dụng được coi là quan trọng nhất của carbit silic liên quan tới tính bán dẫn của nó, SiC được dùng làm detector, các loại điện trở phi tuyến.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Composite nền thủy tinh cốt sợi SiC dạng sợi đơn được chế tạo bằng cách ép nóng các lớp từ các tấm sợi và bột thủy tinh trong môi trường Argon ở nhiệt độ 15150C với áp lực 6,9 MPa.
Composite nền thủy tinh cốt sợi mỏng SiC được chế tạo bằng cách tẩm các sợi mảnh SiC với vữa bột thủy tinh pha với Propanol sau đó sấy và ép nóng chân không hoặc trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ 710 -11000C.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Ngoài ra còn có sợi Si3N4, sợi này được sử dụng trong gốm Si-C: thành phần bao gồm sợi Si3N4 với các ôxít như Al2O3 và cacbit TiC, SiC. Si3N4 có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng cao, cách điện tốt, bền trong môi trường kim loại nóng chảy, acid, kiềm nhưng không bền trong môi trường kiềm nóng.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Sợi Si3N4 là hợp chất thuộc nhóm Nitrid, là các hợp chất có nhiệt độ nóng chảy cao, đặc tính giòn, cứng và chịu môi trường oxy hóa tới 10000C. Si3N4 được coi là vật liệu gốm hứa hẹn trong các vật liệu mới.
Si3N4 có độ dẫn nhiệt tốt, hệ số dãn nở nhiệt rất nhỏ và do đó rất bền nhiệt, độ cứng của Si3N4 tương đương với α- Al2O3, chịu mài mòn rất tốt, chống ăn mòn hóa học của các hợp kim nóng chảy không chứa sắt. Không bị oxy hóa cho tới 12000C và bị phân hủy ở 19000C.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
So với kim loại, Si3N4 giòn hơn, nhưng với những loại vật liệu không có pha thủy tinh thì Si3N4 có độ bền uốn rất cao do có cấu trúc sợi. Gốm trên cơ sở Si3N4 được dùng làm phụ tùng cho turbin khí, dao, phay cắt kim loại, chén nung.
Đây là vật liệu đang được thử nghiệm làm động cơ gốm cho ôtô trong tương lai.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Đặc biệt gần đây người ta đã nghiên cứu chế tạo các động cơ gốm trên cơ sở Si3N4 và các hạt SiC có kích thước nano. Gồm này bền hơn 5 lần, chịu nhiệt độ cao, bền trong môi trường acid, kiềm và siêu dẻo ở 10000C.
Ở Nhật, người ta đã công bố chế tạo được các động cơ diezel hoàn tòan bằng vật liệu gốm (từ vật liệu Si3N4 và một phần ZrO2 ổn định). Trong một tương lai không xa, loại động cơ này có thể được đưa ra thị trường.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Vật liệu gốm thủy tinh nền MgO.Al2O3 và các tinh thể gia cường MgO nhận được bằng phương pháp kết tinh dẫn hướng có độ bền kéo tới 200MPa, giữ nguyên khả năng chịu đựng trong môi trường Oxy hóa tới nhiệt độ 17000C.
Bằng cách đưa hợp chất tạo mầm và chế độ xử lý nhiệt khác nhau người ta có thể điều khiển được tính chất của gốm thủy tinh.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Bảng 3.3: Cơ tính của một số composite nền thủy tinh cốt sợi SiC
Để chế tạo các vật liệu chịu lửa có tính chịu nhiệt cao trên cơ sở MgO người ta sử dụng các râu đơn tinh thể ZrO2 (5-15%) làm cốt gia cường.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Để chế tạo các vật liệu chịu lửa có tính chịu nhiệt cao trên cơ sở MgO người ta sử dụng các râu đơn tinh thể ZrO2 (5-15%) làm cốt gia cường.
Vật liệu là vật liệu chịu lửa khi độ chịu lửa lớn hơn 15200C. Đa số các vật liệu chịu lửa là vật liệu gốm, thành phần vật liệu chịu lửa thuộc nhóm gốm silicat, gốm oxít và gốm không phải oxít.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Một số loại vật liệu gốm chịu lửa điển hình:
Đinat (silica) với thành phần > 93% SiO2. Gạch đinat có tính acid với nhiệt độ làm việc cao (15500C) dùng để xây là coke, vòm lò thủy tinh, các vùng nung trong lò men, một số lò luyện kim).
Samốt là gốm thô hệ Al2O3 – SiO2. Với độ chịu lửa tương đối (~ 14000C) tùy từng loại chúng được dùng trong lò nung cliknke, khí hóa và một số lò luyện kim.
1.3 Composite n?n g?m c?t s?i g?m
Một số loại vật liệu gốm chịu lửa điển hình:
Cao alumin cũng thuộc hệ Al2O3 – SiO2 như samốt nhưng với hàm lượng Al2O3 cao hơn (45 – 95%) nên độ chịu lửa cao hơn (16000C) được sử dụng khi có yêu cầu cao về độ chịu lửa mà samốt không đáp ứng nổi.
Samốt
Cao Al
(80%Al2O3)
2. Tính ch?t m?t s? lo?i s?i c?t gia cu?ng d�ng trong composite n?n g?m
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
1. T?ng quan
C�c kim lo?i nh? nhu magie, nhơm, titan . . . v� h?p kim c?a ch�ng thu?ng du?c s? d?ng l�m n?n cho c�c v?t li?u composite cĩ ch?t lu?ng cao. Nh?ng v?t li?u composite n�y cĩ th? d�p ?ng du?c di?u ki?n l�m vi?c kh?c nghi?t v� ? nhi?t d? cao kho?ng 1500C, 3500C, 5000C, th?m chí l� ? >7000C
M?c d? khĩ khan khi ch? t?o composite n?n kim lo?i l� r?t l?n, vì th? composite n?n kim lo?i khơng du?c ph? bi?n nhu composite n?n polymer.
Nhung v?t li?u composite n?n kim lo?i cĩ m?t s? tính ch?t t?t v� thu?n l?i hon composite n?n polymer, d?c bi?t l� trong linh v?c h�ng khơng, vu tr?.
V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
C�c kim lo?i n?n thu?ng ph?n ?ng hĩa h?c v� l�m cho c�c s?i l�m c?t y?u di trong su?t qu� trình s?n xu?t c? trong qu� trình s? d?ng ? nhi?t d? cao. Xu hu?ng kim lo?i t�c d?ng v?i c�c c?t s?i ph?i du?c gi?i h?n trong ph?m vi tính tuong h?p gi?a kim lo?i v� s?i l�m c?t.
Nhìn chung, chính vì tính tuong h?p n�y m� h?u h�t c�c s?i crematic nhu SiC, Al2O3 v� bosric ( s?i boron t?m silic cacbua ) d?u ph� h?p d? gia cu?ng cho composite n?n kim lo?i.
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Tuy nhi�n s?i carbon cĩ th? gia cu?ng cho composite n?n nhơm ho?c n?n magie, ch? s? d?ng ? nhi?t d? th?p.
N?n kim lo?i cho c�c composite thu?ng l� c�c kim lo?i nh? nhu : nhơm, Magie, berili . . . ho?c c�c kim lo?i ch?u nhi?t cao nhu : titam, niken, niobi . . ., ho?c c�c h?p kim.
Ph? bi?n nh?t l� ngu?i ta hay d�ng n?n h?p kim nhơm, do ch�ng cĩ kh? nang k?t h?p h�i hịa v?i c?t v� d?m b?o t?t nh?ng dịi h?i co l� cung nhu cơng ngh?
www.themegallery.com
Company Logo
Composite n?n kim lo?i
HẠT
Như các hạt Al2O3, SiO2, BN, SiC, Ni…
Cốt
SỢI
sợi kim loại (Bo), sợi khoáng ( Si, C)…
4. V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
2.D?c di?m c?a composite n?n kim lo?i c?t s?i
So v?i composite n?n polymer, composite n?n kim lo?i c?t s?i cĩ nh?ng uu di?m n?i b?t sau :
L�m vi?c du?c ? nhi?t d? cao hon
Khơng b? ch�y
D? c?ng v� b?n theo chi?u ngang cao hon
Khơng h�t ?m
Tính d?n di?n v� d?n nhi?t cao hon
Kh? nang ch?ng b?c x? nhi?t t?t hon
Khơng cĩ hi?n tu?ng b?c hoi trong qu� trình s? d?ng
4. V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
So s�nh v?i v?t li?u kim lo?i, composite n?n kim lo?i cĩ uu di?m :
Composite n?n kim lo?i b?n hon so v?i kim lo?i c�ng t? tr?ng
D? c?ng cao hon so v?i kim lo?i c�ng t? tr?ng
Kh? nang ch?ng m?i t?t hon
Tính d?n nhi?t t?t hon do b?n hon v� c?u tr�c ít l? h?ng hon
H? s? d�n n? nhi?t th?p hon
Kh? nang ch?ng m�i mịn cao hon
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
M?t s? nhu?c di?m c?a composite n?n kim lo?i so v?i composite n?n polymer v� v?t li?u kim lo?i :
Chi phí ch? t?o d?t hon
K? thu?t ch? t?o ph?c t?p,khĩ khan hon
M?c d? s? d?ng gi?i h?n v� ch? du?c s? d?ng trong nh?ng ngh�nh k? thu?t cao
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
3. Composite n?n nhơm
Trong s? c�c composite n?n kim lo?i thì composite n?n nhơm ( Al ) du?c nghi�n c?u ?ng d?ng nhi?u hon c?. Nhơm v� h?p kim nhơm bi?n d?ng t? tr?ng nh?, d? d?o cao r?t thích h?p v?i vai trị l�m n?n li�n k?t.
Nhơm cĩ kh?i lu?ng ri�ng kho?ng 2700kg/m3, nhi?t d? nĩng ch?y g?n 7800C v� tro hĩa h?c v?i ph?n l?n c�c s?i d�ng l�m c?t.
V? m?t cơng ngh?, h?p kim nhơm du?c chia th�nh ba lo?i : bi?n d?ng, d�c v� b?t. Phuong ph�p li�n k?t n?n v?i s?i c?t cung da d?ng : pha c?ng, pha l?ng v� k?t t?a l?ng.
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Phuong ph�p pha c?ng : ngu?i ta thu?ng x?p t?ng l?p n?n nhơm l�n t?ng l?p s?i c?t, sau dĩ li�n k?t ch�ng l?i v?i nhau
Phuong ph�p pha l?ng : dung d?ch nhơm nĩng ch?y du?c d? v�o khuơn c�c c?t s?i d� du?c d?nh d?ng t? tru?c. Qu� trình du?c th?c hi?n trong ch�n khơng hay di?u ki?n bình thu?ng, ho?c gia tang �p l?c.
Phuong ph�p k?t t?a : du?c th?c hi?n b?ng c�ch "tr�t" l�n c�c s?i c?t ( b?ng phuong ph�p hĩa h?c, d�ng khí th?i, di?n ph�n, . . . ) l?p b?t nhơm v� sau dĩ l?p d?y ch�ng v�o nh?ng kho?ng tr?ng gi?a c�c s?i c?t d? t?o th�nh composit
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Nh?ng h?p kim nhơm thu?ng d�ng trong phuong ph�p pha c?ng l� c�c h?p kim chua qua x? l� nhi?t AlMg, AlMn, . . . v?i th�nh ph?n ch? y?u l� magie (Mg) v� mangan (Mn). Nh?ng h?p kim n�y cĩ d? d?o t?t, b?n v?i s? mịn, g?, nhung cĩ d? b?n co h?c khơng cao.
Nh?ng h?p kim cĩ d? b?n co h?c cao l� nh?ng h?p kim d� qua x? l� nhi?t nhu duranhơm (D1,D6, . . . ) v� nh?ng h?p kim nhơm AB, AK, B95.
Nh?ng h?p kim du?c d�ng nhi?u theo phuong ph�p d�c l� silumin (Al,Si), nhung ch�ng ít d?o, cĩ d? b?n va d?p v� d? b?n ch?u nhi?t v� d? b?n ch?u nhi?t th?p.
N?n nhơm cĩ d? b?n nhi?t cao hay d�ng l� v?t li?u lo?i CAP ( nhơm d� du?c thi�u k?t v� du?c b? sung v�o t? 6-20% c�c lo?i b?t oxit Al2O3 ). V?t li?u d?ng CAP ? 5000C cĩ th? gi? du?c d? b?n d?n 120 Mpa.
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
D? ch? t?o composite s?i kim lo?i tr�n co s? n?n nhơm cĩ th? s? d?ng phuong ph�p phun l?a. B?ng phuong ph�p n�y, v?t li?u n?n du?c hình th�nh tr�n co s? s? chuy?n d?i v?i v?n t?c cao c?a nh?ng h?t n?n r?t nh? nĩng ch?y, s? va d?p c?a ch�ng v?i b? m?t s? k?t tinh nhanh. Khi dĩ, n?n th?c ch?t l� t?p h?p nh?ng h?t m?nh c? 2-10 micromet tr�n b? m?t cĩ nh?ng m�ng oxit.
C�c s?i gia cu?ng cĩ th? l�m d�y th�p m�c 12Cr18Ni10Ti, s?i SiO2, s?i bo v� s?i cacbon. composite n?n Al ho?c h?p kim nhơm c?t s?i Bo cĩ d? b?n cao nh?t v� l�m vi?c ?n d?nh trong kho?ng nhi?t d? d?n 300 - 4000C.
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Nh?ng composite n?n nhơm quan tr?ng nh?t g?m :
C?t s?i li�n t?c : boron, silic cacbua, nhơm, graphite
C?t s?i khơng li�n t?c : nhơm, nhơm silicat
D?ng s?i d�i : silic cacbua
D�y l� lo?i composite cĩ uu th? c?nh tranh r?t m?nh v?i composite n?n polymer trong l�nh v?c h�ng khơng vu tr?.
4. V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
4. Composite n?n Magie
Magie v� h?p kim c?a nĩ cĩ d? b?n ri�ng cao, r?t nh? vì th? cung nhu nhơm, nĩ du?c s? d?ng l�m n?n li�n k?t cho c�c composite n?n kim lo?i.
Khi gia cu?ng c�c s?i cĩ d? b?n, mơ dun d�n h?i cao cho ph�p t?o ra c�c v?t li?u k?t c?u v?a nh? l?i v?a cĩ d? b?n ri�ng, d? b?n nĩng v� mơ dun d�n h?i cao.
Ngu?i ta hay d�ng c�c h?p kim Magie m�c MA2-1, MA5, MA8, . . .l�m n?n composite.
C?t s?i gia cu?ng composite n?n magie cĩ th? l� s?i bo, s?i cacbon, d�y th�p d? b?n cao, s?i SiC, d�y titan kim lo?i.
4. V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
D? li�n k?t n?n - c?t trong composite n?n Magie thu?ng s? d?ng phuong ph�p t?m ch�n khơng, d�c �p, d�c li�n t?c, h�m n?, �p ho?c c�n nĩng
Nh?ng composite n?n Magie quan tr?ng nh?t g?m :
C?t s?i li�n t?c : nhơm, graphite
D?ng s?i d�i : silic cacbua
Linh v?c s? d?ng : h�ng khơng vu tr?
4. V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
5. Composite n?n Titan
Titan thu?c nhĩm kim lo?i cĩ nhi?t d? nĩng ch?y cao, d? b?n ri�ng cao hon th�p, nh? hon th�p v� cĩ tính ch?ng an mịn cao. S? d?ng titan l�m n?n cho c�c composite c?t s?i kh�c nhau nhu s?i Mo, B, SiC, Be nh?m m? r?ng nhi?t d? l�m vi?c l�n d?n 700 - 8000C.
N?n titan cĩ tính kh? thi cơng ngh? t?t khi bi?n d?ng nĩng, h�n du?c, cĩ kh? nang gi? du?c d? b?n l�u ( 360 - 1050 Mpa ) ? nhi?t d? cao ( 300 - 4500C ). Tuy nhi�n, nh?ng v?t li?u n�y cĩ bi?n d?ng r?t b� ( th?m chí ? nhi?t d? cao ), vì th? khi ch? t?o composite v?i c�c s?i giịn, nh?t thi?t ph?i s? d?ng co ch? bi?n d?ng d?o ( ? nhi?t d? r?t cao ).
4. V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
K?t h?p n?n titan v?i c�c s?i ho?c c�c d�y kim lo?i nhu Mo, Be s? d?ng phuong ph�p c�n, �p nĩng d?ng v� h�n n?. D?i v?i c�c s?i B v� SiC d? k?t h?p n?n - c?t ngu?i ta s? d?ng phuong ph�p h�n kh?ch t�n ch�n khơng.
Composite n?n titan c?t s?i SiC l?i cĩ modul d�n h?i cao hon c?. Tính ch?u nhi?t v� d? b?n l�u c?a Composite n?n titan c?t s?i Molipden l� cao nh?t.
Nh?ng composite n?n Magie quan tr?ng nh?t l� c�c c?t s?i li�n t?c : silic cacbua, boron
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
6. Composite tr�n co s? n?n Niken v� Coban
L� c�c si�u h?p kim cĩ kh? nang l�m vi?c l�u d�i ? 1000 - 11000C, c�c chi ti?t nhu c�nh, dia tuabin khí l� nh?ng linh v?c quan tr?ng d?c bi?t c?n s? d?ng c�c composite n?n Ni v� Co.
C?t s?i gia cu?ng cho composite n?n niken ho?c h?p kim b?n nĩng niken l� c�c r�u don tinh th? Al2O3, s?i cacbon, s?i W v� s?i Mo.
Phuong ph�p ch? t?o composite n?n niken thơng d?ng nh?t l� k?t t?a niken hĩa h?c ho?c di?n hĩa tr�n c�c c?t s?i. Ngồi ra cung cĩ th? s? d?ng phuong ph�p pha l?ng nhu d�c ho?c h�t ch�n khơng d? li�n k?t n?n c?t
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Composite n?n niken v� c?t s?i l� Al2O3 ho?c cacbon cĩ d? b?n nĩng th?p hon c?a composite n?n h?p kim niken b?n nĩng s?i W ho?c s?i Mo.
D? b?n l�u c?a c�c h?p ch?t composite n?n h?p kim niken b?n nĩng m�c NaSa - 3 - (W-ThO2) v� NaSa - 3 - ( W - Hf - C ) l� cao nh?t.
H?p kim niken b?n nĩng m�c NaSa - 3 cĩ th�nh ph?n 56% Ni, 15% Cr, 25% W, 2% Ti, 2% Al. S?i W - ThO2 g?m 98% W v� 2% ThO2. S?i W - Hf - C cĩ th�nh ph?n 99,644% W, 0,3% Hf, 0,036 C
Cơng d?ng : s? d?ng trong vi?c ch? t?o c�c chi ti?t thi?t b? tuabin khí, d?ng co trong h�ng khơng vu tr?.
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
V?t li?u composite n?n cobal du?c nghi�n c?u v� ?ng d?ng ít hon composite h?p kim b?n nĩng tr�n co s? niken. C�c s?i d�y volfram ho?c molipden du?c l�m c?t s?i cho composite n?n cobal.
Cung nhu composite n?n niken, composite n?n cobal du?c ch? t?o b?ng phuong ph�p pha l?ng ( t?m h�t ch�n khơng ) v� phuong ph�p luy?n kim b?t
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
7. Composite c�ng tinh
T? ch?c c�ng tinh c?a h?p kim bao g?m t? ch?c n?n kim lo?i v� h?p kim xen k? c�c pha trung gian d?ng t?m ho?c d?ng s?i. S? li�n k?t c?a c�c c?t pha trung gian d?ng t?m ho?c d?ng s?i.
S? li�n k?t c?a c�c c?t pha trung gian v?i n?n theo quy t?c c?a composite d� n�u v� do dĩ h?p kim c�ng tinh k?t tinh cĩ hu?ng du?c g?i l� composite c�ng tinh. Pha trung gian cĩ th? l� cacbit ho?c c�c pha li�n kim lo?i nhu TaC, NbS, Al2Ni, CuAl2, . . .
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
D? b?n c?a composite c�ng tinh ph? thu?c v�o t? ch?c c�ng tinh, kho?ng c�ch gi?a c�c t?m ( ho?c s?i ) l� c�c thơng s? cĩ s? ?nh hu?ng l?n d?n d? b?n c?a composite, kho?ng c�ch gi?a t?m c?t pha trung gian c�ng nh? thì d? b?n composite c�ng cao.
T? ch?c c�ng tinh l?i ph? thu?c v�o ch? y?u v�o t?c d? k?t tinh c?a h?p kim c�ng tinh. Ngu?i ta th?y r?ng c�c c?t pha trung gian cĩ d?ng t?m hay s?i ph? thu?c v�o h�m lu?ng tinh th? c?a nĩ trong composite.
N?u h�m lu?ng ph?n tram th? tích c?a c?t pha trung gian nh? hon 32% thì c?t l� c�c d?ng s?i cịn l?i tr�n 32% thì c?t l� d?ng t?m.
4. V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Composite c�ng tinh tr�n co s? niken v� h?p kim c?a nĩ v?i c�c c?t pha trung gian nhu TaC, NbC, NiBe, Ni3Nb, Ni3Ta, CoAl . . . cĩ d? b?n nĩng cao hon r?t nhi?u c�c h?p kim b?n nĩng hi?n d?i.
C�c composite c�ng tinh cĩ n?n cobal ho?c h?p kim Co-Cr cĩ co tính v� d? b?n nĩng r?t cao nhung nĩ b? h?n ch? s? d?ng do chính b?i s? h?n ch? s? d?ng c?a cobal.
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Composite c�ng tinh n?n Al cĩ th? d�ng l�m d�y d?n nhi?t d? b?n cao, cịn c�c composite c�ng tinh n?n niken v� cobal du?c s? d?ng ch? t?o c�nh tuabin d? b?n cao.
Hi?n nay c�c composite c�ng tinh du?c tri?n khai nghi�n c?u m?nh m? trong linh v?c di?n - t? nh?m t?o ra c�c composite cĩ tính d?n di?n v� t? tính d? hu?ng.
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
7. ?ng d?ng
Tham kh?o t?i website
http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/0104/Rawal-0104.html
Tru?c nh?ng dịi h?i r?t cao v? tính chính x�c v� s?c b?n c?a v?t li?u trong vi?c ch? t?o c�c thi?t b? c?a ngh�nh du h�nh vu tr?, D?n ng�y nay, du?ng nhu ch? cĩ composite n?n kim lo?i m?i cĩ th? d�p ?ng du?c nh?ng y�u c?u tr�n.
?ng d?ng d?u ti�n dĩ l� c�c ?ng composite n?n nhơm c?t s?i Boron du?c d�ng l�m khung su?n cho t�u con thoi c?a co quan h�ng khơng M? NASA.
Trong hình 5 mơ t? c?u tr�c th�n t�u con thoi, h�ng tram ?ng Al/B du?c l?p r�p, k?t n?i v?i nhau v� ph?n cu?i s? n?i v?i c�c vịng titanium. Trong ?ng d?ng n�y Al/B d� gi�p NASA ti?t ki?m du?c 45% kh?i lu?ng so v?i v?t li?u l�m b?ng Al thơng thu?ng
Hình 5. Khung th�n t�u con thoi c?a NASA
Khung thân tàu con thoi của NASA
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
?ng d?ng chính c?a composite n?n nhơm c?t s?i grafite l� v?t li?u d? ch? t?o antena c?a kính thi�n van - v? tinh vu tr? ( Hubble Space Telescope ). S?i antena n�y d�i kho?ng 3,6m d�p ?ng du?c c�c y�u c?u v? d? c?ng v� h? s? t?a nhi?t th?p d? cĩ th? ho?t d?ng b?n b? trong khơng gian.
V?i tính ch?t d?n di?n c?c t?t composite Gr/Al d?m b?o cho s? truy?n d?n tín hi?u v� sĩng gi?a dia antena v� t�u vu tr?. Tuy nhi�n cung nhu nh?ng composite n?n kim lo?i kh�c , vi?c ch? t?o Gr/Al l� r?t khĩ v� d?t d?.
Kính thi�n van vu tr? cĩ antenta
du?c l�m t? composite Gr/Al
4.V?t li?u Composite n?n
kim lo?i c?t s?i
Cung gi?ng nhu composite Gr/Al, m?t s? composite n?n kim lo?i c?t s?i kh�c cung du?c s? d?ng cho nhi?u linh v?c kh�c nhau nhu : x�y d?ng, di?n l?c, di?u khi?n nhi?t . . . composite Gr/Al, Gr/Cu cĩ th? d�ng l�m khung c?a c�c thi?t b? ho?t d?ng ? nhi?t d? cao.
Composite n?n nhơm c?t s?i gi�n do?n cĩ th? d�ng l�m t?n nhi?t . . .
C�c ?ng composite Gr/Mg du?c ch? t?o t? quy trình d�c ch�n khơng v� ?ng d?ng th?c ti?n c?a ch�ng
M?t s? ?ng d?ng kh�c c?a composite n?n kim lo?i
www.themegallery.com
Company Logo
Composite n?n kim lo?i-c?t h?t
Trong loại compozit này , các phần tử kích thước nhỏ của các pha khó chảy như oxit , nitrua, cacbua(Al2O3,SiO2,BN,SiC...)được dùng làm cốt trên các nền kim loại thông dụng như Al, Ni, Cu, B…
www.themegallery.com
Company Logo
môdun đàn hồi cao
khối lượng riêng nhỏ
tác dụng yếu với vật liệu nền
giá thành rẻ
Ưu điểm
www.themegallery.com
Company Logo
Vật liệu composite nền kim loại cốt hạt: Al-Al2O3
www.themegallery.com
Company Logo
D�y l� lo?i composite n?n kim lo?i v� c�c ph?n t? c?t h?t nh? m?n (<0,1�m) du?c dua v�o ph�n b? tr�n n?n b?ng phuong ph�p b?t ho?c pha l?ng (d�c).
www.themegallery.com
Company Logo
Hi?n nay ngu?i ta d� nghi�n c?u ch? t?o c�c composite h? h?p kim nhơm - oxit nhơm g?i l� SAAP (sintered aluminum alloy powder ). C�c SAP v� SAAP v?a nh? l?i v?a cĩ d? b?n v� d? b?n nĩng cao, ch�ng l� c�c composite du?c ?ng d?ng nhi?u trong linh v?c h�ng khơng vu tr? .
www.themegallery.com
Company Logo
GIA CƠNG V?T LI?U
COMPOSIT CACBON - CACBON
Composit cacbon - cacbon l� v?t li?u cĩ c�c c?t s?i cacbon tr�n co s? n?n cacbon
Nền cacbon có tính chất cơ lý và nhẹ tương tự như sợi cacbon nên khi kết hợp với sợi cacbon sẽ cho chúng ta một loại vật liệu siêu bền, siêu nhẹ.
Gia cơng th�nh ph?n c?t : S?i Cacbon
S?i cacbon du?c ch? t?o ch? y?u t? ba ngu?n nguy�n li?u chính :
polyacrilonitril (PAN)
t? pec d?u m?, than d�
t? hidratxenlulo (xenlulohidrat)
Gia cơng s?i cacbon t? xenlulohidrat
- Chu?n b? v?t li?u xenlulozo
Qu� trình hĩa xenlulozo du?c x? l� ? nhi?t d? 350 - 400oC
Sau dĩ, ch�ng du?c x? l� nhi?t ti?p ? giai do?n cacbon hĩa di?n ra trong mơi tru?ng nito trung tính v?i nhi?t d? 900 - 1500oC l�m gi�u n?ng d? cacbon v� tang tính co l� c?a s?i
- Qu� trình cacbon hĩa xenlulozo g?m ba giai do?n :
+ Giai do?n 1 : 200-300oC, v?t li?u khơng th? k�o th�nh s?i du?c. Sau kho?ng 30 ph�t, n?ng d? cacbon l�n t?i 50-60%.
+ Giai do?n 2 : 500-1000oC, n?ng d? cacbon l�n t?i 70-85% v� k�o du?c th�nh s?i.
+ Giai do?n 3 : K�o s?i ? nhi?t d? d?n 1500oC, n?ng d? cacbon l�n t?i 90%.
- Qu� trình Graphic hĩa : S?i du?c x? l� ? nhi?t d? r?t c
* Một số tài liệu cũ có thể bị lỗi font khi hiển thị do dùng bộ mã không phải Unikey ...
Người chia sẻ: Bùi Đức Tuân
Dung lượng: |
Lượt tài: 3
Loại file:
Nguồn : Chưa rõ
(Tài liệu chưa được thẩm định)