Vật liệu composite là gì?

Các bạn thân mến, chắc chúng ta trong cuộc sống thường ngày hay trong công nghiệp đều nghe đến khái niệm vật liệu được làm bằng Composite. Vậy các bạn có biết Composite là gì? Thành phần cấu tạo của nó như thế nào? Vì sao hiện nay người ta lại sử dụng vật liệu này nhiều đến như vậy. Hôm nay Vancongnghiepvn.net xin gửi đến các bạn bài viết về vật liệu Composite này các bạn nhé. Nào cùng tìm hiểu với chúng tôi

Tổng quan về vật liệu Composite

Vật liệu Composite là gì?

Vật liệu composite là sự kết hợp của hai vật liệu có tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Khi chúng được kết hợp với nhau, chúng sẽ tạo ra một loại vật liệu chuyên dụng để thực hiện một công việc nhất định, chẳng hạn như trở nên mạnh hơn, nhẹ hơn hoặc kháng điện. Chúng cũng có thể cải thiện sức mạnh và độ cứng. Sở dĩ chúng được sử dụng hơn các vật liệu truyền thống là vì chúng cải thiện các đặc tính của vật liệu cơ bản và có thể áp dụng trong nhiều trường hợp.

Tên gọi khác của vật liệu Composite:

• Vật liệu tổ hợp
• Vật liệu compozit
•  composite

Lịch sử hình thành và phát triển của vật liệu Composite

Vật liệu Composite đã có lịch sử hình thành từ rất lâu đời, cách đây khoảng hơn 6000 năm. Một điều rất thú vị phải không nào. Đây không phải là dạng vật liệu mới mà từ xa xưa con người chúng ta đã biết tạo ra các vật liệu tổng hợp từ các vật liệu khác nhau để kết hợp lại với nhau

Vật liệu Composite được tìm thấy và phát hiện sớm nhất là các loại rơm rạ kết hợp với bùn để tạo thành các viên gạch xây dựng những bức tường, các nhà khảo cổ học đã tìm ra bằng chứng trên các bức tranh ở lăng mộ Ai Cập cổ đại

Các loại thực vật thân gỗ, gỗ tự nhiên, các loại tre nứa, cây cọ…được sử dụng từ thời tiền sử xa xưa

Khoảng năm 3400 Trước công nguyên, nền văn minh Lưỡng Hà Cổ Đại đã kết hợp dán gỗ ở các góc độ khác nhau

Khoảng năm 2181- 2055 trước công nguyên các loại vải lanh hoặc giấy cói ngâm cùng với Thạch cao được tìm thấy

Các loại gạch bùn lõi cát, hoặc các loại tường bùn sử dụng đất sét với rơm làm chất kết dính đã được sử dụng hàng nghìn năm

Các loại vữa vôi, bê tông được phát hiện sử dụng khoảng năm 25 Trước Công Nguyên. Đến thời Hậu La Mã đến thế kỷ 20 con người tìm ra các loại đá tự nhiên nung tạo ra xi măng làm chất kết dính

Các loại vật liệu Composite với sợi thủy tinh được phát hiện vào năm 1935 bởi Al Simison và Arthur D Little ở Công ty Owens Corning

Vật liệu composite với sợi carbon đầu tiên được cấp bằng sáng chế vào năm 1961, đến khoảng năm 1990, vật liệu tổng hợp bắt đầu ngày càng trở nên phổ biến trong các quy trình sản xuất và xây dựng

Ngày nay có nhiều loại vật liệu Composite đã làm thay đổi ngành công nghiệp và cuộc sống với nhiều tính năng ưu việt mang lại một loại vật liệu có khả năng hỗ trợ và gia cường cho các dòng vật liệu đơn lẻ thường thấy hiện nay

Ví dụ về vật liệu Composite ngoài thực tế

Vật liệu composite dễ thấy nhất và gần gũi nhất với chúng ta đó chính là bê tông. Bê tông là một vật liệu hỗn hợp được tạo thành từ các vật liệu khác nhau gồm có đá, cát, xi măng, nước. Từ các vật liệu này trộn lẫn với nhau tạo thành các mảng bê tông chịu lực tốt và chịu độ nén áp lực cao

Mời bạn tìm hiểu thêm về: van cầu

Tuy nhiên với bê tông thường thì nó không thể chịu được độ kéo nghĩa là khi có lực kéo căng ra nó sẽ có khả năng vỡ vụn là rất cao. Chính vì vậy ngày nay người ta sử dụng thêm cả một lớp thép trong quá trình đúc bê tông và gọi nó là bê tông cốt thép để tăng cường sức chịu đựng kéo của bê tông. Tất các các loại sàn liên quan đến bê tông ngày nay đều sử dụng bê tông cốt thép

Thành phần cấu tạo của vật liệu Composite

Composite nói chung hiện nay được cấu tạo từ 2 thành phần cốt lõi: Vật liệu cốt và vật liệu nền. Chúng ta cùng tìm hiều hai loại thành phần này chi tiết dưới đây

Vật liệu cốt

Vật liệu cốt hay còn gọi là vật liệu gia cường(Tiếng anh gọi là Fiber): Đây là thành phần giúp cho vật liệu tổng hợp có được các đặc tính cơ bản về cơ lý. Về cơ bản hiện nay thành phần của vật liệu gia cường bao gồm có dạng cốt sợi(Dạng ngắn hoặc dạng dài) và dạng cốt hạt.

Chúng ta thường thấy các loại vật liệu cốt cơ bản như sau:

Sợi thủy tinh: Sử dụng các loại thủy tinh kéo sợi được với đường kính rất nhỏ khoảng vài chục Micro mé. Các sợi thủy tinh này khắc phục được các nhược điểm cố hữu của thủy tinh dạng khối như dễ vỡ, giòn, dễ gãy

• Sợi Bazan
• Sợi hữu cơ
• Sợi Carbon
• Sợi Bor: Là một dạng sợi gốm thu được bằng phương phát kết tủa
• Sợi gốm Carbide silic: Thu được trong phản ứng kết tủa
• Cốt vải: Được tạo ra bằng công nghệ dệt
• Một số loại vật liệu Composite phố biến hiện nay

Vật liệu nền

Vật liệu nền(Tên tiếng anh là Matrix) đây là một loại vật liệu pha có chức năng đảm bảo cho các thành phần cốt nền bên trong composite được liên kết với nhau tạo ra một tính nguyên khối và thống nhất cho vật liệu Composite này. Các dạng nền mà chúng ta hay gặp hiện nay gồm có nền nhựa, nền kim loại, nền gốm, nền khoáng

• Vật liệu nền Polyme nhiệt rắn: Nhựa phenol, nhựa turan, nhựa epoxy, amin…Trong ngành công nghiệp Composite thì nhựa Epoxy được sử dụng nhiều nhất . Nó được sử dụng làm vật liệu nền để tạo ta các loại vật liệu Composite có độ bền cao, trọng lượng nhẹ phục vụ cho các ngành như máy bay, tàu vũ trụ, tên lửa…
• Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo: Tiêu biểu của dạng vật liệu nền này gồm có Polyetylen, PVC, nhựa Polyamit
• Vật liệu nền Carbon: Các bon có khả năng chịu được nhiệt độ cao tạo nên vật liệu Composite cacbon
• Vật liệu nền kim loại: Sử dụng nhiều nhất hiện nay gồm có đồng, Niken, nhôm. Các vật liệu nền này có tính đàn hồi cao

Phương pháp chế tạo vật liệu Composite

Vật liệu composite hiện nay được chế tạo bằng nhiều phương pháp. Sau đây chúng tôi xin giới thiệu một số phương pháp phổ biến được sử dụng nhiều nhất hiện nay như sau

Công nghệ lăn tay

Đây là dạng sử dụng tẩm ướp sợi thủy tinh với nhựa lỏng(Có thể được pha hoặc chưa được pha trộn cùng với chất đóng rắn). Đây là dạng công nghệ áp dụng cho các ứng dụng quá lớn, không thể sử dụng được bằng các phương pháp khác như sử dụng làm vật liệu thuyền, thùng xe tải, tàu biển….

Công nghệ phun súng

Đây là kỹ thuật sử dụng cho các ứng dụng quá lớn cũng có thể dùng thay thế cho công nghệ lăn tay. Sử dụng phương pháp này thì các sản phẩm được hoàn thiện với thời gian nhanh hơn. Chúng ta cũng có thể sử dụng công nghệ sản xuất này để sửa chữa nhanh các vật liệu và các ứng dụng

Công nghệ Pulltrusion

Đây là kỹ thuật dùng đẻ sản xuất các sản phảm profile composite bằng cách kéo sợi qua bộ phẩn tẩm ướt nhựa, định hình và đóng rắn. Nguyên liệu sử dụng là dạng thủy tinh sợi roving kết hợp với nhựa nhiệt rắn ở dạng lỏng như nhựa polyester hay nhựa epoxy. Ngày nay kỹ thuật pulltrusion được dùng rộng rãi ở Nhật, Thụy Sĩ, Anh, Đức,… Các sản phẩm của phương pháp này thường có dạng ống hay thanh, được dùng trong kỹ thuật điện và chống ăn mòn. Ngoài ra trên thế giới với những sản phẩm kỹ thuật cao, người ta thường sử dụng các phương pháp gia công tiên tiến và phức tạp hơn.

Công nghệ đúc nén

Công nghệ này sử dụng các loại máy đúc áp lực có gia nhiệt, sử dụng khuôn gồm có đực và cái. Khi sử dụng áp lực và gia nhiệt cho khuôn đúc tạo ra vật liệu Composite

Đây là phương pháp sản xuất hàng loạt các loại chi tiết đúc sẵn, hình dạng chính xác và sử dụng khuôn đúc sẵn. Phương pháp này có nhược điểm là chi phí đầu tư máy móc ban đầu tương đối cao

Công nghệ quấn sợi

Đây là phương pháp sản xuất tạo ra các loại hình dạng như hình trụ, hình cầu. Ngoài ra trong công nghiệp người ta sử dụng phương pháp này để chế tạo ra các bộ phận của tàu vũ trụ, thùng chứa lớn nguyên liệu, động cơ máy bay, cánh trực thăng…

Ngoài ra phương pháp này còn sử dụng tạo ra các đường ống bằng vật liệu Composite chống ăn mòn và khả năng chịu áp lực cao giúp tăng tuổi thọ của hệ thống và giảm đi hư hỏng đường ống khi có áp lực cao

Một số loại vật liệu Composite phổ biến

• Vật liệu composite gốm: Đây là loại vật liệu khắc phục được khả năng chống sốc nhiệt và chống gãy
• Vật liệu Composite kim loại: Sử dụng kim loại khác nhau để tạo nên vật liệu Composite
• Vật liệu bê tông cốt thép: Là loại vật liệu khá quen thuộc trong cuộc sống thường ngày của chúng ta
• Bê tông cốt sợi thủy tinh: Bê tông được đổ theo cấu trúc sợi thủy tinh với hàm lượng Zirconia cao
• Bê tông mờ: Bê tông bao bọc các sợi quang
• Gỗ kỹ thuật: Sử dụng gỗ kết hợp với các loại vật liệu khác có thể thường thấy là các loại gỗ ép
• Sàn gỗ: Khá quen thuộc với chúng ta gồm nhiều mảnh gỗ được ghép lại với nhau
• Gỗ nhựa Composite: Sợi gỗ hoặc bột đúc bằng nhựa
• Sợi thủy tinh: Được sử dụng kết hợp với nhựa
• Polyme gia cố bằng sợi cacbon: Làm tăng độ bền và có khối lượng nhẹ
• Bọt tổng hợp: Vật liệu nhẹ được tạo ra bằng cách lấp đầy kim loại, gốm sứ hoặc chất dẻo bằng các vi cầu. Những quả bóng này được làm bằng thủy tinh, carbon hoặc nhựa

Ưu điểm và nhược điểm của vật liệu Composite

Ưu điểm của vật liệu Composite

• Vật liệu Composite có khối lượng riêng nhỏ, có độ bền cơ học, độ cứng vững và có khả năng uốn kéo cực tốt
• Khả năng chịu được thời tiết khắc nghiệt, không bị ảnh hưởng bởi yếu tố môi trường sử dụng
• Nhiều loại vật liệu Composite có khả năng chịu được cách nhiệt tốt và khả năng cách điện tốt
• Đây là dạng vật liệu có khả năng kháng hóa chất tốt, khả năng chống ăn mòn tốt. Không cần phải sử dụng thêm các phương pháp sơn phủ bên ngoài bảo vệ như các loại vật liệu khác
• Đa dạng về phương pháp chế tạo, dễ dàng tạo hình dạng, thay đổi máu sắc
• Chi phí bảo dưỡng cho vật liệu này cũng tương đối đơn giản và chi phí thấp
• Có khá nhiều cách tạo ra vật liệu này
• Khả năng chịu được nhiệt độ cao ấn tượng có những loại vật liệu Composite có khả năng chịu được lên đến 3000 độ C
• Được sử dụng cho khá nhiều ứng dụng và là một loại vật liệu quan trọng được sử dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp

Nhược điểm của vật liệu Composite

Vật liệu này có khá nhiều ưu điểm và ngày càng được phát triển thêm nhiều vật liệu mới phục vụ cho công nghiệp. Nhưng nó cũng có một số nhược điểm cố hữu của vật liệu này như sau:

• Không có khả năng hoặc rất khó tái chế để sử dụng sau khi hư hỏng hoặc phế phẩm
• Giá thành của các nguyên liệu thô sử dụng kết hợp là tương đối cao
• Phương pháp gia công vật liệu tốn khá nhiều thời gian
• Chất liệu thành phẩm Composite phụ thuộc khá nhiều vào tay nghề của công nhân và kỹ thuật sản xuất tạo nên nó

Ứng dụng của vật liệu Composite

Như chúng tôi đã đề cập ở trên thì vật liệu Composite có từ thời xa xưa, đến ngày nay nó đã được nghiên cứu và phát triển thành công rực rỡ. Chúng tôi xin đưa ra một số ứng dụng phổ biến như sau:

• Sử dụng vào chế tạo vỏ động cơ tên lửa sử dụng trong quốc phòng
• Sử dụng chế tạo vỏ tên lửa, vỏ máy bay hoặc tàu vũ trụ trong ngành hàng không vũ trụ
• Sử dụng chế tạo các loại bình chịu nhiệt độ và áp lực cao
• Sử dụng chế tạo các đường ống dẫn nước trong hệ thống nước sạch, nước thải
• Được ứng dụng vào các vỏ bọc, thùng chứa, thùng hàng…
• Sử dụng làm vật liệu trang trí nhà cửa, sử dụng trong công nghiệp xây dựng
• Ứng dụng làm các loại vật liệu cách điện như sứ cách điện, sứ polyme, sứ Silicon…
• Ứng dụng trong công nghệ sản xuất lốp ô tô, xe máy, xe đạp
• Sử dụng làm vỏ các loại tàu, thuyền thường thấy hiện nay với trọng lượng nhẹ, độ bền cao
• Sử dụng cho các loại xe tăng, xe bọc thép trong quân sự
• Sử dụng làm ống dẫn xăng, dầu, khai thác mỏ chịu áp lực cao
• Sử dụng làm các vật liệu van công nghiệp, các loại van điều khiển điện, van điều khiển khí nén sử dụng vỏ là hợp kim

Trên đây là toàn bộ nội dung bài viết của chúng tôi về vật liệu composite. Đây là loại vật liệu đã được con người tìm hiểu, nghiên cứu phát triển và chế tạo ra nhiều loại vật liệu khác nhau sử dụng cho đa dạng mục đích. Có thể nói vật liệu composite hiện nay đã giúp nâng tầm công nghiệp, giúp con người nâng lên nhiều giới hạn về vật liệu. Nó có thể đáp ứng được nhiều ưu cầu ứng dụng và hiện nay còn được nghiên cứu để tạo ra các loại vật liệu Composite mới phục vụ cho nhu cầu của con người.

Cảm ơn các bạn đã quan tâm, hẹn gặp lại ở các bài viết tiếp theo!!!!!