Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
Lời nói đầu
Vật liệu composite hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật
liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu,
khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ
Những vật liệu composite đơn giản đã có từ rất xa xưa. Khoảng 5000 năm
trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi
làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng. Và điền hình về composite chính
là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập.
Ngày nay trong điều kiện khoa học kỹ thuật phát triển, sản xuất ngày một
nâng cao trình độ, việc phát triển các loại vật liệu mới nhằm phục vụ tốt nhất
cho sản xuất kỹ thuật, dân dụng, … phục vụ nhu cầu con người. Composite là
một loại vật liệu đáp ứng được nhiều yếu tố trong sản xuất. Và khi người ta nhắc
đến “ Vật liệu mới ” tức là đồng nghĩa với vật liệu composite.
Trong quá trình học môn học Vật liệu phi kim em đã được học và tìm hiểu
về vật liệu compostie, thành phần cấu tạo, công nghệ chế tạo,…Sau đây là một
số trình bày sơ qua của em về loại vật liệu này.
Sinh viên thực hiện: Nông Minh Toàn – Động cơ - ĐHBKHN Page 1
Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
PHẦN I
CÁC THÀNH PHẦN CỐT CỦA VẬT
LIỆU COMPOSITE
Các thành phần cốt của composite phải thoả mãn được những đòi hỏi về
khai thác và công nghệ. Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi như yêu cầu
về độ bền, độ cứng, khối lượng riêng, độ bền trong 1 khoảng nhiệt độ nào
đó, bền ăn mòn trong môi trường axit, kiềm… Còn đòi hỏi về công nghệ là
những đòi hỏi về khả năng công nghệ để sản xuất ra các thành phần cốt này.
Hiện nay, thành phần cốt của composite trên cơ sở những cốt thường dùng là
các sở ngắn, các sợi dài đơn, các dạng sợi tết (được tết xoắn gồm nhiều sợi
với nhau), các cốt lưới, vải, các băng dải sợi và các loại bảng với tính năng
cơ lý đã được xác định.

Quá trình một giai đoạn kéo sợi thuỷ tinh thực chất là từ những thành
phần cơ bản như cát thạch anh, đá vôi, axit bor, đất sét, than. Được chọn
theo 1 tỷ lệ hợp lý, sau đó nung nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 1260
o
C.
Dung dịch thuỷ tinh nóng chảy rót trực tiếp vào bộ phận khuôn kéo sợi
được chế tạo từ platin. Dưới áp lực, dung dịch thuỷ tinh chảy qua những lỗ
nhỏ của khuôn đường kính thông thường 0,8 – 3mm và khi qua buồng lạnh
được kéo thành sợi có đường kính từ 3-19µm với vận tốc 20-50m/s.
Sinh viên thực hiện: Nông Minh Toàn – Động cơ - ĐHBKHN Page 3
Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
Sợi thuỷ tinh nhận được như vậy là những sản phẩm sợi thô. Thường
được dùng để xoắn bệnh thành chỉ dệt thành vải cho các công đoạn tiếp theo.
Sợi thuỷ tinh có những ưu điểm nổi trội là giá thành rẻ. Chúng được
dùng rộng rĩa trong sản xuất composite polyme được chế tạo các tầu tải
trọng nhẹ, thuyền xuồng cacno, thuyền buồn thể thao…
2. Sợi bazan
Sợi bazan được chế tạo từ nguyên liệu đá bazan. Đá bazan có nguồn
góc nham thạch do các núi lửa khi hoạt động phan ra rồi kết tinh lại. Các sản
phẩm từ đá bazan có đặc tính cơ lý hoá tốt hơn hẳn so với các sản phẩm
truyền thống là bông sợi thuỷ tinh hoặc amian, không độc hại cho người và
sinh vật.
 Sợi liên tục (chỉ)
 Sợi ngắn
 Bông
Công nghệ sản xuất sợi bazan: Đá bazan sau khi khai thác được phân
loại, chọn lọc và làm sạch rồi tán nhỏ 20-40mm. Sau đó cho vào lò nung và
nung ở 1450-1500
o
. Sau khi đá nóng bỏng, nhờ các vòi phun, bazan lỏng

thao và nhiều sản phẩm khác nữa.
4. Sợi carbon
Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo
thành các lớp liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35 A°. Các nguyên
tử cacbon liên kết với nhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục
lăng, với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42 A°. Sợi cacbon
có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả
năng chịu nhiệt cực tốt.
Sinh viên thực hiện: Nông Minh Toàn – Động cơ - ĐHBKHN Page 5
Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
Sợi cacbon được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế
quốc dân. Với ưu điểm như nhẹ, chịu được nhiệt độ cao (lên đến vài nghìn
độ trong môi trường trơ), hệ số ma sát dãn nở nhiệt thấp, rất bền vững với
nhiều điều kiện khí hậu và các phản ứng hoá học.
Đến nay sợi cacbon chủ yếu được chế tạo từ ba nguồn nhiên liệu chính:
Polyacri Lonitrit, từ dầu mỏ, than đá và từ hidrat xenlulo.
5. Sợi bor
Sợi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học là B), là một dạng sợi gốm thu được nhờ
phương pháp kết tủa. Sản phẩm thương mại của loại sợi này có thể ở các dạng:
dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống,
vải đồng phương.
Việc sử dụng sợi bor dùng làm cốt composite cho phép tăng độ bền,
tăng modun đàn hồi của vật liệu.
Sợi bor có ưu điểm là có độ cứng cao hơn so với một số loại sợi khác.
Modun trượt của sợi bor có thể vượt qua 180Gpa.
Sợi bor thường được dùng trong sản xuất composite trên vật liệu nền
nhôm hoặc polyme.
Sợi bỏ có tính bán dẫn, dùng làm cốt cho composite làm giảm dẫn nhiệt,
dẫn điện.
Nhược điểm của sợi bor là dùng chúng để quốn các chi tiết cá bán kính

Sinh viên thực hiện: Nông Minh Toàn – Động cơ - ĐHBKHN Page 7
Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
Sợi faibec cũng là những đơn tinh thể của titanat vô cơ, nhận được. Từ
sự kết kinh lại các muối từ thể nóng chay. Sợi faibec có độ bền và modun
đàn hồi khá cao và thường được dùng để làm phụ gia gia cường cho chất
dẻo.
9. Cốt vải
Cốt vải là tổ hợp thành bề mặt (tấm), của vật liệu cốt sợi, được thực hiện
bằng công nghệ dệt. Các kỹ thuật dệt vải chuyền thống thường hay dùng là: kiểu
dệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải mô đun cao, kiểu
dệt đồng phương. Kiểu dệt là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi. Kỹ
thuật dệt cao cấp còn có các kiểu dệt đa phương như: bện, tết, và kiểu dệt thể
tích tạo nên vải đa phương.
Các loại vải thường được dệt từ những sợi có modun đàn hồi cao, được
sử dụng rộng rãi làm cốt cho composite phân lớp, quấn các dạng ống
composite.
Theo tên các loại sợi, ta thường thấy có vải sợi cacbon, vải sợi hữu cơ
và vải tổng hợp.
Đặc trưng cơ bản của vải cần biết: Các loại sợi thành phần, kiểu dệt, độ
dày, chiều rộng, khối lượng của mét vuông vải, số sợi và số lượng mắt đếm
trên một đơn vị chiều dài, khối lượng riêng.
Sinh viên thực hiện: Nông Minh Toàn – Động cơ - ĐHBKHN Page 8
Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
PHẦN II
VẬT LIỆU NỀN
Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu
composite.
Yêu cầu về mặt khai thác: Đảm bảo những yêu cầu về cơ lý đối với vật
liệu nền, đòi hỏi nền phải đảm bảo được cho vật liệu composite làm việc
trong những điều kiện khai thác khác nhau, đảm bảo sự đồng đều hiệu quả

thuỷ phân hỗn hợp các mono, di, tri và tetraclositan. Chúng thường là chất
giòn, cứng.
- Nhựa epoxy: Rất nhiều ưu điểm và được sử dụng rất rộng rãi để chế
tạo composite có tính cơ học cao, độ bám dính cao với nhiều loại cốt.
2. Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo.
Nền của vật liệu là nhựa nhiệt dẻo như cá loại nhựa: PVC, nhựa polyetylen,
nhựa polypropylen, nhựa polyamit,
Composite có vật liệu nền trên cơ sở polyme nhiệt dẻo có độ tin cậy
cao, bởi vì mức độ ứng suất dư nảy sinh trong những thời gian ngay sau khi
tạo thành sản phẩm rất thấp.
Nhược điểm chính của vật liệu composite nền nhiệt dẻo là không chịu
được nhiệt độ cao, và khi xử lý công nghệ gặp khó khưan do độ nhớt các
dung dịch nóng chảy khá cao.
- Phương pháp pha lỏng, được áp dụng để chế tạo các bán sản phẩm,
thực chất là trát, tẩm vật liệu nền lỏng các cốt sợi.
Sinh viên thực hiện: Nông Minh Toàn – Động cơ - ĐHBKHN Page 10
Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
- Phương pháp pha rắn thường được dùng để chế tạo các bán thành
phẩm, trong đó pha nền ở dạng bột.
3. Chất liệu nền cacbon
Nền cacbon có tính chất cơ lý tương tự như sợi cacbon, đảm bảo tính
chịu nhiệt độ cao cho composite cacbon-cacbon và khai thác triệt để ưu điểm
các các sợi cacbon trong vật liệu composite.
Picocacbon: Là loại vật liệu đồng nhất đa tinh thể có độ bền nhiệt và
bền hoá rất tốt, một dạng cấu trúc chuyển tiếp của cacbon.
Thuỷ tinh cacbon: Là sản phẩm của quá trình xử lý nhiệt các polyme
lưới, có sự đóng rắn không thuận nghịch khi nung nóng. Thuỷ tinh cacbon
có rất nhiều ưu điểm: Đẳng hướng, có tính không thấm khí, cứng, bền cơ lý
hoá.
Nền cacbon trên cơ sở nhựa pec: Ưu điểm là giá thành rẻ, nguồn nhiên

Độ cứng kéo (nén) EF/L đặc trưng cho tính chất cơ học của thanh trong
miền đàn hồi.
2 loại vật liệu khác nhau 1,2 tỷ lệ các độ cứng:
Sinh viên thực hiện: Nông Minh Toàn – Động cơ - ĐHBKHN Page 12
P
K
1

E
1
. F
1
E
2
. F
2
K
2
=
.
L
2

L
1
(1)
Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
Tỷ lệ khối lượng của 2 thanh được biểu diễn:
Từ (1) và (2) suy ra:
Trong một kết cấu với các chi tiết có kích thước cho trước ta so sánh độ

F
2
. l
2
m
2
=
.
ρ
2

ρ
1
(2)
K
1

E
1
/ρ
1
E
2
/ρ
2
K
2
=
.
m

m
2
K
1

E
1
/ρ
1
E
2
/ρ
2
K
2
=
Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
Ta không thể sử dụng trực tiếp các sợi, vfi đường kính quá nhỏ (10-
20µm). Vì thế cần phải trộn sợi với nhựa (nền) polyme để được vật liệu
composite cốt sợi. Nhựa có chức năng liên kết, bảo vệ và truyền lực cho sợi.
Vấn đề quan trọng là tìm được những vật liệu vừa có modun đàn hồi cao, lại
có khối lượng nhỏ, giá thành hợp lý.
*Bảng cơ tính riêng của một số vật liệu thường gặp:
Modun
E (Gpa)
Ứng suất
phá huỷ
σ
u
(Mpa)

gồm 2 công đoạn là công đoạn chuẩn bị và công đoạn gia công, cụ thể :
1. Công đoạn chuẩn bị
* Chuẩn bị khuôn
- Dùng gỗ thanh dựng thành khung khuôn cứng vững theo bản vẽ thiết
kế. Sau đó cán tấm gỗ dán (hoặc các tấm trên, nhựa) phủ kín bề mặt dùng
matit bả kín mối giáp lại.
- Dùng sáp ong cứng hoà tan trong xăng để tạo lớp chống dính trên bề
mặt khuôn. Dùng chổi quét phủ nhiều lần khi đạt tới độ dày cần thiết, sau
khi khô lớp chống dính ta đánh bóng bề mặt lớp phủ, vì bề mặt này sẽ ảnh
hưởng tới mặt trang trí của sản phẩm.
* Chuẩn bị vật liệu.
- Vật liệu cốt: Định lượng theo tỷ lệ trọng lượng vải làm cốt trên cơ sở
số liệu đã được tính toán thiết kế. Cắt các tấm vải ra thành những miếng vải,
cuộc lại thành từng cuộn nhỏ để sau này dễ trải phẳng trên mặt kuôn, tráng
tạo khí. Xếp các cuộn vải các loại theo vị trí thứ tự sẽ phủ lần lượt từng lớp,
ở gần vị trí khuôn mẫu sao cho dễ vận hành.
- Vật liệu nền: Định hướng theo tỷ lệ trọng lượng nhựa làm chất dính
kết, các chất phụ gia cần thiết. Định lượng chất đóng rắn rồi để riêng ra. Cho
tất cả vật liệu đã được định hướng từ chất đóng rắn vào thiết bị trộn. Trộn
Sinh viên thực hiện: Nông Minh Toàn – Động cơ - ĐHBKHN Page 15
Bài tập lớn vật liệu phi kim Vật liệu Composite
cho các phần vật liệu phân tán đều khắp và thành 1 thể đồng nhất. Trước khi
tiến hành xếp lớp vải cốt ta trộn đều chất đóng rắn vật liệu đồng nhất này.
Định lượng nhựa gel-coat và chất đóng rắn cho nó với bề dày lớp phủ
như trang trí và bảo vệ khoảng 0,4 – 0,5m ta cần khoảng 0,5 kg/m
2
nhựa gel-
coat.
2. Công đoạn gia công.
- Trộn đều nhựa gel-coat với chất đóng rắn.