Chương 2. Khái niệm về vật liệu composit
2-
1

Chương 2
KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU COMPOSIT
2.1. Khái niệm chung
Vật liệu composit là một hệ thống dị thể (không đồng nhất) được chế tạo từ 2 cấu tử
trở lên nhưng vẫn giữ nguyên được đặc tính của từng cấu tử.
Một trong các cấu tử có đặc tính liên tục trên toàn bộ thể tích vật liệu được gọi là
cấu tử nền, cấu tử khác có tính chất gián đoạn, bị phân cách trong toàn bộ thể tích c
ủa hệ
thống được gọi là cấu tử cốt (làm đặc). Cấu tử nền có thể là hợp kim, gốm, polime, vô cơ
và polime hữu cơ. Cấu tử cốt thường là các dạng hạt phân tán mịn, các dạng sợi thiên
nhiên hoặc nhân tạo.
Trong composit, các cấu tử tạo ra hiêu qủa tổng hợp, một chất lượng mới cho vật
liệu khác với các tính chất của cấu tử ban đầu. Trong composit kết c
ấu, đó là hệ số chất
lượng, kết cấu cao, vượt xa thép đến 15 lần. Dưới tác dụng của tải trọng, do tính dị hướng
của composit mà biến dạng hình thành không trùng với ứng suất phát sinh.
Nhờ việc giảm thể tích 4 lần, năng suất nâng cao 2-3 lần, thời gian sử dụng được
nâng cao 2-3 lần. 1 tấn composit về mặt lý thuyết có thể thay được 15-25 tấn thép. Do có
những ưu điểm nh
ư vậy việc sản xuất composit trên thế giới ngày 1 tăng. Những loại vật
liệu xây dựng thuộc composit có thể kể đến là bê tông, bê tông cốt thép, bê tông cốt sợi,
ximăng amiăng, tấm sợi gỗ ép, chất dẻo thuỷ tinh...
Việc xuất hiện tên “composit” có liên quan đến 1 hướng kỹ thuật hoàn toàn mới. Đó
là việc hình thành 1 loại công nghệ chế tạo ra những vật liệu cường độ cao, chủ yế
u dùng
cho các ngành chế tạo máy, máy bay, vệ tinh. Trong tương lai việc tạo ra 1 loại vật liệu
mới cho xây dựng phải gắn liền với lý thuyết và công nghệ của loại vật liệu composit.

composit nền kim loại; composit nền gốm; composit nền ximăng.
Tuỳ theo bản chất của cốt sợi, composit trên 1 loại nền còn được phân ra các loại
khác nhau. Thí dụ, composit trên cơ sở nền polime được phân ra: chấ
t dẻo sợi thuỷ tinh,
chất dẻo sợi kim loại, chất dẻo sợi carbon, chất dẻo sợi hữu cơ v.v...với các loại nền khác
ta cũng có thể đưa ra được các thí dụ tương tự.
Cốt sợi cần phải đảm bảo được toàn bộ các yêu cầu sử dụng và các yêu cầu công
nghệ của composit. Đối với yêu cầu sử dụng thì composit phải thoả mãn về cường
độ, độ
cứng, độ đặc, tính ổn định trong khoảng nhiệt độ nhất định, độ ổn định hoá học.
Cường độ composit tăng với sự tăng của mođun đàn hồi, năng lượng bề mặt các
chất và giảm với sự tăng khoảng cách bề mặt của các phân tử cạnh nhau. Như vậy, những
vật liệu rắn cường độ
cao cần phải có môđun đàn hồi cao, năng lượng bề mặt lớn và số
các phần tử trong một đơn vị thể tích lớn. Những nguyên tử beri, bo, carbon, nitơ, hidrô,
nhôm, silic đều thoả mãn những yêu cầu đó. Vật liệu bền nhất thường chứa một trong các
nguyên tố này.
Để làm cốt thường người ta hay sử dụng các loại sợi: thuỷ tinh, carbon, bo, hữu cơ
cường độ cao, kim loại, c
ũng như các loại sợi và những tinh thể dạng sợi của cacbit, oxit
nitrit và các chất khác. Các cấu tử cốt thường ở dạng sợi đơn, chỉ, sợi dây, dây bện, lưới ,
vải, băng, xơ.
Đối với các yêu cầu công nghệ cốt sợi phải tạo ra khả năng cho quá trình chế tạo
sản phẩm có năng suất cao.
Một yêu cầu không kém phần quan trọng đối với sợi là sự
đồng thời giữa sợi và
nền, có nghĩa là khả năng đạt được mối liên kết bền giữa sợi và nền mà vẫn giữ được tính
chất cơ học ban đầu của các cấu tử.
Vật liệu nền đảm bảo sự toàn khối cho composit, cố định hình dạng của sản phẩm,
và sự xắp xếp tương hỗ của sợi, đồng thời phân b

giữa các hạt với đường kính của chúng, cũng như đặc tính đàn hồi của nền và hạt.
Nếu gọi môđun đàn hồi của composit là E
c
, thể tích của vật liệu nền là V
n
được lèn
chặt bằng thể tích hạt V
h
thì ta có “quy luật phối hợp” như sau:
E
c
= E
n
.V
n
+ E
h
.V
h
(2- 1)
Phương trình này biểu hiện dạng tương đối của môđun đàn hồi. Vì vậy môđun đàn
hồi của composit hạt phân tán phải thoả mãn quan hệ sau:
nh
hn
hn
c
EV
EV
EE
E .

thì:
P = P
s
+ P
n
(2- 4)
Nếu chuyển thành ứng suất, thì sự phân bố ứng suất trong composit sẽ như

sau:
σ
c
=
σ
s
V
s
+
σ
n
(1-V
s
) (2- 5)
Trong giới hạn đàn hồi, theo định luật Húc thì:
σ
c
=
ε
s
E
s

n
=
ε
(2- 7)
Khi xét đến điều kiện toàn khối của composit, phương trình cường độ của composit
sợi R
c
có dạng như sau:
R
c
= [E
s
V
s
+ E
n
(1-V
s
)]
ε
(2- 8)
Do đó môđun đàn hồi của composit E
c
trong trường hợp

này hình thành theo quy
luật phối hợp như sau:
E
c
= E

⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
(2- 10)
Thấy rõ rằng: lực mà sợi tiếp nhận P
s
tăng lên theo mức độ tăng của hàm lượng sợi
(V
s
) và môđun đàn hồi của nó là E
s
. Tương ứng với điều kiện đó là sự giảm tải trọng
truyền lên cho nền (có cường độ nhỏ hơn). Cường độ khi kéo và môđun đàn hồi của sợi
phụ thuộc vào
đ
ường kính của nó.
2.4 Tính toán composit sợi carbon và thuỷ tinh
(Phần này sinh viên tìm đọc các tài liệu của tác giả PGS.TS.Nguyễn Việt Trung Đại
học giao thông vận tải)