Vật liệu tổng hợp là gì?

Vật liệu tổng hợp là gì?

Ngày đăng 10/12/2018 Lượt xem 106 Người đăng admin

Thời đại công nghiệp hóa, xã hội phát triển công nghệ 4.0 thì tất cả chúng ta đều đang phụ thuộc vào các loại vật liệu tổng hợp, chỉ khác nhau là ở khía cạnh nào mà thôi. Nhựa gia cường sợi thủy tinh được phát hiện vào những năm 1940 trên thế giới và 2005 ở Việt Nam, nó là dòng sản phẩm tổng hợp hiện đại đầu tiên và phát triển rất mạnh. Hiện nay nó chiếm khoảng 65% tất cả các dòng sản phẩm tổng hợp trên thế giới. Nó được sử dụng làm cano, bể bơi, ghế ngồi, đồ thể thao hay thân xe. Ngay khi bạn đang đọc bài viết này cũng có thể bạn đang dùng một sản phẩm sợi thủy tinh mà bạn không biết đến nó.

Vật liệu tổng hợp được tạo ra thế nào?

Vật liệu tổng hợp nhân tạo.

Vật liệu composite được hình thành do con người kết hợp hai hoặc nhiều vật liệu có tính chất khác nhau. Các vật liệu khác nhau kết hợp với nhau tạo ra vật liệu tổng hợp có tính chất duy nhất của nó là kết hợp các ưu điểm của vật liệu thành cộng lại. Trong hỗn hợp vật liệu tổng hợp bạn dễ dàng phân biệt được các vật liệu thành phần khác nhau đó, chúng không hề hòa tan với nhau

Vật liệu tổng hợp trong tự nhiên.

Trong tự nhiên thì một mảnh gỗ là tổng hợp, các sợi cellulose dài được kết hợp với nhau bở một chất yếu hơn nhiều gọi là lignin. Vậy câu hỏi đặt ra là cellulose cũng được tìm thấy trong bông và vải lanh, sao nó không mạnh mẽ như gỗ. Câu trả lời nằm ở chỗ mà chất liên kết chúng lại trong gỗ.

Vật liệu tổng hợp làm từ bùn và rơm

Tạo ra vật liệu tổng hợp không phải một ý tưởng mới

Bạn cũng như tôi khi nghe vật liệu tổng hợp thì cứ nghĩ đó là một ý tưởng mới, nhưng không phải thế đâu. Thực chất nó là ý tưởng cũ rích từ đời xa xưa để lại rồi. Hàng ngàn năm trước con người đã biết lấy bùn kết hợp với rơm để cho ra sản phẩm tốt hơn. Nếu bạn có một bánh bùn khô mà bạn ép hoặc nén nó lại thì nó rất là mạnh, nhưng nó sẽ rất dễ vỡ nếu như bạn muốn uốn cong nó. Còn các sợi rơm thì rần bền nếu như bạn cố gắng kéo căng, nhưng nó lại gần như không có gì nếu bị vò lên. Khi bạn kết hợp 2 dòng vật liệu này lại với nhau thành một khối, bạn sẽ được một viên gạch có cả 2 đặc tính về độ bền nén và và độ bền kéo.

Tiêu biểu về vật liệu tổng hợp hơn mà bạn không nghĩ ra đâu đó chính là bê tông. Cốt của nó là đá hoặc sỏi được kết với nhau nhờ xi măng cát. Bê tông có cường độ nén rất là tốt, còn độ bền kéo phụ thuộc vào một loại cốt khác đó chính là những thanh kim loại, dây và lưới.

Với sản phẩm nhựa gia cường sợi thủy tinh, thì các sợi thủy tinh được kết hợp với nhau nhờ có nhựa kết dính. Hiện nay sợi thủy tinh thì có thể được sử dụng là sợi thẳng, sợi đan hay dệt thành tấm, hoặc là sợi cắt đoạn để phủ ngẫu nhiên lên nhau như một ma trận.

Tính năng đa dạng của vật liệu tổng hợp

Hiện nay, có rất nhiều vật liệu tổng hợp có nhiều tính năng ngoài tính năng về sức mạnh. Vì những nhu cầu và đặc trưng của mỗi chức năng khác nhau, các vật liệu tổng hợp được thiêt kế để trở thành chất dẫn điện, chất cách điện hoặc là chất có từ tính nhất định.Chúng được áp dụng cho những chuyên ngành khác nhau và trở thành vật liệu quan trọng và hữu ích. Ví dụ: chúng được làm các chi tiết thiết bị điện như bóng bán dẫn, pin mặt trời, máy dò...phủ chống ăn mòn, chống tĩnh điện và nhiều ứng dụng khác.

Các chíp của máy tính được cải thiện nhờ quá trình sản xuất vật liệu tổng hợp tạo ra từ oxit kim loại với kích thước nhỏ hơn và được đóng gói nhiều hơn trong cùng một diện tích. Giúp cải thiện dung lượng cũng như tốc độ bộ nhớ của máy tính. Với công nghệ yêu cầu nhỏ thì vật liệu tổng hợp oxit kim loại đã đáp ứng được, ngoài ra vật liệu tổng hợp từ oxi cũng được tạo ra các đặc tính siêu dẫn nhiệt độ cao và đang được sử dụng trong cáp dây điện.

các kiểu sợi thủy tinh làm cốt thép vật liệu tổng hợp

 Cách tạo ra một vật liệu tổng hợp

Thông thường thì vật liệu tổng hợp được tạo ra từ hai vật liệu. Một là vật liệu kết dích bao quanh kết hợp một cụm sơi hoặc các tấm vật liệu mạnh lại với nhau. Ví dụ: trong gạch bùn thì hai nguyên liệu là bùn và rơm kết hợp với nhau, trong bê tông thì nguyên liệu là xi măng và đá hoặc sỏi... Trong composite mà ở Việt Nam hay gọi thì cốt chịu lực chính là sợi thủy tinh và nhựa làm chất kết dính.

Bản thân các sợi thủy tinh thì rất là mạnh dưới sức căng nhưng lại rất giòn và dễ gãy nếu chúng bị uốn cong nhiều. Nhựa không chỉ giữ các sợi lại với nhau mà còn bảo vệ chúng khỏi bị hư hại bằng cách chi sẻ mọi áp lực lên đều các sợi thủy tinh. Chất kết dính hay còn gọi là ma trận thường là chất lỏng hoặc giữ ở dạng mềm bởi dung môi cho phép chúng thực hiện được các khuôn hình khó. Bất kỳ biến dạng nào của tấp composite là phải kéo dài một số sợi thủy tinh và chúng chống lại điều này, vì vậy ngay cả một tấm mỏng cũng rất khỏe. ưu việt của chúng khá nhẹ, đó là một lợi thế trong nhiều ứng dụng.

Các sản phẩm và ứng dụng của composite sợi thủy tinh tại Composite Việt

Những thập kỹ gần đây, công nghệ phát triển thì nhiều vật liệu tổng hợp mới đã được phát triển và chúng có tính chất rất là giá trị. Bằng cách chọn lựa cẩn thận cốt sợi, chất lượng chất kết dính được cải thiện, quy trình sản xuất được đề cao, các kỹ sư điều chỉnh các thuộc tính để đáp ứng được như cầu cụ thể. Họ có thể tạo ra các tấp composite chịu lực rất cao về một hướng bằng cách căn chỉng các sợi theo hướng đó,nhưng yếu hơn theo hướng khác. Họ cũng có thể tạo ra các thuộc tính của composite khác như khả năng chịu nhiệt, kháng hóa chất, không dẫn điện.

Vật liệu làm chất kết dính (ma trận)

Đối với ma trận thì ngày nay mọi đơn vị sản xuất đều lựa chọn nhựa. Nhựa làm ma trận vật liệu tổng hợp có hai loại chính đó là nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo. Việc sử dụng loại nhựa nào cũng còn tùy thuộc vào công nghệ sản xuất và yêu cầu kỹ thuật đề ra. Trong nhựa nhiệt cứng thì có các dòng nhựa hay dùng orthophthalic, isophthalic, vinylester. Nhựa nhiệt dẻo là  nhựa PA, PB, PVC... Các chất dẻo này giữ cốt thép lại với nhau và giúp xác định tính chất vật lý của các sản phẩm tạo ra.

Nhựa nhiệt rắn là ban đầu chúng là dung dịch lỏng, đông lại khi chúng được làm nóng và trở lên rất cứng. Quá trình này một khi đã được thiết lập thì không thể đảo ngược, các sản phẩm composite được tạo ra không mềm dưới nhiệt độ cao. Những dòng nhựa này cũng chịu sự mài mòn tốt và chống lại tấn công bởi hóa chất, chúng bền trong môi trường khắc nghiệt.

Nhựa nhiệt dẻo thì ngược lại với nhựa nhiệt rắn trong quy trình sản xuất. Chúng cứng khi được làm nguội và dẻo ra khi ở nhiệu độ cao. Mặc dù chúng được sử dụng ít hơn loại nhựa nhiệt rắn, nhưng chúng lại có những ưu điểm đặc biệt riêng như: thời gian sử dụng lâu, sản xuất sạch, sản xuất được các chi tiết nhiều góc cạnh, tái chế được và an toàn hơn vì nó không sử dụng dung môi.

Ngoài ra trong gốm sứ cũng kết hợp với carbon và kim loại để làm ra sản phẩm với mục đích chuyên môn cao. Vidụ, các kỹ sư có thể tạo ra pitông trong bộ máy bằng gốm sứ độ bền nhiệt cao  và chịu được ma sát.

Vật liệu làm cốt thép chịu lực

Sợi thủy tinh là dong sợi được dùng nhiều trong sản xuất composite, giá thành thấp và dễ sản xuất. Chúng có ưu điểm không dẫn điện, không cháy và không bị ăn mòn hóa chuất. Hiện nay trên thị trường Việt Nam có dòng sợi đan và sợi dệt, sợi đan cho một kết cấu tốt hơn về mọi hướng, sợi thẳng đưa đến cho sản phẩm chịu lực kéo tốt hơn. Vật liệu sợi thủy tinh thì có giá thành rẻ hơn so với sợi carbon.

Mặc dù hiện nay thì sợi thủy tinh là dòng cốt sợi phổ biến nhất, nhưng nhiều vật liệu tiên tiến hiện nay lại sử dụng sợi carbon nguyên chất. Carbon nguyên chất có hai loại chính là ống carbon  và than chì (nano than chì). Than chì là một chất rất mềm, bởi đâu mà nó mềm như thế? Bởi chúng được tạo ra từ 6 nguyên tử carbon liên kế với nhau thành hình lục giác. Các liên kết các nguyên tử carbon trong hình lục giác rất mạnh nhưng liên kế giữa các khối nguyên tử lục giác với nhau lại khá yếu, do đó làm cho than chì mềm. Các ống carbon được tạo ra bằng cách lấy một tấm than chì cuộn nó lại thành ống. Điều này tạo ra một cấu trúc cực kỳ mạnh mẽ. Vật liệu tổng hợp sợi carbon nhẹ và mạnh hơn nhiều so với sợi thủy tinh. Trong hai loại carbon thì sợi than chì rẻ hơn sợi ống carbon và chúng dễ sản xuất hơn. Chúng được dùng nhiều trong cấu trúc của máy bay, xe tăng và các thiết bị thể thao với hiệu suất cao. Ngày nay chúng được sử dụng dần thay thế kim loại trong y học để chữa lành xương gãy.

Một loại vật liệu cốt thép chịu lực cao hơn cả sợi carbon lá ợi borom. Chúng còn có lợi thế là chịu nhiệt cao hơn nhiều so với sợi carbon và có chất lượng áp điện. Có nghĩa là chúng có thể tạo ra điện khi áp suất vật lý được áp dụng.

Một loại sơi nữa cũng được sử dụng làm vật liệu gia cố trong vật liệu tổng hợp là polymer. Chúng được dùng khi sợi thủy tinh chưa thịnh hành và ngày nay ít dùng hơn. Ngày nay người tao tạo ra những dòng sợi polymer cao cấp chắc chắn và độ dẻo dai cho hỗn hợp. Nó được dùng sản xuât mũ bảo hiểm hay áo chống đạn. Ngoài ra Polymer còn có ưu việt nhẹ hơn cả sợi carbon nên nó được dùng trong sản xuất composite yêu cầu xây dựng nhẹ.

Vật liệu tổng hợp composite sợi thủy tinh và carbon

Quy trình sản xuất vật liệu tổng hợp

Composite được sản xuất với nhiều quy trình khác nhau như:

  • Composite làm nguội
  • Sản xuất công nghệ cuốn
  • Công nghệ ép nóng
  • Công nghệ chân không
  • Không nghệ đùn...

Xem chi tiết quy trình và cách làm tại : Phương pháp sản xuất composite

Tại sao chúng ta nên dùng vật liệu tổng hợp

Như trên đã nói, ưu điểm nổi bật nhất của vật liệu composite là độ cứng và độ bền kết hợp với độ nhẹ. Bằng cách chọn lựa đầu vào của các nguyên liệu gia cố và ma trận, các kỹ sư cũng như nhà sản xuất có thể tạo ra các thuộc tính phù hợp và chính xác với các yêu cầu đề ra của cấu trúc xây dựng cụ thể.

Ngày nay trong ngành hàng không, quân sự và dân dụng bạn sẽ thấy có nhiều vị trí sẽ kém hiệu quả hơn nếu không dùng vật liệu tổng hợp. Trong công nghiệp với phát triển hiện đại của máy móc thiết bị, thì yêu cầu những vật liệu vừa nhẹ vừa mạnh làm thúc đẩy sự phát triểu của vật liệu tổng hợp. Ngày nay các máy bay thương mại thì các tấm cánh và đuôi đã được thay thế gần như toàn bộ bằng vật liệu tổng hợp. Còn máy bay tư nhân nhỏ thì được làm hoàn toàn từ vật liệu tổng hợp tiên tiến.

Trong mặt phẳng, thì một vết nứt nhỏ trên một mảnh kim loại có thể lan truyền rất nhanh với hậu quả rất nghiêm trọng. Nhưng với vật liệu tổng hợp thì sẽ không thế. Các sợi sẽ găn chặn sự mở rộng của bất kỳ vết nứt nhỏ nào, và chia sẻ lực căng đều ra xung quanh chúng.

Vật liệu tổng hợp rất bền với nhiệt và ăn mòn. Điều này làm cho chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong các sản phẩm tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt như thuyền, thiết bị phòng hóa chất, sàn đi trong các hầm mỏ... nói chung vật liệu composite rất bền.

Một ưu việt nữa của composite là chúng rất linh hoạt trong thiết kế. Vật liệu tổng hợp có thể đúc thành những hình dạng phức tạp hay các chi tiết khó.

Nhược điểm của vật liệu tổng hợp thường là chi phí. Cho dù các quy trình sản xất thường hiệu quả hơn nhưng vật liệu tổng hợp thường sử dụng gnhiên liệu thô đắt tiền. Vật liệu composite sẽ không bao giờ thay thế được vật liệu truyền thống như sắt, gỗ nhưng trong nhiều trường hợp chúng chỉ là thứ yếu mà chúng ta cần. Công dụng của vật liệu tổng hợp ngày càng được phát huy khi công nghệ ngày càng phát triển.

                                                                                                                                                                                                                  Trần Biên