Những vật liệu tự nhiên hoặc nhân tạo có tính chất vật lý, hóa học khác nhau, kết hợp tạo thành vật liệu mới chuyên dụng có đặc tính đặc biệt như cứng hơn, nhẹ hơn hoặc kháng điện, gọi là Vật liệu Composite, được sản xuất với mục đích sử dụng cụ thể như tăng cường sức mạnh, hiệu quả hoặc độ bền.
Vật liệu Composite, thường là vật liệu rắn, là kết quả của việc hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau, mỗi vật liệu có đặc tính riêng, được kết hợp với nhau để tạo ra một chất mới có tính chất vượt trội hơn so với các thành phần ban đầu trong một ứng dụng cụ thể.
Vật liệu Composite là gì?
Vật liệu Composite là vật liệu được sản xuất từ nhiều vật liệu cấu thành có tính chất lý hóa cơ bản không giống nhau, được hợp nhất để tạo thành vật liệu mới chuyên dụng có các đặc tính đặc biệt như cứng hơn, nhẹ hơn hoặc kháng điện, không giống với tính chất của các vật liệu cấu thành ban đầu.
Trong cấu trúc đã hoàn thành, các yếu tố riêng lẻ của các vật liệu cấu thành vẫn tách biệt và khác biệt, nhưng vật liệu mới được tạo ra có những tính chất hoàn toàn mới. Cần phân biệt vật liệu Composite với hỗn hợp và dung dịch rắn.
Thuật ngữ Tiếng Anh đầy đủ của vật liệu Composite là “Composite material”. Vật liệu Composite còn được gọi là vật liệu tổng hợp, hay ngắn gọn và thông dụng là “Composite”.
Có nhiều lý do khác nhau mà vật liệu mới được ưa chuộng. Ví dụ điển hình bao gồm các vật liệu rẻ hơn, nhẹ hơn, mạnh hơn hoặc bền hơn khi so sánh với các vật liệu thông thường.
Gần đây, các nhà nghiên cứu cũng đã bắt đầu tích cực đưa cảm biến, hành động, tính toán và giao tiếp vào vật liệu tổng hợp, được gọi là vật liệu robot.
Vật liệu Composite thường được sử dụng cho các tòa nhà, cầu và các cấu trúc như vỏ thuyền, tấm bể bơi, thùng xe đua, buồng tắm vòi sen, bồn tắm, bể chứa, bồn rửa và mặt bàn bằng đá cẩm thạch giả, đá cẩm thạch nuôi cấy. Chúng cũng đang được sử dụng ngày càng nhiều trong các ứng dụng ô tô nói chung.
Vai trò của vật liệu Composite
Vật liệu Composite đã đóng một vai trò quan trọng trong suốt lịch sử loài người, từ khi xây dựng các nền văn minh sơ khai cho đến tạo điều kiện cho những đổi mới trong tương lai. Vật liệu tổng hợp mang lại nhiều lợi ích; chìa khóa trong số đó là khả năng chống ăn mòn, tính linh hoạt trong thiết kế, độ bền, trọng lượng nhẹ và sức mạnh. Vật liệu tổng hợp đã thâm nhập vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta như các sản phẩm được sử dụng trong các công trình xây dựng, ứng dụng y tế, dầu khí, giao thông vận tải, thể thao, hàng không vũ trụ… Một số ứng dụng, chẳng hạn như tàu tên lửa, có lẽ sẽ không thể cất cánh nếu không có vật liệu Composite.
Ưu điểm của vật liệu Composite
Ưu điểm lớn nhất của Composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân bố và các vật liệu thành phần đẻ tạo ra một vật liệu mới có độ bền theo mong muốn. Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại chỉ có Composite mới đáp ứng nổi. Ngoài ra, vật liệu Composite còn có một số ưu điểm khác như:
- Khối lượng riêng nhỏ, độ bền cơ học cao, độ cứng vững và uốn kéo tốt.
- Khả năng chịu đựng thời tiết, chống lão hóa, chống tia UV cao, cách điện và cách nhiệt tốt.
- Khả năng kháng hóa chất và kháng ăn mòn cao, không gây tốn kém trong bảo quản, không cần phải sơn phủ chống ăn mòn.
- Gia công và chế tạo đơn giản, dễ tạo hình, tạo màu, thay đổi và sửa chữa, chi phí đầu tư trang thiết bị sản xuất và chi phí bảo dưỡng thấp.
- Tuổi thọ sử dụng cao, thời gian sử dụng dài hơn kim loại, gỗ khoảng 2 – 5 lần.
Nhược điểm của vật liệu Composite
- Khó tái chế, tái sử dụng khi hư hỏng hoặc là phế phẩm trong quá trình sản xuất.
- Giá thành nguyên liệu thô tương đối cao, phương pháp gia công tốn thời gian.
- Phức tạp trong phân tích cơ, lý, hóa tính của mẫu vật.
- Chất lượng vật liệu bị phụ thuộc nhiều vào trình độ của công nhân.
Đặc tính của vật liệu Composite
Hầu hết các Vật liệu Composite – Vật liệu tổng hợp thông thường giống ván ép ở chỗ chúng được chế tạo thành các lớp mỏng, mỗi lớp được gia cố bởi các sợi dài đặt xuống theo một hướng. Những vật liệu như vậy chỉ thể hiện độ bền được nâng cao dọc theo hướng của các sợi. Để tạo ra vật liệu tổng hợp bền chắc theo mọi hướng, các sợi được dệt thành cấu trúc ba chiều, trong đó chúng nằm dọc theo ba trục vuông góc với nhau.
Ứng dụng của vật liệu Composite
Thành phần cấu trúc của Composite có thể bao gồm các sợi làm bằng thủy tinh hoặc cacbon-graphit, “râu” ngắn hơn làm bằng cacbua silic hoặc oxit nhôm, hoặc các sợi vonfram-bo dài hơn. Vật liệu nền có thể là nhựa epoxy hoặc nhựa nhiệt độ cao khác, nhôm hoặc một số kim loại khác, hoặc gốm như silicon nitride. Nhựa gia cố bằng sợi thủy tinh là loại Composite nổi tiếng nhất và được ứng dụng rộng rãi trong cả hàng gia dụng và sản phẩm công nghiệp. Tuy nhiên, vật liệu tổng hợp được sử dụng nhiều nhất trong ngành hàng không vũ trụ, nơi mà độ cứng, độ nhẹ và khả năng chịu nhiệt của chúng khiến chúng trở thành vật liệu được lựa chọn để gia cố động cơ, cánh, cửa và nắp của máy bay. Vật liệu Composite cũng được sử dụng trong vợt và các thiết bị thể thao khác, trong các dụng cụ cắt và trong một số bộ phận của động cơ ô tô.
Các đặc tính đáng chú ý của vật liệu tổng hợp đạt được bằng cách nhúng các sợi của một chất này vào ma trận chủ của chất khác. Mặc dù giá trị cấu trúc của một bó sợi thấp, nhưng độ bền của từng sợi có thể được khai thác nếu chúng được nhúng trong một ma trận hoạt động như một chất kết dính, liên kết các sợi với nhau và tạo độ rắn cho vật liệu. Các sợi cứng truyền đạt độ bền cấu trúc cho Composite, trong khi ma trận bảo vệ các sợi khỏi ứng suất môi trường và tác hại vật lý, đồng thời mang lại sự ổn định nhiệt cho chúng. Sự kết hợp chất nền sợi cũng làm giảm khả năng bị gãy hoàn toàn; nếu một sợi bị hỏng, vết nứt có thể không mở rộng sang các sợi khác, trong khi vết nứt bắt đầu từ một vật liệu nguyên khối (hoặc đơn) thường tiếp tục lan truyền cho đến khi vật liệu đó bị lỗi.
Một số vật liệu Composite phổ biến
Ván ép: Gỗ kỹ thuật bằng cách dán nhiều lớp gỗ mỏng lại với nhau ở các góc độ khác nhau.
Sàn gỗ: Một hình vuông gồm nhiều miếng gỗ ghép lại với nhau thường làm từ gỗ cứng. Nó được bán như một món đồ trang trí.
Gỗ kỹ thuật: Gỗ sản xuất kết hợp với các vật liệu rẻ tiền khác. Một ví dụ sẽ là ván dăm. Một vật liệu đặc biệt như veneer cũng có thể được tìm thấy trong Composite này.
Tre kỹ thuật: Các dải sợi tre được dán lại với nhau để tạo thành một tấm ván. Đây là một Composite hữu ích do thực tế nó có độ bền nén, kéo và uốn cao hơn gỗ.
Gỗ-nhựa Composite: Sợi gỗ hoặc bột đúc bằng nhựa.
Sợi gỗ liên kết xi măng: Các mảnh gỗ đã được khoáng hóa đúc bằng xi măng. Composite này có đặc tính cách điện và cách âm.
Bê tông cốt thép: Bê tông được gia cố bằng vật liệu có cường độ chịu kéo cao như thanh cốt thép.
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.
Gốm ma trận Composite: Gốm được trải ra trong một ma trận gốm. Chúng tốt hơn gốm sứ bình thường vì chúng có khả năng chống sốc nhiệt và chống gãy.
Hỗn hợp ma trận kim loại: Một kim loại trải khắp ma trận.
Bảng điều khiển bánh sandwich: Nhiều loại vật liệu tổng hợp được xếp chồng lên nhau.
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.
Tổ ong tổng hợp: Một lựa chọn các vật liệu tổng hợp trong nhiều hình lục giác để tạo thành hình tổ ong.
Papier-mache: Giấy được kết dính bằng chất kết dính. Những thứ này được tìm thấy trong hàng thủ công.
Giấy tráng nhựa: Giấy được tráng nhựa để nâng cao độ bền. Một ví dụ về nơi điều này được sử dụng trong chơi bài.
Polyme gia cố bằng sợi carbon: Sợi carbon được đặt trong nhựa có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao.
Sợi thủy tinh: Sợi thủy tinh kết hợp với nhựa tương đối rẻ và linh hoạt.
