Một số xu hướng hiện đại trong nghiên cứu, ứng dụng vật liệu composite Một số xu hướng hiện đại trong nghiên cứu, ứng dụng vật liệu composite
4.8/5 239 bình chọn

Một số xu hướng hiện đại trong nghiên cứu, ứng dụng vật liệu composite

Hiện nay vật liệu mới phát triển theo các xu hướng sau:

  1. Phát triển vật liệu mới theo công nghệ mới: công nghệ luyện kim bột; vật liệu nano composite; công nghệ nguội nhanh;…
  2. Phát triển vật liệu mới với các tính năng đặc biệt: vật liệu siêu cứng, vật liệu siêu dẻo, vật liệu nhớ hình, vật liệu composite chức năng (hay còn gọi là vật liệu có cơ lý tính biến đổi),….
  3. Thiết kế chế tạo vật liệu với những khả năng mới bằng cách thiết kế và lựa chọn hợp lý cấu trúc và kết cấu bên trong vật liệu.

Thực tế cho thấy vật liệu mới phát triển theo hướng ngày càng vươn tới những vật liệu bền hơn, nhẹ hơn, với các tính năng ngày càng mới mẻ. Có thể nói xu thế phát triển của vật liệu mới thực chất là phát triển các composite mới.

Về mặt công nghệ, người ta phân loại composite theo tính chất của vật liệu nền:

–  Composite nền polyme

–  Composite nền gốm  

–  Composite nền kim loại và các hợp kim

–  Composite cacbon-cacbon ( cả nền và cốt sợi đều là cácbon)

Những năm gần đây còn xuất hiện khái niệm và các nghiên cứu về super-composite: (thành phần của composite  cũng là composite) và nano composite (khi ít nhất một thành phần của composite có cấu trúc nano). Vật liệu chức năng thực chất là vật liệu composite phân lớp, nhưng khác với composite lớp truyền thống ở chỗ tính chất của chúng thay đổi theo chiều dày kết cấu, và thậm chí phụ thuộc vào nhiệt độ. Ngoài ra, người ta còn sử dụng các điều kiện vũ trụ để chế tạo các vật liệu mới trong vũ trụ , ví dụ các kết cấu từ vật liệu composite được nở ra và đóng rắn trong vũ trụ, như các khoang cơ động của phi hành đoàn, các ăng ten vũ trụ,…

Composite polyme hiện nay đã có đặc tính cơ lý cao hơn kim loại, nhẹ hơn kim loại, cách nhiệt, cách điện tốt và rất bền với các tác nhân hoá học và môi trường. Ví dụ như một ống dẫn dầu khí d=100mm, có trọng lượng khoảng 3-4kg/met, và có thể khai thác sử dụng 50-70 năm, trong khi ống thép cùng đường kính và độ dày nặng gấp 4-5 lần, và chỉ khai thác từ 5-10 năm, rất hay bị gỉ.  Vật liệu compsite polyme đang được thay thế cho kim loại chế tạo các chi tiết của thân vỏ máy bay, tên lửa, thân vỏ động cơ, các khung, dầm, vách ngăn của máy bay, tàu vũ trụ và các vật thể bay khác, các mũi nắn dòng và các chi tiết của tên lửa; composite polyme còn được dùng chế tạo các ăng ten, các hệ thống hãm,…thậm chí cả các áo giáp cho cảnh sát và quân đội cũng được làm từ polyme cốt sợi kevlar. Composite polyme còn được ứng dụng làm các ống dẫn dầu khí hoá chất,  thân vỏ và các chi tiết của ô tô, và các thiết bị khác của ngành chế tạo máy.

 

 

 image12

 

Hình 6. Các ống từ vật liệu mới composite đang được lắp đặt dẫn dầu thay cho các ống kim loại.

 

Để nâng cao khả năng cơ lý và giảm trọng lượng vật liệu, xu hướng dùng sợi các bon làm cốt cho composite polyme đang được ứng dụng và phát triển rất rộng rãi. Composite polyme sợi cacbon có hệ số dãn nở nhiệt thấp, độ cứng cao nên được dùng để chế tạo các ăng ten cần ổn định cao về kích cỡ hình dáng trong điều kiện bức xạ không đều. Sợi cacbon tương thích rất tốt với các mô của cơ thể sống, vì vậy composite polyme sợi cácbon còn được dùng chế tạo các thiết bị thay thế trong cơ thể như xương, chất hàn răng, vỏ hộp sọ. Các loại vải cacbon khi băng cac vết bỏng làm cho chúng mau lành , và khi gỡ thay băng rất róc, không gây thương tổn. Loại vải cacbon dùng trong y học đã được các nhà khoa học Việt Nam, phối hợp với các nhà khoa học của Viện NIGRAPHIT (LB Nga) sản xuất và ứng dụng thành công tại Việt Nam.  Những năm gần đây, composite polyme sợi cacbon được dùng để chế tạo các thiết bị thể thao như khung xe đua, mũ cho lái xe và phi công, cán và cánh cung, các loại vợt cao cấp, các loại thuyền buồm thể thao,… Thống kê dưới đây cho thấy ví dụ về hiệu quả của việc dùng composite polyme sợi cácbon (CPSC) cho máy bay tàu lượn AN-124 của Nga:

-Khối lượng sử dụng  CPSC( kg):                                2200

-Số các chi tiết chế tạo từ CPSC ( cái ):                       200

-Giảm được trọng lượng máy bay (kg):                      800

-Tăng hệ số sử dụng vật liệu: (%)                                   85

-Giảm số lượng các chi tiết:(%)                                      120

-Giảm mức độ phức tạp khi chế tạo: (%)                    300

– Tiết kiệm hợp kim nhôm:(kg)                                   600

-Tăng khối lượng chuyển tải ( tấn.km)                       1.106

– Tiết kiệm nhiên liệu:(tấn)                                          1,2.104

            Nhược điểm lớn nhất của composite polyme là khi chế tạo các kết cấu chịu nhiệt độ cao có độ bền không lớn. Việc bổ sung các phụ gia như bột kim loại, bột gốm, bột cacbon,… vào nền polyme đã nâng cao các đặc tính cơ lý như độ bền, độ cứng , độ mài mòn của loại vật liệu composite này.

 

 

 

image13

 

image14

Hình 7: Vật liệu mới composite được ứng dụng để ( theo thứ tự từ trên xuống dưới) chế tạo: thân vỏ tàu vũ trụ; thanh truyền và pittông

 

image15

Hình 8: Composite dùng làm khớp nối vùng bẹn

 

 

image16

Hình 9. Một dạng mới nhất của động cơ tên lửa nguyên liệu rắn được chế tạo bằng vật liệu mới composite theo công nghệ cuốn sợi.

 

       Composite gốm: Việc đưa các cốt sợi như sợi kim loại để chế tạo composite  góp phần làm hạn chế tính giòn của gốm. Hiện nay phát triển rất mạnh xu thế vật liệu composite nền gốm trên cơ sở cốt sợi kim loại và các oxit kim loại, sợi gốm, sợi cácbon. Composite nền gốm là vật liệu có độ cứng cao, bền nén cao, có tính cách nhiệt, cách điện cao , chịu mài mòn cao và trơ hoá học nên được dùng rất phổ biến trong chế tạo máy, và chịu nhiệt độ lên tới 2000-2500oK, như chế tạo các máy lực nguyên tử, các trục đệm chịu nhiệt của các cánh quạt tuabin động cơ, các ăng ten ở mũi các vật thể bay vũ trụ cần phải thu hồi trở về trái đất, mũi nắn dòng tên lửa,…

      Composite kim loại được ứng dụng và phát triển ngày càng mạnh mẽ, mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao trong cơ khí – chế tạo máy. Vật liệu composite kim loại có nền là kim loại hoặc hợp kim, còn phần cốt có thể là kim loại hoặc phi kim loại. Để làm cốt cho composite kim loại hay dùng các sợi có độ bền cao hoặc mođun đàn hồi cao, để làm tăng tính năng cơ lý cho composite. Việc sử dụng nền kim loại hoặc hợp kim cho phép làm tăng độ bền của composite theo phương vuông góc với phương của các sợi cốt, và tăng độ bền trượt, và như vậy composite nhận được có độ bền trượt như của kim loại nền. Composite kim loại có các chỉ tiêu cơ lý cao, và ổn định, bền nhiệt trong khoảng nhiệt độ cao và thời gian lớn hơn nhiều so với nền polyme.

Một ví dụ phổ biến nhất của composite kimloại là  vật liệu nhôm-bor ( nền nhôm cốt sợi bor), được ứng dụng mạnh mẽ trong hàng không. Để minh hoạ chúng tôi lấy ví dụ như ở Mỹ, vật liệu này được sử dụng trong máy bay F-106A, cho phép giảm trọng lượng từ 3,86 tấn xuống còn 2,9 tấn, vì vậy đã tăng được 115% tải trọng hữu ích mà không hề ảnh hưởng đến tốc độ và tầm bay. Ở Nga, vật liệu như vậy được chế tạo lần đầu tiên tại xí nghiệp vật liệu hàng không VIAM, bằng phương pháp hàn khuyếch tán, có ký hiệu BKA-1, trong đó bor chiếm 50% thể tích. BKA có độ bền kéo là 1100MPa và mođun đàn hồi đạt 260 GPa. Việc dùng composite nhôm-bor  trong máy bay IL-62 của Nga cho phép giảm được 17% trọng lượng, trong khi vẫn giữa được các tính năng bay khác, đồng thời nâng được tầm bay xa lên 15% và tăng tải trọng hữu ích lên 20%. Composite nhôm-bor còn được dùng trong các vật thể bay vũ trụ, những nơi tiếp nối các kết cấu chịu nhiệt độ cao, để chế tạo các buồng kín của động cơ, những chi tiết của khung cứng, vỏ, vòng đai chịu lực bao quanh động cơ tên lửa, các ngăn nối của tên lửa đạn đạo.

Vật liệu composite kim loại nhẹ hay dùng sợi cácbon trên nền nhôm. Mặc dù composite nhôm -cacbon có độ bền không cao hơn nhiều so với những hợp kim nhôm tốt nhất, nhưng chúng lại có mođun đàn hồi cao hơn hẳn ( 140-160GPa so với 70GPa) , và nhẹ hơn ( khối lượng riêng 2300kg/m3 so với 2750 kg/m3 ), đặc biệt chúng lại có độ cứng cao gấp 2,5 lần so với các hợp kim nhôm, có độ bền mỏi cao (như titan, thép hợp kim) và hệ số dãn nở nhiệt thấp trong khoảng 293-673oK. Đây là vật liệu lý tưởng để dùng chế tạo các chi tiết chịu tải lực và nhiệt cao, như thân vỏ cánh tuabin, ống xả động cơ máy bay và tên lửa.

Sợi cácbon cũng được dùng làm cốt cho các kim loại nền đồng, chì, kẽm để chế tạo các chi tiết cho ngành cơ khí-chế tạo máy đòi hỏi lâu mòn, hệ số ma sát bé, dẫn điện, chịu nhiệt và có khả năng bảo toàn tính chất cơ lý khi nóng. Ví dụ composite chì-cácbon có độ bền và môđun đàn hồi cao hơn gấp khoảng 10 lần chì thông thường. Điều đó cho phép sử dụng chúng để chế tạo các máy móc trang thiết bị làm việc trong các môi trường bị mòn cao do ma sát, ức chế được dao động âm thanh, hấp thụ được tia gama.

Để chế tạo các ổ trục không cần bôi trơn , vật liệu lý tưởng là các composite không mòn trên cơ sở nền là chì, với các sợi cốt là thép không gỉ hoặc đồng bọc thiếc. Hiện nay, mới nhất có công nghệ chế tạo các composite từ các kim loại trơ (  kim loại không tương tác nhau) nhờ tác động của nhiệt độ và xung điện, tạo ra các composite kim loại dạng đồng-chì-nhôm,…

Composite kim loại nền đồng hoặc bạc, với các cốt vonfram hoặc molipđen có thể dùng để chế tạo các công tắc điện không mòn cho dòng điện mạnh, hiệu điện thế cao.

Composite kim loại nền crom và niken, cốt sợi kim loại phân tán là các oxit nhôm, cũng như các composite kim loại khác với nền là những hợp kim bền nhiệt và cốt là các sợi kim loại khó nóng chảy là những vật liệu lý tưởng để chế tạo các chi tiết máy bền nhiệt của động cơ tuabin khí.  Composite kim loại giữ vị trí rất quan trọng trong công nghiệp và quốc phòng.

Đánh giá danh mục
4.8 (239 votes)

Tin tức liên quan

    Phụ gia trong thi công Composite FRP

    1.Chất pha loãngTính chất cuả polyester phụ thuộc không những vào hàm lượng nối đôi và nhóm ete, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ mà còn phụ thuộc vào tính chất cuả...

    Khái niệm về vật liệu mới composite

    Compsite là vật liệu được tổng hợp nên từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt và bền hơn so với các vật liệu ban đầu. Vật liệu composite ...

Đăng ký nhận tin
12345qwerty