Chương 8: Vật Liệu Composite

1. Mục Tiêu

Sau khi hoàn thành chương này, người học có thể:

  • Trình bày được khái niệm và nguyên tắc cơ bản của vật liệu composite.

  • Phân loại được vật liệu composite theo vật liệu nền (matrix) và vật liệu cốt (reinforcement).

  • Mô tả được các tính chất ưu việt của vật liệu composite so với vật liệu truyền thống (kim loại, polymer đơn lẻ).

  • Nêu tên và giải thích được ứng dụng của một số vật liệu composite thường dùng trong lĩnh vực nhiệt - lạnh.

2. Nội Dung Chương

2.1. Phân loại Vật liệu Composite

Vật liệu Composite (Vật liệu tổng hợp) là vật liệu được tạo thành từ sự kết hợp của hai hay nhiều vật liệu có tính chất vật lý và hóa học khác nhau, tạo ra vật liệu mới có những đặc tính ưu việt mà các thành phần ban đầu không có được.

Cấu trúc Composite gồm hai thành phần chính: Vật liệu nền (Matrix) và Vật liệu cốt (Reinforcement).

2.1.1. Phân loại Vật liệu Composite

Vật liệu composite được phân loại chủ yếu dựa trên vật liệu nền và hình dạng của vật liệu cốt.

Phân loại theo Vật liệu NềnĐặc điểm và Ví dụ
Composite nền Polymer (PMC)Nền là nhựa (Polymer) như Epoxy, Polyester, Vinyl Ester. Nhẹ, chống ăn mòn tốt.
Composite nền Kim loại (MMC)Nền là Kim loại (ví dụ: Nhôm, Titan). Độ bền và độ cứng cao ở nhiệt độ cao.
Composite nền Gốm/Sứ (CMC)Nền là Gốm/Sứ. Chịu nhiệt và chống ăn mòn cực kỳ tốt.
Phân loại theo Vật liệu CốtĐặc điểm và Ví dụ
Composite cốt Sợi (Fibrous)Cốt là Sợi (Fiber) như sợi Thủy tinh (GFRP), sợi Carbon (CFRP), sợi Aramid.
Composite cốt Hạt (Particulate)Cốt là Hạt, Bột (ví dụ: hạt cacbua silic trong nền kim loại).
Composite cốt Lớp (Laminar)Cấu trúc lớp xen kẽ của các vật liệu khác nhau (ví dụ: gỗ dán, vật liệu Sandwich).

2.1.2. Tính chất của Vật liệu Composite

Sự kết hợp thông minh giữa vật liệu nền và vật liệu cốt mang lại các tính chất ưu việt sau:

  1. Độ bền riêng cao: Tỉ lệ giữa độ bền và khối lượng riêng rất lớn (nhẹ nhưng rất bền).

  2. Độ cứng vững cao: Khả năng chống biến dạng tốt hơn so với vật liệu kim loại có cùng trọng lượng.

  3. Khả năng Chống ăn mòn: Đặc biệt là composite nền Polymer, có khả năng chống lại hóa chất và môi trường ăn mòn (axit, bazơ, muối).

  4. Tính cách nhiệt và cách điện: Nhiều loại composite (đặc biệt là cốt sợi thủy tinh, nền polymer) có độ dẫn nhiệt và điện rất thấp.

  5. Khả năng chịu mỏi tốt: Chống lại sự phá hủy do ứng suất chu kỳ lặp lại.

  6. Tính định hướng: Có thể thiết kế để vật liệu có các tính chất cơ học khác nhau theo các hướng khác nhau (Anisotropy).

2.2. Một số Vật liệu Composite Thường dùng trong lĩnh vực Nhiệt - Lạnh

Trong lĩnh vực Nhiệt - Lạnh, vật liệu composite được sử dụng để giảm trọng lượng, tăng độ bền cơ học, và quan trọng nhất là chống ăn mòn và cách nhiệt/ẩm.

Tên Vật liệuThành phần chínhĐặc điểm Ứng dụng trong Nhiệt - Lạnh
Composite Sợi Thủy tinh nền Polymer (GFRP/FRP)Sợi thủy tinh trong nền nhựa Polyester/Epoxy.* Bể chứa hóa chất lạnh: Chống ăn mòn hóa chất (axit, bazơ). * Tháp giải nhiệt (Cooling Tower): Chịu được môi trường nước và hóa chất xử lý nước, nhẹ, không bị gỉ sét.
Panel Sandwich (Laminar Composite)Hai lớp tôn/nhôm (cốt) kẹp giữa lớp cách nhiệt PU/EPS (nền).* Vách/Mái kho lạnh: Kết hợp độ bền cơ học của kim loại và khả năng cách nhiệt tuyệt vời của lõi xốp. * Ống gió cách nhiệt: Giảm tổn thất nhiệt trong hệ thống điều hòa.
Composite cốt Carbon (CFRP)Sợi Carbon trong nền Epoxy.* Cánh quạt công suất lớn: Rất nhẹ, rất bền, giảm tải cho động cơ. * Các bộ phận chịu nhiệt độ cao: (Trong lĩnh vực nhiệt) Chịu được nhiệt độ cao hơn GFRP.
Composite Nền Gốm (CMC)Sợi/Hạt Gốm trong nền Gốm.* Lò nung/Lò hơi: Sử dụng ở nhiệt độ cực cao, chống xỉ ăn mòn (thường là lĩnh vực Nhiệt).