Vật liệu tổng hợp là gì ?

Vật liệu composite được tạo thành từ hai hoặc nhiều vật liệu có tính chất hóa học và vật lý khác nhau. Vật liệu composite được sử dụng để tăng cường tính chất của vật liệu cơ bản. Vật liệu composite mang lại những lợi ích đáng kể về nhiều mặt hiệu suất vật liệu, vượt trội hơn các vật liệu đơn và đặc biệt là sử dụng độc lập các thành phần cấu thành. Hầu hết các vật liệu composite nhân tạo kết hợp các sợi có độ bền kéo cao, linh hoạt với một ma trận tạo thành các sợi thành một cấu trúc cứng có được độ bền nén của vật liệu ma trận. Kết quả là một vật liệu kết hợp được hưởng lợi từ độ bền kéo của sợi gia cường, độ bền nén của ma trận và độ bền uốn của sự kết hợp của chúng để tạo ra một vật liệu kết quả chắc, cứng, cứng và chịu được uốn cong.

Vật liệu tổng hợp được sản xuất như thế nào

Các phương pháp sản xuất vật liệu composite rất đa dạng. Các vật liệu chính thường được mô tả là vật liệu composite là sợi thủy tinh, carbon và sợi Kevlar, liên kết với nhựa. Trong trường hợp sợi carbon, các sợi được tẩm trước bằng nhựa polyester, vinyl este, polyurethane hoặc epoxy hoạt hóa bằng nhiệt (prepreg). Các tấm vải dệt mềm (roving) được trải lên khuôn và chịu áp suất. Sau đó, chúng được nung nóng để kích hoạt nhựa, nhựa này sẽ hóa lỏng trước, làm ướt tất cả các sợi, sau đó đóng rắn thành kết quả cứng, dai.

Tính chất của vật liệu composite

Tính chất của vật liệu composite cũng đa dạng như phạm vi vật liệu nằm trong phân loại này. Trong điều kiện lý tưởng, các tính chất kết quả của vật liệu composite là:

1. Tỷ lệ sức bền/trọng lượng cao.
2. Khả năng chống va đập.
3. Độ ổn định về mặt hóa học/môi trường.

Tính chất hóa học của vật liệu composite

Vật liệu tổng hợp thường được tạo ra bằng một ma trận cứng của nhựa epoxy hoặc một ma trận ít cứng hơn nhưng vẫn cứng của một loại polyme nhiệt dẻo. Thành phần này thường mang lại các tính chất hóa học chính sau đây cho vật liệu thu được:

1. Có thể được thiết kế để có độ ổn định hóa học rất cao. Việc lựa chọn vật liệu nền và lựa chọn sợi gia cố không thấm nước và không hút ẩm đảm bảo khả năng phục hồi môi trường.
2. Nói chung có khả năng chống ăn mòn/ chống chịu với nhiệt độ cao.
3. Độ dẫn điện và dẫn nhiệt có thể được thiết kế ở bất kỳ cấp độ nào, từ chất cách điện có điện áp đánh thủng cao đến độ dẫn điện trung bình, bằng cách sử dụng các chất phụ gia và vật liệu gia cố thích hợp.
4. Khả năng chống cháy hoặc chống cháy chậm của vật liệu composite cũng là một đặc tính thiết kế có thể được kiểm soát chặt chẽ.

Tính chất vật lý của vật liệu composite

1. Độ bền kéo của hầu hết các vật liệu composite đều gần bằng hoặc vượt quá độ bền kéo của vật liệu gia cố. 
2. Cường độ nén tương tự hoặc vượt quá cường độ nén của vật liệu nền. Điều này bất chấp thực tế là phần lớn vật liệu composite là chất gia cường chứ không phải nền.
3. Độ bền uốn thường vượt xa khả năng chịu kéo của vật liệu nền, vì tải trọng kéo của lực uốn được truyền đến thành phần gia cố và tiêu tán mà không bị gãy.
4. Độ dẫn điện hoặc dẫn nhiệt.
5. Khả năng chống mài mòn.
6. Giảm trọng lượng/mật độ.
7. Tính chất từ ​​tính.
8. Tính chất quang học.
9. Khả năng chống sốc.
10. Khả năng chống mỏi và biến dạng.

Các loại vật liệu tổng hợp

1. Vật liệu nanocomposite

Nanocomposite vừa là vật liệu nhân tạo vừa là vật liệu tự nhiên. Chất gia cường thường là vật liệu nano như ống nano carbon hoặc graphene được thêm vào ma trận polyme hoặc hạt nano silicon được thêm vào thép để tạo ra sự phát triển tinh thể mịn. Trong một số ứng dụng, canxi cacbonat hoặc talc cũng có thể có hiệu quả trong việc làm cho polyme cứng hơn và chắc hơn.

Vật liệu nanocomposite điển hình sử dụng phụ gia vật liệu nano để tăng cường độ bền, độ cứng và các đặc tính khác như độ dẫn điện hoặc dẫn nhiệt cho ma trận polyme. Các ví dụ về vật liệu nanocomposite tự nhiên là xương và vỏ. Vật liệu nano gây ra những rủi ro đáng kể cho sức khỏe trong một số trường hợp, do đó việc sản xuất những vật liệu này có thể là một thách thức.

2. Vật liệu composite nền kim loại (MMC)

MMC sử dụng ma trận kim loại như nhôm hoặc magiê và chất gia cường sợi có độ bền cao ở dạng hạt hoặc dạng sợi. Chất gia cường thường là các hạt sợi carbon hoặc silicon carbide. Điều này tạo ra các đặc tính độc đáo vượt ra ngoài giới hạn của thành phần kim loại cơ bản, bao gồm độ bền và độ cứng tăng lên, khả năng chịu nhiệt độ cao trước khi bắt đầu yếu đi, khả năng chống mài mòn được cải thiện và hệ số giãn nở nhiệt giảm. 

MMC được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ và các ứng dụng ô tô khắc nghiệt, mang lại độ bền cao và trọng lượng thấp. Chúng cũng được sử dụng trong thiết bị điện tử, thiết bị y tế và đồ dùng thể thao. Việc xử lý MMC khó khăn hơn hầu hết các loại vật liệu composite khác vì nhiệt độ cao và khó khăn trong việc phân phối chất gia cường đồng đều là thách thức.

3. Vật liệu tổng hợp ma trận polyme (PMC)

PMC là dạng vật liệu composite phổ biến và dễ hiểu nhất. Thuật ngữ này bao gồm việc xếp thủ công các loại vải sợi carbon và sợi thủy tinh và các loại nhựa epoxy và polyester thủ công, ngâm hoặc tẩm trước tạo thành ma trận. Các vật liệu này mang lại nhiều lợi ích bao gồm độ cứng và độ bền cao (so với trọng lượng của bộ phận), khả năng phục hồi nhiệt, hóa học và cơ học tuyệt vời và khả năng chống mài mòn. Mặt khác, PMC đòi hỏi lao động có tay nghề cao, dẫn đến chi phí cao hơn, mặc dù chi phí này thường không quá cao đối với các ứng dụng cần kết quả có độ bền cao.

PMC được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, ô tô, hàng hải và đồ dùng thể thao, được hưởng lợi từ trọng lượng nhẹ, độ bền cao và độ cứng. Sản xuất PMC liên quan đến các phương pháp lắp ráp như xếp thủ công và quấn sợi, có thể chậm. Cần kiểm soát chính xác quá trình lưu hóa để đạt được các đặc tính vật liệu lý tưởng.

4. Polyme gia cường sợi thủy tinh (GFRP)

GFRP là một tập hợp con của vật liệu composite ma trận polyme, dành riêng cho vật liệu sợi thủy tinh liên kết epoxy và polyester. Sợi thủy tinh có thể ở dạng sợi cắt nhỏ, mang lại một mức độ cường độ dị hướng cho các cấu trúc bằng cách định hướng hỗn hợp các sợi. Chất gia cố cũng có thể bao gồm sợi roving cắt nhỏ (hoặc vải), tạo ra một quy trình có trật tự hơn nhưng ít phù hợp hơn với các thành phần khối vì tất cả các sợi đều được đặt trên một mặt phẳng. Sợi roving dệt cải thiện chất lượng xếp lớp và có thể mang lại cường độ lớn hơn, với một mức giá.

5. Vật liệu tổng hợp lai

Vật liệu composite lai là vật liệu mà hai hoặc nhiều sợi gia cường khác nhau được tích hợp vào vật liệu cuối cùng. Đây có thể là sự kết hợp của sợi thủy tinh và sợi carbon trong một lớp xếp chồng—để tăng khả năng chống va đập hoặc lý do thẩm mỹ. Người ta thường sử dụng lưới hoặc sợi titan trong sản xuất vợt cho các môn thể thao bóng để cải thiện hiệu suất kéo và uốn. Những vật liệu này có thể là một thách thức, vì các vấn đề về khả năng tương thích có thể ảnh hưởng đến hành vi của vật liệu—ví dụ, một sợi có thể liên kết tốt hơn với ma trận so với sợi kia. Cần phải thử nghiệm đáng kể để xác nhận giá trị hoặc tính khả thi của ma trận lai. Chúng có cùng ứng dụng với PMC, nhưng chi phí cao hơn hạn chế việc sử dụng chúng.

6. Vật liệu tổng hợp nền gốm (CMC)

CMC bao gồm một ma trận gốm và sợi gia cường. Ma trận gốm cung cấp khả năng chống ăn mòn và nhiệt độ cực cao và các đặc tính chống mài mòn tuyệt vời. Nhưng gốm thường giòn khi không được gia cường. Việc bổ sung silicon carbide, alumina hoặc sợi carbon có thể chống lại độ giòn để tạo ra vật liệu hữu ích hơn.

CMC được sử dụng để chế tạo cánh tua bin khí, các thành phần tên lửa/hàng không vũ trụ chuyên dụng và bộ trao đổi nhiệt. CMC rất đắt và chúng vẫn khá giòn, điều này hạn chế việc sử dụng chúng. Tuy nhiên, đây là lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu và các đặc tính đang được cải thiện.

7. Vật liệu tổng hợp sợi tự nhiên (NFC)

Có xu hướng ngày càng tăng về việc sử dụng sợi tự nhiên trong sản xuất vật liệu composite, để giảm tác động môi trường của việc sử dụng vật liệu. Các sợi tự nhiên như đay, lanh, bông và gỗ được sử dụng theo nhiều cách khác nhau. Các tấm nội thất ô tô thường được làm từ sợi tự nhiên liên kết bằng nhựa được đúc nén để tạo hình và sau đó được bọc bằng nhựa hoặc da để tạo bề mặt cuối cùng. Sợi gỗ được thêm vào polyme để tạo sợi tạo mẫu nhanh FDM/FFF , để cải thiện độ bền và tạo hiệu ứng gỗ. Ván trượt sử dụng rộng rãi vật liệu gia cố bằng sợi tự nhiên, thường là trong ma trận nhựa polyester.

8. Polyme gia cường sợi carbon (CFRP)

CFRP là một tập hợp con khác của vật liệu composite ma trận polyme, dành riêng cho sợi carbon liên kết bằng epoxy và polyester. Đối với mục đích xếp thủ công, sợi carbon thường được sử dụng làm sợi dệt, với nhiều kiểu dệt khác nhau được sử dụng cho nhiều loại tải và phân phối ứng suất khác nhau. Các sợi được tẩm trước bằng nhựa hoạt hóa nhiệt, do đó, vải mềm được xếp thành từng lớp rồi nén và nung để hóa lỏng rồi làm đông nhựa để tạo ra kết quả cứng và dai. Sợi carbon cũng có thể được kéo đùn bằng nhiều loại polyme để tạo ra các đoạn CFRP liên tục trong các phần phức tạp. 

9. Polyme gia cường sợi Aramid (AFRP)

AFRP là một tập hợp con khác của vật liệu composite ma trận polyme sử dụng aramid làm chất gia cường. Vật liệu composite sợi aramid được sử dụng trong các ứng dụng có tác động lớn nhất. Aramid thường được sử dụng làm vải dệt được tẩm trước bằng nhựa epoxy và polyester thích hợp, để được xử lý theo sợi carbon/thủy tinh. Một vật liệu composite gia cường aramid khác là vật liệu dạng tổ ong giấy/aramid được sử dụng trong các tấm sàn có cấu hình thấp trong ngành hàng không—được phủ nhiều lớp bằng các tấm nhôm và liên kết epoxy, đây là vật liệu composite lai có giá trị cao điển hình.

10. Vật liệu tổng hợp phân loại chức năng (FGC)

FGC về cơ bản là một tập hợp con của bất kỳ loại vật liệu composite nào. Đây là vật liệu composite trong đó các thành phần cấu thành có thể được sửa đổi trong ứng dụng hoặc loại thông qua cấu trúc để điều chỉnh hiệu suất. Một quá trình chuyển đổi dần dần về các đặc tính được sử dụng để tránh tập trung ứng suất tại các thay đổi đột ngột. Phân loại chức năng có thể đơn giản như thêm hoặc thay đổi hàm lượng sợi tại các điểm ứng suất cao; thay đổi kiểu dệt trong sợi roving để thay đổi phân phối tải; hoặc lai tạo tiến bộ để có khả năng phục hồi tác động ở các vùng.

FGC được sử dụng để chế tạo các thành phần máy bay và tàu vũ trụ nhẹ hơn và bền hơn, chẳng hạn như cánh tua bin và vòi phun tên lửa. Các thiết bị/cấy ghép y sinh có thể có nhiều đặc tính khác nhau được phân vùng theo tương tác mô mong muốn. 

Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng vật liệu composite trong in 3D

Các chất phụ gia sợi và kim loại trong vật liệu in 3D có một số lợi thế tiềm năng. Chúng được liệt kê dưới đây:

1. Tăng cường độ bền và độ cứng, cho phép tạo ra sản phẩm in có chức năng hơn hoặc giảm trọng lượng nhưng vẫn có độ bền tương đương.
2. Có thể bền hơn vật liệu ma trận đơn thuần. Điều này có thể cho phép các bộ phận hoạt động ở nhiệt độ cao hơn.
3. Một số chất phụ gia tổng hợp có thể tăng độ dẫn điện, dẫn nhiệt hoặc tăng điện áp đánh thủng.

Một số quy trình in 3D sử dụng một dạng phân loại chức năng, bằng cách in đồng thời vật liệu cứng và vật liệu đàn hồi trong cùng một bộ phận, cho phép thay đổi các đặc tính trong quá trình xây dựng. 

Ngoài ra, việc sử dụng vật liệu composite trong một số quy trình in 3D cũng có những thách thức như được liệt kê dưới đây:

1. Vật liệu có chứa phụ gia có thể gây ra những thách thức trong quá trình xử lý. Ví dụ, chúng có thể khó định hình bằng các công nghệ đã có. 
2. Hiện tại vẫn còn ít lựa chọn trên thị trường nên việc tìm kiếm có thể là một thách thức.
3. Vật liệu in composite có chức năng cao thường đắt hơn so với các vật liệu thay thế cơ bản.

Ứng dụng công nghiệp của vật liệu composite

Dưới đây là một số ứng dụng công nghiệp của vật liệu composite:

1. Vỏ xe máy, thuyền kayak, vỏ thuyền và vỏ máy bay.
2. Sợi carbon liên kết epoxy trong cần câu.
3. Ván ép dùng trong xây dựng.
4. Bê tông cốt thép dùng trong xây dựng.
5. Nhựa gia cường sợi thủy tinh dùng để đúc khuôn có độ bền cao.
6. Sàn máy bay, kẹp giấy tổ ong giữa hai tấm nhôm.
7. Gọng kính (thường được đúc bằng nhựa trên cấu trúc kim loại).

Bạn cần ván composite trong xây dựng ngoại hoặc nội thất, liên hệ ngay Kim Sài Gòn để được tư vấn. Kim Sài Gòn nhà phân phối ván compostite Fortadeck

MPC Fortadeck với hoa văn cổ điển và dập nổi. Bề mặt Foradeck được hoàn thiện dựa trên những đường nét tự nhiên của vân gỗ, mang đến một sản phẩm tinh tế và tự nhiên. Có nhiều tính năng nổi bật của Fortadeck

• Vẻ đẹp tự nhiên, tinh tế
• Độ bền ấn tượng cho tuổi thọ dài lâu
• Giá trị lâu dài với mức bảo trì tối thiểu
• Vật liệu tổng hợp thân thiện với môi trường
• Chống nước, chống cháy, chống nắng

Bất kể bạn mong muốn điều gì, Kim Sài Gòn nhà phân phối Fortadeck đều có thể giúp bạn hiện thực hóa mong muốn đó khi bạn xây dựng hàng rào mới cùng chúng tôi.

Bạn thi công và cần ván thì hãy liên hệ với chúng tôi!