Vật liệu học_Chương 9

Chia sẻ: L Le Dinh Minh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

224
lượt xem 124
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Là vật liệu kết hợp 2 hoặc nhiều vật liệu khác nhau để phát huy tính tốt của mỗi loại vật liệu thành phần. + Vậy compozit là loại vật liệu nhiều pha khác nhau về mặt hóa học, hầu như không tan vào nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Vật liệu học_Chương 9

125 Ch−¬ng 9 compozit 9.1. Kh¸i niÖm vÒ compozit Lµ vËt liÖu kÕt hîp 2 hoÆc nhiÒu vËt liÖu kh¸c nhau ®Ó ph¸t huy tÝ nh tèt cña mçi lo¹i vËt liÖu thµnh phÇn 9.1.1. Quy luËt kÕt hîp VËy compozit lµ lo¹i vËt liÖu nhiÒu pha kh¸c nhau vÒ mÆt hãa häc, hÇu nh− kh«ng tan vµo nhau, ph©n c¸ch nhau b»ng ranh giíi pha, kÕt hîp l¹i nhê sù can thiÖp kü thuËt cña con ng−êi theo nh÷ng ý ®å thiÕt kÕ tr−íc, nh»m tËn dông vµ ph¸t triÓn nh÷ng tÝ nh chÊt −u viÖt cña tõng pha trong compozit cÇn chÕ t¹o. 9.1.2. §Æc ®iÓm vµ ph©n lo¹i a. §Æc ®iÓm - Lµ vËt liÖu nhiÒu pha mµ chóng th−êng rÊt kh¸c nhau vÒ b¶n chÊt, kh«ng hßa tan lÉn nhau th−êng lµ 2 pha gåm nÒn lµ pha liªn tôc trong toµn khèi, cèt lµ pha ph©n bè gi¸n ®o¹n - NÒn vµ cèt cã tû lÖ, h×nh d¸ng, kÝ ch th−íc vµ sù ph©n bè theo thiÕt kÕ ®· ®Þnh tr−íc. - TÝ nh chÊt cña compozit chÞu ¶nh h−ëng cña c¸c pha nh−ng kh«ng ph¶i lµ céng ®¬n thuÇn c¸c tÝ nh chÊt cña chóng khi ®øng riªng rÏ mµ chØ chän lÊy nh÷ng tÝ nh chÊt tèt vµ ph¸t huy thªm. b. Ph©n lo¹i Theo b¶n chÊt cña nÒn cã: compozit nÒn chÊt dÎo (polyme), nÒn kim lo¹i, nÒn ceramic vµ nÒn hçn hîp nhiÒu pha. Theo d¹ng h×nh häc cña cèt: compozit cèt h¹t, compozit cèt sîi Theo cÊu tróc: líp, kiÓu ®¸ ong,… 9.1.3. Liªn kÕt nÒn - cèt a. Cèt Lµ pha kh«ng liªn tôc, t¹o nªn ®é bÒn, m«®un ®µn håi (®é cøng v÷ng) cao cho compozit, do vËy cèt ph¶i bÒn, nhÑ. Cèt cã thÓ lµ: kim lo¹i, ceramic vµ polyme. b. NÒn NÒn lµ pha liªn tôc cã t¸c dông: - Liªn kÕt toµn bé c¸c phÇn tö thµnh mét khèi thèng nhÊt - T¹o h×nh chi tiÕt theo thiÕt kÕ - Che phñ, b¶o vÖ cèt tr¸nh c¸c h− háng do c¸c t¸c ®éng hãa häc, c¬ häc vµ cña m«i tr−êng.Th−êng nÒn lµ: kim lo¹i, ceramic, polyme vµ hçn hîp. c. Liªn kÕt nÒn - cèt - Liªn kÕt c¬ häc, nhê lùc ma s¸t gi÷a cèt vµ nÒn nh− kiÓu bªt«ng cèt thÐp cã g©n (®èt) - Liªn kÕt nhê thÊm −ít do n¨ng l−îng søc c¨ng bÒ mÆt
126 - Liªn kÕt ph¶n øng, ph¶n øng t¹o hîp chÊt dÝ nh chÆt cèt víi nÒn-®©y lµ lo¹i liªn kÕt tèt nhÊt. - Liªn kÕt hçn hîp 9.2. Compozit cèt h¹t C¸c h¹t ®¼ng trôc, cøng, bÒn («xyt, nitrit, cacbit, borit) (®«i khi lµ c¸c h¹t mÒm nh− grafit, mica thuéc lo¹i chèng ma s¸t. Cã h¹t th« vµ h¹t mÞn, h¹t mÞn n»m ph©n t¸n cã t¸c dông c¶n tr−ît → ho¸ bÒn. 9.2.1. Compozit h¹t th« Compozit h¹t th« rÊt ®a d¹ng vµ ®−îc sö dông phæ biÕn trong c¸c lÜnh vùc c«ng nghiÖp, x©y dùng. a. §Æc ®iÓm Kh¸i niÖm "th«" ®−îc dïng ®Ó chØ t−¬ng t¸c gi÷a nÒn vµ cèt kh«ng x¶y ra ë møc ®é nguyªn tö, ph©n tö, sù hãa bÒn cã ®−îc lµ nhê sù c¶n trë biÕn d¹ng cña nÒn ë vïng l©n cËn víi cèt. Tïy theo ®Æc tÝ nh ph©n bè cña h¹t trong nÒn mµ quy t¾c kÕt hîp (hçn hîp) cho m«®un ®µn håi EC cña compozit phô thuéc vµo tû lÖ thÓ tÝ ch, m«®un ®µn håi cña nÒn: Vn, En vµ cña cèt h¹t: VH, EH n»m vµo kho¶ng gi÷a 2 giíi h¹n: E NE H Giíi h¹n trªn: EC=ENVN+EHVH, giíi h¹n d−íi: EC = EN VH + EH VN b. C¸c compozit h¹t th« th«ng dông. Hîp kim cøng t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p luyÖn kim bét, c¸c phÇn tö cøng lµ cacbit: WC, TiC, TaC ®−îc liªn kÕt b»ng Co (nÒn). C¸c hîp kim lµm tiÕp ®iÓm cã sù kÕt hîp tèt cña c¸c kim lo¹i khã ch¶y (W, Mo)- cèt víi c¸c kim lo¹i cã tÝ nh dÉn nhiÖt cao (Cu, Ag)-nÒn. Bªt«ng lµ compozit h¹t th« (®¸, sái) hay nhá (c¸t vµng), nÒn cøng lµ xim¨ng. Polyme C¸c h¹t ®én th−êng lµ th¹ch anh, thñy tinh, «xyt nh«m, ®Êt sÐt, ®¸ v«i-cèt, nÒn polyme. 9.2.2. Compozit h¹t mÞn (hãa bÒn ph©n t¸n) Compozit h¹t mÞn lµ lo¹i cã tÝ nh n¨ng ®Æc biÖt: bÒn nãng vµ æn ®Þnh nãng. a. §Æc ®iÓm - NÒn th−êng lµ kim lo¹i vµ hîp kim, cèt cã kÝ ch th−íc < 0,1µm, bÒn, cøng vµ cã tÝ nh æn ®Þnh nhiÖt cao: oxit, cacbit, borit, nitrit. - T−¬ng t¸c nÒn - cèt x¶y ra ë møc ®é vi m« øng víi kÝ ch th−íc nguyªn tö, ph©n tö. - C¬ chÕ hãa bÒn: cèt nhá mÞn ph©n t¸n k×m h·m lÖch, lµm t¨ng ®é bÒn ®é cøng cña vËt liÖu. b. C¸c compozit h¹t mÞn SAP, SAAP (CAΠ, CAC) cèt Al2O3= 5 - 20% trªn nÒn nh«m, chÞu nhiÖt 300 ÷ 500oC T-D Nickel (Thoria Dispersed Nickel): nÒn lµ niken (Ni), cèt lµ c¸c phÇn tö «xyt t«ri ThO2~ 2% song ë d¹ng rÊt nhá mÞn, n»m ph©n t¸n vµ æn ®Þnh nhiÖt, lµm viÖc l©u dµi ë 1000 ÷ 1100oC, kh«ng bÞ ¨n mßn tinh giíi nh− thÐp kh«ng gØ nªn lµ vËt liÖu quý trong hµng kh«ng, vò trô, chÕ t¹o tuabin, èng dÉn, b×nh ¸p lùc lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao d−íi t¸c dông cña m«i tr−êng ¨n mßn.
127 9.3. Compozit cèt sîi Compozit cèt sîi lµ lo¹i compozit kÕt cÊu quan träng nhÊt v× nã cã ®é bÒn riªng vµ m«®un ®µn håi riªng cao. NÒn vµ cèt sîi ®Òu lµ c¸c vËt liÖu nhÑ. TÝ nh chÊt cña compozit cèt sîi phô thuéc vµo b¶n chÊt vËt liÖu cèt vµ nÒn, ®é bÒn liªn kÕt trªn ranh giíi pha, sù ph©n bè vµ ®Þnh h−íng sîi (h×nh 9.1)... Ng−êi ta coi liªn kÕt nÒn - cèt lµ hoµn h¶o ®Ó ®¬n gi¶n trong tÝ nh to¸n. a) b) c) H×nh 9.1. S¬ ®å ph©n bè vµ ®Þnh h−íng cèt sîi: a- mét chiÒu, b- hai chiÒu vu«ng gãc ®an xen nhau c. rèi ngÉu nhiªn trong mét mÆt, d- ba chiÒu vu«ng gãc. 9.3.1. ¶nh h−ëng cña yÕu tè h×nh häc sîi a. Sù ph©n bè vµ ®Þnh h−íng sîi - Sîi ph©n bè song song víi nhau theo mét ph−¬ng (h×nh 9.1a), ®é bÒn theo ph−¬ng däc sîi cao h¬n ph−¬ng vu«ng gãc- sîi ph©n bè 1 chiÒu - Sîi ®an vu«ng gãc víi nhau (h×nh 9.1b), theo 2 trôc sîi ®é bÒn cao h¬n c¶- kiÓu dÖt. - Sîi ph©n bè nhiÒu ph−¬ng (rèi-h×nh 9.1c), compozit ®¼ng h−íng theo tÊt c¶ c¸c ph−¬ng trªn mÆt - Sîi ®−îc ph©n bè 3 ph−¬ng vu«ng gãc víi nhau nh− ë h×nh (9.1d) th× compozit cã cã tÝ nh ®¼ng h−íng. b. ¶nh h−ëng cña chiÒu dµi sîi §iÒu quan träng lµ kÕt cÊu cèt sîi ph¶i tËp trung t¶i träng vµo sîi lµ pha cã ®é bÒn cao. Cã 2 lo¹i cèt sîi: cèt sîi ng¾n vµ cèt sîi dµi §èi víi lo¹i cèt sîi ng¾n: lùc t¸c dông sÏ g©y biÕn d¹ng cña nÒn n¬i liÕp xóc gi÷a sîi vµ nÒn, mét phÇn nÒn bÞ ch¶y (h×nh 9.2) Cèt sîi dµi: khi LS≥ lc míi lµm t¨ng mét c¸ch cã hiÖu qu¶ ®é bÒn vµ ®é cøng v÷ng cña compozit. ChiÒu dµi tíi h¹n lc nµy phô thuéc ®−êng kÝ nh d cña sîi, giíi h¹n bÒn (σb)S cña sîi vµ lùc liªn kÕt gi÷a sîi vµ nÒn (hay giíi h¹n ch¶y c¾t cña nÒn τm) theo biÓu thøc: (σb )S lc = .d , ®Æt S = (σ b )S th× lc =S.d τm τm §èi víi compozit sîi thñy tinh hay sîi cacbon, lC~ 1mm hay S= 20÷150 nÒn sîi H×nh 9. 2. S¬ ®å liªn kÕt gi÷a nÒn vµ cèt vïng nÒn Ng−êi ta quy −íc: biÕ n d¹ ng - khi l > 15lc, compozit lµ lµ lo¹i cèt liªn tôc hay cèt sîi dµi, - khi l < 15lc, compozit lµ lo¹i cèt sîi kh«ng liªn tôc hay ng¾n;
128 - khi l < lc sîi kh«ng ®ñ dµi ®Ó lùc b¸m kh«ng g©y biÕn d¹ng nÒn bao quanh sîi do ®ã kh«ng ®ñ truyÒn t¶i vµ ®−îc coi nh− compozit h¹t. Trªn h×nh 9.3 tr×nh bµy s¬ ®å cÊu tróc cña lo¹i compozit cèt sîi trong ®ã lo¹i cèt sîi liªn tôc th¼ng hµng (th−êng chØ gäi ng¾n gän lµ liªn tôc) nh− ë h×nh (a) lµ lo¹i quan träng h¬n c¶ sÏ ®−îc kh¶o s¸t d−íi ®©y. H× nh 9.3. S¬ ®å ph©n bè sîi: ph−¬ng ngang a. liªn tôc song song b. gi¸n ®o¹n th¼ng hµng, c. hçn ®én a) b) c) 9.3.2. Compozit cèt sîi liªn tôc song song a. Khi kÐo däc Gäi tû lÖ thÓ tÝ ch sîi lµ VS cña nÒn lµ Vn = 1-VS. Khi chÞu kÐo theo ph−¬ng däc trôc sîi vµ coi liªn kÕt nÒn - cèt lµ hoµn h¶o: εC = εS = εn. T¶i träng t¸c dông lªn compozit PC = PS+Pn, trong ®ã PS, Pn lÇn l−ît lµ t¶i träng lªn sîi vµ lªn nÒn. Do ®ã: σC.AC = σS. AS + σn. An Trong ®ã: (AC, AS, An) lµ tiÕt diÖn ngang cña compzit, sîi vµ nÒn. Chia c¶ cho AC ta cã: AS A σC = σS. +σm. n = óSVS +ónVn AC AC v× sîi b»ng nhau vµ ph©n bè ®Òu nªn AS/AC=VS vµ An/AC=Vn , VS vµ Vn lµ tû lÖ thÓ tÝ ch, do ®ã: σc = σSVS + σnVn = σSVS + σn(1-VS), thay σ=Eε Ec = ESVS + EnVn = ESVS + En(1-VS) v× (εC=εS=εn=ε) b. Khi kÐo ngang Lùc kÐo vu«ng gãc víi trôc sîi (sîi kh«ng chÞu ®−îc lùc ngang) th× øng suÊt t¸c dông lªn c¸c pha lµ nh− nhau vµ b»ng øng suÊt t¸c dông lªn compozit lµ: σc = σS = σn = σ nªn ®é biÕn d¹ng cña compozit b»ng tæng biÕn d¹ng cña cèt vµ nÒn: σ σ σ σ εc = εS.VS + εn.Vn v× ε = nªn = .VS + .Vn E EC ES En Chia c¶ hai vÕ cho σ, ta cã: 1 VS Vn En.ES En.ES = + → EC = = Vn.ES + VS.En (1− VS ).ES + VS.En (9.13) EC ES En biÓu thøc nµy gièng (9.2), ®ã lµ giíi h¹n d−íi cña m«®un ®µn håi cña compozit h¹t th«. c. ¶nh h−ëng cña hµm l−îng sîi
129 Ta thÊy nÕu tû lÖ thÓ tÝ ch VS (hay cßn gäi lµ hµm l−îng) cña sîi qu¸ nhá th× sîi kh«ng ®ñ t¸c dông gia c−êng cho compozit. ChØ khi VS > VSmin th× míi cã t¸c dông ho¸ bÒn. Gi¸ trÞ VSmin cã thÓ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: (σ b )n − σ n VSmin = (σ b )S Trong ®ã: (σb)n, (σb)S lÇn l−ît lµ giíi h¹n bÒn cña nÒn vµ cña sîi Nh− vËy compozit cèt sîi liªn tôc ph¶i tháa m·n hai ®iÒu kiÖn: sîi dµi l > 15lc vµ l−îng sîi ph¶i ®ñ lín VS > VSmin. 9.3.3. Compozit cèt sîi gi¸n ®o¹n th¼ng hµng Compozit cèt sîi gi¸n ®o¹n th¼ng hµng ®−îc tr×nh bµy ë h×nh 9.6b. ChiÒu dµi sîi ng¾n (l < 15lc) hiÖu qu¶ gia c−êng cña sîi compozit kh«ng thÓ cao nh− lo¹i cèt sîi liªn tôc th¼ng hµng. M«®un ®µn håi vµ giíi h¹n bÒn chØ b»ng kho¶ng 50-90% lo¹i cèt sîi dµi liªn tôc. C¬ tÝ nh phô thuéc vµo tû lÖ thÓ tÝ ch cña sîi vµ chiÒu dµi hay yÕu tè h×nh häc cña sîi S = l/d, ®−îc tÝ nh to¸n riªng rÏ cho 2 tr−êng hîp sau: - Khi lc < l < 15lc th×: (σb )c = (σb )S.VS 1 − lc  + σn (1 − VS )  2l  - Khi l < lc th× : (σb )c = 1 τc .VS + σn (1 − Vn ) d trong ®ã: σn - øng suÊt t¸c dông vµo nÒn khi compozit bÞ ph¸ háng, τc - giíi h¹n bÒn c¾t cña nÒn, l, d - chiÒu dµi, ®−êng kÝ nh sîi. 9.3.4. Compozit cèt sîi gi¸n ®o¹n hçn ®én B¶ng 9.1. Gi¸ trÞ cña th«ng sè k øng víi ®Þnh h−íng kh¸c nhau gi÷a sîi vµ øng suÊt §Þnh h−íng sîi Ph−¬ng øng suÊt k TÊt c¶ c¸c sîi song song däc theo trôc sîi 1 ngang víi trôc sîi 0 Ph©n bè sîi ngÉu nhiªn, ®ång theo ph−¬ng bÊt kú trong mÆt 3 nhÊt trong mÆt chøa sîi 8 Ph©n bè sîi ngÉu nhiªn, ®ång theo ph−¬ng bÊt kú 1 nhÊt theo ba chiÒu kh«ng gian 8 M«®un ®µn håi ®−îc biÓu thÞ nh− sau: Ec = k. ES.VS + En.Vn Trong ®ã k - th«ng sè biÓu thÞ hiÖu qu¶ hãa bÒn mµ ®é lín phô thuéc vµo hµm l−îng thÓ tÝ ch VS cña sîi vµ tû lÖ ES/En, k dao ®éng trong kho¶ng 0,1 ÷ 0,6 xem b¶ng 9.1 Dùa vµo ®−êng kÝ nh vµ ®Æc tÝ nh ng−êi ta ph©n cèt sîi thµnh ba lo¹i: r©u, sîi vµ d©y nhá. R©u (r©u ®¬n tinh thÓ): (whiskers) ®−êng kÝ nh rÊt nhá (cì 1 ÷ 2µm), l/d > 1000, t¹o b»ng kü thuËt nu«i ®¬n tinh thÓ. C¸c ®¬n tinh thÓ (r©u) nµy cã møc ®é hoµn thiÖn tinh thÓ rÊt cao (hÇu nh− chØ cã mét lÖch xo¾n) vµ kh«ng cã nøt, rçng nªn cã ®é bÒn rÊt cao (gÇn b»ng ®é bÒn lý thuyÕt). Tuy nhiªn r©u vÉn ch−a ®−îc dïng réng
130 r·i v× qu¸ ®¾t vµ rÊt khã g¾n kÕt vµo nÒn. VËt liÖu ®Ó chÕ t¹o r©u cã thÓ lµ grafit, SiC, Si3N, Al2O3. Sîi : t¹o b»ng c«ng nghÖ kÐo, chuèt, d kho¶ng vµi chôc ®Õn vµi tr¨m µm, l/d rÊt kh¸c nhau. VËt liÖu lµm sîi cã thÓ lµ polyme nh− polyamit, säi thñy tinh, sîi cacbon,.. D©y: lµ lo¹i cã ®−êng kÝ nh nhá, th−êng lµ b»ng kim lo¹i: thÐp cacbon cao, vonfram, m«lip®en, berili, titan. Lo¹i cèt nµy ®−îc dïng ®Ó gia bÒn lèp «t«, khung tªn löa, èng dÉn cao ¸p...