VẬT LIỆU COMPOSITE – TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG

  09/08/2016
  1. 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  bao gồm có vật liệu nền và cốt. Vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bền nhiệt, bền hoá và khả năng chịu đựng khi vật liệu có khuyết tật. Vật liệu nền của composite có thể là polyme, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc các bon. Vật liệu cốt đảm bảo cho composite có các mođun đàn hồi và độ bền cơ học cao. Các cốt của composite có thể là các hạt ngắn, bột, hoặc các sợi cốt như sơi thuỷ tinh, sợi polyme, sợi gốm, sợi kim loại và sợi các bon,…Về mặt đặt bài toán của cơ học, người ta còn định nghĩa vật liệu composite là vật liệu mà tính chất của nó phụ thuộc vào toạ độ.

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 ( như nhẹ, lại chịu được nhiệt lên đến 3000oC,…) chỉ có composite mới đáp ứng nổi, vì vậy, vật liệu composite giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới.

Thực ra, quá trình tạo nên composite là sự tiến hoá trong ngành vật liệu: Từ vật liệu chỉ có một cấu tử ( như kim loại nguyên chất), người ta đã biết tận dụng tính ưu việt của các cấu tử để tạo ra các vật liệu có hai hay nhiều cấu tử ( hợp kim ), rồi từ 3 nhóm vật liệu đã biết là kim loại, vật liệu vô cơ ceramic và hữu cơ polyme, người ta đã tìm cách tạo ra composite – vật liệu của các vật liệu để kết hợp và sử dụng kim loại-hợp kim, các vật liệu vô cơ và hữu cơ đồng thời, hợp lý. Và mới đây người ta đã nói đếnsuper-composite: composite của composite ( khi các vật liệu thành phần cũng là composite).

Dựa vào các đặc trưng  cơ lý hoá, người ta phân vật liệu ra thành 4 nhóm chính: kim loại và các hợp kim, vật liệu vô cơ-ceramic, vật liệu polyme và gần đây nhất là vật liệu tổ hợp compsite.

Vật liệu kim loại (và hợp kim) là những vật liệu dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng, có khả năng biến dạng dẻo cao. Đặc điểm cấu trúc kim loại là sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử, tạo thành mạng tinh thể, trong những điều kiện nhất định có thể chuyển hoàn toàn sang trạng thái không trật tự (  vô định hình ). Kim loại thông dụng có thể kể ra như thép, đồng, nhôm, tin tan, niken,…và các hợp kim của chúng. Ưu điểm của kim loại là dẫn điện, dẫn nhiệt, mô đun đàn hồi cao, độ bền  cơ học cao. Nhược điểm lớn nhất của kim loại là không bền với môi trường kiềm và axit, dễ bị oxi hóa, và nhiều kim loại độ bền nhiệt không cao. Khối lượng riêng của nhiều kim loại rất lớn nên bị hạn chế khi sử dụng để thiết kế chế tạo các khí cụ bay.

Vật liệu vô cơ-ceramic là hợp chất giữa kim loại ( Mg, Al, Si,…) và các phi kim loại dưới dạng các oxyt, cacbit, nitrit,… với các liên kết bền vững kiểu ion hoặc đồng hoá trị, tạo thành mạng tinh thể ( có trật tự), hoặc trạng thái vô định hình. Các ceramic truyền thống là thuỷ tinh, gốm, sứ, gạch,…Ceramic có ưu điểm chung là cách điện, cách nhiệt, bền vững với môi trường kiềm và axít, tuy nhiên gốm lại giòn, không biến dạng dẻo.

Vật liệu polyme có hai loại: nhiệt rắn ( đông rắn ở nhiệt độ cao, quá trình polyme hoá không có tính thuận nghịch) và nhiệt dẻo ( quá trình thuận nghịch, chảy dẻo ra ở nhiệt độ cao, đông rắn khi nguội và lại có thể chảy dẻo lại được ở nhiệt độ cao).  Polyme có thể có nguốn gốc từ thực vật hoặc động vật như xenlulo, caosu, protein, enzym,…hoặc được tổng hợp từ các monome bằng các phản ứng trùng hợp như nhựa phenolphomalđehit, polyamit, polyephin,…Polyme có cấu trúc mạch thẳng ( polyetylen, polystyren,…), mạch nhánh, polyme mạng lưới và các polyme cấu trúc không gian (epoxy, phenolphomanđehit,…) và được cấu thành nên bởi hai nguyên tố chủ yếu là cacbon và hyđrô, có chứa thêm oxy, clo, nitơ,…. Polyme có ưu điểm là nhẹ, cách điện, bền vững với các môi trường hoá học, tuy nhiên lại có mô đun đàn hồi thấp và khả năng chịu nhiệt không cao.

Trong các vật liệu kể trên, trước đây người ta thường đánh giá cao vai trò của vật liệu nhóm kim loại và cho rằng chúng giữ vị trí quyết định đến sự phát triển xã hội và kỹ thuật. Tuy nhiên như đã phân tích trên đây, chúng ta  có thể thấy vật liệu kim loại (hay hợp kim), gốm và polyme, mặc dù mỗi loại vật liệu có những ưu điểm riêng, nhưng cũng có những yếu điểm. Trong khi công nghiệp hiện đại, nhất là công nghiệp quốc phòng yêu cầu những vật liệu mới, đáp ứng được các đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật, như vật liệu chế tạo khí cụ bay  phải vừa nhẹ, lại vừa bền nhiệt, …là những tính chất lý tưởng mà không vật liệu tự nhiên nào có được. Từ đó con người đã nảy sinh ý tưởng, và sau đó đã trở thành hiện thực là chế tạo những vật liệu mới, tổ hợp được các ưu điểm của các loại vật liệu nói trên. Vật liệu mới composite, có thể có các chỉ tiêu cơ lý cao hơn kim loại và hợp kim, lại bền với cả môi trường hoá học và rất nhẹ. Ngày nay, composite ngày càng chiếm ưu thế, đã thay thế kim loại và hợp kim trong chế tạo máy, trong việc chế tạo các vật thể bay, và đã có mặt trong tất cả mọi ngành, mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân.

Để thấy được quy mô phát triển của ngành vật liệu composite, hình 1 là biểu đồ sử dụng vật liệu composite trong máy bay tàu lượn: năm 1991 composite chiếm có 3% khối lượng, được dùng thay thế dần kim loại và hợp kim, và đến năm 2000 đã chiếm đến 65% khối lượng máy bay (hình 1). Ngày nay, một số thiết bị bay đã được chế tạo hoàn toàn bằng composite (hình 10).

 

 

image1

 

Hình 1. Tỷ lệ composite trong máy bay tàu lượn

 

Thực tế cho thấy tất cả các vật liệu mới xuất hiện trong các năm gần đây, đều thuộc vào khái niệm vật liệu composite. Điều này lý giải vì sao trong nhiều tài liệu khoa học, thuật ngữ ” vật liệu mới” được dùng đồng nghĩa với vật liệu composite.

  1. Mối quan hệ giữa cấu trúc-tính chất của vật liệu

Đặc tính cơ, lý, hoá của composite phụ thuộc vào 3 yếu tố chính:

– Các vật liệu thành phần

– Cấu trúc của cốt

–  Công nghệ chế tạo

Thay đổi một trong ba yếu tố đó cũng đủ dẫn đến thay đổi composite. Chính vì vậy, các nhà hóa học và vật lý luôn vươn tới tìm tòi, phát hiện những vật liệu mới, tính chất mới của vật liệu và các công nghệ mới để chế tạo ra composite. Các nhà cơ học nghiên cứu để tìm cách thiết kế, lựa chọn các thành phần với tỷ lệ và kết cấu của hợp lý nhất. Việc thay đổi cấu trúc của composite là một những yếu tố quan trọng quyết định việc nâng cao độ bền của vật liệu.

Dựa theo cấu trúc hình học của cốt, về mặt cơ học có thể phân chia composite theo cấu trúc cốt ra làm 3 loại chính:

– Composite phân lớp ( gồm nhiều lớp được liên kết lại với nhau).

– Composite với các hạt độn ( bột độn), hoặc các sợi ngắn phân tán.

– Composite có cấu trúc sợi không gian nD ( các sợi độn song song với n phương trong không gian). 1D  là composite có cốt sợi đồng phương.

Hình 2 trình bày một số cấu trúc đơn giản nhất của composite 1D, 3D và 2D.

 

image2

 

Hình 2. Một số cấu trúc phổ biến của composite cốt sợi

          Bảng 1 cho thấy các hằng số đàn hồi của composite tương ứng với sơ đồ cốt trên hình 2 (nền epoxy cốt sợi thuỷ tinh).

Bảng 1. Mô đun đàn hồi của composite polyme epoxy-thủy tinh với cấu trúc khác nhau

 

bang 1
Từ bảng 1 chúng ta nhận xét là với composite epoxy-thuỷ tinh đang xét, việc thay đổi cấu trúc cốt làm thay đổi đáng kể mođun đàn hồi và hệ số poát xông của composite, nhưng ít làm ảnh hưởng tới môđun trượt. Điều này cũng có nghĩa là khi kết cấu làm việc trong các trường hợp chịu ứng suất-biến dạng trượt, với vật liệu epoxy-thuỷ tinh đang xét, chúng ta có thể thay thế các vật liệu 3D bằng các vật liệu 1D, 2D đơn giản và rẻ hơn nhiều lần.

Vật liệu composite cũng có thể có nhiều pha. Hình 3 giới thiệu mô hình vật liệu composite có cấu trúc không gian 3Dm, khi trong vật liệu nền đưa bổ sung vào các hạt độn ( các hạt này có thể cùng loại hoặc khác so với vật liệu sợi).   Hoặc cũng có thể hiểu như vật liệu gồm nền và các hạt độn bổ sung thêm pha thứ ba là các sợi cốt. Việc đưa các sợi vào làm cốt cho composite làm tăng môđun trượt, tăng độ cứng, độ bền của vật liệu.

 

image9

 

 

Hình 3. Composite có cấu trúc không gian 3Dm

 

Để thấy được vai trò của các cốt, trong hình 4 biểu diễn mođun trượt của composite 3 pha 1Dm, nền epoxy cốt sợi và hạt đều là thuỷ tinh, tương ứng sự thay đổi thể tích của các pha cốt. Trên hình 4 đường cong 1- khi composite 0m, chỉ toàn các hạt độn, đường cong 2-composite 1D-chỉ toàn cốt sợi, và đường cong 3,4, của composite 1Dm tương ứng tỷ lệ cốt sợi là 20% và 40% thể tích. Rõ ràng việc đưa các sợi vào composite cốt hạt đã làm tăng độ cứng, độ bền cho composite khi chịu ứng suất trượt. Điều này cũng có nghĩa là chúng ta đưa thêm các hạt độn vào vật liệu nền đã làm tăng được độ bền trượt của vật liệu. Trên hình 4, chỉ cần tăng 20% sợi cốt, chúng ta nhận được composite có mođun trượt cao hơn gấp 1,7 lần- điều này rất khó đạt được bằng các thủ pháp công nghệ xử lý nhiệt.

 

image10

 

Hình 4. Sự thay đổi mô đun đàn hồi của composite phụ thuộc tỷ lệ hạt độn

 

Tham số quan trọng đặc trưng cho phân bố cấu trúc là hệ số thể tích Vđ ( thể tích cốt độn)/ V ( của toàn bộ composite). Hệ số này thông thường từ 0,3-0,7 – tức là thành phần cốt thường từ 30% và không quá 70% thể tích composite. Khi phân bố cốt chiếm trên 70% thể tích, chúng quá sát nhau, giữa chúng nảy sinh tương tác dẫn đến sự tập trung ứng suất, và làm giảm sức bền của vật liệu.

Vật liệu composite có thể đa nền ( nếu nền gồm hai loại vật liệu trở lên cấu thành), hoặc đa cốt (khi cốt gồm hai hay nhiều loại vật liệu trở lên). Hình 5 cho thấy mốt số phương án của composite cốt tạp lai. Có hai nguyên nhân chủ yếu dẫn đến việc tạo ra cốt sợi tạp lai của composite: khi một trong các loại cốt sợi có chỉ số cơ lý cao hơn nhiều so với sợi kia, sẽ hạn chế được yếu điểm của các sợi có chỉ số cơ lý thấp hơn, và làm giảm giá thành của vật liệu.  Ví dụ như việc dùng cốt tạp lai đa cốt sợi thuỷ tinh + sợi cacbon và sợi hữu cơ + sợi cácbon , tạo ra vật liệu có hệ số dãn nở nhiệt ổn định trong khoảng từ -120oC đến + 160oC, trong khi composite cốt sợi thuỷ tinh, hoặc cốt sợi hữu cơ thông thường ( khi không có sợi cácbon) lại có sự thay đổi đặc tính cơ lý đáng kể khi nhiệt độ tăng. Hoặc ví dụ như composite có 20% cốt là sợi các bon và 80% cốt là sợi thuỷ tinh, có độ bền bằng 75% so với composite có cùng tỷ lệ cốt độn nhưng chỉ toàn là sợi cácbon, trong khi đó giá thành composite cốt tạp lai lại chỉ bằng 1/3 so với composite cốt sợi cacbon. Sự pha tạp các thành phần vật liệu khác nhau ảnh hưởng nhiều đến mođun dàn hồi, độ bền nén, bền uốn, và các khả năng chịu nhiệt và giá thành của composite.

 

 image11

Hình 5. Một số phương án cốt đa sợi của composite

 

  1. 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.

4. Những vật liệu tiên tiến – composite hiện đại đang được quan tâm nhất hiện nay:

Những năm gần đây, trên thế giới phát triển mạnh mẽ vật liệu composite theo những hướng sau:

       Composite cacbon-cacbon là vật liệu có các cốt sợi cacbon trên cơ sở nền cacbon.  Nền cacbon có tính chất cơ lý và nhẹ tương tự  như sợi cacbon, nên khi kết hợp với sợi cacbon cho chúng ta vật liệu mới siêu bền và siêu nhẹ. Thông thường để đưa 1kg lên vũ trụ tiêu tốn khoảng 20000USD-30.000USD, vì vậy việc phát triển và ứng dụng vật liệu cacbon-cabon trong vũ trụ đã trở thành xu hướng chủ đạo trong những năm gần đây. Trên hình 10 minh hoạ ảnh của máy bay Voyager nặng vẻn vẹn 450kg được chế tạo 100% từ vật liệu composite cacbon, bay một mạch không nghỉ vòng quang trái đất ( 1987).

Vật liệu cacbon có độ bền cao, độ cứng cao. Nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật, như đòi hỏi thay đổi nhiệt đột ngột ở mức 1000K/cm, cũng như độ bền cơ học cao ( lên đến 1000 MPa khi kéo), chỉ có vật liệu cácbon-cacbon với các cấu trúc cốt khác nhau là đáp ứng được, và đặc biệt là vật liệu cacbon có đặc tính rất lý tưởng, khác hẳn so với những composite khác, là một số tính chất cơ lý lại tốt lên khi nhiệt độ tăng:  Hình 11 cho thấy với vật liệu cacbon-cacbon 3D, khi nhiệt độ tăng, làm tăng theo độ bền của vật liệu.

 

 

 image17

Hình 10. Máy bay Voyager ( Mỹ) chế tạo 100% từ composite

          Vật liệu cacbon-cacbon có cấu trúc không gian chẳng những đảm bảo độ bền nhiệt, nhẹ, lại đảm bảo được độ bền cao theo nhiều phương khác nhau trong không gian khi chịu tải, khắc phục được nhược điểm của các vật liệu phân lớp, có hệ số dãn nở nhiệt cực thấp, nên ngày càng được hoàn thiện về công nghệ, tính toán cơ học và ứng dụng rộng rãi trong vũ trụ, hàng không, quốc phòng và ngành cơ khí, chế tạo máy: như chế tạo các đĩa phanh từ vật liệu cacbon-cacbon; các thiết bị cách nhiệt vũ trụ; các chi tiết loa phụt,  các chóp khí động, thân vỏ động cơ của tên lửa; các mũi đột có độ bền cao ( bền nén trên 105MPa ở 2500oC), có độ dẫn nhiệt thấp và cách nhiệt tốt; các khuôn đúc áp lực để dập nóng kim loại và các hợp kim khó chảy; Những khuôn dập được chế tạo bằng composite cacbon-cacbon chịu được nhiệt độ trên 1000oC, và thường có khối lượng 84 kg, trong khi các khuôn dập kim loại thông thường chịu nhiệt kém hơn, cách nhiệt kém hơn và nặng hơn khoảng 100 lần, hơn nữa độ co của composite cacbon-cacbon rất thấp, gần như titan và tốt hơn nhiều so với thép. Vật liệu composite cacbon -cabon còn được ứng dụng trong y học, trong kỹ thuật điện, dầu khí, trong công nghiệp ( như các chi tiết chịu lực, chịu nhiệt cao, chịu ma sát, chắn phóng xạ của các lò phản ứng,…). Vì vậy, vật liệu cácbon-cacbon có tiềm năng và triển vọng vô cùng to lớn, đang ngày càng thay thế dần các kim loại và hợp kim trong công nghiệp và công nghiệp chế tạo các vật thể bay.

Trên hình 11 giới thiệu một số cấu trúc cốt phổ biến của vật liệu cacbon-cacbon hiện nay.

 

 

 image18

 

Hình 11. Cấu trúc cốt phổ biến của composite cacbon-cacbon

 

Năm 1985 đã phát hiện ra cacbon C60 (phulleren), cấu trúc phân tử của phulleren có 20 lục giác đều và 12 ngũ giác đều với mối liên kết rất bền vững, bền nhiệt cao và các ion không bị tách ra với lực va chạm lên tới 50000km/giờ. Việc phát hiện ra phulleren đã mở ra một chân trời mới trong lĩnh vực vật liệu siêu bền siêu nhẹ cacbon- cacbon. Một số nơi trên thế giới đã thành công trong việc dùng C6o làm nền cho composite. Hiện nay, Viện KHCC-QS Bộ Quốc phòng đã có một số đề tài nghiên cứu và chế tạo vật liệu composite cacbon-cacbon ứng dụng trong Quốc phòng. Hy vọng một ngày không xa, ngành khoa học và công nghệ sản xuất chế tạo vật liệu chiến lược này sẽ được đầu tư xây dựng xứng đáng, được ứng dụng và phát triển rộng rãi ở nước ta.

          Vật liệu nanocomposite. Nano composite là composite có ít nhất một trong các thành phần cấu thành nên composite có cấu trúc nano.  Ý tưởng về các cấu trúc siêu nhỏ đã được nhà khoa học người Mỹ Feynman R.P. được giải thưởng Nôben về vật lý nêu lên khi đọc các bài giảng của mình cho sinh viên từ năm 1959, và sau đó những bài giảng này được tập hợp thành sách “There is plenty of room at the bottom in Minituarization. New York; Rienhold” xuất bản vào năm 1960. Trong những bài giảng này, ông đã đề cấp đến các cấu trúc siêu nhỏ, và tiên đoán sẽ xuất hiện những vật liệu mới có cấu trúc từ những hạt, kích cỡ 10-7 – 10-9 mét.

Chỉ sau 11 năm kể từ khi ý tưởng về cấu trúc nano ra đời, từ năm 1970, việc xây dựng công nghệ nano đã được  các nước Liên Xô, Mỹ, Nhật Bản,… tiến hành đồng thời cho vật liệu bán dẫn.

Tuy nhiên mãi đến năm 1981, nhà khoa học người Đan Mạch Gleiter H. mới chính thức nêu vấn đề xây dựng vật liệu mới có cấu trúc nano, và ngay lập tức đã gây được sự chú ý đặc biệt của các nước Mỹ, Liên Xô, Nhật Bản và Trung Quốc. Năm 1983, nhà khoa học người Nga Iakovlev E.N. đã công bố công trình đầu tiên về việc chế tạo vật liệu Niken có cấu trúc nano được dập ép từ các hạt siêu nhỏ.

Công nghệ nano được ứng dụng mạnh mẽ trong việc chế tạo các thiết bị y tế: các “động cơ” cực nhỏ được cấy vào chỗ tắc mạch sẽ có tác dụng cấp cứu tại chỗ, làm lưu thông máu, hoặc đưa thuốc tới những tế bào cần thiết của cơ thế; các thiết bị siêu nhỏ mang theo thuốc và các hoá chất được cấy vào các mô ung thư diệt các tế bào ung thư; ứng dụng công nghệ nano cũng giúp cho việc xác định nhanh và chính xác mã gien, phục vụ cho việc dự báo, chuẩn đoán và chữa bệnh,…

Vật liệu nano cũng được ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp và an ninh quốc phòng: khi thay đổi cấu trúc của graphít như thay một nguyên tử các bon trong cấu trúc mạng tinh thể của graphít bằng một nguyên tử kim loại (như đồng chẳng hạn), chúng ta sẽ nhận được các bon có tính bán dẫn. Vật liệu nano đồng có tính khử rung rất cao, gấp 2-3 lần so với gang xám, một vật liệu cho đến nay vẫn được xem là có khả năng chống rung khá lý tưởng. Gốm nano Zicondioxit có nhiều ưu điểm hơn, thiêu kết ở nhiệt độ 1250oC, trong khi gốm thông thường thiêu kết ở 1600oC, vì vậy chế tạo gốm nano không những chúng ta nhận được vật liệu mới tốt hơn, mà lại giảm đáng kể nguồn năng lượng cần phải chi phí khi chế tạo. Những vật liệu kim loại được mạ lớp hạt nano  có thể tăng độ cứng lên từ 16-63% phụ thuộc vào loại hạt, độ dày lớp mạ và độ mịn nhỏ của hạt. Thay vì máy dò cồng kềnh, hiện nay ở Mỹ đang triển khai ứng dụng công nghệ nano để chế tạo rôbốt dò mìn đường kính 7,5 cm. Nhờ ứng dụng công nghệ nano đã chế tạo được các chíp siêu nhỏ có bộ nhớ cực lớn, chúng ta đã có những máy tính tốc độ siêu cao. Người ta ước tính có thể chế tạo các bộ lưu trữ thông tin có cấu trúc nano, có trọng lượng vẻn vẹn chỉ 1 gam nhưng chứa được lượng thông tin bằng cả thư viện quốc gia. Không còn nghi ngờ gì nữa, vật liệu nano sẽ làm nên những điều kỳ diệu trong thế kỷ XXI, và sản phẩm của chúng sẽ bước ra khỏi các phòng thí nghiệm, tạo ra một cuộc mạng thực sự trong công nghiệp.

Nghiên cứu về lĩnh vực công nghệ nano trên thế giới tựu trung lại có 3 hướng chính sau đây:

  • Nghiên cứu cơ bản (tính toán, xây dựng các mô hình, nghiên cứu các hiện tượng,…)
  • Công nghệ chế tạo
  • Ứng dụng công nghệ nano, phương pháp ứng dụng, khai thác hiệu quả

Chính phủ các nước công nghiệp phát triển đã hết sức quan tâm, coi công nghệ nano là một trong những hướng ưu tiên phát triển. Hiện nay Tây âu là khu vực dẫn đầu về nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano. Để nhanh chóng nắm bắt thông tin và các thành tựu của các nước khác, Mỹ đã buộc phải điều chỉnh chính sách và đầu tư để tăng cường mối quan hệ hợp tác với nước ngoài: trao đổi thông tin, tiến hành các nghiên cứu hỗn hợp và đào tạo cán bộ khoa học trẻ về lĩnh vực này.  Tính đến nay ở Mỹ có hơn 20 chương trình, dự án lớn và trên 30 trường đại học có đào tạo sinh viên và nghiên cứu, ứng dụng công nghệ nano.

Với các thông tin mà chúng tôi hiện có, ngoài Mỹ và Nga, hiện có các trung tâm lớn, hàng đầu về công nghệ nano tại Nhật Bản, Trung Quốc, Pháp, Đức, Ixrael, Phần Lan, Hàn Quốc và Ấn Độ,…

Trong các tài liệu công bố hiện nay, những cấu trúc nhỏ hơn 100 nanomét được xem là cấu trúc nano.

Có hai cách tiếp cận tới những cấu trúc nano: cách tiếp cận “ Từ trên xuống dưới”, một ví dụ về cách tiếp cận này là để tạo các cấu trúc nhỏ hơn, người ta “nghiền nhỏ” các cấu trúc lớn hơn cho đến khi đạt được cấu trúc nano mong muốn; và cách tiếp cận “ Từ dưới lên trên”, tức là thay đổi sắp xếp bên trong các nguyên tử, phân tử, thay đổi sự sắp xếp của các hạt để từ đó tạo ra những vật liệu mới.

Những nghiên cứu về vật liệu nanocomposite ở Việt Nam còn hết sức mới mẻ. Hiện nay trong nước và trên các tạp chí khoa học quốc tế đã xuất hiện các kết quả nghiên cứu về vật liệu nano của các nhà khoa học Việt Nam trong các lĩnh vực như hóa học, sinh học, khoa học và công nghệ môi trường, vật lý và cả trong cơ học,… Những kết quả công bố chủ yếu tập trung về vật liệu nano bán dẫn, vật liệu từ và từ giảo, vật liệu nanocomposite ứng dụng trong . Tuy nhiên tất cả các tài liệu đã công bố về vật liệu nano ở nước ta hiện nay chủ yếu đều theo cách tiếp cận “Từ trên xuống dưới”, tức là nhận được các cấu trúc nano từ các cấu trúc lớn hơn. Mới đây, Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam đã công bố tổng hợp thành công sợi nano cacsbon, theo hướng tiếp cận “Từ dưới lên trên”.

Nanocomposite polyme được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến hiện nay ở Việt Nam . Một ví dụ của mô hình như vậy trên thực tế là khi nghiền các hạt khoáng mịn đến nanomét, để trộn với polyme nhằm tạo ra composite có tính năng cơ học cao, làm tăng khả năng chịu nhiệt, tăng khả năng chống thấm của vật liệu,…(hình 12).

Để tăng tính năng cơ học và tính chống cháy cho nền polyme, khi sản xuất chế tạo polyme, đặc biệt là các chất dẻo người ta còn sử dụng composite ba pha:  trộn vào nền polyme một tỷ lệ đáng kể các hạt như hạt thuỷ tinh, hoặc hạt cácbon, hạt kim loại (để gia cường khả năng cơ học), và một tỷ lệ nhỏ các hạt khoáng nano, hạt nano đất sét,…để tăng khả năng chống cháy cho vật liệu. Nano composite nylon có 2-6% các hạt nanô đất sét biến dạng nhiệt sẽ bắt đầu ở 150oC, trong khi nylon bình thường chảy dẻo ở 60oC.

 

 

hinh19

Hình 12. Mô hình nanocomposite ba pha gồm nền polyme, hạt độn gia cường, và các hạt nano

          Các nhà khoa học khẳng định công nghệ nano sẽ ảnh hưởng mạnh mẽ tới đời sống xã hội : Nhờ có công nghệ nano nên tới đây hàng hoá sẽ bền hơn, chất lượng hơn; và do ứng dụng những vật liệu mới nên dịch vụ y tế sẽ hiệu quả hơn, phổ cập và rẻ hơn; sẽ xuất hiện các loại thuốc mới, các thiết bị y tế mới và sẽ có các cơ quan nhân tạo; công nghệ nano cũng sẽ làm thay đổi hệ thống giáo dục để cập nhật đầy đủ và toàn diện hơn các kiến thức liên quan đến công nghệ cao này; với sự ra đời của công nghệ nano sẽ xuất hiện loại năng lượng mới, và làm cho môi trường sạch hơn; thậm chí sẽ xuất hiện các món ăn mới, chưa bao giờ có trong thực đơn của thế giới; công nghệ nano sẽ thay đổi điều kiện làm việc, đi lại và phục vụ của con người. Tuổi thọ trung bình của con người do đó cũng sẽ tăng lên trong thế kỷ XXI. Nhiều nhà khoa học nhất trí đánh giá là việc phát hiện ra máy hơi nước, điện, la de và công nghệ nano là những phát minh quan trọng nhất của xã hội loài người từ trước tới nay.

Việc phát triển nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano, không chỉ đem lại những hiểu biết và khám phá mới mẻ của loài người với thế giới tự nhiên, mà còn là động lực thúc đẩy mạnh mẽ kinh tế thế giới.  Nếu như trong năm 2001, doanh thu do ứng dụng công nghệ nano đem lại cho thế giới khoảng 45 tỷ đô la Mỹ, thì người ta dự đoán chỉ 10-15 năm nữa, doanh thu do công nghệ nano đem lại sẽ hơn 1000 tỷ đô la Mỹ [8], trong đó:

  • 340 tỷ đem lại từ lĩnh vực vật liệu mới
  • 300 tỷ trong lĩnh vưc công nghiệp bán dẫn
  • 180 tỷ trong lĩnh vực dược và thiết bị y tế
  • 100 tỷ trong lĩnh vực hoá công nghiệp và xúc tác
  • 70 tỷ trong lĩnh vực giao thông vận

    Bình luận

Tin tức mới Xem tất cả

Đánh giá xem nhiều