Vật liệu kết hợp (compozit)

1.Vật liệu compozit (vật liệu liên kết, vật liệu kết hợp, vật liệu hỗn hợp)
Vật liệu compozit là loại vật liệu được hình thành từ những vật liệu đơn lẻ được liên kết lại với nhau thành vật liệu mới. Các nhóm vật liệu compozit quan trọng cho ngành cơ khí là: thí dụ như chất dẻo gia cường bằng sợi thủy tinh, gọi tắt là GFK, hay kim loại cứng được hình thành từ kim loại dai và các hạt vật liệu cứng (Hình 1). Các hợp kim không được xem là vật liệu compozit bởi vì chúng là những chất đơn lẻ (đơn chất hợp kim) hòa tan hoặc phân phối thật chặt chẽ. Trái lại, trong vật liệu compozit các chất đơn lẻ

Vật liệu compozit là loại vật liệu được hình thành từ những vật liệu đơn lẻ được liên kết
lại với nhau thành vật liệu mới. Các nhóm vật liệu compozit quan trọng cho ngành cơ khí là: thí dụ như chất dẻo gia cường bằng sợi thủy tinh, gọi tắt là GFK, hay kim loại cứng được hình thành từ kim loại dai và các hạt vật liệu cứng (Hình 1). Các hợp kim không được xem là vật liệu compozit bởi vì chúng là những chất đơn lẻ (đơn chất hợp kim) hòa  chẽ. Trái lại, trong vật liệu compozit các chất đơn lẻ

2.Cấu tạo bên trong
Bên trong một vật liệu compozit các vật liệu đơn lẻ thích nghi với nhau được kết hợp lại sao cho các đặc tính tốt của vật liệu đơn lẻ thống nhất trong vật liệu mới. Các đặc tính bất lợi được che lấp đi. Như thế đối với các loại chất dẻo có sợi thủy tinh gia cường thì độ bền cao của các sợi thủy tinh liên kết với độ dai của chất dẻo. Đặc tính giòn của các sợi thủy tinh và tính kém bền của chất dẻo được che lấp
Sợi thủy tinh + Chất dẻo → Chất dẻo gia cường
sợi thủy tinh (GFK) (độ bền cao, giòn) (không bền, dai) (độ bền cao, dai) Đối với kim loại cứng, độ cứng của vật liệu cứng (thí dụ: vonfram cacbua) và tính dai của kim loại (thí dụ: coban) hợp nhất lại trong vật liệu compozit. Độ giòn của vật liệu cứng và độ cứng thấp của kim loại dai không thể hiện trong sự liên kết.
Vật liệu cứng + Kim loại dai → Kim loại cứng
(cứng, giòn) (mềm, dai) (cứng, dai)
Qua lựa chọn và liên kết các vật liệu đơn lẻ phù hợp người ta có thể chế tạo các vật liệu compozit với đặc tính thích hợp, chính xác theo yêu cầu kỹ thuật.
Vật liệu có hiệu quả cho việc gia tăng độ bền trong sự liên hợp được gọi là vật liệu gia cường. Các vật liệu khác đảm bảo cho việc kết hợp của vật thể được gọi là chất liên kết hoặc chất kết dính. Người ta phân biệt các loại vật liệu compozit khác nhau (Hình 2) tùy theo dạng của các chất có trong liên kết:
• Các vật liệu compozit gia cường sợi thủy tinh, thí dụ: GFK (Chất nhựa dẻo gia cường bằng sợi thủy tinh) hay CFK (Chất nhựa dẻo gia cường bằng sợi carbon)
• Các vật liệu compozit gia cường bằng hạt cứng, thí dụ: kim loại cứng
• Các vật liệu compozit thấm thấu (vật liệu hỗn hợp thấm), thí dụ: ổ trục bằng vật liệu thiêu kết có thấm (ngâm tẩm) chất bôi trơn
• Các vật liệu compozit nhiều lớp, thí dụ: thép tấm nhiều lớp
• Sự liên kết cấu trúc, thí dụ: thanh cản của ô tô

3.Chất dẻo gia cường bằng sợi
Các chất dẻo gia cường sợi thủy tinh, được gọi tắt là GFK hình thành từ một chất nền nhựa dẻo được kết hợp gia tăng độ cứng, bền bằng sợi thủy tinh hoặc bằng sợi carbon. Các loại nhựa nhiệt rắn như polyeste và nhựa epôxy,
nhưng cũng kể cả các loại nhựa nhiệt dẻo, được sử dụng làm chất nền nhựa dẻo. Các loại sợi được sử dụng có một độ bền kéo cao (lên đến 1000 N/mm²) và tỷ trọng thấp (khoảng 2,5 kg/dm³). Để dễ xử lý thao tác, hàng ngàn các sợi đơn lẻ mỏng từ 10 μm đến 100 μm được tết lại thành sợi chùm hoặc được gia công chế biến thành tấm đệm, vải dệt và nỉ xốp. Đối với các bộ phận chịu tải thông thường, sợi thủy tinh được bố trí trong chất dẻo, người ta có được các chất dẻo gia cường sợi thủy tinh (GFK). Đối với các cấu kiện có độ cứng uốn đặc biệt, người ta sử dụng sợi carbon có độ bền cao cực độ nhưng đắt tiền. Loại nhựa dẻo được gia cường bằng sợi carbon này có tên ngắn là CFK. Các sợi dẫn truyền độ bền kéo cao của chúng theo hướng liên kết mà chúng nằm trong vật liệu (Hình 1). Đối với các cấu kiện cần chịu tải ưu tiên theo hướng yêu cầu, người ta bố trí các sợi theo hướng.

4.Đặc tính và ứng dụng
Đặc tính của mỗi loại chất dẻo gia cường được xác định tùy theo chất dẻo được ứng dụng và loại sợi cũng như thành phần của sợi trong thể tích toàn bộ và sự sắp xếp thứ tự trong chi tiết gia công. Độ bền sẽ gia tăng theo số lượng sợi chứa đựng bên trong cùng với sự định hướng của các sợi theo chiều nhất định. Lĩnh vực ứng dụng chính của GFK và CFK là ngành cơ khí chế tạo ô tô và máy bay (các bộ phận kết cấu, các bộ phận khung xe, vỏ bọc chắn bên ngoài, lò xo lá cho xe tải, trục cacđăng), ngành chế tạo các dụng cụ thể thao (tấm trợt tuyết, vợt đánh tennis, thân tàu) và ngành xây dựng (bồn chứa, vỏ bọc, mái nhà). Tuy nhiên vật liệu compozit cũng được ứng dụng rất nhiều trong các ngành cơ khí và sản xuất thiết bị. Từ các vật liệu compozit người ta có thể sản xuất các loại bánh răng, ống dẫn, bộ phận khung xe và bình chứa (Hình 2).

Gia công. GFK và CFK có thể được gia công như những vật liệu cứng với tất cả các phương pháp gia công cắt gọt. Vì độ cứng của các sợi bên trong vật liệu compozit, khi gia công cần phải sử dụng những loại dụng cụ bằng kim loại cứng.

5.Những phương pháp chế tạo cho các chất dẻo gia cường
Có nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo các cấu kiện bằng  GFK và CFK tùy theo độ dài và sự sắp xếp thứ tự của các sợi. Người ta gia công nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn được gia cường bằng sợi ngắn với chiều dài vào khoảng 1mm bằng đúc phun (Trang317) hay ép khuôn để sản xuất các bộ phận nhỏ như bánh xe răng. Các cấu kiện có độ lớn trung bình thí dụ như các bộ phận khung ô tô và xe tải (Hình 2, bên trên) được chế tạo bằng cách chèn vào bên trong khuôn những tấm sợi thủy tinh đan, được tẩm thấm trước với keo nhựa cứng (ghép lớp trước), kế tiếp sau đó ép khuôn (Trang 320). Đối với các bộ phận lớn thí dụ như thân tàu, được chế tạo bằng đắp lớp thủ công (Hình 3), các tấm sợi thủy tinh đắp chồng lên nhau và thấm keo bằng cách phun lên trên .Phun nhựa sợi thường được sử dụng để chế tạo các cấu kiện có kích thước từ trung bình đến lớn cũng như các màng lót trước (Hình 1).

Một dụng cụ phun bằng khí nén cắt vụn sợi thủy tinh và tạo sương chất dẻo dạng lỏng dùng để hóa cứng được phun ra cùng lúc lên mặt khuôn. Các sợi ngắn cùng với các giọt chất dẻo tạo ra trên mặt khuôn một lớp lót. Lớp lót này có thể được để hóa cứng trong khuôn hoặc đặt vào khuôn ép như một màng lót phủ trước rồi ép nóng và hóa cứng sau đó. Ở phương pháp quấn ướt, các sợi dài được kéo liên tục đi qua bồn chứa nhựa nhiệt cứng dạng lỏng (Hình 2).

Sợi tẩm đầy nhựa lỏng và được quấn quanh một vật thể. Phương pháp chế tạo này có thể sản xuất các cấu kiện đối xứng qua trục quay như ống dẫn, bình và bồn chứa. Tương tự như thế, phương pháp kéo prôfin (kéo thanh), có thể chế tạo được các loại prôfin từ GFK và CFK. Với phương pháp này, truớc tiên một lượng lớn các cuộn sợi được tẩm với nhựa keo, sau đó chúng được bó lại với nhau và được kéo tiếp tục thông qua đầu khuôn prôfin giúp cho bó sợi tạo thành dạng prôfin như ý muốn. Sự chế tạo liên tục các băng phẳng hay dợn sóng được thực hiện với phương pháp ghép lớp liên tục (Hình 3).

Trong phương pháp này keo nhựa được đưa đến trên một màng tách ly cùng với tấm lót sợi thủy tinh, đồng thời với một màng tách ly khác đắp lên trên. Tấm màng đã ghép lớp trước này có thể được tiếp tục cán dợn sóng và hóa cứng cùng lúc trong một lò nung. Các phần còn lại của màng đã ghép lớp trước không hóa cứng có thể được đưa qua máy cắt ra thành nhiều mảnh nhỏ và sau đó được hóa cứng bằng phương pháp ép khuôn nóng để chế tạo các chi tiết khác.

6 Vật liệu kết hợp gia cường bằng hạt cứng và bằng phương pháp thẩm thấu

6.1.Hỗn hợp ép bằng chất dẻo (chất kết nối) được hình thành từ một hỗn hợp nhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt cứng chứa bên trong các phần chất độn hay phụ gia được phân phối đều. Người ta sử dụng nhựa keo polyeste cũng như các nhựa nhiệt dẻo PA, POM và ABS. Các chất độn là bột đá, bột thủy tinh hoặc bồ hóng. So với chất dẻo nguyên chất, chất dẻo hỗn hợp ép có độ bền và độ dai cao hơn. Chúng được gia công bằng phương pháp đúc phun hoặc ép khuôn để sản xuất các bộ phận nhỏ như đòn bẩy (tay đòn), tay cầm, cấu kiện điện, vỏ bọc... (Hình 4).

6.2. Bêtông polyme, còn được gọi là gang khoáng, là một loại vật liệu compozit được gia cường bằng hạt cứng gồm khoảng 80% epoxy và khoảng 20% hạt vụn granit làm chất độn. Sự chế tạo các cấu kiện được thực hiện bằng đúc khuôn và hóa cứng. Lĩnh vực ứng dụng chính trong ngành cơ khí là khung cho máy công cụ (Hình 5).

Các thanh dẫn hướng và thanh ren thép có thể được đúc liền vào bêtông polyme. Ta cũng có thể sử dụng khuôn khung máy từ gang để đúc bêtông polyme. Khung máy công cụ làm bằng bêtông polyme có tính năng giảm xóc cơ bản tốt hơn so với gang xám và nhờ đó sản phẩm gia công có độ chính xác cao.
6.3.Đĩa mài và đá mài khôn (Hình 1). Chúng được làm từ các vật liệu mài có dạng hạt (coridon / bột mài quý gốc oxit nhôm (Al2O3), hạt silic cacbua hoặc hạt kim cương) và một chất kết dính nhựa, sứ mềm hoặc kim loại. Đối với các vật kiệu kết hợp này (compozit) các hạt mài cứng giòn đảm nhận việc cắt phoi trong lúc chất kết dính cấp cho đĩa / đá mài tính kết hợp, độ bền và độ dai.

6.4. Kim loại cứng và vật liệu cắt bằng sứ
Các loại kim loại cứng hình thành từ các hạt cacbit cứng giòn (các hạt gia cường) và một chất kết dính kim loại (thường là coban) trong những khoảng trống của các hạt cacbit. Sự liên kết này tạo nên một vật liệu compozit có tính bền chống mài mòn của hạt catbit và tính dai của hỗn hợp coban. Nó sử dụng làm vật liệu cắt (Hình 2). Vật liệu cắt ôxit gốm bao gồm các hạt nhỏ dạng bột mài quý (Al2O3) và kết nối gốm ZrO2. Vật liệu cắt từ gốm hỗn hợp còn chứa thêm hạt TiC vàTiCN.