Composite là gì? - Hơn cả sức mạnh - Vật liệu của tương lai

1. NHỮNG ĐIỀU CẦN BIẾT VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE 

______

Vật liệu nền trong tiếng Anh là Matrix.

Vật liệu nền là loại vật liệu pha có chức năng đảm bảo các thành phần cốt bên trong composite được liên kết với nhau. Nhờ đó mà tạo ra tính nguyên khối và thống nhất cho composite.

Vật liệu nền có thể là polymer (polyester, PE, PP, PVC, Epoxy, cao su…), kim loại nấu chảy, ceramic (xi măng…).

___

b. Vật liệu cốt trong composite để làm gì?

Vật liệu cốt hay còn gọi là vật liệu gia cường, trong Tiếng Anh gọi là Fiber.

Thành phần này giúp composite có các đặc điểm cơ lý tính cần thiết như sức mạnh và độ cứng.

Thông thường, có hai kiểu vật liệu cốt cơ bản là:  

• Dạng cốt sợi (ngắn hoặc dài): kể đến như sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi acramic…
• Dạng cốt hạt: có thể kể đến như hạt kim loại, hạt đất sét, bột đá bột gỗ… 

Các kỹ sư có nhiều lựa chọn trong quá trình sản xuất để xác định các đặc tính của hỗn hợp tạo thành sẽ như thế nào. 

Khi đã hiểu composite là gì, bạn có thể sẽ bất ngờ khi nhận ra nhiều sản phẩm quen thuộc xung quanh mình thực chất được làm từ vật liệu này. Trong xã hội hiện đại, composite len lỏi vào hầu hết các khía cạnh đời sống, trở thành một phần không thể thiếu mà đôi khi chúng ta không hề hay biết.

Composite cốt sợi thủy tinh là loại composite hiện đại đầu tiên được phát triển vào cuối những năm 1940. Đến nay, sợi thủy tinh vẫn giữ vị trí dẫn đầu, chiếm khoảng 65% tổng số composite được sản xuất trên thế giới. Từ vỏ thuyền, ván lướt sóng, đồ thể thao, tấm lót bể bơi, đến các tấm xây dựng hay thùng xe, sợi thủy tinh hiện diện ở khắp nơi. Rất có thể, bạn đang sử dụng một sản phẩm làm từ sợi thủy tinh mà không hề nhận ra. Nhưng còn rất nhiều điều thú vị về composite mà chắc chắn bạn sẽ bất ngờ đấy. Cùng Goat tìm hiểu nhé!

______

2.1. Composite Tự Nhiên – Những Vật Liệu Tổ Hợp Gần Gũi Không Ngờ

Khi nhắc đến vật liệu composite, chúng ta thường nghĩ ngay đến những sản phẩm nhân tạo hiện đại. Nhưng bạn có biết, composite cũng tồn tại trong tự nhiên? Nghe có vẻ lạ lẫm, nhưng điều này hoàn toàn đúng nếu bạn nhớ rằng composite chỉ đơn giản là sự kết hợp của hai hay nhiều vật liệu khác nhau.

___

Gỗ cũng chính là composite tự nhiên điển hình nhất

Một ví dụ điển hình chính là gỗ. Gỗ là một vật liệu tổng hợp tự nhiên, nơi các sợi dài cellulose (một dạng tinh bột phức tạp) được kết nối chặt chẽ với nhau nhờ lignin, một chất kết dính yếu hơn nhưng tạo nên độ bền đáng kinh ngạc.

Sự khác biệt nằm ở cách liên kết:

• Xenluloza trong gỗ cùng lignin tạo ra một khối vật liệu cứng cáp, vượt xa độ bền của từng thành phần riêng lẻ.
• Trong khi đó, xenluloza trong bông hay vải lanh không có sự liên kết chặt chẽ của lignin, khiến chúng mềm và dễ uốn hơn.

Chính cách các vật liệu liên kết với nhau đã quyết định đặc tính, độ bền và tính chất của composite. Những vật liệu tổng hợp tự nhiên như gỗ là minh chứng sống động cho sự kỳ diệu của tự nhiên trong việc tạo ra những vật liệu hoàn hảo cho cuộc sống.

______

2.2. Composite không phải là một ý tưởng mới - Nó đã có từ hàng nghìn năm

Vật liệu composite không phải là phát minh hiện đại. Trên thực tế, con người đã sử dụng composite trong hàng nghìn năm để tận dụng những ưu điểm vượt trội của các vật liệu tổ hợp. Dưới đây là những ví dụ minh chứng cho sự lâu đời và đa dạng của composite:

___

a. Gạch Bùn – Composite Cổ Xưa

Gạch bùn là một ví dụ điển hình của composite trong lịch sử.

Một người đàn ông đang xây dựng lại thành cổ bằng gạch bùn ở Iran sau khi nó bị hư hại trong trận động đất. Gạch bùn là vật liệu tương tự đã được sử dụng để xây dựng nó khoảng 2.500 năm trước.

• Đặc tính riêng của từng vật liệu: Bùn khô dễ gãy dưới áp lực, trong khi rơm có sức chịu lực căng nhưng kém bền khi vò nát.
• Sự kết hợp hoàn hảo: Khi kết hợp bùn và rơm, chúng bổ sung cho nhau, tạo nên viên gạch có khả năng chịu nén tốt từ bùn và chịu kéo tốt từ rơm.

Những viên gạch bùn này đã được sử dụng trong các công trình như thành cổ ở Iran từ hơn 2.500 năm trước và vẫn được áp dụng đến ngày nay.

___

b. Bê Tông – Composite Kinh Điển

Bê tông là một loại composite rất phổ biến trong xây dựng.

• Cốt liệu chính: Đá nhỏ hoặc sỏi được liên kết bằng xi măng để tạo nên độ bền cao khi chịu nén.
• Cải tiến với bê tông cốt thép: Khi kết hợp thêm thanh kim loại, lưới, hoặc dây cáp, bê tông có khả năng chịu lực căng tốt hơn, tạo nên sự ổn định vượt trội cho các công trình hiện đại.

___

c. Composite Graphene – Công Nghệ Tương Lai

Graphene, một dạng carbon siêu bền, khi kết hợp với các kim loại tạo nên những vật liệu vượt xa mong đợi:

• Graphene + Đồng: Vật liệu composite này cứng hơn đồng đến 500 lần.
• Graphene + Niken: Tăng cường độ bền của niken lên gấp 180 lần.

Những loại composite này đang mở ra tiềm năng lớn trong ngành công nghiệp và công nghệ cao.

___

d. Sợi Thủy Tinh – Composite Hiện Đại

Sợi thủy tinh là một loại composite hiện đại, được hình thành từ nhựa kết hợp với sợi thủy tinh để tăng cường độ bền.

• Ứng dụng đa dạng: Sản xuất vỏ thuyền, tấm xây dựng, và nhiều sản phẩm khác.

Như vậy, từ những viên gạch bùn đơn giản trong quá khứ, đến bê tông cốt thép và các loại composite graphene hiện đại, vật liệu tổ hợp luôn đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của nhân loại. Điều này chứng minh rằng composite không chỉ là một ý tưởng cũ mà còn là nền tảng cho những giải pháp vật liệu sáng tạo trong tương lai.

______

2.3. Vật liệu Composite tổng hợp - Hơn cả sức mạnh

Ngày nay, nhiều vật liệu composite tổng hợp được tạo ra cho các chức năng không chỉ đơn giản là cải thiện độ bền hoặc các đặc tính cơ học khác. Chúng được chế tạo để trở thành chất dẫn điện tốt hoặc chất cách nhiệt hoặc có các đặc tính từ tính nhất định. Đó là những tính chất rất cụ thể và chuyên biệt nhưng cũng rất quan trọng và hữu ích.

Những vật liệu composite tổng hợp này được sử dụng trong một loạt các thiết bị điện. Bao gồm bóng bán dẫn, pin mặt trời, cảm biến, máy dò, điốt và laser cũng như để tạo ra các lớp phủ bề mặt chống ăn mòn và chống tĩnh điện.

Vật liệu tổng hợp được làm từ oxit kim loại cũng có thể có các tính chất điện cụ thể và được sử dụng để sản xuất chip silicon có thể nhỏ hơn và được đóng gói dày đặc hơn trong máy tính. Điều này cải thiện dung lượng bộ nhớ và tốc độ của máy tính. Vật liệu tổng hợp oxit cũng được sử dụng để tạo ra các đặc tính siêu dẫn nhiệt độ cao mà ngày nay được sử dụng trong dây cáp điện. 

______

3.1. Phân tích vật liệu cốt và vật liệu nền trong composite

Ví dụ về các dạng gia cố thủy tinh khác nhau được sử dụng để tạo ra sợi thủy tinh

______

3.2. Vật liệu composite cốt sợi thuỷ tinh thì sao?

Ở composite cốt sợi thủy tinh, chất gia cố chính là sợi thủy tinh, thường được dệt thành vải, trong khi chất nền là nhựa.

• Ưu điểm của sợi thủy tinh:

  • Độ bền cao khi chịu kéo căng: Các sợi thủy tinh có khả năng chịu lực rất tốt, giúp tấm composite mỏng nhưng vẫn rất chắc chắn.
  • Trọng lượng nhẹ: Đây là một lợi thế lớn trong các ứng dụng như hàng không, vỏ tàu hoặc đồ thể thao.

• Vai trò của chất nền (matrix):

  • Bảo vệ sợi thủy tinh khỏi bị gãy do uốn cong mạnh hoặc va đập.
  • Giữ các sợi cố định và truyền lực đều, giúp composite có khả năng chịu biến dạng hiệu quả.
  • Chất nền còn giúp tạo hình dễ dàng và sửa chữa bằng dung môi thích hợp.

Các sợi thủy tinh rất mạnh khi chịu lực căng, nhưng chúng cũng giòn và sẽ gãy nếu bị uốn cong mạnh. Chính vì vậy, chất nền (matrix) không chỉ giữ các sợi lại với nhau, nó còn bảo vệ chúng khỏi bị hư hại bằng cách chia sẻ lực. Chất nền đủ mềm để tạo hình bằng các dụng cụ. Và chúng có thể được làm mềm bằng dung môi thích hợp để sửa chữa.

Bất kỳ lực gây biến dạng nào tác động lên một tấm sợi thủy tinh, chúng có thể kéo căng và chống lại lực này. Vì vậy, ngay cả một tấm mỏng cũng rất bền.

______

3.3. Chọn thành phần vật liệu làm nên composite có tác động như thế nào?

Đối với chất nền, nhiều vật liệu tổng hợp hiện đại sử dụng 2 loại chất dẻo: nhiệt rắn hoặc nhiệt dẻo (còn gọi là nhựa).

Chất dẻo này là polyme. Giúp giữ các vật liệu cốt lại với nhau và giúp xác định các đặc tính vật lý của sản phẩm cuối cùng.

______

4.1. Nhựa nhiệt rắn là gì?

Nhựa nhiệt rắn là chất lỏng khi được chế biến nhưng cứng lại và trở nên cứng (tức là chúng đóng rắn) khi được nung nóng.

Quá trình đông kết là không được đảo ngược, để các vật liệu này không bị mềm dưới nhiệt độ cao.

Những loại nhựa này cũng chống lại sự mài mòn và tấn công của hóa chất nên chúng rất bền, ngay cả khi tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt.

______

4.2. Nhựa nhiệt dẻo là gì?

Nhựa nhiệt dẻo, như tên gọi của nó, cứng ở nhiệt độ thấp nhưng mềm khi chúng được nung nóng. Mặc dù chúng ít được sử dụng hơn nhựa nhiệt rắn nhưng chúng có một số ưu điểm như:

Độ dẻo dai khi đứt gãy
Thời hạn sử dụng lâu dài của nguyên liệu thô
Có khả năng tái chế
Nơi sản xuất sạch hơn, an toàn hơn vì không cần dung môi hữu cơ cho quá trình đông cứng

______

4.3. Vật liệu nền khác

Gốm sứ, carbon và kim loại được sử dụng làm chất nền cho một số mục đích chuyên biệt cao.

Ví dụ, gốm sứ được sử dụng khi vật liệu sẽ tiếp xúc với nhiệt độ cao (chẳng hạn như bộ trao đổi nhiệt). Carbon được sử dụng cho các sản phẩm tiếp xúc với ma sát và mài mòn (chẳng hạn như ổ trục và bánh răng).
 
Hình ảnh kính hiển vi điện tử, có màu giả, bằng hỗn hợp ma trận magiê được gia cố bằng titan cacbua nhôm.Hình ảnh kính hiển vi điện tử, có màu giả, bằng hỗn hợp ma trận magiê được gia cố bằng titan cacbua nhôm. Nguồn ảnh: ZEISS Microscopy / Flickr.

Mặc dù cho đến nay sợi thủy tinh là chất gia cường phổ biến nhất, nhiều vật liệu tổng hợp tiên tiến hiện nay sử dụng các sợi carbon nguyên chất mịn.
______

5.1. Sợi thuỷ tinh

Sợi thủy tinh là vật liệu gồm nhiều sợi thủy tinh cực kỳ mỏng, mịn và nhẹ được tạo thành từ việc gia nhiệt từ Silicat hay thủy tinh tái chế ở nhiệt độ 1500oC – 1700oC và kéo thành từng sợi với đường kính chỉ từ 4 – 34 μm.

Như vậy, các sợi thủy tinh được cấu tạo từ thủy tinh dạng rắn. Sau đó, thuỷ tinh rắn mà chúng ta biết được nhiệt nung và kéo sợi để thành sợi thủy tinh.

Khi trở thành dạng sợi, thủy tinh sẽ mất hết các tính chất vốn có của nó là cứng và giòn. Thủy tinh sẽ trở nên mềm mại và có độ bền chắc hầu như tương đương với sợi thép có cùng kích thước.

Những sợi này có thể được bó lại với nhau và dệt thành một tấm thảm. Hoặc đôi khi chúng được cắt thành những đoạn dài ngắn được định hướng ngẫu nhiên trong ma trận nhựa.

a. Ưu điểm của sợi thuỷ tinh: 

Tính ổn định về kích thước: Sợi thủy tinh rất ổn định về kích thước. Nó không bị co lại hay giãn ra khi tiếp xúc với điều kiện nhiệt độ.

Khả năng chống ẩm: Sợi thủy tinh không bị thấm nước vào trong nên đặc tính của nó không bị thay đổi cả về cấu trúc hóa học hay vật lý.

Độ bền cao: Tỉ lệ độ bền trên khối lượng của vật liệu cao nên sợi fiberglass rất phổ biến trong các ứng dụng yêu cầu trọng lượng tối thiểu và độ bền cao.

Tính chống cháy: Bản chất sợi thủy tinh là vô cơ nên có đặc tính chống cháy. Vật liệu không bắt lửa và cũng không là chất xúc tác để cho lửa bùng mạnh hơn. Ở nhiệt độ 1000°C, fiberglass vẫn giữ được khoảng 25% sức mạnh ban đầu.

Tính kháng với hóa chất: Sợi thủy tinh chống chịu tốt với đa số các hóa chất nhưng có thể bị ảnh hưởng bởi axit flohydric, axit photphoric nóng và các chất kiềm mạnh.

Cách điện: Vật liệu có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt, điện môi thấp, độ hút ẩm thấp nên được ứng dụng phổ biến trong các thiết bị cách điện.

Tản nhiệt nhanh: Sợi thủy tinh có hệ số giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt thấp nên chúng có khả năng tản nhiệt nhanh.

Khả năng tương thích với nền hữu cơ: Sợi thủy tinh có thể kết hợp với những vật liệu khác để tạo ra một vật liệu mới mang những ưu điểm tổng hợp. Fiberglass có thể là chất gia cường cho nhựa để tạo thành nhựa composite cốt sợi thủy tinh hoặc gia cường cho vật liệu nền là khoáng chất (xi măng)…

______

5.2. Sợi cacbon

Có hai loại cacbon chính có thể được sử dụng - than chì và ống nano cacbon. Đây đều là cacbon nguyên chất, nhưng các nguyên tử cacbon được sắp xếp theo các cấu hình tinh thể khác nhau.

Graphit là một chất rất mềm (được sử dụng trong 'bút chì') và được làm từ các tấm nguyên tử cacbon sắp xếp thành hình lục giác. Liên kết giữ các hình lục giác với nhau rất mạnh, nhưng liên kết giữ các tấm hình lục giác với nhau khá yếu, đó là điều làm cho than chì mềm.

Ống nano carbon được tạo ra bằng cách lấy một tấm than chì (được gọi là graphene) và cuộn nó thành một ống. Điều này tạo ra một cấu trúc cực kỳ mạnh mẽ. Cũng có thể có các ống làm bằng nhiều hình trụ - các ống nằm trong ống.
 
So với sợi thuỷ tinh, vật liệu tổng hợp sợi carbon nhẹ và bền hơn nhiều. Nhưng giá lại đắt hơn.

Trong số hai loại, sợi graphit rẻ hơn và dễ sản xuất hơn so với ống nano cacbon.

Chúng được sử dụng trong các cấu trúc máy bay và trong các thiết bị thể thao hiệu suất cao như gậy đánh gôn, vợt tennis và thuyền chèo. Vật liệu này ngày càng được sử dụng thay thế kim loại vì dễ sửa chữa hoặc thay thế khi bị hư hỏng.
 
Thậm chí mạnh hơn (và đắt hơn) so với sợi carbon là các sợi boron. Ống nano bo nitrua có thêm ưu điểm là chịu nhiệt tốt hơn nhiều so với sợi carbon. Chúng cũng có đặc tính áp điện, có nghĩa là chúng có thể tạo ra điện khi áp lực vật lý lên chúng, chẳng hạn như xoắn hoặc kéo căng.
 
Polyme cũng có thể được sử dụng làm vật liệu gia cố trong vật liệu tổng hợp. Ví dụ, Kevlar, ban đầu được phát triển để thay thế thép trong lốp radial nhưng được biết đến nhiều nhất với việc sử dụng trong áo khoác và mũ bảo hiểm chống đạn, là một sợi polyme rất bền và tăng thêm độ dẻo dai cho composite. Nó được sử dụng làm chất gia cố trong các sản phẩm composite yêu cầu kết cấu nhẹ và đáng tin cậy (ví dụ, các bộ phận kết cấu của máy bay). Thậm chí còn mạnh hơn Kevlar là chất được tạo ra từ sự kết hợp của graphene và ống nano carbon.

Chế tạo một vật thể từ vật liệu composite thường bao gồm một số dạng khuôn. Đầu tiên, vật liệu gia cố được đặt vào khuôn và sau đó vật liệu ma trận bán lỏng được phun hoặc bơm vào để tạo thành vật thể. Có thể áp dụng áp lực để đẩy hết bọt khí ra ngoài và sau đó khuôn được nung nóng để làm cho chất nền trở nên rắn chắc.
 
Quá trình đúc khuôn thường được thực hiện bằng tay, nhưng việc chế biến tự động bằng máy móc ngày càng trở nên phổ biến hơn. Một trong những phương pháp này được gọi làsự xâm nhập(một thuật ngữ bắt nguồn từ các từ 'pull' và 'extrusion'). Quá trình này lý tưởng để sản xuất các sản phẩm thẳng và có tiết diện không đổi, chẳng hạn như dầm cầu.
 
Trong nhiều cấu trúc mỏng có hình dạng phức tạp, chẳng hạn như các tấm cong, cấu trúc hỗn hợp được xây dựng bằng cách áp dụng các tấm gia cố sợi dệt, bão hòa với vật liệu ma trận nhựa, trên một khuôn cơ sở có hình dạng thích hợp. Khi tấm panel đã được chế tạo với độ dày thích hợp, vật liệu ma trận sẽ được bảo dưỡng.
 
Nhiều loại vật liệu tổng hợp mới không được tạo ra bằng phương pháp ma trận và gia cố mà bằng cách đặt nhiều lớp vật liệu. Cấu trúc của nhiều vật liệu tổng hợp (chẳng hạn như vật liệu được sử dụng trong cánh và tấm thân của máy bay), bao gồm một tổ ong bằng nhựa được kẹp giữa hai lớp da bằng vật liệu composite cốt sợi carbon.
 
Cấu trúc bánh sandwich hỗn hợp tổ ong của NASA.Cấu trúc bánh sandwich hỗn hợp tổ ong của NASA. Nguồn ảnh: NASA / Wikimedia Commons .
Những vật liệu tổng hợp bánh sandwich này kết hợp độ bền cao, và đặc biệt là độ cứng uốn, với trọng lượng thấp. Các phương pháp khác chỉ cần đặt một số lớp xen kẽ của các chất khác nhau (ví dụ, graphene và kim loại) để tạo ra composite.
 
Tại sao sử dụng vật liệu tổng hợp?
Ưu điểm lớn nhất của vật liệu composite là độ bền và độ cứng kết hợp với độ nhẹ. Bằng cách lựa chọn sự kết hợp thích hợp giữa vật liệu cốt thép và vật liệu nền, các nhà sản xuất có thể tạo ra các đặc tính phù hợp chính xác với các yêu cầu cho một cấu trúc cụ thể cho một mục đích cụ thể.