Vật liêu học kỹ thuật - Chương 9

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

131
lượt xem 49
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo bài giảng Vật liêu học kỹ thuật bộ môn Vật liệu học và nhiệt luyện - Chương 9 Vật liệu Copozit

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Vật liêu học kỹ thuật - 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 EC = Giíi h¹n trªn: EC=ENVN+EHVH, giíi h¹n d−íi: 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 .d , ®Æt S = (σ b )S th× lc =Sd . lc = τm τm §èi víi compozit sîi thñy tinh hay sîi cacbon, lC~ 1mm hay S= 20÷150 sîi nÒn 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: σσ σ σ = .VS + .Vn εc = εS.VS + εn.Vn v× ε = nªn 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 VS = min (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: (σb )c = (σb )S.VS 1 − lc  + σn (1 − VS )   - Khi lc < l < 15lc th×: 2l   (σb )c = 1 τc .VS + σn (1 − Vn ) - Khi l < lc th× : 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 3 Ph©n bè sîi ngÉu nhiªn, ®ång theo ph−¬ng bÊt kú trong mÆt 8 nhÊt trong mÆt chøa sîi 1 Ph©n bè sîi ngÉu nhiªn, ®ång theo ph−¬ng bÊt kú 8 nhÊt theo ba chiÒu kh«ng gian 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...