Vật liệu Composite là gì?  Tính chất, Quy trình và ứng dụng sản xuất sợi thủy tinh

Vật liệu composite, hay còn gọi là vật liệu tổng hợp, đã trở thành yếu tố quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao, từ hàng không, ô tô đến thiết bị thể thao và y tế, với các ứng dụng như du thuyền đua, máy bay, ván trượt tuyết và chân tay giả. Không chỉ đại diện cho sự tiến bộ trong công nghệ vật liệu, composite còn phản ánh sự kế thừa và phát triển từ các kỹ thuật chế tạo cổ xưa. Ví dụ, người Lưỡng Hà đã chế tạo các kết cấu gỗ bền vững từ khoảng năm 3.400 trước Công nguyên bằng cách liên kết các dải gỗ với keo thô sơ, trong khi người Ai Cập cổ đại vào khoảng năm 2.000 trước Công nguyên đã tạo ra mặt nạ tử thần cartonnage bằng cách kết hợp các dải giấy cói với thạch cao hoặc nhựa. Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào vật liệu composite, từ nguyên lý cơ bản đến ứng dụng thực tế, giúp bạn có cái nhìn toàn diện và đưa ra lựa chọn phù hợp cho dự án của mình

Composite là gì?

Vật liệu composite là loại vật liệu được tạo thành từ hai hoặc nhiều thành phần có tính chất hóa học và vật lý khác nhau, nhằm kết hợp ưu điểm của từng thành phần để tạo ra một vật liệu có tính năng vượt trội. Thông thường, composite bao gồm sợi gia cường có độ bền kéo cao và ma trận nền giúp liên kết, bảo vệ sợi, đồng thời chịu lực nén tốt.

Sự kết hợp này giúp vật liệu composite đạt được sự cân bằng giữa độ bền kéo của sợi gia cường, độ bền nén của ma trận, và độ bền uốn của cấu trúc tổng thể. Nhờ đó, composite có độ cứng cao nhưng vẫn giữ được tính linh hoạt, chịu lực tốt và ít bị biến dạng.

So sánh giữa composite và nhựa

Xem thêm bài cùng chủ đề Composite:

• Gỗ nhựa PVC có phải là gỗ composite không?
• Sợi thủy tinh composite: Tính chất và quy trình sản xuất
• Gỗ nhựa composite là gì? Quy trình sản xuất và ứng dụng
• Nhựa composite là gì? Thành phần, cấu tạo, quá trình sản xuất và ưu nhược điểm

Quy trình sản xuất Composite?

Quy trình sản xuất vật liệu composite rất đa dạng, tùy thuộc vào loại sợi gia cường, nhựa nền và yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm. Một số loại sợi phổ biến trong composite gồm sợi thủy tinh, sợi carbon và Kevlar®, thường được kết hợp với nhựa nền như polyester, vinyl ester, polyurethane hoặc epoxy để tạo ra vật liệu có tính chất cơ lý vượt trội.

Quy trình sản xuất sợi thủy tinh

Tính chất hóa học của vật liệu composite

Tính chất của vật liệu composite rất đa dạng, phụ thuộc vào thành phần cấu tạo và phương pháp sản xuất. Nhờ sự kết hợp giữa sợi gia cường (carbon, thủy tinh, Kevlar…) và ma trận nhựa (epoxy, polyester, vinyl ester…), composite có nhiều đặc tính vượt trội so với các vật liệu truyền thống.

1. Tỷ lệ bền/trọng lượng cao

Vật liệu composite có tỷ lệ bền trên trọng lượng rất cao, giúp chúng chịu được lực tác động lớn mà vẫn duy trì trọng lượng nhẹ. Điều này đặc biệt quan trọng trong các lĩnh vực hàng không, ô tô, thể thao, nơi yêu cầu vật liệu vừa bền vừa nhẹ để tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu suất. Ví dụ, sợi carbon composite trong máy bay giúp giảm trọng lượng nhưng vẫn đảm bảo độ cứng vững.

2. Khả năng chống va đập

Composite có thể hấp thụ và phân tán lực tác động nhờ vào cấu trúc sợi gia cường, giúp giảm nguy cơ nứt vỡ. Điều này làm cho composite trở thành vật liệu lý tưởng trong:

• Ô tô & xe thể thao: Giúp tăng độ an toàn khi va chạm.
• Thiết bị bảo hộ: Ứng dụng trong mũ bảo hiểm, áo giáp chống đạn.
• Thể thao: Dùng trong ván trượt, vợt tennis, gậy golf nhờ độ bền cao và trọng lượng nhẹ.

3. Ổn định hóa học & khả năng chống ăn mòn

Composite có khả năng chống lại:

• Ăn mòn hóa học: Không bị tác động bởi axit, kiềm, dung môi hữu cơ.
• Tác nhân môi trường: Chịu được nhiệt độ, độ ẩm, tia UV mà không bị xuống cấp nhanh như kim loại hay gỗ.

Nhờ đặc tính này, composite được ứng dụng rộng rãi trong:

• Công trình ngoài trời: Kết cấu cầu đường, cánh quạt điện gió.
• Ngành dầu khí: Đường ống composite, bồn chứa hóa chất.
• Hàng hải: Vỏ tàu thuyền, vật liệu chống hà.

4. Độ bền hóa học cao theo yêu cầu

Tùy vào loại nhựa nền sử dụng, composite có thể chịu được nhiệt độ cao, tia cực tím (UV) hoặc môi trường khắc nghiệt. Ví dụ:

• Epoxy composite có khả năng chịu nhiệt lên đến 200°C, thích hợp cho ngành hàng không vũ trụ.
• Polyester composite chống ăn mòn tốt, thường dùng trong bể chứa hóa chất.

Nhờ những tính chất hóa học ưu việt, vật liệu composite đã trở thành lựa chọn hàng đầu trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là những lĩnh vực yêu cầu độ bền cao, trọng lượng nhẹ và khả năng kháng hóa chất, môi trường tốt.

Tính chất vật lý của Composite

Vật liệu composite sở hữu nhiều đặc tính vật lý vượt trội, giúp chúng trở thành lựa chọn ưu việt so với nhiều vật liệu truyền thống. Dưới đây là các tính chất quan trọng của composite:

Độ bền kéo (Tensile strength)

Composite có độ bền kéo cao, thậm chí có thể vượt qua vật liệu gia cường như sợi carbon hoặc sợi thủy tinh. Nhờ đó, chúng được sử dụng trong các ngành yêu cầu khả năng chịu lực kéo mạnh như hàng không, ô tô và xây dựng.

Độ bền nén (Compressive strength)

Composite có độ bền nén tương đương hoặc cao hơn vật liệu ma trận, nhờ sự kết hợp giữa sợi gia cường và nhựa nền. Điều này làm cho chúng phù hợp với các ứng dụng chịu tải trọng nén lớn.

Độ bền uốn (Bending strength)

Composite có khả năng chịu uốn vượt trội nhờ sự phân tán ứng suất hiệu quả giữa các thành phần. Điều này giúp chúng duy trì độ bền mà không bị gãy vỡ khi chịu lực uốn, đặc biệt trong kết cấu và vỏ bọc.

Độ dẫn điện và dẫn nhiệt

Composite có thể được thiết kế để dẫn điện hoặc cách điện tùy theo yêu cầu ứng dụng. Phần lớn composite có tính cách điện và cách nhiệt tốt, thích hợp cho các thiết bị điện tử hoặc vật liệu cách nhiệt.

Khả năng chống mài mòn

Nhờ sợi gia cường có độ bền cao, composite có khả năng chống mài mòn tốt, đặc biệt trong ngành công nghiệp chế tạo, thiết bị thể thao và bộ phận máy móc cần chịu ma sát lớn.

Khối lượng riêng thấp

Một trong những ưu điểm nổi bật của composite là trọng lượng nhẹ, giúp giảm tải trọng mà vẫn duy trì độ bền. Điều này đặc biệt quan trọng trong hàng không, ô tô và thể thao, nơi tối ưu trọng lượng giúp tăng hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

Tính chất từ tính

Composite có thể được điều chỉnh để có tính chất từ tính nhất định, phục vụ cho các ứng dụng trong máy móc và thiết bị điện từ.

Tính chất quang học

Composite có thể được thiết kế để trong suốt, hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng theo yêu cầu. Chúng được ứng dụng trong ngành quang học, kính mắt và thiết bị bảo vệ.

Khả năng chống sốc

Composite hấp thụ và phân tán năng lượng từ va chạm hiệu quả, giúp giảm thiểu hư hại khi chịu tác động mạnh. Tính chất này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng bảo vệ và kết cấu an toàn.

Độ bền mỏi và khả năng chịu biến dạng lâu dài

Composite có khả năng chống mỏi và biến dạng tốt, duy trì hình dạng và độ bền dưới tải trọng kéo dài mà không bị xuống cấp nhanh chóng. Điều này giúp tăng tuổi thọ vật liệu trong các ứng dụng công nghiệp nặng.

Nhờ những đặc tính vượt trội này, vật liệu composite ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đáp ứng các yêu cầu khắt khe về hiệu suất và độ bền trong điều kiện khắc nghiệt.

Các loại Composite phổ biến

Nanocomposites

Nanocomposites có thể là vật liệu tổng hợp tự nhiên hoặc nhân tạo, trong đó vật liệu gia cường là các hạt hoặc sợi có kích thước nano. Các loại phổ biến bao gồm:

• Ống nano carbon, graphene: Được thêm vào ma trận polyme để tăng cường độ bền cơ học, độ cứng và tính dẫn điện.
• Hạt silicon nano: Được bổ sung vào thép giúp kích thích sự phát triển tinh thể mịn.
• Canxi cacbonat, talc: Giúp gia tăng độ cứng và độ bền cho polyme.

Nanocomposites có nhiều ứng dụng trong ngành y tế, điện tử, hàng không. Tuy nhiên, vật liệu nano có thể gây rủi ro sức khỏe, đồng thời quá trình sản xuất cũng gặp nhiều thách thức về công nghệ.

Metal Matrix Composites (MMCs)

MMCs sử dụng ma trận kim loại như nhôm hoặc magiê kết hợp với sợi gia cường có độ bền cao dưới dạng hạt hoặc sợi mảnh. Các vật liệu gia cường phổ biến gồm:

• Sợi carbon – giúp tăng cường độ bền và độ cứng.
• Hạt silicon carbide – tăng khả năng chịu nhiệt, chống mài mòn.

MMCs có tính chất vượt trội hơn kim loại thông thường, đặc biệt trong ngành hàng không, ô tô và điện tử. Tuy nhiên, quá trình sản xuất phức tạp và đòi hỏi công nghệ cao.

Polymer Matrix Composites (PMCs)

PMCs là loại vật liệu composite phổ biến nhất, bao gồm:

• Sợi carbon, sợi thủy tinh – kết hợp với nhựa epoxy hoặc polyester để tạo thành ma trận.
• Nhựa gia cường – giúp vật liệu nhẹ, có độ bền cao và khả năng chịu hóa chất tốt.

PMCs được ứng dụng rộng rãi trong hàng không, ô tô, hàng hải và thể thao. Tuy nhiên, quá trình sản xuất đòi hỏi kỹ thuật cao, làm tăng chi phí.

Glass Fiber Reinforced Polymers (GFRPs)

GFRPs là vật liệu composite có ma trận nhựa liên kết với sợi thủy tinh (epoxy hoặc polyester). Đặc điểm chính:

• Tăng độ bền phân hướng nhờ sợi thủy tinh cắt nhỏ.
• Ứng dụng: Vỏ máy bay, tàu thuyền, thiết bị thể thao.

Dù giúp cải thiện tính cơ học, GFRPs có chi phí sản xuất cao hơn so với vật liệu thông thường.

Hybrid Composites

Hybrid composites kết hợp hai hoặc nhiều loại sợi gia cường nhằm tối ưu hóa tính chất vật liệu, chẳng hạn:

• Sợi thủy tinh + sợi carbon: Cải thiện khả năng chống va đập, nâng cao thẩm mỹ.
• Sợi Kevlar + sợi carbon: Tăng khả năng chịu lực và chống mài mòn.

Mặc dù Hybrid composites có hiệu suất cao, nhưng vấn đề tương thích giữa các vật liệu có thể ảnh hưởng đến chất lượng tổng thể.

Ceramic Matrix Composites (CMCs)

CMCs có ma trận là gốm, mang lại:

• Khả năng chịu nhiệt độ và ăn mòn xuất sắc.
• Tính chống mài mòn vượt trội so với gốm thuần túy.

Nhược điểm của gốm là giòn, nhưng có thể khắc phục bằng cách bổ sung sợi silicon carbide, alumina hoặc carbon. CMCs thường được ứng dụng trong cánh tuabin, bộ trao đổi nhiệt và ngành hàng không.

Natural Fiber Composites (NFCs)

NFCs sử dụng sợi tự nhiên (jute, flax, bông, gỗ) kết hợp với nhựa nhằm giảm tác động môi trường. Một số ứng dụng phổ biến:

• Nội thất ô tô: Tạo thành các bộ phận nhẹ, bền.
• Vật liệu xây dựng: Tấm ốp, sàn gỗ composite.

NFCs là giải pháp bền vững nhưng vẫn gặp thách thức về độ bền so với vật liệu tổng hợp nhân tạo.

Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs)

CFRPs kết hợp sợi carbon với nhựa epoxy hoặc polyester, mang lại:

• Trọng lượng nhẹ nhưng độ bền cực cao.
• Ứng dụng trong máy bay, tàu thuyền, xe đua.

CFRPs là lựa chọn lý tưởng trong ngành công nghiệp yêu cầu hiệu suất cao nhưng có chi phí sản xuất cao.

Aramid Fiber Reinforced Polymers (AFRPs)

AFRPs sử dụng sợi aramid, nổi bật với khả năng:

• Chịu lực, chịu va đập tốt.
• Ứng dụng trong áo giáp, mũ bảo hiểm, xe đua.

Sợi aramid thường được chế tạo thành vải dệt và tẩm nhựa epoxy để tăng cường độ bền.

Functionally Graded Composites (FGCs)

FGCs có cấu trúc vật liệu thay đổi dần dần, giúp tối ưu hóa hiệu suất theo từng vùng chức năng. Đặc điểm nổi bật:

• Tránh tập trung ứng suất, giảm nguy cơ nứt vỡ.
• Ứng dụng trong hàng không, tàu vũ trụ, cánh tuabin, vòi phun tên lửa.

Các vật liệu composite ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng đều hướng đến mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất, độ bền và trọng lượng sản phẩm.

Thông số kỹ thuật Sợi thủy tinh Composite

Dưới đây là bảng về các tính chất vật lý, cơ học, điện, nhiệt và quang học của vật liệu composite sợi thủy tinh :

Ưu nhược điểm khi sử dụng vật liệu composite in 3D

Ưu điểm:

• Tăng cường độ bền và độ cứng, cho phép tạo ra các sản phẩm in 3D có tính năng cao hoặc giảm trọng lượng trong khi vẫn duy trì độ bền.
• Có thể bền hơn so với vật liệu ma trận đơn thuần, cho phép các bộ phận hoạt động ở nhiệt độ cao hơn.
• Một số chất phụ gia composite có thể thêm tính dẫn điện hoặc dẫn nhiệt, hoặc tăng khả năng chịu điện áp hạ.
• Một số quy trình in 3D sử dụng chức năng phân tầng, cho phép kết hợp vật liệu cứng và đàn hồi trong cùng một bộ phận, giúp thay đổi các tính chất trong suốt quá trình sản xuất.

Nhược điểm:

• Các vật liệu có chất phụ gia có thể gặp khó khăn trong quá trình chế tạo, ví dụ, chúng có thể khó gia công với các công nghệ đã được thiết lập.
• Hiện tại, có ít lựa chọn trên thị trường, nên việc tìm kiếm và sử dụng vật liệu composite có thể gặp khó khăn.
• Các vật liệu in 3D composite có tính năng cao thường có giá cao hơn so với các lựa chọn cơ bản.

Ứng dụng của Composite

Vật liệu composite được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau nhờ vào những tính chất vượt trội của chúng như độ bền cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt. Dưới đây là một số ứng dụng điển hình của vật liệu composite trong công nghiệp:

Bộ phận của xe máy, vỏ thuyền kayak, thân tàu và vỏ máy bay

Vật liệu composite, đặc biệt là sợi carbon và sợi thủy tinh , được sử dụng để sản xuất các bộ phận nhẹ nhưng chắc chắn như vỏ xe máy, thân thuyền, tàu và các bộ phận của máy bay. Những vật liệu này giúp giảm trọng lượng của phương tiện trong khi vẫn đảm bảo độ bền và khả năng chống va đập.

Composite làm Vỏ thuyền

Đánh dấu trong cần câu cá

Carbon fiber (sợi carbon) kết hợp với epoxy được sử dụng trong việc chế tạo các cần câu cá. Nhờ vào sự kết hợp này, cần câu không chỉ có độ bền cao mà còn linh hoạt, giúp cải thiện trải nghiệm khi câu cá.

Ván ép trong xây dựng

Ván ép composite hay tấm nhựa composite được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng nhờ vào tính chất chịu lực và độ bền cao. Các loại ván này có thể thay thế gỗ tự nhiên trong nhiều ứng dụng.

ván ép mật độ trung bình (MDF)

Bê tông cốt thép trong xây dựng

Ferroconcrete (hay bê tông cốt thép) là một loại vật liệu composite được sử dụng trong xây dựng, giúp tăng cường độ bền và khả năng chịu lực của kết cấu bê tông.

Nhựa gia cường sợi thủy tinh cho các khuôn có độ bền cao

Nhựa gia cường sợi thủy tinh (GFRP) được sử dụng để sản xuất các khuôn mẫu có độ bền cao, phục vụ trong sản xuất các bộ phận yêu cầu khả năng chịu lực lớn và có tuổi thọ cao.

Sàn máy bay, với cấu trúc sandwich giữa lớp giấy b honeycomb và hai lớp nhôm

Trong ngành hàng không, các sàn máy bay thường được chế tạo từ vật liệu composite với cấu trúc sandwich giữa lớp giấy b honeycomb và các lớp nhôm, giúp giảm trọng lượng mà vẫn duy trì độ bền và khả năng chịu lực.

Khung kính mắt

Khung kính mắt thường được sản xuất bằng cách đúc nhựa lên một cấu trúc kim loại, tạo ra sự kết hợp giữa tính linh hoạt của nhựa và độ bền của kim loại, giúp sản phẩm nhẹ và bền hơn.

10 Câu hỏi thường gặp về Composite

Chủ đề Composite