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

Vật liệu composite, hay vật liệu tổng hợp, đã trở thành yếu tố then chốt trong nhiều ứng dụng công nghệ cao, từ ngành hàng không, ô tô, đến các thiết bị thể thao và y tế như du thuyền đua, máy bay, ván trượt tuyết và chân tay giả. Chúng không chỉ đại diện cho sự tiến bộ trong công nghệ vật liệu mà còn là minh chứng cho sự phát triển của các kỹ thuật cổ xưa. Ví dụ, người Lưỡng Hà đã sáng tạo ra các cấu trúc gỗ vững chắc vào năm 3.400 trước Công nguyên bằng cách liên kết các dải gỗ với keo thô sơ, còn người Ai Cập cổ đại đã tạo ra mặt nạ tử thần cartonnage bằng cách kết hợp các dải giấy cói với thạch cao hoặc nhựa vào khoảng năm 2.000 trước Công nguyên. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá chi tiết về vật liệu composite, từ lý thuyết cơ bản đến ứng dụng thực tế, giúp bạn có cái nhìn rõ ràng khi lựa chọn cho dự án của mình.

Vật liệu Composite là gì?

Vật liệu composite là một loại vật liệu được tạo ra từ hai hoặc nhiều thành phần có tính chất hóa học và vật lý khác nhau, nhằm tận dụng ưu điểm của từng thành phần để tạo ra một vật liệu hoàn chỉnh với các tính chất vượt trội. Cụ thể, vật liệu composite thường bao gồm các sợi có độ bền kéo cao, linh hoạt, kết hợp với một ma trận để hình thành một cấu trúc cứng chắc, có khả năng chịu lực nén tốt.

Việc kết hợp các thành phần 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 kết hợp, tạo ra một vật liệu vừa cứng vừa dẻo, chịu lực và uốn cong tốt. Chính nhờ các tính chất đặc biệt này, vật liệu composite được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hàng không, ô tô, thể thao, và y tế, nơi yêu cầu các vật liệu phải có khả năng chịu lực cao mà vẫn nhẹ và bền bỉ.

Xem thêm: Nhựa ABS là gì? Thông số kỹ thuật và Ứng dụng của nhựa ABS trong công nghệ in 3D

Quy trình sản xuất Composite ra sao?

Quy trình sản xuất vật liệu tổng hợp (composite) rất đa dạng, tùy thuộc vào loại vật liệu và yêu cầu kỹ thuật. Một số vật liệu phổ biến trong composite là sợi thủy tinh, sợi carbon và Kevlar®, tất cả đều được kết hợp với nhựa để tạo ra vật liệu có tính chất cơ lý vượt trội.

Quy trình sản xuất sợi thủy tinh

Đối với sợi carbon, quy trình sản xuất bắt đầu với việc tẩm sợi carbon bằng nhựa polyester, vinyl ester, polyurethane hoặc epoxy hoạt hóa bằng nhiệt (gọi là prepreg). Sau đó, các tấm vải dệt mềm (roving) được đặt lên hoặc vào khuôn và áp suất được áp dụng lên chúng. Nhựa trong vật liệu này sẽ được nung nóng để kích hoạt, làm cho nhựa lỏng ra và bao phủ toàn bộ các sợi, sau đó sẽ được đóng rắn thành vật liệu cứng và dai.

Áp suất có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các dụng cụ đóng và ép sợi hoặc phương pháp đóng túi chân không. Khi áp dụng chân không, lực hút sẽ giúp hình thành đúng hình dáng mong muốn của vật liệu. Một phương pháp khác là sử dụng túi áp suất đàn hồi, nơi áp suất không khí sẽ “đẩy” vật liệu vào khuôn. Sau khi nhựa được lưu hóa (hoặc cứng lại), vật liệu composite có hình dáng hoàn thiện, không bị co ngót và có độ bền cao, tận dụng tốt các tính chất của sợi gia cường và ma trận nhựa.

Các quy trình này tương tự khi áp dụng cho vật liệu thủy tinh và Kevlar®. Sau khi hoàn thành, sản phẩm sẽ được lưu hóa ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ hơi cao và sau đó giải phóng khỏi khuôn để có sản phẩm cuối cùng.

Đối với composite polymer và nanocomposite, quy trình sản xuất cũng khá tương tự, nhưng sự khác biệt chủ yếu nằm ở quy mô của chất gia cường. Composite vĩ mô sử dụng sợi lớn, trong khi nanocomposite sử dụng các vật liệu nano. Quá trình sản xuất vẫn giống nhau, nơi chất gia cường được trộn trước với polyme khi viên nhựa được sản xuất, và sau đó các bộ phận được đúc có chất gia cường phân bổ đồng đều trong toàn bộ vật liệu.

Xem thêm: Sợi Thủy Tinh Composite: Tính Chất và Quy Trình Sản Xuất

Tính chất hóa học của composite

Tính chất của vật liệu composite rất đa dạng, phụ thuộc vào các thành phần cấu tạo và cách thức sản xuất. Các vật liệu composite được chế tạo từ hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau, mỗi loại vật liệu mang lại những tính chất đặc biệt, kết hợp lại với nhau để tạo thành một vật liệu có các tính chất vượt trội. Dưới điều kiện lý tưởng, các tính chất chính của vật liệu composite bao gồm:

1. Tỷ lệ sức bền/trọng lượng cao 

Vật liệu composite thường có tỷ lệ sức bền/trọng lượng rất cao, nghĩa là chúng có thể chịu được các lực tác động lớn mà vẫn duy trì được trọng lượng nhẹ. Điều này rất quan trọng trong các ngành công nghiệp như hàng không, ô tô và thể thao, nơi yêu cầu vật liệu vừa bền, vừa nhẹ để tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất. Ví dụ, composite carbon được sử dụng rộng rãi trong các cấu trúc máy bay vì chúng có thể giảm trọng lượng mà vẫn đảm bảo độ bền và cứng.

1. Khả năng chống va đập 

Một trong những đặc tính quan trọng của vật liệu composite là khả năng chống va đập tốt, đặc biệt là khi kết hợp giữa các sợi gia cường và ma trận nhựa. Khi bị tác động mạnh, composite có thể hấp thụ lực va đập và phân tán chúng qua cấu trúc sợi, giúp giảm thiểu nguy cơ vỡ hoặc hư hỏng. Tính chất này làm cho composite trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong ô tô, bảo vệ thiết bị, hay thậm chí trong các ứng dụng thể thao như ván trượt hay mũ bảo hiểm.

1. Khả năng ổn định hóa học và môi trường 

Vật liệu composite có khả năng chống lại sự ăn mòn và tác động của các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và hóa chất. Điều này làm cho chúng rất thích hợp cho các ứng dụng ngoài trời, dưới nước hoặc trong môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như trong ngành dầu khí, xây dựng hay các công trình ngoài trời. Ma trận nhựa trong composite có thể được lựa chọn sao cho tương thích với các yêu cầu đặc biệt về chống hóa chất hoặc chịu nhiệt độ cao.

Nhờ vào những tính chất vượt trội này, vật liệu composite được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là những ngành yêu cầu vật liệu phải đáp ứng các yêu cầu về độ bền, trọng lượng nhẹ, và khả năng chống lại các tác động môi trường.

Tính chất vật lý của vật liệu composite

Vật liệu composite sở hữu nhiều tính chất vật lý đặc biệt, giúp chúng vượt trội hơn so với nhiều vật liệu đơn giản khác. Dưới đây là các tính chất vật lý chủ yếu của vật liệu composite:

Độ bền kéo (Tensile strength)

Độ bền kéo của phần lớn vật liệu composite có thể đạt đến hoặc vượt qua độ bền kéo của vật liệu gia cường (reinforcing material). Điều này có nghĩa là composite có khả năng chịu lực kéo rất tốt, nhờ vào việc sợi gia cường (như sợi carbon hoặc sợi thủy tinh) có độ bền kéo rất cao. Đây là lý do tại sao composite được sử dụng trong các ứng dụng cần chịu lực kéo mạnh, như trong ngành hàng không, ô tô và xây dựng.

Độ bền nén (Compressive strength)

Độ bền nén của composite thường tương đương hoặc vượt qua độ bền nén của vật liệu ma trận (matrix material), mặc dù phần lớn của composite thường là vật liệu gia cường, không phải ma trận. Điều này cho thấy sự kết hợp giữa sợi gia cường và ma trận nhựa mang lại khả năng chịu nén tốt, làm cho composite rất thích hợp cho các ứng dụng chịu lực nén lớn.

Độ bền uốn (Bending strength)

Độ bền uốn của composite thường vượt xa khả năng chịu kéo của vật liệu ma trận, vì lực kéo từ uốn được truyền tải đến thành phần gia cường và phân tán mà không gây gãy vỡ. Điều này giúp composite chịu được lực uốn mà không bị phá hủy, làm chúng lý tưởng cho các ứng dụng trong kết cấu và vỏ bọc.

Độ dẫn điện hoặc dẫn nhiệt 

Composite có thể được thiết kế để có tính dẫn điện hoặc dẫn nhiệt tùy theo yêu cầu của ứng dụng. Tuy nhiên, đa phần vật liệu composite là cách điện và cách nhiệt tốt, giúp chúng được sử dụng trong các ứng dụng điện tử hoặc các thiết bị cần cách điện tốt.

Khả năng chống mài mòn 

Vật liệu composite thường có khả năng chống mài mòn rất tốt, đặc biệt khi được gia cường với các sợi có độ bền cao như sợi carbon hoặc sợi thủy tinh. Tính chất này rất quan trọng trong các ứng dụng như ngành công nghiệp chế tạo, các thiết bị thể thao và các bộ phận máy móc cần chống lại sự mài mòn trong quá trình vận hành.

Giảm trọng lượng/mật độ

Một trong những ưu điểm nổi bật của vật liệu composite là trọng lượng nhẹ, giúp giảm mật độ so với các vật liệu kim loại hoặc vật liệu truyền thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu vật liệu nhẹ như trong ngành hàng không, ô tô, và thể thao, nơi giảm trọng lượng giúp tăng hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

Tính chất từ tính

Composite có thể được thiết kế với các tính chất từ tính đặc biệt, tùy thuộc vào loại sợi gia cường hoặc ma trận sử dụng. Điều này giúp composite có thể được ứng dụng trong các thiết bị yêu cầu tính chất từ tính, như các máy móc hoặc thiết bị điện từ.

Tính chất quang học

Vật liệu composite có thể được điều chỉnh để có tính chất quang học mong muốn, như độ trong suốt, khả năng hấp thụ ánh sáng, hoặc phản xạ ánh sáng. Các ứng dụng trong ngành công nghiệp quang học, kính mắt, hay các thiết bị bảo vệ đòi hỏi composite có thể đáp ứng các yêu cầu về quang học.

Khả năng chống sốc

Composite có khả năng chống sốc tốt, đặc biệt là khi được gia cường với các vật liệu như sợi thủy tinh hoặc sợi carbon. Khả năng này giúp composite hấp thụ và phân tán năng lượng từ các va chạm hoặc lực tác động mạnh mà không bị vỡ hoặc hư hại, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng trong các ứng dụng bảo vệ.

Khả năng chịu mỏi và biến dạng lâu dài

Vật liệu composite có khả năng chống mỏi và biến dạng lâu dài (creep) rất tốt, nghĩa là chúng có thể duy trì hình dạng và độ bền dưới tác động của tải trọng kéo dài mà không bị hư hại hoặc biến dạng đáng kể. Tính chất này rất quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu vật liệu có tuổi thọ dài và có thể chịu được tải trọng liên tục, như trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không.

Nhờ vào các tính chất vật lý ưu việt này, vật liệu composite được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và ngành công nghiệp, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về hiệu suất và độ bền trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt.

Các loại vật liệu composite

Nanocomposites

Nanocomposites có thể là vật liệu tổng hợp nhân tạo hoặc tự nhiên. Các vật liệu gia cường thường là các vật liệu nano, chẳng hạn như ống nano carbon hoặc graphene được thêm vào ma trận polyme, hoặc các hạt silicon nano được thêm vào thép để kích thích sự phát triển tinh thể mịn. Một số ứng dụng cũng có thể sử dụng canxi cacbonat hoặc talc để làm cứng và gia tăng độ bền cho polyme. Nanocomposites thường sử dụng vật liệu nano để tăng cường độ bền, độ cứng và các tính chất khác như dẫn điện hoặc dẫn nhiệt cho ma trận polyme. Các ví dụ nanocomposite tự nhiên bao gồm xương và vỏ sò. Tuy nhiên, vật liệu nano có thể gây nguy cơ về sức khỏe, do đó, quá trình sản xuất chúng có thể gặp khó khăn.

Metal Matrix Composites 

MMCs sử dụng ma trận kim loại như nhôm hoặc magiê và một sợi gia cường có độ bền cao dưới dạng hạt hoặc sợi mảnh. Các vật liệu gia cường phổ biến là sợi carbon hoặc hạt silicon carbide. Vật liệu này có các tính chất vượt trội so với kim loại cơ bản, bao gồm độ bền và độ cứng tăng lên, khả năng chống chịu nhiệt độ cao, kháng mài mòn, và giảm hệ số giãn nở nhiệt. MMCs được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không và ô tô, cũng như trong điện tử, thiết bị y tế và đồ thể thao. Tuy nhiên, việc sản xuất MMCs khó khăn hơn so với các loại composite khác vì yêu cầu nhiệt độ cao và phân phối đồng đều các vật liệu gia cường.

Polymer Matrix Composites (PMCs)

PMCs là các dạng vật liệu composite phổ biến và dễ hiểu nhất. Vật liệu này bao gồm các tấm vải sợi carbon và sợi thủy tinh được lắp ráp thủ công, và các loại nhựa epoxy hoặc polyester được tiêm hoặc tẩm trước để tạo thành ma trận. PMCs cung cấp nhiều lợi ích, bao gồm độ cứng và độ bền cao (so với trọng lượng của sản phẩm), khả năng chịu nhiệt, hóa chất và cơ học tốt, và khả năng chống mài mòn. Tuy nhiên, việc sản xuất PMCs đòi hỏi lao động có kỹ năng cao, làm tăng chi phí sản xuất. PMCs được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không, ô tô, hàng hải và thể thao.

Glass Fiber Reinforced Polymers (GFRPs)

GFRPs là một loại composite trong đó ma trận nhựa được liên kết với sợi thủy tinh epoxy hoặc polyester. Sợi thủy tinh có thể ở dạng sợi cắt nhỏ, tạo ra độ bền phân hướng cho các cấu trúc. GFRPs được sử dụng trong các ứng dụng như vỏ máy bay, tàu thuyền, và các thiết bị thể thao. Việc sử dụng sợi thủy tinh có thể giúp tăng độ bền của vật liệu nhưng cũng có thể làm tăng chi phí sản xuất.

Hybrid Composites

Hybrid composites là các loại composite sử dụng hai hoặc nhiều loại sợi gia cường khác nhau trong cùng một vật liệu. Ví dụ, sự kết hợp giữa sợi thủy tinh  và sợi carbon có thể cải thiện khả năng chống va đập hoặc hiệu quả thẩm mỹ. Việc sử dụng các vật liệu này có thể gặp phải vấn đề về khả năng tương thích giữa các sợi, điều này có thể ảnh hưởng đến hành vi của vật liệu. Tuy nhiên, các vật liệu này có những ứng dụng tương tự như PMCs nhưng chi phí sản xuất cao hơn.

Ceramic Matrix Composites (CMCs)

CMCs bao gồm ma trận gốm và sợi gia cường. Ma trận gốm cung cấp khả năng chịu nhiệt độ và ăn mòn cực tốt, cũng như khả năng chống mài mòn xuất sắc. Tuy nhiên, gốm thường giòn khi không có sự gia cường. Việc thêm các sợi silicon carbide, alumina hoặc carbon giúp khắc phục tính giòn và tạo ra vật liệu có tính chất sử dụng cao hơn. CMCs được sử dụng trong sản xuất cánh tuabin, các thành phần trong ngành hàng không và máy bay, và các bộ trao đổi nhiệt.

Natural Fiber Composites (NFCs)

NFCs sử dụng các sợi tự nhiên để giảm tác động môi trường của việc sử dụng vật liệu. Các sợi tự nhiên như jute, flax, bông và gỗ được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Ví dụ, các tấm nội thất ô tô thường được làm từ các sợi tự nhiên liên kết với nhựa, tạo thành các bộ phận có thể ép nén và sau đó được bọc bằng nhựa hoặc da. NFCs có thể sử dụng trong sản xuất các vật liệu có độ bền cao với ít tác động xấu đến môi trường.

Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs)

CFRPs là một loại composite trong đó sợi carbon được liên kết với ma trận nhựa epoxy hoặc polyester. Sợi carbon được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi sự kết hợp giữa độ bền cao và trọng lượng nhẹ. CFRPs thường được sử dụng trong các bộ phận máy bay, tàu thuyền, và trong các ngành công nghiệp thể thao.

Aramid Fiber Reinforced Polymers (AFRPs)

AFRPs sử dụng sợi aramid làm vật liệu gia cường. Các composite này chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng chịu tác động lớn, chẳng hạn như vỏ bảo vệ, mũ bảo hiểm và bộ phận xe đua. Sợi aramid thường được dùng dưới dạng vải dệt và tẩm trước với nhựa epoxy hoặc polyester.

Functionally Graded Composites (FGCs)

FGCs là một loại composite trong đó các thành phần cấu thành có thể được thay đổi qua cấu trúc để điều chỉnh hiệu suất. Các vật liệu này có sự chuyển tiếp dần dần về các tính chất vật liệu để tránh các điểm tập trung ứng suất. FGCs được sử dụng trong các thành phần máy bay và tàu vũ trụ nhẹ và bền hơn, như cánh tuabin và vòi phun tên lửa.

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.

Xem thêm: Nhựa Composite là gì? Thành phần Cấu tạo, quá trình sản xuất và ưu nhược điểm

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 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)

Xem thêm: Gỗ Nhựa Composite là gì? Quy trình sản xuất và ứng dụng

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