Đồ án Nghiên cứu tổng hợp vật liệu , khảo sát tính chất và khả năng liên kết tạo vật liệu composit của thuỷ tinh

olyme và do vậy giá thành sản phẩm sẽ cao hơn . Chính điều này hạn chế việc lựa chọn và triển khai ứng dụng chúng trong công nghiệp * Nền polyme: Composit nền polyme chiếm khoảng 90 % trong tổng số các loại composit . Nền polyme rất được ưa chuộng do có tỷ trọng thấp, cách điện, nhiệt tốt, dễ gia công. Polyme dùng làm nền có 2 loại:Nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo[1]. Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng : Polyetylen (PE) , Polypropen (PP), Polystylen , Polyamit…[3] Nhựa nhiệt rắn phổ biến nhất là : Epoxy, polyeste không no, phenolic, polyuretan…[3] *Nền gốm và thuỷ tinh: Tổ chức điển hình của gốm là đa pha và đa tinh thể. Hai pha chính tạo nên tổ chức của gốm : Pha thuỷ tinh phân bố xen kẽ giữa các vùng pha tinh thể và gắn kết chúng lại với nhau. Gốm là loại vật liệu có độ bền cao, duy trì được độ bền ở nhiệt độ cao (~ 1600o C ), khả năng chịu oxy hoá cao. Tuy nhiên có độ bền kéo thấp , chịu va đập kém. [1] Thuỷ tinh vô cơ là vật liệu nhận được bằng cách làm nguội nhanh một hợp chất vô cơ từ trạng thái nóng chảy ở nhiệt độ cao đến trạng thái rắn không kết tinh. Quá trình này giống như đối với nhựa nhiệt dẻo nên có thể áp dụng các phương pháp gia công của nhưạ nhiệt dẻo. Thuỷ tinh có độ bền và modun đàn hồi cao (~69GPa), độ dãn nở nhiệt thấp. Nhờ tính chảy tốt nên khi tăng nhiệt độ và áp lực ép thì hàm lượng sợi tăng cường có thể tăng nhưng không làm giảm độ bền vật liệu.[1] *Nền cacbon/graphit: Grafit là vật liệu chịu nhiệt rất tốt, cứng, bền nhiệt(>2000oC ), điển hình là composit cacbon-cacbon. Vật liệu này được sử dụng nhiều trong ngành hàng không, hoá dược , y tế…[1] 2.2. Phân loại theo hình học cốt: *Composit cốt hạt: Có cấu tạo gồm các phân tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố đều trong nền. Các phân tử cốt rất đa dạng : Các loại khoáng tự nhiên , oxyt, cacbit, nitrit. - Composit cốt hạt mịn : thường có nền là kim loại hoặc hợp kim, cốt có kích thước nhỏ ( < 0.1 mm) thường là các vật liệu bền cứng , có tính ổn định nhiệt cao như cacbit, nitrit. Tương tác nền cốt xảy ra ở mức vi mô với kích thước nguyên tử , phân tử. - Composit hạt thô : Nền có thể là polyme , kim loại hoặc gốm. Cốt thường được đưa vào để cải thiện độ bền nén , kéo , uốn, độ chống mài mòn ,độ ổn định kích thước , chịu nhiệt… hoặc tạo ra một tính chất mới theo yêu cầu. Tương tác nền cốt không xảy ra ở mức nguyên tử , phân tử.[1] *Composit cốt sợi ngắn: Độ dài cốt sợi nhỏ hơn 5 cm . Composit cốt sợi ngắn được gia công bằng các phương pháp gia công nhựa thông thường như đúc , đùn , đuc phun. Khi đùn hoặc đúc phun vào khuôn , sợi phải có khả năng đi qua được khe hở trong thân thiết bị. Sợi ngắn thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt rắn do có khối lượng phân tử lớn khi đóng rắn sẽ không có lợi nếu dùng sợi ngắn.Tất cả composit cốt sợi ngăn đều thuộc composit kỹ thuật.[4] *Composit cốt sợi có chiều dài trung bình: Độ dài cốt sợi từ 10 đến 100 mm, thường dùng cho nhựa nhiệt rắn có thêm bột độn với hàm lượng khá lớn. Phương pháp gia công thường được sử dụng là phương pháp ướt . Sợi phải được thấm ướt hoàn toàn để composit đạt được các tính chất cao nhất. Composit này cũng thuộc composit kỹ thuật.[4] *Coposit cốt sợi dài: Sợi này hay còn gọi là sợi liên tục thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn, chế tạo composit chất lương cao. Loại composit này có thể được chế tạo với nền là vô cơ , gốm , kim loại.[4] 3. Phân loại theo phạm vi ứng dụng: Theo phạm vi ứng dụng thì composit được chia thành 2 nhóm . Hai nhóm này khác nhau chủ yếu ở loại sợi , chiều dài sợi tăng cường và loại nhựa được sử dụng làm nền. Nhóm thứ nhất được gọi là composit tiên tiến (advanced composit ), được chế tạo từ các loại sợi dài và có độ bền cao. Nhựa nền cũng là các loại nhựa có đặc tính tốt , chịu nhiệt , bền hoá học . Composit chất lượng cao thường được ứng dụng trong ngành hàng không , vũ trụ (như tên lửa , các bộ phận máy bay), cũng như các dụng cụ thể thao cao cấp (như vợt tennis, gây chơi gol…), vật liệu y sinh ( sửa chữa, thay thế các bộ phận răng, xương cơ thể ) . Nhóm thứ hai được gọi là composit kỹ thuật ( engineering composit ) gồm các composit cốt sợi ngắn , có tính chất cơ lý thấp hơn. Nhựa nền cũng có tính chất thấp hơn. Các sản phẩm làm từ composit kỹ thuật bao gồm : vỏ tàu , ca nô , otô bồn tắm , bể chứa… V- Các vật liệu thành phần của composit Thành phần chính của composit là nền và vật liệu tăng cường(cốt). Ngoài ra còn có chất đóng rắn , chất độn và một số chất màu (nếu cần).Vật liệu cốt giúp cho composit có khả năng chịu lực cao hợn .Vật liệu nền đóng vai trò liên kết vật liệu cốt với nhau và truyền lực cơ học tới chúng , cũng như bảo vệ cốt chống chọi với môi trường xung quanh.[3] 1. Cốt Trong toàn khối composit xét về mặt sắp xếp thì cốt phân bố không liên tục. Về mặt bản chất cốt có thể rất đa dạng tuỳ thuộc vào tính chất của composit cần chế tạo. Trong thực tế cốt có thể bằng kim loại ( thép không rỉ, vofram, molipden…) , bằng chất vô cơ ( bo , cacbon , thuỷ tinh , gốm…) và bằng chất hữu cơ ( polyamit thơm, nhựa epoxy…). [1] Hình dạng, kích thước, hàm lượng và sự phân bố cốt là những yếu tố ảnh hưởng mạnh đến tính chất của composit . Một số dạng thức phân bố cốt trong không gian : cốt hoá một chiều (tuyến tính ), cốt hoá hai chiều ( mặt), cốt hoá ba chiều ( khối). Về đặc tính của từng loại cốt xem phần 2.2. 2. Nền [1] Trong composit nền đóng vai trò chủ yếu sau đây: - Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối thống nhất . - Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu composit thành các chi tiết theo thiết kế. - Che phủ , bảo vệ cốt tránh các hư hỏng cơ học và hoá học do tác dụng của môi trường ngoài. Nền có thể là các vật liệu rất khác nhau . Về cơ bản người ta có thể phân loại nền thành 4 nhóm :polyme , kim koại , gốm và hỗn hợp. Đặc tính của từng loại nền xem phần 2.1. 3. Tương tác giữa nền và cốt Nền và cốt được kết hợp thành khối composit thống nhất thông qua liên kết tại vùng ranh giới pha.Về nguyên tắc giữa nền và cốt trong khối composit ở điều kiện làm việc bình thường không xảy ra hiện tượng khuếch tán hoà tan lẫn nhau.Tuy vậy tuỳ thuộc vào qui trình công nghệ chế tạo ,hệ thống có thể trải qua các trạng thái nhiệt độ , áp suất cao thuận lợi về mặt nhiệt động học cho các tương tác khác nhau giữa nền và cốt xảy ra.[1] 3.1. Các dạng tương tác giữa nền và cốt .[1] Theo đặc điểm người ta phân loại tương tác nền –cốt thành 3 dạng cơ bản sau: - Nền và cốt không hoà tan lẫn nhau và không tạo thành hợp chất hoá học. VD : Các composit Al-B, SiC-Al … - Nền và cốt tương tác tạo dung dịch rắn với độ hoà tan rất nhỏ và không tạo hợp chất hoá học. VD: Các composit :Nb-W, Ni- W… - Nền và cốt tương tác với nhau tạo hợp chất hoá học . VD: Các composit :Al-SiO2 , Ti-Al2O3, Ti-SiC… Tuỳ thuộc vào dạng tương tác , giữa nền và cốt sẽ hình thành mối liên kết nhất định . Độ bền của composit chịu ảnh hưởng rất mạnh vào độ bền liên kết cốt- nền. 3.2. Các kiểu kiên kết giữa cốt – nền .[1] Trong vật liệu composit , tồn tại 6 kiểu liên kết cơ bản sau: *Liên kết cơ học (hình vẽ 1.2a ): Liên kết này thực hiện nhờ khớp nối thuần tuý cơ học giữa nền và cốt thông qua độ mấp mô bề mặt hpặc do lực ma sát. *Liên kết nhờ thấm ướt (hình vẽ 1.2b): Liên kết này thực hiện nhờ năng lượng sức căng bề mặt . Đối với các composit tạo ra kiểu liên kết cơ học , khi tiến hành quy trình chế tạo , nếu pha nền dược nung chảy và thấm ướt với cốt thì bao giờ cũng xảy ra quá trình khuếch tán hoà tan lẫn nhau giữa chúng dù là rất nhỏ.Sức căng bề mặt trên ranh giới nền- cốt sau khi pha nền đông đặc chính là yếu tố quyết định của kiểu liên kết sau này . *Liên kết phản ứng (hình vẽ 1.2c) Liên kết phản ứng xuất hiện khi trên ranh giới nền- cốt xảy ra tạo phản ứng tạo hợp chất hoá học dạng mfx. Đặc tính của hợp chất mới tạo thành này ảnh hưởng quyết định đến độ bền liên kết giữa cốt và nền . *Liên kết phản ứng phân đoạn (hình vẽ1.2d) Đặc điểm của kiên kết này là phản ứng tổng thể xảy ra theo nhiều giai đoạn , trong đó có một giai đoạn không chế tốc độ tạo ra liên kết. *Liên kết oxyt (hình vẽ 1.2e) Liên kết trong composit dạng này thực hiện do tạo ra các sản phẩm phản ứng ở dạng màng oxyt (Mox). *Liên kết hỗn hợp Liên kết này là hỗn hợp của các kiểu liên kết xuất hiện trong composit mà tương tác giữa nền và cốt phụ thuộc mạnh vào quá trình chế tạo hoặc sử dụng. Hình 1.2: Các kiểu liên kết giữa nền và cốt VI- Cấu trúcvà tính chất của composit . 1. Cấu trúc vật liệu composit . Xét về mặt cấu trúc , vật liệu composit được chia thành một số loại như sau:composit nhiều lớp , composit ba lớp. 1.1. Composit nhiều lớp . Vật liệu được tổ hợp từ các lớp sợi hay vải đồng phương ; phương của sợi hoặc vải trong mỗi lớp không nhất thiết phải giống nhau ( hình vẽ 1.3 ) Vật liệu cốt của mỗi lớp vật liệu có bản chất rất khác nhau : có thể là xơ , vải thuỷ tinh , cacbon…Việc lựa chọn vật liệu cốt của các lớp vật liệu phụ thuộc vào người sử dụng sao cho thoả mãn cao nhất tính chất bền , cứng … khi chịu tải trọng . Nếu so sánh các kiểu sắp xếp của vật liệu cốt , ta thấy: -Các lớp đồng phương cho cơ tính cao theo phương của sợi. -Các lớp “mat”(sợi rối) chịu kéo kém, do đó nên bố trí tại vùng chịu nén. -Vật liệu composit lớp vuông dễ bị tách lớp. -Khi tăng cường theo cả 3 phương, ta sẽ được vật liệu á- đẳng hướng. [3] 1.2. Vật liệu composit “ba lớp”(hình 1.4) .[3] Vật liệu composit “ba lớp” gồm có: -Lõi ( vật liệu hoặc kết cấu nhẹ nhưng chịu nén tốt) -2 lớp vỏ ( có khả năng chịu nén cao). Việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào mục đích của người sử dụng và điều kiện của người làm việc( chế độ nhiệt, môi trường, giá thành..). Người ta hay sử dụng các loại vật liệu sau: +Lõi đặc bằng: gỗ hoặc bông tấc, mút, chất dẻo tăng cường bởi các vibi bông thuỷ tinh. +Lõi rỗng hoặc tổ ong bằng: hợp kim nhẹ, giấy tẩm nhựa, giấy polyamit… + Vỏ là vật liệu nhiều lớp ( thuỷ tinh, cacbon…) hoặc tấm hợp kim nhẹ. 2. Một số yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của composit cốt sợi: Tính chất của composit phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bản chất của vật liệu cốt và nền, độ bền liên kết nền-cốt trên ranh giới, sự phân bố và định hướng sợi, kích thước- hình dạng của cốt, tỷ lệ nền-cốt ( tỷ lệ thể tích và tỷ lệ khối lượng).. [1] 2.1. Tỷ lệ nền-cốt. [3] Tỷ lệ tương đối của vật liệu cốt và vật liệu nền là một yếu tố quan trọng bậc nhất, nó quyết định cơ tính của vật liệu composit . Tỷ lệ này có thể biểu diễn qua tỷ lệ thể tích hoặc tỷ lệ khối lượng. * Tỷ lệ thể tích (Vi): Ta khảo sát mộtkhối vật liệu composit (vc) chứa một khối sợi (vs) và khối vật liệu nền (vn) . Khi đó tỷ lệ thể tích của sợi sẽ là: , Và tỷ lệ thể tích của vật liệu nền sẽ là : . Với Vn = 1- Vs, do đó vc = vs + vn * Tỷ lệ khối lượng (Mi): Từ khối lượng của composit (mc), khối lượng sợi (ms) và khối lượng vật liệu nền (mn), người ta cũng định nghĩa tỷ lệ khối lượng tương tự như trên. Giữa khối lượng và thể tích có quan hệ: mc = vc.rc; ms = vs.rs; mn = vn.rn; ( trong đó ri là khối lượng riêng). Khối lượng tổng cộng của vật liệu composit là: mc = ms + mn hay vc.rc = vs.rs + vn.rn suy ra : rc = Vs. rs + Vn.rn hoặc rc = Vs.rs + ( 1-Vs).rn. Từ quan hệ : vc = vs + vn ta có: . Từ đó ta biểu diễn tỷ trọng qua khối lượng riêng: Từ định nghĩa: Ms = = Mn = ta tìm được quan hệ ngược: Vs = ; Vn = Đối với một composit cốt sợi xác định, nếu coi liên kết nền-cốt là hoàn hảo thì cơ tính của vật kiệu đó chịu ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố như : sự phân bố, kích thước, hình dạng và hàm lượng của cốt sợi. 2.2 ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi đến tính tính chất của composit [1] Cốt sợi có thể được phân bố và định hướng theo các phương án khác nhau tuỳ thuộc yêu cầu đề ra đối với composit. Để khảo sát người ta phân biệt 2 kiểu phân bố sau: - Phân bố một phương, trong đó tất cả các sợi đều định hướng song song thống nhất theo một phương ( hình vẽ1.5a). - Phân bố nhiều phương: Theo cách này sợi có thể được phân bố dưới dạng “mat” tức là phân bố rối, hoàn toàn ngẫu nhiên trên một mặt, tương tự như tấm dạ phớt (hình vẽ1.5b). Cũng có thể sợi được dệt quấn theo 2 chiều ( hình vẽ1.5c) và 3 chiều tương ứng vuông góc ( hình vẽ1.5d). Hình 1.5 : Sơ đồ phân bố cốt sợi a) Một chiều song song b) Ngẫu nhiên, rối trong một mặt c) Dệt hai chiều vuông góc trong một mặt d) Đan , quấn ba chiều vuông góc Độ bền của composit cốt sợi một phương theo phương vuông góc với trục cốt rất nhỏ. Trường hợp phân bố theo kiểu nhiều phương (dạng “mat” hoặc dệt 2 chiều) thì độ bền kéo sẽ nhỏ nhất theo chiều vuông góc với mặt phân bố sợi. Nếu sợi được quấn theo 3 chiều vuông góc thì composit sẽ có độ bền đồng thời lớn nhất theo cả 3 chiều tương ứng đó. Yếu tố hình học của sợi bao gồm hình dáng, kích thước chiều dài và đường kính có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của composit . Dưới đây ta sẽ phân tích tính chất của các composit cốt sợi một phương khi thay đổi yếu tố hình học của sợi. 2.2.1 Cốt sợi liên tục ( Độ dài cốt sợi vô tận). [1] Để tiến hành phân tích, giả thiết composit khảo sát thảo mãn một số điều kiện sau: -Cốt sợi dài vô tận, phân bố đếu và định hướng theo một chiếu song song -Thành phần và tổ chức vật liệu nền, cốt phải hoàn toàn đông nhất. -Liên kết nền- cốt được thực hiện 1 cách hoàn hảo, đảm bảo sự biến dạng của cốt và nền xảy ra đồng thời, tương hợp cho đến khi phá huỷ, tức là: ecomposit = enền = esợi. Khi đặt tải trọng theo chiều song song với trục sợi, từ điều kiện liên kết hoàn hảo giữa nền và cốt ta có: (hình vẽ 1.6) Pc = Pn + Ps (1) Hoặc (sb)c.Fc = sb.Fn + sb.Fs (2) biến đổi tiếp ta được: (sb)c = Vs. (sb)s + (1- Vs). (sb)n (3) Trong đó: Fc,Fn, Fs: diện tích tiết diện ngang tổng cộng tương ứng của composit, nền, sợi. sb: ứng suất tác dụng tại thời điểm cốt sợi bị đứt, với s = e.E. Vậy (3) tương đương: Ec = Vs. Es + (1- Vs). (4) Trong đó: là độ nghiêng của đường cong biến dạng kéo nền xác định tại giá trị sn . Khi giá trị sn nằm trong vùng đàn hồi của đường cong kéo, có giá trị bằng modun đàn hồi của nền En. Vậy trong vùng đàn hồi, biểu thức (4) có dạng: Ec = Vs.Es + Vn.En (5) Kết hợp (1) với (5) ta được: (6) Đối với composit có nền dẻo tốt hơn bao giờ cũng tồn tại một giá trị ứng với các giá trị Vs < sự phá huỷ các sợi cốt không dẫn tới sự phá huỷ tức khắc vật liệu composit. Trong trường hợp này, hàm lượng quá nhỏ của cốt đã không đủ để gây ra hiệu ứng hoá bền. Nếu đặt tải trọng vào mẫu composit thì toàn bộ tải sẽ tác dụng lên nền và làm mẫu biến dạng. Quá trình biến dạng đồng thời của cốt sợi và nền xảy ra cho tận đến khi độ dãn dài của mẫu bằng độ dãn dài phá huỷ của sợi (esợi). Lúc này, nếu lực vẫn tiếp tục tác dụng thì toàn bộ số sợi ít ỏi sẽ bị phá huỷ ( đứt). Tuy vậy, mẫu vẫn tiếp tục biến dạng và sự phá huỷ cuối cùng chỉ xảy ra khi độ biến dạng mẫu đạt tới giá trị độ biến dạng phá huỷ của nền (en).  Như vậy, độ bền kéo của composit ứng với Vs < bằng độ bền kéo của nền nhân với phần trăm thể tích của nó chiếm, tức là: (sb)c = (1- Vs). (sb)n (7) Để các cốt sợi phát huy vai trò hoá bền của chúng, hàm lượng cốt ít nhất cần phải đạt giá trị tới hạn . Bắt đầu từ hàm lượng cốt tới hạn này giới hạn bền kéo của composit sẽ bằng và vượt quá giới hạn bền kéo của nền, tức là (sb)c >(sb)n (8) Kết hợp (3) và (8) ta xác định được hàm lượng thể tích của sợi : (9). Ta có thể biểu diễn bằng hình vẽ 1.7: Sự phụ thuộc vào hàm lượng cốt củađộ bền composit cốt sợi một phương nền dẻo Đường cong biến dạng kéo của composit cốt sợi nền giòn với Vs>Vs Đường cong biến dạng kéo của composit cốt sợi nền dẻo Nhận xét: Trong cả 2 trường hợp, nền dẻo cũng như nền giòn, độ dài phá huỷ của composit hoàn toàn phụ thuộc vào độ dãn dài phá huỷ của sợi. 2.2.2 Độ dài cốt sợi có hạn. [1] Trong thực tế các sợi cốt thường có chiều dài giới hạn, do vậy cần phải tính đến “hiệu ứng đầu mút”. Đó là hiệu ứng phụ thuộc vào yếu tố hình học sợi cốt, gây ảnh hưởng rất mạnh đến độ bền của composit ( hình vẽ 1.8) Hình 1.8: Sơ đồ biến dạng nền khi đặt tải trọng vào composit cốt sợi ngắn. Từ hình vẽ trên ta thấy, dưới tác dụng của ứng suất đặt vào, sự biến dạng của nền dừng lại ở đầu mút sợi. Điều này cũng có nghĩa là tại vùng đầu mút sợi, hiện tượng truyền tải từ nền sang cốt không xảy ra. Nếu sợi ngắn quá ( nhỏ hơn độ dài tới hạn Lth) thì dù cường độ của lực tác dụng lên mẫu composit có tăng lên bao nhiêu đi chăng nữa ứng suất truyền sang cốt cũng không thể vượt quá giới hạn bền của sợi để phá đứt nó. Lúc này chỉ có thể xảy ra khả năng là khi cường độ lực tác dụng đủ lớn, vượt quá giới hạn cho phép, nó sẽ kéo nguyên vẹn sợi cốt tuột ra khỏi nền. Như vây độ bền các sợi cốt không được tận đụng và kết quả là composit rất kém bền. Chỉ trong trường hợp chiều dài sợi vượt quá độ dài tới hạn thì nó mới bị phá huỷ trong mẫu composit khi lực tác dụng vượt quá giới hạn cho phép và lúc này vai trò hoá bền của sợi cốt mới được phát huy. 2.3. ảnh hưởng của định hướng cốt sợi. [1] Do đặc điểm phân bố của sợi trong nền, tính dị hướng của composit cốt sợi thể hiện rất rõ rệt. Vì vậy, cơ tính của composit loại này phụ thuộc rất mạnh vào sự định hướng của sợi so với chiều ứng suất đặt vào. Dưới đây ta chỉ khảo sát một số trường hợp đặc trưng. 2.3.1. composit cốt sợi liên tục. z Khảo sát trường hợp mẫu composit có hàm lượng cốt bằng Vs, chịu tác dụng của ứng suất theo chiều vuông góc với cốt như hình vẽ sau: Z sy sy Y lo x sy sy y (1-Vs).lo Vs.lo Sử dụng phương pháp mô hình tương tự ta khảo sát composit này thông qua mẫu hình khối chiều rộng lo. Khối này gồm 2 lớp: lớp nền có chiều dày (1-Vs).lo và lớp sợi có chiều dày Vs.lo. ứng suất sy tác dụng lên composit cũng là ứng suất tác dụng lên nền và lên sợi. Dưới tác dụng của ứng suất này, mẫu composit bị biến dạng một đoạn bằng Dl. Ta có: Dl = es.Vslo + (1-Vs).enlo (1) hoặc ey =es.Vs + (1-Vs).en (2) Mặt khác: es = ; en = ; ey = ; (3) Kết hợp (2), (3) ta có (4) hoặc: (5) Biểu thức (5) chính là giới hạn dưới của modun đàn hồi của composit hạt thô. 2.3.2 Composit cốt sợi ngắn. [1] Ta khảo sát trường hợp sợi ngắn phân bố hoàn toàn ngẫu nhiên vô trật tự như hình vẽ: Biểu thức quy tắc hỗn hợp đối với mudun đàn hồi được biểu thị như sau: Ec = k.Es.Vs + En.Vn (1) Trong đó: k: là tham số hiệu quả hoá bền, giá trị của nó phụ thuốc vào Vs, và tỷ lệ , dao động trong khoảng 0,1-0,6. Bảng sau trình bày tham số hiệu quả hoá bền của một số composit sợi ngắn ứng với các trường hợp định hướng khác nhau giữa sợi và ứng suất: Định hướng sợi Chiều ứng suất K Tất cả các sợi song song Song song với sợi Vuông góc với sợi 1 0 Phân bố ngẫu nhiên, đồng nhất trong một mặt Theo phương bất kỳ trong mặt chứa sợi 3/8 Phân bố ngẫu nhiên và đồng nhất theo 3 chiều không gian Theo phương bất kỳ 0,2 Nhờ những ưu điểm lớn như tạo hình dễ dàng các chi tiết phức tạp, giá thành sản phẩm thấp, quy trình công nghệ chế tạo vừa phải dễ cập nhật, ngày nay composit cốt sợi ngắn (có định hướng hoặc ngẫu nhiên) đã trở thành một trong những vật liệu mới được đặc biệt chú ý nghiên cứu chế tạo và ứng dụng VI. Các phương pháp chế tạo vật liệu composit VI.1. Một số phương pháp chế tạo vật liệu composit vô cơ 1. Nấu chảy kim loại nền sau đó rót vào khuôn chứa cốt. Nội dung phương pháp: -Đưa các sợi cốt composit vào khuôn. -Nấu chảy kim loại nền rồi rót vào khuôn. Nhược điểm của phương pháp này là khả năng bám dính của kim loại nền vào sợi cốt bị hạn chế. 2. Phương pháp bột. Kim loại nền được chuẩn bị ở dạng bột. Sợi cốt được trộn lẫn với kim loại ở dạng bột thành hỗn hợp. Hỗn hợp này được ép và thiêu kết để tạo ra composit. Nhược điểm của phương pháp này là quá trình ép có thể ảnh hưởng xấu tới tính chất của sợi cốt. 3. Phương pháp ép nóng với sợi cốt có lớp phủ. Phương pháp này về cơ bản giống phương pháp luyện kim bột. Điểm khác biệt là sử dụng sợi cốt có phủ một lớp kim loại khác trên bề mặt. Kim loại để phủ sợi cốt sẽ có tác dụng bảo vệ cốt trong quá trình ép cũng như đóng vai trò liên kết giữa cốt và nền. 4. Phương pháp trộn nóng. Trước khi trộn sợi cốt và bột kim loại nền được nung nóng trước. ưu điểm của phương pháp này là khắc phục được lớp phân cách giữa cốt và nền. 5. Phương pháp phun phủ. Sợi cốt trước khi đem trộn được tiến hành phun phủ một lớp kim loại mỏng bên ngoài. Lớp phủ có tác dụng làm thay đổi tính chất bề mặt của sợi cốt. VI.2. Một số phương pháp chế tạo vật liệu composit hữu cơ.[3] 1.Đúc không áp lực Đúc nguội, không cần ép là kỹ thuật đơn giản cho phép chế tạo các chi tiết bằng vật liệu composit sợi thuỷ tinh. 1.1.Đúc tiếp xúc Đây là phương pháp cổ và đơn giản nhất. Khuôn có thể lồi lõm. Nội dung phương pháp: Vật liệu nền và cốt được con lăn dát thành tấm theo hình dạng của thành khuôn dưới tác dụng của lực ép giữa con lăn và bề mặt của khuôn 1.2.Đúc bắn đồng thời. Phương pháp này cho phép chế tạo hang loạt các chi tiết, giá thành hạ. phương pháp này chỉ dùng sợi vụn, ngắn mà không dùng cốt vải. Do đó cơ tính của vật liệu composit tạo thành không cao. Sợi vụn và nhựa được bắn đồng thời thẳng góc xuống khuông nhờ các sung chuyên dụng 1.3.Đúc chân không. Gồm có: - Đúc chân không dạng túi: khuôn được làm bằng vật liệu cứng, trước tiên tạo lớp lót, sau đặt cốt vải và cấp nhựa. Bơm chân không làm giảm áp suất giúp cho nhựa được trải đều và đẩy bọt khí ra khỏi nhựa. - Đúc hút: Vật liệu cốt và nền được hút vào trong khoảng trống giữa 2 chi tiết khuôn đúc: khuôn trên và khuôn dưới. Phương pháp này cho phép tạo những chi tiết tròn xoay và dạng côn. 2. Đúc áp lực( đúc ép) 2.1.Đúc phun nhựa Vải đươc đăt giữa 2 chi tiết khuôn đúc, phun nhựa nhờ áp lực, nhựa thấm vào cốt. 2.2. Đúc nguội nhờ áp lực. áp lực đúc nhỏ hơn 5 atm, không cần sấy nóng khuôn đúc. Vật liệu cốt và nhựa được đặt vào khuôn đúc đã có lớp lót và phụ gia giúp cho việc dỡ khuôn dễ dàng. Đóng khuôn trên và khuôn dưới rồi ép. 2.3. Đúc có nhiệt độ. Vật liệu cốt( sợi rối, sợi ngắn hoặc dài, vải..) được đặt vào khuôn nóng. Người ta cũng có thể ép nguội sau đó ép nóng dưới tải trọng và ở nhiệt độ xác định. Giải pháp này cho phép sử dụng một tỷ lệ khối lượng vật liệu cốt khá cao, do đó vật liệu tạo ra có cơ tính cao. 3. Đúc liên tục Phương pháp này thường được sử dụng để chế tạo các tấm phẳng, tấm lượn sóng, tấm có gân… Sơ đồ: Vật liệu cốt (sợi, mat,vải…) được tẩm thấm bằng vật liệu nền đ tạo hình (cán) đgia nhiệt (nhiệt độ tuỳ thuộc từng loại vật liệu làm nền) đ làm nguội đ cắt. 4. Kéo định hình Phương pháp này được sử dụng để chế tạo các tấm dạng phẳng hoặc cong, tiết diện không thay đổi và có độ bền cao. Vật liệu cốt được đi qua bể chứa nhựa và được tẩm thấm ở đấy. Sau đó vật liệu cốt đi qua khuôn chuốt đã sấy nóng trong lò. Quá trình tạo hình xảy ra đồng thời với quá trình polyme hóa của nhựa. 5. Đúc ly tâm Phương pháp này thường để chế tạo các chi tiết tròn xoay: ống, thùng…Người ta đưa vật liệu cốt ( mat, sợi ngắn) và nhựa vào khuôn đúc bằng thép cứng sau đó cho khuôn đúc quay (~2000 vòng/phút). Các chi tiết chế tạo bằng đúc ly tâm có mặt ngoài bóng và đều. 6. Phương pháp quấn ống. Vật liệu cốt( sợi dài, băng tải…) đã được tẩm nhựa có xúc tác được quấn với lực căng nhỏ trên một tang hình trụ hoặc tròn xoay. Phương pháp này rất phù hợp với các chi tiết , kết cấu mặt trụ và cầu vật liệu thu được có cơ tính cao vì nó có thể chứa 80 % khối lượng là chất tăng cường (cốt). Phần II-Nghiên cứu thực nghiệm và kết quả I-Nhiệm vụ nghiên cứu Trong khuôn khổ của một bản luận án tốt nghiệp đại học , bản luận án này có nhiệm vụ nghiên cứu tổng hợp vật liệu, khảo sát tính chất và khả năng liên kết tạo vật liệu composit của một loại thuỷ tinh có tính chất sinh học tốt với một số vật liệu khác nhau. Thuỷ tinh được lựa chọn nghiên cứu thuộc hệ : Na2O-CaO-P2O5-SiO2 Trên cơ sở thành phần hoá học thích hợp và có chứa P2O5 , thuỷ tinh này có khả năng tương tác sinh học cao khi được cấy ghép vào cơ thể sống. Tuy nhiên hệ thuỷ tinh này có nhược điểm là độ bền cơ thấp .Vì vậy nó ít khi được sử dụng độc lập làm vật liệu y sinh , mà thường được sử dụng kết hợp với các vật liệu khác để tạo ra các hệ vật liệu composit y sinh.[5] Bản luận án này tập trung nghiên cứu các nội dung chính sau đây: -Nghiên cứu xác định điều kiện công nghệ nấu thuỷ tinh . -Nghiên cứu xác định tính chất của thuỷ tinh . -Nghiên cứu khả năng liên kết của thuỷ tinh với một số cốt liệu khác nhau. Để chế tạo vật liệu composit , các vật liệu được dùng làm cốt gồm: + Cốt sợi kim loại : sợi rối ( sợi Cr-Ni) , dạng lưới (Inox). + Cốt sợi được dệt thành vải từ sợi SiC . +Cốt là gốm thuỷ tinh bền cơ cao. +Cốt là vật liệu gốm có khả năng chịu được nhiệt độ cao. II-Nghiên cứu thực nghiệm và kết quả II.1-Các phương pháp nghiên cứu 1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen[7] Phương pháp này được sử dụng để xác định các pha tinh thể trong gốm thuỷ tinh . Nguyên tắc : Khi chiếu một chùm điện tử công suất lớn vào tinh thể thì phầ lớn các điện tử đi qua và có một số ít các điện tử bị phản xạ quay trở lại do gặp các nguyên tử của tinh thể . Các tia phản xạ sẽ giao thoa tạo các vân giao thoa.Tai các vị trí giao thoa đạt cực đại thì các đại lượng : góc tới của tia Rơnghen (q),bước sóng của chùm tia Rơnghen(l), thông số mạng(d) thoả mãn phương trình Wulf-Bragge: 2d.sinq =n.l ị d= Mỗi loại tinh thể có một thông số mạng cụ thể tương ứng với các giá trị ( n, ,)duy nhất được xác định khi có giá tri của d. Khi phân tích Rơnghen ta sẽ biết được các giá trị của d đối với các loại tinh thể có trong hợp chất nghiên cứu .Luôn có các giá trị d của các tinh thể chuẩn để có thể so sánh giá trị d vừa tìm được.Dựa vào cường độ của các cực đại giao thoa I so với các biểu đồ chuẩn của riêng từng loại tinh thể ta đánh giá được hàm lượng của các tinh thể có trong hợp chất nghiên cứu. Thiết bị sử dụng là máy phân tích Rơnghen, khi chiếu chùm tia Rơnghen có bước sóng l xác định vào mẫu hợp chất nghiên cứu người ta thu được cường độ chùm tia phản xạ I. Sau đó biểu diễn sự thay đổi của chùm tia phản xạ thay đổi theo sự thay đổi của góc 2q, biểu đồ này gọi là biểu đồ Rơnghen Thông qua các peak nhiễu xạ thu được, người ta có thể xác định: - Có các loại tinh thể nào được hình thành ở hệ gốm thuỷ tinh nghiên cứu. Diễn biến kết tinh của các pha tinh thể trên theo nhiệt độ. Kết quả phân tích nhiễu xạ Rơnghen mẫu gốm thuỷ tinh 900oC , lưu 1 giờ, được thể hiện trong hình trang sau: Từ biểu đồ trên ta thấy : hệ thuỷ tinh nghiên cứu khi ủ kết tinh sẽ tạo ra các tinh thể SilicatCaxi, PhôtphatCanxi, phlogopit, SiO2.Trong đố các tinh thể PhotphatCaxi, Phlogopit có tác dụng sinh học rất tốt.Đây là điều mà ta mong muốn. Tuy nhiên , sự phát triển của các tinh thể này chưa được tốt, thể hiện ở giá tri d còn nhỏ.Nguyên nhân có thể là do chế độ ủ kết tinh chưa hợp lý. 2. Phương pháp hiển vi điện tử[7] Hiển vi điện tử là phương pháp cho độ phóng đại và phân giải cao để phân tích cấu trúc sản phẩm. Nguyên tắc: Mẫu trước khi chụp được đưa vào máy gia công mẫu. ở đây mẫu được làm sạch bề mặt và phủ một lớp AgNO3 lên để tăng cường phản xạ trong 15 phút. Sau đó mẫu được đưa vào thiết bị chụp với độ phóng đại khác nhau. 3. Xác định tính chất của thuỷ tinh[6] 3.1. Mật độ thuỷ tinh: Xác định bằng phương pháp cân thuỷ tĩnh tại bộ môn Silicat- ĐHBKHN. Đối với thuỷ tinh nghiên cứu, khối lượng mẫu sau khi luộc sôi 3 giờ và làm nguội 1 giờ xấp xỉ với khối lượng mấu khô. Sự chênh lệch đó rất nhỏ do các hạt nước li ti bám trên bề mặt mẫu. Dựa vào công thức xác định độ xốp, độ hút nước: , Trong đó: Xbk, W,rv là độ xốp biểu kiến, độ hút nước, khối lượng thể tích G1: khối lượng mẫu khô cân trong không khí ( g) G2: khối lượng mẫu ngấm đầy nước cân trong không khí (g) G3; khối lượng mẫu ngấm đầy nước cân trong nước (g) Dựa vào công thức trên ta có thể kết luận rằng thuỷ tinh có độ xốp, độ hút nước bằng 0. Vậy theo phương pháp này ta có thể xác định được khối lượng thể tích của thuỷ tinh ( kể cả bọt kín trong thuỷ tinh). Công thức xác định mật độ thuỷ tinh: Trong đó: rn là khối lượng riêng của nước ở 25 oC (0,998 g/cm3) 3.2. Phương pháp xác định độ bền uốn : Cường độ uốn được xác định: (KG/cm2) Trong đó: P: áp lực ép (KG) l: khoảng cách giữa 2 trục tỳ (cm) b: Chiều rộng của mẫu (cm) h: chiều cao của mẫu (cm) 3.3. Phương pháp xác định độ bền nén: Độ bền nén là khả năng nén kháng của vật liệu. Công thức xác định Trong đó: P: áp lực ép (KG) f: diện tích mặt mẫu thử (cm2) 3.4.Phương pháp xác định hệ số dãn nở nhiệt: Công thức xác định: 1/0C [6] Trong đó: a: hệ số dãn nở nhiệt, 1/0C Dl: độ dãn dài của mẫu được chỉ thị trên đồng hồ đo, mm l: chiều dài ban đầu của mẫu, mm T: nhiệt độ đốt nóng, 0C aTA: hệ số hiệu chỉnh tính đến sự dãn dài của thạch anh, 1/0C 3.5. Phương pháp xác định độ bền hoá : Độ bền hoá của thuỷ tinh là khả năng chịu được tác dụng phá hoại của các tác nhân hoá học như : axit, kiềm, nước. Trong bản luận án này chỉ xác định độ bền nước của thuỷ tinh nghiên cứu. Độ bền nước được xác định bằng cách xác định lượng kiềm thôi ra từ thuỷ tinh theo phương pháp chuẩn độ. II.2-Nghiên cứu nấu thuỷ tinh 1. Sơ đồ tổng hợp thuỷ tinh : Lò ủ thuỷ tinh Lò nấu thuỷ tinh Trộn ẩm Các nguyên liệu đầu Định lượng Đúc khối Đóng bánh phối liệu Cưa cắt mẫu 2. Lựa chọn thành phần hoá học của thuỷ tinh: Thành phần hoá học của thuỷ tinh cần được lựa chọn sao cho có khả năng tạo thuỷ tinh tốt, dễ nấu, dễ đồng nhất, đồng thời lại dễ kết tinh tạo thành gốm thuỷ tinh có tác dụng sinh học kh gia công nhiệt và cũng thuận lợi cho quá trình chế tạo vật liệu composit sau này. Khi nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tham khảo tài liệu ta chọn hệ thuỷ tinh nghiên cứu có thành phần hoá học như sau: Các oxyt thành phần SiO2 P2O5 CaO Na2O % khối lượng 45,0 6,0 24,5 24,5 3. Nguyên liệu và tính toán phối liệu nấu thuỷ tinh * Việc lựa chọn nguyên liệu để nấu thuỷ tinh là rất quan trọng; nó có ảnh hưởng đến khả năng tạo thuỷ tinh và quyết định đến chất lượng thuỷ tinh thu được. Các nguyên liệu này phải đạt các yêu cầu về độ sạch, thích hợp cho quá trình nấu, dễ dàng tham gia quá trình tạo thuỷ tinh. Qua sàng lọc lựa chọn, ta có thể sử dụng các nguyên liệu sau: -Cát: cung cấp SiO2. Yêu cầu: SiO2>98% -Sôđa: cung cấp Na2O. Yêu cầu: Na2O >58,49% -Bột nhẹ: cung cấp CaO. Yêu cầu: CaO>54,9% -Ca3(PO4)2: cung cấp CaO, P2O5. Yêu cầu: CaO>45,9 %; P2O5>38,8% *Tính khối lượng để nấu 100 phần trọng lượng(PTL) thuỷ tinh: +Gọi x là khối lượng cát để nấu 100 phần trọng lượng thuỷ tinh. +Gọi y là khối lượng cát để nấu 100 phần trọng lượng thuỷ tinh. +Gọi z là khối lượng cát để nấu 100 phần trọng lượng thuỷ tinh. +Gọi t là khối lượng cát để nấu 100 phần trọng lượng thuỷ tinh. -Trong quá trình nấu có tính đến sự bay hơi của: P2O5 là 18%; Na2O là3%; CaO là 1%. Vậy ta có: Lượng P2O5 cần thiết để nấu 100 PTL thuỷ tinh: Lượng Na2O cần thiết để nấu 100 PTL thuỷ tinh: Lượng CaO cần thiết để nấu 100 PTL thuỷ tinh: Ta được hệ phương trình: Giải hệ phương trình trên ta được Vậy thành phần phối lượng để nấu 100 PTL thuỷ tinh: Cát : 45,9 PTL Sôđa : 43,2 PTL Bột nhẹ : 18,9 PTL Ca3(PO4)2 : 29,3 PTL -Hiệu suất nấu thuỷ tinh: -Hao hụt khi nấu: 100-73,2=26,8% 4- Lò và chén nấu thuỷ tinh: * Lò để nấu thuỷ tinh là lò gas đạt nhiệt độ tối đa 1500oC. - Nhiệt độ nấu thuỷ tinh là 1350oC. - Khi nhiệt độ lò đạt 1350oC1400oC, phối liệu sau khi được đóng bánh ( độ ẩm khoảng 3%) được tiếp liệu lần 1 , lưu 1 giờ . Sau đó ta tiếp liệu lần thứ 2, lưu 1 giờ .Khi thuỷ tinh nấu đạt yêu cầu ta rót thuỷ tinh lỏng vào khuôn kim loại rồi đưa ngay vào lò ủ( nhiệt độ ủ 650oC), sau đó tắt lò và để nguội đến nhiệt độ thường . Khối thuỷ tinh đem cưa cắt thành các mẫu nhỏ để thực hiện các bước tiếp theo. - Chế độ nhiệt độ của quá trình nấu thuỷ tinh được mô tả trên hình vẽ sau: oC Giai đoạn tăng nhiệt độ lò Giai đoạn ổn định ở nhiệt độ cao nhất để kết khối chén . Giai đoạn nạp liệu. Giai đoạn lưu ở nhiệt độ nấu Giai đoạn giảm nhiệt độ . ủ thuỷ tinh trong lò ủ . 7- Làm nguội. 2 4 3 1350 1450 5 6 1 650 7 0 10 11 12 13 13,2 Thời gian,h * Chén nấu: Chén nấu thuỷ tinh nghiên cứu có thành phần như sau: 80% Al2O3 +15%ZrO2.Chén được tạo hình bằng phương pháp đổ rót với khuôn thạch cao sau đó được sấy và thiêu kết sơ bộ ở 1200o C.Vì vậy khi nâng nhiệt độ của lò nấu phải có khoảng thời gian lưu ở nhiệt độ cao (khoảng 1400oC) để chén kết khối . Sau khi nấu thuỷ tinh ta thấy thuỷ tinh có chất lượng tốt , chén bị ăn mòn ít , không biến dạng. * Nhận xét chung về quá trình nấu thuỷ tinh : - Với thành phần nguyên liệu như đã chọn lựa để tính bài phối liệu, thuỷ tinh nấu thu được có độ đồng nhất tương đối vao, độ nhớt thấp , rót ra khỏi chén dễ dàng; tuy nhiên thuỷ tinh thu được vẫn có màu của Fe2+ do trong phối liệu(cát) có lẫn tạp sắt . Thuỷ tinh sau khi ủ có xuất hiện một số vết nứt chứng tỏ nhiệt độ ủ thuỷ tinh là chưa hợp lý. -Nhiệt độ nấu thuỷ tinh thích hợp cho loại thủy tinh này là 1350oC. -Sử dụng chén nấu cao nhôm đã thiêu kết trước thích hợp cho quá trình nấu thuỷ tinh và lò nấu. II.3-Đo các tính chất của thuỷ tinh 1- Xác định nhiệt độ chuyển (Tg) của thuỷ tinh : Lấy một vài mẩu thuỷ tinh nhỏ , có góc cạnh ,đưa vào lò ở tại một số nhiệt độ khác nhau.Kết quả cho thấy tại nhiệt độ 800oC850oC, mẫu thuỷ tinh bị mất góc cạnh và có xu hướng co tròn lại. Vậy nhiệt độ chuyển của loại thuỷ tinh nghiên cứu nằm trong khoảng 800oC850oC .Ngoài ra , trong quá trình làm thí nghiệmnày ta thấy thuỷ tinh có hiện tượng bị kết tinh mạnh. Việc xác định được nhiệt độ chuyển của thuỷ tinh giúp ta có định hướng cho công việc tiếp theo: xác định được chế độ nhiệt độ để ủ kết tinh tạo thành gốm thủy tinh , xác định được khoảng nhiệt để chế tạo vật liệu composit sau này. 2- Đo độ bền uốn của mẫu: Xác định bằng máy đo cường độ uốn tại bộ môn Silicat-ĐHBK HN. Công thức xác định độ bền uốn: (KG/cm2) Trong đó: P: áp lực ép (KG) l: khoảng cách giữa 2 trục tỳ (cm) b: Chiều rộng của mẫu (cm) h: chiều cao của mẫu (cm) Kết quả như sau: Mẫu Kích thước mẫu bxh, [cm] l [cm] P [KG] u [KG/cm2] 1 1,13x0.788 3,48 24 178,5 2 1,14 x 0,79 3,48 22 161,4 utt=170 (KG/cm2) 3. Đo độ bền nén của thuỷ tinh : Xác định bằng máy độ cường độ nén tại bộ môn Silicat ĐHBK HN. Công thức xác định : Trong đó: P: áp lực ép (KG) f: diện tích mặt mẫu thử (cm2) Kết quả như sau: Mẫu Kích thước , a x b ,cm P KG n KG/cm2 1 1.72 x 0,612 254 241,3 2 2,03 x0,63 240 187,7 n tt =241,5 (KG/cm2). Nhận xét: - Độ bền uốn , nén của thuỷ tinh nghiên cứu khá nhỏ. Điều này phù hợp so với dự đoán ban đầu về tính chất cơ của hệ gốm thuỷ tinh có tính chất sinh học tốt nhưng cường độ thấp , thấp hơn so với loại thuỷ tinh thông thường . - Độ bền cơ thấp do một số nguyên nhân sau: + Chế độ ủ thuỷ tinh chưa hợp lý , biểu hiện bên trong mẫu thuỷ tinh vẫn quan sát được những vết nứt tế vi ; trong quá trình cưa cắt mẫu cũng tạo ra nhiều vết nứt trên bề mặt của mẫu. + Do thiết bị đo chưa hợp : quá lớn so với kích thước của mẫu đo. 4-Đo mật độ của thuỷ tinh : Xác định bằng phương pháp cân thuỷ tĩnh tại bộ môn Silicat ĐHBK HN. Công thức xác định mật độ thuỷ tinh: Trong đó: rn là khối lượng riêng của nước ở 25 oC (0,998 g/cm3) G1: khối lượng mẫu khô cân trong không khí ( g) G2: khối lượng mẫu ngấm đầy nước cân trong không khí (g) G3: khối lượng mẫu ngấm đầy nước cân trong nước (g) Kết quả như sau: G1=3,280 (g) G2= 2,040 (g) n =0,998 (g/cm3) Vậy : tt=2,70 (g/cm3) 5-Đo hệ số dãn nở nhiệt của thuỷ tinh Xác định tại Bộ môn Silicat ĐHBK HN. Kết quả đo hệ số dãn nở nhiệt : Thời gian, phút Nhiệt độ, oC Số vạch l , mm 0 20 0 0 4 40 0,5 0,005 8 60 1,1 0,011 12 80 2,2 0,022 16 100 3,2 0,032 20 120 4,2 0,042 24 140 5,2 0,052 28 160 6,2 0,062 32 180 7,0 0,070 36 200 8,1 0,081 40 220 9,0 0,090 44 240 10,0 0,100 48 260 11,1 0,111 52 280 12,1 0,121 56 300 13,0 0,130 Dựa vào bảng kết quả trên ta tính được hệ số dãn nở nhiệt của thuỷ tinh trong các khoảng nhiệt độ khác nhau theo công thức sau: 1/0C Trong đó: a: hệ số dãn nở nhiệt, 1/0C Dl: độ dãn dài của mẫu đựoc chỉ thị trên đồng hồ đo, mm l: chiều dài ban đầu của mẫu, mm T: nhiệt độ đốt nóng, 0C aTA: hệ số hiệu chỉnh tính đến sự dãn dài của thạch anh, 1/0C - Từ 20-100oC : -7 =110,92.10-7 1/oC. - Từ 20-200oC : -7 =124,89.10-7 1/oC - Từ 20-300oC : -7 =129,09.10-7 1/oC Nhận xét: Hệ số dãn nở nhiệt của thuỷ tinh tương đối lớn . Đây là kết quả phù hợp và nằm trong khoảng dự đoán của tài liệu. 6- Đo độ bền hoá của thuỷ tinh Xác định độ bền nước của thuỷ tinh tại bộ môn Silicat ĐHBK HN. Kết quả như sau: Lượng HCl 0,01N tan ra Ml Lượng Na2O tan ra Mg Cấp Mẫu1 Mẫu2 Mẫu3 Mẫu nước trắng Mẫu1 Mẫu2 Mẫu3 Trung bình cộng Sai số % 5 4,0 4,1 4,0 0,3 1,147 1,178 1,147 1,157 8 Nhận xét: Hệ thuỷ tinh nghiên cứu thuộc họ thuỷ tinh kiềm , hàm lượng pha thuỷ tinh lớn , do đó việc ăn mòn của các tác nhân ăn mòn như axit, kiềm , nước là dễ dàng . Vì vậy độ bền hoá của thuỷ tinh không cao.Thuỷ tinh nghiên cứu có độ bền nước cấp 5. Kết quả này phù hợp với dự đoán của tài liệu. II.4-Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh II.4.1- Sơ đồ tổng hợp vật liệu: Vật liệu cốt Thuỷ tinh Chất kết dính Nghiền mịn Định lượng Định lượng Định lượng Trộn ép nguội Sấy ép nóng Làm nguội Cưa cắt mẫu Đo đạc tính chất 1- Vật liệu nền : Nền được dùng để chế tạo vật liệu composit là thuỷ tinh có tác dụng sinh học tốt ,nhưng do nó có nhược điểm là độ bền cơ thấp nên ít khi được sử dụng độc lập làm vật liệu y sinh mà thường được kết hợp với các vật liệu khác để tạo ra các hệ vật liệu composit y sinh. Thuỷ tinh được nghiền mịn qua máy nghiền hành tinh , kích thước hạt quan sát qua máy hiển vi quang học dh= 5-20m. 2 - Vật liệu tăng cường ( cốt) Cốt được sử dụng để nghiên cứu gồm: * Sợi Cr-Ni : - Một số thông số kỹ thuật : + Thành phần hợp kim : 80%Cr-20% Ni + Đường kính sợi : d=0,3 mm + Chiều dài sợi : l= 3-6 mm + Nhiệt độ phá huỷ sợi: >900oC + Khối lượng riêng của sợi 7,35 (g/cm3) Sợi được phân bố dưới dạng rối. Ta sẽ khảo sát một vài tỷ lệ sợi/ thuỷ tinh và thiêu kết ở một số nhiệt độ khác nhau. * Sợi SiC : Từ những năm 1960 , người ta đã quan tâm đáng kể đến sợi cacbua, nitơ, bo liên tụcvà sợi tơ như những sợi gia cố cho các vật liệu cáu trúc ở nhiệt độ cao. Sợi SiC có nhiều triển vọng đẫ được phát triển hoàn toàn. Sợi SiC được quan tâm vì tính ổn định nhiệt độ , chống lại sự oxy hóa, các tính chất tốt hơn ở nhiệt độ cao, thích hợp với hầu hết các kim loại nóng chảy cũng như vật liệu gốm. - Tính chất tiêu biểu của sợi SiC : Quá trình sản xuất CVD Nhiệt phân Tên thương mại Sợi FP Hãng cung cấp Avco Nippon cảbon Co.Dow -Corning Khối lượng riêng g/cm3 3 2,55 Đường kính sợi ,m 140 10-20 Giá thành, $/kg 1100 500 Modun kéo.GPa 430 190 Độ bền kéo,GPa 2,4 2 Độ dãn dài kéo,% 156 1,1 Độ cứng,Mpa 13 11 Điện trở, /m 0,1 Dãn nở nhiệt theo chiều dài , 10-6 .mm-1.K-1 3,1 Nhiệt độ chảy ,oC 2700 2700 Nhiệt độ sử dụng max,oC 1150 Nhiệt độ duy trì 90% độ bền kéo , oC 800 300 Sợi được dệt thành vải , mỗi sợi vải được dệt từ 500 sợi nhỏ , đường kính sợi nhỏ d=14m. Vải SiC được phân bố dưới dạng lưới để tạo vật liệu composit ba lớp: thuỷ tinh – vải SiC –thuỷ tinh. -Sợi Inox Sợi được dệt thành lưới.Ta sẽ khảo sát 2 loại: dậng 1 lưới và dạng 2 lưới. Dạng 1 lưới :Thuỷ tinh- lưới- thuỷ tinh . Dạng 2 lưới :thuỷ tinh- lưới – thuỷ tinh-lưới- thuỷ tinh. - Một số thông số kỹ thuật của lưới Inox: + Đường kính sợi :0,3 mm + Kích thước lưới :64 lỗ/cm2. + Khối lượng riêng của sợi :13,5 g/cm3. + Nhiệt độ phá huỷ sợi : ~1000oC + Thành phần hợp kim Inox : . Cr:18% khối lượng . Ni :8-10 % khối lượng . Cu :1-2% khối lượng . C :0,8 % khối lượng . Fe : 69-70% khối lượng. * Gốm thuỷ tinh bền cơ cao và dễ gia công cơ khí : Gốm thuỷ tinh sử dụng thuộc hệ : SiO2-Al2O3-B2O3-MgO-Na2O-F. Gốm thuỷ tinh tạo thành được kết tinh từ tinh thể F- Flogopit NaMg3[AlSi3O10] .Đây là hệ gốm thuỷ tinh có độ bền cơ cao và có khả năng gia công cơ khí dễ dàng. Nó tạo với thuỷ tinh thành vật liệu composit có tính chất nổi bật là vừa có tác dụng sinh học tốt vừa dễ gia công thành các chi tiết để thay thế , lắp ghép ,sửa chữa các bộ phận trong cơ thể con người. ống thanh lăn của lò thanh lăn sử dụng trong lò nung gạch ốp lát. Ưu điểm của loại gốm này là có thể làm việc ở nhiệt độ cao (~1500oC), độ bền nhiệt cao , hệ số dãn nở nhiệt thấp . Nhược điểm : Độ bền cơ thấp(giòn) , khả năng chịu va đập kém. * Chất kết dính Chất kết dinh được sử dụnglà dung dịch P.V.A(polyvinylaxetat)Có nhiệm vụ liên kết các hạt thuỷ tinh và vật liệu cốt tạo cho mộc có cường độ cơ học nhất định .Khi thiêu kết nó sẽ cháy hết ở nhiệt độ khoảng 500oC. Dung dịch P.V.A được tạo thành từ bột P.V.A ,hoà tan với nước theo tỷ lệ : P.V.A/H2O = 1/5 . Dung dịch thu được có tỷ trọng :1,1 g/cm3 .Tỷ lệ chất kết dính được sử dụng : chất kết dính /thuỷ tinh =10% . 1.Tính chất vật lý của P.V.A : P.V.A thông thường có màu trắng hoặc hơi vàng ,được cung cấp ở dạng bột và hạt .Các nhân tố chính ảnh hưởng đến tính chất vật lý của P.V.A là mức độ thuỷ phân và polyme hoá . P.V.A được chia làm 2 nhóm chính có mức độ thuỷ phân là 98% và 87á89% với các mức độ polyme hoá khác nhau. Điểm chảy và điểm mềm không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng và sự phân bố của các nhóm axetyl mà còn phụ thuộc vào hàm lượng nước .Với P.V.A được xà phòng hoá hoàn toàn có điểm chảy 228oC,điểm biến mềm 85oC,ở trên 110oC có sự phân giải khí . Dung dịch P.V.A thu được bằng sự khuấy trộn P.V.A trong nước.Độ nhớt của dung dịch phụ thuộc vào độ polyme hoá và mức độ thuỷ phân của P.V.A cũng như nồng độ và nhiệt độ .Độ dẫn điện của dung dịch P.V.A phụ thuộc vào hàm lượng chất điện phân ,với dung dịch 10% thì độ dẫn điện là 0,1 á 0,7 ms/cm. 2.Tính chất hoá học : Tính chất quan trọng nhất là sự tạo thành este .Các sản phẩm phản ứng của P.V.A và andehyt ,pôlyvinylbutyral là nguyên liệu đầu quan trọng trong sản suất thuỷ tinh an toàn . P.V.A được sử dụng trong khá nhiều lĩnh vực , ở đây là tác nhân liên kết cho vật liệu composit . II.4.2- Nghiên cứu khả năng tạo composit từ thuỷ tinh và sợi Cr-Ni: Sợi Cr-Ni đợc căt thành từng sợi nhỏ (l=3-5 mm),được rửa sạch bằn cồn và sấy khô ở 200oC nhằm loại bỏ tạp chất , dầu mỡ bám trên nó. Sau đó nó đợc trộn với bột thuỷ tinh và chất kết dính.Mộu mộc được ép bằng máy ép 5 tấn tại bộ môn Silicat ĐHBK HN.Lực ép khi tạo hình đạt 400KG/cm2. Mộu sau ki ép được đưa vào tủ sấy điện , nhiệt độ sấy 200oC. Sau đó chúng được chuyển vào lò nung Chúng được ép nóng dưới tải trọng 0,32 KG/cm2. Ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ cốt sợi và nhiệt độ kết khối đến khả năng tạo vật liệu composit . * ảnh hưởng của tỷ lệ cốt sợi: ta khảo sát 3 tỷ lệ sau: ; ; * ảnh hưởng của nhiệt độ kết khối: Tương ứng với 3 tỷ lệ trên , ta sẽ nung kết khối mẫu ở 3 nhiệt độ khác nhau: 750oC, 800oC, 850oC, lưu 1 giờ tại nhiệt độ khảo sát;sau đó làm nguội , cưa cắt mẫu và đo đạc các tính chất của composit tạo thành. (Bảng kèm theo xem trang sau) Công thức xác địnhđộ bền nén: n= (KG/cm2) [5] Trong đó : P là áp lực phá huỷ mẫu ,KG f là diện tích chịu áp lực , f= a xb ,cm Độ uốn được xác định tại bằng máy tự tạo (vẫn sử dụng để xác định cường độ của mẫu mộc gốm sứ). Công thức xác đinh độ bền uốn : uốn= (KG/cm2) [5] Trong đó : + d1 : khoảng cách từ trục cánh tay đòn đến vị trí mẫu bị gẫy, cm +d2 =10 cm +Po : Khối lượnh tải trọng ,KG +l: khoảng cách 2 gối đỡ đặt mẫu , l = 3,07 cm + b: chiều rộng mẫu ,cm + h: chiều cao mẫu ,cm Kết quả phân tích kính hiển vi điện tử mẫu I.2 , kết khối ở nhiệt độ 800oC được thể hiện trong hình vẽ sau: Hình 1: ảnh chụp hiển vi điện tử, độ phóng đại 50 lần Hình 2: ảnh chụp hiển vi điện tử, độ phóng đại 150 lần * Nhận xét chung về khả năng tạo composit của thuỷ tinh với sợi Cr-Ni: - Tương tác giữa thuỷ tinh và sợi trên ranh giới pha là khá tốt. - Qua bảng trên ta thấy mẫu composit khảo sat với tỷ lệ Vs/Vc = 5% , thiêu kết ở 800oC cho cường độ cơ học cao hơn cả. Tuy nhiên giá trị này còn thấp so vơi yêu cầu đặt ra . Nguyên nhân chính là do lực ép tạo hình mẫu còn nhỏ, trong điều kiện thí nghiệm không cho phép tăng lực ép lớn hơn; quá trình cưa cắt mẫu đã tạo nhiều vết nứt tế vi bên trong mẫu.Có thể dự đoán nếu tăng lực ép khi nung thì composit thu được sẽ cho độ bền cơ cao hơn rất nhiều. II.4.3- Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh với sợi Inox Lưới Inox có một số chỉ tiêu kỹ thuật như đã đề cập ở mục trên, được rửa sạch bằng cồn và sấy ở 200oC. Ta sẽ nghiên cứu khả năng tạo composit dạng 1 lưới và dạng 2 lưới. Dạng 1 lưới : thuỷ tinh – lưới –thuỷ tinh . Dạng 2 lưới : thuỷ tinh – lưới-thuỷ tinh –lưới- thuỷ tinh . áp lực ép nguội: 400 KG/cm2. áp lực ép khi kết khối : 0,32 KG/cm2. Nhiệt độ kết khối : 850oC , lưu 1 giờ. *Kết quả đo độ bền cơ ( bền uốn) của composit tạo thành được thể hiện trong bảng II.3.2 [ Xem bảng trang bên] Bảng II.3.2: Mẫu composit Chiều rộng b, mm Chiều cao h,cm P KG/cm2 uốn, KG/cm2 Dạng 1 lưới 2,988 6,0 100 485,3 Dạng 2 lưới 2,964 6,20 164 751,3 *Kết quả phân tích kính hiển vi điện tử mẫu dạng 1 lưới cho thấy (hìnhvẽ): Hình 1: ảnh chụp hiển vi điện tử, độ phóng đại 150 lần Hình 2 : ảnh chụp hiển vi điện tử độ phóng đại 50 lần Tương tác giữa nền(inox)và thuỷ tinh trên ranh giới pha chưa thật sự tốt. *Nhận xét : Khả năng tạo composit của thuỷ tinh với inox chưa được tốt. Composit dạng 2 lưới cho độ bền cơ cao hơn nhiều so với composit dạng 1 lưới.Nhiệt độ kết khối chưa hợp lý, lực ép khi nung còn nhỏ. II.4.4- Nghiên cứu khả năng tạocom của thuỷ tinh với sợi SiC Sợi SiC có một số chỉ tiêu kỹ thuật như đã trình bày ở trên. Sợi SiC được dệt thành vải .Vải được nung sơ bộ ở 500oC để đốt cháy hết dầu mỡ và tạp chất khác. Composit tạo thành có dạng : thuỷ tinh –lưới(vải)-thuỷ tinh . Lực ép tạo hình: 400KG/cm2. Nhiệt độ kết khối:850oC áp lực khi ép nóng:0,32 Kg/cm2. * Kết quả phân tích bằng kính hiển vi điện tử (hình vẽ 5,6) cho thấy tương tác giữa thuỷ tinh và sợi trên ranh giới pha là rất tốt.Chứng tỏ khả năng tạo composit của thuỷ tinh nghiên cứu với sợi SiC rất tốt. Hình 5: ảnh chụp hiển vi điện tử độ phóng đại 150 lần Hình 6: ảnh chụp hiển vi điển tử, độ phóng đại 50 lần II.4.5- Nghiên cứu khả năng tạo composit của thuỷ tinh với gốm thuỷ tinh dễ gia công cơ khí Bột thuỷ tinh được trộn với chất kết dính theo tỷ lệ CKD/thuỷ tinh =10%. Hỗn hợp này được láng thành lớp mỏng dày 1-2mm trên bề mặt của gốm thuỷ tinh rồi đưa vào lò nung . Nhiệt độ nung :1100oC, lưu1 giờ. Kết quả quan sát quan sát bằng kính hiển vi quang học cho thấy tương tác giữa nền (thuỷ tinh ) và cốt (gốm thuỷ tinh ) là rất tốt. Composit tạo thành sẽ có ưu điểm nổi bật : vừa có tính chất sinh học tốt , vừa dễ gia công tạo thành các chi tiết phức tạp mà vẫn có độ bền cơ học cao.Điều này rất có lợi khi ta sử dụng composit này để chế tạo các chi tiết để sửa chữa , thay thế các bộ phận xương răng cơ thể người. II.4.6- Nghiên cứu khả năng tạo composit của thuỷ tinh với gốm Corun Ta tận dụng vật liệu là mảnh gốm của lò thanh lăn trong công nghệ gốm sứ. Bột thuỷ tinh được trộn với chất kết dính theo tỷ lệ CKD/thuỷ tinh =10%. Hỗn hợp được láng thành lớp mỏng (1-2mm),rồi đưa vào lò nung , kết khối ở 1100oC., lưu 1 giờ. Kết quả quan sát bằng kính hiển vi quang học cho thấy nền và cốt tương tác với nhau rất tốt trên ranh giới pha. Kết luận Qua quá trình nghiên cứu ta đi đến một số kết luận như sau: 1. Quá trình nấu thuỷ tinh : Nấu thuỷ tinh nghiên cứu bằng lò gas tự tạo, nhiệt độ nấu thuỷ tinh ở 1350oC là hợp lý. 2. Qua khảo sát nghiên cứu khả năng tạo composit từ thuỷ tinh và một số cốt liệu khác nhau ta thấy : thuỷ tinh nghiên cứu có khả năng tạo composit với các cốt liệu khác nhau. Đối với loại composit cốt sợi Cr-Ni thì tỷ lệ Vs/Vc=5% , nung ở 800oC cho cường độ cơ học cao hơn so với 2 loại còn lại. 3. Nhiệt độ kết khối có ảnh hưởng lớn tới khả năng tạo composit . Mỗi loại composit có một nhiệt độ kết khối phù hợp: - composit cốt sợi Cr-Ni : 800oC - composit cốt sợi inox :850oC - composit cốt sợi SiC :1000oC - composit cốt là gốm thuỷ tinh bền cơ cao, gốm corun:1100oC 4. Lực ép khi tạo hình có ảnh hưởng lớn tới khả năng kết khối của vật liệu để tạo composit .Việc sử dụng lực ép khi nung kết khối cho phép ta giảm được nhiệt độ nung , bảo vệ vật liệu cốt không bị oxy hóa ở nhiệt độ cao mà vẫn có khả năng tạo composit theo yêu cầu.Trong điều kiện thí nghiệm không cho phép tăng lực ép khi nung cho nên composit tạo thành chưa đạt được các chỉ tiêu yêu cầu. Dự đoán nếu ta tăng lực ép khi nung thì mẫu sẽ kết khối tốt hơn nhiều. 5. Kích thước hạt của bột thuỷ tinh dh<20m thuận lợi cho quá trình kết khối. 6. Chất kết dính tạm thời PVA đã cho quá trình tạo hình mộc dễ dàng và cường độ cơ học ban đầu cao. Sử dụng tỷ lệ CKD/thuỷ tinh =10% thì tạo hình thuận lợi nhưng sản phẩm có khối lượng thể tích nhỏ , một phần là do chất kết dính phân huỷ để lại lỗ xốp.Vì vậy có thể giảm hàm lượng chất kết dính tạm thời để tăng độ bền của vật liệu composit . Tài liệu tham khảo 1-Chủ biên :Lê Công Dưỡng. Vật Liệu Học. NXB KHKT ,1997. Chương 12, trang 531- 554. 2-Trần Vĩnh Diệu Lê Thị Phái. Vật Liệu Composit.Các vấn đề khoa học, hướng phát triển và ứng dụng. Trung tâm KHTN và CNQG : Trung tâm thông tin dữ liệu, 1998. 3-TRần ích Thịnh . Vật liệu composit .Cơ học và tính toán kết cấu. NXB GD ,1994. Chương 1,2,3, trang 9-49. 4-Nguyễn Anh Dũng. Chuyên đề thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh, 1999 5-Đỗ Minh Nhật, Trần Thị Doan,Lại Thị Mi.THí nghiêm chuyen ngành Silicat.Trường ĐHBK HN. 6-Luận án thạc sĩ Nguyễn Châu Giang.Hà Nội , 1999. 7-Composite Material , vol . 3 Engineering Applicattion of composit Acedemic. Press .New york àn London , 1974. 8-Composit Materials .Ullmann”s encyckopedia of industrials chesmistry,vol.A7,1986, p. 369-409. 9-Luận án thạc sĩ Nguyễn Thanh Liêm.Hà Nội.1997.tr.69 10-Reymond B . Seymos. Polyme Composites. utrecht , the Netherlands ,1990,p.1-9, 43-59.