Chuong 7-8-9 - Vật liệu học đại cương

8/14/2019 Chuong 7-8-9 - Vật liệu học đại cương

http://slidepdf.com/reader/full/chuong-7-8-9-vat-lieu-hoc-dai-cuong 1/64

Ch¬ng 7. VËt liÖu phi kim

7.1.VËt liÖu v« c¬:

7.1.1. Kh¸i niÖm: →t¹o thµnh tõ çc hîp chÊt cña nguyªn tè

KL kÕt hîp víi nguyªn tè kh«ng ph¶i lµ KL (hoÆc çcnguyªn tè kh«ng ph¶i KL kÕt hîp víi nhau)

VD: kim lo¹i (Me) víi çc ¸ kim B, C, N, O vµ Si (b¸n kim lo¹i

hay b¸n dÉn) → çc borit, cacbit, nitrit, «xyt, silixit kim lo¹i

HoÆc : çc ¸ kim kÕt hîp víi nhau → çc cacbit, nitrit, «xyt

(SiC, BN, SiO2)

→ gèm, vËt liÖu chÞu löa, thuû tinh, xim¨ng....

7.1.2. §Æc ®iÓm:

I. CÊu tróc:

•Cã thÓ ë çc tr¹ng th¸i kh¸c nhau:

-Tinh thÓ ( gèm SiC, gèm ®¬n «xÝt)

-V« ®Þnh h×nh (thuû tinh) (kh«ng trËt tù →n¨ng lîng

cao→kh«ng bÒn vÒ mÆt nhiÖt ®éng)

-Tinh thÓ + V§H (gèm thuû tinh)





VD:+ M¹ng tinh thÓ NaCl → m¹ng lËp ph¬ng t©m

mÆt cña çc anion Cl−, cation Na+ n»m vµo çc lç hæng

t¸m mÆt , vÞ trÝ trung t©m cña khèi vµ çc c¹nh bªn

cña h×nh lËp ph¬ng

+ M¹ng ZnS: çc anion S2− h×nh thµnh m¹ng lËp ph¬ng

t©m mÆt, cßn çc cation Zn2+ n»m trªn 1/4 çc ®êng

chÐo khèi cña h×nh lËp ph¬ng

M¹ng tinh thÓ CaF2, CuO2, TiO2

• V« ®Þnh h×nh :



- Tinh thÓ th¹ch anh SiO2 ®îc t¹o thµnh tõ m¹ng líi

kh«ng gian ba chiÒu cña çc khèi bèn mÆt [SiO4]4−

(trªn h×nh kh«ng gian hai chiÒu), çc khèi nµy liªn

kÕt víi nhau qua ®Ønh, s¾p xÕp mét çch cã quy

luËt, trËt tù, cã çc yÕu tè ®èi xøng cao (a).

- Ngîc l¹i khi ë tr¹ng th¸i v« ®Þnh h×nh → s¾p xÕp

kh«ng theo quy

luËt: chóng bÞ x« lÖch nh ë thñy tinh th¹ch anh (b),hay çc ion

cña chÊt cho thªm (Na+ cña NaO) ph©n bè vµo çc

vÞ trÝ trèng

trong m¹ng ®· bÞ x« lÖch → thñy tinh silicat (Na2O -

SiO2) (c),



lµm gi¶m møc ®é liªn kÕt cña khung thñy tinh

thËm chÝ g©y ®øt

m¹ng.

•Liªn kÕt : kÕt hîp liªn kÕt ion vµ ®ång ho¸ trÞ (kh«ng

cã liªn kÕt KL)

VD: tû lÖ liªn kÕt ion cña çc nguyªn tè K, Mg víi «xy

lÇn lît lµ 90, 80% (phÇn cßn l¹i lµ liªn kÕt ®ång hãa

trÞ). → n¨ng lîng liªn kÕt t¬ng ®èi lín (≈ 100 ÷

500kJ/mol ; KL≈ 60 ÷ 250kJ/mol) → Tch cao, mËt ®écao, cøng, gißn, trong suèt vµ çch ®iÖn cao.

•PhÇn lín VLVC lµ ®a pha: Tinh thÓ( pha chÝnh) + V§H

+ bät khÝ xen lÉn (do ®iÒu kiÖn c«ng nghÖ hoÆc cè

t×nh ®a vµo)VD: gèm xèp, thuû tinh xèp

•Do ®iÒu kiÖn CN →lµ ®a tinh thÓ (kh«ng thÓ lµ ®¬n

tinh thÓ)→çc h¹t cã cïng thµnh phÇn hoÆc kh¸c thµnh

phÇn vµ cã nhiÒu khuyÕt tËt

II. TÝnh chÊt:

• TÝnh chÊt chung: BÒn ho¸ häc, bÒn nhiÖt, çch nhiÖt

tèt , mét sè cã tÝnh quang häc ®Æc biÖt

•Lµ vËt liÖu ®µn håi ®iÓn h×nh ( >σ®h →ph¸ huû ngay

mµ kh«ng cã BD dÎo)



Chó ý:

Ceramic tinh thÓ

- Gièng nh kim lo¹i lµ vËt liÖu tinh thÓ, víi ceramic

tinh thÓ biÕn d¹ng dÎo → chuyÓn cña lÖch. - Nguyªn

nh©n lµm cho ®é cøng vµ tÝnh gißn cao cña vËtliÖu → khã trît do lÖch khã chuyÓn ®éng v× qu¸ Ýt

hÖ trît.

- Sù khã trît cßn do nguyªn nh©n vÒ liªn kÕt ion, ban

®Çu mçi ion ®Òu ®îc bao bäc bëi çc ion kh¸c dÊu

nªn cã lùc hót, khi trît ®i mét kho¶ng çch nguyªn

tö, çc ion cïng dÊu l¹i ®øng ®èi diÖn nhau nªn l¹i

n¶y sinh lùc ®Èy→thay ®æi b¶n chÊt liªn kÕt nªn

kh«ng x¶y ra trît (®iÒu nµy kh«ng cã ¶nh hëng g×

trong VL kim lo¹i v× çc nót m¹ng ®Òu lµ çc ion



cïng dÊu – cation vµ lu«n ®Æt trong kh«ng gian

chung cña e tù do).

Ceramic v« ®Þnh h×nh

- §èi víi ceramic v« ®Þnh h×nh, biÕn d¹ng dÎo kh«ng

x¶y ra do kh«ng cã s¾p xÕp nguyªn tö trËt tù

- vËt liÖu bÞ biÕn d¹ng b»ng ch¶y nhít gièng nh sù

biÕn d¹ng cña chÊt láng: tèc ®é biÕn d¹ng tû lÖthuËn víi øng suÊt ®Æt vµo. Díi t¸c dông cña øng

suÊt tiÕp, çc nguyªn tö vµ ion ®îc trît dÞch ®i víi

nhau b»ng çch ph¸ vì vµ h×nh thµnh l¹i liªn kÕt

gi÷a çc nguyªn tö

•Cã ®é bÒn nãi chung thÊp : σthùc tÕ << σl thuyÕt do tånt¹i nhiÒu vÕt nøt ( trong vµ trªn bÒ mÆt)

•Ngoµi ra c¬ tÝnh cßn phô thuéc vµo h×nh d¹ng vµ sè

lîng bät khÝ:

bät khÝ dµi →σ gi¶m m¹nh h¬n vµ ph¹m vi thay ®æi

m¹nh

7.1.3.Thuû tinh vµ gèm thuû tinh:

I. Thuû tinh:



•NhËn ®îc b»ng çch: lµm nguéi mét hîp chÊt v« c¬ tõ

tr¹ng th¸i nãng ch¶y hoµn toµn (T cao)→tr¹ng th¸i r¾n

V§H

•Nguyªn liÖu: SiO2; CaO; Na2O; B2O3; Al2O3...→ CN: nÊuch¶y →t¹o h×nh b»ng ph¬ng ph¸p kÐo ( tÊm, èng, sîi),

çn , Ðp, dËp, thæi, ®óc

•§Æc ®iÓm : tÝnh quang häc ®Æc biÖt, bÒn ho¸ häc

cao, chÞu nhiÖt kh¸ cao, çch ®iÖn tèt

•S¬ ®å chÕ t¹o: Phèi liÖu → trén ®Òu → nÊu ch¶y

(1400-15000C) → t¹o h×nh s¶n phÈm → ñ khö .s ( 500-

6000C) →nguéi chËm →mµi (®¸nh bãng)

•Mét sè nhãm thuû tinh:

1. Silicat-kiÒm-kiÒm thæ ( SiO2- CaO- Na2O)Na2O →h¹ thÊp T0 ch¶y



- ë mäi tr¹ng th¸i thñy tinh ®Òu lµ v« ®Þnh h×nh→ nung

nãng hay lµm nguéi kh«ng cã thay ®æi thÓ tÝch râ rÖt- Trong khi vËt liÖu tinh thÓ cã nhiÖt ®é kÕt tinh (nãng

ch¶y) Ts x¸c ®Þnh øng (thay ®æi ®ét ngét vÒ thÓ

tÝch)

- Khi lµm nguéi, thñy tinh ngµy mét nhít (sÖt) h¬n vµ

thÓ tÝch gi¶m ®i liªn tôc, ®iÓm mµ tõ ®ã thÓ tÝchb¾t ®Çu gi¶m víi tèc ®é chËm h¬n ®îc gäi lµ nhiÖt

®é thñy tinh hãa T g. Díi nhiÖt ®é nµy vËt liÖu ®îc co

lµ thñy tinh, cao h¬n nhiÖt ®é nµy lÇn lît lµ chÊt láng

nhít vµ chÊt láng.

- ë nhiÖt ®é t¹o h×nh dÔ biÕn d¹ng thñy tinh b»ng çchÐp, thæi, kÐo.

- Ðp lµ ph¬ng ph¸p t¹o h×nh gÇn nh dËp nãng trong

khu«n cèi b»ng gang ®óc bäc grafit, dïng ®Ó chÕ t¹o

çc s¶n phÈm cã thµnh t¬ng ®èi dµy.

- Thæi lµ ph¬ng ph¸p t¹o h×nh çc s¶n phÈm rçng,thµnh máng nh bãng ®Ìn, phÝch níc, chai, lä, ®å mü

nghÖ...



- KÐo lµ ph¬ng ph¸p dïng ®Ó s¶n xuÊt çc s¶n phÈm dµi

nh tÊm máng, thanh, èng vµ sîi, cã tiÕt diÖn ngang

kh«ng ®æi. ( ChÕ t¹o kÝnh tÊm)

- Sau ®ã nguéi chËm hay ñ → mÊt øng suÊt bªn trong

(do lµm nguéi vµ co kh«ng ®Òu gi÷a çc phÇn cña s¶n

phÈm) → v× øng suÊt bªn trong lµm gi¶m rÊt m¹nh ®é

bÒn xung nhiÖt (thermal shock) dÔ ®a ®Õn g·y, vì.

- §é bÒn cña thñy tinh sÏ t¨ng nÕu t¹o nªn líp øng suÊt

nÐn d trªn bÒ mÆt→ t«i (gièng t«i thÐp) : Thñy tinh ®îc

nung nãng T>Tg ( < T hãa mÒm) →lµm nguéi trong kh«ng

khÝ hay kh«ng khÝ nÐn hay trong dÇu.

Gi¶i thÝch : Tho¹t tiªn bÒ mÆt bÞ kÐo do ®îc nguéi

nhanh h¬n vµ khi xuèng díi Tg → trë nªn cøng, ch¾c

kh«ng co vµo ®îc do lâi nguéi chËm h¬n vÉn ë T0 > Tg

nªn vÉn cßn dÎo. Khi nguéi tiÕp theo, lâi cè co l¹i nhng ®·

bÞ vá ngoµi cøng c¶n trë → vá ngoµi bÞ kÐo co vµo trong

nªn chÞu øng suÊt nÐn, lâi bÞ kÐo gi·n ra ngoµi →chÞu

øng suÊt kÐo.- Sù ph¸ hñy ceramic thêng xuÊt ph¸t tõ vÕt nøt ë bÒ

mÆt vµ ph¸t triÓn lªn do øng suÊt kÐo→ thñy tinh ®· qua

t«i cã øng suÊt nÐn triÖt tiªu mét phÇn øng suÊt kÐo →

cho phÐp chÞu s kÐo lín h¬n



- Giíi h¹n bÒn kÐo cña thñy tinh thêng kh«ng qu¸ 10MPa,

sau khi t«i dÔ dµng ®¹t tíi 50MPa.

*øng dông: kÝnh XD, dông cô ho¸ chÊt, mµn h×nh TV

2.Borosilicat vµ alumosilicat:

SiO2 - B2O3 - Na2O

SiO2 - Al2O3 - Na2O

+hÖ sè gi·n në nhiÖt rÊt nhá, bÒn nhiÖt vµ xung

nhiÖt

+dông cô ®o lêng, th¸p ph¶n øng, nåi ch¶o ®unnÊu....

II.Gèm thuû tinh:

1. Kh¸i niÖm: tæ chøc kÕt hîp V§H+ tinh thÓ ( mét sè

pha tinh thÓ + nÒn V§H)

2. ChÕ t¹o: Tõ thuû tinh (1 pha tinh thÓ)→t¹o h×nh s¶nphÈm →xö lÝ nhiÖt ®Ó t¹o mÇm vµ kÕt tinh→vi tinh

thÓ + nÒn V§H ( ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh nµy )→ çc

lo¹i gèm thuû tinh kh¸c nhau

- §Ó t¹o mÇm ph¶i chän thñy tinh gèc phï hîp vµ cho

thªm çc chÊt

xóc t¸c t¹o mÇm nh Pt, TiO2, ZrO2, SnO2, sunfit,

fluorit

- cã thÓ t¹o nªn çc pha tinh thÓ kh¸c nhau víi tû lÖ,

kÝch thíc, h×nh



d¹ng vµ sù ph©n bè kh¸c nhau→ cã çc tÝnh chÊt

®a d¹ng phï hîp

víi mong muèn

3.TÝnh chÊt:+ kh«ng gi·n në nhiÖt

+ ®é bÒn c¬ häc cao, chÞu mµi mßn (σkÐo = 150-

600MPa;

σ

uèn=1000MPa )→lµm vËt liÖu chÕ t¹o m¸y, æ l¨n kh«ng cÇn b«i tr¬n

+ gia c«ng = c¬ khÝ ( tiÖn...)

+ tÝnh chÊt ®iÖn, tõ ®Æc biÖt

+ tÝnh chÊt sinh häc →ghÐp cÊy trªn c¬ thÓ ngêi : x-

¬ng, c¬....

→TÝnh chÊt kh¸c nhau tuú theo thµnh phÇn

chÕ t¹o

7.1.4.Gèm vµ vËt liÖu chÞu löa:

I.Gèm: VL trªn c¬ së «xyt vµ kh«ng ph¶i «xyt (SiC)

• Tæ chøc ®iÓn h×nh: ®a pha, ®a tinh thÓ( TT+V§H)

vµ pha khÝ

- Hai pha chÝnh t¹o nªn gèm lµ pha tinh thÓ vµ pha v«

®Þnh h×nh, tû lÖ gi÷a hai pha nµy trong çc s¶n

phÈm sÏ kh¸c nhau,



VD: pha V§H trong g¹ch ngãi lµ 20 ÷ 40%, trong sø - 50

÷ 65%, gèm Al2O3 < 1%.

- Ngoµi hai pha chÝnh ra trong gèm lu«n lu«n cã lç xèp

(trong g¹ch: 10 ÷ 50%, gèm nhÑ: > 40%, sø: < 5%) mµtû lÖ, h×nh d¹ng, kÝch thíc vµ sù ph©n bè cã ¶nh hëng

râ rÖt ®Õn çc tÝnh chÊt nh ®é bÒn c¬ häc, ®é dÉn

nhiÖt, kh¶ n¨ng hót níc.

•Ph¬ng ph¸p CN ®iÓn h×nh: thiªu kÕt bét

•Çc nhãm:

+ Gèm Silicat ( tõ SiO2) : gèm truyÒn thèng lµ lo¹i chÕ

t¹o tõ çc vËt liÖu silicat thiªn nhiªn ®é s¹ch thÊp, chñ yÕu

tõ ®Êt sÐt vµ cao lanh → s¶n phÈm gèm x©y dùng (g¹ch,

ngãi, èng dÉn, sø vÖ sinh...), gèm gia dông (Êm chÐn, b¸t

®Üa) vµ gèm c«ng nghiÖp (çch ®iÖn, bÒn hãa, nhiÖt).

§Êt sÐt lµ silicat nh«m gåm cã Al2O3, SiO2 vµ níc ngËm.

TÝnh chÊt cña nã biÕn ®æi réng phô thuéc vµo lîng t¹p

chÊt mµ chñ yÕu lµ çc «xyt (Fe, Ba, Ca, Na, K...) vµ mét Ýt

chÊt h÷u c¬. Cao lanh (kaolinite) lµ kho¸ng phæ biÕn nhÊtcña ®Êt sÐt cã c«ng thøc Al2(Si2O5)(OH)4 hay

Al2O3.2SiO2.2H2O.



Ngoµi ®Êt sÐt, cao lanh cßn dïng çc nguyªn liÖu phô nh

th¹ch anh SiO2 lµm chÊt ®én, trµng th¹ch KAlSi3O8 lµm trî

dung.

VD: sø ®iÓn h×nh chøa 50% ®Êt sÐt (cao lanh), 25%th¹ch anh, 25% trµng th¹ch.

→g¹ch ngãi, b¸t ®Üa, gèm sø bÒn nhiÖt....

+ Gèm «xyt : cã thµnh phÇn hãa häc lµ mét ®¬n «xyt

(Al2O3 hoÆc TiO2) hoÆc mét «xyt phøc x¸c ®Þnh (vÝ dô

MgO.Al2O3, BaO.TiO2) (trong thµnh phÇn kh«ng cã SiO2)- gèm «xyt cã ®é tinh khiÕt hãa häc cao (tû lÖ t¹p chÊt rÊt

thÊp) (kh¸c víi gèm silicat) vµ tû lÖ pha tinh thÓ còng cao

(tû lÖ pha v« ®Þnh h×nh rÊt thÊp) ®Ó lµm vËt liÖu kü

thuËt cã ®é bÒn nhiÖt vµ ®é bÒn c¬ häc rÊt cao, cã çc

tÝnh chÊt ®iÖn vµ tõ ®Æc biÖt.Cã thÓ chia thµnh ba nhãm nhá.

a. Gèm «xyt trªn c¬ së çc «xyt cã nhiÖt ®é nãng

ch¶y cao

Víi çc «xyt cã nhiÖt ®é ch¶y cao tiªu biÓu lµ Al2O3

(2050oC), MgO (2850oC), ZrO2 (2500 ÷ 2600oC), MgO.Al2O3

(2135oC) b»ng c«ng nghÖ gèm tinh (víi ®é tinh khiÕt >

98%), thiªu kÕt ë nhiÖt ®é cao víi tæ chøc tinh mÞn vµ

hÇu nh toµn bé lµ tæ chøc mét pha.

Chóng bao gåm çc lo¹i sau:



Gèm corindon (Al2O3 ë d¹ng thï h×nh α) víi T sö dông

kho¶ng 1900oC ®îc dïng lµm chÐn, nåi nÊu kim lo¹i; víi ®é

cøng HB 2000 ®îc dïng lµm vËt liÖu c¾t, h¹t mµi, thËm

chÝ cÊy ghÐp vµo x¬ng.Gèm pericla (MgO) víi T sö dông cao tíi 2400oC vµ cã tÝnh

kiÒm ®îc dïng lµm nåi nÊu ch¶y kim lo¹i, bÒn víi muèi

clorit vµ fluorit nãng ch¶y.

Gèm ziªcona (ZrO2) víi nhiÖt ®é sö dông cao (2300oC), gi·n

në nhiÖt Ýt, 20.10-7

/ o

K , vµ gèm spinel (MgO.Al2O3) ®îc dïngvµo çc môc ®Ých ®Æc biÖt ë nhiÖt ®é cao.

b. Gèm trªn c¬ së TiO2

Gèm trªn c¬ së TiO2 cã çc tÝnh chÊt ®Æc biÖt (®iÖn m«i,

s¾t tõ, ¸p ®iÖn) ®îc sö dông réng r·i trong kü thuËt ®iÖn

vµ ®iÖn tö.

Cã thÓ chØ lµ ®¬n «xyt nh gèm rutil (TiO2) hay cã pha

thªm çc «xyt kh¸c ®Ó ®iÒu chØnh çc tÝnh chÊt ®iÖn tõ.

c. Gèm trªn c¬ së Fe2O3 vµ «xyt kim lo¹i nÆng

Gèm trªn c¬ së Fe2O3 vµ çc «xyt kim lo¹i nÆng kh¸c thuécnhãm Fe t¹o ra çc vËt liÖu b¸n dÉn vµ vËt liÖu tõ.

MeO.Fe2O3 (trong ®ã Me cã thÓ lµ Mn, Zn, Ni, Mg, Co, Cu,

Cd, Ti...) ®îc gäi lµ ferit tõ hay ®¬n gi¶n lµ ferit, thuéc lo¹i

vËt liÖu tõ mÒm, dßng fuc« sinh ra rÊt nhá, tæn thÊt ®iÖn

rÊt nhá ( lâi biÕn thÕ)



II.VËt liÖu chÞu löa:

• X©y lß vµ çc thiÕt bÞ CN lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao

•VËt liÖu ®îc coi lµ chÞu löa : T>15200C ( mÉu thö

kh«ng bÞ gôc) vµ ®¶m b¶o tÝnh chÊt c¬, ho¸, æn®Þnh kÝch thíc

•Çc VL chÞu löa quan träng ®Òu lµ gèm, chÕ t¹o theo

CN gèm th«

•Çc lo¹i VL chÝnh:

§inat (silica) : > 93% SiO2 ®îc s¶n xuÊt b»ng ph¬ng ph¸pthiªu kÕt bét.

G¹ch ®inat cã tÝnh axit víi T lµm viÖc cao (> 1550oC) →

x©y lß coke, vßm lß thñy tinh, çc vïng nung trong lß

tuynen, mét sè lß luyÖn kim.

Sam«t lµ gèm th« Al2O3 - SiO2: nguyªn liÖu chÝnh lµ ®Êt

sÐt, cao lanh.

Thµnh phÇn hãa häc cã : sam«t thêng (30 ÷ 40% Al2O3)

trung tÝnh vµ sam«t b¸n axit (chØ

chøa 20 ÷ 30% Al2O3).§é chÞu löa t¬ng ®èi tèt (~ 1400oC) tïy tõng lo¹i

§îc dïng trong lß nung clinke, khÝ hãa, h¬i vµ mét sè lß

luyÖn kim.

Cao alumin : còng thuéc hÖ Al2O3 - SiO2 nh sam«t nhng víi

hµm lîng Al2O3 cao h¬n (45 ÷ 95%) nªn ®é chÞu löa cao



h¬n (≥ 1600oC), ®îc sö dông khi cã yªu cÇu cao vÒ ®é

chÞu löa mµ sam«t kh«ng ®¸p øng næi.

G¹ch kiÒm tÝnh lµ hÖ g¹ch chÞu löa cã MgO víi çc thµnh

phÇn kh¸c nhau: pericla hay manhªzit (MgO), pericla -cr«mit hay cr«m - manhªzit (Cr2O3 - MgO), ®«l«mit (MgO -

CaO)...

RÊt bÒn víi xØ kiÒm lµ yªu cÇu rÊt quan träng víi luyÖn

thÐp vµ mét sè kim lo¹i ®Ó cã thÓ t¹o ra xØ kiÒm (CaO),

khö t¹p chÊt cã h¹i vµ còng ®îc dïng trong mét sè lß kh¸c.→ Nh vËy vÒ c«ng dông çc g¹ch chÞu löa kh«ng cã sù

kh¸c nhau lín vÒ ®é chÞu löa mµ chñ yÕu lµ ë m«i trêng

lµm viÖc (axit, kiÒm hay trung tÝnh).

VËt liÖu çch nhiÖt: gèc sam«t, cao lanh + 45-50% bät

khÝ7.1.5 Bªt«ng vµ xim¨ng:

+ B¶n chÊt

•VL v« c¬ ®a pha →pha r¾n ( ®¸ d¨m hoÆc sái) dÝnh kÕt

víi nhau ë T thêng nhê chÊt dÝnh kÕt (xi m¨ng Pooclan)

( Ngoµi çc ph¬ng ph¸p chÕ t¹o ngoµi thiªu kÕt bét vµ nÊu

ch¶y ®· tr×nh bµy)

→ Nguyªn lý chÕ t¹o bªt«ng: çc cèt liÖu r¾n (sái, çt) víi

xim¨ng poclan vµ níc lµ chÊt dÝnh kÕt theo tû lÖ x¸c ®Þnh

®îc hßa trén ®Ó cã hçn hîp ë thÓ nh·o (v÷a bªt«ng), sau



khi xim¨ng ®· ®ãng r¾n khèi vËt liÖu trë nªn liÒn khèi vµ

v÷ng ch¾c.

+ Xim¨ng

- Xim¨ng (cement) lµ chÊt kÕt dÝnh thñy lùc → t¸c dông víi

níc t¹o ra çc hîp chÊt cã tÝnh kÕt dÝnh; çc hîp chÊt nµy

®ãng r¾n trong níc vµ çc s¶n phÈm ®ãng r¾n bÒn trong

níc.

- Cã çc lo¹i xim¨ng chÝnh sau:

Poclan, trªn c¬ së hÖ CaO - SiO2 chøa thªm Al2O3, Fe2O3 víinhiÒu lo¹i biÕn thÓ

VD: Th«ng dông: XM Pooclan PC30 →σnÐn=30KG/mm2

- Alumin, trªn c¬ së hÖ CaO - Al2O3 chøa thªm SiO2, Fe2O3,

- XØ lß cao, chøa thªm th¹ch cao hoÆc v«i,

trong ®ã xim¨ng poclan lµ phæ th«ng nhÊt.

•Bªt«ng: hçn hîp Sái, ®¸+ XM (tû lÖ tuú theo ®é bÒn yªu

cÇu)

VD: gåm sái hoÆc ®¸ d¨m kÝch thíc 1 ÷ 4cm, çt vµng cì

h¹t 0,1÷ 0,2mm, xim¨ng cì h¹t 0,5 ÷ 50 µ m) → ®Ó t¹o ra mËt®é cao cho bªt«ng: h¹t çt ®iÒn ®Çy vµo chç trèng gi÷a

çc viªn sái, ®¸ d¨m, cßn çc h¹t xim¨ng sÏ chen vµo

kho¶ng trèng gi÷a çc h¹t çt. Ngoµi ra, bÒ mÆt cña çc

h¹t çt, sái, ®¸ d¨m sÏ xóc tiÕn t¹o mÇm ký sinh (dÞ thÓ)



cho qu¸ tr×nh kÕt tinh cña çc hîp chÊt hy®rat cña xim¨ng

→ bªt«ng lµ mét lo¹i compozit

•Nhîc ®iÓm: ( gièng çc lo¹i VL v« c¬ kh¸c) σbnÐn cao; σbkÐo

thÊpGiíi h¹n bÒn nÐn cña bªt«ng biÕn ®æi rÊt réng tïy thuéc tû

lÖ trong hçn hîp, b¶o dìng..., trong kho¶ng 5 ÷ 60MPa, cßn

giíi h¹n bÒn kÐo chØ b»ng 1/8 ÷ 1/10 giíi h¹n bÒn nÐn (do

sù cã mÆt cña v« sè vÕt nøt lç hæng, kªnh chøa níc).

→kh¾c phôc: cèt thÐp

7.2. VËt liÖu h÷u c¬ ( Polymer)

7.2.1.Çc kh¸i niÖm:

I. §Þnh nghÜa vµ ph©n lo¹i:

1. §/n: Polyme ( chÊt dÎo) lµ hîp chÊt →h×nh thµnh dosù lÆp l¹i nhiÒu lÇn cña mét lo¹i hay nhiÒu lo¹i nguyªn

tö ( hoÆc mét nhãm nguyªn tö) →liªn kÕt víi sè lîng lín

→t¹o nªn mét lo¹t tÝnh chÊt

mµ thªm vµo hay bít ®i mét vµi ®¬n vÞ cÊu t¹o →çc

tÝnh chÊt nµy kh«ng ®æi

H H

C ═ C, trong ®ã: lµ liªn kÕt®¬n



H H ═ lµ liªn kÕt ®«i (hay hai liªnkÕt ®¬n).

7.2.2. CÊu t¹o Polyme:1. Ph©n tö polyme:

•Chñ yÕu tõ C vµ H

• D¹ng m¹ch dµi ,mÒm dÎo, m¹ch chÝnh C, m¹ch nh¸nh

cã thÓ cã liªn kÕt ®«i ( nguyªn tö hay nhãm nguyªn tö)

C C C C C C C C

• Trong ph©n tö nµy, çc nguyªn tö ®îc liªn kÕt b»ng

liªn kÕt ®ång hãa trÞ

•H×nh thµnh tõ çc ®¬n vÞ cÊu tróc : m¾t xÝch (me)

vµ lÆp l¹i nhiÒu lÇnMe ®¬n gi¶n nhÊt ®îc gäi lµ monome (tøc ph©n tö

chØ gåm mét me),

cßn polyme cã nghÜa lµ nhiÒu me.

• Ph©n tö polyme tæng hîp víi kÝch thíc vµ khèi lîng

ph©n tö lín → cao ph©n tö.

•Khi m¾t xÝch cïng lo¹i →homopolyme,

m¾t xÝch kh¸c lo¹i →copolyme

VD: PE (polyªtylen) Etylen CH2=CH2



→ (- CH2- CH2-)n - CH2- CH2- → §¬n vÞ

m«n«me

Tõ çc ph©n tö ªtylen C2H4 (ë d¹ng h¬i) díi t¸c dông cña xóc

t¸c, nhiÖt ®é, ¸p suÊt thÝch hîp, liªn kÕt ®«i bÞ g·y, më vÒ

hai phÝa vµ sù hîp nhÊt l¹i cña chóng sÏ t¹o nªn m¹ch vµ

ph©n tö polyªtylen (PE)

• CÊu tróc ph©n tö cña çc polyme thêng gÆp

NÕu cø mét trong bèn nguyªn tö hy®r« cña me trong PE -

polyªtylen ®îc thay thÕ bëi nguyªn tö Cl, gèc mªtyl CH3,

gèc benzyl (m¹ch vßng) sÏ lÇn lît ®îc PVC - polyvinyl clorit

(h×nh a), PP - polypr«pylen (h×nh b), PS - polystyren

(h×mh c).

H H H H H H H CH3

C C C C C C C C

H Cl H CH3 H H C O CH3

Oa) PVC b) PP c) PS d) PMMA

NÕu cø hai trong bèn nguyªn tö hy®r« trong PE ®îc

thay thÕ bëi gèc metyl CH3 vµ gèc C2H3O sÏ ®îc PMMA -

CÊu tróc ph©n tö (me) cña çc polyme thêng gÆp ( gÇngièng PE)a. PVC (polyvinyl clorit),b. PP (polypr«pylen),c. PS (polystyren),d. PMMA ( ol mªt n metacr lat) - thñ tinh h÷u c¬,



polymetyl metacrylat cßn gäi lµ thñy tinh h÷u c¬ hay

plexiglass

2. Khèi lîng ph©n tö

• Çc ph©n tö polyme cã khèi lîng (chiÒu dµi) hÕt søckh¸c nhau: mét sè ph©n tö t¬ng ®èi nhá (m¹ch ng¾n),

mét sè lín (m¹ch dµi), cßn ®a sè lµ trung b×nh.

•§é dµi cña m¹ch cã ¶nh hëng lín ®Õn çc nhiÖt ®é

ch¶y vµ biÕn mÒm:

çc T t¨ng khi t¨ng cña khèi lîng ph©n tö ( chiÒu dµi

m¹ch t¨ng)

VD:

- polyme víi khèi lîng ph©n tö thÊp (~ 100g/mol) ë T

phßng tån t¹i ë d¹ng láng hay khÝ, - - trung b×nh (~

1000g/mol) ë d¹ng s¸p hay cao su mÒm

- cao (tõ > 10000 tíi hµng triÖu g/mol) ë d¹ng chÊt r¾n

→ môc tiªu cÇn ®¹t tíi.

• Sù ph©n bè khèi lîng ph©n tö theo tõng nhãm gi¸ trÞ

cã vai trß quan träng: sù ph©n bè ®ã cµng réng cµngkh«ng tèt v× cã mét tû lÖ cao çc ph©n tö víi khèi lîng

thÊp, ë tr¹ng th¸i láng cã t¸c dông b«i tr¬n gi÷a çc

ph©n tö lín lµm cho vËt liÖu polyme trë nªn mÒm vµ dÔ

bÞ ch¶y khi chÞu t¶i→ cè g¾ng t¹o nªn polyme víi khèi

lîng ph©n tö lín vµ ®ång ®Òu ®Õn møc cã thÓ.



3.CÊu tróc m¹ch:

• M¹ch th¼ng : →thùc tÕ gãc liªn kÕt gi÷a C lµ 109,50,

cã thÓ quay hoÆc uèn

H×nh d¹ng m¹ch quyÕt ®Þnh çc tÝnh chÊt quan trängcña polyme trong ®ã næi bËt lµ tÝnh ®µn håi cao nh

cña cao su

VD: Çc tÝnh chÊt c¬ - nhiÖt phô thuéc vµo kh¶ n¨ng

quay cña çc ®o¹n m¹ch khi cã øng suÊt vµ nhiÖt ®é

thay ®æi.

§é ®µn håi phô thuéc nhiÒu vµo cÊu tróc vµ b¶n chÊt

çc me: Trong çc vïng cã liªn kÕt ®«i hay cã m¹ch

vßng sù quay sÏ khã kh¨n h¬n

- Çc polyme th«ng dông cã cÊu tróc m¹ch th¼ng lµPE, PVC, PS, thêng lµ nguyªn liÖu chÝnh ®Ó chÕ t¹o

polyme víi çc kiÓu m¹ch kh¸c.

• M¹ch nh¸nh: cã nh÷ng m¹ch ng¾n h¬n (gäi lµ m¹ch

nh¸nh) nèi vµo m¹ch chÝnh vµ ®îc h×nh thµnh tõ ph¶n

øng phô trong qu¸ tr×nh tæng hîp polyme



• M¹ng líi: qu¸ tr×nh t¹o m¹ch líi ®îc thùc hiÖn b»ng

çch cho thªm çc nguyªn tö hoÆc ph©n tö cã thÓ t¹o

nªn liªn kÕt ®ång hãa trÞ víi m¹ch chÝnh (VD: cao su

cã lo¹i m¹ch nµy nhê lu hãa)• Kh«ng gian: Çc polyme kh«ng gian cã tÝnh chÊt c¬,

nhiÖt ®Æc biÖt, ®iÓn h×nh lµ nhùa ªpoxy vµ bakªlit

4. Polyme ®ång trïng hîp (copolymer)- Çc polyme cã çc me ®Òu gièng nhau → polyme ®ång

thÓ (homopolymer →tÝnh chÊt kh«ng ®¸p øng hÕt ®îc çc

yªu cÇu kü thuËt

- Ngêi ta ®· t×m çch “ghÐp“ çc lo¹i monome víi nhau →t¹o nªn polyme ®ång trïng hîp → tÝnh chÊt ®a d¹ng h¬nnhiÒu→ (copolymer)



VD: cã hai lo¹i

monome ®îc biÓu diÔn b»ng o vµ •, tïy thuéc vµo qu¸

tr×nh trïng hîp vµ tû lÖ gi÷a çc lo¹i monome, chóng cã

thÓ cã çc çch s¾p xÕp kh¸c nhau trong m¹ch. Cã thÓthÊy cã bèn lo¹i polyme ®ång trïng hîp:

- ngÉu nhiªn (h×nh a), çc monome ph©n bè kh«ng theo

quy luËt,

- xen kÏ (h×nh b), çc monome ph©n bè nèi tiÕp lÉn cho

nhau,- khèi (h×nh c), çc monome thø nhÊt ph¶n øng víi nhau

thµnh khèi, liªn kÕt víi khèi cña monome thø hai,

- ghÐp (h×nh d), m¹ch chÝnh lµ mét monome, cßn çc

nh¸nh lµ thuéc monome kh¸c.



4.CÊu tróc tinh thÓ cña PLM:

• Khi tån t¹i ë d¹ng tinh thÓ, trËt tù s¾p xÕp cña

polyme kh«ng ph¶i lµ cña ion, nguyªn tö, ph©n tö

nh ë çc nhãm vËt liÖu kh¸c mµ lµ cña m¹ch ph©n

tö.

• Trong polyme tinh thÓ çc m¹ch sÏ s¾p xÕp sao choçc nguyªn tö ë trong mét trËt tù nhÊt ®Þnh vµ t¹o

nªn « c¬ së

VD:

M¹ng tinh thÓ PE vµ « c¬së.

CÊu tróc m¹ch gÊp cñatÊm polyme tinh thÓ.



• møc ®é kÕt tinh tõ 0→95%

• Møc phô thuéc vµo tèc ®é lµm nguéi khi ®«ng

r¾n vµ h×nh th¸i cÊu t¹o cña m¹ch:+ nguéi chËm →çc m¹ch cã thêi gian chuyÓn ®éng

vµ s¾p xÕp l¹i theo trËt tù →dÔ kÕt tinh

+ m¹ch th¼ng dÔ kÕt tinh : çc polyme víi me ®¬n

gi¶n nh PE, PTFE cã thÓ kÕt tinh ngay c¶ khi lµm

nguéi nhanh

+ M¹ch nh¸nh g©y khã kh¨n cho qu¸ tr×nh dÞch

chuyÓn s¾p xÕp l¹i nªn kh«ng bao giê cã møc ®é

kÕt tinh cao; nÕu m¹ch nh¸nh qu¸ nhiÒu polyme hoµn

toµn kh«ng kÕt tinh.

+ Polyme líi cã thÓ kÕt tinh víi møc ®é thÊp

+ Polyme kh«ng gian lµ hoµn toµn v« ®Þnh h×nh.

+ TÝnh chÊt cña polyme bÞ ¶nh hëng cña møc ®é

kÕt tinh. Polyme tinh thÓ bÒn h¬n vµ nãng ch¶y ë

nhiÖt ®é cao h¬n, cã khèi lîng riªng cao h¬n so víipolyme v« ®Þnh h×nh.



7.2.3. TÝnh chÊt cña PLM:

1. BiÕn d¹ng d íi t¸c dông cña lùc: cã 3 lo¹i biÕn d¹ng

• BD ®µn håi vµ sau ®ã bÞ ph¸ huû ngay( nhiÖt r¾n-PLM gißn) (A)

• BD gièng KL: ®µn håi - BD dÎo-ph¸ huû ( NhiÖt dÎo-

PLM dÎo) (B)

• BD hoµn toµn ®µn håi ( cao su)- lo¹i biÕn d¹ng lín

g©y ra do øng suÊt thÊp song håi phôc ®îc - hoµntoµn bÞ mÊt ®i khi bá t¶i träng (®êng C)

BiÓu ®å kÐo cña vËt liÖupolyme gißn (®êng A), dÎo(®êng B) vµ ®µn håi cao (®-êng C).

¶nh hëng cña nhiÖt ®é®Õn biÓu ®å øng suÊt -biÕn d¹ng cña PMMA(plexiglass).



• C¬ tÝnh cña mét sè polyme : So víi thÐp, polyme cã

®é bÒn thÊp:

+ m«®un ®µn håi E ≈7MPa víi lo¹i ®µn håi, max≈

4000MPa víi lo¹i cøng, trong khi ®ã thÐp thêng lµ

30GPa

+ giíi h¹n bÒn σb chØ kho¶ng 50MPa thÊp h¬n thÐp th-

êng kho¶ng 10 lÇn.

+ vÒ ®é dÎo cao: nhiÒu polyme cã ®é gi·n dµi δ >

100% (cã thÓ tíi 1000%), trong khi ®ã thÐp thêng chØ

lµ vµi chôc %.

C¬ - lý tÝnh ë nhiÖt ®é thêng cña çc polyme th«ng dông.

VËt liÖuKhèi lîng

riªng,g/cm3

E, GPa σb, MPa δ, %NhiÖt ®é, 0C

thñy tinhhãa

ch¶y

PE khèi lîngriªng thÊp,40-50%t.thÓ

0,917-0,932

0,17-0,28 8,3-31,0 100-650 -110 98-115

PE khèi lîngriªng cao,70-80%t.thÓ

0,952-0,965

1,07-1,09 22-31 10-1200 -90 130-170

PVC v«®Þnh h×nh

1,30-1,58 2,4- 4,1 41-52 40-80 75- 105 212

PP 50-60%t.thÓ

0,90-0,91 1,14-1,55 31-41 100-600 -20 168-175



PS v« ®Þnhh×nh

1,04-1,05 2,28-3,28 36-52 1,2-2,5 74- 105 -

PMMA v«®Þnh h×nh

1,17-1,20 2,24-3,24 48-76 2-10 85- 105 -

Bakªlit 1,24-1.32 2,8- 4,8 34-62 1,5-2,0 - -

Nylon 6,630-40%t.thÓ

1,13-1,15 1,58-3,79 76-94 15- 300 57 255-265

Polycacbonat v« ®Þnhh×nh

1,20 2-38 65,6 110 150 -

ªpoxy m¹ngkh«ng gian,v« ®Þnh

h×nh

1,11-1,40 2,41 28-90 3-6 - -

- §iÒu quan träng (kh¸c víi çc vËt liÖu ®· häc): c¬ tÝnh

cña vËt liÖu polyme rÊt nh¹y c¶m víi sù thay ®æi nhiÖt

®é, ngay c¶ ë kho¶ng nhiÖt ®é thêng (trªn díi 20oC)

VD: PMMA ë 4

o

C lµ vËt liÖu gißn, cßn ë 50 ÷ 60

o

C lµ vËtliÖu ®µn håi.

- Tèc ®é biÕn d¹ng còng cã ¶nh hëng ®Õn c¬ tÝnh, theo

quy luËt chung gi¶m tèc ®é biÕn d¹ng còng cã t¸c dông

t¬ng tù nh t¨ng nhiÖt ®é.

2. C¬ chÕ biÕn d¹ng



M« h×nh biÕn d¹ng dÎo polyme b¸n tinh thÓ:a. tríc khi biÕn d¹ng,b. trît gi÷a çc m¹ch trong çc tÊm tinh thÓ,c. ph©n chia çc tÊm tinh thÓ thµnh çc nhãm nhá,d. s¾p xÕp l¹i cña çc nhãm nhá tinh thÓ vµ m¹ch nèi v« ®Þnh

h×nh.

- Polyme nãi chung cã cÊu tróc hçn hîp: çc tÊm cã cÊu

tróc tinh thÓ vµ vïng v« ®Þnh h×nh ®an xen nhau.

- C¬ chÕ biÕn d¹ng dÎo lµ kÕt qu¶ cña t¬ng t¸c gi÷a tÊm

vµ vïng v« ®Þnh h×nh díi t¸c dông cña t¶i träng kÐo®Æt vµo.

- Qu¸ tr×nh x¶y ra theo mét sè giai ®o¹n:

+ Giai ®o¹n ®Çu: sù biÕn ®æi chØ t¸c ®éng ®Õn vïng

v« ®Þnh h×nh→ çc m¹ch nèi cña nã duçi c¨ng ra (kh«ng

®îc vÏ trªn h×nh).



+ Trong giai ®o¹n hai (h×nh b) cã sù trît nhÊt ®Þnh song

song víi trôc m¹ch x¶y ra trong çc tÊm tinh thÓ díi t¸c

dông cña çc m¹ch v« ®Þnh h×nh ®· bÞ kÐo c¨ng m¹nh.

+ Trong giai ®o¹n ba (h×nh c) cã sù ph©n chia çc tÊm

tinh thÓ díi t¸c dông cña øng suÊt tiÕp (c¾t) thµnh çc

nhãm nhá (block).

+ ë giai ®o¹n bèn (h×nh d) çc nhãm nhá tinh thÓ cïng víi

çc m¹ch nèi v« ®Þnh h×nh t¸ch rêi h¼n nhau vµ s¾p xÕp

l¹i.→Nh vËy sau biÕn d¹ng, polyme b¸n tinh thÓ sÏ cã cÊu tróc

®Þnh híng cao→®©y còng lµ biÖn ph¸p n©ng cao ®é

bÒn cña vËt liÖu nµy (t¬ng tù nh hãa bÒn biÕn d¹ng cho

kim lo¹i).

VD: BiÕn d¹ng tríc b»ng kÐo thêng ®îc dïng ®Ó n©ng cao®é bÒn cña vËt liÖu sîi.

2.Nãng ch¶y vµ hiÖn t îng thñy tinh ho¸:

• Còng gièng nh ceramic, vËt liÖu polyme còng lµ lo¹i b¸n

tinh thÓ hay nãi kh¸c ®i lµ víi cÊu tróc tinh thÓ vµ v«

®Þnh h×nh biÕn ®æi rÊt réng →®Æc tÝnh nãng ch¶y

gièng KL hoÆc thuû tinh hoÆc trung gian:

- ®êng A : V§H →thÓ tÝch riªng thay ®æi liªn tôc vµ

kh«ng cã T râ rÖt khi chuyÓn tr¹ng th¸i



- ®êng B: b¸n tinh thÓ (gi¶m nhÑ ®é nghiªng cña ®êng

cong, nhiÖt ®é ®ã còng ®îc gäi lµ thñy tinh hãa Tgo )

- ®êng C: tinh thÓ →thay ®æi thÓ tÝch râ rÖt ( T ch¶y)

- Nh×n chung Tg

o

≈ 2/3Ts

o

Sù thay ®æi thÓ tÝch riªng trong ba lo¹i polyme:v« ®Þnh h×nh (®êng A), b¸n tinh thÓ (®êng B), vµ tinh thÓ (®-êng C).

• Tg: nhiÖt ®é thuû tinh ho¸ ( gãc nghiªng cña ®å thÞ thay

®æi) →

< Tg : vËt r¾n V§H

> Tg: vËt r¾n d¹ng cao su

• Çc yÕu tè ¶nh hëng ®Õn Tgo vµ Ts

o

- M¹ch nh¸nh lµm gi¶m hiÖu qu¶ s¾p xÕp cña m¹ch, gi¶m

liªn kÕt gi÷a chóng → mËt ®é m¹ch nh¸nh t¨ng, Ts gi¶m.



- Khèi lîng ph©n tö t¨ng → t¨ng Ts lµ do phÇn cuèi cña

m¹ch lµ phÇn tù do dao ®éng, nÕu chiÒu dµi m¹ch t¨ng

lªn, sè cuèi m¹ch gi¶m ®i, n¨ng lîng t¨ng.

- §èi víi polyme hoµn toµn V§H, khi nung nãng Tg t¬ng øngvíi thêi ®iÓm khi vËt liÖu chuyÓn tõ tr¹ng th¸i r¾n sang

cÊu tróc gièng cao su.

Tg phô thuéc vµo çc yÕu tè cÊu tróc: kh¶ n¨ng dao

®éng vµ quay cña m¹ch khi t¨ng nhiÖt ®é, ( ®é mÒm dÎo

cña m¹ch lµ quan träng nhÊt). M¹ch cøng (khi cã nh÷ngnguyªn tö hay nhãm nguyªn tö cång kÒnh nh vßng benzyl)

cµng khã quay do ®ã Tgo t¨ng lªn. Liªn kÕt Van der Waals

gi÷a çc m¹ch t¨ng lªn còng lµm t¨ng Tgo.

3. Tr¹ng th¸i mÒm cao:

• XÐt tr¹ng th¸i c¬ häc cña polyme hoµn toµn V§H khi chÞu

biÕn d¹ng t¬ng ®èi nhá díi t¸c dông cña t¶i träng (øng

suÊt) kh«ng ®æi:

- ë nhiÖt ®é thÊp (To < Tgo) vËt liÖu ë tr¹ng th¸i nh thñy

tinh, díi t¸c dông cña biÕn d¹ng nhá (h×nh a) vËt liÖu bÞ

biÕn d¹ng ®µn håi theo ®Þnh luËt Hook, biÕn d¹ng lËp tøc

x¶y ra khi t¶i träng ®Æt vµo, gi÷ kh«ng ®æi vµ mÊt h¼n

®i khi bá t¶i träng nh biÓu thÞ ë h×nh b (biÕn d¹ng kh«ng

phô thuéc vµo thêi gian)



S¬ ®å øng suÊt t¸c dông (a) vµ biÕn d¹ng ®èi víi tr¹ng th¸i hoµn toµn

®µn håi (b), ®µn håi - nhít (c), nhít (d) theo thêi gian;ta vµ tr lµ çc thêi ®iÓm øng suÊt kh«ng ®æi b¾t ®Çu vµ th«i t¸cdông.

- ë nhiÖt ®é cao (To > Tso) vËt liÖu ë tr¹ng th¸i nhít, díi t¸c dông

cña biÕn d¹ng nhá (h×nh a) biÕn d¹ng kh«ng x¶y ra ngay lËp tøc,

®é biÕn d¹ng t¨ng tuyÕn tÝnh trong thêi gian ®Æt t¶i träng vµ

vÉn gi÷ cè ®Þnh sau khi bá t¶i träng nh biÓu thÞ ë h×nh d.- ë nhiÖt ®é trung gian (gi÷a Tg

o vµ Tso) vËt liÖu ë tr¹ng th¸i trung

gian: ®µn håi - nhít, díi t¸c dông cña biÕn d¹ng nhá (h×nh a)

tho¹t tiªn cã biÕn d¹ng ®µn håi tøc thêi tiÕp theo lµ biÕn d¹ng nhít

biÕn ®æi theo thêi gian, sau khi bá t¶i träng phÇn ®µn håi ban

®Çu lËp tøc mÊt ®i, phÇn cßn l¹i gi¶m dÇn vµ biÕn mÊt sau mét

thêi gian nh biÓu thÞ ë h×nh c ( mÒm cao)

- Tr¹ng th¸i ®µn håi - nhít nµy rÊt quan träng ®èi víi çc vËt

liÖu polyme ë nhiÖt ®é nµo ®ã (x¸c ®Þnh ®èi víi mçi lo¹i) ®Æc

biÖt lµ elastome ë ngay nhiÖt ®é thêng.

- TÝnh ®µn håi - nhít cña vËt liÖu polyme kh«ng nh÷ng phô



thuéc vµo thêi gian mµ c¶ nhiÖt ®é.

VD: Silicon lµ vÝ dô ®iÓn h×nh cña tr¹ng th¸i cùc kú ®µn håi -

nhít cña polyme ( chÊt dÎo g¾n): khi nã ®îc vª viªn thµnh viªn bi

råi th¶ xuèng bÒ mÆt n»m ngang, nã bÞ n¶y l¹i mét çch ®µn håi

®ång thêi bÞ biÕn d¹ng rÊt nhanh. MÆt kh¸c nÕu bÞ kÐo nã bÞ

duçi ra theo sù t¨ng tõ tõ cña t¶i träng ®Æt vµo, vËt liÖu bÞ kÐo

dµi hoÆc ch¶y nh chÊt láng nhít. Nh vËy møc ®é biÕn d¹ng còng

quyÕt ®Þnh biÕn d¹ng lµ ®µn håi hay nhít.

4.Ph¸ huû :

•PLM nhiÖt r¾n →ph¸ huû gißn

•PLM nhiÖt dÎo cã thÓ ph¸ huû dÎo hoÆc gißn

•Ph¸ huû thuËn lîi trong ®iÒu kiÖn: T0 thÊp, tèc ®é

biÕn d¹ng lín,

chiÒu dµy mÉu lín, vÕt nøt cã s½n

•§é bÒn ph¸ huû nãi chung nhá ( so víi KL)

• T¸c dông lùc trong thêi gian dµi →d·o

5.Çc c¬ tÝnh kh¸c:

a. Dai va ®Ëp :

• thÊp•ak cao ë T thêng, T t¨ng ak gi¶m; T thÊp h¬n nhiÖt

®é phßng

→chuyÓn tõ dÎo sang dßn



b.§é bÒn xÐ: n¨ng lîng cÇn thiÕt ®Ó xÐ r¸ch mÉu cã

kÝch thíc

chuÈn ( t/c quan träng cña mét sè chÊt dÎo)

a. §é bÒn mái: <<KL

b.LÝ tÝnh :

•Khèi lîng riªng nhá

VD: Polyetylen tû träng cao : 0,96g/cm3

•HÖ sè gi·n në nhiÖt cao ( h¬n KL)

•§iÖn trë cao ( çch ®iÖn)

•Mét sè cã tÝnh chÊt quang ®Æc biÖt ( thÊu kÝnh,

kÝnh b¶o hiÓm...)

2.Ph©n lo¹i:

a.Theo nguån gèc h×nh thµnh:

+ thiªn nhiªn: xenlul«, pr«tein, caosu...

+ tæng hîp: PE; PVC....

b.Theo cÊu tróc: m¹ch th¼ng, nh¸nh, m¹ng líi, kh«ng

gian

c. Theo tÝnh chÞu nhiÖt:

+ nhiÖt dÎo: thêng lµ m¹ch th¼ng, nung nãng→ch¶y

ra →khi lµm

nguéi r¾n l¹i ( lµ VL cã gi¸ trÞ th¬ng m¹i quan träng

nhÊt hiÖn nay)



+ nhiÖt r¾n: T cao kh«ng ch¶y mÒm, kh«ng hoµ tan

vµo çc dung m«i

d.Theo c«ng dông: chÊt deo, sîi, s¬n, keo, cao su....

II. Ph¬ng ph¸p s¶n xuÊt: ( tæng hîp):

1. Trïng hîp:

•SX ®a sè chÊt nhiÖt dÎo:

•Monome ®Ó trïng hîp lµ chÊt ®¬n gi¶n ( ®¬nph©n tö), khèi lîng

ph©n tö thÊp, cã chøa nèi ®«i

•Çc liªn kÕt ®«i ph¶n øng víi nhau →PLM ( nhê xóc

t¸c, T, p, çc

tia giµu n¨ng lîng..)

VD : CH2=CH2 → - CH2-CH2- → (-CH2-CH2-)n Poly

Etylen

•Dïng phô gia ®iÒu hoµ m¹ch ®Ó ®iÒu chØnh vµ æn

®Þnh khèi lîng ph©n tö mµ kh«ng ¶nh hëng ®Õn tèc

®é trung hîp

2.Trïng ng ng:

•X¶y ra gi÷a çc nhãm chøc kh¸c nhau cña monome

( 2 hay nhiÒu chÊt ®¬n ph©n tö) →t¹o thµnh chÊt ®a

ph©n tö + s¶n phÈm phô (níc, cån, am«ni¨c...)



VD: Polyamit ( nilon) : diaxit+ diamin →trïng ngng

H2N- R1- H2N+ HO)CR2COOH →

NH2- R1- NH-CO-R2-

COOH+H2O( -NH-R1-NH-CO-R2-CO-)n→ Polyamit

Lu ý: trïng hîp →vµi gi©y

trïng ngng→tõng bËc →thêi gian dµi h¬n

7.2.4. Phô gia vµ çc chÊt t¨ng cêng:

I. Phô gia:→cã môc ®Ých kh¸c nhau ®Ó hoµn thiÖn

tÝnh chÊt cña PLM

Cã çc lo¹i:

1. ChÊt ®én:

•C¶i thiÖn mét sè tÝnh chÊt c¬ lÝ

•Chñ yÕu gi¶m gi¸ thµnh (v× rÎ)

• Thêng lµ : mïn ca, ®Êt sÐt, bét nhÑ.... víi kÝch thíc tõ

10nm ®Õn lín h¬n rÊt nhiÒu.

2.ChÊt ho¸ dÎo:

•Gi¶m ®é cøng cña PLM

• Thêng ë d¹ng láng, cã ¸p suÊt hãa h¬i thÊp vµ khèi lîng

ph©n tö kh«ng cao



•Çc ph©n tö hãa dÎo sÏ chiÕm vÞ trÝ gi÷a çc m¹ch

polyme, lµm t¨ng kho¶ng çch gi÷a çc m¹ch do ®ã

lµm gi¶m lùc liªn kÕt gi÷a chóng.

•¸p dông cho PLM gißn ë T thêng: PVC; epoxy •Çc chÊt hãa dÎo th«ng dông nhÊt lµ çc este:

phtalat, adipat

3.ChÊt æn ®Þnh:

•Lµm gi¶m, chËm qu¸ tr×nh ph©n huû PLM ( do t¸c

dông cña ¸nhs¸ng, tia tö ngo¹i, «xy.Tia tö ngo¹i g©y ®øt liªn kÕt

®ång hãa trÞ, t¹o

nªn mét sè m¹ch líi. «xy cïng víi nhiÖt ®é g©y nªn

«xy hãa nhiÖt.)

•ChÊt chèng OXH →phenol, amin

•ChÊt æn ®Þnh ¸nh s¸ng →muéi than

4.ChÊt t¹o mµu: →t¹o mµu s¾c riªngcho vËt liÖu

• Thuèc nhuém hoÆc bét mµu:

TiO2, ZnO →mµu tr¾ngCdS →mµu vµng

ChÊt nhuém tan →thµnh mét phÇn cÊu tróc cña PLM

Bét mµu →kh«ng tan →chÊt ®én



5. ChÊt chèng ch¸y: →khèng chÕ qu¸ tr×nh b¾t ch¸y

vµ ch¸y lan

( PLM dÔ ch¸y)

• C¬ chÕ : b»ng çch lµm l¹nh do ph¶n øng thu nhiÖthay gi¶m sù trao ®æi khÝ gi÷a PLM vµ m«i trêng

II. ChÊt t¨ng cêng:

•→khi phèi hîp víi PLM cã kh¶ n¨ng c¶i thiÖn mét

hoÆc nhiÒu tÝnh chÊt c¬ lÝ

•D¹ng : h¹t, bét, sîi ( dµi hoÆc ng¾n, v¶i dÖt..)

• Tuú theo ph¬ng ph¸p gia c«ng →vËt liÖu composit

•Cã çc lo¹i sau:

+ Thuû tinh (sîi): t¨ng ®é bÒn c¬ häc; chÞu nhiÖt;

çch ®iÖn....

+ Çc bon: d¹ng Graphit →tù b«i tr¬n →chÕ t¹o b¹c,

®Öm..

d¹ng sîi→chÊt t¨ng cêng lùc ( phæ biÕn) →chÕ t¹o

m¸y bay, tµu

thuyÒn+ Mica: bÒn nhiÖt, ho¸ häc,chèng tia tö ngo¹i...

+ Ami¨ng: →t¨ng giíi h¹n ch¶y, bÒn nhiÖt →lµm

phanh, khíp nèi

+ Polyme ( polyamit th¬m), d¹ng sîi→nhÑ, bÒn cao,

chÞu mái tèt...



7.2.5. Çc lo¹i PLM:

I. ChÊt dÎo: Sè lîng vµ s¶n l¬ng cao nhÊt trong PLM

•cã thÓ chÞu BD mµ kh«ng bÞ ph¸ huû vµ ®Þnh h×nh

víi ¸p lùc thÊp•cã thÓ lµ nhiÖt dÎo hay nhiÖt r¾n:

+ PE →chai lä, ®å ch¬i, mµng bao gãi

+ Vinyl( PVC): →th¶m tr¶i sµn, mµnh lèp xe...

+ Polypropylen( PP): →vá TV, valy, chai lä cã thÓ khö

trïng...

+ Polyamit(PA)→æ trît, b¸nh r¨ng, vá d©y çp

+ Polyçcbonat (PC) →nÒn phim ¶nh, mÆt n¹....

+ Polystyren( PS)→dông cô gia ®×nh, vá hép ¾c

qui.......II. ChÊt nhiÖt r¾n:

•Epoxy →lµm vËt liÖu ®óc, keo d¸n, s¬n b¶o vÖ, VL

composit

•Phenolic: →bäc m« t¬, vá ®iÖn tho¹i, dông cô ®iÖn

•Silicon: →çch ®iÖn ë nhiÖt ®é cao, tr¬ víi ho¸chÊt....

III. Ph¬ng ph¸p gia c«ng:



- Gia c«ng chÕ t¹o çc s¶n phÈm chÊt dÎo thêng tiÕn hµnh

ë nhiÖt ®é cao vµ cã thÓ díi ¸p suÊt nhÊt ®Þnh, gi÷a nhùa

nhiÖt dÎo vµ nhùa nhiÖt r¾n còng cã ®iÓm kh¸c nhau.

- Nhùa nhiÖt dÎo ®îc gia c«ng ë nhiÖt ®é cao h¬n nhiÖt

®é thñy tinh hãa vµ ¸p lùc ph¶i duy tr× ®Ó ®Õn khi lµm

nguéi s¶n phÈm vÉn ®îc b¶o toµn h×nh d¸ng, xu híng

dïng nhùa nhiÖt dÎo v× kinh tÕ, cã thÓ t¸i sinh.

- Nhùa nhiÖt r¾n ®îc gia c«ng theo hai giai ®o¹n:+ ®Çu tiªn tæng hîp polyme m¹ch th¼ng, láng cã khèi lîng

ph©n tö thÊp (polyme trïng hîp s¬ bé – prepolymer

+ giai ®o¹n hai vËt liÖu nµy sÏ chuyÓn thµnh d¹ng cøng

r¾n trong khu«n víi h×nh d¸ng vµ kÝch thíc theo yªu cÇu

cña s¶n phÈm díi t¸c dông cña nhiÖt (hoÆc cña xóc t¸c) →cÊu tróc ph©n tö t¹o nªn m¹ch líi hay m¹ch kh«ng gian.

+ sau ®ãng r¾n cã thÓ lÊy s¶n phÈm ra ngay mµ kh«ng

cÇn ®Ó nguéi h¼n nh lo¹i nhiÖt dÎo.

S¬ ®å cña ®óc Ðp (a) vµ ®óc phun (b).



.

•§óc Ðp : PLM+phô gia →khu«n ( ®îc nung)→Ðp

•§óc phun: →chÊt dÎo ®îc piston ®Èy vµo khu«n

• §óc ®ïn ¸p dông cho nhùa nhiÖt dÎo • Thæi ( gièng thuû tinh)

•§æ khu«n ( gièng KL, gèm)

III. Elastome(Cao su) :

• Mét nhãm s¶n phÈm cña vËt liÖu polyme lµ lo¹i cã tÝnh

®µn håi cao nh cao su tªn khoa häc lµ elastome. §Æc

®iÓm cÊu tróc cña elastome lµ cã m¹ch líi tha.

• Nguyªn c«ng c¬ b¶n trong qu¸ tr×nh chÕ t¹o elastome

®îc gäi lµ lu hãa.

Lu hãa (vulcanization)

Ph¶n øng lu hãa lµ ph¶n øng kh«ng thuËn nghÞch x¶y ra

chñ yÕu ë nhiÖt ®é cao→lu huúnh (S) sÏ nèi çc m¹ch c¹nh

nhau vµ t¹o nªn m¹ng líi.

VD: Çc cÇu nèi lu huúnh h×nh thµnh trong polyizopren

theo ph¶n øng sau:

H CH3 H H H CH3 H H

C C = C C C C C C

H H H H

+ 2S → S S

H H H H



C C = C C C C C C

H CH3 H H H CH3 H H

• Sau khi lu hãa cao su vÉn gi÷ ®îc çc ®Æc tÝnh ®µn håi

nhng c¬ tÝnh ®îc c¶i thiÖn:

- m«®un ®µn håi E cao h¬n (®êng cong biÓu thÞ tû lÖ σ

/ ε dèc h¬n), ®é bÒn cao h¬n.

- E t¨ng tû lÖ thuËn víi mËt ®é m¹ng líi. (§Ó t¹o mét lo¹i

cao su cã ®é gi·n dµi lín mµ kh«ng ®øt çc liªn kÕt ®ånghãa trÞ, m¹ng líi ph¶i tha vµ çch xa nhau)

- Çc cao su th«ng dông thêng chøa tõ 1 ®Õn 5% lu huúnh.

T¨ng lîng S sÏ lµm cho ®é cøng cña cao su t¨ng lªn, lµm nã

trë nªn khã mßn, chèng «xy hãa tèt h¬n ®¸p øng tèt çc

yªu cÇu sö dông nhng lµm gi¶m ®é gi·n dµi. → cã ®Æc

®iÓm cña lo¹i nhùa nhiÖt r¾n.

Cao su thiªn nhiªn: → mñ cao su → t¸c dông víi axit axªtic

→®«ng ®Æc ( t¸ch ra khái chÊt láng) →çn, sÊy kh«

→hun khãi(tr¸nh mèc háng)

•lu ho¸ ®Ó t¨ng c¬ tÝnh, tÝnh ®µn håi, ho¸ tÝnh:

+ lu ho¸ nãng: cao su+ bét lu huúnh →nung nãng



+lu ho¸ l¹nh: ng©m trong dung dÞch: Carbondisunfua (

hoÆc

Luhuúnh clorua)

Cao su tæng hîp:

•SX tõ khÝ thiªn nhiªn

•Cao su butadien: s¨m lèp « t«

•Cao su silicon ( mÒm dÎo cao ë (-900C) vµ bÒn ë

2500C) →çch ®iÖn ë T cao, dông cô chøa thùc phÈm,

chÞu dÇu, nhiÖt

IV. Mét sè PLM kh¸c:

1. Sîi

- Cã kh¶ n¨ng kÐo thµnh sîi dµi ®Õn tû lÖ 100: 1 gi÷a

chiÒu dµi vµ ®êng kÝnh.- §¸p øng çc yªu cÇu vÒ c¬ - lý - hãa kh¸ kh¾t khe, v×

trong khi sö dông, sîi ph¶i chÞu çc lùc c¬ häc nh kÐo

c¨ng, uèn, mµi mßn, xÐ; çch nhiÖt, ®iÖn, æn ®Þnh hãa

häc víi m«i trêng.

- Çc tÝnh chÊt nµy ®îc quyÕt ®Þnh bëi b¶n chÊt cñapolyme vµ qu¸ tr×nh kÐo sîi: polyme ®em dïng ph¶i lµ lo¹i

cã khèi lîng ph©n tö t¬ng ®èi cao, møc ®é kÕt tinh cao víi

cÊu tróc m¹ch th¼ng kh«ng cã m¹ch nh¸nh, c©n ®èi vµ

®iÒu hßa.



- VÒ çch kÐo sîi, phæ biÕn h¬n c¶ lµ polyme ®îc nung

®Õn tr¹ng th¸i láng nhít, råi ®îc b¬m qua khu«n cã rÊt

nhiÒu lç bÐ, t¹o thµnh çc sîi ®¬n vµ hãa r¾n ngay khi

tiÕp xóc víi kh«ng khÝ. - - Trong qu¸ tr×nh kÐo sîi, ®é bÒn

cña polyme ®îc t¨ng lªn theo híng trôc sîi.

Çc polyme ®îc dïng ®Ó kÐo sîi lµ polyamit, polyeste

PTE...

2. Mµng

- Mµng (foil) lµ vËt liÖu ph¼ng, máng cã chiÒu dµy tõ0,025 ®Õn 0,125mm.

- Mµng chñ yÕu ®îc dïng ®Ó lµm tói, bao b× thùc phÈm

vµ çc hµng hãa kh¸c.

- Polyme lµm mµng ph¶i ®¸p øng ®îc çc tÝnh chÊt sau:

khèi lîng riªng nhÑ, ®é mÒm dÎo, ®é bÒn kÐo, xÐ r¸ch

cao, bÒn víi níc, ®é thÊm çc lo¹i khÝ nhÊt lµ h¬i níc ph¶i

thÊp.

- Thêng dïng polyetylen, polypropylen.

- §a sè mµng ®îc s¶n xuÊt b»ng çch ®ïn qua qua mét khe

hÑp cña khu«n, sau ®ã qua trôc ®Ó gi¶m chiÒu dµy vµ

t¨ng ®é bÒn.

3. S¬n:

• s¬n trong dung m«i h÷u c¬

•s¬n cã hµm lîng chÊt pha r¾n cao



•s¬n khuyÕch t¸n trong níc

•s¬n khuyÕch t¸n trong m«i trêng kh«ng ph¶i lµ níc

•s¬n bét

4. Keo:→d¸n 2 bÒ mÆt•PLM ë tr¹ng th¸i láng, çch Èm, çch ®iÖn

•H¹n chÕ do T lµm viÖc thÊp

•lµ chÊt nhiÖt r¾n, nhiÖt dÎo, cao su, PLM tù nhiªn( tinh

bét, g«m....)

5. ChÊt dÎo xèp:

•cã lîng bät khÝ lín ( CO2, N2, NH3), nhÑ ( 0,02-

0,85g/cm3)

•çch ©m, nhiÖt, ®iÖn, bÒn thÊp

•chÕ t¹o: tõ PVC, PS +dung m«i + chÊt t¹o bät →chodung m«i bay h¬i

7.3. VËt liÖu kÕt hîp ( composit)

7.3.1. Kh¸i niÖm:

1. §Þnh nghÜa : Lµ vËt liÖu nhiÒu pha, kh¸c nhau vÒ

thµnh phÇn ho¸ häc, hÇu nh kh«ng hoµ tan vµo nhau,ph©n çch nhau b»ng ranh giíi pha theo nh÷ng s¬ ®å

thiÕt kÕ tõ tríc→tËn dông vµ ph¸t triÓn nh÷ng tÝnh

chÊt tèt cña tõng pha

2. §Æc ®iÓm:



•Lµ vËt liÖu nhiÒu pha, kh¸c nhau vÒ thµnh phÇn ho¸

häc, hÇu nh kh«ng hoµ tan vµo nhau, ph©n çch nhau

b»ng ranh giíi pha

• Thêng lµ 2 pha:+ pha liªn tôc trong toµn khèi →nÒn

+ pha ph©n bè gi¸n ®o¹n, nÒn bao bäc →cèt

• Tû lÖ, h×nh d¸ng, kÝch thíc , sù ph©n bè nÒn-cèt →

theo thiÕt kÕ

• TÝnh chÊt çc pha thµnh phÇn kÕt hîp →tÝnh chÊt

chung cña Composit nhng kh«ng bao hµm tÊt c¶ çc

tÝnh chÊt cña çc pha thµnh phÇn (chØ lùa chän nh÷ng

tÝnh chÊt tèt vµ ph¸t huy)

3. Ph©n lo¹i:

• Theo ®Æc ®iÓm cña nÒn: nÒn polyme; KL; gèm

• Theo h×nh häc cèt:

+ cèt h¹t ( th«, mÞn) - çc phÇn tö lµ ®¼ng trôc

+cèt sîi ( tû lÖ chiÒu dµi /®êng kÝnh kh¸ lín): liªn tôc;

gi¸n ®o¹n (cã híng vµ ngÉu nhiªn)+cèt cÊu tróc ( líp; tÊm 3 líp; tæ ong)

COMPOZIT

↓ ↓ ↓Cèt h¹t Cèt sîi Compozit cÊu tróc

↓ ↓ ↓

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓



H¹t th« H¹t mÞn Liªn tôc Gi¸n ®o¹n Líp TÊm ba líp Tæ ong

↓ ↓ ↓

Cã híng NgÉu nhiªn

4.Vai trß cña cèt:

• Thêng lµ çc VL bÒn ë T0

thêng vµ cao, m« ®un ®µnhåi (®é cøng v÷ng)cao, khèi lîng riªng nhá

•Cèt cã thÓ lµ: KL ( thÐp kh«ng gØ, W, Mo...), v« c¬( C,

thuû tinh, gèm), h÷u c¬ ( polyamit)

•H×nh d¹ng, kÝch thíc, hµm lîng vµ sù ph©n bè →¶nh

hëng m¹nh ®Õn tÝnh chÊt cña composit5. Vai trß cña nÒn:

•Liªn kÕt cèt thµnh mét khèi thèng nhÊt

• T¹o kh¶ n¨ng ®Ó tiÕn hµnh çc ph¬ng ph¸p gia c«ng

theo thiÕt kÕ

•Che phñ b¶o vÖ cèt tr¸nh h háng vÒ c¬ häc, ho¸

häc...

•NÒn lµ çc vËt liÖu kh¸c nhau vµ gåm 4 nhãm: KL, v«

c¬, h÷u c¬, hçn hîp

• TÝnh chÊt nÒn ¶nh hëng ®Õn c«ng nghÖ vµ ®ÆctÝnh sö dông: T0lµm viÖc, σ....

7.3.2. Liªn kÕt nÒn- cèt:

1. Liªn kÕt c¬ häc: th«ng qua nhÊp nh« bÒ mÆt

hoÆc ma s¸t nÒn-cèt



→kÐm bÒn (khi lùc nÐn däc trôc hoÆc kÐo ngang sîi

cèt)

2. Liªn kÕt nhê thÊm ít: →nhê n¨ng lîng søc c¨ng bÒ

mÆt ( trªn ranh giíi nÒn-cèt sau khi nÒn ®«ng ®Æc )→pha nÒn dÝnh ít víi cèt→quyÕt ®Þnh ®é bÒn liªn kÕt

3. Liªn kÕt ph¶n øng: ranh giíi nÒn -cèt cã ph¶n øng

→t¹o hîp chÊt ho¸ häc, ®Æc tÝnh cña hîp chÊt ho¸ häc

quyÕt ®Þnh ®é bÒn liªn kÕt ( lo¹i liªn kÕt nµy thêng

bÒn h¬n c¶)

4. Liªn kÕt «xyt: ®Æc trng cho nÒn KL víi cèt lµ

chÝnh «xyt cña KL ®ã

7.3.3. Composit cèt h¹t:

•cèt lµ çc h¹t ®¼ng trôc, cøng, bÒn( «xyt, nitrit,

çcbit, borit)

•h¹t th« vµ mÞn

I. H¹t th«: →®a d¹ng vµ sö dông phæ biÕn trong CN

x©y dùng

a. §Æc ®iÓm:• t¬ng t¸c kh«ng x¶y ra ë møc ®é " nguyªn tö " hay "

ph©n tö"

• c¬ chÕ ho¸ bÒn: sù c¶n trë biÕn d¹ng cña nÒn ë vïng

l©n cËn víi h¹t do chÌn Ðp ( theo quan ®iÓm c¬ häc

m«i trêng liªn tôc)



• theo ®Æc tÝnh ph©n bè h¹t trong nÒn →Ec (m« ®un

®µn håi cña composit) phô thuéc vµo: tû lÖ VnEn ( thÓ

tÝch, m« ®un ®µn håi nÒn) vµ VhEh(thÓ tÝch , m« ®un

®µn håi h¹t):Ec

x = VnEn+ VhEh (1)

Ecy.z = EnEh/ (VnEh + VhEn ) (2)

Sù phô thuéc cña m«®un ®µn håi vµo hµm lîng cèt trong compozit

nÒn Cu cèt h¹t W.

Ecx m« ®un ®µn håi composit theo trôc ox

Ecy.z m« ®un ®µn håi composit theo trôc oy hoÆc oz • Sù hãa bÒn tèt nhÊt (giíi h¹n trªn) thÓ hiÖn ë ph¬ng

h¹t bè trÝ dµy ®Æc h¬n,

•KÐm nhÊt (giíi h¹n díi) ë ph¬ng h¹t s¾p xÕp tha h¬n

c¶.



→ compozit lo¹i nµy cã tÝnh chÊt phô thuéc thµnh

phÇn (hµm lîng cèt) Khi cèt h¹t, ph©n bè cèt ®Òu theo

çc ph¬ng →E n»m ë vïng gi÷a giíi h¹n trªn ( Ecx) vµ giíi

h¹n díi (Ec

y.z

) trong h×nh trªn

b.Mét sè composit h¹t th« th«ng dông :

•hîp kim cøng

•hîp kim lµm tiÕp ®iÓm : nÒn Cu- cèt W, nÒn Ag- cèt

W( hoÆc Mo)kÕt hîp tèt cña çc kim lo¹i khã ch¶y (W, Mo) víi çc kim

lo¹i cã tÝnh dÉn nhiÖt cao (Cu, Ag) còng lµ lo¹i

compozit h¹t th« nÒn kim lo¹i, trong ®ã mét tÝnh chÊt

(E) cña lo¹i nÒn Cu cèt W ®· ®îc tr×nh bµy ë trªn

•bª t«ng: cèt sái( ®¸) - nÒn ceramic( xim¨ng)

II. H¹t mÞn:

a. §Æc ®iÓm

•Cèt cã kÝch thíc nhá ( < 0,1µm)

•lµ vËt liÖu bÒn, cøng, æn ®Þnh nhiÖt cao•thêng lµ: nitrit, cacbit, «xyt....

•t¬ng t¸c ë møc ®é nguyªn tö hay ph©n tö

•c¬ chÕ ho¸ bÒn: gièng tiÕt pha ph©n t¸n khi ph©n

ho¸ dung dÞch r¾n



qu¸ b·o hoµ: khi lùc t¸c dông →nÒn chÞu toµn bé t¶i

→cèt ®ãng vai

trß h·m lÖch →t¨ng bÒn, cøng

b.Mét sè composit cèt h¹t mÞn th«ng dông:• SAP, SAAP (CAΠ, CAC): composit nÒn Al- cèt Al2O3(5-20%)

→b¸n thµnh phÈm èng,d©y chÞu T cao ( 300-5000C),

¨n mßn

• T - D Nicken (Thoria Dispersed Nickel): composit

nÒn Ni- cèt ThO2 (2%)→bÒn, T lµm viÖc cao( 1000-

11000C)→vËt liÖu trong hang kh«ng, vò trô, tua bin.....

7.3.4. Composit cèt sîi:

- Compozit cèt sîi lµ lo¹i compozit kÕt cÊu quan träng

nhÊt v× :•Cã ®é bÒn riªng vµ E riªng cao →nÒn vµ cèt cã khèi l-

îng riªng nhá

• TÝnh chÊt composit phô thuéc vµo:

+ b¶n chÊt vËt liÖu cèt-nÒn

+ ®é bÒn liªn kÕt cèt- nÒn+ sù ph©n bè, ®Þnh híng sîi, kÝch thíc vµ h×nh d¹ng

sîi

- ë ®©y nÕu quy íc r»ng liªn kÕt trªn ranh giíi pha nÒn -

cèt ®îc coi lµ hoµn h¶o → kh¶o s¸t çc yÕu tè cßn l¹i



a.¶ nh h ëng cña yÕu tè h×nh häc sîi:

• Sù ph©n bè vµ ®Þnh híng sîi:

+ ph©n bè mét ph¬ng ( ®Þnh híng song song theo

mét ph¬ng)→ σ däc sîi > σ vu«ng gãc víi sîi

+ ph©n bè trªn mét mÆt theo 2 ph¬ng vu«ng gãc víi

nhau( nh v¶i dÖt): )→ σ theo 2 ph¬ng s¬i cao h¬n c¶

( kiÓu dÖt)

+ ph©n bè trªn mét mÆt nhng sîi ®Æt ngÉu nhiªn →

®é bÒn cã tÝnh ngÉu nhiªn

+ ph©n bè theo 3 ph¬ng vu«ng gãc víi nhau:σ lín nhÊt

theo 3 ph¬ng t¬ng øng.

S¬ ®å ph©n bè vµ®Þnh híng cèt sîi:

a. mét chiÒu,



b. dÖt hai chiÒu vu«ng gãc trong mét mÆt,c. rèi ngÉu nhiªn trong mét mÆt,d. ®an quÊn ba chiÒu vu«ng gãc.

• ChiÒu dµi sîi:

- §iÒu quan träng nhÊt ®èi víi compozit kÕt cÊu cèt sîi

ph¶i cã cÊu tróc sao cho t¶i träng ®Æt vµo ph¶i ®îc dån

vµo sîi lµ pha cã ®é bÒn cao, nÕu chØ tËp trung vµo nÒn

lµ pha kÐm bÒn h¬n sÏ dÉn ®Õn ph¸ hñy pha nµy mét

çch nhanh chãng→c¬ tÝnh phô thuéc vµo møc ®é truyÒn

t¶i träng tõ nÒn vµo sîi.

S¬ ®å biÕn d¹ng nÒn khi ®Æt t¶i vµo compozit cèt sîi ng¾n, biÕn d¹ng ëphÇn nÒn bao quanh sîi chÞu kÐo.

- §èi víi lo¹i cèt sîi ng¾n, díi t¸c dông cña øng suÊt ®Æt

vµo sù biÕn d¹ng cña nÒn dõng l¹i ë (®Çu) mót sîi, mét

phÇn nÒn bÞ ch¶y ( h×nh trªn) → kh«ng cã sù truyÒn t¶i

tõ nÒn vµo mót sîi. → c¶i thiÖn mét khi chiÒu dµi sîi t¨ng

lªn.



- Ngêi ta ®· tÝnh ®îc r»ng khi sîi dµi b»ng hay dµi h¬n mét

chiÒu dµi tíi h¹n lc míi lµm t¨ng mét çch cã hiÖu qu¶ ®é

bÒn vµ ®é cøng v÷ng cña compozit.

- HiÖu qu¶ khi chiÒu dµi sîi( l) > lth ( l tíih¹n), lth phô thuéc®êng kÝnh d cña sîi, giíi h¹n bÒn (σb)f cña sîi (fiber) vµ søc

bÒn liªn kÕt gi÷a sîi vµ nÒn (hay giíi h¹n ch¶y c¾t cña nÒn

τm) theo biÓu thøc:

lth= (σb)s. d/τn

trong ®ã: (σb)s. giíi h¹n bÒn cña sîi

d-®êng kÝnh sîi

τn - giíi h¹n ch¶y c¾t cña nÒn( søc bÒn liªn kÕt

gi÷a sîi vµ nÒn)

VD: sîi thuû tinh hay çcbon: lth≈1mm (> ®êng kÝnh

sîi 20-150 lÇn)

- Qui íc r»ng:

+ khi l>15lth →cèt liªn tôc hay dµi

+ khi l<15lth →cèt kh«ng liªn tôc hay ng¾n;

+ khi l<lth →cèt h¹t , nÒn bao quanh sîi bÞ biÕn d¹ng ®Õnmøc kh«ng cã sù truyÒn t¶i, t¸c dông gia cêng cña sîi

kh«ng cã, ®îc coi nh compozit h¹t.

- S¬ ®å cÊu tróc cña lo¹i compozit cèt sîi trong ®ã lo¹i cèt

sîi liªn tôc th¼ng hµng (gäi ng¾n gän lµ liªn tôc) nh ë



h×nh a lµ lo¹i quan träng h¬n c¶ ( tham kh¶o vÒ çch tÝnh

sÏ ®îc kh¶o s¸t díi ®©y.

• ¶nh hëng cña hµm lîng sîi ( Vs) ®Õn ®é bÒn:

(σb)c= Vn. (σb)n= (1-Vs). (σb)n

S¬ ®å cÊu tróc cña compozit cèt sîi:a. liªn tôc (liªn tôc th¼nghµng),

b. gi¸n ®o¹n th¼ng hµng,c. gi¸n ®o¹n hçn ®én.

trong ®ã σn lµ øng suÊt trong nÒn t¹i thêi ®iÓm cèt sîi bÞ

®øt → Giíi h¹n bÒn cña compozit tû lÖ bËc nhÊt víi thÓ

tÝch cèt sîi Vs

b. TÝnh chÊt cña mét sè lo¹i cèt sîi



Chó ý: ®é bÒn cña sîi cèt kh«ng nh÷ng chØ phô thuéc vµo b¶nchÊt cña vËt liÖu lµm sîi mµ cßn phô thuéc rÊt m¹nh vµo kÝch thích×nh häc mµ cô thÓ lµ ®êng kÝnh cña nã. Víi cïng vËt liÖu, do x¸csuÊt cã mÆt çc khuyÕt tËt (vÝ dô çc vÕt nøt nhá) trªn bÒ mÆt sîi nhá sÏ thÊp h¬n ë sîi to, v× vËy sîi cµng nhá cã ®é bÒn cµngcao. §©y lµ ®Æc ®iÓm rÊt quan träng ®Ó çc nhµ c«ng nghÖquan t©m tríc hÕt khi lùa chän sîi cèt.c. D¹ng cèt sîi vµ vËt liÖu chÕ t¹o:

Cã 3 lo¹i:

• R©u (whiskers) lµ s¶n phÈm cã ®êng kÝnh rÊt nhá (cì 1 ÷

2 µ m), tû lÖ l/d >1000 lÇn (kü thuËt nu«i ®¬n tinh thÓ).

VËt liÖu Khèi lîngriªng,g/cm3

Giíi h¹nbÒn, MPa

M«®un®µn håi,

GPa

NhiÖt ®é lµm viÖc, max , 0C

R©u ®¬n tinh thÓGrafit 2,20 20000 690 2500

SiC 3,20 20000 480 1600Si3Ni4 3,20 14000 380 -Al2O3 3,90 14000-

18000415-550 -

Sîi Thñy tinh E 2,54 3500 72 550 Thñy tinh R 2,50 4400 80 650 Thñy tinh S 2,48 4800 84 650Cacbon 1,80 1500-

5500150-500 2000-2500

Al2O3 3,20 2100 170 800SiC 3,00 3900 425 900B (bo) 2,65 3700 300-420 500-700

D©y (kim lo¹i) ThÐpcacbon cao

7,80 4100 210 -

Mo 10,2 1400 360 -

W 19,3 4300 400 -



- Do kÝch thíc nhá, 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) → cha ®-

îc dïng réng 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 cèt: ( kÐo, chuèt) →®a tinh thÓ hoÆc V§H , kÝch thíc

vµi chôc ®Õn vµi tr¨m µm; tû l/d rÊt kh¸c nhau

- d©y: ( d= 50-300µm) nh thÐp C. W, Mo

- VËt liÖu chÕ t¹o cèt sîi cã thÓ lµ polyme nh polyamit, lµ

ceramic nh thñy tinh, «xyt nh«m, cacbit silic hoÆc bo,

cacbon.

•vËt liÖu:

- sîi thuû tinh ( T lµm viÖc = 500-7000C)

+ gåm çc «xyt SiO2, Al2O3, BO3. CaO, MgO...

+ ®îc sö dông réng r·i lµm cèt v× dÔ chÕ t¹o nã tõ tr¹ng

th¸i mÒm láng vµ cã ®é bÒn cao.

+ trong qu¸ tr×nh kÐo, bÒ mÆt sîi bÞ cä s¸t víi bÒ mÆt

cøng kh¸c nhê ®ã lµm mÊt ®i çc vÕt nøt vµ nh lµ ®îc bäc

bëi líp ¸o míi, b¸m dÝnh tèt víi nÒn.

- sîi çc bon ( T lµm viÖc = 2000-25000C)

+ nhê sù ®Þnh híng chñ yÕu cña çc mÆt ®¸y lôc gi¸c

(chØ víi liªn kÕt ®ång hãa trÞ) song song víi trôc sîi nªn cã

®é bÒn rÊt cao



+ sù grafit hãa cã thÓ x¶y ra kh«ng hoµn toµn nªn vÉn cßn

çc vïng v« ®Þnh h×nh (chØ trong r©u grafit míi ®¹t møc

®é tinh thÓ hoµn toµn) nªn ®é bÒn cã thÓ thay ®æi trong

giíi h¹n , tïy thuéc vµo tû lÖ nµy

- polyme ( T lµm viÖc <2000C), Nãi chung çc polyme cã

m«®un ®µn håi nhá.

+ HiÖn chØ dïng lo¹i polyamit th¬m (d¹ng th¬ng phÈm cã

hai lo¹i kelva 49 vµ kelva 29

+ Nhîc ®iÓm cña chÊt nµy lµ nhiÖt ®é lµm viÖc thÊp (<200oC).

- ceramic ( T lµm viÖc = 700-8000C) : B, SiC, Al 2O3

d. VËt liÖu lµm nÒn

- Thêng lµ polyme vµ kim lo¹i v× chóng cã tÝnh dÎo tèt.- Kim lo¹i dïng lµm pha nÒn thêng lµ nh«m vµ ®ång.

- Polyme lµ pha nÒn ®îc dïng phæ biÕn h¬n víi ®ñ chñng

lo¹i c¶ nhiÖt r¾n lÉn nhiÖt dÎo: polyeste, nylon, epoxy,

nhùa fenol, polyamit, melamin.

- HiÖn cßn Ýt dïng nÒn lµ ceramic trõ bªt«ng cèt thÐp lµlo¹i phæ biÕn nhÊt hiÖn nay.

7.3.5. Mét sè composit th«ng dông:

1. NÒn polyme- cèt sîi thuû tinh:



- s¶n xuÊt víi khèi lîng nhiÒu nhÊt v× chóng kh¸ rÎ, nhÑ, cã

®é bÒn riªng cao vµ sù g¾n kÕt tèt gi÷a hai pha nÒn -

cèt, víi c¶ hai lo¹i cèt sîi liªn tôc còng nh gi¸n ®o¹n.

- Lo¹i phæ biÕn nhÊt lµ polyeste - sîi thñy tinh, tiÕp ®Õn

lµ nylon - sîi thñy tinh.

- Nhîc ®iÓm : kh«ng ®ñ ®é cøng v÷ng trong mét sè tr-

êng hîp yªu cÇu (nh khi lµm kÕt cÊu cña m¸y bay,

cÇu...), T lµm viÖc thÊp, díi 200oC (trªn ®ã polyme bÞ

ch¶y vµ hñy ho¹i).- §îc dïng ngµy cµng nhiÒu trong çc ph¬ng tiÖn vËn t¶i

®Æc biÖt lµ vá (th©n) xe h¬i, tµu biÓn, èng dÉn,

container chøa hµng, tÊm l¸t sµn c«ng nghiÖp. §Æc biÖt

trong c«ng nghiÖp «t« nã cã søc c¹nh tranh cao nhê gi¶m

®îc khèi lîng vµ →tiªu hao nhiªn liÖu.2. NÒn KL- cèt sîi:

- nÒn: Al;Cu (phæ biÕn nhÊt), Mg; Ti

- cèt : sîi B, W...; tû lÖ thÓ tÝch sîi 20 ÷ 50%.

- øng dông trong CN hµng kh«ng, tua bin

u ®iÓm: c¬ tÝnh cao, T lµm viÖc cao, dÉn ®iÖn, nhiÖt

tèt....

nhîc ®iÓm: nÆng, c«ng nghÖ chÕ t¹o phøc t¹p....

3. Compozit polyme - sîi kh¸c



- Compozit polyme - sîi cacbon : cã m«®un ®µn håi riªng

cao h¬n, tÝnh chÞu nhiÖt ®é vµ bÒn hãa häc cao h¬n nh-

ng ®¾t h¬n vµ chØ cã lo¹i sîi gi¸n ®o¹n. Lo¹i compozit nµy

cã søc c¹nh tranh lín trong m¸y bay do gi¶m nhÑ ®îc khèi l-

îng (gi¶m 20 ÷ 30% so víi dïng kim lo¹i).

- Compozit epoxy - sîi bo ®îc dïng trong m¸y bay lªn th¼ng

(lµm çnh r«to

- Compozit polyme - sîi aramit b¾t ®Çu ®îc dïng trong

hµng kh«ng, tµu biÓn vµ ®å dïng thÓ thao.4.Composit cÊu tróc líp :

- VD cña compozit nµy qua gç d¸n, cãt Ðp: Chóng gåm bëi

çc líp (tÊm) cã ®é bÒn dÞ híng cao (nh gç, compozit cèt

sîi liªn tôc th¼ng hµng), ®îc s¾p xÕp sao cho çc ph¬ng

®é bÒn cao nhÊt cña çc líp, tÊm kÒ nhau ®îc ®æi híngliªn tôc vµ ®îc Ðp kÕt dÝnh víi nhau→ Nhê ®ã lo¹i nµy cã

®é bÒn cao theo çc ph¬ng song song víi mÆt tÊm, nhng

rÊt kÐm theo ph¬ng vu«ng gãc víi tÊm.



S¬ ®å t¹o compozit cÊu tróc d¹ng líp.

S¬ ®å cña panel sandwich.

- Gåm ba líp :

+ Hai líp mÆt ®îc chÕ t¹o tõ vËt liÖu cã ®é bÒn hay ®é

cøng v÷ng cao (nh hîp kim nh«m, titan, thÐp vµ compozitd¹ng líp) cã chøc n¨ng chÞu toµn bé t¶i träng t¸c dông theo

çc ph¬ng song song víi mÆt tÊm.

+ Líp gi÷a (lâi) cã hai chøc n¨ng: ng¨n çch hai líp trªn,

chèng biÕn d¹ng theo ph¬ng vu«ng gãc vµ t¹o ®é cøng

v÷ng tr¸nh cong vªnh. VËt liÖu lµm lâi cã thÓ lµ polymeè h© t¹ hÊt dÝ h hÑ

Documents

Chuong 7-8-9 - Vật liệu học đại cương