Vật liệu composite: cấu tạo, ứng dụng & ưu nhược điểm

Yêu cầu của thị trường về các loại nguyên vật liệu ngày càng khắt khe. Vật liệu composite dần thay thế các vật liệu đơn lẻ như gỗ, đá, kim loại, nhựa rẻ tiền… nhờ những ưu điểm tổng hợp về chất lượng, thẩm mỹ, giá thành… Cùng Havico tìm hiểu sâu hơn về vật liệu composite và ứng dụng của nó trong đời sống thường ngày nhé!

Vật liệu composite là gì?

Vật liệu composite là vật liệu được tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác để tạo ra một vật liệu mới có ưu điểm, tính chất vượt trội hơn so với từng vật liệu riêng lẻ.

Cấu tạo của vật liệu composite gồm 2 thành phần chính: Vật liệu nền và vật liệu cốt (chất gia cường).

• Vật liệu nền: Liên kết các chất gia cố với nhau tạo cho vật liệu có tính nguyên khối, bền về hóa và nhiệt.
• Vật liệu cốt: Gia cường cho tính chất vật liệu như tăng độ bền, đàn hồi… Vật liệu cốt có thể ở dạng hạt hoặc dạng sợi.

Có thể phân loại vật liệu composite thành từng nhóm:

• Composite nền hữu cơ: Vật liệu gồm chất nền là nhựa, nhựa đường hoặc cao su kết hợp với vật liệu cốt là các sợi hữu cơ (polyamide, aramid…); sợi khoáng (sợi thủy tinh fiberglass, sợi carbon…) hoặc sợi kim loại (nhôm…)
• Composite nền khoáng chất: Sản phẩm nền khoáng chất như bê tông, nền gốm, carbon kết hợp với cốt là sợi/ hạt kim loại, hạt gốm…
• Composite nền kim loại: Vật liệu nền là các hợp kim như nhôm, titan… kết hợp với vật liệu gia cường là sợi khoáng hoặc sợi kim loại.
• Tổng hợp cốt sợi: Dùng các chất gia cường ở dạng sợi kết hợp với nền nhựa. Sợi có đặc trưng về chiều dài nên vừa phân bổ ở dạng liên tục và gián đoạn.
• Tổng hợp cốt hạt: Dùng các chất gia cường ở dạng hạt, phân bổ ở dạng gián đoạn. Vật liệu cốt hạt phổ biến là bê tông.
• Tổng hợp cốt sợi và hạt: Là vật liệu tổng hợp từ nhiều dạng vật chất. Cụ thể, bê tông cốt thép có nền khoáng chất. Cấu tạo của nó gồm xi măng được tạo thành từ đá (vật liệu nền), cốt bê tông là sự kết hợp của cát và đá dăm (cốt hạt), thép (cốt sợi).

Nguồn gốc

Vật liệu tổng hợp xuất hiện từ rất lâu trên Trái đất, ngay cả trong tự nhiên và với sự tác động của con người.

Khoảng 5000 năm trước công nguyên, con người đã tạo ra vật liệu tổng hợp đầu tiên bằng cách trộn đá nhỏ vào đất để những viên gạch không bị cong vênh sau khi phơi nắng.

Một loại vật liệu tổng hợp khác còn được tìm thấy trong chất dùng để ướp xác người Ai Cập cổ đại.

Người Hy Lạp cổ đại trộn đất, đá, cát, sỏi với mật ong để làm nguyên vật liệu xây dựng. Người Việt Nam xưa lại trộn bùn với rơm để xây tường hoặc vách nhà. Hiện nay, ở một số thôn quê Việt Nam vẫn còn nhà, chòi xây bằng bùn rơm này.

Trong tự nhiên cũng có hiện hữu của chất composite. Thân cây gỗ gồm nhiều sợi xenlulo kết dính với nhau bởi chất lignin. Cấu trúc composite này giúp thân cây có độ bền dẻo dai nhất định, được con người sử dụng để làm vật liệu xây nhà, làm bàn ghế, đồ mộc…

Vào những năm 1950, khi ngành chế tạo tên lửa ở Mỹ xuất hiện, người ta bắt đầu nghiên cứu nhiều hơn về vật liệu composite và tính đa dụng của nó. Ngày nay, đây được xem là loại “vật liệu mới”, bước tiến lớn trong công nghệ sản xuất vật liệu.

Thành phần cấu tạo

Vật liệu được cấu thành từ nhiều pha gián đoạn phân bố trong một pha liên tục. “Pha” là thuật ngữ chỉ vật liệu cấu thành, trong đó “pha gián đoạn” là các vật liệu cốt dùng để tăng tính chất cho vật liệu và “pha liên tục” là vật liệu nền giúp kết dính các chất gia cường lại.

• Thành phần cốt gồm: Sợi thủy tinh; Sợi hữu cơ; Sợi Carbon; Sợi Bor; Sợi kim loại, Sợi ngắn và các hạt phân tán.
• Vật liệu nền được phân chia thành các loại: Nền hữu cơ; Nền kim loại; Nền khoáng; Nền gốm.

Đặc điểm tính chất

Các thành phần của vật liệu tổng hợp có vai trò và tính chất riêng, góp phần tạo nên một vật liệu ưu việt hơn hẳn.

Tính chất của vật liệu nền (hay còn gọi là pha liên tục):

• Là chất kết dính các vật liệu gia cường lại với nhau tạo thành một khối thống nhất và tạo môi trường phân tán.
• Khi có lực tác động từ bên ngoài hoặc tác động do môi trường, vật liệu nền đóng vai trò truyền ứng suất sang cho chất gia cường và bảo vệ chúng không bị hư hại.
• Đảm bảo độ dẻo dai cho vật liệu giúp tránh sự xuất hiện của các vết nứt.
• Cách điện và tối ưu về màu sắc như pha màu, bền màu…

Tính chất của vật liệu cốt (hay còn gọi là pha gián đoạn):

• Chịu ứng suất tập trung từ vật liệu nền truyền sang và phân tán vào pha liên tục.
• Tạo tính chất kháng ăn mòn và kháng với hóa chất.
• Truyền nhiệt và giải nhiệt tốt nên giúp sản phẩm làm composite có ưu điểm cách nhiệt, bề mặt sản phẩm không bị nóng và biến chất.
• Mang những ưu điểm của 2 hay nhiều vật liệu thành phần nhưng giá thành lại tốt hơn so với vật liệu riêng lẻ.

Các loại composite phổ biến

Vật liệu composite được làm từ các loại vật liệu nền và chất gia cường khác nhau. Mỗi sự kết hợp sẽ tạo ra vật liệu composite có đặc trưng riêng, phù hợp với những ứng dụng khác nhau. Đây cũng là ưu điểm giúp vật liệu trở nên đa dụng đến như vậy.

Các loại composite phổ biến hiện nay:

Fiberglass Reinforced Plastic – Nhựa composite cốt sợi thủy tinh: Sự kết hợp giữa nền nhựa và sợi thủy tinh có ưu điểm bền, chịu lực, cách nhiệt, chống ăn mòn, UV, trọng lượng nhẹ…so với các loại nhựa rẻ tiền khác.

Metal composite – Composite kim loại: Là sự kết hợp của kim loại và nhựa.

Ceramic composite – Gốm composite: So với gốm bình thường, vật liệu có ưu điểm chống sốc nhiệt và chống gãy tốt hơn.

Vật liệu tổng hợp bê tông:

• Reinforced concrete – Bê tông cốt thép: Nền bê tông có các thanh thép được đúc chìm bên trong để gia tăng độ cứng, độ chịu tải
• Glass fibre reinforced concrete – Bê tông cốt sợi thủy tinh: hỗn hợp của cát sạch, nước sạch, xi măng, sợi thủy tinh và các chất phụ gia. Vật liệu bền, màu sắc đẹp, dễ tạo hình và có thẩm mỹ đẹp.
• Translucent concrete – Bê tông mờ: Sợi quang được trộn vào hỗn hợp bê tông, phân bổ đều trên bề mặt có tác dụng truyền ánh sáng, sử dụng trong xây dựng các tòa nhà.

Engineered wood – Gỗ kỹ thuật: vật liệu kết hợp giữa gỗ và ván dăm hoặc veneer, được dùng để làm các sàn gỗ thay thế cho nền gạch của nhà ở, căn hộ…

Engineered wood bamboo – Tre kỹ thuật: Dải sợi tre được dán lại với nhau tạo thành tấm có ưu điểm về độ bền kéo, nén và có thể uốn tốt hơn gỗ.

Plywood – Ván ép: Dán nhiều lớp gỗ lại với nhau để tạo thành ván ép. Sản phẩm có khả năng chịu lực, ít bị ảnh hưởng khi tiếp xúc với nước so với gỗ MDF.

Plastic coated paper – Giấy tráng nhựa: Giấy được tráng thêm một lớp nhựa bên ngoài để tăng độ cứng và độ bền cho sản phẩm.

Wood-plastic composite – Gỗ nhựa: Dùng vật liệu gỗ ở dạng bột hoặc sợi và kết hợp với nhựa. Vật liệu có độ bền cao, màu sắc tự nhiên như gỗ thật, chống trơn trượt, nhẹ và tiện dụng, được dùng nhiều trong trang trí nội – ngoại thất.

Carbon Fibre reinforced polymer – Polymer gia cố carbon: chất nền nhựa kết hợp sốt sợi carbon. Sản phẩm có độ bền, độ cứng cao, tỷ lệ cường độ lực cao, ứng dụng trong ngành hàng không và vũ trụ, kỹ thuật …

Quy trình sản xuất

Có 3 loại quy trình để tạo sản xuất ra vật liệu composite: đúc hở, đúc kín, đúc khuôn nhựa. Trong đó, mỗi quy trình có thể được áp dụng những phương pháp khác nhau:

Đúc hở

Vật liệu được đặt trong khuôn mở để khi tiếp xúc với không khí, chúng sẽ cứng lại. Quy trình đúc này có chi phí thấp, được ứng dụng trong làm mẫu test hay trong một thời gian sản xuất ngắn.

Quy trình sản xuất đúc hở có thể sử dụng các phương pháp như đắp tay composite, phun sợi, quấn sợi.

• Đắp tay: Đắp cốt sợi bằng tay vào khuôn và chổi/ con lăn để quét phủ nhựa lên. Quy trình gia công đơn giản, dễ chỉnh sửa thiết kế, kích thước gia công từ nhỏ đến lớn.
• Phun sợi: Dùng súng cắt để cắt ngắn sợi gia cường và cho vào nhựa. Trong quá trình phun, độ dày của sản phẩm phụ thuộc vào sự kiểm soát của người vận hành. So với đắp tay, phun sợi có lợi hơn khi sản xuất với số lượng lớn nhờ tính tự động hóa. Phương pháp này được ứng dụng trong chế tạo vật liệu composite dành cho tàu thuyền, bồn chứa, thiết bị bồn tắm, phụ kiện phòng tắm…với kích thước đa dạng.
• Quấn sợi: Quy trình tự động sử dụng trục quay làm khuôn và điều khiển bằng máy tính nên nguồn nhân lực được giảm đáng kể so với 2 phương pháp trên. Quấn sợi tạo ra sản phẩm có một lớp phủ ở bề mặt bên trong và lớp cán mỏng trên đường kính mặt ngoài, ứng dụng để sản xuất sản phẩm có cấu trúc rỗng như vỏ động cơ, ống dẫn…Phương pháp sử dụng trục gá với kích thước và hình dáng theo yêu cầu của sản phẩm.

Đúc kín

Nguyên liệu nền và gia cường được đặt trong khuôn kín hoặc túi chân không nhằm đảm bảo chúng không tiếp xúc với không khí, được áp dụng trong sản xuất khối lượng lớn hoặc các sản phẩm yêu cầu hoàn thiện cả 2 bề mặt.

Các phương pháp đúc kín:

• Đúc túi chân không: giúp loại bỏ không khí nên hạn chế tối đa tỉ lệ bị rỗng. Đúc bao chân không giúp loại bỏ phần nhựa thừa, tăng kết dính cho hỗn hợp.
• Truyền chân không: Phương pháp tạo ra các lớp mỏng với kết cấu đồng đều, độ bền cao và nhẹ. Quá trình thực hiện bằng cách dùng áp suất chân không để kéo nhựa vào trong khuôn, dát mỏng, nén chặt loại bỏ nhựa thừa và không khí vốn là tác nhân gây ra rỗng thành phẩm.
• Hút chân không: Vật liệu gia cường được cho vào khuôn kín. Sau đó bơm nhựa vào bằng áp lực. Phương pháp có thể thực hiện ở nhiệt độ phòng còn khuôn được gia nhiệt để đảm bảo thời gian chu kỳ nhanh và sự đồng nhất của sản phẩm.
• Ép khuôn: Kẹp vật liệu composite ở giữa 2 khuôn trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, ứng dụng để xử lý nhựa gia cố sợi thủy tinh và số lượng lớn. Quy trình nhanh và tính đồng nhất sản phẩm cao, bề mặt sản phẩm đẹp. Phương pháp tự động hóa nên chi phí nhân công tương đối thấp.
• Đúc ép: Các sợi liên tục được kéo qua bể nhựa để đạt độ bão hòa. Phương pháp dùng để tạo ra các sản phẩm vật liệu tổng hợp có dạng thanh dài kết cấu cao như ống dẫn, trục dầm…
• Đúc ép phản lực: Nung riêng hai hoặc nhiều loại nhựa sau đó kết hợp với sợi thủy tinh đã nghiền nhỏ. Bơm hỗn hợp vào khuôn bằng áp suất cao và nén lại. Phương pháp ứng dụng để sản xuất các bộ phận ô tô, tấm chắn, vỏ lốp…
• Đúc ly tâm: Nền và cốt được lắng lại bên trong mặt khuôn quay. Dùng lực ly tâm để giữ chúng cho đến khi đông lại. Phương pháp ứng dụng để sản xuất sản phẩm rỗng như ống, bể chứa, bồn chứa…
• Cán liên tục: Nền nhựa và cốt sợi được kẹp giữa 2 tấm, các con lăn đóng vai trò tạo hình và cán mỏng vật liệu thành dạng tấm. Sau đó, cắt các tấm theo khổ yêu cầu. Cán liên tục được dùng để làm vật liệu cho biển báo, tấm xây dựng…

Đúc khuôn nhựa

Quy trình đúc hỗn hợp gồm nhựa và chất độn mà không có sự tham gia của cốt sợi, được sử dụng trong sản xuất sản phẩm có hình dạng kích thước theo yêu cầu.

• Đúc đá nuôi cấy tráng gel: Trang một lớp gel lên bề mặt để tạo vẻ đẹp và tăng khả năng chống mài mòn thời tiết. Lớp gel là hỗn hợp của nhựa và chất độn khoáng (đá cẩm thạch, mã não, hoa cương)
• Khuôn đúc bề mặt rắn: Khuôn đúc là chất nền và không có phủ gel nên bề mặt rắn, đặc đồng nhất khi thực hiện cắt, chà nhám hay kết dính. Bề mặt rắn giúp cho việc tạo kiểu sản phẩm đa dạng và tăng vẻ đẹp về thẩm mỹ.

Ưu – nhược điểm của vật liệu composite

Ưu điểm:

Vật liệu composite có thể được tạo thành từ các vật liệu khác nhau. Vì thế, cấu trúc hình học có thể thay đổi và thành phần cấu tạo nên vật liệu giúp nó mang tính chất đặc trưng của các chất thành phần, có phần vượt trội hơn hẳn.

• Độ bền và độ cứng cao, độ uốn kéo tốt, là một loại vật liệu có độ vững chắc. Tuổi thọ sử dụng lâu dài.
• Khối lượng riêng nhỏ, trọng lượng nhẹ nên các sản phẩm được làm từ vật liệu composite rất tiện dụng trong di chuyển.
• Chịu được tác động từ thời tiết, chống UV cao nên có thể sử dụng cho cả điều kiện trong nhà và ngoài trời.
• Vật liệu kháng ăn mòn và kháng hóa chất, chống thấm nước và không độc hại với sức khỏe, môi trường.
• Khả năng gia công và tạo hình cao, dễ tạo màu nên các sản phẩm từ vật liệu này rất đa dạng về kiểu dáng, màu sắc.
• Sữa chữa dễ dàng, chi phí về bảo dưỡng hay về sản xuất không cao.

Nhược điểm:

• Trong quá trình sản xuất dễ sinh ra phế phẩm. Vật liệu khó tái chế, tái sử dụng.
• Nguyên liệu thô đầu vào có giá thành khá cao.
• Gia công tốn nhiều thời gian, phân tích thành phần vật liệu phức tạp.
• Chất lượng của vật liệu composite có thể bị tác động bởi trình độ người công nhân.

Ứng dụng của vật liệu composite trong đời sống và sản xuất

Vật liệu tổng hợp composite được ứng dụng vô cùng phong phú. Công nghệ và khoa học nghiên cứu về “vật liệu mới” này ngày càng được chú trọng, càng giúp gia tăng ứng dụng của nó vào sự phát triển của xã hội.

Ứng dụng trong đời sống

Trong dân dụng:

• Chén, đũa, ly, bình nước…
• Đá composite được dùng để làm sản phẩm bàn ăn, bàn khách hoặc mặt bếp để gia tăng độ bề, vẻ đẹp cho nội thất căn nhà, đồng thời giảm giá thành so với nhiều loại đá quý tự nhiên khác.
• Thùng rác công cộng hoặc thùng rác gia đình được làm từ nhựa composite có độ bền cao và nhiều kiểu dáng nổi bật.
• Hệ thống ống dẫn, ống thoát rác trong nhà cao tầng
• Bàn ghế nhựa composite, ghế hồ bơi, ghế chờ composite…
• Bàn ghế, giường, tủ… bằng plywood
• Mô hình composite dùng trong quảng cáo
• Đồ chơi trẻ em
• Các thiết bị phục vụ quốc phòng như bia tập bắn,

Trong xây dựng:

• Nắp hố ga bằng composite có trọng lượng nhẹ hơn và giá thành rẻ.
• Vật liệu gia cố cho dầm, cột, sàn trong công trình xây dựng, gia cố kết cấu cầu cảng…
• Sàn cầu nhẹ cho người đi bộ.

Trong trang trí nội – ngoại thất:

• Bàn ghế, tranh phù điêu, tượng tôn giáo, tượng phong thủy…
• Các sản phẩm trang trí như chậu cây composite, bình hoa, trụ ghế nghệ thuật…

Trong y tế:

• Trám răng thẩm mỹ ngăn chặn những hư tổn của răng, màu sắc chân thật và độ bền cao, khả năng chống mài mòn tốt.

Ứng dụng trong sản xuất

• Vỏ động cơ tên lửa, tàu vũ trụ, máy bay. Các động cơ như cánh, bộ phận dẫn hướng, khung xương…
• Vỏ tàu thuyền, Lốp xe
• Vỏ của bồn chứa nước, thùng đựng hàng hóa
• Bình chịu áp lực
• Hệ thống ống dẫn nước, nước thải, dẫn hóa chất… trong nhà máy, ống thủy nông…
• Hệ thống cách điện trong các thiết bị điện, thiết bị chống sét

Mời xem thêm: Các sản phầm được làm từ vật liệu composite được sản xuất bởi HAVICO tại đây

Ban biên tập: Havico