Vật liệu tổng hợp đang thống trị các ngành công nghiệp sản xuất
Theo xu hướng hiện nay, vật liệu nhựa tổng hợp đang dần chiếm ưu thế trong các ngành sản xuất. Với những đặc tính không khác biệt, thậm chí vượt trội so với gỗ hay kim loại, vật liệu tổng hợp còn mang lại lợi ích rất lớn về mặt chi phí. Với giá thành rẻ, quy trình sản xuất không quá phức tạp, thi công nhẹ nhàng, dễ dàng thì vật liệu tổng hợp luôn là sự lựa chọn tuyệt vời. Để hiểu rõ hơn về ứng dụng của vật liệu tổng hợp trong thực tế, mời các bạn cùng tìm hiểu ngay một số phương pháp gia công vật liệu tổng hợp phổ biến nhất hiện nay nhé!
1. Vật liệu tổng hợp là gì?
Vật liệu tổng hợp là sự kết hợp của hai hay nhiều thành phần
Vật liệu tổng hợp được hiểu là sự kết hợp của hai hay nhiều thành phần để tạo ra một loại vật liệu mới mà không hòa tan các thành phần đó lại với nhau. Vật liệu tổng hợp được tạo ra bằng cách lấy một vật liệu (ma trận) và bao quanh nó bằng các sợi hoặc mảnh vật liệu mạnh hơn (gia cố). Lý do của quá trình kết hợp này là để cải thiện tính chất của vật liệu. Vật liệu mới được tạo ra sẽ có những tính chất ưu việt của vật liệu thành phần, từ đó giúp chúng ta có được một loại vật liệu hoàn hảo hơn. Trên thực tế, vật liệu tổng hợp thường bền hơn và có đặc tính tốt hơn so với vật liệu trước đó. Theo thống kê, hiện nay có 3 loại vật liệu tổng hợp cơ bản là nhựa nhiệt dẻo, nhựa nhiệt rắn và nhựa hỗn hợp. Trong đời sống sản xuất, người ta sử dụng rộng rãi vật liệu tổng hợp trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau nhờ độ bền, nhẹ, linh hoạt và dễ gia công. Có thể kể đến các ngành như công nghệ ô tô, công nghệ máy bay và hàng không vũ trụ, thiết kế tàu thủy, dự án xây dựng,… Trong số đó, ngành y tế cũng là một trong những lĩnh vực ưa chuộng vật liệu tổng hợp trong nghiên cứu và điều trị.
Đọc thêm: Các loại vật liệu tổng hợp bạn không nên bỏ qua
2. Một số vật liệu tổng hợp phổ biến
2.1 Vật liệu tổng hợp nền polymer (PMC)
Nhựa sẽ đóng vai trò là ma trận trong PMC
Đây là nhóm vật liệu tổng hợp trong đó nhựa sẽ đóng vai trò là ma trận tạo thành nền tảng giúp các phân tử gia cố liên kết với nhau. Sự kết hợp này mang lại cho vật liệu mới những đặc tính đặc biệt hơn nhiều so với nhựa thông thường. Một số trong số họ có thể được đề cập như sau:
- PMC được gia cố bằng sợi thủy tinh: sợi thủy tinh sẽ được dệt thành một ma trận nhựa với đặc tính vượt trội về độ bền và độ cứng. Nhờ đó, chất liệu này sẽ đáp ứng hoàn hảo nhu cầu gia công các sản phẩm nhẹ và chắc chắn.
Đọc thêm: Tổng quan về nhựa gia cường sợi thuỷ tinh glass fiber reinforced plastic
- PMC được gia cố bằng sợi aramid: sợi aramid sẽ là lựa chọn lý tưởng cho những ứng dụng đề cao độ bền và khả năng bảo vệ nhờ siêu bền, dẻo dai và khả năng chịu nhiệt tuyệt vời. Đây cũng là loại vật liệu cần cân nhắc cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ nhẹ.
Đọc thêm: Sợi Aramid là gì?
- PMC được gia cố bằng sợi carbon: sợi carbon được biết đến rộng rãi nhờ đặc tính hiệu suất cao nhờ tỷ lệ độ bền trên trọng lượng. Đây sẽ là sự lựa chọn tuyệt vời cho các ứng dụng mà trọng lượng là mối quan tâm.
Đọc thêm: Sợi Carbon là gì?
2.2. Vật liệu tổng hợp ma trận kim loại (MMC)
MMC ứng dụng trong ngành công nghệ máy bay
Đây là nhóm vật liệu tổng hợp trong đó kim loại đóng vai trò như một ma trận làm nền tảng để gia cố các phân tử liên kết với nhau. Đây là sự kết hợp giữa độ bền của kim loại và độ nhẹ của vật liệu gia cố. Mọi người khuyên dùng sự kết hợp này cho các ứng dụng yêu cầu khả năng chịu tải cao và tiết kiệm trọng lượng. Một số trong số họ có thể được đề cập như sau:
- Magie MMC: vật liệu ma trận được biết đến rộng rãi nhờ trọng lượng nhẹ và tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao. Để tăng cường hơn nữa các tính chất của vật liệu, chất gia cố có thể bao gồm một số vật liệu như cacbua silic hoặc boron nitrit.
- Nhôm MMC: Nhôm sẽ đóng vai trò là vật liệu nền và thường được gia cố bằng cacbua silic hoặc alumina. Chất liệu này sở hữu đặc tính chống mài mòn, độ bền và độ cứng tốt nhưng lại có trọng lượng khá nhẹ
- Titanium MMC: titan sẽ đóng vai trò là vật liệu ma trận và các sợi gia cố sẽ là silicon cacbua hoặc sợi carbon. Sự kết hợp này sẽ tăng cường độ bền, hiệu suất nhiệt độ cao và khả năng chống mài mòn.
2.3. Vật liệu tổng hợp ma trận gốm (CMC)
CMC tăng cường các đặc tính của nhau
Đây là sự pha trộn hỗ trợ lẫn nhau của các vật liệu giúp tăng cường các đặc tính của nhau. Nền gốm thường là cacbua silic hoặc alumina và các sợi gia cố có thể là cacbon hoặc cacbua silic. Điều này sẽ cải thiện tính linh hoạt và độ dẻo dai của vật liệu giúp nó chịu được những tác động đáng kinh ngạc như:
- Alumina CMC (Al2O3 CMC): các ngành như y sinh, điện tử và công nghệ ô tô khá ưa chuộng Al2O3 CMC. Nguyên nhân chính là do vật liệu này có khả năng chống mài mòn, độ bền và điện trở suất cao.
- CMC silic cacbua (SiC CMC): SiC CMC là một trong những lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng hàng không vũ trụ và công nghiệp nhờ độ bền siêu cao, khả năng chịu nhiệt cao và khả năng chống mài mòn tuyệt vời.
- Boron Nitride CMC (BN CMC): đây cũng là một trong những ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất và độ bền cao.
3. Các phương pháp gia công vật liệu tổng hợp phổ biến
In 3D mang lại nhiều lợi ích
Gia công vật liệu liệu tổng bằng công nghệ in 3D (3-Dimension) mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp gia công truyền thống như tiết kiệm thời gian, khả năng in được nhiều mẫu thiết kế phức tạp… Hoạt động in 3D được hiểu là một hình thức sản xuất bồi đắp trong đó có các chương trình in được lập trình sẵn. Máy in hay phần mềm in ấn sẽ setup tuần tự và liên tục cho đến khi thành phẩm. Đây là một trong những phương pháp chế biến mang lại sản phẩm sống động nhất.
Đọc thêm: In 3D và ép phun: Cách nào phù hợp?
Thân máy bay được sản xuất bởi Automated Layup
- ATL / AFP – Bố trí tự động
Gia công vật liệu liệu tổng bằng ALT/AFP – Bố trí tự động được hiểu là quá trình sử dụng thiết bị tự động hóa để tạo ra sản phẩm mới. Phương pháp này đòi hỏi máy móc, phần mềm tiên tiến nên giá thành khá cao nên phù hợp cho sản xuất lâu dài. Tuy nhiên, những ưu điểm mà phương pháp này mang lại sẽ khó có thể so sánh với bất kỳ quy trình nào khác. Quá trình gia công có thể diễn ra cả ngày lẫn đêm, mọi chuyển động trong quá trình tạo hình sẽ được kiểm soát với chất lượng cực cao và độ chính xác gần như hoàn hảo. Đặc biệt, ATL phù hợp cho các ứng dụng có bề mặt lớn và phẳng (ví dụ: vỏ cánh hoặc thân máy bay). Quá trình bồi đắp sử dụng AFP sẽ ưu tiên các thiết kế nhỏ hơn và phức tạp hơn.
Thêm vật liệu composite theo phương pháp này có thể hiểu là quá trình sử dụng máy bơm hoặc bình áp lực để đẩy nhựa vào khuôn ở áp suất cao (khoảng 150-300psi - 1500psi) tùy theo nhu cầu sản xuất. Ưu điểm của Đúc chuyển nhựa (RTM) là tốc độ và tính tự động hóa cao. Phương pháp này cũng cần đầu tư ban đầu về thiết bị nhưng khối lượng và tốc độ sản xuất sẽ vô cùng ấn tượng. Phương pháp này phù hợp với các bộ phận có thiết kế nhỏ và có nhiều hình dạng
Sản phẩm đúc nén
Phương pháp ép nén là quá trình gia công sử dụng bộ khuôn và một số phụ kiện máy khác. Nhựa sẽ có sẵn ở dạng khuôn mở và sau đó được nén bằng máy ép thủy lực lớn và một số quy trình được thực hiện dưới áp suất cực cao. Đây là phương pháp ứng dụng cho nhựa nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo và nhiều loại sợi khác.
Cuộn dây tóc thích hợp cho các hình dạng quay đơn giản như hình trụ hoặc ống
Đây là một trong những phương pháp phát triển cao. Đây là phương pháp quấn sợi lên trục theo một thiết kế nhất định để tạo ra thành phẩm. Các sợi thường được làm ướt bằng nhựa sau đó quấn quanh trục gá. Trục gá sẽ được quay nhờ một thanh dẫn hướng di chuyển dọc theo chiều dài của trục gá. Do quy trình xử lý khá cụ thể nên cuộn dây tóc phù hợp cho các ứng dụng có hình dạng quay đơn giản như hình trụ hoặc hình ống.
Quá trình đắp bồi được hiểu là vật liệu liệu tổng sẽ được trộn và phun bằng súng thành sợi. Phương pháp này có nhược điểm là khó kiểm soát độ dày, từ đó ảnh hưởng đến trọng lượng sản phẩm. Tuy nhiên, đây là giải pháp lý tưởng cho các bộ phận được phủ gel hoặc có hình dạng phức tạp như tường tắm, bồn chứa, thiết bị thiết kế nhà và các bộ phận của xe, v.v. Quá trình này đòi hỏi những người thợ lành nghề phải đảm bảo bề mặt hoàn hảo để tránh xuất hiện các khoảng trống hoặc biến dạng.
Xếp lớp ướt được đóng gói chân không
- Xếp lớp ướt đóng gói chân không
Đây là quá trình xếp lớp ướt được đóng bao cho đến khi toàn bộ vật liệu liệu tổng được ép vào khuôn. Lớp nhựa sẽ được gia cố và loại bỏ các lớp nhựa thừa trước khi đông đặc bằng túi hút chân không và các phụ kiện đóng gói đi kèm. Đây là một trong những quy trình đòi hỏi người thợ máy có tay nghề cao vì quy trình sẽ phụ thuộc vào nhu cầu sản xuất và yêu cầu tính toán cẩn thận.
Đây là phương pháp đưa một chồng sợi gia cường khô vào khuôn, sau đó đưa túi chân không (CCCBM) vào khuôn đó. Chúng ta thực hiện hút chân không ở đáy túi để sự chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài túi đẩy một ít nhựa vào khuôn. Có rất nhiều thông tin mô tả phương pháp này một cách sinh động và trực quan. Ưu điểm của nó là túi hút chân không có thể tái sử dụng được.
4. Kết luận
Tóm lại, vật liệu tổng hợp là một trong những sự lựa chọn vô cùng lý tưởng cho nhiều công trình sản xuất đa dạng. Vật liệu tổng hợp bổ sung cho nhau về tính chất của vật liệu thành phần sẽ mang lại cho chúng ta những ưu điểm cơ lý và hóa học tối ưu. Có nhiều phương pháp nêu trên, nhưng để chọn được phương pháp gia công vật liệu tổng hợp phù hợp, chúng ta cần xem xét chất liệu nhựa và nhu cầu sản xuất. Hãy đọc thêm những bài viết ý nghĩa từ EuroPlas để có thêm lựa chọn cho dự án sắp tới của bạn nhé!