Bài giảng Kỹ thuật Đại cương (PGS.TS. Lê Bá Sơn) - Chương 1 KHOA HỌC VẬT LIỆU

Composite với các loại sợi gia cố cao cấp đã tạo một bước nhảy vọt về chất lượng của các dụng cụ thể thao và kỷ lục của các vận động viên. Sử dụng vật liệu composite đã nâng kỷ lục độ của các vận động viên nhảy sào. Ban đầu với nhưng cây sào bằng tre, kim loại con người vất vả mà cũng không qua được mức sào 5 m. Sau đó, cây sào composite ra đời con người chinh phục chiều cao đó và kỷ lục nầy bây giờ đã vượt hơn 6 m. Năm 1991, vận động viên người Ukraine lần đầu tiên tạo ra kỷ lục mới vượt độ cao 6.1 m với cây sào composite sợi thủy tinh. Vì con người không thể vừa mang cây sào dài vừa chạy với một tốc độ gần 40 km/h để có thể vượt qua độ cao 6 m, nguyên nhân nào đã giúp vận động viên người Ukraine phá được kỷ lục? Trong quá trình nhảy sào, vận động viên phải mang sào chạy thật nhanh và khi cắm sào vào nền đất anh ta phải vận dụng sức mạnh cơ bắp của mình bẻ cong cây sào để sau khi buông ra sức bật của cây sào sẽ giúp anh tung người lên cao. Năng lượng để nâng cao vận động viên do đó một phần đi từ đôi chân chạy nhanh và một phần từ sức mạnh đôi tay của anh. Từ những phân tích nầy, nhà thiết kế phải nghĩ ra một vật liệu thích hợp có độ cứng, độ bền, độ dai thích hợp, nhẹ cân và tình đàn hồi tối ưu. Tre và gỗ nhẹ cân nhưng dễ gãy. Nhôm nhẹ cân, độ cứng cao nhưng thiếu tính đàn hồi. Những vật liệu đồng chất (monolithic) không thỏa mãn tất cả yêu cầu của vận động viên. Composite sợi thủy tinh được thiết kế để đáp ứng phần lớn những đòi hỏi nầy. Sợi thủy tinh có độ giãn cao hơn tất cả các loại sợi (Bảng 2). Nhờ vậy cây sào có thể bị bẻ cong và có sức bật tối đa mà không sợ sào gãy và đứt sợi. Hiện nay, người ta có thể thiết kế nhiều loại sào khác nhau với sức nặng, độ cứng và độ bền khác nhau thích ứng cho mỗi vận động viên. Cây sào hiện đại có ba lớp với lớp ngoài cùng là composite sợi carbon/epoxy làm tăng độ cứng và giảm trọng lượng, lớp giữa là composite mạng sợi thủy tinh/epoxy và lớp trong cùng là các vòng sợi thủy tinh (Hình 3) .

doc29 trang | Chia sẻ: aloso | Ngày: 26/02/2014 | Lượt xem: 2466 | Lượt tải: 3download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Bài giảng Kỹ thuật Đại cương (PGS.TS. Lê Bá Sơn) - Chương 1 KHOA HỌC VẬT LIỆU, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ính dẻo và dai, thì sau lần vuốt thứ 4, 5 phải ủ thép một lần. Dây thép vuốt nguội có thể dùng làm cốt thép trong bê tông dự ứng lực, làm dây cáp v.v... Gia công nguội là một biện pháp tiết kiệm kim loại. Gia công (rèn, cán) nóng (biến dạng nóng) là hình thức làm kim loại biến dạng ở trạng thái nóng... Đối với thép các biến dạng ở nhiệt độ trên 650-700oC là biến dạng nóng, nhưng để đảm bảo đủ độ dẻo cần thiết, thường biến dạng được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn nhiều. Cán là phương pháp gia công ép nóng qua máy. Do cán liên tục nhiều lần mặt cắt của thép dần dần được cải biến đúng với hình dạng và kích thước yêu cầu. Các loại thép hình dùng trong xây dựng được chế tạo bằng phương pháp cán. Rèn là phương pháp gia nhiệt đến trạng thái dẻo cao, dùng búa đập thành cấu kiện có hình dạng nhất định. Rèn có thể thực hiện bằng tay hoặc bằng máy. Thép cán và rèn có cấu tạo tương đối tốt và tính năng cơ học cao. 1.2.VẬT LIỆU CAO PHÂN TỬ (Polimer) 1.2.1. Khái niệm chung : Vật liệu cao phân tử ( chất dẻo) là những chất do các hợp chất hữu cơ cao phân tử tạo thành. Vật liệu cao phân tử đang đóng vai trò quan trọng trong các ngành cơ khí chế tạo và xây dựng. Các vật liệu cao phần tử đang dần dần thay thế các vật liệu truyền thống như kim loại, gỗ, đá... 1.2.2. Nhựa tổng hợp (polime): Các polime đóng vai trò chất kết dính trong vật liệu chất dẻo, chúng được phân loại theo phương pháp chế tạo : - Nhựa trùng hợp tạo thành do phản ứng trùng hợp các đơn phân liên kết thành các polime mà không tách ra các sản phẩm phụ. Phần lớn nhựa trùng hợp có đặc tính mềm khi chịu nóng và rắn chắc trở lại khi gặp lạnh, tan trong dung môi hữu cơ . Đây là tính chất của nhựa nhiệt dẻo hóa. -Nhựa trùng ngưng tạo thành do các phản ứng trùng ngưng, trong đó một số hợp chất đơn giản tạo thành phân tử phức tạp và tách ra các sản phẩm phụ (như nước, amôniắc, v.v...) Hầu hết các sản phầm trùng ngưng có những đặc tính quí báu như: khi nung nóng vẫn có trạng thái rắn chứ không chảy lỏng, không tan trong các dung môi còn gọi là nhựa nhiệt hoá rắn. Loại nhựa này có cường độ, độ cứng và khả năng chịu nhiệt tốt hơn nhựa nhiệt dẻo. 1.2.2.1. Một số nhựa trùng hợp : Pôlyêtylen ( - CH2 - CH2 - )n - Chế tạo: pôlyêtylen bằng cách trùng hợp êtylen CH2 = CH2 sản xuất từ than đá hay khí đốt - Tính chất: là nhựa trong suốt, ổn định hóa học, cách điện, có cường độ cao, dễ hàn và dễ gia công; có nhược điểm dễ lão hoá, kém chịu nhiệt, dễ cháy và độ cứng nhỏ. - Sử dụng: thường dùng làm màng mỏng chống thấm cho công trình, sản xuất giấy gói, vải gỗ dán, bọc dây điện v.v... Polyvinylclorua ( - CH2 - CHCl - )n - Chế tạo: Polyvinylclorua (PVC) bằng cách trùng hợp clorua vinyl (CH2 = CHCl). - Tính chất : nhựa có cường độ cao, chống thấm tốt, khó bắt lửa, ổn định hóa học với kiềm và axit, khả năng trộn với chất độn lớn, dễ tạo hình và dễ hàn dán; nhựa có nhược điểm kém chịu nhiệt và và khả năng dính bám vào một số vật liệu thấp. - Sử dụng : nhựa PVC thường được dùng làm tấm sàn, tấm chống thấm, tấm trang trí, đường ống và phụ tùng dùng cho nơi chịu tác dụng ăn mòn. Pôlistirôn (- CH2 - CHC6H5 - )n - Chế tạo: Pôlistirôn được tiến hành bằng cách trùng hợp stirôn (CH2=CHC6H5) có chất xúc tác. - Tính chất : có khả năng ổn định hóa học cao, cách điện và ổn định với nhiệt. - Sử dụng: sản xuất tấm ốp, màng mỏng có tính đàn hồi, ống chịu axit, chất dẻo xốp, v.v... Ngoài các nhựa trùng hợp đã nêu trên, còn sử dụng nhiều loại khác như : pôlyizôbutylen, pôlyvinyl axêtat , v.v... 1.2.2.2. Một số nhựa trùng ngưng : a/Phênon foócmanđêhyt - Chế tạo: sản xuất bằng cách trùng ngưng phênon (C6H5OH) và foocmanđêhyt (CH2O) (còn gọi là anđêhyt foocmic), sản phẩm phụ tách ra là nước (H2O), khi phản ứng xảy ra trong môi trường axit và thừa phênon nhận được nhựa nhiệt dẻo mà phân tử có cấu trúc mạch thẳng, còn khi phản ứng xảy ra trong môi trường kiềm và có chất xúc tác là amôniắc (NH3) hay hyđrôxyt natri (NaOH) sẽ được loại nhựa nhiệt hoạt mà phân tử có cấu trúc mạng không gian. - Tính chất: có khả năng trộn chất độn lớn, tính bền cơ học cao, chịu nước, cách điện. - Sử dụng: dùng nhiều trong công nghiệp gỗ dán. urê foocmanđêhyt (còn gọi là nhựa cacbamit) - Chế tạo: bằng cách đem trùng ngưng urê (CO(NH2)2) còn gọi là cácbamit và foócmanđêhyt (CH2O). - Tính chất: so với phênon foócmanđêhyt thì nhựa urê foocmanđêhyt tốt hơn vì không có màu, bền với tác dụng của ánh sáng, không có mùi và rẻ hơn song nó lại kém hơn về mặt chịu nhiệt, chịu nước và chịu axit. - Sử dụng : keo dán gỗ, vecni v.v... Ngoài ra còn nhiều loại nhựa trùng ngưng khác nữa như : phênon fuafurôn pôlyerte, pôly amit, pôlyvinyl axêtat.v.v... b/ Epoxy: Epoxy là loại nhựa chính dùng trong xây dựng, nó là nguyên liệu cho keo dán, vữa sửa chữa, bê tông polime và các loại vật liệu chất dẻo khác. Epoxy là nhựa trùng ngưng hai hợp chất hữu cơ trong đó có một hợp chất là gốc epoxy (C - O - C) và một chất có chứa nguyên tử H linh động (thường là phênol cao phân tử). Công thức epoxy mạch thẳng như sau: CH2 - CH - CH2 - Rn - CH2 - CH - CH2 O O trong đó Rn là yếu tố tái tạo môi trường liên kết Đặc tính của epoxy như sau : ga = 1,28; nhiệt độ ổn định 80 - 100oC; giới hạn đàn hồi 10 - 30MPa; giới hạn bền : Rk = 40 - 100 MPa, Rn = 70 - 160MPa, Ru = 60 - 130 MPa. Có khả năng liên tốt với thép, bê tông , gỗ..., ổn định với hóa học và nước. Kém ổn định với tác dụng của ánh sáng mặt trời. Các loại epoxy thường dùng ED5, ED6, ED20, ED40 (Nga) và keo E của Thụy sĩ, Mỹ. Tuy vậy vì giá thành của epoxy đắt nên thường được pha thêm các chất độn để chế tạo epoxy nhiều thành phần để có giá thành thấp hơn. 1.2.3. Các tính chất của chất dẻo : 1.2.3.1. Cường độ: Cường độ của chất dẻo khá đa dạng phụ thuộc vào loại chất dẻo. Vật liệu làm tường bao cần có độ dai cao. Với các vật liệu làm kết cấu chịu lực cần đáp ứng khả năng sản xuất cấu kiện chịu lực: chất dẻo dùng chất độn bột hay sợi có cường độ nén 120 - 160MPa và cường độ uốn 40 - 60MPa, chất dẻo dùng chất độn dạng tấm có cường độ cao, thí dụ như tấm CBAM (chất độn dạng sợi thuỷ tinh) có cường độ kéo 480 - 950MPa và cường độ nén 420 MPa. Sợi cácbon có cường độ chịu kéo đến 2000MPa. Cường độ chịu nén của chất dẻo không độn thí nghiệm trên mẫu 2x2x2 cm tuổi 6, 12 giờ và 3 ngày. Các loại vữa và bê tông pôlime xi măng thí nghiệm như vữa và bê tông thường . 1.2.3.2. Tính chất vật lý : - Khối lượng riêng của polimer biến đổi trong phạm vi rất rộng tuỳ theo dạng chất độn và cấu trúc 15 - 2000 kg/m3. - Tính dẫn nhiệt tốt, loại đặc có l = 0,2 - 0,6 kcal/mo.C.h còn loại rỗng có l = 0,026 kcal/mo.C.h. - Khả năng chống mài mòn tốt nên thích hợp cho việc dùng làm vật liệu lát sàn. Có khả năng chống rung; có hệ số ma sát lớn khi hông có dầu mỡ . - Ổn định hóa học tốt nên có thể dùng trong công trình dẫn nước và bể chứa chất lỏng ăn mòn. - Bền mầu nên không phải sơn nhiều lần. - Dễ hàn, dán nên rất thuận tiện khi thi công. - Một số loại chất dẻo trong suốt (pôlystirôn, v.v...) dùng làm kính hữu cơ có các đặc trưng cơ học quý, v.v... 1.2.4. Vật liệu xây dựng chất dẻo 1.2.4.1. Các vật liệu bao che : Vật liệu làm kết cấu bao che như tường, trần, vách ngăn là những vật liệu chiu lực không lớn, mỏng, giá thành không cao như : ván gỗ ép, tấm lát trần, vải dán tường v.v... 1.2.4.2. Chất dẻo làm nền, lợp Các chất dẻo này thường có gốc là Linolêin, PVC, Nitroxenluloo, Linôlêin cao su ở dạng tấm hoặc cuộn, vải Gleptan, vải Renlin v.v... Kích thước chuẩn theo ISO (tiêu chuẩn quốc tế) là 10 x 10; 15 x 15; 20 x 20cm ; d = 1,25 - 6mm. Các cuộn có b = 1,5 - 3,0m ; L = 8 - 20m ; d = 1,5 - 3,0mm. Các chất dẻo trên thường có màu sắc đẹp, đa dạng, bền nước, dung môi hữu cơ và khó cháy, chịu mài mòn tốt. Chất dẻo lợp thường chống nước tuyệt đối, có cấu tạo dạng tấm thẳng hoặc lượn sóng dài 8 - 16m; dày 0,5 - 2mm. Các vật liệu chống thấm cho mặt đường, nền nhà, mặt cầu thường ở dạng vải có chiều dày nhỏ. Tùy theo công trình có thể cho nước thấm qua hoặc cách nước tuyệt đối. 1.2.4.3. Chất dẻo chịu lực Các chất dẻo chịu lực thông thường đều có gốc epoxy, chất độn là sợi thuỷ tinh và cao cấp hơn là sợi cácbon. 1.2.4.3.1. Chất dẻo thủy tinh Chất dẻo thuỷ tinh gồm có polime và chất độn là sản phẩm thuỷ tinh. Theo dạng chất độn thuỷ tinh, chất dẻo thuỷ tinh được phân làm 3 nhóm. Nhóm sợi thuỷ tinh (sợi thẳng liên tục xếp thành từng lớp theo chiều dày vật liệu). Nhóm sợi thuỷ tinh được cắt ngắn và dàn thành tấm thảm hoặc trải ra bằng cách phun. Nhóm sợi thuỷ tinh ở dạng vải gai (tectôlit). Sợi thuỷ tinh dị hướng - CBAM - là một dạng chất dẻo sợi thuỷ tinh thuộc nhóm A được sản xuất bằng cách đặt và kéo căng các sợi thủy tinh song song với nhau đồng thời phun chất kết dính lên để tạo thành tấm sợi thuỷ tinh. CBAM có thể gồm một số lớp, tấm đặt vuông góc với nhau. CBAM có kích thước rộng đến 50cm và dày 1 - 30mm. Tính chất cơ học của nó phụ thuộc vào dạng polime, chiều dày sợi thuỷ tinh, tỷ lệ polime và chất độn, sự phân bố của sợi và phương pháp phân bố các lớp kết cấu. Tính chất cơ lý của CBAM như sau : khối lượng thể tích từ 1,9 - 2,0g/cm3; cường độ chịu kéo 450MPa, chịu nén 400MPa, chịu uốn 700MPa; độ dai va đập 500 kG.cm/cm2; độ cứng (theo phương pháp Brinen) 55. Chất dẻo thuỷ tinh nhóm A được sử dụng cho bộ phận chịu lực của trần 3 lớp, các kết cấu bao che, cũng như làm cốt cho bê tông. Các tấm chất dẻo thủy tinh trên cơ sở sợi thuỷ tinh thấm epoxy có thể thể thay thế cho các cốt thép cường độ cao của bê tông. Chất dẻo thủy tinh trên cơ sở sợi thuỷ tinh ngắn (nhóm B) được sản xuất bằng cách phun hoặc ép tấm thuỷ tinh. Theo phương pháp phun, sợi thuỷ tinh cắt ngắn với chiều dài 25 - 50mm được trộn với polime, phun lên mặt khuôn thành lớp mỏng. Khi dùng polime đông rắn nguội thì sản phẩm được tạo hình ở nhiệt độ bình thường, còn khi dùng polime rắn nóng thì phải tạo hình ở nhiệt độ đóng rắn của polime. Việc sản xuất chất dẻo thuỷ tinh bằng cách ép lớp thuỷ tinh tiến hành như sau: Nguyên liệu (khối thuỷ tinh hình cầu) được đổ vào lò nấu. Khi chảy lỏng được lấy ra theo khuôn kéo, rồi nhờ luồng khí nóng phun tung tóe thành những sợi mảnh. Trong khi các sợi còn lơ lửng tự do thì được tẩm ngay trong màn sương mù polime, sau đó được lắng dần trên băng truyền chuyển động liên tục, tạo thành một tấm dày 0,5 - 2mm. Chất dẻo thuỷ tinh nhóm B dùng để chế tạo các bộ phận bao che và tường ngăn cho ánh sáng đi qua, các cửa trên tường để lấy ánh sáng và giữ nhiệt, cửa mái lấy ánh sáng, cũng như để cấu tạo lớp ngoài panen cho các công trình dễ bị xâm thực hóa học. Tectôlít (nhóm C) được sản xuất từ vải thuỷ tinh với các kiểu dệt khác nhau. Đem vải thuỷ tinh đã được tẩm polime sấy khô, cắt thành tấm rồi xếp thành từng chồng. Mỗi chồng được đặt vào 2 tấm kim loại rồi cho vào máy ép nóng. Tectôlít có mác khác nhau tùy thuộc vào chiều dày của sợi, kiểu vải, hàm lượng và loại chất kết dính. Kích thước thường gặp của nó : (1400 - 2400) x (650 - 1000) x (0,5 - 8)mm. Các chỉ tiêu cơ lý của tectôlít : khối lượng thể tích 1,8g/ cm3; độ hút nước 1,5 - 3%; độ dai va đập 600 kG.cm/cm2. Tectôlít độ bền nhiệt cao, độ hút nước không đáng kể (một số có độ bền nước tuyệt đối), độ bền hóa học cao. Nó có thể trong suốt (cho 85% ánh sáng đi qua), nửa trong suốt (cho 60% ánh sáng đi qua) và không trong suốt; có màu hoặc không có màu. Chất dẻo thuỷ tinh có thể dùng chế tạo lớp ngoài và các chi tiết của panen tường 3 lớp và các công trình đòi hỏi kỹ thuật và độ bền cao. 1.2.4.3.2. Chất dẻo sợi các bon : Chất dẻo sợi các bon được nghiên cứu từ năm 1989 và đã thành công vào những năm 1995 - 1996. Vật liệu chất dẻo sợi các bon được chế tạo trên cơ sở keo epoxy và sợi các bon - vật liệu dạng tấm có cường độ cao và có mô đun đàn hồi tương đương với bê tông, được dùng để dán lên bê tông thay thế phần cốt thép đã bị rỉ và thay thế vật liệu thép trong một số kết cấu đặc biệt. Chất dẻo cácbon có ký hiệu: SS12, S1012, S1212 (Thụy sĩ) chiều rộng tấm : 5, 6, 8, 10, 12 cm; dày 1,2 - 1,4 mm; hoặc M614, M1214 có chiều rộng 6, 9, 12cm; dày 1,4mm hoặc H 514. Điểm đặc biệt của loại tấm các bon là đã có mô đun đàn hồi : 155.000(loại S) đến 300.000 N/mm2 (loại H). Đặc tính kỹ thuật của vật liệu các bon là : màu đen, có thành phần cácbon > 68%; ra = 1,6 g/cm3; nhiệt độ khai thác >150oC; mô đun đàn hồi : 155.000 - 300.000 N/mm2; cường độ : 1400 đến 2400 N/mm2. Tấm sợi các bon là vật liệu mới còn rất có triển vọng khi dùng để sửa chữa các công trình bê tông đặc biệt trong các môi trường đặc biệt. ở Châu âu năm 1998-1999 đã bắt đầu chế tạo các cầu có nhịp 10-12 m hoàn toàn bằng tấm sợi cacbon. 1.3. VẬT LIỆU GỐM 1.3.1.Khái niệm chung Gốm là loại vật liệu gồm các O xit kim loại được nghiền với độ mịn cao được ép trong các khuôn và được nung nóng ở nhiệt độ cao Trong quá trình nung vật liệu được biến đổi lý hoá nên sản phẩm có thành phần và tính chất khác với nguyên liệu ban đầu. Sản phẩm gốm rất đa dạng về chủng loại và tính chất. Theo công dụng gốm có thể chia ra các loại: dụng cụ ăn uống, vật liệu xây dựng, vật liệu cho trang thiết bị điện… Theo mức độ rỗng của sản phẩm có thể chia ra 2 loại: loại đặc là gốm có độ hút nước theo khối lượng bé hơn 5 % , loại rỗng là gốm có độ hút nước theo khối lượng lớn hơn 5 %. Gốm cũng có chia theo loại tráng men và không tráng men. 1.3.2. Tính chất của vật liệu gốm thông thường : Tính chất gốm phụ thuộc nhiều vào quy trình công nghệ chế tạo gốm. đối với gốm dân dụng gốm có các tính chất : - Độ cứng cao, chịu được mài mòn nhưng dòn dễ vỡ - Cách điện và cách nhiệt. Sở dĩ như vậy vì không có nhiều điện tử tự do. Phonon chịu trách nhiệm chủ yếu trong dẫn nhiệt. Phonon vận chuyển năng lượng nhiệt không hiệu quả như điện tử tự do, chúng dễ bị tán xạ bởi các khuyết tật. - Gốm dân dụng là loại vật liệu có tính chất đồng nhất và đẳng hướng. Các vật liệu gốm dùng trong dân dụng và trong xây dựng là các hóa chất chủ yếu ở dạng ôxít, được sử dụng trong công nghiệp gốm sứ. Chúng có thể phân loại một cách tương đối thành các phân nhóm sau: Các chất trợ chảy: Là các hóa chất khi thêm vào trong men/thủy tinh thì có tác dụng chủ yếu là giảm nhiệt độ nóng chảy của men/thủy tinh. Các chất tạo thủy tinh: Là các chất khi tham gia vào thành phần của men có tác dụng chủ yếu là tạo ra thủy tinh. Các chất tạo màu: Là các hóa chất khi thêm vào trong men/thủy tinh có tác dụng chủ yếu là tạo ra các màu sắc hay các gam màu nhất định cho men/thủy tinh. Các chất tạo độ mờ: Là các hóa chất khi thêm vào trong men/thủy tinh có tác dụng chủ yếu là tạo ra các độ mờ nhất định cho các màu men/thủy tinh. Các chất mất đi khi cháy: Là các chất khi bị nung ở nhiệt độ cao sẽ bị phân hủy và thoát ra ở dạng khí. Tuy nhiên, chúng có thể tham gia vào một số phản ứng hóa học phức tạp mà cơ cấu hoạt động còn chưa được tìm hiểu kỹ. Các chất khác: Là phân nhóm chứa các chất có mặt trong men ở tỷ lệ phần trăm rất nhỏ (dạng dấu vết). Tuy nhiên, sự phân loại này không hoàn toàn chính xác, do vai trò của một hóa chất nhất định còn phụ thuộc vào môi trường lò nung (ôxi hóa, khử hay trung tính), vào sự có mặt của các hóa chất khác cũng như nhiệt độ nung v.v. 1.3.3. Các loại gốm đặc biệt Gốm là loại vật liệu có cấu trúc tinh thể bao gồm các hợp chất giữa kim loại và á kim như: kim loại với oxi (các oxit), kim loại với nitơ (các nitrua), kim loại với cacbon (các cacbua), kim loại với silic (các silixua), kim loại với lưu huỳnh (các sunfua)... Liên kết chủ yếu trong vật liệu gốm là liên kết ion, tuy nhiên cũng có trường hợp liên kết cộng hoá trị đóng vai trò chính. 1.3.3.1. Các tính chất đặc biệt Vật liệu gốm có nhiều đặc tính quý giá về cơ, nhiệt, điện, từ, quang,... do đó đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các ngành công nghiệp. Về đặc tính cơ, vật liệu gốm có độ rắn cao nên được dùng làm vật liệu mài, vật liệu giá đỡ... Về đặc tính nhiệt, vật liệu gốm có nhiệt độ nóng chảy cao, đặc biệt là hệ số giãn nở nhiệt thấp nên được dùng làm các thiết bị đòi hỏi có độ bền nhiệt, chịu được các xung nhiệt lớn (lót lò, bọc tàu vũ trụ... ) Về đặc tính điện, độ dẫn điện của vật liệu gốm thay đổi trong một phạm vi khá rộng từ dưới 10 đến 10−12 Có loại vật liệu gốm trong đó phần tử dẫn điện là electron như trong kim loại, cũng có loại vật liệu gốm trong đó ion đóng vai trò là phần tử dẫn điện. Do đó ta có thể tổng hợp nhiều loại vật liệu gốm kỹ thuật điện khác nhau như gốm cách điện, gốm bán dẫn điện, gốm siêu dẫn điện,... Đặc tính từ của vật liệu gốm rất đa dạng. Ta có thể tổng hợp được gốm nghịch từ, gốm thuận từ, gốm sắt từ, gốm phản sắt từ với độ từ cảm thay đổi từ 0 đến 10 và phụ thuộc rất đa dạng vào nhiệt độ cũng như từ trường ngoài. Về đặc tính quang, ta có thể tổng hợp được các loại vật liệu có các tính chất quang học khác nhau như vật liệu phát quang dưới tác dụng của dòng điện (chất điện phát quang), vật liệu phát quang dưới tác dụng của ánh sáng (chất lân quang) hoặc các loại gốm sử dụng trong thiết bị phát tia laze. 1.3.3.2. Sự phụ thuộc tính chất vào trạng thái cấu trúc Tính chất vật liệu gốm không phải chỉ phụ thuộc vào thành phần hoá học (độ nguyên chất, lượng và loại tạp chất có trong đó) mà phụ thuộc khá nhiều vào trạng thái cấu trúc của nó: - Đơn tinh thể có cấu trúc lớn - Dạng bột có cấp hạt xác định (nanô, micrô, mili,... ) - Dạng sợi có kích thước xác định (micrô, mili,... ) - Khối đa tinh thể thiêu kết từ bột - Dạng màng mỏng có độ dày rất bé cỡ nanô, micrô, mili Ví dụ cùng thành phần hoá học là nhôm oxit nhưng sản phẩm dưới dạng khối đơn tinh thể α -Al2O3 thì rất trơ về hoá học, có độ rắn cao được dùng làm đá quý (khi có lẫn một lượng tạp chất nào đó), làm kim đĩa hát, làm các ổ gối đỡ. Nếu sản phẩm dưới dạng vật liệu xốp γ - Al2O3 thì có dung tích hấp phụ lớn được dùng làm chất mang xúc tác. Nếu sản phẩm dưới dạng màng mỏng có độ bền hoá học cao được dùng để phủ gốm. Nếu sản phẩm dưới dạng sợi được dùng làm cốt cách nhiệt cho gốm kim loại. Nếu sản phẩm dưới dạng bột α -Al2O3 hoặc bột α -Al2O3 rồi tiến hành thiêu kết thành khối thì được dùng làm vật liệu cắt gọt, bột mài... Bảng 1 cho thấy tuỳ theo cấu trúc mà vật liệu gốm có những tính chất khác nhau, được dùng vào các lĩnh vực khác nhau. Bảng 1. Dạng và lĩnh vực ứng dụng của một số loại gốm Dạng Al2O3 TiO2 BaTiO3 SiO2 C Đơn tinh thể Đá quý, kim đĩa hát, ổ gối giá đỡ Đá quý, ổ gối đĩa Máy phát Đá quý, kim cương Vật liệu kết khối hoặc thuỷ tinh Giá đỡ vi mạch , vật liệu hấp phụ ánh sáng, vật liệu cắt gọt, vật liệu chịu lửa bền ăn mòn Dụng cụ bền ăn mòn, pin điện trở Tụ điện, áp điện, hoả điện hằng số điện môi cỡ vài 102 đến 103 Thuỷ tinh tấm Dụng cụ cắt gọt Vật liệu xốp Chất hấp thụ, chất mang xúc tác Chất mang xúc tác Dạng vô định hình làm chất hấp phụ Màng mỏng Phủ gốm Màng phản nhiệt cho thuỷ tinh Tụ điện, bộ phận hãm sóng đàn hồi bề mặt Sợi Cốt cách nhiệt cho gốm kim loại Cách nhiệt bền nhiệt Sợi thuỷ tinh dẫn ánh sáng Sợi cácbon Bột Bột mài, vật liệu cắt gọt Mỹ phẩm trắng Bột mài (kim cương) bôi trơn,than chì 1.3.3.3. Phương pháp tổng hợp vật liệu gốm đặc biêt Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, mỗi phương pháp cho phép tổng hợp được ưu tiên dưới những dạng sản phẩm khác nhau (đơn tinh thể có kích thước lớn, bột đa tinh thể có cấp hạt xác định (nanô, micrô, mili), màng mỏng, dạng sợi...). Do đó xuất phát từ lĩnh vực sử dụng, từ yêu cầu dạng sản phẩm, điều kiện phòng thí nghiệm ta lựa chọn phương pháp thích hợp. Vật liệu gốm đã góp phần đặc biệt quan trọng đối với sự phát triển của mọi ngành khoa học kỹ thuật và công nghiệp cuối thế kỷ XX như công nghệ vật liệu xây dựng, công nghệ chế tạo máy, giao thông vận tải, công nghệ thông tin, kỹ thuật điện, từ, quang, công nghệ chinh phục vũ trụ... Đến lượt mình, nhờ sự phát triển đặc biệt nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và công nghệ cuối thế kỷ XX, nó đã góp phần cho việc xây dựng nhiều phương pháp hiện đại để tổng hợp được nhiều dạng vật liệu mới có cấu trúc và tính chất đặc biệt. Có nhiều cách phân loại phương pháp tổng hợp vật liệu gốm như: Dựa vào sản phẩm phân thành: - Tổng hợp vật liệu gốm dưới dạng bột (nanô, micrô, mili,... ); - Thiêu kết bột gốm thành linh kiện mong muốn; - Tổng hợp vật liệu gốm dưới dạng màng mỏng; - Tổng hợp vật liệu gốm dưới dạng sợi. Dựa vào điều kiện kĩ thuật phân thành: - Phương pháp sử dụng nhiệt độ cao; - Phương pháp tổng hợp dưới áp suất cao; - Phương pháp tổng hợp có sử dụng pha hơi... Một số gốm đặc biệt như PZT có các tính chất đặc biệt như áp điện (sóng cơ học gây nên điện trường trong lòng chất áp điện và ngược lại) và từ giảo ( khi từ trường trong lòng vật liệu thay đổi thì xuất hiện các vùng nén dãn). Các vật liệu này được sử dụng làm các đầu thu phát các dao động cơ được sử dụng trong kỹ thuật điện. Sau đây là một số thông số loại gốm áp điện PZT-4 Gốm Lớp Độ cứng( 1010 N/m2) Mật độ C11 C12 C13 C33 C44 103kg/m3 PZT-4 6mm 13,9 7,8 7,4 11,5 2,56 7,5 Gốm lớp Các hằng số áp điện Hằng số điện môi PZT-4 6mm e15 e31 e33 12,7 -5,2 15,1 650 560 1.4.VẬT LIỆU SƠN 1.4.1. Khái niệm chung Vật liệu sơn là vật liệu dạng lỏng có thành phần chính là dung môi, dầu sơn và các chất tạo màu. Sơn là vật liệu chính để bảo vệ chống rỉ cho kim loại, chống ẩm và phòng mục cho gỗ, bảo vệ các thiết bị chống tác dụng phá hoại của hóa chất và môi trường, đảm bảo điều kiện khai thác và tuổi thọ cho các phương tiện công trình xây dựng, giao thông vận tải. Ở Việt nam có nhiều nguyên liệu làm sơn như sơn ta, dầu thực vật v.v..., Việt nam đã chế tạo nhiều loại sơn có giá trị. Các loại sơn ngoại nhập ở Việt nam rất phong phú và đa dạng. Sơn là vật liệu sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xây dựng (sơn thép, gỗ, bàn nghế, nhà cửa và các đồ dùng trong sinh hoạt), giao thông vận tải (sơn cầu, vạch dẫn đường, các phương tiện giao thông), cơ khí (sơn máy móc, thiết bị), công nghiệp nhẹ (sơn vải, hàng hóa), trong công nghiệp điện (sơn cách điện và bảo vệ cho máy móc thiết bị điện). Để đảm bảo tuổi thọ và chất lượng trang trí, sơn cần phải thoả mãn các yêu cầu chính sau : mau khô (không muộn hơn 24 giờ sau khi sơn), tính co giãn tốt, có độ bền cơ học cao, chịu được va chạm, bền thời tiết, bền đối với tác động của tia tử ngoại, tính dính bám cao vào vật liệu được sơn, có mặt nhẵn bóng, màu sắc phù hợp, v.v... Ngoài ra, sơn đặc biệt phải có độ cách điện, cách âm, bền nhiệt và bền hóa học, đảm bảo điều kiện vệ sinh. Sơn được phân ra : sơn, vecni và các vật liệu phụ. Sơn dùng để tạo ra lớp màu không trong suốt có tác dụng bảo vệ. Còn vecni thì trong suốt và phủ trang trí lần cuối cùng lên bề mặt sơn. Vật liệu phụ (matit bồi mặt, sơn lót, matit gắn) để chuẩn bị bề mặt sơn. Tùy theo thành phần sơn có các loại sơn sau : sơn dầu, sơn tổng hợp, sơn silicát, sơn polime. 1.4.2. Thành phần của sơn Thành phần của sơn gồm có chất kết dính (chất tạo màng), chất tạo màu, chất độn và dung môi. 1.4.2.1. Chất kết dính Chất kết dính là thành phần chính của sơn, quyết định độ quánh, cường độ, độ cứng và tuổi thọ của sơn. Tùy thuộc vào yêu cầu về độ dính bám với vật sơn, chọn chất kết dính là : polime (trong sơn polime, sơn men), cao su (trong sơn cao su), xenlulo dẫn suất (trong sơn nitro), dầu thực vật (trong sơn dầu), keo động vật và keo cazein (trong sơn dính), chất kết dính vô cơ (trong sơn vôi, sơn xi măng, sơn silicát). Việc sử dụng polime tổng hợp trong sơn, vecni và dung môi hóa học trong hỗn hợp với dầu thực vật hoặc xi măng. Cho phép giảm đáng kể lượng dầu sơn và có thể sản xuất loại sơn có tuổi thọ và hiêụ quả kinh tế cao. Nguyên liệu chủ yếu của công nghiệp sơn là nhựa thiên nhiên và dầu thực vật. Dầu sơn là chất kết dính được sản xuất từ dầu khô. Sau khi rắn chắc trong những lớp mỏng nó có khả năng hình thành một màng có tính dẻo. Dầu sơn có 3 loại: dầu nguyên thể, dầu bán nguyên thể và dầu nhân tạo (tổng hợp). Dầu nguyên thể còn có 2 dạng : dầu oxy hóa và dầu trùng hợp. Dầu oxy hóa được chế tạo từ dầu lanh, dầu gai. Dầu bán nguyên thể được chế tạo từ dầu trùng hợp, dầu oxy hóa trộn với loại dầu đặc biệt khác. Dầu tổng hợp không chứa dầu thực vật hoặc có nhưng hàm lượng không vượt quá 35%. Trong số những loại dầu nhân tạo thì dầu gliptan, dầu đá phiến thạch, dầu xinton, etinon, dầu cumaron - inđen được sử dụng rộng rãi hơn cả. Keo là loại chất kết dính của loại sơn dính tan trong nước dùng cho sơn lót và matit gắn, và cũng có thể làm chất ổn định khi chế tạo sơn và nhũ tương. Có nhiều loại keo : keo động vật, keo thực vật, keo nhân tạo và keo tổng hợp. Keo động vật có những loại : keo da, keo xương và keo cazêin. Keo thực vật có 2 loại: đextrin và bụi xay xát. Keo nhân tạo là dung dịch keo trong nước, nó thường ở dạng hỗn hợp cacboxyl - metyl - xenlulo và metyl - xenlulo. Keo polime là loại nhựa tổng hợp có khả năng dính bám cao. Để chế tạo keo polime người ta dùng nhựa polivinylaxetat. 1.4.2.2. Chất tạo màu và chất độn : Chất tạo màu và chất độn là những chất vô cơ hoặc hữu cơ nghiền mịn, không tan hoặc ít tan trong nước và cả trong dung môi hữu cơ, dùng để cải thiện tính chất và tăng tuổi thọ của sơn. Mỗi chất tạo màu có một màu sắc riêng và tính chất nhất định. Khả năng che phủ, khả năng tạo màu, độ mịn, độ bền ánh sáng, tính chịu lửa, độ bền hóa học, độ ổn định thời tiết là những đặc tính của chất tạo màu. Bột màu có loại thiên nhiên, loại nhân tạo, vô cơ và hữu cơ. Bột khoáng màu thiên nhiên được chế tạo bằng cách nghiền mịn các loại vật liệu thiên nhiên. Trong nhóm này gồm có : đá phấn trắng, đất son khô màu vàng, minium sắt (Fe2O3.FeO) màu nâu hồng có độ bền ánh sáng và chống ăn mòn cao, môni thiên nhiên khô (bauxit loại màu ánh sáng hoặc loại tối) có màu hồng, than chì xám, glaucoxit xanh và peoxyt mangan. Bột khoáng màu nhân tạo nhận được bằng cách gia công hóa học các nguyên liệu khoáng. Trong nhóm này gồm có : Bột oxyt titan (TiO2) màu trắng, chế tạo từ quạng titan, dùng trong sơn dính. Bột kẽm trắng, chế tạo bằng cách làm thăng hoa kẽm cùng với việc oxy hoá các loại khoáng chất chứa kẽm. Nó có khả năng che phủ và bền ánh sáng cao, không độc, dùng trong sơn dầu, sơn men và các loại sơn khác. Bột chì trắng (2PbCO3.Pb(OH)2), có độ che phủ tốt, bền ánh sáng, bền kiềm, ở dạng bột thì độc, dùng cho sơn kim loại. Litopon trắng là hỗn hợp của sunfua kẽm và sunfat bari, kém bền thời tiết, dùng chủ yếu để sơn phủ các bộ phận bên trong nhà. Bột kẽm khô màu vàng sáng là hợp chất kép của oxyt crom và oxyt kẽm với cromat axit kali hoặc natri, có chứa một lượng muối sunfat hoặc clorua kẽm; dùng cho sơn dầu, và sơn lót kim loại. Ôxýt crom (Cr2O3) màu xanh, bền với tác dụng của axit, kiềm, ánh sáng và nhiệt độ, dùng trong nhiều loại sơn. Muội khí đốt là sản phẩm đốt khí axetylen, rất nhẹ, có khả năng che phủ và nhuộm màu cao, ổn định với tác dụng của axit và kiềm, dùng trong tất cả các loại sơn. Bột màu ở dạng bột kim loại tinh khiết (bột nhôm, bột đồng thau), loại bột này đặc xong cho loại sơn rất đẹp. Chất tạo màu hữu cơ là những chất tổng hợp có nguồn gốc hữu cơ, màu tinh khiết, có khả năng tạo màu cao, không tan hoặc ít tan trong nước và các dung môi hữu cơ khác. Bột màu hữu cơ có tính ổn định kiềm, ổn định ánh sáng thấp. Chất độn vô cơ không tan trong nước, màu trắng, pha vào sơn nhằm tiết kiệm chất tạo màu và làm cho sơn có cơ tính tốt hơn. Chất độn thường dùng là bột than, cát nghiền nhỏ, thạch cao, v.v... 1.4.2.3. Dung môi Dầu thông, dầu than đá, spirit trắng, etxăng thường được sử dụng làm dung môi cho sơn dính dạng nhũ tương. 1.4.2.4. Chất làm khô Chất làm khô làm tăng quá trình khô và cứng (đóng rắn) cho sơn hoặc vecni. Chất làm khô thường được sử dụng 5-8% trong sơn và 10% trong vecni. Trong sơn xây dựng hay dùng dung dịch muối chì - mangan của axit naftalen làm chất làm khô. 1.4.2.5. Chất pha loãng Chất pha loãng dùng để pha loãng sơn đặc hoặc sơn vô cơ khô. Khác với dung môi, chất pha loãng luôn chứa một lượng cần thiết chất tạo màng để tạo cho sơn có chất lượng cao. 1.4.3. Các loại sơn. Sơn được chia ra các loại : sơn dầu, sơn men, sơn pha nước, sơn pha nhựa bay hơi. 1.4.3.1. Sơn dầu : Sơn dầu là hỗn hợp của chất tạo màu, chất độn được nghiền mịn trong máy nghiền cùng với dầu thực vật. Sơn dầu được sản xuất ở 2 dạng: sơn đặc chứa 12 - 25%, còn sơn loãng chứa 30 - 35% dầu (so với khối lượng chất tạo màu). Độ khô hoàn toàn của sơn dầu ở nhiệt độ 18 - 23oC không được lớn hơn 24 giờ. Sơn dầu là loại sơn phổ biến dùng để sơn kim loại, gỗ và bê tông. 1.4.3.2. Sơn men : Sơn men là huyền phù chất tạo màu vô cơ hoăc hữa cơ với vecni tổng hợp hoặc vecni dầu. Sơn men chứa nhiều chất kết dính nên mặt sơn dễ bong. Sơn men có độ bền ánh sáng và độ chống mài mòn tốt, mau khô, dùng để sơn kim loại, gỗ, bê tông, mặt vữa ở phía trong và phía ngoài nhà. Sơn men ankit, epôxy và urê - fomanđêhyt là những loại sơn phổ biến hiện nay. Sơn ankit là huyền phù của chất tạo màu phân tán mịn trong vecni gliptan, pentaftalat và các loại vecni khác có pha thêm dung môi và chất làm khô. Trong nhóm sơn ankit gồm có nhiều loại sơn với tính ổn định nước, chống tác dụng của kiềm, độ bền và tuổi thọ khác nhau. Sơn epoxy là loại huyền phù chất tạo màu trong dung dịch epoxy. Chúng có độ bền hóa học, bền nước cao, dùng để chống ăn mòn cho kim loại và gỗ. Huyền phù của chất tạo màu trong nhựa urê - fomanđêhyt tạo ra sơn cacbamít, có độ bền nước cao dùng để sơn phủ ngoài trang thiết bị. Hiện nay thế giới hay sử dụng sơn hệ epoxy - urê than hoặc urê - than cải tiến. 1.4.3.3. Nhóm sơn polime - xi măng, sơn silicát : Trong nhóm này gồm có sơn polime - xi măng, sơn nhũ tương, các loại sơn và sơn men có nhựa bay hơi. Chúng là hỗn hợp của chất kết dính vô cơ, bột màu với các chất phụ gia được hòa vào trong nước đến độ đặc thi công. Loại sơn này bền kiềm và bền ánh sáng. Theo dạng chất kết dính, sơn trên nền khoáng chất được chia ra: sơn vôi, sơn silicát, sơn xi măng. Sơn vôi gồm có vôi, bột màu clorua natri, clorua canxi cũng như stiorat canxi hoặc muối canxi, axit, dầu lanh. Sơn vôi dùng để sơn tường gạch, bê tông và vữa cho mặt chính và mặt bên trong nhà. Sơn silicát được chế tạo từ bột đá phấn nghiền mịn, bột tan, bột kẽm trắng và bột màu bền kiềm với dung dịch thủy tinh kali hoặc natri. Sơn silicát rất kinh tế và có tuổi thọ cao hơn sơn peclovinyl, sơn vôi và sơn cazêin. Để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn trong điều kiện ẩm ướt cũng như trong các dung dịch muối có nồng độ vừa phải và để bảo vệ các chi tiết " chờ" trong nhà panen cỡ lớn dùng loại sơn bảo vệ đặc biệt. Chúng là huyền phù của bột kẽm, bột màu trong chất đồng trùng hợp silicát - silicon. Sơn xi măng là loại sơn có dung môi là nước. Sơn polime - xi măng được chế tạo từ chất tạo màu bền kiềm, bền ánh sáng cùng với xi măng và nhựa tổng hợp. Sơn polime - xi măng có màu sắc khác nhau phục vụ cho công tác thi công vào những mùa khác nhau. 1.4.4. Vecni Vecni dầu có nhựa là dung dịch trong dung môi hữu cơ nguyên thể - nhựa ankin hoặc nhựa tổng hợp đã được biến tính bằng dầu khô, được sử dụng quét mặt trong, mặt ngoài đồ gỗ, quét phủ lên sơn dầu màu sáng, pha sơn và men, tạo lớp phủ bền chống ăn mòn và chế tạo matit, sơn lót. Vecni tổng hợp không có dầu là dung dịch của nhựa trong dung môi hữu cơ. Trong xây dựng người ta sử dụng rộng rãi loại vecni trên cơ sở urê - focmanđêhyt để quét sàn gỗ, gỗ dán, cũng như sàn từ tấm dăm bào ép. Các loại vecni peclovinyl, inđenclorit được dùng để quét tráng ngoài sản phẩm sơn dầu nhằm tăng cường tính chống ăn mòn cho sơn. Vecni bitum và vecni nhựa át phan là dung dịch bitum, nhựa át phan và dầu thực vật trong dung môi hữu cơ (etxăng hoặc benzen). Vecni bitum có màu đen hoặc nâu, ổn định với tác dụng xâm thực của axit và kiềm. Vecni bitum và nhựa át phan dùng để tạo lớp màng chống ăn mòn, ngăn nước, ngăn hơi, sơn phủ lò nung, sơn bếp hơi v.v... Vecni alcon và vecni bóng là dung dịch nhựa thiên nhiên hay nhân tạo trong rượu, có màu sặc khác nhau (vàng, xanh lá cây, xanh da trời, nâu v.v...) và đựoc dùng để đánh bóng mặt gỗ, che phủ kín và kim loại. Vecni nitroxenlulo và estexenlulo là dung dịch nhựa estexenlulo trong dung môi hữu cơ. Để nâng cao chất lượng của vecni gần đây người ta cho thêm các chất tăng dẻo - nhựa nguyên thể, nhựa nhân tạo hoặc nhựa tổng hợp. Vecni nitroxenlulo có màu vàng hoặc màu nâu và dùng để quét các sản phẩm gỗ. Vecni estexenlulo không màu dùng để quét các sản phẩm gỗ có màu hoặc không màu. 1.4.5. Vật liệu phụ Trong thi công sơn người ta thường dùng những loại vật liệu phụ sau : matit bồi mặt, matit gắn, sơn lót. Matit bồi mặt là loại vật liệu hoàn thiện dùng để san phẳng mặt sơn. Tùy thuộc vào loại sơn sử dụng mà người ta dùng những loại matit sunfuric và phèn, keo và polyvinyl axetat. Matít gắn là loại bột nhão dùng để gắn kính của sổ, liên kết rãnh soi, gắn những tấm thép mái. Để lắp kính của sổ thường dùng matit đá phấn, matit minium chì, matít trắng và matit naftalen chế tạo từ dầu trùng hợp nguyên thể, bột đá phấn, minium chì hoặc bột chì trắng. Matit gắn có tính ổn định nước và độ dẻo cao. Sơn lót là loại sơn được chế tạo từ chất tạo màu, chất độn và chất kết dính. Sơn lót có hai dạng: sơn lót dưới lớp sơn nước và sơn lót dưới lớp sơn dầu và sơn tổng hợp. Trong công tác hoàn thiện, sơn lót được sử dụng để giảm độ rỗng của mặt sơn, để giảm bớt lượng sơn đắt tiền và làm tốt hơn vẻ bề ngoài của lớp sơn, để tăng cường khả năng bảo vệ của kim loại khỏi bị ăn mòn, để sơn sơ bộ kết cấu gỗ và các kết cấu khác, cũng như để tăng cường sức dính bám của lớp sơn màu với nền sơn. 1.4.6. Sơn bảo vệ kết cấu thép 1.4.6.1. Yêu cầu kỹ thuật : Các loại sơn bảo vệ cầu thép, kết cấu xây dựng bằng thép trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ngoài trời, chống được sự ăn mòn vật liệu do tác động thường xuyên theo thời gian của môi trường có độ xâm thực yếu (kí hiệu là "la" ) và trung bình (kí hiệu là " ma"). Theo tiêu chuẩn Việt Nam thường dùng là các bộ sơn chóng khô, khả năng chống ăn mòn cao, sử dụng vật liệu trong nước. Trường hợp cầu thép hoặc bộ phận kết cấu thép được đặt trong môi trường có độ xâm thực mạnh (kí hiệu là " ha"), cần có yêu cầu kỹ thuật riêng để bảo vệ, lựa chọn kĩ các loại sơn đặt biệt chủ yếu dùng sơn nhập ngoại trên cơ sở epoxy - kẽm - urêthane có kết hợp với các biện pháp điện hóa. Sơn bảo vệ cầu và kết cấu thép được sản xuất thành bộ. Mỗi bộ gồm từ hai đến ba loại sơn : - Sơn lót (lớp trong cùng) - Sơn phủ (lớp ngăn cách) - Sơn phủ ngoài cùng, tùy thuộc yêu cầu kỹ thuật và mức độ bảo vệ dầm cầu thép. Bộ sơn bảo vệ cầu và kết cấu thép phải đạt yêu cầu kỹ thuật sau : Màng sơn phải đạt tính cách ly cao. Loại sơn lót phải có độ dính bám cao trên mặt thép, có tính thụ động cao chống ăn mòn. Loại sơn phủ phải bền màu, có độ dính bám cao với lớp lót, chịu được thời tiết nóng ẩm, chịu bức xạ mặt trời. Các lớp của bộ sơn phải tạo thành một màng phủ có đủ chiều dày bám dính chặt với nhau và bao bọc kín bề mặt thép; ngoài ra còn chịu được axit, khí SO2 và một số hóa chất khác. 1.4.7.Quy trình sơn Quá trình thi công sơn được tiến hành theo các bước sau : a - Chuẩn bị bề mặt vật liệu : làm sạch dầu, mỡ, rỉ và làm khô bề mặt. Với kết cấu thép cũ phải đánh rỉ, với kết cấu thép mới có thể làm sạch bằng phun cát với áp lực để làm sạch. b - Lớp sơn 1 : thông thường là lớp sơn lót chống rỉ. c - Lớp sơn 2 : lớp sơn phủ : lớp sơn này bằng các loại sơn có độ đặc cao hoặc bằng matit sơn để tạo mặt bằng cho kết cấu. d - Lớp sơn 3 : lớp sơn tạo màu cho kết cấu. e - Lớp sơn 4 : lớp làm bề mặt kết cấu bóng, đẹp và là lớp có chất lượng cao, có thể sơn bằng sơn vecni polime. Nguyên tắc sơn : Các lớp sơn sau chỉ được thi công sau khi lớp sơn trước đã khô hẳn. 1.5.VẬT LIỆU COMPOSITE 1.5.1. Khái niệm chung Vật liệu composite hay composite là vật liệu được tạo nên từ nhiều thành phần khác khác nhau về bản chất, về hình dạng và về chức năng. Trong vật liệu composite các vật liệu thành phần được phối hợp chặt chẽ theo thiết kế đã định trước. Các vật liệu composite được đề cập trong phần này gồm các thành phần khác nhau về hóa học và hầu như không tan vào nhau, phân cách bằng các ranh giới, kết hợp được nhờ các tiến bộ kỹ thuật. Composite được phân thành 2 nhóm chính: composite tạo hình và composite cấu trúc. Loại composite cấu trúc chỉ các bán thành phẩm dạng lớp, dạng tấm 3 lớp được cấu tạo từ vật liệu đồng nhất. Trong chương này chúng ta chỉ khảo sát vật liệu composite tạo hình. Loại vật liệu thứ nhất là vật liệu cốt (renfot) ( thường dưới dạng sợi) như sợi thủy tinh, sợi các bon, sợi thép... và vật liệu thứ hai là chất nền (matrice); có thể là chất dẻo hoặc kim loại kim loại có độ dẻo cao hoặc chất có độ cứng cao tùy theo yêu cầu sủ dụng. Một trong vật liệu composite xây cất thường thấy là bê tông cốt sắt trong đó xi măng là chất nền và sắt là vật liệu gia cố . Composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ. Những vật liệu composiet đơn giản đã có từ rất xa xưa. Khoảng 5000 năm trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng. Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân cây gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng licnin. Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo- một cấu trúc composite lý tưởng. Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng và ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm vào mùa đông... Mặc dù composite là vật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950. Từ đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và có khi thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu composite". 1.5.2.Thành phần và cấu tạo Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất. (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu composite.) Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrice), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (renfot) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước ... 1.5.2.1.Thành phần cốt Nhóm sợi khoáng chất: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm; nhóm sợi tổng hợp ổn định nhiệt: sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil. Các nhóm sợi khác ít phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa,...; sợi gốc khoáng chất: sợi Amiăng, sợi Silic,...; sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron, térylène, ..), sợi polyamit,...; sợi kim loại: thép, đồng, nhôm,... 1.5.2.1.1. Sợi thuỷ tinh Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt), có đường kính nhỏ vài chục micro mét. Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điểm của thủy tinh khối, như: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn. Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khoáng chất như: silic, nhôm, magiê, ... tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao). Loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiếm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt. 1.5.2.1.2.Sợi hữu cơ Các loại sợi hữu cơ phổ biến là Sợi kenvlar cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, được gia công bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10°C), tiếp theo được kéo ra thành sợi trong dung dịch, cuối cùng được sử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi. Sợi kenvlar và tất cả các sợi làm từ aramit khác như: Twaron, Technora,... có giá thành thấp hơn sợi thủy tinh như cơ tính lại thấp hơn: các loại sợi aramit thường có độ bền nén, uốn thấp và dễ biến dạng cắt giữa các lớp. 1.5.2.1.3.Sợi Cacbon Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35 A°. Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42 A°. Sợi cacbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt. 1.5.2.1.4.Sợi Bor Sợi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học là B), là một dạng sợi gốm thu được nhờ phương pháp kết tủa. Sản phẩm thương mại của loại sợi này có thể ở các dạng: dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống, vải đồng phương. 1.5.2.1.5.Sợi Cacbua Silic Sợi Cacbua Silic (công thức hóa học là: SiC) cũng là một loại sợi gốm thu được nhờ kết tủa. 1.5.2.1.6.Cốt vải Cốt vải là tổ hợp thành bề mặt (tấm), của vật liệu cốt sợi, được thực hiện bằng công nghệ dệt. Các kỹ thuật dệt vải chuyền thống thường hay dùng là: kiểu dệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải mô đun cao, kiểu dệt đồng phương. Kiểu dệt là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi. Kỹ thuật dệt cao cấp còn có các kiểu dệt đa phương như: bện, tết, và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phương. Bảng 2: Cơ tính và tỷ trọng cuả các loại sợi. Độ cứng  (109 N/m2 Độ bền (109 N/m2 ) Độ giãnđứt (%)* Tỷ trọng  (kg/m3) Thép 203 0.6 - 2 - 7.8 Nhôm 75 0.075 1.0 2.6 Sợi carbon (HS) 240 6.4 1.8 1.8 Sợi carbon  (HM) 310 3.5 - 1.9 Sợi carbon  (UHS) 825 - - 1.9 Sợi aramid (Kevlar) 180 3.5 3.0 1.5 Sợi thủy tinh (loại E) 76 3.5 4.7 2.9 Sợi thủy tinh (loại S) 96 4.8 - 2.9 Ống nano carbon 650-1000 150 - 180 - 1.8 Sợi carbon có cấu trúc giống than chì (graphite) hình tổ ong . Những cấu trúc tổ ong nầy được tạo thành bằng những nối cộng hóa trị (những đường gạch thẳng trong hình) rất bền chắc cũng như trong kim loại và ceramic. Nó cho thấy một độ cứng siêu việt tiềm ẩn trong những sợi carbon. Thật vậy, nhờ vào phương pháp chế tạo sợi carbon được liên tục cải thiện qua nhiều thập niên, độ cứng của loại sợi nầy được nâng cao từ 200 đến 600 và bây giờ đã đạt đến 825 109 N/m2 , cao hơn thép 4 lần nhưng (tỷ trọng) vẫn nhẹ hơn thép 4 lần (Bảng 2). Như vậy, với một trọng lượng tương đương sợi carbon "siêu cứng" nầy cứng hơn thép 16 lần.  Sợi thủy tinh là một loại sợi thông dụng nhất cho nhiều ứng dụng trong tất cả các loại sợi vì có sự cân bằng cần thiết giữa cơ tính, hóa tính (không bị nước hoặc dung môi tấn công), điện tính (cách điện tốt), giá cả phải chăng. Composite sợi thủy tinh được dùng cho vật dụng trong nhà như chậu rửa mặt, bồn tắm cho đến những ứng dụng cao cấp như thân du thuyền, hộp bảo toàn động cơ hỏa tiễn, vại chịu áp suất. Sợi carbon là loại sợi được dùng nhiều thứ hai sau sợi thủy tinh. Giá của sợi carbon rất cao so với sợi thủy tinh. Sợi aramid ( poly phenyleneter ephthamide) có thương hiệu là Kevlar được phát minh bởi công ty DuPont và đã thương mại hóa vào đầu thập niên 60. Trong nhiều ứng dụng sợi thủy tinh được đan xen với sợi Kevlar hay sợi carbon để làm giảm giá thành và gia tăng tính đàn hồi của composite vì sợi thủy tinh có độ kéo giãn (elongation) (Bảng 2) lớn hơn sợi carbon và Kevlar; một mặt độ cứng vẫn được duy trì từ hai loại sợi nầy. 1.5.2.2.Chất nền Chất nền không những là chất làm các sợi gia cố dính lại với nhau mà còn có tác dụng phân bố lực đồng đều trên toàn bộ composite. Chất nền và sợi phải có sự tương hợp hóa học để tối ưu hóa độ dính giữa chất nền và sợi. Bề mặt sợi thủy tinh thường được xử lý để có những nối hóa học với chất nền. Trong những ứng dụng bình thường, polyester, vinyl ester, nhựa epoxy là những chất nền thông dụng. Trong những cấu trúc xây dựng đòi hỏi sức chịu lớn, những polymer công nghiệp là những chất nền cần thiết. Để có cơ tính cao các nhà sản xuất dùng nhiều phương pháp để gia tăng hàm lượng sợi. Hàm lượng sợi ở khỏang 50 - 60 % thể tích của composite là mực tối ưu. Hàm lượng sợi nhiều nhất có thể đạt đến là 70 - 75 % thể tích nhưng ở con số nầy chất nền không đủ để tạo ra độ dính cần thiết. 1.5.3.Một số ứng dụng Mặc dù sợi thủy tinh là loại sợi thông dụng nhất nhờ vào giá rẻ, nhiều composite phải dùng sợi carbon vì nhẹ hơn, có độ cứng và độ bền cao hơn (Bảng 2). Sợi Kevlar không có độ cứng cao như sợi carbon (Bảng 2) nhưng có có độ chống thủng (penetration/impact resistance) tuyệt vời. Đây là loại sợi chống đạn (ballistic fibre) dùng cho áo giáp và mũ cối quân đội. Dù có đặc tính siêu việt, Kevlar không phải toàn năng. Vì là loại sợi thuộc họ amid, Kevlar dễ bị phân hủy khi với gặp nước hoặc thoái hóa khi tiếp xúc với tia tử ngoại . Trong trường hợp nầy chất nền phải là loại "ghét nước" và phải có chất phụ gia hấp thụ tia tử ngoại. Đã có những báo cáo về những trường hợp viên đạn vẫn "thản nhiên" xuyên qua những chiếc áo giáp Kevlar cũ bị thoái hóa không được kiểm soát và bảo quản thường xuyên.  Lốp ô tô là một composite hiện đại tiêu biểu. Sự phát triển của bánh xe ô tô đi song song với phát triển của ô tô khi tốc độ, gia tốc, sức kéo, độ an toàn, tiết giảm nhiên liệu là những yêu cầu chính của ô tô hiện đại.  Độ bền, độ dai và độ cứng của lớp cao su bên ngoài của lốp xe được tăng cường bởi những lớp sợi được ép vào lớp cao su thành một thể thống nhất. Sự tiến hóa của vỏ xe được thấy qua những loại sợi khác nhau dùng trong một thời gian dài gần 50 năm. Các nhà sản xuất dùng sợi cotton, nylon, thủy tinh. Hiện nay, sợi Kevlar và thép được dùng nhiều nhất cho vỏ xe. Gần đây, kỹ sư trong ngành xây dựng đã đề xướng ra một phương pháp dùng composite sợi carbon để sửa chữa những khúc xa lộ, cầu bị hư hao. Đại học Monash (Úc) đã dùng sợi carbon gia cố phần bìa của Westgate Bridge, một cây cầu dài nhất trong thành phố Melbourne bắc ngang sông Yarra. So với phương pháp cổ điển dùng thép, composite sợi carbon tăng độ bền từ 30 đến 80 %. Composite không những duy trì được độ cứng, độ bền của kim loại, nó còn loại trừ được khả năng bị ăn mòn (corrosion) và những sự cố gây ra bởi những đường nứt xuất phát từ những chỗ dùng ốc siết và bù-lon thường thấy ở kim loại. Đặc điểm của những bộ phận cấu trúc (structural component) composite là có thể đúc sẵn trong khuôn. Vì vậy, người ta không cần phải lắp ghép từng mảng bộ phận dùng ốc và bu-lon. Những con ốc nầy là gót của người hùng A-sin (Achilles' heel) vì ốc, ăn mòn và rung động là đầu mối của thảm họa. Khi siết một con ốc người ta vô tình gây sức căng ở vùng quanh con ốc. Nước thấm vào, sự ăn mòn xảy ra gây ra những vết nứt nhỏ ở những vùng bị căng nầy. Khi vật thể bị rung động liên tục như ở cánh, đuôi máy bay, ở những cây cầu trong thành phố, hiện tượng "mệt" (fatigue) trong vật thể sẽ đưa đến sự gãy đổ bất thần do sự liên kết của những vết nứt ngầm nếu không bảo quản và kiểm soát thường xuyên. Composite với các loại sợi gia cố cao cấp đã tạo một bước nhảy vọt về chất lượng của các dụng cụ thể thao và kỷ lục của các vận động viên.  Sử dụng vật liệu composite đã nâng kỷ lục độ của các vận động viên nhảy sào. Ban đầu với nhưng cây sào bằng tre, kim loại con người vất vả mà cũng không qua được mức sào 5 m. Sau đó, cây sào composite ra đời con người chinh phục chiều cao đó và kỷ lục nầy bây giờ đã vượt hơn 6 m. Năm 1991, vận động viên người Ukraine lần đầu tiên tạo ra kỷ lục mới vượt độ cao 6.1 m với cây sào composite sợi thủy tinh.  Vì con người không thể vừa mang cây sào dài vừa chạy với một tốc độ gần 40 km/h để có thể vượt qua độ cao 6 m, nguyên nhân nào đã giúp vận động viên người Ukraine phá được kỷ lục? Trong quá trình nhảy sào, vận động viên phải mang sào chạy thật nhanh và khi cắm sào vào nền đất anh ta phải vận dụng sức mạnh cơ bắp của mình bẻ cong cây sào để sau khi buông ra sức bật của cây sào sẽ giúp anh tung người lên cao. Năng lượng để nâng cao vận động viên do đó một phần đi từ đôi chân chạy nhanh và một phần từ sức mạnh đôi tay của anh. Từ những phân tích nầy, nhà thiết kế phải nghĩ ra một vật liệu thích hợp có độ cứng, độ bền, độ dai thích hợp, nhẹ cân và tình đàn hồi tối ưu. Tre và gỗ nhẹ cân nhưng dễ gãy. Nhôm nhẹ cân, độ cứng cao nhưng thiếu tính đàn hồi. Những vật liệu đồng chất (monolithic) không thỏa mãn tất cả yêu cầu của vận động viên. Composite sợi thủy tinh được thiết kế để đáp ứng phần lớn những đòi hỏi nầy. Sợi thủy tinh có độ giãn cao hơn tất cả các loại sợi (Bảng 2). Nhờ vậy cây sào có thể bị bẻ cong và có sức bật tối đa mà không sợ sào gãy và đứt sợi. Hiện nay, người ta có thể thiết kế nhiều loại sào khác nhau với sức nặng, độ cứng và độ bền khác nhau thích ứng cho mỗi vận động viên. Cây sào hiện đại có ba lớp với lớp ngoài cùng là composite sợi carbon/epoxy làm tăng độ cứng và giảm trọng lượng, lớp giữa là composite mạng sợi thủy tinh/epoxy và lớp trong cùng là các vòng sợi thủy tinh (Hình 3) . Hình 3: Cấu trúc của cây sào nhảy hiện đại Kết luận Những vật liệu chính hiện đang được sử dụng đã trình bày ở trên. Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và kinh tế đang đòi hỏi có các vật liệu mới có các tính chất đặc biệt. Ở các nước tiên tiến, chương trình nghiên cứu vật liệu mới là chương trình nghiên cứu trọng điểm. Trong nghành điện điện tử còn nhiều các loại vật liệu đặc thù nữa: như cáp quang ( truyền dẫn tín hiệu ) các đơn tinh thể, các loại gốm đặc biệt ( chế tạo các chip điện tử, các mạch tổ hợp). Những loại vật liệu đặc biệt này sẽ được nghiên cứu trong các môn sau. Câu hỏi ôn tập Định nghĩa và tính chát chủ yếu của kim loại . Thép hợp kim và thép hợp kim thấp, các biện pháp chủ yếu để gia công kim loại? Khái niệm chung về vật liệu chất dẻo? Các tính chất? Các polyme chủ yếu? Polyme sợi các bon? Thành phần chủ yếu của sơn? Các tính chất vật liệu sơn? Vật liệu composite : định nghĩa, thành phần cấu tạo, các loại sợi cơ bản. Tham khảo: [1]. Lê Công Dưỡng, VẬT LIỆU HỌC, Nhà xuất bản KHKT năm 2005 [2]. R.Truell, Các phương pháp siêu âm trong vật lý chất rắn, Nhà xuất bản Hòa bình, ( Bản tiếng Nga-1972). [3].

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docBài giảng Kỹ thuật Đại cương (PGS.TS. Lê Bá Sơn) - Chương 1 KHOA HỌC VẬT LIỆU.doc
Tài liệu liên quan