Composite: Cấu tạo, đặc tính và ứng dụng thực tế! Vật liệu của tương lai

Sự ra đời của composite là bước đột phá lớn đối với sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu. Đây được coi là siêu vật liệu trong tương lai với tiềm năng có thể thay thế gỗ, kim loại, gốm sứ…

HIỂU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE

Composite là loại nguyên vật liệu được tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu có tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Do được tạo nên từ nhiều thành phần nên composite mang nhiều đặc tính kết hợp của các vật liệu khác nhau, vượt trội hơn so với những vật liệu đơn lẻ ban đầu. Sự ra đời của composite giúp đáp ứng được nhu cầu sử dụng vật liệu ngày càng lớn của con người trong bối cảnh vật liệu tự nhiên đang ngày càng khan hiếm.

Composite được tạo nên từ hai thành phần chính gồm vật liệu cốt (fiber) và vật liệu nền (matrix). Với mỗi loại vật liệu khác nhau, composite sẽ có những tính chất cơ học khác nhau.

Vật liệu cốt là vật liệu gia cường, giúp trang bị các đặc tính cơ học cần thiết cho composite như chống mòn, chống xước, khả năng chịu lực, phân tán tốt, khả năng truyền nhiệt và giải nhiệt tốt (giúp quá trình gia công dễ dàng hơn). Thông thường, vật liệu cốt được chia làm hai dạng:

Cốt sợi (dài hoặc ngắn) như sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi hữu cơ (polyamide, Kevlar)
Cốt hạt như hạt kim loại, hạt đất sét, bột đá bột gỗ…

Vật liệu nền là vật liệu pha, có chức năng kết dính phần cốt bên trong nhằm tạo ra tính nguyên khối và thống nhất cho composite. Đồng thời, chúng tạo môi trường phân tán giúp mối liên kết của vật liệu cốt thêm bền bỉ, dẻo dai, cách điện tốt , chống lại các lực tấn công, sự phát triển của vết nứt… Vật liệu nền bao gồm các dạng cơ bản như:

Polymer (polyester, PE, PP, PVC, Epoxy, cao su…)
Kim loại và hợp kim nấu chảy (hợp kim titan, hợp kim nhôm…)
Ceramic (xi măng)

ỨNG DỤNG VẠN NĂNG CỦA SIÊU VẬT LIỆU

Trong điều kiện sử dụng vật liệu đúng tiêu chuẩn, composite có rất nhiều thế mạnh như nhẹ nhưng cứng, chịu va đập tốt, không bị ăn mòn, có khả năng cách điện cách nhiệt, bảo trì dễ dàng, tạo hình đa dạng, thời gian sử dụng bền hơn gỗ từ 2-3 lần… Chính những ưu điểm này khiến composite dần thay thế được các vật liệu khác và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống.

Tùy thuộc vào thành phần cấu trúc cũng như mục đích sử dụng, composite được ứng dụng đa ngành, trải dài từ ngành đòi hỏi chi tiết và độ tinh xảo cao như hàng không – vũ trụ, công nghiệp ô tô, đóng tàu, kiến trúc – trang trí nội thất, y tế – hóa học cho đến những ngành sản xuất đại trà như hàng tiêu dùng, đồ chơi trẻ em…

Cải tiến trong ngành công nghiệp hàng không – vũ trụ

Sự xuất hiện của composite góp một phần không nhỏ đối với sự phát triển của ngành công nghiệp hàng không – vũ trụ. Đây là ngành có vô số yêu cầu khắt khe, đòi hỏi sự tinh xảo và chính xác cao nhưng phải vừa nhẹ, vừa bền. Khó có vật liệu nào đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu trên trừ composite.

Ngành công nghiệp hành không có sự thay đổi lớn khi composite được sử dụng để thay thế nhôm trong sản xuất thiết bị. Chiếc Airbus A350 XWB hay máy bay phản lực đường dài Boeing 787 Dreamliner đều sử dụng nhiều tấm composite gắn trên khung máy bay cho độ bền cao hơn, nhẹ hơn. Điều này giúp giảm trọng lượng máy bay, tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường và tăng hiệu quả kinh tế.

Sự phát triển của ngành vũ trụ cũng được đưa lên một tầm cao mới khi composite được ứng dụng vào sản xuất vỏ tàu con thoi, hệ thống bảo vệ nhiệt của tàu vũ trụ, cánh tàu… Tàu con thoi tiến vào khí quyển với vận tốc lớn kết hợp với ma sát của không khí tạo ra nguồn nhiệt lượng khổng lồ gây tác động không nhỏ lên thân tàu. Do đó, thân tàu phải được trang bị lớp vỏ nhẹ, bền với nhiệt độ cao và khả năng chống lại tác động của lực xé tốt.

Tối ưu thiết bị trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô, đóng tàu

Trong thời gian gần đây, nhiều linh kiện, thiết bị trong ngành sản xuất ô tô, đóng tàu đã được thiết kế lại để sử dụng vật liệu composite thay thế cho những nguyên liệu truyền thống khác như sắt, nhôm, các loại gỗ ván. Composite được dùng để làm lốp xe, thùng xe ô tô, vỏ xe ô tô, vỏ tàu, khung che… Cấu tạo của xe máy, xe mô tô, tàu thuyền rất nặng nên việc sử dụng những vật liệu khác làm cho khối lượng xe tăng, gây tốn kém nhiên liệu và khó khăn cho người di chuyển. Việc sử dụng composite là vật liệu thay thế được coi là giải pháp tối ưu giúp giải quyết được vấn đề này.

Đổi mới thiết kế trong ngành kiến trúc và trang trí nội thất

Ngành kiến trúc cũng có nhiều thay đổi khi composite ra đời và được ứng dụng ngày càng nhiều trong đời sống. Với đặc tính dễ tạo hình, màu sắc đa dạng lại bền với thời gian, vật liệu này đã được đưa vào sử dụng trong nhiều công trình kiến trúc, nghệ thuật khác nhau.

Tiêu biểu, Bảo tàng Nghệ thuật Hiện đại Stedelijk tại Amsterdam (Hà Lan) đã được các kiến trúc sư mang đến diện mạo mới như hình chiếc bồn tắm khổng lồ khi quyết định sử dụng vật liệu composite kết hợp từ sợi aramid và carbon cùng tông màu trắng sáng nổi bật.

Hay như cấu trúc thượng tầng với 67 ống FRP trong Bảo tàng Nghệ thuật Pérez ở Miami (Mỹ) cũng được làm từ composite. Đây là bảo tàng lưu trữ những bộ sưu tập lớn các tác phẩm nghệ thuật ở thế kỷ XX–XXI với trọng tâm là châu Mỹ, châu Âu, châu Phi.

Thay đổi thói quen sử dụng thiết bị trong ngành y tế – hóa học

Trước kia, những dung dịch hóa học như acid, base… thường được đựng trong ống nghiệm bằng thủy tinh rất dễ vỡ, gây khó khăn trong quá trình vận chuyển và bảo quản, chi phí sản xuất lại cao. Sự ra đời của composite đã hoàn toàn khắc phục được những nhược điểm này khi chúng có độ bền cao, chống ăn mòn, giá thành rẻ. Điều này có ý nghĩa to lớn đánh dấu sự thay đổi trong thói quen sử dụng các thiết bị trong ngành y tế.

Điều này có ý nghĩa tương tự đối với ngành công nghiệp hóa chất khi các bồn chứa dung dịch acid, dung dịch kiềm sử dụng epoxy hoặc nhựa vinylester thay thế cho vật liệu gelcoat.

Có mặt rộng rãi trong đời sống sinh hoạt hàng ngày

Với đặc tính an toàn cho sức khỏe, đa dạng về mẫu mã, bền màu và giá rẻ, composite được ứng dụng sản xuất những con thú nhún, cầu trượt, bồn chơi cát hay chậu cây cảnh, dụng cụ thể thao, đồ dùng sinh hoạt…

Composite cũng hiện diện trong các thiết bị dân dụng như khung của máy điều hòa, máy tính, tủ lạnh, hệ thống ống nước…

Có thể thấy, composite đã trở thành một loại vật liệu quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Sự ra đời của loại vật liệu này góp phần không nhỏ làm thay đổi thói quen sản xuất và sử dụng đồ vật của con người. Điều này càng chứng tỏ được tính ưu việt và dẫn đầu xu hướng vật liệu trong tương lai của chúng. Chính vì vậy, trong những năm tới, nhu cầu nguồn nhân lực chất lượng cao về ngành công nghệ vật liệu ngày càng tăng và sẽ trở thành lực lượng lao động được săn đón trong thị trường lao động hiện nay.

T/H.

Nguồn: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA (ĐHQG-HCM)