Vật liệu Composite là gì? Những đặc tính quan trọng nhất của Composite

Bạn có bao giờ thắc mắc tại sao có những loại thiết bị hiện đại lại vừa có kích thước nhỏ gọn vừa mạnh mẽ hoạt động năng suất hơn rất nhiều so với ngày xưa không? Đó là vì con người chúng ta đã khám và sử dụng composite – một loại vật liệu kỳ diệu được tạo thành nhờ việc áp dụng cơ chế sản xuất dựa trên công nghệ khoa học kỹ thuật tiên tiến nhất hiện nay! Vậy composite là gì? Có những đặc tính quan trọng nào? Cùng khám phá đáp án chi tiết về composite trong nội dung bài viết ngay sau đây nhé!

1. Composite là gì?

Composite (còn gọi là compozit hay vật liệu tổng hợp) được kết hợp từ hai hoặc nhiều nguyên liệu lại với nhau tạo thành một loại vật liệu mới sở hữu những đặc tính vật lý cũng như hóa học vượt trội hơn hẳn so với các thành phần ban đầu.

Từ lâu, con người chúng ta đã biết cách tạo ra và sử dụng các loại vật liệu tổng hợp, chẳng hạn như:

• Trộn sỏi vào đất để làm gạch;
• Trộn đất bùn với rơm nhuyễn làm vách rồi thêm vôi và bùn để làm vách tooxi;
• Làm bê tông từ vật liệu composite,…

Tuy đã xuất hiện từ rất sớm nhưng ngành khoa học nghiên cứu về vật liệu composite chỉ mới hoạt động chính thức vào năm 1950 (khi Mỹ công bố công nghệ chế tạo tên lửa) và đang ngày càng trở nên phổ biến nhiều hơn trên toàn thế giới!

2. Cấu tạo và đặc tính của composite

2.1. Cấu tạo của composite

Composite có cấu tạo gồm hai thành phần chính:

• Vật liệu cốt (Vật liệu gia cường / Fiber): Đây được xem là “tiền đạo” của hỗn hợp vì là thành phần giúp tạo ra sức mạnh và độ cứng cho composite. Thường có hai loại là vật liệu cốt dạng sợi (như sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi aramid,…) và vật liệu cốt dạng hạt (hạt kim loại, hạt đất sét, bột đá bột gỗ,…).
• Vật liệu nền (Matrix): Đây được xem là “hàng phòng ngự” của hỗn hợp vì là vật liệu pha (như polymer, polyester, PE, PP, PVC, Epoxy, cao su,… hoặc kim loại nấu chảy, ceramic, xi măng,…) giúp các thành phần cốt lõi bên trong liên kết chặt chẽ với nhau thành một khối thống nhất – Composite!

2.2. Đặc tính của composite

Đặc tính của composite sẽ tùy thuộc vào tỉ lệ cấu tạo (được kết hợp từ các thành phần nêu trên) lại với nhau. Nhưng nhìn chung, composite thường có những đặc tính chung như sau:

• Đặc tính vật liệu cốt:
  • Đóng vai trò điểm chịu lực chủ chốt.
  • Nhẹ nhưng có độ bền và độ cứng cao.
  • Khả năng kháng hóa chất chống ăn mòn tốt và tác động tiêu cực từ môi trường.
  • Hòa trộn tốt vào vật liệu nền.
  • Hỗ trợ quá trình gia công và linh hoạt trong thiết kế.
  • Truyền nhiệt và xả nhiệt tốt.
  • Thân thiện với môi trường.
• Đặc tính vật liệu nền:
  • Là chất kết dính và tạo môi trường để phân tán lực.
  • Khi có ngoại lực tác động thì đóng vai trò truyền ứng suất hỗ trợ khả năng gia cường chịu lực.
  • Bảo vệ vật liệu cốt không bị hư hỏng do các tác động tiêu cực từ môi trường xung quanh.
  • Tăng độ bền bỉ dẻo dai và ngăn ngừa sự hình thành các vết nứt cho hỗn hợp.
  • Ngoài ra còn có các tính chất khác như: Cách điện, độ dẻo dai, màu sắc,…

3. Nhựa có phải là composite hay không?

Câu trả lời là: Không phải tất cả các loại nhựa (plastic) đều là composite, nhưng có nhiều loại composite được làm từ nhựa!

Nhựa thông thường (như PVC hay polyethylene) không phải là composite vì chúng chỉ gồm một loại nguyên tố chính. Tuy nhiên, khi nhựa được kết hợp với các vật liệu khác (như sợi thủy tinh hay sợi carbon) thì chúng sẽ trở thành composite.

Ví dụ: Nhựa epoxy gia cường sợi carbon sẽ trở thành một loại composite phổ biến. Trường hợp này nhựa epoxy đóng vai trò chất nền, còn sợi carbon là chất gia cường.

4. Những loại vật liệu composite phổ biến nhất hiện nay

Thế giới composite rất đa dạng, nhưng một số loại phổ biến nhất bao gồm:

• Composite sợi thủy tinh (Bê tông cốt sợi thủy tinh): Phổ biến trong đóng tàu và xây dựng.
• Bê tông cốt thép: Bê tông được gia cố bằng thanh cốt thép giúp tạo ra loại vật liệu có cường độ chịu kéo cao.
• Composite sợi carbon: Được sử dụng rộng rãi trong hàng không và thể thao.
• Composite wood plastic (Composite gỗ nhựa): Làm từ bột gỗ ép và sợi nhựa, được sử dụng trong nội thất.
• Composite metal (Composite kim loại): Thường được sử dụng trong công nghiệp ô tô.
• Composite ceramic (Gốm composite): Ứng dụng trong công nghiệp điện tử và y tế.
• Steel composite (Thép composite): Dùng để làm nhà tiền chế khung thép hoặc nhà container với độ bền cao hơn rất nhiều so với thép truyền thống.

5. Ưu và nhược điểm của composite

Như mọi vật liệu, composite có cả ưu điểm và nhược điểm:

Ưu điểm của composite

• Nhẹ nhưng có độ bền cao.
• Chống ăn mòn tốt.
• Linh hoạt trong thiết kế.
• Khả năng cách điện và cách nhiệt tốt.
• Tuổi thọ sử dụng cao (gấp 2-3 lần so với những loại vật liệu truyền thống).

Nhược điểm của composite

• Chi phí sản xuất cao hơn so với vật liệu truyền thống.
• Khó tái chế.
• Một số loại composite có thể bị suy giảm chất lượng khi tiếp xúc với tia UV.
• Quá trình sản xuất có thể phức tạp.

6. Ứng dụng thực tế của composite trong đời sống

Composite đang ngày càng trở nên phổ biến trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta:

• Hàng không vũ trụ: Vỏ động cơ tên lửa, vỏ tàu vũ trụ, vỏ máy bay,…
• Ô tô: Thân xe, lốp xe ô tô, bảng điều khiển,…
• Thể thao: Vợt tennis, gậy golf, xe đạp,…
• Xây dựng: Cửa sổ, cửa ra vào, vật liệu cách nhiệt,…
• Nội thất: Tranh ảnh, đồ dùng nội thất,…
• Y tế: Implant nha khoa, bộ phận giả,…
• Năng lượng: Cánh quạt tuabin gió, pin mặt trời,…
• Điện tử: Vỏ máy tính, điện thoại,…

7. Tổng kết về composite

Composite là một loại vật liệu đầy hứa hẹn, mang lại nhiều lợi ích cho nhiều ngành công nghiệp và đời sống hàng ngày. Với khả năng kết hợp ưu điểm của nhiều vật liệu khác nhau nên composite đang mở ra những cơ hội mới trong thiết kế và sản xuất cho con người.

Tuy nhiên, như mọi công nghệ mới, composite cũng đối mặt với những thách thức, đặc biệt là về chi phí và khả năng tái chế. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, chúng ta có thể kỳ vọng vào những giải pháp sáng tạo để khắc phục những hạn chế này.

Trong tương lai, với sự phát triển của công nghệ nano và kỹ thuật in 3D thì chúng ta có thể mong đợi sẽ thấy những loại composite mới với những đặc tính còn ấn tượng hơn nữa. Composite không chỉ là vật liệu của hiện tại, mà còn là chìa khóa để mở ra những khả năng vô tận cho tương lai.