Lợi ích của vật liệu composite

Vật liệu composite đã thấm vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta: Chúng được sử dụng trong những chiếc xe chúng ta lái, câu lạc bộ golf chúng ta đu đưa, các loại bồn bể chứa hóa chất, các loại bồn bể chứa nước thải và nhiều hơn nữa. Một số ứng dụng, như tàu tên lửa, có thể sẽ không lên khỏi mặt đất nếu không có vật liệu tổng hợp. Vật liệu composite cung cấp nhiều lợi ích. Chìa khóa trong số đó là sức mạnh, trọng lượng nhẹ, chống ăn mòn, thiết kế linh hoạt và độ bền.

Sức mạnh

Vật liệu composite là một trong những vật liệu mạnh nhất xung quanh. Khi bạn xem xét mật độ của vật liệu, vật liệu composite mạnh hơn nhiều so với hầu hết các vật liệu xây dựng khác. 

Bằng cách kết hợp các loại nhựa và cốt thép cụ thể - và có rất nhiều trong số chúng - bạn có thể tùy chỉnh công thức để đáp ứng các yêu cầu về độ bền cụ thể của bất kỳ ứng dụng nào. Ví dụ, bạn có thể thay đổi tỷ lệ của nhựa và cốt thép hoặc định hướng các sợi theo một hướng hoặc nhiều hướng khác nhau.

Vật liệu composite là bất đẳng hướng, có nghĩa là các tính chất vật liệu thay đổi tùy thuộc vào vị trí và số lớp vật liệu gia cố - các sợi. Điều này cung cấp sự linh hoạt về kỹ thuật để các nhà thiết kế có thể điều chỉnh các thuộc tính của sản phẩm cuối cùng. Khi nói đến sức mạnh, có bốn loại chính ảnh hưởng đến thiết kế kết cấu: cường độ kéo, độ bền kéo, độ bền kéo và độ nén.

Sức mạnh cụ thể

Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng của vật liệu - còn được gọi là sức mạnh cụ thể của nó - là so sánh sức mạnh của nó so với trọng lượng của vật liệu. Sức mạnh của vật liệu chia cho mật độ của nó sẽ cung cấp cho bạn sức mạnh cụ thể.

Các kỹ sư, nhà thiết kế và nhà đầu cơ đang ngày càng tìm kiếm các vật liệu có cường độ riêng cao. Một số vật liệu rất mạnh và nặng, chẳng hạn như thép. Các vật liệu khác có thể mạnh mẽ và nhẹ, chẳng hạn như cọc tre. Vật liệu tổng hợp có thể được thiết kế để vừa mạnh mẽ vừa nhẹ nhàng. Bởi vì chúng có tỷ lệ cường độ trên trọng lượng rất cao, vật liệu tổng hợp là vật liệu được tìm kiếm cho các ứng dụng trong đó trọng lượng là tối quan trọng, chẳng hạn như máy bay và ô tô. Xe nhẹ hơn sử dụng ít nhiên liệu hơn.

Sức căng

Độ bền kéo liên quan đến mức độ căng thẳng mà vật liệu có thể xử lý trước khi nó bị vỡ, nứt, bị biến dạng hoặc bị hỏng. Một thước đo độ bền kéo là cường độ uốn - khả năng chịu lực uốn của vật liệu hoặc cấu trúc. Độ bền kéo và độ uốn là các phép đo quan trọng đối với các kỹ sư và nhà thiết kế. Hãy tưởng tượng xây dựng một sàn cầu hoặc trần nhà mà không biết nó có thể mất bao nhiêu căng thẳng trước khi sụp đổ?

Độ bền kéo thay đổi theo vật liệu và được đo bằng megapixel (MPa). Ví dụ, độ bền kéo cuối cùng của thép dao động từ 400 đến 690 MPa, trong khi cường độ cuối cùng của vật liệu composite kết hợp sơi thủy tinh dao động từ 1.200 đến 2.410 MPa, tùy thuộc vào định hướng sợi và các yếu tố thiết kế khác.

Sức chống cắt

Độ bền cắt mô tả mức độ vật liệu có thể chống lại sự căng thẳng tốt như thế nào khi các lớp dịch chuyển hoặc trượt. Điều quan trọng là phải biết mức độ căng thẳng tối đa (hoặc lực trên một đơn vị diện tích) một vật liệu có thể xử lý trước khi thất bại. Điều này cho phép các kỹ sư và nhà thiết kế biết số lượng trọng lượng - hoặc tải trọng - một cấu trúc có thể hỗ trợ và những gì có thể xảy ra với cấu trúc khi các lực được áp dụng theo các hướng khác nhau.

Độ bền cắt trong vật liệu tổng hợp thay đổi dựa trên công thức và thiết kế. Vật liệu tổng hợp có thể được thiết kế để ứng suất cắt được định hướng trong một mặt phẳng, ngang với mặt phẳng hoặc trong suốt các lớp (interlaminar). Có một số cách để kiểm soát các thuộc tính cắt, bao gồm định hướng sợi, trình tự các lớp, loại và khối lượng sợi được sử dụng, loại và mật độ của vật liệu lõi và hơn thế nữa.

Cường độ nén

Cường độ nén cho biết vật liệu hoạt động như thế nào khi bị nén hoặc làm phẳng bởi áp suất. Một số vật liệu bị gãy hoặc vỡ khi chúng đạt giới hạn cường độ nén, trong khi một số khác biến dạng vĩnh viễn.

Các vật liệu như bê tông và gốm thường có cường độ nén cao hơn, nhưng cường độ kéo thấp hơn. Ngược lại, vật liệu tổng hợp thường có cường độ kéo cao hơn cường độ nén. Vật liệu tổng hợp được tải trong nén có thể khóa, xoắn hoặc nghiền. Đó là lý do tại sao việc đánh giá tải nén cho tổ hợp sợi và nhựa cụ thể được chọn cho một ứng dụng và điều chỉnh công thức phù hợp là rất quan trọng.

Nhẹ

Vật liệu composite vừa mạnh vừa nhẹ. Đó là một sự kết hợp chiến thắng. Ai sẽ không muốn làm việc với một vật liệu đơn giản để vận chuyển và mang theo? Vật liệu tổng hợp nhẹ có thể giúp bạn tiết kiệm tiền và nhân lực.

Vật liệu tổng hợp sợi gia cường cung cấp tỷ lệ cường độ trên trọng lượng tuyệt vời, vượt xa các vật liệu khác. Sản xuất các bộ phận có trọng lượng nhẹ rất quan trọng đối với các ngành công nghiệp như giao thông, cơ sở hạ tầng và hàng không vũ trụ vì nhiều lý do. Vật liệu tổng hợp nhẹ dễ xử lý và lắp đặt, có thể giảm chi phí cho các dự án và giúp đảm bảo tuân thủ các quy định và tiêu chuẩn.

Cài đặt dễ dàng

Một trong những lợi thế hàng đầu của việc sử dụng vật liệu composite nhẹ là chúng đơn giản để xử lý, vận chuyển và cài đặt. Điều này tiết kiệm thời gian cho các dự án. Công viên quốc gia Wolf Trap ở Virginia đã lắp đặt một cây cầu dành cho người đi bộ với sàn FRP vào năm 2012. Cây cầu này nhẹ hơn 80% so với bê tông, giúp cho việc nâng, di chuyển và đặt cần cẩu nhanh hơn. Bộ bài đã được lắp đặt trong ba ngày, trong khi một cái cụ thể sẽ mất ít nhất bốn tuần. Vật liệu composite nhẹ cũng đơn giản hóa việc cài đặt ở các địa điểm xa, chẳng hạn như các cực tiện ích ở vùng đầm lầy hoặc đường ống trên núi.

Chống ăn mòn

Sản phẩm làm từ vật liệu composite cung cấp sức đề kháng lâu dài với môi trường hóa chất và nhiệt độ khắc nghiệt. Vật liệu composite thường là lựa chọn vật liệu cho tiếp xúc ngoài trời, các ứng dụng xử lý hóa học và các môi trường khắc nghiệt khác.

Vật liệu tổng hợp không bị rỉ hoặc ăn mòn. Có nhiều ví dụ về hệ thống ống composite gia cố bằng sợi thủy tinh đang phục vụ trong các nhà máy sản xuất hóa chất trong hơn 25 năm, hoạt động trong môi trường hóa học khắc nghiệt 24 giờ một ngày, bảy ngày một tuần. Vật liệu composite cung cấp các giải pháp chống ăn mòn cho nhiều ngành công nghiệp, bao gồm kiểm soát ô nhiễm không khí, xử lý hóa chất, khử muối, thực phẩm và đồ uống, chế biến và khai thác khoáng sản, dầu khí, bột giấy và giấy, chôn lấp chất thải rắn và xử lý nước và nước thải.

Khả năng chống ăn mòn được xác định bởi sự lựa chọn nhựa composite được sử dụng trong ứng dụng composite. Có nhiều hệ thống nhựa khác nhau có khả năng chống chịu lâu dài với hầu hết mọi môi trường hóa học và nhiệt độ. Sự lựa chọn của quân tiếp viện hạn chế hơn nhiều nhưng rất quan trọng đối với một số môi trường hóa học nhất định. Vật liệu tổng hợp được thiết kế phù hợp có tuổi thọ dài và bảo trì tối thiểu.

Lịch sử của vật liệu ăn mòn

Năm 1953, các loại nhựa ăn mòn công nghiệp hiệu suất cao đầu tiên được phát triển bởi Atlas Chemical and Hooker Chemical Enterprises. Các ngành công nghiệp chế biến bột giấy và giấy và hóa chất đã nhanh chóng nhận ra lợi ích và sử dụng vật liệu tổng hợp trong thiết bị chế biến của họ.

Năm 1961, Bộ phận Dầu tiêu chuẩn Amoco đã giới thiệu bể chứa xăng ngầm đầu tiên. Giữa năm 1961 và 1965, Shell Oil và Owens Corning đã nghiên cứu các giải pháp chống ăn mòn, cuối cùng sản xuất dòng thương mại đầu tiên của bể chứa hỗn hợp ngầm lớn.

Trong những năm 1970, việc sử dụng vật liệu tổng hợp trong các ứng dụng công nghiệp trở nên phổ biến. Sau đó vào năm 1989, Hiệp hội kỹ sư cơ khí Hoa Kỳ đã công bố tiêu chuẩn thiết kế tinh xảo cho xe tăng FRP, Thiết bị chống ăn mòn nhựa chịu nhiệt . Đến những năm 1990, ngành công nghiệp ăn mòn đã tích lũy 40 năm kinh nghiệm và lịch sử trường hợp để xây dựng một hồ sơ hiệu suất tích cực. Ngày nay, vật liệu tổng hợp chống ăn mòn chiếm khoảng 11 đến 15% tổng thị trường vật liệu tổng hợp và tạo ra doanh thu hàng năm ước tính khoảng 3 tỷ đô la.

Vai trò của nhựa trong khả năng chống ăn mòn

Một trong những chức năng chính của nhựa trong vật liệu tổng hợp là bảo vệ các sợi mà chúng bao quanh. Có hàng tá loại nhựa được thiết kế để cung cấp khả năng chống ăn mòn. Mỗi công thức độc đáo cung cấp bảo vệ chống lại các điều kiện cụ thể, chẳng hạn như dung dịch xút, môi trường axit, môi trường kiềm, hóa chất oxy hóa và nhiệt độ cao.

Các loại nhựa ăn mòn đầu tiên sử dụng hóa chất nhựa bisphenol fumurat và chlorendic anhydride. Sau đó, nhựa isophthalic đã được phát triển và trở thành sản phẩm chính của nhựa chống ăn mòn. Nhựa isophthalic - cùng với nhựa epoxy vinyl ester - thường được sử dụng ngày nay.

Thiết kế linh hoạt

Vật liệu composite đóng gói một cú đấm mạnh mẽ một hai với khả năng được đúc thành các hình dạng phức tạp với chi phí khá thấp. Điều này mang đến cho các nhà thiết kế, kỹ sư và kiến ​​trúc sư một sự tự do thường không được tìm thấy với các vật liệu cạnh tranh khác.

Bởi vì vật liệu composite là sự pha trộn của sợi gia cường, nhựa và phụ gia, chúng có thể được sản xuất để đáp ứng một loạt các yêu cầu. Các nhà thiết kế có thể tự do tạo ra các sản phẩm mới thú vị và, trong nhiều trường hợp, chỉ bị giới hạn bởi trí tưởng tượng của họ. Các ứng dụng từ xe thể thao đến lưỡi gió tận dụng sự linh hoạt thiết kế vốn có của vật liệu tổng hợp để tạo ra các hình dạng phức tạp, thêm các đặc tính cụ thể và tăng tính thẩm mỹ.

Hình học sáng tạo

Một trong những lợi ích lớn nhất của vật liệu tổng hợp là khả năng đúc chúng thành các hình dạng phức tạp dễ dàng hơn hầu hết các vật liệu khác. Hình dạng và đường viền phức tạp là có thể mà không cần các công cụ áp suất cao vì vật liệu tổng hợp được hình thành khi nhựa lưu hóa - hoặc hóa rắn - trong quá trình sản xuất. Vì vậy, các bộ phận hỗn hợp có thể dễ dàng có nhiều hình dạng, cho dù chúng được tạo ra với khối lượng thấp bằng tay hoặc được sản xuất bằng quy trình tự động, khối lượng lớn.

Có các lựa chọn khi nói đến hình dạng của các bộ phận và sản phẩm là lợi thế cho gần như mọi ngành công nghiệp sử dụng vật liệu tổng hợp. Thuyền giải trí từ lâu đã được chế tạo bằng vật liệu tổng hợp FRP vì những vật liệu này có thể dễ dàng được đúc thành các hình dạng phức tạp, giúp cải thiện thiết kế thuyền trong khi giảm chi phí. Gần đây, các tòa nhà cao cấp như Bảo tàng Nghệ thuật Hiện đại San Francisco đã kết hợp các tấm ốp FRP vào mặt tiền của chúng. Không ai trong số 700 tấm nhấp nhô trên bảo tàng giống nhau, tạo nên một tòa nhà bắt mắt.

Bề mặt

Mọi người thường bị thu hút bởi các vật liệu tổng hợp vì tính thẩm mỹ, với các công ty tiếp thị sợi carbon nhìn ra trên tất cả mọi thứ từ vỏ điện thoại đến mặt bàn. Sự phổ biến của sự xuất hiện của dệt xuất phát từ ngành công nghiệp ô tô, nơi những chiếc xe cao cấp dựa vào vật liệu tổng hợp được gia cố bằng sợi carbon để không chỉ nâng cao hiệu suất, mà còn phản ánh phong cách. Các tùy chọn trên Aston Martin Vanquish, ví dụ, bao gồm mái bằng sợi carbon lộ ra, tay nắm cửa, gương cánh và nội thất.

Nhưng thẩm mỹ không chỉ dành riêng cho thị trường xa xỉ. Bề mặt hỗn hợp có thể được đúc để mô phỏng bất kỳ kết thúc hoặc kết cấu, từ mịn đến thô. Người tiêu dùng lựa chọn mặt bàn tổng hợp vì chúng có thể được tạo thành bất kỳ hình dạng nào và tùy chỉnh thành bất kỳ màu nào. Tay cầm và núm trên các thiết bị gia dụng trông sành điệu và cảm giác tốt khi chạm vào. Với vật liệu tổng hợp, các nhà thiết kế có những lựa chọn vô tận để tạo ra những sản phẩm đẹp.

Độ bền

Cấu trúc hỗn hợp có tuổi thọ cực kỳ dài. Kết hợp điều này với các yêu cầu bảo trì thấp và vật liệu tổng hợp trở thành vật liệu được lựa chọn cho một loạt các ứng dụng.

Vật liệu tổng hợp kéo dài bao lâu? Không có câu trả lời dễ dàng. Đó là bởi vì nhiều cấu trúc hỗn hợp ban đầu được đặt vào vị trí hơn 50 năm trước vẫn chưa đi đến cuối cuộc đời. Vật liệu tổng hợp giữ tốt chống lại sự mệt mỏi và chống lại các yếu tố môi trường như tia cực tím, biến động nhiệt độ, độ ẩm và tiếp xúc với hóa chất. Họ cũng yêu cầu bảo trì ít hơn theo lịch trình và bất ngờ.

Chống mệt mỏi

Vật liệu tổng hợp rất mạnh, cho phép chúng chịu được tải trọng được áp dụng nhiều lần. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng cơ sở hạ tầng như sàn cầu, hỗ trợ giao thông 24 giờ mỗi ngày. Nhiều cây cầu xuống cấp của quốc gia đang được cải tạo với các sàn FRP, bao gồm Cầu Broadway ở Portland, Ore. Trải dài qua sông Willamette ở trung tâm Cảng Portland, cây cầu rút ra 30.000 phương tiện mỗi ngày ngoài giao thông dành cho người đi bộ.

Chiến binh thời tiết

Vật liệu tổng hợp rất cứng, giữ tốt trong mọi loại thời tiết. Bảo tàng Nghệ thuật Pérez Miami có những khu vườn treo ngoạn mục xung quanh tòa nhà. Các ống được gia cố bằng sợi thủy tinh 67 giữ các cây hoa có thể chịu được sức gió lên đến 146 dặm / giờ và chống ăn mòn nước mặn.

Giảm bảo trì

Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ cung cấp một ví dụ tuyệt vời về cách vật liệu tổng hợp yêu cầu bảo trì ít hơn so với vật liệu cạnh tranh. Hãy xem xét các máy bay phản lực hai động cơ của Boeing: Đuôi tổng hợp của Boeing 777 lớn hơn 25% so với đuôi nhôm của 767. Nhưng nó đòi hỏi ít hơn 35 phần trăm giờ bảo trì theo lịch trình, theo công ty. Điều này là do vật liệu tổng hợp ít bị ăn mòn và mỏi hơn kim loại.

Ứng dụng của vật liệu composite .

• Vỏ tên lửa, máy bay, tàu vũ trụ.
• Bình chịu áp lực cao.
• Ống dẫn xăng dầu composite 
  
• Bồn composite chứa hóa chất
• Bể composite chứa hóa chất
• Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất, tấm panell composite;
• Hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng;
• Bọc phủ composite cho các loại bồn bể,...
• Hệ thống sứ cách điện, sứ polymer, sứ cilicon, sứ epoxy các loại sứ chuỗi, sứ đỡ, sứ cầu giao, sứ trong các bộ thiết bị điện, chống sét, cầu chì;
• Lốp xe ô tô, xe máy, xe đạp;
• Vỏ tầu thuyền composite (vỏ lãi)…..
• Thùng rác công cộng.
• Mô hình đồ chơi trẻ em,....