1. Cao su là gì
Cao su cũng là một loại vật liệu cao phân tử, tuy nhiên do khác biệt về mục đích sử dụng, hình dạng và đặc tính vật liệu nên thường được phân biệt với nhựa (plastics) trong cách xử lý. Trong lĩnh vực cơ khí, cao su thường được sử dụng làm các bộ phận như gioăng làm kín (packing).
Cao su là một “vật liệu đàn hồi” tuân theo định luật Hooke, trong đó độ kéo giãn tỉ lệ với lực tác dụng. Đồng thời, nó cũng mang tính chất trung gian giữa chất đàn hồi và chất lỏng lý tưởng, gọi là “vật liệu nhớt đàn hồi” (viscoelastic material). Một đặc điểm nổi bật của cao su là khả năng biểu hiện hành vi đàn hồi trong phạm vi kéo giãn lên đến vài trăm phần trăm.
2. Vật liệu FRP (Sợi thủy tinh) là gì
Để cải thiện đặc tính cơ học vốn thấp của nhựa, người ta gia cường bằng cách kết hợp với sợi để tạo ra vật liệu nhựa gia cường sợi, gọi là FRP (Sợi thủy tinh).
FRP được sản xuất bằng cách tận dụng các ưu điểm như dễ gia công và nhẹ của nhựa, đồng thời bổ sung thêm sợi như một vật liệu gia cường để tăng cường tính chất cơ học.
Nhờ đó, FRP giữ lại được các đặc tính của nhựa trong khi vẫn cải thiện được độ bền, nên được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, các vật liệu composite (vật liệu tổng hợp) như thế này không có tiêu chuẩn chung về loại sợi, loại nhựa nền (ma trận), cũng như cách pha trộn chúng.
Tính chất cơ học của vật liệu composite nói chung phải được dự đoán dựa trên tính chất của sợi và nhựa nền (ma trận). Có thể sử dụng phương pháp gần đúng gọi là “nguyên lý tổ hợp (rule of mixtures)” để ước tính đặc tính cơ học, nhưng vì đặc tính của vật liệu tổng hợp còn phụ thuộc vào sự sắp xếp sợi, số lớp, độ bền giữa các lớp, cũng như tình trạng bóc tách giữa các lớp, nên độ bền có thể thay đổi.
Do đó, nhiều công thức lý thuyết và thực nghiệm đã được đề xuất. Trong thiết kế thực tế, thường sử dụng các phương pháp mô phỏng như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).
Trong số các vật liệu composite, FRP là loại đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng thực tế nhiều nhất, tuy nhiên hiện nay còn nhiều loại vật liệu composite khác cũng đang được phát triển.
CFRP (Nhựa gia cường sợi carbon) là vật liệu nhựa gia cường bằng sợi carbon. Sợi carbon là loại vật liệu có tính chất cơ học rất cao, do đó CFRP được xem là vật liệu mới và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Gần đây, nó còn được sử dụng trong ngành ôtô và hàng không vũ trụ.
GFRP (Sợi thủy tinh gia cường) là vật liệu composite sử dụng sợi thủy tinh có tính cách điện cao. GFRP được sử dụng trong các sản phẩm như ăng-ten viễn thông, xe đua, bể xử lý nước thải, bồn tắm, vv
Ngoài ra, còn có các loại vật liệu composite nền kim loại và composite nền hợp chất giữa các kim loại (intermetallic). Nhđộ dai, độ bền rão (creep strength),
Dù mỗi loại vật liệu composite đều được chế tạo sao cho tận dụng tốt nhất đặc tính của từng thành phần, nhưng trong quá trình tổng hợp, việc kiểm soát bề mặt tiếp xúc giữa các pha là một thách thức lớn cần được giải quyết.
3. Lời kết
Cao su và vật liệu composite như FRP (nhựa gia cường sợi) là những vật liệu cao phân tử hiện đại, đóng vai trò quan trọng trong ngành cơ khí và nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác. Cao su, với tính đàn hồi và khả năng biến dạng lớn, phù hợp cho các chi tiết cần khả năng chịu rung, kín khí như gioăng, đệm… Trong khi đó, FRP và các vật liệu composite khác là giải pháp vượt trội để khắc phục điểm yếu về độ bền cơ học của nhựa thông thường, đồng thời tận dụng đặc tính nhẹ, dễ gia công của nhựa.
Nhờ khả năng điều chỉnh tính chất thông qua thành phần sợi và nhựa nền, vật liệu composite mang lại sự linh hoạt cao trong thiết kế và ứng dụng, từ ngành ô tô, hàng không, đến xây dựng và điện tử. Tuy nhiên, việc thiết kế và chế tạo các vật liệu này đòi hỏi hiểu biết sâu sắc về đặc tính cơ học, cách phối hợp vật liệu, cũng như công nghệ gia công phù hợp.
Việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng cao su cùng vật liệu composite sẽ tiếp tục đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu suất, độ bền và tính năng kỹ thuật của các sản phẩm cơ khí hiện đại.
