Post by Huu Le on Nov 17, 2006 16:37:29 GMT 9
Vật Liệu Cao Cấp: từ Composite đến Nanocomposite
Tác giả : TRƯƠNG VĂN TÂN
Chuyện nở như pháo rang
Chuyện dai như chão rách
Đổ cả bốn chân giường
Xiêu cả một bức vách
"Tết tặng cô đầu", Tú Xương
Độ dai, gãy đổ, xiêu vẹo xem như một cuộc vui "phong nguyệt tình hoài" thâu đêm suốt sáng trong những vần thơ của Tú Xương, nhưng lại là mối quan tâm hàng đầu của những nhà thiết kế composite cho cấu trúc của các công trình xây dựng. Từ khi các loại sợi gia cố cao cấp (advanced reinforcing fibres) xuất hiện, hơn nửa thế kỷ nay những áp dụng của composite cao cấp đã lặng lẽ đi vào và tham gia trong cuộc sống đời thường không ai hay biết. Những áp dụng nầy càng ngày càng lan rộng để thay thế những vật liệu cổ điển như kim loại, sành gốm (ceramic) trong đó độ dai, độ cứng, độ bền được thiết kế bằng hay tốt hơn nhưng được chế tạo ít tốn kém và nhẹ hơn. Composite là hỗn hợp của ít nhất hai vật liệu khác nhau bổ sung cho nhau. Trong hai vật liệu nầy, vật liệu thứ nhất là chất nền (matrix) và vật liệu thứ hai là chất gia cố. 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. Thiên nhiên cũng đã tạo những cấu trúc composite mà gỗ là một thí dụ tiêu biểu. Gỗ là hỗn hợp của sợi cellulose trong chất nhựa lignin. Xương động vật là một biểu hiện khác của composite thiên nhiên giống như bê tông cốt sắt. Các khoáng chất (phần lớn là calcium và phosphorus) trong xương giống như xi măng và những giàn giáo protein (collagen) như cốt sắt. Khoáng chất làm xương cứng và giàn giáo protein cho độ bền dai và gia tăng tính đàn hồi.
Áp dụng composite thật ra đã có từ thời kỳ mông muội của nhân loại khi con người biết di dời chỗ ở từ hang đá để xây dựng nhà riêng, biết săn bắn và biết đánh nhau! Người cổ Ai Cập biết dùng rơm rạ trộn với bùn làm gạch xây nhà. Các loại cung nỏ được làm bằng gỗ với những lớp sừng, gân động vật dán lên để làm tăng sức bật. Ngày hôm nay, composite hiện diện từ những kiến trúc xây dựng to lớn như cầu đường, nhà cao tầng, những phương tiện di chuyển như phi cơ, tàu thủy, ô tô đến những vật gia dụng bình thường. Những chiếc du thuyền hiện đại lả lơi trên sóng nước có thân tàu làm từ composite sợi thủy tinh và cột buồm là composite sợi carbon. Cánh của các máy bay hạng nhẹ và thậm chí của các chiến đấu cơ là composite sợi carbon. Trong công nghiệp sản xuất composite, polymer (còn gọi là plastic, nhựa, cao phân tử) thường được dùng làm chất nền, sợi carbon, sợi thủy tinh (glass fibre) và sợi Kevlar (Hình 1) là ba loại sợi gia cố thông dụng dùng để tăng cơ tính của composite mà tiêu biểu là độ cứng (stiffness), độ bền (strength), và độ dai (toughness) [1]. Composite thay thế kim loại trong các áp dụng cổ điển mà cũng là vật liệu chính yếu trong nhiều áp dụng mới khiến cho số lượng tiêu thụ toàn cầu của các sợi gia cố (phần lớn là sợi carbon, thủy tinh và Kevlar) gia tăng nhanh chóng từ 140 000 tấn/năm đến 180 000 tấn/năm trong vài năm tới với tổng giá trị là $1.2 tỷ Mỹ kim.
(a)
(b)
(c)
Hình 1: Các loại sợi được đan vào nhau thành những phiến vải (a) sợi thủy tinh, (b) sợi carbon và (c) Kevlar.
Ba loại sợi có những cơ tính khác nhau nhưng loại nào cũng có tỷ trọng nhẹ hơn thép (Bảng 1). Sự chọn lựa các loại sợi và chất nền để thiết kế composite tùy vào nhu cầu và ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên trong bất cứ trường hợp nào độ cứng vẫn là yếu tố đầu tiên được đặt ra trong việc quyết định cơ tính của sản phẩm. Độ cứng là một lượng vĩ mô (macroscopic quantity) nhưng có liên hệ trực tiếp đến lực nối kết giữa các nguyên tử (interatomic forces). Lực nối kết càng bền chắc thì độ cứng càng cao. Độ cứng chi phối một cách trực tiếp hay gián tiếp những cơ tính khác, chẳng hạn như độ bền, độ dai. Nối nguyên tử (atomic bond) trong kim loại và ceramic phần lớn là những nối cộng hóa trị (covalent bond). Đây là loại nối có lực nối kết cao nhất so với các nối khác như nối ion, nối hydrogen và nối van der Waals. Mặt khác, các nối nguyên tử trong polymer là hỗn hợp của của nối cộng hóa trị và những nối yếu hơn như nối ion, hydrogen và van der Waals. Kim loại và ceramic cứng hơn các vật liệu polymer vài trăm lần là một kết quả hiển nhiên và cũng là những kinh nghiệm bình thường trong sinh hoạt hằng ngày.
Bảng 1: Cơ tính và tỷ trọng cuả các loại sợi.
Độ cứng (GPa)* Độ bền (GPa)* Độ giãn (%)** 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
*GPa: giga (G) pascal (Pa), 1 GPa = 109 Pa. Pa là lực trên một đơn vị diện tích.
**Độ giãn cho đến khi bị đứt.
Sợi carbon có cấu trúc giống than chì (graphite) hình tổ ong (Hình 2). 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 GPa, cao hơn thép 4 lần nhưng (tỷ trọng) vẫn nhẹ hơn thép 4 lần (Bảng 1). Như vậy, với một trọng lượng tương đương sợi carbon "siêu cứng" nầy cứng hơn thép 16 lần.
Hình 2: Cấu trúc than chì
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. Những năm gần đây nhờ vào nhu cầu và cải tiến trong phương pháp sản xuất giá được giảm từ $200/kg (Mỹ kim) đến $10-15/kg. Sợi aramid (poly phenyleneterephthamide) có thương hiệu là Kevlar được phát minh bởi công ty DuPont và đã thương mãi 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 1) lớn hơn sợi carbon và Kevlar; một mặt độ cứng vẫn được duy trì từ hai loại sợi nầy.
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 [2] 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 (adhesion) cần thiết.
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 1). Sợi Kevlar không có độ cứng cao như sợi carbon (Bảng 1) 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 [3]. 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.
Vỏ bánh 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 vỏ 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 bù-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) [4] 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. Tú Xương tuy có hơi cường điệu trong việc cùng một lúc "Đổ cả bốn chân giường" vì những chấn động... Nhưng trên phương diện tính toán lý thuyết, vật liệu giống nhau sẽ có cùng tuổi thọ giống nhau nên cơ may đồng loạt "đi đong" trong hiện tượng mệt xem ra cũng không phải là chuyện hiếm.
Trong những cuộc tranh tài thể thao quốc tế, nhất là những kỳ Thế Vận Hội, người xem không khỏi thắc mắc trước những bứt phá kỷ lục lập ra kỷ lục mới của những vận động viên. Có phải con người hiện đại hơn thế hệ cha ông trên phương diện thể lực? Không hẳn vậy. Thế hệ nào cũng xuất hiện những Hercules hiện đại vai u thịt bắp giỏi leo trèo rượt đuổi. Những kỷ lục được lập ra phần lớn nhờ vào sự rèn luyện kỷ năng và tiến hóa của dụng cụ cho những bộ môn thể thao dụng cụ. Lấy môn nhảy sào làm thí dụ. Kỷ lục nhảy sào cho Thế Vận Hội lần thứ nhất (năm 1896) là 3.3 m. Vận động viên đã dùng sào bằng gỗ, bằng tre, bằng nhôm. Kỷ lục tăng dần đến 5 m ở thập niên 70. Sau đó, cây sào composite ra đời chiều cao tiếp tục tăng và kỷ lục nầy bây giờ đã vượt hơn 6 m.
Nhảy sào có thể xem như một thí dụ của động năng (chạy) biến thành thế năng (chiều cao). Nếu vận động viên mang cây sào rất cứng, anh ta chạy để tạo động năng, cắm cây sào vào nền đất và tung người lên vượt rào cản. Với cây sào cứng và nền đất cứng động năng có thể hoàn toàn chuyển thành thế năng một cách hiệu quả. Tuy nhiên, để vượt qua chiều cao 6 m anh ta phải chạy với một vận tốc khoảng 11 m/s (~ 40 km/h) [5]. Việc nầy bất khả thi cho một người vừa chạy vừa phải mang một cây sào dài.
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. 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 vai u thịt 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 (elongation) cao hơn tất cả các loại sợi (Bảng 1). 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) [6].
Hình 3: Cấu trúc của cây sào nhảy hiện đại [6]
Tác giả : TRƯƠNG VĂN TÂN
Chuyện nở như pháo rang
Chuyện dai như chão rách
Đổ cả bốn chân giường
Xiêu cả một bức vách
"Tết tặng cô đầu", Tú Xương
Độ dai, gãy đổ, xiêu vẹo xem như một cuộc vui "phong nguyệt tình hoài" thâu đêm suốt sáng trong những vần thơ của Tú Xương, nhưng lại là mối quan tâm hàng đầu của những nhà thiết kế composite cho cấu trúc của các công trình xây dựng. Từ khi các loại sợi gia cố cao cấp (advanced reinforcing fibres) xuất hiện, hơn nửa thế kỷ nay những áp dụng của composite cao cấp đã lặng lẽ đi vào và tham gia trong cuộc sống đời thường không ai hay biết. Những áp dụng nầy càng ngày càng lan rộng để thay thế những vật liệu cổ điển như kim loại, sành gốm (ceramic) trong đó độ dai, độ cứng, độ bền được thiết kế bằng hay tốt hơn nhưng được chế tạo ít tốn kém và nhẹ hơn. Composite là hỗn hợp của ít nhất hai vật liệu khác nhau bổ sung cho nhau. Trong hai vật liệu nầy, vật liệu thứ nhất là chất nền (matrix) và vật liệu thứ hai là chất gia cố. 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. Thiên nhiên cũng đã tạo những cấu trúc composite mà gỗ là một thí dụ tiêu biểu. Gỗ là hỗn hợp của sợi cellulose trong chất nhựa lignin. Xương động vật là một biểu hiện khác của composite thiên nhiên giống như bê tông cốt sắt. Các khoáng chất (phần lớn là calcium và phosphorus) trong xương giống như xi măng và những giàn giáo protein (collagen) như cốt sắt. Khoáng chất làm xương cứng và giàn giáo protein cho độ bền dai và gia tăng tính đàn hồi.
Áp dụng composite thật ra đã có từ thời kỳ mông muội của nhân loại khi con người biết di dời chỗ ở từ hang đá để xây dựng nhà riêng, biết săn bắn và biết đánh nhau! Người cổ Ai Cập biết dùng rơm rạ trộn với bùn làm gạch xây nhà. Các loại cung nỏ được làm bằng gỗ với những lớp sừng, gân động vật dán lên để làm tăng sức bật. Ngày hôm nay, composite hiện diện từ những kiến trúc xây dựng to lớn như cầu đường, nhà cao tầng, những phương tiện di chuyển như phi cơ, tàu thủy, ô tô đến những vật gia dụng bình thường. Những chiếc du thuyền hiện đại lả lơi trên sóng nước có thân tàu làm từ composite sợi thủy tinh và cột buồm là composite sợi carbon. Cánh của các máy bay hạng nhẹ và thậm chí của các chiến đấu cơ là composite sợi carbon. Trong công nghiệp sản xuất composite, polymer (còn gọi là plastic, nhựa, cao phân tử) thường được dùng làm chất nền, sợi carbon, sợi thủy tinh (glass fibre) và sợi Kevlar (Hình 1) là ba loại sợi gia cố thông dụng dùng để tăng cơ tính của composite mà tiêu biểu là độ cứng (stiffness), độ bền (strength), và độ dai (toughness) [1]. Composite thay thế kim loại trong các áp dụng cổ điển mà cũng là vật liệu chính yếu trong nhiều áp dụng mới khiến cho số lượng tiêu thụ toàn cầu của các sợi gia cố (phần lớn là sợi carbon, thủy tinh và Kevlar) gia tăng nhanh chóng từ 140 000 tấn/năm đến 180 000 tấn/năm trong vài năm tới với tổng giá trị là $1.2 tỷ Mỹ kim.
(a)
(b)
(c)
Hình 1: Các loại sợi được đan vào nhau thành những phiến vải (a) sợi thủy tinh, (b) sợi carbon và (c) Kevlar.
Ba loại sợi có những cơ tính khác nhau nhưng loại nào cũng có tỷ trọng nhẹ hơn thép (Bảng 1). Sự chọn lựa các loại sợi và chất nền để thiết kế composite tùy vào nhu cầu và ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên trong bất cứ trường hợp nào độ cứng vẫn là yếu tố đầu tiên được đặt ra trong việc quyết định cơ tính của sản phẩm. Độ cứng là một lượng vĩ mô (macroscopic quantity) nhưng có liên hệ trực tiếp đến lực nối kết giữa các nguyên tử (interatomic forces). Lực nối kết càng bền chắc thì độ cứng càng cao. Độ cứng chi phối một cách trực tiếp hay gián tiếp những cơ tính khác, chẳng hạn như độ bền, độ dai. Nối nguyên tử (atomic bond) trong kim loại và ceramic phần lớn là những nối cộng hóa trị (covalent bond). Đây là loại nối có lực nối kết cao nhất so với các nối khác như nối ion, nối hydrogen và nối van der Waals. Mặt khác, các nối nguyên tử trong polymer là hỗn hợp của của nối cộng hóa trị và những nối yếu hơn như nối ion, hydrogen và van der Waals. Kim loại và ceramic cứng hơn các vật liệu polymer vài trăm lần là một kết quả hiển nhiên và cũng là những kinh nghiệm bình thường trong sinh hoạt hằng ngày.
Bảng 1: Cơ tính và tỷ trọng cuả các loại sợi.
Độ cứng (GPa)* Độ bền (GPa)* Độ giãn (%)** 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
*GPa: giga (G) pascal (Pa), 1 GPa = 109 Pa. Pa là lực trên một đơn vị diện tích.
**Độ giãn cho đến khi bị đứt.
Sợi carbon có cấu trúc giống than chì (graphite) hình tổ ong (Hình 2). 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 GPa, cao hơn thép 4 lần nhưng (tỷ trọng) vẫn nhẹ hơn thép 4 lần (Bảng 1). Như vậy, với một trọng lượng tương đương sợi carbon "siêu cứng" nầy cứng hơn thép 16 lần.
Hình 2: Cấu trúc than chì
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. Những năm gần đây nhờ vào nhu cầu và cải tiến trong phương pháp sản xuất giá được giảm từ $200/kg (Mỹ kim) đến $10-15/kg. Sợi aramid (poly phenyleneterephthamide) có thương hiệu là Kevlar được phát minh bởi công ty DuPont và đã thương mãi 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 1) lớn hơn sợi carbon và Kevlar; một mặt độ cứng vẫn được duy trì từ hai loại sợi nầy.
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 [2] 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 (adhesion) cần thiết.
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 1). Sợi Kevlar không có độ cứng cao như sợi carbon (Bảng 1) 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 [3]. 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.
Vỏ bánh 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 vỏ 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 bù-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) [4] 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. Tú Xương tuy có hơi cường điệu trong việc cùng một lúc "Đổ cả bốn chân giường" vì những chấn động... Nhưng trên phương diện tính toán lý thuyết, vật liệu giống nhau sẽ có cùng tuổi thọ giống nhau nên cơ may đồng loạt "đi đong" trong hiện tượng mệt xem ra cũng không phải là chuyện hiếm.
Trong những cuộc tranh tài thể thao quốc tế, nhất là những kỳ Thế Vận Hội, người xem không khỏi thắc mắc trước những bứt phá kỷ lục lập ra kỷ lục mới của những vận động viên. Có phải con người hiện đại hơn thế hệ cha ông trên phương diện thể lực? Không hẳn vậy. Thế hệ nào cũng xuất hiện những Hercules hiện đại vai u thịt bắp giỏi leo trèo rượt đuổi. Những kỷ lục được lập ra phần lớn nhờ vào sự rèn luyện kỷ năng và tiến hóa của dụng cụ cho những bộ môn thể thao dụng cụ. Lấy môn nhảy sào làm thí dụ. Kỷ lục nhảy sào cho Thế Vận Hội lần thứ nhất (năm 1896) là 3.3 m. Vận động viên đã dùng sào bằng gỗ, bằng tre, bằng nhôm. Kỷ lục tăng dần đến 5 m ở thập niên 70. Sau đó, cây sào composite ra đời chiều cao tiếp tục tăng và kỷ lục nầy bây giờ đã vượt hơn 6 m.
Nhảy sào có thể xem như một thí dụ của động năng (chạy) biến thành thế năng (chiều cao). Nếu vận động viên mang cây sào rất cứng, anh ta chạy để tạo động năng, cắm cây sào vào nền đất và tung người lên vượt rào cản. Với cây sào cứng và nền đất cứng động năng có thể hoàn toàn chuyển thành thế năng một cách hiệu quả. Tuy nhiên, để vượt qua chiều cao 6 m anh ta phải chạy với một vận tốc khoảng 11 m/s (~ 40 km/h) [5]. Việc nầy bất khả thi cho một người vừa chạy vừa phải mang một cây sào dài.
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. 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 vai u thịt 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 (elongation) cao hơn tất cả các loại sợi (Bảng 1). 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) [6].
Hình 3: Cấu trúc của cây sào nhảy hiện đại [6]
