Composite polymer là gì? Các nghiên cứu khoa học về Composite polymer

Định nghĩa composite polymer

Composite polymer là vật liệu tổ hợp đa pha, bao gồm ma trận polymer liên kết chặt chẽ với chất độn (reinforcement) nhằm kết hợp ưu điểm cơ lý và hóa học của từng thành phần. Ma trận polymer có thể là thermoplastic (như polypropylene, polyethylene, polyamide) hoặc thermoset (như epoxy, polyester, phenolic), chịu trách nhiệm phân phối ứng suất và bảo vệ chất độn khỏi môi trường khắc nghiệt.

Chất độn có thể ở dạng sợi (sợi thủy tinh, sợi carbon, aramid) hoặc dạng hạt (nano silica, clay, aluminia), đóng vai trò chịu lực chính, tăng độ cứng, độ bền kéo và khả năng chịu mài mòn. Sự kết hợp giữa ma trận và chất độn tạo nên composite polymer với những tính chất vượt trội so với polymer nguyên chất.

Tính chất composite polymer điển hình bao gồm mô-đun đàn hồi cao hơn, giới hạn chảy và tối đa chịu kéo lớn hơn, hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn, cùng khả năng tùy biến về màu sắc, độ dẻo và tính dẫn nhiệt. Composite polymer ứng dụng rộng rãi trong các ngành ô tô, hàng không, điện tử, xây dựng và thể thao.

Thành phần và phân loại

Composite polymer được phân loại dựa trên loại ma trận và dạng chất độn:

• Ma trận thermoplastic: PP, PE, PVC, PC, ABS – cho phép tái chế nhiều lần, dễ gia công;
• Ma trận thermoset: Epoxy, polyester, phenolic – độ bền nhiệt và hóa chất cao, không tái chế dễ dàng;
• Chất độn sợi: Sợi thủy tinh (GFRP), sợi carbon (CFRP), sợi aramid (AFRP) – định hướng hoặc ngẫu nhiên;
• Chất độn hạt và nano: silica, clay nano, graphene, boron nitride – cải thiện độ cứng, dẫn nhiệt, chịu nhiệt.

Các composite lai (hybrid composites) kết hợp nhiều loại chất độn trong cùng một ma trận để tối ưu hóa nhiều tính chất: ví dụ sợi thủy tinh + nano clay giúp tăng mô-đun và giảm mô-đun nhiệt, hay CFRP + hạt dẫn điện tạo vật liệu dẫn điện cho linh kiện.

Phân loại theo cấu trúc còn bao gồm:

• Composite lớp (laminated): các lớp sợi định hướng chồng xen kẽ;
• Composite hạt phân tán: hạt phân tán đồng đều trong ma trận;
• Composite sandwich: lõi nhẹ giữa hai lớp composite chịu lực.

Phương pháp chế tạo

Các phương pháp chế tạo composite polymer đa dạng, phụ thuộc vào dạng ma trận và hình dạng chi tiết cần sản xuất:

• Compression molding (khuôn ép nhiệt): ép tấm, bản dài dưới áp suất và nhiệt độ cao; thích hợp thermoset và thermoplastic dạng tấm lớn.
• Injection molding (đúc phun): vật liệu nóng chảy được phun vào khuôn kín, sản xuất hàng loạt chi tiết nhỏ, phức tạp với tốc độ cao.
• Extrusion (đùn): đùn liên tục tạo ống, thanh; thường dùng thermoplastic với chất độn hạt hoặc ngắn.
• Lay-up và filament winding: đặt từng lớp sợi thủy tinh hoặc carbon vào khuôn, cuốn sợi liên tục cho ống, bồn chứa áp lực.

Phương pháp	Ma trận phù hợp	Ưu điểm	Nhược điểm
Compression molding	Thermoset, Thermoplastic	Tốc độ cao, chi phí thấp	Hạn chế độ dày chi tiết
Injection molding	Thermoplastic	Chi tiết phức tạp, tốc độ cao	Đầu tư khuôn mẫu lớn
Extrusion	Thermoplastic	Liên tục, tiết kiệm vật liệu	Hạn chế hình dạng
Lay-up/Filament winding	Thermoset	Vi cấu trúc kiểm soát tốt	Thủ công, chậm

Mỗi phương pháp đều có thể tích hợp gia nhiệt bằng điện trở, lò chân không hoặc áp suất thủy lực để tối ưu độ liên kết giữa ma trận và chất độn, giảm khuyết tật, cải thiện tính đồng nhất.

Đặc tính cơ lý và nhiệt

Composite polymer thể hiện mô-đun đàn hồi và độ bền kéo cao hơn polymer cơ bản. Mô-đun đàn hồi có thể đạt 10–150 GPa tùy loại sợi và tỉ lệ chất độn, so với 1–3 GPa của polymer nguyên chất. Độ bền kéo tăng từ 30 MPa lên 300–1500 MPa.

Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) giảm đáng kể khi bổ sung sợi carbon hoặc silica, từ 50–100 μm/m·K của polymer xuống còn 2–10 μm/m·K, nhờ cấu trúc ổn định của chất độn. Khả năng chịu mỏi mệt (fatigue) cũng cải thiện khi sợi định hướng chịu lực kéo lặp.

Độ dẫn nhiệt của composite hạt nano như BN hoặc graphene tăng lên 1–10 W/m·K so với 0,2 W/m·K của polymer, mở rộng ứng dụng trong tản nhiệt linh kiện điện tử. Composite polymer còn duy trì khả năng chống ăn mòn hóa chất, chịu UV và chống cháy khi thêm phụ gia chống cháy.

Cấu trúc và vi cấu trúc

Composite polymer bao gồm hai pha cơ bản: pha liên tục (ma trận polymer) và pha rắn phân tán (chất độn). Tại phạm vi vi mô, chất độn có thể tồn tại dưới dạng sợi thẳng, sợi xoắn hoặc hạt có kích thước từ nano đến micromet, phân bố đồng đều hoặc có định hướng trong ma trận.

Vi cấu trúc quyết định mạnh mẽ tính chất cơ lý và truyền nhiệt của composite. Ví dụ, sợi carbon định hướng tập trung theo phương chịu kéo tạo vùng cứng cao ở cùng hướng, trong khi sợi ngẫu nhiên gia tăng độ bền tất định (isotropic) nhưng giảm cường độ tối đa.

Loại chất độn	Hình thái	Ảnh hưởng vi cấu trúc
Sợi dài định hướng	Single fibre	Độ cứng và độ bền theo trục cao, mỏi thấp
Sợi ngắn phân tán	Chopped fibre	Gia tăng tính dẻo dai, dễ đùn
Hạt nano	Silica, clay	Cải thiện dẫn nhiệt, giảm co ngót

Tương tác tại bề mặt ma trận – chất độn qua liên kết hóa học hoặc cơ học (mechanical interlocking) tạo nên độ bền tiếp xúc (interfacial strength). Một lớp phủ bề mặt (sizings, coupling agents) như silane hoặc titanate giúp cải thiện khả năng truyền ứng suất và chống phân tách giữa các pha.

Công thức cơ bản

Mô-đun đàn hồi $E_c$ của composite đơn giản có thể tính gần đúng theo quy tắc hỗn hợp (rule of mixtures):

$E_c = V_f E_f + (1 - V_f) E_m$

Trong đó $V_f$ là thể tích phân số của chất độn, $E_f$ là mô-đun đàn hồi của chất độn, và $E_m$ là mô-đun đàn hồi của ma trận polymer. Công thức này áp dụng tốt cho trường hợp sợi định hướng song song.

Đối với composite ngẫu nhiên hoặc pha nano, có thể sử dụng công thức Halpin–Tsai để ước lượng mô-đun cải tiến hơn:

$E_c = E_m \frac{1 + 2\eta V_f}{1 - \eta V_f},\quad \eta = \frac{(E_f/E_m) - 1}{(E_f/E_m) + 2\xi}$

Trong đó $\xi$ là hệ số hình dạng (shape factor) phản ánh tỉ lệ chiều dài – đường kính của chất độn. Các công thức này giúp thiết kế chế độ bổ sung chất độn tối ưu để đạt mục tiêu cơ lý nhất định.

Ứng dụng điển hình

Trong ngành ô tô, composite polymer thay thế kim loại trong khung xe, vỏ xe và chi tiết nội thất để giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải. Ví dụ:

• Cánh cửa và vỏ gương: GFRP với tỷ lệ sợi thủy tinh 30–40 % tăng độ cứng và giảm tiếng ồn;
• Thanh giằng và giá đỡ động cơ: CFRP với mật độ sợi 60–70 % cho độ bền kéo vượt trội;
• Ốp trang trí nội thất: ABS–GF (ABS gia cố sợi thủy tinh) cho bề mặt bóng mịn.

Ở hàng không vũ trụ, CFRP và CFRP hybrid (CFRP + hạt nano) ứng dụng trong cánh máy bay, thân vỏ và cánh lá turbine, nhờ tỉ lệ độ bền/trọng lượng cao và khả năng chống mỏi mệt trong điều kiện áp suất biến thiên.

Trong xây dựng, FRP (fiber-reinforced polymer) dùng làm vật liệu gia cố kết cấu bê tông cốt thép, phục hồi cầu cũ và tấm ốp chịu lực, nhờ chống ăn mòn và lắp đặt nhanh. Ngoài ra, composite polymer dẫn nhiệt cao như PE–BN (polyethylene + boron nitride) dùng làm tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất.

Thách thức và xu hướng nghiên cứu

Khó tái chế composite polymer do liên kết hóa học bền giữa ma trận và chất độn. Nhiều nghiên cứu phát triển phương pháp phân tách nhiệt-kim loại (thermochemical recycling), tái sử dụng sợi thủy tinh và carbon bằng cách xử lý solvolysis hoặc pyrolysis ở 400–600 °C.

Nghiên cứu composite tự lành (self-healing) ứng dụng polymer có khả năng tự phục hồi vết nứt khi gặp nhiệt hoặc xúc tác ánh sáng. Ví dụ epoxy chứa vi nang chứa chất đóng rắn và xúc tác, khi vết nứt mở ra sẽ giải phóng chất đóng rắn, kết nối lại mao mạch.

• Composite dẫn điện mềm: gắn hạt graphene hoặc nanoplatelet để làm chất dẫn điện linh hoạt;
• Composite sinh học (bio-composite): sử dụng polymer phân hủy sinh học (PLA) kết hợp sợi tự nhiên (kenaf, flax) cho đóng gói thân thiện môi trường;
• Composite đa chức năng: tích hợp cảm biến áp suất, nhiệt độ, độ ẩm vào vật liệu cho ứng dụng IoT và robot mềm.

Xu hướng ứng dụng machine learning để dự đoán tính chất composite dựa trên dữ liệu vi cấu trúc và thành phần, giảm thời gian thử nghiệm vật liệu mới. Công nghệ in 3D composite polymer (direct ink writing, fused filament fabrication) đang phát triển nhanh, cho phép in chi tiết phức tạp, định hướng cục bộ tính chất cơ lý.

Tài liệu tham khảo

1. Mallick P. K. Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and Design. 4th ed., CRC Press; 2018.
2. Hull D., Clyne T. W. An Introduction to Composite Materials. 2nd ed., Cambridge University Press; 1996.
3. National Institute of Standards and Technology. “Composite Materials Database.” NIST; 2022. nist.gov
4. European Polymer Journal. “Recent Advances in Polymer Composites.” Elsevier; 2023.
5. ScienceDirect. “Polymer Composites.” sciencedirect.com