Vật liệu composit là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Vật liệu composit là gì?

Vật liệu composit (hay vật liệu tổ hợp) là loại vật liệu được hình thành từ hai hoặc nhiều thành phần riêng biệt về hóa học và vật lý, được kết hợp với nhau để tạo ra một vật liệu mới có tính năng vượt trội hơn mỗi thành phần đơn lẻ. Theo định nghĩa trên trang AZoM, các kỹ sư chọn pha nền (matrix) và pha gia cường (reinforcement) với đặc tính như độ bền cao, khả năng chịu nhiệt hoặc độ bền mỏi nhằm đáp ứng yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Vật liệu composit có thể là sự kết hợp giữa polymer, kim loại hoặc gốm với sợi gia cường như carbon, thủy tinh, hoặc các hạt nano để nâng cao tính năng cơ học và hóa học.

Khái niệm tổ hợp này đặt ra mục tiêu tận dụng ưu điểm của từng thành phần: pha nền giữ chức năng bám dính và phân bố ứng suất, trong khi pha gia cường cung cấp độ cứng, độ bền kéo hoặc chịu tải. Ví dụ, trong một vật liệu composit sợi gia cường polymer (Fiber Reinforced Polymer – FRP), sợi carbon hoặc sợi thủy tinh thực hiện chức năng chịu lực kéo, còn nhựa epoxy hoặc polyester làm ma trận ổn định hình dạng và phân phối tải. Vì vậy, composit đã trở thành lựa chọn ưu việt cho các ứng dụng đòi hỏi khối lượng nhẹ nhưng độ bền cao, đặc biệt trong ngành hàng không‑vũ trụ, ô tô, công trình và y sinh.

Khả năng tùy biến rất lớn của vật liệu composit đến từ việc lựa chọn các thành phần phù hợp và điều chỉnh tỷ lệ từng pha. Chẳng hạn, một composit có thể sử dụng pha nền polymer nhiệt rắn (thermoset) như epoxy để đạt độ bền và ổn định cao, hoặc dùng pha nền kim loại (metal matrix) như nhôm để có thể chịu tải lớn và truyền nhiệt tốt. Việc lựa chọn này phụ thuộc nhiều vào môi trường ứng dụng — ví dụ xử lý nhiệt độ cao, môi trường ăn mòn, tải trọng va đập hoặc yêu cầu giảm khối lượng.

Một điểm đặc biệt của vật liệu composit là tính anisotropy cao – tức tính hướng nhiều hơn các vật liệu đồng thể thông thường. Vì sợi hoặc hạt gia cường thường bố trí theo một hoặc nhiều hướng xác định, khả năng chịu lực của composit có thể được tối ưu hóa theo hướng cần thiết. Theo hướng này, các kỹ sư có thể thiết kế vật liệu để chịu kéo mạnh theo hướng sợi, trong khi vẫn giữ khối lượng thấp và khả năng chịu nén hoặc uốn tốt hơn. Nhờ vậy, composit không chỉ là “vật liệu thay thế” kim loại hay gốm mà còn mở ra các thiết kế hoàn toàn mới cho cấu trúc và linh kiện.

Các thành phần cơ bản của composit

Một vật liệu composit cơ bản gồm hai thành phần chính là pha nền (matrix) và pha gia cường (reinforcement). Theo hướng dẫn từ KPC (Composites Knowledge in Practice Centre), pha nền là pha liên tục bao quanh và liên kết các phần tử gia cường, chịu trách nhiệm truyền tải lực giữa các sợi/ hạt và bảo vệ chúng khỏi môi trường.

Pha nền thường được chọn từ các vật liệu như polymer (epoxy, polyester, thermoplastic), kim loại (nhôm, titan, hợp kim) hoặc gốm (silicon carbide, alumina) tùy theo ứng dụng. Nhiệm vụ của ma trận bao gồm đóng gói các sợi/ hạt, định hình cấu trúc vật liệu và mức độ bảo vệ khỏi môi trường như mài mòn, ăn mòn, ẩm ướt.

Pha gia cường là phần tử chịu lực chính, thường có dạng sợi liên tục, sợi ngắn, hạt hoặc tấm. Chúng cung cấp độ bền kéo, độ cứng và khả năng chịu tải lớn cho vật liệu composit. Theo bài viết “Introduction to Composite Materials” từ AddComposites, pha gia cường có thể chịu lực kéo vượt trội so với ma trận, và khi được ổn định trong ma trận phù hợp, có thể tạo ra kết quả vượt trội hơn thép đồng nhất.

Ngoài hai thành phần chính, còn có một vùng cực kỳ quan trọng là “giao diện” (interface) giữa ma trận và gia cường. Chất lượng liên kết ở giao diện ảnh hưởng lớn đến khả năng truyền tải ứng suất và độ bền mỏi của vật liệu. Nếu liên kết kém, có thể xảy ra bong tách, trượt sợi hoặc phân cắt sợi‑ma trận. Chính vì vậy, trong thiết kế composit, việc xử lý bề mặt sợi, thêm chất coupling hoặc cải thiện tính tương thích giữa ma trận và sợi là bước then chốt để đảm bảo hiệu suất.

Phân loại vật liệu composit

Vật liệu composit có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, trong đó phổ biến nhất là theo loại ma trận và theo cấu trúc gia cường. Ví dụ, theo loại ma trận, có thể phân thành:

• Composit nền polymer (Polymer Matrix Composites – PMC): ma trận polymer kết hợp với sợi hoặc hạt – phổ biến trong ô tô, thể thao, hàng không.
• Composit nền kim loại (Metal Matrix Composites – MMC): sử dụng ma trận kim loại như nhôm hoặc titan, thường dùng trong chịu tải và truyền nhiệt.
• Composit nền gốm (Ceramic Matrix Composites – CMC): ma trận gốm với pha gia cường sợi gốm – được dùng trong môi trường nhiệt cực cao như tuabin hoặc vỏ tàu vũ trụ.

Theo cấu trúc gia cường và cách bố trí sợi/hạt, có các dạng như:

• Composit sợi liên tục (Continuous Fibre Reinforced): sợi dài chịu lực tốt, thường dùng trong các bộ phận chịu lực lớn.
• Composit sợi ngắn hoặc sợi ngẫu nhiên (Short Fibre Reinforced): sản xuất dễ hơn, chi phí thấp hơn nhưng hiệu suất cơ học thấp hơn.
• Composit hạt hoặc tấm (Particulate or Laminated Composites): hạt hoặc tấm gia cường phân bố trong ma trận, thích hợp cho các ứng dụng chịu mài mòn, va đập hoặc chịu nhiệt.

Việc phân loại rõ dạng composit giúp kỹ sư lựa chọn phù hợp với mục tiêu thiết kế: nếu cần độ bền cao và khối lượng thấp, thường dùng sợi carbon liên tục; nếu cần sản xuất hàng loạt tiết kiệm, có thể dùng sợi thủy tinh ngắn trong polymer.

Quy trình chế tạo vật liệu composit

Việc chế tạo vật liệu composit phụ thuộc vào loại ma trận, hình dạng và ứng dụng cuối cùng. Một số phương pháp phổ biến gồm:

• Ép khuôn chuyển (Resin Transfer Molding – RTM): ma trận nhựa được tiêm vào khuôn chứa sợi đã định vị.
• Đắp tay (Hand Lay‑up): xếp sợi và nhựa thủ công, thường dùng cho sản xuất nhỏ hoặc sửa chữa.
• Cuốn sợi (Filament Winding): sợi cuốn quanh lõi theo hướng xác định rồi nhựa được làm đặc; thường dùng cho ống, bình áp lực.
• Ép nóng (Hot Pressing) hoặc ép đúc (Hot Molding): phổ biến cho composit nền kim loại hoặc gốm, cần nhiệt và áp suất cao để tạo liên kết giữa pha ma trận và pha gia cường.

Công nghệ hiện đại như in 3D vật liệu composit hoặc các kỹ thuật ngoài lò (Out‑of‑Autoclave) đang mở ra hướng đi mới trong sản xuất, đặc biệt cho ngành hàng không và y tế cá nhân hóa.

Bảng dưới đây tóm tắt một số phương pháp chế tạo chính và đặc điểm ứng dụng:

Khi chế tạo, việc kiểm soát khuyết tật như rỗ, bong tách sợi, phân bố sợi không đều hoặc tỳ lệ pha sai là rất quan trọng. Vì composit là vật liệu phức hợp nên quá trình sản xuất thường đòi hỏi quá trình chuẩn bị kỹ sư, máy móc và kiểm tra chất lượng cao.

Tính chất cơ học và vật lý nâng cao của vật liệu composit

Vật liệu composit ngày càng được phát triển nhằm đạt được các “chỉ số vàng” – tỉ lệ độ bền/khối lượng cao, mô‑đun đàn hồi lớn và khả năng tùy biến theo hướng tải. Theo tổng quan trên ScienceDirect “Review of composite materials and applications”, các ưu điểm nổi bật của vật liệu composit bao gồm: khối lượng nhẹ, độ bền kéo lớn, khả năng chịu mỏi và chống ăn mòn tốt hơn so với vật liệu kim loại hoặc gốm đồng nhất.

Khối lượng riêng thường thấp hơn từ 30 % đến 50 % so với vật liệu kim loại tương đương. Ví dụ, composit sợi carbon‑ma trận polymer có khối lượng chỉ khoảng 1.6–1.8 g/cm³ trong khi thép là khoảng 7.8 g/cm³. Việc giảm trọng lượng đồng nghĩa với giảm năng lượng tiêu hao (phanh, tăng tốc) trong ngành ô tô và hàng không.

Anisotropy (tính bất định hướng): do pha gia cường như sợi hoặc tấm được bố trí theo hướng rõ ràng, tính chất cơ học phụ thuộc mạnh vào hướng tải. Ví dụ sợi liên tục theo trục chịu kéo có thể đạt độ bền rất cao theo hướng sợi, nhưng chịu nén hoặc uốn ngang thường thấp hơn nhiều. Kỹ thuật thiết kế sợi theo hướng tải đã tận dụng đặc điểm này để tối ưu hóa cấu trúc.

Khả năng truyền nhiệt, dẫn điện hoặc cách nhiệt của composit cũng có thể được tối ưu. Các nghiên cứu mới về truyền nhiệt trong vật liệu composit chỉ ra rằng việc tích hợp các hạt nano hoặc điều chỉnh cấu trúc pha có thể cải thiện độ dẫn nhiệt hoặc cách nhiệt phù hợp ứng dụng.

Ứng dụng trong công nghiệp và đời sống

Composit hiện được ứng dụng rộng rãi và đa dạng trong nhiều ngành công nghiệp: hàng không‑vũ trụ, ô tô, xây dựng, năng lượng tái tạo và y sinh. Theo bài “Advances in lightweight composite structures…” từ PMC, các cấu trúc composit nhẹ đã thay đổi cách thiết kế và chế tạo khối lượng lớn.

Trong hàng không‑vũ trụ, thân máy bay, cánh, nắp động cơ và linh kiện chịu tải lớn thường được làm từ composit sợi carbon/epoxy để giảm trọng lượng và tăng hiệu suất nhiên liệu. Trong ngành ô tô, cấu kiện thân vỏ, cửa, nắp capo từ composit giúp giảm khối lượng xe và tăng khoảng cách đi được bằng mỗi lít nhiên liệu. Các tua‑bin gió và cánh quạt cũng sử dụng vật liệu composit do độ bền kéo lớn và khả năng chịu uốn cao.

Trong xây dựng, composit được ứng dụng ở tấm ốp mặt dựng, cầu, sàn, thanh gia cường bê tông và vách nhẹ để tiết kiệm trọng lượng và chống ăn mòn ở môi trường biển. Trong y‑sinh, composit polymer‑gốm dùng làm implant, bộ phận chân tay giả, phục hồi thấy rõ lợi ích từ việc tùy biến hình dạng và tính đàn hồi gần gốc xương.

Các nghiên cứu gần đây còn hướng đến ứng dụng bền vững: sử dụng sợi tự nhiên hoặc ma trận sinh học, chế tạo composit “xanh” thân thiện với môi trường và có khả năng tái chế. Ví dụ nghiên cứu “Green composite materials supply chains” tập trung vào chuỗi cung ứng vật liệu tổ hợp bền vững trong tiến trình hướng tới Industry 5.0.

Quy trình kiểm soát khuyết tật và đảm bảo chất lượng

Quá trình sản xuất composit thường rơi vào các khâu tiềm ẩn khuyết tật: bó sợi không đều, bong tách giao diện sợi‑ma trận, rỗ khí (voids) hoặc sợi bị phá hủy. Những khuyết tật này ảnh hưởng rất lớn tới tính năng cuối cùng – theo nghiên cứu void (composites), chỉ 1‑3% tăng rỗ khí có thể giảm 20 % tính chất cơ học.

Kiểm tra không phá hủy (Non‑Destructive Testing – NDT) là bước cần thiết trong vòng đời vật liệu composit: các kỹ thuật bao gồm kiểm tra siêu âm, phát xạ âm thanh (acoustic emission), ảnh nhiệt hồng ngoại (infrared thermography), chụp X‑ray hoặc neutron để phát hiện khuyết tật nội tại. Nghiên cứu “Non‑destructive testing and evaluation of composite materials/structures” tổng hợp các phương pháp và xu hướng tương lai của NDT cho composit.

Trong bảng dưới đây tóm tắt một số khuyết tật phổ biến và ảnh hưởng của chúng:

Hướng phát triển công nghệ và nghiên cứu tương lai

Tương lai vật liệu composit đang hướng đến ba xu hướng chính: (1) tích hợp đa chức năng (multi‑functional composites), (2) sử dụng sợi và ma trận tái chế hoặc sinh học, và (3) kiểm soát chuỗi cung ứng bền vững. Ví dụ, nghiên cứu về “structural battery composites” – composit mang cả chức năng kết cấu và lưu trữ năng lượng – đang mở ra ứng dụng trong xe điện và hàng không.

Công nghệ in 3D và sản xuất ngoài autoclave (Out‑of‑Autoclave) giúp giảm thời gian và chi phí sản xuất composit, đồng thời cho phép tạo hình phức tạp và cá nhân hóa chi tiết. Nghiên cứu “Production Technologies and Application of Polymer Composites” cho thấy sự gia tăng tích hợp hạt nano và hybrid composit để nâng cao hiệu năng trong sản xuất.

Việc chuyển hướng sang chuỗi cung ứng xanh cũng được chú trọng: nghiên cứu về “Sustainable composite materials supply chains” phân tích các chỉ số KPI trong chuỗi cung ứng và đặt ra lộ trình cho ngành composit trong kỷ nguyên Industry 5.0.

Tài liệu tham khảo

1. “Review of composite materials and applications”. ScienceDirect, 2023. doi link
2. “A Review on Composite Materials: Advantages and Applications”. IJAEM, 2021. PDF
3. “Production Technologies and Application of Polymer Composites in – MDPI”, 2023. link
4. “A Review on the Fabrication and Mechanical Characterization of Fibrous Composites for Engineering Applications”. J. Compos. Sci., 2023. link
5. “Towards Industry 5.0: A Systematic Literature Review on Sustainable and Green Composite Materials Supply Chains”. arXiv, 2024. link