Tin tức

Vật liệu Composite là gì? Tìm hiểu về chất liệu Composite trong đời sống
2025-05-22 10:32:16
146

Trong thế giới hiện đại, vật liệu composite ngày càng xuất hiện phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau: từ xây dựng, giao thông vận tải cho đến hàng tiêu dùng và hàng không vũ trụ. Sở hữu nhiều đặc tính ưu việt như nhẹ, bền, chống ăn mòn tốt, chất liệu composite đang dần thay thế nhiều vật liệu truyền thống. Vậy vật liệu composite là gì? Vì sao nó lại trở thành xu hướng trong thiết kế và sản xuất? Hãy cùng Sơn Hà dự án khám phá trong bài viết dưới đây.

1. Vật liệu composite là gì?

Vật liệu composite (hay còn gọi là vật liệu tổng hợp) là loại vật liệu được cấu tạo từ hai hay nhiều thành phần vật liệu khác nhau, nhằm tạo ra một sản phẩm có những đặc tính vượt trội hơn so với từng thành phần riêng lẻ.

Thông thường, vật liệu composite bao gồm:

  • Pha nền (matrix): Là thành phần liên kết và bao bọc các pha còn lại, thường là nhựa (nhựa nhiệt rắn hoặc nhiệt dẻo).

  • Pha gia cường (reinforcement): Là thành phần tăng cường độ bền, độ cứng, thường là sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi aramid, v.v.

Việc kết hợp các vật liệu này giúp composite có thể chịu lực tốt, trọng lượng nhẹ, kháng hóa chất, chịu nhiệt cao và độ bền cơ học vượt trội. Hiện nay, chất liệu này với sự phát triển của khoa học công nghệ đã có mặt trên toàn cầu để đưa vào trong ứng dụng rất nhiều lĩnh vực khác nhau.

2. Thành phần và cấu tạo của vật liệu Composite

Như đã đề cập ở trên, một sản phẩm chất liệu composite thường gồm hai phần chính:

2.1. Pha nền (Matrix)

Vật liệu nền hay còn gọi là pha nền có vai trò đảm bảo cho các thành phần cốt của composite liên kết với nhau nhằm tạo ra tính nguyên khối và thống nhất. Có các dạng vật liệu nền điển hình như nền hữu cơ (nền nhựa), nền kim loại, nền khoáng, nền gốm. Vật liệu nền cũng đóng vai trò bảo vệ vật liệu khỏi các tác nhân môi trường như độ ẩm, hóa chất, tia UV,…

Các loại pha nền phổ biến gồm:

  • Chất liệu nền polyme nhiệt rắn: Nhựa polyester và nhựa epoxy được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp composite. Ngoài ra, còn có nhóm nhựa cô đặc như: nhựa phenol, nhựa furan, nhựa amin, nhựa epoxy

  • Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo: Gồm PVC, nhựa polyetylen, nhựa polypropylene, nhựa polyamide,...

  • Chất liệu nền carbon

  • Chất liệu nền kim loại: Các kim loại được sử dụng nhiều là: nhôm, niken, đồng…

2.2. Pha gia cường (Reinforcement)

Pha gia cường giúp tăng khả năng chịu lực, tăng độ cứng cho vật liệu composite. Các vật liệu gia cường thường ở dạng sợi và dạng cốt hạt.

Một số loại vật liệu gia cường thông dụng:

  • Sợi thủy tinh (Glass fiber): Đây là loại sợi được tạo ra từ các loại thủy tinh có khả năng kéo sợi, thường được gọi là thủy tinh dệt. Với đường kính chỉ vài chục micromet, các sợi thủy tinh không còn mang những đặc tính tiêu cực như độ giòn hay dễ nứt gãy vốn có của thủy tinh dạng khối, từ đó giúp cải thiện đáng kể tính cơ học của vật liệu.

  • Sợi carbon (Carbon fiber): Còn gọi là sợi graphit, sợi carbon có cấu trúc tinh thể dạng lớp với khoảng cách giữa các lớp khoảng 3,35 Å. Trong mỗi lớp, các nguyên tử carbon được sắp xếp theo hình lục giác đều với khoảng cách giữa các nguyên tử khoảng 1,42 Å. Vật liệu này nổi bật bởi độ bền cơ học cao, một số loại sợi carbon còn có đặc tính tương đương hoặc vượt trội hơn so với sợi thủy tinh, đồng thời chịu được nhiệt độ rất cao.

  • Sợi Bor: Đây là loại sợi gốm được sản xuất bằng phương pháp kết tủa. Trên thị trường, sợi Bor có thể được cung cấp dưới nhiều dạng như: sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ chạy song song, dải băng đã được xử lý bề mặt để sử dụng trong các ứng dụng quấn ống, hoặc vải dạng đồng phương. Thành phần hóa học chính của sợi là nguyên tố Bor (B).

  • Sợi tự nhiên (sợi dừa, sợi gai, sợi lanh…)

Ngoài hai thành phần chính trên, vật liệu composite còn có thể chứa phụ gia, chất ổn định, chất chống tia UV, chất chống cháy tùy theo yêu cầu kỹ thuật và môi trường sử dụng.

3. Vật liệu composite được phân loại như thế nào?

Tùy theo cách tiếp cận, vật liệu composite có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau:

3.1. Phân loại theo vật liệu nền

  • Tổng hợp nền hữu cơ: Ví dụ như composite nền giấy (cáctông), composite nền nhựa, nền nhựa đường, nền cao su (tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xe máy),... 

Nhóm vật liệu này có thể được gia cường bằng nhiều loại sợi khác nhau như sợi hữu cơ (ví dụ: polyamide, kevlar – một loại sợi aramid nổi tiếng với độ bền cơ học cao), sợi vô cơ như sợi thủy tinh, sợi carbon, hoặc sợi kim loại như sợi Bo hay nhôm. Tuy nhiên, hạn chế lớn của composite nền hữu cơ là khả năng chịu nhiệt kém, thông thường chỉ dao động trong khoảng 200 – 300°C.

  • Tổng hợp nền khoáng chất: Gồm các vật liệu như bê tông, bê tông cốt thép, vật liệu nền gốm hoặc tổ hợp carbon-carbon. Những vật liệu này thường được kết hợp với các loại cốt như sợi kim loại (thép, Bo...), hạt kim loại phủ gốm hoặc các loại hạt gốm như carbide hoặc nitride. Ưu điểm nổi bật của nhóm này là khả năng chịu tải trọng lớn và bền bỉ trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

  • Tổng hợp nền kim loại: Sử dụng nền là các kim loại hoặc hợp kim, phổ biến là hợp kim titan và hợp kim nhôm. Những vật liệu này thường được gia cường với sợi kim loại (như sợi Bo) hoặc sợi khoáng (sợi carbon, sợi silicon carbide – SiC...). Composite nền kim loại có khả năng chịu nhiệt tốt, độ bền cao, thường được ứng dụng trong ngành hàng không, quốc phòng và công nghiệp ô tô cao cấp.

3.2. Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường

  • Vật liệu tổng hợp cốt sợi: Sợi là loại vật liệu có một chiều kích thước (gọi là chiều dài) lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước không gian còn lại. Theo hai chiều kia chúng phân bố gián đoạn trong vật liệu composite, còn theo chiều dài thì chúng có thể ở dạng liên tục hay gián đoạn. Ta thường thấy các loại vật liệu cốt sợi này gắn liền với từ composite trong tên gọi. Các sản phẩm composite dân dụng thường là được chế tạo từ loại vật liệu composite cốt sợi, trên nền nhựa là chủ yếu.

  • Vật liệu tổng hợp cốt hạt: Hạt là loại vật liệu gián đoạn, khác sợi là không có kích thước ưu tiên. Loại vật liệu composite cốt hạt phổ biến nhất chính là bê tông, thường lại được gọi ngắn gọn chỉ là bê tông, nên ta thường thấy cái được gọi là composite lại là vật liệu composite cốt sợi.

  • Vật liệu tổng hợp cốt hạt và sợi: Bê tông là một loại tổng hợp nền khoáng chất. Khi bê tông kết hợp với cốt thép tạo nên bê tông cốt thép.

4. Top 5+ câu hỏi về vật liệu Composite

Đây là phần tổng hợp những câu hỏi phổ biến liên quan đến chất liệu composite, đặc biệt hữu ích cho người mới bắt đầu tìm hiểu về loại vật liệu này.

4.1. Chất liệu Composite có ưu điểm gì?

Chất liệu composite được ưa chuộng nhờ những ưu điểm nổi bật như:

  • Trọng lượng nhẹ nhưng độ bền cao

  • Chống ăn mòn và kháng hóa chất tốt

  • Khả năng cách nhiệt, cách điện tốt

  • Tính linh hoạt trong thiết kế, dễ tạo hình

  • Độ bền mỏi và tuổi thọ cao

  • Bảo trì thấp, không bị han gỉ như kim loại

Những đặc tính này giúp composite trở thành lựa chọn ưu tiên trong công nghiệp hàng không, ô tô, xây dựng, y tế, thể thao,…

4.2. Chất liệu Composite có nhược điểm không?

Bên cạnh ưu điểm, vật liệu composite cũng tồn tại một số nhược điểm như:

  • Chi phí sản xuất cao hơn so với vật liệu truyền thống

  • Khó tái chế

  • Tính dẫn nhiệt kém

  • Phương pháp gia công đòi hỏi kỹ thuật và máy móc chuyên dụng

Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, nhiều hạn chế trên đang dần được khắc phục.

4.3. Nhựa có phải là vật liệu Composite không?

Đây là một khái niệm mà nhiều người thường nhầm lẫn. Thực tế, có một số loại nhựa tổng hợp được xếp vào nhóm vật liệu composite  không phải tất cả các loại nhựa (plastic) đều là composite.

Phần lớn các sản phẩm nhựa thông dụng mà chúng ta thường gặp trong đời sống hàng ngày như chai nhựa, đồ chơi hay vật dụng sinh hoạt đều được làm từ nhựa nguyên sinh, không chứa thành phần gia cường nên không được coi là vật liệu composite.

Ngay cả các loại nhựa polymer như polyester, epoxy, vinyl ester hay phenolic khi không được kết hợp với cốt liệu như sợi thủy tinh hoặc sợi carbon thì chúng cũng chỉ đơn thuần là nhựa, chứ không phải vật liệu composite.

4.4. Những vật liệu Composite phổ biến

Dưới đây là một số loại vật liệu composite phổ biến:

Tên vật liệu Composite

Thành phần chính

Ứng dụng

FRP (Fiber Reinforced Polymer)

Nhựa + sợi thủy tinh

Ống dẫn, bể chứa, vỏ tàu

CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer)

Nhựa + sợi carbon

Ô tô thể thao, máy bay

GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer)

Nhựa + sợi thủy tinh

Xây dựng, đồ nội thất

Kevlar Composite

Nhựa + sợi aramid

Áo giáp, mũ bảo hiểm

Natural Fiber Composite

Nhựa + sợi tự nhiên

Nội thất ô tô, vật liệu xanh

4.5. Ứng dụng vật liệu Composite trong thực tế 

Vật liệu composite được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

  • Hàng không vũ trụ: Thân máy bay, cánh quạt, vệ tinh

  • Ô tô: Thân xe, bảng điều khiển, ghế ngồi

  • Xây dựng: Tấm ốp tường, cột chịu lực, mái che

  • Hàng hải: Vỏ tàu, xuồng cứu hộ, cano\

  • Y tế: Thiết bị phục hồi chức năng, dụng cụ phẫu thuật

  • Thể thao: Vợt tennis, gậy golf, xe đạp

4.6. Xu hướng phát triển của chất liệu Composite trong tương lai

Trong tương lai, chất liệu composite hứa hẹn sẽ được cải tiến vượt bậc và ứng dụng rộng rãi hơn nhờ sự phát triển của các công nghệ sản xuất hiện đại. Những tiến bộ này không chỉ giúp giảm giá thành mà còn mở ra khả năng tái chế hiệu quả, góp phần thúc đẩy xu hướng sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường. 

Bên cạnh đó, việc kết hợp sợi tự nhiên và nhựa sinh học đang trở thành một hướng đi đầy triển vọng trong bối cảnh toàn cầu ưu tiên vật liệu xanh. Trí tuệ nhân tạo (AI) cũng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa cấu trúc và đặc tính vật liệu composite, giúp tăng hiệu suất sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Đặc biệt, sự phát triển mạnh mẽ của các lĩnh vực như hàng không, vũ trụ và ô tô điện – nơi yêu cầu cao về vật liệu nhẹ nhưng bền chắc – sẽ tạo ra động lực lớn để composite tiếp tục giữ vững vai trò then chốt trong cuộc cách mạng vật liệu của thế kỷ 21

5. Kết luận 

Vật liệu composite là bước tiến lớn trong ngành công nghiệp vật liệu, mang đến sự kết hợp hoàn hảo giữa nhẹ, bền và khả năng chống chịu vượt trội. Nhờ vào những đặc tính ưu việt, chất liệu composite ngày càng trở nên phổ biến và không thể thiếu trong sản xuất hiện đại.

Hy vọng qua bài viết này, bạn đã có cái nhìn tổng thể về vật liệu composite, từ khái niệm, phân loại đến ứng dụng thực tế. Nếu bạn đang tìm kiếm một loại vật liệu chất lượng cao, phù hợp cho các yêu cầu kỹ thuật khắt khe – composite chắc chắn là lựa chọn đáng để cân nhắc.