Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Chương 5+6: Cấu trúc vật liệu polyme - Lê Văn Thăng

CƠ SỞ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
GIỚI THIỆU SẢN PHẨM TỪ POLYME
NGUỒN GỐC CỦA POLYME
 Từ thiên nhiên: cao su thiên nhiên, xenlulo.
NGUỒN GỐC CỦA POLYME
 Từ sợi nhân tạo: xenlulo acetat, xenlulo 
nitrat.
 Từ sợi tổng hợp: polyetylen, polypropylen, 
polystyren, polyvinylclorua 
HÌNH ẢNH VỀ PHÂN TỬ POLYME
Định nghĩa polyme:
 Polyme là những chất có trọng lượng phân tử lớn và 
chứa những nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử lặp đi 
lặp lại.
Ví dụ polyetylen: 
nCH2=CH2 -CH2-CH2-CH2-CH2-
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.1 Khái niệm, định nghĩa
nCH2=CH2 -CH2-CH2-CH2-CH2-
-(CH2-CH2)n-
 Số lượng mắt xích cơ sở có trong một 
phân tử gọi là độ trùng hợp n.
Mp: khối lượng phân tử của Polyme 
Mu: khối lượng phân tử của một mer
u
p
M
M
n 
 Khối lượng phân tử và sự phân bố
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.1 Khái niệm, định nghĩa
 Khối lượng phân tử và sự phân bố
 Khối lượng phân tử trung bình số:
 Khối lượng phân tử trung bình khối:



x
i
x
ii
x
i
x
i
n
N
NM
N
N
M
N
N
MM
1
1
1
2
2
1
1
1 .....



x
ii
x
ii
x
ii
x
ii
w
NM
NM
NM
NM
M
NM
NM
MM
1
1
2
1
22
2
1
11
1 .....
Polyme A Polyme B
Số phân tử Khối lượng 
phân tử
Số phân tử Khối lượng 
phân tử
500 5000 400 5000
2 125000 366 6000
15909/5478=2.9 5523/5478=1.008
nM
wM
5478
502
21250005005000
 5478
766
36660004005000
15909
21250005005000
21250005005000 22
5523
36660004005000
36660004005000 22
nw MM /
 Độ phân tán khối lượng phân tử:
1=P 
1
1
2
1
1




nM
wM
x
i
N
i
M
x
i
N
i
M
wM
x
i
N
x
i
N
i
M
nM
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.2 Nhiệt độ nóng chảy Tm và nhiệt độ 
chuyển thủy tinh Tg
 Polyme vô định hình không có nhiệt độ nóng chảy 
Tm xác định, do tính phân bố lộn xộn của nó.
 Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển thủy tinh Tg, 
các đoạn mạch không chuyển động và polyme 
thường bị giòn. Khi nhiệt độ tăng lên gần đến Tg, các 
đoạn mạch phân tử bắt đầu di chuyển. Khi nhiệt độ 
lớn hơn Tg, nếu không có mặt tinh thể nào, polyme 
sẽ đủ linh động và thể hiện tính lỏng nhớt (viscous 
liquid) cao. Độ nhớt sẽ giảm khi tăng nhiệt độ.
 Trong polyme bán kết tinh, sự di chuyển của phân tử bị 
ngăn cản bởi các vùng tinh thể, cho đến khi nhiệt độ lớn 
hơn Tm sẽ tạo thành dạng vật liệu nhớt đàn hồi.
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.3 Tổng hợp polyme
 Phương pháp trùng hợp:
 Các polyme trùng hợp được tạo thành 
bằng cách cộng liên tiếp các monomer để 
tạo thành mạch polymer mà không tách 
loại bất cứ phần nào của monomer. 
nCH2=CH2 -CH2-CH2-CH2-CH2-
 Phương pháp trùng ngưng:
 Phản ứng xảy ra giữa các monomer có hai 
nhóm chức và có tách loại các phân tử nhỏ 
như H2O, HCl, 
 Trùng ngưng giữa hexametylen và axit adipic 
để tạo thành Nylon 66.
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.3 Phân loại polyme
Theo nguồn gốc 
Phân loại polyme
Theo tính chất cơ lý
Theo cấu trúc mạch
Theo cấu trúc lập thể
Theo cấu tạo mạch Theo công dụng
 Theo nguồn gốc
 Tự nhiên: cao su thiên nhiên, xenlulo.
 Nhân tạo: xenlulo acetat, xenlulo nitrat.
 Tổng hợp: polyetylen, polypropylen, polystyren, 
polyvinylclorua 
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.3 Phân loại polyme
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.3 Phân loại polyme
Theo nguồn gốc 
Phân loại polyme
Theo tính chất cơ lý
Theo cấu trúc mạch
Theo cấu trúc lập thể
Theo cấu tạo mạch Theo công dụng
 Theo cấu tạo mạch
 Polyme mạch Carbon: 
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.2 Phân loại polyme
 Polyme dị mạch:
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.3 Phân loại polyme
Theo nguồn gốc 
Phân loại polyme
Theo tính chất cơ lý
Theo cấu trúc mạch
Theo cấu trúc lập thể
Theo cấu tạo mạch Theo công dụng
 Theo cấu trúc mạch:
 Polyme mạch thẳng:
 Polyme mạch nhánh:
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.2 Phân loại polyme
 Polyme không gian:
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.3 Phân loại polyme
Theo nguồn gốc 
Phân loại polyme
Theo tính chất cơ lý
Theo cấu trúc mạch
Theo cấu trúc lập thể
Theo cấu tạo mạch Theo công dụng
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.2 Phân loại polyme
 Theo cấu trúc lập thể:
 Polyme điều hòa:
 polyme isotactic:
 polyme syndiotactic:
 Đồng phân cis-cis
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
B
A
A
B
B
A
CH
2
CH
3
H
CH
2
CH
2
H
CH
2
CH
2
CH
3
CH
2
H
CH
3
... ...
 Đồng phân trans - trans:
 Polyme không điều hòa:
 polyme atactic: A
B B
A
A B
B A
CH
2
CH
3
CH
2
CH
2
CH
3
CH
2
CH
2
CH
3
CH
2
H
H
H
...
...
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.3 Phân loại polyme
Theo nguồn gốc 
Phân loại polyme
Theo tính chất cơ lý
Theo cấu trúc mạch
Theo cấu trúc lập thể
Theo cấu tạo mạch Theo công dụng
 Theo công dụng:
 Chất dẻo
 Sợi 
 Cao su
 Sơn và keo dán
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.2 Phân loại polyme
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.2 Phân loại polyme
Theo nguồn gốc 
Phân loại polyme
Theo tính chất cơ lý
Theo cấu trúc mạch
Theo cấu trúc lập thể
Theo cấu tạo mạch Theo công dụng
 Theo tính chất cơ lý:
 Nhựa nhiệt dẻo:
PP, PE, PVC, PS
 Nhựa nhiệt rắn: 
Epoxy, polyeste, 
 Cao su (chất đàn hồi cao)
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.3 Phân loại polyme
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.4 Cấu hình và cấu trạng
 Cấu hình là trật tự sắp xếp của các nguyên tử 
trong mạch polyme, được quyết định bởi các liên 
kết hóa học
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
B
A
A
B
B
A
A
B B
A
A B
B A
 Cấu trạng là trật tự sắp xếp của các nguyên tử, tạo thành 
khi quay phân tử quanh một liên kết đơn. Phân tử càng có 
nhiều cấu trạng thì càng mềm dẻo, linh động cao. 
CH2F-CH2F Anti (trans) Eclipsed (cis) 
Eclipsed (cis) Gauch (+) Gauch (-)
 Mạch phân tử rất dài của polyme thường không 
thẳng do các nguyên tử cacbon trên mạch chính 
tạo với nhau một góc 109o và có thể quay tự do 
nếu giữa chúng là liên kết đơn. Mỗi nguyên tử 
cacbon có thể di chuyển trên một hình nón như 
hình vẽ.
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.5 Hình dạng của mạch polyme
 Khoảng cách giữa hai đầu cuối của mạch nhỏ hơn rất 
nhiều so với chiều dài của toàn mạch. 
 Cấu trúc như vậy quyết định các tính chất của polyme, 
trong đó có tính đàn hồi cao của caosu. 
 Tính chất cơ và nhiệt của polyme phụ thuộc rất nhiều 
vào khả năng quay của một đoạn mạch phân tử khi có 
ứng lực đặt vào hoặc nhiệt độ thay đổi.
 Phân tử polymer có thể tồn tại ở hai trạng thái vật 
lý riêng biệt: kết tinh (crystalline) và vô định hình 
(amorphous). Polymer không thể kết tinh 
100%(vật liệu bán kết tinh).
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.6 Cấu trúc vật lý của polyme
 Mức độ kết tinh sẽ phụ thuộc
 Tốc độ làm nguội
 Cấu hình của mạch. 
Dễ kết tinh Khó kết tinh
- Các nhóm chức nhỏ, 
đơn giản
- Mạch thẳng
- Mạch isotactic hoặc 
syndiotactic 
- Các nhóm chức lớn, 
phức tạp
- Mạch nhánh nhiều, có 
liên kết ngang, tạo mạng 
lưới
- Mạch atactic 
Chương 5: Cấu trúc vật liệu polyme
5.7 Cấu trúc ngoại vi phân tử của polyme
 Cấu trúc ngoại vi của polymer vô định hình.
 Các mạch phân tử ở dạng hình cầu nhỏ (globule) 
hoặc dạng mạch thẳng.
 Khi các dạng cầu này tiếp xúc với nhau, nó có thể tạo 
các cấu trúc cầu đa phân tử chứa nhiều hơn một 
mạch phân tử nếu mạch rất mềm dẻo
 Dạng bó tạo thành khi các mạch thẳng, cứng tiếp xúc 
với nhau. Một bó thì rất dài so với một mạch phân tử.
 Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển thủy tinh Tg, 
các bó tập hợp lại thành những tổ chức lớn hơn, 
gọi là cấu trúc vô định hình dạng sợi (amorphous 
fibrils) hoặc dạng nhánh cây (dendrites) 
 Ở nhiệt độ cao hơn Tg, khi độ linh động của các 
mạch phân tử và các bó đủ lớn, các bó sẽ kết hợp 
với nhau tạo thành cấu trúc dải (banded 
structure). 
 Ở trạng thái vô định hình, các phân tử polymer 
không phải bao giờ cũng nằm ở trạng thái cuộn 
rối hoặc sắp xếp không trật tự mà trái lại có thể 
sắp xếp theo những trật tự nhất định.
 Cấu trúc ngoại vi của polymer kết tinh.
 Bó là đơn vị cấu trúc cơ bản để polyme có khả năng 
kết tinh.
 Nếu bó tạo thành từ các mạch không điều hòa hoặc 
đôi khi với một số mạch điều hòa, lực nội phân tử có 
thể làm cho nó bị cong lại. Khi đó không thể tham gia 
vào quá trình kết tinh được.
 Polyme tinh thể có thể kết tinh theo hai hướng:
 Cấu trúc dạng tấm 
 Cấu trúc dạng sơi.
 Cơ chế tạo dạng tấm:
 Các bó gấp lại thành các dạng băng gấp để 
giảm năng lượng bề mặt dư.
 Các dạng băng gấp này sắp xếp lại với nhau 
tạo thành cấu trúc dạng tấm để giảm sức căng 
bề mặt
 Cơ chế tạo dạng sợi (fibrillar):
 Kết tinh bên trong các bó 
 Sắp xếp các bó kết tinh dọc thành sợi mà 
không tạo các gấp.
Thông thường, quá trình kết tinh dừng lại ở 
một trong các giai đoạn trung gian (bó, dảy 
ruybăng, tấm hoặc sơi).
 Sự tạo thành các đơn tinh thể
 Sắp xếp các dạng trung gian này, kèm theo sự giảm 
năng lượng bề mặt, tạo thành dạng tinh thể hình cầu 
(spherulite).
 Tinh thể hình cầu bao gồm các vùng tinh thể và vùng 
vô định hình.
CƠ SỞ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Chương 6: Vật liệu composit
Chương 6: Vật liệu composit
6.1 Khái niệm:
 Vật liệu composite là vật liệu được chế tạo từ hai 
hay nhiều thành phần khác nhau, nhằm mục đích 
tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn 
những vật liệu thành phần ban đầu.
KIM LOẠI 
COMPOSIT
POLYME CERAMIC
Composit
Chương 6: Vật liệu composit
6.2 Thành phần:
CốtNền +
Reinforcements 
• Support Load
Types
• Glass 
• Carbon
• Kevlar
• SiC
• Al2O3
Forms
• Continuous fiber
( UD, textile ) 
• short fiber, particle
Matrix 
• Isotropic
• Pass on Stresses
• Protects 
Reinforcements
Types
• Polymer (Thermoset, 
Thermoplastic) 
• Metal 
(Al, Mg,Cu, Ti, etc)
• Ceramic
Composite
• Anisotropic
• Hi strength & Modulus
• Toughness 
improvement
• corrosion resistance
• Tailor-ability
Types
• Polymer Composites 
• Metallic Composites 
• Ceramic Composites
 Nền là pha liên tục đóng vai trò : 
- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành khối 
compozit đồng nhất
- Che phủ và bảo vệ cốt tránh các hư hỏng cơ học 
và hoá học của môi trường 
- Truyền tải và phân bố tải trọng sang cốt sợi làm 
giảm ứng suất tập trung 
- Tạo khả năng dễ dàng tiến hành các phương 
pháp gia công compozit thành các chi tiết theo 
thiết kế.
 Cốt là pha gián đoạn đóng vai trò tạo nên độ bền 
cao, modul đàn hồi cao cho compozit. Do đó cốt 
phải có độ bền và module đàn hồi cao và phải có 
khối lượng riêng nhỏ.
Các yếu tố ảnh hưởng tính chất 
composit
 Bản chất nền và cốt.
 Liên kết nền và cốt.
 Tỷ lệ giữa nền và cốt.
 Sự định hướng và phân bố của cốt trong 
nền.
 Phương pháp gia công composit
 Cơ sở để phân loại VLC : 
- Theo bản chất của pha nền
- Theo hình học của cốt 
Theo bản chất của pha nền 
Chương 6: Vật liệu composit
6.3 Phân loại:
Vật liệu 
composit
Composit 
nền polyme
Composit 
nền ceramic
Composit nền hỗn 
hợp nhiều pha
Composit 
nền kim loại
 Theo hình học của cốt
Composit
Cốt hạt
Tấm ba 
lớp
(sanwich)
Composit cấu trúcCốt sợi
Lớp Gián 
đoạn
Liên 
tục
Hạt 
mịn
Hạt 
thô
Tổ ong
 Theo hình học của cốt
Composit
Cốt hạt
Tấm ba 
lớp
(sanwich)
Composit cấu trúcCốt sợi
Lớp Gián 
đoạn
Liên 
tục
Hạt 
mịn
Hạt 
thô
Tổ ong
Chương 6: Vật liệu composit
6.4 Giới thiệu một số loại composit:
 Composit gia cường bằng hạt:
 Cốt dạng hạt phân bố đều trong nền
 Các phần tử cốt thường là pha cứng và bền hơn 
nền, ví dụ các oxyt, nitrit, borit, cacbit,
 Hạt có nhiều dạng hình học khác nhau nhưng 
kích thước gần như bằng nhau theo mọi hướng. 
 Để gia cường hiệu quả, hạt phải nhỏ và phân tán 
đồng đều trong nền.
 Phân loại thành composit hạt thô và hạt mịn (nhỏ 
hơn 0.1 micromet) 
 Một số composit cốt hạt:
 Composit hạt thô nền polyme
 Composit hạt thô nền kim loại
 Composit hạt thô nền gốm
 Một ví dụ về composit hạt thô là bêtông: 
ximăng là nền, cát và sỏi là cốt.
 Ví dụ về composit hạt mịn: cao su độn than 
đen kích thước hạt 20 – 50 nm
 Theo hình học của cốt
Composit
Cốt hạt
Tấm ba 
lớp
(sanwich)
Composit cấu trúcCốt sợi
Lớp 
Gián 
đoạn
Liên 
tục
Hạt 
mịn
Hạt 
thô
Tổ ong
Chương 6: Vật liệu composit
6.4 Giới thiệu một số loại composit:
Composit gia cường bằng sợi
 Cả nền và sợi đều cần có khối lượng riêng nhỏ, 
nền phải tương đối dẻo, còn sợi cốt phải có độ 
cứng vững và bền cao
 Một số dạng hình học của sợi:
 Râu đơn tinh thể
 Sợi cốt
 Dây 
 Râu là những đơn tinh thể rất mỏng với tỷ lệ giữa chiều 
dài và đường kính là rất lớn. Nó không tồn tại khuyết 
tật nên độ bền rất cao, vì vậy rất đắt tiền. Đặc biệt râu 
tinh thể rất khó liên kết với vật liệu nền. Những vật liệu 
râu tinh thể bao gồm graphite, silicon carbide, silicon 
nitride, aluminum oxide.
 Vật liệu làm sợi ở dạng đa tinh thể hoặc vô định hình 
có đường kính nhỏ, thông thường là polymer hoặc 
ceramic ( polymer aramids, glass, carbon, boron, 
aluminum oxide, silicon carbide).
 Dạng dây có đường kính lớn hơn, những vật liệu điển 
hình như: molybdenum và tungsten. Dây được dùng 
như những sợi thép gia cường trong lốp xe ôtô.
 Tính chất phụ thuộc: Hàm lượng sợi, sự 
phân bố, định hướng sợi, kích thước, hình 
dạng của nó.
 Chiều dài sợi phải lớn hơn hoặc bằng chiều 
dài tới hạn.
 Một số composit cốt 
sợi thông dụng:
 Composit nền 
polymer cốt sợi 
 Composit nền kim 
loại cốt sợi 
 Composit nền 
ceramic cốt sợi
 Composit nền polymer cốt sợi
 Vật liệu cốt: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi aramid
 Vật liệu nền: 
 Cần có tính chất cơ lý, tính bám dính, độ bền và 
khả năng chiu môi trường tốt.
 Gồm có nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn: 
polyethylen, polypropylen, polyester, vinyl ester, 
epoxy, poyimide, polyetheretherketone, 
poly(phenylene sulfide, polyetherimide
Một số phương pháp gia công 
composit nền polymer cốt sợi
Phương pháp thủ công lăn tay:
 Phương pháp phun sợi và nhựa
Phương pháp kéo sợi:
 Phương pháp quấn sợi
 Theo hình học của cốt
Composit
Cốt hạt
Tấm ba 
lớp
(sanwich)
Composit cấu trúcCốt sợi
Lớp Gián 
đoạn
Liên 
tục
Hạt 
mịn
Hạt 
thô
Tổ ong
Chương 6: Vật liệu composit
6.4 Giới thiệu một số loại composit:
 Cấu tạo composit dạng cấu trúc
 Composit cấu trúc dạng lớp:
 Cấu trúc: gồm các lớp cơ sở là những tấm composit có sợi 
gia cường theo một hướng nhất định. Những tấm này được 
liên kết với nhau tạo composit cấu trúc lớp chịu được lực theo 
nhiều hướng:
 Chẳng hạn các tấm vải bông, vải sợi thủy tinh 
hoặc carbon được ép lại nhờ chất kết dính là 
polymer sẽ cho ta các composit dạng lớp có độ 
bền cao theo phương bất kỳ song song với 
mặt tấm.
 Composit dạng sanwich.
 Khái niệm
Bao gồm 2 lớp mỏng cứng bên ngoài bao bọc 
một lớp lõi dày bên trong. 
Tạo nên một cấu trúc nhẹ nhưng có độ cứng và 
độ bền tương đối cao.
 Lớp vỏ ngoài được chế tạo từ vật liệu bền và cứng, điển 
hình là hợp kim nhôm, nhựa gia cường sợi, titanium, 
thép, ván ép. Lớp vỏ tạo nên độ bền và độ cứng cho 
toàn bộ cấu trúc, vì vậy phải đủ dày để chịu được ứng 
suất kéo và nén.
 Vật liệu làm lõi thì nhẹ hơn, thông thường có module 
đàn hồi thấp. Nhưng nhờ có độ dày hơn nên nó cung 
cấp cho composite sandwich độ bền uốn , bền trượt 
cao.
 Vật liệu lõi thông thường là: foam polymer cứng 
(phenolics, epoxy, polyurethanes), gỗ, cấu trúc tổ ong.
 Mô hình trên mô tả composite sandwich (A) và các 
thành phần của nó gồm: các tấm mặt (B) và lõi có 
cấu trúc tổ ong (C) 
 Cấu trúc tổ ong thông thường làm từ hợp kim nhôm 
hoặc polymer aramid.
 Composit cấu trúc sandwich có nhiều ứng dụng: 
tấm lợp mái, sàn, tường trong xây dựng, hoặc 
cánh, thân máy bay, một phần đuôi máy bay.
Composit dạng tổ ong