Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ vật liệu gia cường đến tính chất vật liệu composite lai trên nền polyme

Ví dụ: Composite thủy tinh với sợi thủy tinh, Composite carbon với sợi carbon, v.v… Một số loại sợi được dùng dùng phổ biến như: amiăng, sợi carbon, sợi than chì, berili, berili cacbua,

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH 5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 7

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 9

1.1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 9

1.1.1 Vật liệu Composie 10

1.1.1.1 Khái niệm 10

1.1.1.2 Phân loại vật liệu composite 11

1.1.1.3 Cấu tạo vật liệu composite 12

1.1.2 Vật liệu composite lai 19

1.1.2.1 Định nghĩa 19

1.1.2.2 Vật liệu composite lai đa cốt 20

1.1.2.3 Vật liệu composite lai đa nền 21

1.1.3 Vật liệu composite lai sinh học 21

1.1.4 Vật liệu nano composite lai 21

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE LAI 24

1.2.1 Tình hình nghiên cứu vật liệu composite lai trên thế giới 24

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 30

1.3 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 30

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu 30

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu 30

1.3.3 Mục tiêu nghiên cứu 30

1.3.4 Phạm vi nghiên cứu 30

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 31

2.1 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SẢN PHẨM BẰNG COMPOSITE 31

2.1.1 Công nghệ bằng tay (Hand lay up) 31

2.1.2 Công nghệ phun bắn (Spray up) 32

2.1.3 Công nghệ đúc chuyển resin RTM (Resin Tranfer Molding) 32

2.1.4 Công nghệ quấn sợi (Filament winding) 34

2.1.5 Công nghệ ép phun (Injection Molding) 34

2.1.6 Công nghệ đúc kéo (Pultrusion) 35

2.1.7 Công nghệ đúc ép – phun phản ứng RRIM ( Reinforced Reaction Injection Molding) 36

2.2 SỢI THỦY TINH 37

2.2.1 Thành phần và tính chất 37

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của sợi thủy tinh 39

2.2.2.1 Tính chất sợi 39

2.2.2.2 Tính chất nhựa nền 40

2.2.2.3 Tỉ lệ giữa nhựa/sợi 41

2.2.2.4 Sắp xếp hình học và định hướng của sợi trong FRP 41

2.2.2.5 Chế độ và quy trình gia công 42

2.3 NHỰA EPOXY 42

2.3.1 Khái niệm 42

2.3.2 Tổng hợp nhựa epoxy 42

2.3.3 Lý tính của nhựa epoxy 44

2.3.4 Hóa tính của nhựa epoxy 46

2.3.4.1 Phản ứng của nhóm epoxy 46

2.3.4.2 Khả năng phản ứng của nhóm hydroxyl 47

2.3.5 Chất đóng rắn cho nhựa epoxy 47

2.3.5.1 Hệ đóng rắn nguội 48

2.3.5.2 Hệ đóng rắn nóng 50

2.3.5.3 Ứng dụng của nhựa epoxy 51

2.4 BỘT TITAN 51

2.4.1 Đặc điểm cấu trúc 51

2.4.2 Ứng dụng 52

2.4.3 Bột titan đioxit (TiO2) 54

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 57

3.1 MỤC ĐÍCH CỦA THỰC NGHIỆM 57

3.2 CƠ SỞ LỰA CHỌN VẬT LIỆU THÀNH PHẦN 57

3.2.1 Vật liệu gia cường 57

3.2.2 Phân bố và định hướng sợi 58

3.2.3 Chiều dài sợi 58

3.2.4 Hàm lượng sợi 60

3.2.5 Vật liệu độn 61

3.2.6 Vật liệu nền 61

3.2.7 Chất đóng rắn cho nhựa epoxy 61

3.3 QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM 63

3.3.1 Chọn tỉ lệ vật liệu thành phần 63

3.3.2 Tính toán các thông số vật liệu composite theo lý thuyết 64

3.3.2.1 Tỉ lệ % trọng lượng và thể tích 64

3.3.2.2 Tỉ trọng composite 65

3.3.3 Tiến hành thực nghiệm 66

3.3.3.1 Mục đích chế tạo mẫu thử cơ tính 66

3.3.3.2 Kích thước, số lượng và ký hiệu mẫu thử 67

3.3.3.3 Xác định thời gian đông đặc và đóng rắn của nhựa 70

3.3.3.4 Chế tạo mẫu thử 72

3.3.4 Kết quả thực nghiệm 72

3.3.4.1 Kiểm tra cơ tính 72

3.3.4.2 Phân tích kết quả thực nghiệm 78

3.3.4.3 Kiểm tra độ hấp thụ nước 83

3.3.4.4 Kiểm tra độ trương nở 84

3.3.4.5 Kiểm tra trạng thái ma sát và mòn 85

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 91

4.1 KẾT LUẬN 91

4.2 ĐỀ XUẤT 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

PHỤ LỤC 1: CHẾ TẠO MẪU THỬ CƠ TÍNH 97

PHỤ LỤC 2: KIỂM TRA ĐỘ HẤP THỤ NƯỚC CỦA COMPOSITE 106

PHỤ LỤC 3: QUY TRÌNH KIỂM TRA TRẠNG THÁI MA SÁT VÀ MÀI MÒN 110 PHỤ LỤC 4: PHIẾU KẾT QUÁ KIỂM NGHIỆM 123

DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Trang

Bảng 1.1 Đặc tính chủ yếu của polyester 14

Bảng 1.2 Đặc tính chủ yếu của gelcoat 15

Bảng 1.3 So sánh sự hấp thụ nước vật liệu composite lai cốt sợi thủy tinh-sợi sinh học nền polyester so với vật liệu composite không lai 26

Bảng 1.4 Tính chất nhiệt vật lý PALF-thủy tinh của vật liệu composite lai 27

Bảng 1.5 So sánh thuộc tính của sợi tự nhiên với sợi thủy tinh 27

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của sợi thủy tinh 38

Bảng 2.2 Đặc tính cơ lý của sợi thủy tinh 38

Bảng 2.3 Đường kính sợi thủy tinh đơn (Filament) 39

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của một số nhựa epoxy thông dụng 45

Bảng 2.5 Đặc tính chủ yếu của nhựa epoxy 45

Bảng 2.6 Độ chức của một số loại amin 48

Bảng 2.7 Đặc tính cơ lý của nguyên tố titan 54

Bảng 2.8 Đặc tính cơ lý của bột TiO2 55

Bảng 2.9 Tính chất quang học của TiO2 56

Bảng 3.1 Đặc tính cơ lý và chiều dài sợi được chọn 59

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của bột titan đioxit (TiO2) 61

Bảng 3.3 Đặc tính cơ lý của vật liệu nền được chọn 61

Bảng 3.4 Đặc tính kỹ thuật của TETA 62

Bảng 3.5 Đặc tính tỉ trọng vật liệu composite theo tính toán lý thuyết 66

Bảng 3.6 Số lượng mẫu cần tiến hành thực nghiệm 67

Bảng 3.7 Ký hiệu mẫu 67

Bảng 3.8 Thời gian đóng rắn của epoxy 128S khi chưa có sợi (t0phòng = 270C) 70

Bảng 3.9 Thời gian đóng rắn của epoxy 128S khi đã trộn sợi (t0phòng = 270C) 71

Bảng 3.10 Thời gian thực hiện các bước công nghệ đúc mẫu (t0phòng = 270C) 71

Bảng 3.11 Tổng hợp kết quả kiểm tra cơ tính mẫu thử composite lai 78

Bảng 3.12 Độ hấp thụ nước của composite lai C 35/60/5 84

Bảng 3.13 Độ trương nở của composite lai C 35/60/5 85

Bảng 3.14 Hệ số ma sát khô và ướt của vật liệu composite lai 86

Bảng 3.15 Kết quả kiểm tra mài mòn của vật liệu composite lai 90

DANH MỤC CÁC HÌNH Tên hình Trang

Hình 1.1 Vật liệu composite 10

Hình 1.2 Nhu cầu sử dụng nhựa polyester không no trên thế giới năm 2007 13

Hình 1.3 Một số loại sợi thường dùng để chế tạo vật liệu composite 16

Hình 1.4 Kết dính nhựa nền và sợi liên kết bằng hóa học 19

Hình 1.5 Các phương án cấu tạo composite lai 20

Hình 1.6 Sơ đồ thể hiện thành phần cấu trúc của vật liệu polymer composite 21

Hình 1.7 Các dạng khác nhau của nanocomposite 22

Hình 1.8 Các giải pháp chung cho sự phát triển hybrid composie ứng dụng trong Tribology 23

Hình 1.9 Các dạng hybrid composie ứng dụng trong Tribology nhận được từ giải pháp 24

Hình 1.10 Đường cong ứng suất kéo - biến dạng 24

Hình 1.11 Sự thay đổi độ bền uốn với tỉ lượng theo thể tích sợi 28

Hình 1.12 Quan sát sự nứt gãy cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi SEM 28

Hình 1.13 Cải thiện độ bền va đập của nhựa epoxy bởi hạt độn nano 29

Hình 2.1 Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp lăn tay 31

Hình 2.2 Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp phun bắn 32

Hình 2.3 Gia công vật liêu FRP bằng phương pháp RTM 33

Hình 2.4 Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp quấn sợi 34

Hình 2.5 Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp ép phun 35

Hình 2.6 Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp đúc kéo 35

Hình 2.7 Công nghệ đúc ép – phun phản ứng RRIM 36

Hình 2.8 Độ bền kéo của một số loại vật liệu 39

Hình 2.9 Ứng suất kéo và biến dạng kéo của một số loại sợi 40

Hình 2.10 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của hệ lý tưởng 40

Hình 2.11 Ứng suất kéo của nhựa nền, sợi gia cường và vật liệu FRP 41

Hình 2.12 Cấu trúc epoxy resin 44

Hình 2.13 Cơ chế đóng rắn của epoxy bằng cách sử dụng Anhydride 50

Hình 2.14 Hình dạng cấu trúc tinh thể của titan ở dạng nguyên tử 52

Hình 2.15 Kiểu cấu trúc tinh thể titan 52

Hình 2.16 Biểu đồ thể hiện sự lựa chọn cấu trúc và đặc tính của hợp kim titan 53

Hình 3.1 Giá cả của một số loại vật liệu 57

Hình 3.2 Modul kéo riêng một số loại sợi của vật liệu composite 58

Hình 3.3 Biểu đồ phân bố ứng suất trên chiều dài sợi 59

Hình 3.4 Sơ đồ khối quy trình chế tạo và kiểm tra mẫu 68

Hình 3.5 Kích thước mẫu thử cơ tính composite theo tiêu chuẩn ISO 69

Hình 3.6 Máy thử kéo, uốn, nén của Anh: HOUNSFEILD H50K – S 72

Hình 3.7 Máy thử va đập của Mỹ: TINIUS OLSEN, thang đo từ 0 ÷ 460 Jun 73

Hình 3.8 Ảnh hưởng tỉ lệ TiO2 đến độ bền kéo của composite lai 78

Hình 3.9 Ảnh hưởng tỉ lệ TiO2 đến modul đàn hồi kéo của composite lai 79

Hình 3.10 Ảnh hưởng tỉ lệ TiO2 đến độ bền uốn của composite lai 80

Hình 3.11 Ảnh hưởng tỉ lệ TiO2 đến modul đàn hồi uốn của composite lai 80

Hình 3.12 Ảnh hưởng tỉ lệ TiO2 đến độ bền nén của composite lai 81

Hình 3.13 Ảnh hưởng tỉ lệ TiO2 đến modul đàn hồi nén của composite lai 82

Hình 3.14 Ảnh hưởng tỉ lệ TiO2 đến độ dai va đập của composite lai 83

Hình 3.15 Kích thước mẫu thử độ hấp thụ nước của vật liệu composite theo tiêu chuẩn ASTM D570 – ISO 62 84

Hình 3.16 Máy thử nghiệm ma sát 85

Hình 3.17 Hệ số ma sát của vật liệu composite khi có 0% TiO2 87

Hình 3.18 Hệ số ma sát của vật liệu composite khi có 2% TiO2 87

Hình 3.19 Hệ số ma sát của vật liệu composite khi có 5% TiO2 88

Hình 3.20 Hệ số ma sát của vật liệu composite khi có 10% TiO2 88

Hình 3.21 Hệ số ma sát của vật liệu composite khi có 15% TiO2 88

Hình 3.22 Kích thước mẫu thử độ mài mòn theo tiêu chuẩn ASTM D1044 –99 89

Hình 3.23 Máy kiểm tra độ mài mòn TABER 5131 ABRASER 89

Hình 3.24 Quan sát mẫu thử trước và sau khi kiểm tra mài mòn 90

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

OPEFB (oil palm empty fruit bunch) : Bó sợi cây cọ dầu

PALF (pineapple leaf fibre) : Sợi lá dứa

LỜI NÓI ĐẦU

Theo một số nhà nghiên cứu có uy tín trên Thế giới, hàng năm ma sát đã lấy đi của loài người 30 - 35% năng lượng được sản xuất ra.Cũng phải nói thêm rằng, hàng năm trên Thế giới hàng trăm ngàn các máy móc thiết bị loại ra khỏi dây chuyền sản xuất do hậu quả của hao mòn Từ đó ta thấy việc nghiên cứu Tribology và ứng dụng những kết quả nghiên cứu vào sản xuất có ý nghĩa kinh tế đến nhường nào Trong những giải pháp làm giảm ma sát, hao mòn thì giải pháp tìm kiếm vật liệu thay thế đang được quan tâm rất lớn của những nhà khoa học vật liệu, trong đó phải kể đến vật liệu composite lai và nano composite lai Tuy nhiên, để đạt hiệu quả việc sử dụng vật liệu composite lai trong lĩnh vực ma sát và mài mòn, thì cần đánh giá ảnh hưởng của các chất độn, chất gia cường đến tính chất vật liệu composite lai

Sự ra đời của vật liệu composite là cuộc cách mạng về vật liệu, nhằm thay thế cho vật liệu truyền thống ở những mục đích thích hợp trong công nghiệp và cuộc sống Với những ưu điểm: nhẹ, chắc, bền, không gỉ, chống ăn mòn, chịu hóa chất, chịu thời tiết, composite có thể khắc phục những nhược điểm của vật liệu truyền thống, được ứng dụng vào những mục đích, những sản phẩm và ở những nơi mà ưu điểm của composite được phát huy một cách hiệu quả, thỏa mãn được yêu cầu sử dụng Tuy nhiên, vật liệu composite truyền thống còn một số tồn tại như: chất thải khó xử lý, giá thành sản phẩm cao, độ bền va đập kém, có cấu trúc phức tạp,

Chính vì vậy, chúng tôi thực hiện đề tài: “Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ vật

liệu gia cường đến tính chất vật liệu composite lai trên nền polyme” là ý nghĩa thực

tiễn rất lớn, làm tăng khả năng ứng dụng của vật liệu composite lai trong lĩnh vực ma sát và mài mòn, góp phần làm hạ giá thành sản phẩm

Với sự quyết tâm, được sự chỉ bảo và hướng dẫn tận tình của PGS.TS Quách Đình Liên, đề tài được hoàn thành Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Nha Trang, Khoa Kỹ thuật Tàu thủy, đặc biệt cảm ơn Thầy PGS.TS Quách Đình Liên

đã tận tình chỉ bảo và động viên tôi trong suốt thời gian làm đề tài Xin được ghi nhớ tình cảm, sự giúp đỡ của: các thầy cô giáo trong Khoa Kỹ thuật tàu thủy, Viện nghiên cứu Tàu thủy - Trường Đại học Nha Trang, Bộ môn chế tạo máy, xưởng thực hành cơ khí, gia đình và bạn bè luôn luôn chia sẻ cùng tôi trong quá trình nghiên cứu.

CHƯƠNG I ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Theo nhu cầu cải thiện tính năng làm việc của vật liệu, trong đó đặc biệt coi trọng trọng lượng nhẹ, sức bền cao, giá thành thấp; các nhà khoa học vật liệu, các kỹ thuật gia luôn cố gắng để hoặc là cải thiện vật liệu truyền thống, hoặc tạo ra vật liệu hoàn toàn mới

Trong vòng 50 năm gần đây, các sản phẩm bằng vật liệu composite nhân tạo tăng rất nhanh Dự báo trong tương lai nhu cầu về vật liệu composite sẽ tăng liên tục

Vật liệu composite có thể được nghiên cứu dưới nhiều quan điểm khác nhau, mỗi quan điểm yêu cầu một kỹ năng khác nhau Do vậy, sự phát triển của vật liệu composite để chống lại môi trường ăn mòn là chủ yếu trong lĩnh vực khoa học vật liệu

và hóa học

Hiện nay, ngành công nghiệp đóng tàu bằng vật liệu composite phát triển rất mạnh vì giá thành thấp, nhẹ, độ bền cao và có thể hoạt động trong môi trường biển linh hoạt không thua gì tàu thép Vì tàu luôn hoạt động trong môi trường biển có tính oxy hóa mạnh nên tuổi thọ của chúng không cao Chính vì vậy, việc thêm vào một số phụ gia, cốt gia cường để đảm bảo tuổi thọ cho tàu khi làm việc trong môi trường nước biển đang được các nhà khoa học vật liệu tập trung nghiên cứu Trong số chất độn thêm vào thì bột titan đioxit (cỡ hạt micro) có triển vọng rất cao, đặc biệt khi chúng có kích thước cỡ nano

Trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng bột titan đioxit (cỡ hạt micro, nano) độn vào vật liệu composite, tuy nhiên việc đánh giá ảnh hưởng của nó đến tính chất vật liệu composite lai còn mới, đặc biệt tại Việt Nam

Việc đánh giá ảnh hưởng của vật liệu độn có ý nghĩa rất lớn, nhất là trong thời đại nguồn nguyên liệu đang dần cạn kiệt như hiện nay

1.1.1 Vật liệu Composie

1.1.1.1 Khái niệm

Composite là một hỗn hợp gồm ít nhất hai pha hay hai thành phần vật liệu, nhằm mục đích tạo ra vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn những thành phần vật liệu ban đầu Vật liệu composite được cấu tạo từ các thành phần cốt, nhằm đảm bảo cho composite có được đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của composite liên kết, làm việc hài hòa với nhau

Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn phân

bố đều trên một pha nền liên tục Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi là composite hỗn tạp Pha gián đoạn thường có tính chất trội hơn pha liên tục

Pha liên tục gọi là nền (matrix) Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu gia cường (reinforcement)

Hình 1.1 Vật liệu composite

Lịch sử hình thành và phát triển

Vật liệu composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống (ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự giãn nở trong quá trình nung đồ gốm)

Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu composite từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum; về sau này các thuyền đan bằng tre trát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan tre trát bùn với rơm, rạ là những sản phẩm composite được áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội

Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cường cho polyester không no và giải pháp này

đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến thế giới lần thứ hai

Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu composite đó là sự xuất hiện nhựa epoxy và các sợi gia cường như polyester, nylon, Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite polymer đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự v.v

Ưu điểm của vật liệu composite

Tính ưu việt của vật liệu composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn Các thành phần cốt của composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hòa, tạo các liên kết có khả năng chịu nhiệt và chịu

sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường Một trong các ứng dụng hiệu quả nhất là composite polymer, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hóa học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp

1.1.1.2 Phân loại vật liệu composite

Phân loại theo hình dạng

* Vật liệu composite độn dạng sợi

Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi là composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho polymer nền Composite cấu tạo từ loại sợi nào thì mang tên loại sợi đó Ví dụ: Composite thủy tinh (với sợi thủy tinh), Composite carbon (với sợi carbon), v.v…

Một số loại sợi được dùng dùng phổ biến như: amiăng, sợi carbon, sợi than chì, berili, berili cacbua, berili oxit, molypden, nhôm oxit, sợi thủy tinh, sợi tự nhiên polyamide,v.v… Tương ứng với nền phổ biến gồm epoxy, phenol, polyester, polyurethane, polyetherethrketone (PEEK), vinyleste, v.v… Trong số các vật liệu nhựa, polyester không no được sử dụng rộng rãi nhất Epoxy có độ bám dính cao và chi phí cao hơn nhưng độ co ngót ít hơn PEEK

* Vật liệu composite độn dạng hạt

Khi vật liệu composite tăng cường có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer nền Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thước ưu tiên Một số loại hạt độn thường dùng như gốm, thủy tinh, nhôm, vật liệu vô định hình, v.v… Ví dụ như lốp

ô tô gồm hạt carbon đen gia cường nền đàn hồi polymer poly-isobutilen

Vật liệu polymer composite đang được ứng dụng rất rộng rãi, đặc biệt ngành hàng không vũ trụ Trên thế giới rất nhiều công trình nghiên cứu về sự kết hợp giữa sợi và hạt độn để tạo ra các vật liệu có thể làm việc trong nhiều điều kiện khác nhau Trước tình hình đó, việc phát triển một loạt vật liệu composite nền PEEK với cốt sợi thủy tinh và hạt độn gốm để nghiên cứu đặc tính mài mòn của hạt rắn

Hạt thường được sử dụng để cải thiện một số cơ tính của vật liệu hoặc vật liệu nền, chẳng hạn tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mòn, giảm độ co ngót, v.v… Trong một số trường hợp, hạt được sử dụng với mục đích làm giảm giá thành sản phẩm mà vẫn không làm thay đổi cơ tính của vật liệu

Phân loại theo bản chất thành phần

- Composite nền hữu cơ (nhựa) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ (polyamide, kevlar), sợi khoáng (thủy tinh, carbon …), sợi kim loại (Bo, Al)

- Composite nền kim loại: nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al, …) cùng với sợi độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C), …

- Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, nitơ), …

1.1.1.3 Cấu tạo vật liệu composite

Polymer nền

Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu composite Chính vì vậy, chúng phải đáp ứng được những yêu cầu về mặt khai thác cũng như về mặt công nghệ

Polymer nền là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu Polymer nền có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục

Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền:

Nhựa nhiệt dẻo (Thermo plastics): PE, PS, ABS, PVC,… độn được trộn với

nhựa, gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy

Nhựa nhiệt rắn (Thermosetting plastics): PU, PP, UF, Epoxy, Polyester không

no, gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao Riêng polyester không no và epoxy có thể tiến hành gia công ở nhiệt độ thường, gia công bằng tay (hand lay – up method) Nhìn chung nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo

Khi polymer được tạo ra bằng cách liên kết các nhóm este với nhau thì cho ta polyester Theo khả năng tham gia phản ứng hóa học, polyester được chia làm 2 loại:

- Polyester bão hòa (Saturated polyester): Là các polyester không còn có khả năng tham gia phản ứng hóa học nữa Còn gọi là polyester no

- Polyester chưa bão hòa (Unsaturated polyester): Là các polyester còn có khả năng tiếp tục tham gia phản ứng hóa học với các nhóm khác để đóng rắn Phản ứng hóa học này tỏa nhiệt, được gọi là phản ứng nối ngang hay phản ứng đóng rắn Polyester chưa bão hòa còn gọi là polyester không no (UPE)

Polyester không no được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, đây là nhựa nhiệt rắn, có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp Thông thường người ta gọi là polyester không no là nhựa polyester hay ngắn gọn hơn là polyester

Hình 1.2 Nhu cầu sử dụng nhựa polyester không no trên thế giới năm 2007

Bảng 1.1 Đặc tính chủ yếu của polyester [5]

- Tạo mặt ngoài nhẵn bóng có màu sắc làm nên vẻ đẹp của sản phẩm;

- Bảo vệ các lớp gia cường bằng sợi thủy tinh bên trong; vì glecoat có đặc tính cơ lý cao hơn, chống thẩm thấu nước, chống xây xát tốt hơn;

- Tách khuôn để lấy sản phẩm ra, do gelcoat có đặc tính co ngót thích hợp và không có sợi thủy tinh

* Yêu cầu chủ yếu đối với gelcoat

- Tính đàn hồi tốt, dễ pha màu, sẵn sàng đưa vào sử dụng được

- Phải có đặc tính không cong lõm, không chảy Có thể phun hoặc quét vài lần để đạt chiều dày tiêu chuẩn 18±2 mils (≈ 0,5 mm), với chỉ tiêu 0,5÷0,7 kg/m2 - Thời gian đông và đóng rắn phải chuẩn xác, đảm bảo cho quy trình sản xuất Thời gian đông và đóng rắn chính xác còn có tác dụng làm giảm tỉ lệ khuyết tật “da cá sấu” do styren gây ra, sản phẩm bóng đẹp hơn

- Chịu nước tốt, tránh được rạn nứt, giộp bề mặt

- Tính phủ kín và vá đắp tốt Khi trộn với màu phải có khả năng phủ kín trên

bề mặt khuôn với chiều dày tiêu chuẩn 18±2 mils Màu sáng thì dùng tỉ lệ hàm lượng màu nhiều hơn để đảm bảo phủ kín, nhưng không thuận lợi cho phun và đóng rắn Các

màu vàng nhạt, vàng da cam, đỏ, xanh đậm tính phủ kín lâu hơn Gelcoat phải có tính ứng dụng tốt mỗi khi vá đắp các khuyết tật trong sửa chữa, bảo trì

* Đặc tính cơ bản của gelcoat

Bảng 1.2 Đặc tính chủ yếu của gelcoat [1]

Độ võng uốn ở chiều dãy tiêu chuẩn 18±2 mils Đáp ứng yêu cầu

Tính phủ kín chiều dày 18±2 mils Luôn kín hoàn toàn bề mặt Khả năng áp dụng cho phun hoặc quét Rất tốt

Tuổi thọ (thời gian lưu trữ cho phép) 3 tháng ở 230C (730F)

Năng suất phủ bề mặt với chiều dày 18±2 mils 1 lít/1,5 m2

Ghi chú:

- cps: đơn vị đo độ nhớt (cm3/s)

- 1 mils = 10-3 inch = 25,4 µm

* Thời gian đông đặc và đóng rắn của gelcoat

Tùy theo hàm lượng chất xúc tác, thời gian đông đặc của một gelcoat tiêu chuẩn thường từ 8 ÷ 15 phút ở nhiệt độ 250C

Gelcoat cho công nghệ phun và quét tay có khác nhau Gelcoat cho công nghệ phun thì sau khi hòa xúc tác 40 ÷ 60 phút, vẫn có thể đem sử dụng nhưng chỉ quét bằng tay, không phun được Còn gelcoat cho quét tay sau 60 ÷ 80 phút sẽ hoàn toàn đóng rắn, phải loại bỏ Không sử dụng gelcoat ở nhiệt độ môi trường dưới 15,50C vì khó có thể đóng rắn chuẩn xác được Tốt nhất gelcoat được lưu trữ và sử dụng ở nhiệt

độ 250C

Chất độn (cốt)

Đóng vai trò chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:

- Tính gia cường cơ học;

- Tính kháng hóa chất, môi trường;

- Phân tán vào nhựa tốt;

- Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt;

- Thuận lợi cho quá trình gia công, giá thành thấp

Có hai dạng độn:

* Độn dạng sợi

Sợi có tính năng cơ lý hóa cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi aramid (còn có tên là sợi kevlar), …

Hình 1.3 Một số loại sợi thường dùng để chế tạo vật liệu composite

Việc độn thêm các loại cốt sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ học cũng như độ bền hóa học của vật liệu polycacbonat (PC) như: khả năng chịu được

va đập, độ giãn nở cao, khả năng cách âm tốt, tính chịu ma sát - mài mòn, độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao, khả năng chịu được trong môi trường ăn mòn như: muối, kiềm, axit,… Những khả năng đó đã chứng tỏ tính ưu việt của hệ thống vật liệu PC mới so với các loại polymer thông thường và cũng chính vì những tính năng ưu việt ấy

mà hệ thống vật liệu PC đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất cũng như trong đời sống

* Độn dạng hạt

Thường được sử dụng là silica, titan đioxit, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc và graphit, carbon,… Khả năng gia cường cơ tính của chất độn dạng thường sử dụng với mục đích sau:

- Giảm giá thành;

- Tăng thể tích cần thiết, ổn định kich thước, tăng độ bền cơ lý, hóa, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường;

- Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao;

- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng rắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm tỏa nhiệt khi đóng rắn

Chất pha loãng

Các monome khâu mạch ngang được dùng để đồng trùng hợp với các nối đôi trong nhựa UPE, tạo kết ngang, thường chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên còn có tác dụng làm giảm độ nhớt của hỗn hợp, do vậy chúng thường được gọi là chất pha loãng

Chất tách khuôn, chất làm kín và các phụ gia khác

* Chất róc khuôn

- Chất róc khuôn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khuôn

- Chất róc khuôn dùng trong đắp tay là loại chất róc khuôn ngoại được bôi trực tiếp lên khuôn

- Một số chất róc khuôn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo,…

* Chất làm kín

- Với khuôn làm từ vật liệu xốp như gỗ, thạch cao cần phải bôi trơn chất làm kín trước khi dùng chất róc khuôn

- Các chất làm kín xâm nhập vào các lỗ xốp, ngăn chặn nhựa bám vào

- Một số chất làm kín: cellulose axetate, wax, silicon, steric acid, nhựa furane, véc ni, sơn mài, …

Chất xúc tác là hợp chất hóa học được hòa vào resin chưa no (dạng lỏng) với tỉ

lệ phù hợp để kích hoạt (khởi xướng) phản ứng kết nối ngang xảy ra một cách nhanh

chóng và mãnh liệt, từ đó tạo ra các gốc tự do đủ để làm cho nhựa đông và đóng rắn hoàn toàn Việc hóa chất xúc tác được tiến hành ngay trước khi tạo các lớp hoặc đúc sản phẩm composite Chất xúc tác gồm các loại: xúc tác peroxid, xúc tác azo và diazo, mecaptan và các hệ xúc tác khác

* Chất xúc tiến (Accelerator or promoter)

Chất xúc tiến có tác dụng như cái ngòi kích hoạt làm cho chất xúc tác phản ứng ngay với nó và tăng độ phân tách, tạo các gốc tự do ban đầu để khởi xướng phản ứng kết nối ngang nhanh chóng và toàn phần để đóng rắn nhựa Dùng chất xúc tiến sẽ giảm được nhiệt độ và thời gian đóng rắn một cách đáng kể và có thể đóng rắn nguội Ví dụ: nếu không có chất xúc tiến, thì với 1,2% chất xúc tác MEKP, thời gian đông đặc rất lâu (2÷8 giờ) nhưng nếu hòa chất xúc tiến đúng tỉ lệ thì thời gian này chỉ là 30 phút

Chất xúc tiến gồm các loại: xúc tiến kim loại, amin bậc ba

* Lực hấp phụ và thấm ướt

Bề mặt độn luôn tồn tại các mao quản rỗng, số lượng và kích thước mao quản tùy thuộc vào bản chất và cách chế tạo độn Nhựa ở dạng lỏng được thấm ướt trên bề mặt độn bằng lực vật lý ứng với một năng lượng liên kết bề mặt Sự thấm ướt sẽ tốt khi sức cản giữa hai bề mặt càng bé Nhựa sau khi thấm ướt trên bề mặt sẽ được hấp phụ vào các mao dẫn nhờ lực hấp phụ

* Lực tĩnh điện

Bề mặt điện tích luôn tích điện dương hay âm tùy thuộc vào thành phần và cách

xử lý bề mặt, nhựa nền có độ phân cực nhất định Vì vậy mà dẫn đến sự tương tác tĩnh điện giữa nhựa và độn thông qua việc tạo thành lớp điện tích kép trên hai bề mặt vật liệu này

* Liên kết hóa học

Liên kết hóa học được thực hiện khi xảy ra phản ứng hóa học trên phân giới phân chia nền – cốt cùng với việc tạo thành hợp chất hóa học mới Tính chất hóa học mới được tạo thành ảnh hưởng quyết định đến độ bền liên kết nền – cốt

Hình 1.4 Kết dính nhựa nền và sợi liên kết bằng hóa học

Đến nay rất nhiều phương án lựa chọn thành phần của composite lai như phương án đa cốt (Hình 1.5a), phương án cốt vải được đan xen các loại sợi từ các vật liệu khác nhau (Hình 1.5b), phương án nhiều lớp với mỗi lớp lại có các cốt sợi cốt khác nhau (Hình 1.5c)

Hình 1.5 Các phương án cấu tạo composite lai

Có hai nguyên nhân chủ yếu dẫn đến việc cần thiết phải chế tạo composite lai Một là sử dụng vật liệu cốt sợi nào đó có những tham số cơ lý hóa cao hơn so với các cốt sợi khác trong composite sẽ giúp hạn chế được các yếu điểm của những cốt sợi còn lại Hai là góp giảm giá thành sản phẩm

Ví dụ việc chế tạo các composite lai đa cốt sợi thủy tinh kết hợp sợi carbon và sợi hữu cơ kết hợp với sợi carbon, tạo ra vật liệu mới có hệ số giãn nở nhiệt ổn định trong khoảng từ -120 đến +1600C (Hình 1.6), trong khi composite cốt sợi thủy tinh hoặc composite cốt sợi hữu cơ thông thường (khi không có sự bổ sung thêm của sợi carbon) lại có sự thay đổi đặc tính cơ lý đáng kể khi nhiệt độ tăng

1.1.2.2 Vật liệu composite lai đa cốt

Sự pha tạp lai các thành phần vật liệu khác nhau ảnh hưởng nhiều đến modul đàn hồi, độ bền nén, bền ứng suất và những đặc tính chịu nhiệt của composite

Việc lựa chọn những vật liệu khác nhau và kết hợp hợp lý giữa chúng cho phép tạo ra những composite lai là hướng có nhiều triển vọng, đáp ứng cao về chỉ tiêu – của vật liệu mới composite Những composite lai như vậy có nhiều ưu điểm mới và có thể tiết kiệm chi phí hơn so với composite không lai Ví dụ như composite lai đa cốt, có 20% sợi carbon và 80% sợi thủy tinh, có độ bền cao bằng 75%

so với composite có cùng lượng cốt toàn sợi carbon, trong khi đó giá thành của chúng chỉ bằng 30% các composite cốt sợi carbon

1.1.2.3 Vật liệu composite lai đa nền

Hiện nay, vấn đề nghiên cứu vật liệu composite lai đa nền cũng rất quan tâm Tuy nhiên việc nghiên cứu vật liệu này chỉ áp dụng cho các thiết bị chịu lực ít, thẩm

mỹ bề mặt, phun phủ bề mặt, v.v…

1.1.3 Vật liệu composite lai sinh học

Vật liệu composite lai sinh học được tạo ra bởi sự kết hợp giữa sợi tổng hợp và sợi tự nhiên (biofibre) trong cùng một nền Để cải thiện tính chất cơ học của vật liệu composite lai, các nhà nghiên cứu tiến hành thực nghiệm lai sợi thủy tinh với sợi tự nhiên nền polymer, hiệu quả của nó khác nhau phụ thuộc vào việc thiết kế và cấu trúc của composite [15]

1.1.4 Vật liệu nano composite lai

Đây là lĩnh vực nghiên cứu thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học vật liệu trên thế giới nói chung và Việt Nam chúng ta nói riêng, hứa hẹn sẽ đem lại những lợi ích to lớn về mặt kinh tế - xã hội rất cao

Trong các lĩnh vực nghiên cứu thì lĩnh vực ma sát đang có những bước tiến mạnh mẽ, đặc biệt sự thay thế dần vật liệu composite cho vật liệu polymer thuần khiết

Sự phát triển gần đây trong composite hạt là sự gia cường bằng các hạt nano và thường được gọi là nanocomposite Các hạt này có đường kính cỡ nanometer, trái với các loại hạt đang dùng có đường kính cỡ vài micrometer Các nanocomposite có những tính chất vô cùng quý giá như làm tăng khả năng chống mòn và giảm thiểu ma sát góp phần nâng cao độ tin cậy của các chi tiết máy được chế tạo bằng vật liệu chất dẻo và composite

Hình 1.6 Sơ đồ thể hiện thành phần cấu trúc của vật liệu polymer composite [12]

Với kích thước của hạt gia cường được giảm từ cỡ micro xuống đến cỡ nano hiện tượng mòn và ma sát của vật liệu composite có sự thay đổi đột biến Các vật liệu polymer được làm đầy bằng các hạt nano được gọi là polymer nanocomposite, một vật liệu đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng trong kỹ thuật và đời sống Chúng được chờ đợi

sẽ thay thế một phần vật liệu polymer, hỗn hợp polymer và vật liệu composite truyền thống cùng loại cũng như thay thế các vật liệu phải qua công nghệ nấu chảy Nét nổi trội của vật liệu nanocomposite là diện tích tiếp xúc rất lớn giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường (liên diện), điều này có thể đưa đến những cấu trúc mạng vật lý khác thường giữa các pha trong không gian ba chiều

Hình 1.7 Các dạng khác nhau của nanocomposite

Việc sử dụng các hạt nano để tạo ra các vật liệu nanocomposite được tiến hành vào giữa thập kỷ 1990 và nó nhanh chóng mở ra một khả năng đầy hứa hẹn cho việc sử dụng vật liệu nano để tăng cường các tính chất cho vật liệu composite nói chung và các tính chất về ma sát và hao mòn nói riêng, mang lại lợi ích về kỹ thuật và kinh tế vô cùng

to lớn Các tính chất cơ học của vật liệu nanocomposite được nâng cao là do sự liên kết mạnh giữa vật liệu nền và vật liệu tăng cường dạng các hạt nano hay các sợi nano

Tiêu biểu cho các hạt nano được sử dụng hiện nay là từ gốm như điôxit silic (silicon dioxide), silic nitride (silicon nitride) hoặc ô xit nhôm (ví dụ: Al2O3, TiO2, ZnO, CuO, SiC, ZrO2, Si3N4, SiO2 và CaCO3) Kiểm tra ở dạng trượt đơn hướng trên epoxy và epoxy - polyacrylamide composites đã cho thấy với thành phần 2% hạt silicon dioxide đường kính 9 nm, cường độ mòn của vật liệu giảm xuống 1/3 và hệ số

ma sát cũng giảm đáng kể so với polymer không được pha thêm hạt nano silicon dioxide Khi pha lẫn với hạt nano silicon dioxide và silicon nitride PEEK cũng có những cải thiện về tính chất tương tự Sự xử lý bề mặt của các hạt silicon dioxide được thiết kế để cải thiện liên kết với chất nền có thể tăng cường được các tính chất tribology của vật liệu như khả năng chống hao mòn và hệ số ma sát

Khi pha trộn các hạt nano ô xit nhôm với kích thước đường kính trung bình 38

nm với PTFE cho kết quả giảm cường độ mòn rất lớn khoảng 600 lần nhưng lại có nhược điểm duy nhất là làm tăng hệ số ma sát Qua nghiên cứu người ta thấy khả năng chống mòn cao nhất là vật liệu có hàm lượng 20% trọng lượng hạt nano ô xit nhôm trong PTFE

Các Fullerene (C60, C70, C80,… gần đây người ta đã điều chế được C540) cũng là phụ gia có tiềm năng cho các chất polyimide Khi nhào trộn cỡ vài phần trăm trọng lượng, chúng có khả năng làm giảm đáng kể cường độ mòn khi trượt khô của polyimide trên mặt nhẵn của thép

Đối với vật liệu composite truyền thống thường có có khả năng chống mòn tốt nhưng hệ số ma sát lại lớn Trái lại, đối với nanocomposite cải thiện rất tốt về mòn và

ma sát cho vật liệu polymer thuần túy, từ đó đã nảy sinh sự phối hợp hai vật liệu gia cường này cho polymer để tạo ra loại vật liệu được gọi là polymer nanocomposite lai (Polymeric Hybrid Nanocomposites) Khác với composie thông thường composite hybrid thường có nhiều thành phần chất độn

Các vật liệu dùng cho các cặp ma sát thường được tổ hợp từ các loại vật liệu sau:

- Vật liệu nền (matrix) là các polymer có khả năng chịu được ma sát

Hình 1.9 Các dạng hybrid composie ứng dụng trong Tribology nhận được từ giải

pháp [12]

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE LAI

1.2.1 Tình hình nghiên cứu vật liệu composite lai trên thế giới

Sử dụng sợi thủy tinh, aramid và sợi polyethylene cùng với sợi carbon để cải thiện độ dai của vật liệu composite Kết quả “lai” ảnh hưởng làm tăng biến dạng phá hoại làm cho độ giãn dài (sợi carbon) của composite thấp khi lai Tuy nhiên

(1990)

khi thêm thành phần sợi polyethylene kết hợp sợi carbon trong nền epoxy làm cho vật liệu composite có khả năng giảm xóc cao [9]

Hình 1.10 Đường cong ứng suất kéo - biến dạng ( :sợi thủy tinh và sợi carbon

liên kết với epoxy, : sợi thủy tinh và sợi carbon không liên kết với epoxy)

epoxy là sự kết hợp pha đàn hồi giữa sợi thủy tinh với nền epoxy

thể là carboxyl- terminated butadien-acrylonitrile (CTBN) hoặc cao su nitrile Các hạt cao su có kích thước 5 µm khi thêm vào như một chất độn, cơ tính của vật liệu composite lai bao gồm các sợi carbon và hạt cao su được quyết định bởi tốc độ biến dạng và nhiệt độ Tại một tốc độ biến dạng cao hoặc nhiệt độ thấp, các hạt cao su bị xé nát bởi sự nứt gãy lan truyền qua những hạt này, kết quả thu được độ bền cao Tại một tốc độ biến dạng thấp hoặc nhiệt độ cao, các hạt cao su không bị xé nát bởi vì sự nứt gãy lan truyền xung quanh các hạt này, kết quả thu được độ bền thấp

Một phương án thay thế khác để tăng độ dẻo dai là sử dụng các hạt nhựa dẻo, chẳng hạn như PVDF và PEEK, chiếm khoảng 5÷15 % trọng lượng của nhựa epoxy Thay thế này làm cho năng lượng va đập của composite cốt sợi carbon được tăng lên

mà độ cứng và độ bền của composite không giảm

Hạt cứng như nhôm, silic, hạt thủy tinh và khối copolyme cũng như sợi đơn tinh thể gốm, đã được sử dụng như là chất độn thêm vào vật liệu composite sợi carbon nền epoxy để tăng độ bền, độ cứng, độ dai, hoặc cường độ chịu mỏi

Hợp kim hạt dẻo thiếc - chì kích thước 20÷25 µm có hiệu quả như là một chất độn thứ hai trong vật liệu composite sợi carbon nền epoxy để tăng độ bền mỏi Sự nóng chảy không phải là nguyên nhân để các hạt liên kết với nhau, nhưng lại làm tăng liên kết giữa các hạt với nhựa epoxy Nguồn gốc của tăng cường độ chịu mỏi là do sự

ngăn chặn của việc truyền vết nứt giữa các lớp hợp kim hạt dẻo

Một số công trình nghiên cứu của các nhà khoa học vật liệu cũng cho rằng, khi lai sợi đơn tinh thể silicon carbide có đường kính 0,05÷1,50 µm và sợi carbon có đường kính 7 µm với nền nhôm thì làm cho vật liệu composite cải thiện khả năng chống mòn và tăng độ bền uốn ngang Để tăng khả năng chống mòn cao hơn thì thêm vào hạt SiC đường kính 1,5÷5 µm, kết quả là composite lai chứa 10% hạt SiC, 5% sợi đơn tinh thể SiC, và 4% sợi carbon nền nhôm cải thiện đặc tính tốt nhất [9]

Bên cạnh, việc pha tạp lai giữa các sợi với nhau còn có sự pha tạp lai giữa sợi

và hạt, tùy mục đích sử dụng và yêu cầu của vật liệu chế tạo Dẫn chứng như kết quả nghiên cứu của tác giả S.S Mahapatra (2009) [17], đặc tính cơ học và xói mòn của vật liệu composite lai thành phần nền polyester gia cố bằng sợi thủy tinh loại E và hạt độn gồm bụi ximăng, Al2O3 và SiC cho thấy khả năng chống xói mòn của vật liệu tăng lên (tương ứng góc va đập, thành phần độn, vận tốc va đập như nhau), trong đó thành phần độn hạt Al2O3 làm tăng tối đa khả năng chống xói mòn của vật liệu composite lai

Độ bền kéo và va đập của vật liệu composite lai nền nhựa nhiệt dẻo cao su tự nhiên cốt sợi (thủy tinh ngắn và OPEFB) được cải thiện khi xử lý bằng cách sử dụng silane và Maleic Anhydride grafted Polypropylene (MAgPP) như là tác nhân để nối [15] Composite lai chứa 10% EFB và 10% sợi thủy tinh độ bền kéo và độ bền va đập khi được xử lý tối ưu hơn khi chưa được xử lý Độ bền kéo căng tăng với việc bổ sung các tác nhân nối kết

Kết quả nghiên cứu của Mishra [16] cho biết đặc tính sự hấp thụ nước của vật liệu composite lai gồm cây xiđan – thủy tinh và cây dứa – sợi thủy tinh nền polyester

Sự thay đổi nồng độ của sợi thủy tinh và sợi sinh học được xử lý hóa học bằng các phương pháp khác nhau, tác giả quan sát thấy rằng sự hấp thụ nước của vật liệu composite lai ít hơn so với các vật liệu composite không lai

Bảng 1.3 So sánh sự hấp thụ nước vật liệu composite lai cốt sợi thủy tinh-sợi sinh học

nền polyester so với vật liệu composite không lai [15]

Mẫu

Độ hấp thụ nước (%)

Không lai [xơ dừa – polyester composite] (20% wt)

Lai [xơ dừa/thủy tinh – polyester composite]

2,663 3,138

Độ bền cơ học của vật liệu composite lai tăng lên bằng cách kết hợp sợi thuỷ tinh với sợi sinh học (vải lụa) nền epoxy Việc bổ sung một lượng tương đối nhỏ vải thủy tinh - vải lụa gia cố nền epoxy để tăng cường các tính chất cơ học của vật liệu composite lai Kết quả nghiên cứu cho thấy thuộc tính tăng với sự gia tăng tỉ lượng theo thể tích của vật liệu gia cường

Tính chất nhiệt vật lý của sợi dứa (PALF) – sợi thủy tinh có chức năng là sợi chịu tải và được xử lý hóa chất [13] Khi các sợi được xử lý bằng hóa chất làm cho điện trở tiếp xúc của vật liệu composite giảm Lai tạo sợi tự nhiên với sợi thủy tinh làm tăng khả năng truyền nhiệt của vật liệu composite Điều này được mô tả trong

Bảng 1.4, sự gia tăng nhiệt khuếch tán và giá trị mật độ tỉ lệ với khối lượng theo thể tích sợi thủy tinh Trong thực tế, các sợi thủy tinh có tính dẫn nhiệt, độ khuếch tán và mật độ cao so với sợi PALF

Bảng 1.4 Tính chất nhiệt vật lý PALF-thủy tinh của vật liệu composite lai

a (m2s-1)10-7

Nhiệt dụng riêng

Cp (J.kg-1.K-1)

Khối lượng riêng

(kg.m-3) 0,40 Vf PALF 0,184±0,003 0,184±0,003 979±155 1175±155 0,36 Vf PALF ÷

0,04 Vf sợi thủy tinh

0,40 Vf sợi thủy tinh 0,277±0,003 2,14±0,24 798±92 1622±92

Bảng 1.5 So sánh thuộc tính của sợi tự nhiên với sợi thủy tinh [8]

Thuộc tính Thủy

tinh

Cây lanh

Gai dầu

Cây đay

Cây gai

Xơ dùa

Cây dứa

Sợi bông

Hiệu suất cơ học của vật liệu composite lai gồm sợi cây chuối và sợi dứa ngắn gia cố polyester với thể tích sợi chiếm 0,4%, dùng sợi chuối làm vật liệu vỏ và sợi dứa làm vật liệu cốt Hiệu quả lai có xu hướng tăng lên bằng việc quan sát độ bền uốn và modul uốn của vật liệu composite lai (Hình 1.11) [15] Độ bền kéo của vật liệu composite lai cho thấy hiệu quả khi mối quan hệ theo tỉ lượng theo thể tích của hai sợi luôn thay đổi, và độ bền kéo cực đại được tìm thấy trong vật liệu composite lai có tỉ lệ giữa sợi cây chuối và sợi dứa 4:1

Hình 1.11 Sự thay đổi độ bền uốn với tỉ lượng theo thể tích sợi

-Điều chỉnh tính chất hóa học -

kết quả là tính chất của vật liệu composite được tăng cường Hình vẽ 1.12 a và 1.12 b trình bày không được xử lý và được xử lý kiềm (4%) của vật liệu composite lai gồm sisal – sợi dầu cọ gia cố cao su tự nhiên

Hình 1.12 Quan sát sự nứt gãy cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi SEM

với 3 loại chiều dài sợi 4 mm, 7 mm và 10 mm tương ứng với phần trăm thể tích 10÷50%, 30÷50% và 10÷60% Kết quả cho thấy với chiều dài sợi 4 mm ứng với 10% thể tích thì có độ bền chống gãy cao; chiều dài sợi 7 mm, 10 mm tương ứng với 40%, 50% thể tích thì thành phần sợi tốt nhất Độ bền chống gãy cao nhất thuộc về sợi có chiều dài 10 mm với thể tích 50% [10]

Tác giả Tarun Aggarwal nghiên cứu ảnh hưởng của sự mòn trượt composite lai với thành phần sợi thủy tinh loại E (roving 360), 50% nhựa epoxy Ly 556 tương ứng bột TiO2 0%, 10%, 20% Kết quả: Độ đàn hồi uốn và kéo cao nhất 370 Mpa (50%epoxy LY 556/50% sợi thủy tinh), khi có thành phần TiO2 tham gia vào thì giảm dần, thấp nhất là ở (20%epoxy LY 556/50% sợi thủy tinh/30% nhựa eppoxy) [20]

Tác giả Subhrajit Ray (2009) thử nghiệm với hàm lượng TiO2 10%, Epoxy - Sợi Thủy tinh: (60-30)%, (40-50)%, (50-40)% Kết quả: Modul đàn hồi cao kéo nhất (10% TiO2 /40 % epoxy LY 556 /50% sợi), độ bền uốn cao nhất (10% TiO2 /40 % epoxy LY 556 /50% sợi) [19]

Có thể nói thời gian gần đây việc nghiên cứu các dạng vật liệu kiểu hybrid được nhiều nhà khoa học quan tâm, có thể dẫn ra đây là công trình nghiên cứu của Wetzel

và các cộng sự, qua nghiên cứu các tác giả này đã phát hiện thấy sự phối hợp giữa nano Al2O3 (13 nm) và micro-CaSiO3 (5÷10 µm) đã hiệp trợ lẫn nhau tạo ra được một

số vật liệu vừa cải thiện được đặc tính hao mòn, độ bền va đập, ma sát và độ cứng cho epoxy

Hình 1.13 Cải thiện độ bền va đập của nhựa epoxy bởi hạt độn nano [11]

Cho và Bahadur đã tạo ra được sự phối hợp tác dụng giữa CuO và sợi ngắn để cải thiện các tính chất tribology của composite nền PPS Zhong Zhang và các cộng sự cho rằng sự hợp thành giữa các hạt nano với một tỉ lệ thích hợp sẽ có tác dụng tăng khả năng kháng cự mòn, làm tăng độ bền cơ học cho vật liệu composite sợi carbon Hiệu ứng có lợi của các hạt nano bổ sung cho khả năng kháng mòn có thể được giải thích là các hạt nano đã cải thiện được các tính chất cơ học của vật liệu composite và

và tăng độ bền liên kết cho lớp vật liệu dịch chuyển trên bề mặt vật liệu kim loại cứng

Sự hợp thành một tổ chức giữa các hạt nano vô cơ và các chất độn tribology truyền thống có thể tạo nên một sự hiệp trợ nâng cao được khả năng chống mài mòn của vật liệu Về khía cạnh này còn được biết đến rất hạn chế

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, các công trình nghiên cứu trong nước về vật liệu composite tương đối nhiều, dẫn dụ công trình nghiên cứu của Vũ Phương (2010) trường Đại học Nha Trang với đề tài ‘Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu đảm bảo khả năng đúc áp lực cánh bơm nước biển” Kết quả: với thành phần composite 40% sợi thủy tinh cắt ngắn/60% nhựa epoxy đúc với áp lực 3 KG/cm2 có đặc tính cơ lý cao nhất

Ngoài các loại sợi thông dụng dùng để làm cốt gia cường cho vật liệu composite thì sợi tự nhiên dùng để làm cốt gia cường cũng đang được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà Khoa học

Nhìn chung, việc đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng gia cường đến tính chất vật liệu composite lai ở nước ta chưa đầy đủ nên việc thực hiện đề tài là rất cần thiết

để có thể sử dụng loại vật liệu này ứng dụng vào trong thực tế có hiệu quả

1.3 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu

Tổng thể phương pháp nghiên cứu là thực nghiệm

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu

Trong nội dụng đề tài chúng tôi là vật liệu composite lai với thành phần sợi thủy tinh cắt ngắn, nhựa epoxy, bột TiO2

1.3.3 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định cơ tính của vật liệu composite (nhựa epoxy/sợi thủy tinh cắt ngắn) khi độn bột titan đioxit

- Kiểm tra trạng thái ma sát và mòn

- Kiểm tra độ hấp thụ nươc

1.3.4 Phạm vi nghiên cứu

Trong khuôn khổ đề tài, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ vật liệu gia cường bột titan đioxit khi độn vào vật liệu composite nền epoxy cốt sợi thủy tinh cắt ngắn

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SẢN PHẨM BẰNG COMPOSITE [7][25]

2.1.1 Công nghệ bằng tay (Hand lay up)

Đây là công nghệ chế tạo tạo sản phẩm theo khuôn hở, hoàn toàn bằng tay ở tất

cả các công đoạn Quy trình tóm tắt như sau: Khuôn → Quét gelcoat lên khuôn → Trải vải thủy tinh → Thấm → Lăn ép resin → Sản phẩm Phù hợp cho chế tạo: tàu thuyền, bồn chứa, nhà cửa, panel hoặc các sản phẩm lớn khác đòi hỏi chịu lực cao

Hình 2.1 Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp lăn tay

Ưu điểm

- Thông dụng, phổ biến, dễ làm, ít đầu tư

- Gia công sản phẩm có hình dạng phức tạp, góc cạnh, có kích thước lớn

- Thay đổi cấu trúc sản phẩm dễ dàng

- Dễ dàng đưa và ghép các chi tiết vào sản phẩm

- Styren bay hơi ảnh hưởng đến sức khỏe của người gia công và môi trường

- Phế liệu nhiều và khó xử lý: bavia, mài, xử lý cơ học

2.1.2 Công nghệ phun bắn (Spray up)

Trong phương pháp này, quá trình phun phủ gelcoat trên khuôn và tạo ra các lớp gia cường đều hoàn toàn bằng thiết bị gọi là súng (gun) hoặc súng phun Sợi được cắt ngắn trong súng cầm tay và gắn bình phun chứa nhựa đã có chất xúc tác sau đó phun vào khuôn, vật liệu sẽ đóng rắn ở nhiệt độ phòng Dùng chế tạo sản phẩm lớn như: tàu thuyền, bồn chứa, bể bơi, v.v…

Hình 2.2 Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp phun bắn

- Nhựa cần có độ nhớt thấp để có thể phun, thường ảnh hưởng đến tính chất

cơ nhiệt của composite

2.1.3 Công nghệ đúc chuyển resin RTM (Resin Tranfer Molding)

Đây là công nghệ trung gian giữa công nghệ bằng tay và đúc nén nhanh, sử dụng nguyên liệu tẩm sẵn resin (prepeg): SMC và BMC Khuôn gồm hai nửa và thực hiện theo hai cách:

- Gelcoat được phủ trên hai bề mặt của hai nửa khuôn bằng phun hoặc quét tay và để khô; vải thủy tinh được trải tay trên khuôn rồi lăn thấm resin, ngay sau đó ghép hai nửa khuôn và xiết chặt bằng bu lông để tạo lực ép nén Sau khi đóng rắn, tháo

bu lông lấy sản phẩm (Hình 2.3a)

- Sau khi trải vải thủy tinh thì ghéo hai nửa khuôn lại và tạo ra một khuôn kín Sau đó dùng bơm phun dưới áp lực để phun resin đã hòa xúc tác vào khuôn Sau khi đóng rắn, tháo 2 hai nửa khuôn để lấy sản phẩm ra (Hình 2.3b)

- Thời gian tạo sản phẩm ngắn, tốn ít lao động

- Phù hợp cho số lượng sản xuất trung bình

Nhược điểm

- Vốn đầu tư lớn

- Có thể gặp khó khăn trong việc nhựa thấm ướt hoàn toàn sợi

- Không kinh tế nếu sản xuất với số lượng nhỏ sản phẩm

2.1.4 Công nghệ quấn sợi (Filament winding)

Phương pháp chủ yếu làm các sản phẩm rỗng hình tròn hoặc oval như ống, thùng,… Sợi liên tục lội qua hỗn hợp nhựa trước khi quấn vào trục theo nhiều hướng khác nhau được điều chỉnh bằng một cơ cấu dẫn sợi

Hình 2.4 Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp quấn sợi

Ưu điểm

- Nhanh, năng suất cao, phương pháp có tính kinh tế để gia công vật liệu

- Lượng nhựa có thể điều chỉnh được

2.1.5 Công nghệ ép phun (Injection Molding)

Nguyên liệu chính là chất dẻo nhiệt (ví dụ hạt PA), tạo sợi cắt ngắn và sợi roving được nạp đồng thời vào hệ thống đùn – ép phun để tạo ra sản phẩm

Đối với nhựa nhiệt rắn: sợi ngắn được định hình trước nếu cần, đặt vào khuôn; khuôn được đóng lại, kẹp chặt và nhựa được phun vào từ đầu cuộn

Hình 2.5 Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp ép phun

Ưu điểm

- Dễ dàng kiểm soát và điều chỉnh tỉ lệ nguyên liệu chính xác

- Chế tạo được các sản phẩm có khuôn phức tạp với sản lượng lớn

Nhược điểm

- Vốn đầu tư ban đầu lớn

- Đòi hỏi trình độ kỹ thuật của người thợ cao

2.1.6 Công nghệ đúc kéo (Pultrusion)

Đây là công nghệ để sản xuất các sản phẩm có tiết diện không đổi như: gậy, sào, dầm, các ống, v.v… Sợi được kéo qua bể nhựa và sau đó qua đầu tạo hình được gia nhiệt Đầu tạo hình có tác dụng làm sợi thấm ướt hoàn toàn nhựa, điều chỉnh tỉ lệ nhựa sợi, đóng rắn nhựa và tạo hình dạng mong muốn Thanh composite được cắt theo kích thước yêu cầu

Hình 2.6 Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp đúc kéo

Ưu điểm

- Năng suất cao, hiệu quả kinh tế khi gia công lượng sản phẩm lớn

- Có thể điều chỉnh được tỉ lệ nhựa sợi

- Giá thành hạ do sử dụng sợi ở dạng thô

- Bể tẩm nhựa có thể được đóng kín nên hạn chế chất bay hơi

Nhược điểm

- Mỗi đầu tạo hình chỉ dùng cho một loại sản phẩm

- Giá của đầu tạo hình cao

2.1.7 Công nghệ đúc ép – phun phản ứng RRIM ( Reinforced Reaction Injection

Molding)

Đây là công nghệ chất dẻo nhiệt rắn, hỗn hợp chất dẻo đóng rắn được ép phun ở nhiệt độ thấp vào khuôn gia nhiệt được gia nhiệt ở nhiệt độ cao Nhờ có áp lực và nhiệt

độ cao, phản ứng đóng rắn xảy ra toàn phần và đóng rắn trong khuôn

Hình 2.7 Công nghệ đúc ép – phun phản ứng RRIM

Ưu điểm

- Chi phí khuôn không cao, áp lực đúc thấp, thiết kế linh hoạt

- Chế tạo được sản phẩm phức tạp có đặc tính cơ học bền va đập cao với sản lượng lớn, ví dụ các chi tiết có cấu kiện lồng vào nhau hoặc bao bọc các cấu kiện hình trụ chịu lực cao

Nhược điểm

- Đòi hỏi trình độ kỹ thuật của người thợ cao

Với đối tượng nghiên cứu được trình bày ở phần mở đầu của đề tài, nên trong

phần cơ sở lý thuyết này, chúng ta tìm hiểu kỹ hơn về sợi thủy tinh, nhựa epoxy và bột gia cường titan đioxit (TiO2)

2.2 SỢI THỦY TINH

-Cấu trúc hóa học của sợi thủy tinh

Theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 2078 có 6 loại sợi thủy tinh chủ yếu, được phân loại theo đặc tính cơ lý trội [1], mang ký hiệu:

- E (Electriacl glass): có đặc tính cách điện cao

- A (Alkali glass): thủy tinh kiềm

- C (Chemical glass): thủy tinh chịu axit

- R, S: có cường độc cơ học cao, kể cả nhiệt độ cao tới 2500C

- D: có tính điện môi tốt nên thẩm thấu các sóng điện tử rất cao

Bề mặt sợi thủy tinh được xử lý với chất liên diện để chống ẩm cho sợi, giảm sức căng bề mặt của nhựa, tăng cường khả năng trương hợp, tạo thành hệ đồng nhất nhựa và sợi

Từ những sợi đơn sau khi tẩm, kết dính tạo thành sợi cơ bản gọi là “Tao sợi”; nhiều tao sợi thành sợi “Roving”; nhiều sợi đan xoắn tạo thành sợi chỉ

Ký hiệu sợi thủy tinh

Ký hiệu thương phẩm sợi thủy tinh phải nói nên được các vấn đề: loại thủy tinh, đường kính sợi đơn, khối lượng dài theo đơn vị quy ước “Tex”, chiều xoắn, số vòng xoắn trên mét dài, loại chất tẩm và kiểu uốn

Ví dụ: EC 10 40S 20 T3

Có nghĩa là: sợi thủy tinh E liên tục, đường kính sợi đơn là 10 µm, khối lượng

40 Tex (1Tex = 1g/km), chiều xoắn trái, số vòng xoắn 20, loại tẩm T3

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của sợi thủy tinh [1]

Bảng 2.2 Đặc tính cơ lý của sợi thủy tinh [1]

Bảng 2.3 Đường kính sợi thủy tinh đơn (Filament) [1]

Hình 2.8 Độ bền kéo của một số loại vật liệu [21]

Aramid Composite

HS Carbon Composite

IM Carbon Composite

Hình 2.9 Ứng suất kéo và biến dạng kéo của một số loại sợi