đề tài tốt nghiệp “thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300w bằng vật liệu composite”

Suzlon India với các turbine950KW to 2MW; công ty GE Energy USA có sản phẩm 1.500-3.6000KW;Siemens Germany đưa ra thị trường các turbine lớn 1.3 MW, 2.3 MW, 3.6MW vàEnercon nổi tiếng với

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Thị Luận – Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật

Cơ khí, khóa 2011- 2013 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên

Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường Tôi lựa chọn thực

hiện đề tài tốt nghiệp “Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệu composite”

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của PGS TS Ngô Như Khoa và sự

nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thânthực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác Theohiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ nhữngthông tin tham khảo được trích dẫn

Thái Nguyên, ngày 05 tháng 10 năm 2014

Học viên

NGUYỄN THỊ LUẬN

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa

học của tôi, thầy giáo - PGS.TS Ngô Như Khoa, người đã tận tình chỉ bảo, động

viên và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp TháiNguyên đã tận tình giảng dạy trong hai năm học vừa qua

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các phòng ban chức năng trườngĐại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện để tôi đượctham gia và hoàn thành khóa học này

Tôi xin cảm ơn các cán bộ, nhân viên của Trung tâm thí nghiệm - TrườngĐHKT Công nghiệp, phòng thí nghiệm kỹ thuật và công nghệ vật liệu đã giúp tôihoàn thành luận văn này

Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với gia đình tôi, vì tất cả những gì màmọi người đã dành cho tôi Mọi người đã chăm sóc, động viên tôi trong suốt thờigian tôi sống, học tập và làm luận văn

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy cô giáo, các bạn bè, đồngnghiệp trong trường Trung cấp nghề Nam Thái Nguyên đã tạo điều kiện, hỗ trợ vàgiúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và làm đề tài này

Thái Nguyên, ngày 07 tháng 09 năm 2014

Học Viên

Nguyễn Thị Luận

E Modul đàn hồi (MPa)

σ Ứng suất phá hủy (MPa)

ρ Khối lượng riêng (kg/m3)

P Lực kéo, nén tối đa (N)

NACA Ủy ban cố vấn ngành hàng không quốc gia

1 Vấn đề nghiên cứu.

Hiện nay, ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung, nhu cầu về năng lượngđiện ngày một tăng cao, trong khi đó các nhà máy điện sử dụng các nguồn nănglượng truyền thống như thủy điện, nhiệt điện,… đang ngày càng cạn kiệt và mất cânbằng sinh thái, ô nhiễm môi trường Bởi vậy,việc sử dụng nguồn năng lượng sạch,

có khả năng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời,… là một xu hướngđang phát triển mạnh trên thế giới

Trên thế giới:

* Tình hình phát tri n năng l ển năng lượng gió ượng gió ng gió

Hiện nay trong số các nguồn năng lượng mới, năng lượng bằng sức gió pháttriển nhanh nhất trên thế giới vì nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng, sạch vàkhông làm hại môi trường Do vậy việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gióngày càng được quan tâm ở nhiều quốc gia trên thế giới như Đức, Mỹ, Pháp, TâyBan Nha, Bồ Đào Nha, Trung Quốc, Đan Mạch,…là những nước có lịch sử pháttriển hệ thống máy phong điện từ lâu đời và vẫn phát triển mạnh mẽ cho đến ngàynay

Theo [5], thống kê đến năm 2007 thế giới đã xây dựng được khoảng20073MW điện, trong đó, Mỹ có 5244 MW, Tây Ban Nha có 3522 MW, TrungQuốc có 3449MW, Ấn Độ có 1730 MW và Đức có 1667 MW

Hình 1: H th ng qu t năng l ệ thống quạt năng lượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ ống quạt năng lượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ ạt năng lượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ ượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ ng gió Palm Sprin, California, Mỹ ở Palm Sprin, California, Mỹ

Ở khu vực Châu Á, Trung Quốc là một trong những nước dẫn đầu nghiêncứu phát triển và sử dụng nguồn năng lượng gió, đặc biệt chú trọng các loại máyphong điện cỡ nhỏ Chủ yếu là các máy phong điện trục đứng có công suất từ (100-1000)W phục vụ sinh hoạt cho hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng cho các cột đèncông cộng Được chế tạo từ vật liệu composite với biên dạng và chiều cao cánhkhác nhau Tham khảo một số hãng sản xuất nổi tiếng ở Trung Quốc[10,11,12,13,14,15]

(W)

Cánh

Số cánh Chiều cao (m)Shandong Yaneng New Energy

Hubei Bluelight Science &

Technology Development Co., Ltd

* Một số nghiên cứu gần đây

Bộ phận chính và quan trọng nhất của turbine gió là bộ phận cánh đặc biệt làkhả năng quay của cánh Để nó hoạt động tốt cần chú ý tới việc thiết kế lựa chọnhình dạng , kích thước cánh và vật liệu chế tạo cánh tối ưu Biên dạng cánh turbine

có thể ở dạng tấm phẳng đơn giản; dạng vỏ trụ; hay dạng khí động học phức tạp.Xét về mặt kết cấu, cánh turbine gió thường ở dạng kết cấu tấm/vỏ có hoặc không

có gân gia cường và ở dạng hộp panel

Từ thời xa xưa khi thiết kế cánh turbine thì việc đầu tiên các nhà khoa họcquan tâm xem xét vật liệu chế tạo cánh là gì? Thuộc tính vật liệu sử dụng cánhquyết định phần lớn phương pháp thiết kế và chế tạo cánh Cánh quạt càng nặng thì

sẽ cần có nhiều gió hơn để quay roto, nghĩa là thu được ít năng lượng Do đó, cáccánh quạt nhẹ, trọng lượng nhẹ, chắc chắn cho phép tăng tối đa sản lượng năng

lượng Nhôm, titan, thép, gỗ và composite là những loại vật liệu mà đã được cácnhà nghiên cứu thử nghiệm để chế tạo cánh turbine So sánh thấy vật liệu composite

có tính ưu việt vượt trội hơn hẳn là: khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kếtcấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thànhphần cốt của Composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảocho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt vàchịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường Một trongcác ứng dụng có hiệu quả nhất khi chế tạo cánh turbine là Composite lớp (nền nhựa,cốt sợi) Đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tínhchất nổi bật là nhẹ, độ bền cơ học cao, rẻ tiền, dễ kiếm, dễ lắp đặt, có độ bền riêng

và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫnnhiệt, dẫn điện thấp Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khaiđược các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất Do vậy composite làloại vật liệu được sử dụng rộng rãi khi chế tạo cánh turbine

Mặc dù đã có rất nhiều chủng loại sản phẩm, turbine gió đã và đang được sản

xuất bởi các tập đoàn công nghiệp lớn trên thế giới và đưa vào sử dụng với các kiểudáng khác nhau [2]: Kiểu dáng chén, kiểu savonius, cánh dạng tấm phẳng , kiểuDarrieus- Rotor và H- Rotor Thể hiện qua sản phẩm mang tính thương mại hóacủa một số hãng nổi tiếng trên thế giới như Vestas (Denmark) với các sản phẩmV52-850 KW, V80-1.8 MW, V80-2.0 MW, V90-3,0 Suzlon (India) với các turbine950KW to 2MW; công ty GE Energy (USA) có sản phẩm 1.500-3.6000KW;Siemens (Germany) đưa ra thị trường các turbine lớn 1.3 MW, 2.3 MW, 3.6MW vàEnercon nổi tiếng với sản phẩm E – 126 lập kỷ lục thế giới về công suất 7MW,…thì các nghiên cứu về lĩnh vực turbine gió vẫn được nhiều nhà khoa học trên thếgiới đặc biệt quan tâm trong những năm gần đây là những nghiên cứu về chế tạo

cánh turbine gió trên các tạp chí khoa học hay trên các bài báo: “Sử dụng sợi carbon trong thiết kế chế tạo cánh turbine gió” được đăng trên tạp chí SAND 2000-

0478 phát hành in tháng 3 năm 2000, quy trình sản xuất cánh [16], kỹ thuật và sảnxuất cánh turbine gió bằng vật liệu composite [17],…

Ở Việt Nam:

* Tình hình phát tri n năng l ển năng lượng gió ượng gió ng gió

Việc sử dụng năng gió cũng đang được quan tâm nhưng ở mức thấp

- Nhà máy phát điện gió đầu tiên ở Việt Nam là nhà máy đặt tại huyện đảoBạch Long Vỹ, thành phố Hải Phòng Công suất 800KW với vốn đầu tư 0,87 triệuUSD (14 tỷ đồng)

- Nhà máy điện gió thứ 2 của cả nước đặt tại huyện đảo Lý Sơn vận hành bằngsức gió, có kết hợp máy phát điện diesel với tổng công suất 7MW, tổng vốn đầu tưgần 2 tỷ đồng

- Năm 2007, nhà máy phong điện Phương Mai 3 được xây dựng trong khukinh tế Nhơn Hội, huyện Phù Cát, tỉnh Bình Định

- Đầu năm 2013, nhà máy phong điện tại Bình Thuận đã khánh thành và chínhthức hòa mạng lưới điện quốc gia

Song tất cả các máy móc thiết bị của máy phong điện đều được nhập khẩu từnước ngoài với giá thành tương đối cao

Hình 2: Những turbine điện gió đầu tiên tại Bình Thuận

* Các nghiên cứu trong nước

Đ tài ề tài “Nghiên c u, thi t k và ch t o b phát đi n b ng s c gió có ứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có ết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có ết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có ết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có ạt năng lượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ ộ phát điện bằng sức gió có ệ thống quạt năng lượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ ằng sức gió có ứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công su t 10-30kw phù h p v i đi u ki n Vi t Nam”, ất 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam”, ợng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ ới điều kiện Việt Nam”, ều kiện Việt Nam”, ệ thống quạt năng lượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ ệ thống quạt năng lượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ 2004 c a nhóm khoa h của nhóm khoa học ọcthu c đ i h c Bách Khoa Hà N i do PGS.TSKH Nguy n Phùng Quang làm chại học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ ọc ễn Phùng Quang làm chủ ủa nhóm khoa học

đ tài N i dung đ tài đã nghiên c u thi t k , ch t o tr m phong đi n tr cề tài ề tài ứu thiết kế, chế tạo trạm phong điện trục ết kế, chế tạo trạm phong điện trục ết kế, chế tạo trạm phong điện trục ết kế, chế tạo trạm phong điện trục ại học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ ại học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ ện trục ục

ngang v i công su t thi t k 10-30kw phù h p v i đi u ki n Vi t Nam Đ tàiất thiết kế 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam Đề tài ết kế, chế tạo trạm phong điện trục ết kế, chế tạo trạm phong điện trục ợp với điều kiện Việt Nam Đề tài ề tài ện trục ện trục ề tài này ch a áp d ng cho máy phong đi n tr c đ ng và lo i công su t nh ưa áp dụng cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ ục ện trục ục ứu thiết kế, chế tạo trạm phong điện trục ại học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ ất thiết kế 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam Đề tài ỏ.

- Đ tài ề tài “Tính toán thi t k h th ng cánh turbine gió ki u tr c ết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có ết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có ệ thống quạt năng lượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ ống quạt năng lượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ ểu trục ục

đ ng trong máy phong đi n công su t 10kw”, ứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có ệ thống quạt năng lượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ ất 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam”, 2009, lu n văn th c sỹ Chu Đ cận văn thạc sỹ Chu Đức ại học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ ứu thiết kế, chế tạo trạm phong điện trụcQuy t trết kế, chế tạo trạm phong điện trục ưa áp dụng cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ ng Đ i h c Kỹ thu t Công nghi p Thái Nguyên N i dung đ tài đãại học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ ọc ận văn thạc sỹ Chu Đức ện trục ề tài tính toán thi t k các v trí, s cánh, kích thết kế, chế tạo trạm phong điện trục ết kế, chế tạo trạm phong điện trục ị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với ố cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với ưa áp dụng cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ c h th ng cánh turbine, v iện trục ố cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, vớibiên d ng cánh ph ng.ại học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ ẳng

- G n đây đã có m t s nghiên c u nh : Lu n văn c a Dần đây đã có một số nghiên cứu như: Luận văn của Dương Văn ố cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với ứu thiết kế, chế tạo trạm phong điện trục ưa áp dụng cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ ận văn thạc sỹ Chu Đức ủa nhóm khoa học ưa áp dụng cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ.ơng Vănng Văn

Đ ng đã tính toán, thi t k các v trí, s cánh, kích thết kế, chế tạo trạm phong điện trục ết kế, chế tạo trạm phong điện trục ị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với ố cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với ưa áp dụng cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ c h th ng cánh ph ngện trục ố cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với ẳng.cho máy phong đi n ki u tr c đ ng công su t 3KW.ện trục ểu trục đứng công suất 3KW ục ứu thiết kế, chế tạo trạm phong điện trục ất thiết kế 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam Đề tài Tr n Th Nam Thu v iần đây đã có một số nghiên cứu như: Luận văn của Dương Văn ị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với

lu n văn mô hình hóa và tính toán k u c u cánh tu c bin gió ki u tr c đ ngận văn thạc sỹ Chu Đức ết kế, chế tạo trạm phong điện trục ất thiết kế 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam Đề tài ố cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với ểu trục đứng công suất 3KW ục ứu thiết kế, chế tạo trạm phong điện trụctheo lý thuy t chuy n v b c nh t b ng phết kế, chế tạo trạm phong điện trục ểu trục đứng công suất 3KW ị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với ận văn thạc sỹ Chu Đức ất thiết kế 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam Đề tài ằng phương pháp phần tử hữu hạn… Các ưa áp dụng cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ.ơng Vănng pháp ph n t h u h n… Cácần đây đã có một số nghiên cứu như: Luận văn của Dương Văn ử hữu hạn… Các ữu hạn… Các ại học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủnghiên c u trên v n ch d ng l i vi c mô hình hóa cánh tu c binứu thiết kế, chế tạo trạm phong điện trục ẫn chỉ dừng lại ở việc mô hình hóa cánh tuốc bin ỉ dừng lại ở việc mô hình hóa cánh tuốc bin ừng lại ở việc mô hình hóa cánh tuốc bin ại học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ ở việc mô hình hóa cánh tuốc bin ện trục ố cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với

Tuy nhiên, công nghệ chế tạo cánh turbine gió không được công bố hoặc nếu

có thì chỉ ở mức độ rất hạn chế kể cả trên các tạp chí khoa học hay sách chuyênkhảo Để có thể nắm bắt được công nghệ chế tạo cánh turbine bằng vật liệucomposite lớp chúng ta bắt buộc phải tự nghiên cứu và thử nghiệm Với đề tài

“Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệu composite” là rất cần thiết, thúc đẩy quá trình nghiên

cứu thực nghiệm và ứng dụng năng lượng gió phục vụ lợi ích con người

2 Mục tiêu và nội dung

- Nghiên cứu tổng quan về quy trình công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm,

vỏ bằng vật liệu composite;

- Chế tạo thử nghiệm vật liệu composite lớp bằng phương pháp lăn ép;

- Thử nghiệm với mẫu là vật liệu composite để đánh giá công nghệ:

+ Thời gian đóng rắn của vật liệu nền sau mỗi lớp để thực hiện lớp tiếp theo;+ Sự phân bố sợi trong nhựa;

+ Ảnh hưởng của phương pháp lăn ép đến tình trạng rỗ, bọt khí

+Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi/nhựa đến modul đàn hồi, độ bền kéo, độ cứng chống uốn

- Chế tạo khuôn (vật liệu bằng bê tông);

- Chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệucomposite nền nhựa cốt sợi thủy tinh;

- Đánh giá khả năng công nghệ và khả năng ứng dụng của công nghệ này

3 Phương pháp và phương pháp luận.

- Nghiên cứu thực nghiệm;

- Bằng các thử nghiệm chế tạo vật liệu composite lớp (thời gian đóng rắn,thời gian tháo khuôn, độ giãn nở của vật liệu, kết cấu khi đóng rắn để chế tạokhuôn), tiến tới thử nghiệm chế tạo cánh turbine gió bằng vật liệu composite lớp.Trên cơ sở đó xây dựng quy trình công nghệ và chế tạo cánh turbine gió

4 Cấu trúc luận văn.

Ngoài phần giới thiệu và phần kết luận chung, luận văn được chia thành 4chương với các nội dung cơ bản từng chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về vật liệu và công nghệ chế tạo vật liệu composite

Chương 2: Phân tích kết cấu cánh turbine và vật liệu chế tạo Chương này phân

tích kết cấu cánh turbine trục đứng công suất 300w, lựa chọn vật liệu chế tạo

Chương 3: Chế tạo mẫu vật liệu composite lớp và xác định cơ tính Chương này

trình bày về việc chế tạo mẫu, chuẩn bị máy móc, trang thiết bị cần thiết để thínghiệm, kế hoạch, kết quả thí nghiệm và đánh giá

Chương 4: Thử nghiệm chế tạo cánh và đánh giá kết quả.

Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong phần cuốicùng của luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

VẬT LIỆU COMPOSITE

Chương này giới thiệu về vật liệu composite, thành phần, tính chất và ứngdụng vật liệu trong kỹ thuật và đời sống Ngoài ra, chương này còn giới thiệu cácloại vật liệu nền, cốt và công nghệ chế tạo các kết cấu tấm, vỏ bằng vật liệucomposite

1.1 Giới thiệu vật liệu composite và ứng dụng

1.1.1 Gi i thi u v t li u composite ới thiệu vật liệu composite ệu vật liệu composite ật liệu composite ệu vật liệu composite

Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha: trong đó các pha khác nhau về bảnchất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha Phổ biếnnhất là loại composite 2 pha:

- Pha liên tục trong toàn khối gọi là nền

- Pha phân bố gián đoạn được nền bao quanh gọi là cốt

Bản chất vật liệu của nền là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vaitrò truyền ứng suất sang cốt khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu, bảo vệ cốt khỏi

bị hư hỏng do tấn công của môi trường, định hình kết cấu, cách điện, tăng độ dẻo dai.Vật liệu cốt đóng vai trò là các điểm chịu ứng suất tập trung thường có tínhchất cơ lý hóa cao hơn vật liệu nền

Đặc trưng hình học của vật liệu cốt được xác định bởi: hình dạng, kích thước,

độ tập trung và phương phân bố

Độ tập trung của vật liệu cốt thường được xác định thông qua tỷ lệ thể tíchhoặc tỷ lệ khối lượng Đây là một thông số quan trọng quyết định tính chất cơ họccủa vật liệu composite

Với một tỷ lệ khối lượng cho trước, luật phân bố của vật liệu cốt trong lòngvật liệu composite cũng rất quan trọng Khi vật liệu cốt được phân bố đều theo thểtích, ta được vật liệu đồng nhất Khi vật liệu cốt phân bố không đều, vật liệucomposite bị phá huỷ ở nơi ít vật liệu cốt trước và kết cục là độ bền của vật liệu (kếtcấu) bị giảm đi

Trong trường hợp composite cốt sợi, phương của sợi quyết định tính dị hướngcủa vật liệu Đây là một đặc trưng trội nhất của vật liệu composite Có nghĩa là ta cóthể điều khiển được tính dị hướng của vật liệu và chọn những phương án công nghệphù hợp với những tính chất mong muốn.

Vật liệu composite rất phong phú, đa dạng, được sử dụng hầu hết trong cáclĩnh vực kỹ thuật và đời sống do các đặc điểm ưu việt của nó:

- Gía thành rẻ hơn thép không rỉ

- Tỷ số tính chất cơ lý/ giá cả và tỷ số tính chất cơ lý/khối lượng thì caohơn sắt thép rất nhiều

- Nhẹ hơn nhôm

- Phương pháp gia công và chế tạo đa dạng

- Dễ tạo hình, thay đổi và sửa chữa

- Tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, cứng vững, chịu va đập uốn, kéo tốt

- Chịu hóa chất không sét rỉ, chống ăn mòn Đặc tính này đặc biệt thích hợpcho chi tiết làm việc ngoài trời

- Chịu thời tiết, chống tia UV, chống lão hóa nên rất bền

- Dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao

- Chịu nhiệt, chịu lạnh chống cháy

- Chi phí bảo quản thấp, màu sắc đa dạng, thiết kế tạo dáng dễ dàng, đầu tưthiết bị và tổ chức sản suất không phức tạp, chi phí vận chuyển và sản xuất không cao…

- Không thấm nước, ít độc hại

Như phân tích đã nói, vật liệu này được ứng dụng phổ biến cho đối tượngnghiên cứu là cánh turbine gió

1.1.2 Ứng dụng

Ngày nay với sự phát triển công nghiệp trên thế giới, những áp dụng khoahọc kỹ thuật vào công nghiệp không còn là ít, nổi bật là ứng dụng vật liệucomposite vào trong công nghiệp [1]

 Trên thế giới

Vật liệu composite đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đóngtàu, xuồng, cano; công nghiệp điện tử, ô tô; ngành dân dụng, ngành thể thao,…

- Trong ngành thể thao: Vật liệu composite được sử dụng để chế tạo các đồdùng thể thao như vợt cầu lông, vợt tennit, gậy gôn, ván trượt,…

Hình 1.1 Ứng dụng vật liệu composite để chế tạo các đồ dùng, dụng cụ thể thao

- Trong ngành công nghiệp ô tô: vật liệu composite được sử dụng để chế tạo,

vỏ ô tô, các hệ thống tay cầm,… trong buồng lái,…

Hình 1.2 Ứng dụng vật liệu composite trong ngành ôtô

- Trong ngành hàng không vũ trụ: Vật liệu composite được ứng dụng vàoviệc chế tạo các bộ phận trên máy bay như kết cấu khung xương, thân máy bay,cánh, bộ phận dẫn hướng,

Hình 1.3 Ứng dụng vật liệu composite chế tạo các bộ phận trên máy bay

Theo thống kê của hãng máy bay Boeing chiếc Boeing Dreamliner 787 sửdụng đến 50% composite trên toàn bộ trọng lượng

Boeing737 Boeing737 Boeing737 Airbus380 Boeing737 Airbus350

F15 F16 F11CD F11CF F22 F35 0.0%

Hình 1.5 Phát triển vật liệu composite trong chế tạo máy bay quân sự

- Vật liệu composite còn được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo cánhturbine gió Hãng Siemens đã sản xuất cánh quạt dài nhất thế giới cho nhữngturbine gió tạo ra điện [7] Siemens cho biết riêng chiếc cánh quạt gió B75 có chiềudài 75 mét, tương đương với sải cánh máy bay Airbus A380, trong khi đó, toàn bộrotor có đường kính lên tới 154 mét khi hoạt động Những cánh quạt siêu dài nàybao phủ một diện tích 18.600 mét vuông khi quay, nó bằng diện tích của 2,5 sânbóng gộp lại, cánh dài 75m Cánh quạt gió B75 hiện được lắp trên tuabin gió tạivùng bờ biển Osterild, Đan Mạch Các tuabin gió tại đây khi đi vào hoạt động chínhthức sẽ đủ cung cấp điện cho 1,8 triệu ngôi nhà tới năm 2017 Sau khi thử nghiệmthành công, Đan Mạch sẽ lắp đặt 300 tuabin này tại bờ biển Anh trong vài năm tới

Hình 1.6 Cánh quạt gió B75 chế tạo bằng vật liệu composite

* Ở Việt Nam:

Ở các nước phát triển trên thế giới thì vật liệu composite đã được phát triển

từ lâu, nhưng với Việt Nam, thì composite được coi là vật liệu mới, bởi lẽ thời gian đưa vào ứng dụng và phạm vi ứng dụng ở nước ta vẫn còn chưa lâu và chưa nhiều

Vật liệu composite sợi thủy tinh (FRP) được bắt đầu nghiên cứu và áp dụng thử ở nước ta từ 1988, khởi đầu là cano, xuồng nhỏ với tư cách là một vật liệu mới

Ở đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, chỉ có một vài công ty sản xuất compositevới các sản phẩm ghe, thuyền, bồn chứa có kích thước không lớn, chủ yếu là ở đồngbằng sống Cửu Long

Hình 1.7 Thuyền làm bằng vật liệu composite

Đến nay vật liệu composite đã và đang phát triển ở Việt Nam, được áp dụng

để sản xuất các mặt hàng như: ghe, thuyền, cano, xuồng, tàu cảng vụ, tàu nghiêncứu Hải Dương, tàu đánh cá xa bờ, cầu trượt, máng trượt (cho công viên nước), bểbơi, bồn tắm, kiot, trang trí nội thất, ngoại thất, các công trình cho công viên, thùngđựng hóa chất, thùng chứa rác,… Các loại bồn chứa đặt dưới đất hoặc trên tháp caovới dung tích hàng trăm mét khối Chống thấm, dột, bọc vỏ tàu gỗ, v v

Hình 1.8 Thuyền, bồn chứa dung dịch hóa chất và thùng chứa rác làm bằng

Hình 1.9 Cấu tạo vật liệu composite

1.2.2 Phân loại vật liệu composite

Vật liệu composite được phân loại dựa theo hình dạng cốt và theo bản chấtcủa nền các vật liệu thành phần

a Phân loại theo hình dạng

Theo hình dạng của vật liệu thành phần, vật liệu composite được phân làmhai họ lớn: Vật liệu composite cốt sợi và vật liệu composite cốt hạt

 Vật liệu composite cốt sợi.

Khi vật liệu cốt là các sợi ta gọi đó là composite cốt sợi Sợi được sử dụng cóthể dưới dạng liên tục, có thể dưới dạng gián đoạn như sợi ngắn, sợi vụn… Ta cóthể điều khiển sự phân bố, phương của sợi để có vật liệu dị hướng theo ý muốn Vàcũng có thể tạo ra vật liệu có cơ – lý khác nhau, khi chú ý tới:

- Bản chất của vật liệu thành phần ;

- Tỷ lệ của các vật liệu tham gia ;

- Phương của sợi.

 Vật liệu composite cốt hạt.

Khi vật liệu cốt có dạng hạt, ta gọi đó là vật liệu composite hạt Hạt khác sợi ởchỗ, nó không có kích thước ưu tiên Hạt thường dụng để cải thiện một số cơ tínhcủa vật liệu hoặc của vật liệu nền, chẳng hạn tăng độ cứng, tăng khả năng chịu

nhiệt, chịu mòn, giảm độ co ngót,….Trong nhiều 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.Việc lựa chọn phương án kết hợp hạt - nền (nhựa) phụ thuộc vào cơ - lý tính

mà ta muốn có Chẳng hạn, người ta thêm chì vào trong hợp kim đồng để loại bớtnhững khó khăn khi gia công

b Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần

Tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu nền, vật liệu composite được chia ra làm

ba nhóm: composite nền hữu cơ, composite nền kim loại và composite nền gốm

 Composite nền hữa cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt dạng:

- Sợi hữu cơ: Polyamit, Kevlar…

- Sợi khoáng : thuỷ tinh, cabon…

- Sợi kim loại: Bo, nhôm…

 Composite nền kim loại (hợp kim titan, hợp kim nhôm…) với vật liệu cốt

dạng:

- Sợi kim loại: Bo

- Sợi khoáng: Cacbon, SiC

 Composite nền gốm (khoáng) với vật liệu cốt dạng:

- Sợi kim loại: Bo

- Hạt kim loại: Chất gốm kim

- Hạt gốm: Cacbua, Nitơ…

Vật liệu composite nền hữu cơ chỉ chịu được nhiệt độ từ 200 đến 300oC, trongkhi đó composite nền kim loại có thể chịu được nhiệt độ đến 600oC (nền kim loại)hoặc trên 1000oC (nền gốm)

1.3 Công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm, vỏ bằng vật liệu composite

Hiện nay có nhiều phương pháp chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite.Các công nghệ chế tạo được lựa chọn tùy theo yêu cầu của sản phẩm và yêu cầu của

sản xuất Theo [4], các công nghệ được sử dụng trong chế tạo sản phẩm bằng vậtliệu composite bao gồm: phương pháp chế tạo thủ công và chế tạo công nghiệp

Chế tạo thủ công bao gồm:

- Phương pháp lăn ép

- Phương pháp phun hỗn hợp composite

- Phương pháp thấm nhựa trước

Chế tạo công nghiệp bao gồm:

- Phương pháp đùn ép

- Phương pháp đúc chuyển nhựa

- Phương pháp đúc chân không

- Phương pháp quấn sợi

1.3.1 Chế tạo thủ công

a Phương pháp lăn ép

Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong chế tạo sảnphẩm bằng vật liệu composite là phương pháp chế tạo thủ công Phương pháp thủcông sử dụng khuôn hở, có thể sử dụng khuôn dương hoặc khuôn âm

Hình 1.10 Chế tạo vật liệu composite bằng phương pháp lăn ép

Quy trình chế tạo gồm các bước chính như sau:

- Quét phủ lớp hỗ trợ tháo khuôn lên bề mặt khuôn;

- Phủ lớp tạo bề mặt sản phẩm (gel-coat) có tác dụng bảo vệ lớp vật liệucomposite tránh tác hại của điều kiện ngoài trời khắc nghiệt như: nhiệt độ, ánh sáng,thời tiết, khí hậu,…(tương tự như phủ lớp sơn bảo vệ gỗ, kim loại)

- Phủ nhựa nền trên lớp tạo bề mặt có tác dụng bảo vệ cốt khỏi bị hư hỏng dotấn công của môi trường, định hình kết cấu, cách điện, tăng độ dẻo dai,

- Rải lớp vật liệu cốt trên lớp nhựa nền có tác dụng chịu lực, chịu ứng suấttập trung;

- Dùng con lăn để lăn ép vật liệu cốt với nhựa nền tạo môi trường liên kếtgiữa nền và cốt, tránh hiện tượng rỗ khí;

- Qúa trình lặp đi lặp lại cho đến khi đủ số lớp theo thiết kế

Sau khi quá trình rải vật liệu cốt và thấm nhựa nền đã hoàn thành, sản phẩmđược để đông kết tại nhiệt độ môi trường Tốc độ đông kết của sản phẩm phụ thuộctheo loại vật liệu nền, độ dày sản phẩm, nhiệt độ môi trường và độ dẫn nhiệt của vậtliệu khuôn Để tăng tốc độ đông kết và giảm thời gian tháo khuôn, các sản phẩm cókích thước nhỏ được đưa vào lò sấy; các sản phẩm có kích thước lớn hơn có thểđược sấy bằng khí nóng Phản ứng tỏa nhiệt trong quá trình đông kết có thể làmtăng nhiệt độ của sản phẩm Tốc độ thay đổi nhiệt cũng là yếu tố quan trọng quyếtđịnh tới cơ tính và chất lượng sản phẩm Do hệ số giãn nở của vật liệu gia cường vànhựa nền khác nhau, sự thay đổi nhiệt độ lớn trong quá trình đông kết có thể làmbiến dạng liên kết giữa hai loại vật liệu

Vật liệu sử dụng trong phương pháp thủ công thường là epoxy hoặcpolyester không no và sợi thủy tinh Phương pháp thủ công thường được áp dụngcho các loạt sản phẩm có số lượng nhỏ hoặc sản phẩm đơn chiếc

Phương pháp chế tạo thủ công có:

* Ưu điểm:

- Thiết kế linh động, dễ dàng thay đổi

- Chi phí đầu tư dụng cụ thiết bị thấp

- Hàm lượng sợi cao và phù hợp với sợi dài

* Nhược điểm:

- Sản phẩm chỉ có một bề nhẵn

- Thời gian đóng rắn thường dài

- Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào kỹ năng thao tác

b Phương pháp phun hỗn hợp composite

Trong phương pháp phun hỗn hợp, vật liệu gia cường có kích thước nhỏđược trộn với nhựa polymer theo tỷ lệ xác định Súng phun được sử dụng để phunhỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường vào khuôn Vật liệu gia cường đượccung cấp liên tục vào một đầu cấp của súng phun, nhựa polymer và chất khởi tạophản ứng được cung cấp tới một đầu cấp khác của súng Quá trình hòa trộn đượcdiễn ra trong thiết bị hòa trộn tĩnh hoặc động trong súng phun hoặc trong thiết bịkhác.

Hình 1.11 Phương pháp phun hỗn hợp

Tương tự như phương pháp chế tạo thủ công, chất hỗ trợ tháo khuôn đượcphun hoặc quét lên mặt khuôn, tiếp theo là lớp gel-coat tạo bề mặt cho sản phẩm.Sau đó hỗn hợp nhựa polymer, chất khởi tạo phản ứng và sợi gia cường được phun

ép vào khuôn

Hình 1.12 Sơ đồ công nghệ phun hỗn hợp

Vật liệu sử dụng trong phương pháp phun hỗn hợp composite tương tự nhưtrong phương pháp thủ công Sợi thủy tinh được cắt với chiều dài từ 10mm tới40mm trước khi được trộn vào hỗn hợp

Phương pháp này có:

* Ưu điểm: Nhanh, chi phí dụng cụ thấp

* Nhược điểm:

- Hàm lượng nhựa cao

- Chỉ chế tạo được composite sợi ngắn

- Nhựa cần có độ nhớt thấp khi phun, ảnh hưởng tới tính chất cơ nhiệt củasản phẩm, cùng với hàm lượng styren cao, dễ ảnh hưởng đến điều kiện làm việc củacông nhân

c Phương pháp thấm nhựa trước

Trong phương pháp này, vật liệu gia cường được thấm nhựa polymer vàđược bảo quản trong môi trường nhiệt độ thấp Quy trình chế tạo sản phẩmcomposite sử dụng vật liệu thấm nhựa trước được thực hiện như sau: vật liệu giacường đã thấm nhựa polymer được lấy ra khỏi thùng bảo quản lạnh, để trao đổinhiệt tự nhiên và đạt tới nhiệt độ môi trường trước khi tiến hành gia công Trongquá trình trao đổi nhiệt tự nhiên, vật liệu gia cường thấm nhựa polymer được để

trong bao bì bảo quản để tránh ngưng tụ hơi nước trên bề mặt Vật liệu gia cường đãthấm nhựa polymer được cắt thành hình dạng theo thiết kế Quá trình cắt có thể tiếnhành thủ công hoặc tự động Sau khi vật liệu được cắt theo thiết kế, tiến hành bóclớp bảo vệ, đặt vật liệu lên khuôn theo từng lớp Quá trình được lặp lại tới khi đạtđược yêu cầu về độ dầy của sản phẩm.

Vật liệu thấm nhựa polymer trước được sử dụng trong những loạt sản phẩm

có số lượng không lớn Do độ dầy của vật liệu thấm nhựa polymer trước thườngkhông lớn nên quá trình rải đặt các lớp yêu cầu độ chính xác cao Thông thường quátrình này được thực hiện tự động hoặc với sự hỗ trợ của máy tính Tương tự nhưphương pháp lăn tay thủ công, khuôn mẫu sử dụng trong phương pháp thấm nhựatrước khá đơn giản, tuy nhiên với các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao như cácchi tiết trên máy bay, khuôn mẫu thường được chế tạo bằng kim loại hoặc vật liệucomposite để có thể chịu được tải trọng lớn trong quá trình chế tạo

Trong phương pháp vật liệu thấm nhựa trước, sợi carbon và epoxy thườngđược sử dụng là vật liệu gia cường và vật liệu nền Phương pháp này được ứngdụng chế tạo các sản phẩm trong ngành hàng không Tuy nhiên phương pháp nàyđang dần được áp dụng trong chế tạo các dụng cụ thể thao và giải trí như cần câu

cá, gậy chơi golf, ván trượt, v.v

1.3.2 Chế tạo công nghiệp

a Phương pháp đùn ép

Trong phương pháp này nhựa polymer dưới dạng bột hoặc hỗn hợp nhựapolymer và vật liệu gia cường có chiều dài ngắn được cấp vào trống chứa hỗn hợpvật liệu của máy đùn ép Trục vít được sử dụng để đẩy hỗn hợp vật liệu về phíatrước của trống, nén hỗn hợp vật liệu đồng thời đẩy không khí chứa trong vật liệu rangoài Trong quá trình hòa trộn ma sát làm tăng nhiệt độ của hỗn hợp, năng lượngnhiệt này làm vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng trước khi được chuyển tới buồngphun ép Do quá trình nén cắt trong trục vít, chiều dài của sợi gia cường giảm Dướilực ép của trục vít, vật liệu được đùn ép vào khuôn, hệ thống van một chiều được sửdụng để ngăn vật liệu bị nén ngược lại trống chứa Khi vật liệu đã được nén vàotrong khuôn, trục vít được giữ nguyên vị trí để duy trì áp suất trong khuôn Khi vật

liệu đã đông kết trong khuôn, trục vít được di chuyển theo chiều ngược lại để chuẩn

bị cho chu trình đùn ép sản phẩm tiếp theo

Hình 1.13 Phương pháp đùn ép

*Ưu điểm:

- Nhanh, hiệu quả kinh tế cao

- Tỷ lệ sợi/ nhựa có thể điều chỉnh được khi sợi đi qua bể nhựa

- Gía thành sợi giảm thiểu do không qua công đoạn dệt sợi thành vải

- Tính chất của sản phẩm tốt do có thể điều chỉnh phương của sợi phù hợp

* Nhược điểm:

- Hạn chế ở một số dạng sản phẩm nhất định (rỗng, mặt cắt tròn, oval,…)

- Khó điều chỉnh chính xác vị trí sợi dọc theo chiều dài sản phẩm

- Gía thành trống đối với những sản phẩm lớn là rất cao

- Yêu cầu nhựa có độ nhớt thấp nên ảnh hưởng tới tính chất cơ học và vấn đề

an toàn sức khỏe

Do các hạn chế nêu trên công nghệ đùn ép hỗn hợp composite thường được

sử dụng chế tạo các sản phẩm có kích thước không lớn với yêu cầu về cơ tính khôngcao

b Phương pháp đúc chuyển nhựa

Phương pháp đúc chuyển nhựa sử dụng khuôn kín, vật liệu gia cường đượcđặt trước trong khuôn Với loạt sản phẩm có số lượng không lớn vật liệu gia cườngđược cắt thủ công và đặt trên nửa khuôn phía dưới Nửa khuôn phía trên được đónglại, nhựa polymer được điền đầy vào khuôn dưới áp suất cao Sau khi nhựa polymerđược điền đầy vào khuôn, hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường được để

đông kết trong thời gian xác định Sau đó sản phẩm được tháo khuôn để tiến hànhsản xuất chi tiết tiếp theo.

Hình 1.14 Phương pháp đúc chuyển nhựa

Hình 1.15 Sơ đồ công nghệ đúc chuyển nhựa

Trong công nghệ đúc chuyển nhựa cần đảm bảo độ nhớt của nhựa polymertrong giới hạn cho phép để có thể điền đầy nhựa tới các vị trí trong khuôn trong thờigian ngắn nhất Do đó, cần duy trì nhiệt độ của nhựa và khuôn trong giới hạn hợp

lý Mặt khác, nếu duy trì nhiệt độ nhựa và khuôn quá cao sẽ gây các phản ứng gâyđông kết nhựa polymer trong quá trình điền đầy khuôn

Sử dụng công nghệ đúc chuyển nhựa có:

* Ưu điểm: - Vật liệu lớp được tạo thành với tỷ lệ sợi cao, lỗ bọt khí ít

- Khống chế được vấn đề môi trường

- Giảm nhân công

- Hai mặt của sản phẩm được định dạng theo bề mặt khuôn

- Có thể tạo ra sản phẩm có hình dạng phức tạp và chất lượng bề mặtcao, đặc biệt thích hợp cho chế tạo các chi tiết trong công nghiệp ô tô, hàng không

* Nhược Điểm: - Trang thiết bị đắt tiền

- Phù hợp với sản phẩm kích thước nhỏ

c Phương pháp đúc chân không

Phương pháp này sử dụng sự chênh lệch áp suất trong khuôn và thiết bị chứanhựa polymer để điền nhựa vào khuôn Khác với phương pháp đúc chuyển nhựatruyền thống sử dụng chân không hỗ trợ quá trình điền nhựa vào khuôn dưới lực épcủa thiết bị nén hoặc khí nén, công nghệ đúc chân không hoàn toàn sử dụng lực hútchân không để đưa nhựa polymer vào khuôn Nhựa polymer được chứa trong bình,khi độ chân không trong khuôn đã đạt tới yêu cầu, van dẫn bình chứa mở ra, nhựatrong bình chứa được điền vào khuôn theo hệ thống ống dẫn bố trí theo chu vi củakhuôn Tốc độ điền nhựa vào khuôn phụ thuộc vào chi tiết được chế tạo, tỷ lệ vậtliệu gia cường, chủng loại nhựa polymer, và phương án bố trí, thiết kế khuôn

Hình 1.16 Các thiết bị và vật liệu trong công nghệ đúc chân không

Hình 1.17 Sơ đồ công nghệ đúc chân không

Quy trình công nghệ được thực hiện như sau:

- Quét phủ lớp chống dính hỗ trợ tháo khuôn:

- Quét phủ lớp vật liệu tạo bề mặt (gel-coat);

- Đặt các lớp vật liệu gia cường vào khuôn;

- Đặt các lớp hỗ trợ dẫn nhựa polymer lên trên lớp vật liệu gia cường;

- Đặt túi chân không, sử dụng băng làm kín (sealant tape) để làm kín thể tíchtrong khuôn;

- Hút chân không thể tích trong khuôn;

- Mở van nhựa khi độ chân không đạt yêu cầu để điền nhựa polymer từ thiết

bị chứa vào khuôn;

- Tháo khuôn sau khi vật liệu trong khuôn đông kết và định hình

Hình 1.18 Quá trình điền nhựa polymer vào khuôn trong chế tạo vỏ ôtô

* Ưu điểm:

khuôn đơn giản

- Chi phí đầu tư không cao

- Hàm lượng lỗ bọt ít

- An toàn cho sức khỏe

* Nhược điểm:

- Qúa trình tạo chân không làm tăng giá thành sản phẩm

- Đòi hỏi kỹ năng thao tác cao

- Chỉ kiểm soát được chất lượng một bề mặt của chi tiết gia công do sử dụngkhuôn một mặt, khó kiểm soát độ đồng đều của chiều dầy chi tiết cũng như tỷ lệ vậtliệu gia cường và nhựa polymer

Công nghệ đúc chân không được sử dụng chủ yếu để chế tạo các chi tiết cókích thước lớn, số lượng không nhiều như các kết cấu dàn khoan, xuồng, thân vỏ ô

tô, toa xe tàu hỏa, kho đông lạnh Công nghệ này có thể kết hợp với phương phápchế tạo sandwich tạo ra sản phẩm có chất lượng và yêu cầu cao

d Phương pháp quấn sợi

Dùng sản xuất những sản phẩm dạng trụ rỗng, mặt cắt hình tròn hoặc oval.Sợi đi qua bể nhựa được quấn vào trống (điều chỉnh cơ chế quay, tốc độ quay, )

Hình 1.19 Sơ đồ quấn sợi

 Ưu điểm:

- Nhanh, hiệu quả kinh tế cao

- Tỷ lệ sợi/nhựa có thể điều chỉnh được khi sợi đi qua bể nhựa

- Giá thành sợi giảm thiểu do không qua công đoạn dệt sợi thành vải

- Tính chất của sản phẩm tốt do có thể điều chỉnh phương của sợi phù hợp

 Nhược điểm:

- Hạn chế ở một số dạng sản phẩm nhất định (rỗng, mặt cắt tròn, oval, )

- Khó điều chỉnh chính xác vị trí sợi dọc theo chiều dài sản phẩm

- Giá thành trống đối với những sản phẩm lớn là rất cao

- Yêu cầu nhựa có độ nhớt thấp nên ảnh hưởng tính chất cơ học và vấn

đề an toàn sức khoẻ

1.4 Kết luận chương

Các sản phẩm composite được chế tạo theo nhiều phương pháp khác nhaunhư chế tạo thủ công, phương pháp thấm nhựa trước, đùn ép, đúc chuyển nhựa, đúcchân không, v.v Các phương pháp này có các ưu nhược điểm khác nhau Với cáctrang thiết bị, kinh phí hiện có và đảm bảo yêu cầu công nghệ chế tạo cánh turbinegió hiện nay, phương pháp lăn ép là sự lựa chọn phù hợp do đáp ứng tốt về giáthành, chất lượng trong chế tạo các sản phẩm đơn chiếc, loạt sản phẩm nhỏ, kíchthước vừa và nhỏ Công nghệ này ít có tác động xấu tới môi trường Do đó, cần cóđầu tư nghiên cứu để có thể ứng dụng vào ngành công nghiệp chế tạo turbine gió ởViệt Nam hiện nay và trong tương lai

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH KẾT CẤU CÁNH TURBINE VÀ VẬT LIỆU

CHẾ TẠO

Giới thiệu

Dựa trên bộ 5 cánh turbine gió trục đứng công suất 300W thuộc bộ NACA 4

số 6621 do hãng Shenzhen Effsu New Energe ở Trung Quốc sản xuất, đề tài tiếnhành lấy mẫu vật liệu để phân tích kết cấu lớp vật liệu thành phần, làm cơ sở choviệc nghiên cứu thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbinetheo yêu cầu đặt ra

2.1 Khảo sát cánh turbine gió có biên dạng NACA 6621

Bộ 5 cánh turbine gió trục đứng công suất 300W có biên dạng NACA 6621

có kết cấu như hình 2.1

Hình 2.1 Cánh turbine công suất 300W có biên dạng NACA 6621

Để khảo sát được vật liệu, chiều dày và số lớp chế tạo cánh turbine 6621,tiến hành cắt mẫu để thí nghiệm

Hình 2.2.Mẫu thí nghiệm khảo sát cơ tính cánh turbine

Kết quả khảo sát, phân tích cho thấy:

Cánh turbine gió 6621 được làm từ vật liệu composite lớp nền nhựa epoxy,cốt vải sợi thủy tinh Bên ngoài bọc lớp vỏ gel coat trắng giữ vai trò bảo vệ lớpcomposite tránh tác động xấu của môi trường như: nhiệt độ, ánh sáng, khí hậu, thờitiết Tiếp đến là các lớp vật liệu composite đảm bảo độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ daikhông bị thay đổi hình dáng dưới tác dụng của gió khi làm việc, không bị biến dạngvõng và giữ vai trò tạo hình kết cấu cánh Bên trong có lớp xốp được chế tạo chènkhít vào vỏ composite làm tăng độ cứng vững nhưng không làm tăng đáng kể khốilượng và giá thành chế tạo cánh Lớp composite có chiều dày là 1,5 mm, gồm 3 lớpsợi, nhựa xen kẽ nhau.

Do vi c ch t o lõi x p chèn khít vào v composite không có đ đi uện trục ết kế, chế tạo trạm phong điện trục ại học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ ố cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với ỏ ủa nhóm khoa học ề tài

ki n đ th c hi n Vì v y ph n sau lu n văn t p trung vào m c đích đ t ra làện trục ểu trục đứng công suất 3KW ện trục ận văn thạc sỹ Chu Đức ần đây đã có một số nghiên cứu như: Luận văn của Dương Văn ận văn thạc sỹ Chu Đức ận văn thạc sỹ Chu Đức ục ặt ra là

th nghi m công ngh ch t o v t li u composite Do v y sẽ tăng chi u dày,ử hữu hạn… Các ện trục ện trục ết kế, chế tạo trạm phong điện trục ại học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ ận văn thạc sỹ Chu Đức ện trục ận văn thạc sỹ Chu Đức ề tài

s l p v t li u và l a ch n v t li u phù h p đ ch t o đố cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với ận văn thạc sỹ Chu Đức ện trục ọc ận văn thạc sỹ Chu Đức ện trục ợp với điều kiện Việt Nam Đề tài ểu trục đứng công suất 3KW ết kế, chế tạo trạm phong điện trục ại học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ ưa áp dụng cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ.ợp với điều kiện Việt Nam Đề tàic cánh turbine mà

đ m b o các yêu c u kỹ thu t nh nguyên m u.ảm bảo các yêu cầu kỹ thuật như nguyên mẫu ảm bảo các yêu cầu kỹ thuật như nguyên mẫu ần đây đã có một số nghiên cứu như: Luận văn của Dương Văn ận văn thạc sỹ Chu Đức ưa áp dụng cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ ẫn chỉ dừng lại ở việc mô hình hóa cánh tuốc bin

Hình 2.3 Cánh turbine gió chế tạo

2.2 Lựa chọn vật liệu

2.2.1.Vật liệu nền

Cánh turbine gió làm việc ở ngoài trời chịu điều kiện khắc nghiệt như: Nhiệt

độ, ánh sáng, thời tiết, khí hậu,… Do vậy vật liệu chế tạo phải đảm bảo bền vớinhiệt độ, độ ẩm ngoài trời, thời gian làm việc lâu dài và khả năng chống lão hóa,luận văn lựa chọn dùng nhựa nhiệt rắn để chế tạo

Nhựa nhiệt rắn bao gồm các loại: Phenol formanđehit, cơ silic, polyimit, epoxy

và polyester không no, gia công với áp suất và nhiệt độ cao Riêng với epoxy và

polyester không no có thể tiến hành ở điều kiện thường, gia công bằng phương pháplăn tay Nhìn chung nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo.

Bảng 2.1 Trình bày tính chất cơ lý của một số vật liệu nền nhiệt rắn

Bảng 2.1 Tính chất một số vật liệu nền nhiệt rắn

Đặc tính cơ lý

Phenolfor manđehit

Khối lượng riêng

- Khối lượng riêng : 1200kg/m3

- Modul đàn hồi kéo: 2,8 đến 3,8 GPa

- Modul đàn hồi uốn: 3 đến 4 GPa

- Ứng suất phá hủy kéo: 50 đến 80 MPa

- Ứng suất phá hủy uốn: 90 đến 100 MPa

- Biến dạng phá hủy kéo: 2 đến 5%

- Biến dạng phá hủy uốn: 7 đến 9%

Nhựa Polyester có ưu điểm:

- Khả năng chịu hơi nước, nước nóng kém;

- Bị hư hại dưới tác dụng của tia cực tím;

- Dễ bắt lửa;

- Chịu nhiệt trung bình (dưới 120oC)

Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol và monomer khác nhau, mỗi loại

có những tính chất khác nhau Chúng có thể rất khác nhau trong các loại nhựa UPEkhác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố:

- Thành phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ tác chất sử dụng)

isophthalic lại có khả năng kháng nước tuyệt vời nên được xem là vật liệu quantrọng trong công nghiệp, đặc biệt là làm tàu, thuyền.

Trên thị trường, các loại vật liệu nền polyester không no có suất xứ từ các nước khác nhau được bày bán khá phổ biến tại một số địa điểm như: phố Hàng Hòm và một số công ty ở Hà Nội, Vũng tàu, thành phố Hồ Chí Minh,… với giá thành tương đối rẻ, dao động trong khoảng (30-70) nghìn VNĐ/1lít, nhưng không

- Khối lượng riêng: 1200kg/m3

- Modul đàn hồi uốn: 7 GPa

- Ứng suất phá hủy kéo: 40MPa

- Ứng suất phá hủy uốn: 90MPa

- Biến dạng phá hủy kéo: 2,5 %

- Độ bền nén: 250 MPa

- Nhiệt độ uốn cong dưới tải trọng (1,8 MPa) : 1200C

Nhựa phenol có ưu điểm:

Nhựa furan ít được sử dụng vì giá thành cao Trong số những ưu điểm ta cầnnhấn mạnh;

- Đóng cứng nhanh hơn nhựa phenol

- Chống ăn mòn cao dưới tác dụng của môi trường hoá học.

Do những ưu điểm đó mà nhựa furan thường được dụng trong công nghiệpcomposite để chế tạo : Ống, bể chứa, thùng lớn…

 Nhựa amin

Nhựa amin có nhiều tính chất giống nhựa phenol, trong số những ưu điểm, cóthể kể thêm:

- Có thể sử dụng để tạo các thiết bị trong ngành công nghệ thực phẩm

- Có thể tạo các màu khác nhau.

Các loại nhựa cô đặc (phenol, furan, amin) ít được sử dụng, thương mại hóa

ở Việt Nam Do vậy chúng ít được bày bán trên thị trường Việt Nam.

c Nhựa polyimit.

Nhựa polyimit xuất hiện trên thị trường vào những năm 1970 Đây là loạinhựa có độ bền nhiệt cao, nhưng giá thành cũng rất cao Loại nhựa này cho phép tạovật liệu composite có độ bền cao hơn độ bền của nhóm ở nhiệt độ 250oC

Ưu điểm của nhựa polyimit:

- Lão hoá (đặc biệt là môi trường hơi nước) nhanh.

- Chuyển đổi khó và giá thành cao.

Khảo sát thị trường thấy nhựa polyimit là loại nhựa có giá thành tương đối cao khoảng (100-150) nghìn vnđ/1kg nhưng ít được bày bán trên thị trường Việt Nam

d Nhựa Epoxy.

Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay Nói chung,epoxy có tính năng cơ lý, kháng môi trường hơn hẳn các nhựa khác, là loại nhựađược sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay, chế tạo cánh turbine gió Vớitính chất kết dính, có cơ tính và độ bền hóa học rất cao, epoxy rất lý tưởng để sửdụng chế tạo cánh turbine gió, cánh máy bay, tên lửa,…

Một số đặc trưng cơ bản của nhựa epoxy:

- Khối lượng riêng: 1100 đến 1500 kg/m3

- Modul đàn hồi uốn: 3 đến 5 GPa

- Ứng suất phá hủy kéo: 60 đến 80 MPa

- Ứng suất phá hủy uốn: 100 đến 150 MPa

- Biến dạng phá hủy kéo: 2 đến 5%

- Độ bền cắt : 30 đến 50 MPa

- Nhiệt độ uốn cong dưới tải trọng: 2900C

Nhựa epoxy có ưu điểm:

- Cơ tính cao (kéo, nén, uốn, va đập và từ biến, …) hơn polyeste.

- Chịu được nhiệt độ cao đến 1500C hoặc 1900C liên tục

- Độ bền hoá học rất cao

- Độ co ngót thấp (0,5 đến 1%)

- Thẩm thấu vào sợi, vải rất tốt

- Độ bám dính với kim loại cao.

Nhược điểm:

- Thời gian polymer hoá dài

- Giá thành cao

- Cần tôn trọng các hướng dẫn khi sử dụng

Nhựa epoxy được tạo thành từ những mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tựvinylester, với nhóm epoxy phản ứng ở vị trí cuối mạch Nhựa epoxy không cónhóm ester, do đó khả năng kháng nước và chống lão hóa của epoxy rất tốt Ngoài

ra, do có hai vòng thơm ở vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất cơ và nhiệt

nó tốt hơn mạch thẳng, do vậy, epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt

 Các loại nhựa epoxy:

- Nhựa Epoxy nền Bisphenol – A

- Nhựa Epoxy nền Bisphenol – F

- Nhựa Epoxy nền Novolac

Tuy nhiên, tùy vào mục đích riêng mà ta dùng loại nhựa Epoxy nào Ngày này ,người ta thường sử dụng Epoxy đi từ nền Bisphenol A làm vật liệu nền trong côngnghệ chế tạo cánh turbine gió, do nó có nhiều tính chất ưu việt thỏa mãn nhiều yêucầu khi sử dụng:

- Cấu trúc hóa học của epoxy resins cho chúng có tính kháng hóa chất cao, chống lại một số điều kiện ăn mòn, lão hóa tính chất này có được từ tính chất vòng

thơm của các backbone và bền hóa học tốt của các liên kết ether phenolic

Epoxy resins có tính bám dính tốt cho một loạt các nguyên vật liệu, bao gồm

các kim loại, gỗ, bê tông, thuỷ tinh, gốm và nhiều chất dẻo Điều này là do sự hiện diện của polar hydroxyl và nhóm ethertrong resin

Độ co rút thấp trong quá trình đóng rắn cho kết quả tốt trong tính chính xác kích

thước trong kết cấu sản phẩm

- Tính gia cường cơ học

- Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ

- Phân tán vào nhựa tốt

- Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt