xác định cấu tạo lớp và thành phần 'mát - nhựa' hợp lý để chế tạo cánh bơm nước chuyên dụng cho nuôi trồng thủy sản từ vật liệu compozite

Trên cơ sở của đề tài khoa học cấp bộ thiết kế một loại bơm hướng trục chuyên dụng phục vụ cho nuôi trồng thuỷ sản, nay tôi được Bộ môn Chế Tạo Máy Khoa Cơ Khí trường Đại Học Nha Trang g

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành nuôi trồng thuỷ sản ở nước ta được xác định là một ngành kinh tế mũi nhọn, có giá trị xuất khẩu cao, mang lại ngoại tệ lớn, trong đó nuôi tôm đóng góp không nhỏ, nuôi tôm là nghề đem lại lợi nhuận cao nhưng mang tính rủi do, nếu không đựoc áp dụng khoa học kỹ thuật và thiết bị máy móc

Trong ngành nuôi tôm thì máy đảo nước sục khí là thiết bị không thể thiếu, nó mang lại nhiều lợi ích thiết thực như: Bổ sung lượng thiếu hụt ôxy trong nước; góp phần làm tăng mật độ nuôi ít nhất từ 5÷10 lần, tạo dòng chảy lưu động trong ao thường xuyên để gom chất bẩn, thức ăn thừa, duy trì điều kiện thích hợp nhất đối với tôm

Hiện nay, trên thị trường đã có một số loại bơm đảo nước sục khí phục vụ cho quá trình nuôi tôm Các loại bơm đảo nước sục khí này có những ưu điểm lớn như làm tăng hàm lượng ôxy đủ cho tôm sinh trưởng và phát triển, phá bỏ được lớp nhiệt phân tầng trong ao, giảm sự thay nước, loại bớt chất khí thặng dư, tăng mật độ nuôi, song cũng còn tồn tại một số nhược điểm mà chúng ta cần phải nghiên cứu để khắc phục Trên cơ sở của đề tài khoa học cấp bộ thiết kế một loại bơm hướng trục chuyên dụng phục vụ cho nuôi trồng thuỷ sản, nay tôi được Bộ môn Chế Tạo Máy Khoa Cơ Khí trường Đại Học Nha Trang giao cho đề tài:

“Xác định cấu tạo lớp và thành phần “Mat-nhựa” hợp lý để chế tạo cánh bơm nước chuyên dụng cho nuôi trồng thủy sản từ vật liệu compozite.”

Sau một thời gian nghiên cứu, tiến hành sản xuất và thử nghiệm dưới sự

hướng dẫn tận tình của thầy PGS.TS Phạm Hùng Thắng tôi đã hoàn thành đề

tài với đầy đủ nội dung sau:

1. Tổng quan về quy trình chế tạo cánh bơm nước chuyên dụng cho nuôi trồng thủy sản từ vật liệu Compozite

2. Xác định tiêu chí đánh giá hợp lý vật liệu chế tạo cánh bơm chuyên dụng

từ Compozite

3

4. Thử nghiệm và hoàn chỉnh

5. Hạch toán giá thành chế tạo cánh bơm

6. Kết luận và đề xuất ý kiến

Vì thời gian và trình độ bản thân còn hạn chế và đây cũng là lần đầu tiên làm quen với công tác nghiên cứu khoa học mà đề tài lại kha khó nên tôi không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện đề tài Vì vậy, tôi rất mong được sự chỉ bảo của các thầy trong khoa và sự đóng góp ý kiến của những người quan tâm đến lĩnh vực này để vấn đề nghiên cứu được hoàn thiện hơn

Nhân đây, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Phạm Hùng Thắng, thầy Th.S Đặng Xuân Phương đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn

tôi thực hiện luận văn này Cảm ơn các thầy trong khoa, các anh, chị công nhân của trung tâm tàu cá và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực tập tốt nghiệp

Nha Trang, ngày 20 tháng 11năm 2007

Sinh viên thực hiện

Đỗ Văn Thân

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BƠM NƯỚC CHUYÊN DỤNG TRONG

► Lợi ích của việc sử dụng bơm nước:

Sử dụng bơm nước trong nuôi trồng thủy sản đã đem lại rất nhiều lợi ích

về kinh kế cũng như đời sống của vật nuôi

− Giảm sự thiếu ôxy trong ao để giảm thiểu số sinh vật bị chết khi nuôi ở tình trạng cao sản

− Gia tăng được mật độ nuôi từ 5 – 10 lần mật độ nuôi thông thường

− Tạo một dòng nước thường trực trong ao Nhờ đó, ao có một đời sống sinh động hơn, với các điều kiện thiên nhiên thích hợp được gia tăng

− Phá bỏ được lớp nhiệt phân tầng trong ao, từ đó giảm sự thay nước, loại bớt được chất khí thặng dư Đồng thời nhiệt độ của nước, phân bón, hoá chất, thuốc men sẽ được phân bố đều trong ao

− Làm bền vững các điều kiện của môi trường bằng cách ôxy hoá tất cả các hoá chất và chuyển dời các hợp chất hữu cơ hoà tan

I.2 Bơm đảo nước- sục khí chuyên dụng trong nuôi trồng thủy sản

Bơm đảo nước – sục khí trong nuôi trồng thủy sản có rất nhiều loại và nhiều cách bố trí khác nhau trong ao nuôi Do đó khi sử dụng phải biết cách lựa chọn loại thiết bị và cách bố trí cho phù hợp hoặc có thể cải tiến chúng theo phương án tối ưu nhất, ở đây tôi chỉ giới thiệu về bơm đảo nước- sục khí chuyên dụng trong nuôi trồng thủy sản

I.2.1 Bơm đảo nước - sục khí chuyên dụng kiểu trục đứng

I.2.1.1 Bơm đảo nước - sục khí kiểu trục đứng sử dụng kim loại

+ Ưu điểm:

Ngoài ưu điểm của máy sục khí thông thường loại máy này còn có một số

ưu điểm nổi trội sau:

− Đảm bảo lượng oxy hoà tan trong ao tốt

− Có khả năng gom chất thải, cặn bã tập trung lại (bố trí vị trí bơm hợp lý)

− Đảm bảo tạo dòng chảy tốt, hoà trộn được các chế phẩm sinh học

− Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo phù hợp với điều kiện vật liệu trong nước

− Có độ bền cao (thiết bị chế tạo từ thép không gỉ, hợp kim đồng), làm việc tốt trong môi trường nuôi trồng thủy sản

− Cánh bơm chế tạo bằng phương pháp đúc đòi hỏi bậc thợ phải cao

− Các chi tiết làm bằng hợp kim chống ăn mòn và gia công tinh cánh bơm thì giá thành rất cao

- Giá thành của bơm còn cao

Hình 1.1: Bơm đảo nước - sục khí kiểu trục đứng của đề tài khoa học cấp nhà nước KC 07-27 [8]

Bảng 1.1: Các chi tiết trong bơm đảo nước - sục khí chuyên dụng bằng kim loại[8]

1 Ống hướng dòng SCS14 13 Khớp nối bên động cơ CT38

12 Then bằng 6x6 SCS14 24 Ổ bi liền gối đỡ

I.2.1.2 Bơm đảo nước - sục khí kiểu trục đứng sử dụng vật liệu phi kim loại

Qua nghiên cứa phát huy đề tài khoa học cấp nhà nước KC07- 27 khoa cơ khí trường Đại Học Nha Trang đã nghiên cứa theo hướng sử dụng vật liệu phi kim loại thay thế cho các chi tiết, thiết bị trong bơm đảm bảo độ bền, hạ giá thành sản phẩm và khắc phục một số nhược điểm của máy bơm sử dụng vật liệu kim loại

+ Ưu điểm:

− Đảm bảo lượng oxy hoà tan trong nước

− Đảm bảo việc luân chuyển nước và gom chất thải, cặn bã rắn trong ao nuôi

− Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo phù hợp với điều kiện vật liệc trong nước

− Các ống dẫn dòng, hướng dòng bằng thép đã được thay bằng ống nhựa PVC (ống nhựa Bình Minh), nên khối lượng bơm giản nhiều, việc làm phao lắp bơm trên ao dễ dàng

− Ít tốn kim loại, dễ dàng đảm bảo độ đồng tâm của trục bơm với bạc lót

− Cánh bơm được làm bằng nhựa PA6, dễ dàng gia công trên máy phay CNC hoặc đúc bằng máy ép nhựa

− Cánh bơm bằng nhựa nên nhẹ hơn kim loại rất nhiều, do đó lực quán tính

li tâm giảm, máy cũng ít bị rung

− Chịu được môi trường nước biển, không bị ăn mòn

− Tháo tác tháo lắp, sử dụng, vận hành dễ dàng, làm việc ổn định

− Giá thành hạ

+ Nhược điểm:

− Động cơ điện sử dụng đặt ngay trên mặt nước, nên dễ bị cháy cuộn dây khi thời tiết thay đổi có sóng gió nước tạt vào máy, gỉ sét phần vỏ sau một thời gian sử dụng do điều kiện môi trường: hơi nước, nước biển, ánh nắng

− Động cơ đặt trên mặt nước, nên trục động cơ phải dài, số gối đỡ trục nhiều, đường ống phức tạp cồng kềnh

− Yêu cầu độ đồng trục giữa trục động cơ và trục bơm nên chế tạo và lắp ráp đòi hỏi bậc thợ cao

− Cánh bơm bằng nhựa PA6 sau thời gian bị thấm nước gây trương nở làm

bó ống làm hư máy bơm

− Giá thành vật liệu, giá thành chế tạo cánh bơm còn cao

− Ống hút và ống xả bằng nhựa PVC dài tạo điều kiện cho hà bám nhiều, khi ghép nối tạo thành các góc vuông gây tổn thất cục bộ lớn làm giản hiệu suất của bơm

Hình 1.2: Bơm đảo nước - sục khí kiểu trục đứng sử dụng vật liệu phi kim loại

Bảng 1.2: Các chi tiết trong bơm sục khí chuyên dụng sử dụng vật liệu phi kim loại[13]

I.2.1.2 Bơm đảo nước – sục khí kiểu trục ngang sử dụng động cơ điện chìm

Những nhược điểm của bơm nước kiểu hướng trục đứng đã được khắc phục bằng cách sử dụng động cơ điện chìm thay thế động cơ trên bộ và vật liệu compozite vào chế tạo một số thiết bị, chi tiết đã đem lại hiệu qủa tốt

Khi sử dụng động cơ điện chìm và một số thiết bị bằng vật liệu compozite thì bơm đảo nước sục khí đã đem lại hiệu quả tốt và khắc phục được những nhược điểm còn tồn tại

Khi sử dụng động cơ điệm chìm và vật liệu compozite thì đem lại những

ưa điểm

+ Ưu điểm:

− Đây là loại máy bơm hai công dụng: Ngoài công dụng đảo nước - sục khí còn dùng làm bơm cấp thoát nước thay thế bơm li tâm

− Đảm bảo lựong oxy hoà tan trong nước, đảm bảo dòng chảy tốt cho tôm,

có khả năng gom chất thải, cặn bã rắn trong ao (bố trí bơm hợp lý) tốt hơn

− Động cơ điện là loại động cơ trên bộ đã được cải hoán cho phù hợp, đặt dưới nước có trục theo phương ngang trùng với phương của dòng nước cần phun vào ao, nên kết cấu trục động cơ ngắn hơn, mặt khác giản được chiều dài ống hướng dòng, tức giảm tổn thất về công suất và chi phí vật liệu

− Ống hướng dòng bằng chế tạo bằng vật liệu compozite chủ động được kích thước và hình dạng theo theo lý thuyết, chỗ gấp được làm cong theo bán kính R, không còn ở dạng xiên giảm tới mức tối thiểu tổn thất cục bộ, đảm bảo bền trong nước mặn, không bị ăn mòn

− Cánh bơm được đúc bằng vật liệu compozite cốt ( Mating + vải roving sợi thủy tinh), nền nhựa polyeste chưa no, chịu chịu môi trường nước mặn, giá thành chế tạo cánh bơm hạ

− Số lượng chi tiết thiết kế, chế tạo bổ xung, hỗ trợ cho bơm giảm

− Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo phù hợp với điều kiện vật liệu trong nước

− Giá thành hạ phù hợp với người nuôi trồng thuỷ sản

+ Nhược điểm:

− Động cơ được đặt dưới nước yêu cầu độ kín nước phải tuyệt đối, chế tạo đòi hỏi bậc thợ cao

− Phần mép cánh bơm bị bẻ phần nhựa do va đập với vật rắn trong nước khi

đi qua ống hút va chạn vào cánh

Hình 1.3: Bơm đảo nước- sục kiểu trục ngang với vai trò bơm cấp thoát nước

Hình 1.4: Bơm đảo nước- sục khí sử dụng động cơ điện chìm đóng vai trò đảo nước - sục khí

Bảng 1.3: Các chi tiết trong bơm sục khí chuyên dụng sử dụng động cơ điện chìm[13]

I.3.1 Kết cấu và điều kiệm làm việc của cánh bơm chuyên dụng

I.3.1.1 Kết cấu cánh bơm

+ Sự thay đổi độ nghiêng của cánh bơm:

Trong sát bầu cánh độ nghiêng và độ cong cánh lớn, ngoài ra gần mép cánh thì độ nghiêng giản (hình1.5)

Hình 1.5: Sự thay đổi đô nghiêng cánh bơm từ gốc đến mép cánh

Hình 1.6: Chiều dài profin và bước lưới cánh trên bánh công tác + Tính toán chiều dày profin lá cánh của cánh bơm:

Tính toán và kết quả tính toán được trình bày trong [8] và được kiể tra lại bởi[13]

Bảng 1.4: bảng tính toán độ dày cho phép nhỏ nhất của lưới profin của cánh bánh công tác theo điều kiện chảy không tách dòng [13,tr27]

TT Thông số tính toán Kí hiệu và công

+ Thiết kế cánh bơm bằng vật liệu phi kim loại:

Hình 1.7 : Bản vẽ cánh bơm của bơm hướng trục[13, tr36]

+ Kết cấu cánh bơm bằng vật liệu phi kim loại:

Hình 1.8: Kết cấu cánh bơm chuyên dụng[10]

+ Các thông số chính của cánh bơm:

- Tốc độ quay của cánh bơm 2900vòng/phút

- Đường kính mép cánh D = 113(mm)

- Đường kính củ cánh bơm d = 56 (mm)

- Chiều dài củ lc= 58 (mm)

I.3.1.2 Điều kiện làm việc của cánh bơm

Trong điều kiệm làm việc cánh bơm được gắn trên trục động cơ quay với tốc độ 2900 vòng/phút, đặt chìm trong nước biển do đó cánh bơm chịu tác động của các lực thủy động, lực khối lượng rất phức tạp ( lực đẩy dọc trục, lực tiếp tuyến tác dụng lên toàn bộ bề mặt cánh, lực ly tâm tác dụng lên toàn bộ thể tích của cánh) Dưới tác dụng của các lực này trên cánh và phần củ cánh xuất hiện các trạng thái ứng suất phức tạp ( ứng suất uốn, kéo, nén), khi làm việc trong môi trường nước biển đây là môi trường thủy phân, có nồng độ kiềm và axít yếu nên khi chọn vật liệu phải chú ý tới khả năng phân hủy, tạo cặp điện cực

Tác động của môi trường là yếu tố ảnh hưởng rất lớn tới khả năng làm việc, cũng như tuổi thọ của thiết bị trong bơm nói chung và cánh bơm nói riêng, cánh bơm làm việc trong nước biển nên chịu tác động trực tiếp của những lực thủy động của khối chất lỏng đè lên cánh bơm, chịu tác động của các dung môi, axit loãng, kiềm loãng làm cho cánh bơm bị ăn mòn, bị oxy hóa, điện phân, thủy phân, ngoài ra còn rất nhiều vật thể trôi nổi, lơ lửng có trong nước chui vào ống

va đập vào cánh Tất cả các yếu tố đó sẽ làm cho cánh bơm bị mòn, xây sước, hoặc gây bể cánh, sinh ra lực quán tính ly tâm làm rung máy hoặc dẫn đến phá hủy hư máy Yếu tố môi trường trên đều ảnh hưởng tới việc chọn vật liệu cho thiết bị cánh bơm

I.3.2 Vật liệu chế tạo cánh bơm và tiêu chí đánh giá

I.3.2.1 Vật liệu chế tạo cánh bơm

►Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo cánh bơm:

Cánh bơm khi làm việc quay cùng với trục với tốc độ lớn yêu cầu độ đồng tâm cao, từ cấu tạo ta thấy phần dẫn dòng cánh bơm khá mỏng từ gốc cánh ra đến mép, làm việc trong nước Do đó để cánh bơm làm việc tốt, bền về cơ tính, cũng như khả năng chịu được tác động của môi trường thì vật liệu chọn làm cánh bơm cần đảm bảo những yêu cầu tổ hợp phức tạp sau:

− Vật liệu có dễ tìm, giá thành không được cao, để giá thành chế tạo hạ

− Tính chất cơ học của vật liệu cần phải đảm bảo độ bền của cánh bơm không chỉ trong các điều kiện làm việc bình thường mà còn phải thỏa mãn trong các chế độ đặc biệt có thể có trong quá trình làm việc của bơm

− Vật liệu phải đảm bảo độ bền dẻo và có khả năng chống nứt và bị phá hoại khi rác lọt vào bơm khi bơm đang làm việc

− Vật liệu làm cánh bơm cần có tính chống mòn tốt trong cùng cặp vật liệu với vòng đệm chống thấm, trục, bulông lắp cánh với trục

− Hình dạng kết cấu phải phù hợp với công nghệ đúc và gia công cơ khí để đảm bảo hiệu suất thủy lực là cao nhất

− Vật liệu làm cánh bơm phải phù hợp với môi trường chất lỏng làm việc của máy bơm

− Vật liệu làm cánh bơm khi lựa chọn phải tính đến kích thước của nó

− Vật liệu làm bánh công tác khi chọn phải đảm bảo thuận lợi nhất trong quá trình đúc

− Vật liệu làm cánh bơm phải có khả năng làm việc trong nước biển

− Khi sửa chữa, bảo dưỡng đơn giản, dễ dàng, giá không cao

►Vật liệu chế tạo cánh bơm

Theo truyền thống thì bánh công tác được làm băng kim loại, hợp kim là chính nhưng trong điều kiện vật liệu kim loại ngày một kham hiếm vì vậy đã chuyển dần sang dạng vật liệu phi kim loại có cơ tính cao như nhựa PVA, PA, vật liệu composite Tuy vậy mỗi loại đều có nhưng ưu, nhược điểm nhất định

+ Vật liệu chế tạo cánh bơm là kim loại, hợp kim thép không gỉ

Sử dụng vật liệu chế tạo cánh bơm là thép không gỉ (pH<3,5) hoặc đồng

đỏ, đồng thau (pH = 3,5-6,0) thì vật liệu này có thể đảm bảo được độ bền của cánh bơm khi chịu các ứng suất phức tạp của áp lực thủy động tác dụng lên, không bị ăn mòn Nhưng với vật liệu cánh bằng kim loại thì thường được chế tạo theo phương pháp đúc, đòi hỏi công nghệ chế tạo cao, chi phí vật liệu lớn, từ đó làm tăng giá thành của sản phẩm Mặc khác với vật liệu là kim loại thì cánh bơm

có khối lượng lớn rất khó cân bằng động cho cánh bơm khi cánh bơm có các khuyết tật vật đúc nên rất dễ xuất hiện lực ly tâm, phá bạc và ổ bi, làm viêc trong nước nếu không chọn đúng thì sẽ tạo thành cặp điện cực, làm cánh bị han gỉ Một số kim loại hợp kim dùng chế tạo cánh bơm:

* Đồng đỏ: OHФ-9-2; OHФ-5-0; OHФ5-2; OЦC-6-6-3 chịu được nước biển

* Đồng thau loại này chứa nhiều thiếc nên rất đắt có các mác: БpOЦ-10-2; БpOФ-10-1; БpAЖH-10-4-4

nó giúp cho quá trình chế tạo được đơn giản có thể sử dụng phương pháp đúc hoặc gia công cơ trên máy CNC với sự trợ giúp của máy tính Đồng thời với công nghệ chế tạo bánh công tác băng vật liệu ta có thể tính được khả năng đảm bảo khe hở hướng kính của bánh công tác qua đó có thể đảm bảo được hiệu suất của bơm Nhưng nó có nhược điểm, vì cánh bơm làm bằng vật liệu nhựa nên nó

bị ngấm nước sau một thời gian hoạt động vì vậy ta phải chọn loại nhựa tốt và phải bảo dưỡng định kỳ, do đó giá thành còn cao

+ Vật liệu chế tạo cánh bơm là compozite

Compozite là vật liệu mới, hiện đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực như: hàng không ,vũ trụ ,tàu thủy, khung xe, thùng xe ôtô, ghế công viên, bể bơi, bể chứa thùng chứa nước, thùng đựng dung môi,v.v… Cánh bơm chuyên dụng bước đầu đã được chế tạo thử bằng vật liệu compozite nhờ phương pháp đúc tiếp xúc bằng cách trải các lớp mat - vải xen kẽ và quét nhựa tuy nhiên phần mép cánh vẫn chưa đảm bảo bền và công nghệ chế tạo còn

bị hạn chế như biên dạng cánh bơm không đều, không có sự đồng đều của vật

liệu ( tạo các lớp tách biệt), tốn rất nhiều thời gian gia công, không có khả năng

áp dụng máy móc

Trong phạm vi đề tài tôi tìm hiểu, tính toán tìm ra thành phần vật liệu compozite để chế tạo cánh bơm chuyên dụng trong nuôi trồng thủy sản

I.3.2.2 Tiêu chí đánh giá vật liệu chế tạo cánh bơm

- Vật liệu phải đảm bảo độ bền về cơ tính ( độ cứng cũng như độ bền dẻo)

- Vật liệu không bị han gỉ trong môi trường nước biển

- Vật liệu không bị phân hủy , tạo cặp điệm cực trong môi trường nước biển

- Vật liệu dễ dàng cho công nghệ đúc và gia công cơ khí

- Giá thành vật liệu và giá thành giá gia công phải hạ

I.3.3 Khả năng chế tạo cánh bơm đảo nước – sục khí chuyên dụng bằng vật liệu compozite

Vật liệu compozite dùng chế tạo cánh bơm có thể đảm bảo độ bền cho phép nếu chọn đúng vật liệu thành phần và pha trộn theo tỉ lệ vật liệu hợp lý, sử dụng vật liệu compozite quá trình chế tạo đơn giản, sử dụng phương pháp đúc, có thể chế tạo ở điều kiện nhiệt độ phòng cho sản phẩn bóng đẹp cả 2 mặt với độ chính xác cao, đây là loại vật liệu không bị ngấm nước, không bị phân hủy trong nước (chọn đúng loại nhựa), nhẹ hơn nhôm, nhẹ hơn thép tới (50-70)%, khả năng chịu va đập cũng rất tốt, giá thành vật liệu hạ, nên giá thành chế tạo sản phẩm rất hạ nếu được sản xuất nhiều

Khả năng đáp ứng của vật liệu compozite là hoàn toàn có thể nên đi nghiên cứa vật liệu compozite để tìm ra vật liệu thành phần có thể chế tạo cánh bơm

CHƯƠNG II XÁC ĐỊNH KẾT CẤU HỢP LÝ VẬT LIỆU COMPOZIT ĐỂ

CHẾ TẠO CÁNH BƠM NƯỚC CHUYÊN DỤNG

II.1 Kết cấu và cơ tính của vật liệu compozite

II.1.1 Kết cấu của vật liệu compozite

II.1.1.1 Giới thiệu chung về vật liệu compozite

Compozite là loại vật liệu: Nhe- bền- không gỉ- chịu hóa chất- chịu thời tiết… đó là ưu điểm chủ yếu của compozite, sự ra đời của vật liệu compozite 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 đời sống Vật liệu truyền thống có một số nhược điểm khó hoặc không thể khắc phục được như: nặng (kim loại), mối mọt (gỗ), dễ vỡ (sành,sứ), sét gỉ, chi phi bảo dưỡng cao Nếu khai thác nhiều sẽ ảnh hưởng tới môi trường sinh thái Với những ưu điểm của compozite thì compozite

có thể khắc phục được nhược điểm của vật liệu truyền thống, vì vậy nó đã được ứng dụng vào những mục đích, tạo ra những sản phẩm với ưu điểm được phát huy một cách hiệu quả, thỏa mãn yêu cầu sử dụng, cùng với sự phát triển của vật liệu polymer, compozite cũng không ngừng phát triển nó được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng như đời sống, tạo ra nhiều sản phẩm như: tàu thủy, xe lửa, máy bay, bể bơi, nhà cửa, tấm lợp, ghế công viên, ống dẫn, thùng chứa, vỏ ôtô, cấu kiện cho ngành hàng không v.v…

II.1.1.2 Định nghĩa về compozite

Vật liệu compozite hay compozite là vật liệu được pha trộn từ các vật liệu

có bản chất khác nhau, vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần khi xét riêng rẽ

Compozite là vật liệu đa thành phần (nhiều pha): Nhẹ- Chắc- Bền-Chịu hoá- Chịu thời tiết, v.v…

II.1.1.3 Đặc điểm

Vật liệu compozite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục Khi vật liệu gồm nhiều pha gián đoạn, ta gọi đó là compozite hỗn tạp Pha gián đoạn thường có cơ tính trội hơn pha liên tục

− Pha liên tục gọi là nền

− Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu tăng cường

Compozite có những đặc điểm chính sau:

− Là vật liệu nhiều pha mà chúng thường rất khác nhau về bản chất, không hoà tan lẫn vào nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha Trong thực tế, phần lớn compozite là loại hai pha gồm nền là pha liên tục trong toàn khối, cốt là pha phân bố gián đoạn

− Nền và cốt có tỷ lệ, hình dáng, kích thước và sự phân bố theo thiết kế đã định trước

− Tính chất của các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên tính chất chung của compozite Tuy nhiên đó không phải là sự cộng đơn thuần tất cả các tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong

đó những tính chất tốt và phát huy thêm

II.1.1.4 Phân loại

Có 2 cách phân loại vật liệu compozite:

- Theo tính chất vật liệu nền

- Ttheo cấu trúc của vật liệu cốt

II.1.1.4.1 Theo vật liệu nền thì có các loại

− Compozite nền polime

− Compozite nền kim loại

− Compozite nền ceramic

− Compozite nền hỗn hợp nhiều pha

II.1.1.4.2 Theo cấu trúc vật liệu cốt

Loại cốt hạt và loại cốt sợi khác nhau ở kích thước hình học của cốt: Cốt sợi có tỷ lệ chiều dài trên đường kính khá lớn, cốt hạt là các phần tử đẳng trục

Compozite cấu trúc là khái niệm để chỉ các bán thành phẩm dạng tấm, lớp, dạng

tổ ong

Hình 2.1: Cấu trúc compozite theo cấu tạo cốt

II.1.1.5 Kết cấu của vật liệu compozite

Compozite có nhiều loại, được tạo ra tuỳ vật liệu thành phần và mục đích

sử dụng

Compozite cấu tạo bởi 2 thành phần chu yếu là: Cốt – nhựa nền từ hai thành phần này tạo ra rất nhiều dạng kết cấu của compozite, kết cấu của compozite lại phụ thuộc vào tỉ lệ trọng lượng giữa cốt – nền và sự phân bố hình học của vật liệu cốt theo đích sử dụng

Ngoài ra, còn có các chất khác (xúc tác, xúc tiến, phụ gia khác), với tỷ lệ trọng lượng rất nhỏ khoảng vài % nhưng không thể thiếu

Hạt mịn

Liên tục

Tổ ong

Gián đoạn

Tấm ba lớp

Có hướng

Lớp

Ngẫu nhiên

Hạt

thô

Hình 2.2: Cấu tạo compozite

Compozite

II.1.1.5.1 Thành phần cốt

Cốt là thành phần chịu lực chủ yếu (gia cường), là pha gián đoạn, cốt cũng được chia thành 2 loại chính: cốt hạt và cốt sợi

− Cốt hạt: Vật liệu compozite cốt hạt, hạt khác sợi là không có kích thước

ưu tiên, được dùng để tăng cơ tính vật liệu hoặc của vật liệu nền

Theo đặc trưng hình học hạt được phân thành: hạt cầu và hạt không phải cầu + Hạt cầu (vibi) có thể đặc, có thể rỗng, đường kính trung bình khoảng 10-

150 micromét, vi bi được chế tạo từ thuỷ tinh, cácbon, phenol,…Trong thực tế lượng vi bi rỗng chiếm 99% tổng số vi bi sử dụng, do rẽ bị vỡ nên chỉ được dùng

ở chế độ gia công với áp lực thấp, vi bi đặc thì khối lượng riêng nặng hơn (2500kg/m3), nhưng giá thành thấp hơn, chịu được áp lực cao hơn khi gia công cùng với nhựa

+ Hạt không phải cầu : hay được dùng nhất là hạt mica

Ngoài ra còn có hạt không dùng gia cường mà dùng với mục đích giản giá thành, tăng độ cứng, ổn định kích thước, nhưng làm giản giá thành, độ bền kéo,

độ bền nén

− Cốt sợi: Vật liệu compozite cốt sợi , sợi cũng có rất nhiều loại: sợi thuỷ tinh, sợi cácbon, sợi armid, sợi polyeste, sợi bor, sợi gốc thực vật, sợi gốc khoáng, sợi kim loại, sợi tổng hợp,… Trong mỗi loại lại chia ra nhiều dạng khác nhau, tuỳ theo mục đích sử dung và cơ tính đạt được mà ta sử dụng loại nào cho phù hợp

Cấu tạo và cơ tính một số loại sợi thông dụng hay được dùng:

+ Sợi thuỷ tinh:

(54%SiO2,15%Al2O3,20%(MgO,CaO)+8%B2O3+3%(F,Na2O,TiO2,Fe2O3,

K2O…)) là loại sợi được sử dụng phổ biến nhất trong công nghệ compozite.Cấu tạo phân ra các loại sợi sau: sợi đơn, tao sợi, sợi roving, chỉ, sợi đơn có thể liên tục hoặc cắt ngắn, cấu tạo từ nhiều sợi đơn liên tục cho ta tao sợi liên tục và roving liên tục, cấu tạo từ sợi đơn ngắn cho ta tao sợi ngắn và roving ngắn, từ các

tao sợi, roving, chỉ người ta dệt thành các sẩn phẩn gia cường (vải: vải dệt, vải ngẫu nhiên không dệt là Mat cắt ngắn hay Mat liên tục)

* Sợi đơn là loại nhỏ nhất có đường kính d = (5-13) µm, sợi đơn có thể liên tục hoặc cắt ngắn l = (5-8) cm trước khi kết dính thành tao sợi hoặc roving, dệt thành vải gia cường tuỳ mục đích sử dụng

* Tao sợi được tạo ra từ nhiều sợi đơn bằng cách kết dính lại, có tao sợi liên tục, tao sợi cắt ngắn

* Roving do nhiều tao sợi dính kết lại loại sợi to hơn gọi là roving tương

tự ta cũng có roving liên tục và roving cắt ngắn, roving còn được chia ra roving mền và roving cứng tuỳ mục đích sử dụng và công nghệ mà ta chọn loại nào

* Chỉ tạo ra bằng cách xe xoắn nhiều sợi đơn (102, 204, 408) đều đặn và liên tục (20-40) vòng/1m chiều dài, được cuộn thành các cuộn rồi đem đi dệt

Trong sợi thuỷ tinh lại chia ra rất nhiều loại sợi tùy theo thành phần hoá học: thuỷ tinh , E, A, C, R, S, D, thuỷ tinh E là loại được sử dụng nhiều nhất trong công nghệ compozit do có ưu điểm: sức bền cơ tính và tuổi thọ cao, nó là loại sợi thuỷ tinh rẻ nhất

Bảng 2.1 : Ứng dụng của các loại sợi thuỷ tinh gia cường

Sợi cắt ngắn Chiều dài sợi (3- 50)mm tẩm plastic

MAT cắt ngắn CSM Các sợi cắt ngắn tẩm plastic, không xoắn, phân bổ ngẫu

nhiên ép lại và cuộn thành cuộn dài(1- 1,04)m, nặng (30- 50)kg

MAT liên tục CM Cấu tạo từ các tao sợi liên tục, không dệt, không xoắn,

tẩm plastic ép lại Vải các loại Cấu tạo từ các sợi dược dệt dọc, ngang, chéo: như lụa,

vải chéo ,satin một chiều Sợi(Chỉ) Là các sợi chỉ gồm: (102,204,408) x n sợi đơn không

xoắn tẩm dính plastic

+ Sợi cacbon là sợi tạo thành nhờ sự grafit hoá sợi cacbon có cường độ

chịu kéo và mô đun đàn hồi rất cao ( E= 650.000MPa, R= 4.000MPa) cũng có rất

nhiều loại: LM, HR, HM, THM sợi cácbon tương đối nhẹ có độ bền cao, rất cao

đây là loại sợi ưu việt, nhưng giá thành rất cao do công nghệ chế tạo nên được

dùng chủ yếu cho ngành vũ trụ, hàng không

+ Sợi armid còn có tên là kevlar, loại được ứng dụng chủ yếu mang tên là

k29 và k49 là loại sợi nhẹ hơn sợi thuỷ tinh, có cơ tính cao, chịu kéo, chịu va đập

như sợi thuỷ tinh, uốn kén hơn nhược điểm của loại này là: khó cắt, khó gia công

cắt gọt, kén chọn nhựa, có màu đục nên chủ yếu ứng dụng làm vỏ máy bay

Hình 2.3: MAT sợi cắt ngắn CSM

Hình 2.4: Dạng vải dệt

b, khi cuộn lại

a, khi trải ra

+ Sợi polyete (tergal, orcon, terylen…) có đặc tính cơ học cao, sức bền kéo R>1.000 MPa, môđun E= 14.000 MPa, nhẹ, chịu va đập tốt nhưng kén cứng vững không phù hợp cho sản xuất đúc

+ Sợi bor có độ bền uốn, nén, bền cắt cao, độ cứng và mô đun đàn hồi cao, dẫn điện, dẫn nhiệt, sợi bo là vật liệu bán dẫn dùng chủ yếu trong vi mạch, giá thanh cũng rất cao

+ Sợi kim loại: sắt, đồng, nhôm…có mô đun và ứng suất phá huỷ thấp chủ yếu dùng làm vật liệu cách âm, cách nhiệt

Ngoài ra còn một số loại sợi khác được sử dụng được sử dụng và những lĩnh vực đặc thù riêng

Một số dạng kết cấu được tạo ra từ sợi thuỷ tinh là loại bán sản phẩn

II.1.1.5.2 Thành phần nhựa nền

Nhựa nền cũng có khá nhiều loại, có nhiều cách phân loại, theo chất dẻo

ta có nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn, theo khả năng phản ứng ta có loại no (bão hoà) và loại chưa no (chưa bão hoà)

Nhựa nhiệt dẻo là nhựa có thể tái sinh nhiều lần mà chỉ thay đổi đặc tính vật lý, sản phẩn được hình thành và tạo dáng bằng cách gia nhiệt

Nhựa nhiệt rắn được hình thành và tạo dáng thông qua phản ứng hóa học, nhiệt năng (từ bên ngoài hoặc ngay trong phản ứng hóa học ) và lực nén, chất dẻo nhiệt rắn không tái sinh được vì thay đổi đặc tính hóa học

Yêu cầu với nhựa làm nền phải là vật liệu biến dạng được và tương thích với vật liệu cốt, ngoài ra còn phải có tỷ trọng nhỏ để vật liệu compozite có đặc trưng cơ học cao, vì vậy trong công nghệ chế tạo compozite chủ yếu dùng loại nhựa nhiệt rắn (hay loại nhựa chưa no) hầu như không dùng nhựa nhiệt dẻo Một số loại nhựa nhiệt rắn thông dụng dùng làm nhựa nền trong sản xuất vật liệu compozite:

− Nhựa polyeste chưa no được tạo thành từ trưng cất glycol và axít chưa no hoặc andehit sản phẩn tạo ra ở nhiệt độ phòng tồn tại ở dạng thể rắn từ nhựa gốc

rắn này cho hoà tan vào dung môi monome styren, nhựa gốc rắn này trở thành dạng lỏng cung ứng trên thị trường

+ Cơ tính của loại nhựa polyeste chưa no đã đóng rắn là:

* Khối lượng riêng 1.200kg/m3

* Mô đun đàn hồi kéo 2,8- 3,5 Gpa

* Mô đun đàn hồi 3- 4 Gpa

* Ứng suất phá huỷ kéo 50-80 Gpa

* Ứng suất phá huỷ uốn 90-130 MPa

* Độ bền nén 90- 120 MPa

* Độ bền cắt 10-20 MPa

* Biến dạng phá huỷ kéo 2-5%

* Nhiệt độ uốn cong dưới tải trọng(1,8 MPa) 60-1000C

+ Nhựa polyeste chưa no có ưu điểm là:

* Bị hư dưới tác dụng của tia cực tím

* Chịu nhiệt độ dưới 1200C

Nhựa polyeste chưa no được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp chế tạo compozite

− Nhựa phenol (bakelit)

+ Cơ tính chính của nhựa phenol:

* Khối lượng riêng 1.200 kg/m3

* Mô đun đàn hồi uốn 3 Gpa

* Ứng suất phá huỷ kéo 40 Mpa

* Ứng suất phá huỷ uốn 90 Mpa

* Độ bền nén 250 Mpa

* Nhiệt độ uốn cong dưới tải trọng 1200C

* Biến dạng phá huỷ kéo 2,5%

+ Ưu điểm của nhựa phenol:

+ Nhược điểm của nhựa phenol:

* Gia công phải có áp lực, do đó ảnh hưởng đến nhịp độ chế tạo

* Không dùng trong thiết bị thực phẩm do có màu đậm

− Nhựa epoxy được sử dụng nhiều sau nhựa polyeste chưa no trong công nghiệp compozite

+ Cơ tính của nhựa epoxy:

* Khối lượng riêng 1.100- 1.500kg/m3

* Môđun đàn hồi kéo 3- 5 Gpa

* Ứng suất phá huỷ kéo 60- 80 Mpa

* Ứng suất phá huỷ uốn 100- 150 Mpa

* Độ bền cắt 30- 50 Mpa

* Biến dạng phá huỷ kéo 2-5%

* Nhiệt độ uốn cong dưới tải trong 2900C

+Ưu điểm của nhựa epoxy:

* Cơ tính cao hơn nhựa polyeste không no

* Chịu nhiệt liên tục cao hơn 150- 1900C

* Độ bền hoá học cao

* Độ co ngót thấp 0,1- 1%

* Thẩm thấuvào vải, sợ, hạt rất tốt

* Độ bám dính vào kim loại cao

+ Nhược điểm của nhựa epoxy:

* Thời gian polyme hoá dài tốn thời gian chế tạo

* Dễ bị nứt

* Giá thành cao

Nhựa epoxy chủ yếu dùng trong chế tạo máy bay, vũ trụ, tên lửa…

Ngoài ra còn có một số loại nhựa khác như: furan, amin, polyimit, polystyryl pyrdin, vinyl este…nhưng chúng được ứng dụng không nhiều

Một số loại nhựa nhiệt dẻo:

Nhựa nhiệt dẻo cũng được chia làm hai loại: nhựa nhiệt dẻo đại trà và nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật, các loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến là polyclorua vinyl (PVC), polyetylen (PE), polypropylen (PP), polyamit (PA)…

− Ưu điểm là giá thành hạ:

− Nhược điểm là cơ tính và khả năng chịu nhiệt kén

− Cơ tính của một số loại nhựa nhiệt dẻo

+ Nhựa polypropylen (PP)

* Khối lượng riêng 900 kg/m3

* Ứng suất phá huỷ 20-35 Mpa

* Mô đun đàn hồi thấp 1,1- 1,4 Gpa

* Nhiệt độ uốn cong dưới tải trọng 50- 600C

+ Nhựa polyamit (PA)

* Khối lượng riêng 1140 kg/m3

* Ứng suất phá huỷ 60-80 Mpa

* Mô đun đàn hồi thấp 1,2- 2,5 Gpa

* Nhiệt độ uốn cong dưới tải trọng 65-1000C

Vì cơ tính thấp nên trong công nghiệp compozite, người ta rất ít sử dụng nhựa nhiệt dẻo

II.1.1.5.3 Thành phần chất phụ gia

− Chất phụ gia chỉ chiếm vài % có vai trò:

* Bôi trơn làm tác nhân khi dỡ khuôn

* Tạo màu

* Tác nhân chống co ngót

* Tác nhân chống tia cựu tím

− Chất xúc tác: chiếm (1-2,5)% nhưng không thể thiếu, nếu không có chất xúc tác thì ở nhiệt độ bình thường ( nhiệt độ phòng) nhựa không thể đóng rắn được trong khuôm để tạo sản phẩm vì thiếu nhiệt không đủ cho phản ứng kết nối ngang xảy ra do đó phải cần chất xúc tác để kích hoạt phản ứng kết nối ngang + Phản ứng kết nối ngang: Nhựa gốc tạo ra ở thể rắn được hoà tan vào dung môi styren để duy trì ở thể lỏng nhưng trong nhựa gốc và styren đều có các gốc tự do các gốc này phản ứng qua lại với nhau tạo ra các cầu nối ngang để các chuỗi polyeste gắn bó lại với nhau ngày càng dài, càng nhiều nếu không được kiểm soát, sẽ trở thành một khối rắn chắc đó chính là diễn biến của phản ứng kết nối ngang Nhà sản xuất đã cho thêm vào chất phụ gia (chất kìm hãm) với lượng vừa đủ để khống chế phản ứng không cho phản ứng kết nối ngang, nghĩa

là không cho đóng rắn, giữ ở thể lỏng để đưa vào sử dụng trong công nghệ chế tạo compozite, phản ứng kết nối ngang đóng vai trò quan trọng trong công nghệ compozite và được gọi là cơ cấu gốc tự do khi đưa nhựa vào chế tạo sản phẩm là lúc chúng ta muốn phản ứng kết nối ngang diễn ra toàn phần để nhựa lỏng liên kết với hạt, sợi gia cường đóng rắn hoàn toàn trong khuôm, muốn vậy phải có sự

hỗ trợ của chất xúc tá, xúc tiến

+ Chất xúc tác hay được sử dụng: MEKP, BPO

* Xúc tác MEKP (methyl ethyl peroxid) sử dụng ở nhiệt độ phòng, cung cấp trên thị trường ở dạng dung dịch lỏng oxy hoạt tính 9% với dung môi không hoạt tính như dimethylphthalic MEKP tạo thành bằng cách cho methyl ethyl keton phản ứng với hydro peroxid kết quả phản ứng sau khi loại nước là methyl ethyl peroxid

* Xúc tác BPO (benzoyl peroxid) tạo ra giữ phản ứng của Benzoyl và Peroxid (H2O2) sử dụng ở nhiệt độ nâng cao bằng cách gia nhiệt trên 1150C, cung cấp dưới dạng lỏng (50- 80)% hoặc dạng kem 50% hoà tan trong tricresyl phosphat

Chất xúc tiến (chất châm ngòi phản ứng): ở nhiệt độ phòng các chất xúc tác chưa thể làm cho nhựa đông, đóng rắn nhanh và toàn phần nếu không có chất xúc tiến pha thêm vào nhựa, chất xúc tiến cũng có nhiều loại nhưng sử dụng phổ biến là muối muối hữu cơ coban 12%, ngoài ra còn có hợp chất của anilin (C6H5NH2) như: dimethylanilin C6H5N(CH3)2(DMA), diethylanilin

C6H5N(C2H5)2(DEA), cả 2 chất này đều không phản ứng trực tiếp với xúc tác MEKP mà nó thúc đẩy coban phản ứng MEKP tỏa nhiều nhiệt

II.1.1.6.Compozite cấu trúc

Compozit cấu trúc là loại bán sản phẩm dạng tấm nhiều lớp tạo thành bằng cách kết hợp các vật liệu đồng nhất với compozite theo những phương án khác nhau Do đó tính chất không những phụ thuộc vào tính chất của vật liệu thành phần mà còn cả vào thiết kế hình học của chúng trong kết cấu thường dùng loại dạng lớp, tấm hoặc dạng tổ ong

II.1.1.6.1 Compozite cấu trúc dạng lớp

Compozite dạng này được tạo thành từ các lớp Các lớp này thường có hai loại: Lớp thứ nhất thường là vật liệu đồng nhất đóng vai trò liên kết, lớp thứ hai là các lớp chịu lực thường là các băng compozite cốt sợi

Hình 2.5: Sơ đồ sắp xếp các lớp khi tạo ra cấu trúc dạng lớp

Sắp xếp lần lượt các lớp này và đổi hướng các băng compozite sao cho thoả mãn yêu cầu thiết kế rồi ép dính lại Kết quả nhận được ở dạng bán thành phẩm tấm, thanh, ống… Đó chính là compozit dạng lớp

II.1.1.6.2 Dạng tổ ong

Loại này có tên gọi là panel sandwich Khác loại trên, panel sandwich chỉ gồm ba lớp Hai lớp mặt được chế tạo từ vật liệu có độ bền và cứng vững cao như hợp kim nhôm, hợp kim titan, thép tấm và các tấm compozite cấu trúc dạng lớp, chức năng chủ yếu của chúng là chịu toàn bộ tải trọng (kéo, nén, uốn) tác dụng theo chiều song song với mặt tấm

Hình 2.6: sơ đồ panel sandwich

Compozite cấu trúc ngày càng được ứng dụng nhiều vì nó có nhưng ưu điểm:

− Khá rẻ so với các loại vải thủy tinh riêng rẽ

− Đạt được đặc tính cơ học tốt, nên ứng dụng nhiều trong hàng không vũ trụ

− Tiết kiện được nhân công, nhựa tránh được độc hại ở cac khâu cắt sợi, quét phủ, lăn ép nhựa

− Có thể dung robot để điều khiển, giản giá thành

II.1.1.7 Các loại liên kết và cơ chế đông rắn trong vật liệu compozite

II.1.1.7.1 Các loại liên kết chính trong compozite

Liên kết tốt giữa nền và cốt tại vùng ranh giới pha là yếu tố quan trọng nhất đảm bảo cho sự kết hợp đặc tính tốt của hai pha nền và cốt Để tăng cường

độ gắn chắc giữa nền và cốt người ta có thể dùng các biện pháp:

− Liên kết cơ học, thực hiện nhờ khớp nối thông qua độ mấp mô trên bề mặt nhờ lực ma sát

− Liên kết thấm ướt do năng lượng sức căng bề mặt, do pha nền bị nóng chảy dính ướt với cốt nên có sự khếch tán tuy rất nhỏ, tạo lên sức căng mặt ngoài

− Liên kết phản ứng có khi trên ranh giới pha xảy ra phản ứng tạo hợp chất hóa học, nó như lớp keo gắn chặt cốt với nền Đây là loại liên kết tốt nhất

− Liên kết ôxyt là loại liên kết phản ứng đặc trưng cho nền kim loại với cốt

là oxít của chính kim loại

II.1.1.7.2 Cơ chế đông đặc, đóng rắn trong compozite

Loại nhựa gốc sử dụng trong công nghệ compozite ở nhiệt độ bình thường

nó ở thể rắn, để dễ vận chuyển và bảo quản người ta đã hòa tan nó trong dung môi monome styren để duy trì ở dạng lỏng, chưa no Giữa nhựa gốc với styren có phản ứng xảy ra (gọi là phản ứng kết nối ngang) do nhóm chưa bão hòa trong nhựa phản ứng qua lại với styren nếu không được kiểm soát thì nó sẽ trở thành một khối rắn trước khi đưa vào sử dụng

Do đó người ta pha chất kim hãm để khống chế không cho phản ứng xảy

ra, để duy trì ở dạng lỏng (bảo quản) trong thời gian đưa vào sử dụng Khi đưa nhựa vào sử dụng là lúc cần phản ứng kết nối ngang xảy ra hoàn toàn để nhựa đóng rắn trong khuôm, lúc này cần pha chất xúc tác, xúc tiến vào làm mất tác dụng của chất hãm, chất xúc tác tác dụng với chất xúc tiến tạo ra các gốc tự do các gốc tự do này nhanh chóng tạo phản ứng kết nối ngang với nhóm chưa bõa hòa trong nhựa và styren tạo ra nhiều gốc tự do mới, các gốc tự do này tiếp tục phản ứng tạo gốc tự do mới khác, phản ứng dây truyền này xảy ra đến khi các chuỗi polyeste ngày càng dài, càng nhiều, phản ứng kết nối ngang dừng lại khi

trong nhựa không còn gốc tự do nào và khi đó nhựa đã đóng rắn hoàn toàn để tạo

ra sản phẩm

II.1.2 Cơ tính của vật liệu compozite

− Vật liệu compozite được tạo ra từ nhiều loại nhựa polyeste và nhiều loại sợi gia cường trong mỗi loại lại có đặc tính ưu tiên riêng,.do đó cần lựa chọn đúng tiêu chuẩn kỹ thuật để áp dụng cho các sản phẩm có mục đích phù hợp

− Sử dụng vật liệu đúng tiêu chuẩn thì compozite có những ưu điểm chủ yếu:

+ Nhẹ nhưng cứng vững chịu va đập, chịu kéo, uốn tốt

+ Chịu hoá chất, không sét gỉ, chống ăn mòn, rất thích hợp cho môi trường nước biển, khí hậu biển (làm tàu thuyền, bồn chứa…)

+ Chịu thời tiết chống tia tử ngoại, chống lão hoá, nên rất bền (sử dụng làm công trình ngoài trời, ghế sân vận động…)

+ Chiu nhiệt, chịu lạnh, chịu nóng, chống cháy (ống xả động cơ diesel, xuồng cứu hoả…)

+ Cách nhiệt, cách điện tốt (thang cách điện, cấu kiện trong máy điện tử,…)

+ Chịu ma sát, cường độ lực, nhiệt độ cao (vỏ máy bay, cấu kiện cho hành không, vũ trụ,…)

+ Không thấm nước, không độc hại ( bể chứa, bọc vỏ tàu gỗ,…)

+ Bảo trì, bảo dưõng, sửa chữa chi phí thấp

+ Màu sắc đa dạng, đẹp, bền vì được pha ngay trong nguyên liệu

+Thiết kế tạo dáng thuận lợi, đa dạng có nhiều công nghệ để lựa chọn + Đầu tư thiết bị và tổ chức sản xuất không phức tạp, không tốn kém, không ảnh hưởng đến môi trường,chi phí vận chuyển và sản xuất không cao

− Từ những ưu điểm trên ta thấy giá trị sử dụng của vật liệu compozite rất lớn

Ta đi sâu vào tìm hiểu vài đặc tính quan trọng:

+ Cơ tímh của vật liệu compozit: khả năng chịu kéo, uốn, nén, va đập phụ

thuộc vào loại vật liệu nhựa và sợi thuỷ tinh, tỉ lệ nhựa/thuỷ tinh và cách bố trí

vải, Mat sợi thuỷ tinh theo hướng chịu lực dự kiến với điều kiện đóng rắn hoàn

hảo

* Khác với kim loại compozite không có điểm gãy nên chịu va đập tốt khi

va dập không tạo vết lõm, không thay đổi hình dạng, chỉ bị trầy xước

1.Kim loại thông dụng 2.Compozite

3,4.Chất dẻo không gia cường

Hình 2.7: Đặc tính cơ học compozite so với kim loại và vật liệu không gia

cường [2,tr196]

Từ (hình 2.7) ta thấy đường ứng lực của compozite là đường thẳng, nó

khác hẳn với chất dẻo không gia cường và hầu hết các kim loại

Ứng suất, môđun kéo, uốn của compozite phụ thuộc vào tỉ lệ % Mát sợi

CSM, vải/nhựa của laminat, hàm lượng sợi thuỷ tinh tăng thì sức bền kéo, uốn và

môđun kéo, uốn của compozite đều tăng

Ứng suất

Biến dạng

Hình 2.8: Môđun kéo, uốn của Compozite [2,tr197]

Hình 2.9: Ứng suất kéo, uốn của Compozite [2,tr196]

Đặc tính cơ học tổng quát của một số dạng compozite cho dưới (bảng 2.2)

1,7-2,2 1,6-2,0

530-1730 410-1180

28-62 21-41

310-480 210-480

9-17 9-17

690-1860 690-1240

34-48 27-41

62-83 62-83

3,5-4,0 3,5-4,0 Sợi thủy tinh 2

1,6-1,9 1,5-1,8

250-400 230-340

14-25 13-17

210-480 98-140

9-17 8-17

207-450 200-270

17-23 10-17

62-83 55-76

3,5-4,0 3,0-3,5

Sợi thủy tinh

1,4-1,6 1,4-1,5

70-170 63-140

6-12 6-12

130-160 130-170

6-9 6-9

70-240 140-250

5-8 5-8

69-83 69-83

2,8-3,0 2,8-3,0

1,8-2,0 1,81,85 1,3-1,5

34-70 50-90 120-200

12-14

9 6-14

140-180 240-310 110-170

6-9 6-9 6-9

40-140 140-210 140-210

5-8 9-14 9-14

41-69 65-83 65-83

2,8-3,0 2,8-3,0 2,8-3,0

Bảng 2.3: Khả năng chịu va dập của vật liệu compozite thủy tinh E so với vật liệu khác[2,tr199]

Vật liệu Chiều

dày (mm)

Trọng lượng (g/m2)

Năng lượng va đập (jun)

4

6 1,9 3,6

Lõm nhẹ Lõm,congbản

Vỡ tan Hơi códấuvết

Vỡ toàn bộ Gẫy lớp đáy Không hư Rạn

Lõm Lõmvàcong

Gẫy Gẫy tan Gẫycác lớp Rạn nhẹ Rạn

Cong Rấtcong

Vỡ tan Rạn nứt nhẹ Rạn tổng thể + Đặc tính hoá học của vật liệu compozite: Chịu hoá chất tốt là đặc tính

ưu việt của vật liệu compozite, khả năng chịu hoá chất lại phụ thuộc vào nhiệt độ, loại hoá chất, loại nhựa, loại sợi gia cường Thực tế thì dưới 20% nồng độ hoá chất trong dung dịch thì hầu hết các vật liệu compozite đều chịu tốt vì vậy mà nó chịu được trong môi trường nước biển, thời tiết, nước thải

Bảng 2.4: Đặc tính chịu hoá học của nhựa nền[2,tr207]

Axit nitric Tốt (lạnh) Không dùng Không dùng Rất tốt

Hoáchất Polyester Epoxy Furan PVC natri carbonat Bình thường Rất tốt Rất tốt Rất tốt

II.3 Công nghệ chế tạo vật liệu compozite

III.3.1 Tổng quan về công nghệ chế tạo sản phẩm từ vật liệu compozite

Vật liệu compozite thì chỉ có thể chế tạo sản phẩm bằng phương pháp đúc, trong công nghệ gia công đúc thì lại có đúc không áp lực và đúc có áp lực, sản phẩm của vật liệu compozite có thể được gia công ở nhiệt độ phòng hoặc ở nhiệt

độ cao, nhiệt ở đây có thể là do phản ứng tạo ra hoặc được gia nhiệt Tùy theo yêu cầu độ chính xác và kết cấu (hình dạng) của sản phẩm mà chúng ta có thể chọn phương pháp công nghệ đúc phù hợp

III 3.1.1 Đúc không áp lực

Đúc nguội, không cần ép là kỹ thuật đơn giản cho phép chế tạo các chi tiết bằng vật liệu compozite sợi thuỷ tinh

III.3.1.1.1 Đúc tiếp xúc (bằng tay)

Nội dung của phương pháp này là “trát” lên mặt khuôn bằng tay, bằng máy hoặc phun những sợi cốt, sau đó tẩm chúng với vật liệu nền, lèn chặt đến độ

dày cần thiết rồi làm đông rắn

+ Ưu điểm:

− Có thể chế tạo các chi tiết, kết cấu với mọi hình dạng với cấu trúc không quá phức tạp

Hình 2.10: Đúc tiếp xúc

− Chính xác và có độ bóng cao ở bề mặt tiếp xúc với khuôn

− Đặc biệt có hiệu quả cao với các chi tiết lớn và số lượng không nhiều

− Khuôn có thể được làm từ vật liệu tuỳ ý

+ Nhược điểm:

− Khi sản xuất với số lượng lớn các sản phẩm có chỉ tiêu kỹ thuật không đều nhau

− Tốn thời gian

− Điều kiện làm việc vất vả

− Chất lượng phụ thuộc vào tay nghề công nhân

III.3.1.1.2 Đúc bắn đồng thời

Hình 2.11: Đúc bắn đồng thời

Hình 2.12: súng phun

Sợi vụn và nhựa được bắn đồng thời thẳng góc xuống khuôn nhờ các súng chuyên dùng

− Không dùng cốt vải mà dùng sợi vụn, cơ tính của vật liệu tạo thành không cao

− Phụ thuộc vào tay nghề của công nhân

III.3.1.1.3 Đúc chân không

Có hai phương pháp: Đúc túi và đúc hút

a Đúc chân không dạng túi

Trước tiên tạo lớp lót, sau đó đặt cốt vải và cấp nhựa Đóng khuôn đúc bơm chân không làm việc, áp xuất giảm giúp cho nhựa trải đều và đẩy bọt khí ra ngoài

b.Đúc hút

Khuôn đúc được phủ những lớp lót Sau khi chuẩn bị xong các lớp cốt, nhựa được hút vào khoảng trống giữa khuôn trên và khuôn dưới Phương pháp này cho phép chế tạo những vật tròn xoay hoặc dạng côn

III.3.1.2 Đúc áp lực (đúc ép)

Có hai dạng là đúc nguội nhờ áp lực và đúc nóng nhờ áp lực

Hình 2.14: Đúc chân không dạng túi Hình 2.13: Đúc hút