Nghiên cứu cường độ ứng suất trên dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục

dụng các vật liệu kết hợp nh các lo i sợi gia c ng, nhựa nền sao cho phù hợp và tính toán đ ợc kh năng chịu t i trọng, độ bền hay các thông số khác c a composite t ng ng với các thành ph

Quyết định giao đề tài

Xác nhận c a Gi ng viên h ớng dẫn

Lý lịch cá nhân i

L i cam đoan ii

C m t iii

Tóm tắt luận văn iv

Mục lục viii

Danh mục các từ viết tắt xi

Danh sách các hình xiii

Danh sách các b ng xv

CH NG I T NG QUAN 1 Tình hình nghiên c u 3

1.1 N ớc ngoài 3

1.2 Trong n ớc 6

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn c a luận văn 7

2 Mục tiêu và nội dung nghiên c u 9

2.1 Mục tiêu 9

2.2 Nội dung nghiên c u 9

3 Nhiệm vụ c a đề tài và ph m vi nghiên c u 9

3.1 Nhiệm vụ c a đề tài 9

3.2 Ph m vi nghiên c u 10

4 Ph ng pháp nghiên c u 10

5 Điểm mới c a luận văn vƠ giá trị thực tiễn 10

CH NG II V T LI U COMPOSITE 2.1 Giới thiệu chung về vật liệu composite 11

2.1.1 Khái niệm vật liệu composite 12

2.1.2 Lịch sử phát triển 12

2.1.3 Xu h ớng phát triển c a vật liệu composite trong t ng lai 13

2.1.4 Các thành phần cấu t o và phân lo i vật liệu composite 13

2.1.4.1 Thành phần cấu t o 13

2.1.4.2 Đặc điểm 13

2.1.4.3 Phân lo i 14

2.1.4.4 Liên kết nền – cốt 15

2.1.5 Composite cấu trúc d ng lớp 16

2.1.6 ng dụng c a vật liệu composite 17

2.1.6.1 Trong lĩnh vực thể thao 17

2.1.6.2 Trong lĩnh vực hàng không 17

2.1.6.3 Trong các lĩnh vực khác 18

2.2 Ph n ng kết nối ngang 19

2.3 Vùng chuyển tiếp trong composite 20

2.4 Công nghệ chế t o composite 21

2.4.1 Giới thiệu 21

2.4.2 u - nh ợc điểm c a ph ng pháp lát tay 21

2.5 Composite sợi ngắn 22

CH NG III C S PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN C TệNH C A COMPOSITE 3.1 Giới thiệu 24

3.2 Tỷ lệ nền – cốt 24

3.3 Lý thuyết dầm chịu uốn c a vật liệu đồng nhất 26

3.4 Đặc tính uốn c a composite 27

3.5 Tính toán mô đun đƠn hồi c a composite sợi ngắn 38

3.6 Các lý thuyết về sự truyền ng suất 29

3.6.1 ng suất bình quân sợi 29

3.6.2 nh h ng c a vật liệu nền 30

3.7 Các lý thuyết tính toán độ bền vƠ mô đun đƠn hồi uốn c a composite sợi ngắn phân bố ngẫu nhiên 31

kết qu tính toán thuộc tính composite đ n h ớng 33

3.7.3 Hệ số nh h ng c a sợi 33

3.7.4 Mô hình c a Christensen and Waal's 34

3.7.5 Mô hình Pan's Hàm tỷ trọng c a sợi 34

CH NG IV MỌ T THÍ NGHI M 4.1 Vật liệu chế t o composite 36

4.2 Quy trình chế t o composite bằng ph ng pháp lát tay 39

4.3 Thí nghiệm 3 điểm uốn 42

4.4 Các mẫu composite đƣ đ ợc chế t o và thí nghiệm 43

CH NG V PHÂN TÍCH K T QU THÍ NGHI M 5.1 Mối liên hệ giữa lực và chuyển vị 45

5.2 Thuộc tính c khí c a các mẫu thí nghiệm chịu uốn 46

5.3 nh h ng c a tỷ lệ sợi đến độ bền uốn 48

5.4 nh h ng c a tỷ lệ sợi đến mô đun đƠn hồi uốn 49

5.5 So sánh, đánh giá kết qu thí nghiệm c a độ bền uốn vƠ mô đun đƠn hồi uốn với các mô hình lý thuyết 51

5.5.1 So sánh kết qu độ bền uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết hoà trộn 51

5.5.2 So sánh, đánh giá kết qu mô đun đƠn hồi uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết hoà trộn 53

5.5.3 So sánh, đánh giá kết qu mô đun đƠn hồi uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết Christensen and Waal's 55

5.6 Đánh giá sự phá huỷ c a các mẫu composite qua các nh SEM 56

5.7 Kết luận 59

CH NG VI K T LU N VÀ KI N NGH 6.1 Tóm tắt các kết qu đ t đ ợc c a luận văn 62

6.2 H ớng phát triển c a đề tài 62

TÀI LI U THAM KH O 63

k : Hệ số nh h ng đối với mô đun c a sợi

k: Hệ số nh h ng đối với ng suất c a sợi

E22: Mô đun ngang

 : Hệ số thuộc tính đƠn hồi

max

 : Giới h n lớn nhất c a sợi trong composite RTM: Resin Transfer Molding

SEM: Scanning Electron Microscope

ASTM: American Society for Testing and Materials TNHH: Trách Nhiệm Hữu H n

TM & DV: Th ng m i & Dịch vụ

DANH M C CÁC HÌNH

Hình 1.1:Sửa chữa, gia cố các công trình bằng vật liệu composite FRP 7

Hình 2.1: S đồ phân lo i composite theo b n chất nền 14

Hình 2.2:S đồ phân lo i composite theo cấu trúc 15

Hình 2.3:Composite cấu trúc d ng lớp 16

Hình 2.4: Các ng dụng c a composite trong thể thao 17

Hình 2.5:Các ng dụng c a composite trong hàng không – vũ trụ 18

Hình 2.6:Các ng dụng c a composite trong xây dựng, công nghiệp 19

Hình 2.7:S đồ cấu trúc composite cốt sợi 22

Hình 2.8: Biểu đồ phân bố ng suất trên chiều dài sợi 23

Hình 3.1:Thí nghiệm dầm chịu uốn 26

Hình 3.2:Sợi ngắn phân bố ngẫu nhiên 28 Hình 4.1: Sợi th y tinh ngắn, phân bố ngẫu nhiên 36

Hình 4.2: Nhựa epoxy 37

Hình 4.3: Công th c hóa học c a epoxy Biosphenol-A 37

Hình 4.4: Chất đóng rắn TETA 38

Hình 4.5: Khuôn chế t o composite 38

Hình 4.6: Chất tách khuôn MG–WAX No.8 39

Hình 4.7: Khuôn sau khi đ ợc t o lớp tách khuôn 40

Hình 4.8: Hòa trộn hỗn hợp Epoxy và chất đóng rắn TETA 40

Hình 4.9: Đắp sợi vào khuôn, t o lớp 41

Hình 4.10: Quá trình đóng rắn c a composite 42

Hình 4.11: S n phẩm composite sau khi tách khuôn 42

Hình 4.12: Mô hình thí nghiệm 3 điểm uốn c a dầm composite 42

Hình 4.13: Các mẫu composite đ ợc chế t o và cắt theo tiêu chuẩn thí nghiệm 43

Hình 4.14: Các mẫu composite sau khi thí nghiệm 44

Hình 5.1: Biểu đồ c a lực và chuyển vị 45

Hình 5.4: So sánh kết qu độ bền giữa thí nghiệmvà lý thuyết hòa trộn 51

Hình 5.5: So sánh kết qu mô đun đƠn hồi uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết hòa trộn 53

Hình 5.6: So sánh kết qu mô đun đƠn hồi uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết Christensen and Waal's 55

Hình 5.7: Các kiểu phá h y c a composite d ới t i trọng uốn 56

Hình 5.8: nh SEM c a composite không có sợi gia c ng 57

Hình 5.9: nh SEM c a composite với 1 lớp sợi gia c ng bị phá h y 57

Hình 5.10: nh SEM c a composite với 7 lớp sợi gia c ng bị phá h y 58

Hình 5.11: Các vị trí khác nhau khi bị phá h y c a các mẫu composite 59

Hình 5.12: Sự phân bố không đồng đều c a sợi theo các h ớng 61

Hình 5.13: Các khuyết tật khi chế t o composite 61

DANH SÁCH CÁC B NG

B ng 3.1: Hệ số nh h ng t ng ng với định h ớng sợi 29

B ng 3.2: Các thông số theo Halpin – Tsai đối với composite sợi ngắn 32

B ng 4.1: Thuộc tínhc a sợi th y tinh Chopped Strand Mat 36

B ng 4.2: Đặc tính c a vật liệu nền – nhựa Epoxy 37

B ng 5.1: Độ bền và mô đun đƠn hồi uốn c a các mẫu thí nghiệm không có sợi gia c ng 47

B ng 5.2: Độ bền vƠ mô đun đƠn hồi uốn c a các mẫu composite có tỷ lệ sợi gia c ng từ 0÷0.28 47

CH NG I

T NG QUAN

Vật liệu composite đƣ xuất hiện và phát triển trong đ i sống c a chúng ta từ rất lâu.Tuy nhiên, trong những thập niên gần đơy thì chúng mới đ ợc ng dụng rộng rãi, phổ biến trong các ngành kỹ thuật.Thế kỉ XXI đ ợc cho là thế kỉ c a công nghệ cao và c a vật liệu composite.Vật liệu composite đƣ đ ợc nghiên c u và phát triển,

ng dụng trong hầu hết các ngƠnh kĩ thuật nh ngƠnh hƠng không, vũ trụ, công nghiệp đóng tƠu, xơy dựng, ô tô Composite đƣ đ ợc nghiên c u về các đặc điểm

s c bền, các thuộc tính c học, về kh năng lƠm việc trong các điều kiện khác nhau

nh t i trọng, nhiệt độ, môi tr ng, tính chất dẫn điện … Tuy nhiên, để tăng kh năng ng dụng và phát triển, phát huy các u điểm c a vật liệu thì cần ph i hiểu rõ

h n về các đặc tính s c bền, c tính, kh năng lƠm việc và các thành phần vật liệu

kết hợp để t o thành composite Vật liệu composite là vật liệu kết hợp, do đó việc nghiên c u và chế t o composite từ các thành phần, vật liệu khác nhau để có thể tận

dụng, kết hợp từng u điểm c a các thành phần vật liệu t o nên composite nhiều u điểm, có thể thay thế các vật liệu khác là một công việc quan trọng vƠ đòi hỏi một quá trình lâu dài Các vật liệu kết hợp để t o thành composite, tỷ lệ c a các thành

phầnvật liệu này và sự phân bố, sắp xếp c a các thành phần kết hợp trong composite đóng vai trò rất quan trọng, nh h ng và quyết định đến thuộc tính, s c bền c a vật liệu composite Đối với vật liệu composite thì thành phần sợi đóng vai trò là yếu tố nh h ng đến c tính nhiều nhất Đặc tr ng c a composite cốt sợi là

c ng độ vƠđộ c ng phụ thuộc vào đ ng kính sợi, h ớng phân bố c a sợi và các đặc tr ng c a chất nền.Điều quan trọng nhất đối với vật liệu composite kết cấu cốt

sợi là ph i có cấu trúc sao cho t i trọng đặt vào ph i đ ợc đặt vào sợi là pha có độ

bền cao, nếu t i trọng đặt vào nền thì dẫn đến vật liệu sẽ nhanh chóng bị phá h y, hay nói cách khác là c tính c a vật liệu composite cốt sợi phụ thuộc vào m c

 Đặc tr ng c học c a sợi (sợi cacbon, sợi th y tinh hay sợi aramid)

 Đặc tr ng c học c a chất nền (epoxy, vinylester hay polyeste)

 Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc vật liệu composite cốt sợi (hay tỉ lệ

phần trăm c a sợi gia c ng trong vật liệu composite cốt sợi)

 H ớng phân bố c a sợi trong chất nền

Từ năm 1970 đến nay, các chi tiết chế t o từ composite cốt sợi đƣ đ ợc ng dụng hầu hết trong các ngƠnh công nghiệp, lƠm vật liệu xơy dựng vƠ các ngƠnh kỹ thuật cao Mặc dù vậy, việc nghiên c u để nơng cao chất l ợng, c i thiện các đặctính c học, tính chất nhiệt, điện …, m rộng lĩnh vực ng dụng c a vật liệu nƠy vẫn luôn đ ợc đ ợc đặt ra

n ớc ta,việc s n xuất và ng dụng vật liệu composite đƣ phát triển đáng

kểtrong những năm gần đơy,tuy nhiên vẫn ch a x ng tầm với cácđiều kiện thuận lợi

mƠ chúng ta đang có nh nguồn tài nguyên, nhân công Một số công ty đƣ sử

dụng các s n phẩm đ ợc chế t o từ vật liệu composite nhập khẩu từ Trung Quốc và ĐƠi Loan, tuy nhiên các công ty nƠy ch a nắm rõ đ ợc các đặc điểm, thuộc tính và

ph ng pháp chế t o Do đó, khi có các h hỏng hay sự cố x y ra đối với các s n

phẩm composite thì việc khắc phục và sửa chữa còn nhiều h n chế do đội ngũ kỹ thuật c a các công ty ch a hiểu sâu về các đặc điểm c a vật liệu composite và các thành phần vật liệu kết hợp Chẳng h n nh Công ty TNHH TM & DV Tân Hiệp Phát, lƠ n i tác gi hiện nay đang công tác sử dụng hệ thống các tháp Cooling Tower đ ợc chế t o từ vật liệu composite nhập từ ĐƠi Loan để gi i nhiệt cho n ớc làm mát hệ thống máy móc c a nhƠ máy Khi các tháp nƠy h hỏng thì việc sửa

chữa tốn nhiều th i gian và chi phí, hiệu qu không cao do bộ phận kỹ thuật ch a nắm đ ợc các thuộc tính c a vật liệu composite và các vật liệu kết hợp Việc sử

dụng các vật liệu kết hợp nh các lo i sợi gia c ng, nhựa nền sao cho phù hợp và tính toán đ ợc kh năng chịu t i trọng, độ bền hay các thông số khác c a composite

t ng ng với các thành phần sợi, nhựa nền vƠ độ dày c a composite còn h n chế rất nhiều Xuất phát từ tình hình thực tế đó, tác gi thấy rằng việc nghiên c u các thuộc tính c học c a vật liệu composite là một điều cần thiết, đặc biệt là vật liệu compositecốt sợi không liên tục (sợi th y tinh ngắn) là lo i sợi đ ợc sử dụng rộng rãi và phổ biến n ớc ta hiện nay do những u điểm về thuộc tính c học và giá thành

Để góp phần lƠm rõ h n đặc tính c học c a vật liệu composite cốt sợi, kh năng

ng dụng c a vật liệu này nên tác gi chọn đề tài: " Nghiên cứu cường độ ứng

suất trên dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục"

Việc nghiên c u về các thành phần kết hợp, tỷ lệ c a các thành phần và sự phân

bố sắp xếp các thành phần kết hợp trong composite là rất cần thiết và quan trọng, từ

c s là các kết qu c a nghiên c u này có thể áp dụng để chế t o composite phù hợp với các điều kiện làm việc, độ bền hay thuộc tính c học khác nhau, phù hợp

với các ch c năng c a vật liệu khi đ ợc sử dụng Trong nghiên c u nƠy đƣ tính toán các đặc tính c b n c a composite đó là ng suất uốn lớn nhất (độ bền uốn), mô đun đƠn hồi uốn dựa trên các c s lý thuyết và kết qu thu đ ợc từ thí nghiệm đối với

vật liệu composite cốt sợi không liên tục, phân bố ngẫu nhiên

1 Tình hình nghiên c u

1.1 N ớc ngoài

- Naresh Kr Sharma [13] đƣ nghiên c u: "Thermoplastic polyurethane - glass fibre mat reinforced composite: Effect of alternative multilayer sandwich model on mechanical properties" Trong nghiên c u này tác gi đƣ đ a ra sự nh h ng c a

c tính composite có cấu trúc sandwich đ ợc kết hợp từ nhựa nhiệt dẻo gia c ng

sợi th y tinh khi thay đổi các lớp; Đ a ra các kết qu nh h ng c a sự thay đổi các

lớp vàtỷ lệ phần trăm sợi gia c ng đến ng suất kéo và uốn, mô đun đƠn hồi và

ng suất va đập c a composite

Cả NẢ I: T NG QUAN

- Mohd Zuhri Mohamed Yusoff, Mohd Sapuan Salit, Napsiah Ismail và Riza

Wirawan[14]đƣ nghiên c u: "Mechanical Properties of Short Random Oil Palm Fibre Reinforced Epoxy Composites".Các đặc tính c học c a vật liệu composite nền epoxy, gia c ng sợi dầu cọ ngắn, phân bố ngẫu nhiên đƣ đ ợc tìm hiểu Các

kết qu về ng suất kéo, ng suất uốn vƠ mô đun đƠn hồi t ng ng với các tỷ lệ

phần trăm c a sợi gia c ng đƣ đ ợc trình bày Khi tỷ lệ % sợi cọ dầu gia c ng tăng lên thì các ng suất kéo và uốn c a composite này gi m xuống và tỷ lệ tối u

c a thành phần sợi trong composite là kho ng 5%, t i đơy các ng suất kéo, ng

suất uốn vƠ mô đun đƠn hồi đ t đ ợc giá trị lớn nhất

- Yunkai Lu[15] đƣ nghiên c u: "Mechanical Properties of Random Discontinuous

Fiber Composites Manufactured from Wetlay Process" Đ a racác kết qu về đặc tính c học c a composite sợi ngắn, phân bố ngẫu nhiên đ ợc s n xuất từ quá trình

thẩm thấu Mối quan hệ giữa ng suất uốn, ng suất kéo, mô đun đƠn hồi t ng ng

với các tỷ lệ % sợi gia c ng nh h ng c a các yếu tố khác nh nhiệt độ làm mát khuôn, áp suất khuôn khi chế t o đến các giá trị ng suất uốn, ng suất kéo và mô đun đƠn hồi c a composite

- Một nghiên c u khác đƣ đ ợc thực hiện trên vật liệu composite polypropylene gia c ng sợi lanh ngẫu nhiên với hai ph ng pháp khác nhau, đó lƠ sắp xếp các

lớp khác nhau và hệ thống thẩm thấu [16] Thí nghiệm kéo đ ợc tiến hành trên mẫu thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM D-638, tỉ lệ sợi gia c ng c a composite dao động từ 0.1 đến 0.44 Các kết qu đƣ chỉ ra rằngmô đun đƠn hồi kéo đ t giá trị lớn

nhất tỷ lệ sợi là 0.28 tỷ lệ sợi cao h n, mô đun đƠn hồi kéo bắt đầu gi m xuống

vƠ sau đó tăng một lần nữa khi tỷ lệ sợi là0.44 Đối với độ bền kéocó rất nhiều thay đổi trong các kết qu , các giá trị tăng lên vƠ gi m xuống tr ớc khi đ t tối đa khi tỷ

lệ sợi là 0.4

- Thomason[17] đƣnghiên c u các đặc tính c học c a tấm polypropylene gia

c ng sợi th y tinh Tỷ lệ trọng l ợng c a sợi dao động từ 0.03 đến 0.40, độ dài sợi thay đổi từ 0.1 mm đến 50 mm đƣ đ ợc thử nghiệm Trong ph m vi c a tỷ lệ trọng

l ợng sợi thay đổi đ ợc nghiên c u, dự đoán từ mô hình Kelly-Tyson t ng quan

với các dữ liệu thí nghiệm Mô đun vƠ độ bền c a các tấm tăng tuyến tính với hàm

l ợng sợi lên đến 0.40

- Baxter [18 ] đƣnghiên c u độbền c a nền kim lo i gia c ng sợi graphite không

liên tục với h ớng phân bố ngẫu nhiên Kết qu đƣ phát hiện ra rằng độ bền gi m đáng kể khi mà phần trăm sợi cao Nếu liên kết giữa hai bề mặt là yếu h n so với

nền, độ bền c a vật liệu composite có sợi phân bố ngẫu nhiên có thể chỉ tăng vừa

ph i (rất ít) hoặc không tăng tất c các phần trăm khối l ợng sợi Tác gi kết luận

rằng với phần trăm sợi cao h n 0.3, composite sẽ có nhiều h hỏng, khuyết điểm do

có sự phân nhóm c a các sợi graphite hoặc các sợi đó lƠ không thẩm thấu dẫn đến

sự hình thành các vết n t nhỏ

- Li và Mai[19] thu đ ợc dữ liệu thí nghiệm từ vật liệu composite trênnền polystyrene gia c ng sợi sisal định h ớng ngẫu nhiên thành phần trọng l ợng

sợilần l ợt là 0 (nhựa nguyên chất), 0.10, 0.20 và 0.30, thì các độ bền kéo lớn nhất

t ng ng là 34.9 MPa, 24.72 MPa, 31.14 MPa và 30.09 Mpa vƠ đối với mô đun đƠn hồi, các giá trị là 390 MPa, 457.4 MPa, 543.3 MPa và 710.7 MPa, có thể thấy

rằng độ bền c a composite là thấp h n so với nhựa nền Độ bền gi m khi trọng

l ợng phần sợi tăng từ0.20 đến 0.30 Mặt khác, chỉ có sự tăng lên vừa ph i (hay rất ít) c a mô đun đƠn hồikhi hƠm l ợng sợi tăng lên Một trong những lý do đ ợc gi định là do sự t ng tác c a sợi khi phần trăm sợi cao, dẫn đến sự lan truyền kém

c a sợi trong composite

Kết qu t ng tự đƣ đ ợc quan sát, kiểm tra đặc tính c học c a composite nền polyethylene gia c ng tấm gỗ mỏng b i Balasuriya [20] Việc gi m đi c a độ bền

đƣ đ ợc kết luận là do sự gia tăng trong t ng tác giữa các m nh sợi dẫn đếnngăn

c n sự lan truyền ng suất c a các m nh sợi

Mặc dù, các vật liệu composite với sự kết hợp khác nhau c a sợi và nền đƣ đ ợc

sử dụng trong các nghiên c u trên, một số kết luận chung có thể đ ợc đ a ra lƠ:Các

tỷ lệ sợi tối uc a composite sợi ngẫu nhiên lƠ th ng nhỏ h n 0.40, đây là giới h n

mƠ các ph ng pháp s n xuất bình th ng có thể đ t đ ợc các tỷ lệ sợi cao thì rất

Cả NẢ I: T NG QUAN

khó đ t đ ợc các thuộc tính c học cao do có sự t ng tác c a sợi, liên kết nền –

cốt.Mô đun đƠn hồi vƠ độ bền có thể chỉ tăng nhẹ hoặc gi m t i phần trăm sợi cao 1.2 Trong n ớc

Hiện nay, trong n ớc có rất nhiều công trình nghiên c u về vật liệu composite Các đề tài ch yếu nghiên c u về độ bền c học, về các ph ng pháp t o sợi từ tự nhiên, về các quy luật ng xử c a vật liệu composite, c i thiện c tínhđối với vật liệu composite bằng các ph ng pháp nh : gia c ng cho vật liệu, thay đổi thành

phần nền hay cốt Kết qu c a các nghiên c u này đã đ ợc vào sử dụng trong các ngành xây dựng, công nghiệp đóng tƠu, ô tô …

- Tr ớc hiện tr ng h hỏng nhà và xuống cấp c a các công trình xây dựng, việc

sửa chữa, gia cố các công trình bằng vật liệu composite FRP- Fiber reinforced Polymer đã đ ợc nghiên c u b i tác gi Ngô Quang Tr ng [1]- Tr ngĐ i học Bách Khoa Thành phố Hồ chí Minh Trình bày gi i pháp mới để sửa chữa, gia cố công trình bê tông cốt thép đó là: “ Ph ng pháp sử dụng vật liệu FRP (Fiber reinforced Polymer) trong sửa chữa và gia cố công trình” Khi sử dụng ph ng pháp này đã làm tăng c ng kh năng chịu uốn, chịu cắt, kh năng chịu t i động,

mô menâm và d ng c a dầm và sàn bê tông cốt thép

Hình 1.1 : Sửa chữa, gia cố các công trình bằng vật liệu composite FRP- Fiber

Reinforced Polymer

- Nguyễn Tiến Đắc [2], Tr ng Đ i học Khoa học Tự nhiên đƣ thực hiện luận văn

Th c sĩvới đề tƠi: "Tính toán xác định một số đặc tr ng c học cho vật liệu

Sửa chữa dầm bằng

cách bọc v i FRP Sdán các tửa chữa dầm bằng ấm FRP đáy Stấm FRP ửa chữa dầm bằng Dán ttăng mô men ơm ấm FRP

composite cốt sợi đồng ph ng” Tác gi đƣ nghiên c u về composite cốt sợi đồng

ph ng hai pha vƠ ba pha; tính toán, xác định một số đặc tr ng c học c a vật liệu composite cốt sợi đồng ph ng Áp dụng ph ng pháp xấp xỉ thể tích để thiết lập

và gi i bài toán kéo trụ đều mọi phía theo ph ng ngang với lực kéo không đổi, qua đó tìm đ ợc công th c gi i tích xác định mô đun khối biến d ng phẳng c a vật

liệu composite cốt sợi đồng ph ng

- Nguyễn Thị Bích Nga [3], "Nghiên c u c chế phá h y c a composite sợi

ngắn", trong nghiên c u nƠy đƣ trình bƠy các c s lý thuyết về c chế phá h y, sự truyền ng suất c a vật liệu composite, tính toán đ ợc tốc độ gi i phóng năng l ợng tới h n đặc tr ng cho vật liệu composite nền polyamide gia c ng sợi cacbon và sợi

th y tinh các nhiệt độ khác nhau là -20

c, 200c và 450c Đồng th i đ a ra mối quan

hệ giữa tốc độ gi i phóng năng l ợng tới h n và nhiệt độ

- Các tác gi Hoàng ph ng Hoa, Nguyễn Văn Mỹ, Đỗ Việt H i- Tr ngĐ i Học Bách khoa ĐƠ Nẵng [4] đã nghiên c u nh h ng c a kích th ớc, cấu t o vật liệu và

s đồ kết cấu đến tr ng thái ng suất, biến d ng c a một d ng liên kết chữ T đ ợc

chế t o từ những tấm composite d ới tác dụng c a t i trọng tĩnh Ngoài ra, các tác

gi còn nghiên c u nh h ng c a thành phần cốt sợi, chất liên kết đến vị trí hình thành các hiện t ợng n t giữa các tấm vật liệu trong kết cấu chữ T này

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn c a luận văn

Cùng với sự phát triển không ngừng c a khoa học kỹ thuật thì khoa học vật liệu

là một trong ba ngành khoa học kỹ thuật đ ợc dự đoán sẽ phát triển v ợt bậc và chiếm u thế trong thế kỉ này Với xu h ớng phát triển c a các ngành công nghiệp

nh công nghiệp đóng tƠu, công nghiệp ôtô, công nghiệp xây dựng và sự phát triển

c a ngƠnh hƠng không, vũ trụ thì việc sử dụng các lo i vật liệu mới với công nghệ cao đƣ vƠ đang mang l i những hiệu qu lớn lao về mặt kinh tế, đ m b o các yêu cầu về mặt kỹ thuật, nâng cao và c i thiện rõ rệt những khuyết điểm mà các vật liệu truyền thống không đáp ng đ ợc Và vật liệu composite là vật liệu đƣ đ ợc nghiên

c u, phát triển và ng dụng rất nhiều trong những thập niên gần đơy vì những u điểm mà chúng mang l i cho các ngành công nghiệp

hằng ngày Tuy nhiên, vật liệu composite vẫn ch a đ ợc phát triển x ng tầm và sử

dụng rộng rãi n ớc ta vì còn nhiều h n chế nh thiếu công nghệ, kỹ thuật để s n xuất nguyên vật liệu và chế t o s n phẩm Trong quá trình sử dụng vật liệu này do các điều kiện, môi tr ng làm việc khác nhau, cùng với các khuyết tật có thể tồn t i bên trongnh vết n t, lỗ trống … c a các chi tiết khi chế t o, s n xuất dẫn đến các

s n phẩm, chi tiết sử dụng dễ h hỏng, nh h ng đến tuổi thọ c a các công trình, thiết bị sử dụng, vì vậy chúng cần đ ợc gia cố hay sửa chữa Để lƠm đ ợc điều này thì yêu cầu đặt ra là ph i am hiểu đ ợc thuộc tính c học c a composite với các thành phần nhựa nền và sợi gia c ng khác nhau để đ m b o các yêu cầu kĩ thuật cho chi tiết, thiết bị, tăng tuổi thọ và th i gian là việc c a các chi tiết, các công trình kết cấukhi sử dụng

Các đặc tính c học c a composite thu đ ợc từ các lý thuyết và kết qu thí nghiệm có sự khác nhau do trong thực tế chiều dài c a các sợi gia c ng là không bằng nhau, số l ợng sợi phân bố theo các h ớng không đồng đều và trong quá trình

s n xuất composite chịu nhiều nh h ng c a các yếu tố nh công nghệ chế t o, nhiệt độ, chất xúc tác, khuôn, áp suất khi chế t o, nhựa nền và sợi gia c ng Do

đó, để có thể áp dụng vào thực tiễn chúng ta cần những số liệuthu đ ợc từ các công trình thí nghiệm, từ đó có thể dễ dàng áp dụng vào s n xuất, chế t o, thực nghiệm

Xuất phát từ nhu cầu thực tế t i công ty tác gi đang lƠm việc: việc sửa chữa các Tháp Cooling Tower đ ợc chế t o từ vật liệu composite gặp các khó khăn nhất định

nh chi phí, th i gian sửa chữa và chất l ợng s n phẩm không cao sau khi sửa chữa

do đội ngũ kỹ thuật ch a am hiểu sâu về công nghệ chế t o, đặc điểm s c bền c a

vật liệu composite

Trên những c s đ ợc trình bƠy nh trên tác gi đƣ chọn đề tƠi “Nghiên c u

c ng độ ng suất trên dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục”

2 M c tiêu và n i dung nghiên c u

2.1 Mục tiêu

– Nghiên c u nh h ng c a cốt sợi không liên tục phân bố ngẫu nhiên đến ng

suất uốn vƠ mô đun đƠn hồi uốn c a composite nhiều lớp đ ợc chế t o từ sợi

th y tinh ngắn và nền epoxy

2.2 Nội dung nghiên c u

– nh h ng c a số lớp sợi (hay tỉ lệ sợi gia c ng) trong composite đến ng suất

uốn vƠ mô đun đƠn hồi uốn

– Độ bền c học c a vật liệu composite nhiều lớp cốt sợi không liên tục

– Quan hệ giữa ng suất và biến d ng c a vật liệu composite nhiều lớp

– Mô đun đƠn hồi và biến d ng c a vật liệu composite nhiều lớp

3 Nhi m v c a đ tài và ph m vi nghiên c u

3.1 Nhiệm vụ c a đề tài

Để đ t đ ợc mục tiêu đề ra thì trong đề tài cần thực hiện một số nhiệm vụ sau:

- Tìm hiểu các c s lý thuyết và các ph ng pháp tính toán về vật liệu composite bao gồm:

 Các công nghệ chế t o vật liệu composite

 Các đặc tính c học c a vật liệu composite

 Các kiểu phá h yc a composite

- Tìm hiểu về lý thuyết dầm chịu uốn

- Xác định sự nh h ng c a tỉ lệ sợi gia c ng đến các thuộc tính c khí c a vật liệu composite nhiều lớp cốt sợi không liên tục

- Tính toáncác thông số c tính nh độ bền uốn, mô đun đƠn hồi uốn, chuyển

vịc a dầm composite nhiều lớp khi chịu uốn

– Vật liệu chế t o mẫu thử là nhựa epoxy và sợi th y tinh ngắn

– Ph ng pháp lát tay (hay còn gọi lƠ ph ng pháp hand lay-up)

– Kiểm tra và tính toán các thuộc tính c khí c a dầm composite nhiều lớp với cốt

sợi không liên tục bằng ph ng pháp thí nghiệm 3 điểm uốn

4 Ph ng pháp nghiên c u

Để hoàn thành các mục tiêu đƣ đ ợc trình bày trên, đề tài sử dụng các ph ng pháp sau đơy để nghiên c u:

– Tìm hiểu lý thuyết từ các nguồn dữ liệu sách, báo …

– Nghiên c u, phân tích, tổng hợp tài liệu, tham kh o các công trình nghiên c u

tr ớc đơy

– Ph ng pháp thí nghiệm

5 Đi m m i c a lu n văn vƠ giá tr thực ti n

Trên c s các kết qu thu đ ợc từ thí nghiệm, tác gi đƣ tính toán đ ợc giá trị

mô đun đƠn hồi uốn vƠ độ bền uốn c a dầm composite, xác định đ ợc d ng ph ng trình đặc tr ng cho độ bền vƠ mô đun đƠn hồi uốn c a dầm composite t ng ng

vớitỉ lệ sợi gia c ng (hay số lớp sợi) trong composite Các kết qu thu đ ợc từ quá trình thí nghiệm có thể đ ợc áp dụng trong s n xuất, chế t o composite t ng ng với tỷ lệ sợi (hay số lớp sợi)phù hợp với các yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu về các thuộc tính c học khi làm việc trong các điều kiện khác nhau Qua đó, đem l i các lợi ích kính tế nh ít hao tốn nguyên vật liệu, gi m th i gian chế t o, s n xuất, tăng tuổi thọ

c a các chi tiết, công trình, kết cấu

CH NG II

V T LI U COMPOSITE

2.1 Gi i thi u chung v v t li u composite

Vật liệu composite, hay còn gọi là vật liệu kết hợp, đơy lƠ lo i vật liệu đa pha

có thành phần hóa học khác nhau, hầu nh không tan vƠo nhau, phơn cách nhau b i ranh giới pha, kết hợp với nhau theo những s đồ thiết kế tr ớc, nhằm tận dụng và

phối hợp các tính chất u việt c a từng pha

Thông th ng trong các vật liệu truyền thống nh kim lo i, hợp kim, polyme,

gốm…có một số tính chất th ng trái ng ợc nhau, nếu có những u điểm về tính

chất nƠy thì ng ợc l i có những nh ợc điểm về các tính chất khác Ví dụ: hợp kim

có độ c ng, độ bền cao h n th ng có độ dẻo, dai thấp Vật liệu composite khắc

phục những nh ợc điểm này: chúng có thể vừa có độ bền cao l i vừa dẻo dai, chịu mài mòn, chịu nóng, chịu ăn mòn hóa học cao Vật liệu composite có đ ợc những tính chất này vì chúng là vật liệu kết hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau

Với những u điểm và lợi thế nh trên, ngày nay vật liệu composite đ ợc sử

dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tiên tiến trên thế giới, kĩ thuật, trong ngành chế t o máyvà trong ngành xây dựng, đồ gia dụng… Đặc biệt vật liệu composite ngày càng đ ợc chế t o và sử dụng rộng rãi h n trong ngành công nghiệp hàng không, vũ trụ, tên lửa hiện đ i và cács n phẩm, dụng cụ thể thao do đáp ng tốt đ ợc các yêu cầu về mặt kĩ thuật và đặc điểm c a các s n phẩm này nh

chịu đ ợc th i tiết khắc nghiệt, chịu đ ợc sự hao mòn hóa học, chịu đ ợc sự đàn hồi, chống mài mòn, độ bền c học cao, nhẹ, thân thiện với môi tr ng

Vật liệu composite đ ợc ng dụng và phát triển rộng rãi vì chúng rất bền và

nhẹ, rất nhiều đòi hỏi khắt khe c a kĩ thuật và công nghệ hiện đ i, chỉ có vật liệu

mới compositemới đáp ng đ ợc Vì vậy, ngành Khoa học- công nghệ vật liệu mới

là một trong những mũi nhọn then chốt c a sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đ i

Cả NẢ II: V T LI U COMPOSITE

hóa, vật liệu composite chính là vật liệu c a t ng lai NgƠy nay, việc nghiên c u,

s n xuất và ng dụng c a vật liệu composite ngày một lan rộng với quy mô ngày càng lớn sang tất c các n ớc, đặc biệt lƠ n ớc đang phát triển Thế kỉXXI đ ợc cho

là thế kỉ c a công nghệ cao và vật liệu composite

2.1.1 Khái niệm vật liệu composite[6]

Vật liệu composite, hay còn gọi là vật liệu kết hợp, đơy lƠ lo i vật liệu đa pha

có thành phần hóa học khác nhau, hầu nh không tan vƠo nhau, phơn cách nhau b i ranh giới pha, kết hợp với nhau theo những s đồ thiết kế tr ớc, nhằm tận dụng và

phối hợp các tính chất u việt c a từng pha

2.1.2 Lịch sử phát triển[21]

Vật liệu composite đầu tiên đƣ xuất hiện cách đơy hƠng nghìn năm, 5000 năm

tr ớc công nguyên ng i cổ đ i đƣ thêm đá nghiền nhỏ hoặc những vật liệu nguồn gốc hữu c vƠo đất sét để gi m độ co, đ t khi nung g ch hoặc đồ gốm Ai Cập, kho ng 3000 năm tr ớc công nguyên ng i ta đƣ lƠm vỏ thuyền bằng lau sậy đan tẩm bitum, nếu bỏ qua một số khái niệm thì kỹ thuật đó cũng giống nh kỹ thuật lƠm tƠu hiện đ i từ chất dẻo cốt thuỷ tinh hiện nay Việt Nam, thuyền tre đan trát

s n trộn mùn c a lƠ một ví dụ về vật liệu composite

Năm 1851, Nelson Goodyear đƣ dùng oxit kẽm lƠm chất độn cho elonit Năm

1920, Bakeland đã dùng bột gỗ độn vƠo nhựa bakelit vƠ John đƣ sử dụng xenlulo lƠm chất độn cho các lo i nhựa.Mặc dù, đ ợc hình thƠnh từ rất sớm nh ng việc chế

t o vật liệu composite mới thực sự đ ợc chú ý kho ng 60 năm tr l i đơy Polyeste tăng c ng bằng sợi sợi th y tinh đ ợc sử dụng trong ngành hƠng không năm 1938 Năm 1944, đƣ s n xuất hƠng nghìn chi tiết bằng chất dẻo composite cho máy bay và tƠu chiến phục vụ đaị chiến thế giới lần th II.Năm 1950, chất l ợng c a vật liệu polyme composite đ ợc nơng cao nh sự ra đ i c a nhựa epoxy vƠ hƠng lo t sợi tăng c ng nh sợi cabon, sợi polyeste, nylon, aramit (kelva), sợi silic…

Từ năm 1970 đến nay, các chi tiết chế t o từ composite cốt sợi đƣ đ ợc ng dụng rộng rƣi trong công nghiệp, lƠm vật liệu xơy dựng vƠ những ngƠnh kỹ thuật cao Mặc dù vậy, việc nghiên c u nơng cao chất l ợng, c i thiện các đặc tính s c

bền, tính chất nhiệt, điện vƠ m rộng lĩnh vực ng dụng c a vật liệu nƠy vẫn luôn

đ ợc đặt ra

2.1.3 Xu h ớng phát triển c a vật liệu composite trong t ng lai [21]

- Thay thế thép bằng vật liệu composite: Sự thay thế thép bằng các vật liệu mới có liên quan đến các tính chất đặc biệt và b n chất vật lý c a chúng Trong các vật

rắn tinh thể, thép và các kim lo i khác luôn tồn t i những sai lệch đ ng, số

l ợng c a chúng lên tới nhiều tỷ trên 1cm3, làm yếu kim lo i và không cho phép tăng độ bền c a chúng lên một cách đáng kể Nh những tính chất u việt, vật

liệu polyme composite cho phép đ t đ ợc độ bền nén lớn h n nhiều so với thép

- Chuyển vật liệu sang d ng sợi để tăng c ng độ bền : kết qu nghiên c u trong nhiều năm đƣ ch ng tỏ khi chuyển vật liệu d ng khối sang d ng sợi thì độ bền

c a chúng tăng lên Trong những sợi m nh, độ bền đ t tới giá trị gần với lý thuyết vƠ khi đó trong cấu trúc không quan sát thấy khuyết tật

- Đa d ng hoá nền polyme vƠ chất tăng c ng : trong những năm gần đơy trên thế giới, cùng với những lo i nhựa nhiệt rắn đƣ đ ợc sử dụng rộng rƣi nh nhựa epoxy, polyeste không no, phenolfomandehyt… ng i ta đƣ sử dụng rất có hiệu

qu các lo i nhựa nhiệt dẻo nh PE, PP, polyamit, polycacbonat

- Phối hợp giữa các vật liệu polyme , nền kim lo i và gốm

2.1.4 Các thành phần cấu t o, đặc điểm và phân lo i vật liệu composite[7, 8]

2.1.4.1 Thành phần cấu t o

Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đo n đ ợc phân bố trong một pha liên tục duy nhất (Pha là một lo i vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc c a vật liệu composite) Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix),

th ng làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đo n l i, đ m b o sự liền khối c a vật

liệu, đ m b o tính liên tục c a kết cấu Pha gián đo n đ ợc gọi là cốt hay vật liệu tăng c ng (reinforcement) đ ợc trộn vào pha nền lƠm tăng c tính, tính kết dính,

chống mòn, chống x ớc

2.1.4.2 Đặc điểm

Cả NẢ II: V T LI U COMPOSITE

- Là lo i vật liệuđa pha khác về b n chất, hầu nh không tan vào nhau, phân cách

bằng ranh giới pha Trong thực tế, phổ biến là lo i composite hai pha: pha nền là pha liên tục, còn pha cốt là pha phân bố gián đo n

- Nền và cốt có tỷ lệ, hình dáng, kích th ớc và sự phân bố theo thiết kế

- Tính chất c a vật liệu composite đ ợc t o thành từ những tính chất c a các pha thành phần kết hợp l i Tuy nhiên, nó không bao hàm tất c các tính chất c a pha khi đ ng riêng lẻ mà chỉ lựa chọn các tính chất tốt và phát huy thêm

2.1.4.3 Phân lo i

Có nhiều cách phân lo i vật liệu composite nh ng đây chúng ta chỉ tìm hiểu cách phân lo i vật liệu composite theo b n chất nền và theo hình học c a cốt hoặc theo đặc điểm cấu trúc

 Phân lo i theo b n chất nền

Hình 2.1: Phân lo i vật liệu composite theo b n chất nền

 Theo hình học hoặc đặc điểm cấu trúc: có thể phân lo i thành 3 nhóm sau

nền kim

lo i

Vật liệu composite

nền gốm

Vật liệu composite

đa pha

Hình 2.2: S đồ phân lo i composite theo cấu trúc 2.1.4.4 Liên kết nền cốt

Vật liệu composite là sự kết hợp giữa pha nền và cốt Tính chất ch yếu c a composite phụ thuộc vào liên kết giữa nền và cốt Nếu liên kết giữa nền và cốt là hoàn h o thì vật liệu này sẽ tổng hợp đ ợc các tính chất c a chúng vƠ ng ợc l i Sau đơy lƠ đặc điểm nền cốt và liên kết giữa chúng:

 Cốt: lƠ pha gián đo n đóng vai trò t o nên độ bền cao, môđun đƠn hồi cao cho

vật liệu composite Do đó, b n thân cốt ph i có độ bền, môđun đƠn hồi cao và

nhẹ để có độ bền riêng cao Cốt có thể đ ợc chế t o từ kim lo i, bằng chất vô

c , polyme, … HƠm l ợng, hình d ng, kích th ớc và sự phân bố c a cốt nh

h ng m nh đến tính chất c a composite

 Nền: là pha liên tục đóng vai trò ch yếu sau:

- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành khối composite đồng nhất

- T o kh năng để tiến hành các ph ng pháp gia công composite thành các chi

Liên tục

Có

h ớng

Ngẫu nhiên

Cả NẢ II: V T LI U COMPOSITE

Nền ph i nhẹ và có độ dẻo cao Tùy thuộc vào các lo i composite cần chế t o,

mà ng i ta sử dụng nền là kim lo i, polyme, gốm và hỗn hợp

Liên kết tốt giữa nền và cốt t i vùng ranh giới pha là yếu tố quan trọng nhất đ m

b o cho sự kết hợp đặc tính tốt c a hai pha nền và cốt Để tăng c ng độ kết dính

- Liên kết ph n ng trên ranh giới pha x y ra ph n ng t o hợp chất hóa học, nó

nh lớp keo gắn chặt cốt với nền Đơy lƠ lo i liên kết tốt nhất

- Liên kết ôxyt là lo i liên kết ph n ng đặc tr ng cho nền kim lo i với cốt

2.1.5 Composite cấu trúc d ng lớp

Composite d ng nƠy đ ợc t o thành từ các lớp Các lớp này th ng có hai lo i:

lớp th nhất th ng là vật liệu đồng nhất đóng vai trò liên kết, lớp th hai là các lớp

chịu lực th ng lƠ các băng composite cốt sợi

Hình 2.3: Composite cấu trúc d ng lớp

Sắp xếp lần l ợt các lớp nƠy vƠ đổi h ớng các băng composite sao cho thỏa mãn yêu cầu thiết kế rồi ép dính l i Kết qu nhận đ ợc d ng bán thành phẩm tấm, thanh, ống… Đó chính lƠ composite d ng lớp [6]

liệu composite đ ợc trình bày nh hình 2.5

Khi chúng ta thay thế các bộ phận c a máy bay bằng vật liệu composite thay cho vật liệu truyền thống thì t i trọng gi m đáng kể, nâng cao đ ợc tính bền, kh

năng chịu mỏi, chịu mài mòn và tác động c a các vết n t… khi máy bay làm việc trong các môi tr ng không khí khác nhau vì vậy hiệu qu kinh tế và tính an toàn ngày đ ợc nâng cao

Hình 2.5: Các ng dụng c a composite trong hàng không- vũ trụ

2.1.6.3 Trong các lĩnh vực khác c a đ i sống

Các công ty đƣ nghiên c u và ng dụng vật liệu composite để s n xuất các s n

phẩm cho các công trình xử lí n ớc th i, cấp thoát n ớc, các công trình giao thông

kỹ thuật Do các s n phẩm này tận dụng đ ợc các u điểm c a vật liệu composite

nh : th i gian chế t o, thi công, lắp đặt ngắn, sửa chữa, b o d ỡng dễ dàng, chi phí

vận chuyển lắp đặt thấp, th i gian sử dụng lâu

Hình 2.6: Các ng dụng c a composite trong xây dựng, công nghiệp

2.2 Ph n ng k t n i ngang vƠ c ch đông đặc, đóng r n trong composite[5]

Nh chúng ta đƣ biết khi sau khi có nhựa gốc ( nhiệt độ bình th ng là

thể rắn), ng i ta hòa tan nhựa nƠy trong dung môi để duy trì chúng d ng lỏng,

ch a no Ph n ng giữa nhựa gốc vƠ dung môi đ ợc gọi là ph n ng kết nối ngang Khi nhựa gốc đ ợc hòa tan trong dung môi thì các nhóm ch a bƣo hòa trong trong

nhựa gốc và dung môi ph n ng qua l i với nhau, t o ra cầu nối ngang (cross

linking) để các chuỗi polyeste liên kết l i với nhau Nếu chúng ta không có những

biện pháp kìm hãm, khống chế ph n ng này l i thì khi đó quá trình sẽ x y ra hoàn toàn và nhựa sẽ bị đóng rắn không sử dụng đ ợc trong vật liệu composite Do đó,

muốn kểm soát đ ợc ph n ng kết nối ngang chúng ta ph i có biện pháp khống chế

nó, làm cho ph n ng không x y ra hoàn toàn bằng cách thêm chất phụ gia (còn gọi

là chất hãm) với l ợng phù hợp Lúc này, chất hãm sẽ khống chế không cho các gốc

tự do ph n ng với styren hoặc nhựa gốc do các điều kiện nh nhiệt độ, ánh sáng…

Nếu chúng ta cho đ hƠm l ợng chất hãm thì ph n ng kết nối ngang sẽ không x y

ra hoƠn toƠn, do đó chúng ta sẽ có đ ợc nhựa ổn định tr ng thái lỏng

Khi chúng ta đ a nhựa nền vào chế t o s n phẩm composite, chính là lúc chúng

ta muốn ph n ng kết nối ngang diễn ra hoƠn toƠn để nhựa nền đóng rắn trong khuôn.Để đ t đ ợc điều này chúng ta ph i có chất xúc tác, xúc tiến Chất xúc tác có nhiệm vụ kích ho t vƠ tăng tốc quá trình ph n ng kết nối ngang cho đến khi đóng

rắn hoƠn toƠn để t o ra s n phẩm composite

– Các gốc tự do mới tiếp tục ph n ng với các nhóm ch a bƣo hòa khác vƠ l i

t o thành các gốc tự do mới Quá trình c tiếp diễn nh vậy t o ra ph n ng dây chuyền, nối tiếp nhau, làm cho các chuỗi polyester ngày càng dài, càng

gắn bó với nhau điều đó khiến cho nhựa lỏng chuyển động ngày càng khó, chậm l i và dừng chuyển động vƠ đó chính lƠ th i điểm đông đặc Quá trình

diễn ra khi các gốc tự do kết thúc ph n ng, lúc nƠy giai đo n đóng rắn bắt đầu

 Các yếu tố nh h ng đến ph n ng kết nối ngang

– Ph i có đ hƠm l ợng chất xúc tác

– Ph i có đ gốc tự do đ ợc t o ra trong quá trình ph n ng

– Ph i có đ nhiệt độ

– Khối l ợng c a sợi gia c ng trong composite

2.3 Vùng chuy n ti p trong composite [5]

Vùng trung gian là vùng tiếp xúc giữa cốt và nền vƠ nó th ng là yếu tố có tính quyết định đến các tính chất c học và các thuộc tính khác nữa c a composite Vùng trung gian chính lƠ n i chuyển t i trọng từ nền sang cốt nên tác động đầu tiên

c a nó chính lƠ tác động đến độ bền Có nhiều yếu tố tác động đến thành phần và thể tích c a vùng chuyển tiếp

Tính thấm ớt, t c là pha nền tr ng thái lỏng ph i dễ dàng thấm ớt pha gia

c ng tr ớc khi đóng rắn Nh ng thực tế không ph i lúc nƠo cũng có liên kết nền - cốt lý t ng do b n chất hóa lý c a các vật liệu rất khác nhau Trong tr ng hợp này, cần ph i thêm chất thấm ớt để c i thiện kh năng thấm ớt cốt - nền

2.4 Công ngh ch t o composite[6]

2.4.1 Giới thiệu các công nghệ chế t o composite

Công nghệ chế t o composite hiện nay rất đa d ng, có rất nhiều ph ng pháp để chế t o composite Tùy theo điều kiện, hình dáng, số l ợng, các thành phần vật liệu

c a composite mà chúng ta áp dụng các công nghệ phù hợp Trong các công nghệ

chế t o composite đều ph i có khuôn, do đó tùy theo đặc điểm, cấu t o khuôn mà chúng ta lựa chọn các công nghệ phù hợp Sau đơy lƠ một số công nghệ đ ợc sử

dụng phổ biến để chế t o composite hiện nay:

- Ph ng pháp lát tay(hand lay-up)

- Ph ng pháp túi chơn không

- Ph ng pháp phun (spray lay-up)

- Ph ng pháp tẩm trong khuôn(Resin Transfer Moulding)

- Ph ng pháp tẩm trong khuôn có tăng c ng chân không(Vacuum Assistant ResinTransfer Moulding-VARTM)

- Ph ng pháp quấn sợi (Filament Winding)

- Ph ng pháp đùn (Extrusion process)

- Ph ng pháp ép phun (Injection moulding)

Trong các công nghệ chế t o composite đ ợc trình bày trên thì công nghệ lát tay (hand lay – up) đ ợc sử dụng rộng rãi và phổ biến n ớc ta hiện nay nh vào các u điểm c a nó Trong nghiên c u này, tác gi đƣ sử dụng công nghệ lát tay để

chế t o các mẫu thử composite

2.4.2 Các u – nh ợc diểm c a công nghệ lát tay

 u điểm

- Thiết kế linh động, dễ dƠng thay đổi

- Chi phí đầu t dụng cụ, thiết bị thấp

- HƠm l ợng sợi cao và phù hợp với sợi

 Nh ợc điểm

- S n phẩm chỉ có một bề mặt nhẵn

Cả NẢ II: V T LI U COMPOSITE

- Th i gian đóng rắn th ng dài

- Chất l ợng s n phẩm phụ thuộc nhiều vào kỹ năng thao tác

2.5 Composite s i ng n

Nh những u điểm lớn nh t o hình dễ dƠng các chi tiết ph c t p, giá thƠnh

s n phẩm thấp, quy trình công nghệ chế t o vừa ph i, dễ cập nhật, ngƠy nay composite cốt sợi ngắn (có định h ớng hoặc ngẫu nhiên) đƣ tr thƠnh một trong những vật liệu mới đ ợc đặc biệt chú ý nghiên c u chế t o vƠ ng dụng

Chiều dài sợi có nh h ng rất lớn đếnđộ bền và độ c ng vững c a vật liệu composite Composite kết cấu cốt sợi chỉ thật sự bền khi t i trọng tác dụng đặt vào

nó ph i đặt dồn vào sợi vì đây là pha có độ bền cao, còn nếu t i trọngđặt vào pha

nền thì độ bền sẽ không cao Các cấu trúc cốt sợi c a composite đ ợc trình bày nh hình 2.7

Hình 2.7: S đồ cấu trúc composite cốt sợi; a liên tục thẳng hàng, b

gián đo n thẳng hàng, c gián đo n hỗn độn

Ng i ta tính đ ợc rằng khi cốt sợi có chiều dài Ls :

Bằng các ph ng pháp toán học ng i ta xác định đ ợc chiều dài tới h n (Lt/h)

c a sợi, mà chiều dài c a cốt sợi nếu lớn hay nhỏ h n có tính quyết định đến c tính

c a vật liệu composite Chiều dài tới h n đ ợc tính theo công th c

 

2

d s t

+ Khi Ls< Lt/h tác dụng gia c ng c a cốt sợi sẽ không có, composite đ ợc coi

là composite h t

Ng i ta quy ớc:

- Khi Ls ≥ 15Lt/h composite là lo i cốt sợi liên tục

- Khi Ls<15Lt/h composite là lo i cốt sợi ngắn

Trong thực tế các sợi cốt th ng có chiều dƠi giới h n, do vậy cần ph i tính đến

“hiệu ng đầu mút” Đó lƠ hiệu ng phụ thuộc vƠo yếu tố hình học sợi cốt, gơy nh

h ng rất m nh đến độ bền c a composite ( hình 2.8)

Hình 2.8: Biến d ng nền khi đặt t i vào composite sợi ngắn

Từ hình 2.8 trên ta thấy, d ới tác dụng c a ng suất đặt vƠo, sự biến d ng c a nền dừng l i đầu mút sợi Điều nƠy cũng có nghĩa lƠ t i vùng đầu mút sợi, hiện

t ợng truyền t i từ nền sang cốt không x y ra Nếu sợi ngắn quá thì dù c ng độ

c a lực tác dụng lên mẫu composite có tăng lên bao nhiêu đi chăng nữa, ng suất truyền sang cốt cũng không thể v ợt quá giới h n bền c a sợi để phá đ t nó Lúc này, chỉ có thể x y ra kh năng lƠ khi c ng độ lực tác dụng đ lớn, v ợt quá giới

h n cho phép, nó sẽ kéo nguyên vẹn sợi cốt tuột ra khỏi nền Nh vậy, độ bền các sợi cốt không đ ợc tận dụng vƠ kết qu lƠ composite rất kém bền Chỉ trong tr ng hợp chiều dƠi sợi v ợt quá độ dƠi tới h n thì nó mới bị phá huỷ trong mẫu composite khi lực tác dụng v ợt quá giới h n cho phép vƠ lúc nƠy vai trò hóa bền

c a cốt sợi mới đ ợc phát huy

Cả NẢ III: C S PảÂN TÍCả VÀ TÍNả TOÁN C TÍNả C A COMPOSITE

C S PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN C TệNH C A

COMPOSITE

3.1 Gi i thi u

Vật liệu composite là vật liệu kết hợp, do đó các đặc tính c học c a composite

phụ thuộc vào các đặc tính c a các vật liệu kết hợp, phụ thuộc vào tỷ lệ các thành

phần để t o thành composite Vì vậy, đối với composite cốt sợinhiều lớp cần ph i tính toán đ ợc tỷ lệ c a sợi gia c ng trong composite để hiểu rõ h n về nh h ng

c a tỷ lệ sợi (hay số lớp sợi) gia c ngđến các thuộc tính c học c a composite Trong composite, t i trọng không trực tiếp tác động vào sợi mƠ tác động vào vật

liệu nền ng suất đ ợc truyền vào sợi thông qua các đầu mút c a sợi Do đó, trong

kết cấu composite cốt sợi ph i có kết cấu sao cho t i trọng đặt vào composite ph i

đ ợc dồn vào sợi lƠ pha có độ bền cao Nếu chỉ tập trung vào nền, lƠ pha có độ bền kém h n thì composite sẽ bị phá h y một cách nhanh chóng Composite sợi ngắn, không liên tục khi chịu tác dụng c a ng suất đặt vào thì dừng l i đầu mút sợi, một phần nền khi đó sẽ bị ch y Vì vậy, để hiểu rõ h n về c tính c a composite sợi không liên tục khi chịu tác động c a t i trọng cần ph i tìm hiểu về sự lan truyền ng

suất trong composite này

3.2 Tỷ l n n ậ c t [25-28]

Tỷ lệ t ng đối c a vật liệu cốt và vật liệu nền là một trong những yếu tố quan

trọng bậc nhất, nó quyết định c tính c a vật liệu composite Tỷ lệ này có thể biểu

diễn qua tỷ lệ thể tích hoặc tỷ lệ khối l ợng Trong đề tài này, tỷ lệ cốt dựa vào tỷ

trọng c a cốt, nền và composite, với công th c tính đ ợc xác định nh sau:

Ta kh o sát một khối vật liệu composite (v c) ch a một khối sợi (vf ) vƠ khối vật liệu nền (v m) Thể tích c a khối composite (v c) lƠ tổng thể tích c a cốt sợi (vf ),

nền (v m) vƠ kho ng trống (v v):

v m f

v    (3.1) Chia công th c (3.1) tất c cho v c ta đ ợc tỉ lệ thành phần c a cốt, nền và kho ng

Tỉ trọng c a composite c đ ợc xác định nh sau:

m m f f c

m m f f c

c

v

v v

v

) 1

( f v

m f f

c   V   V V

v m m m f f

hoặc

m f

v m m c f

V V

Trong hầu hết các ph ng pháp chế t o composite bao gồm c ph ng pháptẩm trong khuôn thì tỉ lệ kho ng trống (rỗ khí, rỗ h i,…) trong composite nhỏ h n 1%,

và có thể bỏ qua V v trong công th c tính V f Cho nên công th c (3.7) đ ợc viết l i

nh sau:

Cả NẢ III: C S PảÂN TÍCả VÀ TÍNả TOÁN C TÍNả C A COMPOSITE

m f

m c f

3.3 Lý thuy t dầm ch u u n c a v t li u đ ng nhất [12]

Vật liệu có cấu t o vật chất liên tục, đồng nhất vƠ đẳng h ớng Gi thuyết về vật

liệu trong s c bền vật liệu là có cấu trúc liên tục, không bị gián đo n b i các lỗ

trống Kích th ớc c a các kho ng trống này là vi mô so với kích th ớc vĩ mô c a chi tiết nghiên c u Vật liệu đồng nhất có nghĩa lƠ t i mọi th i điểm trong vật thể đều có tính chất c học giống nhau Vật liệu đẳng h ớng có nghĩa lƠ t i một điểm

bất kì trong vật thể, tính chất c học theo mọi ph ng lƠ nh nhau

Kh o sát hệ dầm chịu uốn nh hình 3.1

Hình 3.1: Thí nghiệm dầm chịu uốn

Biến d ng c a dầm là sự thay đổi độ cong c a trục Đ ng cong c a dầmsau khi

chịu uốn đ ợc gọi lƠ đ ng đƠn hồi Bán kính cong t i một vị trí c a dầm đ ợc thiết

 Chuyển vị lớn nhất c a dầm

3

48

PL EI

 

 ng suất c a dầm

M y I

2

32

P L bh

 Mô đun đƠn hồi c a dầm

3 3

4

PL E

- Độ bền uốn đ ợc xác định dựa trên lý thuyết dầm c a thí nghiệm 3 điểm uốn

- Các mô đun uốn đ ợc tính toán từ hệ số góc c a đ ng cong t i trọng – độ võng

Cả NẢ III: C S PảÂN TÍCả VÀ TÍNả TOÁN C TÍNả C A COMPOSITE

3.5 Tính toán mô đun đƠn h i vƠ đ b n u n c a composite s i ng n phân

b ng u nhiên[5]

Kh o sát tr ng hợp sợi ngắn phơn bố hoƠn toƠn ngẫu nhiên nh hình 3.2:

Hình 3.2: Sợi ngắn phơn bố ngẫu nhiên Công th c theo lý thuyếthòa trộn với hệ số nh h ng c a sợi đối với mô đun đƠn hồi đ ợc biểu thị nh sau[5,28,30]:

k: lƠ hệ số nh h ng c a sợi đến độ bền uốn c a composite

Giá trị nƠy dao động trong kho ng 0÷1

Hệ số nh h ngc a một số composite sợi ngắn phơn bố ngẫu nhiên ng với các

tr ng hợp định h ớng khác nhau giữa sợi vƠ ng suất đ ợc trình bƠy trong b ng 3.1

B ng 3.1: Hệ số nh h ng t ng ng với định h ớng sợi[5]

3.6 Các lý thuy t v sự truy n ng suất

Trong composite, t i trọng không đặt trực tiếp vào sợi mƠ đ ợc đặt vào vật liệu

nền vƠ sau đó t i trọng từ nền sẽ truyền vào sợi thông qua các đầu mút sợi,cũng có

thể là thông qua các bề mặt hình trụ c a các sợi gần đầu mút Khi chiều dài sợi lớn

h n hoặc bằng chiều dài tới h n thì quá trình truyền ng suất từ nền sang sợi mới

hiệu qu và sợi đ ợc xem sợi liên tục Đối với composite sợi ngắn, nh h ng c a các đầu mút sợi cần đ ợc xem xét và các thuộc tính c a composite sợi ngắn lƠ đặc

tr ng c a chiều dài sợi Các kết qu c a đầu mút sợi nh h ng đáng kể đến thuộc tính và hiệu qu gia c ng c a composite sợi ngắn Để hiểu rõ h n về thuộc tính

c a composite sợi ngắn, điều đầu tiên là chúng ta tìm hiểu về c chế c a sự truyền

ng suất c a composite này

3.6.1 ng suất trung bình c a sợi

Từ các phân tích trên, t i đầu mút c a sợi có chiều dài tới h n thì có ng suất thấp h n ng suất tới h n c a sợi nh h ng c a đầu mút sợi là làm gi m độ bền

vƠ mô đun đƠn hồi c a composite sợi ngắn Trong phơn tích đối với độ bền và mô

Tất c các sợi song song Song song với sợi

Vuông góc với sợi

1

0 Phơn bố ngẫu nhiên, đồng

nhất trong một mặt

Theo ph ng bất kỳ trong mặt

ch a sợi

0.375

Phơn bố ngẫu nhiên vƠ đồng

nhất theo 3 chiều không gian