nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon epoxy và glass epoxy

- Thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm theo phương pháp thủ công.. - Thiết kếvà chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy bằng p

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

-

NGUYỄN HỮU TRUNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ TẠO MẪU THỬ COMPOSITE DẠNG BĂNG

TẨM CARBON/EPOXY VÀ GLASS/EPOXY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: KỸ THUẬT TÀU THỦY

Khánh Hòa, năm 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

-

NGUYỄN HỮU TRUNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ TẠO MẪU THỬ COMPOSITE DẠNG BĂNG

TẨM CARBON/EPOXY VÀ GLASS/EPOXY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: KỸ THUẬT TÀU THỦY

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS PHẠM THANH NHỰT

Khánh Hòa, năm 2015

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên : Nguyễn Hữu Trung

Khoa : Kỹ thuật giao thông Ngành : Kỹ thuật tàu thủy

Tên đề tài : " Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử

composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy "

Số trang : 56 Số chương : 4 Số tài liệu tham khảo : 11

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Kết luận:

Nha Trang, ngày….tháng….năm 2015

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ h ọ tên)

TS Phạm Thanh Nhựt

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : Nguyễn Hữu Trung

Khoa : Kỹ thuật giao thông Ngành : Kỹ thuật tàu thủy

Tên đề tài : " Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử

composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy "

Số trang : 56 Số chương : 4 Số tài liệu tham khảo : 11

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Đánh giá chung:

Nha Trang, ngày….tháng….năm 2015 CÁN BỘ PHẢN BIỆN (Ký và ghi rõ h ọ tên) ĐIỂM CHUNG Bằng số Bằng chữ

Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử

composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy ”

Nghành: Kỹ thuật tàu thủy

Giáo viên hướng dẫn: TS PHẠM THANH NHỰT

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HỮU TRUNG

Mã số sinh viên: 53131898

Lớp: 53KTTT

Đại chỉ: 8B Nguyễn Đình Chiểu- Nha Trang-Khánh Hòa

Số điện thoại: 01683960291

Thời gian hoàn thành đề tài cho phép: Từ ngày 2-2-2015 đến ngày 15-6-2015

I ĐỐI TƯỢNG MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1 Đối tượng nghiên cứu

- Vật liệu composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy

- Thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm theo phương pháp thủ công

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Thiết kếvà chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy bằng phương pháp thủ công

1.1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu

1.2 Mục tiêu đối tượng và phương pháp nghiên cứu

1.3 Nội dung nghiên cứu

Chương 2: Tính toán, thiết kế thiết bị

2.1 Yêu cầu kinh tế kỹ thuật

2.2 Tính toán thiết kế

Chương 3: Chế tạo thử nghiệm thiết bị và mẫu thử

3.1 Chế tạo thử nghiệm thiết bị

3.2 Chế tạo mẫu thử

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

4.1 Kết luận

4.2 Kiến nghị

III KẾ HOẠCH VÀ THỜI GIAN HOÀN THÀNH

Nghiên cứu tài liệu và lập đề cương chi tiết cho đồ án: Từ ngày 2-2-2015 đến ngày 10-2-2015

Trình bản thảo chương 1: Đặt vấn đề Từ ngày 10-2-2015 đến ngày 5-3-2015 Trình bản thảo chương 2: Tính toán thiết kế thiết bị.+ Bản vẽ thiết kế thiết bị.Từ ngày 5-3-2015 đến ngày 5-4-2015

Trình bản thảo chương 3:Chế tạo thử nghiệm thiết bị và mẫu thử + Sản phẩm chế tạo và kết quả thử nghiệm.Từ ngày 5-4-2015 đến ngày 6-5-2015

Trình bản thảo chương 4: Kết luận và kiến nghị Từ ngày 5-2015 đến ngày 6-2015

6-Nộp đồ án và kết quả thực hiện trước ngày 15-6-2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn là TS Phạm Thanh Nhựt Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong

đề tài này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong phần tài liệu tham khảo Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá, kết quả cũng như số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác, và cũng được thể hiện ở phần tài liệu tham khảo

Nếu có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về kết quả đồ

án tốt nghiệp của mình

Khánh Hòa, ngày 15 tháng 06 năm 2015

Sinh viên thực hiện Nguyễn Hữu Trung

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC HÌNH VẼ v

LỜI NÓI ĐẦU vii

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .1

1.1.1 Giới thiệu về vật liệu composite 1

1.1.1.1 Giới thiệu chung 1

1.1.1.2 Phân loại, cấu tạo và ứng dụng vật liệu composite 2

1.1.2 Composite dạng băng tẩm và phương pháp chế tạo 3

1.1.2.1 Khái niệm về composite dạng băng tẩm 3

1.1.2.2 Đặc tính cơ học vật liệu composite dạng băng tẩm 4

1.1.2.3 Phương pháp chế tạo mẫu composite dạng băng tẩm bằng nồi hấp tiêu chuẩn 6

1.2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 7

1.2.2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài 7

1.2.3 Phương pháp nghiên cứu 7

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 8

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ 9

2.1 YÊU CẦU KINH TẾ - KỸ THUẬT 9

2.1.1 Yêu cầu kinh tế 9

2.1.2 Yêu cầu kỹ thuật 9

2.2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ 9

2.2.1 Xây dựng mô hình thiết bị 9

2.2.2 Chọn vật liệu chế tạo 10

2.2.3 Tính chọn thiết bị gia nhiệt tạo nhiệt độ 12

2.2.3.1 Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật điện nhiêt 12

2.2.3.2 Tính chọn điện trở theo phương pháp trực tiếp 13

2.2.3.3 Tính chọn điện trở theo phương pháp nung nóng gián tiếp 16

2.2.3.4 Lựa chọn cảm biến nhiệt và vật liệu cách nhiệt 20

2.2.4 Tính chọn thiết bị nén tạo áp lực 22

2.2.4.1 Các thông số hình học của lo xo xoắn ốc chịu nén 22

2.2.4.2 Lựa chọn và tính toán lò xo nén 24

2.2.4.3 Tính chọn trục vít đai ốc để tạo lực nén 27

3.1 CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ 31

3.1.1 Công tác chuẩn bị 31

3.1.1.1 Chuẩn bị nguyên vật liệu 31

3.1.1.2 Chuẩn bị bản vẽ 31

3.1.2.1 Quy trình chế tạo cốt và tấm ép 32

3.1.2.2 Quy trình chế tạo phần vỏ thiết bị 35

3.1.2.3 Kiểm tra 42

3.2 CHẾ TẠO MẪU THỬ 43

3.2.1 Công tác chuẩn bị 43

3.2.2 Quy trình chế tạo mẫu thử 43

3.2.3 Thử nghiệm mẫu 45

3.2.3.1 Quy định về mẫu thử theo tiêu chuẩn ISO R 527 45

3.2.3.2 Chế tạo mẫu thử tiêu chuẩn 46

3.2.4 Kết quả thử nghiệm 49

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

4.1 KẾT LUẬN 53

4.2 KIẾN NGHỊ 53

4.2.1 Kiến nghị sử dụng thiết bị 53

4.1.1.1 Thời gian làm việc 53

4.1.1.2 Kiểm tra hệ thống thiết bị chế tạo mẫu composite 53

4.1.1.3 Bảo dưỡng và vệ sinh thiết bị 53

4.2.2 Những hạn chế của thiết bị 54

4.2.3 Đề xuất 54

PHỤ LỤC 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tính chất cơ lý của một số sợi tổng hợp 4

Bảng 2.1 Các chi tiết của thiết bị 10

Bảng 2.2 Độ nở dài và nở khối của một số vật liệu 11

Bảng 2.3 Thành phần hóa học và cơ tính của một số thép chế tạo máy.(%) 11

Bảng 2.4 Cơ tính của một số thép chế tạo máy 11

Bảng 2.5 Mật độ công suất truyền tải của dây đốt kín 18

Bảng 2.6 Cơ tính vật liệu lò xo là thép carbon phụ thuộc đường kính dây d,(d 8mm) 24

Bảng 2.7 Cơ tính của các loại thép lò xo 25

Bảng 2.8 Chỉ số lò xo 25

Bảng 2.9 Giá trị áp suất cho phép 28

Bảng 2.10 Giá trị hệ số đai ốc và ren 29

Bảng 3.1 Các thông số của mẫu thử 49

Bảng 3.2 Kết quả thử nghiệm mẫu 49

Bảng 3.3 Giá trị ứng suất và modul đàn hồi trung bình của mẫu 51

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Composite dạng băng tẩm 3

Hình 1.2 Lò hấp sử dụng trong chế tạo mẫu composite 6

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống thiết bị 10

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện trở trực tiếp 14

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của tấm điện trở 19

Hình 2.4 Tấm điện trở 20

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý cảm biến nhiệt 21

Hình 2.6 Cảm biến nhiệt 21

Hình 2.7 Tấm compsote sợi thủy tinh 21

Hình 2.8 Các thông số hình học của lò xo 23

Hình 2.9 Lò xo 27

Hình 2.10 Trục vít - đai ốc 30

Hình 2.11 Cấu tạo thiết bị thiết kế 30

Hình 3.1 Các chi tiết của thiết bị chế tạo 33

Hình 3.2 Cốt để gắn với trục vít 33

Hình 3.3 Tấm lót 33

Hình 3.4 Ống giữ cố định lò xo với cốt 34

Hình 3.5 Cốt hoàn chỉnh 34

Hình 3.6 Tiện rãnh trục vít 35

Hình 3.7 Tấm ép 35

Hình 3.8 Các chi tiết sau khi cắt 36

Hình 3.9 Khoan lỗ tấm đáy 37

Hình 3.10 Khoan lỗ tấm trên 37

Hình 3.11 Hàn cố định 2 tấm hông lên tấm đáy 39

Hình 3.12 Hàn tấm trên vào tấm hông 39

Hình 3.13 Hàn các nẹp gia cường vào vị trí vạch dấu 40

Hình 3.14 Hàn đai ốc vào tấm trên 40

Hình 3.15 Lắp tay quay lên trục vít 41

Hình 3.16 Hàn chân đế và lắp cốt vào trục vít 41

Hình 3.17 Thiết bị chế tạo hoàn chỉnh 42

Hình 3.18 Mẫu composite sau khi cắt 43

Hình 3.19 Thao tác chế tạo tấm mẫu thử 44

Hình 3.20 Nén lò xo tới giá trị lực xác định 44

Hình 3.21 Tấm mẫu thử chế tạo 45

Hình 3.22 Quy cách mẫu thử theo tiêu chuẩn ISO R 527 45

Hình 3.23 Quy cách mẫu thử kéo 46

Hình 3.24 Quy cách mẫu thử uốn 46

Hình 3.25 Mẫu thử kéo sau khi cắt 47

Hình 3.26 Mẫu thử uốn sau khi cắt 47

Hình 3.27 Mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn 48

Hình 3.28 Đánh dấu kí hiệu mẫu thử 48

Hình 3.29 Mẫu thử sau khi kéo 52

Hình 3.30 Mẫu thử sau khi uốn 55

LỜI NÓI ĐẦU

Nhân loại đang bước vào kỷ nguyên bùng nổ của khoa học và công nghệ với hàng loạt thành tựu to lớn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu đối với vật liệu càng lớn đòi hỏi ngày càng nhiều vật liệu có tính năng cơ lý kỹ thuật cao hơn ưu việt hơn Trong đó không thể không nói đến vật liệu composite nó đã và đang trở thành một trong những vật liệu không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta, đặc biệt là composite công nghệ cao dạng băng tẩm nhựa eboxy/carbon và eboxy/glass Tuy nhiên đối với nước ta hiện nay việc chế tạo composite dạng băng tẩm này với chất lượng cao vẫn còn gặp khá nhiều khó khăn và chưa phổ biến do giá thành vật liệu và thiết bị dùng chế tạo quá cao, dẫn đến chi phí chế tạo mẫu cao Nên việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm là một nhiệm vụ tất yếu nhằm giảm giá thành sản phẩm, tạo được mẫu thử đảm bảo yêu cầu phục vụ cho công tác nghiên cứu, ứng dụng vào thực tiễn

Tuy nhiên do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không được nhiều nên đề tài của tôi còn nhiều sai sót và hạn chế Mặc dù đã cố gắng tính toán, thiết kế và chế tạo thiết bị nhưng sản phẩm vẫn chưa đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu của tiêu chuẩn Tôi mong sự góp ý và sửa chữa để đề tài này có tính khả thi hơn về cả phương diện kinh tế cũng như kỹ thuật

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Phạm Thanh Nhựt đã hướng dẫn và giúp

đỡ tôi hoàn thành đề tài này

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

1.1.1 Giới thiệu về vật liệu composite

1.1.1.1 Giới thiệu chung

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

Vật liệu composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống (Ví dụ: Sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm) Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu composite từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan bằng tre trát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan tre trát bùn với rơm, rạ là những sản phẩm composite được áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội

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

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

Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu composite đó là sự xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia cường như Polyester, nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự,… Đặc biệt là sự phát triển của composite công nghệ cao bằng sợi carbon, sợi thủy tinh sử dụng các biện pháp công nghệ như đùn ép, đúc chuyển nhựa, đúc chân không, băng tẩm,… đã góp phần nâng cao tầm quan trọng của loại vật liệu này trong đời sống con người và trở thành một siêu vật liệu của tương lai

Tuy đã đạt được những thành tựu như vậy nhưng vấn đề nâng cao chất lượng, cải thiện tính chất cơ lý, tính chất nhiệt điện, chịu ăn mòn,… mở rộng lĩnh vực sử dụng vật liệu composite luôn được đặt ra

1.1.1.2 Phân loại, cấu tạo và ứng dụng vật liệu composite

a Phân loại vật liệu composite

Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần

- Phân loại theo hình dạng: Composite dạng sợi, composite dạng vảy, composite dạng hạt, composite dạng điền đầy, composite dạng phiến

- Phân loại theo bản chất và vật liệu thành phần:

+ Composite nền hữu cơ: Nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi khoáng hoặc sợi kim loại

+ Composite nền kim loại: Nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng; Cốt thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC

+ Composite nền gốm: Nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc hạt kim loại hoặc cũng có thể là hạt gốm

b Cấu tạo của vật liệu composite

Composite bao gồm 3 thành phần chủ yếu đó là:

- Polymer nền là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang chất độn khi có ngoại lực tác dụng

- Chất độn (cốt) đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì có tính chất cơ lý cao hơn nhựa

- Các phụ gia khác như: Chất pha loãng, chất tách khuôn, chất làm kín, chất tẩy bọt khí, chất thấm ướt sợi,…

c Ứng dụng của vật liệu composite

Cho đến nay thì vật liệu composite polymer đã được sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện chế tạo ôtô, dựa trên những ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác của các hãng như Boeing 757,

676, Airbus 310,… Trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện Ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nô; các ngành dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ,…), ngành thể thao (các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennis,…), và các ngành dân dụng, quốc phòng dân sinh khác

Ở Việt Nam vật liệu composite được áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu composite được tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm Tại Hà Nội đã có 8 đề tài nghiên cứu

về composite cấp thành phố được tuyển chọn, theo đó vật liệu composite được sử dụng nhiều trong đời sống xã hội Tại khoa răng của bệnh viện trung ương Quân đội 108 đã

sử dụng vật liệu Composite vào trong việc ghép răng thưa, các ngành thiết bị giáo dục, bàn ghế, các giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu, các sân vận động và các trung tâm văn hoá,…Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu Composite vào các lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện

1.1.2 Composite dạng băng tẩm và phương pháp chế tạo

1.1.2.1 Khái niệm về composite dạng băng tẩm

Composite dạng băng tẩm (Prepreg) là những bán sản phẩm đã qua những bước công nghệ ban đầu: Liên kết các loại vải và sợi (carbon, glass) đã tẩm sẵn resin (nhựa epoxy), sau đó các bán thành phẩm này lại trở thành nguyên liệu cho công nghệ đúc nén

có gia nhiệt để tạo ra các sản phẩm composite

Composite dạng băng tẩm bao gồm: Sợi (vải), resin tẩm sẵn, chất độn và chất xúc tác Nó không thể đóng rắn ở nhiệt độ phòng, chỉ khi lực nén tác động kèm theo gia nhiệt nó mới có thể đóng rắn để trở thành sản phẩm composite cứng vững trong công nghệ đúc nén

Composite dạng băng tẩm được cung ứng và sản xuất trên thị trường dưới các dạng: băng dài, vải đơn chiều, các tấm cuộn tròn SMC, BMC,…

Hình 1.1 Composite dạng băng tẩm

Resin dùng để tẩm ở đây là loại hòa tan trong dung môi (cũng có loại không cần dung môi) như: Phenolic, polyeste, epoxy, silicon, polyimide,… Các loại sợi thủy tinh, kevlar, sợi carbon chiếm tỷ lệ 50- 80% trọng lượng prepreg vì thế đạt được cường độ cơ học cao

1.1.2.2 Đặc tính cơ học vật liệu composite dạng băng tẩm

Vật liệu composite dạng băng tẩm được chế tạo từ carbon/epoxy và glass/epoxy

có cơ tính cực tốt, tính chất kết dính tốt, cải thiện tính kháng mỏi và kháng nứt giảm sự phân hủy trong môi trường nước, tăng tính kháng thẩm thấu

Bảng 1.1 Tính chất cơ lý của một số sợi tổng hợp

(g/m3)

Độ bền kéo (Gpa)

Mô đun đàn hồi (Gpa)

trường hợp là vật dẫn nhiệt và âm kém, chúng không hút ẩm

Sợi carbon chính là sợi grafit có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết với nhau và cách nhau khoảng 3.35A0 Các nguyên tử carbon liên kết với nhau trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách kiên kết trong mỗi lớp là 1,42A0 Sợi carbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt

Nhựa epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay Nhựa epoxy được tạo thành từ những mạch phân tử dài đặc trưng bởi có nhiều hơn một nhóm 1,2-epoxy trong một phân tử polymer Nhựa epoxy không có nhóm ester, do đó khả năng kháng nước 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 tốt hơn mạch thẳng do vậy epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt Nói chung epoxy có tính năng cơ lý, kháng môi trường hơn hẳn các loại nhựa khác, là loại nhựa được sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay Với tính chất kết dính và khả năng kháng nước tuyệt vời của mình, epoxy rất

lý tưởng để sử dụng trong nghành đóng tàu, là lớp lót chính cho tàu chất lượng cao

hoặc là lớp phủ ngoài thay cho polyester dễ bị phân hủy bởi nước và gelcoat

1.1.2.3 Ứng dụng của vật liệu composite dạng băng tẩm

Với ưu điểm là nhẹ, độ bền cao, hệ số ma sát dãn nở nhiệt thấp, rất bền vững với nhiều điều kiện khí hậu và các phản ứng hóa học nên các bán thành phẩm prepreg được

sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân

Ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác và dùng để sửa chửa các chi tiết nhỏ trên máy bay

Trong quốc phòng để làm các tấm chống đạn trên các phương tiện vận chuyển và các tấm chống đạn được đưa vào trong các áo giáp chống đạn, vỏ tên lửa, ngoài ra còn dùng để sửa chữa thành vỏ xe thiết giáp, xe tăng,…

Trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện

Trong ngành y tế sử dụng cho hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ, các thiết bị phục vụ y tế khác,…

Trong ngành thể thao được dùng làm ván trượt, gậy gôn, vợt tennis,…

1.1.2.3 Phương pháp chế tạo mẫu composite dạng băng tẩm bằng nồi hấp tiêu chuẩn

Trong phương pháp này, vật liệu gia cường được thấm nhựa polymer (epoxy) và được bảo quản trong môi trường nhiệt độ thấp (khoảng -190C – -220C) Vật liệu được sử dụng có thể là các lớp nhựa/sợi hay dạng băng tẩm Trong đó, dạng băng tẩm từ carbon/epoxy và glass/epoxy là phổ biến nhất được chế tạo theo phương pháp này Người ta chế tạo composite dạng băng tẩm bằng hệ thống nồi hấp (máy Autoclave), nó bao gồm phần thân chính chứa sản phẩm cần chế tạo và các hệ thống kèm theo như hệ thống hút chân không, hệ thống nén áp suất và hệ thống gia nhiệt Các thiết bị phụ trợ khác nhằm đảm bảo cho hệ thống hoạt động an toàn Phần thân chính thường có dạng một ống dày có nắp đậy đảm bảo chịu được áp suất cao lên đến trên 50 bar

Hình 1.2 Lò hấp sử dụng trong chế tạo mẫu composite

Điều kiện tiêu chuẩn để chế tạo mẫu composite dạng băng tẩm:

+ Nhiệt độ: Từ 1000C- 1200C

+ Áp suất: Khoảng 7 – 8 bar

+ Thời gian: Khoảng 3 – 3,5 giờ

Quá trình chế tạo được thực hiện qua các bước sau:

- Vật liệu gia cường đã thấm nhựa polymer được lấy ra khỏi thùng bảo quản lạnh,

để trao đổi nhiệt tự nhiên và đạt tới nhiệt độ môi trường trước khi tiến hành gia công Trong quá 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 đã thấm nhựa polymer được cắt thành hình dạng theo thiết kế

- Sau khi sắp xếp các lớp sợi/nhựa hay dạng prepreg lên khuôn, tiến hành đặt các lớp lót, lớp tách khuôn, lớp thông khí (thường là các tấm nỉ và nylon đục lỗ) và phủ một màng mỏng kín khí lên trên cùng Xung quanh màng được dán cố định lên khuôn nhằm mục đích làm kín khí Khuôn được lắp một van hút nối với máy hút chân không

- Đưa toàn bộ cụm này vào khay đặt mẫu bên trong thân chính của máy, nối van với máy hút chân không và tiến hành cho hút trong khoảng 10 – 15 phút

- Khóa van chân không và bật máy nén khí cho đến khi đạt áp suất cần thiết rồi khóa van, cho hệ thống gia nhiệt hoạt động liên tục để giữ nhiệt độ ở một mức cố định trong khoảng thời gian cần thiết

- Đối với composite dạng băng tẩm, áp suất nằm trong khoảng 7 – 8 bar, nhiệt độ khoảng 100 – 1200C và quá trình thực hiện trong khoảng 3 – 3,5 giờ

Hiện nay, đây là phương pháp được sử dụng chủ yếu để tạo ra mẫu thử composte

có độ bền cao, cơ tính cực tốt nhằm phục vụ cho công việc nghiên cứu, thực hành ở các phòng thí nghiệm vật liệu, tuy nhiên giá thành để tạo ra một mẫu thử bằng nồi hấp này rất cao không phù hợp với khả năng, điều kiện chế tạo của Việt Nam Do vậy việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị tạo mẫu composite dạng băng tẩm tối ưu, phù hợp với yêu cầu của nước ta là một nhiệm vụ cấp thiết cần phải thực hiện để góp phần phát triển công nghệ chế tạo vật liệu composite nói chung và vật liệu composite chất lượng cao nói riêng ở nước ta Cũng như giảm giá thành, tăng cường khả năng thực hành của đội ngũ sinh viên, nghiên cứu sinh về vật liệu nói chung và vật liệu composite nói riêng

1.2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy bằng phương pháp thủ công

1.2.2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

- Vật liệu composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy

- Thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm theo phương pháp thủ công

1.2.3 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở tìm hiểu điều kiện và phương pháp chế tạo vật liệu composite dạng

băng tẩm bằng nồi hấp tiêu chuẩn, tiến hành phân tích, đánh giá để làm cơ sở thiết kế, chế tạo thiết bị tạo mẫu composite theo phương pháp thủ công

Tiến hành chế tạo mẫu thử nhằm xác định cơ tính và các hằng số vật liệu để so sánh với mẫu tương tự được chế tạo bằng nồi hấp tiêu chuẩn

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm những bước cụ thể sau:

- Xây dựng các yêu cầu kinh tế, kỹ thuật làm căn cứ thiết kế hệ thống thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm

- Tính chọn các thiết bị phụ của hệ thống như thiết bị gia nhiệt, thiết bị nén tạo áp suất, thiết bị cảm biến nhiệt

- Chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm với các thông số đã tính chọn

- Chế tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy với thiết bị đã tạo ra và kiểm tra, đánh giá mẫu tạo được so với mẫu tiêu chuẩn

Do thời gian, kinh phí còn hạn hẹp nên việc chọn thiết kế và chế tạo thiết bị tạo mẫu thử composite chỉ theo phương pháp thủ công với kích thước mẫu thử tương đối nhỏ nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, dựa trên những điều kiện của phương pháp chế tạo mẫu composite dạng băng tẩm bằng nồi hấp tiêu chuẩn Đồng thời, do phương pháp chế tạo và thử nghiệm mẫu thử băng tẩm từ glass/epoxy hoàn toàn tương

tự như carbon/epoxy nên trong đề tài này chỉ chế tạo mẫu thử bằng carbon/eboxy

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ

2.1 YÊU CẦU KINH TẾ - KỸ THUẬT

2.1.1 Yêu cầu kinh tế

- Đảm bảo giá thành chế tạo thiết bị phải rẻ hơn so với sử dụng nồi hấp nhưng vẫn đảm bảo tương đối về điều kiện yêu cầu

- Đảm bảo công chế tạo ít nhất và tận dụng được các thiết bị dụng cụ thông thường có sẵn trong các nhà máy chế tạo để gia công

- Sử dụng tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng đổi lẫn và dễ dàng khi lắp ráp

Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý hiếm

2.1.2 Yêu cầu kỹ thuật

- Thiết bị chế tạo ra phải đảm bảo đúng điều kiện về nhiệt độ áp suất và thời gian làm việc như thiết kế

- Phải đảm bảo hợp lý về công nghệ, hiệu quả về kỹ thuật, chắc chắn khi làm việc, tiện lợi khi sử dụng, đơn giản khi chế tạo và hình dáng bề ngoài đẹp

- Thiết kế nhỏ gọn, thân thiện với môi trường, dễ dàng bảo dưỡng, sữa chữa

2.2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ

2.2.1 Xây dựng mô hình thiết bị

Yêu cầu của thiết bị tạo mẫu thử composite cần chế tạo:

+ Phải đảm bảo được lực nén khoảng 7 bar

+ Phải đảm bảo duy trì được nhiệt độ từ 100- 1200C trong vòng 3 giờ

+ Phải đảm bảo được kích thước của mẫu thử phù hợp Dựa vào mẫu thử được chế tạo theo tiêu chuẩn ta chọn kích thước tấm mẫu thử cần chế tạo là 180x100x2mm Với kích thước như vậy ta có thể tạo ra được 2 mẫu thử uốn và 2 mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn

Từ những yêu cầu trên ta phác thảo mô hình thiết bị như hình 2.1 để làm cơ sở cho việc tính toán và thiết kế

- +

P

2 3 4

1

5

6

210 180

10 0 11 0

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống thiết bị

Các chi tiết và kích thước của thiết bị được liệt kê trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Các chi tiết của thiết bị

dài, nở khối nhỏ Dựa vào bảng 2.2 ta chọn thép chế tạo máy vì nó có độ nở dài và nở khối nhỏ

Bảng 2.2 Độ nở dài và nở khối của một số vật liệu

Thép chế tạo máy có yêu cầu chất lượng hợp kim cao, P, S nhỏ hơn 0,04% Một

số mác thép thường dùng cho chế tạo máy được thể hiện qua bảng 2.3 và bảng 2.4 bao gồm thành phần hóa học và cơ tính của chúng

Bảng 2.3 Thành phần hóa học và cơ tính của một số thép chế tạo máy.(%) Mác thép Carbon Silic Mangan Phốt pho Lưu huỳnh

CT38n 0,14 -0,22 0,05 – 0,17 0,40 – 0,65 0,04 0,05 CT38 0,14 -0,22 0,12 – 0,3 0,40 – 0,65 0,04 0,05

Bảng 2.4 Cơ tính của một số thép chế tạo máy

Dựa vào bảng 2.3, 2.4 và yêu cầu của thiết bị ta chọn thép chế tạo máy C45 là loại thép có hàm lượng carbon trung bình đảm bảo sự cân bằng giữa độ bền và độ

mềm phù hợp cho thiết bị

2.2.3 Tính chọn thiết bị gia nhiệt tạo nhiệt độ

2.2.3.1 Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật điện nhiêt

Kỹ thuật điện nhiệt là kỹ thuật biến đổi điện năng thành nhiệt dựa trên cơ sở các định luật vật lý Kỹ thuật điện nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và sinh hoạt Ví dụ như trong các nhà máy xí nghiệp thường gặp các lò điện trở, thiết bị sấy, thiết bị nung nóng Trong sinh hoạt gặp những thiết bị nung nóng nước, nồi cơm điện, bình nóng lạnh, thiết bị sưởi ấm, lò vi sóng,…Có thể phân loại thiết bị điện nhiệt theo các phương pháp sau:

+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện trở: Là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt dẫn điện, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt

+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo nguyên lý cảm ứng: Khi một vật đặt trong

từ trường biến thiên trong vật sẽ cảm ứng dòng điện và vật được nung nóng

+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp hồ quang: Là lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và kim loại Phương pháp này dùng để nấu thép hợp kim chất lượng cao

+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện môi: Vật nung là loại không dẫn điện hoặc bán dẫn được đặt giữa không gian hai má tụ điện Tụ điện được nối với nguồn áp có tần số siêu cao hàng chục, hàng trăm hoặc hàng nghìn MHz, dưới tác dụng của điện trường biến thiên với tần số siêu cao trong vật sẽ có dòng điện dịch, kết quả vật được nung nóng

+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện tử: Năng lượng điện biến thành nhiệt do va chạm của dòng điện tử được gia tốc cao trong trường điện với những vật gia công (vật nung nóng)

+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp laser: Dựa theo nguyên lý bức xạ ánh sáng, do các electron từ mức năng lượng thấp nhảy sang mức năng lượng cao, rồi từ cao nhảy về thấp thì phát ra bức xạ tạo ra nhiệt

+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp plasma: Năng lượng điện biến vào nhiệt trong dòng vật chất bị ion hóa dưới tác dụng của điện trường giữa điện

cực trong áp suất lớn và tốc độ cao của dòng plasma Do bị ion hóa và nén trong thể tích không lớn nên mật độ nhiệt lớn, cho phép tạo ra nhiệt độ tới hàng vạn độ

Sau khi phân tích các phương pháp trên ta lựa chọn phương pháp nung nóng bằng điện trở, vì đây là phương pháp biến điện năng thành nhiệt năng đơn giản, đáp ứng được cho yêu cầu của thiết bị Nhờ tính đơn giản nên thiết bị sử dụng phương pháp này này phổ biến, rẻ tiền và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và trong sinh hoạt

Phương pháp này dựa trên nguyên lý: Khi cho dòng điện có trị số I qua dây đốt (dây nung nóng) có điện trở R, sau thời gian thì dây đốt tỏa ra nhiệt lượng Q tỷ lệ với

R theo biểu thức:

( J )

Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:

+ Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp

+ Dây nung: Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi là nung gián tiếp Trong trường hợp chung ta viết được:

Trong đó: là hàm dòng điện và điện trở của biến thời gian

2.2.3.2 Tính chọn điện trở theo phương pháp trực tiếp

Theo phương pháp này ta sẽ biến tấm khuôn trên và tấm khuôn dưới thành điện trở bằng cách đưa trực tiếp dòng điện vào 2 tấm khuôn thông qua một máy biến áp có cấp điều chỉnh điện áp như hình 2.2

U

1

1 Máy biến áp có cấp điều chỉnh điện áp 2 Tấm khuôn dưới 3.Tấm khuôn trên

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện trở trực tiếp

Các thông số ban đầu của tấm thép:

+ Chiều dài của tấm thép L = 180mm

+ Chiều rộng của tấm thép B =100mm

+ Bề dày của tấm thép H =12mm

+ Nhiệt độ ban đầu của tấm thép T0 = 200C

+ Nhiệt độ nung nóng của tấm thép T1 = 1200C

+ Điện trở suất của tấm thép = 0.135.10-4

Tính điện trở của tấm thép:

Trong đó: - là chiều dài tấm

- S là tiết diện của tấm ép

- là điện trở suất

Ở kim loại hợp kim điện trở suất tăng theo sự tăng của nhiệt độ t và được tính theo công thức:

Với: độ tăng nhiệt từ 200C,

điện trở suất ở nhiệt độ t = 200C

, hệ số nhiệt điện trở

,

Ta được:

- là hệ số hiệu ứng bề mặt phụ thuộc vào tính chất vật lý, kích thước vật làm dây đốt và tần số dòng điện, được xác định theo công thức sau:

Tính độ thẩm thấu sâu của dòng điện vào bề mặt nung tôi là:

Với: + điện trở suất của dây dốt ở nhiệt độ làm việc

+ hệ số từ thẩm tương đối, với thép hợp kim ta chọn

Do điện trở của tấm thép quá nhỏ làm cho dòng đi qua nó quá lớn mới đủ năng lượng nung nóng chi tiết Trên thực tế, để lựa chọn được máy biến áp với dòng như vậy là rất khó khăn và dường như không có Ngoài ra điện trở tiếp xúc lớn so với điện trở của tấm thép dẫn tới nhiệt phân bố không đều Do vậy trong thiết kế này ta sử dụng phương pháp nung nóng bằng điện trở gián tiếp để nung nóng tấm khuôn ép của thiết

bị

2.2.3.3 Tính chọn điện trở theo phương pháp nung nóng gián tiếp

Trong nung nóng gián tiếp dây đốt là bộ phận biến năng lượng điện thành nhiệt,

là nơi làm việc có nhiệt độ cao nhất Dây đốt có nhiều loại, khác nhau về hình dạng

chất liệu, điều kiện làm việc, mục đích, công suất

a Phân loại một số dây đốt thông dụng

Dây đốt được phân thành hai kiểu thông dụng sau:

- Dây đốt hở: Là loại không khí tiếp xúc trực tiếp với dây đốt hoặc môi trường nung nóng tiếp xúc với dây đốt Loại này thường được sử dụng trong các lò điện trở, thiết bị sấy nung bằng không khí, bếp điện, thiết bị sưởi ấm,…

Ưu điểm của dây dốt hở là truyền tỏa nhiệt dễ, dễ bố trí trọng thiết bị, dễ sữa chữa, rẽ tiền,…

Nhược điểm của dây đốt hở là dễ bị ăn mòn, oxy hóa khi tiếp xúc với môi trường nung nóng, nhất là ở nhiệt độ cao, thời gian sử dụng không cao và kém an toàn

- Dây đốt kín: Là loại có phần tử nung nóng đặt trong vỏ bọc bằng kim loại, để bảo vệ khỏi tác động của môi trường được nung nóng Phần tử nung nóng được định vị trong chất cách điện dẫn nhiệt như cát thạch anh, bột MgO

Dây đốt kín có lớp vỏ kim loại bảo vệ nên có ưu điểm là thời gian sử dụng cao,

an toàn, đảm bảo chất lượng tốt hơn so với dây đốt hở

b Vật liệu chế tạo dây đốt

Dây đốt là bộ phận chịu nhiệt độ cao nhất và bị ăn mòn trong quá trình biến đổi điện thành nhiệt Sự bền của dây đốt được xác định bằng thời gian sử dụng của dây đốt Khi chọn dây đốt đúng, thời gian làm việc dây đốt không quá 5 - 10 ngìn giờ Trong khi thiết bị được chế tạo cho 5 – 10 năm như vậy đối với vật liệu chế tạo dây đốt cần có yêu cầu cao như sau:

- Bền vững chịu nhiệt, ở nhiệt độ cao vẫn bền vững trong điều kiện có oxy hóa

- Bền cơ cao trong điều kiện chịu nhiệt độ cao, dây đốt phải có độ bền về cơ để

có thể chịu được trọng lượng bản thân trong điều kiện nhiệt độ làm việc

- Điện trở suất lớn, làm tăng điện trở khi cùng kích thước nhờ đó giảm khối lượng dây đốt, làm cho dễ bố trí trang thiết bị và kinh tế hơn

- Dễ gia công, đồng đều, giá thành rẽ

Để thỏa mãn các yêu cầu trên khó có hợp kim vật liệu nào đáp ứng đầy đủ, nên người ta chọn ra những hợp kim, vật liệu tương đối đáp ứng được phần lớn các yêu cầu ở mức độ tốt Đó là hợp kim Niken – Crôm (hay còn gọi là NiCrôm), hợp kim Crôm – nhôm, hợp kim Crôm – nhôm- sắt, hợp kim Ni40Cu60

Các loại dây đốt kim loại tinh khiết ít được dùng như Vonfram, W0, moliphonden

M0, tantan Ta tuy có nhiệt độ làm việc rất cao, từ hàng nghìn độ trở lên song trong điều kiện thông thường tiếp xúc với môi trường thì dễ bị oxy hóa, chóng hỏng Bởi vậy phải làm việc trong môi trường có khí bảo vệ hoặc chân không

Sau khi phân tích các đặc điểm về dây đốt trên và dựa vào yêu cầu của thiết bị chế tạo ta chọn dây đốt kiểu kín bằng hợp kim Crôm - Niken bọc ngoài bằng kim loại:

Vì nó có màng bảo vệ oxytcrôm (Cr2O3) bảo vệ vững chắc, có cơ lý tốt ở nhiệt độ trung bình và cao Loại này dẻo, dễ gia công, dễ hàn, có hệ số nhiệt điện trở nhỏ, già hóa ít,…

c Tính chọn dây đốt kín

Để tính chọn dây đốt kín sử dụng trong các thiết bị nung nóng người ta thường dùng phương pháp mật độ công suất truyền tải

Mật độ công suất truyền tải của dây đốt kín là công suất của tải nhận được từ đơn

vị diện tích bề mặt của dây đốt

Tính công suất hữu ích của thiết bị Ph: Là công suất làm biến đổi lượng nhiệt của vật nung để rồi nâng cao nhiệt độ cho vật nung

Trong đó: + m là khối lượng tấm nung:

m =V.pt =0,18x0,10x0,12x7.85 = 1,69 kg+ C là tỷ nhiệt của vật nung nóng: C =0.24 KJ/kgC + là thời gian nung

+ nhiệt độ nung

+ nhiệt độ môi trường

Công suất thiết bị Ptb :

Giá trị mật độ công suất phụ thuộc vào điều kiện làm việc của dây đốt, vào vật liệu vỏ bọc của dây đốt, vào môi trường nung nóng Người ta cho mật độ truyền tải của dây đốt kín trong bảng 2.5, khi tính chọn dây đốt theo điều kiện đã biết chọn mật

độ công suất truyền tải, dựa và đó để tính chọn dây đốt

Bảng 2.5 Mật độ công suất truyền tải của dây đốt kín

Môi trường nung

nóng

Đặc điểm và điều kiện nung nóng

Vật liệu bọc ngoài của dây đốt kín

Mật độ công suất tải cho phép (W/cm2)

hơi

Đồng, đồng thau, thép không rỉ

9 – 11

Không khí

Nung nóng trong môi trường tĩnh

Thép CT 10 - CT20, đồng thau, thép không rỉ

1,2 - 1,8 2,3 – 5,0

Không khí

Nung nóng trong môi trường không khí động

Thép CT10 - CT20, Thép không rỉ

4,5 – 5,0 5,0 – 5,5

Dung dịch Nung nóng trong

Theo bảng 2.5, dựa vào điều kiện làm việc là nung nóng trong không khí với thép không gỉ trong môi trường tĩnh ta chọn được mật độ công suất cho phép là 3 W/cm2

Khi cần tăng thời gian sử dụng và đảm bảo an toàn khi dùng liên tục, tải nặng nề cần giảm mật độ công suất tải cho phép Wcp cho trong bảng đi (30- 40)% nên mật độ công suất cho phép sẽ bằng 2,1 W/cm2

Bề mặt truyền nhiệt của dây đốt là:

Ta có sơ đồ nguyên lý cấu tạo của tấm điện trở như hình 2.3

1 2

1 Dây điện trở

2 Vỏ bọc Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của tấm điện trở

Dựa vào các thông số tính toán trên và yêu cầu của thiết bị ta chọn điện trở tấm như hình 2.4 của công ty TNHH SX- TM và công nghệ Đại Phát chế tạo với các thông

số phù hợp yêu cầu của thiết bị

Tên sản phẩm: DAPHACO

Kích thước: 180x100x5mm

Vật liệu làm dây đốt: Hợp kim Niken – Crôm

2.2.3.4 Lựa chọn cảm biến nhiệt và vật liệu cách nhiệt

a Lựa chọn cảm biến nhiệt

Để đảm bảo thiết bị hoạt động đúng nhiệt độ theo yêu cầu ta cần gắn cảm biến nhiệt vào tấm ép để kiểm soát được nhiệt độ làm việc của điện trở

Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có 2 yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác đó là “Nhiệt độ môi trường cần đo” và “Nhiệt độ cảm nhận của cảm biến” Điều

đó nghĩa là việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo của cảm biến nhiệt tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác Điều này phụ thuộc lớn vào chất liệu cấu tạo nên phần tử cảm biến

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau, và việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: Độ chính xác, khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, môi trường (hóa học, vật lý, hay điện) và giá thành

Ta có sơ đồ nguyên lý cấu tạo của cảm biến nhiệt như hình 2.5

4

1 2

3

1 Đầu cảm biến 2 Bộ cảm biến 3 Núm chỉnh nhiệt độ 4 Tiếp điểm

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý cảm biến nhiệt

Sau khi phân tích ta lựa chọn cảm biến nhiệt Rainbow do Trung Quốc sản suất với dải nhiệt độ từ 30 – 1200C với 3 tiếp điểm (hình 2.6)

Hình 2.6 Cảm biến nhiệt

Ta chọn loại này bởi vì nó có đầu cảm biến nhỏ, dài có thể đưa vào xâu trong tấm

ép đảm bảo đo được nhiệt độ chính xác, có dải công suất thích hợp với yêu cầu của thiết bị và giá thành tương đối hợp lý

b Lựa chọn vật liệu cách nhiệt

Vật liệu cách nhiệt là những vật liệu có hệ số dẫn nhiệt không lớn hơn 0.157 W/m.oC Ngày nay có nhiều loại vật liệu chuyên cách nhiệt, tuy nhiên do giới hạn về thời gian cũng như kinh phí đề tài nên ta sử dụng những tấm composite sợi thủy tinh

sẵn có ở phòng thực hành để làm tấm cách nhiệt cho thiết bị Tại vì sợi thủy tinh có nhiều đặc tính tốt như không đàn hồi hay dãn rộng ra, bền vững không cháy, không mục nát và dẫn điện kém phù hợp với yêu cầu thiết bị Trên thực tế thì người ta cũng

sử dụng sợi thủy tinh để cách nhiệt cho tường vách, ống khói, lò hơi, tủ cách nhiệt,…; Cách âm cho nhà ở, văn phòng, cabin tàu thuyền, nhà hát,…; Cách điện cho dây điện, cáp điện, các thiết bị tải dòng khác,…ở các dạng sợi, chỉ, băng, vải, dây tếthoặc vải có hoặc không được tẩm nhựa tự nhiên, chất dẻo hay nhựa đường

Hình 2.7 Tấm composte sợi thủy tinh

2.2.4 Tính chọn thiết bị nén tạo áp lực

Do yêu cầu và đặc điểm của thiết bị là nhỏ gọn, mang tính thủ công cũng như kinh phí hạn chế nên ta chọn thiết bị nén bằng trục vít, thông qua một lò xo để điều chỉnh lực phù hợp theo yêu cầu Đây là phương pháp nén thủ công truyền thống, lợi về lực, tạo ra được áp lực cao, giá thành rẻ, tuổi thọ cao, vận hành và bảo trì dễ dàng

2.2.4.1 Các thông số hình học của lo xo xoắn ốc chịu nén

Lò xo là chi tiết máy có độ đàn hồi cao, khối lượng và kích thước nhỏ gọn Trong các thiết bị và dụng cụ, lò xo được sử dụng để:

+ Tạo lực ép (trong bộ truyền bánh ma sát, khớp nối, máy ép, phanh,…)

+ Tích lũy cơ năng và làm việc như một động cơ (dây cót đồng hồ, đồ chơi trẻ em,…)

+ Giảm chấn và dao động (lo xo trong các máy vận chuyển, ôtô, tàu hỏa, ) + Thực hiện các chuyển vị về vị trí cũ (lò xo ở cam, van, ly hợp, )