Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu cốt đến một số tính chất của composite vải dệt kim

Vật liệu composite rất đa dạng về chủng loại, nó đã và đang được sử dụng để thay thế cho các loại vật liệu truyền thống như kim loại, gỗ, da trong nhiều ngành kỹ thuật với các tính năng

2

LỜI CẢM ƠN

Quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp là khoảng thời gian mà em gặp nhiều khó khăn Tuy nhiên với sự hướng dẫn nhiệt tình, giúp đỡ, động viên của các thầy cô, đồng nghiệp, gia đình, bạn bè và sự nỗ lực của bản thân em đã hoàn thành đề tài luận văn

Trước hết em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới Tiến sĩ Đào Anh Tuấn, người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp những kiến thức quý báu cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

đã tận tình giúp đỡ em thực hiện các thí nghiệm

Tôi xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và bạn bè luôn quan tâm, ủng hộ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi yên tâm học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Tronng quá trình thực hiện luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong quý thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày 20 tháng 3 năm 2015

Học viên

Vũ Thị Nếp

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các

số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với nội dung của luận văn và đảm bảo rằng kết quả nghiên cứu không có sự sao chép từ các luận văn khác

Hà Nội, ngày 20 tháng 3 năm 2015

Tác giả

Vũ Thị Nếp

4

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

LỜI CAM ĐOAN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 9

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 10

LỜI MỞ ĐẦU 11

Chương 1 12

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE 12

1.1 VẬT LIỆU COMPOSITE 12

1.1.1 Khái niệm về vật liệu composite [1,2, 8] 12

1.1.2 Lịch sử, xu hướng phát triển của loại vật liệu polyme composite [1,2,6] 13

1.1.3 Phân loại vật liệu composite [1,2] 14

1.1.4 Tính chất của vật liệu polyme composite [4] 21

1.1.5 Các ứng dụng của composite [1, 20, 22] 23

1.1.6 Công nghệ chế tạotừ vật liệu composite [1, 11] 25

1.2 VẬT LIỆU COMPOSITE CỐT DỆT 36

1.2.1 Giới thiệu chung vật liệu composite cốt dệt [6] 36

1.2.2 Phân loại vật liệu composite cốt dệt [2, 4] 36

1.2.3 Ứng dụng của vật liệu composite cốt dệt [1] 38

1.3 VẬT LIỆU NỀN POLYPROPYLEN (PP) [10] 39

1.3.1 Tính chất của Polypropylen 40

1.3.2 Ứng dụng của Polypropylen 43

1.4 COMPOSITE CỐT VẢI DỆT KIM 44

1.4.1 Các kết cấu cốt dệt dùng cho composite 44

1.4.2 Kết cấu cốt vải dệt kim 44

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 52

Chương 2 53

5

ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 53

2.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 53

2.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 53

2.2.1 Vải thí nghiệm 53

2.2.2 Nhựa polypropylen [10] 54

2.2.3 Vật liệu composite cốt vải dệt kim 54

2.2.4 Thiết bị thí nghiệm 54

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 58

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 58

2.3.2 Phương pháp thực nghiệm 58

2.3.3 Phương pháp xử lý số liệu 58

2.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 59

2.4.1 Chế tạo vật liệu composite 59

2.4.2 Thí nghiệm xác định khối lượng (đơn vị g/m2 ) 63

2.4.3 Thí nghiệm xác định độ dày 64

2.4.4 Xác định độ bền kéo đứt 66

Chương 3 68

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 68

3.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐO ĐỘ DÀY (mm) 68

3.2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CÂN KHỐI LƯỢNG (g/m2) 69

3.3 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH ĐỘ BỀN KÉO ĐỨT (N) 70

3.3.1 Kết quả xác định độ bền kéo đứt mẫu vải dệt kim (N) 70

3.3.2 Kết quả xác định độ bền kéo đứt vật liệu composite tỷ lệ cốt vải/keo 25/75 77

KẾT LUẬN CHUNG 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

6

DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ, ẢNH

Hình 1.1 Cấu trúc vật liệu composite 12

Hình 1.2 Sơ đồ phân loại vật liệu composite theo hình dạng cốt 15

Hình 1.3 Quần áo cho nhà du hành vũ trụ 23

Hình 1.4 Máy bay 24

Hình 1.5 Ôtô 25

Hình 1.6 Tàu và ca nô 25

Hình 1.7 Phương pháp gia công bằng tay 27

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý phương pháp ép phun 27

Hình 1.9 Sơ đồ tạo hình theo phương pháp khuôn chân không ở mặt trong cà ngoài 29

Hình 1.10 Mô hình phương pháp khuôn chân không ôtôcla 30

Hình 1.11 Sơ đồ khuôn ép diaphragm 30

Hình 1.12 Sơ đồ tẩm dưới áp lực 31

Hình 1.13 Sơ đồ tẩm trong chân không 32

Hình 1.14 Sơ đồ dập đúc 34

Hình 1.15 Vải dùng làm cốt vật liêu composite 37

Hình 1.16 Hệ thống vải tổng hợp phân loại theo Fukuta et al 44

Hình 2.1 Mẫu vải dệt kim đan dọc và cấu trúc vải 53

Hình 2.2 Thiết bị tạo áp lực chế tạo vật liệu composite 55

Hình 2.3 Thiết bị thử nghiệm độ bền kéo đứt 56

Hình 2.4: Thiết bị thử nghiệm cân khối lượng 57

Hình 2.5 Thiết bị thử nghiệm đo độ dày 57

Hình 2.6 Hình ảnh chuẩn bị dụng cụ tạo màng PP 59

Hình 2.7 Hình ảnh tạo màng PP 60

Hình 2.8: Hình ảnh sấy màng PP 60

Hình 2.9 Hình ảnh cắt, đánh số màng PP 61

Hình 2.10 Hình ảnh quá trình tạo vật liệu composite 62

Hình 3.1 Biểu đồ so sánh độ dày của các mẫu vải và composite 68

Hình 3.2 Biểu đồ so sánh khối lượng của các mẫu vải và composite 69

Hình 3.3 Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt theo chiều dọc vải dệt kim 70

7

Hình 3.4 Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt theo chiều ngang vải dệt kim 70 Hình 3.5 Biểu đồ so sánh độ bền kéo đứt vải dệt kim theo chiều khác nhau 71 Hình 3.6 Biểu đồ so sánh độ giãn đứt vải dệt kim theo chiều khác nhau 72 Hình 3.7 Đồ thị thể hiện bền kéo đứt vật liệu cptheo tỷ lệ cốt vải/keo (45/55) - Ký hiệu M1 73 Hình 3.8 Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt vật liệu compositetheo tỷ lệ cốt vải/keo (35/65) - ký hiệu M2 73 Hình 3.9 Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt vật liệu compositetheo tỷ lệ cốt vải/keo (25/75) - Ký hiệu M3 74 Hình 3.10 Biểu đồ so sánh độ bền kéo đứt vật liệu composite theo tỷ lệ phần khối lượng vải/keo khác nhau 76 Hình 3.11 Biểu đồ so sánh độ giãn đứt vật liệu composite theo tỷ lệ phần khối lượng vải/keo khác nhau……… ….76 Hình 3.12 Đồ thị so sánh độ bền kéo đứt vật liệu compositetheo tỷ lệ vải/keo khác nhau 76 Hình 3.13 Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt chiều dọcvật liệu composite 2 lớp cốt 77 Hình 3.14 Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt chiều ngangvật liệu composite 2 lớp cốt 77 Hình 3.15 Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt vật liệu cp2 lớp cốt đặt vuông góc 79 Hình 3.16 Đồ thị so sánh độ bền kéo đứt vật liệu composite theo tỷ lệ vải/keo 25/75, 2 lớp cốt theo chiều khác nhau 80 Hình 3.17 Biểu đồ so sánh độ giãn đứt vật liệu composite theo tỷ lệ vải/keo 25/75,

2 lớp cốt theo chiều khác nhau 80 Hình 3.18 Đồ thị so sánh độ bền kéo đứt vật liệu composite theo tỷ lệ vải/keo 25/75, 2 lớp cốt theo chiều khác nhau 81 Hình 3.19 Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt chiều dọc vật liệu 80 Hình 3.20 Đồ thị thể hiện độ bền kéo đứt chiều ngang vật liệu composite4lớpcốt 82 Hình 3.21 Biểu đồ so sánh độ bền kéo đứt vật liệu composite theo tỷ lệ vải/keo 25/75, 4 lớp cốt theo chiều khác nhau 83 Hình 3.22 Biểu đồ so sánh độ giãn đứt vật liệu composite theo tỷ lệ vải/keo 25/75,

4 lớp cốt theo chiều khác nhau 84 Hình 3.23 Đồ thị so sánh độ bền kéo đứt vật liệu composite theo tỷ lệ vải/keo 25/75, 4 lớp cốt theo chiều khác nhau 84 Hình 3.24 Biểu đồ so sánh ảnh hưởng kết cấu cốt đến độ bền kéo đứt của vật liệu composite 85

8

Hình 3.25 Đồ thị so sánh độ bền kéo đứt chiều dọcvật liêu composite 2 lớp cốt và

4 lớp cốt 86 Hình 3.26 Đồ thị so sánh độ bền kéo đứt chiều ngang 86 vật liêu composite 2 lớp cốt và 4 lớp cốt 86 Hình 3.27 Đồ thị so sánh độ bền kéo đứt chiều ngangvật liêu composite 2 lớp cốt

và 4 lớp cốt, mẫu vải 87

9

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tính chất nhiệt của polypropylen 40

Bảng 1.2 Tính chất của PP có trọng lượng phân tử 80.000 - 150.000 42

Bảng 2.1 Bảng tỷ lệ phần khối lượng cốt vải/ keo PP khác nhau 62

Bảng 2.2 Các phương án tạo vật liệu composite với các kết cấu khác nhau 63

Bảng 2.3 Bảng ghi kết quả thí nghiệm cân khối lượng 64

Bảng 2.4: Bảng ghi kết quả thí nghiệm đo độ dày 65

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm đo độ dày mẫu vải và composite 68

Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm cân khôi lượng mẫu vải và composite 69

Bảng 3.3 Kết quả đo độ bền kéo đứt, độ giãn đứt mẫu vải dệt kim 71

Bảng 3.4 Kết quả độ bền kéo đứt vật liệu composite theo tỷ lệ phần 74

khối lượng cốt vải/keo khác nhau 74

Bảng 3.5 Kết quả độ bền kéo đứt vật liệu composite cốt vải dệt kim 75

và keo PP với tỷ lệ phần khối lượng vải/keo khác nhau 75

Bảng 3.6 Kết quả độ bền kéo đứt và độ giãn đứt vật liệu composite 78

2 lớp cốt tỷ lệ cốt vải và keo: 25/75 78

Bảng 3.7 Kết quả độ bền kéo đứt vật liệu composite 2 lớp cốt 78

Bảng 3.8 Kết quả so sánh độ bền kéo đứt vật liệu composite cốt vải dệt kim và keo PP với tỷ lệ phần khối lượng vải/keo 25/75 theo các chiều khác nhau 79

tỷ lệ cốt vải và keo: 25/75 - ký hiệu M5 78

Bảng 3.9 Kết quả đo độ bền kéo đứt, độ giãn đứt vật liệu composite 83

kết cấu 4 lớp cốt - ký hiệu M6 83

Bảng 3.10 Độ bền kéo đứt vật liệu composite 2 lớp cốt và 4 lớp cốt 85

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

M1 Vật liệu composite với tỷ lệ cốt vải/keo PP là 45/55 M2 Vật liệu composite với tỷ lệ cốt vải/keo PP là 35/65 M3 Vật liệu composite với tỷ lệ cốt vải/keo PP là 25/75 M4 Vật liệu composite 2 lớp cốt đặt song song

M5 Vật liệu composite 2 lớp cốt đặt vuông góc

M6 Vật liệu composite 4 lớp cốt đặt song song

S Diện tích mẫu vải (m2)

𝐷̅ Độ dày trung bình

11

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay composite được ứng dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau của ngành chế tạo máy và của nền kinh tế quốc dân Việc nghiên cứu, chế tạo vật liệu mới và các kết cấu sản phẩm từ chúng là một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học kỹ thuật và đó cũng chính là nhiệm vụ cấp bách chiến lược của đất nước Việt Nam đang phát triển, có đầy đủ trong tay những tiềm năng về nguyên liệu và năng lượng

Vật liệu composite rất đa dạng về chủng loại, nó đã và đang được sử dụng để thay thế cho các loại vật liệu truyền thống như kim loại, gỗ, da trong nhiều ngành

kỹ thuật với các tính năng ưu việt như khối lượng riêng nhỏ, độ bền riêng cao, chịu mài mòn, cách điện, cách nhiệt, mềm dẻo, dễ gia công, chịu tác động môi trường, giá thành hạ

Từ khi đất nước thực hiện chính sách mở cửa, nền kinh tế chuyển sang cơ chế thị trường Ngành công nghiệp dệt phải đương đầu với cạnh tranh gay gắt, những sản phẩm được sản xuất ra từ nguyên liệu truyền thống gặp khó khăn tìm thị trường tiêu thụ, trong khi giá thành sản xuất lại có xu hướng tăng Đồng thời ngành công nghiệp dệt may nước ta còn đang đứng trước những thách thức: công nghệ sản xuất lạc hậu, chưa tự chế tạo được máy móc thiết bị phục vụ sản xuất; nguyên vật liệu, phụ liệu, phụ tùng thay thế vẫn chủ yếu nhập từ nước ngoài và thiếu lao động

kỹ thuật cao Vấn đề này đang là một thách thức lớn

Để góp phần giải quyết những khó khăn nên trên, ngành công nghiệp dệt may cần đầu tư nghiên cứu thiết kế, sản xuất ra những sản phẩm sử dụng làm vật liệu gia cường trong vật liệu composite Có như vậy chúng ta mới thực hiện được đa dạng hóa sản phẩm và giải quyết việc làm cho xã hội

Nhận thức được tầm quan trọng của việc sử dụng cốt dệt vào làm vật liệu

composite tôi đã tìm hiểu, nghiên cứu và lựa chọn đề tài: "Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu cốt đến một số tính chất của composite vải dệt kim"

12

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE

1.1 VẬT LIỆU COMPOSITE

1.1.1 Khái niệm về vật liệu composite [1,2, 8]

Vật liệu composite là loại vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn những vật liệu thành phần ban đầu.[1]

Vật liệu composite là loại vật liệu nhiều pha khác nhau về thành phần hóa học, không hòa tan hoặc ít hòa tan vào nhau, phân cách nhau bằng danh giới pha, kết hợp lại nhờ can thiệp kỹ thuật của con người theo những sơ đồ thiết kế trước, nhằm tận dụng và phát triển những tính chất tốt của từng pha trong vật liệu kết hợp cần chế tạo [8]

Vật liệu composite phải thỏa mãn 3 điều kiện:

+ Cả hai chất thành phần phải có tỉ lệ hợp lý ( tối thiểu phải > 5%)

+ Cơ tính vật liệu composite khác hẳn cơ tính của vật liệu thành phần

+ Các thành phần trong vật liệu composite không được hòa tan vào nhau

Hình 1.1 Cấu trúc vật liệu composite

Về phương diện hoá học, composite có ít nhất hai thành phần được giới hạn bởi các mặt phân cách riêng biệt Thành phần liên tục tồn tại với khối lượng lớn hơn

Cốt gia cường Nhựa nền

13

trong composite được gọi là nền, nó là thành phần giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu composite, chất liệu nền không những đảm bảo cho các thành phần của composite liên kết hài hoà với nhau, đảm bảo tính liền khối của vật liệu, tạo ra các kết cấu composite, phân bố lại chịu tải khi một phần cốt bị đứt gẫy để đảm bảo tính liên tục của kết cấu, chất liệu nền cũng quyết định một phần lớn khả năng chịu nhiệt, chịu ăn mòn của vật liệu, cũng chính vật liệu nền là cơ sở

để xác định phương thức công nghệ chế tạo sản phẩm Còn thành phần thứ hai là cốt, nó đảm bảo cho vật liệu composite có độ cứng, độ bền cơ học cao

Hiện nay, trên trên thế giới có nhiều loại vật liệu composite khác nhau như: Vật liệu composite polyme, composite cacbon - cacbon, composite gốm và vật liệu composite tạp lai, nhưng chỉ có vật liệu composite polyme là được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế hay nói cách khác là nó được sử dụng phổ biến nhất (chiếm hơn 90% vật liệu composite đang được sử dụng trên thế giới)

1.1.2 Lịch sử, xu hướng phát triển của loại vật liệu polyme composite [1,2,6]

Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những năm 1930 khi Stayer và Thomat đã nghiên cứu ứng dụng thành công sợi thủy tinh Fillis và Foster đã dùng sợi thủy tinh gia cường cho polyeste

sử dụng phổ biến để tạo vỏ xuồng và ca nô tốc độ cao, các tấm tường trong máy bay, toa xe, phòng tắm, phòng vệ sinh, nhà bơi

Composite polyme sợi bo và sợi các bon (Độ bền 4-5 lần cao hơn sợi thủy tinh) là vật liệu nhẹ có độ bền cao Mô đun đàn hồi cao, chống rung và chịu mỏi tốt, phù hợp cho những chi tiết cần có cơ tính tổng hợp cao và nhẹ như cánh quạt máy bay lên thẳng, cánh thăng bằng

Công nghệ chế tạo composite cốt sợi cho đến nay đã tương đối hoàn chỉnh, đảm bảo năng suất cao, giá thành rẻ, đáp ứng yêu cầu của nhiều lĩnh vực khác nhau

Đa dạng hóa nền polyme và chất tăng cường: Trong những năm gần đây trên thế giới, cũng với những loại nhựa nhiệt rắn đã được sử dụng rộng rãi như epoxy, polyeste không no, phenolfomandehyt… người ta đã sử dụng rất có kết quả các loại nhựa nhiệt dẻo như polyolefin, polypropylene, polyamit, polycacbonat

1.1.3 Phân loại vật liệu composite [1,2]

1.1.3.1 Các đặc điểm chung [2]

Những đặc điểm chính của vật liệu composite gồm:

Thứ nhất: Composite là vật liệu nhiều pha Các pha tạo nên composite thường rất khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha Trong thực tế phổ biến khá nhiều composite 2 pha Pha liên tục trong toàn khối vật liệu composite được gọi là nền Pha phân bố gián đoạn được nền bao bọc, quy định gọi là cốt

15

Thứ hai: Trong composite thì tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân

bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước

Thứ ba: Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của composite Tuy vậy tính chất của composite không bao hàm 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

+ Composite nền là hỗn hợp nhiều pha

- Theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc, ta có thể phân loại composite thành 3 nhóm: composite cốt hạt , composite cốt sợi và composite cấu trúc

Hình 1.2 Sơ đồ phân loại vật liệu composite theo hình dạng cốt

- Theo phương pháp chế tạo: đúc, ép, đúc phun, lăn lô…

- Theo phạm vi ứng dụng: composite cao cấp, composite kỹ thuật [2]

Composite

Có hướng Ngẫu nhiên

16

a Phân loại theo bản chất vật liệu nến [1,2]

Trong composite, nền đóng vai trò chủ yếu sau đây: [2]

- Liên kết toàn bộ các phân tử cốt thành 1 khối composite thống nhất

- Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu composite thành các chi tiết theo thiết kế

- Nền che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng cơ học do tác dụng môi trường bên ngoài

Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu composite Chính vì vậy, chúng phải đáp ứng được những yêu cầu về khai thác cũng như về mặt công nghệ [1]

Thành phần nền cho vật liệu composite có vật liệu nền hữu cơ, vật liệu nền kim loại, vật liệu nền khoáng

Những yêu cầu cơ lý đối với vật liệu nền, đòi hỏi nền phải đảm bảo được cho vật liệu composite làm việc trong những điều kiện khai thác khác nhau, phải đảm bảo được sự làm việc đồng đều hiệu quả giữa các thành phần cốt, độn với các dạng đặt tải khác nhau, đảm bảo cho vật liệu composite làm việc bền vững khi chịu tải trượt hoặc chịu tải ở những hướng lệch với hướng của các dầm cốt hoặc chịu tải tuần hoàn [1]

Bản thân vật liệu nền sẽ xác định vật liệu composite mới tạo ra chịu được đến nhiệt độ nào Vật liệu nền cũng quyết định khả năng chịu đựng cho vật liệu composite với tác động của môi trường, tác động hóa học và quyết định một phần tính chất cơ học, vật lý, điện và những đặc tính khác của vật liệu composite nói chung

Những yêu cầu về công nghệ với vật liệu nền được đặt ra trong quá trình sản xuất composite và các kết cấu sản phẩm từ chúng Trong quá trình làm ra các sản phẩm composite có một đặc điểm quan trọng cần lưu ý, là thường sản xuất ra vật liệu composite bán thành phẩm trung gian gọi là prepreg để chế tạo ra các sản phẩm Nhưng nhiều khi trong quá trình chế tạo các sản phẩm kết cấu, ví dụ như sản xuất các bình composite, các ống composite, trong quá trình quấn các chi tiết này

17

chính chúng ta đã vừa chế tạo ra vật liệu, lại vừa chế tạo ra các kết cấu composite

Vì vậy vật liệu nền phải đáp ứng được những đòi hỏi nảy sinh trong quá trình công nghệ: như độ nhớt và sự đảm bảo phân bố đều các cốt bên trong, bảo tồn được những tính năng vốn có của các dầm cốt, các hạt độn, bảo đảm được sự kết dính vững chắc giữa chất liệu nền và cốt, khả năng chế tạo trước những bán thành phẩm theo những mục đích định trước, đảm bảo độ co tối thiểu…[1]

Chính vì vật liệu nền có vai trò quan trọng như vậy, nên ngoài cách phân loại vật liệu theo cấu trúc, người ta còn gọi tên vật liệu composite theo vật liệu nền, như vật liệu composite polime, vật liệu composite kim loại, vật liệu composite cacbon,

vật liệu composite gốm

a1 Nền kim loại

Vật liệu composite kim loại là composite mà chất liệu nền bằng kim loại hoặc các hợp kim, còn thành phần cốt có thể là những sợi kim loại hoặc phi kim loại Việc sử dụng nền kim loại hoặc hợp kim làm tăng độ bền của composite theo phương góc với các phương của sợi cốt và tăng độ bền trượt, làm cho vật liệu composite có độ bền trượt như kim loại nền Chúng có đặc trưng cơ lý ổn định trong khoảng nhiệt độ lớn hơn nhiều so với composite nền polyme Các nền kim loại hay được dùng là nền hợp kim nhôm, titan, magie,…

Nền kim loại so với nền polyme có những ưu điểm sau: [2]

- Kim loại nói chung dẻo và khá bền nên nó cải thiện các chỉ tiêu cơ tính của composite như modun đàn hồi, giới hạn tỷ lệ…

- Chịu đựng một số môi trường hoạt tính tốt hơn, vùng nhiệt độ sử dụng rộng hơn

- Có độ dẫn nhiệt, dẫn điện cao, do vậy trong một số ứng dụng đó là ưu điểm đặc biệt

- Không bị ảnh hưởng mạnh của môi trường ẩm

- Không bị bốc cháy

- Có tính hàn tốt, nên trong một số trường hợp việc gia công lắp ráp dễ dàng

18

Nhược điểm chính của nền kim loại là khối lượng riêng lớn, ở nhiệt độ cao

có thể phản ứng với cốt tạo pha dòn làm giảm yếu liên kết cốt - nền Như vậy, composite nền kim loại không thể hiện tính đàn hồi hoàn hảo Công nghệ chế tạo nền kim loại phức tạp hơn rất nhiều so với nền polyme và do vậy giá thành sẽ cao hơn

Trong số các kim loại thì Al, Mg, Ti, Ni, Cu được nghiên cứu ứng dụng làm nền composite nhiều hơn cả

Composite nền kim loại được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực hàng không, chế tạo máy, công nghệ tên lửa, kỹ thuật vũ trụ và nguyên tử với những ưu điểm về mặt tính năng của chúng

Composite ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong những ngành kỹ thuật đòi hỏi vật liệu làm việc ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ cao và siêu cao, trong những môi trường ăn mòn do ma sát và chịu những tải trọng tĩnh, tuần hoàn, va đập, dao động

và những tác động lực cao khác, ở những nơi mà điều kiện sử dụng không cho phép dùng vật liệu kim loại truyền thống

Những composite kim loại nhẹ thường hay dùng vật liệu nền nhôm cốt sợi cacbon có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với hợp kim nhôm tốt nhất

+ Mô đun đàn hồi hơn hẳn 140-160 Gpa so với 70 Gpa

+ Khối lượng riêng nhẹ hơn 2300kg/m3 so với 2750kg/m3

+ Độ cứng gấp 2,5 lần

+ Độ bền mỏi cao như titan, thép hợp kim

+ Hệ số giãn nở nhiệt thấp trong khoảng 293 - 6700K

+ Chúng được ứng dụng làm thân vỏ cánh tuabin, ống xả của động cơ máy bay, tên lửa

a2 Nền polyme

Đối với composite, vật liệu nền polyme thường được sử dụng rộng rãi là epoxy, polyeste, … và các polyme nhiệt rắn, dẻo khác Vật liệu composite polyme

19

có ưu điểm nhẹ, độ bền cơ lý cao, bền với những môi trường hóa học (chống ăn mòn tốt), độ dẫn điện, nhiệt thấp, công nghệ chế tạo không phức tạp

Vật liệu composite polyme ngày nay phổ biến với các cốt là sợi thủy tinh, sợi

ba gian, các bon, sợi hữu cơ, sợi tạp lai Composite nền polyme người ta hay sử dụng những sợi có độ cứng cao, khối lượng riêng thấp và độ bền cơ học cao khi kéo, nén, trượt

a3 Nền gốm

Gốm là loại vật liệu có độ bền cao, duy trì ở độ bền ở nhiệt độ cao, khả năng chịu oxy hóa Tuy nhiên có độ bền kéo thấp, chịu va đập kém

a4 Nền thủy tinh

Thủy tinh vô cơ là loại vật liệu nhận được bằng cách làm nguội một hợp chất

vô cơ từ trạng thái nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ cao đến trạng thái rắn không kết tinh Quá trình này giống như đối với nhựa nhiệt dẻo nên có thể áp dụng các phương pháp gia công của chất dẻo Thủy tinh có độ bền và mô đun đàn hồi cao, độ giãn nở thấp Nhờ tính chảy tốt nên khi tăng nhiệt độ và áp lực ép thì hàm lượng sợi tăng cường có thể tăng nhưng không làm giảm đi độ bền vật liệu

b Phân loại theo hình học của cốt [2]

Thành phần cốt cho vật liệu composite có hai loại cốt sợi và cốt hạt Cốt hạt dùng trong vật liệu composite để tăng cơ lý tính của hạt nhựa, hạt dùng để giảm giá thành của vật liệu, tăng tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt cho nhựa nền cốt sợi dùng trong vật liệu composite sẽ tăng thêm tính chất cơ học của vật liệu Các tính chất khác cũng tăng thêm như tính dẫn nhiệt, dẫn điện

b1 Composite cốt hạt

Composite cốt hạt có cấu tạo gồm các phân tử cốt dạng hạt đẳng trục phân

bố đều trong nền Các phân tử cốt trong trường hợp này thường là các pha cứng và bền hơn nền, ví dụ như các oxyt, nitrit, borit, cacbit, … Cũng có thể hạt cốt là các pha mềm, có độ bền cắt nhỏ như graphit, mica… Đó là các composite chống ma sát

Composite hạt mịn thường là các vật liệu hạt nóng và ổn định nóng Do vậy

nó được dùng để thay thế các loại vật liệu truyền thống nhằm nâng cao hiệu suất hoặc kéo dài tuổi thọ thiết bị, công trình trong các điều kiện sử dụng tương đương Nền các composite này thường là kim loại hoặc hợp kim Các phân tử cốt có kích thước nhỏ (<0,1µm), thường là các vật liệu bền, cứng và có tính ổn định nhiệt cao như oxyt, cacbit, nitrit, borit hoặc các pha liên kim loại Tương tác nền – cốt trong loại composite này xảy ra ở mức vi mô ứng với kích thước nguyên tử hoặc phân tử

Cơ chế hóa bền tương tự cơ chế tiết pha phân tán biến cứng khi phân hóa dung dịch rắn bão hòa Dưới tác dụng của lực, trong mẫu composite, nền sẽ hứng chịu hầu như toàn bộ tải, các phân tử cốt nhỏ mịn phân tán đóng vai trò hãm lệch, làm tăng bền

và cứng của vật liệu Hiệu ứng hóa bền phân tán đạt được trong composite hạt mịn không lớn lắm nhưng ổn định ở nhiệt độ cao Vì vậy các phân tử cốt được chọn từ những vật liệu có khả năng ổn định tổ chức, tính chất và không hòa tan vào nền khi nhiệt độ tăng cao [2]

b2 Composite cốt sợi

Composite cốt sợi là loại vật liệu kết cấu rất quan trọng Mục tiêu chủ yếu nhất khi thiết kế chế tạo composite cốt sợi là độ bền riêng và modun đàn hồi riêng cao Do vậy, cả nền và sợi đều cần có khối lượng nhỏ, nền phải tương đối dẻo, còn sợi cốt phải có độ cứng vững và độ bền cao Tính chất của composite cốt sợi phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bản chất vật liệu cốt và nền, độ bền liên kết nền cốt trên ranh giới, sự phân bố và định hướng sợi, kích thước, hình dạng của nó.[2]

21

Những thành phần của vật liệu composite bao gồm:

Các thành phần cốt của composite phải thỏa mãn được những đòi hỏi về khai thác và công nghệ Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi như yêu cầu về độ bền, độ cứng, khối lượng riêng, độ bền trong một khoảng nhiệt độ nào đó, bền ăn mòn trong môi trường axit, kiềm… Còn đòi hỏi về công nghệ đó là những đòi hỏi về khả năng công nghệ để sản xuất ra các thành phần cốt và những vật liệu composite trên cơ sở những cốt này Hiện nay, thành phần cốt của composite thường dùng là các sợi ngắn, các sợi dài đơn, các dạng sợi tết (được tết xoắn gồm nhiều sợi lại với nhau), các cốt lưới, vải, các băng dải sợi và các loại bông với tính năng cơ lý đã được xác định [1]

Tùy thuộc vào mục đích sử dụng vật liệu cốt có thể có nguồn gốc khác nhau như từ sợi thực vật, sợi khoáng, sợi nhân tạo, sợi tổng hợp

1.1.4 Tính chất của vật liệu polyme composite [4]

Tính chất của vật liệu polyme composite (PC) là tổ hợp tính chất của các cấu

tử có mặt trong vật liệu Tính chất của cấu tử polyme trong vật liệu composite phụ thuộc vào khoảng thời gian, tốc độ và tần số của sự biến dạng hay tải trọng tác dụng lên Tính dàn nhớt của polyme cũng tạo nên đặc tính của composite như tính rão, hồi phục ứng suất và sự tiêu tán năng lượng có thể dẫn tới sự sinh nhiệt bên trong vật liệu Sự phụ thuộc của vật liệu composite vào thời gian, tần số, tốc độ của tải trọng được biểu diễn qua độ bền mỏi, độ bền kéo, độ bền va đập

Đối với vật liệu composite cần quan tâm một số tính chất sau: modun xé rách

và hệ số Poisson đặc trưng cho khả năng chịu biến dạng của vật liệu Độ bền kéo, nén cho biết khả năng chịu tải của vật liệu Hệ số dãn nở nhiệt đặc trung cho sự thay đổi kích thước dưới tác dụng của nhiệt độ và tải trọng Ngoài các yêu cầu về tính chất cơ lý còn cần phải biét các thông số như: độ dẫn nhiệt, điện, độ thấm chất lỏng hoặc khí, hệ số khuyếch tán…

Tính chất nổi bật như của các polyme composite so với các vật liệu khác nói chung là nhẹ, bền, chịu môi trường, dễ lắp ráp, có tính đẳng hướng hay không đẳng

- Tính chất cơ lý của sợi tăng cường

- Sự thay đổi hàm lượng sợi - nhựa, hình học cốt sợi

- Sự kết hợp giữa pha nhựa và sợi Điều này được quyết định không chỉ bởi

độ bền liên kết tại bề mặt phân chia pha nhựa/sợi mà còn về độ nhạy cảm khác nhau đối với những thay đổi của môi trường ngoài của nhựa và sợi Ví dụ: sự không tương ứng về hệ số dãn nở nhiệt của sợi và pha nhựa nền có thể gây ra sự phát triển ứng suất gần bề mặt phân chia pha nhựa/sợi khi composite phải chịu sự thay đổi nhiệt độ lớn, thường xảy ra trong quá trình gia công

- Các khuyết tật và tính không liên tục của nhựa nền

Ưu điểm chủ yếu của composite nền polyme là: có độ bền riêng và các đặc

trưng đàn hồi cao, bền vững với các môi trường hóa học ăn mòn, độ dẫn nhiệt, điện rất thấp Ngoài ra, ưu điểm của vật liệu polyme là khi chế tạo, với nhiệt độ và áp suất nhất định có thể dễ triển khai các thủ pháp công nghệ, dễ kết dính sợi với nền

Nhược điểm của composite polyme là: độ bền và độ cứng thấp khi trượt, khi

nén; khả năng chịu nhiệt và chịu các tác động phóng xạ không cao; có tính hút nước

và dễ biến dạng khi bị thay đổi các đặc trưng cơ lý cùng với thời gian và dưới tác động của các điều kiện khí hậu Nhưng nhược điểm này của composite polyme trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng lắm mưa nhiều như ở Việt Nam đòi hỏi phải

có những nghiên cứu cơ bản cũng như thực nghiệm bổ xung để đảm bảo an toàn khi

sử dụng, cũng như đòi hỏi phải nâng cao các chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu nền và khả năng thay thế chúng bằng những nền loại khác như nền gốm, nền hợp kim, nền cacbon Trong trường hợp khai thác vật liệu kết cấu composite với những điều kiện

sử dụng khắt khe hơn

23

1.1.5 Các ứng dụng của composite [1, 20, 22]

Vật liệu composite là sự kết hợp của các vật liệu nhằm phát huy các ưu điểm

về các tính năng kỹ thuật của các vật liệu thành phần Vật liệu này có khả năng chịu lực và độ cứng, là loại vật liệu nhẹ so với các loại vật liệu truyền thống khác Đây là loại vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng hiện tại và tương lai, đặc biệt trong các ngành công nghệ cao như cộng nghệ vũ trụ Vật liệu composite thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và giới khoa học

Hình1.3 Quần áo cho nhà du hành vũ trụ

* Ứng dụng của composite trong hàng không

Trong những năm gần đây, composite được sử dụng chế tạo các bộ phận trên máy bay như kết cấu khung xương, thân máy bay, cánh, bộ phận dẫn hướng… Theo thống kê của hãng máy bay Boeing, chiếc Boeing Dreamline 878 sử dụng đến 50% composite trên toàn bộ trọng lượng

Một trong những lý do quan trọng nhất của việc ứng dụng rộng rãi loại vật liệu này trong ngành hàng không là độ bền và độ cứng tương đối trên trọng lượng riêng của composite lớn Điều này làm giảm tự trọng của máy bay, tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường và tăng hiệu quả kinh doanh Composite còn được sử dụng để chế tạo các chi tiết hình dạng phức tạp góp phần làm giảm số lượng chi tiết trên máy bay, đồng thời giảm thời gian và chi phí lắp đặt sản phẩm [2]

24

Hình 1.4 Máy bay

* Ứng dụng của composite trong quân sự

Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh có tính trong suốt đối với sóng rada, đặc tính này rất quan trọng trong các ứng dụng quân sự

* Ứng dụng vật liệu composite trong ngành vận tải

Ứng dụng vật liệu composite trong ngành vận tải là rất lớn Loại vật liệu này cho phép chế tạo các phương tiện vận tải nhẹ hơn, tiết kiệm nhiên liệu, tăng khả năng chuyên chở, giảm ô nhiễm môi trường Ngoài ta composite sử dụng chế tạo thân các chi tiết yêu cầu tính năng cao trong các xe đua, xe ô tô thương mại khác

Ngày nay các toa xe tàu hỏa cũng được chế tạo bằng vật liệu composite Hiệu quả làm giảm thiểu tự trọng của các toa xe và đoàn tàu, tăng lượng hàng chuyên chở, tăng hiệu suất vận tải đường sắt

Đặc biệt hơn, với yêu cầu ngày càng khắt khe về bảo vệ môi trường, các dòng xe mới như động cơ điện, fuel cell được đưa vào ứng dụng trong thị trường xe

cơ giới Hạn chế của các loại xe cơ giới này là dung tích ắc quy sử dụng cho xe không cao, hạn chế tính cơ động của xe, trong khi giảm trọng lượng xe là rất cấp thiết cho các phương tiện sử dụng công nghệ xanh Do đó vật liệu composite được

sử dụng tối đa trong chế tạo thân vỏ và các chi tiết trong thế hệ xe sạch này

Chiếc Boeing 787 Dreamliner đầu tiên được lắp đặt tại Everett,

Washington

Ảnh: Reuters

25

Hình 1.5 Ôtô

* Vật liệu composite trong ngành đóng tàu

Composite được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các loại tàu thuyền, xuồng cỡ nhỏ, cano… do chi phí đầu tư chế tạo phương tiện vật liệu này thấp hơn sản phẩm cùng loại sử dụng chất liệu bằng gỗ, nhôm hoặc thép Bên cạnh đó, yêu cầu về tay nghề của công nghệ cũng đơn giản hơn

Vật liệu composite sử dụng cho đóng tàu, mang lại lợi ích cao bảo dưỡng rất

ít, không bị ăn mòn, han rỉ hay ảnh hưởng của môi trường nước biển Composite cũng được sử dụng trong các tàu quân sự do tính trong suốt với rada của loại vật liệu này

Hình 1.6 Tàu và ca nô

1.1.6 Công nghệ chế tạo từ vật liệu composite [1, 11]

Tùy theo yêu cầu sử dụng, tính chất của sản phẩm mà việc chế tạo vật liệu polyme composite đòi hỏi phải có công thức pha chế cũng như công nghệ chế tạo thích hợp

26

1.1.6.1 Công nghệ khuôn tiếp xúc

Sản phẩm được chế tạo theo phương pháp khuôn tiết xúc được ứng dụng vào

vỏ tàu thuyền, vỏ xuồng thể thao, thân vỏ ôtô, các tấm đúc sẵn, các chi tiết dùng cho nội thất,…

Phương pháp này có ưu điểm là có thể chế tạo các chi tiết kết cấu kết cấu với mọi hình dạng với cấu trúc không quá phức tạp Đặc biệt khi sản xuất các chi tiết có kích cỡ lớn với số lượng không nhiều

Phương pháp này là trát lên mặt khuôn bằng tay, bằng máy hoặc phun những sợi cốt liên tục hoặc ngắn phân tán, sau đó tẩm chúng với chất liệu nền, lén chặt đến

độ dày cần thiết rồi làm đông rắn

* Khi chuẩn bị khuôn cần lưu ý những điểm sau:

Cấu trúc hình học của khuôn phải phù hợp với cấu trúc hình học của chi tiết kết cấu, có tính đến độ co của vật liệu và dung sai của kích cỡ

Mặt của khuôn phải chế tạo sao cho sau khi xong thành phẩm, lấy kết cấu chi tiết ra khỏi khuôn dễ dàng

Có thể đảm bảo cho việc kiểm tra sự phân bố đều của các lớp vật liệu (cốt và nền) cũng như chất lượng tẩm nền của các cốt theo khuôn

* Việc chọn và hiệu quả của lớp chống dính được quy định bởi những yếu tố sau:

Chất liệu của khuôn và nhựa nền sẽ polyme hóa theo phương pháp nhiệt rắn hay nhiệt dẻo

Mức độ nhẵn bóng của bề mặt sản phẩm, cần thiết hay không cần thiết những quy trình công nghệ riêng tiếp theo, ví dụ như sơn bề mặt

Hình 1.7 Phươngpháp gia công bằng tay

b Phương pháp phun

Phun là phương pháp khá phổ biến khi dùng khuôn tiếp xúc Sau khi phun nền và sợi ngắn phân tán lên khuôn, phải dùng rulô lăn để lèn chặt, làm tan các bọt khí và tạo độ nhẵn cần thiết cho bề mặt sản phẩm

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý phươngpháp épphun

1.1.6.2 Công nghệ khuôn với diaphragm đàn hồi

Quá trình tạo hình dáng kết cấu trong túi đàn hồi được thực hiện nhớ sự chêch lệch áp suất giữa áp lực ngoài và khoảng chân không bên trong, được tạo ra ở khoảng giữa các túi đàn hồi và khuôn cứng Áp suất ngoài có thể xấp xỉ áp suất khí quyển (phương pháp chân không), hoặc với áp suất cao nếu như quá trình công nghệ được thực hiện trong ôtôcla (phương pháp khuôn chân không ôtôcla)

a Phương pháp khuôn chân không

Phương pháp chân không được ứng dụng trong việc sản xuất thử, để chế tạo với số lượng không lớn các kết cấu chi tiết composite một hoặc nhiều lớp

có kích cỡ lớn và hình dạng phức tạp, chứa lớp độn hình tổ ong hoặc lớp bọt xốp cách nhiệt

Phụ thuộc vào sử dụng nhựa nền, việc chế tạo có thể theo phương pháp ướt hoặc khô Phương pháp ướt là phương pháp tẩm trực tiếp cốt sợi khô và nhựa nền ướt Phương pháp khô là phương pháp sử dụng các cốt đã được tẩm chất liệu nền nhựa rắn hoặc nhiệt dẻo, như các nhựa nền trên cơ sở polyeste hoặc epoxy, cũng như nền trên cơ sở các biến thể của nhựa polyvinylbutizol, phelonfomanđehit, … Khi sử dụng phương pháp khô chỉ dùng nền nhựa rắn

Áp lực ngoài khi tác động lên vật liệu phôi qua điapham đàn hồi, phải thực hiện được những yên cầu

+ Lèn chặt những lớp vật liệu cốt được lát lên khuôn

+ Đảm bảo sự tẩm sâu, tẩm cốt của các cốt sợi với vật liệu nền

29

+ Đẩy khỏi phần rỗng những sản phẩm phụ của các phản ứng ở dạng khí và các bọt không khí

+ Đẩy các nhựa thừa khỏi các lớp vật liệu

Vì vậy việc chọn vật liệu nền sao cho khi polyme hóa không thoát ra các chất khí, hơi vì những chất khí thoát ra có thể tạo ra các phản áp lực lớn, lớn hơn áp lực tạo hình và sẽ gây ra sự phân lớp vật liệu

Hình 1.9.Sơ đồ tạo hình theo phương pháp khuôn chân không

ở mặt trong và ngoài

Vì phương pháp chân không có áp lực tạo hình thấp, nên việc sử dụng các loại vật liệu cốt bị hạn chế Chủ yếu là chọn cốt từ sợi thủy tinh, bởi vì khối lượng riêng và độ bền của chúng ít phụ thuộc vào áp suất nén

Việc chọn vật liệu chế tạo khuôn, được quy định bởi mức độ sản xuất, kích thước và hình dạng sản phẩm, và các đặc trưng nhiệt của chính vật liệu khuôn [1]

b Phương pháp khuôn chân không – ôtôcla

Phương pháp này đang được áp dụng khi sản xuất các sản phẩm kết cấu có kích thước lớn và cấu trúc phức tạp, với những đòi hỏi cao và ổn định về tiêu chuẩn

cơ lý hóa khi khai thác sử dụng chúng với số lượng sản phẩm lớn

Quá trình chế tạo sản phẩm được thực hiện dưới áp lực cao của khí nén hoặc chất lỏng trong ôtôcla, tác động lên sản phẩm cần chế tạo nằm lát trên khuôn, trong túi chân không diaphragm đặt trong ôtôcla

30

Hình 1.10 Mô hình phương pháp khuôn chân không ôtôcla

c Phương pháp khuôn ép diaphragm

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc truyền áp lực ép của không khí qua diaphragm đàn hồi tới phôi, được đặt trên khuôn cứng Mặt trong của chi tiết được hình thành bởi khuôn, còn mặt ngoài là túi diaphragm và xulaga Việc lát nền và sợi lên khuôn thực hiện bằng tay

Hình 1.11 Sơ đồ khuôn ép diaphragm

Túi đàn hồi diaphragm (bằng cao su) được gắn chặt với nền khuôn và phải đảm bảo độ kín Xulaga được kẹp cố định lên khuôn Việc ép được thực hiện khi bơm khí nén vào túi cao su Dưới tác dụng của áp lực, túi cao su dãn căng ra và ép lên hai phía: một mặt ép lên phôi được trát lên khuôn và mặt kia ép lên mặt trong của xulaga Sau đó mặt khuôn được làm nóng và phôi bắt đầu đóng rắn Chế độ nhiệt được quy định bởi tính chất các vật liệu sợi và nền, bởi cấu trúc và kích cỡ của phôi Thông thường áp lực trong túi không quá 0,5 Mpa Sau khi làm nguội dưới áp

31

lực sản phẩm được lấy ra khỏi khuôn Do có sự chênh lệch áp suất ở trong túi cao su

và không khí xung quanh khuôn chịu tải khá lớn, vì vậy khuôn trong trường hợp này được chế tạo bền và cứng hơn khuôn so với trường hợp chân không

1.1.6.3 Công nghệ tẩm áp lực

Phương pháp này cho phép chế tạo các chi tiết kết cấu có độ chính xác cao

về kích cỡ hình học, có độ kín đặc không đổi theo thể tích của vật liệu vách, đồng thời những vách này lại hầu như không có lỗ rỗng hoặc hiện tượng phân lớp Những đòi hỏi như vậy rất cần thiết để chế tạo ví dụ như các mũi xuyên dòng khác nhau của các vật thể bay

a Phương pháp tẩm dưới áp lực

Phương pháp này là nhựa nền được truyền tới lỗ hở dưới của khuôn dưới tác động của áp lực, sau đó dần dần chúng sẽ lấp đầy khoảng không gian giữa khuôn ngoài định hình và khuôn đột

Hình 1.12.Sơ đồ tẩm dưới áp lực

Cách thức chuẩn bị khuôn cho việc tẩm dưới áp lực phức tạp hơn so với chuẩn bị khuôn theo phương pháp khuôn tiếp xúc, do đòi hỏi phải đảm bảo được độ chính xác cao khoảng cách không đổi giữa khuôn ngoài và khuôn đột

Những yếu tố cần điều chỉnh và kiểm tra thường xuyên trong quá trình tẩm là nhiệt độ, độ nhớt và tốc độ đẩy nhựa nền Sau khi nhựa nền đã được tẩm đầy, bắt đầu quá trình làm đông rắn Quá trình đông rắn thường xuyên được tiến hành trong các lò nhiệt Những tham số của quá trình polyme hóa do vật liệu nền đã được quy định

32

b Phương pháp tẩm trong chân không

Trong quá trình tẩm trong chân không, việc chuẩn bị khuôn, lát phôi tương tự như quá trình tẩm dưới áp lực Khi sử dụng chân không, khuôn phải đủ độ cứng để ngăn ngừa sự nén của vật liệu cốt và sự loang tự do của các nhựa nền, và nếu vật liệu lát lên khuôn không đều, đến đoạn bị lèn chặt, nhựa nền sẽ không tới được và đoạn đó sẽ không được tẩm Để đảm bảo sự di chuyển của nhựa nền đến đỉnh khuôn, cần tăng độ chân không

Hình 1.13 Sơ đồ tẩm trong chân không

1.1.6.4 Công nghệ dập trong khuôn

Phương pháp dập trong khuôn là phương pháp vật liệu trong khuôn dập sẽ có hình dáng được quy định bởi khuôn ngoài và mũi dập Khi dập, mũi dập sẽ dập xuống khuôn ngoài và dừng lại ở khoảng cách bằng bề dày của chi tiết cần chế tạo Đồng thời quá trình polyme hóa được xẩy ra trong chính khuôn ngoài

Đến nay khoảng 50% chi tiết sản phẩm composite polyme được sản xuất theo phương pháp dập Phương pháp này cho phép chế tạo ra những chi tiết sản phẩm từ vài gam đến hàng trăm kg, có độ dày thông thường từ 0,5 đến 100 mm và

có thể dày hơn thế Phương pháp dập sử dụng khi đòi hỏi chi tiết sản phẩm có độ chính xác cao, các đặc trưng cơ lý cao và ổn định, sản xuất với khối lượng lớn và giá thành vừa phải đối với những sản phẩm đòi hỏi chất lượng cao như các chi tiết cho ngành hàng không vũ trụ bắt buộc phải sử dụng phương pháp dập trong khuôn Những yếu tố quan trọng nhất của công nghệ dập trong khuôn là nhiệt độ, áp lực, thời gian Đây là ba yếu tố công nghệ chính có mối liên hệ chặt chẽ với nhau Thay đổi một trong ba yếu tố đó dẫn đến thay đổi những yếu tố còn lại

ra khỏi khuôn

Để dập, ép các vật liệu composite polyme trong đa số trường hợp thường dùng máy ép thủy lực Những máy này có ưu điểm là an toàn, dễ sử dụng và đảm bảo áp lực không đổi trong suốt thời gian ép

Trong quá trình dập trực tiếp có thể lưu ý một số đặc điểm sau:

- Khi chế tạo sản phẩm, có thể dập cùng một lúc những cốt khác nhau (đinh vít, ốc vặn, đinh…); những cốt này sẽ được dập, giữ chặt luôn trong sản phẩm

Khi làm nóng vật liệu, nhiệt độ sẽ dàn từ ngoài nguôn đã được làm nóng, lan dần vào trong Vì vậy khi dập, những lớp vật liệu khác nhau có thể có những nhiệt

độ khác nhau

- Sự chênh lệch nhiệt độ theo độ dày của sản phẩm sẽ dẫn đến có ứng suất trong và những khuyết tật, do quá trình làm nóng chảy không đều, polyme hóa không đều

- Có thể xảy ra sự méo mó, biến dạng các sản phẩm mỏng, và các đinh vít, cốt kém bền ở bên trong sản phẩm khi dập Bởi vì trong quá trình dập dưới tác động của áp lực, vật liệu sẽ được lấp đầy không gian, bề mặt giữa khuôn và mũi dập ngay

cả khi chúng chưa nóng đều và chưa có độ dẻo cần thiết

34

Phương pháp dập trực tiếp có thể dùng để chế tạo chi tiết, sản phẩm từ vật liệu bất kỳ (nều nhiệt rắn hoặc nhiệt dẻo) Trên thực tế, phương pháp này chủ yếu thường được áp dụng cho nền nhiệt rắn

b Dập đúc

Dập đúc bao gồm quá trình đưa vật liệu vào bình chứa trong khuôn dập kín Khi làm nóng từ ngoài thành bình, vật liệu đựng trong đó đạt được độ dẻo cần thiết, sau đó dưới áp lực của mũi đột, vật liệu được rót qua hệ thống phễu xuống khoảng không gian trong khuôn rồi lấp đầy khuôn Sau một thời gian nhất định để vật liệu trong khuôn đông cứng, khuôn mở ra và sản phẩm được lấy ra trong khuôn

Phương pháp đúc dập có một số đặc điểm sau:

- Có thể chế tạo các chi tiết có các cốt kém bền hoặc chi tiết có các lỗ trong với đường kính lỗ nhỏ, do vật liệu trước khi rót vào khuôn đúc đã được làm dẻo đều trong bình

Hình 1.14 Sơ đồ dập đúc

35

- Quá trình tạo hình sản phẩm nhanh hơn so với dập trực tiếp

- Các chi tiết được chế tạo theo phương pháp đúc ít có áp suất trong

- Phương pháp đúc dập cần chi phí vật liệu lớn hơn phương pháp dập trực tiếp, là do ngoài việc lấp kín khuôn vật liệu cần được đầy kín trong phễu và còn lại một phần ở bình chứa trên

- Khuôn trong dập đúc phức tạp hơn, đắt hơn khuôn trong phương pháp dập

trực tiếp

Bằng phương pháp dập đúc có thể chế tạo các sản phẩm, chi tiết từ hỗn hợp cao su và chất dẻo dạng bột Các tấm dẻo với các cốt sợi dùng để đúc có thể giảm tới 50% độ bền ban đầu Các tấm phân lớp không thể dùng cho phương pháp dập đúc, do vật liệu khó xếp vào bình chứa, và khó vào được tới khuôn khi phải đi qua phễu rót hẹp

c Dập ép nóng

Phương pháp này bao gồm khuôn ngoài và chày đàn hồi Chày đàn hồi có hệ

số dẫn nhiệt khoảng (250 – 500) 10-6 0C-1 và khuôn ngoài kim loại có độ dẫn nhiệt khoảng (10 – 25) 10-6 0C-1 Nền và sợi được lát vào trong khuôn ngoài với độ dày h, giữa chày và khuôn cách nhau một khoảng h1(h1>h) Việc lén nền và cốt sợi sẽ được thực hiện bởi áp lực nảy sinh khi chày và khuôn được nung nóng Ở nhiệt độ cao, áp lực xuất hiện do sự khác nhau lớn giữa sự giãn nở vì nhiệt của khuôn và chày

Điểm đặc biệt trong quá trình công nghệ là chày đàn hồi phải làm việc ở nhiệt độ cao, trong thể tích kín với áp lực nén đều mọi phía Vì vậy khi chọn vật liệu làm chày phải thỏa mãn được điều kiện như: có độ đàn hồi cao, đủ để truyền áp lực tới mọi chỗ, mọi hướng; có tính ổn định cao tuy phải nằm lâu trong thể tích kín với nhiệt độ cao; hệ số dẫn nhiệt không thấp hơn 250.10-6 0C-1 và không đổi trong suốt quá trình thi công

36

1.2 VẬT LIỆU COMPOSITE CỐT DỆT

1.2.1 Giới thiệu chung vật liệu composite cốt dệt [6]

Vật liệu composite cốt dệt là vật liệu gồm các lớp sợi hoặc vải được sử dụng làm cốt gia cường phân bổ trong vật liệu nhằm mục đích tạo ra vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn những vật liệu thành phần ban đầu

Tính chất của vật liệu composite phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Cơ tính của vật liệu thành phần

+ Luật phân bổ hình học của vật liệu cốt

+ Cấu tạo hóa học, cấu trúc nền polime

+ Sự tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần

+ Tỷ lệ thể tích hoặc tỷ lệ khối lượng

Composite cốt dệt có tính dị hướng, trong việc thiết kế các kết cấu người ta chọn hướng đặt cho vật liệu cốt hoặc đặt sợi theo ý muốn từ đó tạo ra composite theo ý muốn chủ quan Kết quả có thể điều khiển được độ cứng, độ bền theo từng vị trí hoặc từng vùng chi tiết, đảm bảo thiết kế kết cấu có hình dạng, kích thước, bề dày phù hợp với yêu cầu, giảm khối lượng chi tiết, tiết kiệm vật liệu

1.2.2 Phân loại vật liệu composite cốt dệt [2, 4]

Vật liệu composite cốt dệt được chia thành vật liệu composite cốt sợi và vật liệu composite cốt vải

Sợi dùng làm cốt vật liệu composite, sợi có thể ở dạng liên tục như sợi filament hay dạng gián đoạn như sợi stapen

Composite cốt sợi ngắn: độ dài cốt thường nhỏ hơn 5 mm Composite cốt sợi

ngắn thường được gia công bằng các phương pháp gia công nhựa thông thường như đùn, đúc, đúc phun Khi đùn hoặc đúc phun vào khuôn, sợi phải có khả năng đi qua được các khe hở nhỏ trong thân thiết bị Sợi ngắn thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt dẻo Nhựa nhiệt rắn do có khối lượng phân tử lớn khi đóng rắn sẽ không có lợi khi dùng sợi ngắn Tất cả composite cốt sợi ngắn đều phụ thuộc composite kỹ thuật

37

Nhờ những ưu điểm lớn như có thể tạo hình dễ dàng các chi tiết hình dạng phức tạp, giá thành sản phẩm thấp, quy trình công nghệ chế tạo dễ cập nhập, ngày nay composite cốt sợi ngắn (có định hướng hoặc ngẫu nhiên) đã trở thành một trong những vật liệu được chú ý nghiên cứu chế tạo và ứng dụng

Composite cốt sợi có chiều dài trung bình: Độ dài sợi cốt từ 10 đến 100mm

thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn có thêm bột độn với hàm lượng tương đối lớn Phương pháp gia công thường được sử dụng là phương pháp ướt Sợi phải được nhựa thấm ướt hoàn toàn để composite đạt được tính chất cao nhất Composite này cũng thuộc nhóm composite kỹ thuật

Composite cốt sợi dài: Sợi dài hay còn gọi là sợi liên tục thường được dùng

tăng cường cho nhựa nhiệt rắn, chế tạo composite chất lượng cao Composite cốt sợi dài có thể được chế tạo với cả nền vô cơ, gốm, kim loại

Cốt vải: Các loại vải thường được dệt từ những sợi có môđun đàn hồi cao,

được dùng rộng rãi làm cốt cho composite phân lớp, quấn các dạng ống composite ,…Thuật ngữ "vải" trong ngành vật liệu composite được phân chia theo 2 cách: theo tên của vật liệu sợi hoặc theo các kiểu cách đan, dệt lên vải đó

Hình 1.15 Vải dùng làm cốt vật liêu composite

Theo tên các loại sợi, ta thường thấy vải được dệt từ sợi vô cơ: vải sợi thủy tinh, vải sợi các bon; vải dệt từ sợi có nguồn gốc thực vật như sợi bông, sợi đay, sợi

Vải có khối lượng ít hơn 100 g/m2 được gọi là vải nhẹ, từ 100-500 g/m2 vải

có khối lượng trung bình và trên 500 g/m2 vải nặng

Trong thực tế người ta thường sử dụng vải dệt thoi, vải dệt kim và vải không dệt làm cốt gia cường Cấu trúc vải thường ở dạng 2 chiều (2D) hoặc 3 chiều (3D)

Vải dệt kim đan ngang và đan dọc có thể được sử dụng để làm vật liệu composite tổng hợp Dệt kim đan dọc là thích hợp nhất cho các kết cấu với sợi đặt thẳng ( vải đa trục) trong khi dệt kim đan ngang cho phép tạo được các loại vải với kết cấu ba chiều, được sử dụng như khung cho các vật liệu composite tiên tiến

1.2.3 Ứng dụng của vật liệu composite cốt dệt [1]

Dùng vải để làm cốt sản xuất composite có ý nghĩa quan trọng Khi quấn ống composite, để chống bào mòn ở lớp trong khi chịu áp suất và nhiệt độ, những lớp trong cùng của ống, sát với trục quấn hay dùng lớp vải Hiện nay rất phổ biến dùng vải tổng hợp với các sợi dệt tạp lai cho phép nâng cao hiệu quả sử dụng các tính chất cơ lý khác nhau của các sợi dệt thành phần

Vật liệu composite cốt dệt ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp

39

Ngành công nghiệp ôtô sử dụng vật liệu composite cốt dệt chất lượng cao chế tạo các chi tiết, bộ phận cho ôtô với ưu điểm giảm khối lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ bền đặc biệt độ bền va đập, giảm độ ồn, độ rung động

Ngành hàng không vũ trụ dùng vật liệu composite cốt dệt chế tạo phần mũi, cánh máy bay, đuôi ngang máy bay… với tính chất ưu việt như tỷ trọng nhỏ, độ bền cao, có thể tạo tính chất vật liệu theo các hướng khác nhau, giảm khối lượng kết cấu, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường và tăng hiệu quả kinh doanh

Ngành hàng hải sử dụng vật liệu composite cốt dệt chế tạo vỏ xuồng, tàu thủy nhằm tăng cường khả năng chịu va đập, bền trong môi trường nước biển, axit Bên cạnh đó vật liệu composite cốt dệt thường dùng chế tạo các chi tiết chịu lực trong tầu lớn hay tàu ngầm

Ngành xây dựng sử dụng vật liệu composite cốt dệt xây công trình lớn có mái vòm thay thế cho các dầm thép có khối lượng lớn…

Trong ngành dân dụng vật liệu composite cốt dệt được ứng dụng vào làm bàn ghế, tủ chứa đồ, ngăn xếp, các vật liệu nội thất bằng composite Các sân chơi thiếu nhi khu vui chơi thiếu nhi, hồ bơi, bàn trượt tuyết, mũ bảo hiểm, băng tải, ống thoát nước, bồn chứa

1.3 VẬT LIỆU NỀN POLYPROPYLEN (PP) [10]

Polypropylen (PP) là một trong những hyđrocacbua không no được nghiên cứu rất nhiều Polypropylen được tổng hợp từ propylen Nguồn nguyên liệu chính sản xuất propylen là dầu hỏa

Polypropylen có cấu trúc hóa học như sau: