Cấu trúc sợi và nguyên lý gia cường (1)

Phần thể tích của sợi trong composite Fiber volume fraction Vf = Vfiber/Vcomposite V f : Phần thể tích của sợi V fiber : Thể tích của sợi V composite : Thể tích của composite • Là mộ

PHẦN I:

CẤU TRÚC SỢI VÀ NGUYÊN LÝ GIA CƯỜNG

TS Phạm Ngọc Tùng

• Kết cấu của sợi & phần thể tích của sợi trong composite

• Nguyên lý chia sẻ ứng suất và gia cường

Kết cấu của sợi & phần thể tích của sợi trong composite

Kết cấu của vật liệu gia cường

• Thuật ngữ kết cấu của vật liệu gia cường bao gồm:

• Hình thái của vật liệu gia cường (tỷ lệ L/D (aspect ratio), hình dạng của vật liệu gia cường )

• Phần thể tích (volume fraction) của vật liệu gia cường

• Hướng của vật liệu gia cường so với lực tác dụng

• Sự sắp xếp của vật liệu gia cường: dệt, không dệt, đơn hướng

• Tất cả các yếu tố trên đều có mối quan hệ chặt chẽ với nhau

Hình thái của vật liệu gia cường

Phần thể tích của sợi trong composite

Fiber volume fraction

Vf = Vfiber/Vcomposite

V f : Phần thể tích của sợi

V fiber : Thể tích của sợi

V composite : Thể tích của composite

• Là một trong những khái niệm quan trọng nhất trong ngành vật liệu composite

• Phần thể tích của sợi có ảnh hưởng lớn đến các tính chất của composite

• Vf tăng thường sẽ dẫn đến tăng tính năng cơ lý của composite

• Tuy vậy nếu Vf quá cao có thể dẫn đến hiện tượng vật liệu nền không bao trùm hết vật liệu gia cường → suy giảm tính năng cơ lý

• Trong thực tế phần thể tích cực đại của sợi trong vật liệu composite ở khoảng 60%

Sự sắp xếp và phần thể tích của sợi

• Cấu trúc sợi đơn hướng

• Tùy thuộc vào cách sắp xếp của sợi mà

giá trị cực đại (lý thuyết) của phần thể

tích (Vf) của sợi sẽ thay đổi:

• Square: 78.5%

• Hexagonal: 90.7%

• Tuy vậy giá trị Vf cực đại trên thực tế của

composite sợi đơn hướng chỉ ở vào

khoảng 60%

(a)

(b)

Sự sắp xếp và phần thể tích của sợi

Mô hình máy tính của composite có cấu trúc sợi 3D chứa 150 sợi (có tỷ

• Sợi có cấu trúc 3D ngẫu nhiên có Vf thấp

→ muốn tăng Vf trong composite sợi phải được sắp xếp theo trật tự

Nguồn ETH Zurich

Sự sắp xếp và phần thể tích của sợi

• Sợi dệt:

• Do cấu trúc của sợi dệt nên sẽ

có những vị trí chỉ chứa nhựa

• Sự sắp xếp của sợi dệt là không

tối ưu do đặc điểm cấu trúc của

nó

→ Vf thấp

Sự sắp xếp và phần thể tích của sợi

• Chopped strand mat (CSM): Gồm các sợi thủy tinh ngắn phân bố ngẫu nhiên có cấu trúc 2D → Vf thấp

• Vật liệu lớp (cross/multi ply):

gồm các lớp chứa sợi đơn

hướng được sắp xếp theo

mục đích → Vf tương đương

với composite sợi đơn

hướng

Nguyên lý chia sẻ ứng suất và gia cường

Rule of mixture

• Tính chất của các vật liệu thành phần cùng với tỷ lệ phần thể tích của nó trong hỗn hợp có thể được dùng để biểu diễn tính chất của vật liệu composite

• Xc: Tính chất của vật liệu composite

• Xf: Tính chất của sợi

• Xm: Tính chất của nhựa nền

• Vm: Phần thể tích của nhựa nền Nếu composite chỉ gồm 2 thành phần Vm=1-Vf

Nguyên lý gia cường

• Đối với composite có 2 pha, một phần của ứng suất tác dụng sẽ được chia sẻ bởi sợi, phần còn lại sẽ tác dụng lên nhựa nền

• Tỷ lệ chia sẻ ứng suất của từng vật liệu thành phần phụ thuộc vào kết cấu của composite

• Một vật liệu gia cường chỉ được coi là hiệu quả nếu nó chia sẻ phần lớn ứng suất tác dụng lên composite

• Khi vật liệu gia cường có tính hiệu quả cao sẽ giúp composite có độ cứng và cường lực cao hơn

Nguyên lý gia cường

• Một trong những điểm cơ bản

của vật liệu composite:

vật liệu gia cường

• Ứng suất được chuyển tải sang

vật liệu gia cường bởi ứng suất

kéo trượt (shear stress) tại bề

mặt phân chia pha

• ”Shear-lag” model của Cox

• Được thành lập dựa trên các giả

Ảnh hưởng của tỷ lệ L/D của sợi (fiber aspect ratio)

• Sự phân bố ứng suất dọc trục của sợi

• Ban đầu hiệu quả gia

cường tăng khi tăng tỷ

lệ L/D

• Hiệu quả gia cường sẽ

đạt cực đại ở 1 tỷ lệ L/D

nhất định

• Sợi dài có hiệu quả gia

cường tốt hơn sợi ngắn

• Độ cứng (modul đàn hồi) dọc trục (axial stiffness)

Ảnh hưởng của tỷ lệ L/D của sợi

(fiber aspect ratio)

• Tương tự như sự phân

Ảnh hưởng của tỷ lệ L/D của sợi

(fiber aspect ratio)

• Sự phân bố ứng suất kéo trượt tại bề mặt phân chia pha

• Ứng suất kéo trượt cao

nhất tại bề mặt phân chia

pha được phân bổ ở đầu

sợi

• Ứng suất kéo trượt cực đại

ít phụ thuộc vào tỷ lệ L/D

của sợi hơn so với ứng

suất tác động lên sợi

• Khi tăng tỷ lệ L/D đến một

tỷ lệ nhất định thì ứng suất

kéo trượt chỉ phân bố tại

hai đầu của sợi

Sự truyền ứng suất theo mô hình của Cox

• Khi tăng tỷ lệ L/D của sợi đến một tỷ lệ nhất định, hiệu quả của

sự truyền ứng suất sẽ đạt cực đại

• Khi tiếp tục tăng tỷ lệ L/D thì ứng suất dọc trục của sợi không tăng, nghĩa là không có sự truyền tải ứng suất từ nhựa sang sợi xảy ra ngoại trừ đầu cuối của sợi

• Do vậy, có thể giả định rằng đối với composite sợi dài, khi ứng suất tác động có hướng song song với phương dọc trục của sợi thì độ dãn dài của sợi và nhựa nền là giống nhau

• Composite sợi dài thường có tính năng cơ lý tốt hơn sợi ngắn

Phần II

Quá trình gia cường

Reinforcement processes

Stress transfer aspect ratio (STAR)

• Ứng suất dọc trục của sợi tăng

từ đầu sợi đến giữa sợi

• Stress transfer aspect ratio

• Khi tỉ lệ L/D quá bé thì ứng suất tác

động lên sợi không đạt được giá trị

cực đại

→ hiệu quả gia cường kém

• Khi tỷ lệ L/D lớn?

Ứng suất dọc trục của sợi

• Khi độ biến dạng của

composite tăng thì ứng suất

cực đại đặt lên sợi cũng tăng

nhưng sự phân bố ứng suất lên

sợi không đổi

• Khi ứng suất đặt lên sợi lớn

hơn độ bền kéo của sợi

→ sợi sẽ bị phá hủy (đứt)

• Đặt trong bối cảnh thực tế:

• Khi độ biến dạng của composite

tiếp tục tăng → sợi trong

composite đứt

• Khi sợi bị đứt tỷ lệ L/D của sợi

sẽ giảm

Chiều dài tới hạn của sợi (L c )

• Lf > Lc: Khi ứng suất tác động lên

composite tăng thì ứng suất đặt lên

sợi cũng tăng cho đến khi đạt đến độ

bền kéo cực đại → Sợi sẽ bị phá hủy

• Câu hỏi: Vậy đối với một sản phẩm

loại sợi nào là thích hợp??

• Đối với composite chứa sợi dài (Lf >> Lc), khi ứng suất đặt lên composite lớn hơn độ bền kéo của sợi:

Tỷ lệ L/D tới hạn của sợi

𝑆𝑐 = 𝐿𝑐

𝐷 =

𝛿𝑓𝑢2𝜏𝑖∗

𝛿𝑓𝑢: Độ bền kéo cực đại của sợi

𝜏𝑖∗ : Ứng suất kéo trượt tại bề mặt phân chia pha

• Ở độ bền và đường kính sợi xác định, độ dài tới hạn của sợi có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi 𝜏𝑖∗

→ Hiệu quả gia cường có thể được tăng cường thông qua việc xử lý

bề mặt của sợi (tăng độ bền liên kết nhựa-sợi, tăng 𝜏𝑖∗) mà không cần phải thay đổi chiều dài của sợi

Độ bền thực tế của sợi

• Độ bền của sợi trên có giống

nhau trên suốt chiều dài của

sợi?

• Trên thực tế sợi luôn chứa

khiếm khuyết (đặc biệt đối với

sợi tự nhiên) → độ bền không

giống nhau trên suốt chiều dài

trên sợi lanh, biểu hiện dưới ánh sáng phân cực

Sự phá hủy liên kết tại bề mặt tiếp xúc nhựa (Interfacial failure)

sợi-• Đầu cuối của sợi là nơi chịu ứng

suất kéo trượt tại bề mặt phân chia

pha cao nhất

• Nếu ứng suất kéo trượt vượt quá độ

bền lên kết nhựa-sợi → phá hủy liên

kết tại bề mặt phân chia pha

• Sau đó hiệu quả gia cường vẫn có

thể tồn tại dựa vào lực ma sát

nhựa-sợi

Sự phá hủy liên kết tại bề mặt tiếp xúc sợi-nhựa (Interfacial failure)

• Khi ứng suất đặt lên