Bố trí lắp đặt hệ thống. Tính thuỷ lực hệ thống đường ống dẫn

Thông gió và điều hoà không khí ra đời vào những năm cuối thế kỷ 19 và được phát triển mạnh từ những năm 30 của thế kỷ 20. Ngày nay, thông gió và điều hoà không khí đ• đóng góp một vai trò quan trọng trong đời sống dân sinh, trong kỹ thuật và nhiều nghành công nghiệp của các quốc gia trên thế giới. Đặc biệt đối với Việt Nam là một nước có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, vì vậy, ứng dụng kỹ thuật điều hoà không khí có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với đời sống của con người và sản xuất ở Việt Nam. Trước đây, do điều kiện kinh tế chưa cho phép nên việc ứng dụng kỹ thuật điều hoà không khí phục vụ các lĩnh vực này còn rất hạn chế. Trong thời gian gần đây, đi đôi với sự phát triển kinh tế của đất nước nhờ các chính sách đổi mới của Đảng và Nhà nước với mục tiêu công nghiệp hoá, hiện đại hoá, nhu cầu về kỹ thuật điều hoà không khí đang gia tăng mạnh mẽ. Các thiết bị điều hoà không khí đ• được nhập từ nhiều nước khác nhau với nhiều chủng loại đa dạng, hiện đại và một số loại đ• bắt đầu được tiến hành sản xuất lắp ráp trong nước. Có thể nói, hầu như trong tất cả các cao ốc văn phòng, khách sạn, nhà hàng, rạp chiếu bóng, nhà văn hoá, một số phân xưởng, bệnh viện… đ• và đang xây dựng đều được trang bị hệ thống điều hoà không khí nhằm tạo ra môi trường khí hậu thích nghi cho người sử dụng. Hiện nay, người dân việt nam chi phí cho nhu cầu về ngành lạnh và điều hoà không khí vẫn còn thấp so với các nước trong khu vực như Thái Lan, Singapo…, điều đó chứng tỏ đây là một ngành có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, Thông gió và điều hoà không khí đ• trở nên hết sức cấp thiết, đặc biệt đối với các ngành công nghệ cao, các công trình đặc biệt, hiện đại. Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp, tác giả được giao nhiệm vụ thiết kế hệ thống điều hoà không khí và bảo vệ môi trường không khí cho các phòng sạch của Trung tâm kỹ thuật Y tế cao cấp với nội dung cụ thể sau: 1. Vai trò của điều hoà không khí đối với công trình Trung tâm kỹ thuật y tế cao cấp. 2. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế hệ thống điều hoà không khí 3.Tính toán cân bằng nhiệt ẩm cho hệ thống điều hoà không khí. 4.Thành lập và tính toán sơ đồ điều hoà không khí. 5. Chọn máy và thiết bị chính. 6. Bố trí lắp đặt hệ thống. Tính thuỷ lực hệ thống đường ống dẫn.

Mục Lục

Mở Đầu 1

Phần I: Tổng quan về vật liệu composit 1

I-Khái Niệm 1

II- Lịch sử phát triển

1

III-Xu hớng phát triển 5

IV- Đặc điểm và phân loại 6 V-Vật liệu thành phần của composit 9

VI-Cấu trúc và tính chất của vật liệu composit 12

1-Cấu trúc 12

2-Một số yếu tố ảnh hởng đến tính chất của composit 14

VII-Các phơng pháp chế tạo vật liệu composit 22

PhầnII-Nghiên cứu thực nghiệm và kết quả 26

I-Nhiệm vụ nghiên cứu 26

II-Nghiên cứu thực nghiệm và kết quả 27

II.1-Phơng pháp nghiên cứu 27

II.2-Nghiên cứu quá trình nấu thuỷ tinh 30

II.3- Đo đạc tính chất thuỷ tinh 33

II.4- Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh .39

III.4.1- Sơ đồ tổng hợp vật liệu composit 39 II.4.2 Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh

và sợi Cr-Ni.43

II.4.3 Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷ tinh

và sợi Inox 46II.4.4 -Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷtinh và sợi SiC 48II.4.5- Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷtinh và gốm thuỷ tinh bền cơ cao 49II.4.6- Nghiên cứu khả năng tạo vật liệu composit của thuỷtinh và gốm

corun .50Phần III- Kết luận 51Tài Liệu Tham Khảo 52

Mở đầuVật liệu là một lĩnh vực quan trọng đối với đời sống vàsản xuất công nghiệp Mỗi một loại vật liệu đều có những -

u ,nhợc điểm riêng (ví dụ:vật liệu hữu cơ :nhẹ , bền, rẻ, dễgia công nhng không sử dụng đợc ở nhiệt độ cao; vật liệu vôcơ: chịu lực tốt, rẻ, có thể sử dụng đợc đợc ở khoảng nhiệt

độ rộng nhng kém bền, kết cấu nặng nề , khó gia công…)

Sự phát triên mạnh mẽ của công nghệ hiện đại dẫn tới nhu cầu

to lớn về những vật liệu đồng thời có nhiều tính chất cầnthiết mà các vật liệu truyến thông khi đứng riêng rẽ khôngthể có đợc.Vật liệu kết hợp hay composit ra đời vừa đáp ứngnhu cầu cấp bách đó, vừa là sản phẩm của những côngtrình nghiên cứu trong nửa sau thế kỷ XX nhằm khai thác,phát triển quy luật kết hợp – một quy luật phổ biến trong tựnhiên Ngày nay, vật liệu composit đã và đang thay thế dầncác vật liệu truyền thống nh: vật liệu vô cơ,hữu cơ, kim

loại…để chế tạo ra các chi tiết máy và kết cấu kể cả cáckết cấu chịu tải trọng lớn cũng nh các sản phẩm dân dụngkhác, trong đó có cả lĩnh vực y tế – một lĩnh vực còn mới mẻ

- đó là vật liệu composit y sinh

Vật iệu composit y sinh là một loại vật liệu không những

có khẳ năng dung nạp tốt trong cơ thể con ngời mà còn cókhẳ năng tạo ra mối liên kết trực tiếp kiểu sinh hóa giữa nó

và tế bào xơng cơ thể sống Vì vậy nó là loại vật liệu lý ởng để sữa chữa , thay thế các bộ phận xơng răng cơ thểcon ngời trong phẫu thuật chỉnh hình

t-Luận văn này có nhiệm vụ nghiên cứu tổng hợp vật liệu ,khảo sát tính chất và khả năng liên kết tạo vật liệu compositcủa thuỷ tinh có tính chất sinh học tốt với một số vật liệukhác nhau.các loại cốt khác nhau

Phần I : Tổng Quan Về Vật Liệu Composit

I Khái Niệm

Vật liệu composit (composit ) là vật liệu tổ hợp từ hai(hoặc nhiều) vật liệu có bản chất khác nhau Vật liệu tạothành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệuthành phần khi đứng riêng rẽ.[1]

II Lịch sử phát triển

Vật liệu composit đầu tiên đã xuất hiện cách đây hàngnghìn năm 5000 năm trớc công nguyên ngời cổ đại đã thêm

đá nghiền nhỏ hoặc những vật liệu nguồn gốc hữu cơ vào

đất sét để giảm độ co , cứt khi nung gạch hoặc đồ gốm ở

Ai cập khoảng 3000 năm TCN ngời ta đã làm vỏ thuyền bằnglau sậy đan tẩm bitum, nếu bỏ qua một số khái niệm thì

kỹ thuật đó cũng giống nh kỹ thuật làm tàu hiện đại từ chấtdẻo cốt thuỷ tinh hiện nay ở Việt Nam , thuyền tre đan trátsơn trộn mùn ca là một ví dụ về vật liệu composit [2]

Năm 1851, Nelson Goodyear đã dùng oxyt kẽm làm chất độncho elonit Năm 1920 , Bakeland đă dùng bột gỗ độn vàonhựa bakelit và John đã sử dụng xenlulo làm chất độn chocác loại nhựa [8]

Mặc dù đợc hình thành từ rất sớm , nhng việc chế tạo vậtliệu composit mới thực sự đợc chú ý khoảng 60 năm trở lại

đây Vào những năm 1930 Slayter đã đợc Ellis và Fosterdùng gia cờng cho polyeste không no Polyeste tăng cờngbằng sợi sợi thủy tinh đợc sử dụng trong ngành hàng khôngnăm 1938.[8] Năm 1944 đã sản xuất hàng nghìn chi tiếtbằng chất dẻo composit cho máy bay và tàu chiến phục vụ

đaị chiến thế giới lần thứ II.Năm 1950 chất lợng của vật liệupolyme composit đợc nâng cao nhờ sự ra đời của nhựaepoxy và hàng loạt sợi tăng cờng nh sợi cabon, sợi polyeste,nylon, aramit (kelva), sợi silic…

Từ năm 1970 đến nay , các chi tiết chế tạo từ compositcốt sợi đã đợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp , làm vậtliệu xây dựng và những ngành kỹ thuật cao [5]

Mặc dù vậy , việc nghiên cứu nâng cao chất lợng , cải thiệntính chất cơ lý , tính chất nhiệt , điện v.v…, mở rộng lĩnhvực ứng dụng của vật liệu này vẫn luôn đợc đợc đặt ra.

III- Xu hớng phát triển của vật liệu composit trong thời gian tới [2]

- Thay thế thép bằng vật liệu composit: Sự thay thế thépbằng các vật liệu mới có liên quan đến các tính chất đặcbiệt và bản chất vật lý của chúng Trong các vật rắn tinhthể , thép và các kim loại khác luôn tồn tại những sai lệch

đờng Số lợng của chúng lên tới nhiều tỷ trên 1cm3 , làm yếukim loại và không cho phép tăng độ bền của chúng lên mộtcách đáng kể, Nhờ những tính chất u việt , vật liệu polymecomposit cho phép đạt đợc độ bền nén lớn hơn nhiều so vớithép

- Chuyển vật liệu sang dạng sợi để tăng cờng độ bền : kếtquả nghiên cứu trong nhiều năm đã chứng tỏ khi chuyển vậtliệu ở dạng khối sang dạng sợi thì độ bền của chúng tăng lên Trong những sợi mảnh , độ bền đạt tới giá trị gần với lýthuyết và khi đó trong cấu trúc không quan sát thấy khuyếttật

-Đa dạng hoá nền polyme và chất tăng cờng : Trong nhữngnăm gần đây trên thế giới , cùng với những loại nhựa nhiệtrắn đã đợc sử dụng rộng rãi nh nhựa epoxy , polyeste không

no , phenolfomandehyt… ngời ta đã sử dụng rất có hiệu quảcác loại nhựa nhiệt dẻo nh PE, PP, polyamit, polycacbonat

-Phối hợp giữa các vật liệu polyme , nền kim loại và gốm.[2]

IV đặc điểm và phân loại vật liệu composit

1 Các đặc điểm chung.

- Là vật liệu nhiều pha Các pha tạo nên composit thờng rấtkhác nhau về mặt bản chất , không hoà tan lẫn nhau , phântách nhau bằng bề mặt phân chia pha Pha liên tục trongtoàn khối composit đợc gọi là nền (matrix), pha phân bố gián

đoạn , đợc nền bao bọc , quy định gọi là cốt (Hình 1.1)

l

- Trong composit thì tỷ lệ , hìnhdáng , kích thớc , cũng nh sự phân bố của nền và cốt tuântheo các quy định thiết kế trớc

- Tính chất của các pha thành phần đợc kết hợp để tạo nêntính chất chung của composit Tuy vậy tính chất củacomposit không bao hàm tất cả các tính chất của các phathành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong

đó những tính chất tốt và phát huy thêm [1]

* Cơ tính của vật liệu composit phụ thuộc vào :

+ Cơ tính của vật liệu thành phần

+ Luật phân bố hình học của vật liệu cốt

+ Tác dụng tơng hỗ giữa các vật liệu thành phần …[3]

2 Phân loại :

Để phân loại vật liệu composit ngời ta dựa vào các đặc

điểm chung của chúng :

- Theo bản chất của vật liệu nền : Composit nền polyme,gốm , graphit, kim loại ,hỗn hợp nhiều pha

NềnCốtHình 1.1: Vật liệu Composit

- Theo hình học cốt : Composit cốt hạt ( thô , mịn ) ,composit cốt sợi ( dài, ngắn ).

- Theo cấu trúc vật liệu : Composit tấm,lớp, tấm 3 lớp, khối ,

tổ ong…

- Theo phơng pháp chế tạo : Đúc,ép ,đúc phun, lăn tô …

- Theo phạm vi ứng dụng : Composit cao cấp, composit kỹthuật

2.1 Phân loại theo bản chất của vật liệu nền

* Nền kim loại :

Kim loại có độ bền, cứng, dẻo khá cao, có thể chịu đợcnhiệt độ cao hơn polyme trong môi trờng có oxy Vật liệucomposit nền kim loại có modun rất cao (~ 110 GPa ) ,nền

đòi hỏi sợi tăng cờng phải có modun cao Al, Mg, Ti, Cu đợcnghiên cứu ứng dụng làm nền composit hơn cả, đặc biệt cáckim loại nhẹ rất đợc a chuộng trong ngành hàng không

- Nền kim loại có một số u điểm so với nền polyme :

+ Kim loại nói chung dẻo , khá bền nên cải thiện chỉ tiêu cơ lýcủa polyme nh modun đàn hồi

+ Có độ dẫn điện, nhiệt cao hơn

+ Không bốc cháy, ít bị ảnh hởng của môi trờng ẩm

+Có tính đàn hồi nên trong một số trờng hợp dễ gia công,lắp ráp

- Nhợc điểm chính của nền kim loại là khối lợng riêng lớn.Công nghệ chế tạo composit nền kim loại phức tạp hơn rấtnhiều so với nền polyme và do vậy giá thành sản phẩm sẽ caohơn Chính điều này hạn chế việc lựa chọn và triển khaiứng dụng chúng trong công nghiệp

* Nền polyme:

Composit nền polyme chiếm khoảng 90 % trong tổng sốcác loại composit Nền polyme rất đợc a chuộng do có tỷtrọng thấp, cách điện, nhiệt tốt, dễ gia công Polyme dùnglàm nền có 2 loại:Nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo[1].

Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng : Polyetylen (PE) ,Polypropen (PP), Polystylen , Polyamit…[3]

Nhựa nhiệt rắn phổ biến nhất là : Epoxy, polyeste không no,phenolic, polyuretan…[3]

Thuỷ tinh vô cơ là vật liệu nhận đợc bằng cách làm nguộinhanh một hợp chất vô cơ từ trạng thái nóng chảy ở nhiệt độcao đến trạng thái rắn không kết tinh Quá trình này giống

nh đối với nhựa nhiệt dẻo nên có thể áp dụng các phơng phápgia công của nhạ nhiệt dẻo Thuỷ tinh có độ bền và modun

đàn hồi cao (~69GPa), độ dãn nở nhiệt thấp Nhờ tính chảytốt nên khi tăng nhiệt độ và áp lực ép thì hàm lợng sợi tăngcờng có thể tăng nhng không làm giảm độ bền vật liệu.[1]

*Nền cacbon/graphit:

Grafit là vật liệu chịu nhiệt rất tốt, cứng, bềnnhiệt(>2000oC ), điển hình là composit cacbon-cacbon Vậtliệu này đợc sử dụng nhiều trong ngành hàng không, hoá d-

ợc , y tế…[1]

2.2 Phân loại theo hình học cốt:

*Composit cốt hạt:

Có cấu tạo gồm các phân tử cốt dạng hạt đẳng trụcphân bố đều trong nền Các phân tử cốt rất đa dạng : Cácloại khoáng tự nhiên , oxyt, cacbit, nitrit

- Composit cốt hạt mịn : thờng có nền là kim loại hoặc hợpkim, cốt có kích thớc nhỏ ( < 0.1 m) thờng là các vật liệubền cứng , có tính ổn định nhiệt cao nh cacbit, nitrit Tơngtác nền cốt xảy ra ở mức vi mô với kích thớc nguyên tử , phântử

- Composit hạt thô : Nền có thể là polyme , kim loại hoặcgốm Cốt thờng đợc đa vào để cải thiện độ bền nén , kéo, uốn, độ chống mài mòn ,độ ổn định kích thớc , chịunhiệt… hoặc tạo ra một tính chất mới theo yêu cầu Tơng tácnền cốt không xảy ra ở mức nguyên tử , phân tử.[1]

đều thuộc composit kỹ thuật.[4]

*Composit cốt sợi có chiều dài trung bình:

Độ dài cốt sợi từ 10 đến 100 mm, thờng dùng cho nhựanhiệt rắn có thêm bột độn với hàm lợng khá lớn Phơng phápgia công thờng đợc sử dụng là phơng pháp ớt Sợi phải đợc

thấm ớt hoàn toàn để composit đạt đợc các tính chất caonhất Composit này cũng thuộc composit kỹ thuật.[4]

*Coposit cốt sợi dài:

Sợi này hay còn gọi là sợi liên tục thờng đợc dùng tăng cờngcho nhựa nhiệt rắn, chế tạo composit chất lơng cao Loạicomposit này có thể đợc chế tạo với nền là vô cơ , gốm , kimloại.[4]

3 Phân loại theo phạm vi ứng dụng:

Theo phạm vi ứng dụng thì composit đợc chia thành 2nhóm Hai nhóm này khác nhau chủ yếu ở loại sợi , chiều dàisợi tăng cờng và loại nhựa đợc sử dụng làm nền

Nhóm thứ nhất đợc gọi là composit tiên tiến (advancedcomposit ), đợc chế tạo từ các loại sợi dài và có độ bền cao.Nhựa nền cũng là các loại nhựa có đặc tính tốt , chịu nhiệt ,bền hoá học Composit chất lợng cao thờng đợc ứng dụngtrong ngành hàng không , vũ trụ (nh tên lửa , các bộ phận máybay), cũng nh các dụng cụ thể thao cao cấp (nh vợt tennis,gây chơi gol…), vật liệu y sinh ( sửa chữa, thay thế các bộphận răng, xơng cơ thể )

Nhóm thứ hai đợc gọi là composit kỹ thuật ( engineeringcomposit ) gồm các composit cốt sợi ngắn , có tính chất cơ lýthấp hơn Nhựa nền cũng có tính chất thấp hơn Các sảnphẩm làm từ composit kỹ thuật bao gồm : vỏ tàu , ca nô , otôbồn tắm , bể chứa…

V- Các vật liệu thành phần của composit

Thành phần chính của composit là nền và vật liệu tăngcờng(cốt) Ngoài ra còn có chất đóng rắn , chất độn và một

số chất màu (nếu cần).Vật liệu cốt giúp cho composit cókhả năng chịu lực cao hợn Vật liệu nền đóng vai trò liên kếtvật liệu cốt với nhau và truyền lực cơ học tới chúng , cũng nhbảo vệ cốt chống chọi với môi trờng xung quanh.[3]

1 Cốt

Trong toàn khối composit xét về mặt sắp xếp thì cốtphân bố không liên tục Về mặt bản chất cốt có thể rất đadạng tuỳ thuộc vào tính chất của composit cần chế tạo.Trong thực tế cốt có thể bằng kim loại ( thép không rỉ,vofram, molipden…) , bằng chất vô cơ ( bo , cacbon , thuỷtinh , gốm…) và bằng chất hữu cơ ( polyamit thơm, nhựaepoxy…) [1]

Hình dạng, kích thớc, hàm lợng và sự phân bố cốt là nhữngyếu tố ảnh hởng mạnh đến tính chất của composit

Một số dạng thức phân bố cốt trong không gian : cốt hoá mộtchiều (tuyến tính ), cốt hoá hai chiều ( mặt), cốt hoá bachiều ( khối)

Về đặc tính của từng loại cốt xem phần 2.2

2 Nền [1]

Trong composit nền đóng vai trò chủ yếu sau đây:

- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối thống nhất

- Tạo khả năng để tiến hành các phơng pháp gia công vậtliệu composit thành các chi tiết theo thiết kế

- Che phủ , bảo vệ cốt tránh các h hỏng cơ học và hoá học dotác dụng của môi trờng ngoài

Nền có thể là các vật liệu rất khác nhau Về cơ bản ngời ta

có thể phân loại nền thành 4 nhóm :polyme , kim koại , gốm

và hỗn hợp Đặc tính của từng loại nền xem phần 2.1

3 Tơng tác giữa nền và cốt

Nền và cốt đợc kết hợp thành khối composit thống nhấtthông qua liên kết tại vùng ranh giới pha.Về nguyên tắc giữanền và cốt trong khối composit ở điều kiện làm việc bìnhthờng không xảy ra hiện tợng khuếch tán hoà tan lẫnnhau.Tuy vậy tuỳ thuộc vào qui trình công nghệ chế tạo ,hệthống có thể trải qua các trạng thái nhiệt độ , áp suất caothuận lợi về mặt nhiệt động học cho các tơng tác khác nhaugiữa nền và cốt xảy ra.[1]

VD : Các composit Al-B, SiC-Al …

- Nền và cốt tơng tác tạo dung dịch rắn với độ hoà tan rấtnhỏ và không tạo hợp chất hoá học

VD: Các composit :Nb-W, Ni- W…

- Nền và cốt tơng tác với nhau tạo hợp chất hoá học

VD: Các composit :Al-SiO2 , Ti-Al2O3, Ti-SiC…

Tuỳ thuộc vào dạng tơng tác , giữa nền và cốt sẽ hìnhthành mối liên kết nhất định Độ bền của composit chịu

ảnh hởng rất mạnh vào độ bền liên kết cốt- nền

3.2 Các kiểu kiên kết giữa cốt – nền [1]

Trong vật liệu composit , tồn tại 6 kiểu liên kết cơ bảnsau:

*Liên kết cơ học (hình vẽ 1.2a ):

Liên kết này thực hiện nhờ khớp nối thuần tuý cơ họcgiữa nền và cốt thông qua độ mấp mô bề mặt hpặc do lực

ma sát

*Liên kết nhờ thấm ớt (hình vẽ 1.2b):

Liên kết này thực hiện nhờ năng lợng sức căng bề mặt

Đối với các composit tạo ra kiểu liên kết cơ học , khi tiến hànhquy trình chế tạo , nếu pha nền dợc nung chảy và thấm ớt vớicốt thì bao giờ cũng xảy ra quá trình khuếch tán hoà tan lẫnnhau giữa chúng dù là rất nhỏ.Sức căng bề mặt trên ranh giớinền- cốt sau khi pha nền đông đặc chính là yếu tố quyết

định của kiểu liên kết sau này

*Liên kết phản ứng (hình vẽ 1.2c)

Liên kết phản ứng xuất hiện khi trên ranh giới nền- cốtxảy ra tạo phản ứng tạo hợp chất hoá học dạng mfx Đặc tínhcủa hợp chất mới tạo thành này ảnh hởng quyết định đến

độ bền liên kết giữa cốt và nền

*Liên kết phản ứng phân đoạn (hình vẽ1.2d)

Đặc điểm của kiên kết này là phản ứng tổng thể xảy ratheo nhiều giai đoạn , trong đó có một giai đoạn không chếtốc độ tạo ra liên kết

*Liên kết oxyt (hình vẽ 1.2e)

Liên kết trong composit dạng này thực hiện do tạo ra cácsản phẩm phản ứng ở dạng màng oxyt (Mox)

*Liên kết hỗn hợp

1 Cấu trúc vật liệu composit

Xét về mặt cấu trúc , vật liệu composit đợc chia thànhmột số loại nh sau:composit nhiều lớp , composit ba lớp

1.1 Composit nhiều lớp

Vật liệu đợc tổ hợp từ các lớp sợi hay vải đồng phơng ;phơng của sợi hoặc vải trong mỗi lớp không nhất thiết phảigiống nhau ( hình vẽ 1.3 )

Hình 1.2: Các kiểu liên kết giữa

nền và cốt

Lớ p mặt

Lớ p lõi

Vật liệu cốt của mỗi lớp vật liệu có bản chất rất khác nhau: có thể là xơ , vải thuỷ tinh , cacbon…Việc lựa chọn vật liệucốt của các lớp vật liệu phụ thuộc vào ngời sử dụng sao chothoả mãn cao nhất tính chất bền , cứng … khi chịu tải trọng Nếu so sánh các kiểu sắp xếp của vật liệu cốt , ta thấy:

-Các lớp đồng phơng cho cơ tính cao theo phơng của sợi.-Các lớp “mat”(sợi rối) chịu kéo kém, do đó nên bố trí tạivùng chịu nén

-Vật liệu composit lớp vuông dễ bị tách lớp

-Khi tăng cờng theo cả 3 phơng, ta sẽ đợc vật liệu

á-đẳng hớng [3]

1.2 Vật liệu composit “ba lớp”(hình 1.4) [3]

Vật liệu composit “ba lớp” gồm có:

-Lõi ( vật liệu hoặc kết cấu nhẹ nhng chịu nén tốt)

-2 lớp vỏ ( có khả năng chịu nén cao)

Việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào mục đích của ngời

sử dụng và điều kiện của ngời làm việc( chế độ nhiệt, môitrờng, giá thành )

Ngời ta hay sử dụng các loại vật liệu sau:

+Lõi đặc bằng: gỗ hoặc bông tấc, mút, chất dẻo tăng ờng bởi các vibi bông thuỷ tinh

c-+Lõi rỗng hoặc tổ ong bằng: hợp kim nhẹ, giấy tẩmnhựa, giấy polyamit…

+ Vỏ là vật liệu nhiều lớp ( thuỷ tinh, cacbon…) hoặc tấmhợp kim nhẹ

2 Một số yếu tố ảnh hởng tới tính chất của composit cốt sợi:

Tính chất của composit phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bảnchất của vật liệu cốt và nền, độ bền liên kết nền-cốt trênranh giới, sự phân bố và định hớng sợi, kích thớc- hình dạngcủa cốt, tỷ lệ nền-cốt ( tỷ lệ thể tích và tỷ lệ khối lợng) [1]

2.1 Tỷ lệ nền-cốt [3]

Tỷ lệ tơng đối của vật liệu cốt và vật liệu nền là mộtyếu tố quan trọng bậc nhất, nó quyết định cơ tính của vậtliệu composit Tỷ lệ này có thể biểu diễn qua tỷ lệ thểtích hoặc tỷ lệ khối lợng

Với Vn = 1- Vs, do đó vc = vs + vn

* Tỷ lệ khối lợng (M i ):

Từ khối lợng của composit (mc), khối lợng sợi (ms) và khối ợng vật liệu nền (mn), ngời ta cũng định nghĩa tỷ lệ khối l-ợng tơng tự nh trên

l-Giữa khối lợng và thể tích có quan hệ:

mc = vc.c; ms = vs.s; mn = vn.n; ( trong đó i là khốilợng riêng)

Khối lợng tổng cộng của vật liệu composit là:

2.2 ảnh hởng của yếu tố hình học sợi đến tính tính chất của composit [1]

và 3 chiều tơng ứng vuông góc ( hình vẽ1.5d)

Hình 1.5 : Sơ đồ phân bố cốt sợi

a) Một chiều song song

b) Ngẫu nhiên, rối trong một mặt

c) Dệt hai chiều vuông góc trong một mặt

d) Đan , quấn ba chiều vuông góc

Độ bền của composit cốt sợi một phơng theo phơngvuông góc với trục cốt rất nhỏ Trờng hợp phân bố theo kiểunhiều phơng (dạng “mat” hoặc dệt 2 chiều) thì độ bềnkéo sẽ nhỏ nhất theo chiều vuông góc với mặt phân bố sợi.Nếu sợi đợc quấn theo 3 chiều vuông góc thì composit sẽ có

độ bền đồng thời lớn nhất theo cả 3 chiều tơng ứng đó.Yếu tố hình học của sợi bao gồm hình dáng, kích thớcchiều dài và đờng kính có ảnh hởng rất lớn đến tính chấtcủa composit

Dới đây ta sẽ phân tích tính chất của các composit cốtsợi một phơng khi thay đổi yếu tố hình học của sợi.

2.2.1 Cốt sợi liên tục ( Độ dài cốt sợi vô tận) [1]

Để tiến hành phân tích, giả thiết composit khảo sát thảomãn một số điều kiện sau:

-Cốt sợi dài vô tận, phân bố đếu và định hớng theo mộtchiếu song song

-Thành phần và tổ chức vật liệu nền, cốt phải hoàn toàn

đông nhất

-Liên kết nền- cốt đợc thực hiện 1 cách hoàn hảo, đảmbảo sự biến dạng của cốt và nền xảy ra đồng thời, tơng hợpcho đến khi phá huỷ, tức là: composit = nền = sợi

Khi đặt tải trọng theo chiều song song với trục sợi, từ

điều kiện liên kết hoàn hảo giữa nền và cốt ta có: (hình vẽ1.6)

Khi giá trị n nằm trong vùng đàn hồi của đờng congkéo, có giá trị bằng modun đàn hồi của nền En.

Vậy trong vùng đàn hồi, biểu thức (4) có dạng:

Ec = Vs.Es + Vn.En (5)

Kết hợp (1) với (5) ta đợc: (6)

Đối với composit có nền dẻo tốt hơn bao giờ cũng tồn tạimột giá trị ứng với các giá trị Vs < sự phá huỷ các sợicốt không dẫn tới sự phá huỷ tức khắc vật liệu composit.Trong trờng hợp này, hàm lợng quá nhỏ của cốt đã không đủ

để gây ra hiệu ứng hoá bền Nếu đặt tải trọng vào mẫucomposit thì toàn bộ tải sẽ tác dụng lên nền và làm mẫu biếndạng Quá trình biến dạng đồng thời của cốt sợi và nền xảy

ra cho tận đến khi độ dãn dài của mẫu bằng độ dãn dài pháhuỷ của sợi (sợi) Lúc này, nếu lực vẫn tiếp tục tác dụng thìtoàn bộ số sợi ít ỏi sẽ bị phá huỷ ( đứt) Tuy vậy, mẫu vẫntiếp tục biến dạng và sự phá huỷ cuối cùng chỉ xảy ra khi độbiến dạng mẫu đạt tới giá trị độ biến dạng phá huỷ của nền(n)

Nh vậy, độ bền kéo của composit ứng với Vs < bằng

độ bền kéo của nền nhân với phần trăm thể tích của nóchiếm, tức là:

(b)c = (1- Vs) (b)n (7)

Để các cốt sợi phát huy vai trò hoá bền của chúng, hàm ợng cốt ít nhất cần phải đạt giá trị tới hạn Bắt đầu từhàm lợng cốt tới hạn này giới hạn bền kéo của composit sẽbằng và vợt quá giới hạn bền kéo của nền, tức là

l-(b)c >(b)n (8)

BiÓu th

øc (2.3)

Sợ i Nền

c)

b) a)

d)

Sợi

Com

pozit

Nền

b

s c b



n b

s b c b

Đờng cong biến dạng kéo

của composit cốt sợi nền dẻo

Nhận xét:

Trong cả 2 trờng hợp, nền dẻo cũng nh nền giòn, độ dàiphá huỷ của composit hoàn toàn phụ thuộc vào độ dãn dàiphá huỷ của sợi

2.2.2 Độ dài cốt sợi có hạn [1]

Trong thực tế các sợi cốt thờng có chiều dài giới hạn, dovậy cần phải tính đến “hiệu ứng đầu mút” Đó là hiệu ứngphụ thuộc vào yếu tố hình học sợi cốt, gây ảnh hởng rấtmạnh đến độ bền của composit ( hình vẽ 1.8)

Đờng cong biến dạng kéo của composit cốt sợi nền giòn với V s >V s

Hình 1.8: Sơ

đồ biến dạng nền khi đặt tải trọng vào

Từ hình vẽ trên ta thấy, dới tác dụng của ứng suất đặtvào, sự biến dạng của nền dừng lại ở đầu mút sợi Điều nàycũng có nghĩa là tại vùng đầu mút sợi, hiện tợng truyền tải từnền sang cốt không xảy ra Nếu sợi ngắn quá ( nhỏ hơn độdài tới hạn Lth) thì dù cờng độ của lực tác dụng lên mẫucomposit có tăng lên bao nhiêu đi chăng nữa ứng suấttruyền sang cốt cũng không thể vợt quá giới hạn bền của sợi

để phá đứt nó Lúc này chỉ có thể xảy ra khả năng là khi ờng độ lực tác dụng đủ lớn, vợt quá giới hạn cho phép, nó sẽkéo nguyên vẹn sợi cốt tuột ra khỏi nền Nh vây độ bền cácsợi cốt không đợc tận đụng và kết quả là composit rất kémbền Chỉ trong trờng hợp chiều dài sợi vợt quá độ dài tới hạnthì nó mới bị phá huỷ trong mẫu composit khi lực tác dụng vợtquá giới hạn cho phép và lúc này vai trò hoá bền của sợi cốt mới

c-đợc phát huy

2.3 ảnh hởng của định hớng cốt sợi [1]

Do đặc điểm phân bố của sợi trong nền, tính dị hớngcủa composit cốt sợi thể hiện rất rõ rệt Vì vậy, cơ tính củacomposit loại này phụ thuộc rất mạnh vào sự định hớng củasợi so với chiều ứng suất đặt vào

Dới đây ta chỉ khảo sát một số trờng hợp đặc trng

2.3.1 composit cốt sợi liên tục.

Khảo sát trờng hợp mẫu composit có hàm lợng cốt bằng

Vs, chịu tác dụng của ứng suất theo chiều vuông góc với cốt

nh hình vẽ sau: z

Z

Sö dông ph¬ng ph¸p m« h×nh t¬ng tù ta kh¶o s¸tcomposit nµy th«ng qua mÉu h×nh khèi chiÒu réng lo Khèinµy gåm 2 líp: líp nÒn cã chiÒu dµy (1-Vs).lo vµ líp sîi cã chiÒudµy Vs.lo.

øng suÊt y t¸c dông lªn composit còng lµ øng suÊt t¸c dônglªn nÒn vµ lªn sîi Díi t¸c dông cña øng suÊt nµy, mÉucomposit bÞ biÕn d¹ng mét ®o¹n b»ng l Ta cã:

Biểu thức quy tắc hỗn hợp đối với mudun đàn hồi đợcbiểu thị nh sau:

Ec = k.Es.Vs + En.Vn (1)

Trong đó:

k: là tham số hiệu quả hoá bền, giá trị của nó phụ thuốcvào Vs, và tỷ lệ , dao động trong khoảng 0,1-0,6

Bảng sau trình bày tham số hiệu quả hoá bền của một

số composit sợi ngắn ứng với các trờng hợp định hớng khácnhau giữa sợi và ứng suất:

Tất cả các sợi song song Song song với sợi

Vuông góc với sợi

10Phân bố ngẫu nhiên,

Nhờ những u điểm lớn nh tạo hình dễ dàng các chi tiếtphức tạp, giá thành sản phẩm thấp, quy trình công nghệ chếtạo vừa phải dễ cập nhật, ngày nay composit cốt sợi ngắn (có

định hớng hoặc ngẫu nhiên) đã trở thành một trong nhữngvật liệu mới đợc đặc biệt chú ý nghiên cứu chế tạo và ứngdụng

VI Các phơng pháp chế tạo vật liệu composit

VI.1 Một số phơng pháp chế tạo vật liệu composit vô cơ

1 Nấu chảy kim loại nền sau đó rót vào khuôn chứa cốt.

Nội dung phơng pháp:

-Đa các sợi cốt composit vào khuôn

-Nấu chảy kim loại nền rồi rót vào khuôn

Nhợc điểm của phơng pháp này là khả năng bám dính củakim loại nền vào sợi cốt bị hạn chế

2 Phơng pháp bột.

Kim loại nền đợc chuẩn bị ở dạng bột Sợi cốt đợc trộn lẫnvới kim loại ở dạng bột thành hỗn hợp Hỗn hợp này đợc ép vàthiêu kết để tạo ra composit

Nhợc điểm của phơng pháp này là quá trình ép có thể

ảnh hởng xấu tới tính chất của sợi cốt

Trớc khi trộn sợi cốt và bột kim loại nền đợc nung nóng trớc

u điểm của phơng pháp này là khắc phục đợc lớp phân cáchgiữa cốt và nền

5 Phơng pháp phun phủ.

Sợi cốt trớc khi đem trộn đợc tiến hành phun phủ một lớpkim loại mỏng bên ngoài Lớp phủ có tác dụng làm thay đổitính chất bề mặt của sợi cốt

VI.2 Một số phơng pháp chế tạo vật liệu composit hữu

cơ.[3]

1.Đúc không áp lực

Đúc nguội, không cần ép là kỹ thuật đơn giản cho phépchế tạo các chi tiết bằng vật liệu composit sợi thuỷ tinh.

1.3.Đúc chân không.

Gồm có:

- Đúc chân không dạng túi: khuôn đợc làm bằng vật liệucứng, trớc tiên tạo lớp lót, sau đặt cốt vải và cấp nhựa Bơmchân không làm giảm áp suất giúp cho nhựa đợc trải đều và

đẩy bọt khí ra khỏi nhựa

- Đúc hút: Vật liệu cốt và nền đợc hút vào trong khoảngtrống giữa 2 chi tiết khuôn đúc: khuôn trên và khuôn dới

Phơng pháp này cho phép tạo những chi tiết tròn xoay vàdạng côn

2 Đúc áp lực( đúc ép)

2.1.Đúc phun nhựa

Vải đơc đăt giữa 2 chi tiết khuôn đúc, phun nhựa nhờ

áp lực, nhựa thấm vào cốt

2.2 Đúc nguội nhờ áp lực.

áp lực đúc nhỏ hơn 5 atm, không cần sấy nóng khuôn

đúc Vật liệu cốt và nhựa đợc đặt vào khuôn đúc đã có lớplót và phụ gia giúp cho việc dỡ khuôn dễ dàng Đóng khuôntrên và khuôn dới rồi ép

2.3 Đúc có nhiệt độ.

Vật liệu cốt( sợi rối, sợi ngắn hoặc dài, vải ) đợc đặt vàokhuôn nóng Ngời ta cũng có thể ép nguội sau đó ép nóng d-

ới tải trọng và ở nhiệt độ xác định

Giải pháp này cho phép sử dụng một tỷ lệ khối lợng vật liệucốt khá cao, do đó vật liệu tạo ra có cơ tính cao

4 Kéo định hình

Phơng pháp này đợc sử dụng để chế tạo các tấm dạngphẳng hoặc cong, tiết diện không thay đổi và có độ bềncao

Vật liệu cốt đợc đi qua bể chứa nhựa và đợc tẩm thấm ở

đấy Sau đó vật liệu cốt đi qua khuôn chuốt đã sấy nóngtrong lò Quá trình tạo hình xảy ra đồng thời với quá trìnhpolyme hóa của nhựa

5 Đúc ly tâm

Phơng pháp này thờng để chế tạo các chi tiết tròn xoay:ống, thùng…Ngời ta đa vật liệu cốt ( mat, sợi ngắn) và nhựavào khuôn đúc bằng thép cứng sau đó cho khuôn đúc quay(~2000 vòng/phút) Các chi tiết chế tạo bằng đúc ly tâm cómặt ngoài bóng và đều

6 Phơng pháp quấn ống

Vật liệu cốt( sợi dài, băng tải…) đã đợc tẩm nhựa có xúc tác

đợc quấn với lực căng nhỏ trên một tang hình trụ hoặc trònxoay

Phơng pháp này rất phù hợp với các chi tiết , kết cấu mặttrụ và cầu vật liệu thu đợc có cơ tính cao vì nó có thể chứa

80 % khối lợng là chất tăng cờng (cốt)

Phần II-Nghiên cứu thực nghiệm và kết quả

I-Nhiệm vụ nghiên cứu

Trong khuôn khổ của một bản luận án tốt nghiệp đại học ,bản luận án này có nhiệm vụ nghiên cứu tổng hợp vật liệu,khảo sát tính chất và khả năng liên kết tạo vật liệu compositcủa một loại thuỷ tinh có tính chất sinh học tốt với một số vậtliệu khác nhau

Thuỷ tinh đợc lựa chọn nghiên cứu thuộc hệ :

Na2O-CaO-P2O5-SiO2Trên cơ sở thành phần hoá học thích hợp và có chứa P2O5 ,thuỷ tinh này có khả năng tơng tác sinh học cao khi đợc cấyghép vào cơ thể sống Tuy nhiên hệ thuỷ tinh này có nhợc

điểm là độ bền cơ thấp Vì vậy nó ít khi đợc sử dụng độc