Nghiên cứu công nghệ đúc chân không và tính toán kết cấu vật liệu composite bằng phương pháp phần tử hữu hạn

HCM, ngày 14 tháng 02 năm 20011 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ONG KIẾN THÀNH Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10 - 06 - 1981 Nơi sinh: An Giang Chuyên ngành: Công nghệ chế

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS PHAN ĐÌNH HUẤN

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM, ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ bao gồm: (ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp HCM, ngày 14 tháng 02 năm 20011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: ONG KIẾN THÀNH Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 10 - 06 - 1981 Nơi sinh: An Giang Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy MSHV: 00408248

I- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu công nghệ đúc chân không và tính toán kết cấu vật

liệu composite bằng phương pháp phần tử hữu hạn

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tổng quan tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu composite trên thế giới và ở Việt Nam

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về cơ học vật liệu composite

- Thực nghiệm chế tạo và xác định cơ tính mẫu kéo

- Nghiên cứu lý thuyết công nghệ đúc chân không

- Tính toán kết cấu vật liệu composite cơ bản, kiểm chứng kết quả

- Kết luận và hướng phát triển của đề tài

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 14 tháng 02 năm 2011

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 06 tháng 12 năm 2011

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHAN ĐÌNH HUẤN

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Đình Huấn đã tận tình hướng dẫn, có những sự truyền đạt quý giá trong quá trình thực hiện đề tài

Cảm ơn thầy Huỳnh Văn Quang cùng các cán bộ giảng dạy thực hành xưởng Cơ khí trường Đại học Công nghiệp Tp HCM đã tạo điều kiện và giúp đỡ trong quá trình thực nghiệm

Cảm ơn sự động viên, khuyến khích từ gia đình, và cuối cùng là người bạn Lưu Kim Hoa, lời cảm ơn cho sự sẻ chia trong lúc khó khăn

Nội dung chính của luận văn bao gồm các phần sau:

Chương 1:

Trình bày tổng quan về vật liệu composite (bao gồm khái niệm, phân loại, cấu tạo, ưu điểm và ứng dụng của nó), sơ lược về lịch sử và tình hình phát triển của loại vật liệu này, mục tiêu và nội dung thực hiện của luận văn

Chương 2:

Trình bày các công đoạn của quá trình chế tạo vật liệu composite, khái quát về các phương pháp tạo sản phẩm bằng vật liệu composite, cuối cùng là phần tham khảo để lựa chọn công nghệ

Chương 3:

Trình bày lý thuyết công nghệ đúc chân không bao gồm khái niệm, các thiết bị và dụng cụ sử dụng trong công nghệ, quy trình thao tác, ưu nhược điểm của công nghệ này

Bảng 1.1: Cơ tính của một số vật liệu dạng sợi 9

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại composite 1

Hình 1.11: Compozit sợi lanh/nhựa polypropylen thay thế

composite sợi thủy tinh trong một số bộ phận phần thân

Hình 1.12: Tàu du lịch vỏ composite trọng tải 80 tấn (Việt Nam) 18

Hình 1.13: Các bộ phân làm bằng composite trong máy bay Airbus A380 18

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý phương pháp tạo lớp liên tục 30

Hình 2.8: Các dạng chi tiết điển hình trong thiết kế các sản phẩm composite 36

Hình 3.2: Mô hình túi chân không trước và sau khi bơm hoạt động 38 Hình 3.3: Bơm chân không 07061-40 (Công ty GAST – Mỹ) 39

Hình 4.1: Mẫu để xác định cơ tính vật liệu đẳng hướng và trực hướng 46

Hình 4.3: Mô hình 3D khung máy hút chân không 51 Hình 4.4: Mô hình chế tạo khung máy hút chân không 52

Hình 6.7: Tấm composite 0 0 0 0

Hình 6.8: Dầm composite 0 0 0 0

PHẦN I NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐÚC CHÂN KHÔNG

1.1.4 Ưu điểm chủ yếu của vật liệu composite 16

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO COMPOSITE

2.1 Các công đoạn của quá trình chế tạo vật liệu composite 23

2.2 Khái quát về các phương pháp tạo sản phẩm bằng vật liệu composite 24

2.2.4 Đúc chuyển resin có sự trợ giúp của chân không

VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding) 29 2.2.5 Ép phun (Injection Moulding Thermoplastics) 29 2.2.6 Tạo lớp liên tục (Continous Laminating) 30 2.2.7 Tạo sản phẩm bằng cách đan sợi (Filament Winding) 31

3.5 Giới thiệu quá trình đúc chân không của công ty West System (Mỹ) 45

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU

4.2 Chế tạo sản phẩm bằng máy hút chân không 51

PHẦN II TÍNH TOÁN KẾT CẤU VẬT LIỆU COMPOSITE

CHƯƠNG 5 CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE

5.3 Xác định cơ tính mẫu theo lý thuyết 63

6.2.2 Trình tự phân tích bài toán theo PPPTHH 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

PHỤ LỤC

Phụ lục 3: Chế tạo chi tiết bánh lái (rudder) của thuyền

(quy trình chế tạo của công ty West System-Mỹ) 118 Phụ lục 4: Bản vẽ lắp và bản vẽ tách 2D khung máy hút chân không 121 Phụ lục 5.1: Các bước cài đặt thông số kéo mẫu trên phần mềm

Phụ lục 5.2: Biểu đồ lực kéo-chuyển vị của các mẫu

ở những trường hợp và bảng thông số kết quả 126 Phụ lục 6.1a: Sử dụng phần mềm ANSYS tính kết cấu tấm composite

Phụ lục 6.1b: Sử dụng phần mềm ANSYS tính kết cấu tấm composite

Phụ lục 6.2a: Sử dụng phần mềm ANSYS tính kết cấu dầm composite

Phụ lục 6.2b: Sử dụng phần mềm ANSYS tính kết cấu dầm composite

1.1.2 Phân loại

Theo bản chất của vật liệu nền:

- Vật liệu composite nền chất dẻo

- Vật liệu composite nền kim loại

- Vật liệu composite nền vô cơ (gồm nền cacbon và nền gốm)

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại composite

Trong kỹ thuật, ta thường gặp các loại vật liệu composite sau:

- Vật liệu composite “mat”: sợi được chặt vụn và phân bố ngẫu nhiên trong một mặt phẳng

- Vật liệu composite đồng phương: được cấu tạo từ các sợi song song theo một phương nào đó

+ Vật liệu composite đồng phương đúng trục: khi phương của sợi hoặc phương cơ bản, phương 1 trong hệ tọa độ vật liệu (1,2,3) trùng với phương x trong

hệ tọa độ kết cấu (x,y,z)

- Vật liệu composite nhiều lớp đẳng hướng ngang: được cấu tạo từ các lớp

composite sợi đồng phương

Hình 1.4: Composite nhiều lớp đẳng hướng ngang

- Vật liệu composite nhiều lớp trực hướng: được cấu tạo từ các lớp composite đồng phương hoặc các lớp composite cốt vải Các lớp vải được dệt từ các sợi đồng phương vuông góc với nhau: sợi theo phương dọc (phương cơ bản) và sợi theo phương ngang Các lớp này có 3 mặt phẳng đối xứng và trực giao từng đôi một, vì vậy chúng tạo thành một vật liệu trực hướng

Hình 1.5: Composite nhiều lớp trực hướng

Khi phương của cốt (sợi) trùng hoặc vuông góc với phương của trục qui chiếu hay phương tải trọng tác dụng (θ = 0 hoặc 0 0

90 ) ta có composite đúng trục; khi phương sợi không trùng hoặc không vuông góc với phương của trục qui chiếu hay phương tải trọng tác dụng(θ = 0 hoặc 0 0

90 ) ta có composite lệch trục

Định nghĩa “laminate” và cách ghi ký hiệu laminate

Lớp vật liệu composite mỏng, tạo ra sau phản ứng hóa học, có các tính năng cơ học xác định sẽ là lớp cơ bản để tạo nên vật liệu ứng dụng trong kỹ thuật Lớp vật liệu này được gọi là lớp, từ tiếng Anh là “ply” hoặc “lamina”, vật liệu gia công theo phương pháp trát lớp sẽ gọi là laminate Và như vậy vật liệu với tên gọi laminate sẽ bao gồm ít nhất từ hai lớp trở lên

Quy ước ghi ký hiệu laminate Ký hiệu này phụ thuộc vào sự đặt trục tọa độ 0xyz

- Ký hiệu lớp nằm giữa hai dấu ngoặc kép “[“ và “]”

- Hướng của mỗi lớp là góc hợp bởi hướng sợi và trục 0x

- Giữa hai lớp ngăn cách nhau bởi dấu “/”

- Nếu hai lớp kề nhau có hướng sợi giống nhau thì sử dụng chỉ số để thể hiện

Ký hiệu vật liệu composite nhiều lớp:

Ký hiệu: 30/90 /45/0/452

Hình 1.6: Các lớp trong laminate

Ký hiệu: 30/90/-45/0/45

Hình 1.7: Ký hiệu laminate theo định hướng trục 0z hướng lên

Các ví dụ ghi ký hiệu vật liệu laminate:

Ký hiệu: ±45/  30/0 Ký hiệu: 45/0/-60 /302

- Nếu nhiều lớp đối xứng qua mặt trung hòa

Ký hiệu: 0 /±45 /90G C C 2 (G: glass, C:cacbon, K: Kevlar)

1.1.3 Cấu tạo của vật liệu composite

1.1.3.1 Cốt

a Cốt sợi

Sự phân bố và định hướng sợi

Có nhiều kiểu phân bố và định hướng sợi Do vật liệu làm cốt bao giờ cũng bền, cứng hơn nền, nên theo phương pháp cốt sợi, composite thể hiện độ bền cao hơn các phương pháp khác

Hình 1.8: Sơ đồ phân bố và định hướng cốt sợi

- Khi các sợi phân bố song song với nhau theo một phương nào đó, độ bền theo phương dọc sợi sẽ cao hơn hẳn phương vuông góc với nó, kiểu này được gọi là một chiều

- Khi cùng phân bố trên một mặt song song theo hai phương vuông góc với nhau như vải thì khi thử theo hai phương pháp dọc trục sợi, độ bền nhận được là cao hơn

cả, kiểu này được gọi là kiểu dệt

- Khi sợi phân bố trải trên một mặt nhưng không định hướng, nhiều phương (rối), có tính ngẫu nhiên sẽ làm cho composite có tính đẳng hướng

- Khi sợi phân bố (đan, quấn) và định hướng theo ba phương vuông góc với nhau thì composite có độ bền lớn nhất theo cả ba phương tương ứng

Tuy nhiên điều được người ta quan tâm hơn cả có ảnh hưởng đến cơ tính của composite cốt sợi là yếu tố hình học của sợi: Chiều dài và đường kính hay tỷ lệ giữa chúng

Ảnh hưởng của chiều dài sợi

- Người ta đã tính được rằng khi chiều dài bằng hay dài hơn một chiều dài tới hạn l c mới làm tăng một cách có hiệu quả độ bền và độ cứng vững của composite

b fc

m

l = τ

τ : giới hạn chảy cắt của nền

Khi l > 15lc: composite là sợi cốt liên tục hay dài

Khi l < 15lc: composite là sợi cốt không liên tục hay ngắn

Kích thước và vật liệu làm cốt sợi

Với cùng vật liệu, do xác suất có mặt các khuyết tật (ví dụ các vết nứt nhỏ) trên

bề mặt sợi nhỏ sẽ thấp hơn sợi to, vì vậy sợi càng nhỏ có độ bền càng cao Đây là đặc điểm rất quan trọng để các nhà công nghệ quan tâm trước khi lựa chọn sợi cốt Dựa vào đường kính và đặc tính, người ta phân cốt sợi ra thành ba loại: râu, sợi và dây nhỏ

- Râu (râu đơn tinh thể-whiskers) là loại sản phẩm có đường kính rất nhỏ (1-2μm), tỷ lệ chiều dài trên đường kính rất lợn (khoảng trên nghìn lần) Do kích thước nhỏ, các đơn tinh thể có mức độ hoàn thiện tinh thể rất cao và không có nứt, rỗng nên có độ bền rất cao (gần bằng độ bền lý thuyết) Tuy nhiên râu vẫn chưa sử dụng rộng rãi vì quá đắt và khó gắn kết vào Vật liệu chế tạo râu có thể là grafit,

3 2 3

SiC, Si N, Al O

- Sợi được sản xuất bằng công nghệ kéo, chuốt Chúng có thể là đa tinh thể hoặc

vô định hình với đường kính tương đối nhỏ (khoảng vài chục đến vài trăm μm) và

tỷ lệ chiều dài/đường kính rất khác nhau Vật liệu chế tạo cốt sợi có thể là polyme như polyamit, là ceramic như thủy tinh, oxyt nhôm, cacbit silic hoặc bo, cacbon

- Dây là loại có đường kính nhỏ, thường bằng kim loại: thép cacbon cao, vonfram, molipden, berili, titan

Các loại kích thước kể trên được dùng phổ biến nhất là sợi Có các nhóm vật liệu để làm sợi cho composite là thủy tinh, cacbon, polyme,…

Bảng 1.1: Cơ tính của một số vật liệu dạng sợi

hồi E (GPa)

Ứng suất phá hủy

u

σ (MPa)

K.lượng riêng

3

kgρm

Modun riêng

E MNm

Ứng suất riêng

u

Râu Grafit

20

20

14 14-28

80 85,5 150-500

- 34,5

μm) và sử dụng các sợi để chế tạo vật liệu composite cốt sợi Hiện nay có rất nhiều

loại sợi được sử dụng để tạo vật liệu composite, mỗi loại sợi có những đặc tính khác nhau

Ta thấy rõ ưu điểm của việc gia công vật liệu dưới dạng sợi, đặc biệt là các giá trị có độ bền riêng cao Do tính phổ biến và giá thành phù hợp nên ta chọn sợi thủy tinh làm sợi nền trong vật liệu composite

b Cốt hạt

Hạt thô

- Khái niệm thô được dùng để chỉ tương tác giữa nền và cốt không xảy ra ở mức

độ nguyên tử, phân tử, lúc này sự hóa bền có được là nhờ sự cản trở biến dạng của nền ở vùng lân cận với hạt cốt do sự chèn ép theo quan điểm của cơ học môi trường liên tục

- Hợp kim cứng được tạo ra bằng phương pháp luyện kim bột có thể coi là composite hạt thô

- Betong là composite hạt thô nền ceramic được dùng rộng rãi nhất Trong betong, cốt chính là các hạt rắn khá lớn (đá, sỏi) hay nhỏ (cát vàng) được liên kết với nhau bởi nền cứng là ximang

Hạt mịn

- Nền các composite này thường là kim loại và hợp kim Các phần tử cốt có kích thước nhỏ đến mức dưới 0,1 μm, thường là loại nền cứng có tính ổn định nhiệt cao Khi được tác dụng lên composite, nền sẽ chịu hầu như toàn bộ tải, các phần tử cốt nhỏ mịn phân tán đóng vai trò hãm lệch, làm tăng độ bền, độ cứng của vật liệu

- T-D Nickel (Thoria Dispersed) là loại composite nền là Ni, cốt là các phân tử oxit tori ThO2 Chỉ với 2% ThO 2 song ở dạng rất nhỏ mịn, nằm phân tán và ổn định nhiệt, có khả năng và làm việc lâu dài ở 0

1000-1100 C, không bị ăn mòn nên là vật liệu quý trong ngành hàng không

c Dạng cấu trúc

Composite cấu trúc là loại bán thành phẩm dạng tấm nhiều lớp ( 3) được tạo thành bằng cách kết hợp các vật liệu đồng nhất với composite theo các phương pháp cấu trúc khác nhau Thường dùng hai loại: dạng lớp và panel sandwich

Composite cấu trúc dạng lớp:

Có thể dễ dàng hình dung dạng composite này qua gỗ dán, cót ép Chúng gồm lớp (tấm) có độ bền dị hướng cao (như gỗ, composite cốt sợi liên tục thẳng hàng), được sắp xếp sao cho các phương độ bền cao nhất của các lớp, tấm kề nhau được đổi hướng liên tục và được ép kết dính với nhau Nhờ đó loại này có độ bền cao theo các phương song song với mặt tấm, nhưng rất kém theo phương vuông góc với tấm

Hình 1.9: Sơ đồ composite cấu trúc dạng lớp

Panel sandwich:

Loại này gồm ba lớp, trong đó hai lớp ngoài được chế tạo từ vật liệu có độ bền hay độ cứng vững cao (như hợp kim nhôm,…), có chức năng chịu tải trọng tác dụng theo các phương song song với mặt tấm Lớp giữa (lõi) có hai chức năng: ngăn cách hai lớp trên, chống biến dạng theo phương vuông góc và tạo độ cứng vững, tránh cong vênh Cấu trúc này hao hao giống sandwich-bánh mì kẹp thịt, khác với loại trên ở giữa không phải là tấm song song

Hình 1.10: Sơ đồ của panel sandwich

1.1.3.2 Nền

a Nền chất dẻo

Polyme là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polyme nền:

- Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC,…

- Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyeste không no,…

Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo, điển hình là polyeste

Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường:

Polyeste

Nhựa polyeste được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, polyeste loại này thường là loại không no, đây là nhựa nhiệt rắn, có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp Thông thường người ta gọi polyeste không no là nhựa polyeste hay ngắn gọn hơn là polyeste

Đa số nhựa polyeste có màu nhạt, thường được pha loãng trong styrene Lượng styrene có thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho quá trình gia công Ngoài ra, styrene còn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang giữa các phân tử mà không có sự tạo thành sản phẩm phụ nào Polyeste còn có khả năng ép khuôn mà không cần áp suất

Polyeste có thời gian tồn trữ ngắn là do hiện tượng tự đóng rắn của nó sau một thời gian Thông thường, người ta thêm vào một lượng nhỏ chất ức chế trong quá trình tổng hợp polyeste để ngăn ngừa hiện tượng này

Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước khi sử dụng Nhựa và các phụ gia khác phải được phân tán đều trước khi cho xúc tác vào Phải khuấy đều và cẩn thận để loại bỏ bọt khí trong nhựa ảnh hưởng quá trình gia công Điều này rất quan trọng do bọt khí còn trong nhựa sẽ ảnh hưởng tính chất cơ lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu Cần phải chú ý rằng việc dùng xúc tác và xúc tiến với hàm lượng vừa đủ sẽ cho vật liệu những tính chất tốt nhất Nếu quá nhiều xúc tác sẽ làm quá trình gel hoá xảy ra nhanh hơn, ngược lại, nếu ít xúc tác quá trình đóng rắn sẽ bị chậm lại

Vinylester

Vinylester có cấu trúc tương tự như polyeste Khi so sánh với polyeste thì số nhóm ester trong vinyl ester ít hơn, nghĩa là vinylester ít bị ảnh hưởng bởi phản ứng thủy phân Thường dùng vật liệu này như là lớp phủ bên ngoài cho sản phẩm ngập trong nước, như là vỏ ngoài của tàu, thuyền Cấu trúc đóng rắn của vinylester có khuynh hướng dai hơn polyeste, mặc dù để đạt tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đóng rắn

Epoxy

Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay Nói chung, epoxy có tính năng cơ lý, kháng môi trường hơn hẳn các 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 ngành đóng tàu, là lớp lót chính cho tàu chất lượng cao hoặc là lớp phủ bên ngoài vỏ tàu hay thay cho polyeste dễ bị thủy phân bởi nước và gelcoat

Nhựa epoxy được tạo thành từ những mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tự vinylester, với nhóm epoxy phản ứng ở vị trí cuối mạch 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 nó tốt hơn mạch thẳng, do vậy, epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt

Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn chính xác, nhà sản xuất thường công thức hoá các thành phần và đưa ra một tỉ lệ trộn đơn giản bằng cách đo khối lượng hay thể tích của chúng Cả nhựa epoxy lỏng và tác nhân đóng rắn đều có độ nhớt thấp thuận lợi quá trình gia công Epoxy đóng rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phòng từ 0

5-150 C, tuỳ cách lựa chọn chất đóng rắn Một trong những ưu điểm nổi bật của epoxy là co ngót thấp trong khi đóng rắn Lực kết dính, tính chất cơ lý của epoxy được tăng cường bởi tính cách điện và khả năng kháng hoá chất

Ứng dụng của epoxy rất đa dạng, nó được dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn

Tính chất cơ học của một nhựa nền ở nhiệt độ thường cho trong bảng sau

Bảng 1.2: Đặc tính của polyme

Polymer Trọng lượng riêng g3

cm

Giới hạn kéo (MPa)

Mô đun đàn hồi E (GPa)

c Nền vô cơ

Trong một số lĩnh vực sử dụng, yêu cầu vật liệu phải có tính chịu nhiệt và độ bền cơ học cao Các composite nền kim loại trong đa số trường hợp không có đủ độ bền riêng, còn composite nền polyme có độ bền riêng cao nhưng lại không chịu được nhiệt độ cao Vì thế các composite nền gốm có ưu thế sử dụng trong các lĩnh

- Monomer phải tạo hỗn hợp đồng nhất với polyeste, tốt nhất là dung môi cho polyeste Lúc đó nó hòa tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyeste, tạo thuận lợi cho phản ứng đóng rắn và tạo độ nhớt thuận lợi cho quá trình gia công

- Nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi trong quá trình gia công và bảo quản

- Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp ít co rút

1.1.3.4 Chất tách khuôn, chất làm kín và các phụ gia khác

Chất tách khuôn:

- Chất tách khuôn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khuôn

- Chất tách khuôn dùng trong đắp tay là loại chất róc khuôn ngoại đƣợc bôi trực tiếp lên khuôn

- Một số chất tách khuôn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo…

Peroxid là chất xúc tác dùng cho polyete chưa no, do nó có đặc tính là không ổn định nên dễ bị phân tách và phản ứng nhanh chóng, dễ dành tuy còn phụ thuộc vào nhiệt độ

Ở nhiệt độ môi trường bình thường thì chưa đủ để chất xúc tác peroxid phát huy tác dụng như mong muốn Vì vậy người ta phải cho thêm một loại hóa chất nữa để

hỗ trợ kích hoạt và tăng tốc sự phân tách của xúc tác peroxid, từ đó khởi xướng phản ứng kết nối ngang nhanh chóng và toàn phần để đóng rắn resin, đó là chất xúc tiến Chất xúc tiến thông thường được nhà sản xuất hòa sẵn với hàm lượng xác định trong resin

Chất xúc tác (Catalyst): Hai chất xúc tác được ứng dụng phổ biến trong công

nghệ composite là MEKP và BPO

Tuổi thọ chất xúc tác: Nhiệt độ, ánh nắng mặt trời, độ ẩm, sự ô nhiễm đều ảnh hưởng đến chất lượng của chất xúc tác Nếu nhiệt độ cao nó dễ bay hơi, thoái hóa

và biến chất Nếu bị tác động của nhiệt độ khá cao, hoặc ánh hưởng của nắng mặt trời gay gắt, chất xúc tác có thể bị phân ly, thoái hóa, thậm chí gây nổ Vì vậy chất xúc tác phải được chứa trong các bình thủy tinh, bình nhựa màu tối, được bảo puản

ở chỗ mát, tối, không có ánh nắng Trong điều kiện bảo quản bình thường, tuổi thọ chất xúc tác thường là sáu tháng

Chất xúc tiến (Accelerator or promoter): Nếu không có chất xúc tiến, thì với 1,2% chất xúc tác MEKP, thời gian đông đặc rất lâu (2÷8 giờ), nhung nếu có chất xúc tiến đúng tỷ lệ thì thời gian chỉ là 30 phút Các muối kim loại, nhất là muối hữu

cơ coban là loại chất xúc tiến được sử dụng phổ biến, ngoài ra còn chất xúc tiến là hợp chất của analin C H NH6 5 2 như dimethylanalin C H N CH6 5 3 2 DMA ,

DIETHYL ANALIN (DEA)

1.1.4 Ưu điểm chủ yếu của vật liệu composite

Nhẹ nhưng cứng vững, chịu va đập, uốn, kéo tốt

Chịu hóa chất, không sét gỉ, chống ăn mòn Đặc tính này đặc biệt thích hợp cho biển và khí hậu vùng biển (tàu thuyền, các bồn chứa nước, bể xí tự hoại, ống nước thải, cấu kiện nhà máy hóa chất, phòng thí nghiệm,…)

Chịu thời tiết, chống tia tử ngoại, chống lão hóa nên rất bền (mái chèo, ghế sân vận động, các công trình ngoài trời,…)

Chịu nhiệt, chịu lạnh, chống cháy (ống xả động cơ diesel, panel kho lạnh, xuồng cứu hỏa,…)

Cách điện, cách nhiệt tốt (thang cách điện, cấu kiện trong máy điện tử, vách cách nhiệt,…)

Chịu ma sát, cường độ lực và nhiệt độ cao (vỏ máy bay, bệ phóng tên lửa,…) Không thấm nước, không độc hại (bồn chứa nước, chống thấm, bọc vỏ tàu gỗ,…)

Bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng, chi phí thấp

Màu sắc đa dạng, đẹp, bền

Thiết kế, tạo dáng thuận lợi, đa dạng, có nhiều công nghệ để lựa chọn

Đầu tư thiết bị và tổ chức sàn xuất không phức tạp, không tốn kém, không ảnh hưởng môi trường, chi phí vận chuyển và sản xuất không cao

1.1.5 Ứng dụng của vật liệu composite

Vật liệu composite được ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau:

Giao thông vận tải (khung xe ôtô,…)

Hình 1.11: Compozit sợi lanh/nhựa polypropylen thay thế composite sợi thủy tinh trong một số bộ phận phần thân của xe hơi (Mercedes Benz A -Class)

Hàng hải

Hình 1.12: Tàu du lịch vỏ composite trọng tải 80 tấn (Việt Nam)

Hàng không (ghế hành khách trên máy bay,… )

Hình 1.13: Các bộ phân làm bằng composite trong máy bay Airbus A380

Dân dụng (nhà vệ sinh công cộng, nhà chống động đất,…)

Hình 1.14: Nhà vệ sinh công cộng

Quốc phòng

Hình 1.15: Xe tăng T90 (Nga) với vỏ giáp bảo vệ bằng chất liệu composite

Y tế (chân giả, tay giả, xe đẩy cho bệnh nhân, thùng rác y tế, mối liên kết khớp gối, )

Hình 1.18: Gỗ-composite

Thực ra composite đã được con người sáng tạo và sử dụng từ thời thượng cổ: người Hy Lạp đã biết lấy mật ong, hòa trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng

Mặc dù composite là vật liệu đã có từ rất lâu đời như vậy, nhưng ngành khoa học về vật liệu composite lại hoàn toàn non trẻ Khoa học về composite mới được hình thành gắn với sự xuất hiện đầu tiên của chúng trong công nghệ tên lửa ở Mỹ từ những năm 50 của thế kỷ XX Kể từ đó cho đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển vượt bậc, không những chỉ ở Mỹ, mà còn ở Liên Xô, hiện nay là ở Nga và một số nước SNG, Trung Quốc và các nước công nghiệp phát triển như Anh, Pháp, Đức, Nhật Bản,… Đến nay, composite đã có mặt trong hầu hết mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân: Từ công nghiệp dân dụng, y tế, thể thao, giao thông vận tải, xây dựng, cho đến các ngành công nghiệp nặng (chế tạo máy, khai thác chế biến dầu khí, đóng tàu, điện lực, hóa chất,…), đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ, trong việc cải tiến, hiện đại hóa và thiết kế chế tạo các vật thể bay Nhờ ứng dụng vật liệu mới composite, con người đã nâng được tầm cao, tầm xa,

và thời gian bay của các vật thể bay Năm 1987, máy bay thử nghiệm Voyager (Mỹ) nặng 450 kg, được chế tạo 100% từ vật liệu composite, đã thực hiện thành công chuyến bay liên tục không nghỉ vòng quanh Trái Đất Không chỉ dừng lại ở bước thử nghiệm, hiện nay, các nhà khoa học đang thiết kế, chế tạo máy bay siêu tốc, chủ yếu từ composite, với vận tốc gấp 25 lần vận tốc truyền âm trong không khí

Chính nhờ ứng dụng vật liệu mới composite, con người càng ngày càng chinh phục mạnh mẽ khoảng không vũ trụ, có nhiều điều loài người trước kia chỉ dám mơ ước, nay đã trở thành hiện thực Kể từ chuyến bay đầu tiên của Gagarin vào vũ trụ năm 1961, 40 năm sau-năm đầu tiên của thế kỷ XXI-đã có chuyến bay của con người du lịch vào vũ trụ Sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ đã làm cho bộ mặt thế giới trong những thập kỷ cuối của thế kỷ XX thay đổi nhanh chưa từng thấy

1.2.2 Ở Việt Nam

Ở các nước phát triển trên thế giới thì vật liệu composite đã được phát triển từ lâu, nhưng với nước ta, thì composite được coi là vật liệu mới, bởi vì thời gian đưa vào ứng dụng và phạm vi ứng dụng ở nước ta vẫn còn chưa lâu và chưa nhiều Đầu thập kỷ 90 của thế kỷ XX, một vài đơn vị sản xuất composite đã được hình thành với các sản phẩm ghe, thuyền, bồn chứa có kích thước không lớn, đặc biệt là

ở đồng bằng sông Cửu Long Tuy nhiên composite thật sự bắt đầu được phát triển

kể từ năm 1995 đến nay kể cả về số lượng các đơn vị sản xuất cũng như chất lượng

và chủng loại sản phẩm Hiện nay trong toàn quốc có khoảng 40 đơn vị lớn nhỏ, nhưng chỉ một số đơn vị đang sản xuất mặt hàng composite, còn lại là kết hợp với các sản phẩm nhựa khác, các mặt hàng đã mở rộng, đa dạng, phong phú cùng với chất lượng cao hơn

Cùng với sự phát triển trên là nhu cầu nhập nguyên liệu ngày càng tăng Tuy nhiên, tất cả nguyên liệu đều phải nhập dẫn đến giá thành chưa thật sự hấp dẫn, trong khi người tiêu dùng, các nhà quản lý và lập dự án cũng chưa am hiểu vật liệu mới này Khâu tuyên truyền, phổ biến còn rất ít Ngoài ra các nhà sản xuất còn chưa mạnh dạn đầu tư công nghệ tiên tiến, do đó chất lượng và chủng loại mặt hàng còn hạn chế, chưa đáp ứng nhu cầu và thị hiếu người tiêu dùng Do vậy vấn đề cần thiết hiện nay là nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn các phương pháp tiên tiến vào công nghệ vật liệu composite ở Việt Nam

Do thao tác chủ yếu bằng tay, chất lượng các sản phẩm composite không ổn định, có độ phân tán cao và thông thường có tính chất cơ không đúng như các kết quả tính toán lý thuyết từ sợi và nền Như vậy, một vấn đề cũng đang được đặt ra là

độ chính xác các số liệu ban đầu cần thiết để tính toán thiết kế kế kết cấu composite

1.3 Mục tiêu của luận văn

- Tìm hiểu khái quát về vật liệu composite và các phương pháp tạo sản phẩm bằng vật liệu composite

- Nghiên cứu lý thuyết công nghệ đúc chân không

- Xác định cơ tính của vật liệu composite

- Giải các bài toán tấm và dầm composite bằng các phương pháp giải tích, phần mềm

1.4 Nội dung thực hiện của luận văn

- Tổng quan về vật liệu composite và các phương pháp tạo sản phẩm bằng vật liệu composite

- Giới thiệu lý thuyết công nghệ đúc chân không

- Xác định cơ tính vật liệu composite

- Giải bài toán kết cấu cơ bản của tấm và dầm composite

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO COMPOSITE

2.1 Các công đoạn của quá trình chế tạo vật liệu composite

Quá trình chế tạo vật liệu composite được tiến hành bao gồm một số công đoạn sau:

2.1.1 Chuẩn bị nền và cốt

Nền đóng vai trò liên kết các phần tử cốt thành một khối đồng nhất Nền bao gồm nền polyme, nền kim loại, nền vô cơ Tùy thuộc vào yêu cầu cơ, lý, hóa tính, trên cơ sở các tính toán thiết kế chọn nền phù hợp

- Nền polyme: Có thể nói đại đa số các composite hiện nay trong kỹ thuật và dân dụng đều là composite nền polyme Composite nền polime có độ bền cao, rất dễ chế tạo, giá cả phải chăng và có tính bền mội trường cao Tuy nhiên, các composite nền polime chỉ sử dụng ở nhiệt độ thấp 0

200 và có mođun đàn hồi thấp Nền polime trên cơ sở các chất liên kết là các polime nhiệt rắn và dẻo như epoxy, polyeste, phenolformaldehyd, poliamid,… Gần đây người ta sử dụng chất liệu nylon làm nền

và thu được các composite có cơ tính cao hơn

- Nền kim loại: Các composite nền kim loại được sử dụng khi các yêu cầu ngoài

cơ tính cao còn phải chịu được nhiệt độ cao, độ bền nóng cao,… Các nền kim loại thường gặp trên cơ sở Al, Mg, Ni, Fe, Mo, Ag,… cũng có thể là hợp kim của các kim loại nói trên

- Nền vô cơ: Các vật liệu composite nền vô cơ bao gồm nền cacbon và nền gốm Nền cacbon có thể là cacbon nhiệt phân, péc than đá, nhựa cốc Nền gốm có thể là

MgO, Al O2 3, thủy tinh borosilicat, thủy tinh liti-borosilicat, thủy tinh borosilicat

alumino-Cốt là pha gián đoạn tạo nên độ bền cao, modun đàn hồi cao cho composite (xem chương 1)

2.1.2 Kết hợp nền - cốt

Kết hợp nền - cốt theo thiết kế đã định trước là khâu quan trọng do nó ảnh hưởng đến tương tác và độ bền liên kết giữa nền và cốt Có nhiều phương pháp kết hợp chất nền với cốt bao gồm:

- Phương pháp pha rắn: nền thường ở trạng thái rắn như bột, tấm mỏng hoặc vật đặc

- Phương pháp pha lỏng: nền liên kết ở dưới dạng lỏng kết hợp đồng thời với các cốt sợi gia cường

- Phương pháp kết tủa - phun phủ: nền được phủ lên các cốt sợi bằng kết tủa từ các dung dịch muối hoặc hợp chất hóa học hoặc được phun phủ bằng plasma

Phương pháp liên hợp là phương pháp sử dụng tuần tự hoặc song song ba phương pháp kết hợp trên việc lựa chọn các phương pháp kết hợp nền cốt tùy thuộc vào các cấu tử nền, cốt ban đầu và vào tương tác nền - cốt sao cho đạt được độ bền liên kết nền-cốt cao nhất, cũng như vào sự phân bố đồng đều pha cốt trong nền

2.1.3 Gia công sau kết hợp nền - cốt

Sau nguyên công kết hợp nền - cốt, vật liệu composite có thể ở dạng bán thành phẩm hoặc có thể đã chế tạo thành vật phẩm Các bán thành phẩm cần phải gia công tiếp tục thànhh các vật phẩm hoặc chi tiết bằng các phươgn pháp gia công cơ khí Các vật phẩm sau khi kết hợp nền - cốt xong vẫn ở trạng thái thô cần phải gia công tinh hoàn tất sản phẩm như đánh bóng, loại bỏ bavia, sơn phủ,…

2.1.4 Kiểm tra sản phẩm

Các sản phẩm bằng composite sau khi chế tạo cần được kiểm tra Các phương pháp kiểm tra cơ ký hóa tính cũng giống như đối với các vật liệu khối

2.2 Khái quát về các phương pháp tạo sản phẩm bằng vật liệu composite

Khác với các vật liệu truyền thống, trong công nghệ composite nhất thiết phải có khuôn Sau khi tách khỏi khuôn thì sản phẩm có bề mặt (một mặt hoặc hai mặt)

bóng láng, màu sắc đa dạng, đẹp, hoàn chỉnh, không phải sơn phủ hoặc trang trí gì thêm (với gỗ, sắt thép,… phải đánh vecvi hoặc sơn phủ) đồng thời rất bền màu Khuôn là yếu tố quan trọng nhất quyết định chất lượng, vẻ đẹp của sản phẩm Công nghệ điển hình, được áp dụng rộng rãi nhất là công nghệ đúc tiếp xúc, gồm hai loại:

- Trải lớp bằng tay (Hand Lay up): hoàn toàn thao tác bằng tay

- Trải lớp bằng phun bắn (Spray up): chất xúc tác, resin và sợi thủy tinh được phun bắn đồng thời trên bề mặt khuôn để tạo các lớp gia cường nhờ thiết bị chuyên dung gọi là súng phun

Hai công nghệ nêu trên đều được gọi là công nghệ đúc tiếp xúc, chỉ cho ta sản phẩm bóng láng một mặt Để có được sản phẩm bóng nhẵn cả hai mặt thì hàng loạt công nghệ khác nhau đã được sử dụng Nhờ có nhiều loại công nghệ khác nhau nên các nhà sản xuất dễ dàng lựa chọn công nghệ để tạo ra các sản phẩm như thiết kế mong muốn Các công nghệ nêu trên sẽ được mô tả cụ thể hơn ở phần dưới đây

2.2.1 Trải lớp bằng tay (Hand Lay-up)

Quét gelcoat có pha chất xúc tác lên bề mặt khuôn bằng chổi mềm

Trải vải thủy tinh kín bề mặt khuôn đã phủ gelcoat

Quét thấm ướt resin đã hòa xúc tác lên vải thủy tinh đồng thời lăn ép bằng các con lăn bông

Sau khi đóng rắn tách khuôn lấy sản phẩm ra

Các công đoạn trải vải thủy tinh và thấm lăn ép resin được lặp đi lặp lại theo số lượng lớp được dự kiến cho đến khi đạt chiều dày sản phẩm

c Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

- Thông dụng dễ làm

- Làm được các sản phẩm có hình dáng phức tạp, kích thước lớn

- Thay đổi cấu trúc sản phẩm dễ dàng

- Thiết kế tương đối thoải mái

- Vật liệu làm khuôn đơn giản, dễ làm, không đắt tiền

- Không đòi hỏi thiết bị, dụng cụ phức tạp

- Không đòi hỏi trình độ công nhân cao

- Chi phí đầu tư thấp

Nhược điểm:

- Năng suất thấp, lao động nặng

- Sản phẩm chỉ láng bóng một mặt (mặt tiếp xúc khuôn)

- Vì sản phẩm làm bằng tay nên chất lượng không đồng đều

- Phải xử lý cơ học sau khi lấy sản phẩm, gia công cơ, cắt bavia

2.2.2 Trải lớp bằng phun bắn (Spray-up)

a Khái niệm

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý Spray-up

Trong phương pháp này quá trình phủ gelcoat trên khuôn và tạo các lớp gia cường đều hoàn toàn bằng thiết bị gọi là súng (gun) hoặc súng phun

b Quy trình

Ở đây giới thiệu tổng quát về công nghệ tạo lớp gia cường bằng sợi thủy tinh, nguyên lý cơ bản của công nghệ này như sau: Resin, chất xúc tác và sợi thủy tinh, nhờ có đồng hổ đo lưu lượng đúng tỷ lệ, được đưa đồng thời đến súng bắn Tại đây sợi thủy tinh được dao cắt ngắn, resin và xúc tác được hòa trộn bằng phương pháp phân tán phân tử Sau đó sợi thủy tinh cắt ngắn và resin đã hòa xúc tác, dưới áp lực mạnh của khí nén, qua miệng họng súng được phun - bắn lên trên bề mặt khuôn đã

có lớp gelcoat Bằng cách này tuần tự tạo ra các lớp cho đến khi đạt chiều dày sản phẩm

- Năng suất cao hơn hẳn

- Tiết kiệm nhân công

- Tiết kiệm resin và sợi

Nhược điểm:

- Khó nhận biết từng lớp nên khó đảm bảo sự đồng đều chiều dày các lớp

- Đòi hỏi nhân công vận hành phải được đào tạo huấn luyện và hiểu biết kỹ mỗi loại thiết bị phun khi sử dụng

2.2.3 Đúc chuyển resin RTM (Resin Transfer Moulding)

a Khái niệm

RTM (Resin Transfer Molding) là phương pháp dùng áp suất thấp đưa nhựa vào trong khuôn kín, tạo sản phẩm composit có sự kiểm soát chặt chẽ về hình dạng preform (sợi) và nhựa Phần sợi gia cường được định hình sẵn và đặt vào trong khuôn trước Một đường ống nối phần khuôn với nhựa để bơm nhựa thấm ướt phần sợi gia cường trong khuôn, sau đó xảy ra phản ứng đóng rắn nhựa Phương pháp này đòi hỏi phải có cả khuôn trên và khuôn dưới cùng tham gia vào quá trình tạo sản phẩm

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý RTM

b Quy trình

Hỗn hợp nhựa và xúc tác đã được trộn trước phun áp suất thấp vào khuôn kín đã

có chứa sợi dạng Preform Sau khi nhựa đóng rắn, mở khuôn và lấy sản phẩm

c Ưu, nhược điểm