NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÙNG XE TẢI THACO TOWNER BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE. LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Trong những năm gần đây, đã có nhiều ứng dụng vật liệu composite để chế tạo các linh kiện trong ngành công nghiệp ứng dụng: Thân vỏ tàu thủy, thiết bị đựng hóa chất, cánh tua bin..... Tr

BO GIAO DUC VA DAO TAO DAI HOC DA NANG

DUONG TUAN VIET

NGHIEN CUU THIET KE THUNG XE TAI

THACO TOWNER BANG VAT LIEU COMPOSITE

LUAN VAN THAC SI

CHUYEN NGANH: KY THUAT CO KHI DONG LUC

BO GIAO DUC VA DAO TAO DAI HOC DA NANG

DUONG TUAN VIET

NGHIEN CUU THIET KE THUNG XE TAI

THACO TOWNER BANG VAT LIEU COMPOSITE

Chuyén nganh: KY THUAT CO KHI DONG LUC

Mã số: 60.520.116

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

TS TRAN VAN LUẬN

Đà Nẵng — Năm 2017

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng

và chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác

Tác giả

Dương Tuấn Việt

1

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Vật liệu composite là vật liệu tô hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm tạo

ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hắn vật liệu thành phân ban đầu, chính vì vậy nó có nhiều tính ưu việt và có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ

thuật và cuộc sống

Trong những năm gần đây, đã có nhiều ứng dụng vật liệu composite để chế tạo các linh kiện trong ngành công nghiệp ứng dụng: Thân vỏ tàu thủy, thiết bị đựng hóa chất, cánh tua bin Trong ngành công nghiệp ô tô, composite đã được các hãng chế tạo ô

tô ứng dụng chế tạo thân vỏ và các chỉ tiết thay thế khác

Cùng chung xu thế ứng dụng vật liệu thay thế, đồng thời đáp ứng nhu cầu của thị trường và tăng tính cạnh tranh cho sản pham Dé tai “nghiên cứu thiết kế thùng xe tải nhe Thaco Towner 750 bằng vật liệu composite'` hướng đến đánh giá tính khả thi về mặt kỹ thuật khi chuyển đổi vật liệu chế tạo thùng Bên cạnh đó, đề tài sẽ là cơ sở cho việc lựa chọn cách tạo mẫu và phương pháp tính toán phù hợp để sản xuất thùng xe tải nhẹ khác đang được lắp ráp tại Nhà máy băng vật liệu composite

Từ khóa: Composite sandwich, Vỏ bao composite, công nghệ sandwich

ABSTRACT Composite material 1s a combination of two or more materials to create a new material that is superior to that of the original material, so it has a number of advantages and potential Widely used in many fields of engineering and life In recent years, there have been many uses of composite materials for manufacturing components in the application industry: ship hulls, chemical containers, turbine blades

In the automotive industry, composites have been used by automotive manufacturers

to make body panels and other replacement

The same trend of application of substitute materials, while meeting the needs

of the market and increasing the competitiveness of products The study "Research and design the Thaco Towner 750 lightweight van with its composite material", aimed

at assessing the technical feasibility of converting the materials used to make the barrels In addition, the topic will be the basis for choosing the right modeling and calculation methods to produce other lightweight truck assemblies being assembled at the Plant by composite materials

Key word: Composite sandwich, composite shell, sandwich technology.

11

LOI CAM ON

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cô giáo khoa

Cơ khí Giao thông, phòng Đào tạo trường Đại học Bách khoa, Phòng khoa học và hợp

tác Quốc tế trường Đại học Bách khoa, Ban khoa học công nghệ và môi trường — Đại

học Đà Nẵng, đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học vừa qua

Đặc biệt tôi vô cùng biết ơn thầy TS Trần Văn Luận, đã hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi

để tôi hoàn thành tốt luận văn

Duong Tuan Việt

1.1.Giới thiệu về kết câu vật liệu cOmpOSit€ +2 +s+ +EEE+E+EeESEEEErkrkrrererered 3 1.1.1 Chất nền (pha nÊN)) + 2 + EESE*kk#E9EEEEEEEEEEEE E111 12315111111 ck 3

DĐ cm 7

1.1.4 Chất xúc tác — XÚC tiẾn - ¿5522x222 EEEEErtrrrrrrrrrrrrrrrrrrrre II

1.1.5 Các chất phụ gia sử dụng trong quá trình sản xuất composite 12

1.2 Kết cấu vật liệu COMPOSIte SandWICH - - - c1 1n ng 14

1.3 Đặc tính sức bên tổng quát của vật liệu composite và của gỗ thông 15 1.3.1 Sức bền nén của øÖ thông . ¿+ - + + EE*k+kEESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEerkrkd 15

1.3.2 Đặc tính cơ học của vật lIỆU COTDOSIT€ -. S 5 S223 1 ssserseke 16

Chuong 2 CO SO LY THUYET TINH TOAN THUNG XE TAI THACO

(0À 22 1 26 2.1 Khảo sát kết cầu thùng xe tải thaco towner 750A -csccsesesxsrsrsrred 26 2.2 Phương án thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750A -¿-5+c+cscsrsrred 31 2.3 Sơ đồ phân tích tải trong tac dung lén thing xe tai Thaco towner 750A 32

2.3.2 Phan tich các trường hợp tải trọng tác dụng lên thùng xe 32

3.1 Mục tiêu thực nghiỆm - -ĂĂQ 1000003333111 11111111 1n kh 41

3.2 Vật liệu thực nghiệm -. ¿- - 2 52+ k+EE+E+EE£ESEEEEEEEEEE 1215112115111 115 112L 4I

3.3 Sơ đồ bồ trí thực nghiệm đo sức bền uốn . ¿2-5 + E2 +E+k+E+EeEE+Ezkeesreei 43 3.4 Sơ đồ bồ trí thực nghiệm đo sức bền nén - + +2 + +£+E+E+E+E+EeEE+Ezkeesreei 43 3.5 Kết quả thực nghiệm ¿+ - SE SE kE#EEEEEESEEEE E11 111151513 1111115111111 Ee 44 Chương 4 TÍNH TOÁN THÙNG XE TẠI THACO TOWNER 750A 46 4.1 Giả thiết tính tOán -¿- 5+5 S E123 1 12111511 1151511 1111111111111 11111111 X0 46 4.2 Xác định chiều dày của vỏ bao thùng . ¿+ -scESk+keEeESEEErkekerererkrered 46 4.3 Kết quả tính tOánn - + s2 SE+kE9 5 EEESEE191513111111515 1111151511111 T111 1eE 47 4.4 Đánh giá kết quả tính toán 5: +52 kE 9E ESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrrrrerkred 48 4.5 Quy cách thùng xe băng vật liệu composite sandwich . s-sss+sess¿ 50 KET LUẬN - - - - 1111119 T111 111 1111111111111 111111111111 Tung 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO - - 65% SE£EE+E£EEEEE+EEEEEEESEEEEEEESEEEEEEESEEEEEEkrErkerkee 55

3.2 Thanh phan vat liệu của mỗi lớp 42

Vil

DANH MUC CAC HINH VE, DO THI

1.11 Minh chứng ứng suất và biến dạng của 26 thong 16

1.13 Ung dung vat ligu composite trong nganh hang không 17 1.14 Ung dung vat ligu composite trong nganh van tải 18

21 Tuyến hình tổng thể của ô tô THACO TOWNER 750A 26

Kết câu khung xương và vỏ bao composite cua xe tai Thaco

Vill

composite

MO DAU

1 LY DO CHON DE TAI

Vat ligu composite là vật liệu tô hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm tạo

ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hắn vật liệu thành phân ban đầu, chính vì vậy nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và cuộc sống

Với những đặc điểm:

Y Khong bi oxy hóa bởi điều kiện môi trường âm ướt;

* Trọng lượng nhẹ, giá thành thấp;

v Dễ tạo ra các biên dạng đạt tiêu chuẩn thâm mỹ cao

Trong những năm gần đây, đã có nhiều ứng dụng vật liệu composite để chế tạo các linh kiện trong ngành công nghiệp ứng dụng: Thân vỏ tàu thủy, thiết bị đựng hóa chất, cánh tua bin Trong ngành công nghiệp ô tô, composite đã được các hãng chế tạo ô

tô ứng dụng chế tạo thân vỏ và các chỉ tiết thay thế khác

Cùng chung xu thế ứng dụng vật liệu thay thế, đồng thời đáp ứng nhu cầu của thị trường và tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm Đề tài '*Nghiên cứu thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750 băng vật liệu composite’’ huong đến đánh giá tính khả thi về mặt

kỹ thuật khi chuyền đối vật liệu chế tạo thùng Bên cạnh đó, đề tài sẽ là cơ sở cho việc lựa chọn cách tạo mẫu và phương pháp tính toán phù hợp để sản xuất thùng xe tải nhẹ khác đang được lắp ráp tại Nhà máy băng vật liệu composite

2 MỤC TIỂU NGHIÊN CỨU

Tính toán thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750 băng vật liệu composite phù hợp với tiêu chuẩn chuyên ngành

3 ĐÓI TƯỢNG & PHẠM VI NGHIÊN CỨU

-_ Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thùng lững xe tải Thaco Towner 750A

- Phạm vi nghiên cứu: xuất phát từ yêu của của thùng xe tải là: Đđm bảo sức bên; dễ dàng tháo lắp; sửa chữa, bảo dưỡng; dễ bốc xếp hàng; trọng lượng nhẹ và giá thành

thấp Đề đảm bảo các tiêu chí này, thực tế cần thêm nhiều thời gian nghiên cứu và tính

toán Do đó, giới hạn phạm v1 nghiên cứu của luận văn là đo đạc đánh giá đặc tính sức bên của vật liệu composite đê làm cơ sở tính toán kêt câu vỏ bao thùng xe tải nhẹ

Thaco Towner 750A

4 PHUONG PHAP NGHIEN CUU

* Nghiên cứu lý thuyết: dựa vào đặc tính lý thuyết và các phương trình tính toán phân lớp vật liệu thành phần để đồng nhất thành vật liệu composite

* Thực nghiệm: Khảo sát thông số tuyến hình, kết câu thùng xe tải nhẹ truyền thống

Thaco Towner và đo đạc xác định đặc tính sức bên vật liệu composite

5 Y NGHIA THUC TIEN CUA DE TAI

Đánh giá khả năng và tạo tiên đê cho việc chuyên đôi vật liệu chê tạo các chi tiét / cum

chỉ tiết trên ô tô tải sản xuất tại Thaco trong thời gian sắp tới

Phát triển mô hình công nghiệp phụ trợ, gia tăng tỉ lệ nội địa hóa theo lô trình cho ngành công nghiệp ô tô nói chung và sản xuất xe tải tại đơn vị

6 CÁU TRÚC LUẬN VĂN

Ngoài phân mở đầu và kết luận của luận văn “Nghiên cứu thiết kế

thùng xe tải Thaco Towner băng vật liệu composite” được trình bày trong

4 chương có câu trúc như sau:

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Cơ sở lý thuyết tính toán thùng xe tái Thaco Towner

Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 Tính toán thùng xe tái Thaco Towner

Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Tài liệu tham khảo

Phụ lục.

Chuong 1 TONG QUAN 1.1.Giới thiệu về kết cấu vật liệu composite

Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha: trong đó, pha răn khác nhau về bản chất,

không hòa tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha Phố biến nhất là loai composite 2 pha:

- Pha liên tục trong toàn khối gọi là nền;

- Pha phân bố gián đoạn được nên bao quanh gọi là cốt

Trong vật liệu composite, tỷ lệ hình dáng, kích thước, sự phân bố của nên và cốt

tuân theo quy luật đã thiết kế Tuy nhiên, tính chất của các pha thành phan được kết hợp lại để tạo nên tính chất chung của composite

1.1.1 Chất nên (pha nên)

Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất đề tạo thể liên tục

Nền có vai trò sau đây:

- Liên kết toàn bộ các phân tử cốt thành một khối composite thông nhất;

- Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu composite thành

các chỉ tiết thiêt kế;

- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do tác dụng của môi trường

Vật liệu nền (pha nên) trong cầu trúc của vật composite không chịu trực tiếp tải

trọng hay ứng suất tác dụng lên vật liệu Nó chỉ đóng vai trò trung gian truyền dẫn ứng

suất hay tải trọng vào bên trong cho vật liệu đóng vai trò là chất độn (pha cốt)

Tuy nhiên, việc chọn lựa một vật liệu làm nền dong vai tro rat quan trong dé dinh

hình nên tính chất hóa học và cơ lý của vật liệu composite Sự hòa hợp giữa pha nền

và pha cốt cũng là một nhân tô quan trọng trong việc thiết kế cầu trúc composite

Trong thực tẾ, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt ran hay nhựa nhiệt dẻo làm pha

nên:

Nhựa nhiệt dẻo: PE (polyethylene), PS (polystyrene), ABS (acrylonytril butadien styrene), PVC (polyvynyl clorur), được trộn với nhựa, g1a công trên máy

ép phun ở trạng thái nóng chảy

Nhựa nhiệt rắn: PU (polyurethane), PP (polypropylene), UF, Epoxy, Polyester không no, gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao Riêng với epoxy và polyester không

4

no có thể tiến hành ở điều kiện thường, gia công bằng tay (hand lay-up method) Nhìn

chung, nhựa nhiệt răn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo

Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường:

a4) Nhựa Polyester:

Hình 1.1 Nhựa polyeter Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, polyester

thông thường là loại không no (UPE - Unsaturated Polyester) Đây là nhựa nhiệt ran,

có khả năng đóng răn ở dạng lỏng hoặc ở dạng răn nếu có điều kiện thích hợp Thông thường người ta gọi polyester không no là nhựa polyester hay ngăn gọn hơn là polyester

Polyester có nhiều loại, di tir cdc acid, glycol va monomer khác nhau, mỗi loại

có những tính chất khác nhau Chúng có thể rất khác nhau trong các loại nhựa UPE khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố:

- Thanh phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ các chất sử dụng);

- Phuong phap tong hop;

- Trong lugng phan tu;

- Hệ đóng răn (monomer, chat xtic tac, chat xtic tién);

- - Hệ chất độn

Bang cach thay đổi các yếu tố trên, người ta sẽ tạo ra nhiều loại nhựa UPE có

các tính chất đặc biệt khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng

Có hai loại polyester chính thường sử dụng trong công nghệ composite Nhựa

orthophthalic cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi Nhựa 1sophthalic lại có khả năng kháng nước cao nên được xem là vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt

là hang hai

Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường được pha loãng trong styrene Lượng styrene có thể lên đến 50% đề làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho quá trình gia công Ngoài ra, styrene còn làm nhiệm vụ đóng răn tạo liên kết ngang giữa các phân tử

mà không có sự tạo thành sản phẩm phụ nào Polyester còn có khả năng ép khuôn mà không cần áp suất

Polyester có thời gian tồn trữ ngăn là do hiện tượng tự đóng răn của nó sau một

thời gian Thông thường người ta thêm vào một lượng nhỏ chất ức chế trong quá trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa hiện tượng này

Nhà sản xuất có thể cung cấp nhựa ở dạng tự nhiên hay có dùng một số phụ gia

Nhựa có thê được sản xuất để chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng được Như đã dé cap

ở trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn Tốc độ trùng hợp quá chậm cho

mục đích sử dụng, vì vậy cần dùng chất xúc tác và chất xúc tiễn để đạt độ trùng hợp

của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó

Khi đã đóng rắn, polyester rất cứng và có khả năng kháng hoá chất Quá trình đóng răn hay tạo kết ngang được gọi là quá trình Polymer hóa Đây là phản ứng hoá học chỉ có một chiều Câu trúc không gian này cho phép nhựa chịu tải được mà không

bị giòn

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 cần 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 răng, việc dùng xúc tác và xúc tiễn với hàm lượng vừa đủ sẽ cho vật liệu những tính chất tốt nhất Nếu quá nhiều xúc tác sẽ làm quá trình đóng rắn xảy ra nhanh hơn,

ngược lại, nếu ít xúc tác quá trình đóng rắn sẽ bị chậm lại

b) Vinylester:

Vinylester có câu trúc tương tự như polyester, nhưng điểm khác biệt chủ yếu của nó với polyester là vị trí phản ứng thường là ở cuối mạch phân tử do vinylester

chỉ có kết đôi C=C ở hai đầu mạch mà thôi Toàn bộ chiều dài mạch phân tử đều sẵn

chịu tải, nghĩa là vinylester dai và đàn hồi hơn polyester Vinylester có ít nhóm ester hơn polyester, nhóm ester rất dễ bị thủy phân, tức là vinylester kháng nước tốt hơn các polyester khác, do vậy nó thường được ứng dụng làm ống dẫn và bồn chứa hoá chất

6 Khi so sánh voi polyester thi s6 nhóm ester trong vinylester 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, thuyễn Câu trúc đóng răn của vinylester có khuynh hướng dai hon polyester, mac dù dé dat

tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đóng răn

c) Epoxy:

Hinh 1.2 Nhwa Epoxy 2 thanh phan

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 hăn các nhựa khác, là loại nhựa được

sử dụng nhiều nhất trong các chỉ 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 vỏ tàu chất lượng cao hoặc là lớp phủ bên ngoài vỏ tàu thay cho polyester dễ bị thủy phân bởi nước biển

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 tốt hơn mạch thăng Do vậy, epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt

Với nhựa epoxy, ta dùng chất đóng răn thông thường là amine, được cho vào epoxy, lúc này, giữa chúng sẽ xảy ra phản ứng hoá học Thường nhóm epoxy sẽ phản ứng kết khối với nhóm amine, tạo ra câu trúc phân tử ba chiều phức tạp Amine kết

hợp với epoxy theo một tỉ lệ nhất định, đây là yếu tổ quan trọng vì việc trộn đúng tỉ lệ

đảm bảo cho phản ứng xảy ra hoàn toàn Nếu tỉ lệ trộn không đúng thì nhựa chưa phản ứng hoặc chất đóng răn còn dư trong hỗn hợp sẽ ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm sau đóng răn

Đề 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 băng cách đo khối lượng hay thể tích của chúng

Cả nhựa epoxy lỏng và tác nhân đóng răn đều có độ nhớt thấp để thuận lợi cho quá trình gia công Epoxy đóng răn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phòng từ (5 — 150)°C 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

Ung dung cua epoxy rất đa dạng, nó được dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý bê mặt, hỗn hợp đồ, bột trét, sơn

1.1.2 Pha cốt

Pha cốt đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung nên thường có tính chất cơ lý

cao hơn nhựa (pha nên) Người ta đánh giá chất độn dựa trên các đặc điểm sau:

- Tinh gia cuong co hoc;

- _ Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ:

- _ Phân tán vào nhựa tốt;

- _ Truyên nhiệt, giải nhiệt tốt;

- Thuận lợi cho quá trình gia công:

- - Giá thành hạ, nhẹ

Trong toàn khối compsite thì cốt phân bố không liên tục và rất đa dạng, phụ thuộc

vao loai composite can ché tao

Với loại composite kết cấu: cốt là các kim loại bền ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao, có môđun đàn hồi lớn, khối lượng riêng nhỏ

Các loại vật liệu cốt: Kim loại (thép không rỉ, W, B, Mo ), chất vô cơ (các bon,

Độn dạng sợi: sợi có tính năng cơ lý hoá cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn, sợi thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, soi carbon, soi bo, soi cacbua silic, soi amide Cét soi cũng có thể là sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông ), có thể là sợi nhân tạo (sợi

thuỷ tinh, sợi vải, sợi poliamit ) Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà người ta chế tạo sợi

thành nhiều dạng khác nhau: sợi ngăn, sợi đài, sợi rối, tâm sợi

a) Soi thuy tinh:

Soi thuy tinh, duoc kéo ra tir các loại thủy tĩnh kéo sợi được (thủy tính dệt), có đường kính nhỏ vài chục micro mét Khi đó, các sợi này sẽ mat những nhược điểm của

thủy tinh khối, như: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ưu điểm của thủy tinh dệt,

có thể chứa thêm những khoáng chất như: silic, nhôm, magiê, để nâng cao tính cơ

học của sợi Thành phần tạo ra các loại sợi thủy tính khác nhau như: sợi thủy tình E

(dẫn điện tốt), sợi thủy tỉnh D (cách điện tốt), sợi thủy tính A (hàm lượng kiểm cao), sợi thủy tỉnh C (độ bên hóa cao), sợi thủy tính R và sợi thủy tỉnh S (độ bền cơ học cao) Loại thủy tỉnh E là loại phố biến, các loại khác thường ít (chiếm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt Theo số liệu năm 1996, trên thế giới đã tiêu thụ 400.000 tấn sợi thủy tinh, trong đó: châu Âu 130.000 tan, Bac M¥ 126.000 tan, Nhat

Ban 85.000 tan

b) Soi hitu co:

Sợi kenvlar có câu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, được gia công bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10 °C), tiếp theo được kéo ra thành sợi

trong dung dịch, cuối cùng được xử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi Sợi kenvlar và tất

cả các sợi làm từ aramit khác như: Twaron, Technora, có giá thành thấp hơn sợi thủy tinh, nhưng cơ tính lại thấp hơn Các loại sợi aramit thường có độ bên nén, uốn thấp và

Soi carbon chinh 1a soi graphit (than chì), có câu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành

các lớp liên kết với nhau Các nguyên tử carbon liên kết với nhau trong một mặt phăng

tạo thành mạng tính thể hình lục lăng Sợi carbon có cơ tính tương đối cao, có loại gân tương đương với sợi thủy tính, lại có khả năng chịu nhiệt cực tot

(a) (b)

Hinh 1.5 Soi carbon (a kiéu dét don; b kiéu dét chéo)

10

d) Soi Bor:

Soi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học là B), là một dạng sợi gốm thu được nhờ phương pháp kết tủa Sản phẩm thương mại của loại sợi này có thể ở các dạng: dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tâm thấm dùng để quan ống, vải đồng phương Cốt vải là tổ hợp thành bề mặt (tắm), của vật liệu cốt sợi, được thực hiện bằng công nghệ dệt Các kỹ thuật dệt vải truyền thống thường hay dùng là: kiểu dệt lụa

trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải mô đun cao, kiểu dệt đồng

phương Kiểu đệt là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi Kỹ thuật dệt cao cấp

còn có các kiểu dệt đa phương như: bện, tết, và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phương

Việc trộn thêm các loại cốt sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ học cũng như độ bên hoá học của vật liệu như: khả năng chịu được va đập; độ giãn nở cao; khả năng cách âm tốt; tính chịu ma sát - mài mòn; độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo

đứt cao; khả năng chịu được trong môi trường ăn mòn như: muối, kiềm, axít Những

khả năng đó đã chứng tỏ tính ưu việt của hệ thống vật liệu mới so với các loại Polyme

thông thường Và cũng chính vì những tính năng ưu việt âý mà hệ thống vật liệu composite đã được sử dụng rông rãi trong sản xuất cũng như trong đời sống

- Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao

- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng răn, che khuất sợi trong cầu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn

1.1.3 Liên kết nên cốt

Liên kết tốt giữa nền và cốt tại vùng ranh giới pha là yếu tố quan trọng nhất bảo

đãm sự kết hợp các đặc tính tốt của hai pha trên

Đề tăng cường độ răn chắc giữa nên và côt người ta có thê áp dụng các biện pháp sau:

II

- Liên kết cơ học được thực hiện nhờ độ map m6 trén bé mat do luc ma sat nhu

kiểu bê tông cốt thép;

- Liên kế nhờ thấm ướt do năng lượng sức căng bề mặt vì pha nên bị nung chảy

và đính ướt với cốt nên có sự khuếch tán tuy rất nhỏ, tạo nên sức căng bề mat:

- Liên kết phản ứng, xuất hiện khi ranh giới pha xảy ra phản ứng tạo hợp chất

hóa học, hợp chất này như một lớp keo kết dính hai pha Đây là loại liên kết tốt nhất

- Liễn kết oxuyt, loại liên kết đặc trưng cho nên kim loại với cốt là oxit của chính kim loại đó

1.1.4 Chất xúc tác — Xúc tiễn

Trên đây chúng ta đã nêu hai thành phần chủ yếu của composite là keo nhựa và sợi gia cường Chất xúc tác và chất xúc tiến là thành phần thứ ba, chiếm một tỷ lệ rất nhỏ: (1,2 — 3)% so với trọng lượng nhựa trong cấu trúc composite Polyester lién két với sợi thủy tinh là thông qua phản ứng hóa học liên kết nối ngang để đóng rắn cho vật liệu Nhưng phải có chất xúc tác thì phản ứng mới được khởi động và phải có chất xúc tiễn thì tốc độ phản ứng diễn ra nhanh chóng làm cho thời gian đông đặc và đóng rắn

được rút ngăn theo ý muốn Do đó, tỷ lệ pha chế chất xúc tác và xúc tiễn cũng khá chặt

chẽ, quyết định chất lượng đóng rắn của sản phẩm composite

a) Chất xúc tác:

Hình 1.6 Chất xúc tác MEKP

Các chất xúc tác chỉ được cho vào nhựa trước khi gia công Vai trò của chúng

là tạo gốc tự do kích động cho quá trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp

Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ

ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ.

12 Chất xúc tác gồm các loại:

- Hai loại MEKP (metyl ethyl keton peroxide) va HCH (cyclo-hexanol peroxide) được dùng để đóng răn nguội cho nhựa polyester

- - MEKP là hỗn hợp của một số hợp chất peroxide, thành phần thay đổi tùy thuộc vào nhà sản xuất Nó là chất oxi hoá mạnh nên phải tránh tiếp xúc với OXI

- HCH 1a san phẩm phản ứng giữa hydroperoxide với cyclohexanol peroxide Tuy nhiên nó là hỗn hợp của ít nhất hai trong bốn chất sau (theo Criegree, Schorenberg và Becke)

b) Chất xúc tiễn

Như đã nêu ở trên, ở nhiệt độ phòng các chất xúc tác chưa thể làm cho nhựa

đông đóng rắn nhanh chóng và toàn phan nếu không có chất xúc tiến pha vào nhựa Chất xúc tiến là chất đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự do cuả chất xúc tác Dùng chất xúc tiến sẽ giảm được nhiệt độ và thời gian đóng rắn một cách đáng kế và

có thể đóng răn nguội Vì vậy thông thường các nhà cung cấp nhựa đã pha sẵn vào

trong nhựa chất xúc tiễn với hàm lượng (0,05 — 0,5)% so với khối lượng của nhựa để

cung ứng ra thị trường

1.1.5 Các chất phụ gia sử dụng trong quá trình sản xuat composite

a) Chất pha loãng:

Tính chất của polyester phụ thuộc không những vào hàm lượng nối đôi và

nhóm este, vào mạch thơm hay thăng, mức độ đa tụ mà còn phụ thuộc vào tính chất

cuả tác nhân nối ngang — monomer

Các monomer khâu mạch ngang được dùng để đồng trùng hợp với các nối đôi

trong nhựa UPPE, tạo kết ngang, thường là chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên còn có

tác dụng làm giảm độ nhớt của hỗn hợp, do vậy chúng còn được gọi là chất pha loãng

Monomer pha loãng phải thỏa mãn các điều kiện sau:

- Đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm không đồng nhất, làm ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm, hoặc còn sót lại

monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bên

- Monomer phai tao hén hop déng nhat v6i polyester, tốt nhất là dung môi cho polyester Luc d6 no hoa tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyester,

- _ Tương hợp tốt với polyester, khả năng đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp;

- Dong rắn nhựa nhanh;

- San pham chịu thời tiết tốt, cơ lý tính cao, cách điện tot:

- _ Khả năng tự bốc cháy thấp

c) 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 tách khuôn ngoài được bôi trực tiếp lên khuôn

Một số chât róc khuôn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo

Hình 1.7 Chất tách khuôn MG-WAT d) Chat lam kin

- Với khuôn làm từ các vật liệu xốp như gỗ, thạch cao thì cần phải bôi chất làm

kín trước khi dùng chất tách khuôn.

14

- Các chât làm kín xâm nhập vào các lô xôp, ngăn chặn nhựa bám vào

- Một sô chât làm kín: Cellulose acetate, wax, silicon, stearic acid, nhựa furane, vec ni, son mai

- Lượng thường sử dụng: (0,2 — 0,5)% lượng nhựa

Lưu ý: nên cho chất tây bọt khí vào nhựa trước khi dùng các thành phân khác 1.2 Két cau vat ligu composite sandwich

(a Lop composite; b Két cau dam composite sandwich; c Minh chung vé strc bên

va d6 cung cua két cau composite sandwich)

Hình 1.10 Phân bố nội lực bên trong két cAu composite sandwich

Vật liệu composite sandwich được kết cấu từ 2 lớp cơ bản: lớp composite (hình

1.9a) có độ bền và độ cứng cao gọi là lớp da bao bên ngoài, lớp lõi thường làm từ vật liệu nhẹ nhăm tăng chiều dày của cấu trúc composite sandwich tổng thành (hình I.9b) Hình hình I.9c cũng cho thấy rằng: khi chiều dày của cấu trúc tăng sẽ làm tăng độ cứng chống uốn cho kết cầu nhưng khối lượng của kết cầu tông thành tăng nhẹ

1.3 Đặc tính sức bền tổng quát của vật liệu composite và của gỗ thông

1.3.1 Sức bên nén của gỗ thông

Đối với kết câu composite sandwich dự kiến sẽ làm vỏ bao thùng xe tải thì việc

đánh giá sức bền nén của lõi composite sandwich 1a viéc can thiét Vi khi tai trong

phân bố đều lên sàn thùng hoặc lên vách thùng, chúng ta dễ dàng thấy răng tâm lõi của

sàn hoặc vách chịu ứng suất nén

1.3.2 Đặc tính cơ học của vật liéu composite

Mechanical properties of the materials of the sandwich plate [29,32,33}

E, (GPa) E; (GPa) Gy2 (GPa) Gas (GPa) Vi2 V23

Woven E glass fiber 25.47 12.74 452 448 0.15 0.35 Balsa wood 3.01 0.09 0.22 0.05 0.35 0.45

đến nay thì vật ligu Composite polyme da dugc su dung dé ché tao nhiéu chi tiét, linh kiện chế tạo ôtô; dựa trên những ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên

liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ôn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc:

Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay,

mũi máy bay và một số linh kiện, chế tạo các bộ phận trên máy bay như kết câu khung

xương, thân máy bay, cánh, bộ phận dẫn hướng, máy móc khác của các hãng như

Boeing 787, 676 Airbus 310 Theo thống kê của hãng máy bay Boeing, chiếc Boeing

Dreamliner 787 su dung dén 50% composite trên toàn bộ trọng lượng

Hình 1.13 Ung dụng vật liệu composite trong ngành hàng không

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

Các ngành dân dụng như y tế: hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ

Vật liệu composite trong ngành vận tải: Ứng dụng của composite trong ngành vận tải là rất lớn Loại vật liệu mới này cho phép chế tạo các phương tiện vận tải nhẹ hơn Điều đó đồng nghĩa với việc tiết kiệm nhiên liệu, tăng khả năng chuyên chở và

giảm 6 nhiễm môi trường Composite được sử dụng chế tạo thân và các chi tiết yêu

cầu tính năng kỹ thuật cao trong các xe đua cũng như xe ô tô thương mại Ngày nay

các toa xe tàu hỏa cũng được chế tạo bằng vật liệu composite Hiệu quả của nó 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 động cơ mới như động cơ điện, fuel cell được đưa vào ứng dụng

trong thị trường xe cơ giới Hạn chế của các loại động cơ mới này là dung tích acquy

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 chỉ tiết trong thế hệ xe sạch này

bet Ine Cor

Hinh 1.14 Ung dung vat liéu composite trong nganh van tai

19

Vật liệu composite trong ngành đóng tàu : Composite được sử dụng rộng rãi

trong việc chế tạo các loại tàu thuyền, xuong cỡ nhỏ, cano do chi phi dau tu ché tao

phương tiện bằng 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 nhân cũng đơn giản hơn

Vat ligu composite su dung cho dong tau, mang lại lợi ích cao bảo dưỡng rat it, không

bị ăn mòn, hen rỉ hay ảnh hưởng của môi trường nước biên

Hình 1.15 Ung dung vat liéu composite trong ngành đóng tàu

1.4.2 Việt Nam

Ở các nước phát triển trên thế giới thì vật liệu composite da được phát triển từ

lâu, nhưng ở nước ta thì composite được xem là vật liệu mới, bởi thời gian đưa vào

ứng dụng và phạm vi ứng dụng ở nước ta vẫn còn chưa lâu và chưa nhiều

Vật liệu composite sợi thủy tính được bắt đầu nghiên cứu và áp dụng ở nước ta từ

1988, khởi đầu là canô, xuông nhỏ với tư cách là vật liệu mới Đến đầu thập kỉ 90 của thế kỉ 20, một vài đơn vị sản xuất composite đã hình thành với các sản phẩm ghe, thuyền, bồn chứa kích thước không lớn, đặt biệt là ở đồng bằng sông Cửu Long Tuy nhiên composite thực sự phát triển tử 1995, hiện nay trong toàn quốc có hơn 40 đơn vị

lớn nhỏ, nhưng chỉ một số đơn vị chuyển sản xuất mặt hàng composite, con lại kết hợp với các sản phầm nhựa khác, với nhiêu sản phâm đa dạnh như: ghe, thuyên, canô, tàu

20

cang vu, cau truot, mang truot, bề bơi, bồn tăm, tráng trí nội ngoại thất, các công trình

phục vụ đô thị, các ngành thiết bị giáo dục, các giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuông, hệ thống máng trượt, máng hứng và ghế ngôi, mái che của các nhà thi đấu, các sân vận động và các trung tâm văn hoá nông thôn, công trường, nhà máy, ứng dụng trong y học, tại khoa răng của bệnh viện trung ương Quân đội 108 đã

sử dụng vật liệu Composite vào trong việc ghép răng thưa, làm răng giả, và đặc biệt là ứng dụng vào ngành sản xuất các linh kiên, cấu kiện, đóng thùng ô tô, đóng thùng xe

tải, đóng thùng xe đông lạnh, xe bus và những bộ phận khác của ô tô

Vật liệu composite được áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nên kinh tế quốc dân Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu composite duoc tiéu thu 0

Việt Nam khoảng 5.000 tan mỗi năm; tại Hà Nội đã có 8 để tài nghiên cứu về

composite cấp thành phố được tuyến chọn Hiện nay, ở Bình Thuận chưa có con số thống kê cụ thể, ước lượng có khoảng trên 500 thuyền vỏ gỗ đã được bọc composite

Về công nghệ, ở nước ta chủ yếu là công nghệ trải tay, công nghệ phun và các công nghệ tiên tiễn khác vẫn còn ít được áp dụng Tuy nhiên sản pham composite da

và đang có xu thế phát triển ở nước ta với nhiều sản phẩm phục vụ đời sống và công nghiệp hữu hiệu

1.5.Tổng quan về các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài

Ở nước ta, cho đến năm 1988, vật liệu composite soi thuy tinh mdi bat dau

được nghiên cứu và áp dụng, khởi đầu là canô và xuông nhỏ Nhiều năm nay, ngành sản xuất sản phẩm composite của nước ta phát triển ở mức độ thấp và được xem là vật liệu mới, do thời gian đưa vào ứng dụng và phạm vi ứng dụng chưa nhiều, chỉ được ứng dụng trong các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ băng phương pháp lăn tay.Một số các công

trình nghiên cứu đã tạo điều kiện cho vật liệu composIte có những cơ hội phát triển

mới nhưng vẫn vấp phải sự cạnh tranh gay gắt bởi các công nghệ sử dụng vật liệu kim

loại

Với ưu điểm nhẹ hơn, nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng, việc áp dụng vật

liệu composite trong chế tạo các linh kiện — phụ tùng sẽ góp phần làm giảm trọng

lượng chung của phương tiện vận tải.Điều đó đồng nghĩa với việc tiết kiệm nhiên liệu,

tăng khả năng chuyên chở và giảm ô nhiêm môi trường Vật liệu này tạo nên các kêt

21

cau có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường, dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, độ dẫn nhiệt, dẫn điện

thấp Khi chế tạo ở nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai được các thủ pháp công

nghệ,thuận lợi cho quá trình sản xuất và dễ tạo dáng thâm mỹ mà không cần yêu cầu

cao về khuôn mẫu và công nghệ Ngoài những ưu điểm nỗi bật trên, THACO chọn vật

liệu composite để ứng dụng sản xuất

cho các chi tiết ô tô với lý do: phù hợp với sản lượng thấp, dễ thay đổi kiểu dáng sản phẩm, chi phí sản xuất thấp.Công nghệ để sản xuất các linh kiện composite trên thế giới hiện nay rất nhiều và mỗi công nghệ phù hợp với từng nhu câu chế tạo sản phẩm

khác nhau, như công nghệ VARIM (Vacuum Assisted Resin Infusion Moulding) ứng

dụng sản xuất sản phẩm có kích thước lớn, chất lượng cao Trong công nghệ này, sợi khô được đặt vào trong khuôn mở và màng nilon tiếp tục được gắn lên khuôn Một phía của khuôn được nối với nguồn nhựa và phía kia nỗi với bơm chân không Dưới

áp suất âm, nhựa lỏng được chuyên vào trong khuôn để tạo ra sản phẩm Tương tự như công nghệ VARIM là công nghệ VaRTM, áp dụng chuyển nhựa vào khuôn nhờ áp suất âm, nhưng điểm khác biệt là thay vì sử dụng khuôn trên là màng nilon thì công nghệ VaRTM lại sử dụng khuôn trên là khuôn composite Sản phẩm tạo ra có bề dày đúng bằng khe hở giữa khuôn âm và khuôn dương Công nghệ VaRTM thường được ứng dụng sản xuất các chỉ tiết đòi hỏi độ thẳm mỹ cao, bề dày đồng nhất và kích thước sản phẩm không quá lớn Công nghệ sản xuất sản phẩm composite đơn giản và dễ ứng dụng mà trên thế giới vẫn đang áp dụng chính là công nghệ lăn tay, chỉ cần có khuôn

hở, nhựa nên và sợi gia cường là có thể tạo ra sản phẩm băng cách sử dụng con lăn, lăn

ép từng lớp sợi gia cường và nhựa nên lên bể mặt khuôn đến khi sản phẩm có độ dày

đạt yêu câu thì chờ khô và lấy sản phẩm Tại Việt Nam, hai công nghệ được áp dụng

sản xuất sản phẩm từ vật liệu composite chủ yếu là

công nghệ lăn tay và công nghệ VaRTM

1.5.1 Cong nghé lan tay

Trong những ngày đầu mới tiếp cận với vật liệu composite để sản xuất linh kiện

ô tô, THACO đã lựa chọn áp dụng công nghệ lăn tay để sản xuất các chỉ tiết composite

có kích thước lớn như: vỏ giàn điều hòa của xe khách, lướt gió xe tải, Ưu điểm của công nghệ này chính là không đòi hỏi cao vê mặt công nghệ sản xuât khuôn mâu và

22 sản xuât sản phâm Khuôn su dung cho công nghệ lăn tay là khuôn hở, chê tạo đơn giản Về phương diện sản xuât, công nghệ lăn tay có quy trình sản xuât đơn giản nên việc đào tạo đề người lao động tiêp cận công việc trở nên dê dàng Quy trình sản xuât gôm các công đoạn như sau:

đóng răn, gelcoat

Cắt hoàn thiện sản Chờ đóng rắn và Trải sợi và lăn nhựa

phâm đạt yêu câu

Hình 1.16 Quy trình công nghệ lăn tay

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm thì công nghệ lăn tay bộc lộ nhiều nhược điểm Khuôn sảnxuất của công nghệ lăn tay là khuôn hở nên khi thực hiện sản xuất,

nông độ mùi của nhựa va dung môi thoát ra môi trường cao, người lao động phải tiếp

xuc truc tiép khi thao tác sản xuất, ảnh hưởng đến sức khỏe Đặc biệt khuôn được gia

công thủ công, nên khuôn không có độ chính xác cao, dẫn đến sản phẩm dễ bị sai lệch

về biên dạng Cách thức sản xuất của công nghệ lăn tay còn nhiều nhược điểm, số lượng công nhân tham gia sản xuất nhiều, năng suất thấp, quá trình tạo sản phẩm còn

phụ thuộc nhiều