Nghiên cứu chế tạo vật liệu mới composite polyme 3 pha phục vụ công nghiệp đóng tàu ở việt nam

Dựa trên kết quả thí nghiêm, m ột p hư ơ n g pháp được các tác 5 ả đề xuất đế tính toán lực tới hạn và thời đièm mất ổn định ch o kết cấu ống: 9 ống với các p ha sợi khác nhau, số phân

M U C L U C

M ơ d ầ u 10

C h ư o n g I, C ơ sỏ khoa học, nghiên cứ u, tính toán ảnh h ư ở n g của sợi và hạt đến tính n ã n g c ơ lý của vật liệu c o m p o s i t e 3 p h a 22

1.1 A.nh h ư ớ n g của sợi và hạt đên m ô đun đàn hôi £|| (m ô đ u n kéo theo phương S0112 s o n 2 v ớ i c ố t s ợ i), m ô đ u n đàn hồi ( m ô đ u n k é o t h e o p h ư ơ n a nằm tro n e mặt p h ắ r a vuô n g eóc \ ới p h ư ơ n e của cốt sợi) và các mô đun đàn hồi trượt G ,,,G,3 của vật l ệ u 22

1.1.1 M ô hình vật liêu c o m p osit 3 pha cốt sợi và hạt gia c ư ờ n g 22

1.1.2 M ô hình tính toán xác đ ịnh các hệ số vật liệu cùa c o m p o sit p o ly m e 3 p h a 22

1.1.3 Xây d ự n g các biểu thức xác định các hệ số kỹ thuật vật liệ u 23

1.1.4 T ính toán s ố 28

1.1.5 Kết lu ậ n 37

1.2 Dãn nờ nhiệt của com po site cốt s ợ i 37

í.2 ỉ Giới ih iệ u 37

1.2.2 N hĩrne h ệ thức cơ s ờ 41

1.2.3 Bài toán v à ph ư ơ n g ph áp g iả i 42

1.2.3 1 M iền c ủ a pha n ề n 43

1.2.3 2 M iền c ủ a pha s ợ i 44

1.2.3 3 T h u ầ n Iihất hoá trụ hỗn tạp - trụ c o m p o s ite 44

1.2.3 4 Đ iều k iệ n tồn tại trạng thái biến d ạ n s p h ẳ n e 46

1.2.4 Kết lu ậ n 48

1.3 Dàn n ở nhiệt của com posite 3 ph a cốt sợi đ ồ n a p h ư ơ n e đ ộn hạt c ầ u 48

1.3.1 ĩ)ặt vấn đ ề 48

13.2 Xác đ ịnh các hệ số aiãn nở nhiệt của com posite ba ph a cốt sợi đồ na phươnơ độn lạt c ầ u 49

1.3.2 1 í lệ số 2Ìãn nờ nhiệt cùa nền ơià đ ịn h 50

1.3.2 2 Hệ sỏ uiãn nơ nhiệt của c o m p o site hai ph a cốt sợi đ ồ nu p h ư ơ n e 50

1.3.2 3 Mệ số eiãn nở nhiệl của c o m p o site ba pha cốt sợi đ ồ n a p h ư ơ n a độn hại c ầ u 52

1.3.3 Ví dụ b à n ẹ s ố 54

1.3.4 Kết lu ậ n 59

1.4 " inh toán ứ n a suất - biến dạng, tính c h ố n g thấm , khả nănơ k h á n g nhiệt của ống dân c o m p o s it e c ố t hạt c h ịu áp suất trong, n g o à i v à n h iệ t đ ộ 60

1.4.1 C ác p h ư ơ n a trình cơ bàn cua nhiệt đàn hồi tuyến tín h 60

1.4.1 1 M ối liên hệ ứng suất, biến d ạng và nhiệt đ ộ 60

ỉ.4.1 2 P h ư ơ n g trình truyền n h iệ t 61

1.4.1 3 Đặt bài toán theo chuyền d ị c h 63

1.4.2 Trụ C o m p o site chịu tác đ ộng c ủ a áp suất và nhiệt đ ộ 65

1.4.2 l Đặt bài to á n 65

1.4.22 P h ư ơ n g pháp g iả i 68

1.4.22.1 Xác định trường nhiệt độ T { r \ t ) 68

1.4.22.2 X ác định trư ờng ứng suất, biến dạng v à c h u v ển v ị 73

1.4.3 T ín h toán s ố 77

1.4.3 1 Sự p hân bố của ch uyển v ị 78

1.4.32 Sự phân bố của biến d ạ n g 80

1.4.3 3 Sự phân bố của ứ n a s u ấ t 83

1.4.4 N h ậ n x é t 89

1.4.5 K ết lu ậ n 90

1.5 'Nghiên cửu ảnh h ư ờ n g của các hạt các sợi lên khả năng chịu uốn của tấm com posite 91

1.5.1 P h ân tích uốn cho tấm com po site ba p h a 91

1.5.12 T â m co m po site phân lớp 95

1.5.2 Kết quả s ố 96

1.5.2 1 A nh hư ở n o của tv lệ sợi và h ạ t 97

1.5.22 Ả nh hư ờ n g cùa góc s ợ i 98

13.2.3 A nh h ư ở n g của lính đối x ứ n e của tấ m 105

1x1 Kết lu ậ n 107

I.) ớ n định tĩnh của tấm com posite 3 pha nhiều lớp có kể đến tính k h ô n e hoàn háo v: hình d á n e ban đ ầ u 108

I ■» i Tông q u a n 108

Xác dịnh các mô đun dàn hồi của vật liệu c o m p o site ba p h a 109

Các p h ư ơ n g trình cơ b ả n 114

Phân tích ổn đ ịn h 121

1 T ấm c o m p osite ba pha chịu lực nén dọc trụ c 121

I.).4.2 M ột số kết quả tính to á n 123

I.).5 Kết lu ậ n 127

I.' Phân tích phi tuyến động học tấm c o m p o site p o ly m e 3 p ha có gân gia crờng 128

I.M M ở đ ầ u 128

Các hệ thức cơ bản của tấm c o m p o site có gân g ia c ư ờ n g 128

I/ 3 IMiirơng ph áp giải theo hàn ứng suất ệ v à độ v õ n g w 132

I/.3.1 D ao đ ộ n g có điều kiện biên bản lề bốn c ạ n h 133

I.’.3.2 D ao đ ộ n g vỏ với điều kiện biên n g àm hai cạnh và bản lề hai c ạ n h 136

Kết qu ả giải s ố 139

Nhận x é t 149

I/.6 Kết lu ậ n 151

O i r o n g II K ế t quả chế tạo mẫu và thực n g h i ệm c ho c o m p o s i t e p o l v m e 3 pha n n polyeste sợi th ủ y tinh, hạt t i t a no x it 152

111 Quy trình chế tạo com posite nền p olyeste sợi thủy tinh, hạt tita n o x it 152

111.1 Vạt liệu thành p h ầ n 152

111.2 Sợi thủv tin h 153

111.3 Q uy trình chế tạo com posile 3 pha nền polyeste, sợi thủy tinh, hạt titan o.it 158 112 C oniposite nền polyeste với 25°ó cốt sợi (0 % cốt h ạ t) 163

112.1 Két qua chế tạo 163

112.2 Kẻt quà thực n g iệ m 165

Ỉ13 C om posite nền polyeste với 25% cốt sợi (5% cốt h ạ t) 169

113.1 Két quà chế tạo 169

113.2 Kêt quà thực n a iệ m 171

114 (rom posite nền polyeste với 25% cốt sợi (10% cốt h ạ t) 174

114.1 Kết quả chế tạ o 174

114.2 Két quá thự c naiệrn 176

115 C o m po site nền polveste với 30% cốt sợi (5% cốt h ạ t) 179

115.1 Kết quả chế tạo 179

115.2 Kết quả thự c n g iệ m 181

115 C o m po site nền polyeste với 40% cốt sợi (5% cốt h ạ t) 184

115.1 Kết quả ch ế tạ o 184

115.2 Kết quá thực n g iệ m 186

Ciirong l i l Ke t quả chế tạo mẫu và thực nghiệm cho c ompos ite po ly me 3 pha lĩin vinyỉeste sợi thủy tinh, hạt titanoxit 191

II 1 Q uy trình chế tạo com posite nền vinyleste sợi thủy tinh, hạt titanoxit 191

11.2 C om posite nền vinyleste với 25% cốt sợi (0% cốt h ạ t) 193

11.2.1 Kết quả chế tạ o 193

11.2.2 Kết quả thực n g iệ m 195

11.3 C o m p osite nền vinyleste với 25% cốt sợi (5 % cốt h ạ t) 198

ỉl 3 1 Ket quả chế tạ o 198

11.3.2 Kết quả thực n g iệ m 200

11.4 C oinposite nền vinyleste với 25% cốt sợi (10% cốt h ạ t) 203

11.4.1 Kết quả chế tạ o 203

11.4.2 Kết quả thực n g iệ m 205

11.5 C om posite nền vinyleste với 3 0/0 cốt sợi (5°/0 cốt h ạ t) 208

11.5.1 Kết quả chế tạ o 208

11.5.2 Kết quả thực n g iệ m 2 10 11.6 C o m posite nền vinyleste với 40% cốt sợi (5% cốt h ạ t) 213

III.6 l Kết q u ả chế tạ o 213

[11.6.2 Ket q u á thực n e iệ m 215

Ch ưr n g IV Kết quả chế tạo mẫu và thực ng hi ệm c ho c o m p o s i t e po l y m e 3 pha nêti cpoxv sợi thủy tinh, hạt t it anoxi t 220

IV 1 Q uy trình chế tạo com posite nền e pox y sợi thúy tinh, hạt tita n o x i 220

IV 1 1 N hựa e p o x y 220

IV 1 2 Quv trình chế tạo com posite 3 pha nền e p o x y sợi thủy tinh, hạt titanoxit 222

IV.2 C o m p o site nền epoxv với 2 5 % cốt sợi (0 % cốt h ạ t) 224

IV.2 1 Kết q u ả chế tạ o 224

IV.2.2 Ket q u ả thực n s iệ m 226

ỈV.3 C o m p o site nền epoxy với 2 5 % cốl sợi (5 % cốt h ạ t) 230

IV.3 1 Kết q u ả chế tạ o 230

IV.3.2 Kết q u ả thực n g iệ m 232

IV.4 C o m p o site nền epoxy với 2 5 % cốt sợi (1 0 % cốt h ạ t) 235

IV.4 1 Kết q u ả chế tạ o 235

IV.4.2 Kết q u ả thực n g iệ m 237

IV 5 C o m p o site nền epoxy với 3 0 % cốt sợi (5 % cốt h ạ t) 240

IV.5.1 Kết q u ả chế tạ o 240

IV.5.2 Kết q u ả thực n g iệ m 242

IV ó C o m p o site nền epoxv với 4 0 % cốt sợi (5 % cốt h ạ t) 245

IV.6 1 Kết q u ả chế tạ o 245

[V.6.2 Kết q u ả thực n g iệ m 247

Chưr ng V K ế t quả chế tạo mẫu và th ực n g h i ệm c ho c o m p o s i t e po l y m e 3 pha nền «poxy s ọ i cacb on, hạt ti ta no xi t 252

V 1 ^uv trình chế tạo com posite nền epoxy sợi c acbon, hạt tita n o x it 252

v l Sợi các b o n 252

\ \ Q u y trình chế tạo com posite 3 pha nền epoxv sợi cacbon hạt titan ox it 264

^ 2 ro m p o s ite nền epoxv với 25% cốt sợi (0% cốt h ạ t) 266

V.2 Kêt qu ả chế tạ o 266

V 2.^ Kêt q uả thực n g iệ m 267

V.3 C om posite nền epoxy với 25*^0 cốl sợi (5 % cốt h ạ t) 271

v.3.1 Kết q u ả chế tạ o 271

v.3.2 Kết q u ả thực n g iệ m 273

V.4, C om posite nền epoxv với 40% cốt sợi (0 % cốl h ạ t) 276

V 4 1 Kết q uả chế tạ o 276

v.4.2 Kết q u ả thực n g iệ m 278

TỔNG H Ợ P K É T Q U Ả C H Ế T Ạ O M Ả Ư 281

TÓNJ HỢP KẾT QUẢ s ố LIỆU THựC NGHIỆM 284

K Ế T Q U Ả Đ À O T Ạ O 288

K Ế T Q U Ả Ứ N G D Ự N G V À O T H ự C T Ỉ É N 289

C Á C C Ò N G t rIn h Đả Cô n g b ố 290

K É T L U Ậ N 292

TÀ I LIỆU T H A M K H Ả O 293

PHIỂU Đ Ả N G K Ý K Ế T Q U Ả C Ủ A Đ Ề Á N 305

P H Ụ L Ụ C 1; K ết quả thực n g h iêm co m p o site nền p olyeste, sợi thuỷ tinh, hạt

T itan oxit

P H Ụ LỤ C 2: Kết quả thực ngh iêm co m p o site n ề n viny ly este, sợi thuỷ tinh, hạt

T itan oxit

PH Ụ LỤ C 3; Kết quả thực ng h iêm c o m p osite nền ep oxv , sợi thuỷ tinh, hạt

Titan oxit

PH Ụ LỤ C 4: Kết quả thực n g h iêm com po site nền epo xy , sợi cacrbon, hạt

T itan oxit

PH Ụ LỤ C 5: Hồ sơ đăng ký sáng chế và B iên bản triển khai áp dụ n g

P M Ụ L Ụ C 6: B ản photo copy các công trình đ ã c ô n g bố

T H Ò N C T I N C H U N G VÈ Đ È Á N Tén đề án, Mã số:

••NCIỈỈẾN CỬU CHẺ ĨẠO VẬT LIỆU MỚI COMPOSITE POLYME 3 PiỉA PHỤC v ụ

CÒNG NGHIỆP ĐÓNG TÀU ớ VIỆT N A M ’-

M ã số: Q G Đ A 12.U3

Chii n h iệ m đ ề tài: P G S T S K H N guyễn Đ ình Đức

C(I' q u a n c h ủ trì: T rư ờ n a Đại học C ông nghệ - Đ H Q G H N

Nội d ung ng hi ên cứu của đề án:

Bao gồm n h ữ n g nội d ung chính n h ư sau:

NltóTi nội d u n e 1 : C ơ sở k h o a học cho việc nghiên cứ u chế tạo com p osile p o ly m e

3 pha B ao g ồ m tính toán xác định các m ô đun đàn hồi ch o c o m p o site 3 pha phụ ihuộ; hiên vào tỷ lệ sợi và hạt; k h ảo sát các ảnh h ư ở n g của tỷ lệ sợi và hạt lên độ bên lôn, hệ sô dãn nở nhiệt và đáp ứng phi tuyên (tĩnh v à đ ộ n g ) của tấm com po site

- N g h iê n cứu che thử m ẫu vật liệu với các p h ư ơ n e án trộn nền polym e với

SỢI tia c ư ờ n e v à c á c hạt titanoxit th e o c á c tv lệ khác nhau

- T h ự c n e h iệ m ph ư ơ n g pháp xác định các m ô đun đàn hồi của từnơ loại mẫu

\'ật 1 ệu c o m p o sile

- P h ân tích, tồn a hợp, đánh 2Ìá kết quá chế tạo và th ử n s h iệ m

Kinh phí thực hiện: 950 triệu đồne KP Quỳ í^hát triển K H C N ciia Đ H Q G liN

1 hò’; gian nghiên cứu: 2012 -2013

1 hành viên c hính tham gia thực hiện đề án:

PGS IS K H N g u v ễ n Đình Đức (Chú nhiệm Đề tài)

TS Vguyền H oàn g Q uân (Đ H C N ) TS Lê Thái í ỉ ò a (Đ H C N ), TS H oàng Văn

(ĐI ỈCN); ThS, Vũ Thị Thuỳ A nh (Đ H C N ); ThS P h ạ m V ãn T hu (V iệ n N C Chế tạo tàu n u ỷ - ĐH N ha Trang); ThS N gu yễn V ăn Đẳc (Đ H X D H N ); K S N C S Tràn Quốc Quàn (Đ H C N ); KS H V C H Bùi Đức Tiệp (V iện C ơ học); C N H V C H N guvễn

Xuâi' Tú (Đ H C N ); KS Hồ Q uang Sáng (Đ H C N ); KS Đ inh V ăn Đ ạt (Đ H C N ), KS Phạm H ồng C ô ng (Đ H C N )

iVlỏ Đ Ầ U

C o m p o site là loại vật liệu đượ c cấu thành từ hai hoặc nhiều vật liệu thành phàr khác nh au n h ăm m ục đich phat huy các tính năn g iru việt cúa vặl liệu thánh phàr và tạo ra vật liệu m ới com po site có nhiều tính chất ưu việt vư ợ t trội [1, 2J Vật

liệu com posite gôm thành phần liên tục, có tính n ă n e gắn kết các th àn h phần gia

c ư à rg , gọi là vật liệu nền (hay pha nền) và các thành p h ầ n cốt (các p ha gia c ư ờ ne)

V ật íiệu nền có tác dụ n g phối hợp sự làm việc hài h oà của toàn khối co m posite,

p h à r bố lại nội lực, c h ố n g chịu các tác động lý-hoá c ù a m ôi trư ờ n a Tác d ụng nổi bật của pha gia cư ờ n g là làm cho c o m p o site trở nên c ứ n g hơn, làm tốt hơn khả năng khác như: k h ả năng c h ố n g lại biến d ạng k h ô n a đàn hồi, c h ố n g thấm , c h ố n g cháy, giảiĩ sự phát triển của vết nứt và chịu va đập tốt

V ới n h ữ n g tính năng nồi trội cùa m ột số c o m p o site n h ư rất nhẹ, bền với các tac cộng vật lý, h oá học (com posite poly m e), bền và siêu bền nhiệt (c o m p o site chức năng, co m p o site carbon-carbon), k h ả năng c h ố n g ăn m ò n cao và thích ứ ng với các tiêu :hí cao c ủ a kỹ thuật và công ngh ệ hiện đại, c o m p o site phát huy đ ượ c ưu điểm

c ù a các vật liệu thành phần, vì vậy c o m p o site đã được n e h iê n cứ u và sử d ụn g n hư là loại vật liệu lý tưở n g ứng dụng tro ng các n gàn h c ô n ạ n g h iệp, điển hình là công nghiỉp nhựa, cô n g n gh iệp ô tô, côn g nghiệp đ óng tàu, c ơ khí, chế tạo m áv, xâv dựnị; dân dụng, giao th ô n a vận tải và thậm chí cả trong y học N g h iê n cứu về vật liệu và kêt c ấu c o m p o site noày c àn g đượ c phát triển rộ n g rãi, có ý n ghĩa k h o a học

và ữ ự c tiền to lớn

Vật liệu c o m p osite thông thirờno được phân loại theo m ộ t số cách sau đâv

[1]:

Phân loại theo vật liệu nền: Do vai trò đặc biệt q u an trọ n g của pha nền

tronỊ công n g h iệ p người ta phàn loại vật liệu co m po site theo tên 2ỌÌ cùa vật liệu nẻn ví dụ n hư co m p o site polyme (nèn làm lừ vật liệu polvm e) co m p o site kim loại

10

Phân loại theo cấu trúc vật liệu: T h e o cách này ngư ờ i ta phân c o m p o site ra

đnh (co m p osite cốt sợi đồng p h ư ơ n g ID ) hoặc th eo các p h ư ơ n g khác nhau nD (sợi

g a cường p h â n bố theo n phươn2 khác nhau)

C o m p o site phân lớp được cấu thành từ các lớp vật liệu khác nh au đ ư ợ c sắp

la đê cho ra m ộ t lớp tổng thế có độ c ứ n g cao C ác lớp vật liệu có thể là các vật liệu

o n ip o s ite đ ồ n g phươ ng và các lớp khác n h au có các h ư ớ n g sợi khác nhau, hoặc

vú N hược đ iểm của loại vật liệu n ày là n guy c ơ b o n e tách các lớp vật liệu và sir tịp trung ứng suất cao nơi mặl tiếp xúc, đặc biệt khi vật liệu p h â n lớp làm việc tronR nôi trường có nhiệt độ cao

C o m p o site nhiều pha có cấu trúc k h ô n g eian, bao g ồ m sự kết hợp của 2 hay niieu thành ph ần gia cường khác n h a u trong vật liệu nền, còn có kv hiệu tổng quát

li coinposite n D m (chì số n được d ù n g để chỉ sổ p h ư ơ n 2 c ù a sợi gia cường, còn chỉ

S( m đ ể nói ràne: n a o à i cá c sợ i, pha n ề n đã đ ư ợ c b ổ sunơ từ n h iề u pha kh á c nhau, ví

di Iihư các hạt và các sợi ngắn p hân tá n , )

Ngàv nay đã xuất hiện m ột số loại vật liệu co m p o site có tên 2ỌÌ m ới như cmiposite biến đổi chức năng [44, 45, 46, 52, 56], co m p o site áp điện [17], nano- cmiposite (it nhất một Ihành phần vật liệu cỏ kích th ướ c nano mét) Đâv là n h ữ n e

lcỊÌ c o m p o s i t e đ a n a đ ư ợ c quan tâm n a h iê n c ứ u bởi khả n ă n g ứ n g d ụ n g rộ n g rãi c ủ a

ciúrm

C o m p o site polym e là vật liệu c ã quan Irọ ne tro na k hoa học c ô n e n a h ệ \ à

tlưưng inại N ó được ứ n s d ụ n e làm vật liệu đàn hồi eia c ư ừ n a sử d ụng cho mục(íomposite nền kim loại hoặc hợp kim), c o m p o s i t e g ốm c o m p o s i l e c ar b on -c ar bo n

V V

đ íc h giảm khối lư ự n s , lărm độ bên kêi càu c icii diện, hền với m ôi trường k iềm và

axíl, C o m p o site pol\ me siêu bèn siêu níic va cỏ tính nănơ cơ Iv tôt được sử dụna, troiic máy bay, h a n s khôntỉ vũ Irụ lau lhu\ Loniposite polym e ba pha là vật liệu lồ

hợp côm nền polym e cốl sợi hoặc vai và thêm các hạt eia cường (hoặc phụ eia) đê tạo rt n h ừ n s vật liệu có tính chấi như mona inuòn

Trên thế 2Ìới, n h ữ n a nohicMi cửu \ ê comỊX)siie 3 pha có thê kể đến từ n h ữ n s

ná m "'0 của thế kỷ XX Nhừno nehiên cưu sớm nhất công bổ về kết cấu com posite 3 pha cã xuất hiện lừ những năm 70 Năm 19” 2 hài báo của D R F ow ler và D.A

Nevv.on [7] trình bàv loạt thí nohiệm về nén của ống; com posite phân lớp 3 pha (nhự;i, sợi v à lá kim loại) Dựa trên kết quả thí nghiêm, m ột p hư ơ n g pháp được các tác 5 ả đề xuất đế tính toán lực tới hạn và thời đièm mất ổn định ch o kết cấu ống: 9

ống với các p ha sợi khác nhau, số phân lớp và cách sắp xếp phân lớp khác nhau được chế tạo ch o thí nehiệm nén dọc trục Các ông bị phá hùy do sự phân tách giữa

các pha và p hân tách dọc trục trona các pha Ket qua thí neh iệm cho các giá trị lực tơi han kh á p h ù hợp với lính toán lý thuyêt cho 6, 9 trường hợp M ột năm sau đó [8], năm 1973 các tác giả này trình bày các thí nghiệm vè tấm com posite 3 pha phân lớp (nhự£, sợi và lá kim loại) tựa bản ỉề hai cạnh dối diện và chịu nén trên hai cạnh này:

8 tà ư chừ n hật được chê tạo với các thành phần lá kim loại khác n hau (nhôm, thép, tita n iv à cách sắp xép các pha, cũng như phươne sợi khác nhau Phân lý thuyết trình bày t n h toán cho các hàng số đàn hồi bàng lý thuyết tấm m ỏng và độ uốn của tấm báng phư ơ ng p háp ihè năng cực tiêu Mô đun Young được đo đạc cho kêt quả khá píiù t-ợp với tính toán lí thuyết Các ứns, xử biến dạnẹ lớn và oằn đ ượ c đo đạc cũng

CIO tìâ y sự p h ù hợp với tính toán lý thuvết Bên cạnh đó bài báo c ũ n e trình bàv một

sò k i ó khăn trọ n g việc chế tạo tấm composile 3 pha nhiều lớp và các biện pháp kĩ

tỉ uật đế khắc phục Tu>- nhiên nhữna nahiên cưu này là nhừne nơhiên cứu thực nghitm, do đó chưa phản ánh được nhừne dự háo ve sự thay đồi cơ tính của vật liệuV.I kl-ả n âng chịu tái của kết cấu phụ thuộc vào tỷ lệ gia cường cùa từ n s pha cũn2

m i i íự phàn bố cấu trúc Do hạn chế về còns ntỉhệ chế lạo và nhu cầu sử dụno c.)riỊ-osite 3 pha ma \'ề sau rất ÍI cỏ còna trình nshièn cứu đầy đủ được côna bố kếi q.ià ^ê loại vật liệu này, đặc biệt là đôi vói comp( siie 3 pha gia c ư ờ n a côt sợi và các

loá hat N hữ n ơ năm ^ần dây khoa học và công ne,hệ đã phát triên tới trình độ cao, cá: hạt nano và các hạt áp điện dược nehiôn cứu chế tạo đira vào ứ n2 d ụ n s troniỉ

côig n a h iệp , dã m ớ ra nhiều hướng nghiên cứu về lính chất cơ-lý và kết cấu của vật

liệi c o n ipo site 3 pha

C ác nghiên c ứ u tồnơ quan cho thấv các rmhiên cứu về vật ỉiệu com posite 3 phi còn rấl m ới và xuất hiện chủ vếu từ những năm 90 của the kỷ X X trở lại đây

I rước hết phải kể đến các nghiên cứu cùa cáe nhà hóa học và vật lý trong

viíC chế tạo và nghiên cứu vật liệu com posite 3 pha những năm gần đâv N ăm 2003,

Z.A D a n g đă n ghiên cửu khả năng ứng dụng tro n e lĩnh vực vi điện tử (micro

eh ctronic) c ủ a vật liệu com posite 3 pha (nhựa p olyvinvlidene tluoride, s ố m và

ca bon n a n otub e) [9] với những ưu điểm về hằng số điện môi cao, nhiệt độ chế tạo th;p ( 2 0 0 ‘^C) v à dễ d à n g chế lạo các hình dạng khác nhau C ác tính chất điện môi điợc n g h iê n cứu khi thay đổi tỉ lệ thể tích của pha g ố m và pha carbon nanotube, cũig n h ư khi thay đổi nhiệt độ môi trường và tần số C arbon nanotube cho thấy ảnh

tliDrid Sự bổ sung c arbon nanotube với ti lệ thể tích 12% có thể làm tăng hàng số dim m òi cùa vặt liệu lẻn gấp 20 lằn Nhom cac tác già này cũng đã nghièn cứu ư n s

xủ c á c h điện, đặc biệt là ánh hường của nhiệt độ đến tính chất cách điện cùa

co n p o site 3 ph a g ồ m nền polym e PVDF và sợi các bon, hạt B aT i03 [10]

c w N an, L.J D ong và các tác giả khác [11] đã n a h iên cứu tính chất áp điện vàđiện từ của co m p osite 3 pha bao aồm nền polym e, hạt hợp kim Tb-D y-Fe và hạt

ch-k ẽ m -tita n PZT

N ă m 2008, R.G Diaz đã công bổ [12] các kết quá tính toán lý thuyết cho các

vàsưi í'*ZT-7A (một h ợp chất của chì và titan) Các kết quà tính toán lý thuyết cho th.y sự phù hợp với thực nahiệm cùa các hằng số áp điện khi thav đôi li lệ thê tích

củ- sợi PZ T-7A Vật liệu có khà n ăn2 ứ n s dụno troiì2 các bộ chuyên đôi, ví dụ

ccig ĩighệ ảnh hóa (im aeing), thí nohiệm k hôna phá hủy (nondeslructive testinơ) tan^ihe dưới nước (h \'d ro p h o n e )

13

'1 Chen và M L M ecartney ị l 3 | năm 2005 c ô n s bố kết quà thí nghiệm cho các tính chất từ biến, vi kếl cấu và cơ học của vật liệu co m p o site 3 pha (40° o nhôm , 30° 0 ziriconi, 3 0% gốm ceram ic) T r o n e bài báo này chu y ếu trình bày nhừne;

n s h iê n cứu ban đầu về chế tạo và các tính chất kết dính của các pha, chưa cỏ kết

quả cho các tính chất cơ học của vật liệu

N ăm 2008, s Kari và các tác giá trình bày rmhiên cứu về ảnh hưở ng của vật liệu kết dính (interp hase m alerial) tới co m p o site 3 pha (nền nh ựa, sợi gia cường

h o ặ c hạt độn hình cầu và vật liệu kết dính) bàn2 phirơ n e p h á p số [14] Ket quả tính

to á n thu được cho thấv sự p hù hợp với các kết quả giải tích K ết luận đư a ra là vật liệu kết dính cần đ ư ợ c chọn sao cho đủ cứ ng để truyền tải lực qua lại giữa pha sợi

và p h a nền

N ăm 2009, s G e o rg e và M T Sebastian trình bày kết q u ả thí ngh iệm vật liệu

c o m p o site 3 pha (n h ự a epoxy, ẹốm và bạc kim loại) cho n h ữ n g ứ n s d ụng chế tạo tụ

đ iện [15] ư u điểm c ủ a vật liệu mới này là ở chỗ: hàng số điện m ôi cao hơn các vật liệu cách điện tru y ề n thống, nhiệt độ chế tạo thấp (70°C) v à dễ d à n g lạo các hình

d ạ n g khác nhau C ác thuộc tính điện môi (dielectric) của vật liệu đ ư ợ c nghiên cứu khi thay đổi ti ỉệ thể tích của bạc và khi thay đổi tần số, nhiệt độ môi trường, đ ồng thời các kết quả n ày cho thấy sự phù hợp với các tính toán b à n g lý thuyết K ết quả cho thấy vật liệu 2 p h a g ồ m epoxy v à g ốm nếu đ ượ c bổ su n g 2 8 % bạc có thể có

h à n g số điện môi tã n e từ 8 lên 142 tại tần sổ lM H z Với các tính chất tốt như trên, vật liệu mới này hứ a hẹn sẽ được phát triển rộng rãi tronơ lĩnh vực vi điện tử

C ác lác giả S.K C haturvedi, G Y T z e n g đã n eh iên cứ u m ô hình ở cấp độ hạt kích thước micro m ét cho vật liệu co m p o site 3 pha (nền n hựa, sợi và vật liệu kết dính) [16] Ả nh h ư ở n g củ a tỉ lệ sợi, sức cản nhớt và độ cứna, của các pha thành phần đến tính chất cơ học c ù a co m posite được xem xét v à thảo luận

Khi n e h iên cử u m ô hình c o m po site 3 pha, vấn đề đầu tiên và quan trọ n s là phai xác định được m ô đun đàn hồi c ủ a co m p osite 2 pha chi bao gồm nền và các hạt độn Các n ahiên cứ u về co m posite 2 pha nàv ílườno như được trinh bày và đề cập đến lần dầu tiên tr o n s c ô n a trình [17 18] T ro ng [17], C h risten sen sử d ụng giả thiết

14

tviệ CMC hạl độn là nhó N ăm 1995 N K atsube trình bày một p h ư ơ n a pháp siải tích klác dê tính toán các hãn a sô đàn hôi cho vậl liệu com posite hạl độn hinh câu [19 T.c eii sư dụnR Iv thuyết ứnơ suất trung bình và thê tích biến d ạ n e truna bình Kết qiá th.i được phù hợp với kết quả cúa Mashin (1983).

Gần đâv, m ột số kết quá tính toán mô đun đàn hồi cho com posite 2 pha với nei pd> slyren và các hạt titan dioxit được các nhà vật Iv nghiên cứu và giới thiệu

tôig q-ian tro n a bài báo [20] N ăm 1996, Vanin G.A và N a u y ê n Đinh Đức đã đưa racỏng thức tính toán m ô đun đàn hồi cho com posile 2 pha độn các hạt cầu, có tính đếi lư m a tác 2Ìừa nền và các hạt [21], kết quả cho thấy mối quan hệ phi tuyến giữa

mi đ ui đàn hồi và tv lệ các hạt độn trong composite

C o m p o site 3 pha gồm nền và 2 pha khác đều là các hạt độn (từ vật liệu khác

n h u ) được xem xét và nghiên cứu trong [22] (^ồm nền, hạt cầu và spherical

am ulis) C o m p o site 3 p ha 2ồm nền và các pha hạt đều được xem là composite đóig rhất, đ ẳ n g hướng

C o m p o site 3 pha g ôm nền và hai pha đều là sợi cũng đã được nghiên cứu vào nàn 2)05 tro ng bài báo của Y Ivvahori và các tác giả [23] T ron g bài báo này các tá< giá trình bày hàng loạt thí nghiệm kéo, nén, uốn để xác định độ bền cho vật liệu cenpcsiie sợi carbon nano 2 pha (nền nhựa epoxy, sợi carbon nano) và 3 pha (nền nhra ípoxy, sợi vải, sợi carbon nano) nhàm đánh giá tác dụng của việc bổ sung sợi cabor n a n o vào vật liệu com posite Kiềm tra với độ dài khác nhau là lOOOnm và 5C)0nn v à hai tỉ lệ khối lượng Idiác nhau của sợi carbon nano là 5% và 10% Với

vậ liệi 2 p ha, thí nghiệm kéo, nén và uốn đều cho thấv m ô đun Y oung và độ bền

CỦI \ ậ liệu tăng với các trư ờ ng hợp 5% sợi carbon nano, và tăng m ạnh hơn nữa với tnờiK h ợ p 10% T rong khi đó, với vật liệu 3 pha, việc bổ sunơ sợi carbon nano khÒMíỉlàm thav đồi đánơ kề độ bền và mò đun Young cua vật liệu M ô đun Y ouna

2Ì;ni t o n a thi n s h iệ m kéo và uốn, tă n s nhẹ trong thí n e h iệm nén

Các n e h iên cứu cơ học về vật liệu composite 3 pha bao 2ồm nền, sợi và hạt

đ ìs trn đ ư ợ c đề xuất nohiên cứu tronơ [24] vào năm 1996 Ý tướ ne nơhiên cửu về ccnỊxsite ? pha của các tác siả (V anin G.A., N guyen Dinh Duc) nảv sinh khi

ntihièn cứu vặt liệu co m positc carbdivcarhon co jâu trúc khô n g gian: Thực tế cho thấy các mô dun dàn hôi trưọt cua \ậ l liẹu conip )site carbon-carbon 31) giữa thực imhiệm và các tính toán Iv thu}ếi khck Iihau quá xa Các tác giả dã đặt vấn dề phải

lý giải hiện tư ợ n s này Soi trên kính hicn \ i diện tư cho thấy có vô vàn lỗ rồng bọt khí xuất hiện tro n a vật liệu (các lồ rồnu na\ có thè chiếm tỷ lệ đèn 15-20%) NiiU)'ên nhân xuất hiện các lỗ rồne bọt khi là quá Irình eraphit liỏa, ủ vật liệu khi

chế tạo co m posite carbon-carbon ở nhiệt dộ circ cao (đến h à n s vài nghìn độ) Đe tính toán ánh h ư ờ n e của các lỗ rồna bọt khi các tác giả đã đề xuất mô hình com posite 3 pha 3D m gồm nền carbon các sợi carbon và lồ rỗ n g hình cầu Ket quả tinh toán cho ihấv các bọt khí rỗng lam giam mỏ đun đàn hồi của vật liệu [24],

nhưng nếu xem pha thứ 3 là hạt vật chất (khỏng rồne, có mô đun đàn hồi cao) thi tính n ăn g vật liệu lại được cải thiện [25 26] Trong [21J các tác giả đã đề xuất công thức m ới tính mô đun đàn hồi của composUe 2 pha và đã tính đến tương tác giữa nên và các hạt M ô hình composite 3 pha 3Dm được các tác giả đề xuất giải quyết theo m ô hình coinposite 2 pha liên tiếp: Pha đâu gộp nền với các hạt đê tính các mô đun d àn hồi hiệu quả cho composite được xcni như là vật liệu nền giả định cho ccm posite B ước tính tiếp theo bao gồm nền íiả định và các sợi gia cường Theo thuật toán này, các tác giả đã nahiên cứu tính toán các mô đun đàn hôi và tính toán hiện tượim từ biến cũng như hệ số dãn nở nhiệt cho composite 3 pha 3D m [21, 24-

2(’j

N ãm 2005, các tác giả J.C.Afonso, G.í^analli đề nghị m ộ t phươ ng pháp đơn gián để tính toán các h ằ n s số đàn hồi cho vật liệu composite 3 pha (nền, sợi ngắn hoặc dài, hạt) sử dụng hiệu ứng shear las và phần tử đại diện [27] Mô hình tính

tcáii cho vật liệu hai pha sử dụna phirơna pháp sợi giả tưởng Phần tính toán các hiinơ số cho vật liệu 3 pha được thực hiện hàii2 phương pháp phần tử đại diện: vật

liíu 3 pha thực tế được thay thế bơi nhữna phàn tư đại diện đưn lé chỉ gồm 2 pha là ncn \ à một tro n g hai p ha gia cườns Sau đó các hằng số đàn hôi được lính toán cho

CÍC phần từ đại diện nàv, tiếp theo sừ dụnu luật phàn phối đơ n 2Ìản dế tính toán các

h.ing; số cho \ ’ật liệu 3 pha từ các hằns số đan hòi \ à ti lệ thể tích của các phân tử đại

d ệ n đó Kết qua linh toán cho cá irường hợp 2 pha lẫn 3 pha đều rất phù hợp với

16

S.Y,Fu và các tác e iả [28] c ô n g bố kết quá ntỉhiên c ử u về các hàng số đàn hỏi c.ia vật liệu com p osile lai (hyb rid co m p o site) Rồm các pha hạt độn sợi n2ấn và

nên roỊvm e sử dụng luật phân phố! và p h ư ơ n g pháp phân lớp T r o n s ph ư ơ n a pháp

sử clụnu luật ph â n phối, tác đ ộn g qua lại giữa sợi và hạt k h ô n g đư ợ c tính dến T ro n g

phươag pháp phân lớp, vật liệu hai pha gồ m nền và hạt đ ư ợ c coi n hư nền giả định kết hơp v ới sợi trona tính toán sử d ụ n e Iv th uv ết phân lớp c o m p o site như ở [29]

Gần đây, R.Pal trình bày 4 m ô hình m ới để tính toán mô đun đàn hồi Y ou ng cho vật liệu com po site 2 p ha có hạt độn [30] Các th ô n a số đầu vào vêu cầu gồm có;

tỉ lệ hạt độn, hà n g số P o a tx o n g của hạt độn, tỉ lệ giữa m ô đun Y o u n g của hạt độn và nên, và tỉ lệ cực đại của hạt độn C ác c ô n g thức thu đượ c dưới d ạ n g giải tích, và phân tích của tác giả cho thấy có 2 p h ư ơ n g ph á p (p h ư ơ n g p h á p 2 và 4) phù hợp

tương đối tốt với các kết quả thực nghiệm

G ần đây nhất, S.G M o g ile v sk a y a và các tác giả đã đ ư a ra p h ư ơ n g pháp mới xác dịnh các hệ số đàn hồi của c o m p o site [31J T rư ớ c đây th ư ờ n g sử dụng hai phương pháp truyền thốns; để tính to án các hàng số đàn hồi cho vật liệu com posite

là ph-in tử thể tích đại diện (representative v o lu m e elem ent, R V E ) và phần tử tuần hoàn (repeating unit cell, R U C ) Hai p h ư ơ n g pháp này đều sử d ụ n g nh ữ n g phần tử vật liệu hữu hạn với các điều kiện biên phức tạp đượ c c h ọ n theo các giả thiết và đièu v i ệ n của neười thực hiện T ro n g bài báo này các tác giả để xuất m ột p h ư ơ n s pháp mới sử d ụ n g phần tử v ô h ạ n k h ô n g đ ồ n g nhất để tính toán các h ằng số đàn hồi cho \ậ i liệu com p osite có tính toán đến sự tư ơ n g tác trên bề m ặt 2Ìừa các pha vật liêu Một sổ ví dụ so sánh kết q u ả tính toán m ô đun đàn hồi c h o thấy sự phù hợp với cac kết qu á của các tác già khác, ư u điểm của p h ư ơ n a pháp mới so với hai ph ư ơ n a

pháp truyền th ố n g R V E và Rưc là kh ôn g có n h ữ n g điều kiện biên phức tạp m à chi

yéu Ciu điều kiện đặt lực tại vô cùng, dễ dàng ứng dụng ch o n h ữ n s điều kiện tươnơ

tá: b: mặt khác nhau eiĩra các pha vật liệu và kh ô n e cần bước trung bình hóa ứng

suâi ' à biến dạ n g cua m iền khô nơ đồna; nhất

kếl q j a thực nhiệm, tuy nhiên, bài báo chi trinh bàv phần tính toán cho mô đunYoung

Những nám 2ân đâv, do sự xuất hiện của các sợi và các hạt nano, các vật liệu th)ng minh và ứnu d ụ n e của com posite trong các bộ vi \ ừ lý M EM S, N E M S , đã xiâi hiện một sỏ c ô n e bô nehiên cứu khác liên quan đên com posite như R x Z ane

tn n g bài báo [32] trình bàv phương pháp giải lích đế dự đoán các hàna số đàn hồi

c b vật liệu com posite 2 pha gồm nền nhựa và hạt độn hoặc sợi ngấn làm bàng vật

liíU thông minh SM A (Shape M em ory Alloy, vật liệu có khá năng ghi nhớ hình d;ng ban đầu và biến đôi hình dạng dưới tác dụ nạ của nhiệt độ, đày là vật liệu mới

ccĩiposite 3 pha gồm nền polyme, sợi và hạt gia cường theo thuật toán sử dụng hai

p h Hên tiếp đã được trình bày trong [35]

Trong [36J, các tác giả đã nghiên cứu vật liệu com posite 3 pha gồm nền ep.)xy, các hạt ceram ic và các hạt áp điện v à nghiên cứu tính chất cách điện, cách

ân c ủ a vật liệu này

N hư vậv, qua phần tổng quan tình hình nghiên cứu về com posite 3 pha ở

tn n g và ngoài nước, cho thấv rằn2 com posite 3 pha ngày cànơ được nghiên cứu và ứig dụng m ạnh mẽ, nhất là trong nh ữ ne năm eần đây Các công trình nghiên cứu đã hiớng tới sự kết hợp trong com posite các sợi và hạt có những tính chất mới như:

c á hạt và sợi nano, sợi và hạt áp điện, tư tín h Tuv nhiên ở Việt Nam com posiie

p c y m e 3 pha còn khá mới mè, và còn ít những công bố nghiên cứu theo hirớna

h(in thiện cône nghệ, tính toán các đặc trưng cơ lÝ của vật liệu, nhàm phản ánh tiưr.g m inh các tính chất cơ - lý của vật liệu com posite 3 pha, hoặc các khả n ăn s

chu tai cùa kết câu từ com posite 3 pha qua các th ô n s số ban đầu cua các vật liệu

thành phần Do nhu cầu cấp ihiét cùa n a àn h kv thuật tàu thùv, mới đâv, năm 2011 ở

Việt Mam đã có luận án tiến sĩ kỹ thuật n a h iè n cứu về m ặt lÝ thuvết và ihực ne,hiệm tính t3án uốn cho tấm co m po site 3 pha tron g c ô n e n s h iệ p đ ó n g tàu của Đ.K M inh 6J ( á c n ghiên cứu tính toán lý thuyết về thực n ẹ h iệ m tron g [6J chỉ ra com posite 3 pha c3 nhiêu ưu điêm trong việc tăng khá n ă n e bền v ữ n g của vật liệu: sợi làm tăng

môdi-l dan hồi E và sức bền kéo của vật liệu, còn các hạt cỏ tác d ụ n e chống thấm, giảm các biến dạng từ biến, tăng khả n ă n e bền nhiệt, bền nén cho vật liệu, tuy nhiòn h ợ p lý nh ất chỉ nên để 5-10% hạt Đặc biệt là các kết q uà tính toán, tác s iả thu được ở d ạng giải tích tư ờ n a minh q ua các th am số của các vật liệu thành phần ban đầu \ à tỷ lệ trộn giữa chúng, n h ờ vậy, th ô n g q u a sự điều ch in h các thông số này,

chúng ta có th ề tính toán thiết kế ra n h ữ n g vật liệu c o m p o site m ới với những tính chât ^à k h ả n ă n g m o n g m uôn Đ ây là n h ữ n g c ơ sở q u an trọn g ch o việc triên khai

Đè ár, này

V ật liệu c o m posite 3 p ha được đề cập tới tro n g Đ ề án là c o m p o site bao g ồ m

pha rê n p o ly m e (polyester, vinylester, epo xy ), sợi (th ủ y tinh, cac b o n ) và bô sun g thèm pha thứ ba là các hạt eia cư ờ n g (là các hạt titan oxit) với các p h ư ơ n g án chọn

tỷ lệ trộn nền, sợi và hạt khác nhau

l ĩ u điểm c hun g của co m p o site nền p o ly m e là: N hẹ, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền v ừ n g với các môi trư ờ n g ho á học ăn m òn, độ dẫn nhiệt, điện rât thấp N a o à i ra, ưu đ iểm của vật liệu p o ly m e là khi chế tạo, với nhiệt độ và

áp su.ìt nhất đ ịn h có thể dễ triển khai các thủ p háp c ô n g n ehệ, dễ kết dính sợi với nền

N h ư ợ c điểm của co m p osite p o ly m e là khả n ăng chịu nhiệt và chịu các tác động p h ó n e x ạ k h ô n s cao; có tính hút nước và dễ biến d ạn g khi bị thay đổi các đặc tnrng c ơ lý c ù n g với thời gian và dưới tác đ ộ n g c ù a các điều kiện khí hậu N hừnơ nhượì đ iể m n à y của co m p osite polym e chủ yếu do lớp vật liệu nền qui định C hính

vì vậy, việc bố sung và gia c ư ờ n e nền poỉvm e b à n g các hạt có V n ghĩa quan trọ n a

vâ câ'i thièt ví dụ như việc bố su n e sợi 2Ìa c ư ờ n2 làm tăng m ô đun đàn hồi và sức

bên Cia p o h m e , bô surm vào polv m e chât ííia c ư ờ n g là các hạt thích hợp cũne đem

19

lại úi'h ổn dịnh kích ih ư ớ c hình dáng, tính ốn định nhiệl và tính bền cháy cho vật liệu kèi càu c h ôn g hà báo \'ệ polyme k h ô n s bị thùy phân trone môi I r ư ờ n o nước

IVlục tiêu của đề án

Mục tiêu Đe án là trên dựa trên kết quá các nghiên cứu cơ bản nahiên cứu tính toán một sô tính n ă n ẹ cơ lý của com posite polym e 3 pha, đông thời tiên hành tiên hành chê tạo thử tro n g PTN và làm các thực nghiệm xác định các mô đun đàn hỏi Cia vật liệu, góp ph ần xây dựng cơ sờ khoa học và thực n s h iệ m cho việc tính toán - thiêt kế, lựa c họ n vật liệu và công nghệ chế lạo khi chế tạo các kết cấu bàna composite tại V iệt Nam

Tóm tắt nội d u n g của đề án

Nội dung chính của b á o cáo nghiệm thu đề án được thể hiện qua 5 chương;

C h ư ơ n g I: N ghiên cứu về vật liệu com posite 3 pha, tập trung vào viêc xác định ;ác m ô đun đàn hồi cho vật liệu Trên cơ sở kết quả thu được kháo sát sự thay đoi CiiC tính chất c ơ lý c ủ a vật liệu khi thay đổi các vật liệu thành phần và tỷ lệ phân

bô của c h úng tro n e com posite, làm rõ vai trò của từng ph a trone vật liệu com poiste

pha n;n epoxy sợi cacbon, hạl titanoxit

Hiệu quả, tính bền v ữ n g và khả năng ứng d ụ ng thực tế của các kết quả của đề

án

Khi đã đ ượ c nehiên cứu che tạo và thứ nah iệm trong PTN, các kết quà

ci,a ổì án là n h ừ n a chì dẫn cho các kỹ sư các doanh nahiệp khi tiến hành lựa chọn

20

Các kêt qua thực nahiệm nhận được cũ ne chính là n h ừ n ẹ thôníĩ số kv thuật đầu, được sử dụníi khi tính toán thiét kế các kết cấu băng coniposite.

Các kêt quá của đề án cũng có ích không chi cho ngành công nghiệp đ óna tàu,

vì composite 3 pha nhận được dự kiến sẽ có độ bền cao, khả năng chố ne thấm tốt, nên hoàn toàn có thể áp dụng khi chế tạo các vật liệu, kết cấu com posite khác như: các ống kỳ thuật dẫn dầu, khí, hóa c h ấ t ; các bể chứa com po site ; các kết cấu c ô n2

trình có dạng tấm v à vỏ, phục vụ phát triền kinh tế và an ninh quốc phòng (ví dụ

có thê sử dụng com posite polvm e 3 pha áp dụng triển khai m ột số công trình trên đáo) ở Việt Nam

Kêt quả đề án cũng có thế là tài liệu tham khảo cho các cán bộ, sinh viên, các nha khoa học nghiên cứu, các kỳ sư trong quá trình nghiên cứu và ứng d ụ n s vật liệu coiĩiposite polvme

Nhân dịp này, chúng tôi xin chân thành cảm ơn Q uỹ phát triển K H C N -

Đ H Q G H N , lãnh đạo Đại học Quốc gia Hà Nội (Đ H Q G H N ), lãnh đạo trường Đại họí C ôn g nghệ, đặc biệt là Ban K hoa học C ông nghệ - Đ H Q G H N , Văn Phòng

Đ H G H N và Phò ng K hoa học C ông nghệ và K hoa Cơ học K ỹ thuật và Tự đ ộne hóa

- Tnrờng Đại học C ô n g nahệ đã luôn tạo đ iề u kiện và giúp đỡ chúng tôi; cảm ơn Seininar về C ơ học vật rắn biến dạng và cảm ơn các đồng ng hiệp đã ủng hộ và luôn dàrh cho c hú ng tôi sự động viên, cổ vũ cũng như những lời khuyên và nhận xét quý bát trong suốt quá trình thực hiện đề án

công nghệ ; lụra c họn vật liệu nên, sợi, hạt cũnơ như tv lệ trộn của c h ú n a trước khichế tạo c omp osi t e polvme

1.1.1 M ô hình vật liêu c o m p o s i t 3 pha cốt sợi và hạt gia c ư ờ n g

a ' y

Dối với vật liệu com p osit p o lv m e hai pha th ô n g th ư ò n g , việc xác định các hệ

sô vậ: liệu khá đơn giản và đã được nhiều tài liệu c ô n g bố v ấ n đề đặt ra đối với vật liệu c3mposit 3 pha là làm thế n à o để tính toán đượ c các hệ số kỹ thu ật của vật liệu, đông thời phải được thể hiện qua các tham số cơ học - vật lý v à phân bố hình học của C.IC vật liệu thành phần.

1.1.2 iMô hình tính toán xác định các hệ sô vật liệu của c o ni p o s i t p o ly me 3 pha

Eên nay, đã có nhiêu nẹhièn cứu xác định hệ số kỳ thuật của vật liệu đôi với

comp3site đồrm phươriiì [1,18,41] Vật liệu đồno p h ư ư n s th ư ừ n o vẫn đưực xem như dàng Iirớng ngana; với 5 hăng sô đàn hôi [1,2] N h ữ n e kêt q uả mới và hiện đại nhât

th;o 2 cách tiếp cận eiộc lập cùa Pobedria ỉỉ.íi [ 4 1 1 và Vanin G.A [18] đã xác định

điợc thcm hệ số ihứ 6 của vật liệu này

C oniposite ba pha đă được dề xuấl sẽ dược nghiên cứu và giải quyết vấn đê

kl^oa học đặt ra theo các phươnơ pháp trona [1 38, 40] tức là được giải quyếl từng

b iớ t theo mô hình hai pha trên quan điêm được m ô tá bởi công thức:

Bước thứ nhất; xem xét com posite 2 pha gồm: pha nền ban đầu và các hạt độn, conposite n hư vậy được xem là đ ồ n ạ nhất, đảng hướng và có 2 hăng sô đàn hôi Vệc xác định các hànơ số đàn hồi cho com posite độn các hạt cầu Om đã được xác địih ư o n g [1,18,24], trong đó tại [1,24] đã tính đến tương tác giữa các hạt với nền

C;c hệ số kv thuật của com posite Om lúc này được gọi là com posite "giá định

B ước thứ hai; xác định các hệ số đàn hồi của com posite giữa nền giả định và

cá; sợi gia cường

I .3 X â y d ự n g các biểu thức xác định các hệ số kỹ thuật vậ t iiệu

G iả thiết các thành phần của com posite (nền, sợi, hạt) đều là đồng nhất, đồng

hiớiia,, khi đó chúng ta sẽ ký hiệu Em, Gm, Vn,; Ea, Ga, Va; Ec, Gc, Vc tương ứng là cá; m ô đun đàn hồi và hệ số Poatxong của nền, sợi và các hạt T ừ đây về sau, các

đa lượng liên quan đến nền sẽ viết có chỉ số là m hoặc khô ng chỉ số; liên quan đên

sọ sẽ có chỉ số a và hạt là chi số c Theo già thiết, với mọi thành phần vật liệu đàn h(i đ ồ n g nhất đảng hướng thoả m ãn định luật Hooke [1,2,37];

(1.1)Khi đó th eo [41] c h ú n e ta nhận được các mô đun đàn hồi của com posite giả

■K-hi xem xét sự tư ư n s tác 2Ìữa các thành phần hạt độn và nên tức là Irạng thái

ứrụ aiấl đượ c xác định dưới dạng tổng của ứ na suất d ồ n s nhất và các ứng suât tưmậ tác la có:

= ơ",,' + cr’ + ơ " +

( l U

Nếu chi lính đến tương tác aiừa hạt và nền, tức là chỉ giới hạn tới hai số

hạig đầu của (1.4) nhận được kết quà sau [1.381 :

Việc xác định các m ô đun đàn hồi cho com posite cốt sợi đồng phương được lựa

chm theo kết quả của Vanin G.A [18

Theo V ianin G.A vi môi trường com posiie là đàn hồi nên chúng ta sẽ tách

tr a g thái ứ ng siiất-biến dạng của com posite cốt sợi độn thành ba trường hợp độc lật nhau; trượt dọc, kéo - nén dọc và trượt ngang-kéo nén n gang đồng thời trên mật

p h n g vuôn g góc với sợi độn (Hình 1.2)

H ìn h 1.2 Trạng thái ứn2 suất-biến dạng của com posite cốt sợi độn

Khi đó chúrm la có thể biểu diễn trạ n s thái ứii2 suất cùa môi trường composite

nl như sau;

.8)

24

Với mồi trạng thủi ứnu suất của (1.8) sẽ xây d ự n e các bài loán biên tươriíỉ ứng dcxác định các hệ số kỹ thuật cùa vật liệu ID [18Ị Dưới đây kháo sát bài toán trưọft

d c C/ia thiết các sợi có hình trụ tròn và đều cé) bán kính bàn2 nhau

Xét trư ờ ng hợp khi com posite ID ở trạng thái trượt thuần túy dưới tác động của

ứig siiât ơ|2 và ơ |3 nhìrns thành phần còn lại của ten xơ ứna suất băng không, khi

g c trượt và c h u y ể n vị có mối quan hệ Côsi:

ỉệ p h ư ư n e trinh (1.15), (1.16) lương đương với:

Các phươna; trình (1.17), (1.14), trong trư ờ n e hợp trượt thuần túy, quan hệ ứng

suìt, biến d ạ n g trung bình được biểu diễn như sau:

thêt trục cùa sợi Irìing với trục 0X |

Nốu tính đến các ứ n s suất tư ơ n e tác trong trường hợp trượt thuần túy có thể

Sau khi lấy trunR bình hóa (1.20) và (1.21), ta xác định được mô đun đàn hồi

t r ợ i cùa co m p osite cốt sợi đồne phư ơ n a (1 D);

26

1

N/T)! cách l ư ơ n o tự k hả o sát bải loán trượt imana ta sẽ thu được các hệ số kỹ thuật

c u vật liệu n h ư biêu diễn bưi các c ỏne thức dưới đây:

B:ng 1.2 Kèt quả tính toán mô đun đàn hôi trượt Ơ.Tcủa coniposite p olvme 3 pha

kli Ihay đồi các tỳ lệ thành phần sợi và hạt eia c ường

ỉ:Sư

Bâng 1.3 Kết quà tinh toán mỏ diin đàii hồi Irưí.rt G y C Ù ã c omposi t e polyme 3 pha

khi Ih.iy đối các tv lệ thà nh phần sợi \ ’à hạt gia c ườn g

B;nị» 1.4 Kết qua tính toán m ò du!i dàn hồi £ | | C ủa c omposi t e pol yme 3 pha khi

thiV đỏi các tý lệ thành phân sợi va hạt eia cưừiiR

Bang 1.5 Kêt q u à tính toán hệ sò I |CLia coniposite polviTie 3 pha khi ihay đòi các

tý lệ t:iành phần sợi và hạt eia cươim

Bang 1.6, Kết qua tinh toán hệ sò cua coniposite p o ly me 3 pha khi thay dôi các

tý lỳ thành phần sợi và hạt aia cườnu

•H-4

—i

35

Bảig 1.7 Kết qu a ú n h toán hệ sỏ 1\, cua cornposite p olym e 3 pha khi thay dôi các tỷ

lệ hunh phần sợi và hạt íỉia cường Ị ,

I .5 Kết luận

Từ kết quả neh ièn cửu thu dược khi kháo sát coniposie polym e 3 pha đã nêu ứ

trei cớ thê rúl ra các kết luận dưới dày:

1 íio a n toàn có thể sứ d ụ n e phươnạ pháp 2Ìải tích đê tính toán xác định các hệ

s ế k ỹ thuật của vật liệu composil 3 pha hoặc nhiều pha mà không cần phải thi ngiiệm Điều này có ý nghĩa rất quan trợne thực tế và trong công tác nghiên cứu vì aiip 2Ìảm bớt chi phí thời gian, vật liệu, nhân công Do có thể sử dụng giải tích nên

cc thể tính toán, phân tích, lựa chọn tối ưu vật liệu com p osit tuỳ thuộc vào mục đích

k 'th u ậ t

2 Đối với vật liệu com posite 3 pha, khi tính thêm tươ n g tác giữa nền với các

hẹ s,ia c ư ờ ng [2,40,42], quan hệ giữa các mô đun đàn hồi với mật độ hạt Ẹ không

c ò là quan hệ tuyến tinh n h ư các kết quà đã được công bố các tác giá Esenpi và

Kixtenxen

3 Khi bổ sung các hạt gia cườne vào vật liệu nền, làm tăng đáng kề mudul đàn

hc củ a co m posite, đặc biệt làm tăna đ ána kề mô đun trượt Đây là vấn đề khoa học ccý nghĩa q uan trọng trong việc tăng cường khả năng chịu lực, khả năng chống nứt,

c b n g bo ng tách đối với các kết cấu sử dụng vật liệu com psit phân lớp

4 T rong m ột sổ trư ờng hợp kết cấu chịu tải khi khai thác sử dụng, có thể làm gi.m giá thành vật liệu bàn g cách thay thế một phần sợi gia cường bàng các hạt độn

gi c ư ờ n g (vì các hạt nẹh iền có giá thành rẻ hơn nhiều lần so với các sợi dài liên tụ)

1 Dãn nở nhiệt của c o mp os i te cốt sọi

1 1 Gi ói thiệu

ứ n g xừ dãn nờ nhiệt là quan t r ọ n ơ khi nhữna vật liệu com posite được sử dụng

trnií sự kết h ợ p v ớ i các vật liệu khác hoặc khi cần nối các phần tử kết cấu vớ i các

hiSố dãn nỡ nhiệt khác nhau Thêm vào đó, việc xác định các hệ số dãn nở nhiệt là cnc; \iộ c quan trợnii đầu tiên tronạ việc eiái các bài toán nhiệt đàn hôi của các kêt

c a com posite

C oinposile cốl sợi đ ồ n a phươnu !à loại vật liệu đăng h ướ ng ngang có nãm hăng

S( đàn h ồi đ ộ c lập \ à hai h ệ s ố dãn nỡ nhiệt độc lập: th e o p h ư ơ n g d ọ c trục và theo

37

plinrna ngang Bằrm mô hinh trụ composite ỉía sh in đã xác định được bốn trong

nàn h ă n a số đàn hồi cúa compositc đồnu phirơna, dượ c trinh bày trong cuôn sách cia C hristensen [17] như sau

T o n g đó: , 1/2 Hệ số Poisson cua pha nền và sợi tư ơ n g ứng

Ả.'|, Ẩ '2 m ôđ u n khối cùa các pha sợi và nền

//,, //2 M ôđun trư ợt của sợi và nền.

k] M ôđun khối biến dạng phẳng của com posite.

V Tv lệ thể tích của pha sợi

H ang sổ đàn hồi thứ năm, mòđun trượt nganạ được Christensen xác định bởi v.*c áp d ụ n s c ô ng thức năne lư ợ n s cùa Esenpv cho mô hình ba pha [17] như sau

38

/ ( - / / , ) ] + ( K, + 7 LI ' 3) '(2 Ả' + 8/^3 / 3)

Vanin [18] và Pobedria [41] cũne dã thu được nă m hãng sô đàn hôi cùa môi

tn ờ n e cỉãníì h ư ớ n e ngang sau khi aiâi oiài hài toán đàn hôi phăng băng phương

phip ham biến phức

Dôi \'ới c o m p osite cốt sợi đănc hướnẹ ngang với hai pha thành phân đăng hiớna, m ột số biểu thức đã được dẫn ra đối với các hệ số dãn nờ nhiệt theo phương ntanẹ và phươnơ dọc sợi như các côns trình của Levin, Schapery, Rosen và Vanin

(1.43)

39

2 s 3 - 4i/, = (Ẳ, + 3/i,) /(Ắ, + ụ , ) đối với trường hợp biến dạng phẳng.

K, s V , r , = 1 - V đối với trư ờng hợp hai pha và n hững gạch ngang là

k 'h i ệ u trung bình, ví dụ

Levin đã đ ư a ra một mổi liên hệ tồ n e quát s iừ a những hệ số dãn nở nhiệt hiệu

d n g và các m ô đ u n đàn hồi hiệu dụng của m ộ t m ô i trư ờng h ỗ n tạp trong m ột bài

b;j tiéng Nga Á p d ụ n s những hệ thức tồng quái này cho môi trường đảng hướng

n a a g cho ra các biểu thức (1.39) và (1.40) Schapery đã thu được hệ thức (1.41) k.1' sử dụng các ng uyên Iv năna lượng cho vật liệu đồng phương Với việc sứ dụng

Cú' h àm năng lư ợ n ẹ và các nguvên Iv cực trị troníí lý thuvết nhiệt đàn hôi Rosen đã

d a ra các công thức (1.42), (1.43), Rosen đã đề xuất mô hình trụ composiie, là một

IT ninh phù hợp đê xác định các tính chất nhiệl đàn hồi của môi trường đãng

h í r i e nean e [45 47] C ũ n2 bời cách tiếp cận năng lượng và sử dụng phương pháp

hm biến phức cho bài toán nhiệt dàn hối phăna Vanin đã thu được các biểu thức

hiu dụiis cùa các hệ số dãn nờ nhiệt n a a n s và dọc trục các kết quá được giới thiệu

40