Nghiên cứu thiết kế thùng xe tải thaco towner bằng vật liệu composite

Chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số 60 52 01 16 65 trang Chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số 60 52 01 16 65 trang Chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số 60 52 01 16 65 trang Chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số 60 52 01 16 65 trang Chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số 60 52 01 16 65 trang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

DƯƠNG TUẤN VIỆT

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

Đà Nẵng – Năm 2017

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

DƯƠNG TUẤN VIỆT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÙNG XE TẢI

THACO TOWNER BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số: 60.520.116

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

TS TRẦN VĂN LUẬN

Đà Nẵng – Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

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

TÓM TẮT LUẬN VĂN

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

ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu thành phần 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 chi 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

nhẹ 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 bằng vật liệu composite

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

ABSTRACT

Composite material is 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.

LỜI CẢM ƠN

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

Dương Tuấn Việt

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜICẢMƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1.Giới thiệu về kết cấu vật liệu composite 3

1.1.1 Chất nền (pha nền) 3

1.1.2 Pha cốt 7

1.1.3 Liên kết nền cốt 10

1.1.4 Chất xúc tác – Xúc tiến 11

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

1.2 Kết cấu vật liệu composite sandwich 14

1.3 Đặc tính sức bền tổng quát của vật liệu composite và của gỗ thông 15

1.3.1 Sức bền nén của gỗ thông 15

1.3.2 Đặc tính cơ học của vật liệu composite 16

1.4 Ứng dụng của vật liệu composite 17

1.4.1 Thế giới 17

1.4.2 Việt Nam 19

1.5.Tổng quan về các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài 20 1.5.1 Công nghệ lăn tay 21

1.5.2 Công nghệ VaRTM 23

1.5.3 Công nghệ quấn sợi 24

Chương 2 CỞ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THÙNG XE TẢI THACO TOWNER 26

2.1 Khảo sát kết cấu thùng xe tải thaco towner 750A 26

2.2 Phương án thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750A 31

2.3 Sơ đồ phân tích tải trọng tác dụng lên thùng xe tải Thaco towner 750A 32

2.3.1 Sơ đồ phân bố khối lượng 32

2.3.2 Phân tích các trường hợp tải trọng tác dụng lên thùng xe 32

2.4 Phương trình tính toán kết cấu dầm composite 35

2.4.1 Phương trình tính toán phân lớp composite 35

2.4.2 Phương trình tính toán sàn thùng xe 36

Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 41

3.1 Mục tiêu thực nghiệm 41

3.2 Vật liệu thực nghiệm 41

3.3 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo sức bền uốn 43

3.4 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo sức bền nén 43

3.5 Kết quả thực nghiệm 44

Chương 4 TÍNH TOÁN THÙNG XE TẢI THACO TOWNER 750A 46

4.1 Giả thiết tính toán 46

4.2 Xác định chiều dày của vỏ bao thùng 46

4.3 Kết quả tính toán 47

4.4 Đánh giá kết quả tính toán 48

4.5 Quy cách thùng xe bằng vật liệu composite sandwich 50

KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số hiệu bảng

2.1 Thông số kỹ thuật cơ bản ô tô THACO TOWNER 750A 27 3.1 Định nghĩa vật liệu thực nghiệm 42 3.2 Thành phần vật liệu của mỗi lớp 42 3.3 Modul đàn hồi của gỗ thông 44 3.4 Cường độ mỏi của composite 45 4.1 Kết quả tính toán thùng xe bằng vật liệu composite sandwich 50

2.1 Tuyến hình tổng thể của ô tô THACO TOWNER 750A 26 2.2 Kết cấu tổng thể thùng xe THACO TOWNER 750A 26 2.3 Kết cấu khung xương và vỏ bao composite của xe tải Thaco

2.4 Sơ đồ phân bố khối lượng của xe tải Thaco Towner 750A 32 2.5 Tải trọng tác dụng lên sàn 33 2.6 Mô phỏng trường hợp xe leo dốc 33 2.7 Mô phỏng trường hợp xe xuống dốc 34

2.8 Mô phỏng trường hợp xe nghiêng ngang 34 2.9 Hệ tọa độ của dầm liên tục chịu uốn 36 2.10 Mô phỏng dầm liên tục chịu uốn và xoắn 39

3.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định modul đàn hồi và độ cứng

3.3 Bố trí thực nghiệm đo sức bền nén 43 3.4 Biến thiên lực uốn và biến dạng của dầm composite sandwich 44 3.5 Biến thiên độ cứng của dầm composite theo khoảng cách giữa 2 gối đỡ 45 4.1 Mô phỏng tấm composite sandwich 46 4.2 Mô phỏng ứng suất - biến dạng của thùng 47 4.3 Mô phỏng ứng suất - biến dạng của sàn thùng xe 47 4.4 Mô phỏng ứng suất - biến dạng khi thùng xe chịu uốn – xoắn 48 4.5 Biến dạng của dầm composite sandwich 48 4.6 So sánh độ cứng của dầm composite 49 4.7 Kết cấu tổng thành của thùng xe tải Thaco Towner bằng composite 43

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

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

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

Với những đặc điểm:

 Không bị oxy hóa bởi điều kiện môi trường ẩm ướt;

 Trọng lượng nhẹ, giá thành thấp;

 Dễ tạo ra các biên dạng đạt tiêu chuẩn thẩm 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 chi 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 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 bằng vật liệu composite

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

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

3 ĐỐI 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: Đảm bảo sức bền; dễ

dàng tháo lắp; sửa chữa, bảo dưỡng; dễ bốc xếp hàng; trọng lượng nhẹ và giá thành thấp Để đảm bảo các tiêu chí này, thực tế cần thêm nhiều thời gian nghiên cứu và tính

toán Do đó, giới hạn phạm vi nghiên cứu của luận văn là đo đạc đánh giá đặc tính sức

bền của vật liệu composite để làm cơ sở tính toán kết cấu vỏ bao thùng xe tải nhẹ

Thaco Towner 750A

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

* 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 cấu thùng xe tải nhẹ truyền thống

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

5 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Đánh giá khả năng và tạo tiền đề cho việc chuyển đổi vật liệu chế tạo các chi tiết / cụm chi 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 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

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

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

4 chương có cấu trúc như sau:

Chương 1 Tổng quan

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

Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 Tính toán thùng xe tải Thaco Towner

Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1.Giới thiệu về kết cấu vật liệu composite

Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha: trong đó, pha rắn khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha Phổ biến nhất là loại composite 2 pha:

- Pha liên tục trong toàn khối gọi là nền;

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

Trong vật liệu composite, tỷ lệ hình dáng, kích thước, sự phân bố của nền và cốt tuân theo quy luật đã thiết kế Tuy nhiên, tính chất của các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên tính chất chung của composite

1.1.1 Chất nền (pha nền)

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

Nền có vai trò sau đây:

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

- Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu composite thành các chi tiết thiêt kế;

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

Vật liệu nền (pha nền) trong cấu 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 đóng vai trò rất quan trọng để định 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 tố quan trọng trong việc thiết kế cấu trúc composite Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm pha nền:

Nhựa nhiệt dẻo: PE (polyethylene), PS (polystyrene), ABS (acrylonytril butadien styrene), PVC (polyvynyl clorur),… được trộn với nhựa, gia 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

no có thể tiến hành ở điều kiện thường, gia công bằng tay (hand lay-up method) Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo

Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường:

Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol và 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:

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

là hàng hải

Đa số nhựa polyester 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 Polyester còn có khả năng ép khuôn mà không cần áp suất

Polyester 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 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 thể được sản xuất để chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng được Như đã đề cập

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 tiến 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 rắn hay tạo kết ngang được gọi là quá trình Polymer hóa Đây là phản ứng hoá học chỉ có một chiều Cấu 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 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 đóng rắn xảy ra nhanh hơn, ngược lại, nếu ít xúc tác quá trình đóng rắn sẽ bị chậm lại

b) Vinylester:

Vinylester có cấu 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

Khi so sánh với polyester thì số 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, thuyền Cấu trúc đóng rắn của vinylester có khuynh hướng dai hơn polyester, mặc dù để đạt tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đóng rắn

vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất cơ và nhiệt tốt hơn mạch thẳng Do vậy, epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt

Với nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn 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 cấu trúc phân tử ba chiều phức tạp Amine kết hợp với epoxy theo một tỉ lệ nhất định, đây là yếu tố 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 rắn còn dư trong hỗn hợp sẽ ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm sau đóng rắn

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 để thuận lợi cho quá trình gia công Epoxy đóng rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phòng từ (5 – 150)0C 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, 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 nền) Người ta đánh giá chất độn dựa trên các đặc điểm sau:

- Tính gia cường cơ học;

- Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ;

- Phân tán vào nhựa tốt;

- Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt;

- Thuận lợi cho quá trình gia công;

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, sợi carbon, sợi bo, sợi cacbua silic, sợi amide…Cốt sợi 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 ngắn, sợi dài, sợi rối, tấm sợi…

a) Sợi thuỷ tinh:

Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt), có đường kính nhỏ vài chục micro mét Khi đó, các sợi này sẽ mất 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 tinh khác nhau như: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao) Loại thủy tinh E là loại phổ 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 tấn, Bắc Mỹ 126.000 tấn, Nhật Bản 85.000 tấn…

Hình 1.3 Sợi thủy tinh loại E

b) Sợi hữu cơ:

Sợi kenvlar có cấu 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 bền nén, uốn thấp và

dễ biến dạng cắt giữa các lớp

(a) (b) Hình 1.4 Sợi kenvlar (a kiểu dệt đơn; b kiểu dệt chéo)

c) Sợi Carbon:

Sợi carbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết với nhau Các nguyên tử carbon liên kết với nhau trong một mặt phẳng tạo thành mạng tinh thể hình lục lăng Sợi carbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt

(a) (b) Hình 1.5 Sợi carbon (a kiểu dệt đơn; b kiểu dệt chéo)

d) Sợi Bor:

Sợi 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 tẩm thấm dùng để quấn ống, vải đồng phương Cốt vải là tổ hợp thành bề mặt (tấm), 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 dệt 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 bền 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

e) Độn dạng hạt:

Thường được sử dụng là: silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talic, hay graphite, carbon… khả năng gia cường cơ tính của chất độn dạng hạt dược sử dụng với mục đích sau:

- Giảm giá thành;

- Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy,

- 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 rắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn

- Liên kết cơ học được thực hiện nhờ độ mấp mô trên bề mặt do lực ma sat như kiểu bê tông cốt thép;

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

và dính ướt với cốt nên có sự khuếch tán tuy rất nhỏ, tạo nên sức căng bề mặt;

- 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

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

1.1.4 Chất xúc tác – Xúc tiến

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 liến kết 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 tiến thì tốc độ phản ứng diễn ra nhanh chóng làm cho thời gian đông đặc và đóng rắn được rút ngắn theo ý muốn Do đó, tỷ lệ pha chế chất xúc tác và xúc tiến 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

- HCH là sản 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 tiến

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 phần 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 kể và

có thể đóng rắn nguội Vì vậy thông thường các nhà cung cấp nhựa đã pha sẵn vào trong nhựa chất xúc tiến 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 xuất 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 thẳng, 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 UPE, 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 bền

- Monomer phải tạo hỗn hợp đồng nhất với polyester, tốt nhất là dung môi cho polyester Lúc đó nó hoà tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyester,

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

- 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 chất róc khuôn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo…

Hình 1.7 Chất tách khuôn MG-WAT

d) Chất làm kín

- 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

- Các chất làm kín xâm nhập vào các lỗ xốp, ngăn chặn nhựa bám vào

- Một số chất làm kín: Cellulose acetate, wax, silicon, stearic acid, nhựa furane, véc ni, sơn mài…

Hình 1.8 Chất điền đầy khuôn Mold sealer FK-4

e) Chất tẩy bọt khí

- Bọt khí làm sản phẩm composite bị giảm độ chịu lực, độ chịu thời tiết và thẩm mỹ bề mặt

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

Lưu ý: nên cho chất tẩy bọt khí vào nhựa trước khi dùng các thành phần khác

1.2 Kết cấu vật liệu composite sandwich

(a) (b) (c)

Hình 1.9 Cấu trúc composite sandwich

(a Lớp composite; b Kết cấu dầm composite sandwich; c Minh chứng về sức bền

và độ cứng của kết cấu composite sandwich)

Hình 1.10 Phân bố nội lực bên trong kết cấu 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 nhằm tăng chiều dày của cấu trúc composite sandwich tổng thành (hình 1.9b) Hình hình 1.9c cũng cho thấy rằng: khi chiều dày của cấu trúc tăng sẽ làm tăng độ cứng chống uốn cho kết cấu nhưng khối lượng của kết cấu tổng thành tăng nhẹ

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

1.3.1 Sức bền nén của gỗ thông

a

No approxim ations E c << E f E c << E f and t c >> t f

b

Hình 1.11 Minh chứng ứng suất và biến dạng của gỗ thông

Đối với kết cấu composite sandwich dự kiến sẽ làm vỏ bao thùng xe tải thì việc đánh giá sức bền nén của lõi composite sandwich là việc cần thiết Vì khi tải trọng phân bố đều lên sàn thùng hoặc lên vách thùng, chúng ta dễ dàng thấy rằng tấm lõi của sàn hoặc vách chịu ứng suất nén

1.3.2 Đặc tính cơ học của vật liệu composite

(a) (b)

(c)

Hình 1.12 Đặc tính cơ học của vật liệu composite

(a Mô hình cấu trúc composite nhiều lớp; b Đặc tính ứng suất – biến dạng; c

Đặc tính cơ học của vật liệu composite)

1.4 Ứng dụng của vật liệu composite

1.4.1 Thế giới

Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu composite đã được nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến Việc nghiên cứu và áp dụng thành công vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng Đại chiến thế giới thứ hai nhiều nước đã sản xuất mày bay, tàu chiến và vũ khi phụ vụ cho cuộc chiến này Cho đến nay thì vật liệu Composite polyme đã được sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, 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 ồn 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 cấu 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 sử dụng đến 50% composite trên toàn bộ trọng lượng …

Hình 1.13 Ứng dụng vật liệu composite trong ngành hàng không

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

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

Ngành thể thao, các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennit… và các ngành dân dụng, quốc kế dân sinh khác

Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh có tính trong suốt đối với sóng rada, đặc tính này rất quan trọng trong các ứng dụng quân sự Nó còn được sử dụng nhiều trong công nghệ vũ trụ

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 ô 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 chi tiết trong thế hệ xe sạch này

Hình 1.14 Ứng dụng vật liệu composite trong ngành vận tải

Vật liệu composite trong ngành đóng tàu : Composite được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các loại tàu thuyền, xuồng cỡ nhỏ, cano do chi phí đầu tư chế tạo 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 Vật liệu composite sử dụng cho đóng tàu, mang lại lợi ích cao bảo dưỡng rất ít, không

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

Hình 1.15 Ứng dụng vật liệu composite trong ngành đóng tàu

1.4.2 Việt Nam

Ở các nước phát triển trên thế giới thì vật liệu composite đã 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 tinh được bắt đầu nghiên cứu và áp dụng ở nước ta từ

1988, khởi đầu là canô, xuồng 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, còn lại kết hợp với các sản phẩm nhựa khác, với nhìêu sản phẩm đa dạnh như: ghe, thuyền, canô, tàu

cảng vụ, câu trượt, máng trượt, bể bơi, bồn tắm, 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 xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng và ghế ngồi, 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 nền kinh tế quốc dân Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu composite được tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm; tại Hà Nội đã có 8 đề tài nghiên cứu về composite cấp thành phố được tuyển 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 tiến khác vẫn còn ít được áp dụng Tuy nhiên sản phẩm composite đã

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 sợi thủy tinh mới bắt đầu được nghiên cứu và áp dụng, khởi đầu là canô và xuồng 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 bằng 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 nhiễm môi trường Vật liệu này tạo nên các kết

cấu 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 thẩm mỹ mà không cần yêu cầu cao về khuôn mẫu và công nghệ Ngoài những ưu điểm nổi 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 cầu 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 nối với bơm chân không Dưới

áp suất âm, nhựa lỏng được chuyển 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 chi tiết đòi hỏi độ thẩm 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 nền và sợi gia cường là có thể tạo ra sản phẩm bằng cách sử dụng con lăn, lăn

ép từng lớp sợi gia cường và nhựa nền lên bề mặt khuôn đến khi sản phẩm có độ dày đạt yêu cầu 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 Công nghệ lăn 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 chi 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 về mặt công nghệ sản xuất khuôn mẫu và

sản xuất sản phẩm Khuôn sử dụng cho công nghệ lăn tay là khuôn hở, chế tạo đơn giản.Về phương diện sản xuất, công nghệ lăn tay có quy trình sản xuất đơn giản nên việc đào tạo để người lao động tiếp cận công việc trở nên dễ dàng Quy trình sản xuất gồm các công đoạn như sau:

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, nồng độ mùi của nhựa và dung môi thoát ra môi trường cao, người lao động phải tiếp xúc trực tiếp 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