ỨNG DỤNG CỦA compozite TRONG HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ

ỨNG DỤNG CỦA compozite TRONG HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ

Bộ môn: Máy và thiết bị công nghiệp hóa chất - dầu khí

*********************

COMPOSITE TRONG HÀNG KHÔNG- VŨ TRỤ

Sinh viên hướng dẫn: Trương Thị Yến Thi Sinh viên thực hiện : Vũ Duy Khương

Lớp : Máy Hóa K50

Hà Nội 11- 2009

 Phần III: Công nghệ chế tạo một số chi tiết chính cho vật thể bay… 18

 Phần IV: Ứng dụng vật liệu composite ở Việt Nam……….21

 Tài liệu tham khảo……… 23

Lời nói đầu

Vật liệu composite được sủ dụng rộng rãi trong những lĩnh vực khác nhau của ngành chế tạo máy và của nền kinh tế quốc dân.Ngày nay vật liệu composite được sủ dụng ngày càng nhiều trong thiết kế chế tạo những kết cấu hàng không, tên lửa, vũ trụ hiện đại…Việc nghiên cứu, chế tạo những vật liệu mới và các kết cấu sản phẩm từ chúng ta là một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học kĩ thuật và đó cũng là nhiệm vụ có tính cấp bách chiến lược của đất nước Việt Nam đang phát triển, có đầy đủ trong tay nguyên liệu và năng lượng.

Nhờ ứng dụng của vật liệu composite, con người đã nâng được tầm cao, tầm xa và thời gian bay của các vật thể bay Năm 1987, máy bay thử nghiệm Voyager nặng chỉ có 450 kg, chế tạo từ 100% từ vật liệu composite đã thực hiện thành công chuyến bay liên tục vòng quanh trái đất Ngày nay đang chế tạo máy bay siêu tốc, chủ yếu từ composite, bay trên tầng khí quyển với vận tốc gấp 25 lần vận tốc truyền âm trong không khí.Nhờ ứng dụng của vật liệu mới, đã có những chuyến bay dài ngày của các vệ tinh, tàu vũ trụ và con người trong không gian Cũng chính nhờ những ứng dụng vật liệu mới composite, con người ngày càng chinh phục mạnh mẽ khoảng không vũ trụ.Có nhiều điều trước đây chỉ dám mơ ước,nay đã trở thành hiện thực.

Sở dĩ composite được ứng dụng và phát triển rộng rãi như vậy vì chúng rất bền và nhẹ Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kĩ thuật và công nghệ hiện đại, chỉ có vật liệu mới composite mới đáp ứng nổi Vì thế ngành khoa học- công nghệ vật liệu mới là một trong những mũi nhọn then chốt của sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa Vật liệu composite chính là vật liệu của tương lai.Ngày nay việc nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng ngày một lan rộng với quy mô ngày càng lớn sang tất cả các nước, đặc biệt là nước đang phát triển Thế kỉ XXI là thế kỉ của công nghệ cao và vật liệu composite.

Nếu đối với các vật liệu khác, phải từ vật liệu rồi sau đó mới chế tạo các kết cấu- sản phẩm, thì vật liệu composite nhiều khi được hình thành ngay trong quá trình chế tạo kết cấu- sản phẩm( như trong quá trình quấn thân vỏ động cơ, quấn các ống kĩ thuật…khi sản phẩm hình thành cũng đồng thời tạo ra vật liệu composite) Khả năng và đặc tính của composite phụ thuộc vào ba yếu tố: các vật liệu thành phần composite, cấu trúc phân bố của chúng, công nghệ chế tạo Chỉ cần thay đổi một trong ba yếu tố đó cũng đủ dẫn đến thay đổi composite Nội dung của tài liệu này gồm 4 phần chính:

“Phần I :Lịch sử phát triển và ứng dụng của vật liệu composite trong ngành hàng

không- vũ trụ.

Phần II: Thành phần và cấu tạo composite dùng trong ngành hàng không- vũ trụ Phần III: Công nghệ chế tạo một số chi tiết chính cho vật thể bay.

Phần IV: Ứng dụng vật liệu composite ở Việt Nam.”

Vì tài liệu này được copy- paste lần đầu tiên, ah không, lần đầu tiên được chép trong sách ra với sự hướng dẫn của bạn Thi ngố( chính xác là VN ko có đủ vốn từ để miêu tả tớ yêu cô ấy như thế nào!) chưa biết tý gì về môn vật liệu composite này, nên không thể tránh khỏi thiếu sót DK rất mong nhận được sự góp ý của bạn đọc Mọi chi tiết xin liên hệ theo: Email:

khuongvuduy87@yahoo.com Iphone: +841697478822

Tác giả

Duy Khuong!

PHẦN I :LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU

COMPOSITE TRONG NGÀNH HÀNG KHÔNG_ VŨ TRỤ

1. Lịch sử phát triển

 Composite được ứng dụng trong ngành hàng không và kĩ thuật tên lửa lần đầu tiên ở

Mỹ vào khoảng những năm 50 Hãng Boeing của Mỹ dùng vật liệu composite cốt sợi thủy tinh chế tạo máy bay từ năm 1958 Ở Liên Xo cũ, việc ứng dụng composite trong hàng không và kĩ thuật tên lửa muộn hơn Mỹ chút ít, vào khoảng đầu những năm 60 Kể từ đó cho tới nay đã xuất hiện nhiều vật liệu mới khác như: composite sợi cacbon, sợi hữu cơ, sợi bor,…với những tính năng kì diệu mà không vật liệu tự nhiên nào có thể cạnh tranh được, điều đó đã mở ra khả năng vô cùng rộng lớn để có thể nâng cao tầm cao, tầm xa của các vật thể bay Chỉ trong một thời gian ngắn áp dụng, nghiên cứu và phát triển công nghệ vật liệu mới, công nghệ chế tạo các vật thể bay đã phát triển một cách vượt bậc: đã có những chuyến bay rất dài, và thậm trí cả du lịch trong vũ trụ của con người

 Năm 1987, máy bay thử nghiệm Voyager của Mỹ do Hercules Aerospace Company sản xuất đã thực hiện thành công chuyến bay không nghỉ vòng quanh trái đất với trọng lượng chỉ có 450 kg từ composite carbon.<hinh: Máy bay Voyager( Mỹ)>

Mỹ đang thực hiện chế tạo máy bay chở khách bay cao trên tầng khí quyển, có tên là

“ Tốc hành Phương Đông”

 Trong năm 2008 sợi carbon và DuPont Kevlar (mạnh hơn thép 5 lần) đã được kết hợp với nhựa thermoset nâng cao để chế tạo cho các máy bay vận chuyển quân sự của ECS Composites giảm 30% trọng lượng và chịu được cường độ cao

 Hiện nay 2 chiếc Boeing 747 và 767 đang sử dụng vật liệu composite để giảm trọng lượng và bay đường dài,còn chiếc boeing 787 mới nhất phần cánh và thân máy bay kết cấu gồm phần lớn vật liệu composite

Như vậy không chỉ trong công nghiệp chế tạo vật thể bay, mà trong tất cả mọi ngành công ngiệp khác, nhu cầu sử dụng composite trên thế giới ngày càng tăng Vì vậy composite là vật liệu chủ lực của tương lai và thế kỷ XXI là thế kỷ của vật liệu mới composite.

2 Ứng dụng của vật liệu composite trong ngành hàng không -vũ trụ

 “Voyager”, máy bay thử nghiệm của Mỹ đầu tiên với 100% composite.<hinh minh hoa>.

• “Tàu tốc hành Phương Đông”, máy bay chở khách làm từ 100%

 Tên lửa chiến lược nguyên liệu rắn, composite chiếm 75÷90% trọng lượng

• Trực thăng chiến đấu, composite chiếm 45÷60% trọng lượng

• MiG 29, MiG 31, MIG-X, máy bay chiến đấu đều sử dụng 100÷790 kg vật liệu composite

 AN-124, tầu lượn của Mỹ, sử dụng tới 2200kg vật liệu composite

 Tên lửa vũ trụ có động cơ nhiên liệu rắn, phóng lên vũ trụ năm 1987 được chế tạo từ composite

Như vậy composite được sử dụng rộng rãi trong: Airplanes, rockets and missiles

PHẦN II: THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO COMPOSITE DÙNG

TRONG HÀNG KHÔNG- VŨ TRỤ

Vật liệu composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có những tính năng ưu việt hơn hẳn những vật liệu ban đầu Những thành phần của vật liệu composite gồm: thành phần cốt( các sợi, hạt…) nhằm đảm bảo cho composite có được các đặc tính cơ học cần thiế và vật kiệu nền đảm bảo cho sự liên kết là làm việc hài hòa giữa các thành phần của composite với nhau Khả năng khai thác và sử dụng vật liệu composite phụ thuộc vào các đặc tính cơ, lý, hóa của các vật liệu thành phần, cấu trúc phân bố của các vật liệu cốt, cũng như độ bền vững của sự liên kết giũa nền và cốt

Các loại conposite được sử dụng trong các vật thể bay: composite sợi thủy tinh, composite sợi bor, composite sợi cac bon, composite sợi hữu cơ, composite cacbon-cacbon, composite kim loai

Ưu điểm quan trọng nhất của vật liệu composite đó là khả năng chế tạo chúng từ những kết cấu, sản phẩm theo yêu cầu kĩ thuật mà ta mong muốn Tùy theo đòi hỏi về độ bền, độ cứng, nhiệt độ làm việc, điều kiện khai thác sủ dụng…mà chúng ta lựa chọn những vật liệu thành phần, kết cấu tỷ lệ…và công nghệ sản xuất phù hợp

I Các thành phần cấu thành vật liệu composite

1 Các thành phần cốt

- Thành phần cốt của composite thường dùng là các sợi ngắn, sợi dài đơn, các dạng sợi tết, các cốt lưới, vải, các băng dải sợi và các loại băng với các tính năng cơ lý đã được xác định

- Các vật liệu composite có pha nền là nhựa tổng hợp, cốt thường là sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi bor.Các vật liệu composite nền kim loại sử dụng cốt là sợi thép,vonfram, berili, neobi…

1.1Sợi thủy tinh (glass fibers)

- Cấu tạo: sợi thủy tinh có 2 dạng: sợi dài( dạng chỉ) và sợi ngắn, có dạng hình trụ tròn, nhiệt độ làm việc của composite sử dụng sợi thủy tinh từ 500÷700oC

- Chế tạo: được chế tạo từ quá trình nhiệt phân một chất hữu cơ thích hợp để phân hóa thành polyme và cacbon, bằng nung nóng rất lâu hàng tuần để pha khí(polyme) khuếch tán khỏi vật liệu Sau khi xử lý như vậy thể tích khối giảm 50% và tinh thể nhỏ mịn, độ bền cao đạt 70÷200 Mpa

- Đặc điểm: nhẹ, chịu nhiệt khá,ổn định với tác động hóa sinh, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp, và giá thành rẻ

- Ứng dụng trong sản xuất composite polyme, chế tạo vỏ tàu thuyền, oto, nạp rẽ dòng của vật thể bay, cách quạt trong tua bin nước…

- Mác sợi: MAC, AБC, KC của Nga sản xuất

1.2 Sợi hữu cơ.( aramid or Kevlar)

- Cấu tạo: gồm 2 loại sợi phổ biến: sợi hữu cơ aramid và sợi polyetylen, nhiệt độ làm việc của composite sử dụng sợi hữu cơ thường dưới 200oC

- Chế tạo: phụ thuộc vào thành phần polyme và phương pháp kéo sợi mà ta thu được sợi hữu cơ có khối lượng riêng từ 1410÷1450 kg/cm3, độ bền kéo 70÷150 Pa, nhiệt độ than hóa dưới 180oC

- Đặc điểm: có modun đàn hồi cao, độ bền cao khi kéo, ổn định cao về nhiệt độ, bền va đập, không chảy,tính cách điện cao

- Ứng dụng: sử dụng rộng rãi để sản xuất chế tạo thân,vỏ tên lửa, động cơ nhiên liệu rắn, bình, ống chịu lực,găng tay cách nhiệt,mũ-áo giáp, chi tiết của tàu lượn, thiết bị thể thao

- Mác vật liệu:Kevlar-29,Kevlar-129 do Mỹ sản xuất

Armoc, CVM, Terlon do Nga sản xuất

1.3 Sợi cacbon(carbon fibers).

- Cấu tạo: là loại vật liệu quan trọng nhất, có vai trò ngày càng lớn trong kĩ thuật

do khối lượng riêng nhỏ(khoảng 2g/cm3), độ bền rất cao 2000÷3000 Mpa, nhiệt độ làm việc composite sử dụng sợi cacbon lên tới 2000oC

- Chế tạo: sợi cacbon chủ yếu được chế tạo từ 3 nguồn nhiên liệu chính:

polyacrilonitril (Pan), thứ 2 từ pec dầu mỏ và than đá,nguồn thứ 3 từ xenlulohidrat

- Ưu điểm: rất nhẹ, chịu được nhiệt độ cao, hệ số ma sát, dãn nở nhiệt thấp, rất bền vững với khí hậu, có độ cứng cao Độ bền từ 2000÷4000 Mpa, modun đàn hồi 200÷700Mpa, composite polyme sợi cac bon cứng hơn cả sắt

- Ứng dụng: composite sợi cacbon sản xuất các tấm chịu lực của máy bay, thân

vỏ oto, máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ, thân vỏ các loại động cơ tên lửa, cánh tuabin, khuôn dập…chi tiết đòi hỏi có độ bền cao và siêu bền khi chịu nhiệt

- Mác sợi cacbon: BMH-3, Culon, LY ( Nga); Tornel, Khitecx-46H của Mỹ

- Đặc điểm: sợi bor dùng sản xuất composite trên vật liệu nền nhôm hoặc

polyme, làm giảm độ dẫn nhiệt, dẫn điện của vật liệu, có độ bền cao hơn hẳn sợi cacbon từ 300÷3500 Mpa, nhưng nhiệt độ làm việc thấp và giá thành rất cao

- Ứng dụng: composite bor ứng dụng sản xuất các chi tiết cho hàng không, lĩ thuật tên lửa và vũ trụ, đòi hỏi chỉ tiêu về độ bền và độ cứng cao Sử dụng để chế tạo các thanh dầm, khung, tấm, cũng như các chi tiết khác của vật thể bay

- Mác sợi: Avco(B/W)-Mỹ, SMPE-Pháp

1.5 Sợi kim loại

- Sợi kim loại dùng làm cốt: làm việc ở miền nhiệt độ cao dùng vonfram hoặc molipden, nhiệt độ thấp: sợi thép hoặc berilic

- Sử dụng sợi kim loại trong nghiều trường hợp để có hiệu quả và kinh tế hơn

2 Thành phần nền

- Vật liệu nền cần có độ cứng cần thiết để đảm bảo cho composite chịu được tải, và cấu trúc đồng nhất của composite.

- Vật liệu nên giữ vai trò cực kì quan trọng trong việc chế tạo vật liệu composite

Vật liệu nền phải đáp ứng được yêu cầu khai thác và công nghệ

2.1Chất nền polyme nhiệt rắn.

2.1.1 Nhựa phenolic:

- Sản xuất từ quá trình polyme hóa phenolic

- Quá trình đóng rắn 120÷180oC ở nhiệt độ phòng hoặc dùng axit mạnh

- Ưu điểm: nguyên liệu sẵn có, giá thành rẻ, nhược điểm là làm cho composite giòn,

độ bền thấp và độ rỗng cao

- Ứng dụng: làm một số chi tiết bên trong máy bay: cửa, vách ngăn, bếp,các tấm nhiều lớp

2.1.2 Nhựa phenol fomandehit.

- Tổng hợp bằng cách đa tụ phenol và fomandehit

- Quá trình đóng rắn ở 160÷200oC, áp suất 30÷40 Mpa

2.1.4 Các nhựa cơ silic: nhận được từ sự đa tụ các sản phẩm của sự thủy phân hỗn

hợp các mono, đi, tri và tetracloslen; là các chất giòn, cứng

2.1.6 Polyimit: được trùng hợp từ oligome và hỗn hợp của imit-mônme Thường

dùng dung dịch 40% của chúng trát lên cốt sợi

2.1.7 Nhựa Bitmaleimit: công thức phân tử H795, chịu nhiệt độ cao, khoảng

180÷200oC

→ trên 180% các sản phẩm, chi tiết composite được khai thác ở nhiệt độ dưới 130oC, vì vậy loại nền hay sử dụng nhất là các loại nhựa epoxy Khi đòi hỏi composite polyme làm việc lớn hơn 130oC dùng Bitmaleimit, lớn hơn 180oC là polyimit

2.2Chất nền polyme dẻo

- Không có công đoạn đóng rắn, khả năng thi công tạo dáng sản phẩm dễ thực hiện.

- Công nghệ chế tạo: dập, đùn, uốn, hàn…giá thành thấp

- Nhược điểm là không chịu được nhiệt độ cao, xử lý độ nhớt của dung dịch khó khăn

- Vật liệu dẻo : nylon, poly-phenylin, rolivxan, polysonphon và polyeste nhiệt dẻo

2.3Chất nền cacbon

- Nền cacbon có tính chất cơ lý tương tự như sợi cacbon, đảm bảo tính chịu nhiệt cao và khai thác triệt để ưu điểm của cốt sợi cacbon trong vật liệu composite

- Nền cacbon có 3 loại: pirocacbon:thu được do kết lắng từ luồng khí ga, thủy tinh cacbon thu được do xử lý ở nhiệt độ cao các xenlulozo hoặc các polyme nhiệt rắn, nền cacbon- cốc của pec than đá hoặc dầu mỏ

1 Vật liệu composite polyme

- Việc chọn vật liệu nền là vấn đề quan trọng hàng đầu trong việc chế tạo composite polyme

- Công nghệ chế tạo bởi nhiều phương pháp: truyền thống: nén, dập, đổ khuôn

và khuôn tiếp xúc chân không đến những phương pháp đặc biệt: quấn(khô hoặc ướt), đúc đẩy, đúc giọt, phun…

- Ứng dụng: thân, vỏ, vách ngăn tầu vũ trụ sử dụng composite polyme sợi cacbon

• Thân vỏ máy bay vận tải Lirphan làm hoàn toàn từ composite cốt sợi cacbon

• Một số chi tiết của máy bay chở khách được chế tạo từ composite nền epoxy cốt sợi thủy tinh và cacbon:

• Mũ nắn dòng và thân vỏ tên lửa được chế tạo từ composite

• Ghế hành khách trên máy bay

• Vỏ bảo vệ khởi động của tàu vũ trụ Apolo: polyme cốt sợi thủy tinh và nhựa nền phenolic

- Composite sợi bor: dầm, khung panen, các sống dọc của những phần chịu lực, càng, khoang, vỏ cánh máy bay, nâng cao độ bền, đọ cứng, độ tĩnh và bền rung giảm trọng lượng

2 Vật liệu composite cacbon- cacbon

- Thành phần: nền cacbon, cốt: sợi cacbon

- Ưu điểm nổi trội: chịu nhiệt độ rất cao, lại rất nhẹ, rất bền với ứng suất nhiệt

độ và với sự chiếu sáng Khả năng làm việc lâu dài ở 773oK môi trường oxi hóa, và đạt đến 3273K trong môi trường chân không hoặc trơ

- Sản xuất theo 3 phương pháp: phương pháp lắng, kết tủa cacbon từ luồng khí nóng giữa các sợi cốt.Phương pháp tẩm các sợi cốt bằng nhựa

nền( phenol, furan, epoxy, polyeste…hoặc pec) rồi sau đó tiến hành quá trình cacbon hóa.phương pháp tổ hợp cả 2 phương pháp trên: vừa tẩm sợi vừa lắng kết tủa

- Ứng dụng: dựa vào độ bền nhiệt và độ dai va đập cao

• Hãng Danlop chế tạo các đĩa phanh dùng cho các máy bay Concord( hiện nay đã dừng bay) dựa trên nền pec, cốt vải hoặc sợi cacbon Thông số hình học: đường kính 0.6 mm, chiều dài 1.2 mm, độ dày 25mm Thông số cơ tính: độ bền uốn 103Mpa, độ bền nén 138 Mpa,

và bền nhiệt 2500oC

• Các hộp Pirocard-400 mà chương trình Apollo sử dụng để bảo vệ an toàn các trang thiết bị và các nguồn đồng vị khi đưa về trái đất

• Thiết bị cách nhiệt trên tàu vũ trụ vận tải Shutle, hãng Vout của Mỹ

• Loa phụt,thân vỏ, xylanh, côn nạp nguyên liệu của tên lửa nhiên liệu rắn, chóp khí động của tên lửa đạn đạo

3 Vật liệu composite gốm

- Thành phần: nền gốm,thủy tinh ( ceramic,borsilicat, nhôm silicat), cốt có thể

là sợi kim loại hoặc phi kim loại( vonfram, molipden, thép, niobi)

- Chế tạo: phương pháp dập nóng nhiều lần những dải sợi cốt và bột thủy tinh trong môi trường agon

- Ưu điểm: có rất nhiều triển vọng, đùng để chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt đọ lên tới 2073K