Nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số tính chất cơ - nhiệt của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa phenolic/vải thủy tinh

Bài viết trình bày một số kết quả nghiên cứu chế tạo và khảo sát độ bền cơ - nhiệt của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa phenolfocmandehyt/vải thủy tinh định hướng làm lớp bảo vệ nhiệt (BVN) cho đáy động cơ hành trình tên lửa B72.

Hóa học & Mơi trường Nghiên cứu chế tạo khảo sát số tính chất - nhiệt vật liệu compozit sở nhựa phenolic/vải thủy tinh Đoàn Văn Phúc1*, Trần Xuân Tiến2, Nguyễn Tiến Mạnh1, Đỗ Quốc Mạnh1 Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ quân sự; Viện Tên lửa, Viện Khoa học Công nghệ quân *Email: doanphuc@mail.ru Nhận ngày 10/8/2021; Hoàn thiện ngày 05/11/2021; Chấp nhận đăng ngày 10/4/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.78.2022.126-131 TÓM TẮT Bài báo trình bày số kết nghiên cứu chế tạo khảo sát độ bền - nhiệt vật liệu compozit sở nhựa phenolfocmandehyt/vải thủy tinh định hướng làm lớp bảo vệ nhiệt (BVN) cho đáy động hành trình tên lửa B72 Vật liệu compozit chế tạo từ nhựa phenolfocmandehyt họ novolac biến tính vải thủy tinh chịu nhiệt T-11 (LB Nga) có nhiệt dung riêng Cp = 1,791 J/(g*K), độ bền kéo σk = 109,91 MPa; mô đun đàn hồi E = 11,96 MPa; độ bền uốn σu = 148,49 MPa mô đun uốn G = 22,68 GPa Kết thử nghiệm khả BVN thông qua lửa đèn ôxy - axêtylen 2100 oC cho thấy vật liệu compozit sử dụng làm lớp BVN cho đáy động hành trình tên lửa B72 Từ khóa: Tên lửa B72; AΓ-4B; Vật liệu bảo vệ nhiệt MỞ ĐẦU Tên lửa chống tăng B72 sử dụng động nhiên liệu rắn (NLR), với thời gian cháy thuốc phóng động hành trình khoảng 27 s Khi phóng, nhiệt độ động hành trình đạt khoảng 2500-3000 K với áp suất khí khoảng 170 kgf/cm2 tổng xung 1895 N.s [1] Tại đáy động hành trình, vị trí gần cửa loa phụt, nhiệt độ áp suất lớn so với vị trí khác động Do đó, cần phải có lớp vật liệu BVN nằm mặt đáy động hành trình Lớp vật liệu có tác dụng giữ cho phần vỏ động không đạt đến nhiệt độ tới hạn suốt trình tên lửa hoạt động Theo kết khảo sát cơng bố cơng trình [2] nhóm tác giả xác định lớp BVN cho đáy động hành trình tên lửa B72 thuộc họ vật liệu AΓ-4B (ГОСТ 20437-89), hoạt động theo chế tải mòn [2, 3] chế tạo sở nhựa phenolfocmandehyt (PF) biến tính, gia cường sợi thủy tinh R dạng rối, hàm lượng nhựa từ 38÷47% tổng khối lượng Bài báo tập trung giới thiệu kết nghiên cứu chế tạo khảo sát số tính chất - nhiệt vật liệu compozit sở nhựa phenolic/vải thủy tinh định hướng làm lớp BVN cho đáy động hành trình tên lửa B72 THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu hóa chất - Phenol, PA, Trung Quốc; - Focmaldehyt, PA, Trung Quốc; - Axit HCl, PA, Trung Quốc; - Etanol, PA, Việt Nam; - Hexametyltetramin, PA, Trung Quốc; - Alinin, P, Trung Quốc; - Canxi stearat, P, Trung Quốc; - PVB mác B30T, Merck; - Vải thủy tinh mác T-11, Liên bang Nga 126 Đ V Phúc, …, Đ Q Mạnh, “Nghiên cứu chế tạo khảo sát … nhựa phenolic/vải thủy tinh.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) Khảo sát cấu trúc hình thái học bề mặt sợi thủy tinh, thực máy JEM1010 (JEOL, Nhật Bản) 2.2.2 Phương pháp phân tích nhiệt (TGA) Xác định độ bền nhiệt nhựa sau đóng rắn, tốc độ gia nhiệt 10oC/ phút, mơi trường khơng khí, thực máy NETZSCH TG 209F1 Libra TGA209F1D-0271-L 2.2.3 Phương pháp phân tích nhiệt lượng vi sai quét (DSC) Xác định nhiệt dung riêng Cp số tính chất nhiệt mẫu compozit, thực máy NETZSCH DSC 204F1 Phoenix 240-12-0416-L 2.2.4 Phương pháp xác định tính - lý - nhiệt vật liệu - Khối lượng riêng xác định theo TCVN 3976:1991 - Độ bền kéo xác định theo tiêu chuẩn ISO 527-2012 máy đo GOTECH AL-7000M (Đài Loan), tốc độ kéo 5mm/phút - Độ bền uốn xác định theo tiêu chuẩn ISO 178:2001 (E) máy đo GOTECH AL7000-M (Đài Loan), tốc độ uốn 5mm/phút 2.2.5 Phương pháp đánh giá khả BVN vật liệu Xác định khả bền sốc nhiệt vật liệu compozit sau chế tạo tác động trực tiếp lửa đèn ôxy-axêtylen theo tiêu chuẩn ASTM E285-08 [4] 2.3 Thiết bị nghiên cứu, chế tạo - Máy khuấy cơ, máy khuấy từ có gia nhiệt IKA-RH, Đức; - Máy ép thủy lực có gia nhiệt loại 15T, Carver, Mỹ; - Bộ khn ép thủy lực, Việt Nam; - Thiết bị đo nhiệt độ từ xa IR-AHS0, Việt Nam; - Một số thiết bị khác: cân điện tử, phễu VZ-4, đồng hồ bấm giây, tủ sấy, 2.4 Phương pháp chuẩn bị mẫu - Chuẩn bị nhựa nền: Nhựa PF dạng novolac sau tổng hợp theo quy trình [5-7] bổ sung 10% hexametyltetramin hịa tan hồn tồn cồn tuyệt đối, tỷ lệ nhựa/cồn = 1/1 Sau bổ sung thành phần lại: PVB, anilin canxi stearat theo tỷ lệ 12,5%, 10% 1% theo khối lượng nhựa novolac [8, 9] Sử dụng máy khuấy cánh cứng, tốc độ 120÷150 vịng/phút, khuấy liên tục để bảo đảm thu hỗn hợp nhựa đồng - Phối trộn nhựa sợi thủy tinh: Vải thủy tinh làm axêton, sau xử lý nhiệt 400 oC để tăng khả bám dính với nhựa Để bảo đảm cho sợi thủy tinh thấm nhựa tốt, trình thấm hút nhựa vào sợi thủy tinh tiến hành môi trường chân không, thời gian thấm hút khoảng 45 phút áp suất 10 mmHg Kết thúc q trình thấm hút, vải để khơ tự nhiên vị trí thống gió, sau đó, sấy kỹ cho bay hết dung môi nhiệt độ 60 oC - Ép tạo hình đóng rắn sản phẩm: Thực máy ép thủy lực 160 oC, áp suất 180 kgf/cm2, thời gian giờ, sau tiếp tục sấy 160 oC bảo quản mẫu bình hút ẩm 168 đem tiến hành khảo sát [3, 6, 7] - Thử nghiệm khả BVN lửa đèn ôxy - axêtylen: Sơ đồ bố trí thiết bị đo đạc hình Áp suất khí trì với Paxetylen = 7,8 atm; Poxy = 8,4 atm Khoảng cách từ mẫu tới mỏ đốt 19 mm Cảm biến nhiệt để xác định nhiệt độ (6) đặt mặt sau mẫu thử Nhiệt độ đốt mỏ đốt (8) kiểm tra máy đo nhiệt độ từ xa IR-AHS0 (10) với sai Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 78, - 2022 127 Hóa học & Môi trường số thiết bị 1% Thời gian chịu nhiệt mẫu thử tính từ lúc bắt đầu đốt đến mẫu thử bị cháy thủng Hình Sơ đồ bố trí thiết bị đo Bình khí ơxy; Bình khí axêtylen; Lưu lượng kế; Xe gá mỏ đốt; Giá đo; Cảm biến nhiệt độ; Mẫu thử; Mỏ đốt; Thiết bị thu thập xử lý số liệu; 10 Máy đo nhiệt độ IR-AHS0 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết nghiên cứu chế tạo nhựa sở PF Nhựa chế tạo vật liệu compozit BVN phải đáp ứng tốt yêu cầu: bền nhiệt, hàm lượng cốc hóa lớn phân hủy nhiệt Từ nghiên cứu [5-7], nhận thấy nhựa PF dạng novolac với tỷ lệ mol phenol/focmandehyt = 7/6 xúc tác HCl 37%, khối lượng sử dụng 0,4% tổng khối lượng hỗn hợp có hàm lượng cốc hóa cao nên phù hợp cho mục đích Một số tính kỹ thuật nhựa novolac tổng hợp Viện Hóa học – Vật liệu trình bày bảng Bảng Một số tính kỹ thuật nhựa novolac Tên tiêu Hàm lượng Độ nhớt dung dịch Thời gian đóng rắn Hàm lượng kỹ thuật phenol tự do, % nhựa/etanol = 1/1, giây* nhựa 160 oC, giây cốc hóa, % Giá trị 5,2 – 5,8 110 93 65,7 o *Độ nhớt đo phễu VZ-4 30 C Để nâng cao khả BVN tăng bám dính nhựa lên sợi thủy tinh, tiến hành biến tính nhựa PF anilin nhựa PVB [8, 9] Nhựa sau biến tính có độ nhớt 135±7 giây Khả bám dính thấm ướt nhựa vào sợi thủy tinh đánh giá phương pháp kính hiển vi điện tử qt (SEM) Hình Ảnh SEM mặt cắt ngang vải thủy tinh T-11 tẩm nhựa Hình Ảnh SEM bề mặt sợi vải thủy tinh sau kéo đứt khỏi bó sợi Quan sát ảnh SEM hình 2, nhận thấy nhựa phủ kín gần tồn bề mặt sợi gia cường; nhựa có cấu trúc đặc chắc, không bị xốp ranh giới bề mặt sợi – nhựa chặt xít Điều chứng tỏ khả thấm ướt tốt nhựa với bề mặt sợi 128 Đ V Phúc, …, Đ Q Mạnh, “Nghiên cứu chế tạo khảo sát … nhựa phenolic/vải thủy tinh.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Kết chụp SEM hình cho thấy cấu trúc hình thái học bề mặt sợi vải thủy tinh cú cỏc vt nha kớch thc khong 0,1ữ0,2 àm phân bố toàn bề mặt Điều chứng tỏ sợi vải thủy tinh bám dính tốt với nhựa PF 3.2 Kết khảo sát độ bền - nhiệt vật liệu compozit PF/ T-11 Vải T-11 sau thấm nhựa đem chế tạo compozit phẳng (hình 4) đế BVN theo hình dáng, kích thước mẫu đế BVN tên lửa B-72 LB Nga sản xuất (hình 5) Hình Hình ảnh mẫu compozit phẳng sở PF/T-11 Hình Hình ảnh đế BVN cho tên lửa B72 nhóm nghiên cứu chế tạo Tiến hành khảo sát tính chất lý tính chất nhiệt mẫu compozit chế tạo Kết khảo sát bảng hình 6, hình Bảng Một số tính lý vật liệu compozit PF biến tính/T-11 Khối lượng Độ bền kéo, Mô đun đàn hồi Độ bền uốn, Mô đun đàn hồi Mẫu riêng, g/cm MPa kéo, GPa MPa uốn, GPa 1,82 107,45 12,47 144,51 22,88 1,80 112,37 11,62 147,53 22,74 1,79 109,91 11,79 153,42 22,43 АГ- 4В [2] 1,7÷1,9 ≥127 ≥22,4 Kết phân tích nhiệt (TGA, DSC) mẫu compozit trình bày hình hình Dựa vào giản đồ phân tích nhiệt (hình 6) nhận thấy độ tổn hao khối lượng cực đại mẫu compozit chế tạo nhiệt độ 800 oC đạt 19,53%, tương đương với mẫu compozit dùng làm lớp BVN cho đáy động hành trình tên lửa B72 mà LB Nga sử dụng [2] Nhiệt dung riêng mẫu compozit tính tốn giản đồ DSC (hình 3.6) cho giá trị Cp = 1,791 J/(g*K), lớn giá trị nhiệt dung riêng mẫu vật liệu АГ-4В 1,17 J/(g*K) [2] Hình Giản đồ TGA mẫu vật liệu compozit PF/T-11 Hình Giản đồ phân tích DSC mẫu vật liệu compozit PF/T-11 3.3 Kết đánh giá khả BVNcủa vật liệu compozit PF/T-11 Kết đánh giá khả BVN vật liệu compozit PF/T-11 lửa đèn ôxy – Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 78, - 2022 129 Hóa học & Mơi trường axêtylen 2100 oC trình bày bảng hình 9, mẫu 1÷3 mẫu nhóm nghiên cứu chế tạo, mẫu mẫu đế BVN bóc từ tên lửa B72 LB Nga sản xuất Bảng Kết thử nghiệm mẫu compozit PF/T-11 lửa đèn ôxy-axêtylen Nhiệt độ Thời gian từ lửa tác động vào mẫu TT Tên mẫu thử lửa, oC đến mẫu bị thủng, s Mẫu BVN chế tạo 2140 10,31 Mẫu BVN chế tạo 2134 7,90 Mẫu BVN chế tạo 2140 8,75 Mẫu BVN tên lửa 2127 6,68 B72 (LB Nga) Căn vào liệu bảng đồ thị thay đổi nhiệt độ theo thời gian hình 8, nhận thấy vật liệu compozit với pha nhựa PF biến tính, gia cường sợi thủy tinh T-11 nhóm nghiên cứu chế tạo có tính BVN tương đương, chí cao so với mẫu đế bảo vệ đáy động hành trình tên lửa B72 LB Nga sảnPh¸t xuất sè: 02 Ph¸t số: 04 đồ th ịnh ệi t độ th eo thờ ig n đồ th ịnh ệi t độ th eo thê ig n °C °C 400 300 350 250 300 200 250 200 150 150 100 100 50 50 0 10 12 14 16 18 20 22 NH E I T DO Y1 : t1 : d t: dY : M n i : n I t: s 10 12 14 16 18 20 s NH E I T DO C hanne l:NH E I T DO 24 °C -23 1s 10 1s 25 °C 24 319 030 Y2 : t2 : f: dY d / t: M ax : RM S : 50 °C -12 9s 01 0H z 25 50 31 (a) (b) C hanne l:NH E I T DO Ph¸t sè: 05 Y1 : t1 : d t: dY : M n i : n I t: đồ th ịnh ệi t ®é th eo thê ig n 24 °C -20 2s 79 0s 29 8°C 24 300 268 Y2 : t2 : f: dY d / t: M ax : RM S : Điều kiện môi tr-ờng: Nhiệt độ: 23 oC; Độ ẩm: 84 % Hà Nội, Ngày 12 tháng năm 2019 Hà Nội, Ngày 12 tháng năm 2019 250 54 C -12 2s 01 3H z 37 54 1 34 Phát số: 06 đồ th ịnh ệi t độ th eo thờ ig n Điều kiện môi tr-ờng: Nhiệt độ: 23 oC; Độ ẩm: 84 % 250 200 200 150 150 100 100 50 50 0 10 12 14 16 18 20 s NH E I T DO 10 12 14 16 NH E I T DO C hanne l:NH E I T DO C hanne l:NH E I T DO 18 20 s (c) (d) Hình Đồ thị thay đổi nhiệt độ mặt sau vật liệu thử nghiệm theo thời gian: §iỊu kiƯn môi tr-ờng: Điều cu kiện môi tr-ờng: (a),( b), (c) – Mẫu BVN nhóm nghiên chế tạo; (d) – Mẫu BVN LB Nga sản xuất Hµ Néi, Ngµy 12 tháng năm 2019 Nhiệt độ: 23 oC; Độ ẩm: 84 % Nhiệt độ: 23 oC; Độ ẩm: 84 % Hà Nội, Ngày 12 tháng năm 2019 Y1 : t1 : d t: dY : M n i : n I t: 23 °C -21 4s 87 5s 31 23 1 333 Y2 : t2 : f: dY d / t: M ax : RM S : 54 °C -13 8s 01 1H z 36 54 38 Y1 : t1 : d t: dY : M n i : n I t: 24 °C -20 4s 66 8s 18 24 202 Y2 : t2 : f: dY d / t: M ax : RM S : 42 °C -13 6s 01 5H z 27 42 30 KẾT LUẬN Qua nghiên cứu, chế tạo khảo sát vật liệu compozit sở nhựa PF biến tính gia cường sợi thủy tinh T-11, định hướng sử dụng làm lớp BVN cho đáy động hành trình tên lửa B72 nhóm nghiên cứu đến kết luận sau: Nhựa sở PF họ novolac biến tính anilin PVB có độ thấm ướt độ bám dính tốt với sợi thủy tinh, có hàm lượng cốc hóa phân hủy nhiệt khoảng 65,7%, phù hợp cho chế tạo vật liệu compozit bảo vệ nhiệt; Vật liệu compozit sở nhựa PF biến tính / vải thủy tinh T-11 có nhiệt dung riêng Cp = 1,791 J/(g*K), độ bền nhiệt độ bền lý vượt trội so với mác vật liệu АГ-4В theo ГОСТ 20437-89 130 Đ V Phúc, …, Đ Q Mạnh, “Nghiên cứu chế tạo khảo sát … nhựa phenolic/vải thủy tinh.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Kết thử nghiệm đối chứng với mẫu đế BVN LB Nga sản xuất lửa đèn ôxy – axêtylen nhiệt độ 2100 oC cho thấy vật liệu compozit nhóm nghiên cứu chế tạo sử dụng làm lớp BVNcho đáy động hành trình tên lửa B72 Bài báo báo cáo Hội thảo Quốc gia: Ứng dụng Công nghệ cao vào thực tiễn – 60 năm phát triển Viện KH-CN quân TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Управляемый снаряд 9М14М (9М14) Техническое описание 1966 [2] Trần Xuân Tiến, Đoàn Văn Phúc, Trần Ngọc Thanh “Nghiên cứu xác định vật liệu chế tạo lớp bảo vệ nhiệt cho đáy động hành trình tên lửa B72” Tạp chí Cơ khí Việt Nam, (1+2), 2019 [3] ГОСТ 20437-89 “Материал прессовочный АГ-4 Технические условия” [4] ASTM E285-08 Standard Test Method for Oxyacetylene Ablation Testing of Thermal Insulation Materials (Reapproved 2015) [5] А ф Николаев, “Синтетические полимеры и пластические массы на их основе”, изд , химия М 1964 [6] Г.С Петров, А Н Левин, “Темореактивные смолы и пластические смолы”, Гос научно - техн изд , М 1959 [7] ГОСТ 18694-80 “Смолы фенолoфoмaлдегидные твёрдые” [8] Анилин // “Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т” (82 т и доп.) — СПб., 1890—1907 [9] Дедюхин В.Г.б Ставров В.П “Технология прессования и прочность изделий из стеклопластиков” Издательство «Химия» Москва, 1968 ABSTRACT Study on preparation and some thermal-mechanical characteristics of composite material based on phenolic/fiberglass The article presents some results on preparing and determining the mechanical and thermal resistance of composite materials based on phenolic resin/fiberglass, oriented using for the heat-protective layer of the bottom of rocket engine B72 The research results show that the composites based on a modified phenolic resin and heat-resistant fiberglass T11 have higher specific heat and thermal and mechanical strength in comparison with the AG-4V material ГОСТ 20437-89 The test results of the heat-shielding ability through an oxygen-acetylene flame at 2100 °C showed that this material could be used as a heatshielding layer for the bottom of rocket engine B72 Keywords: Rocket B72; AG-4V; Thermal protection Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 78, - 2022 131 ... lửa B72 nhóm nghiên cứu chế tạo Tiến hành khảo sát tính chất lý tính chất nhiệt mẫu compozit chế tạo Kết khảo sát bảng hình 6, hình Bảng Một số tính lý vật liệu compozit PF biến tính/ T-11 Khối lượng... thu thập xử lý số liệu; 10 Máy đo nhiệt độ IR-AHS0 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết nghiên cứu chế tạo nhựa sở PF Nhựa chế tạo vật liệu compozit BVN phải đáp ứng tốt yêu cầu: bền nhiệt, hàm lượng... BVN vật liệu Xác định khả bền sốc nhiệt vật liệu compozit sau chế tạo tác động trực tiếp lửa đèn ôxy-axêtylen theo tiêu chuẩn ASTM E28 5-0 8 [4] 2.3 Thiết bị nghiên cứu, chế tạo - Máy khuấy cơ,