KY YEU HTTQ CO HOC VA KHI CU BAY CO DK pdf
Trang 1VAT LIEU MOI COMPOSITE UNG DUNG TRONG THIẾT KẾ
¥ CHE TAO CÁC KHÍ CỤ BAY
'TSKH Nguyễn Đình Đức, Đại học Quốc gia Hà Nội
Tm se Vas itu mb compost hitn nay doe ing dung hi hé rong mọi BH vực cia nénknh lế quốc din Do cx dig Bn dhe nen cing ces dmg rng rong việc thit kế chế tạo các khí cụ bay Báo cáo trình bày tổng quan ứng dụng của vái Hiệu ‘composite; tổng quan tình hình sản xuất và nghiên cứu cơ học vi liệu composie tại Việt “Man; những để uất và kiến nghị
1 Ung dung composite trong thiết kế-chế tạo các khí cụ bay
"Trước đây, người ta thường đánh giá cao vai trò của vật liệu nhóm kim loại và cho rằng chứng giữ vị trí quyết định đến sự phát triển xã hội và kỹ thuật Tuy nhiên cùng với sự phát
triển của kỹ thuật và công nghệ, đòi hỏi phải có những vật liệu mới bến hơn, ưu việt hơn Vì vậy đã xuất hiện vật liệu mới composite, và mặc dù mới được phát hiện và sử dụng, nhưng ‘composite đã thay thế kim loại và hợp kim trong chế tạo máy, trong việc chế tạo các khí cụ "bay, và đã có mật trong tất cả mọi ngành, mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân
'Compsite là vật liệu được tổng hợp nên từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt và bền hơn so với các vật liệu ban đầu Vật liệu eomposite bao gồm có nền và cối Vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bến nhiệt, bến hoá và khả năng chịu dung khi vật liệu có khuyết tật Vật liệu nền của
composite c6 thé là polyme, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc các bon Vật liệu cốt đảm bảo
cho composite có các mođun đàn hồi và độ bền cơ học cao Các cốt của composite có thể là các sợi cốt như sơi thuỷ tỉnh, sợi polyme, sợi gốm, sợi kim loại và sợi các bon, các loại don dang sợi ngắn phân tán, dạng bột, các hạt nano, hay cũng có thể lại chính là composite nio đó Nếu composite có thành phản cũng là composite ngudi ta còn gọi là super composite Nếu một trong các thành phần của composite có cấu trúc nano thì được gọi là nanocomposite
"Những uu điểm cơ bản nhất của vật liệu composite so với các vật liệu khác là:
~ Độ bên cơ học, vật lý cao, thậm chí cao hơn cả kim loại và hợp kim, vì vậy khi sử dụng bên hơn so với các vật liệu truyền thống
~ Tính chịu va đập tốt, có độ chống ăn mòn cao
= Tinh ổn định vẻ kích thước, hình dáng của kết cấu composite rất cao, đặc biệt eomposite có tu điểm là vật liệu được hình thành ngay trong quá trình chế tạo kết cấu, vì vậy có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân bố và các vật liệu thành phần để tạo ra một vật liệu mới có độ bên theo mong muốn
~ Bên hoá học cao, bền với điều kiện khí hậu, môi trường ~ Do nhẹ nên khi dùng composite dé thao téc, lip dat, thay thé
~ Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại ( như siêu bền, siêu nhẹ, lại chịu được
nhiệt lên đến 3000C ) chỉ có composite mới đáp ứng nổi, vì vậy, vật liệu composite giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới đặc biệt trong việc thiết kế chế tạo các khí
cụ bay
Trang 2s Mô đun đàn hồi riêng Polymesợi Polymesgi — Gỗ Nhôm Thép cécbon thuỷtỉnh
Hình 1 So sánh định tính mô dun đàn hồi một vài vật liệu composite với gỗ và thép
‘Composite được ứng dụng trong hàng không và kỹ thuật tên lửa lần đầu tiên ở Mỹ, vào khoảng giữa những năm 50 Hãng Boing cia My dùng vật liệu composit cốt sợi thủy tỉnh chế tạo máy bay từ năm 1958 ở Liên Xô cũ, việc ứng dung composite trong hàng không và kỹ thuật tên lửa muộn hơn Mỹ chút ít, vào khoảng đầu những năm 60 Kể từ đó cho đến nay, đã xuất hiện nhiều vật liệu mới khác như composite cốt sợi các bon, sợi hữu cơ, sợi bor, à thồi đại ngày nay là nanocomposite với những tính năng kỳ điệu mà không vật liệu tự nhiên nào có thể cạnh tranh được, đã mở ra khả nâng vô cùng rộng lớn để có thể nàng tắm cao, tắm xa của các vật thé bay
'Việc sử dụng composite vào việc chế tạo các vật thể bay đã thực sự là cuộc cách mạng trong ngành hàng không
“Trên hình 2 cho thấy, nếu năm 1991, composite chi chiém 3% thì đến năm 2000, chúng đã chiếm 65% toàn bộ khối lượng của máy bay tàu lượn
991 20002
Hinh 2 Sơ đổ sử dụng các vật iệu trong chế tạo máy bay tàu lượn năm 1991 và 2000
Rất nhiều chí tiết của máy bay được chế tạo từ composite: từ thân, vỏ, các khoang chở khách và hàng cửa các vách ngán, ghế ngồi, cánh, loa phut, khoang chứa động cơ, đến bánh lái, má phanh đều được chế tạo từ các loại vật liều composite khác nhau, do composite cổ tu điểm là bên hơn, nhẹ hơn, và sử dụng khai thác lâu hơn so với các vật liêu khác, Kể từ nằm 1953, khi hãng Boing bắt đầu sử dụng composite cốt sợi thủy tỉnh vào việc chế tao máy bay, cho đến nay, 60-70% trong lượng của máy bay nói chung được chế tao từ composite các loại và đã cổ những máy bay được chế tạo 100% tt composite
Trang 3
`Ví dụ như việc chế tạo cánh từ composite là một trong những công đoạn quan trong và nt pedis Gok th dị ng bị Gai rody tay Sue che wo theo Ong mph got Gai) 8 pen a le chính: Thiết kế chế tạo-thử nghiệm Đặc diểm của cánh là có rất nhiễu vết cắt, lỗ, cửa, và các nơi tiếp nổi, chịu tải động theo nhiều hướng khác nhau Vì
vậy, để chọn sơ đồ quấn và góc quấn, phải dựa trên các cơ sở của các tính toán cơ học, để có
.để xuất những phương án tối ưu, đảm bảo cho sự chịu tải an toàn của cánh khi làm việc
Hình 3, Cánh máy bay được chế tạo theo công nghệ quấn
'Các tấm panen composite ba lớp có tu điểm như: độ cứng cao, rất bẻn khi nén, có độ 'bên mỗi cao, đặc biệt là khả năng cách âm, cách nhiệt rất tốt Các panen như vậy được dùng
để chế tạo các tấm pin mật trời, các tấm tuốc bín khí, các loại ang ten parabol, các tấm phản
xạ, và các chỉ tiết khác nhau của các khí cụ bay
"Trong kết cấu của máy bay, các panen composite ba lớp có vị trí rất lớn (hình4), Ví dụ như máy bay vận tải C-5A của Mỹ, có trọng lượng 323-346 tấn, khoang chứa tải dài 44 mét, rộng 5,8 mét, cao 4,12 mét và thể tích 1045m’, van t6c 710-760 km/gid và có thể chuyên chở được tối đa 120 tấn tải, sử dụng tới hon 3000m? cấu trúc tổ ong Các tấm panen ba lớp được
ding để làm sàn, khoang, các tường ngăn, các cửa khoang, các kết cấu của cánh
Trang 4
210
Hình 5 Thân, vỏ, vách ngăn tàu vũ trụ sử dụng vật liệu composite polyme cốt sợi các bon
Trang 5
Hình 7 Một số chỉ tiết của máy bay chở khách được chế tạo tử composlte nến epoxy cốt sợi thuỷ tỉnh và sợi các bon
Chỉ trong một thời gian ngắn áp dụng, tìm tòi và phát triển công nghệ vật liệu mới, công nghiệp chế tạo các vật thể bay đã phát triển vượt bậc: đã có những chuyến bay rất dài ngày, và thậm chí cả đu lịch trong vũ trụ của con người Tên lửa mang vũ trụ của Nga đã có thể bay tới độ cao hàng nghìn km Nếu cuối những năm 80, bay từ Hà Nội sang Matxcova phải nghỉ 3 - 4 chặng, thì ngày nay đã có thể bay một mạch trong vòng 10-12 tiếng Hơn thế nữa, năm 1987, máy bay thử nghiệm Voyager của Mỹ do công ty Hercules Aerospace Company sản xuất với trọng lượng vén vẹn có 450kg từ composit các bon đã thực hiện thành công chuyến bay một mạch không nghỉ vòng quanh trái đất (hình 8)
Hình 8 Máy bay Voyager (Mỹ)
Không chỉ dừng lại ở thử nghiệm ở Mỹ đang thực hiện chế tạo máy bay chở khách bay eao trên tầng khí quyển, có tên là "Tốc hành phương Đông”, có khả năng chở khách từ 'Wasinhton đến Tôkyô chỉ trong vòng 2 tiếng đồng hồ, và được thiết kế, chế tạo 100% từ liệu composite, nhằm đạt được mục đích: Tiết kiệm năng lượng do giảm dược trọng lượng, bảo vệ cho máy bay không bị đốt nóng ở nhiệt độ cao (sơ đồ thiết kế chịu nhiệt như ở hình 9),
Trang 6
Hình 9 Sơ đổ thiết kế chịu nhiệt của máy bay “Tốc hành phương Đông” (Mỹ)
“Trên máy bay khổng lồ “Ruslan” của Nga, tổng toàn bọ vật liệu composite được sử dụng lên đến 5500kg, và điều đó cho phép giảm được 1500 kg trọng lượng, tiết kiệm được trong thời gian bay tối đa 18.10°kg nhiên liệu Trong máy bay chở khách "IL-96, 'TU-204” cỡ lớn, composite cũng chiếm trên 55% trọng lượng cho phép giảm 1/3 tải trọng đồng thời lại tăng khả năng khai thác lên từ 2-3Iần
Hãng Hercules Aerosspace Company (Mỹ) đã chế tạo máy bay chiến đấu, với 90% trọng lượng được làm từ vật liệu composite các bon siêu nhẹ, có hình dạng như hình I0
Hình 10 Máy bay chiến đấu do hãng Hercules Aerosspace Company (Mỹ) sản xuất, ‘duge chế tạo với 90% trọng lượng từ composite cácbon
Vật liệu mới composite giữ vai trò hết sức quan trọng trong việc chế tạo tên lửa ‘Dac biệt với tên lửa nhiên liệu rắn: Mặc đầu tốc độ cháy có chậm hơn so với nhiên liệu lỏng, nhưng có nhiều ưu điểm như để bảo quản, cơ động, thời gian nạp nhiên liệu nhanh hơn, khả năng cơ động tốt hơn, và hiện nay nhiên liệu rắn được dùng càng ngày ằng rộng rãi trong công nghệ chế tạo tên lửa Để có thể cải tiến, hiện đại hóa và chế tạo tên lửa, nhiệm vụ quan trong là phải chế tạo được động cơ, trong đó thân vỏ động cơ là vấn để phải giải quyết đầu tiên
Trang 7E ‹, _ Rõ rằng việc sử đụng vật ig composite da lam tăng khả năng chứa nhiên liệu, do vay tên
kéo đài được tắm bay của các tên lửa Trong kết cấu động cơ tên lửa sử dụng nhiều loại _ composite khée nhau (bing 1):
b » Bing 1
ý Tên các chỉ tiết Logi composite ding dé ché tao
| Vi động cơ tên lửa nhiên liệu rấn ~ Composite polyme cốt sợi hữu cơ, sợi các
"bon, sợi thủy tỉnh
~ Các vành chịu lực, các “váy” tiếp nối ~ Composite polyme sợi thủy tình, sợi bor, sợi
các bon, sợi hữu cơ
~ Bộ phận bệ đặt lắp thân vỏ = Composite kim loai voi nén AIB, MgB, AIC, Mec ~ Các bộ phận của loa phụt: những miếng ~ Composite polyme sợi các bon, composite
đệm tới hạn, ống loa, các bon-các bon
~ Lea phụt của động cơ nhiên liệu lông —_ | -Composite các bon-các bon ~ Thùng chứa nhiên liệu lỏng - Composite các bon-các bọn
~ Thân võ lò khí ~ Những composile kim loại bên nhiệt cao
(vonfram-niken, vonfram-titan, thép-niobi)
“Thân vỗ động cơ tên lửa được chế tạo theo công nghệ quấn Một số dạng của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn (ĐCTLNLR) chế tạo theo công nghệ quấn được thể hiện trên hình 12
Hình 12, Một dạng của ĐCTLNLR được chế tạo tử composite thøo công nghệ quấn
Trong thiết kế chế tạo khí cụ bay chúng tôi đặc biệt muốn giới thiệu dén composite
cacbon-cachon
'Vật liệu composite các bon-các bon la vat ligu composite có nền là các bon, và các sợi
cốt cũng là sợi cácbon
Ưu điểm nổi trội của vật liệu composite các bon-các bon là có thể chịu được nhiệt độ rất
cao, lạ rất nhẹ, rất bên với ứng suất nhiệt và với sự chiếu sáng Những vật liệu này cũng có ưu
điểm là có độ bền và độ cứng cao ở nhiệt độ thường cũng như ở nhiệt độ cao, có hệ số giãn nở
nhiệt rất thấp, Vật liệu composite các bon-các bon có khả năng làm việc lâu dài ở nhiệt độ TT3'K trong môi trường ô xi hóa, và dén 3273°K trong môi trường trơ hoặc chân không Hơn
Trang 8‘a, điền đặc bệ là ưọng những mới rường này, càng vớ sợ giatíng shiệt độc đệ bên của
chúng lại được tăng lên từ 1,5-2 lần 2
'Với sự đáp ứng được nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại về nhiệt độ (vĩ đụ có những kết cấu cần phải chịu được sự thay đổi nhiệt đột ngột ở mức 1000'K/cm), cũng như về độ bến cơ học (ví dụ độ bến khi kéo của chúng, tùy thuộc vào cấu trúc cốt, có thể đạt từ 100 .đến 1000MPa), vật liệu composite cácbon - cácbon đã trở thành vật liệu chiến lược đầu bảng
'Nhờ có độ bên nhiệt và bền va đập cao mà vật liệu composite các bon- các bơn được cdùng rộng rãi trong hàng không, vũ trụ, trong ngành luyện kim chế tạo máy, chế tạo các lò phản ứng, trong y hoc Cu thé trong ngành hàng khong: Hing “Danlop” của Ảnh đã sản xuất hàng loạt các phôi từ composite cácbon- cácbon để chế tạo các đĩa phanh đường kính 0.6mm,
đài 12mm và dày 25mm dùng cho máy bay “concord” Nén cia composite dùng làm địa phanh thường là pec, có thể là các nhựa polyme hoặc pirocacbon, còn cốt là vải hoặc các sợi các bon không định hướng Vật liệu composite các bon-các bon này có độ bẻn uốn 103MPa và bên nén 138MPa Uw điểm nhất của composite céc bon-céc bon sử dụng ở đây là độ bên nhiệt cao đến 2500°C trong môi trường trơ và đến 900°C trong môi trường ðxi (nếu bể mặt được gia cố chất chống 6 xi hod)
Ngoài ra, đĩa phanh bằng vật liệu composite các bon-céc bon được các công ty khác chế tạo như “Kunolde" (Anh), "CEP”, "Aerospacial”, “Mexi-ispano-Bugat” (Phép), “Khitco”,
“AVCO” (Mỹ)
"Những đĩa phanh máy bay duge ché tao tit composite cécbon-céc bon có khối lượng 42- 48% nhẹ hơn so với các đĩa phanh truyền thống trước đây và sử dụng được khoảng 400-600 chuyến bay Tuy nhiên, giá của chúng lại cao hơn 1,5-2 lắn các đĩa kim loại thông thường
"Trong ngành vũ trụ: Chương trình “Apollo” sit dung céc hộp bằng vật liệu composite các bon-céc bon “Pirocarb-400” để bảo vệ an toàn các trang thiết bị và các nguồn đồng vị khí đưa trở về trái đất
“Trong chế tạo các thiết bị cách nhiệt cao, hãng *Vout” của Mỹ đã chế tạo tàu vũ trụ vận tii “Shuttle” bằng vật liệu composite cfc bon-các bon Vật liệu composite trong trường hợp này thỏa mãn được tất cả những yêu cấu kỹ thuật đặt ra: Đảm bảo được độ bén ở nhiệt độ cao đến 165C ở mũi và các mép biên của cánh máy bay, bến vững với các tải khí động lực học và sự thay đổi nhiệt lớn trên bể mặt các chí tiết khi bị va chạm, và đảm bảo không bị giảm độ
"bến của các chỉ tiết khi con tàu bay vào vũ trụ
Loa phụt của các động cơ tên lửa: là một trong những chỉ tiết quan trọng nhất của động cơ tên lửa Trong vòng 15 năm gắn đây, nhờ những tiến bộ vượt bậc trong ngành vật liệu mới, loa phụt của tên lửa đã có những thay đổi đáng kể về kích cỡ, cấu trúc, hình dáng và vật liệu chế tạo Vật liệu composite các bon-các bon có đấy đủ những chỉ tiêu kỹ thuật tốt nhất cho việc chế tạo loa phụt của tên lửa, đặc biết cho những động cơ nhiên liệu rắn Ngoài loa phut, các chỉ tiết khác như thân vỏ, xi lanh côn (nạp nhiên liệu) của tên lửa nhiên liệu rắn đều được chế tạo từ vật liệu composite céc bon-céc bon 2D và 3D, Vật liệu composite các bon cấu trúc 2D được chế tạo bởi các hãng như "Carborundum", “Kaizer”, “Policarbon”, “Khileo" vật liệu composite 3D- “AVCO”, “Fiber materials”, “General Electric”, “Me Donald Douglas”,
Trang 9
Hình 13 Mũi nắn dòng va thân vỏ tên lửa được chế tạo từ composite
"Trong ngành luyện kim: Từ vật liệu composite các bon-các bon chế tạo ra các mũi đột ˆ e6 độ bên cao (độ bên nén >105MPa ở 2500C), có độ dẫn nhiệt thấp và cách nhiệt tối
(Cling từ vật liệu composite các bon-các bon chế tạo ra các khuôn đúc áp lực cho việc đập nóng các kim loại và các hợp kim khó nóng chảy Các khuôn đúc bằng vật liệu composite các bon- các bơn có độ bên cơ lý cao, chịu được nhiệt độ cao, bến với ứng suất nóng, lại nhẹ ‘ro hóa, chóng nguội và có thời gian khai thác sử dụng lâu hơn những khuôn đúc từ các vặt liệu truyền thống trước đây, Nhờ có khuôn đúc từ vật liêu mới này, mà đến nay người ta đã sản xuất được cửa không khí "lỗ giớ” của máy bay bằng hợp kim titan Những "lỗ gio” nay c6 độ đài gắn 1,4m với tiết diện thay đổi từ tiết diện tròn đường kính 700mm đến tiết điện chữ nhật 520 x 720mm Việc không cẩn ding đỉnh tần trong những chỉ tiết phức tạp như vậy cho phép nàng cao độ kín và tính chịu đựng với các tác động của nhiên liệu
Những khuôn (rèn, dập) được chế tạo bằng composite các bon- các bon chịu được nhiệt độ đến 1000'C, và thường có khối lượng 84kg trong khi các khuôn làm bằng kim loại trước đây nặng hơn 100 lần Hơn nữa, độ co của vật liệu này khi nguội lại thấp, gần như titan và tốt hơn nhiều lần so với thép
Ngoài những ứng dung trên đây, vật liệu composite cdc bon-céc bon còn được sử dụng rong rãi trong y học Trong ngành kỹ thuật điện, dầu khí, chúng được dùng để chế tạo các chỉ tiết chịu lực, chịu nhiệt, chịu ma sát và chắn phóng xạ của các lò phản ứng Chính vì thế, chúng ta có đầy đủ cơ sở khoa học và thực tiễn để kết luận rằng vật liệu composite các bon- các bon có vai trò và triển vọng rất lớn giữ vị trí then chốt trong công nghiệp, trong công nghệ chế tạo các vật thể bay, trong đó có công nghệ chế tạo tên lửa Hy vọng một ngày không xa, khoa học và công nghệ vẻ sản xuất, chế tạo vật liệu composit các bon-các bon ở nước t được phát triển và ứng dụng rộng rãi Và nếu không vượt qua được thách thức này, chúng ta sẽ thất khó có thể tiến xa hơn trong lĩnh vực tự hiện đại hoá, thiết kế, chế tạo các khí cụ bay
"Nên cacbon có tính chất cơ lý và nhẹ tương tự như sợi cacbon, nèn khi kết hợp với sợi eacbon cho chứng ta vật liệu mới siêu bén và siêu nhẹ Thông thường để đưa Ikg lên vũ trụ tiêu tổn khoảng 20000USD-30.000USD vì vậy việc phát triển và ứng dụng vật liệu cacbon ‘abon không những có ý nghĩa nang tim cao, tim bay của khí cụ bay, mà còn cho phép giảm
đến mức lý tưởng trọng lượng của chúng Việc nghiên cứu, phát triển công nghệ và ứng dụng composite cácbon-cácbon đã trở thành xu hướng chủ đạo trong phát triển vật liệu mới phục vụ hằng không vũ trụ trong những nam gin day Var liéu composite các bon-các bon gì một vị trithen chốt trong cuộc cách mạng vế vật liệu m
Trang 10Về gia cơng vật liệu giịn, Ong đã tiên đốn đến năm 2000 khi gia công siêu chính xác vật liệu, sẽ đạt độ chính xác đến nano mét
“Thực ra ý tưởng về các cấu trúc siêu nhỏ đã được nhà khoa học người Mỹ Feynman R.P được giải thưởng Nôben vẻ vật lý đọc trong các bài giảng của mình từ năm 1959, và sau đó những bài giảng này được tập hợp thành sách " There is plenty of room at the bottom in Minituarization, New York; Rienhold." xuất bản vào năm 1960 Trong những bài giảng này, ng đã để cấp đến các cấu trúc siêu nhỏ, và tiên đoán sẽ xuất hiện những vật liệu mới có cấu trúc từ những hạt, kích cỡ nanomét
'Để thống nhất trong khái niệm, hiện nay những cấu trúc nhỏ hơn 100 nanomét được xem là cấu trúc nano
Hiện nay có hai cách tiếp cận tới những cấu trúc nano: cách tiếp cận " Từ trên dưới ", một ví dụ vẻ cách tiếp cận này là để tạo các cấu trúc nhỏ hơn, người ta "nghiền nhỏ" các cấu trúc lớn hơn cho đến khi đạt được cấu trúc nano mong muốn; và cách tiếp cận “ Từ dưới lên trên”, tức là thay đổi sắp xếp bên trong cuả các nguyên tử, phân tử, thay đổi sự sắp xếp của các hạt để từ đó tạo ra những vật liệu mới
Vật liệu nano mới được nghiên cứu và ứng dụng, nhưng đã mang lại những hiệu quả vô cùng to lớn mà trí tưởng tưởng của loài người dù có phong phú đến đâu cũng khó có thể hình dung hết được: Theo Dự án X2000 của NASA sẽ ứng dụng công nghệ nano để hiện đại hoá từng bước thiết bị điện vũ trụ cho các con tàu vũ trụ như sau (hình 14) Theo dự án này, thiết bị hiện có nặng 80 tấn, và thể tích 50.000 cm, đến năm 2010 còn 1 kg, thể tích 1000 cm” và năm 2030 chỉ còn nặng có 2 g và chiếm thể tích có Ï cm” nex S9MAlHHmee HĐGO[BMmn l#HsdlOOem iverlonen tet KP n9 li Pee ie ar ae awa pee er ea ie 6 eee Bp = Fe | | See | | ‘
Pe Bel eee | xao See sey
Hình 14 Thiết bị điện vũ trụ sẽ chế tạo theo Dự án X2000 cila NASA
Những ứng dụng to lớn của công nghệ nano mang lại cho lồi người vơ cùng to lớn và
trong khuôn khổ báo cáo này không thể liệt kê hết được ở đây chúng tôi chỉ muốn lưu ý đỡ cấu trúc nano vỏ cùng bé, khi chế tạo thường là sự tổ hợp của cấu trúc nano của vật liệu này với vật liệu khác, vì vậy sản phẩm nhân được thực chất là những nano composite
Trang 11
_ Năm 1985, Cmoli và Kroto đã tìm thấy cấu trúc phân tử của Cạ (phulleren), có dạng mật
cần, | 20 lục giác và 12 ngũ giác với các nguyên tử các bon trên các đỉnh Cấu trúc
là độ bên nhiệt rất cao và ổn định, và độ bên cao: cfc ion Cp va Cy không, lực va đập lên đến tốc độ 50 000em/gið Việc phát hiện ra Cụ, đã mở ra một chân
(Tĩnh vực chế tạo vật liệu mới cacbon Chúng tôi được biết, đã có một số viện
Cứu ở nước ngoài trong những năm gần đây đã chế tạo thành công nên các bon cho vật liệu composite các bon ~ các bon từ Cụ
ra, composite còn được chế tạo ngay trong vũ trụ cho các khí cụ bay trong vũ trụ "Một số kết cấu được làm từ composite sẽ được chuẩn bị trước đến một công đoạn nào đó trên
trấi đất, rồi trong những điều kiện vũ trụ, chúng sẽ mở ra, đơng rắn lại và hồn hảo cấu trúc,
|, Binh ding mà chúng ta cần mong muốn
Những kết cấu được tạo hình trong vũ trụ có thể kể ra là:
8) Các khoang chứa với những hình đáng, kích cỡ và mục đích khác nhau
'b) Các parabôlôit lớn dùng cho liên lạc vô tuyến hoặc tích năng lượng mặt trời (hình 15)
©) Các tấm pancn phẳng có điện tích lớn dùng làm pin mặt trời
.d) Các mốc vô tuyến, thiết bị quang học và các cấu trúc khác để đặt lên mặt trang "Trong những kết cấu đã được liệt kê đó, chúng tôi lưu ý là chúng đều phải đáp ứng được những đồi hỏi chung là: kích cỡ lớn, khối lượng nhỏ và có độ bền, độ cứng cao rong vũ trụ “Trước lúc cất cánh, chúng được xếp chật, gon ghé, và sau đó trong vũ trụ, được mở ra với toàn 'bộ kích cỡ thiết kế *
Hình 18 Hình dạng của parabôlôft chứa khí được đông rần trong vũ try
(Chúng tôi muốn nhấn mạnh thêm là không chỉ trong công nghiệp chế tao các vật thể bay, ma trong tất cả mọi ngành công nghiệp, nhu cẩu sử dụng composite trên thế giới cũng "ngày càng tăng (hình 16) Chỉ trong vòng 6 năm 1990-1996, nhu cầu sử dụng vật liệu trên toàn thế giới đã tăng lên gấp 10 lần Rất nhiều điều kiện khắt khe của kỹ thuật và công nghệ hiện
đại chỉ có vật liệu composite mới đáp ứng nổi Với tất cả những gì chúng tôi đã trình bày trên
(đây, chống tôi hoàn toàn nhất trí với ý kiến của nhiều chuyên gia trên thế giới, cho rằng ‘composite là vật liệu chủ lực của tương lai, và thế kỷ XXI là thế kỷ của vật liệu mới
‘composite:
Trang 121000% 250% 100% 1990 1992 1994 1996
Hình 16 Mức độ tăng trưởng như cầu sử dụng
2 Tinh hình sản xuất chế tạo composite tại Việt Nam
Hiện nay tại Việt Nam, vật liệu composite đã được sản xuất và ứng dụng khá mạnh mẽ 'Công nghệ vật liệu mới, trong đó có vật liêu composite và nanocomposite được coi là một trong những ngành công nghệ cao mới mẻ nhất mà chúng ta ưu tiên phát triển Từ năm 1990, ngành khoa học mới này mới được quan tâm và thúc đẩy Tuy nhiên trong lĩnh vực mới này, chúng ta lại thu được những thành tựu đáng kể, Một [ĩnh vực được coi là thành công nhất của "Việt Nam là polyme composite b
Composite polyme hign nay đã có đặc tính cơ lý cao hơn kim loại nhẹ hơn kim loại, cách nhiệt, cách điện tốt và rất bến với các tác nhân hoá học và môi trường Ví dụ như một ống dẫn dầu khí d=100mm, có trọng lượng khoảng 3-4kg/met, và có thể khai thác sử dụng 50- 70 nam, trong khi ống thép cùng đường kính và dO day nặng gấp 4-5 lần, và chỉ khai thác từ 5- 10 năm, rất hay bị gỉ Những composite polyme đã được sản xuất ở Việt Nam có thể kể ra là: các loại nhựa trong gia dung và công nghiệp: năm 2002 sản lượng của cả nước đạt 1.2 triệu tấn và dự báo sẽ đạt 4.2 triệu tấn vào năm 2004, trong đó tất cả các chất dẻo hiện nay thực chất chính là composit: chất đẻo luôn được tăng cường thêm các phụ gia như hạt khoáng, chất làm châm cháy, chất ổn định nhiệt, ồn định ánh sáng, chất biến tính va đập để tăng cường khả năng cơ - lý - hoá của vật liệu; các bình chứa nước từ composite; xuồng và tàu, thuyển: nim 2004 chúng ta đã sản xuất đạt khoảng 3000 tấn với 40 tàu composite kip may từ 90-450 mã lực đang vận hành phục vụ cho chương trình đánh bắt xa bờ và hạn chế nạn phá rừng; trên 500 cánh cửa cổng bằng vật liêu composite (thay thế cho cửa thép và bê tông) đã được lắp đặt tại đồng bằng sông Cửu Long và Quảng Ninh; trên 2000 miếng ghép sọ não và nhiều nẹp xương, nhiều bảng đặc chủng chữa bỏng bing vật liệu y sinh cacbon đã được chế tạo tại Việt Nam thay thế hàng ngoại nhập
"Ngoài ra, trong một số lĩnh vực khác như phục vụ an ninh quốc phòng: ở Việt Nam các vật liệu composite còn được dùng để chế tạo các tàu tuần tiéu cơ động gọn nhẹ tốc độ a0; quân áo cho lực lượng phòng chữa cháy: các mũ chống va đạp, chống đạn, chống chém cho cảnh sát 113; các loại áo giáp bén, nhẹ có khả năng chống đạn chống dâm; các loại lá chấn dùng cho cảnh sát trong suốt như kính nhưng lại chống được va đập của các phán tử gây rối Yề các loại polyme chống đạn
Trang 13re a ona net seme ip stcing 12 lần so với nam cham
Hig ay Vit Num cing 4 te ip cin cong ght chế ao nnonpsic: các
Em vớ cách nano khong due eh ding lim vi eu cg thin ching la cũng dã đầu chế tạo cấc trồng nano từ và các nanocomposit kim loại trên cơ sởđiện hoá
.sSản xuất composite phục vụ khí cụ bay ở Việt Nam: Từ năm 2000, một số đơn vị trong “nước đã tiếp cận công nghệ quấn để chế tạo các ông kỹ thuật dạng ống dẫn nước, dẫn dầu khí, „ác loại nòng và đã thu được những kết quả bước đầu Như trên chúng tôi đã trình bày, công nghệ cuốn gì vai trò quan trọng trong việc chế tạo thân vỏ cho máy bay và động cơ tên lửa,
ee Fe ena) Ge Oh pant ohm aug
có chất lượng cao hơn Vật liệu composite polyme cũng đã được dùng để chế tạo các vỏ máy bay phục vụ huấn luyện Đã có đơn vị tiếp cận đến chế tạo vật liệu cácbon-cácbon ` ˆ phục vụ cho một số chỉ tiết của tên lửa
a ee ay Sons vee ch wo ae liệu mới composite rét ding trần trọng, tuy nhiên thực trạng phát triển công nghệ vật liệu ở Việt Nam còn nhiều hạn chế, thiếu sót Chúng tôi nhất trí với đánh giá của Uỷ ban Khoa học, Công nghệ và Môi trường của Quốc hội là : Do không có chiến lược, không có kế hoạch tổng thể nên trình độ tiến bộ và
công nghệ vật liệu của chúng ta còn thấp Có thể nêu ra một số hạn chế trong việc chế tạo
‘composite & Viet Nam như sau;
-_ 1« Chủ yếu chúng ta mới phát triển ở Việt Nam vật liệu composite polyme Composite gốm, đặc biệt là composite kim loại và cácbon-cacbon chúng ta còn chưa chú trọng quan tâm đầu tư và phát triển thích đáng Trong khi những vật liệu giữ vai trò hết sức quan trọng trong
công nghiệp
2- Sản xuất eomposite polyme chủ yếu là thủ công, vì vậy chất lượng chưa cao
3- Nanocomposite chủ yếu mới được tiếp cận chế tạo theo phương pháp "từ trên xuống dưới", và sản phẩm còn ít Chủ yếu mới được nghiên cứu, chế thử trong PIN
4.- Thiết kế, chế tạo sản phim tir composite chi dựa trên kinh nghiệm, chưa có tính toán một cách khoa học, bài bản, vì vậy các sản phẩm chưa vươn xa phục vụ các yêu cẩu khắt khe của kỹ thuật
5- Chưa có chiến lược đấu tư phát triển then chốt của cách mạng về vật liệu là ‘composite cacbon-cacbon
3, Cơ học vật liệu composite phục vụ thiết kế chế tạo các khí cu bay
Nhiệm vụ quan nhất của cơ học là dùng các phương pháp hiện đại của toán học, vật lý và phương pháp tính để mơ hình hố được các vật liệu, kết cấu, đưa vẻ thành các bài toán của cơ học, từ đó để xuất các phương phải giải, đánh giá kết quả nhận được rồi thử nghiệm và từ những kết quả nhận đựợc đưa ra những thong số cắn thiết, đảm bảo an toàn, chính xác cao và „ tối ưu cho việc thiết kế và chế tạo
Đặc tính cơ - lý - hoá cia composite phy thuộc vào 3 yếu tổ chính: ~ Các vật liệu thành phần
~ Cấu trúc của cốt = Cong nghệ chế tạo
"Thay đổi một trong ba yếu tố đó cũng đủ dẫn đến thay đổi composite Trong đó thay đổi ‘cfu trúc của composite là một những yếu tố rất quan trọng quyết định việc nâng cao độ bến
.của vật liệu
Trang 14
Hinh 17, Một số cấu trúc truyền thống cia composite
Dựa theo cấu trúc hình học của cốt, có thể phân chỉa composite theo cấu trúc cốt ra làm ` loại chính:
~ eomposite phân lớp ( gồm nhiều lớp được liên kết lại với nhau)
~ eomposite với các hạt độn ( bột độn), hoặc các sợi ngắn phân tán
= composite có cấu trúc sợi không gian nD ( các sợi độn song song với n phương trong không gian) Nếu trong pha nến ngoài các sợi độn còn có thêm các thành phần gia ms
cường thứ ba có cấu trúc khác sẽ được ký hiệu là composite nDmm Hình 18 giới thiệu mô hình ‘composite ba pha có cấu trúc không gian 3Dm
Hình 18 Mô hình composite ba pha có cấu trúc không gian 3Dm
Chúng tôi nhấn mạnh đến cấu trúc cốt của vật liệu composite các bon -các bon Cũng như các loại vật liệu composite khác, composite các bon -các bon thường có cấu trúc phân lớp, với mỗi lớp là 1D, 2D Những năm gần đây, do sự đồi hỏi rất cao của kỹ thuật hiện đại và công nghệ chế tạo tên lửa, người ta đã chế tạo được các vát liệu composite các bon-các bon có cấu trúc không gian 3D, 4D Những vật liệu thế hệ mới này, chẳng những đảm bảo độ bến cơ học cao theo nhiều hướng trong không gian, khắc phục được những nhược điểm của vật liệu phân lớp, mà còn có hệ số dãn nở nhiệt thấp, Vật liệt các bon- các bon có cấu trấc không gian còn có nhiều ua điểm nổi trội khác, ngày càng được hồn thiện về mặt cơng nghệ, tính toán cơ học và ting dụng rỗng rãi trong những ngành kỹ thuật quan trọng Những chỉ tiết quan trọng của tên lửa đời mới như loa phụt, bánh lái của động cơ được chế tạo tỀ eomposite cácbon-cácbon có cẩu trúc 3D, 4D
Trang 15
Bang 2
“Cấu trúc cốt "Do bên khi uốn, | Mô đun đàn hồi, | Đọ bên trượt
GPa GPa GPa 1D 12-14 150-200 20-40 T2p 04 60 20-40 3D 02503 | - 50-150 50-80 ‘Soi aa phân 017 15-20 20-30
Từ bảng 2 có thể nhận thấy, tuy cùng là composite các bon-các bon, nhưng compositc
3D có độ bên trượt cao gấp 2 + 2,5 lần so với vật liệu 1D, 2D Điều này đạt được không phải ddo công nghệ, mà đo đã thay đổi cấu trúc cốt bên trong composite
"Một chỉ tiết đặc biệt của tên lửa là loa phụt Trong việc chế tạo loa phụt của động cơ tên lửa - một bộ phận quan trọng và được sản xuất khá phức tạp-sử dụng rất rộng rãi các vật liệu composite c6 49 bén niet cao dang composite polyme sợi các bon va đặc biệt là các
‘composite cic bon-c&é bon
“Trong khí chế tạo các chỉ tiết của loa phụt ĐCTLNLR, phụ thuộc vào khả năng khai thác
chịu lực, chịu nhiệt, các chỉ tiết này có cấu trúc khác nhau, từ 2D cho đến cấu trúc không gian
3D, 4D, và được sử dụng rất nhiều thủ pháp công nghệ khác nhau Bộ phận loa phụt của
Trang 16
Hình 20 Một số cấu trúc điển hình của composite cacbon-cacbon
‘Dac biệt là vật liệu cacbon có đặc tính rất lý tưởng, khác hẳn so với những composite khác, là một số tính chất cơ lý lại tốt lên khi nhiệt độ tăng: Hinh 20 cho thấy với vật liệu cacbon-cacbon 3D, khi nhiệt độ tăng, làm tăng theo độ bền của vật liệu kéo, MPa 3?“ === 8 2 200 100 owe 0 500 1000 1680 T,
Hinh 21 Sy phụ thuộc độ bần kéo của composile 3D vào nhiệt độ
Sở đĩ composite cacbon-cacbon có ưu điểm như vậy là vì khi sản xuất chúng, quá trình sgraphit hoá thường phải tiến hành ở nhiệt độ rất cao 2500 -300YƑC và được tiến hành tắm-đốt nhiều lần, vì vậy đã giảm được sự "co" và nàng cao tính năng cơ lý của vật liệu Đây là một tính chất tuyệt, rất thích hợp cho việc ding vat lieu này để chế tao các khí cụ bay,
“Trên thực tế những vật liệu có cấu trúc không gian đều là vật liệu cácbon-cacbon, và vì vậy việc nghiên cứu composile có cấu trúc khong gian có ý nghĩa quan trọng đặc biệt trong việ thiết kế chế tạo các khí cụ bay
Trang 17
mé cd vé 36 lugng va chat lượng Hiện nay chúng tôi chưa thống kẻ được đây đủ các bài báo
chi trong và ngoài nước liên quan đến vật liệu và kết cấu bài của các tác giả Việt Nam được công bố ở' 3 đầu sách đã được xuất bản ở trong nước viết vẻ cơ học vật liệu
dẫn
Để mình hoạ chúng tôi xin dẫn chứng: Tại Hội nghị Cơ học tồn quốc năm 2002, Í chị túng la có 12 báo cáo khoa học về composie; chỉ ệng tại Họi nghị toàn quốc Cơ i
Kha 08để CC Tù es cas ee cape oes pe ie
'Những đối rượng chủ yếu được nghiên cứu liên quan đến các bài báo đã công bố là: ~ Composite phân lớp
~ Các tấm, vỏ composite
~ Kết cấu composite dạng ống kỹ thuật, vỏ tròn xoay ~ Nano composite
'Theo những hướng chính như:
~ Xác định các hằng số kỹ thuật cho vật liệu, kết cấu composite
~ Ổn định của tấm, vỏ composite
~ Truyền sống trong môi trường composite
~ Xác định ảnh hưởng của độ ẩm và các yếu tố khí hậu lên composite
“Theo hai phương pháp chính là:
~ Đồng nhất hố mơi trường composite
~ Phương pháp phần tử hữu hạn
Những cơ sở có trường phái nghiên cứu về composite mạnh là:
~ Đại học Quốc gia Hà Nội
~ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội ~ Học Viện kỹ thuật quân sự
'Những bài báo khoa học đã công bố liên quan đến tính toán cơ học cho khí cụ bay có rất
ít Tại Hội nghị cơ học toàn quốc năm 2002 chỉ có 2 báo cáo liên quan đến tính toán cơ học
'cho cánh máy bay, và tại Hội nghị toàn quốc vé co hoc vat rin nam 2004, chỉ có 1 báo cáo
liên quan đến mô phỏng luồng phụt của động cơ tên lửa Những số liệu trên chưa phản ánh diy đủ, nhưng cũng phần nào nói lên thực trạng nghiên cứu về các khí cụ bay của chúng ta, trong đó có lĩnh vực cơ học
'Với tất cả những số liệu, minh hoạ và phân tích chúng tôi đã tổng hợp trên đây, để có cơ sở khoa học đáp ứng nhu cầu đòi hỏi về thiết kế, chế tạo vật liệu và kết cấu của các khí cụ bay,
chúng tôi có một số để xuất, kiến nghị:
1) Quan tâm đâu tự cơ sở vật chất và nhân lực để nhanh chóng tiếp cận các thiết bị, công,
nghệ hiện đại để có thể chế tạo composite cacbon-cabon có cấu trúc không gian tại Việt Nam
2) Tập trung lực lượng các nhà cơ học để nghiên cứu xung quanh đối tượng là vật liệu và kết cấu chế tạo từ composite có cấu trúc không gian, nhiều pha
3) Xây dựng và triển khai Chương trình cấp Nhà nước về cơ học vật liệu mới phục vụ thiết kế, chế tạo các khí cụ bay
.Báo cáo này được thực hiện trong khuôn khổ Áể tài đặc biệt cấp Đại học Quốc gia Hà Nội, mã số: QG.04.27
Trang 181 10, " 12 13, 14, 15 224
TAI LIEU THAM KHẢO
Brian E Spencer Advancing the Use of composite in the Oil Field SAMPE, 1998,vol.34July-August 1998, Ned, p.20-25 ‘Navrotsky A nanomaterials in the environment, agriculture, and technology (NEAT) J nanoparticle research 2, 231, 2000 Roco M.C National nanotechnology investment in the FY 2002 budget request by the President( http://www.nano.gov)
‘Nguyen Dinh Duc "Mechanics of nano-composite material” J of science of Vietnam national University, Hanoi : Mathematics-physics, T-XIX, N4, 2003
Bomaup A.C., Mannenxo B.Đ„ IloHowapes AT IIpMM€HEHNE KOMHO3MUMONM MaTepnaion B a8HaioHirtiX KOHCTDYKtUSx MeX.ortnwep 1972, Nel, c 105-112, KOMIIO3MHWOHHM€ MATEpMANM Ð KOHCTpYKUMW I€TaTMHIMX AnHIApaToB Mocksa, * Manmmnocrpoehne", 1975, 272 c„ nep © aura noA peaKuweR A6w6oaa A.JL 37Tynwes TM CrpyKTypa t Chollersa HonmMepHiix BoOKMHCTMX KOMnO3oB, M_ Xiwnx, 1981,232c
TapHonozsexuhi IO.M., Kuryx VLT”„ IIonsxos B.A ÏIporpaicraeho-apMiipoBawniie Xownostuttonwiie Marepwaai, M Mamusoctpoenne, 1987, 224c
Bparyxun AL, Cuporxun O.C., CaGozam TL© Marepwamỏ Gyaymero wx yaupirrenbutie cnofictsa Mocksa,” Mammnoctpoesne”, 195,128 c
Bynaos M.M., Bopo6ei B.B Texwonorma pAKETHM H 82pOKOCMEMECKEX XOHCTpYKUMH H3 KOMnO3MnMOHMMX Marepwaow, Mocxsa, V3-80 MITY uml 2.Baywana, 1998, 514 c
Bymyen 10.1, Tlepcun M.H., Coxonos B.A YFIepo-YT1€PONWBI€ KOMO3HHMOHHME Marepuams Cnpasounux Mocksa,” Merasaypria”, 1994, 128 c 136
Hryen Ts Tix.Coheposoroxnuemee xownozums © mpocmpancmaennoit cmpyxmypoi Mockea "YPCC", 2000, 242
Hanomexnonocua 6 Gnuocaiiem ÒecRtML.lemieu: TÏpOTHO3 HanpaBIỂMUX WCCIEROBAHMR loa peaakuweR M K Poxo # apyrie Mocksa "Mip", 2002
Ioworaiao AJL, PosenGepr ©.C., Yépnaua ME Hanovacmuye vemaios 6 nomepax Mocksa, "Xana", 2000
Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức Var ligu composite: Co hoc va công nghệ NX Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2002
Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị cơ học toàn quốc thứ 7 Hà Nội ngày 18 20/12/2002 Tập 2, tap 3 NXB Dai học Quốc gia Hà Nội
"Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học toàn quốc cơ học vật rắn biển dạng lần thứ 7 "Đổ Sơn, ngày 27-28/8/2004 Tap 1 tap 2 NXB Dai học Quốc gia Hà Nội