ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG o0o TIỂU LUẬN MÔN HỌC CƠ HỌC VẬT LIỆU HÀNG KHÔNG Đề tài CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU CO.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG -o0o - TIỂU LUẬN MÔN HỌC CƠ HỌC VẬT LIỆU HÀNG KHÔNG Đề tài CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE GVHD: PGS.TS Lý Hùng Anh Sinh viên thực Mã số sinh viên Phan Thanh Tân 1915067 Nguyễn Hoàng Dung 1910929 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2022 Lời cam kết - Commitment Chúng cam kết: - Đây báo cáo tiểu luận nhóm thực - Các đoạn trích dẫn số liệu kết sử dụng để so sánh báo cáo dẫn nguồn có độ xác cao phạm vi hiểu biết – iii – – iv – Lời cảm ơn - Acknowledgements Chúng xin cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Hàng không – Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, cảm ơn giảng viên mơn Cơ học Vật liệu Hàng không PGS.TS Lý Hùng Anh Tài liệu biên soạn dựa tảng định dạng luận văn tốt nghiệp SV Bùi Nhã Đạt, lớp VP08HK –v– – vi – Tóm tắt tiểu luận Trong tiểu luận này, chúng tơi cung cấp nhìn tổng quan vật liệu composite – loại vật liệu phổ biến nhờ tính vượt trội vật liệu đơn lẻ khác Báo cáo trình bày nội dung cách đầy đủ ngắn gọn vật liệu composite ứng dụng đời sống nay, lại trở nên phổ biến có tính chất vượt trội vật liệu riêng lẻ khác Mặc dù phổ biến vật liệu gia công, chế tạo lại biết Vì mà báo cáo này, chúng tơi trình bày chi tiết phương pháp phổ biến để chế tạo vật liệu composite Từ có nhìn khách quan đưa cho lựa chọn hồn hảo theo nhu cầu, mục đích sử dụng Bài báo cáo gồm chương: Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Các phương pháp chế tạo vật liệu composite phổ biến Chuowng 4: Kết luận hướng phát triển – vii – – viii – Mục lục - Table of Contents Lời cam kết - Commitment iii Lời cảm ơn - Acknowledgements v Tóm tắt tiểu luận vii Mục lục - Table of Contents ix Chú giải ký hiệu – Nomenclature xi Danh mục hình ảnh - List of Figures xii 14 Giới thiệu chung - Introduction 14 1.1 Lý chọn đề tài 14 1.1.1 Sự phát triển vật liệu composite 14 1.2 Mục tiêu báo cáo 15 16 Cơ sở lý thuyết - Literature Review 16 2.1 Tổng quan vật liệu composite 16 2.1.1 Ưu điểm vật liệu composite .19 2.1.2 Nhược điểm vật liệu composite .20 2.2 Vật liệu composite FRP 20 2.2.1 Ưu điểm vật liệu FRP 22 2.2.2 Ứng dụng vật liệu FRP đời sống sản xuất 22 2.3 Quy trình sản xuất vật liệu composite 23 2.3.1 Quy trình đúc hở .23 2.3.2 Quy trình đúc kín 24 2.3.3 Quy trình đúc khn nhựa 25 26 Các phương pháp chế tạo vật liệu composite phổ biến - The Most Popular Methods of Composite Fabrication 26 3.1 Phương pháp lăn tay (Hand lay-up) .27 3.1.1 Ưu điểm phương pháp lăn tay 27 3.1.2 Nhược điểm phương pháp lăn tay 28 3.1.3 Ứng dụng phương pháp lăn tay .28 3.1.4 Các bước thực phương pháp lăn tay .28 3.2 Phương pháp phun (Spray up) 29 3.2.1 Ưu điểm phương pháp phun 30 3.2.2 Ứng dụng phương pháp phun 30 3.2.3 Các bước thực phương pháp phun 31 3.3 Phương pháp cán liên tục (Pultrusion) 31 – ix – 3.3.1 Ưu điểm phương pháp pultrusion 31 3.3.2 Các bước thực phương pháp pultrusion 32 3.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình chế tạo composite cơng nghệ pultrusion 35 3.3.4 Các ứng dụng sản phẩm công nghệ pultrusion 35 3.4 Phương pháp đúc ép phản lực (Reaction Reinforced Injection Molading) 36 3.4.1 Ưu điểm phương pháp RRIM 37 3.4.2 Nhược điểm phương pháp RRIM 38 3.4.3 Quy trình sản xuất composite phương pháp RRIM 38 41 Kết luận- Conclusions 41 Tài liệu tham khảo - References 43 Appendix 44 A Hình ảnh mơ tả phương pháp chế tạo vật liệu composite 44 B Hình ảnh ứng dụng sản phẩm composite tạo từ công nghệ 46 –x– CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE PHỔ BIẾN NHẤT - THE MOST POPULAR METHODS OF COMPOSITE FABRICATION nhiệt lớp bể mặt làm nứt mặt sản phẩm Điều kiện nhiệt độ khn điều chỉnh cách đặt vào khuôn cặp nhiệt điện điều giúp ta điều chỉnh nhiệt độ đoạn khuôn Cần phải làm lạnh đầu vào khuôn để tránh nhựa bị gel sớm Người ta dùng sóng radio để gia nhiệt sơ cho quy trình Việc sử dụng sóng radio với phương pháp gia nhiệt khn truyền thống làm tǎng đáng kể tốc độ quy trình Cơng nghệ bị hạn chế khơng dùng composite sợi cacbon ➢ Máy kéo: Máy kéo dùng để kéo profile pultrusion toàn quy trình Các vấn đề cần quan tâm máy kéo lực kéo tốc độ kéo Tốc độ kéo nhanh tốc độ quy trình nhanh Tuy nhiên tốc độ kéo phụ thuộc nhiều vào trình đóng rắn nhựa khn ➢ Máy cắt: Máy cắt làm nhiệm vụ cắt profile pultrusion thành đoạn có kích thước theo u cầu Để đảm bảo tốc độ quy trình, cắt phận cắt di chuyển với tốc độ kéo quy trình Quy trình pultrusion bắt đầu cách kéo bó sợi dài liên tục qua bể nhựa để thấm ướt bó sợi Cơng đoạn địi hỏi nhựa phải thấm ướt hoàn toàn bên lẩn bên sợi Tiếp theo, bó sợi thấm nhựa sau kéo xuyên qua phận dẫn hướng vào khn định hình sơ để xếp vị trí sợi phù hợp với thiết kế sản phẩm bó sợi có hình dạng tiết diện mặt cắt ngang mặt cắt ngang lỗ khn (ví dụ hình chữ I) Tiếp theo, bó sợi nhựa định hình kéo xun qua khn nhiệt để phản ứng đóng rắn nhựa xảy ra, chuyển nhựa từ trạng thái lỏng thành trạng thái rắn Bây giờ, hỗn hợp sợi-nhựa trở thành composite rắn chắc, có hình dạng dài với tiết diện mặt cắt ngang tiết diện mặt cắt ngang khuôn Tiếp theo, composite kéo khỏi khuôn để làm nguội 34 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE PHỔ BIẾN NHẤT - THE MOST POPULAR METHODS OF COMPOSITE FABRICATION Cuối cùng, composite cắt thành đoạn thành có chiều dài theo yêu cầu Đến kết thúc quy trình sản xuất sản phẩm composite pultrusion 3.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình chế tạo composite cơng nghệ pultrusion - Q trình chuyến trạng thái nhựa khuôn - Lực kéo - Áp suất - Độ co rút - Nhiệt độ khuôn - Tốc độ đóng rắn - Thể tích vật liệu gia cường - Trộn nhựa 3.3.4 Các ứng dụng sản phẩm công nghệ pultrusion Sản phẩm công nghệ pultrusion profile hình chữ I, chữ U, chữ L,hình trịn, hình vng profile thường dùng kết cấu cơng trình xây dựng Các loại profile thuờng dùng để thay profile làm từ vật liệu truyền thống thép, nhơm Ngồi cịn có profile dùng thay profile thép hình vng, profile thép hình trịn, ống nước, máng nước Đây loại profile dùng để lắp ráp kết cấu loại cửa, tủ loại profile thuờng làm vât liêu nhôm Tuy nhiên, profile pultrusion thay profile làm từ vật liệu truyền thống nhơm mà tính chất sản phẩm không thua nhôm 35 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE PHỔ BIẾN NHẤT - THE MOST POPULAR METHODS OF COMPOSITE FABRICATION Hình 3.3 - Các profile làm từ cơng nghệ pultrusion dùng để thay profile làm từ nhơm Q trình pultrusion phương pháp đúc để sản xuất cấu hình tuyến tính FRP Dưới điều khiển thiết bị kéo, sợi thủy tinh lưu động vật liệu gia cố liên tục khác ngâm tẩm tạo hình trước, sau hóa cứng khn đúc nóng Qua đạt sản xuất liên tục sản phẩm FRP Vật liệu FRP pultrusion sử dụng làm kết câu cơng trình xây dựng thay cho loại thép kết cấu truyền thống, làm tay vịn thành cầu thang trời, làm kết cấu cầu có tải trọng nhẹ, làm lợp trần nhà lót sàn chịu lực thay cho bê tơng làm dây cáp treo cho cơng trình cầu treo, làm vật liệu thiết kế trang thiết bị nội thất máy bay, làm kết cấu cho cơng trình biển giàn khoan dầu 3.4 Phương pháp đúc ép phản lực (Reaction Reinforced Injection Molading) RRIM (Reaction Reinforced Injection Molading) phương pháp cải tiến từ phương pháp RIM Phương thức cải tiến so với phương pháp RIM chổ có sử dụng thêm sợi gia cường để tăng thêm đặc tính lý sản phẩm, sợi gia cường trộn chung với nhựa phun đồng thời vào khuôn thông qua hệ thống bơm định lương đầu phun trộn 36 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE PHỔ BIẾN NHẤT - THE MOST POPULAR METHODS OF COMPOSITE FABRICATION RRIM tạo sản phẩm từ đơn giản đến sản phẩm phức tạp, sản phẩm có tính cao, có kích thước vừa phải thường sử dụng ngành công nghiệp ô tô Phương pháp RRIM lựa chọn phù hợp cần sản xuất với số lượng sản phẩm lớn thời gian ngắn Sự lựa chọn hổn hợp nhưạ hai thành phần cần phải đáp ứng tuân theo điều kiện sau: - Tốc độ phản ứng hay đóng rắn tương đối nhanh - Độ nhớt sản phẩm tạo thành phải tương đối thấp tăng nhanh theo thời gian - Tuân theo ràng buộc kinh tế, máy móc thiết bị - Đạt độ bền lý tính thẩm mỹ định - Chu kỳ sản phẩm tương đối ngắn để sản xuất số lượng nhiều Thông thường hỗn hợp phản ứng lựa chọn Polyol Isocyanate để tạo nên sản phẩm thuộc dòng Polyurethane (viết tắt PU) 3.4.1 Ưu điểm phương pháp RRIM - Sử dụng hổn hợp nhựa hai thành phần có độ nhớt tương đối thấp Hệ nhựa thông thường bao gồm thành phần: A (Polyol) B (Isocyanate), tỷ lệ trộn tùy theo yêu cầu chất lượng sản phẩm tỉ lệ thông thường tỉ lệ 1:1 - Để định lượng tỉ lệ hai thành phần trộn xác cần có trợ giúp thiết bị đặc biệt hệ thống bơm định lượng với độ xác cao - RRIM tạo sản phẩm đẹp, khơng có đường cắt bavia (bavia phần kim loại thừa, cạnh sắc tạo trình dập, cắt gọt, tạo hình cho kim loại), láng hai mặt sản phẩm sản xuất sản phẩm cuối quan trọng gây hại cho môi trường - Công nghệ RRIM công nghệ tốc độ, chu kỳ sản phẩm thường phút nên thích hợp cho đơn hàng sản xuất với số lượng lớn 37 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE PHỔ BIẾN NHẤT - THE MOST POPULAR METHODS OF COMPOSITE FABRICATION - Do phản ứng Polyol Iso phản ứng toả nhiều nhiệt giúp trợ giúp tiến trình gia nhiệt khn.Tuy nhiên vẩn cần cung cấp nhiệt cho khuôn để bảo đảm tốc độ nguội giưã bề mặt sản phẩm lõi khuôn - Độ tự động hóa qui trình RRIM cao 3.4.2 Nhược điểm phương pháp RRIM - Chi phí đầu tư hệ thống máy móc, khn cao - Hạn chế chủng loại nguyên liệu đầu vào (hỗn hợp nhựa hai thành phần) - Kích thước sản phẩm có phần bị hạn chế, thường dùng để tạo sản phẩm có kích cở trung bình - Cơng nghệ RRIM có hạn chế dùng sợi gia cường ngắn, dươí dạng bột hay sợi ngắn để bảo đảm hỗn hợp nhưạ sợi không bị nghẹt đường hệ thống nên tính lý sản phẩm cơng nghệ RRIM có phần hạn chế đặc tính lý 3.4.3 Quy trình sản xuất composite phương pháp RRIM Hình 3.4 - Mơ hình cơng nghệ RRIM 38 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE PHỔ BIẾN NHẤT - THE MOST POPULAR METHODS OF COMPOSITE FABRICATION Hệ thống gồm cụm chức năng: ➢ Hệ thống bồn chứa Polyol Isocyanate (ngăn chứa) ➢ Hệ thống bơm xi lanh định lượng (bơm định lượng): Thiết bị bơm định lượng sử dụng khuếch đại gồm có phần: + 1) Động bước + 2) Bộ khuếch đại + 3) Bơm định lượng Các tín hiệu xung phát từ điều khiển máy biến đổi khuếch đại kích cho bơm hoạt động (bằng cách sử dụng động bước) Đặc điểm q trình đạt độ xác cao Từng xung riêng lẻ tương ứng với bước nhỏ bơm định lượng Tần số xung (tuỳ loại máy mà đạt tới 10kHz) định tốc độ bơm đó, định suất ➢ Hệ thống bơm trộn ➢ Đầu phun trộn: Được điều khiển hệ thống máy tính nên tính tự động hố cao Hỗn hợp nguyên liệu vi định lượng thêm lần đầu trộn Đầu trộn chủ yếu trộn phun hỗn hợp nhựa hai thành phần với tốc độ cao vào khuôn Được đồng với hệ thống bơm định lượng Hiện có nhiều loại đầu trộn tuỳ theo mục đích yêu cầu san phẩm, ví dụ: đầu trộn 2, đầu ➢ Khn hệ thống đóng khn (ngàm khn): Trước thiết kế khuôn, phải xem xét mức độ yêu cầu Việc thiết kế phải cân yếu tố tính chất khn, chi phí thời gian chế tạo khuôn Việc cân nhắc làm giảm phát sinh có kết cuối Khi lựa chọn vật liệu phương pháp làm khuôn, cần phải xem xét yếu tố chiều dài khuôn chất lượng bề mặt khn mong muốn Có thể sử dụng khn làm epoxy, nikel, hợp kim, thép Tuy nhiên, khn phải kín q trình điền nhựa Ngàm khn có vài trị đóng, mở khn giữ khn kín suốt q trình phun Do cơng nghệ phun RRIM (phun với áp lực lớn 12 Mpa) nên cần có hệ thống ngàm khuôn chặt 39 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE PHỔ BIẾN NHẤT - THE MOST POPULAR METHODS OF COMPOSITE FABRICATION Có thể dùng loại ngàm: + Máy ép túi khí (airbag press) + Máy ép thuỷ lực Polyol Isocyanate bảo quản riêng lẽ hai bồn chứa Lưu ý Isocyanate chất nhạy cảm với nước Sợi gia cường thường trộn chung với Polyol Nhờ hệ thống bơm điều hoà áp lực bơm định lượng mà lượng nhựa đưa vào đầu trộn với lượng xác nhằm đảm bảo tỉ lệ hỗn hợp phản ứng 40 KẾT LUẬN- CONCLUSIONS Kết luận- Conclusions Ngày vật liệu composite quan tâm ứng dụng nghiên cứu mạnh mẽ Việt Nam Vật liệu composite ứng dụng phổ biến sản xuất nhựa Việt Nam Để nâng cao độ bền vật liệu nhựa, cần đưa bổ sung vào nhựa cốt sợi, hạt bổ sung Những cốt sợi sợi kim loại, sợi thuỷ tinh, sợi bazan cacbon, Việt Nam chế tạo đươc bình chứa vật liệu composite dùng để chứa hoá chất đặc biệt (đựng kiềm, axít, hố chất lỏng khí,….) Vật liệu composite có tiềm ứng dụng vơ to lớn, vật liệu tương lai Có thể nói kỉ XXI thể kỉ cơng nghệ cao vật liệu composite (cịn gọi vật liệu tiên tiến) Để chế tạo vật liệu mới, cần có tham gia nhiều ngành, nhiều nhà khoa học như: hoá học (để chế tạo vật liệu thành phần, chất xúc tác, chất kết dính,…), vật lý (nghiên cứu cấu trúc nguyên tử, phân tử, liên kết ảnh hưởng tác động từ, quang, điện,…), học (để tính toán kết cấu hợp lý, dự báo đánh giá độ bền, thử nghiệm, thiết kế,…), công nghệ (để xử lý nhiệt độ, áp suất, chọn thủ pháp công nghệ, gia công sản phẩm,…) Chúng hy vọng tin tưởng ngành vật liệu composite nước ta định đầu tư quan tâm thích đáng (từ nghiên cứu, đào tạo nguồn nhân lực, xây dựng sở vật chất phịng thí nghiệm ứng dụng sản xuất), phát triển 41 KẾT LUẬN- CONCLUSIONS vững mạnh, góp phần to lớn hiệu vào nghiệp đại hố, cơng nghiệp hóa an ninh quốc phòng đất nước 42 Tài liệu tham khảo - References [1] Carl Zweben, "Composite Materials," in Mechanical Engineers Handbook, 2015 [2] "Composites Lab," [Online] Available: https://compositeslab.com/composites-manufacturing-processes/ [3] "Các phương pháp gia công vật liệu polyme composite," 2019 [Online] Available: https://123docz.net/document/6265145-cac-phuong-phap-giacong-vat-lieu-polyme-composite.htm [4] Chris, 01 09 2021 [Online] Available: https://explorecomposites.com/articles/design-for-composites/basicsmanufacturing-methods/ APPENDIX Appendix A Hình ảnh mơ tả phương pháp chế tạo vật liệu composite - Chế tạo vật liệu composite phương pháp lăn tay 44 APPENDIX - Chế tạo vật liệu composite phương pháp quấn sợi - Chế tạo vật liệu composite phương pháp phun sợi - Mơ hình thực tế máy pultrusion 45 APPENDIX B Hình ảnh ứng dụng sản phẩm composite tạo từ công nghệ - Ứng dụng phương pháp lăn tay 46 APPENDIX - Ứng dụng phương pháp súng phun - Sản phẩm công nghệ pultrusion 47 APPENDIX - Ứng dụng phương pháp quấn sợi 48 ... tả phương pháp chế tạo vật liệu composite - Chế tạo vật liệu composite phương pháp lăn tay 44 APPENDIX - Chế tạo vật liệu composite phương pháp quấn sợi - Chế tạo vật liệu composite phương pháp. .. việc tạo kiểu sản phẩm đa dạng tăng vẻ đẹp thẩm mỹ 25 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE PHỔ BIẾN NHẤT - THE MOST POPULAR METHODS OF COMPOSITE FABRICATION Các phương pháp chế tạo vật liệu. .. hiểu vật liệu composite đặc biệt phương pháp chế tạo để ứng dụng vào sống vào công việc tương lai 1.2 Mục tiêu báo cáo Mục tiêu báo cáo tìm hiểu phương pháp chế tạo vật liệu composite 15 CƠ SỞ