(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu độ bền của vật liệu composite được chế tạo bằng phương pháp vartm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN HƯNG NGHIÊN CỨU ÐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE ÐUỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP VARTM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2016 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN HƯNG NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE ĐƯỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP VARTM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 i Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN HƯNG NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE ĐƯỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP VARTM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ THÀNH TRUNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016 Luan van i Luan van BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập – Tự – Hạnh Phúc THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ tên học viên: Nguyễn Văn Hưng MSHV: 138520103012 Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Khóa: 2013B Tên đề tài: “Nghiên cứu độ bền vật liệu composite chế tạo phương pháp VARTM” Học viên hoàn thành LVTN theo yêu cầu nội dung hình thức (theo qui định) luận văn thạc sĩ Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 03 năm 2016 Giảng viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ học tên) ii Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ & tên: NGUYỄN VĂN HƯNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 22/12/1988 Nơi sinh: Bình Thuận Quê quán: Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: 33, Đường 11, Phường Tăng Nhơn Phú B, Quận 9, TP.HCM Điện thoại nhà riêng: 01662833485 E-mail: vanhungcnc@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2008 đến 02/2013 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Ngành học: Công nghệ tự động Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo tay gắp sản phẩm máy ép nhựa Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 08/2012, Trường ĐHSPKT TP.HCM Người hướng dẫn: Thạc Sĩ Trần Minh Thế Un III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác 05/2013 12-2013 Từ 11-2013 Đến Công ty TNHH Kỹ Thuật Huy Thịnh Học viên Trường ĐHSPKT TP.HCM iii Luan van Công việc đảm nhiệm Nhân viên Học Viên LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng cá nhân Các số liệu, kết thực nghiệm luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác TP Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 03 năm 2016 Nguyễn Văn Hưng iv Luan van LỜI CẢM ƠN Qua trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn, tơi xin cảm ơn chân thành sâu sắc đến: - Giáo viên hướng dẫn PGS.TS Đỗ Thành Trung, người hướng dẫn, bảo tận tình, theo sát ln động viên khuyến khích, giúp đỡ tác giả suốt trình thực hoàn thành luận văn - Thầy TS Phạm Sơn Minh, thầy hướng dẫn giải thích chi tiết để tác giả rõ quy trình chế tạo mẫu composite phương pháp VARTM - Thầy Th.S Trần Minh Thế Uyên, thầy hướng dẫn tận tình q trình thiết kế khn gia cơng chế tạo mẫu composite - Quý Thầy, Cô giảng dạy khoa Cơ khí Chế tạo máy, phịng Đào tạo sau đại học - Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh giúp đỡ tác giả thời gian học tập nghiên cứu trường - Kính gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi cho cho học viên trường học tập nghiên cứu - Một lần nữa, tác giả xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập nghiên cứu đề tài Trân trọng cảm ơn! Kính chúc Quý thầy, dồi sức khỏe TP Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 03 năm 2016 Học viên Nguyễn Văn Hưng v Luan van TÓM TẮT Composite vật liệu có từ lâu đời, khơng sử dụng rộng rãi nước giới, mà chúng sử dụng nhiều Việt Nam hầu hết ngành, lĩnh vực kinh tế quốc dân đặc tính vượt trội nhẹ, độ chịu ăn mịn cao, tính tốt … Hiện người ta tìm cách thay vật liệu cũ vật liệu Composite nhằm tạo cấu trúc bền nhẹ, vừa đảm bảo khả làm việc kết cấu với giá thành rẻ, phù hợp với công nghệ phát triển vật liệu ngày Tuy nhiên chưa có nhiều đề tài nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng trình chế tạo cốt sợi đến tính vật liệu composite Trên sở tơi định chọn đề tài: “Nghiên cứu độ bền vật liệu composite chế tạo phương pháp VARTM” Trong đề tài này, tác giả chế tạo mẫu thử composite phương pháp VARTM theo tiêu chuẩn ASTM D3039 Nội dung trình bày nghiên cứu độ bền kéo, mơ đun đàn hồi kéo, độ bền uốn mô đun đàn hồi uốn mẫu composite chế tạo từ sợi thủy tinh dạng dạng lưới, hướng sợi phân bố ngẫu nhiên (dạng tấm) có hướng (dạng lưới) nhựa Polyester Ngoài ra, ảnh hưởng tỷ lệ sợi đến tính vật liệu composite phân tích Trên sở kết thu từ thí nghiệm, phương trình đặc trưng độ bền uốn, mô đun đàn hồi uốn, độ bền kéo mô đun đàn hồi kéo theo tỷ lệ sợi gia cường xác định Kết cho thấy tỷ lệ sợi gia cường phân bố sợi ảnh hưởng đến thuộc tính khí vật liệu composite Khi tỷ lệ sợi gia cường thay đổi hướng sợi gia cường thay đổi độ bền kéo, mơ đun đàn hồi kéo, độ bền uốn mô đun đàn hồi uốn vật liệu composite thay đổi vi Luan van ABSTRACT - Composite materials have existed for a long time It is not only used widely in many countries in over the world, but also applied in most populated areas of Viet Nam due to the outstanding features such as lightweight, high corrosive resistance and high mechanical properties Nowadays, people are trying to replace traditional materials by Composite materials for the lightweight function, enduring structures as well as the low price to fit with the developed material technology However, there are currently not many researches that consider the effects of processing type and fabric preform on the mechanical properties of composite materials Therefore, I decided to choose the topic "Study on the tensile and bending strengths of composite materials by Vacuum Assisted Resin Transfer Molding process.” - In this research, the author fabricated the composite samples based on the VARTM process and ASTM D3039 standard The main contents of this research were to study the tensile strength, tensile modulus, bending strength and bending modulus of composites with the woven roving and chopped strand mat fiberglass types Moreover, the effects of fiber volume fraction on mechanical properties of composite materials were also considered Based on the experimental results, the characteristic equations of tensile strength, tensile modulus, bending strength and bending modulus of composites as a function of fiber volume fraction were found The results showed that the fiber volume fraction and distribution of reinforcing fibers affects mechanical properties of the composite materials When the fiber volume fraction and the distribution of fibers were varried, the tensile strength, tensile modulus, bending strength and bending modulus of composites changed vii Luan van Ảnh SEM composite gia cường Ảnh SEM composite gia cường lớp chopped strand mat fiberglass lớp woven roving fiberglass Hình 5.16: Ảnh SEM composite gia cường lớp cốt sợi thủy tinh - Quan sát ảnh SEM hình 5.17, ta thấy tăng số lớp sợi lên lớp xuất khoảng trống composite gia cường cốt chopped strand mat fiberglass composite gia cường cốt woven roving fiberglass, điều giải thích tăng tỷ lệ sợi khả thấm vật liệu cốt giảm dần, dẫn đến độ tăng độ bền kéo, mô đun kéo độ bền uốn, mô đun uốn theo tỷ lệ sợi giảm dần (đồ thị độ bền kéo, mô đun kéo độ bền uốn, mô đun uốn theo tỷ lệ sợi khơng tn theo đường tuyến tính mà đường parabol) Ảnh SEM composite gia cường Ảnh SEM composite gia cường lớp chopped strand mat fiberglass lớp woven roving fiberglass Hình 5.17: Ảnh SEM composite gia cường lớp cốt sợi thủy tinh 69 Luan van - Quan sát ảnh SEM hình 5.18, ta thấy tiếp tục tăng số lớp sợi lên 11 khoảng trống composite gia cường cốt chopped strand mat fiberglass composite gia cường cốt woven roving fiberglass tăng lên Nguyên nhân tăng tỷ lệ sợi khả thấm cốt composite giảm, điều giải thích tỷ lệ sợi tăng đến giới hạn độ bền kéo, mô đun kéo độ bền uốn, mô đun uốn bắt đầu giảm Liên kết composite gia cường cốt chopped strand mat fiberglass tốt composite gia cường cốt woven roving fiberglass điều giải thích độ bền uốn mơ đun uốn composite gia cường cốt chopped strand mat fiberglass lớn độ bền uốn mô đun uốn composite gia cường cốt woven roving fiberglass Ảnh SEM composite gia cường Ảnh SEM composite gia cường 11 lớp chopped strand mat fiberglass 11 lớp woven roving fiberglass Hình 5.18: Ảnh SEM composite gia cường 11 lớp cốt sợi thủy tinh 70 Luan van CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Tóm tắt kết đạt - Thiết kế chế tạo thành công khuôn ép mẫu composite - Chế tạo mẫu thử kéo kiểm tra độ bền kéo mô đun kéo mẫu composite gia cường cốt woven roving fiberglass chopped strand mat fiberglass nhựa polyester - Chế tạo mẫu thử uốn kiểm tra độ bền uốn mô đun uốn mẫu composite gia cường cốt woven roving fiberglass chopped strand mat fiberglass nhựa polyester - Tìm mối quan hệ ảnh hưởng tỷ lệ sợi gia cường đến độ bền kéo, mô đun kéo, độ bền uốn, mô đun uốn vật liêụ composite gia cường cốt woven roving fiberglass chopped strand mat fiberglass nhựa polyester - Đưa phương trình đặc trưng thể mối quan hệ tỷ lệ sợi gia cường đến độ bền kéo, mô đun kéo, độ bền uốn, mơ đun uốn, từ dự đốn độ bền kéo, mô đun kéo, độ bền uốn, mô đun uốn tỷ lệ sợi thay đổi 6.2 Hướng phát triển đề tài - Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ sợi đến độ dai va đập độ bền nén vật liệu composite - Khảo sát ảnh hưởng vật liệu khác đến độ bền kéo độ bền uốn vật liệu composite - Khảo sát các phương pháp chế tạo vật liệu composite công nghệ bắn phun, công nghệ ép phun đến độ bền kéo độ bền uốn vật liệu composite 71 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Thị Thu Hằng, Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite nhựa polyethylene mùn cưa Luận văn thạc sĩ,Trường Đại học Đà Nẵng, 2013 [2] Nguyễn Nhật Trinh, Nghiên cứu ảnh hưởng thông số chế tạo đến độ bền vật liệu polymer composite gia cường vải polyeste sở nhựa phenolfomandehit Tạp chí Khoa học Công Nghệ trường Đại học Kỹ thuật, số 70, 2009 [3] Mohd Zuhri Mohamed Yusoff, and Mohd Sapuan Salit, and Napsiah Ismail, and Riza Wirawan Mechanical properties of short random oil palm fibre reinforced epoxy composites Sains Malaysiana, 39, 2010, pp 87-92 [4] Peijs T, Garkhail S, Heijenrath R, Van den Oever M and Bos H Thermoplastic composites based on flax fibers and polypropylene: Influence of fiber length and fiber volume fraction on mechanical propertie Macromol Symp 127, 1998, pp.193203 [5] Thomason, J L and Vlug, M A Influence of fiber length and concentration on the properties of glass fiber-reinforced polypropylene 1996, pp 477-484 [6] Baxter, W J, The strength of metal matrix composites reinforced with randomly oriented discontinuous fibers Vol 23A, 1992, pp.3045-3053 [7] Trần Ích Thịnh Vật liệu composite Cơ học tính tốn kết cấu NXB GD, 1994 [8] PGS.TS Nghiêm Hùng,Nguyễn Văn Tư Giáo Trình Điện Tử Mơn Học Vật Liệu Học ĐHBK Hà Nội, 2000, [9] Albert S Kobayashi Handbook on experimental mechanics, Second revised edition New York, 1993 [10] Krishan K Chawla composite materials New York, 1987 [11] ASTM D3039 Standard Test Method for Strength Properties of compositebased material for construction of manufactured homes 72 Luan van [12] Nguyễn Văn Dán, Nguyễn Ngọc Hà, Đặng Vũ Ngoạn, Trương Văn Trường Vật liệu kỹ thuật Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM, 2006 [13] Thanh Trung Do & Dong Joo Lee Failure of composite with discontinuous fabric preform under bending Journal of Key Engineering Materials, Vols 462463, 2011, p.698-703 [14] Thanh Trung Do & Dong Joo Lee Analysis of tensile properties for composites with wrinkled fabric Journal of Mechanical Science and Technology, 24, 2010, 471-479 [15] Thanh Trung Do & Dong Joo Lee Safety evalution of composite with a wrinkled fabric preform under bending, Journal of Materials Science, Vols 45, 2010, p.5581-5590 [16] PGS TS Phùng Rân Quy hoạch thực nghiệm ứng dụng Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 2006 [17] Pouya Valizadeh, Sayed Morteza Hosseini, Hashem Alvandi Studying the physical and mechanical behavior of fibre-reinforced epoxy composite, fabricated by VARTM and VB ICI, The 3rd International Conference on Composites: Characterization, Fabrication and Application (CCFA-3) 73 Luan van PHỤ LỤC 74 Luan van 75 Luan van Volume fraction of chopped strand mat fiberglass Parameter Matrix polyester Preform Layers Layers Layers Layers Layers Layers 11 Layers 13 Layers mo (g) 17.87 17.25 15.99 14.74 13.49 12.24 10.98 9.73 vo o 3 (cm ) (g/cm ) 15.82 1.13 15.26 1.13 14.15 1.13 13.05 1.13 11.94 1.13 10.83 1.13 9.72 1.13 8.61 1.13 Chopped strand mat fiberglass f vf mf (g/cm (g) (cm3 ) ) 0.00 2.49 1.38 0.55 2.49 4.14 1.66 2.49 6.9 2.77 2.49 9.66 3.88 2.49 12.4 4.99 2.49 15.2 6.10 2.49 17.9 7.20 2.49 Fiber Volume Fraction Composite mc (g) 17.87 18.63 20.13 21.64 23.15 24.66 26.16 27.67 c vc (cm ) 15.8175 15.8175 15.8175 15.8175 15.8175 15.8175 15.8175 15.8175 (g/cm ) 1.1300 1.1777 1.2730 1.3683 1.4636 1.5589 1.6542 1.7495 Vf 0.000 0.035 0.105 0.175 0.245 0.315 0.385 0.455 Volume fraction of woven roving fiberglass Parameter Woven roving fiberglass f o vf mf (g/cm (g/cm3 ) (g) (cm3 ) ) 1.13 0.00 2.52 1.13 1.63 0.65 2.52 1.13 4.89 1.94 2.52 1.13 8.15 3.23 2.52 1.13 11.4 4.53 2.52 1.13 14.7 5.82 2.52 1.13 17.9 7.12 2.52 Matrix polyester Preform Layers Layers Layers Layers Layers Layers 11 Layers mo (g) 17.87 17.14 15.68 14.22 12.76 11.30 9.83 vo (cm ) 15.82 15.17 13.88 12.58 11.29 10.00 8.70 76 Luan van Fiber Volume Fraction Composite mc (g) 17.87 18.77 20.57 22.37 24.17 25.97 27.76 c vc (cm ) 15.8175 15.8175 15.8175 15.8175 15.8175 15.8175 15.8175 (g/cm3 ) 1.1300 1.1868 1.3005 1.4142 1.5279 1.6416 1.7553 Vf 0.000 0.041 0.123 0.204 0.286 0.368 0.450 SECTION A-A MICA 20/03/2015 NGUYỄN VĂN HƯNG PGS.TS ĐỖ THÀNH TRUNG KIỂM TRA 01 244x84x14 - Kích thước 01 03 Trang A4 Chỉnh sửa Khổ giấy Tỷ lệ TẤM ÂM CỦA KHUÔN MẪU CHỊU KÉO KÝ TÊN NGÀY HỌ TÊN 244x84x14 KÍCH THƯỚC SỐ LƯỢNG VẬT LIỆU THIẾT KẾ TẤM ÂM NHIỆM VỤ CHI TIẾT STT Luan van SECTION A-A MICA 20/03/2015 NGUYỄN VĂN HƯNG PGS.TS ĐỖ THÀNH TRUNG KIỂM TRA 01 244x84x14 - Kích thước 02 03 Trang A4 Chỉnh sửa Khổ giấy Tỷ lệ TẤM DƯƠNG CỦA KHUÔN MẪU CHỊU KÉO KÝ TÊN NGÀY HỌ TÊN 244x84x14 KÍCH THƯỚC SỐ LƯỢNG VẬT LIỆU THIẾT KẾ TẤM DƯƠNG NHIỆM VỤ CHI TIẾT STT Luan van SECTION A-A KIỂM TRA 20/03/2015 NGUYỄN VĂN HƯNG PGS.TS ĐỖ THÀNH TRUNG THIẾT KẾ 244x84x28 Kích thước 03 03 Trang A4 Chỉnh sửa Khổ giấy Tỷ lệ KẾT CẤU KHUÔN CỦA MẪU CHỊU KÉO KÝ TÊN NGÀY TÊN NHIỆM VỤ KÍCH THƯỚC SỐ LƯỢNG VẬT LIỆU CHI TIẾT STT MICA 244x84x14 01 244x84x14 01 TẤM ÂM MICA 06 M8x40 BULONG M8 TẤM DƯƠNG - 06 ∅6x28 ĐAI ỐC - 02 TY ĐỊNH VỊ - 03 M4 CỔNG VÀO NHỰA Luan van SECTION A-A MICA 20/03/2015 NGUYỄN VĂN HƯNG PGS.TS ĐỖ THÀNH TRUNG KIỂM TRA 01 244x84x14 - Kích thước 01 03 Trang A4 Chỉnh sửa Khổ giấy Tỷ lệ TẤM ÂM CỦA KHUÔN MẪU CHỊU UỐN KÝ TÊN NGÀY HỌ TÊN 244x84x14 KÍCH THƯỚC SỐ LƯỢNG VẬT LIỆU THIẾT KẾ TẤM ÂM NHIỆM VỤ CHI TIẾT STT Luan van SECTION A-A MICA 20/03/2015 NGUYỄN VĂN HƯNG PGS.TS ĐỖ THÀNH TRUNG KIỂM TRA 01 244x84x14 - Kích thước 02 03 Trang A4 Chỉnh sửa Khổ giấy Tỷ lệ TẤM DƯƠNG CỦA KHUÔN MẪU CHỊU UỐN KÝ TÊN NGÀY HỌ TÊN 244x84x14 KÍCH THƯỚC SỐ LƯỢNG VẬT LIỆU THIẾT KẾ TẤM DƯƠNG NHIỆM VỤ CHI TIẾT STT Luan van SECTION A-A MICA MICA 06 06 01 01 ∅6x28 M8 M8x40 244x84x14 244x84x14 ĐAI ỐC BULONG TẤM DƯƠNG TẤM ÂM CHI TIẾT STT KIỂM TRA 20/03/2015 NGUYỄN VĂN HƯNG PGS.TS ĐỖ THÀNH TRUNG THIẾT KẾ 244x84x28 Kích thước 03 03 Trang A4 Chỉnh sửa Khổ giấy Tỷ lệ KẾT CẤU KHUÔN CỦA MẪU CHỊU UỐN KÝ TÊN NGÀY TÊN NHIỆM VỤ - 02 TY ĐỊNH VỊ KÍCH THƯỚC SỐ LƯỢNG VẬT LIỆU - 03 M4 CỔNG VÀO NHỰA Luan van S K L 0 Luan van ... lý composite sở tác giả chọn đề tài ? ?nghiên cứu độ bền vật liệu composite chế tạo phương pháp VARTM? ?? 1.4 Mục đích đề tài - Nghiên cứu độ bền kéo độ bền uốn vật liệu composite chế tạo phương pháp. .. GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN HƯNG NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE ĐƯỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP VARTM NGÀNH: KỸ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN HƯNG NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE ĐƯỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP VARTM NGÀNH: KỸ