Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt sợi gấp nếp đến ứng suất uốn của tấm composite

rong quá trình chếtạo tấm composite bằng phương pháp tẩm trong khuôn (Resin Transfer Molding) có thểxảy ra trường hợp cốt sợi bịgấp nếp và ảnh hưởng đến ứng suất và khảnăng chịu tải. Với phương pháp thí nghiệm uốn 3 điểm, mô đun đàn hồi, ứng suất và trạng thái phá hủy của tấm composite với cốt sợi liên tục và gấp nếp được phân tích và so sánh. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng: khi so sánh với cùng tỉlệcốt sợi thì mô đun đàn hồi của tấm composite với cốt sợi liên tục luôn lớn hơn so với cốt sợi gấp nếp. Điều này là do có sự tập trung cốt sợi tại vùng đặt lực. Ứng suất uốn lớn nhất của tấm composite với cốt sợi gấp nếp có giá trịlớn hơn so với cốt sợi liên tục chỉkhi chiều dài gấp nếp đủlớn. Ngoài ra, trạng hái phá hủy của tấm composite cũng khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc của cốt sợi.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT SỢI GẤP NẾP ĐẾN ỨNG SUẤT UỐN CỦA TẤM COMPOSITE Đỗ Thành Trung Khoa Đào tạo Chất lượng cao - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM TÓM TẮT: Trong quá trình chế tạo tấm composite bằng phương pháp tẩm trong khuôn (Resin Transfer Molding) có thể xảy ra trường hợp cốt sợi bị gấp nếp và ảnh hưởng đến ứng suất và khả năng chịu tải. Với phương pháp thí nghiệm uốn 3 điểm, mô đun đàn hồi, ứng suất và trạng thái phá hủy của tấm composite với cốt sợi liên tục và gấp nếp được phân tích và so sánh. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng: khi so sánh với cùng tỉ lệ cốt sợi thì mô đun đàn hồi của tấm composite với cốt sợi liên tục luôn lớn hơn so với cốt sợi gấp nếp. Điều này là do có sự tập trung cốt sợi tại vùng đặt lực. Ứng suất uốn lớn nhất của tấm composite với cốt sợi gấp nếp có giá trị lớn hơn so với cốt sợi liên tục chỉ khi chiều dài gấp nếp đủ lớn. Ngoài ra, trạng thái phá hủy của tấm composite cũng khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc của cốt sợi. Từ khóa: Composite, mô đun đàn hồi, ứng suất uốn, phá hủy. ABSTRACT: The wrinkled fabric preforms can be occurred during the preform loading of Resin Transfer Molding process and affected the stress and loading capacity of composites. In this study, the modulus, stress and fracture of the composites were examined and compared under the three-point bending. It was found that the bending modulus of the composite with wrinkled fabric preform was larger than that of the composite with non-wrinkled fabric preform under the same fiber volume fraction when the composite was loaded in the middle of span. This was due to the fiber concentration. Also, the bending strength of the composite with wrinkled preform was larger than that of the composite with non-wrinkled fabric preform when the wrinkled length was a large enough. Moreover, the fracture of composites indicated two failure mechanisms depending on the structure of fabric preforms. Keyworks: Composite, bending modulus, bending strength, fracture. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Vật liệu composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau (mỗi thành phần có những đặc trưng cơ – lí – hóa riêng biệt) tạo thành vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu riêng rẽ ban đầu [1-3]. Đồng thời, vật liệu composite được ứng dụng và phát triển rộng rãi vì chúng rất bền và nhẹ và có những ưu điểm vượt trội so với các vật liệu truyền thống. Mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất. Trong đó, pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu composite. Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là cốt (perform) hay vật liệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn và chống xước [4-5]. Vật liệu composite có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp như ép phun, tẩm trong khuôn, đúc nén, quấn sợi,…Trong đó, phương pháp tẩm trong khuôn (Resin transfer molding) là phương pháp được sử dụng nhiều vì sản phẩm sau khi tách khỏi khuôn không bị biến dạng, có bề mặt bóng láng, hoàn chỉnh và giá thành chế tạo thấp hơn so với một số phương pháp chế tạo composite khác. Phương pháp tẩm trong khuôn gồm có 4 bước: Chuẩn bị; Phun; Lưu hóa; Tách khuôn [6]. Bước 1: Đầu tiên cốt sợi được đặt vào trong lòng khuôn có kích thước như sản phẩm cần tạo ra. Sau đó đóng khuôn trên và kẹp chặt bằng bu lông hai phần khuôn lại với nhau. Để không khí trong khuôn được thoát ra ngoài một cách dễ dàng thì các ống thông hơi phải được tính toán và thiết kế hợp lý. Bước 2: Vật liệu nhựa dẻo pha với chất phụ gia với tỉ lệ nhất định được phun vào lòng khuôn có chứa sẳn cốt sợi. Đồng thời, không khí được thoát ra qua các ống hơi và quá trình tẩm nhựa dẻo vào cốt sợi sẽ diễn ra trong giai đoạn này. Bước 3: Tại bước này, tất cả các ống thông hơi và ống phun nhựa dẻo đều được bịt kín. Dưới tác dụng của nhiệt độ và chất xúc tác (đã được pha trộn với nhựa dẻo) thì phản ứng hóa học diễn ra để liên kết cốt và nền với nhau tạo thành một khối rắn theo hình dạng của lòng khuôn. Bước 4: Khi quá trình đông cứng đã kết thúc thì khuôn trên được mở ra để tách tấm composite ra ngoài. Nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới rất quan tâm đến ứng suất của chi tiết máy được chế tạo từ vật liệu composite có cốt sợi thủy tinh và nhựa dẻo polyester [ 1, 2, 7]. K. K. Jadhao và D. R. R.S Dalu lựa chọn các vật liệu là sợi thủy tinh gia cố nhựa (GFRP) và nhựa polyester (NETPOL 1011) để sử dụng sẽ làm giảm tổng chi phí chế tạo một nhíp giảm xóc bằng composite. Một nhíp giảm xóc với chiều rộng và độ dày không thay đổi đã được chế tạo bằng bằng tay rất đơn giản và kinh tế. Các thí nghiệm được tiến hành trên UTM và phân tích số được thực hiện thông qua (FEA) bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS. Kết quả ứng suất và chuyển đã được xác nhận kết quả phân tích thí nghiệm. Kết quả cho thấy, ứng suất của nhíp giảm xóc bằng composite đã thấp hơn nhiều so với nhíp giảm xóc bằng thép và trọng lượng của nhíp giảm xóc bằng composite đã gần như giảm lên đến 85% [2]. Trong quá trình chế tạo tấm composite bằng phương pháp tẩm trong khuôn (Resin Transfer Molding) có thể xảy ra trường hợp cốt sợi bị gấp nếp và có thể ảnh hưởng đến ứng suất và khả năng chịu tải. Vì vậy, trong nghiên cứu này với phương pháp thí nghiệm uốn 3 điểm thì mô đun đàn hồi, ứng suất và trạng thái phá hủy của tấm composite với cốt sợi liên tục và gấp nếp được phân tích, so sánh và đánh giá. 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH 2.1. Tỉ lệ cốt sợi của composite Tỉ lệ cốt của tấm composite dựa vào tỉ trọng của cốt, nền và composite, với công thức tính được xác định như sau [8,9]: Thể tích của mẫu composite (v c ) là tổng thể tích của cốt sợi (v f ), nền (v m ) và khoảng trống (v v ), vmfc vvvv + + = (1) Chia công thức (1) tất cả cho v c ta được tỉ lệ thành phần của cốt, nền và khoảng trống lần lượt là V f , V m và V v : 1 = + + vmf VVV (2) Gọi m c là khối lượng của composite, m f là khối lượng của thành phần cốt, m m là khối lượng của thành phần nền, mfc mmm + = (3) Tỉ trọng của composite ρ c được xác định như sau: mmff c mmff c c c VV v vv v m ρρ ρ ρ ρ += + == (4) )1( vfmffc VVV − − + = ρ ρ ρ (5) vmmmffc VV ρ ρ ρ ρ ρ − + − = )( (6) hoặc mf vmmc f V V ρρ ρρρ − +− = (7) Trong đó: ρ c là tỉ trọng của composite ; ρ m là tỉ trọng của thành phần nền ; ρ f là tỉ trọng của thành phần cốt ; v V là tỉ lệ của khoảng trống (V v = ν v / ν c ). Trong hầu hết các phương pháp chế tạo composite bao gồm cả phương pháp tẩm trong khuôn thì tỉ lệ khoảng trống (rỗ khí, rỗ hơi,…) trong composite nhỏ hơn 1%, và có thể bỏ qua V v trong công thức tính V f . Cho nên công thức (7) được viết lại như sau: mf mc f V ρρ ρ ρ − − = (8) 2.2. Phân tích tấm composite với cốt sợi gấp nếp Khảo sát tấm composite chịu uốn theo 3 điểm với lực tác dụng là P tại điểm giữa và hệ trục tọa độ như hình 1. Kích thước của tấm composite gồm: chiều dài L, chiều rộng b, và chiều dày t. Đồng thời, tấm composite có cốt sợi bị gấp nếp với chiều dài là L GN và phân bố ở giữa như mô hình khảo sát. Về mặt lý thuyết có thể xác định được mô đun đàn hồi và mô đun trượt của tấm composite theo từng vùng. Cho nên, giả sử rằng mô đun đàn hồi và mô đun trượt tại vùng có cốt sợi liên tục là E 1 và G 1 ; mô đun đàn hồi và mô đun trượt tại vùng có cốt sợi bị gấp nếp là E 2 và G 2 . Mặt cắt ngang của tấm composite có hình dạng là chữ nhật, cho nên mô men quán tính của tấm composite có công thức tính như sau: 12 3 bt I = (9) Dựa vào phương pháp năng lượng [10], + Năng lượng theo phương x (U x ): ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ += ∫∫ − − 22 0 2 22 2 2 1 2 22 2 GN GN LLL LL xx x dx IE M dx IE M U ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ∫∫ − − 22 0 2 22 2 2 1 2 2 2 2 2 2 GN GN LLL LL dx IE Px dx IE Px () () ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −− + − = 2 3 3 1 3 3 2 8 E LLL E LL bt P GNGN (10) + Năng lượng trượt (U t ) trong mặt phẳng xOy: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ += ∫∫ ∫∫ − − 22 0 2 0 2 22 2 0 2 2 1 2 22 4 GN GN LLt L LL t t bdydx G bdydx G U ττ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = ∫∫ ∫∫ − − 22 0 2 0 2 22 2 0 2 2 2 2 3 1 2 2 2 3 2 4 3 2 4 3 4 GN GN L Lt L L L t bdydx G y t bt P bdydx G y t bt P ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + − = 21 2 20 3 G L G LL bt P GNGN (11) Theo lý thuyết [9, 10], ứng suất theo phương trục và ứng suất trượt đều tồn tại trong tấm composite dưới tác dung của lực uốn theo 3 điểm. Cho nên tổng năng lượng của tấm composite được tính như sau: tx UUU + = (12) ( ) ( ) ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + − + −− + − = 21 2 2 3 3 1 3 3 2 5 6 8 G L G LL t E LLL E LL bt P GNGN GNGN (13) Tổng chuyển vị của tấm composite tại điểm giữa được xác định như sau: () () ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + − + −− + − = = 21 2 2 3 3 1 3 3 5 6 4 2 G L G LL t E LLL E LL bt P P U GNGNGNGN δ (14) hoặc: ( ) ( ) P bt G L G LL t E LLL E LL GNGNGNGN 3 21 2 2 3 3 1 3 4 5 6 δ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + − + −− + − (15) Trong đó, )1(2 ν + = E G với ν là hệ số Poisson. Công thức tính mô đun trượt này được áp dụng cho vật liệu đẳng hướng. Đồng thời cũng có thể áp dụng trong nghiên cứu này vì đối tượng cốt sợi được khảo sát có sự phân bố đồng đều theo phương ngang (90 0 ) và phương dọc (0 0 ), và chiều dày của tấm là rất mỏng so với chiều dài khảo sát. Ngoài ra, với tỉ lệ rất nhỏ giữa chiều dày và chiều dài của tấm composite (t/L) Hình 1. Mô hình tấm composite với cốt sợi gấp nếp. Vùng gấp nếp L b P P/2 P/2 L GN L O y x t thì các giá trị do trượt gây ra là rất nhỏ và có thể bỏ qua. Cho nên công thức (15) có thể được viết lại như sau: () () P bt E LLL E LL GNGN 3 2 3 3 1 3 4 δ = −− + − (16) Công thức (16) cho thấy rằng mô đun đàn hồi là một hàm số phụ thuộc và kích thước của tấm composite, chuyển vị dưới tác dụng của tải, và chiều dài gấp nếp của cốt sợi. Giả sử cốt sợi trong tấm composite không bị gấp nếp thì ta có: L GN = 0, nghĩa là E 1 = E 2 = E thì công thức (16) có thể viết lại như sau: 3 3 4Ebt PL = δ (17) và 3 3 4 bt PL E δ = (18) Căn cứ theo lý thuyết [9, 10] tính chuyển vị và mô đun đàn hồi dưới tác dụng của phương pháp uốn theo 3 điểm thì các công thức được xây dựng ở trên là hoàn toàn chính xác. 3. ĐIỀU KIỆN THÍ NGHIỆM 3.1. Vật liệu Gồm có 3 thành phần: cốt sợi thủy tinh, nền polyester và chất phụ gia. Cốt là sợi thủy tinh (E-glass woven K618) từ công ty Hankuk Fibers – Hàn Quốc có thuộc tính như bảng 1. Bảng 1. Thuộc tính của sợi K618. Số sợi (Yarns/In.) Ngang Dọc Tỉ trọng (g/cm 3 ) Chiều dày (mm) 18 18 2.54 0.18 Nền là nhựa dẻo polyester R409 được sản xuất từ công ty hóa học Sewon – Hàn Quốc với thuộc tính như bảng 2. Bảng 2. Thuộc tính của nhựa R409. Tỉ trọng (g/cm 3 ) Độ nhớt (Poise/25 0 C) Độ axít (mg KOH/g) 1.12 1.17 43.1 Chất phụ gia là vật liệu DDM của công ty Seki Arkema, được pha với nhựa nền R409 với tỉ lệ 1:120 (g) nhằm mục đích giảm thời gian đông cứng trong quá trình chế tạo tấm composite. 3.2. Cấu trúc cốt sợi Cấu trúc của cốt sợi gồm các kiểu sau: K1: Cốt sợi có n (n = 3, 5, 7 & 9) lớp sợi liên tục (hình 2a). GN1: Cốt sợi có 2 lớp sợi và bị gấp nếp với chiều dài L GN (hình 2b). GN2: Cốt sợi có 3 lớp sợi và bị gấp nếp với chiều dài L GN . GN3: Cốt sợi có 4 lớp sợi và bị gấp nếp với chiều dài L GN . 3.3. Uốn 3 điểm Mẫu thử nghiệm được chuẩn bị với kích thước như hình 3. Chiều dày của mẫu t = 2.5 mm và chiều rộng b = 33 mm. Sử dụng phương pháp thí nghiệm uốn 3 điểm [11], chiều dài giữa hai gối đỡ là L = 100 mm, lực tác dụng được đặt tại chính giữa tấm composite với tốc độ uốn là 5 mm/phút. Tất cả thí nghiệm được thực hiện trên máy Shimazu tại nhi ệt độ phòng 25 0 C và độ ẩm 50%, mỗi điểm trên biểu đồ thực nghiệm là kết quả trung bình của 5 thí nghiệm được thực hiện [12]. 4. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.1. Mô đun đàn hồi Hình 4 so sánh mô đun đàn hồi E giữa vật liệu composite có cốt sợi liên tục (kiểu Hình 2. Cấu trúc cốt sợi. (a) K1 n (b) GN1 L GN L Hình 3. Thí nghiệm uốn theo 3 điểm. L GN 200 m m 33 m m 2.5 mm L = 100 mm K1) và cốt sợi gấp nếp (kiểu GN1, GN2 và GN3) theo tỉ lệ cốt sợi V f . Với vật liệu composite có cốt sợi gấp nếp thì gồm 2 vùng: gấp nếp và không gấp nếp; tỉ lệ cốt sợi tại vùng gấp nếp lớn hơn vùng không gấp nếp. Vì vậy, tỉ lệ cốt sợi trong trường hợp này được tính trung bình từ 2 vùng trên. Căn cứ vào kết quả so sánh khi cùng tỉ lệ cốt sợi V f ta nhận thấy rằng mô đun đàn hồi của tấm composite với cốt sợi gấp nếp có giá trị luôn lơn hơn trường hợp có cốt sợi liên tục. Giá trị này sẽ càng lớn khi tỉ lệ cốt sợi tăng lên. Nguyên nhân là do có sự tập trung cốt sợi tại vùng chịu tác dụng lực dưới phương pháp uốn 3 điểm. Điều này tốt trong một số tr ường hợp cần cải thiện độ cứng (mô đun đàn hồi) của tấm composite. Mô đun đàn hồi của tấm composite phụ thuộc vào tỉ lệ cốt sợi và giá trị của nó sẽ lớn dần khi tỉ lệ cốt sợi trong composite tăng dần cho cả hai trường hợp cốt sợi liên tục và gấp nếp [13, 14]. Ngoài ra, với cùng tỉ lệ cố t sợi thì mô đun đàn hồi của tấm composite với cốt sợi gấp nếp là gần như nhau cho tất cả các trường hợp có số lớp sợi khác nhau. Hay nói cách khác là số lớp sợi n ảnh hưởng rất nhỏ đến mô đun đàn hồi của tấm composite với cốt sợi gấp nếp. 4.2. Độ bền uốn Độ bền uốn (ứng suất uốn lớn nhất) của tấm composite được khảo sát dựa vào cả 2 công thức sau [10]: 2 max max 2 3 bt LP = σ (20) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ += LL t L bt LP δδ σ 461 2 3 2 2 max max (21) Công thức (20) là đối với trường hợp bỏ qua yếu tố trượt giữa các lớp khi tỉ lệ giữa L và t là lớn. Và công thức (21) dùng cho trường hợp tổng quát khi xem xét cả yếu tố trượt sinh ra trong tấm composite. Độ bền uốn (ứng suất uốn lớn nhất) của vật liệu composite với cốt sợi gấp nếp (GN1, GN2 và GN3) và cốt sợi liên tục (K1) được so sánh v ới nhau khi cùng tỉ lệ cốt sợi V f và được mô tả trong hình 5 (không xem xét yếu tố trượt và độ bền uốn được xác định theo công thức (20)) và hình 6 (có xem xét yếu tố trượt và độ bền uốn được xác định theo công thức (21)). Ti le cot soi, V f (%) 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Mo dun dan hoi, E (GPa) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Kieu K1 Duong gan dung cua K1 Kieu GN1 Kieu GN2 Kieu GN3 Hình 4. So sánh mô đun đàn hồi giữa cốt sợi liên tục (K1) và cốt sợi gấp nếp (GN1, GN2 và GN3). Ti le cot soi, V f (%) 4 6 8 10 12 14 16 18 Do ben uon, σ max (MPa) 0 30 60 90 120 150 180 σ max = 3P max L/2bt 2 Hình 5. So sánh độ bền uốn giữa cốt sợi liên tục (K1) và cốt sợi gấp nếp (GN1, GN2 và GN3 ) khi khôn g xem xét y ếu tố trư ợ t. Ti le cot soi, V f (%) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Do ben uon, σ max (MPa) 0 40 80 120 160 200 240 Kieu K1 Duong gan dung cua K1 Kieu GN1 Kieu GN2 Kieu GN3 σ max = (3P max L/2bt 2 )(1 + 6( δ /L) 2 - 4(t/L)( δ /L)) Hình 5. So sánh độ bền uốn giữa cốt sợi liên tục (K1) và cốt sợi gấp nếp (GN1, GN2 và GN3 ) khi có xem xét y ếu tố trư ợ t. Căn cứ vào kết quả so sánh, ta nhận thấy rằng độ bền uốn của tấm composite với cốt sợi gấp nếp có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn độ bền uốn của tấm composite với cốt sợi liên tục, tùy thuộc vào chiều dài gấp nếp L GN và số lớp sợi n. Khi chúng có giá trị bằng nhau thì chiều dài gấp nếp gọi là chiều dài gấp nếp tới hạn (bảng 3). Qua kết quả so sánh, ta dể dàng xác định được độ bền uốn tới hạn của tấm composite với cốt sợi gấp nếp. Đồng thời xác định được vùng an toàn chiều dài gấp nếp (lớn hơn chiều dài gấp nếp tới hạ n) nơi có độ bền uốn lớn hơn độ bền uốn của tấm composite có cốt sợi liên tục. Điều này tốt trong một số trường hợp cần cải thiện độ bền uốn của tấm composite. 4.3. Trạng thái phá hủy Khi tỉ lệ L GN /L tăng thì độ bền uốn cũng tăng và gồm 2 giai đoạn. Giai đoạn I khi L GN /L < L GH /L và giai đoạn II khi L GN /L > L GH /L. Trong đó, L GH là chiều dài gấp nếp giới hạn và là ranh giới phân chia giai đoạn I và II; L là chiều dài giữa hai gối đỡ (L = 100 mm). Với trường hợp có xem xét yếu tố trượt, kiểu GN1 có L GH /L = 0.42, kiểu GN2 có L GH /L = 0.49 và kiểu GN3 có L GH /L = 0.53. Giá trị giới hạn lớn dần khi số lớp sợi tăng lên. Đồng thời, độ dốc của đường gần đúng ở giai đoạn I nhỏ hơn so với giai đoạn II. Nguyên nhân có sự khác biệt này là do ảnh hưởng của chiều dài gấp nếp. Khi chiều dài gấp nếp nhỏ (L GN /L < L GH /L) thì phá hủy là do vật liệu nền là nhựa polyester (quá trình tách lớp) như hình 6a. Khi chiều dài gấp nếp lớn (L GN /L > L GH /L) thì phá hủy là do vật liệu cốt sợi thủy tinh (quá trình đứt gãy) như hình 6b. Sự phá hủy của giai đoạn I tương ứng với Mode I [15-17], bắt đầu từ sự nứt gãy của vật liệu nền tại cạnh gấp nếp sau đó liên kết giữa các lớp tại vùng gấp nếp bị tách ra (hình 7a). Đối với giai đoạn II, khi L GN đủ lớn (L GN > L GH ), sự phá hủy do vật liệu cốt sợi thủy tinh (hình 7b) tại vị trí đặt lực đạt đến giới hạn bền và bị đứt gãy [14, 16, 18]. Đối với cốt sợi liên tục thì dạng phá hủy cũng tương tự như hình 7b. Bảng 3. Chiều dài gấp nếp tới hạn (độ bền uốn của kiểu cốt sợi liên tục và gấp nếp bằng nhau). Kiểu GN1 GN2 GN3 Theo công thức (20) 0.61 0.72 0.78 Theo công thức (21) 0.72 0.78 0.85 Hình 7. Hình chụp SEM của phá hủy. (a) Tách lớp (b) Đứt gãy (a) L GN < L GH (b) L GN > L GH Hình 6. Phá hủy phụ thuộc vào chiều dài gấp nếp. 5. KẾT LUẬN Mô đun đàn hồi và ứng suất lớn nhất của tấm composite với cốt sợi liên tục và gấp nếp được phân tích, đánh giá và so sánh dựa vào thí nghiệm uốn 3 điểm. Kết quả so sánh cho thấy rằng: khi so sánh với cùng tỉ lệ cốt sợi thì mô đun đàn hồi của tấm composite với cốt sợi liên tục luôn lớn hơn so với cốt sợi gấp nế p. Điều này là do có sự tập trung cốt sợi tại vùng đặt lực. Ứng suất uốn lớn nhất của tấm composite với cốt sợi gấp nếp có giá trị lớn hơn so với cốt sợi liên tục chỉ khi chiều dài gấp nếp đủ lớn. Qua đó, có thể xác định được vùng an toàn của chiều dài gấp nếp, nơi có độ bền uốn lớn hơ n độ bền uốn của tấm composite có cốt sợi liên tục. Ngoài ra, chiều dài gấp nếp cũng ảnh hưởng đến trạng thái phá hủy, khi chiều dài gấp nếp nhỏ (L GN /L < L GH /L) thì phá hủy là do vật liệu nền (quá trình tách lớp – Mode I). Khi chiều dài gấp nếp lớn (L GN /L > L GH /L) thì phá hủy là đứt gãy do thành phần cốt sợi. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G. S. Shiva Shankar and S. Vijayarangan, Mono composite leaf spring for light weight vehicle – Design, end joint analysis and testing, Mater Sci, Vol. 12, No. 3, 2006, p. 220-225. [2] K. K. Jadhao and DR. R.S Dalu, Experimental investigation & numerical analysis of composite leaf spring, International Journal of Engineering Science and Technology, Vol. 3, No. 6, June 2011, p. 4759-4764. [3] Đào Lê Chung, Nguyễn Văn Phục, Bùi Đức Lộc và Ninh Quang Oanh, Ứng dụng vật liệu composite trên xe tải nhẹ Kia-Thaco, Hội nghị KH và CN lần thứ 12, Kỹ thuật Ô tô - Động cơ Nhiệt. [4] http://baokhanhhoa.com.vn/Phongsu/ 201202/Noi-ra-doi-tau-vo-composite- dau-tien-2131458. [5] Nguyễn Hoa Thịnh và Nguyễn Đình Đức, Vật liệu composite, cơ học và công nghệ, NXB KHKT Hà Nội, 2002. [6] Timothy G. Gutowski, Advanced composites manufacturing, NY, 1997. [7] http://meslab.org/mes/index.php/topic, 278.0.html. [8] Albert S. Kobayashi, Handbook on experimental mechanics, Second revised edition, New York, 1993. [9] Krishan K Chawla, Composite materials, New York, 1987. [10] P. K. Mallick. Fiber-reinforced composites. Marcel Dekker, NY, 1998. [11] Annual book of ASTM standards, America, 1995. [12] P. T. Curtis, M. G. Blade and J.E. Bailey, The stiffness and strength of polyamide thermoplastic reinforced with glass and carbon fibers, Journal of Mater Sci, Vol. 13, 1978, p. 377-390. [13] N. E. Dowling, Mechanical behavior of materials, Prentice Hall, America, 1993. [14] P. A. Sreekumar, Kuruvilla Joseph, G. Unnikrishnan and Sabu Thomas, A comparative study on mechanical properties of sisal-leaf fibre- reinforced polyester composites prepared by resin transfer and compression moulding techniques, Compos Sci and Technol, Vol. 67, 2007, p. 453-461. [15] Robert M. Jones, Mechanics of composite materials, McGraw-Hill Kogakusha, Japan, 1975. [16] B. Yang, V. Kozey, S. Adanur and S. Kumar, Bending, compression, and shear behavior of woven glass fiber– epoxy composites, Composites Part B, Vol. 31, 2000, p. 715-721. [17] Thanh Trung Do and Dong Joo Lee, Analysis of tensile properties for composites with wrinkled fabric, Journal of Mechanical Sci and Technol, Vol. 24, 2010, p. 471-479. [18] H. Lanting and J. K. Spelt, Shear fracture of adhesively-bonded rigid elements, Composites Part B, Vol. 28, 1997, p. 319-329. . lệ cốt sợi thì mô đun đàn hồi của tấm composite với cốt sợi liên tục luôn lớn hơn so với cốt sợi gấp nếp. Điều này là do có sự tập trung cốt sợi tại vùng đặt lực. Ứng suất uốn lớn nhất của tấm. V f . Với vật liệu composite có cốt sợi gấp nếp thì gồm 2 vùng: gấp nếp và không gấp nếp; tỉ lệ cốt sợi tại vùng gấp nếp lớn hơn vùng không gấp nếp. Vì vậy, tỉ lệ cốt sợi trong trường hợp. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT SỢI GẤP NẾP ĐẾN ỨNG SUẤT UỐN CỦA TẤM COMPOSITE Đỗ Thành Trung Khoa Đào tạo Chất lượng cao - Trường