Vật liệu composite (hay còn có tên gọi khác là composite, vật liệu compozit, vật liệu tổng hợp) là loại nguyên vật liệu được tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu có tính chất vật lý và hóa học khác nhau, loại vật liệu này sẽ mang tính chất và những công dụng vượt trội hơn hẳn so với những vật liệu ban đầu.
Trường đại học Bách KhoaTPHCM KHOA GIAO THÔNG oOo BÀI TẬP LỚN CƠ HỌC VẬT LIỆU HÀNG KHÔNG Giảng viên hướng dẫn: Lý Hùng Anh Người thực hiện: Lý Thành Tiến MSSV: 2112432 Mục lục Định nghĩa vật liêu composite phân loại 1.1 Định nghĩa vật liệu composite 1.2 Phân loại vật liệu composite Ưu nhược điểm vật liệu composite 2.1 Ưu điểm 2.2 Nhược điểm .3 Các phương pháp chế tạo composite 3.1 Phương pháp lăn tay 3.2 Phương pháp khuôn với diaphragm đàn hồi 3.3 Phương pháp tẩm áp lực 3.4 Phương pháp dập khuôn 3.5 Phương pháp quấn 3.6 Phương pháp Pulltrusion Các công ty Việt Nam sản xuất composite 11 Định nghĩa vật liêu composite phân loại 1.1 Định nghĩa vật liệu composite Vật liệu composite (hay cịn có tên gọi khác composite, vật liệu compozit, vật liệu tổng hợp) loại nguyên vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu có tính chất vật lý hóa học khác nhau, loại vật liệu mang tính chất cơng dụng vượt trội hẳn so với vật liệu ban đầu Vật liệu composite thường gồm hai thành phần chính: Vật liệu cốt vật liệu - Vật liệu cốt (vật liệu gia cường): tiếng anh Fiber Thành phần giúp composite có đặc điểm lý tính cần thiết sức mạnh độ cứng Về bản, có hai kiểu vật liệu cốt dạng cốt sợi (ngắn dài) sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi acramic… dạng cốt hạt hạt kim loại, hạt đất sét, bột đá bột gỗ… - Vật liệu (tiếng anh Matrix): Đây loại vật liệu pha có chức đảm bảo thành phần cốt bên composite liên kết với nhằm tạo tính nguyên khối thống cho composite Vật liệu polymer (polyester, PE, PP, PVC, Epoxy, cao su…), kim loại nấu chảy, ceramic (xi măng…) 1.2 Phân loại vật liệu composite Các tính chất vật liệu composite phụ thuộc vào tính chất vật liệu Nền Cốt Vậy nên, để phân loại vật liệu compozit, dựa vào vật liệu cốt vật liệu chúng • Theo chất vật liệu cốt vật liệu composite: - Tổng hợp hữu cơ: composite giấy (cáctông), composite nhựa, nhựa đường, cao su (tấm hạt, sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xe máy),… Loại thường kết hợp với dạng cốt liệu, như: sợi hữu (polyamit, kevlar – sợi aramit tính cao…), sợi khống (sợi thủy tinh, sợi cacbon,…), sợi kim loại (Bo, nhôm…) Vật liệu composite hữu chịu nhiệt độ tối đa khoảng 200 ÷ 300 °C - Tổng hợp khống chất: bê tơng, bê tơng cốt thép, composite gốm, composite cacbon – cacbon Thường loại kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại (Bo, thép,…), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm carbide, gốm Nitơ…) - Tổng hợp kim loại: hợp kim titan, hợp kim nhôm… Thường kết hợp với cốt liệu dạng: sợi kim loại (Bo,…), sợi khoáng (cacbon, SiC,…) - Tổng hợp kim loại hay khống chất chịu nhiệt độ tối đa khoảng 600 ÷ 1.000 °C (nền gốm tới 1.000 °C) •Theo hình dạng cốt liệu cửa vật liệu composite: - Vật liệu tổng hợp cốt sợi: Sợi loại vật liệu có chiều kích thước (gọi chiều dài) lớn nhiều so với hai chiều kích thước khơng gian cịn lại Theo hai chiều chúng phân bố gián đoạn vật liệu composite, theo chiều dài chúng dạng liên tục hay gián đoạn Ta thường thấy loại vật liệu cốt sợi gắn liền với từ composite tên gọi Các sản phẩm composite dân dụng thường chế tạo từ loại vật liệu composite cốt sợi, nhựa chủ yếu - Vật liệu tổng hợp cốt hạt: Hạt loại vật liệu gián đoạn, khác sợi khơng có kích thước ưu tiên Loại vật liệu composite cốt hạt phổ biến bê tơng, thường lại gọi ngắn gọn bê tông, nên ta thường thấy gọi composite lại vật liệu composite cốt sợi - Vật liệu tổng hợp cốt hạt sợi: Bê tông loại tổng hợp (hay compozit) khống chất[2] Khi bê tơng kết hợp với cốt thép tạo nên bê tông cốt thép, đá nhân tạo tạo thành từ xi măng vật liệu nền, cốt liệu bê tông cát vàng đá dăm cốt hạt, cịn cốt thép bê tông cốt sợi Ưu nhược điểm vật liệu composite 2.1 Ưu điểm - Khối lượng nhẹ, độ bền học cao - Độ cứng uốn kéo tốt - Khả chịu đựng thời tiết, chống lão hóa, chống tia UV cao - Cách điện cách nhiệt tốt - Khả kháng hóa chất kháng ăn mịn cao, khơng gây tốn bảo quản, không cần phải sơn phủ chống ăn mịn - Dễ tạo hình, tạo màu, thay đổi sửa chữa - Chi phí đầu tư trang thiết bị sản xuất chi phí bảo dưỡng khơng q cao - Tuổi thọ sử dụng cao (thời gian sử dụng dài kim loại, gỗ khoảng 2-3 lần) 2.2 Nhược điểm - Khó tái chế, tái sử dụng hư hỏng phế phẩm trình sản xuất (bê tông sau bỏ thành xà bần, tái chế) - Giá thành nguyên liệu thô tương đối cao - Phương pháp gia công tốn thời gian - Phức tạp phân tích cơ, lý, hóa tính mẫu vật - Chất lượng vật liệu phụ thuộc nhiều vào trình độ cơng nhân Các phương pháp chế tạo composite 3.1 Phương pháp lăn tay Phương pháp hand lay – up hay gọi đắp tay, phương pháp chế tạo thủ công sử dụng rộng rãi lĩnh vực chế tạo vật liệu composite Phương pháp thủ công sử dụng khn hở, ngồi cịn dùng khn dương khn âm 3.1.1 Quy trình chế tạo - Trước hết, thợ chế tạo phủ lớp hỗ trợ tháo khuôn lên bề mặt khuôn - Tiếp đến phủ lớp tạo bề mặt sản phẩm (gel – coat) - Tiếp tục phủ nhựa polymer lớp tạo bề mặt - Tiến hành rải lớp vật liệu gia cường nhựa polymer - Dùng lăn để ép vật liệu gia cường với nhựa - Cuối phủ tạo bề mặt lớp vật liệu gia cường Sau trình rải vật liệu gia cường thấm nhựa hoàn tất, sản phẩm đông kết nhiệt độ môi trường Phụ thuộc theo loại polymer, độ dày sản phẩm, độ dẫn nhiệt vật liệu khuôn nhiệt độ môi trường mà tốc độ đông kết sản phẩm nhanh hay chậm Để tăng tốc độ đông kết giảm thời gian tháo khn, sản phẩm có kích thước nhỏ đưa vào lị sấy, cịn sản phẩm có kích thước lớn sấy khí nóng Q trình phản ứng nhiệt q trình đơng kết làm tăng nhiệt độ sản phẩm Ngoài ra, tốc độ thay đổi nhiệt yếu tố quan trọng định đến tính chất lượng sản phẩm composite Vật liệu sử dụng phương pháp đắp tay thường sợi thuỷ tinh polyester không no 3.1.2 Ưu nhược điểm Ưu điểm phương pháp sản xuất sử dụng mẫu khn đơn giản q trình chế tạo nhiệt độ áp suất không cao Sau tách khỏi khn, sản phẩm có màu sắc đẹp, đa dạng, hồn chỉnh khơng phải sơn phủ hay trang trí thêm, đặc biệt sản phẩm từ cơng nghệ đắp tay đồng thời bền màu Tuy nhiên nhược điểm nhỏ dùng khn hở nên chất lượng bề mặt sản phẩm khơng đồng Vì vậy, sản phẩm đơn loạt sản phẩm số lượng nhỏ áp dụng sử dụng phương pháp để gia công 3.2 Phương pháp khuôn với diaphragm đàn hồi Phương pháp chế tạo composite cơng nghệ với diaphragm đàn hồi q trình thực cách phủ lên lớp keo epoxy xác lên lớp vải, sau đặt phẳng vải màng phủ cao su đàn hồi để nén ép kín thời gian định 3.2.1 Quy trình chế tạo • Sản xuất composite cơng nghệ với diaphragm đàn hồi chia làm ba giai đoạn chính: giai đoạn chuẩn bị bề mặt, giai đoạn thiết kế mẫu giai đoạn sản xuất Giai đoạn chuẩn bị bề mặt: -Bề mặt làm việc phải chuẩn bị kỹ lưỡng để đảm bảo tương tác tốt vải, keo epoxy cao su đàn hồi -Bề mặt làm với dung dich sơn, bột mài axit để loại bỏ bụi bẩn hóa chất ảnh hưởng đến trình kết dính Giai đoạn thiết kế mẫu: -Người thiết kế tạo mẫu composite tương thích với cơng nghệ với diaphragm đàn hồi mơ tả tồn qui trình sản xuất -Mẫu tạo cách phết keo epoxy lên bề mặt vải đặt lên màng phủ cao su đàn hồi để ép kín Giai đoạn sản xuất: -Sau giai đoạn chuẩn bị bề mặt giai đoạn thiết kế mẫu hoàn tất, trình sản xuất bắt đầu với việc phủ lớp keo epoxy lên bề mặt vải -Lớp vải phủ keo epoxy đặt màng phủ cao su đàn hồi ép kín thời gian định để kết dính tạo thành composite - Sau đó, sản phẩm cắt gia công theo yêu cầu cụ thể khách hàng 3.2.2 Ưu nhược điểm *Ưu điểm: - Sản phẩm có độ bền cao, chịu lực tác động, chịu nhiệt độ hóa chất - Giảm thiểu thời gian chế tạo, tăng suất sản xuất - Thiết kế linh hoạt với hình dạng, kích thước tính khác - Khả tạo sản phẩm theo yêu cầu chuyên biệt khách hàng - Tính ổn định đáng tin cậy sản phẩm *Nhược điểm: - Chi phí đầu tư cho thiết bị kỹ thuật cao so với phương pháp khác - Phải có kỹ thuật viên có kinh nghiệm để thực cơng nghệ - Cần đảm bảo trình sản xuất lần tạo diaphragm phải đảm bảo xác - Khó khăn việc kiểm soát chất lượng sản phẩm thực theo kỹ thuật 3.3 Phương pháp tẩm áp lực 3.3.1 Quy trình chế tạo Phương pháp chế tạo composite công nghệ tẩm áp lực phương pháp đưa sợi composite vào hỗn hợp nhiệt độ áp suất cao để tạo sản phẩm composite Quá trình chế tạo nên sản phẩm composite thực thông qua bước sau: Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu Các nguyên liệu cần chuẩn bị gồm sợi composite (sticker), hỗn hợp nhựa (resin) phụ gia (additive) Sợi composite sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi aramid loại sợi tổng hợp khác Hỗn hợp nhựa (resin) thường làm từ polymer epoxy, polymer polyester, polymer vinyl, polymer phenolic, polymer polypropylene hay polymer polyamide Các phụ gia (additive) bao gồm chất cứng (hardener), chất tạo khuôn (release agent), độn (filler) chất xúc tiến (catalyst) tùy vào loại sản phẩm composite mà bạn muốn tạo Bước 2: Đưa sợi nhựa vào khuôn Sau chuẩn bị xong nguyên liệu, bạn cần xếp sợi composite khn theo định hình sản phẩm mà bạn muốn tạo Sau đó, hỗn hợp nhựa đổ vào khuôn sợi composite tẩm hỗn hợp nhựa Bước 3: Tẩm áp lực Sau đặt sợi nhựa vào khn, q trình tẩm áp lực bắt đầu Khn đóng lại đưa vào máy ép tẩm áp lực (pressure chamber) máy ép ép chân không (vacuum chamber) để loại bỏ khí bề mặt sản phẩm composite Nhiệt độ áp suất điều chỉnh theo yêu cầu để đảm bảo sợi composite tẩm hỗn hợp nhựa Quá trình ép tẩm áp lực diễn thời gian từ 30 phút đến vài giờ, phụ thuộc vào loại sợi composite hỗn hợp nhựa bạn sử dụng Bước 4: Làm lạnh gia cơng sản phẩm Sau q trình tẩm áp lực hồn tất, khn mở sản phẩm composite lấy Nó làm lạnh nước để đạt độ cứng thuộc tính học mong muốn sau gia cơng theo u cầu quý khách 3.3.2 Ưu nhược điểm *Ưu điểm: - Tăng sức bền độ cứng cho sản phẩm composite - Nâng cao khả chống va đập sản phẩm composite - Tăng độ cứng độ chịu nhiệt sản phẩm composite - Tăng hiệu suất độ bền sản phẩm composite *Nhược điểm: - Chi phí sản xuất cao: phương pháp chế tạo composite cơng nghệ tẩm áp lực địi hỏi chi phí sản xuất cao, đặc biệt sử dụng sợi kẽm sợi cacbon cao cấp - Khó kiểm sốt kích thước sản phẩm: Q trình tải áp lực tạo biến dạng dè dặt sản phẩm composite, gây khó khăn việc kiểm sốt kích thước sản phẩm - Độ phức tạp q trình sản xuất: Cơng nghệ tẩm áp lực địi hỏi q trình sản xuất phức tạp so với phương pháp chế tạo composite khác 3.4 Phương pháp dập khuôn Phương pháp chế tạo composite cơng nghệ dập khn q trình kết hợp sợi stc (sợi thủy tinh chịu lực) nhựa epoxy sản xuất cách đặt sợi stc vào khn, sau đúc nhựa epoxy lên sợi dập khuôn để tạo chi tiết composite hình dạng 3.4.1 Quy trình chế tạo Quá trình chế tạo composite công nghệ dập khuôn thực sau: Bước 1: Chuẩn bị khuôn chế tạo Khuôn chế tạo thiết bị sử dụng để tạo hình dạng cho sản phẩm composite Khn thiết kế phản ánh hình dạng hoàn chỉnh sản phẩm Bước 2: Chuẩn bị sợi stc Sợi stc tạo từ trình kéo dãn, sợi kéo sang hướng khác để tăng cường tính đàn hồi khả chịu lực sợi Sợi stc cần phải cắt theo độ dài tiêu chuẩn để sử dụng trình chế tạo composite Bước 3: Chuẩn bị nhựa epoxy Nhựa epoxy loại nhựa đặc biệt sử dụng để kết nối với sợi stc tạo nên sản phẩm composite Nhựa epoxy cần phải pha trộn xác theo tỷ lệ khối lượng để đảm bảo tính quán độ bền sản phẩm cuối Bước 4: Đặt sợi stc vào khuôn Sợi stc đặt vào khn theo kích thước hình dạng cụ thể Sợi stc xếp cách chặt chẽ để đảm bảo tính đồng sản phẩm composite Bước 5: Đúc nhựa epoxy lên sợi Sau sợi stc đặt khuôn, nhựa epoxy đúc lên sợi đến độ dày mong muốn Nhựa epoxy dần thấm vào sợi stc, tạo liên kết mạnh mẽ hai vật liệu Bước 6: Dập khuôn Khi nhựa epoxy đúc vào sợi, khuôn đập cách xác để định hình sản phẩm cuối Q trình dập khn tạo áp lực từ khuôn làm cho sợi stc nhựa epoxy kết hợp với tạo nên vật liệu composite Sau hoàn thành bước trên, sản phẩm composite lấy khỏi khuôn gia công sản phẩm hồn chỉnh với tính tính thẩm mỹ đảm bảo 3.4.2 Ưu nhược điểm Ưu điểm: - Công nghệ dập khuôn giúp tạo chi tiết composite có độ xác cao kích thước đồng - Qui trình sản xuất composite cách dập khn tự động hóa, giảm thiểu độ phức tạp quy trình tăng suất sản xuất - Composite tạo cách dập khn có độ bền cao, chịu tác động mạnh va chạm, uốn cong hay kéo căng - Thiết bị nguyên liệu sử dụng cho trình chế tạo composite công nghệ dập khuôn đơn giản dễ tiếp cận Nhược điểm: - Để sản xuất chi tiết composite kích thước lớn dạng nhỏ hơn, khuôn phải thiết kế sản xuất riêng biệt, điều tăng chi phí sản xuất - Trong q trình dập, khn bị mịn hỏng, cần thường xuyên kiểm tra thay - Công nghệ dập khuôn yêu cầu xác kỹ thuật cao để tạo sản phẩm chất lượng tốt, cần đào tạo thuê nhân lực có kỹ tốt để thực quy trình chế tạo composite 3.5 Phương pháp quấn 3.5.1 Quy trình chế tạo Phương pháp chế tạo composite công nghệ quấn phương pháp phổ biến việc sản xuất sản phẩm composite Quá trình quấn bắt đầu việc chọn lựa vật liệu phù hợp chuẩn bị khuôn mẫu Bước 1: Chuẩn bị vật liệu Các vật liệu thông thường sử dụng trình chế tạo composite bao gồm sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi kevlar nhựa epoxy Các vật liệu phải chuẩn bị trước bắt đầu trình quấn Sợi vải thủy tinh carbon thường cắt thành miếng nhỏ để dễ dàng quấn qua khuôn mẫu Bước 2: Thiết kế khuôn mẫu Trước bắt đầu quấn, khuôn mẫu mơ hình 3D sản phẩm cuối cần thiết kế Khuôn mẫu cần chế tạo từ vật liệu chịu nhiệt có độ bền cao để đảm bảo sản phẩm cuối có độ xác độ bền cao Bước 3: Quấn Sau chuẩn bị vật liệu khuôn mẫu, trình quấn bắt đầu Các sợi vải thủy tinh carbon quấn xung quanh khuôn mẫu vòng xoắn lớp phủ Kết cấu độ dày sản phẩm cuối phụ thuộc vào số lượng vị trí lớp vật liệu Bước 4: Sản xuất sản phẩm cuối Sau hồn thành q trình quấn, sản phẩm đưa vào lò nung nung nhiệt độ cao để kết dính lớp vật liệu Khi sản phẩm nung hồn tồn, khn mẫu loại bỏ, sau sản phẩm cuối xử lý công nghệ khác để đạt kết cấu hoàn thiện mong muốn 3.5.2 Ưu nhược điểm Ưu điểm: - Composite cơng nghệ quấn có khả tạo sản phẩm có độ cứng độ chịu lực cao, thích hợp để sử dụng ngành công nghiệp yêu cầu mức độ chịu lực cao lĩnh vực sản xuất thiết bị y tế, thiết bị hàng không vũ trụ, sản xuất phận máy móc khí, - Phương pháp chế tạo composite cơng nghệ quấn nhanh chóng tiết kiệm chi phí khơng cần dụng cụ đắt tiền phương pháp chế tạo composite chiếu sáng tia T - Sản phẩm composite công nghệ quấn có khả chịu nhiệt độ hóa chất tốt - Phương pháp chế tạo composite cơng nghệ quấn có khả tạo sản phẩm có hình dạng, kích thước, độ dày màu sắc đa dạng Nhược điểm: - Việc chế tạo composite công nghệ quấn yêu cầu kỹ thuật cao cần phải đảm bảo mức độ xác độ đồng q trình chế tạo, điều địi hỏi nhà sản xuất phải đầu tư vào hệ thống máy móc thiết bị đại - Sản phẩm composite cơng nghệ quấn có hình dạng khó thay đổi, muốn thay đổi khơng thể cắt dán dụng cụ phương pháp chế tạo composite khác nên cần phải chế tạo sản phẩm 3.6 Phương pháp Pulltrusion Phương pháp chế tạo composite công nghệ Pulltrusion phương pháp sản xuất vật liệu composite có tính chất học khí cao Phương pháp sử dụng phổ biến ngành công nghiệp ô tô, hàng khơng vũ trụ, đóng tàu, dụng cụ y tế, thiết bị thể thao, vv Cơ chế hoạt động phương pháp Pulltrusion kéo đẩy sợi thủy tinh qua khuôn đúc chất lỏng nhựa polymer khơ Q trình điều khiển chặt chẽ hệ thống máy móc, đảm bảo phân bố sợi thủy tinh chất lỏng polymer, tạo vật liệu composite hoàn chỉnh với tính chất học khí đặc biệt 3.6.1 Quy trình thực Các bước thực chế tạo composite phương pháp Pulltrusion gồm: Bước 1: Chuẩn bị vật liệu Các sợi thủy tinh resin polymer xếp theo chiều dọc để đưa vào hệ thống Pulltrusion Điều đòi hỏi đầu tư thời gian kỹ thuật để đảm bảo đồng sợi thủy tinh trình Pulltrusion Bước 2: Đưa vật liệu vào khuôn đúc Khuôn đúc giữ lại độ chặt chẽ sợi thủy tinh chất lỏng polymer Khuôn đúc đưa vào hệ thống Pulltrusion để đảm bảo trình chèn đẩy sợi thủy tinh qua khuôn đúc Bước 3: Các sợi thủy tinh lấy Sau sợi thủy tinh kéo qua khn đúc, lấy phép chất lỏng polymer tiếp tục qua Điều đảm bảo đồng kết cấu vật liệu Bước 4: Các sợi thủy tinh xử lý Các sợi thủy tinh thường xử lý sau lấy từ khuôn đúc Quá trình xử lý giúp đảm bảo đồng ổn định sợi thủy tinh, giúp vật liệu composite đạt tính chất vật lý khí cần thiết Bước 5: Đóng composite hồn chỉnh Sau sợi thủy tinh xử lý, chất liệu polymer đẩy qua khuôn đúc để đóng composite hồn chỉnh Tấm composite cắt với kích thước mong muốn bao bọc sản phẩm vật liệu 3.6.2 Ưu nhược điểm Ưu điểm: - Thời gian sản xuất nhanh linh hoạt - Quy trình sản xuất tự động, giảm thiểu can thiệp lao động - Có tính tự bôi trơn, giảm ma sát vật liệu khuôn - Giảm thiểu chức vật liệu tác động đến môi trường biến dạng theo thời gian 10 - Có khả chống ăn mịn, chịu mơi trường khắc nghiệt - Tăng độ bền độ cứng cho sản phẩm cuối Nhược điểm: - Chi phí máy móc thiết bị đầu tư ban đầu cao - Có thể gặp phải vấn đề liên quan đến độ xác q trình sản xuất - Khó kiểm sốt chất lượng thành phẩm - Khơng phù hợp cho sản xuất sản phẩm có hình dạng phức tạp kích thước lớn Các cơng ty Việt Nam sản xuất composite Có nhiều cơng ty sản xuất composite tiếng Việt Nam VINACOM, DIC, Tan A, GRP Việt Nam, Polycomposite, Hưng Thịnh Composite, Bason Composite, v.v Mỗi cơng ty có phương pháp chế tạo riêng, nhiên, phương pháp chế tạo phương pháp lăn tay, phương pháp tẩm áp lực, phương pháp dập khuôn,, v.v sử dụng phổ biến 11