(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ sợi đến độ bền kéo và uốn của vật liệu composite trong công nghệ ép phun

TỔNG QUAN

Tổng quan về hướng nghiên cứu

Vì là một lĩnh vực nghiên cứu mới, số lượng công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến cơ tính của vật liệu composite còn hạn chế Nghiên cứu này tổng hợp một số luận văn và công trình liên quan đến khía cạnh này, như sẽ được trình bày dưới đây.

1.1.1 Các công trình nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Huy Tùng và các cộng sự về “Tính chất cơ học của vật liệu compozit sử dụng prepreg trên cơ sở nhựa phenolic và epoxy gia cường sợi thủy tinh và thủy tinh – Aramit” cho thấy số lớp vải gia cường có ảnh hưởng đáng kể đến cơ tính của vật liệu polymer Cụ thể, khi tăng số lớp vải từ 13 lên 17 lớp, độ bền kéo tăng từ 164,6 MPa lên 205,2 MPa (tăng 24,6%), mô đun kéo cũng tăng từ 2,4 lên 2,7 GPa Độ bền uốn tăng từ 97,0 MPa lên 115,3 MPa (tăng 18,8%), trong khi mô đun uốn giảm từ 9,0 xuống 8,1 GPa Đặc biệt, độ bền va đập Izod tăng từ 186,5 KJ/m² lên 228,9 KJ/m² (tăng 22,7%).

Tác giả Trần Minh Hổ đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ vật liệu gia cường đến tính chất của composite lai dựa trên nền nhựa polymer Nghiên cứu này nhằm đánh giá sự tương tác giữa các thành phần và cách chúng ảnh hưởng đến hiệu suất vật liệu Kết quả sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc phát triển và ứng dụng các loại composite trong công nghiệp.

Nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hưởng của tỷ lệ vật liệu gia cường và sợi thủy tinh đến cơ tính của vật liệu composite, với năm mức tỷ lệ khác nhau: 40% sợi thủy tinh + 60% nhựa epoxy; 38% sợi thủy tinh + 60% nhựa epoxy + 2% TiO2; 35% sợi thủy tinh + 60% nhựa epoxy + 5% TiO2; 30% sợi thủy tinh + 60% nhựa epoxy + 10% TiO2; và 25% sợi thủy tinh + 60% nhựa epoxy + 15% TiO2 Kết quả cho thấy composite với tỷ lệ 35% sợi thủy tinh + 60% nhựa epoxy + 5% TiO2 có cơ tính vượt trội hơn so với các mẫu chứa 2%, 10% và 15% TiO2.

Tác giả Phan Thị Minh Ngọc cùng các cộng sự [2] đã thực hiện nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo vật liệu Polyme compozit từ hệ nhựa Epoxy/DDS gia cường sợi thủy tinh có mặt vi sợi xenlulo cho thấy tỷ lệ khối lượng giữa nhựa epoxy và vải thủy tinh ảnh hưởng lớn đến cơ tính của vật liệu Kết quả khảo sát cho thấy tỷ lệ tối ưu 70/30 giữa vải thủy tinh và nhựa epoxy mang lại cơ tính tốt nhất, với độ bền kéo, mô đun đàn hồi kéo, độ bền uốn và mô đun đàn hồi uốn cao hơn so với các tỷ lệ khác.

1.1.2 Các công trình nghiên cứu ngoài nước

Tác giả Ankuloriya & Rohit Rajvaidya [5] đã thực hiện nghiên cứu

Nghiên cứu về "Đặc trưng của composite ABS gia cố bằng sợi thủy tinh ngắn" cho thấy độ cứng của vật liệu tăng dần với tỷ lệ sợi thủy tinh từ 5%, 10%, 20% đến 30% Độ bền kéo đạt cao nhất ở tỷ lệ 5% sợi thủy tinh, nhưng giảm khi tăng lên 10% và 20% Tuy nhiên, ở tỷ lệ 30%, độ bền kéo lại được cải thiện và có xu hướng tăng Sự gia tăng tỷ lệ sợi thủy tinh cũng cho thấy sự liên kết tốt hơn giữa ABS và sợi thủy tinh ngắn.

Nghiên cứu của tác giả Ota N và các cộng sự đã chỉ ra rằng độ bền kéo và mô đun đàn hồi của composite polypropylene – sợi thủy tinh tăng tuyến tính theo tỷ lệ khối lượng sợi thủy tinh Tuy nhiên, dữ liệu cũng cho thấy mô đun giảm khi nhiệt độ phun đạt 170°C với tỷ lệ sợi thủy tinh 20%, và ở 230°C hoặc 250°C với tỷ lệ sợi 30% Đặc biệt, độ dai va đập của composite tăng lên khi tỷ lệ sợi thủy tinh được cải thiện.

Nghiên cứu của tác giả Hiroshi Suzuki về "Phát triển độ bền va đập cao cho Polypropylene gia cố bằng sợi thủy tinh dài" đã chỉ ra rằng chiều dài và tỷ lệ sợi thủy tinh là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền kéo, độ bền uốn và độ dai va đập của vật liệu Cụ thể, khi tăng tỷ lệ và chiều dài sợi thủy tinh, độ bền kéo, độ bền uốn và độ dai va đập của vật liệu cũng tăng theo Bên cạnh đó, điều kiện ép phun đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa gãy sợi, với điều kiện ép phun phù hợp giúp duy trì mô đun đàn hồi và độ dai va đập của vật liệu.

Nghiên cứu của Attel Manjunath và Dr D V Girish đã chỉ ra rằng việc tăng tỷ lệ sợi thủy tinh gia cường trong vật liệu composite polycarbonate cải thiện các tính chất cơ - lý của chúng Cụ thể, độ cứng bề mặt tăng lần lượt 24,3%; 28,6% và 30% cho các tỷ lệ sợi thủy tinh 10%, 20% và 30% Độ bền kéo cũng tăng tương ứng 29,15%; 58,25% và 73,38% Về mặt hóa học, sau khi tiếp xúc với 10 chất phản ứng trong 7 ngày, các mẫu composite không có sự thay đổi về độ bóng và màu sắc, nhưng có sự thay đổi nhẹ về trọng lượng và độ dày.

Hamdullah Çuvalci, Kadir Erbay và Hüseyin Ipek đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi thủy tinh đến các tính chất cơ học của polyamide đúc Kết quả cho thấy khối lượng riêng của vật liệu composite tăng khi hàm lượng sợi từ 5,5% đến 54,9% Các tính chất cơ học như độ bền kéo và mô đun đàn hồi tăng lên đến 34,3% hàm lượng sợi, nhưng giảm khi vượt quá mức này Đồng thời, độ dãn dài và độ dai va đập cũng giảm khi hàm lượng sợi tăng Hệ số hiệu suất sợi đối với độ bền kéo và mô đun đàn hồi đạt đỉnh tại 34,3% hàm lượng sợi, sau đó giảm khi hàm lượng sợi tiếp tục tăng.

B V Lingesh, B M Rudresh và B N Ravikumar [7] đã thực hiện nghiên cứu

This study investigates the impact of short glass fibers on the mechanical properties of thermoplastic blend composites made from 80wt.% Polyamide66 and 20wt.% Polypropylene (PA66/PP) Various weight percentages of glass fibers, specifically 0wt.%, 5wt.%, 10wt.%, and 15wt.%, were incorporated into the polymer matrix to evaluate their effects on the composite's performance.

Nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng vật liệu gia cường với tỷ lệ sợi thủy tinh 25 wt %, cơ tính của vật liệu composite đạt giá trị tối ưu, với độ bền kéo tăng khoảng 44% và độ bền uốn tăng khoảng 35% so với polyblend nguyên chất Tuy nhiên, độ dai va đập và độ dãn dài của vật liệu composite lại giảm khi tỷ lệ sợi thủy tinh tăng.

M S EL-Wazery, M I EL-Elamy và S H Zoalfakar [14] đã thực hiện nghiên cứu “Mechanical Properties of Glass Fiber Reinforced Polyester Composites” Kết quả nghiên cứu cho thấy độ bền kéo của vật liệu composite tăng từ 28,25 MPa đến 78,83 MPa, độ bền uốn tăng từ 44,65 MPa đến 119,23 MPa khi tỷ lệ trọng sợi thủy tinh tăng từ 15wt.% đến 60 wt.% Năng lượng va đập ở nhiệt độ phòng tăng từ 3,5 Joules đến 6,50 Joules với sự thay đổi tỷ lệ sợi thủy tinh từ 15wt.% đến 60 wt.% Ngoài ra, giá trị độ cứng cũng tăng đáng kể từ 31,5 BHN đến

Nghiên cứu cho thấy rằng khi tỷ trọng sợi thủy tinh gia cường tăng từ 15wt.% đến 60wt.%, các tính chất cơ học của nhựa polyester, bao gồm độ bền kéo và độ bền uốn, đã được cải thiện đáng kể.

Nghiên cứu của Shaik Javeed và S Venkateswarulu về "Thử nghiệm kéo và uốn trên composite epoxy gia cường sợi thủy tinh" cho thấy rằng độ bền kéo của vật liệu composite tăng từ 34,13 MPa lên 79,47 MPa khi trọng lượng sợi thủy tinh tăng từ 10 grams đến 30 grams, nhưng giảm khi trọng lượng sợi vượt quá 30 grams Mô đun đàn hồi kéo đạt giá trị tối đa với 30 grams sợi thủy tinh và cũng giảm khi trọng lượng sợi lớn hơn mức này Độ bền uốn tăng từ 116,4 MPa đến 232,84 MPa trong cùng khoảng trọng lượng sợi, nhưng cũng giảm khi tiếp tục tăng trọng lượng sợi Mô đun đàn hồi uốn cũng tăng khi trọng lượng sợi thủy tinh gia tăng.

Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển xã hội dẫn đến nhu cầu gia tăng về vật liệu, yêu cầu các vật liệu có tính năng cơ lý kỹ thuật cao hơn Vật liệu composite, với những ưu điểm như nhẹ, chắc chắn, bền bỉ, không gỉ, chống ăn mòn và giá thành hợp lý, đang trở thành lựa chọn ưu việt, khắc phục nhược điểm của vật liệu truyền thống và được ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng như trong kỹ thuật chế tạo.

Ngành công nghiệp vật liệu composite, mặc dù có lịch sử lâu đời, chỉ thực sự bùng nổ trong khoảng 50 năm qua, đặc biệt với sự phát triển của vật liệu composite polymer cốt sợi Vật liệu này nổi bật với nhiều ưu điểm như không gỉ, cường độ cao, trọng lượng nhẹ, trung tính với hiện tượng điện từ, dễ gia công và bảo quản tiết kiệm Gần đây, composite polymer cốt sợi đã trở thành vật liệu lý tưởng, thân thiện với môi trường và được nghiên cứu rộng rãi trên toàn cầu Composite polymer cốt sợi được cấu thành từ nhựa nền polymer và sợi gia cường, trong đó sợi thủy tinh, với giá thành rẻ, đang được sử dụng phổ biến Một trong những ứng dụng nổi bật là vật liệu composite nylon-6 (PA6) gia cường bằng sợi thủy tinh, nhờ vào tính kinh tế và cơ tính ưu việt của nó.

Nghiên cứu về vật liệu composite, đặc biệt là composite polymer gia cường bằng sợi, đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới Tuy nhiên, việc đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến cơ tính của composite polymer gia cường bằng sợi thủy tinh vẫn còn mới mẻ, đặc biệt tại Việt Nam Do đó, nghiên cứu "Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến độ bền kéo và uốn của vật liệu composite trong công nghệ ép phun" là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn lớn, nhằm củng cố lý thuyết và ứng dụng vào công nghệ chế tạo vật liệu composite polymer cốt sợi thủy tinh, cũng như trong sản xuất các sản phẩm phục vụ đời sống.

Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài này là phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến cơ tính của vật liệu composite nền nhựa PA6 gia cường sợi thủy tinh ngắn trong công nghệ ép phun Nghiên cứu tập trung vào các yếu tố như độ bền, mô đun đàn hồi kéo và uốn Dựa trên kết quả thu được, đề tài sẽ cung cấp phương trình hồi quy cho độ bền cũng như mô đun đàn hồi kéo và uốn tương ứng với tỷ lệ sợi thủy tinh thay đổi từ 0 đến 30%.

Với mục tiêu nghiên cứu trên, đề tài này có các nhiệm vụ nghiên cứu sau:

- Trình bày cơ sở lý thuyết về vật liệu composite, công nghệ ép phun, sợi thủy tinh và nhựa PA6 (Polyamide 6)

- Nghiên cứu và chế tạo mẫu thử

- Thực nghiệm kiểm tra độ bền uốn, độ bền kéo của vật liệu composite với tỷ lệ sợi thủy tinh ngắn thay đổi từ 0 – 30%

- Xử lý số liệu thực nghiệm

- Đưa ra được ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến cơ tính của vật liệu composite nền nhựa PA6 (Polyamide 6) gia cường sợi thủy tinh ngắn

Để nâng cao độ bền kéo và uốn của vật liệu composite nền nhựa PA6 gia cường sợi thủy tinh ngắn, cần đề xuất một số kiến nghị về tỷ lệ sợi thủy tinh Việc tối ưu hóa tỷ lệ này sẽ giúp cải thiện tính chất cơ học của sản phẩm, từ đó tăng cường hiệu suất sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp.

1.4 Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến độ bền kéo và uốn của vật liệu composite trong công nghệ ép phun

- Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm

- Phạm vi thời gian: Từ tháng 8 năm 2016 đến tháng 10 năm 2017

1.5 Giới hạn đề tài nghiên cứu

Do hạn chế về thời gian, khả năng và nguồn lực nên nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu các vấn đề sau:

- Chỉ nghiên cứu trong công nghệ ép phun

- Vật liệu composite sử dụng là composite nền nhựa PA6 (Polyamide 6) gia cường sợi thủy tinh ngắn với kớch thước 2-4àm

- Chỉ nghiên cứu trên sợi thủy tinh ngắn với tỷ lệ 0 – 30%

- Phương pháp thu thập tài liệu:

+ Thu thập tài liệu liên quan đến cơ sở lý thuyết của đề tài và xử lý tài liệu + Nghiên cứu tiêu chuẩn ISO 178 và 527

Phương pháp kế thừa là việc lựa chọn tài liệu và các công trình nghiên cứu có liên quan từ cả trong nước và quốc tế để phục vụ cho vấn đề nghiên cứu.

Giới hạn đề tài nghiên cứu

Do hạn chế về thời gian, khả năng và nguồn lực nên nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu các vấn đề sau:

- Chỉ nghiên cứu trong công nghệ ép phun

- Vật liệu composite sử dụng là composite nền nhựa PA6 (Polyamide 6) gia cường sợi thủy tinh ngắn với kớch thước 2-4àm

- Chỉ nghiên cứu trên sợi thủy tinh ngắn với tỷ lệ 0 – 30%.

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập tài liệu:

+ Thu thập tài liệu liên quan đến cơ sở lý thuyết của đề tài và xử lý tài liệu + Nghiên cứu tiêu chuẩn ISO 178 và 527

Phương pháp kế thừa là việc lựa chọn tài liệu và các công trình nghiên cứu có liên quan từ trong nước và quốc tế, nhằm phục vụ cho vấn đề nghiên cứu cụ thể.

- Phương pháp thiết kế và gia công mẫu: Chế tạo mẫu thử bằng phương pháp ISO 527 (ASTM D 638); ISO 178 (ASTM D 6272)

- Phương pháp thực nghiệm: Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến độ bền kéo và uốn của vật liệu composite trong công nghệ ép phun

Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm được thực hiện bằng cách áp dụng quy hoạch thực nghiệm đơn yếu tố, sử dụng phần mềm Sigma Plot 11 để hỗ trợ phân tích và trình bày kết quả.

Phương pháp đánh giá được thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu nhằm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh ngắn đến các tính chất cơ học của vật liệu composite nền nhựa PA6, bao gồm độ bền kéo, độ bền uốn và mô đun đàn hồi.

Kết cấu đề tài

Chương 1: Tổng quan – Khái quát về đề tài nghiên cứu.

GIỚI THIỆU

Vật liệu composite

2.1.1 Khái niệm và tính chất 2.1.1.1 Khái niệm

Vật liệu composite là sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo ra một vật liệu mới với các tính chất vượt trội hơn so với từng thành phần riêng lẻ.

Vật liệu composite bao gồm hai thành phần chính: vật liệu nền và vật liệu cốt Vật liệu nền đóng vai trò liên kết các cốt lại với nhau, giúp tạo ra một cấu trúc nguyên khối và liên tục, đồng thời cung cấp độ bền nhiệt, bền hóa và khả năng chịu đựng khi có khuyết tật Các loại vật liệu nền có thể là polymer, kim loại, hợp kim, gốm hoặc cacbon Vật liệu cốt, bao gồm các hạt ngắn, bột hoặc sợi như sợi thủy tinh, sợi polymer, sợi gốm, sợi kim loại và sợi cacbon, đảm bảo cho composite có mô đun đàn hồi và độ bền cơ học cao.

Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào những đặc tính sau đây:

Cơ tính của các vật liệu thành phần ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của vật liệu composite Khi các vật liệu thành phần có cơ tính tốt, vật liệu composite sẽ đạt được tính chất vượt trội hơn so với từng thành phần riêng lẻ.

Luật phân bố hình học của vật liệu cốt cho thấy rằng, khi vật liệu cốt không được phân bố đồng đều, vật liệu composite sẽ dễ bị phá huỷ ở những khu vực có mật độ vật liệu cốt thấp.

Với composite cốt sợi, hướng của sợi ảnh hưởng đến tính dị hướng của vật liệu, cho phép điều chỉnh tính chất này theo nhu cầu để phát triển vật liệu và công nghệ phù hợp.

Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần là yếu tố quan trọng trong xây dựng, trong đó vật liệu cốt và nền cần liên kết chặt chẽ để tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau Một ví dụ điển hình là sự kết hợp giữa cốt thép và xi măng trong bê tông, giúp cải thiện độ bền và khả năng chịu lực của công trình.

2.1.2 Phân loại vật liệu composite 2.1.2.1 Phân loại theo hình dạng

Khi phân loại theo hình dạng thì vật liệu composite bao gồm những loại sau: composite hạt, composite sợi, composite phiến, composite vảy, composite điền đầy (Hình 2.1)

Hình 2.1: Các loại vật liệu composite a) Composite hạt; b) Composite sợi; c) Composite phiến d) Composite vảy; e) Composite điền đầy

2.1.2.2 Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần

Khi phân loại theo bản chất vật liệu thành phần, composite bao gồm những loại sau:

- Composite nền hữu cơ: nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi khoáng hoặc sợi kim loại

- Composite nền kim loại: nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng, cốt thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC

- Composite nền gốm: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc kim loại hoặc hạt gốm

2.1.3 Vật liệu và thành phần của composite 2.1.3.1 Vật liệu nền

- Nhựa polymer nhiệt rắn hoặc nhiệt dẻo

Vật liệu gia cường đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì vật liệu gia cường (cốt) thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa

Có ba dạng cốt cơ bản:

Cốt dạng sợi là loại vật liệu có chiều dài vượt trội so với chiều rộng và chiều cao, phân bố gián đoạn trong composite Trong khi chiều dài có thể liên tục hoặc gián đoạn, các sản phẩm composite dân dụng chủ yếu được chế tạo từ vật liệu này, thường dựa trên nền nhựa.

Cốt dạng hạt là loại vật liệu gián đoạn, không có kích thước ưu tiên như sợi Bê tông, một trong những vật liệu composite cốt hạt phổ biến nhất, thường được gọi ngắn gọn là bê tông Vì vậy, khi nhắc đến composite, người ta thường liên tưởng đến vật liệu composite cốt sợi.

Cốt dạng vải là tổ hợp bề mặt của vật liệu cốt sợi, được sản xuất bằng công nghệ dệt Các kỹ thuật dệt truyền thống thường gặp bao gồm dệt lụa trơn, dệt xa tanh, dệt vân chéo, dệt vải mô đun cao và dệt đồng phương Kiểu dệt, hay còn gọi là cách đan sợi, là yếu tố quan trọng trong quá trình này Ngoài ra, kỹ thuật dệt cao cấp còn bao gồm các kiểu dệt đa phương như bện, tết và dệt thể tích, tạo nên vải đa phương phong phú.

2.1.3.3 Vùng chuyển tiếp trong composite

Vùng trung gian, nơi tiếp xúc giữa cốt và nền, đóng vai trò quyết định đến cơ tính và các thuộc tính của composite Đây là khu vực chuyển tải trọng từ nền sang cốt, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của vật liệu Nhiều yếu tố tác động đến thành phần và thể tích của vùng chuyển tiếp, trong đó tính thấm ướt là yếu tố quan trọng, yêu cầu pha nền lỏng phải thấm ướt pha gia cường trước khi đóng rắn Tuy nhiên, việc tạo ra liên kết lý tưởng giữa nền và cốt thường gặp khó khăn do sự khác biệt về hóa lý của các vật liệu.

Là những vật liệu liệu nhằm cải thiện một số tính chất của composite như:

- Tính dẫn điện, dẫn nhiệt: thường dùng bột, sợi hoặc vảy kim loại như Fe, Cu, Al,… hoặc bi tráng kim loại

- Bôi trơn khi dỡ khuôn

Chất nền không những là chất làm các sợi gia cố dính lại với nhau mà còn có tác dụng phân bố lực đồng đều trên toàn bộ composite

Nhựa nền đóng vai trò quan trọng như một chất kết dính, giúp tạo ra môi trường phân tán và truyền tải ứng suất từ ngoại lực đến cốt vật liệu Nó có thể được hình thành từ một hoặc nhiều loại chất được trộn lẫn đồng nhất, tạo thành một thể liên tục.

Vật liệu composite nền kim loại, đặc biệt là kim loại màu, được ưa chuộng trong kỹ thuật nhờ vào những ưu điểm vượt trội như trọng lượng nhẹ, khả năng bền bỉ ở nhiệt độ cao và khả năng chống mài mòn tốt Công nghệ chế tạo các vật liệu này cũng đơn giản hơn so với kim loại đen.

- Composite nền nhôm cốt hạt

- Composite nền nhôm cốt sợi

- Composite nền đồng hạt thép

Vật liệu composite nền gốm (ceramic matrix composite, CMC) đã được phát triển để khắc phục những nhược điểm của gốm nguyên khối, bao gồm tính dòn và khả năng ứng dụng hạn chế Việc nghiên cứu và ứng dụng CMC giúp nâng cao độ bền và khả năng chịu lực, mở rộng tiềm năng sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

Vật liệu composite nền gốm được sử dụng rộng rãi trong các chi tiết làm việc ở môi trường khắc nghiệt như động cơ tên lửa, động cơ phản lực, và vỏ cách nhiệt của tàu không gian Những ứng dụng này thường yêu cầu khả năng chịu nhiệt độ cao mà khó có thể làm nguội bằng chất lỏng thông thường Việc thay thế siêu hợp kim bằng vật liệu gốm composite không chỉ giúp giảm trọng lượng mà còn rất quan trọng cho ngành hàng không vũ trụ.

Trong composite nền gốm, vật liệu cốt có thể là dạng không liên tục như hạt, sợi ngắn hoặc lát vụn, hoặc dạng liên tục như sợi Đối với cốt gián đoạn, độ bền và độ dai va đập chỉ có thể tăng đến một mức nhất định nhưng vẫn đủ để ứng dụng Một ví dụ điển hình là composite SiC/Si3N4, trong đó SiC là pha gia cường và Si3N4 là vật liệu nền, được sử dụng trong lĩnh vực dụng cụ cắt.

2.1.7 Ứng dụng của vật liệu composite 2.1.7.1 Trong một số lĩnh vực của đời sống

- Giao thông vận tải: Thay thế các loại sắt, gỗ, ván như: càng, thùng trần của các loại xe ôtô, một số chi tiết của xe môtô

- Hàng hải: Làm ghe, thuyền, thùng, tàu

Công nghệ ép phun

Công nghệ ép phun là quy trình phun nhựa nóng chảy vào khuôn để tạo hình sản phẩm Sau khi nhựa được làm đầy, khuôn sẽ mở ra và sản phẩm sẽ được đẩy ra ngoài nhờ hệ thống đẩy, mà không có bất kỳ phản ứng hóa học nào xảy ra trong suốt quá trình này.

Chúng ta dễ dàng nhận thấy sự hiện diện của nhiều sản phẩm nhựa trong cuộc sống hàng ngày, từ dụng cụ học tập như thước, bút đến đồ chơi và các sản phẩm phức tạp như bàn ghế, máy tính Những sản phẩm này không chỉ đa dạng về màu sắc và hình dáng mà còn góp phần làm cho cuộc sống của chúng ta thêm đẹp và tiện nghi Công nghệ ép phun đã đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất các sản phẩm nhựa, khiến chúng trở thành một phần thiết yếu trong đời sống hiện đại.

Vật liệu nhựa, với đặc tính dẻo dai, khả năng tái chế và không phản ứng hóa học với không khí ở điều kiện bình thường, đang dần thay thế các vật liệu truyền thống như sắt, nhôm và gang, vốn ngày càng khan hiếm Hiện nay, công nghệ ép phun được hỗ trợ bởi nhiều loại máy ép phun hiện đại, đáp ứng nhu cầu sản xuất ngày càng cao.

Hình 2.2: Sơ đồ vận hành của máy ép phun

 Nguyên lý vận hành như sau:

Nguyên liệu được cung cấp cho máy ép phun theo chu kỳ, sau khi hóa dẻo, sẽ được phun vào khuôn đã được kẹp chặt Hình dạng của khuôn quyết định hình dáng sản phẩm cuối cùng Sau khi được định hình và làm nguội trong khuôn, quá trình mở khuôn sẽ diễn ra để lấy sản phẩm ra ngoài.

- Đặc điểm của công nghệ ép phun là quá trình sản xuất diễn ra theo chu kỳ

- Thời gian chu kỳ phụ thuộc vào trọng lượng của sản phẩm, nhiệt độ của nước làm nguội khuôn và hiệu quả hệ thống làm nguội khuôn

- Chất lượng và năng suất của sản phẩm phụ thuộc vào chất lượng máy ép phun, chất lượng của khuôn mẫu, vật liệu.

Sợi thủy tinh

Vật liệu thủy tinh đã có lịch sử sử dụng lâu đời, bắt đầu từ thời kỳ Ai Cập cổ đại khi người dân sử dụng thủy tinh trong đất sét để ngăn chặn sự co ngót của sản phẩm sau khi nung Đến thế kỷ XVIII, sợi thủy tinh được ứng dụng trong gấm thêu kim tuyến tại Pháp Sự ra đời của sợi thủy tinh E vào những năm 30 của thế kỷ XX đánh dấu một bước tiến quan trọng trong sự phát triển và thương mại hóa của ngành công nghiệp thủy tinh.

Vào năm 1935, nhựa nhiệt rắn như polyester đã được sử dụng để sản xuất vật liệu composite gia cường bằng sợi thủy tinh, đặc biệt là trong việc chế tạo máy che rada cho máy bay trong Thế chiến II Kể từ đó, vật liệu polymer composite dựa trên sợi thủy tinh và các sợi tăng cường khác như cacbon và aramit đã phát triển mạnh mẽ Hiện nay, composite gia cường bằng sợi thủy tinh được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm giao thông vận tải (chế tạo thiết bị ô tô, tàu hỏa), xây dựng (panel, tấm chắn gió) và ngành hàng không vũ trụ.

Sợi thủy tinh được ứng dụng rộng rãi nhờ có nhiều ưu điểm:

- Bền hóa, bền môi trường

- Độ bền, độ cứng cao

- Đa dạng, giá thành thấp

Sợi thủy tinh, mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng cũng tồn tại nhược điểm như khả năng hấp thụ nền kém, dẫn đến tính chất vật liệu không cao Đối với các vật liệu polymer composite yêu cầu độ bền cao và tỷ trọng thấp mà không quá chú trọng đến chi phí, sợi thủy tinh ít được sử dụng Việc lựa chọn vật liệu gia cường phù hợp cần dựa vào yêu cầu cụ thể của từng sản phẩm.

2.3.2 Phân loại sợi thủy tinh

Theo tính chất, thành phần của sợi thủy tinh có thể phân loại thành các loại vải thủy tinh như sau:

- E – glass (Electrical glass): được sử dụng để chế tạo vật liệu cách điện

- A – glass (Alkaline glass): sợi thủy tinh chịu môi trường kiềm tốt

- C – glass (Chemicals glass): sợi thủy tinh chịu môi trường hóa chất

- S, R – glass: sợi thủy tinh có mô đun cao, độ bền cao

Bảng 2.1: Tính chất cơ lý của các loại sợi thủy tinh [4]

Khối lượng riêng (g/cm 3 ) 2,58 2,44 2,52 2,46 2,54 Điểm nóng chảy ( 0 C) 846 705 750 1056 952 Độ bền kéo (MPa) 3400 3100 3100 4590 4400

Mô đun đàn hồi (GPa)

2.3.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của sợi gia cường

- Sự sắp xếp của sợi

2.3.4 So sánh tính chất của một số loại vật liệu gia cường

Bảng 2.2: Tính chất của một số loại vật liệu gia cường

Vật liệu Mô đun (GPa) Độ bền (MPa) Khối lượng riêng (g/cm 3 )

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các phương pháp xác định cơ tính mẫu thử

3.2.1 Độ bền kéo Độ bền kéo là đặc tính chịu được lực kéo đứt vật liệu Đơn vị tính thông thường là Kg/cm 2 , hay N/mm 2 (hay MPa) Độ bền kéo có thể được hiểu là khi một lực tác động tăng dần đến khi vật liệu dạng sợi hay trụ bị đứt hoặc xuất hiện vết đứt Hay nói cách khác, độ bền kéo là giới hạn lớn nhất của ứng suất kéo làm đứt vật liệu xét Giá trị lực kéo giới hạn cho sự đứt của vật liệu được ghi lại được ký hiệu là  t Độ bền kéo phụ thuộc vào những yếu tố sau: vật liệu kiểm tra, điều kiện

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu và chế tạo mẫu thử Ép nhựa mẫu thử đã chế tạo

Kiểm tra độ bền kéo và uốn của mẫu thử cho thấy tỷ lệ %GF có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo và uốn, cũng như mô đun đàn hồi E Kết luận cho thấy tốc độ kéo là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền kéo, do đó cần được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình thử nghiệm.

Hình 3.2: Mẫu thí nghiệm đo độ bền kéo

Phương pháp đo độ bền kéo được thực hiện theo tiêu chuẩn ISO 527 – 2012, sử dụng máy đo INTRON 3382 của Mỹ Thí nghiệm được tiến hành với tốc độ kéo 5 mm/phút, tại nhiệt độ 25 độ C và độ ẩm 65%.

Trong đó: F max : Lực kéo lớn nhất ghi được (N), 1 kgf = 9,8 (N)

A: Tiết diện ngang của mẫu (mm 2 )  t : Độ bền kéo (MPa) Ứng dụng: Độ bền kéo được ứng dụng rất nhiều cho các vật liệu trong các lĩnh vực như thiết kế chế tạo máy, xây dựng, khoa học vật liệu

3.2.2 Độ bền uốn Độ bền uốn của vật liệu hay điểm cong vênh là khái niệm dùng trong ngành cơ khí và khoa học vật liệu để chỉ trạng thái giới hạn bị cong vênh khi vật liệu đó chịu ứng suất uốn Trước khi đến giới hạn uốn, vật liệu sẽ bị biến dạng đàn hồi, và trạng thái đó trở lại trạng thái ban đầu khi mà tải trọng bị loại bỏ Khi vượt qua điểm cong vênh, một vài tổ chức nhỏ xuất hiện biến dạng vĩnh viễn, không thể phục hồi trạng thái ban đầu khi tải trọng bị loại bỏ

Hiểu biết về độ bền uốn rất quan trọng trong thiết kế hệ thống chịu tải trong các lĩnh vực kết cấu như cầu, cần cẩu và cầu trục Nó cũng hỗ trợ trong việc thiết kế các thiết bị gia công biến dạng như cán và uốn vật liệu Trong xây dựng, hiện tượng cong vênh có thể dẫn đến biến dạng mềm, trừ khi vật liệu hoàn toàn bị sụp đổ.

Hình 3.3: Mẫu thí nghiệm đo độ bền uốn Độ bền uốn tĩnh: 3 max 2 b 2

F max là lực uốn lớn nhất ghi nhận được (N), với 1 kgf tương đương 9,8 N Khoảng cách giữa tâm các gối tựa được tính bằng mm, trong khi b là chiều rộng mẫu thử (mm) và t là chiều dày mẫu thử (mm) Ứng dụng của các thông số này rất quan trọng trong thiết kế các hệ thống chịu tải như cầu, cần cẩu, cầu trục, cũng như các hệ thống chịu tải trọng trong lĩnh vực xây dựng và thủy lợi.

3.2.3 Mô đun đàn hồi kéo

Với  t : Ứng suất kéo của vật liệu composite (MPa)

 : Biến dạng của vật liệu composite (mm) t : Mô đun đàn hồi kéo (MPa)

Thay công thức (3.1) và công thức (3.4) vào công thức (3.3) ta có: t t t t

3.2.4 Mô đun đàn hồi uốn

Với : Khoảng cách giữa tâm của các gối tựa (mm)

F: Lực uốn lớn nhất ghi được (N), 1 kgf = 9,8 (N) b: Chiều rộng mẫu thử (mm) t: Chiều dày mẫu thử (mm)  : Độ võng của mẫu thử (mm) : Mô đun đàn hồi uốn (MPa)

MÔ TẢ THÍ NGHIỆM

Tỷ lệ pha trộn của PA6 B30S (PA6-0%GF) và PA6 BKV (PA6-30%GF) 28 4.2 Thông số ép phun

Từ công thức (3.14) ta có: f c m c f  f m  m f m v    v   

Thay công thức (4.1) và (4.2) vào công thức (3.10) ta có: f f f c c f f f  f c f m  f m

Với  f  1,96 - khối lượng riêng của vật liệu cốt sợi thủy tinh ngắn (g/cm 3 )

  - khối lượng riêng của vật liệu nền PA6 (g/cm 3 ) [8]

Tiến hành với 7 lần ép với tỷ lệ 0% GF, 5% GF, 10% GF, 15% GF, 20%

Ta có 2 loại vật liệu PA6 B30S [12] có 0% GF và PA6 BKV [13] có 30%

GF cần pha trộn với nhau để được các tỷ lệ %GF theo yêu cầu thực nghiệm

1) Tỷ lệ 0% GF thì ta lấy 1000g PA6 B30S

2) Tỷ lệ 30% GF thì ta lấy 1000g PA6 BKV Với v f  30% , áp dụng công thức (4.3) ta có:

3) Tỷ lệ 5% GF Với M c  1000 - khối lượng của mẫu thử composite, (g) cho sẵn trước vào Với v f  5% , áp dụng công thức (4.3) ta có:

Quy đổi qua M f  30%  để dễ tính toán M m   5% và M f   5%

Ta thấy M f  30%   5,113 M f   5% trong M c  1000 g Để đạt được tỷ lệ 5% GF tính theo tỷ lệ 30% thì ta nhân thêm

Mà trong M c  1000 g của PA6 BKV đã có M m  575, 758 g thì ta chỉ cần thêm M m  4688, 723 575, 758   4112,965 g

Vậy để đạt được tỷ lệ 5% GF thì ta trộn:

1000g PA6 BKV với 4112,965g PA6 B30S hoặc 195,58g PA6 BKV với 804,42g PA6 B30S

4) Tỷ lệ 10% GF Với M c  1000 - khối lượng của mẫu thử composite, (g) cho sẵn trước vào Với v f  10% , áp dụng công thức (4.3) ta có:

Quy đổi qua M f  30%  để dễ tính toán M m  10%  và M f  10% 

Ta thấy M f  30%   2,645 M f  10%  trong M c  1000 g Để đạt được tỷ lệ 10% GF tính theo tỷ lệ 30% thì ta nhân thêm

Mà trong M c  1000 g của PA6 BKV đã có M m  575, 758 g thì ta chỉ cần thêm M m  2220, 761 575, 758 1645, 003   g

Vậy để đạt được tỷ lệ 10% GF thì ta trộn:

5) Tỷ lệ 15% GF Tương tự với cách tính tỷ lệ 5% GF và 10% GF Vậy để đạt được tỷ lệ 15% GF thì ta trộn:

Bảng 4.1: Thống kê khối lượng PA6 BKV và PA6 B30S thực nghiệm

STT Tỷ lệ PA6 B30S PA6 BKV

Bảng 4.2: Thông số máy ép phun Shinwell SW120B

Injection unit Hệ thống phun

1 Đường kính trục vít 80 mm 85 mm 90 mm

2 Áp lực phun 2083 Kg/cm 2 1845

3 Thể tích ép 2187 Cm 3 2468 Cm 3 2767 Cm 3

4 Trọng lượng ép 1837 Gram 2073 Gram 2325 Gram

5 Tỷ lệ ép 389 cm 3 /sec 439 cm 3 /sec 492 cm 3 /sec

6 Công suất khả năng tính dẻo 234 kg/hr 264 kg/hr 296 kg/hr

Dựa trên kết quả nghiên cứu về thông số ép phun tối ưu cho vật liệu composite, nghiên cứu này đã áp dụng các thông số này để tiến hành ép các sản phẩm thí nghiệm.

Clamping unit Hệ thống kẹp khuôn

9 Hành trình độ mở khuôn ép 860 mm

10 Khoảng cách giữa các thanh trụ 860 x 800 mm

11 Kích thước trục cuốn ép 1280 x 1260 mm

12 Chiều cao khuôn ép nhỏ - lớn 300- 900 mm

13 Hàng trình bộ phun ép 250 mm

16 Động cơ phun ép 80/59.68 HP/kw

17 Động cơ hệ thống sinh nhiệt 33.4 Kw

19 Dung tích thùng dầu 1100 U.S.gal

Bộ khuôn mẫu thử

Hình 4.1: Bộ khuôn hoàn chỉnh

Tấm kẹp trên Vòng định vị Khuôn dương Khuôn âm

Lò xo Tấm kẹp dưới Tấm giữ Tấm đẩy

Sản phẩm mẫu thử

Sau khi hoàn thiện lắp ráp bộ khuôn, bộ khuôn được đưa vào máy ép nhựa SW-120B để tiến hành ép thử sản phẩm theo thông số máy ép được cung cấp trong bảng 4.2 Kết quả sản phẩm sau khi ép như sau:

Hình 4.2: Sản phẩm sau khi ép thử

Mẫu thử uốn tiêu chuẩn ISO 178

Bảng 4.3: Kết quả ép mẫu thử uốn ISO 178

Kích thước thực tế (mm)

Hình 4.3: Chiều dài mẫu thử uốn ISO 178 thực tế

Hình 4.4: Chiều rộng mẫu thử uốn ISO 178 thực tế

Hình 4.5: Bề dày mẫu thử uốn ISO 178 thực tế

Mẫu thử kéo tiêu chuẩn ISO 527

Bảng 4.4: Kết quả ép mẫu thử kéo ISO 527

Kích thước thực tế (mm)

Chiều rộng 2 đầu 20 ± 0,2 20,22 Độ dày 4 ± 0,2 4,10

Hình 4.6: Chiều dài mẫu thử kéo ISO 527 thực tế

Hình 4.8: Chiều rộng hai đầu mẫu thử kéo ISO 527 thực tế

Hình 4.9: Bề dày của mẫu thử kéo ISO 527 thực tế

ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ SỢI THỦY TINH ĐẾN CƠ TÍNH CỦA MẪU THỬ

Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến độ bền kéo của vật liệu composite

5.1.1 Quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và độ bền kéo của vật liệu composite

Ta có tiết diện ngang: A = 10,05 4,1 (mm 2 ) Áp dụng công thức (3.1), độ bền kéo được tính như trong Bảng 5.1

Bảng 5.1: Kết quả đo trung bình độ bền kéo của các mẫu thử

STT Loại nhựa TB Lực Kéo (kgf) (MPa)

Hình 5.1: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và độ bền kéo của vật liệu composite Nhận xét:

Kết quả thực nghiệm cho thấy độ bền kéo của vật liệu composite tăng từ 44,14 MPa lên 56,02 MPa khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% đến 10%.

- Tuy nhiên độ bền kéo của vật liệu bắt đầu giảm dần khi tiếp tục tăng tỷ lệ

Độ bền kéo của vật liệu tăng lên với tỷ lệ %GF, đạt mức cao nhất là 37,50 MPa khi tỷ lệ %GF đạt 30% Các tỷ lệ %GF lần lượt là 15%, 20% và 25% đều cho thấy sự cải thiện đáng kể trong tính chất cơ học của vật liệu.

- Tỷ lệ %GF thay đổi làm độ bền kéo của vật liệu cũng thay đổi theo

5.1.2 Xử lí số liệu thực nghiệm

Sử dụng phần mềm Sigma Plot 11 để xác định phương trình gần đúng cho mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và độ bền kéo của vật liệu composite Dựa vào hình dạng của biểu đồ, có thể lựa chọn một phương trình phù hợp trong phần mềm để khớp với các điểm dữ liệu thực nghiệm.

Hình 5.2: Phương trình gần đúng với các điểm thực nghiệm của độ bền kéo

Từ đó ta có phương trình gần đúng với các điểm thực nghiệm là phương trình sau:

  với độ tin cậy là 99,84%

5.1.3 Giải thích kết quả thực nghiệm

Trong quá trình gia công nhựa PA6, các sản phẩm polymer thường gặp khuyết tật, dẫn đến việc khi chịu lực, các phân tử ở mép khuyết tật phải chịu ứng suất lớn hơn Sự tập trung ứng suất này gây ra sự phá hủy mạch đại phân tử gần mép khuyết tật, ngay cả khi lực tác động chưa vượt quá ngưỡng phá hủy vật liệu Khi các khuyết tật phát triển, chúng có thể dẫn đến sự phá hủy hoàn toàn mẫu Do đó, việc gia cường sợi thủy tinh cho nhựa PA6 là cần thiết để lấp đầy các chỗ trống và tăng cường độ bền cho sản phẩm.

Sợi thủy tinh gia cường tạo ra liên kết mạnh mẽ với nền nhựa PA6, giúp tăng cường độ bền của vật liệu bằng cách phân tán năng lượng tác động và giảm sự tập trung ứng suất Sự gia cường này ảnh hưởng đến cơ tính của nhựa PA6, tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước, sự đồng đều trong phân tán và tỷ lệ giữa sợi thủy tinh và nền nhựa Đặc biệt, tỷ lệ sợi thủy tinh có vai trò quan trọng trong việc cải thiện mô đun đàn hồi, độ cứng và độ bền của vật liệu composite.

Độ bền kéo không tăng tuyến tính với tỷ lệ sợi gia cường, mà có một tỷ lệ tối ưu cho độ bền cơ tính cao nhất Tỷ lệ sợi gia cường quá cao có thể gây ra sự tập hợp các sợi, trong khi tỷ lệ quá thấp lại không cải thiện độ bền vật liệu đủ mức yêu cầu.

Nghiên cứu cho thấy, việc tăng tỷ lệ %GF từ 0% đến 10% đã cải thiện độ bền kéo của vật liệu composite, với độ bền kéo tăng từ 44,14 MPa lên 56,02 MPa Sự gia tăng tỷ lệ sợi thủy tinh giúp nâng cao khả năng chịu lực của vật liệu do sợi có khả năng chịu kéo tốt hơn nhựa Khi tỷ lệ sợi thủy tinh chưa vượt quá mức tối ưu, sự phân tán của sợi vào nhựa PA6 diễn ra đồng đều, tạo ra khả năng bám dính và bao bọc cao Tuy nhiên, độ bền kéo bắt đầu giảm khi tỷ lệ %GF tăng lên 15%, 20%, 25%, với giá trị đạt 37,50 MPa ở mức 25%.

Tỷ lệ sợi thủy tinh (%GF) tối ưu cho độ bền kéo cao nhất trong nghiên cứu này là 10% Khi %GF vượt quá mức này, như ở các tỷ lệ 15%, 20%, 25% và 30%, khả năng liên kết giữa nhựa PA6 và sợi thủy tinh giảm sút, dẫn đến sự phân tán không đồng đều và tạo ra các khoảng trống Điều này làm giảm độ bền kéo do sự tích tụ sợi thủy tinh, gây ra điểm tập trung ứng suất và làm cho mẫu dễ bị phá hủy sớm.

Các bề mặt đứt gãy do tác động kéo của các mẫu thử nghiệm được giải thích thông qua những bức ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Hình 5.3: Ảnh hiển vi điện tử của bề mặt đứt gãy do tác động kéo của vật liệu composite PA6 gia cường 0% GF

Hình 5.3 – 5.9 minh họa hình ảnh SEM của bề mặt đứt gãy dưới tác động kéo với các tỷ lệ khác nhau của sợi thủy tinh ngắn gia cường Ở tỷ lệ 0% sợi thủy tinh (Hình 5.3), cấu trúc nhựa PA6 thể hiện sự đồng đều và có hình dạng gợn sóng, cho thấy sự hòa trộn tốt của chất nền trong nhựa PA6.

Cấu trúc biến dạng của sợi thủy tinh ngắn gia cường nhựa PA6 được thể hiện qua các hình ảnh (Hình 5.4 – 5.9), cho thấy sự liên kết giữa sợi và nền là yếu tố quyết định độ bền kéo Hình ảnh SEM chỉ ra hiện tượng nứt của sợi và hư hại ở chất nền, đồng thời cho thấy sự lệch lạc của sợi và khoảng trống giữa sợi và nền Đối với tỷ lệ sợi thủy tinh nhỏ hơn 10%, mẫu bị phá hủy chủ yếu do sợi trượt trên khoảng trống của chất nền, trong khi với tỷ lệ sợi lớn hơn 10%, sự đứt gãy của sợi trở thành nguyên nhân chính gây hư hại.

Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến mô đun đàn hồi E của vật liệu

composite đánh giá độ bền kéo theo tiêu chuẩn ISO 527

5.2.1 Quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi kéo E của vật liệu composite

Ta có chiều dài mẫu thử: = 80 (mm) Thay vào công thức (3.5) ta có:

Kết quả đo trung bình tương ứng của ứng suất và biến dạng các mẫu thử được tính như trong Bảng 5.2

Bảng 5.2: Kết quả đo trung bình tương ứng của ứng suất và biến dạng các mẫu thử

STT Loại nhựa (mm) (MPa)

7 PA6 + 30% GF 4 33,0 Áp dụng công thức (5.1), kết quả đo trung bình mô đun đàn hồi kéo E của các mẫu thử được trình bày trong Bảng 5.3

Bảng 5.3: Kết quả đo trung bình mô đun đàn hồi kéo E của các mẫu thử

Hình 5.10: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi kéo E của vật liệu composite

Kết quả thực nghiệm trong Hình 5.10 cho thấy, khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% đến 30%, mô đun đàn hồi kéo E của vật liệu composite tăng từ 350,09 MPa lên 660,52 MPa.

- Tỷ lệ %GF thay đổi làm mô đun đàn hồi kéo E của vật liệu cũng thay đổi theo

Sử dụng phần mềm Sigma Plot 11 để xác định phương trình gần đúng cho mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi kéo E của vật liệu composite Việc này giúp tối ưu hóa tính chất cơ học của composite và hỗ trợ trong quá trình thiết kế và ứng dụng vật liệu.

Từ dạng của biểu đồ ta có thể suy ra phương trình gần đúng có dạng: y = y 0 + ax

Hình 5.11: Phương trình gần đúng với các điểm thực nghiệm của mô đun đàn hồi

Từ đó chọn phương trình gần đúng với biểu đồ là phương trình bậc 1:

Kết quả xác định mô đun đàn hồi kéo cho thấy khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% đến 30%, mô đun đàn hồi kéo E của vật liệu composite tăng từ 350,09 MPa lên 660,52 MPa Sự gia tăng này là do ứng suất kéo tăng tại một điểm chuyển vị của biến dạng khi tỷ lệ sợi thủy tinh được nâng cao.

Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến độ bền uốn của vật liệu composite

theo tiêu chuẩn ISO 178 5.3.1 Quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và độ bền uốn của vật liệu composite

Ta có: = 70 (mm) b = 10,02 (mm) và t = 4,02 (mm) Áp dụng công thức (3.2), kết quả đo trung bình độ bền uốn của các mẫu thử được tính như trong Bảng 5.4

Bảng 5.4: Kết quả đo trung bình độ bền uốn của các mẫu thử

STT Loại nhựa TB Uốn (kgf) (MPa)

B en di ng S tr en g th (M P a)

Hình 5.12: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và độ bền uốn của vật liệu composite Nhận xét:

Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% đến 15%, độ bền uốn của vật liệu composite tăng từ 58,73 MPa lên 87,97 MPa.

- Tuy nhiên độ bền uốn của vật liệu bắt đầu giảm dần khi tiếp tục tăng tỷ lệ

Độ bền uốn của vật liệu đạt giá trị cao nhất là 85,17 MPa khi tỷ lệ %GF là 15% Khi tỷ lệ %GF tăng lên 20% và 25%, độ bền uốn vẫn duy trì ở mức cao, nhưng không vượt qua giá trị tối ưu tại 15%.

- Tỷ lệ %GF thay đổi làm độ bền uốn của vật liệu cũng thay đổi theo

Sử dụng phần mềm Sigma Plot 11 để xác định phương trình gần đúng cho mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và độ bền uốn của vật liệu composite Dựa vào hình dạng của biểu đồ, chúng ta có thể lựa chọn một phương trình trong phần mềm phù hợp với các điểm dữ liệu thực nghiệm.

B en di ng S tr en g th (M P a)

Hình 5.13: Phương trình gần đúng với các điểm thực nghiệm của độ bền uốn

Từ đó ta có phương trình gần đúng với các điểm thực nghiệm là phương trình sau:

   điều kiện  v f  0  với  0 là ứng suất của vật liệu PA6  v f   0  b   0

    điều kiện  v f  0  với độ tin cậy

Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% đến 15%, độ bền uốn của vật liệu composite tăng từ 58,73 MPa lên 87,97 MPa Sự gia tăng này là do sợi thủy tinh có khả năng chịu uốn cao hơn nhựa, giúp nâng cao khả năng chịu lực của vật liệu Khi tỷ lệ sợi thủy tinh chưa vượt qua mức tối ưu, sự phân tán sợi thủy tinh trong nhựa PA6 diễn ra đồng đều, dẫn đến khả năng bám dính và bao bọc giữa sợi thủy tinh và nhựa PA6 được cải thiện.

Tuy nhiên độ bền uốn của vật liệu bắt đầu giảm dần khi tiếp tục tăng tỷ lệ

Khi tỷ lệ sợi thủy tinh (%GF) tăng lên 20% và 25%, độ bền uốn của vật liệu đạt 85,17 MPa ở mức 30% GF Tuy nhiên, khi tỷ lệ sợi thủy tinh quá cao, tính chất chịu uốn của vật liệu bị giảm do sự phân bố không đồng đều của sợi thủy tinh trong nhựa PA6 Sự tập trung ứng suất do tích tụ sợi thủy tinh và việc nhựa không đủ bao phủ sợi dẫn đến giảm tính liên tục của vật liệu, làm giảm khả năng chịu lực Kết quả là mẫu sẽ bị phá hủy sớm Do đó, tỷ lệ %GF tối ưu cho độ bền uốn tốt nhất là 15%, với giá trị đạt 87,97 MPa.

Các bề mặt đứt gãy do tác động uốn của các mẫu thử nghiệm được giải thích

Hình 5.14: Ảnh hiển vi điện tử của bề mặt đứt gãy do tác động uốn của vật liệu composite PA6 gia cường 0% GF

Hình 5.14 – 5.20 trình bày các bức ảnh SEM của bề mặt đứt gãy do tác động uốn với các tỷ lệ khác nhau của sợi thủy tinh ngắn gia cường Những bức ảnh này minh họa rõ ràng sự gãy của sợi và hư hại của chất nền, đồng thời cho thấy sự không thẳng hàng của các sợi và sự hình thành khoảng trống giữa sợi và chất nền.

Tỷ lệ %GF là 20, 25 và 30% cho thấy tính chất dòn của sợi thủy tinh, dễ bị biến dạng khi uốn Sự phá vỡ các sợi ở bề mặt và biến dạng của vật liệu là nguyên nhân chính gây ra sự phá vỡ tại tải trọng cao Tỷ lệ sợi thủy tinh cao tạo ra nhiều khoảng trống, dẫn đến liên kết kém giữa các sợi và chất nền, làm tăng nguy cơ gãy và nứt.

Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến mô đun đàn hồi E của vật liệu

composite đánh giá độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178 5.4.1 Quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi uốn E của vật liệu composite

Ta có: = 70 (mm) b = 10,02 (mm) t = 4,02 (mm) Thay vào công thức (3.6) ta có:

Kết quả đo trung bình tương ứng của lực uốn và độ võng các mẫu thử được tính như trong Bảng 5.5

Bảng 5.5: Kết quả đo trung bình tương ứng của lực uốn và độ võng các mẫu thử

STT Loại nhựa (mm) F (kgf)

7 PA6 + 30% GF 5 5,64 Áp dụng công thức (5.2), kết quả đo trung bình mô đun đàn hồi uốn E của các mẫu thử như được trình bày trong Bảng 5.6

Bảng 5.6: Kết quả đo trung bình mô đun đàn hồi uốn E của các mẫu thử

Hình 5.21: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi uốn E của

Kết quả thực nghiệm trong Hình 5.21 cho thấy rằng khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% lên 30%, mô đun đàn hồi uốn E của vật liệu composite đã tăng từ 583,52 MPa lên 1456,21 MPa.

- Tỷ lệ %GF thay đổi làm mô đun đàn hồi uốn E của vật liệu cũng thay đổi theo

Phần mềm Sigma Plot 11 được sử dụng để xác định phương trình gần đúng mô tả mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi uốn E của vật liệu composite Việc này giúp tối ưu hóa tính chất cơ học của vật liệu composite thông qua việc phân tích dữ liệu một cách chính xác.

Từ dạng của biểu đồ ta có thể suy ra phương trình gần đúng có dạng: y = y 0 + ax

Hình 5.22: Phương trình gần đúng với các điểm thực nghiệm của mô đun đàn hồi uốn E

Từ đó chọn phương trình gần đúng với biểu đồ là phương trình bậc 1:

Kết quả xác định mô đun đàn hồi uốn cho thấy rằng khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% đến 30%, mô đun đàn hồi uốn E của vật liệu composite tăng từ 583,52 MPa lên 1456,21 MPa Sự gia tăng này xảy ra do ứng suất uốn tăng tại một điểm chuyển vị của độ võng khi tỷ lệ sợi thủy tinh được tăng cường.

So sánh sự thay đổi độ bền kéo và độ bền uốn

Sự thay đổi độ bền kéo và độ bền uốn với các tỷ lệ %GF khác nhau được thể hiện trong Bảng 5.7

Bảng 5.7: Sự thay đổi độ bền kéo và độ bền uốn

STT Loại nhựa (MPa) (MPa)

Experiment Tensile Strength Bending Strength

Hình 5.23: Biểu đồ so sánh sự thay đổi độ bền kéo và độ bền uốn

Khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% đến 10%, cả độ bền kéo và độ bền uốn của nhựa PA6 đều được cải thiện Tuy nhiên, khi tỷ lệ %GF vượt quá 10%, độ bền kéo bắt đầu giảm, và độ bền uốn giảm khi tỷ lệ %GF vượt quá 15%.

- Tốc độ giảm của độ bền kéo nhanh hơn độ bền uốn khi tỷ lệ %GF vượt quá tỷ lệ tối ưu.

Tiêu đề	Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Tỉ Lệ Sợi Đến Độ Bền Kéo Và Uốn Của Vật Liệu Composite Trong Công Nghệ Ép Phun
Tác giả	Nguyễn Tiến Khang
Người hướng dẫn	PGS.TS. Đỗ Thành Trung
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cơ Khí
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ
Năm xuất bản	2017
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	136
Dung lượng	7,99 MB