tiểu luận vật liệu composite

Hiện nay người ta đang tìm cách thay thế các vật liệu khác bằng các vật liệu Composite nhằm tạo ra những kết cấu có cấu trúc bền và nhẹ vừa đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, vừa đảm bảo khả

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT TÀU THỦY



GVHD: LÊ VĂN BÌNHSVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG LỚP: 51TTDT-2

NHA TRANG,THÁNG 6 NĂM 2011

ĐỀ TÀI: BỒN NƯỚC COMPOSITE FRP/GPS LẮP GHÉP

LỜI MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống hiện nay, vật liệu đóng vai trò hết sức quan trọng phục vụ đời

sống con người Sự phát triển mạnh mẽ của công nghịêp hiện đại dẫn tới các nhu cầu

to lớn về loại vật liệu đồng thời có nhiều tính chất các vật liệu như kim loại, ceramic, polymer, composite.… khi đứng riêng rẽ không có được những tinh chất như vừa bền lại vừa nhẹ, rẻ, lại co tính chống ăn mòn cao Đặc biệt trong công nghệ chế tạo vật liệu, việc nắm bắt các cơ tính và khả năng làm việc của vật có ý nghĩa hết sức quan trọng trong quá trình xây dựng nên các vật liệu mang tính chất đặc trưng phục vụ cho đời sống

Đối với vật liệu Composite hiện nay có ứng dụng hết sức rộng rãi trong đời sống và trong kỹ thuật chế tạo Vật liệu Composite với nền là các phi kim hay kim loại có ứng dụng cao trong mọi lĩnh vực Hiện nay người ta đang tìm cách thay thế các vật liệu khác bằng các vật liệu Composite nhằm tạo ra những kết cấu có cấu trúc bền và nhẹ vừa đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, vừa đảm bảo khả năng làm việc của kết cấu với giá thành rẻ, phù hợp với công nghệ phát triển vật liệu hiện nay Vật liệu composite với các nền khác nhau đa dạng và sẽ là vật liệu mới của tương lai Nó có ứng dụng rất rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực, cả trong dân sự và trong hoạt động quân sự

Trong các sản phẩm composite đó có bồn nước composite

Bồn nước là sản phẩm không thể thiếu trong mỗi hộ gia đình, các công sở, các nhà máy xí nghiệp bồn nước có vai trò cực kì quan trọng không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta

I GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE

Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu Vật liệu Composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho Composite có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của Composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau

đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến thế giới lần thức hai Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu Composite đó là sự xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia cường như Polyeste, Nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng,y tế, thể thao, quân sự vv…

2 Ưu điểm:

Tính ưu việt của vật liệu Composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt của Composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự

ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là Composite polyme, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và

có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn

Hình 1 Cấu trúc composite

hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định

dễ vận dụng các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất

II PHÂN LOẠI COMPOSITE:

Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần

1 - Phân loại theo hình dạng

a Vật liệu composite độn dạng sợi:

Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi đó là composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho polymer nền

b Vật liệu composite độn dạng hạt :

Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer nền Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thước ưu tiên

2 - Phân loại theo bản chất, thành phần

• Composite nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ (polyamide, kevlar…), Sợi khoáng (thủy tinh, carbon…), sợi kim loại (Bo, nhôm…)

• Composite nền kim loại: nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al,…) cùng với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)…

• Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…

III CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE.

1 Thành phần nền

- Vật liệu nền cần có độ cứng cần thiết để đảm bảo cho composite chịu

được tải, và cấu trúc đồng nhất của composite

- Vật liệu nền giữ vai trò cực kì quan trọng trong việc chế tạo vật liệu

composite

- Vật liệu nền phải đáp ứng được yêu cầu khai thác và công nghệ

- Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi

có ngoại lực tác dụng lên vật liệu Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục

2.Một số nền thường gặp trong composite

2.1 Nhựa nhiệt rắn

- Nhựa nhiệt rắn: Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền:

- Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC…độn được trộn với nhựa, gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy.- Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyester không no, gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polymer không no có thể tiến hành ở kiện thường, gia công bằng tay Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu cá

cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo

- Một số l oại nhựa nhiệt rắn thông thường:

a Polyester

Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, Polyester loại này thường là loại không no, đây là nhựa nhiệt rắn, có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc

ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp Thông thường người ta gọi polyester không no

là nhựa polyester hay ngắn gọn hơn là polyester Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol và monomer khác nhau, mỗi loại có những tính chất khác nhau Chúng có thể rất khác nhau trưng các loại nhựa UPE khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố: Thành phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ các chất sử dụng)

- Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường được pha loãng trong styrene Lượng styrene có thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho quá trình gia công Ngoài ra, styrene còn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang giữa các phân tử

mà không có sự tạo thành sản phẩm phụ nào Polyester còn có khả năng ép khuôn mà không cần áp suất

- Thời gian để polyester tự đóng rắn Tốc độ trùng hợp quá chậm cho mục đích sử dụng, vì vậy cần dùng chất xúc tác và chất xúc tiến để đạt độ trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó Khi đã đóng rắn, polyester rất cứng và có khả năng kháng hóa chất Quá trình đóng rắn hay tạo kết ngang được gọi là quá trình Polymer hóa Đây là phản ứng hóa học chỉ có một chiều Cấu trúc không gian này cho phép nhựa chịu tải được mà không bị giòn

- Este không no (UPE), hoặc hỗn hợp chung với nhau hoặc với nhiều phân tử thấp monomer.

b Nhựa phenolic

- Sản xuất từ quá trình polyme hóa phenolic

- Quá trình đóng rắn 120-180oC ở nhiệt độ phòng hoặc dùng axit mạnh

- ưu điểm : nguyên liệu sẵn có, giá thành rẻ, nhược điểm là làm cho composite giòn,

độ bền thấp và độ rỗng cao

- Ứng dụng: làm thân và nắp thùng rác

c Nhựa Phenol fomandehit

- Tổng hợp bằng cách đa tụ phenol và fomandehit

- Quá trình đóng rắn ở 160-200oC, áp suất 30-40Mpa

e Các nhựa cơ silic

Nhận được từ sự đa tụ các sản phẩm của sự thuỷ phân hỗn hợp các môn, đi, tri, và tetracloslen; là các chất giòn, cứng

- Ứng dụng: làm ống dẫn và bồn chứa hoa chất

h epoxy

có tính năng cơ lý, kháng môi trường hơn hẳn các nhựa khác, là loại nhựa được sử

dụng nhiều nhất Với tính chất kết dính và khả năng kháng nước tuyệt vời của mình, epoxy rất lý tưởng để sử dụng trong ngành đóng tàu

- Cả nhựa epoxy lỏng và tác nhân đóng rắn đều có độ nhớt thấp thuận lợi qua

trình gia công Epoxy đóng rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phòng từ

5-150oC, tuỳ cach lựa chọn chất đóng rắn

- Ưu điểm nổi bật của epoxy cơ tính cao, độ bám dính cao với nhiều loại cốt, có thểkhai thác sử dụng đến 150-200oC Epoxy là co ngót thấp trong khi đóng rắn Lực kết dính, tính chất cơ lý của epoxy được tăng cường bởi tính cách điện và khả năng kháng hóa chất

- Ứng dụng keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột tret, sơn

2.2 Chất nền Polyme dẻo

- Không có công đoạn đông rắn, khả năng thi công tạo dáng sản phẩm dễ thực hiện

- Công nghệ chế tạo: dập, đùn, uốn, hàn gia thanh thấp

- Nhược điểm là không chịu được nhiệt độ cao, xử lý độ nhớt của dung dịch khó khăn

- Vật liệu dẻo: nylon, poly-phenylin, rolivxan, polysonphon và polyester nhiệt dẻo

- Tính gia cường cơ học

- Tính kháng hóa chất, môi trường, nhiệt độ

- Phân tán vào nhựa tốt

- Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt

- Thuận lợi cho quá trình gia công.

- Giá thành hạ, nhẹ Phân loại độn

a Độn dạng sợi

- Sợi có tính năng cơ lý hóa cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide…

b Độn dạng hạt

Thường được sử dụng là : silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, hay graphite, cacbon…

- Giảm giá thành

- Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hóa, nhiệt, điện

- Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao

- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đông rắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đông rắn

- Độ bền cơ học và độ bền hóa học của vật liệu PC như : khả năng chịu được va đập ;

độ gian nở cao ; khả năng cach âm tốt ; tính chịu ma sát- mài mòn ; độ nén, độ uốn dẻo

và độ kéo đứt cao ; khả năng chịu được trong môi trường ăn mòn như : muối, kiềm, axit

-Vì những tính năng ưu việt này mà hệ thống vật liệu PC được sử dụng rộng rãi trong sản xuất cũng như trong đời sống

- Vật liệu composite có pha nền là nhựa tổng hợp, cốt thường là sợi thuỷ tinh, sợi cacbon, sợi bor Các vật liệu composite nền kim loại sử dụng cốt là

sợi thép, vonfram, berili, neobi…

3.1 Sợi thủy tinh

a Cấu tạo

- Sợi thuỷ tinh có 2 dạng: sợi dài (dạng chỉ) và sợi ngắn, có dạng hình trụ tròn, nhiệt

độ làm việc của composite sử dụng sợi thuỷ tinh từ 500 - 700oC

b Chế tạo

- Được chế tạo từ quá trình nhiệt phân một chất hữư cơ thích hợp để phân hóa thành Polyme và cacbon, bằng nung nóng rất lâu hàng tuần để pha khí (polyme) khuyếch tán khỏi vật liệu Sau khi xử lý như vậy thể tích khối giảm 50% và tinh thể nhỏ mịn, độ bền cao đạt 70-200 Mpa

c Đặc điểm

-Nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với tác động hóa sinh, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp, và giá thành rẻ

- Phụ thuộc vào thành phần polymer và phương pháp kéo sợi mà ta thu được sợi hữu

cơ có khối lượng riêng từ 1410-1450 kg/cm3, độ bền kéo 70-150 Pa, nhiệt độ than hóa dưới 180oC

- Mac vật liệu: Kevlar-29, Kevlar-129 do Mỹ sản xuất

Armoc, CVM, Terlon do Nga sản xuất

3.3 Sợi cacbon

a Cấu tạo

- Là loại vật liệu quan trọng nhất, có vai trò ngày càng lớn trong kỹ thuật do khối lượng riêng nhỏ (khoảng 2g/cm3) Độ bền rất cao 2000-3000 Mpa, nhiệt độ làm việc composite sử dụng sợi cacbon lên đến 2000oC

d

Ứ ng d ụ ng

-Composite sợi cacbon sản xuất các tấm chịu lực cảu máy bay, thân vỏ ôtô, máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ, thân vỏ các động cơ tên lửa, cánh tua bin, khuôn dập…chi tiết đòi hỏi có độ bền cao và siêu bền khi chịu nhiệt.

- Mac sợi cac bon: BMH-3, Culon, LY (Nga) ; Tornel, Khitecx-46H của Mỹ

- Công nghệ sản xuất sợi cacbon trên cơ sở thu được Bor kết tủa từ luồng khi thường

sử dụng H2 và BCl3 (2BCl3 + 3H2 => 2B + 6 HCl) Được sản xuất trong các lò phản ứng

c Đ ặ c đi ể m

- Sợi bor dùng sản xuất composite trên nền vật liệu nhôm hoặc polyme, làm giảm độ dẫn nhiệt, dẫn điện của vật liệu, có độ bền cao hơn hẳn sợi cacbon từ 300-3500 Mpa, nhưng nhiệt độ làm việc thấp và giá thành rất cao

d

Ứ ng d ụ ng

- Composite bor ứng dụng sản xuất các chi tiết cho hàng không, kỹ thuật tên lửa và vũ trụ, đòi hỏi chỉ tiêu về độ bền và độ cứng cao Sử dụng để chế tạo các thanh dầm, khung, tấm, cũng như các chi tiết khác của vật thể bay

- Mac sợi : Avco(B/W) – Mỹ, SMPE-Pháp

3.5 Sợi kim loại

- Sợi kim loại dùng làm cốt : Làm việc ở miền nhiệt độ cao dùng vonfram hoặc molipđen, nhiệt độ thấp, sợi thép hoặc berilic

- Sử dụng sợi kim loại trong nhiều trường hợp để có hiệu quả và kinh tế hơn

4.Chất pha loãng

- Đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm không đồng nhất, làm ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm, hoặc còn sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền

- Monomer phải tạo hỗn hợp đồng nhất với polyester, tốt nhất là dung môi cho polyester Lúc đó nó hòa tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyester, tạo thuận lợi cho phản ứng đông rắn và tạo độ nhớt thuận lợi cho quá trình gia công

- Nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi trong quá trình gia công và bảo quản

- Nhiệt phản ứng đồng trung hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp ít co rút

- Ít độc

- Để đóng rắn polyester, người ta dùng các monomer : styrene, metyl meta acrylat (MMA), vinyl, triallil xianuarat,… trong đó styrene được sử dụng nhiều do có những tính chất ưu việt.

- Có độ nhớt thấp

- Trùng hợp tốt với polyester, khả năng đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp

- Đông rắn nhựa nhanh

- Sản phẩm chịu thời tiết tốt, cơ lý tính cao, cách điện tốt

- Khả năng tự bốc cháy thấp

5 Chất tách khuôn, chất làm kín và các phụ gia khác

a Chất róc khuôn: Có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khuôn Như wax,

silicon, dầu mỏ, mỡ heo…

b Chất làm kín: Với khuôn làm từ các vật liệu xốp như gỗ, thạch cao thì cần phải bôi

chất

làm kín trước khi dùng chất róc khuôn Như là Cellulose acetate, wax, silicon, stearic acid, nhựa furane, véc ni, sơn mài…

c Chất tẩy bọt khí: Bọt khí làm sản phẩm composite bị giảm độ chịu lực, độ chịu thời

tiết và thẩm mỹ bề mặt Lượng sử dụng: 0.2-0.5% lượng nhựa

d Chất thấm ướt sợi: Có tác dụng tăng khả năng thấm ướt sợi giúp sử dụng độn nhiều

hơn Lượng dung: 0.5-1.5% so với độn Cùng với chất tăng độ phân tán và chất thoát hơi styrene

6 Xúc tác – Xúc tiến

a Xúc tác: Chỉ được cho vào nhựa trước khi gia công Vai trò của chúng tạo gốc tự do

kích động cho quá trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ Chất xúc tác gồm các loại: Xúc tác Peroxide, xúc tác azo và diazo

b Chất xúc tiến: Là chất đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự do của chất xúc

tác Dùng chất xúc tiến sẽ giảm được nhiệt độ và thời gian đông rắn một cách đáng kể

và có thể đông rắn nguội Gồm cac loại:

- Xúc tiến kim loại: Là muối cuả kim loại chuyển tiếp như: cobalt, chì, mangan, ceri,

… và các acid như: naphthenic, linoleic, octonic,… hòa tan tốt trong polymer

-Amin bậc ba: Thường được dùng với các chất xúc tác peroxide, thuộc loại này thường gặp

+ Dimetyl-aniline: C6H5N(CH3)2

+ Dietyl-aniline: C6H5N(C2H5)2

+ Dimetyl-p-toluidin: CH3C6H5N(CH3)2