nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit sử dụng trong lĩnh vực vật liệu ma sát

Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MA SÁT- MÒN 1. Các lý thuyết về ma sát. Còng nh các ngành khoa học khác, khoa học về ma sát phát triển không ngừng và gắn liền với các ngành công nghiệp có liên quan nh công nghiệp ô tô, giao thông đường sắt và gia công kim loại. Việc nghiên cứu, tìm hiểu về bản chất của ma sát là rất cần thiết để trước hết có thể mô hình hoá, tiếp theo đó là lượng hoá và điều khiển được các quá trình xảy ra khi ma sát. Các kiến thức về ma sát giúp cho các nhà nghiên cứu định hướng được công việc và giải quyết được các vấn đề do thực tiễn đặt ra. Những nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu trong lĩnh vực ma sát là Amoton, Culong, Leona dơ Vinxi và sau này là M.L.Lomonoxop,…. Ở Nga, khoa học về ma sát, bôi trơn và mài mòn được hình thành từ khi thành lập Viện hàn lâm khoa học Nga. Nhà khoa học vĩ đại M.L.Lomonoxop đã thiết kế thiết bị đầu tiên nghiên cứu sự liên kết giữa các phân tử của các vật thể. Đó là tiền thân cho các thiết bị hiện đại sau này nghiên cứu về độ mài mòn của vật liệu. Ma sát đã được nghiên cứu từ lâu nhưng các lý thuyết về ma sát mài mòn vẫn không ngừng được bổ xung và phát triển cùng với sự phát triển của các ngành khoa học khác. Bắt đầu từ lý thuyết cổ điển, lý thuyết phân tử, lý thuyết điện cho đến các lý thuyết hiện đại ngày nay. - 1 - Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội 1.1 Lý thuyết cổ điển Nhà bác học đầu tiên nghiên cứu và đề xuất lý thuyết cổ điển về ma sát là Amoton. Trong tài liệu vào năm 1969, tác giả đưa ra những hiểu biết về ma sát và mô tả dụng cụ dùng trong thí nghiệm nghiên cứu. Đó là một dụng cụ đơn giản bao gồm một lò so gắn vào vật thí nghiệm và tất cả được đặt trên một mặt phẳng. Đầu kia của lò so được gắn với một tải trọng nhờ đó mà vật nghiên cứu có thể trượt trên mặt phẳng. Nhiều thí nghiệm đã được thực nghiệm và đi đến kết luận sau: - Lực ma sát cân bằng với tải trọng mà vật bên trên tác động xuống vật thể bên dưới. - Với các vật thể khác nhau lực cản do ma sát xấp xỉ 1/3 tải trọng. - Lực ma sát độc lập với diện tích tiếp xúc và phụ thuộc vàp bản chất của hai vật thể tiếp xúc với nhau. Leona dơ Vinxi khi nghiên cứu về ma sát cũng đã chỉ ra rằng: lực ma sát không phụ thuộc vào hình dáng mà chỉ phụ thuộc vào trọng lượng của vật thể và độ ráp bề mặt. Có thể nói giai đoạn phát triển đầu tiên của khoa học kinh điển về ma sát ngoài là những công trình nghiên cứu ma sát tĩnh. Bản chất động của ma sát ngoài lần đầu tiên được đặt ra trong công trình nghiên cứu nổi tiếng của S.Culong vào năm 1785. Quan điểm của S.Culong gần giống với Amoton, cho rằng lực ma sát cân bằng với tải trọng, không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc nhưng phụ thuộc vào bản chất của vật liệu. Culong còng chỉ ra là cần phân biệt ma sát tĩnh với ma sát động và lực ma sát động độc lập với tốc độ chuyển động. Culong đã tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của lực phân tử và coi đó là - 2 - Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội phần của lực ma sát. Thành công lớn của tác giả là tổng hợp của hai sức cản, sức cản thứ nhất là của liên kết không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc mà tỷ lệ với tải trọng, sức cản thứ hai là của liên kết phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc. Bản chất hai mặt đó được thể hiện qua phương tình sau: NAF µ += (1) Trong đó: F là lực ma sát. A là hằng số đặc trưng cho khả năng liên kết tương hỗ của vật thể. µ là hệ số ma sát N là phản lực pháp tuyến. Về mặt gia công thô, trị số A là rất nhỏ có thể bỏ qua được. Khi đó công thức (1) chuyển thành: F= µ N (2) Công thức (2) thường đựơc gọi là định luật Culong- Amoton. Tóm lại, lý thuyết cổ điển về ma sát cho rằng: lực ma sát phụ thuộc vào hai yếu tố chính là tải trọng đặt lên vật thể ( bao gồm cả trọng lượng của vật thể và tổng ngoại lực tác dụng lên vật thể) và bản chất của hai vật thể tiếp xúc với nhau 1.2 Lý thuyết phân tử Các tác giả thuộc trường phái này mà đại diện là F.P.Bowden, D.Tabor đã làm nhiều thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của độ ráp bề mặt, diện tích tiếp xúc, tốc độ trượt và sự chuyển dời của vật liệu từ bề mặt tiếp xúc này sang bề - 3 - Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội mặt tiếp xúc khác đến lực ma sát. Về ảnh hưởng của độ ráp bề mặt đến hệ số ma sát, Athur Morin (1934) cho rằng: lực ma sát khi hai vật thể chuyển động tương đối với nhau là không đổi khi độ ráp bề mặt thay đổi và hệ số ma sát giảm đi dẫn đến độ mài mòn thấp. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của diện tích tiếp xúc, các tác giả đó cho rằng khi bề mặt hai vật thể rất gần nhau lúc đó số điểm tiếp xúc thực tế sẽ cân bằng với diện tích tiếp xúc giữa hai bề mặt và khi đó lực ma sát là lớn nhất. Nh vậy lực ma sát phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc thực tế giữa hai bề mặt. Một nhà bác học khác như: H.Shaw (1986), F.P.Bowden (1938- 1942) khi nghiên cứu về ma sát đã nhận thấy bề mặt của các vật thể thường bị cào xước và đã nảy sinh việc khảo sát quá trình vận chuyển vật liệu từ bề mặt này đến bề mặt khác. Các tác giả trên cho rằng bản chất của quá trình là do lực tương tác giữa các phân tử trên bề mặt của hai vật thể và rót ra nhận xét sau: khối lượng chuyển dời phụ thuộc vào quãng đường chứ không phụ thuộc vào tải trọng. Khi một vật thể cứng hơn chuyển động trên bề mặt của vật thể mềm hơn thì lượng vật liệu chuyển sang vật thể cứng hơn phụ thuộc vào độ ráp bề mặt của hai vật thể. Lý thuyết phân tử cũng đề cập tới ảnh hưởng của tốc độ trượt tới lực ma sát. Galton (1978) khi nghiên cứu ma sát xảy ra khi tàu chuyển động trên đường ray đã đưa ra nhận xét sau: - Khi tốc độ trượt thấp, lực ma sát tăng lên cùng với tốc độ. - Tại tốc độ trượt trung bình khoảng 1 m/s tới vài ft/s, lực ma sát gần như không phụ thuộc vào tốc độ. - 4 - Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội - Với tốc độ trượt cao, lực ma sát giảm đi cùng với tốc độ. Tại cận dưới của dải tốc độ P.P.Ewald, T.Poschl, L.Prandtl (1930) đã đưa ra công thức liên hệ giữa hệ số ma sát và tốc độ trượt như sau: 0 06,01 0112,01 µ ν ν µ + + = Trong đó: 0 µ : hệ số ma sát tĩnh. µ : tốc độ trượt (m/s). Tuy nhiên, các tác giả chưa chỉ ra là công thức trên có áp dụng được hay không khi hai vật thể chuyển động với tốc độ lớn, bề mặt chuyển động sang trạng thái mềm cao thậm chí bị chảy nhớt làm giảm đáng kể hệ số ma sát. Tóm lại, lý thuyết phân tử về ma sát cho rằng bản chất của lực ma sát là lực hút giữa các phân tử khi hai bề mặt vật thể tiếp xúc với nhau. Do đó lực ma sát không phụ thuộc hay nói cách khác là độc lập với tải trọng. Lực ma sát chỉ phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc thực tế và tốc độ chuyển động tương đối của hai vật thể. 1. 3 Lý thuyết điện. Lý thuyết này được đề xuất do trong thực tế khi hai vật thể tiếp xúc với nhau gây ra sự phát sáng và có khả năng hút các vật thể nhẹ khác. Hiện tượng này nhận thấy nhiều nhất trong công nghiệp giấy khi giấy được cán qua hai trục. Các tác giả J.A.Joné (1925), P.Schnurmann (1940), E.Warlow- Davises - 5 - Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội (1942) cho rằng điện ma sát (triboeletricity) và ma sát là hai mặt của cùng một sự kiện: phá huỷ liên kết giữa các nguyên tử của các bề mặt tiếp xúc với nhau. Theo lý thuyết điện thì ma sát là tổng hợp toàn bộ các liên kết điện giữa các nguyên tử của hai bề mặt khi chúng tiếp xúc với nhau. Tương tác nguyên tử- phân tử được coi là chủ yếu còn các tương tác cơ học chỉ là kết quả của công liên kết nguyên tử- phân tử. 1.4 Lý thuyết hiện đại. Các lý thuyết trình bày ở trên tuy có thừa hưởng, phát triển những kết quả đã đạt được của công trình lý thuyết trước đó, nhưng do điều kiện, mức độ nghiên cứu và theo các xu hướng khác nhau nên đã xuất hiện những quan điểm không giống nhau về ma sát. Mặt khác, do chưa có những phương tiện máy móc hiện đại để nghiên cứu một cách chính xác các hiện tượng xảy ra trong quá trình ma sát nên các kết luận rót ra thường từ trực quan và đã dẫn tới sự bất đồng về quan điểm. Nhược điểm lớn nhất của các lý thuyết về ma sát trước đây là chúng đều dựa trên các hiện tượng cá biệt như cơ học, vật lý hoặc điện mà không xét tới ảnh hưởng tương hỗ giữa chúng, do đó đã không phân biệt được lực ma sát với sức cản của các khuyết tật trên bề mặt vật liệu. Sự phát triển của khoa học về ma sát được gắn liền với sự phát triển chung của khoa học. Nhờ những định luật về phá huỷ biến dạng dẻo- đàn hồi, các công trình nghiên cứu về bề mặt của vật thể khi chuyển động, kết cấu mỏng của kim loại ở các bề mặt khi làm việc mà các nhà nghiên cứu về ma sát đã - 6 - Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội đưa ra lý thuyết về ma sát ngoài tổng quát bao gồm cơ chế vật lý, cơ học, hoá học, năng lượng… Theo các lý thuyết hiện đại thì lực ma sát không chỉ là hàm của lực pháp tuyến mà còn phụ thuộc vào tổ hợp các yếu tố: tốc độ trượt, vật liệu, điều kiện môi trường,…Sự phụ thuộc này có thể biểu diễn bằng công thức tổng quát như sau: T(n) = f(n,v,c) (4) Trong đó: T(n)- Là lực ma sát ứng với tải pháp tuyến n. v- Tốc độ trượt. c- Các thông số nh môi trường, vật liệu,… Các khái niệm mới về ma sát sau này do Suh và Sin đề xướng (1981). Theo các tác giả này thì các tính chất về cơ học có ảnh hưởng lớn hơn so với các tính chất hoá học đối với lực ma sát, nếu trong quá trình chuyển động không có hiện tượng tăng nhiệt độ. Theo quan điểm này có thể phân chia lực ma sát ra làm 3 thành phần: - Biến dạng của các nhấp nhô trên bề mặt. - Sự bám dính của các diện tích tiếp xúc. - Sự tróc của bề mặt. Các nhà nghiên cứu khác cũng đưa ra những lý thuyết về ma sát, bôi trơn, hao mòn cho từng trường hợp cụ thể. Khi nghiên cứu về ma sát xảy ra ở một vật thể có khả năng phục hồi cao tương tự như cao su, G.M.Bartenev, V.V.Lavrentjev và N.A.Konstantinova (1971) đã đưa ra công thức sau: - 7 - Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội ESN e S S ScF α β α α / 0 11. −                 −−= Trong đó: F- Lực ma sát. c- Hệ số phụ thuộc vào góc trượt. α S -Diện tích tiếp xúc thực tế. S O - Diện tích tiếp xúc khi không có áp lực (P → O). β - Yếu tố hình học của bề mặt vật thể. N- Tải trọng. Vật liệu ma sát trên cơ sở nhựa phenol- formandehyt rất phổ biến, do vậy đã thu hút được dự quan tâm của các nhà nghiên cứu S.K.Rhee và cộng sự (1971). Các tác giả đã nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố như áp lực, vận tốc và thời gian tới lượng mài mòn của vật liệu ma sát trên cơ sở nhựa phenol- formandehyt độn sợi amiang và đưa ra công thức sau( áp dụng cho nhiệt độ bề mặt nhỏ hơn 220 o C ): ∆ W= K.P a .V b . τ c . Trong đó: ∆ W- Lượng vật liệu bị mất đi. P- Tải trọng. V- Tốc độ. τ - Thời gian. a,b,c- Hằng số phụ thuộc vào từng cặp ma sát. - 8 - Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội Ứng dụng các lý thuyết về ma sát đã đem lại lợi Ých to lớn giúp cho những nhà nghiên cứu, người sản xuất nhận thức và khắc phục được những hạn chế còn tồn tại của vật liệu. Hạn chế tới mức tối đa ảnh hưởng có hại do ma sát gây ra. 2. Các loại vật liệu có khả năng làm giảm ma sát Giảm ma sát và mài mòn có ý nghĩa quan trọng đối với nền kinh tế quốc dân. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra 3 loại vật liệu chính có khả năng làm giảm ma sát và mài mòn bao gồm: gốm, hợp kim và polyme. So với kim loại và polyme, gốm có ưu điểm là hệ số ma sát thấp, độ cứng bề mặt tương đối cao, Ýt bị mài mòn và không bị ôxy hoá trong quá trình làm việc. Tuy nhiên, gốm lại bị ảnh hưởng của nhiệt, dao động và đặc biệt dễ bị vỡ khi va đập. Kim loại và hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực vật liệu chống ma sát do những ưu điểm nổi bật như: có độ cứng bề mặt cao, có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao Nhược điểm của chúng là khó gia công, có giá thành cao và không bền hoá chất. Việc nghiên cứu sử dụng vật liệu Polyme cho các kết cấu ma sát đã cho kết quả bất ngờ. So với kim loại, polyme có hệ số ma sát nhỏ hơn, Ýt mòn hơn, Ýt bị ảnh hưởng của dao động và va đập, có giá thành rẻ, tính công nghệ cao hơn trong việc chế tạo chi tiết, có khả năng làm việc trong môi trường hoá chất và bôi trơn bằng nước. - 9 - Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội Tuy nhiên sự thay thế kim loại bằng Polyme không phải lúc nào cũng có lợi. Đối với kết cấu chống ma sát, hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng nhất là kết hợp giữa polyme và các vật liệu khác. 3. Các phương pháp nghiên cứu ma sát và mài mòn Trong quá trình cọ xát sẽ xảy ra tương tác cục bộ của các lớp bề mặt vật liệu trên các diện tích rất nhỏ. Sự tương tác này làm thay đổi cấu trúc và tính chất vật liệu trên bề mặt cọ xát. Đối với các chất dẻo, các thay đổi này rất mạnh và chúng xảy ra dưới tác dụng của nhiệt, tác động cơ học, các chất hoạt động bề mặt, điện tích xuất hiện… Để sản phẩm từ chất dro với một tổ hợp tính chất cho trước, điều quan trọng là sử dụng các sơ đồ thử nghiệm độ ma sát mô phỏng được các điều kiện dễ sử dụng nhất, điển hình nhất. Khi nghiên cứu sâu về ma sát và mài mòn trong điều kiện bôi trơn người ta đã sử dụng đến rôbốt. Trong đa số các trường hợp, các đặc trưng cần đánh giá hơn cả là lực ma sát, độ bám dính, các thay đổi cơ lý bề mặt, chuyển vị ngang và vuông góc. Lực ma sát thường được đo bằng các phương pháp cân lực kế hoặc tenxơ, hoặc theo độ tắt dần của con lắc. Vì tính chất bề mặt cọ xát thường xét theo kết quả đo tuyến hình bề mặt được đánh giá theo kết quả khối phổ, phổ điện tử và phân tích cấu trúc Rơghen. Sự tăng tốc độ, nhiệt độ và tải trọng kỹ thuật hiện đại dẫn đến sự gia tăng độ khắc nghiệt của các thử nghiệm về mài mòn vật liệu. Bên cạnh đó, đôi khi phải tính đến các yếu tố ảnh hưởng như chân không sâu, bức xạ và môi trường xâm thực… - 10 - [...]... điểm - Phân loại 1.1 Khái niệm Vật liệu Compozit có lịch sử phát triển từ rất sớm Ngay từ khi hình thành văn minh nhân loại nhưng việc nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit mới được thực sự chú ý trong những năm 50 trở lại đây Mục đích chế tạo vật liệu Compozit là làm sao phối hợp được các tính chất mà mỗi vật liệu ban đầu không thể có được Như vậy có thể chế tạo vật liệu Compozit từ những cấu tử mà bản... Đối với trường hợp vật liệu ma sát trên cơ sở nhựa phenol fomandehyt để đạt được tính chất cơ lý mong muốn cần phải xác định được một tỷ lệ nhất định các thành phần trong tổ hợp đồng thời giữ được một tỷ lệ chất dính kết thấp nhất không làm thay đổi độ mài mòn, hệ số ma sát của sản phẩm Qua tham khảo tài liệu: "Nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit sử dông trong lĩnh vực vật liệu ma sát" của tiến sĩ Nguyễn... việc tối đa của vật liệu trong môi trường đó đồng thời cho phép ta lựa chọn được vật liệu làm việc trong một môi trường xác định Các tổ hợp vật liệu được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của môi trường hoạt hoá gồm: vật liệu không chứa cao su và vật liệu chứa 0,6% cao su Butadielnitril Kết quả được phản ánh ở các bảng sau: Bảng 10: Ảnh hưởng của dầu đến tính chất cơ lý của vật liệu ma sát Thời Tổn hao... độn Tuy nhiên hạn chế rất nhỏ không đáng kể nếu đem nó so sánh với các mặt tích cực khác mà cao su butadielnitril đem lại cho tổ hợp vật liệu ma sát 3 Ảnh hưởng của các chất hoạt hoá khác đến vật liệu Ngoài nước ra xăng dầu, mỡ bôi trơn là ba yếu tố mà vật liệu thường xuyên tiếp xúc trong quá trình sử dụng Việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nó đến tính chất cơ lý của vật liệu ma sát là rất cần thiết... cao su trong tổ hợp độ bền va đập từ 4-7 KJ/m2 - Nếu tiếp tục tăng hàm cao su trong tổ hợp vật liệu thì mọi tính chất cơ lý đều giảm 2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến tính chất cơ lý của vật liệu ma sát 1 Yếu tố xử lý nhiệt Để cải thiện tăng cường độ bền vững của cấu trúc, nâng cao đặc tính cơ lý của tổ hợp vật liệu ma sát trên cơ sở của các polyme thì phương pháp sử lý nhiệt được sử dụng nhiều... tài nghiên cứu cho thấy sự khuyếch tán của nước vào vật liệu không có cao su nhỏ hơn khi vật liệu có 6% cao su Butadielnitril Đây cũng là mặt hạn chế của vật liệu có cao su vì khi đưa cao su vào trong tổ hợp vật liệu thì hàm lượng nhựa phenol cacdanol-fomandehyt giảm đi một cách tương ứng, do đó làm giảm đi khả năng liên kết các bột độn với nhau dẫn tới tạo điều kiện cho nước thâm nhập vào vật liệu. .. các dụng cụ thể thao cao cấp như vợt tennis, gậy chơi gôn… Nhóm thứ hai được gọi là compozit kỹ thuật: gồm các compozit cốt sợi ngắn, có tính chất cơ lý thấp hơn Nhựa nền cũng có tính chất thấp hơn Các sản phẩm làm từ compozit kỹ thuật bao gồm: vỏ tàu, canô, bồn tắm, bể chứa… 2 Nghiên cứu tổng quan về vật liệu ma sát- Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của tổ hợp vật liệu ma sát 2.1 Nghiên cứu. .. 0,0405 0,036 0,037 0,0382 (g/1000 vòng) Hệ sè ma sát 0,347 0,356 0,512 0,506 0,494 Từ kết quả đánh giá tại bảng 2 cho thấy: Việc đưa bột ma sát vào tổ hợp vật liệu làm giảm độ mài mòn của vật liệu ma sát xuống gần 3 lần từ 0,1065 g/1000 vòng →0,0405g/ 1000 vòng đồng thời hệ số ma sát tăng lên từ 0,347→0,512 (xấp xỉ 1,5 lần) Tổ hợp vật liệu có chứa bột ma sát ký hiệu FR2 sau khi trải qua 1000 vòng mài... đưa chất gia cường vào nền polyme đưa lại cho vật liệu Compozit nhiều ưu điểm nổi bật so với vật liệu truyền thống: độ bền được nâng cao, mô đun đàn hồi cao, tỷ trọng thấp, ổn định tính chất trong nhiều môi trường hoá chất, chống mài mòn tốt Những đặc điểm nổi bật của vật liệu Compozit là: Là vật liệu nhiều pha, trong thực tế phổ biến nhất là loại vật liệu Compozit hai pha, pha gián đoạn là cốt được... hoặc thể tích Đây là một thông số quan trọng trong việc quyết định tính chất cơ học của vật liệu Khi cốt phân bố không đồng đều vật liệu sẽ bị phá huỷ trước tại những vị trí mật độ cốt thấp do đó làm giảm độ bền kết cấu của vật liệu Đây là một đặc trưng trội nhất của vật liệu Compozit Vì vậy với những phương pháp chế tạo khác có thể đưa lại những vật liệu Compozit có tính chất cơ lý khác mặc dù có cùng . việc nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit mới được thực sự chú ý trong những năm 50 trở lại đây. Mục đích chế tạo vật liệu Compozit là làm sao phối hợp được các tính chất mà mỗi vật liệu ban đầu. vậy có thể chế tạo vật liệu Compozit từ những cấu tử mà bản thân chúng không thể đáp ứng được các yêu cầu đối với vật liệu. Vật liệu Compozit nói chung là loại vật liệu đồng nhất trong thể tích. từ compozit kỹ thuật bao gồm: vỏ tàu, canô, bồn tắm, bể chứa… 2. Nghiên cứu tổng quan về vật liệu ma sát- Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của tổ hợp vật liệu ma sát. 2.1 Nghiên cứu