Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit sử dụng trong lĩnh vực vật liệu ma sát chống mòn

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 độngtương đối với nhau là không đổi khi độ ráp bề mặt thay đổi và hệ số ma s

Nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit sử dụng trong lĩnh vực vật liệu ma sát

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 khithành 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 vậtthể Đó là tiền thân cho các thiết bị hiện đại sau này nghiên cứu về độ mài mòncủa vật liệu

Ma sát đã được nghiên cứu từ lâu nhưng các lý thuyết về ma sát mài mònvẫn không ngừng được bổ xung và phát triển cùng với sự phát triển của cácngành khoa học khác Bắt đầu từ lý thuyết cổ điển, lý thuyết phân tử, lý thuyếtđiện cho đến các lý thuyết hiện đại ngày nay.

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 thểbên 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 củahai vật thể tiếp xúc với nhau

Leona dơ Vinxi khi nghiên cứu về ma sát cũng đã chỉ ra rằng: lực ma sátkhông 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 sátngoài 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 củaS.Culong vào năm 1785 Quan điểm của S.Culong gần giống với Amoton, chorằng lực ma sát cân bằng với tải trọng, không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúcnhưng 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 chuyểnđộng Culong đã tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của lực phân tử và coi đó làphần 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:

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 vàohai yếu tố chính là tải trọng đặt lên vật thể ( bao gồm cả trọng lượng của vậtthể và tổng ngoại lực tác dụng lên vật thể) và bản chất của hai vật thể tiếp xúcvới nhau

1.2 Lý thuyết phân tử

Các tác giả thuộc trường phái này mà đại diện là F.P.Bowden, D.Tabor đãlàm nhiều thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của độ ráp bề mặt, diện tích tiếpxúc, tốc độ trượt và sự chuyển dời của vật liệu từ bề mặt tiếp xúc này sang bềmặt 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 độngtương đối với nhau là không đổi khi độ ráp bề mặt thay đổi và hệ số ma sátgiảm đi dẫn đến độ mài mòn thấp

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của diện tích tiếp xúc, các tác giả đó cho rằngkhi bề mặt hai vật thể rất gần nhau lúc đó số điểm tiếp xúc thực tế sẽ cân bằngvới diện tích tiếp xúc giữa hai bề mặt và khi đó lực ma sát là lớn nhất Nh vậylực ma sát phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc thực tế giữa hai bề mặt

Mét nhà bác học khác như: H.Shaw (1986), F.P.Bowden (1938- 1942) khinghiên 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 tươngtác giữa các phân tử trên bề mặt của hai vật thể và rót ra nhận xét sau: khốilượng chuyển dời phụ thuộc vào quãng đường chứ không phụ thuộc vào tảitrọng Khi một vật thể cứng hơn chuyển động trên bề mặt của vật thể mềm hơnthì lượng vật liệu chuyển sang vật thể cứng hơn phụ thuộc vào độ ráp bề mặtcủa hai vật thể

Lý thuyết phân tử cũng đề cập tới ảnh hưởng của tốc độ trượt tới lực masát Galton (1978) khi nghiên cứu ma sát xảy ra khi tàu chuyển động trênđường 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 nhưkhông phụ thuộc vào tốc độ

- 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:

1 0 , 06 0

0112 , 0 1

Tóm lại, lý thuyết phân tử về ma sát cho rằng bản chất của lực ma sát làlực hót 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 đốicủa hai vật thể.

1 3 Lý thuyết điện.

Lý thuyết này được đề xuất do trong thực tế khi hai vật thể tiếp xúc vớinhau gây ra sự phát sáng và có khả năng hót các vật thể nhẹ khác Hiện tượngnày nhận thấy nhiều nhất trong công nghiệp giấy khi giấy được cán qua haitrục Các tác giả J.A.Joné (1925), P.Schnurmann (1940), E.Warlow- Davises(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 giữacác nguyên tử của hai bề mặt khi chúng tiếp xúc với nhau Tương tác nguyêntử- phân tử được coi là chủ yếu còn các tương tác cơ học chỉ là kết quả củacông 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 độnghiên cứu và theo các xu hướng khác nhau nên đã xuất hiện những quanđiểm không giống nhau về ma sát Mặt khác, do chưa có những phương tiệnmáy móc hiện đại để nghiên cứu một cách chính xác các hiện tượng xảy ratrong 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 đềudùa trên các hiện tượng cá biệt như cơ học, vật lý hoặc điện mà không xét tớiảnh hưởng tương hỗ giữa chúng, do đó đã không phân biệt được lực ma sátvới 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 chungcủa khoa học Nhờ những định luật về phá huỷ biến dạng dẻo- đàn hồi, cáccông trình nghiên cứu về bề mặt của vật thể khi chuyển động, kết cấu mỏngcủa kim loại ở các bề mặt khi làm việc mà các nhà nghiên cứu về ma sát đãđưa ra lý thuyết về ma sát ngoài tổng quát bao gồm cơ chế vật lý, cơ học, hoáhọc, năng lượng…

Theo các lý thuyết hiện đại thì lực ma sát không chỉ là hàm của lực pháptuyến mà còn phụ thuộc vào tổ hợp các yếu tố: tốc độ trượt, vật liệu, điều kiệnmôi trường,…Sự phụ thuộc này có thể biểu diễn bằng công thức tổng quát nhưsau:

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 sè 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 vớicác tính chất hoá học đối với lực ma sát, nếu trong quá trình chuyển độngkhông 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 mộtvật 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:

E S N

e S

S S

1 1

Vật liệu ma sát trên cơ sở nhựa phenol- formandehyt rất phổ biến, do vậy

đã thu hót 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, vậntốc 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 bềmặt nhỏ hơn 220oC ):

a,b,c- Hằng số phụ thuộc vào từng cặp ma sát.

Ứng dụng các lý thuyết về ma sát đã đem lại lợi Ých to lớn giúp chonhững nhà nghiên cứu, người sản xuất nhận thức và khắc phục được nhữnghạn 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 quốcdân 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 làmviệc Tuy nhiên, gốm lại bị ảnh hưởng của nhiệt, dao động và đặc biệt dễ bị vỡkhi va đập

Kim loại và hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực vật liệuchống 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 giáthành cao và không bền hoá chất.

Việc nghiên cứu sử dụng vật liệu Polyme cho các kết cấu ma sát đã chokết quả bất ngờ So với kim loại, polyme có hệ số ma sát nhỏ hơn, Ýt mònhơn, Ýt bị ảnh hưởng của dao động và va đập, có giá thành rẻ, tính công nghệcao hơn trong việc chế tạo chi tiết, có khả năng làm việc trong môi trường hoáchất và bôi trơn bằng nước

Tuy nhiên sự thay thế kim loại bằng Polyme không phải lúc nào cũng cólợi 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 líp bề mặt vậtliệu trên các diện tích rất nhỏ Sự tương tác này làm thay đổi cấu trúc và tínhchất vật liệu trên bề mặt cọ xát Đối với các chất dẻo, các thay đổi này rấtmạnh và chúng xảy ra dưới tác dụng của nhiệt, tác động cơ học, các chất hoạtđộng bề mặt, điện tích xuất hiện…

Để sản phẩm từ chất dro với một tổ hợp tính chất cho trước, điều quantrọng là sử dụng các sơ đồ thử nghiệm độ ma sát mô phỏng được các điều kiện

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 theokết 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 thuậthiện đại dẫn đến sự gia tăng độ khắc nghiệt của các thử nghiệm về mài mònvật liệu Bên cạnh đó, đôi khi phải tính đến các yếu tố ảnh hưởng như chânkhông sâu, bức xạ và môi trường xâm thực…

Hệ sè ma sát phụ thuộc rất lớn vào tải trọng vuông góc, tốc độ trượt, nhiệt

độ và các yếu tố khác

Sự phụ thuộc của các hệ số ma sát vào tải trọng thay đổi theo nhiệt độ Ởnhiệt độ thử nghiệm cố định thì hệ số ma sát giảm khi tăng tải trọng còn nếutải trọng cố định hệ số ma sát tăng khi tải trọng tăng

Khi thay đổi nhiệt độ thì cả vận tốc trượt của chất dẻo cũng có thể có cácđặc tính khác nhau như một vật thuỷ tinh, vật mềm cao hoặc vật dẻo

Khi đánh giá độ chịu mài mòn của chất dẻo nên chọn một đặc trưng khôngthay đổi theo cường độ cọ xát Ví dụ: chọn tỷ số giữa cường độ mài mònchung và cường độ cọ xát Sự đánh giá độ chịu mài mòn, theo tỷ số trên cótính chất gần đúng do sự phụ thuộc của sự mài mòn không chỉ vào tính chấtvật liệu mà cả vào điều kiện thử nghiệm

Cường độ mài mòn có thể đánh giá định lượng theo một đại lượng thông

số đo:

In = h/L = V/(A L)

Trong đó: h- bề dày líp bị mài mòn đi

V- thể tích líp bị mài mòn đi

L- quãng đường cọ xát.

A- diện tích chuẩn của bề mặt

Độ mài mòn cũng có thể đánh giá bằng chỉ tiêu năng lượng

In = V/W

Trong đó: W- năng lượng cọ xát.

Chương II: Tổng quan vật liệu polyme Compozit- Vật liệu ma

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 lớnnhận được bằng cách hợp nhất các thể tích nhỏ của các vật liệu khác Về bảnchất vật liệu Compozit là hệ thống hai hay nhiều pha khác nhau về bản chấthoá học gần như không tan lẫn trong nhau, phân cách nhau bằng ranh giới phatrong đó pha liên tục hay nền là polyme, pha phân tán là phụ gia tăng cường

Ngoài ra còn có một số hợp chất khác như: chất tạo màu, chất tăng cường đặcbiệt.

Vật liệu Compozit có thể chế tạo bằng các phương pháp cơ nhiệt từ cácthành phần hay bằng phản ứng hoá học mà dẫn đến sự phân chia pha tronghỗn hợp đồng nhất ban đầu Vật liệu Compozit có thể được chế tạo bằng nhiềuphương pháp khác nhau như đúc Ðp, quấn ống

1.2 Đặc điểm.

Việc đưa chất gia cường vào nền polyme đưa lại cho vật liệu Compozitnhiều ưu điểm nổi bật so với vật liệu truyền thống: độ bền được nâng cao, môđun đàn hồi cao, tỷ trọng thấp, ổn định tính chất trong nhiều môi trường hoáchất, 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 làcốt được bao bọc bởi nhiều pha liên tục là nền polyme Các pha tương tác vớinhau qua bề mặt phân chia pha nên tính chất của vật liệu không chỉ phụ thuộcvào bản chất của các thành phần mà có phụ thuộc rất nhiều vào liên kết giữacác thành phần Vật liệu có tính chất càng cao khi liên kết giữa các thành phầncàng chặt chẽ Cơ tính của vật liệu còn phụ thuộc vào hình thái học như hìnhdạng, kích thước mật độ phân bố và phương, thứ tự sắp xếp của cốt Mật độcủa cốt được xác định qua tỷ lệ khối lượng hoặc thể tích Đây là một thông sốquan trọng trong việc quyết định tính chất cơ học của vật liệu Khi cốt phân bốkhông 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 lạinhững vật liệu Compozit có tính chất cơ lý khác mặc dù có cùng thành phầngiống nhau như phương pháp quấn ống và đúc kéo liên tục.

- Trong vật liệu Compozit tỷ lệ hình dáng - kích thước cũng như sự phân

bố của nền, cốt tuân theo các qui định thiết kế trước, nói cách khác với sự lùachọn thích hợp chất tăng cường và nhựa nền tính chất của vật liệu Compozit

có thể tính toán trước

- Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chấtchung của Compozit Tuy vậy, tính chất Compozit không bao hàm tất cả cáctính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lùa chọn vàphát huy thêm những tính chất tốt

- Có nhiều phương pháp gia công cho phép chế tạo nhiều dạng sản phẩm

có đặc tính khác

Tuy nhiên vật liệu Compozit còn có một số nhược điểm:

- Là vật liệu đa thành phần nên việc đồng thời thoả mãn tất cả các yêu cầucủa vật liệu rất khó khăn Chỉ có thể lùa chọn các thành phần và phương phápchế tạo thích hợp để có thể đáp ứng những yêu cầu quan trọng nhất

- Mô đun đàn hồi không cao

- Nhiệt độ làm việc tương đối thấp

1.3 Phân loại vật liệu Compozit.

Để phân loại vật liệu compozit người ta dùa vào các đặc điểm chung củachúng:

- Theo bản chất vật liệu nền: compozit nền polyme, gốm, graphit, kimloại

- Theo hình học cốt: compozit cốt hạt (thô, mịn), compozit cốt sợi (dài,ngắn)

- Theo cấu trúc vật liệu: compozit tấm, líp, tấm 3 líp, khối, tổ ong

- Theo phương pháp chế tạo: đúc, Ðp, đúc phun, lăn lô…

- Theo phạm vi ứng dụng: compozit cao cấp, compozit kỹ thuật

a Phân loại theo bản chất vật liệu nền:

* Nền kim loại: Kim loại có độ bền, cứng, dẻo khá cao, có thể chịu được

nhiệt độ cao hơn polyme trong môi trường không có oxy Vật liệu compozitnền kim loại có modun rất cao (110GPa) nên đòi hỏi sợi tăng cường phải cómodun cao Al, Mg, Ti, Ni, Cu được nghiên cứu ứng dụng làm nền compozitnhiều hơn cả, đặc biệt các kim loại nhẹ rất được ưa chuộng trong ngành hàngkhông

Nền kim loại có một số ưu điểm so với nền polyme:

- Kim loại nói chung dẻo, khá bền nên cải thiện chỉ tiêu cơ lý của polymenhư modun đàn hồi

- Có độ dẫn điện, nhiệt cao hơn

- Không bốc cháy, Ýt bị ảnh hưởng của môi trường Èm

- Có tính đàn hồi tốt nên trong một số trường hợp dễ gia công lắp ráp

Nhược điểm chính của nền kim loại là có khối lượng riêng lớn Công nghệchế tạo compozit nền kim loại phức tạp hơn rất nhiều so với nền polyme và dovậy giá thành sản phẩm sẽ cao hơn Chính điều này hạn chế việc lùa chọn vàtriển khai ứng dụng chúng trong công nghiệp.

Compozit nền nhôm cốt sợi bo có cơ tính cao là một trong nhữngcompozit nền kim loại được ứng dụng khá nhiều trong các ngành công nghiệpnhư hàng không, vũ trụ, chế tạo ô tô

*Nền polyme: Compozit nền polyme chiếm 90% trong tổng số các loại

compozit Nền polyme rất được ưa chuộng do có tỷ trọng thấp, cách điện, cáchnhiệt tốt, dễ gia công Polyme dùng làm nền có 2 loại: nhựa nhiệt rắn và nhựanhiệt dẻo

1 Nhựa nhiệt dẻo có cấu trúc mạch thẳng hoặc mạch nhánh, chảy mềm ở

nhiệt độ cao và có thể lấy lại trạng thái rắn khi làm lạnh Nhựa có thể ở dạngtinh thể hoặc vô định hình Khả năng chịu dung môi, chịu nhiệt kém hơn nhựanhiệt rắn Người ta thường tăng độ bền, độ chịu tải và chống rão cho vật liệubằng các loại sợi ngắn Nhựa nhiệt dẻo gia công chủ yếu bằng phương phápđúc Ở nhiệt độ thường, compozit nhựa nhiệt dẻo có tính dai, bền, cứng nhưngđều bị mất tính bền ở nhiệt độ cao Có thể khắc phục phần nào nhược điểmnày bằng cách tăng cường chất độn Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dông:polyetylen (PE), polypropylene (PP), polystyrene…

2 Nhựa nhiệt rắn được tạo thành từ các polyme cũng chính là compozit

nhiệt rắn, có khả năng tạo được các liên kết ngang (liên kết hoá học) Qúatrình tạo các liên kết ngang gọi là quá trình đóng rắn Các phản ứng tạo liên

kết ngang này đã liên kết các phân tử polyme lạ với nhau tạo thành mạng lướikhông gian ba chiều có khối lượng phân tử lớn Chính điều này khiến chonhựa nhiệt rắn sau khi đóng rắn không có khả năng nóng chảy hoặc hoà tan

mà chỉ có thể bị phân huỷ

Tổ hợp của nhựa phenol – fomandehyt với sợi amiăng bền với axit, kiềm ở

độ nào

Vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa phenol – fomandehyt với chấtđộn thích hợp như: sợi thuỷ tinh, sợi amiang, có khả năng làm việc ở nhiệt độcao tới 2500C hoặc trong điều kiện nhiệt độ làm việc thay đổi trong một phạm

vi rộng mà không có nguy cơ bị thay đổi kích thước

Độ chịu mài mòn của tấm phẳng từ nhựa phenol - fomandehyt có thể sosánh với nhôm, đồng Tuy nhiên khả năng này bị suy giảm khi độ Èm của môitrường tăng Hệ số ma sát của nhựa phenol- fomandehyt tương tự như các loạinhựa nhiệt rắn khác, nằm trong khoảng 0,2- 0,3, tương đối thấp so với cao su

và kim loại nhưng với các chất độn thích hợp có thể tăng hệ số ma sát của vậtliệu lên tới 0,7- 0,8

Vật liệu polyme compozit đi từ các loại nhựa nhiệt rắn được tăng cườngcác loại sợi dài sử dụng nhiều trong công nghiệp hàng không, vũ trụ, quân sự,

ô tô,… Nhựa nhiệt rắn phổ biến nhất là epoxy, polyeste không no, phenolic,polyuretan…Tính chất cơ lý của phenol- fomandehyt so với các loại nhựanhiệt rắn khác được trình bày qua bảng sau:

Ure-Không no fomandehyt fomandehyt

* Nền gốm và thuỷ tinh: Tổ chức điển hình của gốm là đa pha và đa tinh

thể Hai pha chính tạo nên tổ chức của gốm: pha vô định hình phân bố xen lẫngiữa các vùng pha tinh thể và gắn kết chúng lại với nhau Gốm là vật liệu có

hoá cao Tuy nhiên có độ bền kéo thấp, chịu va đập kém

Thuỷ tinh vô cơ là vật liệu nhận được bằng cách làm nguội một hợp chất

vô cơ từ trạng thái nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ cao đến trạng thái rắnkhông kết tinh Qúa trình này giống như đối với nhựa nhiệt dẻo nên có thể ápdụng các phương pháp gia công của chất dẻo Thuỷ tinh có độ bền và modunđàn hồi cao (69GPa), độ giãn nở nhiệt thấp Nhờ tính chảy tốt nên khi tăngnhiệt độ và áp lực Ðp thì hàm lượng sợi tăng cường có thể sẽ tăng nhưngkhông làm giảm độ bền vật liệu

* Nền cacbon/ graphit : Là vật liệu chịu nhiệt rất tốt, cứng, bền nhiệt

nhiều trong ngành hàng không, hoá dược, y tế

b Phân loại theo hình học cốt:

* Compozit cốt hạt: có cấu tạo gồm các phân tử cốt dạng hạt đẳng trục

phân bố đều trong nền Các phân tử cốt rất đa dạng: các loại khoáng tự nhiên,oxit, cacbit, nitrit…Compozit cốt hạt gồm hai loại: cốt hạt thô và cốt hạt mịn

- Compozit cốt hạt mịn thường có nền là kim loại hoặc hợp kim, cốt có

kích thước nhỏ (<0,1mm) thường là các vật liệu bền cứng, có tính ổn địnhnhiệt cao như cacbit, nitrit… Tương tác nền cốt xảy ra ở mức độ vi mô ứngvới kích thước nguyên tử hoặc phân tử

- Compozit cốt hạt thô: nền có thể là polyme, kim loại hoặc gốm Cốt

thường được đưa vào để cải thiện độ bền kéo, nén, uốn, độ chống mài mòn, độ

ổn định kích thước, chịu nhiệt… hoặc ra một tính chất mới theo yêu cầu.Tương tác nền- cốt không xảy ra ở mức nguyên tử, phân tử

* Compozit cốt sợi ngắn: Độ dài cốt thường nhỏ hơn 5 cm đôi khi được

gọi là ria Compozit cốt sợi ngắn thường được gia công bằng các phương phápgia công nhựa thông thường như đúc, đùn, đúc phun Khi đùn hoặc đúc phunvào khuôn, sợi phải có khả năng đi qua được các khe hở nhỏ trong thân thiết

bị Sợi ngắn thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt dẻo Nhựa nhiệt rắn

do có khối lượng phân tử lớn khi đóng rắn sẽ không có lợi khi dùng sợi ngắn.Tất cả compozit cốt sợi ngắn đều thuộc compozit kỹ thuật

* Compozit cốt sợi có chiều dài trung bình: Độ dài cốt từ 10 đến 100 mm,

thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn có thêm bột đệm với hàmlượng khá lớn Phương pháp gia công thường được sử dụng là phương phápướt Sợi phải được nhựa thấm ướt hoàn toàn để compozit đạt được các tínhchất cao nhất Compozit này cũng thuộc nhóm compozit kỹ thuật

* Compozit cốt sợi dài: Sợi dài hay còn gọi là sợi liên tục thường được

dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn, chế tạo compozit chất lượng cao.Compozit cốt sợi dài có thể được chế tạo với cả nền vô cơ, gốm kim loại

c Phân loại theo phạm vi ứng dụng

Polyme compozit được chia thành 2 nhóm Hai nhóm này khác nhau chủyếu ở loại sợi, chiều dài sợi tăng cường và loại nhựa được sử dụng làm nền

Nhóm thứ nhất được gọi là compozit tiên tiến, được chế tạo từ các loại sợidài và có độ bền cao Nhựa nền cũng là các loại nhựa có đặc tính tốt, chịunhiệt, độ bền hoá học Compozit chất lượng cao thường được ứng dụng trongngành hàng không, vũ trụ, cũng như các dụng cụ thể thao cao cấp như vợttennis, gậy chơi gôn…

Nhóm thứ hai được gọi là compozit kỹ thuật: gồm các compozit cốt sợingắn, có tính chất cơ lý thấp hơn Nhựa nền cũng có tính chất thấp hơn Cácsản 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 tổng hợp bột ma sát.

Với mục đích chế tạo được loại bột ma sát có chất lượng cao chóng ta cóthể tiến hành tổng hợp Este arylborat thay cho việc sử dụng phenol nguyênthể

Este arylborat là sản phẩm phản ứng của hai hay nhiều phenol với hợpchất của Bo có khả năng tạo este như axit boric, các andehyt của Bo

Bét ma sát được tổng hợp bằng cách cho Este arylborat phản ứng vớifomandehyt

Quá trình tổng hợp bột ma sát có thể mô tả như sau:

Cho hỗn hợp phenol cacdanol với tỷ lệ định sẵn vào thiết bị phản ứng nângdần nhiệt độ đến 90-950C Trộn axit boric vào khuấy đều đến khi tan hết Thờigian phản ứng của giai đoạn này kéo dài 45' Tiếp tục nâng nhiệt độ tới 140-

1450C, cho xúc tác và fomandehyt vào (xúc tác có thể là kiềm, axit) Hỗn hợptạo thành được tách nước với thời gian 2 giê Sau đó tiếp tục nâng nhiệt củaphản ứng lên 1600 C và giữ ở nhiệt độ này trong thời gian 1 giê 30 phót Sảnphẩm được lấy ra khi đã được làm bay hơi hết nước Dung môi đóng sẵn ở

tổng hợp bột ma sát với 4 tỷ lệ khác nhau: fenol - fomandehyt (1: 1,12; 1:1,13; 1: 1,14; 1: 1,15) được ký hiệu FR1, FR2, FR3, FR4 tương ứng Qua một sốthí nghiệm sơ bộ có được tỷ lệ các cấu tử cho vào tổng hợp vật liệu ma sát

- Phôi liệu của hỗn hợp được trình bày ở bảng sau: (theo % trọng lượng)

Bảng 1.

hơn trong quá trình sử dông Kết quả đo độ mài mòn và hệ số ma sát sau vàilần thử nghiệm được trình bày ở bảng 3.

2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các cấu tử chính trong tổ hợp vật liệu.

Tính chất cơ lý của vật liệu Polyme- Compozit không chỉ phụ thuộc vàotính chất của nhựa nền, bột độn mà còn phụ thuộc vào tỷ lệ của chúng trong tổhợp Tỷ lệ của các cấu tử trong tổ hợp có thể thay đổi tùy từng trường hợp cụthể Khi hàm lượng nhựa quá thấp khả năng chế tạo vật liệu trở nên khó khăn

do tổ hợp có độ chảy kém, các tính chất như độ bền va đập, độ bền hoá giảm,

độ hấp thụ nước tăng lên do lượng nhựa quá Ýt không đủ liên kết các chất độnlại với nhau Nếu hàm lượng quá cao (>50%) thì việc tạo hình càng khó do tổhợp vật liệu có độ nhít thấp Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa đến tính chất cơ

lý của vật liệu Polyme-Compozit trên cơ sở nhựa phenol fomandehyt với bộtđộn thông dụng được trình bày ở bảng sau (Bảng 4)

Qua hình 4 có thể thấy việc thay đổi hàm lượng của một cấu tử nào đótrong tổ hợp vật liệu đề đạt mong muốn là tăng một số tính chất cơ lý nào đóthì lại làm giảm một số tính chất cơ lý khác Đối với trường hợp vật liệu masát trên cơ sở nhựa phenol fomandehyt để đạt được tính chất cơ lý mong muốncần phải xác định được một tỷ lệ nhất định các thành phần trong tổ hợp đồngthời giữ được một tỷ lệ chất dính kết thấp nhất không làm thay đổi độ màimòn, 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 Thanh Liêm tác giả đã tìm ra

được tỷ lệ tối ưu của các cấu tử nh sau:

2.3 Nghiên cứu vấn đề đưa cao su vào tổ hợp vật liệu ma sát .

Để giải quyết vấn đề có được một vật liệu vừa có đầy đủ tính chất cơ lýcủa nhựa tổng hợp sử dụng cho vật liệu ma sát đồng thời có tính mềm dẻo, cókhả năng phục hồi cao thì việc sử dụng cao su để biến tính nhựa đặc biệt là cácloại nhựa phenol fomandehyt đem lại hiệu quả cao Cao su dùng để biến tính

là cao su Butadienitil và cao su Clopreu

Nguyên tắc để biến tính nhựa bằng cao su là trộn hỗn hợp nhựa với cao susau đó cho đóng rắn Trong quá trình đóng rắn cao su phản ứng với nhựa vàcùng tham gia vào quá trình khâu mạch Cũng có thể nhựa tham gia vào quátrình lưu hoá cao su và được coi như một mắt xích trong mạng lưới Tuy vậy

tổ hợp nhựa - cao su được coi như một hệ thống hai pha riêng biệt Cao su cóthể liên kết với nhựa bởi liên kết hoá học (nếu phản ứng hoá học giữa cao su

và nhựa xảy ra) hoặc đơn thuần là liên kết vật lý tức là chỉ có sự trộn hợpthông thường.

- Cao su sau khi lưu hoá thường có độ chịu mài mòn lớn, hệ số ma sát cao,khả năng biến dạng, phục hồi cao

- Nhựa là một hợp chất sau khi đóng rắn có độ cứng cao, giòn, độ mài mònlớn và hệ số ma sát nhỏ hơn cao su từ 5-6 lần Sản phẩm biến tính thu đượcngoài những tính chất cơ bản của nhựa nền có thêm những tính chất quí giákhác, nổi bật nhất là khả năng chịu va đập tăng lên, độ cứng của sản phẩmgiảm xuống rõ rệt

Dùa trên các đề tài nghiên cứu khoa học có thể khái quát, giải thích khảnăng tăng cường độ bền va đập của tổ hợp có cao su như sau: Dưới tác độngcủa ngoại lực vật liệu bắt đầu bị biến dạng điểm bị phá háng là những chỗ cóliên kết yếu nhất Nếu vật liệu chỉ có nhựa và chất độn hoặc trong các liên kếtcủa các phần tử nhựa Khi có mặt cao su trong tổ hợp thì dưới tác dụng củangoại lực chất dính kết là nhựa với chức năng là chất chuyển ứng suất tậptrung sẽ ngay lập tức chuyển lực tác động này cho các hạt cao su Do cao su làmột thành phần có khả năng phục hồi, hấp thụ và phân tán năng lượng lớn nênnăng lượng của ngoại lực sẽ bị tiêu tốn nhiều hơn so với trường hợp không cócao su để kéo đứt phân tử cao su đó hoặc để phá huỷ liên kết giữa cao su vànhựa Đặc biệt khi nghiên cứu biến tính nhựa fenol formandeluyt bằng cao sucho thấy: khi lượng nhựa fenol formandehyt trong tổ hợp càng lớn thì độ liênkết nói chung càng cao nhưng sản phẩm trở nên giòn hơn Khi hàm lượng cao

su tăng dẫn đến độ cứng của sản phẩm giảm xuống

Theo đề tài nghiên cứu của tiến sĩ Nguyễn Thanh Liên thì vật liệu cao suđược sử dụng đưa vào tổ hợp đó là cao su Butadienitil

Loại cao su này sau khi được lưu hoá có khả năng chịu được tác động củamôi trường dầu mỡ và các dung môi hữu cơ Khối lượng riêng của cao su này

su này có khả năng dẫn nhiệt cao, độ mài mòn thấp khả năng trộn hợp tốt vớicác polyme phân cực (đặc biệt nhựa fenol formandeluyt là loại nhựa có độphân cực cao, khả năng trộn hợp tốt) Cho ta được một tổ hợp vật liệu có nhiều

ưu điểm như chịu nhiệt cao, độ bền dính kết tốt, chống xẻ rãnh lớn, phân giảiđều điện tích tích tụ khi có ma sát

Trong quá trình chế tạo vật liệu ma sát, chất dính kết là nhựa fenolformandeluyt được thay một phần bằng cao su theo tỷ lệ 21:6 Tính theo trọng

đến tính chất cơ lý của vật liệu ma sát được trình bày ở bảng sau:

Vật liệu chứa cao su Butadiennitril

0,094

0,029

0,088

0

0,209

0,285

Hệ sè ma

sát

0,425

0,461

0,495

0,560

0,513

0

0,461

0,32

Qua bảng 6 chóng ta thấy với tổ hợp chứa cao su Butadienitil điều kiện gia

công tốt nhất là ở nhiệt độ 1500C với khoảng thời gian là 10 phót

hoặc thời gian gia công hệ số ma sát giảm nhưng độ mài mòn tăng lên nhiều

- Vấn đề hàm lượng cao su có trong tổ hợp vật liệu ma sát cần được quan

tâm Theo một số công trình nghiên cứu và đóng góp ý kiến của các chuyên

gia thì hàm lượng cao su đã đưa vào tổ hợp vật liệu là 15% (tính theo trọng

Hệ sè

ma sát

Độcứng HB

Độ bền

va đậpKJ/m2

Độ hótnước %

Độ hótdầu %

- Với 6% trọng lượng 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 nhất và đem lại hiệu quả đáng kể Nó làm giảm nội

ứng suất bên trong vật liệu, tăng mật độ mạng lưới không gian của polyme tạo

ra sản phẩm có độ gắn kết cao cải thiện được một số tính chất nh độ bền nén,chịu mài mòn và độ bền va đập.

Cũng cần lưu ý rằng đối với nhiệt fenol - formandehyt ở nhiệt độ bằng

huỷ quá trình tạo gốc nếu phải chịu một khoảng thời gian dài

Điều kiện khảo sát ngiên cứu: nhiệt độ 1000C và 1400C, thời gian 6 giê

Mẫu vật được chuẩn bị với tỷ lệ tối ưu song khác nhau ở chỗ không có cao

Butadien nitril tăng độ bền va đập từ 5,3 đến 7KJ/m2

2 Yếu tố khuyếch tán của nước vào vật liệu.

Môi trường ảnh hưởng rất nhiều đến ma sát thể hiện ở chất lượng bề mặtthông qua các chỉ tiêu độ mài mòn, hệ số ma sát Nếu môi trường tác độnglên vật liệu trong một thời gian dài có thể ảnh hưởng tới cấu trúc bên trong,phá huỷ mối liên kết trên bề mặt, giảm độ bền của vật liệu mà điển hình là độbền va đập và độ bền nén

Tác động của môi trường rất đa dạng có thể là độ Èm - nước dầu mỡ hoặccác chất hoạt hoá ăn mòn khác

Nước có thể xâm nhập vào vật liệu ma sát, tác dụng như một chất bôi trơntrên bề mặt làm giảm hệ số ma sát, tăng độ mài mòn hoặc công phá vào liênkết trên bề mặt phân chia pha giữa chất dính kết và các chất độn làm yếu đi

khả năng liên kết dẫn tới kéo theo các tính chất cơ lý khác của vật liệu bị suygiảm theo.

Để đánh giá khả năng bảo vệ của vật liệu ma sát trên cơ sở nhựa fomandehyt với môi trường nước thường sử dụng hệ số khuyếch tán Vật liệu

phenol-ma sát được coi là có khả năng bảo vệ Ýt bị ảnh hưởng của độ Èm, nước nênvật liệu có hệ số khuyếch tán thấp

Mức độ khuyếch tán của nước vào vật liệu polyme-Compozit chủ yếu tậptrung vào 3 yếu tố:

- Khả năng khuyếch tán qua chất dính kết

- Xâm nhập qua mối liên kết giữa chất dính kết và chất độn

- Khả năng khuyếch tán qua chất độn

Theo kết quả của một số đề tài nghiên cứu cho thấy sự khuyếch tán củanước vào vật liệu không có cao su nhỏ hơn khi vật liệu có 6% cao suButadielnitril 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-fomandehytgiảm đi một cách tương ứng, do đó làm giảm đi khả năng liên kết các bột độnvới nhau dẫn tới tạo điều kiện cho nước thâm nhập vào vật liệu qua bột độn.Tuy nhiên hạn chế rất nhỏ không đáng kể nếu đem nó so sánh với các mặt tíchcực 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 thườngxuyên tiếp xúc trong quá trình sử dụng Việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởngcủa nó đến tính chất cơ lý của vật liệu ma sát là rất cần thiết qua đó đánh giáđược thời gian làm việc tối đa của vật liệu trong môi trường đó đồng thời chophép ta lùa 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 trườnghoạt hoá gồm: vật liệu không chứa cao su và vật liệu chứa 0,6% cao suButadielnitril

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

gian

(ngày)

Tổn haokhối lượng(%)

Độ suy giảm cơ lý tính %

Độ màimòn

Hệ sè masát

Độ bền

va đập

Độ bềnnénVật liệu không có cao su

Dấu (-): Không quan sát thấy.

Bảng 11: Ảnh hưởng của xăng đến tính chất cơ lý của vật liệu ma sát.

Thời

gian

(ngày)

Tổn haokhối lượng(%)

Độ suy giảm cơ lý tính %

Độ màimòn

Vật liệu chứa 6% cao su Butadielnitril

Dấu (-): Không quan sát thấy

Bảng 12: Ảnh hưởng của dầu phanh đến tích chất cơ lý của vật liệu ma sát.

Thời

gian

(ngày)

Tổn haokhối lượng(%)

Độ suy giảm cơ lý tính %Độ

màimòn

Vật liệu không có cao su

- Mức suy giảm các tính chất cơ lý thấp, độ mòn tăng 0,03%.

Độ bền va đập và độ bền nén suy giảm không đáng kể Vật liệu có chứa6% cao su Butadielnitril suy giảm Ýt hơn

- Trong môi trường xăng các vật liệu bị tổn hao trọng lượng nhiều hơn sovới dầu và nằm trong khoảng từ 0,2-0,6% Độ bền va đập giảm từ 3-6% Độbền nén từ 8-10% hệ sè ma sát giảm từ 5-8%

- Hình dáng, màu sắc của vật liệu không thay đổi

- Đối với môi trường dầu phanh, các tính chất cơ lý thay đổi mạnh Có thểthấy bề mặt vật liệu bị phồng rộp và mũn ra, với vật liệu không có cao su còn

bị rạn nứt, cong vênh

- Tổn hao trọng lượng khá lớn Các tính chất cơ lý khác bị suy giảm mạnhđặc biệt là với vật liệu không có cao su Vật liệu có chứa 6% cao suButadielnitril Ýt bị ảnh hưởng hơn.

2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất gia cường ảnh hưởng đến tính

cơ lý của vật liệu ma sát.

Nh phần trên đã đề cập đến: Việc đưa các chất gia cường vào tổ hợp vậtliệu ma sát đem lại cho vật liệu những ưu điểm nổi bật so với vật liệu truyềnthống Độ bền riêng cao - mô đun đàn hồi cao, tỷ trọng thấp ổn định tính chấttrong nhiều môi trường hoá chất, chống mài mòn tốt

Vấn đề tập trung nghiên cứu là khảo sát ảnh hưởng của một số chất độnchủ yếu là oxyt kẽm, Bazit và oxyt magie đến tính chất cơ lý của vật liệu masát Phân tích đưa ra được tỷ lệ tối ưu của chúng trong tổ hợp vật liệu

Hình 13: Ảnh hưởng của các loại bột đến độ mài mòn của vật liệu (mg/1000 vòng)

1

Hình 13: Ảnh hưởng của các loại bột đến độ mài mòn của vật liệu (mg/1000 vòng)

- Khi hàm lượng cao su đưa vào tổ hợp đến 15% thì độ mài mòn tăng lênkhông đáng kể, sau đó tăng mạnh.

- Hàm lượng bột cao su và oxyt kẽm tăng cường thì hệ số ma sát của tổhợp vật liệu cũng tăng theo Mức độ làm tăng hệ số ma sát của tổ hợp vật liệu

có chứa bột cao su nhanh hơn mức độ tăng của tổ hợp có chứa bột oxyt kẽm.Với bột oxyt magie và bột Bazit có làm giảm hệ số ma sát nhỏ không đáng kể

Qua đó cho thấy các bột độn cao su - oxyt magie, oxyt kẽm với nhữnghàm lượng thích hợp có ảnh hưởng tốt đến độ mài mòn và hệ số ma sát của vậtliệu Bột Barit trong tổ hợp vật liệu không ảnh hưởng nhiều đến cơ lý tính củavật liệu tổ hợp

CHƯƠNG III KHÁI QUÁT VỀ LY HỢP MA SÁT VÀ

TÍNH TOÁN ĐĨA MA SÁT

1 Khái quát về ly hợp ma sát

1.1-Công dụng phân loại và yêu cầu đối với ly hợp

Ly hợp là một trong những cụm nhỏ chủ yếu của ô tô máy kéo Ly hợpdùng để nối trục khuỷu động cơ với hệ thống truyền lực, để truyền mô menquay được êm dịu và cắt truyền động đến hệ thống truyền lực được nhanhchóng, dứt khoát

Ly hợp phải đảm bảo được các yêu cầu sau:

l Truyền được mụmen quay lớn nhất của động cơ mà không bị trượt ởbất cứ điều kiện sử dụng nào Muốn như vậy thì mụmen ma sát của ly hợpphải lớn hơn mụmen cực đại của động cơ một ít, nghĩa là hệ số dự trữ mụmencủa ly hợp phải lớn hơn l