Nghiên cứu cường độ ứng suất trên dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục

viii MC LC Trang tựa Quyết định giao đề tài Xác nhận ca Ging viên hớng dẫn Lý lịch cá nhân i Li cam đoan ii Cm t iii Tóm tắt luận văn iv Mục lục viii Danh mục các từ viết tắt xi Danh sách các hình xiii Danh sách các bng xv CHNG I. TNG QUAN 1. Tình hình nghiên cu 3 1.1. Nớc ngoài 3 1.2. Trong nớc 6 1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ca luận văn 7 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cu 9 2.1. Mục tiêu 9 2.2. Nội dung nghiên cu 9 3. Nhiệm vụ ca đề tài và phm vi nghiên cu 9 3.1. Nhiệm vụ ca đề tài 9 3.2. Phm vi nghiên cu 10 4. Phng pháp nghiên cu 10 5. Điểm mới ca luận văn vƠ giá trị thực tiễn 10 CHNG II. VT LIU COMPOSITE 2.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite 11 2.1.1. Khái niệm vật liệu composite 12 2.1.2. Lịch sử phát triển 12 ix 2.1.3. Xu hớng phát triển ca vật liệu composite trong tng lai 13 2.1.4. Các thành phần cấu to và phân loi vật liệu composite 13 2.1.4.1. Thành phần cấu to 13 2.1.4.2. Đặc điểm 13 2.1.4.3. Phân loi 14 2.1.4.4. Liên kết nền – cốt 15 2.1.5. Composite cấu trúc dng lớp 16 2.1.6. ng dụng ca vật liệu composite 17 2.1.6.1. Trong lĩnh vực thể thao 17 2.1.6.2. Trong lĩnh vực hàng không 17 2.1.6.3. Trong các lĩnh vực khác 18 2.2. Phn ng kết nối ngang 19 2.3. Vùng chuyển tiếp trong composite 20 2.4. Công nghệ chế to composite 21 2.4.1 Giới thiệu 21 2.4.2 u - nhợc điểm ca phng pháp lát tay 21 2.5. Composite sợi ngắn 22 CHNG III C S PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN C TệNH CA COMPOSITE 3.1. Giới thiệu 24 3.2. Tỷ lệ nền – cốt 24 3.3. Lý thuyết dầm chịu uốn ca vật liệu đồng nhất 26 3.4. Đặc tính uốn ca composite 27 3.5. Tính toán mô đun đƠn hồi ca composite sợi ngắn 38 3.6. Các lý thuyết về sự truyền ng suất 29 3.6.1. ng suất bình quân sợi 29 3.6.2. nh hng ca vật liệu nền 30 3.7. Các lý thuyết tính toán độ bền vƠ mô đun đƠn hồi uốn ca composite sợi ngắn phân bố ngẫu nhiên 31 x 3.7.1. Phng trình Halpin – Tsai 31 3.7.2. Lý thuyết tính toán thuộc tính ca composite cốt sợi ngẫu nhiên dựa trên các kết qu tính toán thuộc tính composite đn hớng 33 3.7.3. Hệ số nh hng ca sợi 33 3.7.4. Mô hình ca Christensen and Waal's 34 3.7.5. Mô hình Pan's. Hàm tỷ trọng ca sợi 34 CHNG IV MỌ T THÍ NGHIM 4.1. Vật liệu chế to composite 36 4.2. Quy trình chế to composite bằng phng pháp lát tay 39 4.3. Thí nghiệm 3 điểm uốn 42 4.4. Các mẫu composite đƣ đợc chế to và thí nghiệm 43 CHNG V PHÂN TÍCH KT QU THÍ NGHIM 5.1. Mối liên hệ giữa lực và chuyển vị 45 5.2. Thuộc tính c khí ca các mẫu thí nghiệm chịu uốn 46 5.3. nh hng ca tỷ lệ sợi đến độ bền uốn 48 5.4. nh hng ca tỷ lệ sợi đến mô đun đƠn hồi uốn 49 5.5. So sánh, đánh giá kết qu thí nghiệm ca độ bền uốn vƠ mô đun đƠn hồi uốn với các mô hình lý thuyết 51 5.5.1. So sánh kết qu độ bền uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết hoà trộn 51 5.5.2. So sánh, đánh giá kết qu mô đun đƠn hồi uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết hoà trộn 53 5.5.3. So sánh, đánh giá kết qu mô đun đƠn hồi uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết Christensen and Waal's 55 5.6. Đánh giá sự phá huỷ ca các mẫu composite qua các nh SEM 56 5.7. Kết luận 59 CHNG VI KT LUN VÀ KIN NGH 6.1 Tóm tắt các kết qu đt đợc ca luận văn 62 6.2 Hớng phát triển ca đề tài 62 TÀI LIU THAM KHO 63 xi DANH MC CÁC T VIT TT  : ng suất c  : ng suất ca composite f  : ng suất ca sợi m  : ng suất ca nhựa nền E : Mô đun đƠn hồi c E : Mô đun đƠn hồi ca composite f E : Mô đun đƠn hồi ca sợi m E : Mô đun đƠn hồi ca nhựa nền d : Đng kính sợi l : Chiều dài sợi t h l : Chiều dài tới hn k : Hệ số nh hng ca sợi E k : Hệ số nh hng đối với mô đun ca sợi k  : Hệ số nh hng đối với ng suất ca sợi c m : Khối lợng ca composite f m : Khối lợng ca sợi m m : Khối lợng ca vật liệu nền c v : Thể tích ca composite f v : Thể tích ca sợi trong composite m v : Thể tích ca vật liệu nền trong composite v v : Thể tích ca lỗ trống trong composite m V : Phần trăm vật liệu nền trong composite f V : Phần trăm sợi trong composite xii c  : Tỷ trọng ca composite f  : Tỷ trọng ca sợi m  : Tỷ trọng ca nền M: Moment uốn I : Moment quán tính tiết diện b : Bề rộng ca mẫu thử h : Bề dày ca mẫu thử L: Chiều dài ca mẫu thử span L : Chiều dài giữa hai gối đỡ P : Ti trọng (lực) tác dụng  : Chuyển vị ca dầm chịu uốn T c : Độ bền ca coposite T m : Độ bền ca nền T f : Độ bền sợi E 11 : Mô đun dọc E 22 : Mô đun ngang  : Hệ số thuộc tính đƠn hồi max  : Giới hn lớn nhất ca sợi trong composite RTM: Resin Transfer Molding SEM: Scanning Electron Microscope ASTM: American Society for Testing and Materials TNHH: Trách Nhiệm Hữu Hn TM & DV: Thng mi & Dịch vụ xiii DANH MC CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1:Sửa chữa, gia cố các công trình bằng vật liệu composite FRP 7 Hình 2.1: S đồ phân loi composite theo bn chất nền 14 Hình 2.2:S đồ phân loi composite theo cấu trúc 15 Hình 2.3:Composite cấu trúc dng lớp 16 Hình 2.4: Các ng dụng ca composite trong thể thao 17 Hình 2.5:Các ng dụng ca composite trong hàng không – vũ trụ 18 Hình 2.6:Các ng dụng ca composite trong xây dựng, công nghiệp 19 Hình 2.7:S đồ cấu trúc composite cốt sợi 22 Hình 2.8: Biểu đồ phân bống suất trên chiều dài sợi 23 Hình 3.1:Thí nghiệm dầm chịu uốn 26 Hình 3.2:Sợi ngắn phân bố ngẫu nhiên 28 Hình 4.1: Sợi thy tinh ngắn, phân bố ngẫu nhiên 36 Hình 4.2: Nhựa epoxy 37 Hình 4.3: Công thc hóa học ca epoxy Biosphenol-A 37 Hình 4.4: Chất đóng rắn TETA 38 Hình 4.5: Khuôn chế to composite 38 Hình 4.6: Chất tách khuôn MG–WAX No.8 39 Hình 4.7: Khuôn sau khi đợc to lớp tách khuôn 40 Hình 4.8: Hòa trộn hỗn hợp Epoxy và chất đóng rắn TETA 40 Hình 4.9: Đắp sợi vào khuôn, to lớp 41 Hình 4.10: Quá trình đóng rắn ca composite 42 Hình 4.11: Sn phẩm composite sau khi tách khuôn 42 Hình 4.12: Mô hình thí nghiệm 3 điểm uốn ca dầm composite 42 Hình 4.13: Các mẫu composite đợc chế to và cắt theo tiêu chuẩn thí nghiệm 43 Hình 4.14: Các mẫu composite sau khi thí nghiệm 44 Hình 5.1: Biểu đồ ca lực và chuyển vị 45 xiv Hình 5.2: Biểu đồ nh hng ca tỷ lệ sợi đến độ bền uốn 48 Hình 5.3: Biểu đồ nh hng catỷ lệ sợi đến mô đun đƠn uốn 49 Hình 5.4: So sánh kết qu độ bền giữa thí nghiệmvà lý thuyết hòa trộn 51 Hình 5.5: So sánh kết qu mô đun đƠn hồi uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết hòa trộn 53 Hình 5.6: So sánh kết qu mô đun đƠn hồi uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết Christensen and Waal's 55 Hình 5.7: Các kiểu phá hy ca composite dới ti trọng uốn 56 Hình 5.8: nh SEM ca composite không có sợi gia cng 57 Hình 5.9: nh SEM ca composite với 1 lớp sợi gia cng bị phá hy 57 Hình 5.10: nh SEM ca composite với 7 lớp sợi gia cng bị phá hy 58 Hình 5.11: Các vị trí khác nhau khi bị phá hy ca các mẫu composite 59 Hình 5.12: Sự phân bố không đồng đều ca sợi theo các hớng 61 Hình 5.13: Các khuyết tật khi chế to composite 61 xv DANH SÁCH CÁC BNG BNG TRANG Bng 3.1: Hệ số nh hng tng ng với định hớng sợi 29 Bng 3.2: Các thông số theo Halpin – Tsai đối với composite sợi ngắn 32 Bng 4.1: Thuộc tínhca sợi thy tinh Chopped Strand Mat 36 Bng 4.2: Đặc tính ca vật liệu nền – nhựa Epoxy 37 Bng 5.1: Độ bền và mô đun đƠn hồi uốn ca các mẫu thí nghiệm không có sợi gia cng 47 Bng 5.2: Độ bền vƠ mô đun đƠn hồi uốn ca các mẫu composite có tỷ lệ sợi gia cng từ 0÷0.28 47 CảNẢ I: TNG QUAN 1 CHNG I TNG QUAN Vật liệu composite đƣ xuất hiện và phát triển trong đi sống ca chúng ta từ rất lâu.Tuy nhiên, trong những thập niên gần đơy thì chúng mới đợc ng dụng rộng rãi, phổ biến trong các ngành kỹ thuật.Thế kỉ XXI đợc cho là thế kỉ ca công nghệ cao và ca vật liệu composite.Vật liệu composite đƣ đợc nghiên cu và phát triển, ng dụng trong hầu hết các ngƠnh kĩ thuật nh ngƠnh hƠng không, vũ trụ, công nghiệp đóng tƠu, xơy dựng, ô tô. Composite đƣ đợc nghiên cu về các đặc điểm sc bền, các thuộc tính c học, về kh năng lƠm việc trong các điều kiện khác nhau nh ti trọng, nhiệt độ, môi trng, tính chất dẫn điện … Tuy nhiên, để tăng kh năng ng dụng và phát triển, phát huy các u điểm ca vật liệu thì cần phi hiểu rõ hn về các đặc tính sc bền, c tính, kh năng lƠm việc và các thành phần vật liệu kết hợp để to thành composite. Vật liệu composite là vật liệu kết hợp, do đó việc nghiên cu và chế to composite từ các thành phần, vật liệu khác nhau để có thể tận dụng, kết hợp từng u điểm ca các thành phần vật liệu to nên composite nhiều u điểm, có thể thay thế các vật liệu khác là một công việc quan trọng vƠ đòi hỏi một quá trình lâu dài. Các vật liệu kết hợp để to thành composite, tỷ lệ ca các thành phầnvật liệu này và sự phân bố, sắp xếp ca các thành phần kết hợp trong composite đóng vai trò rất quan trọng, nh hng và quyết định đến thuộc tính, sc bền ca vật liệu composite. Đối với vật liệu composite thì thành phần sợi đóng vai trò là yếu tốnh hng đến c tính nhiều nhất. Đặc trng ca composite cốt sợi là cng độ vƠđộ cng phụ thuộc vào đng kính sợi, hớng phân bố ca sợi và các đặc trng ca chất nền.Điều quan trọng nhất đối với vật liệu composite kết cấu cốt sợi là phi có cấu trúc sao cho ti trọng đặt vào phi đợc đặt vào sợi là pha có độ bền cao, nếu ti trọng đặt vào nền thì dẫn đến vật liệu sẽ nhanh chóng bị phá hy, hay nói cách khác là c tính ca vật liệu composite cốt sợi phụ thuộc vào mc CảNẢ I: TNG QUAN 2 độtruyền ti trọng từ nền sang sợi. Hiện nay, sợi cacbon và sợi thy tinh với cấu trúc nền là epoxy đợc sử dụng rộng rãi nh nhữngu điểm ca chúng khi kết hợp. Một cách tổng quát đặc tính c học ca vật liệu composite phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:  Đặc trng c học ca sợi (sợi cacbon, sợi thy tinh hay sợi aramid)  Đặc trng c học ca chất nền (epoxy, vinylester hay polyeste)  Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc vật liệu composite cốt sợi (hay tỉ lệ phần trăm ca sợi gia cng trong vật liệu composite cốt sợi)  Hớng phân bố ca sợi trong chất nền. Từ năm 1970 đến nay, các chi tiết chế to từ composite cốt sợi đƣ đợc ng dụng hầu hết trong các ngƠnh công nghiệp, lƠm vật liệu xơy dựng vƠ các ngƠnh kỹ thuật cao. Mặc dù vậy, việc nghiên cu để nơng cao chất lợng, ci thiện các đặctính c học, tính chất nhiệt, điện …, m rộng lĩnh vực ng dụng ca vật liệu nƠy vẫn luôn đợc đợc đặt ra.  nớc ta,việc sn xuất và ng dụng vật liệu composite đƣ phát triển đáng kểtrong những năm gần đơy,tuy nhiên vẫn cha xng tầm với cácđiều kiện thuận lợi mƠ chúng ta đang có nh nguồn tài nguyên, nhân công Một số công ty đƣ sử dụng các sn phẩm đợc chế to từ vật liệu composite nhập khẩu từ Trung Quốc và ĐƠi Loan, tuy nhiên các công ty nƠy cha nắm rõ đợc các đặc điểm, thuộc tính và phng pháp chế to. Do đó, khi có các h hỏng hay sự cố xy ra đối với các sn phẩm composite thì việc khắc phục và sửa chữa còn nhiều hn chế do đội ngũ kỹ thuật ca các công ty cha hiểu sâu về các đặc điểm ca vật liệu composite và các thành phần vật liệu kết hợp. Chẳng hn nh Công ty TNHH TM & DV Tân Hiệp Phát, lƠ ni tác gi hiện nay đang công tác sử dụng hệ thống các tháp Cooling Tower đợc chế to từ vật liệu composite nhập từ ĐƠi Loan để gii nhiệt cho nớc làm mát hệ thống máy móc ca nhƠ máy. Khi các tháp nƠy h hỏng thì việc sửa chữa tốn nhiều thi gian và chi phí, hiệu qu không cao do bộ phận kỹ thuật cha nắm đợc các thuộc tính ca vật liệu composite và các vật liệu kết hợp. Việc sử [...]... trung nghiên c u vào các nội dung chính sau: – Nghiên c u về dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục (sợi không liên tục đơy đ ợc xem là sợi ngắn), h ớng sợi phân bố ngẫu nhiên – Vật liệu chế t o mẫu thử là nhựa epoxy và sợi th y tinh ngắn – Ph ng pháp lát tay (hay còn gọi lƠ ph ng pháp hand lay-up) – Kiểm tra và tính toán các thuộc tính c khí c a dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên. .. dung nghiên c u 2.1 Mục tiêu – Nghiên c u nh h ng c a cốt sợi không liên tục phân bố ngẫu nhiên đến ng suất uốn vƠ mô đun đƠn hồi uốn c a composite nhiều lớp đ ợc chế t o từ sợi th y tinh ngắn và nền epoxy 2.2 Nội dung nghiên c u nh h – ng c a số lớp sợi (hay tỉ lệ sợi gia c ng) trong composite đến ng suất uốn vƠ mô đun đƠn hồi uốn – Độ bền c học c a vật liệu composite nhiều lớp cốt sợi không liên tục. .. liên tục (sợi th y tinh ngắn) là lo i sợi đ ợc sử dụng rộng rãi và phổ biến n ớc ta hiện nay do những u điểm về thuộc tính c học và giá thành Để góp phần lƠm rõ h n đặc tính c học c a vật liệu composite cốt sợi, kh năng ng dụng c a vật liệu này nên tác gi chọn đề tài: " Nghiên cứu cường độ ứng suất trên dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục" Việc nghiên c u về các thành phần kết hợp, tỷ... từ vật liệu composite gặp các khó khăn nhất định nh chi phí, th i gian sửa chữa và chất l ợng s n phẩm không cao sau khi sửa chữa do đội ngũ kỹ thuật ch a am hiểu sâu về công nghệ chế t o, đặc điểm s c bền c a vật liệu composite 8 Cả NẢ I: T NG QUAN Trên những c s đ ợc trình bƠy nh trên tác gi đƣ chọn đề tƠi Nghiên c u c ng độ ng suất trên dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục 2 M c tiêu... i trọng không trực tiếp tác động vào sợi mƠ tác động vào vật liệu nền ng suất đ ợc truyền vào sợi thông qua các đầu mút c a sợi Do đó, trong kết cấu composite cốt sợi ph i có kết cấu sao cho t i trọng đặt vào composite ph i đ ợc dồn vào sợi lƠ pha có độ bền cao Nếu chỉ tập trung vào nền, lƠ pha có độ bền kém h n thì composite sẽ bị phá h y một cách nhanh chóng Composite sợi ngắn, không liên tục khi... vật liệu composite Chiều dài tới h n đ ợc tính theo công th c Lt  h -  d  d s 2 Ls ≥ Lt/h cốt sợi có tác dụng tăng bền vƠ độ c ng vững cho composite 22 (2.2) Cả NẢ II: V T LI U COMPOSITE + Khi Ls< Lt/h tác dụng gia c ng c a cốt sợi sẽ không có, composite đ ợc coi là composite h t Ng i ta quy ớc: - Khi Ls ≥ 15Lt/h composite là lo i cốt sợi liên tục - Khi Ls . liệu composite cốt sợi, kh năng ng dụng ca vật liệu này nên tác gi chọn đề tài: " Nghiên cứu cường độ ứng suất trên dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục& quot;. Việc nghiên. liệu composite. CảNẢ I: TNG QUAN 9 Trên những c s đợc trình bƠy nh trên tác gi đƣ chọn đề tƠi Nghiên cu cng độ ng suất trên dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục Nghiên cu về dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục (sợi không liên tục  đơy đợc xem là sợi ngắn), hớng sợi phân bố ngẫu nhiên. – Vật liệu chế to mẫu thử là nhựa epoxy và sợi thy