NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT CÓ KHẢ NĂNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CHỐNG ĐẠN

Cho đến nay, việc phát triển vật liệu nanocompozit trên cơ sở sợi siêu bền gia cường các vật liệu nano nhằm tăng độ bền, giảm trọng lượng và tạo ra sản phẩm chống đạn cấp cao hơn đang đư

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Hoá học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Viện Kỹ thuật Hoá-Sinh và Tài liệu nghiệp

vụ, Tổng cục Hậu cần- Kỹ thuật, Bộ Công an

Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Đức Nghĩa, PGS.TS Ngô Trịnh Tùng, những người Thầy đã định hướng khoa học và tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận án này

Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, đồng chí thuộc Viện Hoá học, Viện

Kỹ thuật Hoá-Sinh và Tài liệu nghiệp vụ; Trung tâm Phát triển Công nghệ cao đã giúp đỡ và tạo điều kiện nghiên cứu thuận lợi cho tác giả trong thời gian thực hiện luận án

Xin chân thành cảm ơn TS Lê Văn Thụ, Ths Vũ Minh Thành đã cùng tác giả tiến hành các thí nghiệm chế tạo mẫu và thảo luận đóng góp ý kiến cho luận án

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân, bạn bè đã động viên,

cổ vũ để tôi hoàn thành bản luận án này

Nghiên cứu sinh

Ngô Cao Long

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả được nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Nghiên cứu sinh

Ngô Cao Long

Ngô Cao Long

M C C

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

anh mục các bảng

anh mục các hình

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

M Đ 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Vật liệu nanocompozit 4

1.1.1 Các phương pháp chế tạo nanocompozit 7

1.1.1.1 Trộn hợp nóng chảy 7

1.1.1.2 Trộn hợp ung ịch 8

1.1.1.3 Trùng hợp tại chỗ 8

1.1.1.4 Phủ core-shell 8

1.1.2 Chế tạo nanocompozit trên cơ sở polyme dẫn 9

1.1.3 Tính chất điện của nanocompozit trên cơ sở polyme dẫn 11

1.1.4 Vật liệu nanocompozit CNT/polyme 13

1.1.5 Vật liệu nanocompozit graphen/polyme 14

1.2 Vật liệu hấp thụ sóng điện từ 15

1.2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán 15

1.2.2 Cấu trúc và vật liệu hấp thụ sóng điện từ 17

1.2.2.1 Lớp hấp thụ Dallenbach 17

1.2.2.2 Cấu trúc hấp thụ dạng màn chắn Salisbury 17

1.2.2.3 Lớp Jauman 18

1.2.3 Vật liệu hấp thụ sóng điện từ trên cơ sở nanocompozit của polyme dẫn 19

1.3 Compozit chống đạn 20

1.3.1 Lý thuyết chống đạn vật liệu compozit 21

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống đạn của compozit 24

1.3.2.1 Ảnh hưởng của vải, sợi gia cường 24

1.3.2.2 Ảnh hưởng của nhựa nền 24

1.3.2.3 Ảnh hưởng của tấm chống đạn 25

1.3.2.4 Ảnh hưởng của các đầu đạn 25

1 Phương pháp xác định khả năng chống đạn của vật liệu 26

1.3.3.1 Phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm Ansys 12 26

1.3.3.2 Bắn thử nghiệm theo tiêu chuẩn 29

1.4 Vật liệu hấp thụ sóng điện từ và chống đạn 32

CHƯƠNG - TH C NGH M V PHƯƠNG PH P NGH N CỨU 40

2.1 Hóa chất, thiết bị 40

2.1.1 Hóa chất 40

2.1.2 Thiết bị, ụng cụ 40

2.2 Phương pháp chế tạo 41

2.2.1 Chế tạo CNT P Ni và graph n P Ni 41

2.2.2 Chế tạo CNT PPy và graph n PPy 41

2.2 Chế tạo nanocompozit vải sợi 42

2.2 .1 Chế tạo compozit vải sợi cacbon poxy và compozit vải sợi Kevlar/epoxy 42

2.2 .2.Chế tạo nanocompozit CEGPY, KEGPY, CKEGPY 43

2 Các phương pháp nghiên cứu 43

2 .1 Xác định độ dẫn của vật liệu 43

2 .2 Xác định khả năng hấp thụ sóng điện từ 44

2.4.3 Hiển vi điện tử quét (SEM) 45

2.4.4 Phổ hồng ngoại FT-IR 46

2.4.5 Phổ Raman 46

2 .6 Xác định tính chất cơ học 46

2.4.7 Phân tích nhiệt 49

2.4.8 Xác định hàm lượng phần gel 50

2.4.9 Mô phỏng khả năng chống đạn của vật liệu 51

2.4.10 Bắn thử nghiệm thực tế theo tiêu chuẩn 51

CHƯƠNG T Ả V THẢ L N 53

3.1 Chế tạo nanocompozit MWCNT và graphen với PPy, PANi 53

3.1.1 Khảo sát vật liệu MWCNT và graphen 53

3.1.1.1 Hình thái học của vật liệu 53

3.1.1.2 Phổ Raman của CNT và graphen 55

1.2 hảo sát điều kiện chế tạo 56

3.1.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng BS đến độ dẫn của PANi và PPy 56

3.1.2.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ dẫn của PANi và PPy 57

3.1.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNT, graph n đến độ dẫn của PANi và PPy 58

3.1.2.4 Khảo sát tính chất nanocompozit MWCNT và graph n với PPy 58

3.1.3 Khả năng hấp thụ sóng điện từ của nanocompozit 61

3.2 Chế tạo nanocompozit vải sợi cacbon/epoxy/graphen/PPy (CEGPY) 63

3.2.1 Khảo sát nhựa nền epoxy 63

3.2.1.1 Phổ hồng ngoại của epoxy 63

3.2.1.2 Ảnh hưởng của hàm lượng chất đóng rắn DDM 64

3.2.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới mức độ đóng rắn của nhựa epoxy 65

3.2.1.4 Tính chất cơ học của pha nền đã đóng rắn 66

3.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa epoxy đến tính chất cơ học của CEGPY 67 3.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng GPY đến tính chất cơ học của CEGPY 68

3.2.4 Ảnh hưởng của điều kiện chế tạo đến tính chất cơ học của CEGPY 70

3.2.5 Tính chất của CEGPY 73

3.2.5.1 Phân tích nhiệt 73

2 .2 Hình thái học của vật liệu 74

3.3 Chế tạo nanocompozit vải sợi vlar poxy GP GP 75

1 Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa poxy đến tính chất cơ học của KEGPY 75 3.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng GPY đến tính chất cơ học của KEGPY 76

3.3.3 Tính chất của KEGPY 78

3.3.3.1 Phân tích nhiệt 78

2 Hình thái học của KEGPY 79

hảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của các vật liệu nanocompozit 79

3.4.1 Ảnh hưởng hàm lượng GP đến khả năng hấp thụ sóng điện từ 80

a Vật liệu KEGPY 80

b.Vật liệu CEGPY 80

2 hả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu nanocompozit trên ải tần 8-12GHz 81

2.1 Vật liệu GP 81

2.2 Vật liệu C GP 82

2 Vật liệu C GP 83

3.5 Khảo sát khả năng chống đạn 85

1 Xác định khả năng chống đạn của vải sợi xếp lớp 85

3 5.1.1 Mô phỏng số 85

3.5.1.2 Khảo sát khả năng chống đạn của vải xếp lớp bằng bắn thử nghiệm thực tế 95 3.5.2 Khảo sát khả năng chống đạn của nanocompozit 99

3.5.2.1 Kết quả mô phỏng với đạn súng K54 100

a Tấm KEGPY 100

b Tấm CEGPY 102

c Nanocompozit tổ hợp vải sợi cacbon vlar poxy GP C GP 103

3.5.2 2 Kết quả mô phỏng với đạn súng AK47 105

a Tấm GP 105

b Tấm C GP 107

c Tấm CKEGPY 107

3.5.3 Khảo sát khả năng chống đạn bằng thử nghiệm thực tế th o tiêu chuẩn NIJ 01.01.04, Hoa Kỳ 109

T L N 117

AN M C C C ẢN

Bảng 1.1 Một số mô hình vật liệu 29

Bảng 1.2 Một số mô hình tương ứng cho các vật liệu thường dùng 29

Bảng 1.3 Các cấp chống đạn và điều kiện thử nghiệm theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.04 (Hoa Kỳ) 30

Bảng 1.4 Các cấp chống đạn và điều kiện thử nghiệm theo tiêu chuẩn Stanag 4569 (NATO) 31

Bảng 1.5 Các cấp chống đạn và điều kiện thử nghiệm theo tiêu chuẩn Gost R 50744-95 (Nga) 31

Bảng 3.1 Mô hình và thông số vật liệu của vải Kevlar 129 88

Bảng 3.2 Thông số mô phỏng giáp vải cacbon 92

Bảng 3.3 Thông số các tấm giáp vải Kevlar xếp lớp và điều kiện thử nghiệm 96

Bảng 3.4 Kết quả bắn thử nghiệm giáp vải Kevlar 96

Bảng 3.5 Thông số các tấm giáp vải cacbon xếp lớp và điều kiện thử nghiệm 98

Bảng 3.6 Kết quả bắn thử nghiệm tấm giáp vải cacbon xếp lớp 98

Bảng 3.7 Mô hình và thông số vật liệu của nanocompozit 99

Bảng hả năng chống đạn súng của nanocompozit th o t lệ vải cacbon/Kevlar 105

Bảng hả năng chống đạn của vật liệu C GP th o t lệ số lớp vải 108

Bảng 10 Điều kiện chế tạo, bắn thử nghiệm tấm chống đạn 110

Bảng 3.11 Kết quả bắn thử nghiệm với đạn 7,62x25 mm của súng K54 110

Bảng 3.12 Kết quả bắn thử nghiệm với đạn 7,62x39 mm của súng AK47 113

AN M C C C N

Hình 1.1 Sơ đồ tổng hợp chất lai polyme-hạt nano 9

Hình 1.2 Các bước chế tạo compozit nền polym gia cường ICP bằng phương pháp dung dịch và nóng chảy 10

Hình 1 Sơ đồ tổng hợp nanocompozit nền ICP bằng phương pháp trùng hợp tại chỗ 11 Hình 1.4 Quá trình kích thích bằng axit của polyanilin 12

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý hấp thụ sóng điện từ 16

Hình 1.6 Lớp hấp thụ Dallenbach 17

Hình 1.7 Cấu tạo màn chắn Salisbury 18

Hình 1.8 Cấu tạo lớp Jauman 18

Hình 1.9 Sự tạo thành hình nón khi va chạm đạn đạo ở mặt sau của tấm chống đạn 21

Hình 1.10 Sự lan truyền phá hu trong tấm compozit khi va chạm đạn đạo 22

Hình 1.11 Sự tạo thành hình nêm khi va chạm đạn đạo đối với vật liệu dòn 23

Hình 2.1 Sơ đồ đo độ dẫn bằng phương pháp mũi ò 43

Hình 2.2 Hệ đo hấp thụ sóng điện từ trường gần 44

Hình 3.1 Ảnh FESEM của mẫu MWCNT mẫu CNT ban đầu (a), mẫu CNT sau khi rung siêu âm (b) (2014) 53

Hình 3.2 Ảnh FESEM của graph n độ phóng đại10000 lần (a), 60000 lần (b) 54

Hình 3.3 Phổ Raman của MWCNT 55

Hình 3.4 Phổ Raman của graphen 56

Hình 3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng BS đến độ dẫn của PANi và PPy 57

Hình 3.6 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ dẫn của P Ni và PPy 57

Hình 3.7 Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNT, graph n đến độ dẫn của PANi và PPy 58

Hình 3.8 Phổ FTIR của PPY (a), nanocompozit MWCNT/PPy (b) và graphen/PPy (c) 60

Hình 3.9 Ảnh FESEM của nanocompozit MWCNT/PPy (a), graphen/PPy (b) 60

Hình 10 Tổn hao hấp thụ sóng điện từ của các nanocompozit 61

Hình 11 Đồ thị hấp thụ sóng điện từ của nanocompozit graphen/PPy ở dải tần 4-8 GHz (a) và 8-12 GHz (b) 62

Hình 3.12 Phổ hồng ngoại của nhựa epoxy Epikote 815 63

Hình 3.13 Ảnh hưởng của hàm lượng M đến hàm lượng phần gel của nhựa

epoxy Epikote 815 ở 80oC 64

Hình 3.14 Phân tích nhiệt vi sai của hệ nhựa Epikote 1 đóng rắn bằng DDM 65

Hình 3.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng phần gel của hệ nhựa Epikote 815/DDM = 100/22 (PKL) 66

Hình 3.16 Giản đồ ứng suất biến dạng của nhựa poxy đã đóng rắn 66

Hình 1 Tính chất cơ học của poxy đã đóng rắn bằng DDM ở hàm lượng khác nhau 67

Hình 1 Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa poxy đến tính chất cơ học của CEGPY 68

Hình 3.19 Ảnh hưởng của hàm lượng GP đến tính chất cơ học của CEGPY 69

Hình 20 Ảnh hưởng của hàm lượng GP đến độ ẫn của C GP 70

Hình 3.21 Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến tính chất cơ học của CEGPY 71

Hình 3.22 Ảnh hưởng của thời gian p đến tính chất cơ học của CEGPY 71

Hình 3.23 Ảnh hưởng của áp suất ép đến tính chất cơ học của CEGPY 72

Hình 2 ết uả phân tích nhiệt compozit cacbon poxy và C GP 74

Hình 2 Ảnh S M của compozit cacbon poxy a , C GP b 74

Hình 3.26 Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa đến tính chất cơ học vật liệu KEGPY 75 Hình 2 Ảnh hưởng của hàm lượng GP đến tính chất KEGPY 76

Hình 2 Đồ thị biểu iễn độ ẫn GP 77

Hình 2 ết uả phân tích nhiệt compozit vlar poxy và GP 78

Hình 0 Ảnh FESEM của compozit Kevlar/epoxy (a) và KEGPY (b) 79

Hình 1 hả năng hấp thụ sóng điện từ của GP th o hàm lượng GPY ở tần số 10 GHz 80

Hình 2 hả năng hấp thụ sóng điện từ của C GP th o hàm lượng GPY ở tần số 10 GHz 81

Hình Tổn hao hấp thụ a và tổn hao phản xạ b của GP 82

Hình Tổn hao hấp thụ a , tổn hao phản xạ b của C GP 83

Hình hả năng hấp thụ sóng điện từ của C GP th o tần số khác nhau 84

Hình 6 So sánh khả năng hấp thụ sóng điện từ của GP , C GP , C GP 85

Hình Đầu đạn 7,62x25 mm của súng K54 86

Hình Đầu đạn 7,62x39 mm của súng 86Hình 3.39 Mô hình mô phỏng hình học và chia lưới của các đầu đạn va chạm vào

tấm chắn vải Kevlar 87Hình 3.40 Mô phỏng quá trình va chạm của đầu đạn súng K54 vào tấm chắn vải

Kevlar xếp lớp 89Hình 1 Động năng và vận tốc của đầu đạn súng K54 theo thời gian khi va chạm

với tấm vải Kevlar xếp lớp 90Hình 2 Hình ảnh mô phỏng khả năng chống đạn súng của tấm giáp vải

Kevlar xếp lớp 91Hình 3.43 Biểu diễn động năng của đầu đạn súng AK47 và vận tốc của đầu đạn

theo thời gian khi va chạm với tấm vải Kevlar xếp lớp 92Hình 3.44 Mô phỏng quá trình va chạm của đầu đạn súng với vải cacbon xếp lớp 93Hình Đồ thị vận tốc và động năng của đạn súng th o thời gian 93Hình 6 Mô phỏng quá trình va chạm của đầu đạn súng với vải cacbon xếp lớp 94Hình Đồ thị động năng và vận tốc của đầu đạn súng AK47 khi va chạm với

tấm giáp vải cacbon xếp lớp 94Hình Súng và đạn 7,62x25 mm a , súng và đạn 7,62x39 mm (b)

sử dụng trong bắn thử nghiệm thực tế 95Hình 3.49 Mẫu giáp vải cacbon và Kevlar xếp lớp 96Hình 3.50 Kết quả bắn thử nghiệm vải Kevlar xếp lớp 97Hình 3.51 Mô phỏng khả năng chống đạn súng của nanocompozit KEGPY 100Hình 2 Đồ thị động năng và vận tốc của đầu đạn súng K54 theo thời gian va

chạm với KEGPY 101Hình 3.53 Mô phỏng khả năng chống đạn súng của CEGPY 102Hình Đồ thị động năng a và vận tốc của đầu đạn súng K54 (b) theo thời gian

va chạm với CEGPY 102Hình Mô phỏng khả năng chống đạn súng của tấm CKEGPY 103Hình 6 Đồ thị vận tốc và năng lượng của đầu đạn súng th o thời gian va

chạm với CKEGPY 104Hình 3.57 Mô phỏng khả năng chống đạn súng của KEGPY 106

Hình Đồ thị động năng và vận tốc của đầu đạn súng AK47 theo thời gian va

chạm với KEGPY 106Hình 3.59 Quá trình va chạm của đầu đạn súng AK47 vào tấm chống đạn

CKEGPY 107Hình 3.60 Đồ thị năng lượng và vận tốc đầu đạn súng theo thời gian va

chạm với tấm CKEGPY 108Hình 3.61 Tấm chống đạn compozit Kevlar/epoxy (a), CEGPY (b), CKEGPY (c) 109Hình 3.62 Thử nghiệm thực tế khả năng chống đạn 110Hình 3.63 Kết quả bắn thử nghiệm compozit vải Kevlar/epoxy với đạn súng K54 112Hình 3.64 Kết quả bắn thử nghiệm compozit vải Kevlar/epoxy với đạn súng AK47 114Hình 3.65 Tổn hao hấp thụ và phản xạ của mẫu vật liệu CKEGPY CK1 115Hình 3.66 Tổn hao hấp thụ và phản xạ của mẫu CKEGPY CK2 116

DANH M C CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CDES Clo-dietylsunfit

CEGPY Nanocompozit vải sợi cacbon/epoxy/graphen-polypyrol

CKEGPY Nanocompozit tổ hợp vải sợi cacbon/Kevlar/epoxy/graphen-Ppy CVD Lắng đọng hóa học từ pha hơi

DBSA Dodecyl benzen sunfonic axit

DDM Diamin diphenyl metan

DDS Diamino diphenyl sunfua

GPY Nanocompozit graphen/polypyrol

KEGPY Nanocompozit vải sợi Kevlar/epoxy/graphen-polypyrol

MEK Metyl etyl keton

MWCNT Ống nano cacbon đa tường

SWCNT Ống nano cacbon đơn tường

UHMWPE Polyetylen khối lượng phân tử siêu cao

1

M Đ

Lịch sử phát triển của vũ khí luôn kèm th o sự phát triển của hệ vật liệu giáp nhằm đảm bảo an toàn cho phương tiện và con người khi chiến đấu Hiện nay, nhu cầu trang bị giáp có khả năng chống đạn cao, bền, nhẹ, ngụy trang tốt, sử dụng thuận tiện ứng dụng trong quốc phòng và bảo vệ an ninh quốc gia là rất cần thiết Compozit chống đạn trên cơ sở vải sợi polyetylen khối lượng phân tử siêu cao (UHMWPE), aramit, sợi cacbon có khả năng chống đạn tốt, được sử dụng phổ biến trong các lực lượng uân đội, công an, trang bị cho cá nhân và làm giáp chống đạn bao bọc các phương tiện chiến đấu Cho đến nay, việc phát triển vật liệu nanocompozit trên cơ sở sợi siêu bền gia cường các vật liệu nano nhằm tăng độ bền, giảm trọng lượng và tạo ra sản phẩm chống đạn cấp cao hơn đang được nghiên cứu

và bắt đầu đưa vào sản xuất thử nghiệm

Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng chế tạo được giáp chống lại các vũ khí sát thương có sức công phá lớn như đạn pháo, tên lửa o đó, các phương pháp ngụy trang luôn được quan tâm nhằm đảm bảo cho con người và phương tiện, khí tài chiến đấu không bị phát hiện bằng mắt, ra đa, hồng ngoại, siêu âm trên chiến trường, nhất là trong các yêu cầu tác chiến bí mật, bất ngờ Việc phát triển vật liệu hấp thụ sóng điện từ trên cơ sở vật liệu điện môi bao phủ lên các phương tiện, khí tài để tránh bị phát hiện bởi ra đa, để nâng cao hiệu quả, khả năng sống sót và tác chiến bất ngờ khi chiến đấu là rất cần thiết

Thực tế, với compozit chống đạn có cấp độ càng cao thì số lớp và độ dầy càng lớn, đồng thời khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu cũng tăng th o độ dầy và độ dẫn điện của các hạt nano gia cường, cho thấy tiềm năng kết hợp hai tính chất này trong một hệ compozit duy nhất ưu việt hơn Luận án lựa chọn chế tạo vật liệu nanocompozit hấp thụ sóng điện từ có khả năng chống đạn trên cơ sở vải sợi độ bền cao, nền polyme nhiệt rắn, gia cường vật liệu nano: đầu tiên là chế tạo vật liệu gia cường ẫn điện trên cơ sở ống nanocacbon đa tường (MWCNT) và graphen với polyme dẫn nhằm tạo ra nanocompozit có độ dẫn tốt, sau đó sử dụng vật liệu này

Nội dung cần nghiên cứu của luận án:

- Chế tạo nanocompozit trên cơ sở nanocompozit của graph n và MWCNT với polym ẫn như PANi, Polypyrol và lựa chọn hệ vật liệu có khả năng hấp thụ sóng điện từ tốt nhất

- Tối ưu điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu chống đạn trên cơ sở vải sợi vlar và vải sợi cacbon nền nhựa poxy gia cường vật liệu nanocompozit

- Tính toán đưa ra kết cấu chống đạn tối ưu trên cơ sở mô phỏng số và bắn thử nghiệm thực tế, khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu chế tạo được

Đóng góp của luận án:

 Chế tạo thành công các hệ vật liệu nanocompozit MWCNT PPy, graphen/ PPy, MWCNT/PANi, graphen/P Ni và khảo sát độ dẫn, khả năng hấp thụ sóng điện từ, hình thái học, phân tích nhiệt của vật liệu thu được

 Đã chế tạo được các hệ vật liệu chống đạn trên cơ sở nanocompozit vải sợi cacbon poxy graph n-PPy và nanocompozit vải sợi vlar poxy graph n-PPy, sử ụng hệ nhựa đóng rắn nóng poxy pikot 1 M ở t lệ 100 22

P L với cùng chế độ công nghệ tối ưu

 hảo sát khả năng chống đạn của các nanocompozit vải sợi đối với đạn súng , đạn súng bằng phương pháp mô phỏng số sử ụng phần mềm auto yn nsys 12 và bắn thử nghiệm thực tế từ đó lựa chọn được kết cấu chống đạn tối ưu

3

 hảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của các nanocompozit vải vlar epoxy/graphen-PPy, vải cacbon poxy graph n-PPy và vải cacbon/Kevlar/ epoxy/graphen-PPy từ đó đưa ra hệ vật liệu có khả năng hấp thụ sóng điện từ hiệu quả

 Chế tạo được vật liệu nanocompozit tổ hợp vải sợi cacbon vlar poxy graph n-PPy có khả năng hấp thụ sóng điện từ và chống đạn tốt đối với súng , ết uả của luận án mở ra hướng nghiên cứu vật liệu mới ứng ụng trong chế tạo giáp chống đạn bền hơn, nhẹ hơn đồng thời có khả năng ngụy trang hiệu uả cho các phương tiện cá nhân, khí tài uân sự, tránh bị phát hiện bởi ra đa băng X nhằm nâng cao hiệu quả tác chiến khi chiến đấu, phục vụ thiết thực cho công tác đảm bảo an ninh quốc phòng

4

C ƯƠN 1 TỔNG QUAN

1.1 Vật liệu nanocompozit

Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo

nên vật liệu mới có tính năng vượt trội so với các vật liệu ban đầu Nhìn chung, vật liệu compozit gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất Pha liên tục gọi là vật liệu nền matrix , thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu gia cường

r inforc m nt được trộn vào pha nền để làm tăng tính chất cơ học, độ kết dính, khả năng chống mòn, chống xước của vật liệu [1, 2]

Vật liệu nanocompozit là compozit với vật liệu gia cường có kích thước

nanomet Tính chất đặc biệt của loại vật liệu này là sự kết hợp thành công các tính chất riêng nổi trội của mỗi vật liệu riêng rẽ trong hiệu ứng kích thước lượng tử Khi phân tán đều vật liệu nano trong vật liệu nền, chúng sẽ tạo ra diện tích tương tác khổng lồ giữa các tiểu phân nano với vật liệu nền cho hiệu ứng bề mặt lớn (diện tích này có thể đạt đến 700 m2/g trong trường hợp chất gia cường là nanoclay) hi đó khoảng cách giữa các phân tử nano sẽ tương đương với kích thước của chúng và tạo

ra những tương tác hoàn toàn khác các bột độn gia cường kích thước micromet truyền thống Khi trộn trong polyme, vật liệu nano cho các tính chất đặc biệt khác với khi trộn các hạt thông thường, nó làm tăng độ bền ứng suất nhưng vẫn duy trì được độ dẻo Điều này có được là do hạt độn nano làm giảm đáng kể các khuyết tật trong vật liệu so với hạt độn thông thường [1, 2]

Có thể chia vật liệu nano thành 3 loại tùy thuộc vào số chiều có kích thước nằm trong khoảng nanomet của chúng:

+ Loại 1: Vật liệu có kích thước nanomet ở cả ba chiều (mỗi chiều nhỏ hơn

100 nm) trong không gian bao gồm các hạt nano (SiO2, u, g và Zn … , full r n (C60, phân tử hình cầu có đường kính khoảng 1 nm, gồm 60 nguyên tử cacbon sắp xếp thành 20 hình lục giác và 12 hình ngũ giác, th o hình ạng của một quả bóng), hoặc dendrimer (phân tử polyme hình cầu được hình thành thông qua quá trình tự

5

lắp ráp cỡ nano), chấm lượng tử (hạt bán dẫn kích cỡ nano xuất hiện hiệu ứng lượng

tử …

+ Loại 2: Vật liệu có kích thước nanomet ở hai chiều trong không gian và

chiều còn lại lớn hơn, ví dụ như ống nanocacbon, ống nano vô cơ MoS2, TiO2… , sợi nano, các polyme sinh học…

+ Loại 3: Vật liệu ch có một chiều mang kích thước nanomet, hai chiều còn

lại lớn hơn, ví dụ như các màng mỏng, lớp, graph n, nanoclay… Hình dạng của chúng ở dạng những lớp mỏng xếp chồng lên nhau hoặc tách hẳn ra thành từng lớp phân bố trong vật liệu nền [3]

Vật liệu polyme nanocompozit

Vật liệu polyme compozit và vật liệu polyme nanocompozit (PNC) là sự kết hợp của hai hay nhiều cấu tử khác nhau với thành phần chính là nền polyme và vật liệu gia cường ở dạng hạt, dạng sợi hoặc dạng lớp, ngoài ra còn có chất đóng rắn, hoá dẻo, chất độn và chất mầu nếu cần

- Pha nền polyme là chất kết dính (pha liên tục) có nhiệm vụ bao bọc, liên kết

và chuyển ứng suất tập trung cho vật liệu gia cường Nền polyme tốt phải đáp ứng các yêu cầu sau:

+ Có khả năng thấm ướt tốt hoặc tạo được liên kết hoá học với vật liệu gia cường

+ Có khả năng biến dạng để làm giảm ứng suất nội xảy ra do sự co ngót khi thay đổi nhiệt độ

+ Thích hợp với các phương pháp chế tạo thông thường

+ Bền với môi trường ở các điều kiện sử dụng, có chứa nhóm phân cực hoạt động

Trong thực tế, để lựa chọn vật liệu nền tối ưu, cần phải dung hoà các yếu tố

về độ bền, khả năng chế tạo và các tính chất khác

Polym nền có thể là nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo:

+ Nhựa nhiệt ẻo: P , PP, P , PS, BS, PVC… thường được chế tạo ở trạng thái nóng chảy

6

+ Nhựa nhiệt rắn: polyur tan, epoxy, polyeste không no thường có thể tiến hành chế tạo bằng tay ở điều kiện thường

- P a a ường được trộn vào nền polym , đóng vai trò chịu ứng suất tập

trung, làm tăng độ bền của vật liệu Cấu trúc ban đầu của cốt, hàm lượng cốt, hình dạng kích thước cốt, tương tác giữa cốt tăng cường và nhựa nền, độ bền mối liên kết giữa chúng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu và quyết định khả năng chế tạo của vật liệu

Polyme compozit là vật liệu quan trọng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực,

từ lĩnh vực yêu cầu cao như máy bay, tầu vũ trụ đến những ứng dụng thông thường trong cuộc sống hàng ngày Trong những năm gần đây, những tính chất tối ưu của vật liệu compozit sử dụng chất gia cường với kích thước micro đã đạt đến mức tới hạn do tính chất chung của compozit luôn là sự hài hoà của các tính chất riêng biệt Thêm vào đó những khuyết tật kích thước micro luôn tồn tại do chất độn chiếm phần thể tích rất lớn trong vật liệu dẫn đến làm giảm tính chất của compozit [1]

Độ bền liên kết giữa nền polyme và chất gia cường có ảnh hưởng đến hiệu quả truyền lực qua vùng phân chia pha Sự tương tác pha ảnh hưởng đến độ bền liên kết giữa các cấu tử, o đó ảnh hưởng đến các tính chất đặc trưng của vật liệu Vì vậy điều khiển quá trình này là một khâu quan trọng trong việc hình thành các tính chất vượt trội của vật liệu polyme nanocompozit Chất gia cường kích cỡ nano thường được xử lý bề mặt trước khi sử ụng, ví ụ như phủ chất liên kết lên bề mặt chất gia cường để tạo một lớp chuyển tiếp giữa chúng và nền polym hoặc biến tính chất gia cường bằng các chất chứa nhóm chức có khả năng phản ứng với polym và các nhóm hoạt động trên bề mặt chất gia cường để tạo khả năng tương hợp tốt hơn với nền polym

Vật liệu nanocompozit có diện tích mặt phân cách lớn làm cho nó có tính chất khác so với polym ban đầu Để hiểu được các ảnh hưởng của chất gia cường thang độ nano lên đặc tính polyme, cần nghiên cứu khu vực mặt phân cách này [3] Mặt phân cách là khu vực polyme bao quanh hạt nano, có cấu trúc dạng chuỗi, làm thay đổi độ linh động của pha nền Bên cạnh sự thay đổi về độ linh động, các dạng

7

chuỗi của polym cũng có thể bị biến dạng kiểu dáng hay mức độ kết tinh Chất gia cường nano làm thay đổi tốc độ kết tinh, làm gia tăng sự hình thành pha tinh thể và làm ổn định pha phát triển thêm Sự thay đổi về hoá học có thể xảy ra ở khu vực mặt phân cách, điển hình là sự hấp thụ ưu tiên tác nhân phản ứng trên chất gia cường nano, làm khu vực xung quanh hạt nano trở thành trung tâm phản ứng, o đó

nó được bao bọc bởi một lớp polyme liên kết ngang hoá học với nhau, có mật độ liên kết lớn hơn so với vùng xa mặt phân cách Hiện tượng này được quan sát thấy trong nanocompozit của poxy gia cường nano TiO2 [4]

Một trong những hạn chế trong chế tạo nanocompozit là sự phân tán chất gia cường Nếu không phân tán và phân bố chất gia cường tốt thì diện tích bề mặt bị thu hẹp, và sinh ra các khối kết tụ có thể trở thành khuyết tật trong pha nền, làm hạn chế các tính chất của vật liệu

1.1.1 Các phương pháp chế tạo nanocompozit

1.1.1.1 Trộ ảy

Các polyme nhiệt dẻo bị nóng chảy và chuyển sang trạng thái chảy mềm ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của nó Phương pháp trộn nóng chảy là một kỹ thuật rất có giá trị để chế tạo nanocompozit và được dùng phổ biến cho các nhựa nhiệt dẻo Phương pháp này không sử dụng dung môi nên thuận tiện hơn nhiều trong quá trình chế tạo (không phải tách, xử lý và thu hồi dung môi) Quá trình trộn nóng chảy có thể thực hiện trên máy trộn kín hoặc hệ thống máy p đùn

Whiney và cộng sự [5] nghiên cứu trộn nóng chảy SWCNT với nền PMMA Hỗn hợp thu được đ m đúc vào khuôn T flon và sấy khô Màng tạo thành được đập

vỡ thành nhiều phần nhỏ và p nóng để tạo ra một màng mới Sau đó lại được chia nhỏ và p nóng, uá trình được lặp đi lặp lại khoảng 25 lần Các tác giả quan sát thấy sự phân tán của SWCNT được cải thiện sau mỗi quá trình Màng nanocompozit cuối cùng được p đùn ua một máy kéo sợi nóng chảy có đường kính lỗ 600 μm để tạo sợi Do sự sắp xếp của các ống dọc theo trục sợi, mo ul đàn hồi và độ bền kéo của sợi tổng hợp tăng th o t lệ ống nano, với hàm lượng 8 % SWCNT, độ bền kéo của vật liệu tạo thành tăng 0 % và mo ul đàn hồi tăng 100 %

8

Goh và cộng sự [6] sử dụng một cách khác để phối trộn nóng chảy MWCNT với PMMA ở tốc độ 120 vòng/phút (nhiệt độ trộn 200oC) và hỗn hợp này được nén bằng máy ép thủy lực ưới áp suất cao, ở nhiệt độ 210oC để tạo màng nanocompozit Potschke và cộng sự [7] chế tạo nanocompozit MWCNT/ polycacbonat bằng cách ép nóng chảy và n n p trong khuôn Đo lưu biến của compozit ở 260oC cho thấy sự tăng đáng kể độ nhớt khi tăng hàm lượng MWCNT, đặc biệt là với hàm lượng MWCNT trên 2 %

1.1.1.2 Trộ ịch

Một số hạn chế của trộn nóng chảy có thể được khắc phục nếu cả polyme và hạt nano được phân tán đều trong dung dịch Điều này cho phép biến tính bề mặt hạt mà không phải sấy, giảm sự kết tụ hạt Hệ nano polym sau đó có thể được đúc thành thể rắn, hoặc thành dạng hạt nano/polyme bằng cách sử dụng phương pháp bay hơi ung ịch hay kết tủa [1, 3]

1.1.1.3 Trùng h p tại chỗ

Có rất nhiều loại nanocompozit được xử lý và chế tạo bằng phương pháp trùng hợp tại chỗ Trong phương pháp này, các hạt nano được phân tán trong monome hoặc dung dịch chứa monome, sau đó trùng hợp monom và thu được nanocompozit chứa lớp polyme bao phủ lên bề mặt hạt nano Điều then chốt để trùng hợp tại chỗ là phân tán thích hợp hạt nano trong monom Điều này đòi hỏi phải biến tính và hoạt hoá bề mặt hạt Mặc dù hạt nano phân tán trong chất lỏng dễ hơn phân tán trong ạng nóng chảy nhưng uá trình lắng cũng xảy ra nhanh hơn, o

đó cần sử dụng các chất hoạt động bề mặt để ổn định huyền phù [3, 8]

1.1.1.4 Phủ lõi – võ (core-shell)

Nghiên cứu [9] cho thấy lớp phủ core-shell đã làm tăng tính tương hợp và cường độ tương tác của polyme với chất nền Lớp phủ này hấp phụ hoặc tạo được liên kết hóa học với bề mặt hạt Sau khi phủ, các hạt có thể phân tán dễ dàng trong chất nền hoặc dung môi để chế tạo nanocompozit Phương pháp này không ch tạo được lớp như đơn lớp mà còn có thể chế tạo được lớp phủ đa lớp vô cơ hoặc hữu cơ

Ví dụ như các axit cacboxylic bị nhôm hấp phụ mạnh, nếu axit này chứa gốc trùng hợp được thì sau khi hấp phụ có thể tiến hành trùng hợp và phát triển phân tử polyme gắn lên bề mặt hạt [11,12, 13]

Hì 1.1 Sơ đồ tổng h p chất lai polyme-hạt nano[10]

Một phương pháp khác để chế tạo nanocompozit có mạng lưới hạt nano trật

tự là ghép chất khơi mào lên bề mặt hạt nano sau đó trùng hợp polym đã gắn trên

bề mặt Hình 1.1 là ví dụ áp dụng của phương pháp này đối với các hạt silica có polystyren ghép trật tự trong chất nền Quá trình này thích hợp với lớp phủ copolyme khối và thậm chí là copolyme triblock [14, 15]

1.1.2 Chế tạo nanocompozit trên cơ sở polyme dẫn

a) Polyme dẫn là chất gia cường

Polyme dẫn có độ dẫn tôt, tính chất điện môi cao, có khả năng tương thích tốt với nhiều nền polym cách điện khác nhau, nên có thể sử dụng làm vật liệu để chế tạo compozit Hình 1.2 trình bày các bước chế tạo vật liệu nanocompozit bằng

10

cách xử lý trong dung dịch hoặc trộn hợp trong pha nóng chảy [16] Trong quá trình chế tạo, cả polyme dẫn thuần (ICP) và nền polyme được hòa tan/phân tán trong dung môi và khuấy, trộn, rung siêu âm nhằm đạt được sự pha trộn đồng đều nhất, cuối cùng là ép (tạo hình) và sấy khô hoặc đóng rắn Quá trình trộn hợp nóng chảy liên uan đến việc pha trộn chất gia cường với nền polyme nóng chảy, tiếp theo là tạo hình và làm mát hay đóng rắn Trong một số trường hợp nhựa nhiệt rắn, ICP được trộn lẫn với tiền chất polyme bằng kỹ thuật hòa trộn dung dịch và khâu mạch tạo liên kết bằng chất đóng rắn có thể được kết hợp với quá trình gia nhiệt, áp suất [17, 18]

Hình 1.2 Chế tạo nanocompozit nề olyme ia ường polyme dẫn bằ ươ

pháp dung dịch và nóng chảy [17]

b) Polyme dẫn là polyme nền

Ưu điểm của việc sử dụng polyme dẫn như là polyme nền trong nanocompozit là sự kết hợp các chất gia cường linh hoạt, tương tác tốt với các chất gia cường và cho khả năng hấp thụ sóng điện từ tốt Sự kết hợp của chất dẫn điện khác nhau, của các hạt nano từ tính trong điện môi với nền polyme dẫn… Có thể đạt được bằng quá trình trộn vật lý “ x-situ” hoặc bằng trùng hợp tại chỗ [18] Quá trình trộn vật lý “ x-situ” thường phân tán chất độn k m và khuynh hướng tích tụ của chúng vẫn xảy ra, kết quả là cho các sản phẩm có thuộc tính điện và từ không đồng đều Ngược lại, các tính chất điện của nanocompozit được kiểm soát chặt chẽ

Nano compozit trên cơ sở polyme

ẫn

Đổ khuôn, sấy khô/

đóng rắn

Dung môi (siêu âm, khuấy)

Polyme ẫn

Polyme nền

Định hình:

làm nguội/đón

g rắn

Hỗn hợp nóng chảy

Hỗn hợp nóng chảy polyme nền/polyme

11

bằng trùng hợp tại chỗ trong đó tập trung kiểm soát các điều kiện phản ứng của dung dịch chứa chất kích thích và chất gia cường [19] Xét một phản ứng điển hình gồm monom , chất gia cường và chất pha tạp (doping) (hoặc xúc tác) cho vào một bình phản ứng được thiết kế phù hợp để có thể uy trì điều kiện nhiệt độ xác định (T), áp suất (P) và tốc độ khuấy Trước khi trùng hợp, monom thường được hấp phụ lên các hạt gia cường nano và quá trình trùng hợp xảy ra khi thêm một lượng chất khơi mào hoặc oxy hóa sau đó tiến hành phản ứng đến khi hoàn thành, thu được nanocompozit nền polyme dẫn như trình bày tại hình 1.3

Hình 1.3 Chế tạo nanocompozit nền polyme dẫn bằ ươ á trùng h p

tại chỗ [17]

1.1.3 Tính chất điện của nanocompozit trên cơ sở polyme dẫn

Từ cơ chế hấp thụ sóng điện từ cho thấy vật liệu cần có các hạt mang điện tự

do (electron/lỗ trống) để có thể tương tác với các trường điện từ tới điều kiện thường, các polyme liên hợp hữu cơ là chất cách điện nếu chưa được kích thích, ví

dụ độ dẫn điện σdc) ở nhiệt độ phòng của PANi là ~10-9 S/cm Tuy nhiên, khi chúng được “ oping” dẫn đến hình thành các hạt mang điện, tăng cường tính dẫn điện Tức là hình thành các polarons/bipolarons có thể di chuyển ưới ảnh hưởng của điện thế bên ngoài hoặc điện trường tạo ra bởi các ion trái dấu phân bố dọc theo chuỗi [20, 21]

Nanocompozit trên cơ

sở polym ẫn

Phản ứng trùng hợp

Monome

Chất độn

Xúc tác

Chất oping

12

Hình 1.4 Quá trình kích thích bằng axit của polyanilin

Vì vậy, khi hàm lượng chất kích thích tăng, nồng độ và tính linh động của các hạt mang điện tăng, dẫn đến tăng độ dẫn điện Các hạt ICP khi gia cường trong nền polym cách điện làm hình thành độ dẫn điện trong compozit hi tăng hàm lượng CP đến một giới hạn nhất định, hạt ICP hình thành một mạng lưới dẫn điện liên tục trong nền chủ, tạo thành độ dẫn của nanocompozit, hàm lượng đó gọi là ngưỡng điện thẩm của nanocompozit Đo độ ẫn biểu diễn phù hợp với quy luật hàm mũ [22]:

(1)

Trong đó, σ là độ dẫn điện của compozit, σo là độ dẫn đặc trưng, υ là t trọng thể tích của chất độn, υc là t trọng thể tích ở ngưỡng điện thẩm và t là hệ số mũ Biểu diễn đồ thị log σ th o log υ-υc) tạo thành một đường thẳng th o phương trình trên Theo quy luật suy rộng thông số, υc và t có thể thu được sau đó bằng cách phân tích đường trung bình đồ thị logarit đó

Sự hình thành của mạng lưới như vậy tại ngưỡng điện thẩm phụ thuộc vào bản chất của CP, độ dẫn nội tại, hình dạng hạt, hình thái, t lệ, nồng độ, độ phân tán

và mức độ phù hợp với nền Tuy nhiên, tại ngưỡng điện thẩm, độ dẫn σp) vẫn thấp

Để cho khả năng hấp thụ chấp nhận được cần tăng nồng độ hạt gia cường lên cao

13

[20] hi CP được kết hợp với các chất gia cường dẫn điện khác như MWCNT ,

nó làm giảm đáng kể ngưỡng điện thẩm, tăng độ dẫn và hiệu quả hấp thụ tốt hơn so với ch sử dụng ICP [22, 23]

1.1.4 Vật liệu nanocompozit CNT/polyme

MWCNT được coi như sợi cacbon cơ bản với độ bền cơ học tốt, độ bền kéo đứt cao 200 GPa , mô đun đàn hồi cao (1 TPa), o đó có nhiều nghiên cứu sử dụng MWCNT làm chất gia cường cho polyme [24] Khi MWCNT có liên kết cộng hóa trị với chuỗi polyme, tính chất cơ học vật liệu cao hơn o nó làm tăng cả sự phân tán MWCNT và sự truyền ứng suất đến nền Theo [25] khi trộn MWCNT chưa biến tính với PVA cho thấy tính chất cơ học tăng đáng kể Điều này là do các vách MWCNT đóng vai trò làm trung tâm cho sự kết tinh của polym , o đó ẫn đến tạo

ra vật liệu có độ bền cao hơn

Khả năng phân tán MWCNT trong polym là một trong những thông số quan trọng để điều ch nh tính chất nanocompozit [26] Nếu MWCNT tồn tại ưới dạng

bó hoặc bị kết tụ tạo nên các vị trí khuyết tật và hạn chế khả năng truyền tải lực trong pha nền, vị trí này dễ bị phá hu trước tiên khi chịu tác động của lực

Có thể tăng độ phân tán bằng cách biến tính MWCNT như chức hoá đầu ống bằng amin hữu cơ mạch dài hoặc chức hoá thành ống bằng muối fluorin alkan Tuy nhiên, việc sử dụng chất hoạt tính bề mặt làm cho compozit có tạp chất Chức hoá đầu CNT hạn chế sự kiểm soát liên kết với chất nền, và phản ứng ở thành ống có thể ảnh hưởng đến tính chất cơ học [27, 28] Dung môi phân tán trực tiếp MWCNT được biết là NMP, DMF, hexametyl phosphor amit, cyclopentan, tetrametylen sulfoxit và -caprolacton [29] Ngoài ra, nghiên cứu trên cũng cho thấy MWCNT cũng được phân tán trực tiếp trong polyacrylat uretan lỏng, monome metylmetaacrylat và nhựa poxy, sau đó tiến hành phản ứng trùng hợp để tạo thành các nanocompozit [6, 26]

Đáng chú ý trong chế tạo sợi cacbon macro, MWCNT được gia cường vào chất nền làm cho tính chất của vật liệu được cải thiện đáng kể, giảm nhiệt độ nhiệt

14

phân, tăng khả năng tản nhiệt và không làm tăng nhiệt cục bộ [30-32] Các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy sợi micro CNT/polyme compozit sản xuất bằng kỹ thuật quay/kéo sợi nóng chảy tăng cường tính chất cơ học so với sợi polyme không chứa MWCNT ban đầu [33]

1.1.5 Vật liệu nanocompozit graphen/polyme

Lee và cộng sự đo tính chất đàn hồi và độ bền phá hủy nội tại của graphen tự

do bằng đầu AFM [34] Kết quả cho thấy, những tấm graph n đơn lớp có tính chất

cơ học tốt như mô đun đàn hồi lớn (~1 TPa , độ bền kéo rất cao (~130 GPa và độ bền phá hủy 42 N.m-1 o đó, có thể nghiên cứu sử dụng graphen làm chất gia cường cho polyme compozit Các nghiên cứu của Ramanathan và cộng sự cho thấy khi thêm 1% graphen vào PMMA sẽ làm tăng 0% mođun đàn hồi và 20% độ bền

k o đứt [35] So sánh cho thấy trong số tất cả các vật liệu nano dạng lớp được nghiên cứu thì graph n đơn lớp chức hóa cho kết quả tốt nhất, có thể là do bề mặt của nó có kích thước nano nhám tạo liên kết được với các chuỗi polyme Tấm graphen chức hóa có chứa nhóm hydroxyl trên bề mặt tạo liên kết hydro với nhóm cacbonyl của PMM o đó tương tác mạnh mẽ hơn với PMMA Hiệu ứng tăng cường tương tác với nền polyme giúp chuyển tải lực tốt hơn giữa nền và sợi dẫn đến nâng cao cơ tính ết quả cho thấy, ch cần thêm 0,6% graphen vào poly vinyl alcohol (PVA) thì mô đun đàn hồi tăng % và độ cứng tăng % [36] Rafiee và cộng sự [37] so sánh tính chất cơ học của compozit epoxy 0,1% graphen với 0,1% CNT thấy rằng, compozit graph n tăng mô đun đàn hồi 1% , độ bền kéo (40%),

độ bền đứt gãy (53%) so với compozit poxy CNT Độ bền mỏi của vật liệu compozit epoxy/CNT suy giảm đáng kể khi cường độ ứng suất gia tăng; ngược lại, nanocompozit poxy graph n có độ bền mỏi tăng lên ạng hình học lớp phẳng và

bề mặt có nhiều nếp gấp của graphen giúp bám dính tốt hơn với nền, từ đó làm tăng tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit

Compozit epoxy graph n được chế tạo bằng cách trùng hợp tại chỗ và được nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng điện từ Trên toàn bộ dải tần số, hiệu quả hấp thụ tăng khi tăng hàm lượng hạt gia cường graph n Như vậy compozit epoxy/graphen

15

có thể được sử dụng trong các ứng dụng hấp thụ bức xạ điện từ Liang và cộng sự điều chế compozit polydiaxetylen (PDA)/graphen bằng phương pháp chế tạo trong dung dịch [38], compozit này có độ dẫn tốt, tốc độ đáp ứng nhanh và tần số cộng hưởng cao Nhựa poxy có độ dẫn nhiệt rất k m nhưng khi được gia cường graphen oxit cho thấy sự cải thiện tốt hơn, với hàm lượng GO 5% làm tăng độ dẫn nhiệt lên

4 lần so với nhựa poxy ban đầu

Liu và cộng sự [39] chế tạo nanocompozit graph n oxit G gia cường cho nhựa epoxy bằng cách chuyển GO từ ưa nước sang ưa ax ton hi sử dụng 1% GO,

nó làm tăng độ bền uốn, mô đun uốn, độ bền va đập và mô đun ự trữ Pang và cộng sự [40] nghiên cứu chế tạo compozit graphen với polyetylen trọng lượng phân

tử siêu cao (UHMWPE) cho thấy khả năng dẫn điện và xác định cấu trúc điện thẩm của chúng Pan và cộng sự [41] chế tạo lớp phủ polyamit/graphen bằng phương pháp phun phủ, kết quả cho thấy khả năng chịu mài mòn của lớp phủ compozit cao hơn polyamit ban đầu

1.2 Vật liệu hấp thụ sóng điện từ

1.2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán

Sóng điện từ bao gồm hai thành phần điện trường và từ trường ao động theo phương vuông góc với nhau Để làm triệt tiêu năng lượng của sóng điện từ có hai hướng là triệt tiêu từ trường hoặc triệt tiêu điện trường Vật liệu tổn hao điện là vật liệu có hằng số điện môi lớn như polym ẫn, các chất điện ly rắn, hay compozit của hạt dẫn điện với polyme hữu cơ Vật liệu tổn hao từ là vật liệu có độ từ thẩm lớn như bột sắt từ, hợp kim của sắt, phức từ tính [42, 43, 44]

Khả năng hấp thụ tổng của vật liệu hay là hiệu quả che chắn (schielding effective) SE của nó được tính bằng tổng tổn hao phản hồi và tổn hao hấp thụ theo công thức:

(2)

SET: Tổn hao hấp thụ tổng

Trong đó: σT là độ dẫn tổng, f là tần số Hz , μr độ từ thẩm của vật liệu, εo là

hằng số điện môi của không khí

và SEA là độ dẫn th o sóng điện từ σT và độ dày lớp phủ δ

Một lớp Dallenbach là một lớp hấp thụ đồng nhất đặt trên một mặt dẫn điện

Độ dày của lớp, hằng số điện môi và độ từ thẩm được điều ch nh để phản xạ được giảm thiểu cho một bước sóng mong muốn Nguyên lý của lớp Dallenbach là triệt tiêu qua hiện tượng giao thoa của sóng phản xạ từ bề mặt phân cách đầu tiên và thứ hai, giảm sóng phản xạ tối thiểu, trở kháng hiệu quả của lớp phải bằng trở kháng của môi trường lan truyền [45]

18

Hình 1.7 Cấu tạo màn chắn Salisbury

Độ dày tấm trở kháng được xác định theo công thức

Hình 1.8 Cấu tạo lớp Jauman

Lớp trở kháng được chế tạo từ bột cacbon trong phenol-fomandehyt, xenlulo hay polyvinyl axetat với xốp polyetylen thay thế khoảng trống không khí Từ năm

19

1991 các polyme dẫn đã được sử dụng làm vật liệu hấp thụ trong các lớp Jauman Việc tối ưu các lớp Jauman rất khó o khi tăng số lớp thì các tham số tính toán rất phức tạp [46]

1.2.3 Vật liệu hấp thụ s điện từ trê ơ sở nanocompozit của polyme dẫn

Với vật liệu tổn hao điện môi, tính chất quan trọng nhất là khả năng phân cực của nó ưới tác dụng của điện trường ngoài Hiện tượng phân cực là sự thay đổi vị trí trong không gian của những thành phần mang điện và hình thành momen điện trường ưới tác dụng của điện trường xảy ra sự thay đổi trật tự điện tích trong phân

tử điện môi Tham số xác định khả năng hình thành điện dung là hệ số điện môi ε của vật liệu Khi một mẫu điện môi đặt trong điện áp nào đó sẽ xuất hiện những òng điện bao gồm: òng điện rò (Ir) do một số điện tích tự do chuyển dịch gây nên Dòng điện phân cực (Ipc) do sự chuyển dịch của các điện tích ràng buộc khi có phân cực điện tử hay phân cực ion, òng điện dung (Ic ) do sự dịch chuyển của các điện

tử trong các dạng phân cực khác của điện môi Đối với điện áp xoay chiều nó tồn tại liên tục Tổng òng điện trong điện môi: I = Ir + Ic+ Ipc Như vậy ưới tác động của sóng điện từ, độ dẫn của vật liệu điện môi polyme dẫn sẽ luôn bị thay đổi [47]

Với vật liệu dẫn tương đối như polym ẫn) hằng số điện môi ε và độ dẫn đóng một vai trò quan trọng trong việc quyết định giá trị tổn hao SER và SEA Sự hấp thụ sóng điện từ trên cơ sở vật liệu có lưỡng cực điện hoặc từ có thể tương tác với v ctơ điện (E) và từ (H) của sóng điện từ tới sinh ra tổn thất sóng Đây là cơ chế chính của vật liệu hấp thụ trên cơ sở polyme dẫn

Hầu hết các polyme dẫn ở trạng thái cơ bản có tính chất điện môi và tính chất

từ thấp Khi polyme dẫn bị kích thích sẽ hình thành các polarons/bipolarons, cho thấy sự phân cực rõ rệt [48, 49] Tính chất điện môi tăng th o mức độ kích thích là

do sự hình thành và tăng nồng độ của điện tích cục bộ

Với ICP, bên cạnh việc kích thích làm chất gia cường phân cực còn gây ra sự phân cực mặt phân cách cũng góp phần vào tính chất điện môi của nanocompozit Khi chất độn dẫn điện như các hạt kim loại, than chì, CNT và graph n được đưa vào

20

nền CP làm tăng tính chất điện môi Sự khác biệt độ dẫn điện giữa polyme dẫn và chất gia cường dẫn điện khác dẫn đến phân cực điện tích tại bề mặt phân cách gọi là hiện tượng phân cực bề mặt Maxwell-Wagner-Sillars [17, 50] Sự phân cực đó và hiện tượng “tích thoát” góp phần liên uan đến sự tích trữ năng lượng và gây ra tổn hao năng lượng sóng Những tổn hao thực có thể được tính bằng cách chuẩn hóa những tổn hao này với các điều kiện tích trữ như t lệ tổn hao điện môi/hằng số điện môi ảo ε" và hằng số điện môi/hằng số điện môi thực ε' tới giá trị tổn thất tang δ

Đặc tính che chắn vượt trội của vật liệu nanocompozit khác với sự hấp thụ của kim loại làm cho ICP có thể ứng dụng rộng rãi trong công nghệ tàng hình Trong nhiều trường hợp, các hạt ICP ở mức độ kích thích cao được sử dụng như chất gia cường dẫn điện cho nền polym cách điện, dẫn đến việc thành lập và cải thiện tính dẫn điện, đồng thời góp phần làm tăng giá trị hằng số điện môi thực và

ảo Các vật liệu này đã được sử dụng chế tạo các tấm hấp thụ sóng điện từ dạng lớp [17, 51]

Polyanilin là polyme dẫn có giá thành thấp, dễ chế tạo, có độ dẫn và tính chất điện môi tốt phù hợp cho một chất hấp thụ sóng điện từ Vật liệu hấp thụ sóng điện

từ trên cơ sở vật liệu compozit của polypyrol với các vật liệu khác như cao su, vải sợi hoặc hỗn hợp polyme đã được sử dụng rộng rãi, cho thấy polypyrol có tiềm năng ứng dụng rất lớn do tính bền trong môi trường không khí

1.3 Compozit chống đạn

Compozit khối lượng nhẹ chống đạn sử dụng các sợi polym có mô đun và

độ bền cao như sợi aramit, sợi cacbon, UHMWPE, PBO Những sợi này ở dạng liên tục hoặc vải sợi dệt được xếp thành nhiều lớp, được nhúng và gắn kết với nhau qua nhựa nền tạo thành compozit chống đạn Các kiểu compozit chống đạn dạng tấm đa lớp được sử dụng rộng rãi trong các hệ giáp cứng, như mũ, áo giáp chống đạn cá nhân, chống mảnh bom Compozit sợi aramit, UHMWPE chống đạn cũng được sử dụng ở xe bọc thép hạng nhẹ [52, 53] Tham số quan trọng nhất trong đánh giá khả năng chống đạn của vật liệu là khả năng chịu tác động ở các mức vận tốc

21

đạn theo cấp độ khác nhau Tính chất này gọi là “giới hạn đạn đạo” VC hoặc V50 là mức trung bình của vận tốc cao nhất thâm nhập một phần và tốc độ thấp nhất thâm nhập hoàn toàn [54, 55] Độ bền ứng suất biến dạng của các sợi là thông số quan trọng nhất trong dự đoán khả năng chống đạn của compozit Cơ chế chính của sự hấp thụ năng lượng động học khi tác động đạn đạo là sợi bị k o căng và đứt sợi, thực tế hiện tượng này rất phức tạp bởi tính động lực học cao vốn có của nó Tuy nhiên, không thể sử dụng tính chất cơ học của sợi như là thông số chủ yếu để dự đoán khả năng chống đạn cho các compozit chế tạo từ nó, do những khác biệt trong tính chất vật lý và nhiệt trong quá trình va chạm [56]

1.3.1 Lý thuyết chống đạn vật liệu compozit

Để hiểu đầy đủ về va chạm đạn đạo của compozit, cần biết các cơ chế hấp thụ năng lượng và phá hủy khác nhau Các cơ chế hấp thụ năng lượng có thể xảy ra là: sự tạo thành hình nón trên mặt sau của mục tiêu, sự biến dạng của các sợi thứ cấp, sự đứt gãy của các sợi sơ cấp, sự tách lớp, sự rạn nứt ma trận, sự hãm trượt và

ma sát giữa đầu đạn và mục tiêu Với các vật liệu khác nhau như cacbon, thủy tinh, aramit, HMP … thì các cơ chế xảy ra khác nhau Vật liệu gia cường cũng làm ảnh hưởng đến cơ chế hấp thụ năng lượng của compozit [57, 58]

Hình 1.9 Sự tạo thành hình nón khi va chạm đạ đạo ở mặt sau của tấm chố đạn

Zhu và cộng sự [58] tiến hành thử nghiệm va chạm đạn đạo trên compozit Kevlar/polyeste có bề ày thay đổi, cho thấy hình nón được tạo thành ở mặt sau của compozit khi xảy ra va chạm đạn đạo Sự tạo thành hình nón trên mặt sau của compozit được giải thích trên cơ sở sự lan truyền sóng ngang khi va chạm đạn đạo

Hình 1.9 và hình 1.10 giải thích sự tạo thành hình nón ở mặt phía sau của tấm compozit trong quá trình va chạm đạn đạo Khi xảy ra va chạm, vận tốc của đầu đạn và tốc độ tạo thành hình nón là như nhau

22

Hình 1.10 Sự phát triển hình nón trong quá trình va chạm đạ đạo của compozit

Các sợi nằm trong tiết diện tiếp xúc của đầu đạn gọi là sợi sơ cấp Sợi sơ cấp này tạo ra lực cản xuyên chủ đạo với đầu đạn Các sợi còn lại bên trong vùng hình nón được gọi là các sợi thứ cấp, chịu sự ảnh hưởng của va chạm đạn đạo Các sợi này biến dạng và gây ra một vài sự hấp thụ năng lượng

Để phân tích cơ chế va chạm đạn đạo, cần chia thành nhiều giai đoạn khác nhau th o đó khoảng thời gian tiếp xúc được chia nhỏ thành các khoảng thời gian Các giai đoạn này có tính chất nối tiếp, liên tục o đó cơ chế phá hủy và sự hấp thụ năng lượng được xác định ở khoảng thời gian này được đưa vào tính toán khi tiến hành nghiên cứu với các khoảng thời gian tiếp theo Thứ nhất, sự phát triển đường kính mặt đáy của hình nón tạo thành có thể tính được nhờ sự lan truyền sóng ngang, vận tốc sóng ngang phụ thuộc vào đường cong ứng suất biến dạng ở tốc độ biến dạng lớn của vật liệu compozit

Khoảng thời gian thứ hai, bán kính bề mặt của hình nón tăng lên Bán kính

bề mặt được tính dựa trên mức độ xuất hiện lan truyền sóng ngang diễn ra trong khoảng thời gian đó hi sự lan truyền sóng ngang tiếp tục, bán kính bề mặt của hình nón, độ sâu hình nón, khối lượng hình nón và độ biến dạng trong các sợi tăng

hi độ biến dạng trong sợi vượt quá biến dạng kéo cho phép, sợi bị đứt Sự tăng các giá trị này tiếp tục cho đến khi toàn bộ các sợi sơ cấp bị đứt hoặc toàn bộ năng lượng của đầu đạn được hấp thụ bởi mục tiêu Trong quá trình va chạm, sức căng

Biến dạng ở các lớp trên cùng lớn hơn biến dạng ở các lớp ưới cùng và mỗi sợi sơ cấp lại có biến dạng khác nhau Khi biến dạng của từng sợi vượt quá giới hạn ngưỡng cho phép, sợi đó sẽ đứt Kết quả là, sẽ có sự đứt liên tiếp các sợi bắt đầu từ lớp trên cùng, sau đó tiếp tục đến lớp ưới cùng Sự đứt sợi dẫn đến sự hấp thụ năng lượng của đầu đạn Có thể nhận thấy rằng biến dạng bên trong sợi sơ cấp không phải là hằng số bất kỳ thời điểm nào, biến dạng luôn đạt cực đại tại điểm va chạm và giảm ở xa điểm va chạm

Lee và Sun [59] khi nghiên cứu compozit với pha nền dòn cho thấy sự hãm cắt trượt là một trong số các nhân tố phá hủy chính của compozit sợi cacbon/polybismaleimit với viên đạn trụ đáy phẳng Hình 1.11 biểu diễn sự tạo thành hình nêm khi va chạm đạn đạo Tính dòn của các compozit trên cơ sở cacbon

là nguyên nhân gây ra sự thay đổi trong cơ chế phá hủy Sự tạo thành nêm cắt trượt không được quan sát thấy trong các compozit gia cường K vlar có độ biến dạng phá hủy cao ở tốc độ biến dạng cao [60]

Hình 1.11 Sự tạo thành hình nêm khi va chạm đạ đạo đối với vật liệu dòn

Ngoài ra, sự tách các lớp vải, sự rạn nứt của nhựa nền, ma sát giữa đầu đạn với mục tiêu cũng góp phần hấp thụ năng lượng động năng của viên đạn

24

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống đạn của compozit

1.3.2.1 Ả ưởng của vải, s i ia ường

Vải, sợi dùng chế tạo giáp chống đạn cần một số tính năng đặc biệt độ bền cao, ứng suất chịu rạn nứt cao và khả năng chịu nhiệt tốt) Thực tế hiện nay thường

sử dụng là vải sợi cacbon, aramit, poly (p-phenylen-2,6-benzobisoxazol) (PBO) và UHMPE [61, 62]

Tính chất của sợi theo chiều ngang đóng vai trò uan trọng trong sự hấp thụ năng lượng của vải Vì các sợi vải bị kéo giãn nên biến dạng chủ yếu theo chiều ngang sợi, việc hai sợi giao nhau có thể k o ãn đến mức nào, dẫn đến sự xuất hiện của các cơ chế hấp thụ động năng khác nhau trong mục tiêu các compozit cứng, việc xử lý sợi có thể làm thay đổi rất lớn đến mức độ bám dính giữa sợi và nền cơ bản Sợi và nền có độ bám ính cao cho độ bền phá hu cao hơn so với ở các tấm có

sự bám dính kém Sự bám ính k m được biểu hiện là sự tách lớp lớn khi va chạm Tuy nhiên, ở năng lượng va chạm đạn đạo cao hơn, sự bám dính phù hợp để thúc đẩy sự tách lớp là cơ chế giúp hấp thụ năng lượng hiệu quả [56, 61]

Hệ số ma sát bị ảnh hưởng bởi kiểu dệt vải, mật độ sợi thấp hơn cho hệ số

ma sát lớn hơn, có thể là do số các điểm va chạm dọc theo sợi cao hơn Sự có mặt của lực ma sát không những làm ổn định cấu trúc của vải trong vùng va chạm, mà còn ảnh hưởng đến chuyển hóa các cơ chế hấp thụ động năng của compozit khác như các thành phần biến dạng, động năng của đầu đạn Các đặc tính cơ học của vải khác với các sợi, do cấu trúc phức tạp của nó Sự có mặt của nếp gấp, lực ma sát, tương tác giữa các sợi và nhiều yếu tố khác làm thay đổi phản hồi của vải với va chạm Về hình dạng của kiểu dệt, các vải có cấu trúc phẳng đồng đều hấp thụ nhiều năng lượng hơn các vải không đồng phẳng [63, 54]

1.3.2.2 Ả ưởng của nhựa nền

Sự khác nhau phổ biến nhất giữa các hệ nhựa là độ cứng và độ bền của chúng Sự khác nhau chủ yếu giữa các hệ nhựa cứng và dòn là phản hồi ngay sau khi bắt đầu sự tách lớp Các hệ vật liệu dòn có xu hướng trải qua sự tách lớp ngay lập tức với rất ít sự phát triển vết nứt sau đó, trong khi đó các hệ mềm trải qua sự tách lớp ổn định hơn và sự phát triển tách lớp được kiểm soát [62, 64]

25

1.3.2.3 Ả ưởng của tấm chố đạn

a) Ảnh hưởng của kích thước bề mặt

ích thước bề mặt tấm chống đạn có tính quyết định trong va chạm tốc độ thấp nhưng có thể hoàn toàn không quan trọng ở va chạm tốc độ cao [65, 66] Kích thước bề mặt tấm chống đạn có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả chống đạn của nó khi tốc độ va chạm gần với giới hạn đạn đạo của vải tốc độ va chạm cao hơn, ảnh hưởng này được giảm bớt, khi đó các cơ chế cục bộ chiếm ưu thế dẫn đến sự lựa chọn các biên của mục tiêu là không quan trọng

b) Ảnh hưởng của độ dày

Với tấm compozit chống đạn, t số giữa độ dày tấm và đường kính đầu đạn

là thông số quan trọng trong việc xác định cơ chế xâm nhập chiếm ưu thế hi độ dày tấm nhỏ hơn đường kính đầu đạn 2Rp, sự lõm là cơ chế xâm nhập chiếm ưu thế

hi độ dày tấm nhỏ hơn 3/ 2 đường kính đầu đạn, sự tạo thành nêm mềm, tạo

thành hình nón là cơ chế xâm nhập ưu thế Với các tấm mục tiêu ày hơn, sự phá hủy lõm trở nên quan trọng hơn o sự biến dạng uốn cong ít hơn [62, 67]

c) Ảnh hưởng của các tham số biên

Các tham số biên làm thay đổi sự hấp thụ năng lượng của tấm mục tiêu nhờ

sự phản xạ của sóng biến dạng dọc từ các biên Điều này được thể hiện khi quan sát

có sự giảm tốc độ đầu đạn, trong sự phản hồi của sóng biến dạng đến điểm va chạm Phần lớn năng lượng động năng, được hấp thụ bởi tấm mục tiêu là từ chuyển động ngang của vật liệu sang biến dạng hình nón Các compozit cứng hạn chế chuyển động không đồng phẳng bằng cách sử dụng nền nhựa cứng giảm phản hồi toàn bộ, phản hồi cục bộ chiếm ưu thế [55, 68]

1.3.2.4 Ả ưởng của á đầ đạn

Đầu đạn có bốn kiểu hình dáng khác nhau: bán cầu, bẹt, hình cung nhọn và hình nón Đạn đầu bẹt có xu hướng trượt các sợi trên bề mặt tiếp xúc, trong khi đó đạn đầu hình bán cầu có xu hướng k o căng các sợi đến phá hu [69] Đạn hình

26

cung nhọn và hình nón khoan thủng mục tiêu theo kiểu ép sợi trượt sang bên và xuyên ua Đạn có đầu dạng bán cầu có sự suy giảm năng lượng nhanh nhất so với các dạng khác Hình dạng đầu đạn có ảnh hưởng trực tiếp đến sự hấp thụ năng lượng của vải và cơ chế phá hu của sợi Nghiên cứu các tấm compozit bị bắn bởi đầu đạn có hình dạng khác nhau cho thấy: ở vận tốc thấp, đạn có đầu nhọn bị giảm tốc độ nhanh hơn, trong khi ở các vận tốc cao thì đạn có đầu tù giảm tốc độ nhanh hơn [69]

Độ cứng tương đối của đạn có tính quyết định hơn độ cứng tuyệt đối và phụ thuộc vào vận tốc đầu đạn Nếu tấm mục tiêu đủ cứng làm đầu đạn biến dạng và trở nên tù, thì sau đó sẽ có sự tăng iện tích va chạm ở bề mặt đầu đạn, tạo sự phân tán tác động từ đầu đạn Sự bẹt ra của đạn, có thể hấp thụ đáng kể các mức năng lượng lên đến 25%) Khối lượng của đầu đạn quyết định một phần đến cơ chế hấp thụ năng lượng Đạn có khối lượng nhẹ sẽ dễ bị chặn lại ở vận tốc thấp nhưng cơ chế khoan thủng của chúng ở vận tốc cao sẽ được tập trung cao hơn Đầu đạn có khối lượng nặng hơn sẽ gây ra cả cơ chế cục bộ và toàn bộ ở các vận tốc va chạm khác nhau

1.3.3 hương pháp ác đ nh khả năng chống đạn của ật iệ

1.3.3.1 P ươ á mô ỏng số bằng phần mềm Ansys 12

a Phần mềm Ansys 12

Ansys là một trong nhiều chương trình sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán vật lý – cơ học, chuyển động, chuyển các phương trình tích phân vi phân, đạo hàm riêng từ dạng giải tích sang dạng số, với việc sử dụng phương pháp rời rạc hoá và gần đúng để giải

Trong bài toán kết cấu, phần mềm NS S ùng để giải các bài toán trường ứng suất - biến dạng, trường nhiệt cho kết cấu Giải các bài toán tĩnh, ao động, cộng hưởng, bài toán ổn định, bài toán va đập, tiếp xúc, va chạm tốc độ thấp và cao Các bài toán được giải cho dạng cấu trúc xây dựng, bài toán với vật liệu đàn hồi, đàn hồi phi tuyến, đàn ẻo lý tưởng, đàn nhớt… [70] ANSYS là phần mềm mạnh về

sử dụng chọn hoặc tự động chia lưới Số lượng nút và phần tử quyết định đến độ chính xác của bài toán vì mỗi nút được xem như một phần tử được tính toán trong phần mềm

Để giải một bài toán bằng phần mềm ANSYS, cần đưa vào các điều kiện ban đầu, điều kiện biên cho mô hình hình học Các ràng buộc về ngoại lực, vận tốc, phương va chạm, cố định một số phần tử…

Lĩnh vực đã được ứng dụng nghiên cứu: Sóng lan truyền nhanh trong môi trường rắn, lỏng, khí và tương tác giữa chúng; nghiên cứu tính toán không tuyến tính trạng thái vật liệu, trạng thái cấu trúc, tiếp xúc tương tác, tương tác cấu trúc lỏng; nghiên cứu biến dạng lớn/cực lớn, phân mảnh và ứng suất lớn/rất lớn; nghiên cứu va chạm với vận tốc từ thấp đến cao, siêu thanh, truyền nổ, sự nổ ảnh hưởng đến cấu trúc [71, 72]

Lĩnh vực ứng dụng trong an ninh quốc phòng: vật liệu chống đạn, vật liệu chống nổ, xét ảnh hưởng của quá trình nổ, thử nghiệm khiên chống va đập và áo giáp chống đâm [73-75]

b) hương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)

Phương pháp PTHH xuất hiện từ cuối những năm 1 0, được phát triển và ứng dụng rộng rãi từ những năm 1 0 Cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin với các máy tính có ung lượng lớn và tốc độ xử lý nhanh, phương pháp PTHH trở thành phương pháp chính trong tính toán kết cấu, thay thế cho các phương pháp truyền thống như phương pháp lực, phương pháp chuyển vị… o thuật giải của nó rất gần gũi với ý tưởng của công nghệ thông tin như thông tin được phân tầng, có thể đóng gói trong các ma trận để chuyển, hợp và xử lý Phương pháp PTHH cho phép tính toán các kết cấu đơn giản hơn các phương pháp khác của sức bền vật liệu

vì có thể dùng các kết quả trung gian là các ma trận phần tử được thiết lập sẵn có

28

trong các sách cẩm nang Phương pháp PTHH có những n t đặc sắc của công nghệ thông tin hiện đại: các thông tin của đối tượng tính toán được nhập đóng gói vào các ma trận phần tử và được kèm th o địa ch là các ma trận ch số nút Sau đó được nhập tiếp (kết nối) vào ma trận tổng thể thu gọn [76]

c) Nguyên tắc mô phỏng số

Autodyn dựa trên sự chênh lệch giới hạn, thể tích giới hạn và kỹ thuật nguyên tố giới hạn, sử dụng cả cơ sở ô tọa độ và phương pháp số toạ độ Một tập hợp các phương trình vi phân từng phần với sự bảo toàn khối lượng, xung lượng và năng lượng được giải cùng với phương trình cơ bản sử dụng giản đồ thống nhất về thời gian Cùng với việc mẫu vật liệu được cố định điều kiện ban đầu và điều kiện biên sẽ xác định được hướng giải quyết hoàn toàn vấn đề Autodyn sử dụng một giản đồ tích hợp thời gian thực để tính toán trạng thái của vật liệu tại thời điểm t+t,

từ trạng thái đã biết của vật liệu ở thời điểm t Độ biến thiên thời gian t sử dụng để giải phương trình vi phân, được dựa trên thời gian cho một sóng siêu âm chuyển qua một chiều nhỏ nhất của ô chia lưới

uto yn có phương pháp chia lưới, giải khác nhau: Lagrange, Shell, Beam, ALE, SPH, Euler-FCT, Euler-Go unov trong đó phương pháp Lagrang và SPH là phù hợp nhất đối với bài toán mô phỏng đạn bắn vào tấm chống đạn [77] Phương pháp Lagrange yêu cầu một kỹ thuật để xử lí dữ liệu biến đổi lớn nếu đòi hỏi độ chính xác hơn khi tính toán bề mặt phân cách vật liệu SHP, thu động lực hạt làm trơn, là một kỹ thuật chia lưới lỏng lẻo hơn phương pháp Lagrang , ựa trên sự cộng hưởng của các hạt cạnh nhau để giải quyết các vấn đề động học sử dụng máy điện toán và có lợi thế chia lưới dựa trên hai giản đồ SPH là phương pháp phát triển

từ phương pháp mô phỏng vật lí học thiên thể và nó cho phép chủ động theo dõi biến dạng vật liệu và những đặc tính vật liệu trước đó

c) Một số mô hình vật liệu cho mô phỏng

Trong các bài toán biến dạng lớn, ứng xử cơ học của vật liệu được mô tả

bằng: phương trình trạng thái (equation of state - EOS), mô hình sức bền vật liệu (strength material model) và mô hình phá hủy (failure model) Có nhiều mô hình

vật liệu tương ứng cho một hay một số loại vật liệu tùy thuộc vào bản chất cơ học tính của vật liệu đó, hơn nữa với cùng một loại vật liệu có thể có nhiều mô hình mô