Đề tài tìm HIỂU về vật LIỆU COMPOSITE

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG KHOA CƠ KHÍ LỚP: 13CĐ-CK4 TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE Sinh viên thực hiện: Lê Minh Đạt Nguyễn Xuân Hiến TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG KHOA CƠ KHÍ LỚP: 13CĐ-CK4 TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE Sinh viên thực hiện: Lê Minh Đạt Nguyễn Xuân Hiến Mục lục Trang I Vật liệu composite 1 Khái niệm chung Liên kết - cốt II Composite cấu trúc III Composite cấu trúc dạng lớp IV Composite cốt sợi Ảnh hưởng yếu tố hình học sợi Các loại composite cốt sợi phổ biến V Composite cốt sợi gián đoạn hỗn hợp 12 VI Composite cốt sợi gián đoạn thẳng hàng 12 VII Composite cốt sợi liên tục thẳng hàng 12 Khi kéo dọc Khi kéo ngang Ảnh hưởng hàm lượng sợi VIII Kích thước vật liệu làm cốt sợi 14 Kích thước sợi Vật liệu làm sợi Vật liệu làm VI Composite hạt 16 Composite hạt mịn Composite hạt thô X Ứng dụng công nghệ chế tạo composite 19 Ứng dụng Công nghệ chế tạo composite XI Kết luận 26 I Vật liệu composite 1.Khái niệm chung a Khái niệm Vật liệu Compozit vật liệu chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhằm mục đích tạo vật liệu có tính ưu việt hẳn vật liệu ban đầu Vật liệu Compozit cấu tạo từ thành phần cốt nhằm đảm bảo cho Compozit có đặc tính học cần thiết vật liệu đảm bảo cho thành phần Compozit liên kết, làm việc hài hoà với b Đặc điểm - Là vật liệu nhiều pha mà chúng thường khác chất, không hòa tan lẫn phân cách ranh giới pha Trong thực tế, phần lớn composite loại hai pha gồm pha liên tục toàn khối, cốt pha phân bố gián đoạn - Nền cốt có tỷ lệ, hình dáng, kích thước phân bố theo thiết kế định trước - Tính chất pha thành phần kết hợp lại để tạo nên tính chất chung composite Tuy nhiên cộng đơn tất tính chất pha thành phần chúng đứng riêng rẽ mà lựa chọn tính chất tốt phát huy thêm c Phân loại Thông thường dùng cách phân loại theo đặc trưng cốt, tức pha - Theo chất có: + Composite chất dẻo (polyme) + Composite kim loại + Composite ceramic + Composite hỗn hợp nhiều pha - Theo đặc điểm cấu trúc cốt phân loại composite thành ba nhóm: composite cốt hạt, composite cốt sợi composite cấu trúc trình bày hình Loại cốt hạt loại cốt sợi khác kích thước hình học cốt: cốt sợi có tỷ lệ chiều dài đường kính lớn, cốt hạt phần tử đẳng trục Khái niệm composite cấu trúc để bán thành phẩm dạng tấm, lớp vật liệu đồng composite khác Trong loại cốt: hạt, sợi với kích thước khác chia tiếp thành nhóm nhỏ hơn: hạt thô hạt mịn, sợi liên tục sợi gián đoạn v.v Hình Sơ đồ phân loại composite Liên kết - cốt Composite thực kết hợp tốt tính chất cốt liên kết chúng hoàn hảo Tiếp theo trình bày đặc điểm nền, cốt tương tác chúng cho composite kết cấu (chịu tải) a Cốt Như biết cốt pha không liên tục, đóng vai trò tạo nên độ bền cao, môđuncđàn hồi (độ cứng vững) cao cho composite, cốt phải loại có đặcctính đó, đồng thời phải nhẹ để tạo nên độ bền riêng cao Cốt làm tất loại vật liệu học: kim loại, ceramic polyme Tỉ mỉ chúng trình bày loại composite Như thấy rõ sau này, hình dạng, kích thước, mật độ phân bố sợi yếu tố có ảnh hưởng mạnh đến tính composite b Nền Nền pha liên tục, đóng vai trò chủ yếu mặt sau - Liên kết toàn phần tử cốt thành khối composite thống - Tạo khả để tiến hành phương pháp gia công composite thành chi tiết theo thiết kế - Che phủ, bảo vệ cốt tránh hư hỏng tác động hóa học, học môi trường Yêu cầu chủ yếu phải nhẹ có độ dẻo cao Phụ thuộc vào tính chất composite cần chế tạo, người ta chọn loại phù hợp bốn nhóm: kim loại, ceramic, polyme hỗn hợp c Liên kết - cốt Liên kết tốt cốt vùng ranh giới pha yếu tố quan trọng bảocđảm cho kết hợp đặc tính tốt hai pha Để tăng cường độ gắn - cốt, người ta áp dụng biện pháp sau - Liên kết học, thực nhờ khớp nối thông qua độ mấp mô bề mặt lực ma sát kiểu bêtông cốt thép có gân (đốt) - Liên kết nhờ thấm ướt lượng sức căng bề mặt pha bị nung chảy dính ướt với cốt nên có khuếch tán nhỏ, tạo nên sức căng bề mặt - Liên kết phản ứng, xuất ranh giới pha xảy phản ứng tạo hợp chất hóa học, lớp keo dính chặt cốt với Đây loại liên kết tốt - Liên kết ôxyt, loại liên kết phản ứng đặc trưng cho kim loại với cốt ôxyt kim loại Sau trình bày đặc tính loại composite hạt, sợi cấu trúc Qui luật kết hợp: Từ lâu người ta biết kết hợp tính chất pha vật liệu đa pha Ví dụ, độ bền cao với độ dẻo tương đối tốt thép tích kết hợp độ dẻo, độ dai cao ferit với tính cứng vững (hạt) xêmentit nằm xen Gỗ, tre cứng vững, bền, dai nhờ tính chất tương ứng sợi xenlulô (bền, dai) phân bố theo hướng xác định với lignin (cứng vững) bao quanh Đó đường kết hợp tự nhiên Bằng đường kết hợp nhân tạo pha có chất khác theo kiến trúc định trước bảo đảm tạo nên tổ hợp tính chất phù hợp với yêu cầu sử dụng đề Vậy composite loại vật liệu nhiều pha khác mặt hóa học, không tan vào nhau, phân cách ranh giới pha, kết hợp lại nhờ can thiệp kỹ thuật người theo sơ đồ thiết kế trước, nhằm tận dụng phát triển tính chất ưu việt pha composite cần chế tạo II Composite cấu trúc Composite cấu trúc loại bán thành phẩm dạng nhiều (≥ 3) lớp tạo thành cách kết hợp vật liệu đồng với composite theo phương án cấu trúc khác Do tính chất phụ thuộc vào tính chất vật liệu thành phần mà vào thiết kế hình học chúng kết cấu Thường dùng hai loại: dạng lớp panel sandwich Hình Sơ đồ tạo composite cấu trúc dạng lớp III Composite cấu trúc dạng lớp Có thể dễ dàng hình dung dạng composite qua gỗ dán, cót ép Chúng gồm lớp (tấm) có độ bền dị hướng cao (như gỗ, composite cốt sợi liên tục thẳng hàng), xếp cho phương độ bền cao lớp, kề đổi hướng liên tục (trên hình gồm năm lớp vuông góc với nhau) ép kết dính với Nhờ loại có độ bền cao theo phương song song với mặt tấm, theo phương vuông góc với Hình Sơ đồ panel sandwich Loại gồm ba lớp (hình 3) hai lớp mặt chế tạo từ vật liệu có độ bền hay độ cứng vững cao (như hợp kim nhôm, titan, thép composite dạng lớp) có chức chịu toàn tải trọng tác dụng theo phương song song với mặt Lớp (lõi) có hai chức năng: ngăn cách hai lớp trên, chống biến dạng theo phương vuông góc tạo độ cứng vững tránh cong vênh Vật liệu làm lõi polyme xốp, caosu nhân tạo, chất dính vô cơ, gỗ nhẹ có cấu trúc tổ ong, vách mỏng liên kết định hướng ô lục giác vuông góc với mặt biểu Cấu trúc hao hao giống sandwich - bánh mỳ kẹp (thịt, dămbông ), khác với loại song song IV Composite cốt sợi 1.Ảnh hưởng yếu tố hình học sợi 1.1 Sự phân bố định hướng sợi Hình Sơ đồ phân bố định hướng cốt sợi: a chiều b dệt hai chiều vuông góc mặt c rối ngẫu nhiên mặt d đan quấn ba chiều vuông góc Có nhiều kiểu phân bố định hướng sợi biểu thị hình sợi coi thớ kim loại, làm cho vật liệu có tính dị hướng rõ rệt Do vật liệu làm cốt bền, cứng nền, nên theo phương cốt sợi composite thể độ bền cao phương khác - Khi sợi phân bố song song với theo phương biểu thị hình a, độ bền theo phương dọc sợi cao hẳn phương vuông góc với Kiểu gọi chiều - Khi phân bố mặt song theo hai phương vuông góc với vải (các sợi đan vuông góc với nhau) biểu thị hình b, thử theo hai phương dọc theo trục sợi độ bền nhận cao Kiểu gọi kiểu dệt - Khi sợi phân bố trải mặt không định hướng, nhiều phương (rối), có tính ngẫu nhiên hình c làm cho composite có tính đẳng hướng (theo tất phương mặt tính chất nhau) Kiểu gọi rối ngẫu nhiên mặt (như cấu trúc dạ, nỉ) - Cuối sợi phân bố (đan, quấn) định hướng theo ba phương vuông góc với hình d composite có độ bền lớn theo ba phương tương ứng Tuy nhiên điều người ta quan tâm có ảnh hưởng đến tính composite cốt sợi yếu tố hình học sợi: chiều dài đường kính hay tỷ lệ chúng 1.2 Ảnh hưởng chiều dài sợi Điều quan trọng composite kết cấu cốt sợi phải có cấu trúc cho tải trọng đặt vào phải dồn vào sợi pha có độ bền cao, tập trung vào pha bền dẫn đến phá hủy pha cách nhanh chóng, nói khác tính phụ thuộc vào mức độ truyền tải trọng từ vào sợi Hình Sơ đồ biến dạng đặt tải vào composite cốt sợi ngắn, biến dạng phần bao quanh sợi chịu kéo Đối với loại cốt sợi ngắn, tác dụng ứng suất đặt vào biến dạng dừng lại (đầu) mút sợi, phần bị chảy thấy rõ hình Như truyền tải từ vào mút sợi Tuy nhiên tình hình cải thiện chiều dài sợi tăng lên - Người ta tính sợi dài hay dài chiều dài tới hạn lc làm tăng cách có hiệu độ bền độ cứng vững composite Chiều dài tới hạn lc phụthuộc đường kính d sợi, giới hạn bền (σb)f sợi (fiber) sức bền liên kết sợi (hay giới hạn chảy cắt σm) - Đối với composite sợi thủy tinh hay sợi cacbon, chiều dài tới hạn khoảng 1mm gấp 20 đến 150 lần đường kính sợi - Bây xét trường hợp ứng suất kéo tác dụng lên composite giới hạn bền kéo sợi cho trường hợp chiều dài sợi khác (hình 6) - Khi chiều dài sợi vừa lc, biểu đồ phân bố ứng suất chiều dài dài sợi có dạng hình a: tải trọng lớn sợi đạt giá trị (σb)f trục sợi Khi chiều dài sợi tăng lên, tác dụng gia cường sợi trở nên hiệu biểu thị hình b, tức phần lớn chiều dài sợi chịu tác dụng mức ứng suất đặt vào (σb)f Còn l < lc tác dụng gia cường biểu thị hình c, ứng suất lớn tác dụng sợi không đạt đến ứng suất đặt vào (σb)f Người ta quy ước: Khi l > 15lc, composite là loại cốt liên tục hay dài Khi l < 15lc, composite loại cốt sợi không liên tục hay ngắn; l < lc bao quanh sợi bị biến dạng đến mức truyền tải, tác dụng gia cường sợi không có, coi composite hạt 10 Ở sợi dài xếp song song, thẳng hàng loại có độ bền cao giòn, có tỷ lệ thể tích Vf phân bố có tỷ lệ thể tích Vm = - Vf Một composite bị kéo theo phương dọc trục sợi biểu thị hình 9.7, liên kết - cốt hoàn hảo, truyền tải tốt nên độ biến dạng cốt nhau: Hình 12 Sơ đồ kéo mẫu composite cốt sợi liên tục thẳng hàng theo phương dọc trục sợi Khi kéo ngang Khi composite bị kéo ngang tức theo phương vuông góc với trục sợi ứng suất tác dụng lên pha ứng suất tác dụng lên composite nên độ biến dạng toàn thể composite tổng biến dạng cá pha Ảnh hưởng hàm lượng sợi Trong thực tế tỷ lệ thể tích Vf (hay gọi hàm lượng) sợi nhỏ, sợi tác dụng gia cường cho composite Đối với composite thông thường với dẻo cốt tồn giá trị Vfmin mà ứng với giá trị Vf< Vfmin phá hủy sợi cốt chưa dẫn tới phá hủy tức khắc composite Khi cốt vậy, toàn tải tác dụng lên làm mẫu biến dạng Quá trình biến dạng đồng thời cốt sợi xảy cho tận đến độ giãn dài mẫu độ giãn dài phá hủy sợi Lúc lực tiếp tục tác dụng toàn số cốt sợi ỏi bị đứt hết Ngay đến lúc mẫu tiếp tục biến dạng phá hủy cuối xảy độ biến dạng mẫu đạt đến độ giãn dài phá hủy Như giới hạn bền composite ứng với Vf Vf* Hình 14 Đường cong biến dạng kéo composite cốt sợi liên tục giòn với Vf >Vf* VIII Kích thước vật liệu làm cốt sợi Kích thước sợi 17 Bảng Tính chất số loại cốt sợi Trước nói vấn đề cần nhấn mạnh độ bền sợi cốt phụ thuộc vào chất vật liệu làm sợi mà phụ thuộc mạnh vào kích thước hình học mà cụ thể đường kính Với vật liệu, xác suất có mặt khuyết tật (ví dụ vết nứt nhỏ) bề mặt sợi nhỏ thấp sợi to, sợi nhỏ có độ bền cao Đây đặc điểm quan trọng để nhà công nghệ quan tâm trước hết lựa chọn sợi cốt Dựa vào đường kính đặc tính người ta phân cốt sợ thành ba loại: râu, sợi dây nhỏ 1.1 Râu (râu đơn tinh thể) Râu (whiskers) sản phẩm có đường kính nhỏ (cỡ - 2µm), tỷ lệ chiều dài đường kính lớn (khoảng nghìn lần), nhận kỹ thuật nuôi đơn tinh thể Do kích thước nhỏ, đơn tinh thể (râu) có mức độ hoàn thiện tinh thể cao (hầu có lệch xoắn) nứt, rỗng nên có độ bền cao (gần độ bền lý thuyết) Tuy nhiên râu chưa dùng rộng rãi đắt khó gắn kết vào Vật liệu để chế tạo râu grafit, SiC, Si3N, Al2O3 (bảng 2) 1.2 Sợi Sợi sản xuất công nghệ kéo, chuốt Chúng đa tinh thể vô định hình với đường kính tương đối nhỏ (khoảng vài chục đến vài trăm µm) tỷ 18 lệ chiều dài/đường kính khác Vật liệu chế tạo cốt sợi polyme nhpolyamit, ceramic thủy tinh, ôxyt nhôm, cacbit silic bo, cacbon (bảng 2) 1.3 Dây Dây loại có đường kính nhỏ, thường kim loại: thép cacbon cao, vonfram, môlipđen, berili, titan Loại cốt dùng để gia bền lốp ôtô, khung tên lửa, ống dẫn cao áp Vật liệu làm sợi Trong loại kích thước kể loại dùng phổ biến sợi, nên khảo sát loại này, không đề cập đến dạng nhỏ (râu) lớn (dây) Có nhóm vật liệu để làm sợi cho composite thủy tinh, cacbon, polyme, bo ceramic + Thủy tinh Thành phần hóa học thủy tinh gồm ôxyt SiO2, Al2O3, BO3 CaO, MgO Sở dĩ sợi thủy tinh sử dụng rộng rãi làm cốt dễ chế tạo từ trạng thái mềm lỏng có độ bền cao Trong trình kéo, bề mặt sợi bị cọ sát với bề mặt cứng khác nhờ làm vết nứt bọc lớp áo mới, bám dính tốt với + Cacbon Chính nhờ định hướng chủ yếu mặt đáy lục giác (chỉ với liên kết đồng hóa trị) song song với trục sợi nên có độ bền cao Trong trình chế tạo sợi cacbon, grafit hóa xảy không hoàn toàn nên vùng vô định hình (chỉ râu grafit đạt mức độ tinh thể hoàn toàn) nên độ bền thay đổi giới hạn (bảng 2) tùy thuộc vào tỷ kệ Nếu sợi thủy tinh sử dụng tới 500 – 700 độ C sợi cacbon tới 2000 độ C + Polyme Nói chung polyme có môđun đàn hồi nhỏ Hiện dùng loại polyamit thơm Ở dạng thương phẩm vật liệu có hai loại kelva 49 kelva 29 Nhược điểm chất nhiệt độ làm việc thấp (< 200 độ C) Vật liệu làm Vật liệu làm cho composite cốt sợi thường polyme kim loại chúng có tính dẻo tốt Kim loại dùng làm pha thường nhô đồng Tuy nhiên polyme pha dùng phổ biến với đủ chủng loại nhiệt rắn lẫn nhiệt dẻo: polyeste, nylon, epoxy, nhựa fenol, polyamit, melamin Hiện dùng ceramic trừ bêtông cốt thép loại phổ biến IX Composite hạt Composite hạt mịn Composite hạt mịn loại có tính đặc biệt: bền nóng ổn định nóng 1.1 Đặc điểm Nền composite thường kim loại hợp kim Các phần tử cốt có kích thước nhỏ đến mức 0,1µm, thường loại bền, cứng có tính ổn định nhiệt 19 cao: ôxyt, cacbit, borit, nitrit Tương tác - cốt xảy mức độ vi mô ứng với kích thước nguyên tử, phân tử Cơ chế hóa bền tương tự chế tiết pha phân tán, biến cứng phân hóa dung dịch rắn bão hòa Khi lực tác dụng lên composite, hứng chịu toàn tải, phần tử cốt nhỏ mịn phân tán đóng vai trò hãm lệch, làm tăng độ bền độ cứng vật liệu 1.2 Các composite hạt mịn SAP, SAAP, với tỷ lệ - 20%Al 2O3 nhôm, hợp kim nhôm (giữa cốt có liên kết ôxyt bền) sản xuất quy mô công nghiệp, cung cấp dạng bán thành phẩm tấm, ống, dây để làm chi tiết có độ bền riêng lớn, làm việc 300 – 500 độ C chịu tác dụng môi trường ăn mòn T - D Nickel (Thoria Dispersed Nickel) loại composite niken (Ni), cốt phần tử ôxyt tôri ThO2 Chỉ với 2%ThO2 song dạng nhỏ mịn, nằm phân tán ổn định nhiệt, có độ bền khả làm việc lâu dài 1000 – 1100 độ C, không bị ăn mòn tinh giới thép không gỉ nên vật liệu quý hàng không, vũ trụ, chế tạo tuabin, ống dẫn, bình áp lực làm việc nhiệt độ cao tác dụng môi trường ăn mòn Composite hạt thô Composite hạt thô đa dạng sử dụng phổ biến lĩnh vực công nghiệp, xây dựng 2.1 Đặc điểm Khái niệm "thô" dùng để tương tác cốt không xảy mức độ nguyên tử, phân tử, lúc hóa bền có nhờ cản trở biến dạng vùng lân cận với hạt cốt chèn ép theo quan điểm học môi trường liên tục Tùy theo đặc tính phân bố hạt mà quy tắc kết hợp (hỗn hợp) cho môđun đàn hồi Ec composite phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích, môđun đàn hồi (matrice): Vm, Em cốt hạt (particle): Vp, Ep nằm phạm vi hai đường biểu thị hình 15 hai biểu thức toán học sau: (đường thẳng trên) Ee = Em Vm + Ep Vp (đường cong dưới) Em.Ep/(Vm.Ep + Vp.Em) 20 Hình 15 Sự phụ thuộc môđun đàn hồi vào hàm lượng cốt composite Cu cốt hạt W 2.2 Các composite hạt thô thông dụng Hợp kim cứng tạo phương pháp luyện kim bột coi composite hạt thô, phần tử cứng cacbit: WC, TiC, TaC liên kết Co (nền) Hợp kim cứng vật liệu cắt thông dụng với hiệu kinh tế cao Các hợp kim làm tiếp điểm có kết hợp tốt kim loại khó chảy (W, Mo) với kim loại có tính dẫn nhiệt cao (Cu, Ag) loại composite hạt thô kim loại, tính chất (E) loại Cu cốt W trình bày hình 15 Bêtông composite hạt thô ceramic dùng rộng rãi Trong bêtông, cốt hạt rắn lớn (đá, sỏi) hay nhỏ (cát vàng) liên kết với cứng ximăng Người ta đưa hạt với vai trò chất độn vào polyme để cải thiện độ bền, tính chống mài mòn, ổn định kích thước, chịu nhiệt, lúc sản phẩm polyme thu composite hạt thô polyme [hay chất dẻo tăng cường (độ bền)] Các hạt độn thường thạch anh, thủy tinh, ôxyt nhôm, đất sét, đá vôi 21 X Ứng dụng công nghệ chế tạo composite Ứng dụng 1.1 Thế giới Với lịch sử phát triển phong phú mình,vật liệu compozit nhiều nhà nghiên cứu khoa học giới biết đến Việc nghiên cứu áp dụng thành công vật liệu nhiều nước giới áp dụng Đại chiến giới thứ hai nhiều nước sản xuất mày bay, tàu chiến vũ phụ vụ cho chiến Cho đến vật liệu Compozit polyme sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện chế tạo ôtô; Dựa ưu đặc biệt giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu vào việc cánh máy bay, mũi máy bay số linh kiện, máy móc khác hãng Boing 757, 676 Airbus 310… Trong ngành công nghiệp điện tử sử dụng để sản xuất chi tiết, bảng mạch linh kiện Ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nô; ngành dân dụng y tế (hệ thống chân, tay giả, giả, ghép sọ…, ngành thể thao, đồ dùng thể thao gậy gôn, vợt tennit… ngành dân dụng, quốc kế dân sinh khác 1.2 Việt Nam Vật liệu compozit áp dụng hầu hết ngành, lĩnh vực kinh tế quốc dân Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu compozit tiêu thụ Việt Nam khoảng 5.000 năm; Hà Nội có đề tài nghiên cứu compozit cấp thành phố tuyển trọn, theo vật liệu compozit sử dụng nhiều đời sống xã hội Tại khoa bệnh viện trung ương Quân đội 108 sử dụng vật liệu Compozit vào việc ghép thưa, ngành thiết bị giáo dục, bàn ghế, giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng ghế ngồi, mái che nhà thi đấu, sân vận động trung tâm văn hoá…Việt Nam ứng dụng vật liều Compozit vào lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt sứ cách điện Compozit ứng dụng rộng rãi trong: +Trong giao thông vận tải: Thay loại sắt, gỗ, ván VD: càng, thùng trần loại xe oto, số chi tiết xe môtô + Trong hàng hải: Làm ghe, thuyền, thùng, tàu + Trong ngành hàng không: Thay vật liệu sắt, nhôm máy bay dân dụng, quân + Trong quân đội: Những phương tiện chiến đấu: tàu, cano, máy bay, phi thuyền Dụng cụ, phương tiện phục vụ cho việc sản xuất nghiên cứu quân đội như: bồn chứa nước hóa chất, khay trồng rau, bia tập bắn + Trong công nghiệp hóa chất: 22 Bồn chứa dung dịch acid (thay gelcoat epoxy nhựa vinyleste) Bồn chứa dung dịch kiềm ( thay gelcoat epoxy) +Trong dân dụng: Sản phẩm sơn mài: bình, tô, chén, đũa Sản phẩm trang trí nội thất: khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn Bàn ghế, tủ giả đá, khay, thùng, bồn Công nghệ chế tạo composite Hình 16 Một phương pháp chế tạo composite Hiện có nhiều phương pháp chế tạo sản phẩm vật liệu composite Các công nghệ chế tạo lựa chọn tùy theo yêu cầu sản phẩm yêu cầu sản xuất Các công nghệ sử dụng chế tạo sản phẩm vật liệu composite bao gồm: 2.1 Phương pháp chế tạo thủ công Một phương pháp sử dụng rộng rãi chế tạo sản phẩm vật liệu composite phương pháp chế tạo thủ công Phương pháp thủ công sử dụng khuôn hở, sử dụng khuôn dương khuôn âm Quy trình chế tạo thực sau: - Quét phủ lớp hỗ trợ tháo khuôn lên bề mặt khuôn; - Phủ lớp tạo bề mặt sản phẩm (gel-coat); - Phủ nhựa polymer lớp tạo bề mặt; - Rải lớp vật liệu gia cường nhựa polymer; - Dùng lăn để lăn ép vật liệu gia cường với nhựa; - Phủ lớp tạo bề mặt lớp vật liệu gia cường cuối Sau trình rải vật liệu gia cường thấm nhựa hoàn thành, sản phẩm để đông kết nhiệt độ môi trường Tốc độ đông kết sản phẩm phụ thuộc theo loại polymer, độ dày sản phẩm, nhiệt độ môi trường độ dẫn nhiệt vật liệu khuôn Để tăng tốc độ đông kết giảm thời gian tháo khuôn, sản phẩm có kích thước nhỏ đưa vào lò sấy; sản phẩm có kích thước lớn 23 sấy khí nóng Phản ứng tỏa nhiệt trình đông kết làm tăng nhiệt độ sản phẩm Tốc độ thay đổi nhiệt yếu tố quan trọng định tới tính chất lượng sản phẩm Do hệ số giãn nở vật liệu gia cường nhựa polymer khác nhau, thay đổi nhiệt độ lớn trình đông kết làm biến dạng liên kết hai loại vật liệu Vật liệu sử dụng phương pháp thủ công thường polyester không no sợi thủy tinh Phương pháp chế tạo thủ công có ưu điểm sử dụng khuôn mẫu đơn giản trình chế tạo nhiệt độ áp suất không cao Tuy nhiên, phương pháp sử dụng khuôn hở nên chất lượng hai bề mặt sản phẩm không đồng Phương pháp thủ công thường áp dụng cho loạt sản phẩm có số lượng nhỏ sản phẩm đơn 2.2 Phương pháp phun hỗn hợp composite Trong phương pháp phun hỗn hợp, vật liệu gia cường có kích thước nhỏ trộn với nhựa polymer theo tỷ lệ xác định Súng phun sử dụng để phun hỗn hợp nhựa polymer vật liệu gia cường vào khuôn Vật liệu gia cường cung cấp liên tục vào đầu cấp súng phun, nhựa polymer chất khởi tạo phản ứng cung cấp tới đầu cấp khác súng Quá trình hòa trộn diễn thiết bị hòa trộn tĩnh động súng phun thiết bị khác Tương tự phương pháp chế tạo thủ công, chất hỗ trợ tháo khuôn phun quét lên mặt khuôn, lớp gel-coat tạo bề mặt cho sản phẩm Sau hỗn hợp nhựa polymer, chất khởi tạo phản ứng sợi gia cường phun ép vào khuôn Vật liệu sử dụng phương pháp phun hỗn hợp composite tương tự phương pháp thủ công Sợi thủy tinh cắt với chiều dài từ 10mm tới 40mm trước trộn vào hỗn hợp Phương pháp phun hỗn hợp composite sử dụng chế tạo sản phẩm có hình dạng phức tạp sản phẩm có yêu cầu tính không cao Tuy nhiên, phương pháp phun hỗn hợp composite kiểm soát tốt tỷ lệ nhựa polymer vật liệu gia cường hỗn hợp, qua đảm bảo tính thẩm mỹ độ đồng tính sản phẩm 2.3 Phương pháp thấm nhựa trước Trong phương pháp này, vật liệu gia cường thấm nhựa polymer bảo quản môi trường nhiệt độ thấp Quy trình chế tạo sản phẩm composite sử dụng vật liệu thấm nhựa trước thực sau: vật liệu gia cường thấm nhựa polymer lấy khỏi thùng bảo quản lạnh, để trao đổi nhiệt tự nhiên đạt tới nhiệt độ môi trường trước tiến hành gia công Trong trình trao đổi nhiệt tự nhiên, vật liệu gia cường thấm nhựa polymer để bao bì bảo quản để tránh ngưng tụ nước bề mặt Vật liệu gia cường thấm nhựa polymer cắt thành hình dạng theo thiết kế Quá trình cắt tiến hành thủ công tự động Sau vật liệu cắt theo thiết kế, tiến hành bóc lớp bảo vệ, đặt vật liệu lên khuôn theo lớp Quá trình lặp lại tới đạt yêu cầu độ dầy sản phẩm 24 Vật liệu thấm nhựa polymer trước sử dụng loạt sản phẩm có số lượng không lớn Do độ dầy vật liệu thấm nhựa polymer trước thường không lớn nên trình rải đặt lớp yêu cầu độ xác cao Thông thường trình thực tự động với hỗ trợ máy tính Tương tự phương pháp lăn tay thủ công, khuôn mẫu sử dụng phương pháp thấm nhựa trước đơn giản, nhiên với sản phẩm yêu cầu độ xác cao chi tiết máy bay, khuôn mẫu thường chế tạo kim loại vật liệu composite để chịu tải trọng lớn trình chế tạo Với chi tiết yêu cầu tính kỹ thuật cao thường sử dụng nén ép để đạt độ liên kết tốt lớp vật liệu Chi phí chế tạo khuôn cho chi tiết thường cao Túi chân không sử dụng trình nén lớp vật liệu với Sau lớp vật liệu đặt khuôn, lớp phim hỗ trợ tháo khuôn đặt vật liệu thấm nhựa Lớp phim n ôn trình gia công Tiếp theo người ta sử dụng lớp phim phủ bên lớp phim hỗ trợ tháo khuôn Lớp phim có tác dụng hấp thụ phần nhựa thừa bị nén khỏi sản phẩm trình chế tạo Lớp vật liệu cuối túi chân không phim thông Lớp phim thông có tác dụng giúp thoát khí dư sản phẩm khuôn để tránh rỗ khí Ngoài lớp phim có tác dụng điều hòa áp suất khuôn toàn bề mặt sản phẩm Lớp phim thông khí thường chế tạo từ vải, sợi vật liệu có tính tương tự Lớp túi chân không làm kín với khuôn băng dính đặc biệt (sealant tape) Trong phương pháp vật liệu thấm nhựa trước, sợi carbon epoxy thường sử dụng vật liệu gia cường vật liệu Phương pháp ứng dụng chế tạo sản phẩm ngành hàng không Tuy nhiên phương pháp dần áp dụng chế tạo dụng cụ thể thao giải trí cần câu cá, gậy chơi golf, ván trượt, v.v Đa số loại nhựa polymer sử dụng phương pháp thấm nhựa trước đông kết nhiệt độ cao nhiệt độ bình thường phòng Do đó, người ta thường tiến hành gia nhiệt trình hoàn thiện sản phẩm Việc gia nhiệt cho trình đông kết vật liệu thực gia nhiệt môi trường gia nhiệt khuôn với loại nhựa polymer có nhiệt độ đông kết thấp 2.4 Phương pháp đùn ép 25 Hình 17 Các thiết bị vật liệu công nghệ đúc chân không Hình 18 Sơ đồ công nghệ đúc chân không Trong phương pháp nhựa polymer dạng bột hỗn hợp nhựa polymer vật liệu gia cường có chiều dài ngắn cấp vào trống chứa hỗn hợp vật liệu máy đùn ép Trục vít sử dụng để đẩy hỗn hợp vật liệu phía trước trống, nén hỗn hợp vật liệu đồng thời đẩy không khí chứa vật liệu Trong trình hòa trộn ma sát làm tăng nhiệt độ hỗn hợp, lượng nhiệt làm vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng trước chuyển tới buồng phun ép Do trình nén cắt trục vít, chiều dài sợi gia cường giảm Dưới lực ép trục vít, vật liệu đùn ép vào khuôn, hệ thống van chiều sử dụng để ngăn vật liệu bị nén ngược lại trống chứa Khi vật liệu nén vào khuôn, trục vít giữ nguyên vị trí để trì áp suất khuôn Khi vật liệu đông kết khuôn, trục vít dichuyển theo chiều ngược lại để chuẩn bị cho chu trình đùn ép sản phẩm Ưu điểm phương pháp khả tự động hóa cao, suất lớn, hiệu cao, phù hợp với loạt sản phẩm có số lượng lớn Phương pháp sử dụng để chế tạo sản phẩm có hình dạng phức tạp.Hạn chế lớn công nghệ tính sản phẩm không cao tỷ lệ vật liệu gia cường thấp, độ dài vật liệu gia cường ngắn, tính đẳng hướng vật liệu không 26 Do hạn chế nêu công nghệ đùn ép hỗn hợp composite thường sử dụng chế tạo sản phẩm có kích thước không lớn với yêu cầu tính không cao 2.5 Phương pháp đúc chuyển nhựa Phương pháp đúc chuyển nhựa sử dụng khuôn kín, vật liệu gia cường đặt trước khuôn Với loạt sản phẩm có số lượng không lớn vật liệu gia cường cắt thủ công đặt nửa khuôn phía Nửa khuôn phía đóng lại, nhựa polymer điền đầy vào khuôn áp suất cao Sau nhựa polymer điền đầy vào khuôn, hỗn hợp nhựa polymer vật liệu gia cường để đông kết thời gian xác định Sau sản phẩm tháo khuôn để tiến hành sản xuất chi tiết Để thúc đẩy trình đông kết tiến hành gia nhiệt khuôn nhằm tăng suất chế tạo Phương pháp đúc chuyển nhựa áp dụng chế tạo sản phẩm có kết cấu sandwich Với sản phẩm có kích thước không lớn, sử dụng đường cấp nhựa polymer cho toàn sản phẩm; với sản phẩm có kích thước lớn hơn, nhiều đường cấp sử dụng nhằm đảm bảo cung cấp đủ nhựa polymer cho phận, chi tiết sản phẩm Đường cấp nhựa thường đặt vị trí thấp khuôn Nhựa polymer điền vào khuôn theo hướng từ lên để đảm bảo đẩy bọt khí khuôn vật liệu gia cường ngoài, tránh tạo rỗ khí sản phẩm sau hoàn thiện Trong công nghệ đúc chuyển nhựa cần đảm bảo độ nhớt nhựa polymer giới hạn cho phép để điền đầy nhựa tới vị trí khuôn thời gian ngắn Do đó, cần trì nhiệt độ nhựa khuôn giới hạn hợp lý Mặt khác, trì nhiệt độ nhựa khuôn cao gây phản ứng gây đông kết nhựa polymer trình điền đầy khuôn Công nghệ đúc chuyển nhựa sử dụng chế tạo sản phẩm mẫu loạt sản phẩm có số lượng lớn Công nghệ tạo sản phẩm có hình dạng phức tạp chất lượng bề mặt cao, đặc biệt thích hợp cho chế tạo chi tiết công nghiệp ô tô, hàng không 2.6 Phương pháp đúc chân không Phương pháp sử dụng chênh lệch áp suất khuôn thiết bị chứa nhựa polymer để điền nhựa vào khuôn Khác với phương pháp đúc chuyển nhựa truyền thống sử dụng chân không hỗ trợ trình điền nhựa vào khuôn lực ép thiết bị nén khí nén, công nghệ đúc chân không hoàn toàn sử dụng lực hút chân không để đưa nhựa polymer vào khuôn Nhựa polymer chứa bình, độ chân không khuôn đạt tới yêu cầu, van dẫn bình chứa mở ra, nhựa bình chứa điền vào khuôn theo hệ thống ống dẫn bố trí theo chu vi khuôn Tốc độ điền nhựa vào khuôn phụ thuộc vào chi tiết chế tạo, tỷ lệ vật liệu gia cường, chủng loại nhựa polymer, phương án bố trí, thiết kế khuôn Ưu điểm công nghệ chế tạo khuôn đơn giản, chi phí đầu tư không cao so với phương án đúc chuyển nhựa truyền thống, thiết bị bao gồm bơm hút chân không, thiết bị chứa nhựa polymer thiết bị hòa trộn nhựa polymer, 27 dụng cụ đo hệ thống dẫn chân không Nhược điểm phương pháp kiểm soát chất lượng bề mặt chi tiết gia công sử dụng khuôn mặt, khó kiểm soát độ đồng chiều dầy chi tiết tỷ lệ vật liệu gia cường nhựa polymer Công nghệ đúc chân không sử dụng chủ yếu để chế tạo chi tiết có kích thước lớn, số lượng không nhiều kết cấu dàn khoan, xuồng, thân vỏ ô tô, toa xe tàu hỏa, kho đông lạnh Công nghệ kết hợp với phương pháp chế tạo sandwich tạo sản phẩm có chất lượng yêu cầu cao Bơm hút chân tác dụng hút chân tích khuôn Dưới tác dụng chênh lệch áp suất, hỗn hợp nhựa polymer điền vào khuôn theo hệ thống dẫn Túi chân tác dụng làm kín khuôn nửa khuôn phía Băng làm kín (sealant tape) có tác dụng làm kín thể tích khuôn Quy trình công nghệ thực sau: - Quét phủ lớp chống dính hỗ trợ tháo khuôn: - Quét phủ lớp vật liệu tạo bề mặt (gel-coat); - Đặt lớp vật liệu gia cường vào khuôn; - Đặt lớp hỗ trợ dẫn nhựa polymer lên lớp vật liệu gia cường; - Đặt túi chân không, sử dụng băng làm kín (sealant tape) để làm kín thể tích khuôn; - Hút chân tích khuôn; - Mở van nhựa độ chân không đạt yêu cầu để điền nhựa polymer từ thiết bị chứa vào khuôn; - Tháo khuôn sau vật liệu khuôn đông kết định hình Hình 19 Quá trình điền nhựa polymer vào khuân chế tạo vỏ ôtô 28 XI Kết luận Các sản phẩm composite chế tạo theo nhiều phương pháp khác chế tạo thủ công, phương pháp thấm nhựa trước, đùn ép, đúc chuyển nhựa, đúc chân không, v.v Các phương pháp có ưu nhược điểm khác Với yêu cầu công nghệ đóng tàu nay, phương pháp đúc chân không lựa chọn phù hợp đáp ứng tốt suất, chất lượng chế tạo sản phẩm đơn chiếc, loạt sản phẩm nhỏ, kích thước lớn Công nghệ có tác động xấu tới môi trường Do đó, cần có đầu tư nghiên cứu để ứng dụng vào ngành công nghiệp đóng tàu công nghệ hàng hải Việt Nam tương lai Hết 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO ttdtbd.edu.vn/#!articles/tai-lieu/vat-lieu-co-khi sites.google.com/site/truongvanchinhvatlieucokhi/home/vat-lieu-phikim-loai/vat-lieu-composite/composite-cot-soi/composite-cot-soi-lientuc-thang-hang 3.tailieu.vn/tag/vat-lieu-composite.html 30 [...]... tốt tỷ lệ của nhựa polymer và vật liệu gia cường trong hỗn hợp, qua đó đảm bảo tính thẩm mỹ và độ đồng đều về cơ tính của sản phẩm 2.3 Phương pháp thấm nhựa trước Trong phương pháp này, vật liệu gia cường được thấm nhựa polymer và được bảo quản trong môi trường nhiệt độ thấp Quy trình chế tạo sản phẩm composite sử dụng vật liệu thấm nhựa trước được thực hiện như sau: vật liệu gia cường đã thấm nhựa polymer... và vật liệu gia cường có chiều dài ngắn được cấp vào trống chứa hỗn hợp vật liệu của máy đùn ép Trục vít được sử dụng để đẩy hỗn hợp vật liệu về phía trước của trống, nén hỗn hợp vật liệu đồng thời đẩy không khí chứa trong vật liệu ra ngoài Trong quá trình hòa trộn ma sát làm tăng nhiệt độ của hỗn hợp, năng lượng nhiệt này làm vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng trước khi được chuyển tới buồng phun... của sản phẩm không cao do tỷ lệ vật liệu gia cường thấp, độ dài của vật liệu gia cường ngắn, tính đẳng hướng của vật liệu không đều 26 Do các hạn chế nêu trên công nghệ đùn ép hỗn hợp composite thường được sử dụng chế tạo các sản phẩm có kích thước không lớn với yêu cầu về cơ tính không cao 2.5 Phương pháp đúc chuyển nhựa Phương pháp đúc chuyển nhựa sử dụng khuôn kín, vật liệu gia cường được đặt trước... tạo bằng kim loại hoặc vật liệu composite để có thể chịu được tải trọng lớn trong quá trình chế tạo Với các chi tiết yêu cầu tính năng kỹ thuật cao thường sử dụng nén ép để đạt được độ liên kết tốt giữa các lớp vật liệu Chi phí chế tạo khuôn cho các chi tiết này thường khá cao Túi chân không có thể được sử dụng trong quá trình nén các lớp vật liệu với nhau Sau khi các lớp vật liệu được đặt trên khuôn,... tennit… và các ngành dân dụng, quốc kế dân sinh khác 1.2 Việt Nam Vật liệu compozit được áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu compozit được tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm; tại Hà Nội đã có 8 đề tài nghiên cứu về compozit cấp thành phố được tuyển trọn, theo đó vật liệu compozit được sử dụng nhiều trong đời sống xã hội Tại... nhiên, vật liệu gia cường thấm nhựa polymer được để trong bao bì bảo quản để tránh ngưng tụ hơi nước trên bề mặt Vật liệu gia cường đã thấm nhựa polymer được cắt thành hình dạng theo thiết kế Quá trình cắt có thể tiến hành thủ công hoặc tự động Sau khi vật liệu được cắt theo thiết kế, tiến hành bóc lớp bảo vệ, đặt vật liệu lên khuôn theo từng lớp Quá trình được lặp lại tới khi đạt được yêu cầu về độ... toàn bộ bề mặt sản phẩm Lớp phim thông khí thường được chế tạo từ vải, sợi hoặc các vật liệu có tính năng tương tự Lớp ngoài cùng là túi chân không được làm kín với khuôn bằng băng dính đặc biệt (sealant tape) Trong phương pháp vật liệu thấm nhựa trước, sợi carbon và epoxy thường được sử dụng là vật liệu gia cường và vật liệu nền Phương pháp này được ứng dụng chế tạo các sản phẩm trong ngành hàng không... bề mặt sản phẩm không đồng đều Phương pháp thủ công thường được áp dụng cho các loạt sản phẩm có số lượng nhỏ hoặc sản phẩm đơn chiếc 2.2 Phương pháp phun hỗn hợp composite Trong phương pháp phun hỗn hợp, vật liệu gia cường có kích thước nhỏ được trộn với nhựa polymer theo tỷ lệ xác định Súng phun được sử dụng để phun hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường vào khuôn Vật liệu gia cường được cung cấp... trình nén cắt trong trục vít, chiều dài của sợi gia cường giảm Dưới lực ép của trục vít, vật liệu được đùn ép vào khuôn, hệ thống van một chiều được sử dụng để ngăn vật liệu bị nén ngược lại trống chứa Khi vật liệu đã được nén vào trong khuôn, trục vít được giữ nguyên vị trí để duy trì áp suất trong khuôn Khi vật liệu đã đông kết trong khuôn, trục vít được dichuyển theo chiều ngược lại để chuẩn bị cho... ngăn Bàn ghế, tủ giả đá, khay, thùng, bồn 2 Công nghệ chế tạo composite Hình 16 Một phương pháp chế tạo composite Hiện nay có nhiều phương pháp chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite Các công nghệ chế tạo được lựa chọn tùy theo yêu cầu của sản phẩm và yêu cầu của sản xuất Các công nghệ được sử dụng trong chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite bao gồm: 2.1 Phương pháp chế tạo thủ công Một trong