Khái niệm và các đặc điểm về vật liệu composite

Khái niệm và các đặc điểm về vật liệu composite

Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite LỜI NÓI ĐẦU Ngày hàn không đơn sử dụng cho loại vật liệu dẫn điện, vật liệu kim loại mà ngày sử dụng nhiều ứng dụng khác ngành y tế (hàn răng), ngành công nghiệp chế tạo bồn bình vật liệu phi kim loọa … Nhận thưc rõ tầm quan trọng vậy, chương trình đào tạo cao học ngành công nghệ hàn trường ĐH Bách Khoa cập nhật bổ sung môn học Hàn vật liệu chất dẻo composite Nội dung môn học sâu, bám sát với quy trình sản xuất thực tế, phòng thí nghiệm nhằm trang bị cho học viên kiến thức chuyên sâu công nghệ hàn loại vật liệu phi kim loại Ngoài xuất phát từ nhu cầu thực tế ứng dụng đa dạng loại vật liệu composite, học viên Nguyễn Văn Anh định lựa chọn chuyên đề nghiên cứu gắn liền với công nghệ hàn composite có ứng dụng cho ngành công nghiệp chế tạo bồn đựng hóa chất nhà máy giấy Bãi Bằng với công nghệ hàn điểm (hàn điện trở) Quá trình làm tiểu luận thăm quan sở vật chất, nghiên cứu vấn đề lý thuyết lớp kiến thức chuyên môn hướng dẫn bảo tận tình PGS.TS Nguyễn Tiến Dương bạn bè đồng nghiệp tác giả hoàn thành tiểu luận Tuy nhiên, hàn composite lĩnh vực nghiên cứu mẻ thân tác giả tự nhận thấy tiểu luận cần lời nhận xét đóng góp quý thầy cô, bạn bè đồng nghiệp để giúp trình nghiên cứu tác giả sâu sắc có giá trị cao Qua đây, tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành đến quý Thầy cô, bạn bè đồng nghiệp đặc biệt cho phép tác giả gửi lời cám ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Tiến Dương luôn bảo, giúp đỡ để tác giả hoàn thành chuyên đề nghiên cứu hạn Tác giả xin chân thành cám ơn! Hà Nội, ngày 17 tháng 06 năm 2012 Học viên Nguyễn Văn Anh HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite CÔNG NGHỆ HÀN COMPOSITE A Khái niệm đặc điểm vật liệu composite: Vật liệu composite, gọi Vật liệu compozit hay composite vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác tạo lên vật liệu có tính hẳn vật liệu ban đầu, vật liệu làm việc riêng rẽ Vật liệu Composite xuất từ lâu sống, khoảng 5.000 năm trước Công nguyên người cổ đại biết vận dụng vật liệu composite vào sống ( ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo dãn nở trình nung đồ gốm) Người Ai Cập biết vận dụng vật liệu Composite từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình vỏ thuyền làm lau, sậy tẩm pitum sau thuyền đan tre chát mùn cưa nhựa thông hay vách tường đan tre chát bùn với rơm, sản phẩm Composite áp dụng rộng rãi đời sống xã hội Sự phát triển vật liệu composite khẳng định mang tính đột biến vào năm 1930 mà stayer Thomat nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; Fillis Foster dùng gia cường cho Polyeste không no giải pháp áp dụng rộng rãi ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến giới lần thức hai Năm 1950 bước đột phá quan trọng ngành vật liệu Composite xuất nhựa Epoxy sợi gia cường Polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến vật liệu composite chất dẻo đưa vào sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp dân dụng, y tế, thể thao, quân vv… Tính ưu việt vật liệu Composite khả chế tạo từ vật liệu thành kết cấu sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật khác mà ta mong muốn, thành phần cốt Composite có độ cứng, độ bền học cao, vật liệu đảm bảo cho thành phần liên kết hài hoà tạo nên kết cấu có khả chịu nhiệt chịu ăn mòn vật liệu điều kiện khắc nghiệt môi trường Một ứng dụng có hiệu Composite polyme, vật liệu có nhiều tính ưu việt có khả áp dụng rộng rãi, tính chất bật nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt, có độ bền riêng đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp Khi chế tạo nhiệt độ áp suất định dễ triển khả thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho trình sản xuất B Cấu tạo vật liệu composite: Nhìn chung, vật liệu composite gồm hay nhiều pha gián đoạn phân bố pha liên tục (Pha loại vật liệu thành phần nằm cấu trúc vật liệu composite.) Pha liên tục gọi vật liệu (matrix), thường làm nhiệm vụ liên kết pha gián đoạn lại Pha gián đoạn gọi cốt hay vật liệu tăng cường HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite (reinforcement) trộn vào pha làm tăng tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước Cấu tạo vật liệu composite Thành phần - Vật liệu cần có độ cứng cần thiết để đảm bảo cho composite chịu tải, cấu trúc đồng composite - Vật liệu giữ vai trò quan trọng việc chế tạo vật liệu composite - Vật liệu phải đáp ứng yêu cầu khai thác công nghệ - Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn có ngoại lực tác dụng lên vật liệu Có thể tạo thành từ chất hỗn hợp nhiều chất trộn lẫn cách đồng tạo thể liên tục Một số thường gặp composite 2.1 Nhựa nhiệt rắn - Nhựa nhiệt rắn: Trong thực tế, người ta sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền: - Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC…độn trộn với nhựa, gia công máy ép phun trạng thái nóng chảy.- Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyester không no, gia công áp suất nhiệt độ cao, riêng với epoxy polymer không no tiến hành kiện thường, gia công tay Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu cá tính cao nhựa nhiệt dẻo - Một số l oại nhựa nhiệt rắn thông thường: a Polyester Nhựa polyester sử dụng rộng rãi công nghệ composite, Polyester loại thường loại không no, nhựa nhiệt rắn, có khả đóng rắn dạng lỏng dạng rắn có điều kiện thích hợp Thông thường người ta gọi polyester không no nhựa polyester hay ngắn gọn polyester Polyester có nhiều loại, từ acid, glycol monomer khác nhau, loại có tính chất khác Chúng HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite khác trưng loại nhựa UPE khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố: Thành phần nguyên liệu (loại tỷ lệ chất sử dụng) + Phương pháp tổng hợp + Trọng lượng phân tử + Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến) + Hệ chất độn Bằng cách thay đổi yếu tố trên, người ta tạo nhiều loại nhựa UPE có tính chất đặc biệt khác tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng - Có hai loại polyester thường sử dụng công nghệ composite Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, sử dụng rộng rãi Còn nhựa isophthalic lại có khả kháng nước tuyệt vời nên xem vật liệu quan trọng công nghiệp, đặc biệt hàng hải - Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường pha loãng styrene Lượng styrene lên đến 50% để làm giảm độ nhớt nhựa, dễ dàng cho trình gia công Ngoài ra, styrene làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang phân tử mà tạo thành sản phẩm phụ Polyester có khả ép khuôn mà không cần áp suất - Thời gian để polyester tự đóng rắn Tốc độ trùng hợp chậm cho mục đích sử dụng, cần dùng chất xúc tác chất xúc tiến để đạt độ trùng hợp nhựa khoảng thời gian Khi đóng rắn, polyester cứng có khả kháng hóa chất Quá trình đóng rắn hay tạo kết ngang gọi trình Polymer hóa Đây phản ứng hóa học có chiều Cấu trúc không gian cho phép nhựa chịu tải mà không bị giòn - Este không no (UPE), hỗn hợp chung với với nhiều phân tử thấp monomer b Nhựa phenolic - Sản xuất từ trình polyme hóa phenolic - Quá trình đóng rắn 120-180oC nhiệt độ phòng dùng axit mạnh - ưu điểm : nguyên liệu sẵn có, giá thành rẻ, nhược điểm làm cho composite giòn, độ bền thấp độ rỗng cao - Ứng dụng: làm thân nắp thùng rác c Nhựa Phenol fomandehit - Tổng hợp cách đa tụ phenol fomandehit - Quá trình đóng rắn 160-200oC, áp suất 30-40Mpa - Có tính giòn cao - Chế tạo bán thành phẩm chi tiết vỏ dày, thân thùng rác d Nhựa bitmaleimit HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite Công thức phân tử H795, chịu nhiệt độ cao, khoảng 180- 200oC Trên 180% sản phẩm, chi tiết composite khai thác nhiệt độ 130oC, loại hay sử dụng loại nhựa epoxy Khi đòi hỏi composite polymer làm việc lớn 130oC dùng Bitmaleimit, lớn 180oC polyimit e Các nhựa silic Nhận từ đa tụ sản phẩm thuỷ phân hỗn hợp môn, đi, tri, tetracloslen; chất giòn, cứng f Polyimit Được trùng hợp từ oligome hỗn hợp imit-monme Thường dùng dung dịch 40% chúng trát lên cốt sợi g Vinylester - Có cấu trúc tương tự polyester, điểm khác biệt chủ yếu với polyester vị trí phản ứng, thường cuối mạch phân tử vinyl ester có kết đôi C=C hai đầu mạch mà Toàn chiều dài mạch phân tử sẵn chịu tải, nghĩa vinylester dài đàn hồi polyester Vinylester có nhóm ester polyester, nhóm ester dễ bị thủy phân, tức vinylester kháng nước tốt polyester khác - Ứng dụng: làm ống dẫn bồn chứa hoa chất h epoxy có tính lý, kháng môi trường hẳn nhựa khác, loại nhựa sử dụng nhiều Với tính chất kết dính khả kháng nước tuyệt vời mình, epoxy lý tưởng để sử dụng ngành đóng tàu - Cả nhựa epoxy lỏng tác nhân đóng rắn có độ nhớt thấp thuận lợi qua trình gia công Epoxy đóng rắn dễ dàng nhanh chóng nhiệt độ phòng từ 5-150oC, tuỳ cach lựa chọn chất đóng rắn - Ưu điểm bật epoxy tính cao, độ bám dính cao với nhiều loại cốt, khai thác sử dụng đến 150-200oC Epoxy co ngót thấp đóng rắn Lực kết dính, tính chất lý epoxy tăng cường tính cách điện khả kháng hóa chất - Ứng dụng keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột tret, sơn 2.2 Chất Polyme dẻo - Không có công đoạn đông rắn, khả thi công tạo dáng sản phẩm dễ thực - Công nghệ chế tạo: dập, đùn, uốn, hàn gia thấp - Nhược điểm không chịu nhiệt độ cao, xử lý độ nhớt dung dịch khó khăn - Vật liệu dẻo: nylon, poly-phenylin, rolivxan, polysonphon polyester nhiệt dẻo 2.3 Chất Cacbon - Nền bon có tính chất lý tương tự sợi bon, đảm bảo tính chịu nhiệt độ cao khai thác triệt để ưu điểm cốt sợi cacbon vật liệu composite HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite - Nền bon có loại: pirocacbon: thu kết lắng từ luồng khí ga, thuỷ tinh cacbon thu xử lý nhiệt độ cao xenlulozo polymer nhiệt rắn, cacbon - cốc pec than đa dầu mỏ 2.4.Chất kim loại - Thường kim loại nhẹ: nhôm, magie, berrili, kim loại chịu nhiệt độ cao (titan, niken, niobi) dạng hợp kim - Phổ biến dùng lưới dạng hợp kim nhôm, chúng có khả kết hợp hài hòa với cốt bảo đảm tốt đòi hỏi lý công nghệ Thành phần cốt: - Đóng vai trò chất chịu ứng suất tập trung độn thường có tính chất lý cao nhựa Đánh giá đặc điểm chất độn - Tính gia cường học - Tính kháng hóa chất, môi trường, nhiệt độ - Phân tán vào nhựa tốt - Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt - Thuận lợi cho trình gia công - Giá thành hạ, nhẹ Phân loại độn a Độn dạng sợi - Sợi có tính lý hóa cao độn dạng hạt, nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide… b Độn dạng hạt Thường sử dụng : silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, hay graphite, cacbon… - Giảm giá thành - Tăng thể tích cần thiết độn trơ, tăng độ bền lý, hóa, nhiệt, điện - Dễ đúc khuôn, giảm tạo bọt khí nhựa có độ nhớt cao - Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút đông rắn, che khuất sợi cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt đông rắn - Độ bền học độ bền hóa học vật liệu PC : khả chịu va đập ; độ gian nở cao ; khả cach âm tốt ; tính chịu ma sát- mài mòn ; độ nén, độ uốn dẻo độ kéo đứt cao ; khả chịu môi trường ăn mòn : muối, kiềm, axit -Vì tính ưu việt mà hệ thống vật liệu PC sử dụng rộng rãi sản xuất đời sống - Vật liệu composite có pha nhựa tổng hợp, cốt thường sợi thuỷ tinh, sợi cacbon, sợi bor Các vật liệu composite kim loại sử dụng cốt sợi thép, vonfram, berili, neobi… HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite 3.1 Sợi thủy tinh a Cấu tạo - Sợi thuỷ tinh có dạng: sợi dài (dạng chỉ) sợi ngắn, có dạng hình trụ tròn, nhiệt độ làm việc composite sử dụng sợi thuỷ tinh từ 500 - 700oC b Chế tạo - Được chế tạo từ trình nhiệt phân chất hữư thích hợp để phân hóa thành Polyme cacbon, nung nóng lâu hàng tuần để pha khí (polyme) khuyếch tán khỏi vật liệu Sau xử lý thể tích khối giảm 50% tinh thể nhỏ mịn, độ bền cao đạt 70-200 Mpa c Đặc điểm -Nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với tác động hóa sinh, có độ bền lý cao độ dẫn nhiệt thấp, giá thành rẻ d Ứng dụng - Sản xuất composite polymer, chế tạo vỏ tàu thuyền, ôtô, vỏ xe máy, cánh quạt tua bin nước… 3.2 Sợi hữu a Cấu tạo - Gồm loại sợi phổ biến: Sợi hữu aramid sợi polyetylen, nhiệt độ làm việc composite sử dụng sợi hữu thường 200oC b Chế tạo - Phụ thuộc vào thành phần polymer phương pháp kéo sợi mà ta thu sợi hữu có khối lượng riêng từ 1410-1450 kg/cm3, độ bền kéo 70-150 Pa, nhiệt độ than hóa 180oC c Đặc điểm Có mođun đàn hồi cao, độ bền cao kéo, ổn định cao nhiệt độ, bền va đập, không chảy, tính cách điện cao d Ứng dụng -Sử dụng rộng rãi để sản xuất chế tạo thân, vỏ tên lửa, động nhiên liệu rắn, bình, ống chịu lực, găng tay cách nhiệt, mũ, áo giáp, thiết bị thể thao - Mac vật liệu: Kevlar-29, Kevlar-129 Mỹ sản xuất Armoc, CVM, Terlon Nga sản xuất 3.3 Sợi cacbon a Cấu tạo - Là loại vật liệu quan trọng nhất, có vai trò ngày lớn kỹ thuật khối lượng riêng nhỏ (khoảng 2g/cm3) Độ bền cao 2000-3000 Mpa, nhiệt độ làm việc composite sử dụng sợi cacbon lên đến 2000oC b Chế tạo HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite - Sợi cacbon chủ yếu chế tạo từ nguồn nhiên liệu chính: Polyacrilonitril (pan), thứ từ pec dầu mỏ than đá, nguồn thứ từ xenlulohidrat c Ưu điểm - Rất nhẹ, chịu nhiệt độ cao, hệ số ma sát, giãn nở nhiệt thấp, bền vững với hậu, có độ cứng cao Độ bền từ 2000-4000 Mpa, mođun đàn hồi 200-700 Mpa, composite polymer sợi cacbon cứng sắt d Ứng dụng -Composite sợi cacbon sản xuất chịu lực cảu máy bay, thân vỏ ôtô, máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ, thân vỏ động tên lửa, cánh tua bin, khuôn dập…chi tiết đòi hỏi có độ bền cao siêu bền chịu nhiệt - Mac sợi cac bon: BMH-3, Culon, LY (Nga) ; Tornel, Khitecx-46H Mỹ 3.4 Sợi bor a Cấu tạo Sợi Bor (B) cho phép tăng độ bền, tăng mođun đàn hồi vật liệu, nhiệt độ khoảng làm việc nhỏ 500oC b Chế tạo - Công nghệ sản xuất sợi cacbon sở thu Bor kết tủa từ luồng thường sử dụng H2 BCl3 (2BCl3 + 3H2 => 2B + HCl) Được sản xuất lò phản ứng c Đặc điểm - Sợi bor dùng sản xuất composite vật liệu nhôm polyme, làm giảm độ dẫn nhiệt, dẫn điện vật liệu, có độ bền cao hẳn sợi cacbon từ 300-3500 Mpa, nhiệt độ làm việc thấp giá thành cao d Ứng dụng - Composite bor ứng dụng sản xuất chi tiết cho hàng không, kỹ thuật tên lửa vũ trụ, đòi hỏi tiêu độ bền độ cứng cao Sử dụng để chế tạo dầm, khung, tấm, chi tiết khác vật thể bay - Mac sợi : Avco(B/W) – Mỹ, SMPE-Pháp 3.5 Sợi kim loại - Sợi kim loại dùng làm cốt : Làm việc miền nhiệt độ cao dùng vonfram molipđen, nhiệt độ thấp, sợi thép berilic - Sử dụng sợi kim loại nhiều trường hợp để có hiệu kinh tế Chất pha loãng: - Đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm không đồng nhất, làm ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm, sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, bền HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite - Monomer phải tạo hỗn hợp đồng với polyester, tốt dung môi cho polyester Lúc hòa tan hoàn toàn vào mạch phân tử polyester, tạo thuận lợi cho phản ứng đông rắn tạo độ nhớt thuận lợi cho trình gia công - Nhiệt độ sôi cao, khó bay trình gia công bảo quản - Nhiệt phản ứng đồng trung hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp co rút - Ít độc - Để đóng rắn polyester, người ta dùng monomer : styrene, metyl meta acrylat (MMA), vinyl, triallil xianuarat,… styrene sử dụng nhiều có tính chất ưu việt - Có độ nhớt thấp - Trùng hợp tốt với polyester, khả đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp - Đông rắn nhựa nhanh - Sản phẩm chịu thời tiết tốt, lý tính cao, cách điện tốt - Khả tự bốc cháy thấp Chất tách khuôn, chất làm kín phụ gia khác: a Chất róc khuôn: Có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khuôn Như wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo… b Chất làm kín: Với khuôn làm từ vật liệu xốp gỗ, thạch cao cần phải bôi chất làm kín trước dùng chất róc khuôn Như Cellulose acetate, wax, silicon, stearic acid, nhựa furane, véc ni, sơn mài… c Chất tẩy bọt khí: Bọt khí làm sản phẩm composite bị giảm độ chịu lực, độ chịu thời tiết thẩm mỹ bề mặt Lượng sử dụng: 0.2-0.5% lượng nhựa d Chất thấm ướt sợi: Có tác dụng tăng khả thấm ướt sợi giúp sử dụng độn nhiều Lượng dung: 0.5-1.5% so với độn Cùng với chất tăng độ phân tán chất thoát styrene Xúc tác – Xúc tiến: a Xúc tác: Chỉ cho vào nhựa trước gia công Vai trò chúng tạo gốc tự kích động cho trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp Tác nhân kích thích cho tạo thành gốc tự chất xúc tiến, xạ ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ Chất xúc tác gồm loại: Xúc tác Peroxide, xúc tác azo diazo b Chất xúc tiến: Là chất đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự chất xúc tác Dùng chất xúc tiến giảm nhiệt độ thời gian đông rắn cách đáng kể đông rắn nguội Gồm cac loại: - Xúc tiến kim loại: Là muối cuả kim loại chuyển tiếp như: cobalt, chì, mangan, ceri, … acid như: naphthenic, linoleic, octonic,… hòa tan tốt polymer HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite -Amin bậc ba: Thường dùng với chất xúc tác peroxide, thuộc loại thường gặp + Dimetyl-aniline: C6H5N(CH3)2 + Dietyl-aniline: C6H5N(C2H5)2 + Dimetyl-p-toluidin: CH3C6H5N(CH3)2 C Phân loại vật liệu composite: Vật liệu composite phân loại theo hình dạng theo chất vật liệu thành phần - Phân loại theo hình dạng: a Vật liệu composite độn dạng sợi: Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng lý tính cho polymer b Vật liệu composite độn dạng hạt : Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer Hạt khác sợi chỗ kích thước ưu tiên - Phân loại theo chất, thành phần: Composite hữu (nhựa, hạt) với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu (polyamide, kevlar…), Sợi khoáng (thủy tinh, carbon…), sợi kim loại (Bo, nhôm…) Composite kim loại: kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al,…) với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)… Composite khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)… D Ứng dụng vật liệu composite: + Vỏ động tên lửa + Vỏ tên lửa, máy bay, tàu vũ trụ + Bình chịu áp lực cao + Ống dẫn xăng dầu composite cao cấp lớp (Sử dụng công nghệ ướt Nga tiêu chuấn sản xuất ống dẫn xăng, dầu) + Ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn composite (hay gọi ống nhựa cốt sợi thủy tinh); + Ống dẫn nước thải, dẫn hóa chất composite; + Ống thủy nông, ống dẫn nước nguồn qua vùng nước ngậm mặn, nhiễm phèn; + Vỏ bọc loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất, panell composite; + Hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng; + Hệ thống sứ cách điện, sứ polymer, sứ cilicon, sứ epoxy loại sứ chuỗi, sứ đỡ, sứ cầu giao, sứ thiết bị điện, chống sét, cầu chì; HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 10 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite + Lốp xe ô tô, xe máy, xe đạp; + Vỏ tàu thuyền composite (vỏ lãi) + Thùng rác công cộng + Mô hình đồ chơi trẻ em E Tính hàn vật liệu composite: Tính hàn khả tạo thành liên kết hàn mà không kim loại vật liệu composite kim loại, đặc biệt composite sợi, liên quan tới … [69] Khi hàn vật liệu composite kim loại: kim loại mối hàn …[70] dẫn tới làm xáo trộn tính liên tục phương pháp sợi giảm tỷ lệ thể tích chất tăng cường đường hàn trở thành … Để khắc phục tượng người ta sử dụng mối hàn độc lập thành phần vật liệu composite Mối hàn độc lập yêu cầu chuẩn bị đặc biệt cạnh quan sát chặt chẽ khoảng cách sợi tăng cường phù hợp với vật liệu composite sợi kim loại Dưới điều kiện nung nóng vật liệu hàn, vấn đề tương thích lý hóa nhiệt chi tiết không khác nhiều so với vật liệu Do có khác trình lan truyền nhiệt vật liệu vật liệu tăng cường dẫn tới ứng suất đàn nhiệt phụ xuất khuyết tật như: nứt, pha shuyr giòn pha tăng cường nơi nóng liên kết Sự tách bề mặt tiếp xúc vùng giới hạn nhiệt độ kết tinh lại nhiệt độ chảy kim loại Sự tăng cường kim loại với pha tăng cường giảm tính dẫn nhiệt dẫn điện dẫn tới làm giảm khả tạo thành liên kết hàn điện trở (hàn điểm, hàn đường) Hàn vật liệu composite với vật liệu kim loại đồng nhất, yêu cầu không tính đến khác tính dẫn điện, hệ số truyền nhiệt mà tính chất lý nhiệt Khi hàn liên kết giáp mối cách tốt để thực là: - Dịch chuyển nguồn nhiệt từ … [71] - Sử dụng bể nhiệt … - Dùng thiết bị gá kẹp cứng để … F Các phương pháp hàn vật liệu composite: Các phương pháp hàn vật liệu composite thường sử dụng: hàn khuếch tán, hàn ép, hàn nổ, phun phủ hay phối hợp phương pháp Việc nghiên cứu phương pháp hàn để hàn vật liệu composite tương đối phức tạp bởi: - Đây liên kết … [72] - Nhiệt độ nóng chảy vật liệu khác (nền 600 – 1000 0C, tăng cường 1500 – 25000C) Như vậy: HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 11 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite Để đảm bảo tính chất tốt liên kết hàn vật liệu composite phương pháp hàn cần phải giải vấn đề tương thích thành phần chế tạo chúng Do ưu tiên sử dụng phương pháp hàn hai pha rắn: lượng cung cấp dẫn tới hư hại tính chất thành phần vùng liên kết Đối với phương pháp hàn áp lực, với phương pháp loại trừ chuyển vị làm hư hại thành phần pha tăng cứng Đối với phương pháp hàn nóng chảy vật liệu composite chọn phương pháp điều kiện cho đảm bảo nhiệt cấp vào liên kết Phương pháp hàn nóng chảy phù hợp để hàn vật liệu: - Có thành phần tương thích nhiệt động học Ví dụ: đồng – vofram; đồng – molypden, … - Được tăng cường với vật liệu phụ bền nhiệt: ví dụ sợi SiC - Vật liệu phụ có lớp phủ chắn Điện cực vật liệu phụ vật liệu trung gian cho hàn nóng chảy hàn vảy phải chứa thành phần phụ hợp kim để hạn chế: + Sự hòa tan thành phần tăng cường + Tạo sản phẩm giòn tương tác mặt phân giới trình hàn trình làm việc liên kết hàn Hàn nung nóng nhiệt độ cao không gây tính chất vật liệu sợi tăng cường ban đầu mà gây giòn đáng kể mối hàn Do sử dụng phương pháp hàn … [81] Các phương pháp để hàn vật liệu composite: hàn điểm, hàn đường, hàn Al chèn, hàn khuếch tán, hàn phóng điện từ trường, hàn Al có … [81] Hiệu sử dụng kết hợp … Hèn điểm hàn vảy đồng thời … Hàn nóng chảy vật liệu composite không … Chú ý: Không thể hàn nóng chảy vật liệu composite phương pháp hàn điện nóng chảy thông thường mối hàn có chứa phần tử không nóng chảy sợi nóng chảy phần thành phần hóa học không tiên liệu Có thể sử dụng vật liệu phụ đặc biệt để tạo … Hàn nóng chảy chủ yếu để hàn liên kết composite tầng, composite sợi – tầng composite tự nhiên chế tạo kết tinh định hướng H Giới thiệu phương pháp hàn điện trở chế tạo kết cấu vật liệu composite: HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 12 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite Phương pháp hàn cho phép tạo liên kết chất mà không làm giảm tính chất học … Cần biết cấu trúc công nghệ chế tạo vật liệu để xác định ảnh hưởng thành phần vật liệu đến tính chất … Hàn vật liệu composite sợi hướng hệ Bo-Al loại VKA-2: - Độ bền riêng vật liệu lớ 2,5 – lần hợp kim Al D16T, V95T, D19 cho phép giảm khối lượng kết cấu từ 20 – 40% Tỷ lệ thể tích sợi Bo Vf 20, 33 55%, đường kính sợi Bo 80 - 100µm Nền làm từ hợp kim Al AD1, chiều dày vật liệu là: 0,8; 1,2; 1,5; 1,8 2,0 Lớp Al AD1 phủ lên sợi Bo gọi lớp bọc có chiều dày 50, 150, 200 250µm Bề mặt hàn làm … Vật liệu composite VKA-1 có bất đẳng hướng rõ nét tính chất học theo phương dọc theo phương ngang sợi: Các vùng tiếp xúc: chi tiết với chi tiết, điện cực với chi tiết yêu cầu có dạng elip Tỷ lệ thể tích sợi lớn dẫn tới đầu điện cực lớn Với chiều dày chi tiết 1,0 – 1,5mm tỷ lệ thể tích sợi Vf = 55% Tỷ số đường kính điểm hàn theo phương dọc phương ngang sợi 0,8:0,7 Với vật liệu có Vf = 20 33% dân tới điểm hàn có dạng gần tròn Tính hàn vật liệu composite khác với tính hàn hợp kim Al loại D16T AMg6 phụ thuộc vào: - Khả biến dạng - Tác động chu kỳ nhiệt - Hiệu suất lượng - Các đặc trưng kết tinh - Khả biến dạng vật liệu KVA khác với HK AlD16, Amg6 Tỷ lệ thể tích sợi lớn khả biến dạng vật liệu KVA thấp Khi hàn hợp kim Al: Đầu điện cực (dạng chỏm cầu) gây biến dạng cong vênh bề mặt tiếp xúc Vết đầu điện cực hình tròn rõ nét vùng tiếp xúc: chi tiết với chi tiết chi tiết với điện cực Khi hàn vật liệu VKA với tỷ lệ thể tích sợi Bo lớn 55%: Sợi Bo có độ cứng cao dẫn tới cản trở mạnh trình uốn chi tiết phân định rõ ràng biên rõ nét vùng tiếp xúc chi tiết với chi tiết Đường kính vùng tiếp xúc lớn 10 – 40% (phụ thuốc vào tỷ lệ thể tích sợi Bo) diện tích lớn hợp kim Al D16T từ 1,2 – 2,0 lần HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 13 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite Bắn tóe nhiều, đặc biệt đới với vật liệu có tỷ lệ thể tích sợi Bo lớn chiều dày lớp bọc nhỏ Để hàn không bắn tóe chiều dày lớp bọc 100 – 150µm Đối với vật liệu có Vf = 33%, điều kiện hàn không phụ thuộc vào chiều dày lớp bọc Đối với vật liệu VKA-1, chiều dày lớp bọc nhỏ 100µm nên sử dụng lớp Al trung gian Để giảm bắn tóe tăng vùng tiếp xúc điện cực chi tiết Ví dụ: sử dụng điện cực có bán kính chỏm cầu đầu điện cực lớn Khi hàn điểm vật liệu hợp kim Al D16T cần sử dụng điện cực có bán kính chỏm cầu 50 – 100mm Khi hàn vật liệu composite có chiều dày cần sử dụng điện cực có bán kính chỏm cầu 150 – 200mm Khi thể tích sợi tăng lên dẫn tới lực ép hàn tăng lên Khi hàn vật liệu có Vf = 20 33% thông số chu trình lực hàn kích thước hình học điện cực giống hàn hợp kim Al D16T Composite Al-B thiên hướng nứt nhân điểm hàn cốt sợi Bo cứng vững Không cần sử dụng lực chồn Lực chồn dùng để giảm biến dạng dư kết cấu hàn Hình dạng kích thước điện cực có ảnh hưởng lớn đến trình hàn chất lượng liên kết hàn điểm vật liệu KVA-1: Chi tiết dày S = 0,8 – 1,0mm điện cực có đường kính chỏm cầu R = 150mm Với S lớn 1,2mm R = 200mm Để hạn chế bắn tóe hàn vật có chiều dày lớp bọc lớn cần dùng điện cực có ống lồng Chuẩn bị liên kết hàn: Hàn nóng chảy vật liệu composite có hai loại liên kết hàn: Liên kết hàn dọc theo sợi: điều kiện tối ưu, đạt độ bền vật liệu Liên kết ngang qua sợi: Vấn đề trở nên phức tạp nhiều đòi hỏi liên kết phải độc lập cac sợi vật liệu Hàn mỏng từ – 3mm chiều dày, vật liệu composite sợi dọc theo sợi không cần chuẩn bị mép hàn Cắt máy … Các sợi bị hư hại làm … Các cạnh lắp dẫn tới khoảng cách giưa chúng cạnh phần tử chèn nhỏ 0,1 lần chiều dày Khi hàn ngang qua sợi tùy thuộc vào phương pháp hàn: HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 14 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite - Các sợi đầu nối để lộ - Sử dụng dung dịch NaOH 20% để làm Al bám vài sợi - Làm Al khỏi cạnh liên kết - Chồng sợi lên vùng giáp mối làm nóng chảy với Al - Sử dụng vật liệu phụ để bảo vệ sợi khỏi ảnh hưởng trực tiếp hồ quang - Một số kiểu liên kết tiêu biểu: hàn chồng kép, liên kết hàn giáp mối giằng kép, liên kết chồng, … Bảng thông số chế độ công nghệ hàn số loại vật liệu chiều dày điển hình: S(mm ) 0,8 1,0 1,5 Vf(%) r(mm ) 20 33 55 20 33 55 20 33 55 20 33 55 50 50 200 75 75 150 100 100 200 100 100 250 Lực ép(N) Lực hàn 2000 2500 3500 2500 3000 4500 4000 5000 7000 5000 6000 9000 Thời gian chồn tf(s) Lực chồn 700 800 1000 800 900 1200 0,08 0,08 0,09 0,08 0,08 0,09 Dòng điện hàn Điện áp Iw(kA) t(s) (V) 22 23 24 24 25 26 27 29 31 29 34 40 0,06 0,06 0,07 0,06 0,06 0,07 0,06 0,07 0,08 0,07 0,07 0,08 235 240 210 250 260 220 280 250 250 250 280 300 PHỤ LỤC CÁC SẢN PHẨM CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀN TỪ VẬT LIỆU COMPOSITE HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 15 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite Bảng thành phần hóa học số loại composite thường sử dụng Một số loại điện cực hàn điểm ứng dụng hàn vật liệu composite HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 16 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite Bình chứa hóa chất C2H2 nhà máy giấy Bãi Bằng Hàn vật liệu composite HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 17 Tiểu luận môn học hàn chất dẻo vật liệu composite TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bài giảng hàn chất dẻo vật liệu composite, PGS.TS Nguyễn Tiến Dương [2] Vật liệu composite, công nghệ vật liệu, GS Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức, NXB Khoa học kỹ thuật [3] Cơ học vật liệu composite, Hoàng Xuân Lượng, NXB Khoa học kỹ thuật [4] Vật liệu composite học tính toán kết cấu, GS Trần Ích Thịnh, NXB Giáo Dục [5] Vật Liệu Cao Cấp: từ Composite đến Nanocomposite, Trương Văn Tân, NXB Giáo Dục [6] Các nguồn tài liệu internet HV: Nguyễn Văn Anh, lớp Cao học công nghệ hàn khóa 2012 - 2014 18 ... môn học hàn chất dẻo vật liệu composite CÔNG NGHỆ HÀN COMPOSITE A Khái niệm đặc điểm vật liệu composite: Vật liệu composite, gọi Vật liệu compozit hay composite vật liệu tổng hợp từ... liên kết composite tầng, composite sợi – tầng composite tự nhiên chế tạo kết tinh định hướng H Giới thiệu phương pháp hàn điện trở chế tạo kết cấu vật liệu composite: HV: Nguyễn Văn Anh, lớp... Tính hàn vật liệu composite: Tính hàn khả tạo thành liên kết hàn mà không kim loại vật liệu composite kim loại, đặc biệt composite sợi, liên quan tới … [69] Khi hàn vật liệu composite kim loại: