Nghiên cứu thực nghiệm tính năng ma sát của cặp ma sát má phanh xe

Nếu như trong cơ học, chúng ta dựa vào cấu trúc của các thành phần cốt để phân loại composite như composite phân lớp, composite cốt sợi đồng phương, composite có cấu trúc không gian 2D,

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả và số liệu nêu trong luận văn là do bản thân tôi thực

hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Văn Hùng Viện Cơ khí, Trường Đại học

bách khoa Hà Nội Ngoài phần tài liệu tham khảo đã liệt kê các số liệu và kết quả thu được là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Văn Huấn

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Văn HùngViện Cơ khí, Trường Đại

học Bách Khoa Hà Nội là người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đế

quá trình thực hiện hoàn chỉnh luận văn này

Tôi bày tỏ lòng biết ơn tất cả các thầy, cô giáo đã giảng dạy trong Trường Đại hoc Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô giáo Khoa Cơ Khí, Bộ môn Máy &Ma sát học

đã tạo điều kiện cho tôi làm tốt luận văn tại bộ môn

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót, tôi rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy, cô giáo, các nhà khoa học, các bạn bè để đề tài được đưa vào sử dụng tốt hơn trong thực tế

Tác giả

Nguyễn Văn Huấn

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢN VẼ 5

MỞ ĐẦU 7

Chương 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU COMPOSITE LÀM MÁ PHANH XE MÁY 9

1.1 Sự phát triển và nhu cầu sử dụng xe máy trên thị trường Việt Nam 9

1.2 Khái niệm về vật liệu composite 10

1.3 Các thành phần cấu thành vật liệu composite 12

1.3.1 Các thành phần cốt 12

1.3.1.1 Sợi thủy tinh 14

1.3.1.2 Sợi bazan 15

1.3.1.3 Sợi hữu cơ 17

1.3.1.4 Sợi cacbon 18

1.3.1.5 Sợi cacbua silic (SiC) 19

1.3.1.6 Sợi kim loại 20

1.3.2 Vật liệu nền 20

1.3.2.1 Chất liệu nền polyme nhiệt rắn 21

1.3.2.2 Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo 22

1.3.2.3 Chất liệu nền cacbon 24

1.4 Vật liệu composite 25

1.4.1 Vật liệu composite polyme 25

1.4.2 Vật liệu composite cacbon-cacbon 27

1.4.3 Vật liệu composite gốm 28

1.4.4 Vật liệu composite kim loại 30

1.5 Vật liệu ma sát amiăng 31

1.6 Kết luận chương 1 33

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MA SÁT VÀ MÒN 34

2.1 Tìm hiểu chung về ma sát và mòn 34

2.1.1 Các khái niệm và định nghĩa cơ bản về ma sát 34

2.1.1.1 Ma sát ngoài 34

2.1.1.2 Các định nghĩa và thuật ngữ chính về ma sát 34

2.1.2 Các khái niệm và định nghĩa cơ bản về mòn 36

2.2 Các đặc trưng cơ bản của ma sát và mòn 38

2.3 Phân loại ma sát và mòn 40

2.3.1 Các dạng ma sát đặc trƣng 40

2.3.2 Phân loại các dạng mòn 42

2.4 Một số định luật về ma sát, mòn và những quy luật thực nghiệm 48

2.4.1 Một số định luật về ma sát 48

2.4.1.1 Định luật thứ nhất 48

2.4.1.2 Định luật thứ hai 49

2.4.1.3 Định luật thứ ba 50

2.4.2 Những quy luật thực nghiệm 51

2.5Các định luật cơ bản về mòn 53

2.5.1 Định luật về mòn thứ nhất 53

2.5.2 Định luật về mòn thứ hai 54

2.6 Kết luận chương 2 54

Chương 3: NGHIÊN CỨU MA SÁT MÒN VẬT LIỆU MÁ PHANH TRÊN XE MÁY 55

3.1Đánh giá các sơđồ kết cấu của cơ cấu phanh 55

3.2 Cơ cấu phanh đĩa 55

3.3 Cơ cấu phanh trống 57

3.3.1 Xác định mômen phanh do cơ cấu phanh sinh ra (hiệu quả của cơ cấu phanh) 58

3.3.2 Đường đặc tính tĩnh của guốc phanh và của cơ cấu phanh 61

3.3.3 Đường đặc tính tĩnh của một số cơ cấu phanh điển hình 64

3.4 Hệ số ma sát µ và sự không ổn định của nó trong quá trình phanh 66

3.5 Sự làm việc của cơ cấu phanh trong điều kiện ẩm ướt 68

3.6 Nguyên lý hoạt động và các dạng hư hỏng của hệ thống phanh đĩa 70

3.6.1 Cấu tạo của hệ thống phanh đĩa xe máy 70

3.6.2 Nguyên lý hoạt động 71

3.6.3 Dạng hư hỏng thường gặp 71

3.7 Hệ thống thiết bị thí nghiệm 72

3.7.1 Những yêu cầu của thiết bị thí nghiệm 72

3.7.2 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị thí nghiệm 73

3.7.3 Thiết bị thí nghiệm 74

3.7.4 Các thông số cơ bản trong thí nhiệm 75

3.7.5 Đo và xử lý số liệu: 76

3.8 Kết luận chương 3 79

KẾT LUẬN VA KIẾN NGHỊ 81

TAI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH MỤC BẢN VẼ

Hình 1.1 Mô hình vật liệu composite 11

Hình 1.2 Phân loại vật liệu composite theo pha nền 12

Hình 1.3 Sợi bazan dạng lô cuộn dùng làm cốt vật liệu basalt chống cháy nổ cho công nghiệp hàng không, công nghiệp ô tô, công nghiệp dầu khí, kỹ thuật quân sự 16

Hình 1.4 Bông khoáng dạng ống định hình được làm từ đá bazan là loại sản phẩm cách nhiệt đặc biệt sử dụng bọc lót cách nhiệt hệ thống ống dẫn hơi nước, thiết bị áp lực, lò hơi 17

Hình 1.5 Xe đạp hand- made làm từ sợi cacbon và gỗ 19

Hình 1.6 Thân, vỏ, vách ngăn tàu vũ trụ sử dụng vật liệu composite polyme cốt sợi các bon 26

Hình 1.7 Thanh truyền và pittông làm bằng vật liệu composite 27

Hình 1.8 Má phanh xe máy làm bằng vật liệu amiăng 32

33

Hình 2.1: Sự phụ thuộc của lực ma sát Fms vào giá trị dịch chuyển λ 35

Hình 2.2: Sự phụ thuộc của lượng mòn U vào thời gian t hay quãng đường ma sát L 39

Hình 2.3: Các dạng ma sát theo căn cứ chuyển động 41

Hình 2.4 Mô hình cấu trúccủa lớp bềmặt khi tróc loại 1 45

Hình 2.5 Mô hình cấutrúc của cáclớp bềmặt khibị tróc loại 2 46

Hình 2.6 Mô hình cấu trúc lớp bề mặt ma sát bị phá hủy do mỏi 47

Hình 2.7 Mô hình cấu trúc của các lớp bề mặt khi mòn Fretting 48

Hình 2.8 Sơ đồ vị trí các vùng ma sát bình thường 50

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc vào áp suất pháp tuyến f = (p) 51

Hình 2.10 Sở đồ nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc vận tốc trượt f=f(v) 52

Hình 3.1 Sơ đồ cơ cấu phanh đĩa (a) và đường đặc tính tĩnh của nó (b) 56

Hình 3.2.Các sơ đồ phanh trống chủ yếu dùng trên ô tô và xe máy 58

Hình 3.3.Sơ đồ tính toán mô men phanh ở guốc phanh trước của cơ cấu phanh trống 58

Hình 3.4 Quan hệ giữa hệ số K0 và góc ôm của má phanh β0 60

Hình 3.5 Đường đặc tính tĩnh của các guốc phanh ở cơ cấu phanh có lực dẫn động

như nhau và tâm quay của các guốc phanh ở về một phía 62

Hình 3.6.Đường đặc tính tính tĩnh của các loại cơ cấu phanh 66

Hình 3.7 Đường đặc tính ma sát theo tốc độ cơ cấu phanh ô tô 68

Hình 3.8 Giản đồ phanh khi cơ cấu phanh bị ướt I, II , V thứ tự đạp phanh 69

Hình 3.9.Sơ đồ hệ thống xilanh chính 70

Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống ngàm phanh 70

Hình 3.11.Má phanh đĩa xe máy bị mòn 71

Hình 3.12.Đĩa phanh bị mòn 72

Hình 3.13 Hệ thống thiết bị thí nghiệm máy đo ma sát BK MS-MFXM 73

Hình 3.14 bị đo ma sát BK MS-MFXM 73

Hình 3.15 Mẫu chuẩn bị thí nghiệm 74

Hình 3.16 Hình dáng, kích thước của mẫu số 2 75

Hình 3.17 Hình dáng, kích thước của mẫu số 1 và 3 75

Hình 3.18 Tổ chức bề mặt của 3 loại má phanh xe máy khảo sát trong đó: 76

Hình 3.19 Đồ thị hệ số ma sát phụ thuộc vào áp lực dầu phanh 79

Bảng 1.1.So sánh định tính một vài tính chất cơ lý của một số loại sợi 13

Bảng 1.2 So sánh đặc tính sợi amian với sợi bazan 15

Bảng 1.3 Đặc tính cơ lý của một số vật liệu nền polyme nhiệt dẻo 24

Bảng 3.1 Tỷ số truyền và mô men phanh của một số cơ cấu phanh chủ yếu 65

Bảng 3.2:Kết quả đo thực nghiệm và tính toán hệ số ma sát 77

Bảng 3.3: Kết quả tính toán hệ số ma sát µ của mẫu số 3 77

Bảng 3.4: Kết quả tính toán hệ số ma sát µ của mẫu số 1 78

Bảng 3.5: Kết quả tính toán hệ số ma sát µ của mẫu số 2: 78

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Xe máy là phương tiện chiếm đa số trong giao thông đường bộ tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng và sửa chữa xe máy trên thị trường Việt Nam là rất lớn

Hiện tại các thiết bị và phụ tùng thay thế và sửa chữa xe máy có nhu cầu cao, các doanh nghiệp, công ty sản xuất phụ tùng xe máy cũng đã và đang nghiên cứu đưa ra thị trường nhiều sản phẩm thiết bị thay thế, trong đó đặc biệt là cặp má phanh

xe máy, do trong quá trình sử dụng phanh xe máy là cặp má phanh của xe máy là một thiết bị đặc biệt quan trọng ảnh hưởng quyết định đến tính mạng và sự an toàn của mỗi người khi điều khiển xe máy tham gia giao thông, cặp má phanh xe máy trong quá trình sử dụng rất dễ bị mòn do ảnh hưởng của nhiều yếu tố: vật liệu của cặp ma phanh, điều kiện môi trường sử dụng xe máy,…nên nhu cầu thay thế cặp má phanh xe máy là rất lớn, thông thường cặp má phanh đĩa xe máy sẽ mòn khi xe chạy được khoảng 10000km

Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát và mòn của cặp má phanh xe máy sẽ giúp chúng ta cải thiện được tuổi thọ, chất lượng của cặp má phanh xe máy

cũng như sự an toàn của mỗi người khi tham gia giao thông Vì vậy đề tài “ Nghiên cứu thực nghiệm tính năng ma sát cặp ma sát má phanh xe máy” mang tính cấp

thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được): Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số cơ bản tới ma sát cặp ma sát má phanh trong điều kiện phòng thí nghiệm, xây dựng được các đồ thị thể hiện được sự biến đổi của ma sát trong điều kiện thí nghiệm

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của tính năng ma sát của cặp ma sát má phanh xe máy là cặp

má phanh xe máy của các hãng xe Honda, Yamaha, Suzuki, dung tích xilanh từ 100cc trở lên là các loại xe sử dụng khá phổ biến ở nước ta

Đề tài giới hạn phạm vi nghiên cứu ở các vấn đề sau :

- Tìm hiểu về vật liệu composite làm má phanh xe máy

-Tổng quan về ma sát, mòn của vật liệu má phanh

- Nghiên cứu ma sát mòn vật liệu má phanh trên xe máy, sơ đồ thực nghiệm đo tính năng ma sát và thiết bị khảo sát lực ma sát cặp má phanh đĩa xe máy

- Xây dựng đường cong ma sát thực nghiệm

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết dựa trên sự phân tích và tổng hợp các kết quả thí nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành với hệ thống thiết bị thực nghiệm được thiết kế gần giống với điều kiện làm việc của cặp ma sát má phanh xe máy nhằm kiểm chứng các mô hình lý thuyết, tìm ra mối quan hệ hoặc đối chiếu, kiểm chúng với các kết quả nghiên cứu đã có

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu tính năng của ma sát vật thể rắn là cơ sở xác định cơ chế ma sát và

là điều kiện ban đầu để điều khiển quá trình ma sát của má phanh theo hướng có lợi

và tối ưu

Ý nghĩa thực tiễn

An toàn của xe máy hiện nay là vấn đề quan trọng nhất trong tham gia giao thông Việt Nam có số lượng xe máy lớn nhất thế giới, vì vậy nghiên cứu về má phanh xe máy

sẽ góp phần nâng cao độ an toàn và tin cậy của xe máy khi tham gia giao thông

5 NỘI DUNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT

Nội dung nghiên cứu sẽ đi sâu vào các vấn đề sau:

- Tìm hiểu về vật liệu composite làm má phanh xe máy

- Cơ sở lý thuyết về ma sát và mòn

- Sơ đồ thực nghiện đo tính năng ma sát và thiết bị khảo sát lực ma sát cặp má phanh đĩa xe máy

- Xây dựng đường cong ma sát thực nghiệm

Phần kết luận chung và phương hướng nghiên cứu tiếp theo

Chương 1:TỔNG QUAN VẬT LIỆU COMPOSITE LÀM MÁ PHANH XE MÁY 1.1 Sự phát triển và nhu cầu sử dụng xe máy trên thị trường Việt Nam

Trong gần 20 năm qua, nhờ những nỗ lực và quyết tâm của toàn Đảng và toàn dân ta trong việc thực hiện các chủ trương và chính sách đúng đắn của Đảng, nền kinh tế Việt Nam đã và đang đạt được những thành tựu quan trọng và có tính bước ngoặt trên con đường xây dựng và đổi mới đất nước Việc thực hiện chính sách mở cửa hội nhập với nền kinh tế của các nước trong khu vực và trên thế giới đã làm cho nền kinh tế Việt Nam phát triển và đạt được những thành tựu đáng kể Tốc độ tăng trưởng tổng sản phẩm trong nước (GDP) bình quân đạt trên 7%/năm trong nhiều năm, đặc biệt là giai đoạn 1991-1995 (đạt trên 8,2%/năm) GDP bình quân đầu người giai đoạn 1996-2000 là 462 USD, ước thực hiện giai đoạn 2001-2005 là 600 USD Nguồn vốn đầu tư trực tiếp nước ngòai (FDI) giai đoạn 2001-2005 cả cấp mới

và bổ sung đạt 15-16 tỷ USD, tăng gấp 1,5 lần so với giai đoạn 1996-2000 (Tạp chí Thông tin kinh tế - xã hội số 5 –tháng 5/2005)

Bên cạnh những thành tựu về kinh tế, sau 20 năm tiến hành đổi mới, Việt Nam đã đạt được một số thành tựu về xã hội, có tác động thúc đẩy nền kinh tế phát triển Việt Nam đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu giảm một nửa số người nghèo và một nửa số người dân bị đói theo chuẩn quốc tế so với những năm đầu thập niên 90 chỉ trong khoảng 10 năm Cụ thể: trong giai đoạn 2002-2004, mức sống - thể hiện qua chi tiêu của hộ gia đình, đã được cải thiện rõ rệt Tính chung cả nước, chi tiêu

hộ gia đình theo giá so sánh thời kì 2003-2004 đạt 328000 đồng, tăng bình quân 12,1%/năm (Tạp chí Thông tin kinh tế - xã hội số 6- tháng6/2005)

Như vậy sự phát triển của nền kinh tế đã có ảnh hưởng trực tiếp tích cực đến đời sống của người dân Đời sống của người dân từng bước đựơc cải thiện và nâng cao rõ rệt.Cũng như những nhu cầu tự nhiên như ăn, mặc, ở thì một nhu cầu khác cũng không thể thiếu được đối với con người trong cuộc sống hiện nay đó là phương tiện đi lại hay còn gọi là phương tiện giao thông Và để đáp ứng đựơc nhu cầu đó của người dân thì hàng loạt các phương tiện giao thông đã đựơc nghiên cứu, sản xuất và đưa vào sử dụng như ô tô, xe máy, xe đạp điện…

Nếu như ở Việt Nam khoảng một hai thập niên trước đây, xe máy mang tính thiểu số, được vị nể với tư cách là một sản phẩm tân kỳ, một tài sản lớn hơn là một phương tiện giao thông thì trong những năm gần đây, chiếc xe máy đã trở nên phổ biến hơn và hầu như trở thành phương tiện giao thông chính của đại đa số người dân Hiện nay, có những hộ gia đình có 1, 2 thậm chí có đến 3, 4 chiếc xe máy trong nhà

Trong cơ cấu tham gia giao thông đô thị ở Việt Nam, các số liệu cho biết: xe máy chiếm vị trí đầu bảng với tỉ lệ khoảng 61% tổng các phương tiện giao thông Chỉ riêng thành phố Hồ Chí Minh đã có hơn 2 triệu xe máy, ở Hà Nội thì con số này khoảng hơn 1 triệu xe, còn không kể đến một số lượng xe không nhỏ ở các vùng khác Ngoài ra, đối với thu nhập bình quân của người Việt Nam hiện nay, xe máy là

sự lựa chọn phù hợp nhất – nó có giá cả tương đối phù hợp (nhiều xe máy của Trung Quốc còn có giá rẻ)

Nhận biết được nhu cầu khổng lồ về xe máy như vậy nên trong thời gian qua

đã có nhiều nhà cung cấp trên thị trường xe máy Việt Nam Các hãng xe máy nổi tiếng trên thế giới như: Honda, SYM, Suzuki, Yamaha… đã tiến hành liên doanh với Việt Nam để sản xuất và cung cấp cho người tiêu dùng Việt Nam Thêm vào đó, trong 5 năm trở lại đây, thị trường xe máy đã đa dạng nay còn đa dạng hơn bởi những chiếc xe máy Trung Quốc được nhập khẩu cũng như được sản xuất ồ ạt tại Việt Nam Sản phẩm xe máy Trung Quốc với ưu thế là giá rẻ, chủng loại phong phú

đã thực sự phù hợp với người tiêu dùng Việt Nam có nhu cầu sử dụng xe máy song thu nhập thấp hoặc những người dân có nhu cầu đổi mới kiểu dáng xe nhưng không

có đủ tiền…

1.2 Khái niệm về vật liệu composite [2]

Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp ( mức độ vĩ mô ) của hai hay nhiều vật liệu thành phần khác nhau về hình dạng hoặc thành phần hóa học nhằm tạo nên một vật liệu mới có tính năng vượt trội so với từng vật liệu thành phần

Hình 1.1 Mô hình vật liệu composite [3]

Nhiều vật liệu có nguồn gốc từ tự nhiên là composite Ví dụ gỗ là một composite gồm những sợi cellulose trong liên kết là lignin, hoặc xương bền và nhẹ được hình thành do sự kết hợp của các tinh thể apatite (một hợp chất của canxi) và những sợi protein collagen Ở Ấn Độ, Hy Lạp và các nước khác, rơm hoặc trấu được trộn với đất sét để làm nhà cách đây hàng trăm năm là loại composite sợi ngắn

Sự tổ hợp hai hay nhiều vật liệu khác nhau trong composite nhằm tạo nên một sản phẩm với các tính chất tối ưu, bao gồm tính chất cơ học, tính chất hóa học, tính chất vật lý như tính chất nhiệt (độ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chảy mềm), tính chất điện (độ dẫn điện), tính chất quang học, tính cách âm…

Từ những năm 1960, xuất hiện nhu cầu ngày càng tăng về các vật liệu yêu cầu cứng và nhẹ hơn.Tuy nhiên, không có một vật liệu đơn nào đáp ứng được yêu cầu đó.Xuất phát từ nhu cầu, ý tưởng chế tạo vật liệu kết hợp từ một số vật liệu khác nhau ra đời và tạo nên một vật liệu mới đó là vật liệu tổ hợp hay còn gọi khác

là composite

Nếu như trong cơ học, chúng ta dựa vào cấu trúc của các thành phần cốt để phân loại composite như composite phân lớp, composite cốt sợi đồng phương, composite có cấu trúc không gian 2D, 3D, 4D… Hoặc trước đây, người ta hay gọi composite theo tên các cốt sợi: ví dụ composite cốt sợi thủy tinh, composite cốt sợi bazan, sợi các bon,… Nhưng cho đến nay có rất nhiều loại cốt khác nhau, ví dụ như composite cốt sợi thủy tinh hoặc bazan trên nền epoxy về cơ bản công nghệ chế tạo giống nhau hoặc cốt lai tạp giữa thủy tinh lẫn sợi cacbon, sợi các bon lẫn sợi bazan… Thành phần cốt đảm bảo cho vật liệu composite có độ cứng, độ bền cơ học

Vật liệu composite gốm

Vật liệu composite cacbon

cao.Còn chất liệu nền không những đảm bảo cho các thành phần của composite liên kết hài hòa với nhau, đảm bảo tính liền khối của vật liệu, tạo ra các kết cấu composite, phân bố lại chịu tải khi một phần cốt đã bị đứt gãy để đảm bảo tính liên tục của kết cấu, chất liệu nền cũng quyết định một phần lớn khả năng chịu nhiệt, chịu ăn mòn của vật liệu, và cũng chính vật liệu nền là cơ sở để xác định phương thức công nghệ chế tạo sản phẩm Vì vậy, hoàn toàn lôgic và khoa học, về mặt công nghệ, chúng ta phân loại composite theo bản chất của vật liệu nền Cho đến nay căn

cứ vào pha nền có thể phân composite thành bốn loại cơ bản như sau:

Hình 1.2 Phân loại vật liệu composite theo pha nền

Ưu điểm quan trọng nhất của vật liệu composite – đó là khả năng chế tạo từ chúng những kết cấu, sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật mà ta mong muốn Tùy theo những đòi hỏi về độ bền, độ cứng, nhiệt độ làm việc, điều kiện khai thác

sử dụng, … mà chúng ta lựa chọn những vật liệu thành phần, kết cấu, tỷ lệ, … và công nghệ sản xuất phù hợp

1.3 Các thành phần cấu thành vật liệu composite [2]

1.3.1 Các thành phần cốt

Các thành phần cốt của composite phải thỏa mãn những đòi hỏi về khai thác

và công nghệ Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi như yêu cầu về độ bền, độ cứng, khối lượng riêng, độ bền trong một khoảng về công nghệ nào đó, bền ăn mòn trong môi trường axit, kiềm … Còn đòi hỏi về công nghệ đó là những đòi hỏi về khả năng công nghệ để sản xuất ra các thành phần cốt và những vật liệu composite trên cơ sở những cốt này Hiện nay, thành phần cốt của composite thường dùng là

các sợi ngắn, các sợi dài đơn, các dạng sợi tết (được tết xoắn lại gồm nhiều sợi lại với nhau), các cốt lưới, vải, các bảng dải sợi và các loại bông với tính năng cơ lý đã được xác định

Hiện nay, với các vật liệu composite polyme có pha nền là nhựa tổng hợp, các cốt thường là vải hoặc sợi thủy tinh, sợi aramit, sợi cacbon và sợi bor hoặc cốt sợi tạp lai Mỗi loại sợi có tính năng ưu, khuyết và hiệu quả riêng (xem bảng 1.1).Ngoài ra, cũng sử dụng các sợi khác như sợi bazan, sợi xaphia, sợi cacbuasilic, sợi polyetylen Vật liệu composite nền kim loại thường dùng sợi thép, vonfam, titan, berili (Be), niobi, …

Bảng 1.1.So sánh định tính một vài tính chất cơ lý của một số loại sợi

Cơ học:

Độ bền va đập Rất tốt Bình thường Thấp Rất tốt

Độ dãn dài khi đứt Cao Thấp Trung bình Trung bình Tính ổn định Rất tốt Rất tốt Trung bình Rất tốt

Vật lý:

Độ dãn nở nhiệt Trung bình Trung bình Rất thấp Rất thấp Khả năng chống ồn Tốt Bình thường Khá tốt Rất tốt

Trên thực tế, thành phần cốt luôn chiếm không quá 60%-65% thể tích của vật liệu composite.Theo tính toán, nếu thành phần cốt chiếm quá liều lượng trên (tức là khi các thành phần cốt quá sít gần nhau) giữa chúng sẽ nảy sinh tương tác dẫn đến

sự tập trung ứng suất làm giảm sức bền của vật liệu

1.3.1.1 Sợi thủy tinh

Sợi thủy tinh được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu composite polyme.Ưu điểm của sợi thủy tinh là nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với các tác động hóa- sinh, có

độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp

Sợi thủy tinh có hai dạng điển hình: Sợi dài (dạng chỉ) và sợi gắn Thông thường chúng có dạng hình trụ tròn, ngoài ra, cũng gặp sợi thủy tinh có thiết diện ngang hình tam giác, hình vuông, lục giác…

Công nghệ để sản xuất tất cả các loại sợi thủy tinh là kéo sợi từ dung dịch nóng chảy

Có ba phương pháp chính để sản xuất ra sợi thủy tinh:

1 Kéo sợi từ dung dịch nóng chảy qua khuôn (quá trình một gia đoạn)

2 Kéo sợi từ những phôi thủy tinh được sấy nóng (quá trình hai giai đoạn)

3 Nhận được những sợi ngắn từ các tia dung dịch nóng chảy bằng cách thổi bằng không khí, hơi, gas…

Quá trình một gia đoạn kéo sợi thủy tinh thực chất là từ những thành phần cơ bản như cát thạch anh, đá vôi, axit bor, đất sét, than,… được trộn theo một tỉ lệ hợp

lý, sau đó nung nóng chảy ở nhiệt độ cao vào khoảng 1260°C

Đặc trưng cơ lý hóa của sợi thủy tinh phụ thuộc chủ yếu vào các nguyên liệu thành phần dùng để kéo thành sợi, về mặt cơ học thường được chia ra hai loại chính: sợi có độ bền cao (nhôm borsilicát, ) và sợi có mô đun đàn hồi cao (magien hômsilicat dạng BMΠ, BM-1,…) Ngoài ra, cũng có loại sợi được xếp vào loại có tính trơ cao đối với axit (mác TA,…), sợ chịu lửa (oxit silic với hàm lượng SiO2không ít hơn 94%)

Sợi thủy tinh có ưu điểm nổi trội là giá thành rẻ, chúng được dùng rộng rãi trong sản xuất composite polyme, chế tạo các tàu tải trọng nhỏ, thuyền, xuồng,

canô, thuyền buồm thể thao, thân vỏ ô tô, các ống dẫn dầu, nắp rẽ dòng của vật thể bay, cánh quạt trong các tuabin của nha máy thủy điện,… và rất nhiều những sản phẩm tiêu dùng thông thường khác

Bảng 1.2 So sánh đặc tính sợi amian với sợi bazan

% hao trọng lượng trong dung dịch

% hao trọng lượng trong dung dịch

Bông, sợi bazan, ngoài nhưng ưu điểm nổi trội so với sợi thủy tinh và sợi aminan như trên ta đã thấy, còn có ưu điểm là không độc hại cho người và sinh vật (bông sợi amian có thể gây bệnh ung thư phổi và hô hấp, nên ngày nay đã bị khuyên cáo hạn chế sử dụng), lại không hút ẩm (độ hút ẩm không quá 1%, trong khi đối với

sợi thủy tinh có thể lên đến 10-20%), và có độ bền cao dưới tác động của ánh sáng mặt trời, vì vậy rất thích hợp cho việc sản xuất ra các sản phẩm cho nước nhiệt đới nắng lắm, mưa nhiều như nước ta

Hình 1.3 Sợi bazan dạng lô cuộn dùng làm cốt vật liệu basalt chống cháy nổ cho

công nghiệp hàng không, công nghiệp ô tô, công nghiệp dầu khí, kỹ thuật quân sự

Vật liệu composite độn bazan thường được dùng để chế tạo các sản phẩm cách nhiệt cho công nghiệp Bông bazan được dùng thay thế bông thủy tinh và các loại bông khoáng khác để bảo ôn hoặc bảo hàn thiết bị nhiệt, lò sấy, các đường ống dẫn hơi, các thiết bị lạnh của điều hòa không khí, hoặc dùng trong xây dựng với mục đích cách âm, cách nhiệt, tăng khả năng chịu lực Các tấm xốp chế tạo từ bông bazan có khả năng hút các sản phẩm dầu mỡ (1kg tấm xốp bazan có thể hút được đến 30kg dầu mỏ, sau khi tách dầu ra chúng lại có thể tái sử dụng thêm 7-8 lần nữa, nên nó là loại vật liệu lý tưởng để hút các vết dầu loang trên biển và ven bờ) Bông bazan cũng dùng để làm sạch nước sông ngòi, ao hồ bị nhiễm dầu đạt hiệu quả rất cao, và chế tạo màng lọc công nghiệp

Hình 1.4 Bông khoáng dạng ống định hình được làm từ đá bazan là loại sản phẩm cách

nhiệt đặc biệt sử dụng bọc lót cách nhiệt hệ thống ống dẫn hơi nước, thiết bị áp lực, lò hơi

Sợi (chỉ) bazan được dệt thành vải làm cốt cho hàng loạt vật liệu composite thay thế sợi thủy tinh và amian khi đòi hỏi kết cấu làm việc đến 700°C, dùng để thay thế sắt thép trong xây dựng, chế tạo các ống dẫn dầu khí, sản xuất lưới mặt đường nhựa, dệt thành vải làm áo chống đạn Vật liệu composite cốt sợi bazan cũng còn được dùng để chế tạo các chi tiết máy, làm các tấm vi mạch trong công nghiệp điện tử, vật liệu cách điện…

1.3.1.3 Sợi hữu cơ

Sợi hữu cơ aramit có độ bền cao hoặc mô đun đàn hồi cao và một loại nhưng

ưu việt khác Sợi hữu cơ có độ bền cao khi kéo, ổn định cao với nhiệt độ, bền va đập, không cháy, tính cách điện cao, khối lượng riêng thấp,…

Vật liệu composite cốt sợi hữu cơ có độ bền khi nén và khả năng tương thích với nền polyme thường kém hơn so với sợi thủy tinh Yếu điểm chung của các sợi aramit là hút ẩm, và sự hút ẩm làm cho các đặc cơ, lý của sợi giảm đi 15-20% Sợi hữu cơ thích ứng tốt với việc dệt thành vải Sau khi dệt thành vải những đặt tính ban đầu của sợi vẫn giữ được trên 90%, vì vậy, khi dùng sợi hữu cơ làm cốt cho composite , người ta hay dùng ở dạng đã dệt thành vải ở các dạng khác nhau

Sợi hữu cơ được dùng rộng rãi trong việc sản xuất vật liệu composite để chế tạo thân vỏ tên lửa, động cơ nhiên liệu rắn, các bình, ống chịu áp lực, găng tay cách nhiệt,

mũ- áo giáp, các chi tiết tàu lượn, các thiết bị thể thao và nhiều sản phẩm khác nữa

1.3.1.4 Sợi cacbon

Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35A° Các nguyên tử các bon liên kết với nhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42 A° Sợi cacbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, rất nhẹ (khối lượng riêng dưới 2g/cm3), chịu được nhiệt độ cao lên đến vài nghìn độ trong môi trường trơ, hệ

số ma sát và dãn nở nhiệt thấp, rất bền vững với nhiều điều kiện khí hậu và các phản ứng hóa học, có những tính chất điện lý đa dạng (từ bán dẫn đến dẫn), đặc biệt

có độ cứng rất cao Về mặt cơ học vấn đề mấu chốt là sợi cacbon có độ bền và mô đun đàn hồi cao hơn so với các vật liệu khác Với đội bền trung bình 2000-4000Mpa, mô đun đàn hồi 200-700Gpa, composite polyme cốt sợi cacbon cạnh tranh vượt trội, cứng hơn cả thép.Có thể nói việc phát hiện tìm ra sợi cacbon và đưa chúng vào sử dụng như thành phần của composite, đã làm nên một cuộc cách mạng

Hình 1.5 Xe đạp hand- made làm từ sợi cacbon và gỗ

1.3.1.5 Sợi cacbua silic (SiC)

Sợi cacbua silic thường được dùng làm cốt cho composite kim loại trong những trường hợp đòi hỏi vật liệu phải làm việc lâu ở nhiệt độ cao

Quá trình nhận được sợi SiC cũng giống như quá trình nhận được sợi bor, thay vì BCl3 trong lò phản ứng người ta dùng hỗn hợp silan và hidro Hơn nữa, quá trình thu được sợi SiC kinh tế hơn sợi bor, vì để nhận được 1kg sợi Sic thường cần dùng 8kg silan (SiH4), trong khi đó để nhận được 1kg bor cần 15kg BCl3 Tốc độ nhận được sợi siC trong lò cũng nhanh hơn gấp 2 lần so với thu nhận được sợi bor

Sợi cacbua silic được hoàn thành trên đệm vonfam hoặc đệm cacbon, nhưng sợi SiC đệm cacbon rẻ hơn, có độ bền kém hơn và dễ nhạy cảm với các hiệu ứng bề mặt

Composite cốt sợi SiC thường được sử dụng trong những chi tiết của thiết bị hạt nhân, vòng bi chịu nhiệt độ cao trong các động cơ tuabin, cánh quạt, mũi rẽ dòng tên lửa, …

Một số đặc trưng cơ lý của sợi SiC:

Khối lượng riêng, 103

Môđun đàn hồi kéo, E1+, Gpa 400-500

Độ bền trung bình khi kéo, σ+

1, GPa 2-4 Biến dạng giới hạn, ε,% 0,3-0,5

Hệ số dãn nở nhiệt, α.10-6

1.3.1.6 Sợi kim loại

Trong nhiều trường hợp để có hiệu quả và kinh tế hơn, người ta còn dùng sợi cốt kim loại Đối với composite làm việc trong nhiệt độ cao hay dùng cốt sợi vonfam hoặc molipden; với composite làm việc trong nhiệt độ thấp hay dùng sợi thép hoặc sợi berilic

Sợi thép bắt đầu giảm độ bền khi nhiệt độ làm việc đạt 650 – 670K.Ngoại lệ như sợi thép BHC-9 có thể giữ nhiệt độ bền cho đến 780K

Khi khai thác composite ở nhiệt độ cao, thông thường hay dùng sợi vonfam Tính chịu nhiệt cao của sợi vonfam còn được tăng cường bằng cách bổ sung vào vonfam và dung dịch nóng chảy của nó những hạt chịu lửa (cacbit,…)

Để tăng độ bền nhiệt theo thời gian người ta thường tráng sợi bằng một lớp

mạ (độ dày có thể đến 12micromet) Lớp mạ hay dùng và có hiệu quả cao thường dùng là mạ bằng cacbua hafini (HfC) Lớp mạ này cho phép tránh được sự kết tinh lại của sơi vonfam ở nhiệt độ 1400K trong khoảng 1000 giờ

Sợi molipđen được dùng làm cốt composite, so với sợi vonfam về độ bền, đặc trưng đàn hồi và khả năng chịu nhiệt có kém hơn

Ngoài sợi kim loại, trong sản xuất composite còn sử dụng các sợi cốt được

mạ kim loại nhằm mục đích như: bảo vệ bề mặt sợi khỏi bị oxi hóa hoặc các phản ứng hóa học, tránh các tác động nhiệt khi chế tạo hoặc khi khai thác sử dụng các kết cấu từ composite, tăng hoặc giảm bớt độ kết dính giữa sợi và nền, tăng độ bền của sợi cốt,…

1.3.2Vật liệu nền

Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu composite.Chính vì vậy, chúng phải đáp ứng được những yêu cầu về mặt khai thác cũng như công nghệ

Yêu cầu về mặt khai thác trước hết là những yêu cầu cơ lý đối với vật liệu nền, đòi hỏi nền phải đảm bảo được cho vật liệu composite làm việc trong những điều kiện khai thác khác nhau, phải đảm bảo được sự làm việc đồng đều hiệu quả giữa các thành phần cốt, độn với các dạng đặt tải khác nhau, đảm bảo cho vật liệu composite làm việc bền vững khi chịu tải trượt, hoặc chịu tải ở những hướng lệch với hướng của các dầm cốt hoặc chịu tải tuần hoàn, …

Bản thân vật liệu nền sẽ xác định vật liệu composite mới tạo ra chịu được đến nhiệt độ nào Vật liệu nền cũng quyết định khả năng chịu đựng của vật liệu composite với các tác động của môi trường, tác động hóa học và quyết định một phần tính chất cơ học, vật lý, điện và những đặc tính khác của vật liệu composite nói chung

Yêu cầu về công nghệ với vật liệu nền được đặt ra trong quá trình sản xuất composite và các kết cấu sản phẩm từ chúng.Trong quá trình làm ra các sản phẩm composite có một đặc điểm quan trọng cần lưu ý, là thường sản xuất ra vật liệu composite bán thành phẩm trung gian gọi là prepreg để chế tạo tiếp ra các sản phẩm Nhưng nhiều khi trong quá trình chế tạo các sản phẩm kết cấu, ví dụ như sản xuất các bình composite, các ống composite, trong quá trình quấn các chi tiết này chính chúng ta đã vừa chế tạo ra vật liệu, lại vừa chế tạo ra các kết cấu composite

Vì vậy, vật liệu nền phải đáp ứng được những đòi hỏi nảy sinh trong quá trình công nghệ: như độ nhớt và sự đảm bảo phân bố đều các cốt bên trong, bảo tồn được những tính năng vốn có của các dầm cốt, các hạt độn, bảo đảm được sự kết dính vững chắc giữa chất liệu nền và cốt, khả năng chế tạo trước những bán thành phẩm theo những mục đích trước, đảm bảo độ co tối thiểu, …

Chính vì vật liệu nền có vai trò quan trọng như vậy, nên ngoài cách phân loại vật liệu theo cấu trúc, người ta còn gọi tên vật liệu composite theo vật liệu nền, như vật liệu composite polyme, vật liệu composite kim loại, vật liệu composite cacbon, vật liệu composite gốm, …

1.3.2.1 Chất liệu nền polyme nhiệt rắn

Đối với composite polyme, vật liệu nền thường sử dụng là nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo

Vật liệu nền nhiệt rắn (đông rắn) có độ nhớt thấp, dễ hòa tan và đóng rắn lại khi nung nóng (có hoặc không có chất xúc tác) và sau khi đóng rắn tạo thành cấu trúc mạng lưới không thuận nghịch (không hòa tan và không nóng chảy tiếp được nữa)

Nền nhựa nhiệt dẻo (đông nguội) là các polyme mạch thẳng, khi nung nóng sẽ chảy dẻo ra, nếu sau đó làm nguội sẽ cứng lại và chúng có trạng thái thuận nghịch

Vật liệu nền cần phải có độ cứng cần thiết để đảm bảo cho composite chịu được tải, nhất là khi tải không tác động theo phương của các sợi cốt, phải đảm bảo được sự làm việc hài hòa của các thành phần cốt, đặc biệt là đảm bảo cho composite

có tính liên tục, “nguyên khối” cho đến khi cốt bên trong chưa bị phá hủy Chính vì vậy, việc lựa chọn vật liệu nền là một trong những nhiệm vụ quan trọng đầu tiên trong việc sản xuất vật liệu composite

Trong nhiều trường hợp, người ta thường bổ sung thêm các dung môi vào vật liệu nền, nhằm làm giảm độ nhớt, làm quá trình phối hợp giữa vật liệu nền và vật liệu cốt được dễ dàng hơn

Trong quá trình sản xuất các kết cấu từ composite, rất hay sử dụng phenolfomandehit, polyeste, cơ silic, epoxy hoặc polyimit

Nhựa phenolic: Trong kỹ thuật phenolic đã được sử dụng từ rất lâu (nhưng

không dùng trong các cấu trúc cho composite chịu lực đòi hỏi có độ bền cao) Quá trình polyme hóa phenolic xem ở hình 1.3 Trên hình vẽ chỉ rõ, quá trình đóng rắn phenolic có hai cách, một là ở khoảng nhiệt độ 120 –180°Choặc ở nhiệt độ phòng

có xúc tác axit mạnh Trong quá trình đóng rắn, sẽ thoát ra một số chất bay hơi (nước, …), vì vậy composite nhận được sẽ có lỗ xốp khá lớn

1.3.2.2 Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo

Composite có vật liệu nền trên cơ sở polyme nhiệt dẻo có độ tin cậy cao, bời

vì mức độ ứng suất dư nảy sinh trong những giờ đầu tiên ngay sau khi tạo thành sản phẩm rất thấp Ưu điểm nữa là về mặt công nghệ: giảm đi công đoạn đóng rắn, khả năng thi công, tạo dáng sản phẩm dễ thực hiện, có thể áp dụng nhiều công nghệ khác nhau như: dập, đùn, uốn, hàn, … có thể khắc phục những khuyết tật trong quá trình sản xuất và tận dụng phế liệu hoặc gia công lại lần thứ hai…

Chính vì vậy, composite nền nhiệt dẻo có giá thành thấp.Trong khi đó những đặc trưng cơ lý của chúng cũng không thua kém vật liệu composite nền nhiệt rắn, còn những đặc trưng khác như độ bền hóa học và độ kín lại hơn hẳn.Nhược điểm chính của vật liệu composite nền nhiệt dẻo là không chịu được nhiệt độ cao (trừ những trường hợp nền được chọn từ những vật liệu chịu nhiệt đặc biệt), và khi xử lý

công nghệ gặp khó khăn do độ nhớt của các dung dịch nóng chảy khá cao.Điều này

lý giải việc sử dụng nền nhiệt dẻo gặp nhiều hạn chế

Liên kết các thành phần composite trên cơ sở nền nhiệt dẻo có thể thực hiện theo phương pháp pha lỏng hoặc pha rắn

Phương pháp pha lỏng, được áp dụng để chế tạo các bán sản phẩm, thực chất

là trát, tẩm vật liệu nền lỏng lên các cốt sợi (cốt vải, băng, sợi liên tục, …) Trong quá trình này, tham số quan trọng nhất để xác định chất lượng sự trát, tẩm là độ nhớt của vật liệu nền lỏng.Song, những khả năng làm giảm độ nhớt lại chỉ có hạn,

vì độ nhớt của các dung dịch nóng chảy thường ở mức 1011…1012Pa.giây, trong khi

đó độ nhớt thích hợp chỉ cần khoảng 10…102Pa.giây.Vì vậy, trong quá trình tẩm đòi hỏi phải tăng áp lực, điều đó làm giảm đi tính khả thi và tăng khả năng làm biến dạng các cấu trúc bên trong Phương pháp pha lỏng chế tạo sản phẩm có độ rỗng cao, thường cao gấp 10 – 15 lần so với phương pháp pha rắn

Phương pháp pha rắn thường được dùng để chế tạo các bán thành phẩm, trong đó pha nền ở dạng bột, tấm mỏng hoặc sợi được làm kết với cốt bằng cách gia nhiệt Khi được nung nóng, các vật liệu nền nóng chảy sẽ liên kết các cốt lại với nhau.Ưu điểm của phương pháp này là giảm thời gian thi công, giảm được năng lượng sử dụng và giảm độ rỗng bên trong của vật liệu composite

Trong nhiều trường hợp để nâng cao hiệu quả tẩm chất liệu nền (theo phương pháp pha rắn) người ta áp dụng những công nghệ đặc biệt: ví dụ nền ở dạng bột, người ta có thể tẩm các bột này vào các sợi cốt bằng phương pháp siêu âm hoặc dao động Việc dùng nền dưới dạng các tấm mỏng có thể khắc phục được điều này,

vì chúng ta có thể sắp xếp thứ tự các tấm nền với các thành phần cốt.Khi đó, độ tẩm phụ thuộc rất nhiều vào độ dày các tấm nền và cấu trúc hình dáng của các sản phẩm

mà ta cần chế tạo Vật liệu nền dưới dạng sợi có hiệu quả rất tốt trong việc liên kết với các cốt phức tạp theo phương pháp pha rắn

Các chi tiết kết cấu composite được chế tạo ra trên cơ sở nền là các sợi, có thể được gia công bằng những phương pháp công nghệ khác nhau: xếp, cuốn, … và

đảm bảo được sự cố định các cấu trúc cốt cho trước Việc sắp xếp các sợi nền với các sợi cốt có thể bằng cách đan, dệt

Hiện nay, trong số các vật liệu nền nhiệt dẻo hay nói đến vật liệu nền mới được gọi là rolivxan thường dùng để chế tạo composite và các kết cấu có nhiệt độ khai thác trong khoảng 270 – 620K

Bảng 1.3Đặc tính cơ lý của một số vật liệu nền polyme nhiệt dẻo

Đặc trưng cơ lý Nylon 6.5

Poly phenylen sunfit

Rolivxan HB-1

sunphon

Poly-Polyeste nhiệt dẻo

Cho đến nay, nền cacbon có ba loại sau: pirocacbon (được kết lắng từ luồng khí, gas), thủy tinh cacbon nhận được do xử lý ở nhiệt độ cực cao các xenlulozo, hoặc các nhựa polyme nhiệt rắn) và nền cacbon-cốc của pẹc than đá hoặc dầu mỏ

Pirocacbon: là loại vật liệu đồng nhất đa tinh thể, có độ bền nhiệt và bền hóa

rất tốt, một dạng cấu trúc chuyển tiếp của cacbon

Quá trình tạo thành pirocacbon có thể xem như là sự kết tinh từ luồng khí gas (khí metan,…) được thổi liên tục lên bề mặt của các cốt sợi cacbon được đốt nóng

Trong quá trình nhiệt phân luồng khí, hidro cacbon sẽ bị phân hủy và pirocacbon xốp được kết lắng, bám trên bề mặt của sợi cốt Dần dần số lượng pirocacbon càng tăng lên, lấp đầy khoảng cách giữa các cốt và tạo thành composite cacbon- cacbon Quá trình kết tinh và cấu trúc của pirocacbon phụ thuộc vào nhiệt độ, tốc độ luồng khí, áp suất, khối lượng phản ứng…

1.4 Vật liệu composite[2]

1.4.1 Vật liệu composite polyme

Cho đến nay, composite nền polyme đã được ứng dụng rộng rỗi trong nhiều lĩnh vực khác của nền kinh tế Nền polyme thường được dùng rộng rãi là epoxy, polyeste, … và các polyme nhiệt rắn và nhiệt dẻo khác Vật liệu composite polyme

có ưu điểm là nhẹ, độ bền cơ lý cao, bền với những môi trường hóa học (chống ăn mòn tốt), độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp, công nghệ chế tạo không phức tạp Vật liệu composite polyme ngày nay phổ biến với các cốt là các sợi thủy tinh, sợi bazan, sợi cacbon, sợi hữu cơ, sợi bor, sợi tạp lai,… Tuy nhiên, trong composite nền polyme người ta hay sử dụng những sợi có độ cứng cao, khối lượng riêng thấp và độ bền cơ học cao khi kéo, nén và trượt Kinh nghiệm thực tế cho thấy độ bền khi trượt của composite ít khi thấp hơn 35MPa, bởi vì nếu nhỏ hơn, thực tế composite khó có thể đưa vào khai thác được, vì vậy các sợi dùng làm cốt composite thường phải có độ dãn dài lớn hơn 0.5% Với các cấu trúc chịu lực quan trọng, chẳng hạn như gân cánh máy bay, chỉ có thể sử dụng sợi với biến dạng giới hạn không thấp hơn 2%, và

độ bền trượt của composite phải lớn hơn 100Mpa Vì vậy, ngoài việc lựa chọn vật liệu nền là vấn đề quan trọng hàng đầu trong việc chế tạo composite polyme, việc chọn sợi cốt một cách hợp lý cũng là một vấn đề phải hết sực coi trọng, trong đó lưu

ý các yếu tố như khối lượng riêng, hình dáng, đặc trưng cơ lý của sợi (độ bền khi kéo, nén, uốn, độ dẫn nhiệt, điện, hệ số giãn nở nhiệt,…), sự phân bố hình học và tỷ

lệ chiếm thể tích của các thành phần cốt

Để đáp ứng các yêu cầu sử dụng khai thác khác nhau đòi hỏi khi chế tạo vật liệu composite polyme phải chú ý chọn pha nền và cốt sợi hợp lý Vật liệu

composite polyme được coi là giòn, nếu như tham số q của vật liệu được xác định theo công thức (1.1) không vượt quá ngưỡng 0,15- 0,20:

(1.1) Trong đó - độ bền khi trượt, E- môđun hiệu quả đàn hồi của vật liệu đồng phương khi kéo dọc, G- môđun trượt hiệu quả, - giới hạn bền khi kéo

Để composite polyme không quá giòn, cần phải lưu ý tương quan hợp lý giữa

độ bền của sợi và sự kết dính giữa sợi và nền Nếu tăng một cách thái quá độ kết dính, sẽ dẫn đến vật liệu composite polyme trở nên giòn, và nhay cảm với các vết nứt, do đó làm giảm độ bền của composite khi kéo Ngược lại nếu sự kết dính quá yếu giữa sợi và nền, vật liệu sẽ nhạy cảm với khuyết tật của sợi, nhưng lại có độ bền kém cả khi trượt và khi kéo Vì thế tùy theo điều kiện làm việc của vật liệu composite mà chúng ta lựa chọn sao cho hài hòa Ngoài ra, còn một loạt các yếu tố khác cũng ảnh hưởng lớn tới khả năng làm việc của composite như các tính chất của vật liệu nền, nhiệt độ làm việc, đặc biệt là hình dáng và cấu trúc cốt

Hình 1.6 Thân, vỏ, vách ngăn tàu vũ trụ sử dụng vật liệu composite polyme cốt

sợi các bon

Hình 1.7 Thanh truyền và pittông làm bằng vật liệu composite

Vật liệu composite polyme được ứng dụng mạnh mẽ trong hàng không, vũ trụ, trong công nghiệp đóng tàu, ô tô, trong ngành đường sắt, xây dựng, dầu khí, y học và dụng cụ thể thao, … và trong vô vàn các ngành kỹ thuật khác mà trong khuôn khổ nghiên cứu nhỏ bé này không thể nào liệt kê được hết được

1.4.2 Vật liệu composite cacbon-cacbon

Vật liệu composite cacbon-cacbon là vật liệu composite có nền là cacbon và các sợi cốt cũng là sợi cacbon

Ưu điểm nổi bật của vật liệu composite cacbon-cacbon là có thể chịu được nhiệt độ rất cao, lại rất nhẹ, rất bền với ứng suất nhiệt và với sự chiếu sáng Những vật liệu này cũng có ưu điểm là có độ bền và độ cứng cao ở nhiệt độ thường cũng như ở nhiệt độ cao, có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp,… Vật liệu composite cacbon-cacbon có khả năng làm việc lâu dài ở nhiệt độ 773K trong môi trường oxi hóa, và đến 3273K trong môi trường trơ hoặc chân không Hơn nữa, điểm đặc biệt là trong những môi trường này, cùng với sự gia tăng nhiệt độ, độ bền của chúng lại được tăng lên từ 1,5 – 2 lần

Với sự đáp ứng được nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại về nhiệt độ (ví dụ có những kết cấu cần phải chịu được sự thay đổi nhiệt đột ngột ở mức 1000K/cm), cũng như độ bền cơ học (ví dụ độ bền khi kéo của chúng, tùy thuộc vào cấu trúc cốt có thể đạt từ 100 đến 1000Mpa), vật liệu composite cacbon-cacbon đã trở thành vật liệu chiến lược đầu bảng Mặc dù việc ứng dụng vật liệu composite

cacbon-cacbon cũng chỉ mới bắt đầu trong vòng khoảng 25 – 30 năm gần đây, nhưng chúng chẳng những đã phục vụ đắc lực cho công nghệ hàng không, tên lửa,

vũ trụ, mà còn mở ra nhiều triển vọng to lớn trong ứng dụng trong nhiều nghành công nghiệp khác Vật liệu composite cacbon-cacbon giữ một vị trí then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới

Ngoài ra vật liệu composite cacbon- cacbon còn được sử dụng rộng rãi trong

y học Trong ngành kỹ thuật điện, dầu khí, chúng được dùng để chế tạo các chi tiết chịu lực, chịu nhiệt, chịu ma sát và chắn phóng xạ của các lò phản ứng,… Chính vì thế, chúng ta có đầy đủ cơ sở khoa học và thực tiễn để kết luận rằng vật liệu composite cacbon- cacbon có vai trò và triển vọng phát triển rất lớn, giữ vị trí then chốt trong công nghiệp, trong công nghệ chế tạo vật thể bay, trong đó có công nghệ chế tạo tên lửa

Ngoài khả năng chịu lửa cao, gốm còn có độ bền cao khi kéo, khi chịu ứng suất nhiệt và rung động Những đặc tính như vậy thường có ở một số kim loại Ngày nay con người đã sản xuất ra kermet – một dạng composite có nền gốm độn những bột oxit kim loại Thông thường kermet có chứa trên 50% là những thành phẩm chịu lửa phi kim loại Nhược điểm của kermet là giòn, vì vậy việc ứng dụng vào thực tế của chúng bị hạn chế

Những nghiên cứu và thực nghiệm sau này đã chứng minh, là chúng ta hoàn toàn có thể chế tạo được những composite gốm có tính chất cơ lý tốt hơn hẳn kermet nếu dùng cốt sợi như sợi kim loại, sợi cacbon và sợi gốm

Composite gốm sợi kim loại: những sợi kim loại hay được dùng trong trường hợp này là sợi vonfam, molipden, thép, niobi Mục đích dùng sợi kim loại là để tạo ra những cốt dẻo, đảm bảo cho sự nguyên khối của gốm sau khi nứt, và giảm những xác suất có thể sớm xảy ra sự phá hủy vật liệu Việc chế tạo những composite gốm sợi kim loại chủ yếu bằng phương pháp dập nóng, hoặc đúc xỉ Để đạt được độ bền nhiệt như kermet, chỉ cần đưa vào nền gốm cốt sợi kim loại chỉ bằng một phần ba so với kim loại ở dạng bột Muốn tăng độ nhớt riêng và độ bền nhiệt của composite gốm chúng ta phải tăng lượng các cốt sợi kim loại cho composite Tuy nhiên, thực tế cho thấy nếu sợi cốt chiếm quá 25% thể tích, sẽ làm tăng độ rỗng của composite nền gốm, dẫn đến làm giảm độ bền của vật liệu Việc dùng sợi kim loại cho composite gốm cũng có nhược điểm là độ bền của sợi thấp do bị oxi hóa ở nhiệt độ cao

Composite gốm cốt sợi cacbon: việc chế tạo composite nền gốm cốt sợi cacbon có rất nhiều triển vọng, bởi vì gốm tương tác với sợi cacbon ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với kim loại Khi nhiệt độ cần phải sử dụng của chi tiết composite cao hơn 1273K., thường dùng nền gốm trên cơ sở cacbua cao hơn 1273K là nền gốm trên cơ sở borua, nitrua, và nếu nhiệt độ khai thác thấp hơn thì chọn nền gốm trên

cơ sở các oxit

Điều kiện quan trọng để đảm bảo độ bền của các cốt sợi cacbon trong composite gốm là quan hệ tối ưu giữa môdun đàn hồi của cốt sợi và nền Nếu sợi cacbon chiếm 50 – 60% thể tích thì tỷ lệ moodun đàn hồi nền và sợi tối ưu vào khoảng 0,1 Vì vậy, để làm cốt cho gốm chúng ta hay dùng sợi cacbon có môdun đàn hồi cao

Để chế tạo composite gốm cốt sợi cacbon cũng hay dùng nền gốm thủy tinh (borsilicat, nhôm silicat, …) Những composite gốm nhận được có đặc tính là ổn định đặc trưng cơ lý đến một nhiệt độ nhất định nào đó Ví dụ: composite gốm sợi

cacbon (chiếm 60% thể tích) và nền borsilicat ở nhiệt độ 293K có giới hạn bền trượt

là 1025MPa, và ổn định như vậy cho đến nhiệt độ 870K

Hiện nay vật liệu composite gốm cốt sợi cacbon được nhiều hãng xe ô tô và

xe máy sử dụng để chế tạo phanh gốm như các hiệu xe Ferrari, hầu hết xe Lamborghini, Porsche và Bentley do phanh đĩa bằng gốm bền hơn loại phanh bằng thép truyền thống gấp 4 lần, nhẹ hơn và hiệu quả hơn nên trong quá trình sử dụng gần như không cần phải thay thế, đĩa phanh gốm dùng sợi cacbon và các vật liệu gốm có nhiệt độ ổn định nên có ưu thế vượt trội so với đĩa phanh bằng thép trong việc tản nhiệt

Composite gốm có cốt sợi cacbua silic (nền gốm – sợi gốm): có nhiều ưu điểm, ví dụ composite gốm sợi cacbon và composite gốm sợi cacbua silic có cùng

độ bền như nhau, thì gốm sợi cacbua silic có lợi thế hơn ở chỗ có độ bền với sự oxi hóa ở nhiệt độ cao, hệ số dãn nở nhiệt thấp và có tính bất đẳng hướng hơn Vật liệu nền thường dùng ở đây là bột borsilicat, nhôm borsilicat hoặc hỗn hợp bột thủy tinh với những thành phần khác nhau Sợi cacbua silic được dùng làm cốt dưới dạng sợi đơn hoặc sợi dài liên tục với đường kính sợi trung bình 10 – 12micromet

Composite gốm cốt sợi cacbua silic thường được chế tạo theo phương pháp dập nóng nhiều lần những dải sợi cốt và bột thủy tinh trong môi trường agon

Vật liệu composite gốm với nền gốm – cốt gốm có rất nhiều triển vọng Chúng được dùng để chế tạo các chi tiết có thể làm việc ở nhiệt độ lên tới 2073K

Ví dụ chế tạo các máy lực nguyên tử, các trục đệm chịu nhiệt của các cánh quạt tuabin động cơ, các cấu trúc ăngten ở mũi những vật thể bay vũ trụ cần phải thu hồi trở về Trái Đất, mũi nắn dòng tên lửa, …

1.4.4 Vật liệu composite kim loại

Vật liệu composite kim loại là composite mà chất liệu nền bằng kim loại hoặc các hợp kim, còn thành phần cốt có thể là những sợi kim loại hoặc phi kim loại

Việc sử dụng những sợi cốt có độ bền cao hoặc moodun đàn hồi cao làm tăng tính năng cơ lý của composite Còn việc dùng nền kim loại hoặc hợp kim làm tăng độ bền của composite theo phương vuông góc với các phương của sợi cốt và

tăng độ bền trượt, làm cho vật liệu composite có độ bền trượt như của kim loại nền Chúng có đặc trưng cơ lý ổn định trong khoảng nhiệt độ lớn hơn nhiều so với composite nền polyme

Đối với composite nền kim loại, khi sản xuất thường sử dụng các phương pháp

có cường độ lực và nhiệt độ cao Ngoài ra, việc sản xuất các kết cấu từ composite nền kim loại còn phụ thuộc trực tiếp vào công nghệ chế tạo ra các kết cấu đó

Hiện nay, trên cơ sở nền kim loại người ta hay sản xuất các loại bán thành phẩm ở dạng tấm, dạng ống, … Công nghệ sản xuất các bán thành phẩm và các kết cấu từ composite nền kim loại có thể được hình dung như sau: làm sạch bề mặt sợi cốt và nền (rửa, làm sạch, sấy khô), liên kết các sợi cốt và nền (sắp xếp các lớp nền

và sợi theo thứ tự, hoặc xếp các sợi ở dạng để “đúc”, rót vào đó các dung dịch nóng chảy chất liệu nền, …) bằng những thủ pháp khác nhau

1.5 Vật liệu ma sát amiăng

Vật liệu ma sát ban đầu chỉ là

Amiăng là một sợi khoáng thiên nhiên Loại sợi này được chia làm hai nhóm chính là nhóm chrysotile ( hay amiăng trắng) và nhóm amphibole (hay amiăng nâu xanh) Amiăng được sử dụng phổ biến vì nó có khả năng chịu nhiệt cao, chịu lửa và

ăn mòn hóa chất, khả năng chịu lực rất tốt, mềm mại và thấm cũng rất tốt và có thể được thực hiện gia công dệt may amiăng hoặc amiăng vải và ngâm tẩm với một chất kết dính Amiăng sử dụng làm má phanh năm 1905 bắt đầu được áp dụng, do có khả năng chịu nhiệt tốt và độ bền cơ học được cải thiện rất nhiều Bắt đầu từ năm

1918, người ta trộn sợi amiăng ngắn và nhựa đường đúc chế tạo má phanh

Hình 1.8 Má phanh xe máy làm bằng vật liệu amiăng

Đầu những năm 1920 bắt đầu nền công nghiệp hóa các ứng dụng nhựa phenol Nhựa phenol có khả năng chịu nhiệt cao hơn so với cao su đáng kể, vì vậy nhanh chóng thay thế vật liệu ma sát cao su và trở thành vật liệu kết dính Từ nhựa phenol, một loạt các nhựa tổng hợp chịu nhiệt khác với mức giá thấp hơn như nhựa phenolic Nhựa phenolic được dùng làm một số chi tiết bên trong máy bay như hệ thống cửa, bếp, các vách ngăn…nhựa phenolic còn được sử dụng làm nền kết hợp với sợi amiăng tạo ra amiăng – phenolic là loại vật liệu ma sát với giá thành rẻ và nguồn nguyên liệu có sẵn nên được sử dụng rộng rãi [10]

hưởng tới sức khỏe con người, có nhiều khả năng gây ra bệnh bụi phổi asbestosis

Vì vậy, để thay thế vật liệu sợi amiăng sản xuất vật liệu ma sát năm 1980 đầu những năm 1990, vật liệu ma sát bán kim loại đã chiếm toàn bộ lĩnh vực chế tạo má phanh

xe máy Nhưng nhược điểm của vật liệu ma sát bán kim loại là: có trọng lượng riêng cao, dễ tạo ra tiếng ồn phanh Từ năm 2004, với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp xe máy, người dân trên các yêu cầu hiệu suất phanh cao, bắt đầu

sự phát triển của vật liệu ma sát gốm [10]

9 M

1.6 Kết luận chương 1

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về mòn cặp má phanh nhưng do vật liệu luôn thay đổi, kết cấu cải tiến do đó cần phải cập nhập các nghiên cứu cho các đối tượng khác nhau Trong chương 1: đã khái quát về nhu cầu xe máy nói chung và má phanh nói riêng tại Việt Nam Thông qua khái niệm về vật liệu composite, thành phần và các loại nền khác nhau, cho thấy vật liệu chọn làm má phanh xe máy là phù hợp và có tính kinh tế - kỹ thuật

Qua nghiên cứu tổng quan chung về ma sát mòn má phanh, vật liệu chế tạo má phanh, cácchương sau sẽ tập chung nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan về ma sát, mòn vật rắn nói chung và nói riêng của vật liệu má phanh

- Nghiên cứu ma sát mòn vật liệu má phanh trên xe máy hiện đang sử dụng tại nước ta

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MA SÁT VÀ MÒN 2.1Tìm hiểu chung về ma sát và mòn [1]

2.1.1 Các khái niệm và định nghĩa cơ bản về ma sát

2.1.1.1Ma sát ngoài

Ma sát ngoài là hiện tượng luôn luôn xuất hiện khi có sự chuyển động tương đối giữa các vật thể tiếp xúc thực và có sự có sự tương tác cơ học với nhau Đặc trưng cơ bản của ma sát ngoài là lực ma sát, tức là lực cản trở sự dịch chuyển tương đối của một vật thể trên bề mặt vật thể khác Ma sát là kết quả của nhiều dạng tương tác phức tạp khác nhau, trong đó diễn ra các quá trình cơ học, hóa- lý học, điện học và nhiều quá trình khác Quan hệ giữa các quá trình này có thể rất khác nhau phụ thuộc vào đặc tính tải, tính chất của vật liệu và môi trường Ma sát ngoài trong các máy móc, động cơ, cơ cấu, dụng cụ và thiết bị là hiện tượng rất phổ biến Biểu hiện có hại của ma sát ngoài thể hiện ở sự mất mát công suất, sự hao mòn và hư hỏng các bề mặt tiếp xúc Ngược lại ma sát có lợi được ứng dụng trong những thiết bị ma sát dùng để truyền chuyển động, lực và trong sự hoạt động của các bộ phận làm việc của máy móc

mà vật rắn di chuyển Độ lớn của lực ma sát ngoài nhìn chung được xác định theo khoảng dịch chuyển của vật rắn theo phương tiếp tuyến Căn cứ vào khoảng dịch chuyển này phân biệt lực ma sát ngoài tĩnh và lực ma sát ngoài động

- Lực ma sát khởi động: là lực cản trở chuyển động trong trường hợp dịch chuyển nhỏ, khoảng tiếp tuyến có tính thuận nghịch này được gọi là dịch chuyển ban đầu Lực ma sát khởi động thường xuất hiện trong các khớp ma sát trượt không liên tục dưới tác dụng động của trọng tải,

- Lực ma sát động: là lực ma sát xuất hiện trong quá trình có chuyển động tương đối ở vùng tiếp xúc

Hình 2.1: Sự phụ thuộc của lực ma sát F ms vào giá trị dịch chuyển λ

- Lực ma sát tĩnh: là toàn bộ lực ma sát tương ứng dịch chuyển ban đầu lớn nhất, có nghĩa là sự dịch chuyển từ trạng thái dịch chuyển ban đầu sang trạng thái trượt Hình 2.1 trình bày nguyên tắc phụ thuộc của lực ma sát vào giá trị dịch chuyển Sau trạng thái dịch chuyển ban đầu là trạng thái trượt ổn định với giá trị

Dịch chuyển λ

O

Thay đổi trạng tháiTrượt hoàn toànDịch chuyển ban đầu

- Lực ma sát ngoài: có quan hệ với cường độ biến dạng của lớp bề mặt trên vật thể mềm do sự thâm nhập của các nhấp nhô bề mặt cứng Trên thực tế ma sát ngoài chỉ liên quan đến biến dạng của bề mặt theo phương tiếp tuyến với bề mặt chuyển động trong tiếp xúc của vật thể rắn

2.1.2 Các khái niệm và định nghĩa cơ bản về mòn

Mòn là một quá trình thay đổi hình dáng, khối lượng, kích thước của bề mặt vật thể, làm mất mát hoặc thay đổi vị trí tương đối trên bề mặt do biến dạng, mất liên kết, bong tách chảy dẻo, ion hóa tạo ra vùng vật liệu mới

Mòn còn là một quá trình thay đổi bản chất vật liệu trên bề mặt tiếp xúc do hiện tượng khuyếch tán, hấp thụ, hợp kim hóa, ăn mòn, xâm thực

Các quá trình thay đổi phức tạp xảy ra trên lớp màng mỏng tiếp xúc ma sát quyết định dạng mòn Dạng mòn chính xác không thể xác định bởi các giới hạn đơn giản Nó phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính, đồng thời cũng cho thấy cơ chế của quá trình mòn bề mặt là khác nhau trong những điều kiện cụ thể

Phụ thuộc vào đặc trưng của vật thể thứ ba hình thành khi ma sát để phân biệt

ba quá trình mòn: mòn không có dung dịch bôi trơn, mòn bôi trơn giới hạn, mòn bám dính Căn cứ vào biến dạng của lớp bề mặt khi tiếp xúc ma sát để phân biệt

ma sát mòn trong quá trình tiếp xúc đàn hồi, đàn dẻo- dẻo và cắt tế vi Vì vậy cả ba đặc trưng này phải được sử dụng để xác định chính xác mòn, như hiện tượng mòn mỏi trong lớp giới hạn khi ma sát tiếp xúc đàn hồi

Về mặt nguyên tắc quá trình mòn phụ thuộc vào thời gian có ba giai đoạn cơ bản: giai đoạn chạy rà, giai đoạn mòn ổn định và giai đoạn mòn khốc liệt

Mòn cặp ma sát

Mòn của cặp ma sát là quá trình mòn tại bề mặt lắp nghép của chi tiết máy tiếp xúc có chuyển động tương đối trong điều kiện sử dụng Quá trình mòn này được thể hiện bằng sự thay đổi về hình dáng, kích thước, khối lượng của bề mặt chi tiết hoặc làm biến dạng, mất liên kết, bong tách, chảy dẻo, ion hóa hình thành vật liệu mới hoặc làm xảy ra quá trình biến đổi vật lý lớp bề mặt tiếp xúc ma sát: bám dính, khuyếch tán hấp thụ, hợp kim hóa, xâm thực…

Các kết cấu máy chứa cặp ma sát gọi các kết cấu ma sát, chúng có vai trò rõ rệt trong phân bố áp suất làm việc trên bề mặt cặp ma sát Kết cấu ma sát tối ưu phải là kết cấu có áp suất phân bố đều trên bề mặt tiếp xúc ma sát và là nhỏ nhất, phải có điều kiện tỏa nhiệt, bôi trơn và chống bụi bẩn tốt

Một trong những đại lượng quan trọng để đánh giá mòn theo thời gian hoặc theo quãng đường ma sát là lượng màn U Nó là giá trị mòn của cặp ma sát trong một khoảng thời gian hay trên một quãng đường ma sát nào đó Lượng mòn U được đánh giá theo chiều cao lớp mòn trên bề mặt ma sát (theo phương vuông góc với bề mặt

ma sát hay vuông góc với đường trượt), hay theo khối lượng mất đi của cặp ma sát trong quá trình làm việc, hoặc theo thể tích mòn của bề mặt khi hoạt động

Tốc độ mòn theo thời gian được sử dụng để đánh giá quá trình mòn và so sánh với mòn tiêu chuẩn, nó là đạo hàm của lượng mòn theo thời gian hoặc theo quãng đường ma sát Trong giai đoạn mòn ổn định tốc độ mòn là tgα của góc hợp bởi đồ thị lượng mòn theo thời gian với trục thời gian và có giá trị không đổi

Cường độ mòn của cặp ma sát (I) là đại lượng đánh giá mòn trên một đơn vị chiều dài quãng đường ma sát thông qua thể tích mòn, khối lượng mòn hoặc chiều cao mòn Tùy theo từng trường hợp cụ thể sẽ có cường độ mòn thể tích, cường độ mòn khối lượng,…

Cường độ mòn không thứ nguyên Ih của cặp ma sát là đại lượng không thứ nguyên dùng để đánh giá quá trình mòn, qua đó dự đoán và xác định dạng biến dạng trong vùng tiếp xúc và so sánh với các quá trình mòn tiêu chuẩn Nó cũng là cơ sở quan trọng để đánh giá quá trình mòn là bình thường hoặc không bình thường

Lượng mòn giới hạn Umax của một cặp ma sát là lượng mòn mà tại đó xảy ra

hư hỏng hoặc không có hiệu quả kinh tế nếu sử dụng tiếp Lượng mòn giới hạn của cặp ma sát là tiêu chuẩn cơ bản để xác định tuổi thọ làm việc của cặp ma sát Lượng mòn giới hạn càng lớn thì tuổi thọ của cặp ma sát càng dài.Tuy nhiên lượng mòn giới hạn có quan hệ chặt chẽ với chế độ lắp ghép đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của cặp ma sát, nếu không thể tăng tự do được

2.2 Các đặc trưng cơ bản của ma sát và mòn [1]

a) Đặc trưng cơ bản của ma sát

- Lực ma sát: Cho đến thế kỉ XX, lực ma sát được tính gần đúng theo công thức:

Mômen ma sát được tính theo công thức: Mms=Fms.R(2.3)

Trong đó: R là cánh tay đòn tương ứng với lực ma sát Fms

b) Đặc trưng của quá trình mòn cặp ma sát

Khi cặp ma sát bắt đầu làm việc ở chu kỳ đầu tiên, sẽ diễn ra quá trình chuyển hóa từ trạng thái bề mặt ban đầu (bề mặt công nghệ) sang trạng thái bề mặt làm việc hay trạng thái sử dụng Quá trình chuyển hóa đối với tất cả các cặp ma sát gọi

là chạy rà, thời kỳ mòn ban đầu Quá trình chạy rà đặc biệt quan trọng trong việc đảm bảo chuyển bề mặt ma sát sang trạng thái làm việc một cách nhanh chóng, ổn định, dễ dàng, đồng thời nó ảnh hưởng đến toàn bộ hoạt động sau này của cặp ma sát như: chế độ lắp ghép khi làm việc, biến dạng bề mặt tối ưu, tính chất cơ lý của lớp bề mặt tiếp xúc ma sát

Trong điều kiện ma sát mòn bình thường có thể phân chia sự phụ thuộc của mòn theo thời gian thành ba giai đoạn cơ bản: chạy rà, giai đoạn mòn ổn định, giai

đoạn mòn khốc liệt Hình 2.2 biểu diễn sự phụ thuộc của mòn vào thời gian : I là

giai đoạn chạy rà, II là giai đoạn mòn bình thường, III là giai đoạn mòn khốc liệt

Hình 2.2: Sự phụ thuộc của lượng mòn U vào thời gian t hay quãng đường ma sát L

- Giai đoạn chạỵ rà I là một quá trình cơ lý hóa phức tạp với dấu hiệu bên ngoài là sự thay đổi trạng thái hình học ở mức vi mô và siêu vi mô Đặc trưng của quá trình chạy rà là sự thay đổi tận gốc các tính chất lớp bề mặt mỏng của tiếp xúc

ma sát, do xuất hiện các cấu trúc thứ cấp đặc biệt đó là vật thể thứ ba có tác dụng phân tách hai bề mặt ma sát không bị tiếp xúc trực tiếp, đảm bảo cho quá trình biến dạng đàn hồi trong khớp ma sát diễn ra một cách tự phát

- Giai đoạn mòn ổn định II là gia đoạn dài nhất về mặt thời gian và được đặc trưng bởi sự ổn định của tốc độ mòn theo thời gian Trong giai đoạn này có sự cân bằng động giữa hình thành, biến dạng và phá hủy lớp cấu trúc trên bề mặt tiếp xúc ma sát Thông số tổng hợp của nhấp nhô bề mặt ∆ đạt tới giá trị tối ưu

và không thay đổi trong điều kiện ma sát nhất định Do đó hệ số ma sát là nhỏ nhất

và ổn định nhất trong giai đoạn này, tốc độ mòn có quan hệ tuyến tính với thời gian hoặc quãng đường ma sát Với giá trị mòn giới hạn được xác định trước có thể dự báo được tuổi thọ làm việc của cặp ma sát Biểu hiện bên ngoài rõ ràng nhất của quá trình mòn ổn định đó là sự ổn định của cặp ma sát khi làm việc, nó đặc trưng

cơ bản cho quá trình mòn bình thường trong tiếp xúc ma sát

tốc độ mòn theo thời gian hay theo quãng đường ma sát Trong quá trình làm việc bình thường của cặp ma sát, khi lượng mòn U đạt đến một giá trị nhất định thì nó

sẽ làm thay đổi rõ ràng cơ chế độ lắp ghép của cặp ma sát Trong điều kiện có bôi trơn việc tăng khe hở này làm giảm hiệu ứng thủy động của ổ, đưa ổ về bôi trơn nửa ướt và bôi trơn giới hạn, làm tăng nhanh mòn bề mặt ổ Với điều kiện bôi trơn có giới hạn hoặc khô, tăng khe hở lắp ghép giữa các bề mặt lắp nghép đồng nghĩa với việc suy giảm chiều dày lớp bề mặt có cơ tính cao được hình thành trong quá trình nhiệt luyện hoặc hóa nhiệt luyện và làm giảm lớp bề mặt Với lượng mòn U nhất định kèm theo việc sai lệch hình dáng hình học của bề mặt tiếp xúc dẫn đến va đập của các bề mặt ma sát và nó bị chuyển dần sang quá trình mòn không bình thường, trạng thái hình học tế vi bề mặt xâu đi, nhấp nhô bề mặt tăng lên Nó là những nguyên nhân chính làm cho tốc độ mòn của cặp ma sát tăng nhanh

2.3 Phân loại ma sát và mòn [1]

2.3.1 Các dạng ma sát đặc trưng

Do đặc tính tiếp xúc, chuyển động và sự có mặt hay không của môi trường bôi trơn mà phân loại ma sát theo các đặc trưng khác nhau sau đây:

a) Phân loại ma sát theo dạng chuyển động

Căn cứ vào dạng chuyển động của bề mặt ma sát có: ma sát trượt, ma sát lăn,

ma sát xoay và ma sát hỗn hợp

- Ma sát trượt: là ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc cảu chuyển động trượt tương đối, mà

vận tốc tại các điểm tiếp xúc có thể khác nhau giá trị nhưng cùng phương ( hình2.3 a)

- Ma sát lăn: là ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc của chuyển động trượt tương đối cua vật rắn, mà vật tốc tại các điểm tiếp xúc có thể khác nhau về giá trị nhưng