TÍNH CHẤT VẬT LIỆU TIÊN TIẾN II

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU TIÊN TIẾN II (4-MAT-3/4-PA&M3) Biên soạn: Th.S Nguyễn Thanh Việt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU PROPRIÉTÉS DES MATÉRIAUX AVANCÉS II (4-MAT-3/4-PA&M3) Biên soạn: Th.S Nguyễn Thanh Việt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Chương I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ COMPOSITE Chương I - KHÁI NIỆM CHUNG VỀ COMPOSITE I.1- ĐỊNH NGHĨA, CẤU TẠO & PHÂN LOẠI I.1.1- Định nghĩa: I.1.2- Cấu tạo chung composite: I.1.3- Phân loại: I.1.4- Ưu điểm vật liệu composite: I.1.5- Ứng dụng Composite: Chương I - KHÁI NIỆM CHUNG VỀ COMPOSITE I.1- ĐỊNH NGHĨA, CẤU TẠO & PHÂN LOẠI I.1.1- Định nghĩa: Vật liệu Composite (hay Composite) loại vật liệu chế tạo cách tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhằm tạo vật liệu có tính ưu việt hẳn vật liệu ban đầu Composite cấu tạo từ thành phần cốt nhằm đảm bảo cho Composite có đặc tính học cần thiết vật liệu đảm bảo cho thành phần Composite liên kết, làm việc hài hoà với Lịch sử phát triển composite Những vật liệu compozit đơn giản có từ xa xưa Khoảng 5000 năm trước cơng nguyên người biết trộn viên đá nhỏ vào đất trước làm gạch để tránh bị cong vênh phơi nắng Và điển hình composite hợp chất dùng để ướp xác người Ai cập Chính thiên nhiên tạo cấu trúc composite trước tiên, thân gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài kết nối với licnin Kết liên kết hài hoà thân vừa bền dẻo- cấu trúc composite lý tưởng Người Hy Lạp cổ biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng Ở Việt Nam, truyền lại cách làm nhà bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khô tạo lớp vật liệu cứng, mát mùa hè ấm vào mùa đông Mặc dù composite vật liệu có từ lâu, ngành khoa học vật liệu composite hình thành gắn với xuất công nghệ chế tạo tên lửa Mỹ từ năm 1950 Từ đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite phát triển tồn giới đơi thuật ngữ "vật liệu composite" đồng nghĩa với thuật ngữ "vật liệu mới" I.1.2- Cấu tạo chung 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 (matrice), thường làm nhiệm vụ liên kết pha gián đoạn lại Pha gián đoạn gọi cốt hay vật liệu tăng cường (renforcement) trộn vào pha làm tăng tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước a)-Thành phần cốt (renforcement): Bao gồm nhóm sợi (fibres): - Nhóm sợi khoáng chất: sợi thủy tinh, sợi bon, sợi gốm… - Nhóm sợi tổng hợp ổn định nhiệt: sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil… - Các nhóm sợi khác phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, xơ dừa - Sợi gốc khoáng chất: sợi Amian, sợi Silic - Sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron, térylène, ), sợi polyamit - Sợi kim loại: thép, đồng, nhôm CÁC LOẠI CỐT SỢI Sợi thủy tinh: Sợi thủy tinh kéo từ loại thủy tinh kéo sợi (thủy tinh dệt), có đường kính nhỏ vài chục micro mét Khi sợi nhược điểm thủy tinh khối, (như: giòn, dễ nứt gẫy…), mà trở nên có nhiều ưu điểm học Thành phần thủy tinh dệt chứa thêm khống chất như: silic, nhôm, magiê, tạo loại sợi thủy tinh khác như: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R sợi thủy tinh S (độ bền học cao) CÁC LOẠI CỐT SỢI Sợi hữu cơ: Các loại sợi hữu phổ biến gồm: - Sợi Kenvlar: cấu tạo từ hợp chất hữu cao phân tử aramit, gia công phương pháp tổng hợp nhiệt độ thấp (-100C), kéo thành sợi dung dịch, cuối xử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi Sợi kenvlar tất sợi làm từ aramit khác như: Twaron, Technora, có giá thành thấp sợi thủy tinh tính lại thấp hơn: loại sợi aramit thường có độ bền nén, uốn thấp dễ biến dạng cắt lớp - Sợi Cacbon: Sợi cacbon sợi graphit ( phấn chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành lớp liên kết với nhau, cách khoảng 3,35 A0 Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau, mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách nguyên tử lớp 1,42 A0 Sợi cacbon có tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả chịu nhiệt cực tốt y θ σxx σxx x Hình III.10: Ứng suất kéo ( nén) lệch trục   xx cos    xx sin   12   xx sin  cos (III-4) Do thuyết bền ứng suất lớn viết sau: X n   xx cos   X k Yn   xx sin   Yk  S   xx sin  cos  S (III-5) III.2.3- Thuyết biến dạng lớn nhất: a)- Thuyết bền hệ trục Trong thuyết biến dạng lớn ta sử dụng đại lượng : Xεk ( Xεn ) biến dạng phá hủy kéo hay nén theo trục dọc Yεk (Yεn) biến dạng phá hủy kéo hay nén theo trục ngang Sε biến dạng phá hủy cắt mặt phẳng lớp vật liệu Khi biến đạt tới giá trị biến dạng phá hủy tương ứng nói trên, vật liệu coi bị phá hủy Thuyết bền biến dạng lớn viết sau: X n    X k Yn    Yk (III-6)  S  12  S b)- Kéo hay nén lệch trục: Khi kéo nén lệch trục ( ngồi trục chính), thành phần ứng suất tính theo (III-4) Các thành phần biến dạng xác định biểu thức:     S11    S    12    S12 S 22 0       S 66    (III-7) Dựa vào (III-4) (III-7) ta có:   xx ( S11 cos   S12 sin  )   xx ( S12 sin   S 22 cos  ) (III-8) 12  x S 66 sin  cos  Các số độ mềm SiJ biểu diễn qua mô đun kỹ thuật: E1, E2 , ν12, ν12 , γ12, G12 loại composite nghiên cứu phần trước Do vậy, biểu thức (III-8) viết lại sau:    xx (cos    12 sin  ) E1    xx (sin    21 cos  ) (III-9) E2 12   xx sin  cos  G12 Trong trường hợp kéo hay nén dọc (θ=00), kéo hay nén ngang (θ=900), theo thuyết biến dạng lớn ta Xk Yk có: X k  ; Yk  X n E1 X  n E1 E2 Yn Y  ; n E2 (III-10) Theo hai thuyết bền nêu ta có: S S  G12 (III-11) Từ đó, thuyết bền biến dạng lớn viết Xn Xk sau:   xx  cos    12 sin  cos    12 sin  Yn Yk   xx  2 Sin    12 cos  cos    12 sin   S   xx sin  cos   S (III-12) III.2.3- Thuyết bền lượng: a)- Khái niệm: Thuyết ứng suất biến dạng lớn bỏ qua tác dụng tương hỗ thành phần ứng suất biến dạng Các chế phá hủy dọc, ngang cắt xem xảy độc lập Do hai thuyết không phù hợp với thực tế Thuyết bền lượng xây dựng sở quan hệ lượng biến dạng tích lũy phân tố thể tích vật liệu biến dạng Thuyết bền lượng tác giả Mises nêu sử dụng rộng rãi vật liệu đẳng hướng Sau tác giả Hill khái quát thuyết bền Mises áp dụng cho vật liệu trực hướng ( dị hướng) b)- Thuyết bền Hill: Nội dung: “Trạng thái giới hạn ứng suất vật thể dị hướng xảy bất đẳng thức sau thỏa mãn”: E (   )  G (   )  H (   )  L 23  M 132  N 122  (III-13) Trong hệ trục (1,2,3) thuyết bền Hill nêu dạng khác: “ Vật liệu bị phá hủy đẳng thức sau thỏa mãn” : (G  H ) 12  ( F  H ) 22  ( F  G ) 32  H 1  2G 1  F 2  L 23  2M 13  N 12 1 (III-14) Trong đó: F,G,H,L,M,N số thuyết bền, đặc trưng cho vật liệu khảo sát liên quan đến ứng suất phá hủy X, Y, S vật liệu -Trong thí nghiệm kéo hay nén theo phương 1,2,3, thuyết bền Hill biểu diễn: Với X,Y,Z GH  ứng suất kéo X (III-15) phá hủy hay nén F H  Y phá hủy tương ứng theo phương F G  Z 1,2,3 -Trong thí nghiệm cắt mặt phẳng (1,2), (1,3), (2,3) thuyết bền Hill biểu diễn: 1 2M  ; N  ; L  (III-16) S12 S13 S 23 Với S12, S13 S23 ứng suất phá hủy cắt mặt tương ứng - Từ ( III-5) (III-16) thuyết bền viết lại sau: 2 1  1   1                       1      1 Y Z  Z Y  X X   Y   Z  X 2   12    13    23  1       1         2   Z X  Y  S12   S13   S 23  (III-17) Cần lưu ý rằng: Thuyết bền Hill bỏ qua khác ứng xử vật liệu kéo nén c)- Thuyết bền Hoffman: Tác giả tổng quát hóa thuyết bền Hill cách ý đến khác ứng xử vật liệu kéo nén Nội dung thuyết bền Hoffman sau: Vật liệu bị phá hủy đẳng thức sau thỏa mãn: C1 (   )  C (   )  C (   )  C 4 23 13  C5  C6  C7  C8  C9 12 1 (III-18) số thuyết bền Ci = 1…9 biểu diễn theo ứng suất phá hủy: 1 1  C1       Yk Yn Z k Z n X k X n  1 1  C2       Z k Z n X k X n Yk Yn  1 1  C3       X k X n Yk Yn Z k Z n  C4  1  XK Xn C7  S 232 C5  1  YK Yn C8  S132 (III-19) C6  1  ZK Zn C9  S122 d)- Thuyết bền Tsai-Wu: Để thể tác dụng tương tác kết thực nghiệm lý thuyết, Tsai-Wu đưa thuyết bền dạng tenxơ Nội dung thuyết bền: “ Một vật liệu dị hướng bị phá hủy đẳng thức sau thỏa mãn: Fi i  Fij  i j 1 (III-20) Trong Fi FIJ thành phần tenxơ bậc bậc Nếu sử dụng ký hiệu thu gọn ứng suất hệ trục ta có: σ1= σ11 ; σ2= σ22 ; σ3= σ33 σ4= σ23 ; σ5= σ13 ; σ6= σ12 (III-21) Khai triển biểu thức (III-20) ta có: F1  F2   F3  F4  F5  F6  F11 12  F12  1  F13 1  F14 1  F15  1  F16 1  F22 22  F23  2  F24 2  F25 2  F26 2  F33 32  F34  3  F35 3  F36 3 (III-22)  F44 42  F45  4  F46 4  F55 52  F56  5  F66  62 - Các số hạng tuyến tính Fi mơ tả khác ứng xử vật liệu kéo nén - Các số hạng Fij xác định elipxôit không gian ứng suất mô tả tác dụng tương hỗ σi σj Ưu điểm thuyết bền Tsai-Wu: * Dạng biểu thức ( III-22) bất biến phép biến đổi * Mọi biến đổi thuyết bền tuân thủ luật biến đổi tenxơ σi , σij Fi , Fij * Tính đối xứng tenxơ Fi, Fij tương tự tính đối xứng số đàn hồi Lưu ý: Các số thuyết bền Fi, Fij xác định thực nghiệm Nhận xét: -Trong thuyết bền nêu thuyết bền lượng cho phép mơ tả xác ứng xử thực vật liệu composite - Tuy nhiên khơng có thuyết bền cho tất loại composite thỏa mãn trạng thái ứng suất khác - Do phụ thuộc vào khả lựa chọn thuyết bền phù hợp với vật liệu khảo sát người cán kỹ thuật - Khi chọn cần lưu ý đến yếu tố chính: loại vật liệu composite, chế phá hủy trạng thái ứng suất ( kéo nén đơn hay phức tạp)… ... hai hay nhiều vật liệu khác nhằm tạo vật liệu có tính ưu việt hẳn vật liệu ban đầu Composite cấu tạo từ thành phần cốt nhằm đảm bảo cho Composite có đặc tính học cần thiết vật liệu đảm bảo cho... ngữ "vật liệu mới" I.1.2- Cấu tạo chung 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. .. polyetylen, nhựa polypropylen, nhựa polyamit - Chất liệu cacbon - Chất liệu kim loại: Vật liệu composite kim loại có modun đàn hồi cao lên tới 110 GPa Do đòi hỏi chất gia cường có modun cao Các kim loại