Cấu trúc sợi và nguyên lý gia cường (1)

PHẦN I: CẤU TRÚC SỢI VÀ NGUYÊN LÝ GIA CƯỜNG TS Phạm Ngọc Tùng • Kết cấu sợi & phần thể tích sợi composite • Ngun lý chia sẻ ứng suất gia cường Kết cấu sợi & phần thể tích sợi composite Kết cấu vật liệu gia cường • Thuật ngữ kết cấu vật liệu gia cường bao gồm: • Hình thái vật liệu gia cường (tỷ lệ L/D (aspect ratio), hình dạng vật liệu gia cường ) • Phần thể tích (volume fraction) vật liệu gia cường • Hướng vật liệu gia cường so với lực tác dụng • Sự xếp vật liệu gia cường: dệt, khơng dệt, đơn hướng • Tất yếu tố có mối quan hệ chặt chẽ với Hình thái vật liệu gia cường • Dạng sợi, hạt mảnh • Kích thước: micron, nanometer • Sợi liên tục gián đoạn • Sợi ngắn dài • Tỷ lệ L/D (aspect ratio) sợi Phần thể tích sợi composite Fiber volume fraction Vf = Vfiber/Vcomposite Vf: Phần thể tích sợi Vfiber: Thể tích sợi Vcomposite: Thể tích composite • Là khái niệm quan trọng ngành vật liệu • • • • composite Phần thể tích sợi có ảnh hưởng lớn đến tính chất composite Vf tăng thường dẫn đến tăng tính lý composite Tuy Vf cao dẫn đến tượng vật liệu không bao trùm hết vật liệu gia cường → suy giảm tính lý Trong thực tế phần thể tích cực đại sợi vật liệu composite khoảng 60% Sự xếp phần thể tích sợi (a) • Cấu trúc sợi đơn hướng • Tùy thuộc vào cách xếp sợi mà giá trị cực đại (lý thuyết) phần thể tích (Vf) sợi thay đổi: • Square: 78.5% • Hexagonal: 90.7% • Tuy giá trị Vf cực đại thực tế composite sợi đơn hướng vào khoảng 60% Tại sao??? (hình b) (b) Sự xếp phần thể tích sợi Nguồn ETH Zurich Mơ hình máy tính composite có cấu trúc sợi 3D chứa 150 sợi (có tỷ lệ l/d: 37), phần thể tích sợi (Vf) 8% • Sợi có cấu trúc 3D ngẫu nhiên có Vf thấp → muốn tăng Vf composite sợi phải xếp theo trật tự Sự xếp phần thể tích sợi • Sợi dệt: • Do cấu trúc sợi dệt nên có vị trí chứa nhựa • Sự xếp sợi dệt không tối ưu đặc điểm cấu trúc → Vf thấp Sự xếp phần thể tích sợi • Chopped strand mat (CSM): Gồm sợi thủy tinh ngắn phân bố ngẫu nhiên có cấu trúc 2D → Vf thấp • Vật liệu lớp (cross/multi ply): gồm lớp chứa sợi đơn hướng xếp theo mục đích → Vf tương đương với composite sợi đơn hướng Nguyên lý gia cường • Một điểm vật liệu composite: • Khả chuyển tải ứng suất cho vật liệu gia cường • Ứng suất chuyển tải sang vật liệu gia cường ứng suất kéo trượt (shear stress) bề mặt phân chia pha • ”Shear-lag” model Cox • Được thành lập dựa giả thuyết: • Liên kết bề mặt phân chia pha hồn hảo • Biến dạng đàn hồi • Chỉ có sợi đơn lẻ vật liệu Ảnh hưởng tỷ lệ L/D sợi (fiber aspect ratio) • Sự phân bố ứng suất dọc trục sợi • Ban đầu hiệu gia cường tăng tăng tỷ lệ L/D • Hiệu gia cường đạt cực đại tỷ lệ L/D định • Sợi dài có hiệu gia cường tốt sợi ngắn Ảnh hưởng tỷ lệ L/D sợi (fiber aspect ratio) • Độ cứng (modul đàn hồi) dọc trục (axial stiffness) • Tương tự phân bổ ứng suất dọc trục: • Ban đầu modul đàn hồi dọc trục composite tăng theo tỷ lệ L/D sợi • Modul đàn hồi đạt cực đại tỷ lệ L/D xác định Ảnh hưởng tỷ lệ L/D sợi (fiber aspect ratio) • Sự phân bố ứng suất kéo trượt bề mặt phân chia pha • Ứng suất kéo trượt cao bề mặt phân chia pha phân bổ đầu sợi • Ứng suất kéo trượt cực đại phụ thuộc vào tỷ lệ L/D sợi so với ứng suất tác động lên sợi • Khi tăng tỷ lệ L/D đến tỷ lệ định ứng suất kéo trượt phân bố hai đầu sợi Sự truyền ứng suất theo mơ hình Cox • Khi tăng tỷ lệ L/D sợi đến tỷ lệ định, hiệu truyền ứng suất đạt cực đại • Khi tiếp tục tăng tỷ lệ L/D ứng suất dọc trục sợi khơng tăng, nghĩa khơng có truyền tải ứng suất từ nhựa sang sợi xảy ngoại trừ đầu cuối sợi • Do vậy, giả định composite sợi dài, ứng suất tác động có hướng song song với phương dọc trục sợi độ dãn dài sợi nhựa giống • Composite sợi dài thường có tính lý tốt sợi ngắn Phần II Quá trình gia cường Reinforcement processes Stress transfer aspect ratio (STAR) • Ứng suất dọc trục sợi tăng từ đầu sợi đến sợi • Stress transfer aspect ratio (STAR): • Là tỷ lệ L/D sợi mà đó, mức dãn dài cụ thể, ứng suất dọc trục sợi vừa đạt giá trị cực đại • Khi tỉ lệ L/D bé ứng suất tác động lên sợi không đạt giá trị cực đại → hiệu gia cường • Khi tỷ lệ L/D lớn? Ứng suất dọc trục sợi độ biến dạng composite tăng ứng suất cực đại đặt lên sợi tăng phân bố ứng suất lên sợi khơng đổi • Khi ứng suất đặt lên sợi lớn độ bền kéo sợi → sợi bị phá hủy (đứt) • Khi • Đặt bối cảnh thực tế: • Khi độ biến dạng composite tiếp tục tăng → sợi composite đứt • Khi sợi bị đứt tỷ lệ L/D sợi giảm Chiều dài tới hạn sợi (Lc) Critical length • Là chiều dài tối thiểu mà điểm trung tâm sợi vừa đạt đến giá trị độ bền kéo cực đại sợi • Lf < Lc: Ứng suất tác động lên composite tăng ứng suất đặt lên sợi không đạt đến độ bền kéo cực đại → nhựa bị phá hủy trước sợi • Lf > Lc: Khi ứng suất tác động lên composite tăng ứng suất đặt lên sợi tăng đạt đến độ bền kéo cực đại → Sợi bị phá hủy • Câu hỏi: Vậy sản phẩm composite yêu cầu độ bền cao, chọn loại sợi thích hợp?? • Đối với composite chứa sợi dài (Lf >> Lc), ứng suất đặt lên composite lớn độ bền kéo sợi: → sợi bị đứt dần thành đoạn ngắn → thời điểm chiều dài đoạn ngắn < Lc (ứng suất cực đại đặt lên sợi nhỏ độ bền kéo sợi) → Lên kết nhựa sợi bị phá hủy Tỷ lệ L/D tới hạn sợi Critical fiber aspect ratio (Sc) 𝐿𝑐 𝛿𝑓𝑢 𝑆𝑐 = = 𝐷 2𝜏𝑖 ∗ 𝛿𝑓𝑢 : Độ bền kéo cực đại sợi 𝜏𝑖 ∗ : Ứng suất kéo trượt bề mặt phân chia pha • Ở độ bền đường kính sợi xác định, độ dài tới hạn sợi điều chỉnh cách thay đổi 𝜏𝑖 ∗ → Hiệu gia cường tăng cường thông qua việc xử lý bề mặt sợi (tăng độ bền liên kết nhựa-sợi, tăng 𝜏𝑖 ∗ ) mà không cần phải thay đổi chiều dài sợi Độ bền thực tế sợi • Độ bền sợi có giống suốt chiều dài sợi? • Trên thực tế sợi ln chứa khiếm khuyết (đặc biệt sợi tự nhiên) → độ bền không giống suốt chiều dài Các khiếm khuyết (điểm yếu) sợi lanh, biểu ánh sáng phân cực Sự phá hủy liên kết bề mặt tiếp xúc sợinhựa (Interfacial failure) • Đầu cuối sợi nơi chịu ứng suất kéo trượt bề mặt phân chia pha cao • Nếu ứng suất kéo trượt vượt độ bền lên kết nhựa-sợi → phá hủy liên kết bề mặt phân chia pha • Sau hiệu gia cường tồn dựa vào lực ma sát nhựa-sợi Sự phá hủy liên kết bề mặt tiếp xúc sợi-nhựa (Interfacial failure) • Khi ứng suất đặt lên composite lớn 𝜏𝑖 ∗ cực đại → nhựa bị biến dạng (tại đầu sợi) → Xuất phá hủy (vết nứt) nhựa → Biến dạng composite khơng biến dạng đàn hồi ...• Kết cấu sợi & phần thể tích sợi composite • Nguyên lý chia sẻ ứng suất gia cường Kết cấu sợi & phần thể tích sợi composite Kết cấu vật liệu gia cường • Thuật ngữ kết cấu vật liệu gia cường. .. gia cường (tỷ lệ L/D (aspect ratio), hình dạng vật liệu gia cường ) • Phần thể tích (volume fraction) vật liệu gia cường • Hướng vật liệu gia cường so với lực tác dụng • Sự xếp vật liệu gia cường: ... 8% • Sợi có cấu trúc 3D ngẫu nhiên có Vf thấp → muốn tăng Vf composite sợi phải xếp theo trật tự Sự xếp phần thể tích sợi • Sợi dệt: • Do cấu trúc sợi dệt nên có vị trí chứa nhựa • Sự xếp sợi