Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composit vải cacbon epoxy trộn hợp ống nano cacbon chế tạo cơ cấu bám phục vụ huấn luyện và chiến đấu cho bộ đội

Vật liệu composit trên cơ sở expoxy gia cường vải/sợi/bột có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Ngoài việc gia cường bằng cốt, bổ sung một lượng nhỏ vật liệu nano giúp nâng cao tính năng và độ bền của nhựa nền được nhiều công trình nghiên cứu và triển khai ứng dụng thực tế.

Hóa học Kỹ thuật mơi trường NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU COMPOSIT VẢI CACBON/EPOXY TRỘN HỢP ỐNG NANO CACBON CHẾ TẠO CƠ CẤU BÁM PHỤC VỤ HUẤN LUYỆN VÀ CHIẾN ĐẤU CHO BỘ ĐỘI Phạm Quang Thuần1*, Nguyễn Thị Hoà1, Vũ Văn Quyền1, Nguyễn Trác Đáng2, Nguyễn Mạnh Tường1 Tóm tắt: Vật liệu composit sở expoxy gia cường vải/sợi/bột có nhiều ứng dụng thực tiễn Ngoài việc gia cường cốt, bổ sung lượng nhỏ vật liệu nano giúp nâng cao tính độ bền nhựa nhiều cơng trình nghiên cứu triển khai ứng dụng thực tế Vật liệu composit vải cacbon/epoxy trộn hợp ống nano cacbon nghiên cứu ứng dụng chế tạo cấu bám cho đội đặc công huấn luyện chiến đấu Kết cho thấy, bổ sung lượng nhỏ khoảng 1% tính lý vật liệu tăng lên rõ rệt, đó, độ bền kéo đạt > 1.000 MPa modun đàn hồi đạt > 80 GPa Từ khóa: Vật liệu composit; Ống nano cacbon; Cơ cấu bám; Bộ đội đặc công MỞ ĐẦU Cơ cấu bám công cụ hỗ trợ quan trọng Bộ đội đặc công, bao gồm đặc công công cạn đặc công nước Đối với đặc công cạn cấu bám giúp đội tiếp cận mục tiêu, cơng trình có kết cấu thép Đối với đặc công nước, cấu bám giúp đội tiếp cận tàu vỏ sắt công trình biển có kết cấu khung sắt Một thông số kỹ thuật quan trọng cấu bám lực bám bề mặt thép Thơng thường cấu bám phải có lực bám đủ lớn để chiến đấu viên mang trang bị cần thiết có leo cấu bám đảm bảo an toàn Bên cạnh lực bám, trọng lượng mức độ thuận lợi thao tác sử dụng u cầu quan khơng Trong q trình huấn luyện, chiến đấu viên phải mang theo 10-15 cấu bám, vậy, trọng lượng nhẹ tốt, nữa, yêu cầu tác chiến đội đặc công bí mật bất ngờ, tranh tối đa tiếng động phát q trình sử dụng cơng cụ Để giảm trọng lượng, hạn chế tiếng động phát trình thao tác thuận lợi tách riêng tưng cấu bám khỏi khí sử dụng, ốp ngồi nghiên cứu chế tạo từ vật liệu composit gia cường ống nano cacbon [4 - 6] Bài báo trình bày số kết khảo sát, đánh giá khả sử dụng vật liệu composit gia cường ống nano cacbon làm ốp cho cấu bám phục vụ huấn luyện sẵn sàng chiến đấu lực lượng đội đặc cơng THỰC NGHIỆM 2.1 Vật tư, hố chất - Cơ cấu bám cơng trình sử dụng nam châm đất từ hợp kim Nb 2Fe14B có kích thước 11x17x50mm phủ lớp sơn bảo vệ màu đen - Tấm ốp composit chế tạo từ: nhựa epoxy D.E.R 331 DOW Hàn Quốc; Chất đóng rắn EDTA Hàn Quốc; vải cacbon YC3K Hàn Quốc; ống nano cacbon Việt Nam 2.2 Chế tạo vật liệu làm ốp - Chuẩn bị hỗn hợp với tỷ lệ định trước đưa vào khuấy trộn trực tiếp máy rung siêu âm để phân tán cacbon nanotube nhựa epoxy - Hỗn hợp nhựa vải cacbon sử dụng với tỉ lệ vải cacbon/hỗn hợp nhựa 60/40 Điều kiện chế tạo: áp suất - 3,5 kg/cm2; nhiệt độ đóng rắn - 70 oC; thời gian đóng 100 P Q Thuần, …, N M Tường, “Nghiên cứu ứng dụng … chiến đấu cho đội.” Nghiên cứu khoa học công nghệ rắn - giờ; thời gian ổn định - 72 - Sau gia công nam châm đất hiếm, vật liệu nano composit để chế tạo ốp ngồi, gia cơng ốp hơng thép CT3, tay nắm gia công nhôm Các chi tiết lắp ghép thành cấu bám hình: Hình Bản vẽ ốp ốp Hình Vật liệu composit cấu bám 2.3 Phương pháp kiểm tra đánh giá vật liệu - Thử nghiệm độ bền học vật liệu composit thiết bị Instron Bluehill Universal theo tiêu chuẩn sau: + Thử nghiệm độ bền uốn, modul uốn theo tiêu chuẩn ASTM D790 - 03 + Thử nghiệm độ bền kéo, modul đàn hồi theo tiêu chuẩn ASTM D3090 - 03 + Thử nghiệm độ va đập theo tiêu chuẩn ASTM D252 - 05 + Thử nghiệm độ cứng Rocwell theo tiêu chuẩn ASTM E18 - 20 - Xác định lực bám bề mặt thép CT3 dầy 5mm (theo chiều song song chiều vng góc với bề mặt thép) xác định thời gian chịu lực bám, thông số kiểm tra thiết bị thử kéo nén UH500kNI Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng tính chất vật liệu composit vải cacbon/epoxy trộn hợp ống nano cacbon Khảo sát ảnh hưởng vải nền, ảnh hưởng nano gia cường đến tính lý vật liệu composit chế tạo Khi sử dụng 100% vải cacbon siêu bền gia cường với Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 101 Hóa học Kỹ thuật môi trường tỉ lệ nhựa/vải 40/60, kết so sánh mẫu 50% vải thủy tinh + 50% vải cacbon (50C/50TT) 100 % vải thủy tinh (100TT), kết bảng Bảng Ảnh hưởng vải đến tính lý vật liệu composit Tỉ lệ vải cốt Đơn vị 100C 50C/50TT 100TT Tính chất Độ bền uốn MPa 492 350 215 Modul uốn GPa 42 28 15 Độ bền kéo MPa 815 570 220 Modul đàn hồi GPa 68 33 17 Độ bền va đập KJ/m 225 130 90 Độ cứng Rocwell 218 175 80 Với mẫu vật liệu có kết cấu vải gia cường thử nghiệm, độ bền học mẫu vật liệu composit chế tạo hoàn toàn từ vải sợi cacbon cho độ bền cao nhất, cao nhiều so với mẫu composit chế tạo hoàn toàn từ sợi thủy tinh sợi cacbon+sợi thủy tinh Đặc biệt modun đàn hồi độ bền kéo tăng lên gấp 3,7 lần so với composit 100 % sợi thủy tinh Từ kết lựa chọn 100% vải cacbon siêu bền tỉ lệ nhựa/vải 40/60 để tiến hành nghiên cứu Hình Đồ thị ảnh hưởng hàm lượng CNT đến độ bền kéo Hình Đồ thị ảnh hưởng hàm lượng CNT đến modun đàn hồi Ống nano cacbon đóng vai trị bột độn gia cường đề cập nghiên cứu, ống nano cacbon sử dụng có đường kính từ 10-25 nm, đường kính từ 30-40 nm, sản xuất nước Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nano cacbon đến tính composit, mẫu khảo sát với hàm lượng cacbon thay đổi từ đến 1,5% so với nhựa Khi có mặt ống nano cacbon hàm lượng 1% tính lý vật liệu thay đổi đáng kể Cụ thể: độ bền kéo, mô đun đàn hồi, tăng từ 815 đến 1002 Mpa 68 đến 102 P Q Thuần, …, N M Tường, “Nghiên cứu ứng dụng … chiến đấu cho đội.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 83GPa so với mẫu khơng có ống nano cacbon Như vậy, khẳng định rằng, ống nano cacbon có khả cải thiện tính lý vật liệu composit Tuy nhiên, tiếp tục tăng hàm lượng nano cacbon lên số tính lý vật liệu composit có chiều hướng giảm 3.2 Khảo sát khả ứng dụng vật liệu composit làm cấu bám Với việc sử dụng vải cacbon siêu bền/nhựa epoxy 60/40 bổ sung 1% CNT so với nhựa chế tạo vật việu composit có tính lý cao, hồn tồn sử dụng để chế tạo ốp cho cấu bám Chế tạo ốp cho cấu bám vật liệu nano composit với thành phần chế độ công nghệ nêu vật liệu có độ dầy 6-6,5mm Composit chế tạo có tính lý cao: độ bền uốn ~615 MPa; độ bền kéo ~1002 MPa; modun đàn hồi~83 GPa; độ cứng rockwell ~250 Như vậy, vật liệu composit hoàn toàn sử dụng để chế tạo ốp cấu bám gia công ốp theo thiết kế Sau gia công nam châm đất với kích thước phù hợp, ốp chế tạo vật liệu composit, ốp hông, ốp tay nắm gia công, công việc lắp ráp cấu bám Cơ cấu bám sử dụng 04 nam châm kích thước 11x17x50mm, 02 ốp ngồi, 02 ốp hơng, 01 ốp 01 tay nắm Lắp ghép nam châm phải tuân theo nguyên lý ghép từ để lực từ không bị triệt tiêu Cơ cấu bám thông số kỹ thuật trình bày bảng sau: Bảng Thơng số kỹ thuật cấu bám TT Đặc tính kỹ thuật Đơn vị Cơ cấu bám sử dụng vật Cơ cấu sử dụng vật liệu truyền thống liệu composit Trọng lượng kg 1,4 1,14 2 Lực bám theo phương Kg/cm 2,0 2,61 song song Lực bám theo phương Kg/cm2 2,2 3,8 vng góc Thời gian chịu lực bám phút 30 42 KẾT LUẬN Vật liệu, composit nghiên cứu sở nhựa epoxy gia cường vải cacbon bổ sung CNT, composit tạo thành có độ bền uốn ~625Mpa, độ bền kéo ~1002 Mpa, modun đàn hồi ~83Gpa, độ cứng rockwell ~250 Cơ cấu bám chế tạo sở nam châm đất hiếm, nano composit số vật liệu khác, đáp ứng yêu cầu đặt hoàn toàn phục huấn luyện chiến đấu đội đặc công TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S.T Kim, H.J Choi and S.M Hong, ‘Bulk polymerized polystyrene in the presence of multiwalled cacbon nanotubes’, Colloid Polymer Sci., 285, 593 (2007) [2] M Grujicic, Y.P Sun and K.L Koudela, ‘The effect of covalent functionalization of cacbon nanotube reinforcements on the atomic-level mechanical properties of polyvinylester-epoxy’, Appl Surface Sci., 253, 3009 (2007) [3] G M Odegard, S.J.V Frankland and T.S Gates, ‘Effect of nanotube functionalization on the elastic properties of polyethylene nanotube compozits’, AIAA J., 43, 1828 (2005) [4] J Sandler, M S P Shaffer, T Prasseetal., ‘Development of a dispersion processfor cacbon nanotubes in an epoxy matrix and the resulting electrical properties’, Polymer, 40, 5967 (1999) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 103 Hóa học Kỹ thuật môi trường [5] Алексашина Е.В., Мищенко С.В., Соцкая Н.В и др // “Конденсированные среды и межфазные границы” 2009 Т 11 № С 101–105 ABSTRACT RESEARCH ON APPLICATION OF COMPOSITE MATERIALS ON THE BASIC OF CARBON FABRIC/EPOXY RESIN AND CARBON NANO TUBES TO FABRICATE SUPPORT TOOLS FOR TRAINING OF COMMANDOS Compozite materials from Expoxy resin, carbon fabric and carbon nanotubes reinforced have many practical applications When addition of a small amount of nanomaterials to improve the properties and durability of the produces, nanocomposite materials have been studied and applied to fabricate of supporting tools for sodier in training and combat The results showed that when adding a small amount about 1% of carbon nanotubes, the physical properties of the material increased significantly, in which the tensile strength reached > 1000 MPa and the elastic modulus was > 80 GPa Keywords: Support tool; Nano composite; Carbon fabric; CNT Nhận ngày 14 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 12 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Hóa học – Vật liệu/Viện Khoa học Công nghệ quân sự; Bộ Tư lệnh Công binh * Email: phamquangthuan1982@gmail.com 104 P Q Thuần, …, N M Tường, “Nghiên cứu ứng dụng … chiến đấu cho đội.” ... so với nhựa chế tạo vật việu composit có tính lý cao, hồn tồn sử dụng để chế tạo ốp cho cấu bám Chế tạo ốp cho cấu bám vật liệu nano composit với thành phần chế độ cơng nghệ nêu vật liệu có độ... ? ?Nghiên cứu ứng dụng … chiến đấu cho đội. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ 83GPa so với mẫu khơng có ống nano cacbon Như vậy, khẳng định rằng, ống nano cacbon có khả cải thiện tính lý vật liệu composit. .. QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng tính chất vật liệu composit vải cacbon/ epoxy trộn hợp ống nano cacbon Khảo sát ảnh hưởng vải nền, ảnh hưởng nano gia cường đến tính lý vật liệu composit chế tạo