Vật liệu composite độ bền cao đã được nghiên cứu và ứng dụng phổ biến trên thế giới nhưng vẫn còn khá hạn chế ở Việt nam. Một trong những rào cản lớn nhất chính là giá thành của thiết bị chế tạo mẫu vật liệu quá cao. Do đó, việc chế tạo và thử nghiệm thiết bị tạo mẫu composite độ bền cao như carbon/epoxy hay glass/epoxy dạng băng tẩm bằng phương pháp thủ công (CPME-1) là rất hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu trong các trường đại học liên quan đến vật liệu ở Việt Nam.
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 51 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ TẠO MẪU COMPOSITE TỪ CARBON/EPOXY DẠNG BĂNG TẨM STUDY ON MANUFACTURE OF THE EQUIPMENT FOR THE FABRICATION OF CARBON/EPOXY PREPREG COMPOSITES Phạm Thanh Nhựt Trường Đại học Nha Trang, Việt Nam Ngày soạn nhận 17/1/2018, ngày phản biện đánh giá 03/2/2018, ngày chấp nhận đăng 23/2/2018 TÓM TẮT Vật liệu composite độ bền cao nghiên cứu ứng dụng phổ biến giới hạn chế Việt nam Một rào cản lớn giá thành thiết bị chế tạo mẫu vật liệu cao Do đó, việc chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu composite độ bền cao carbon/epoxy hay glass/epoxy dạng băng tẩm phương pháp thủ cơng (CPME-1) hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu trường đại học liên quan đến vật liệu Việt Nam Thiết bị thiết kế chế tạo sở yêu cầu kỹ thuật nồi hấp (Autoclave) tạo mẫu tiêu chuẩn Ưu điểm CPME-1 nhỏ gọn, an toàn, dễ sử dụng đặc biệt giá thành thấp, khoảng 1/8 giá thành nồi hấp tiêu chuẩn tương ứng Kết thử nghiệm kéo, uốn mẫu carbon/epoxy chế tạo từ thiết bị đạt từ 80% đến 95% so với mẫu chế tạo từ nồi hấp tiêu chuẩn Do đó, thiết bị bước đầu đáp ứng yêu cầu cho giảng dạy học tập chuyên ngành vật liệu composite Từ khóa: Vật liệu composite; carbon/epoxy; nồi hấp; thử nghiệm; CPME-1 ABSTRACT Advanced composite materials have been studied and applied widely in the world but still limited in Vietnam One of the reasons for this problem is the high cost of a machine Hence, the equipment for the manufacture of carbon/epoxy prepreg composites (CPME-1) was fabricated and tested CPME-1 can be used for study and research in the universites of Vietnam Design of CPME-1 was based on the operation principle of the Autoclave machine The advantages of CPME-1 are safe, small and easy to use Additionally, it’s low cost compared to the price of Autoclave (about 1/8 times) The tensile test and flexural test results of carbon/epoxy prepreg composites were made by CPME-1 show that these values received from 80% to 95% compared to standard values Therefore, this equipment initially only meets the requirements for teaching and study of the composite material field Keywords: Composite materials; carbon/epoxy; autoclave; test; CPME-1 ĐẶT VẤN ĐỀ Vật liệu composite du nhập phát triển mạnh mẽ Việt Nam, ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp dân dụng Trong năm gần đây, vật liệu sử dụng với tỉ lệ lớn ngành đóng tàu du lịch đánh cá Tuy nhiên, vật liệu có đặc tính học tương đối thấp, cịn loại siêu nhẹ, siêu bền composite từ sợi carbon nhựa epoxy chưa tiếp cận nhiều Với ưu điểm nhẹ, độ bền cao, hệ số dãn nở nhiệt thấp, bền vững với nhiều điều kiện khí hậu phản ứng hóa học sản phẩm từ carbon/epoxy sử chủ yếu ngành hàng không vũ trụ, quân sự, y tế, thể thao Ở Việt Nam, sản phẩm từ composite siêu nhẹ, siêu bền hầu hết nhập từ nước có ngành cơng nghệ vật liệu phát triển Cho đến nay, có cơng trình nghiên cứu nước loại vật liệu 52 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Một dạng phổ biến vật liệu composite từ sợi carbon nhựa epoxy dạng băng tẩm, nghĩa sợi carbon đồng phương dệt thành mỏng tẩm sẵn nhựa epoxy (hình 1) Carbon/epoxy dạng băng tẩm lưu giữ nhiệt khoảng -19oC đến -22oC Hình Composite carbon/epoxy băng tẩm Các sản phẩm mẫu thử từ composite carbon/epoxy dạng băng tẩm chế tạo nhờ hệ thống nồi hấp tiêu chuẩn hình Trong hệ thống này, mẫu thử hút chân không, sau tạo áp lực gia nhiệt [1] Hiện nay, giá thành nồi hấp tiêu chuẩn Việt Nam có giá thành cao, dung tích 30 lít có giá 15.000 usd Điều cho thấy chúng phù hợp để trang bị cho phịng thí nghiệm trọng điểm nghiên cứu chuyên sâu vật liệu composite Do đó, cần phải nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị có giá thành thấp, trang bị cho phịng thí nghiệm thơng thường khơng chun sâu vật liệu Thiết bị chế tạo mẫu composite carbon/epoxy dạng băng tẩm phương pháp thủ công phiên (CPME-1) đáp ứng nhu cầu Thiết bị gia 2.1 Yêu cầu kinh tế, kỹ thuật Thiết bị CPME-1 thiết kế, chế tạo dựa yêu cầu kinh tế, kỹ thuật sau: Tuỳ theo loại nhựa epoxy mà mức nhiệt độ áp suất cần để xảy q trình lưu hố khác Theo [2], nhiệt độ sử dụng cho nồi hấp 540oC áp suất đến 85psi (0,586N/mm2) Trong nghiên cứu này, nhiệt độ điều chỉnh vô cấp dải – 120oC, áp suất từ – 0,25N/mm2) Thiết bị đảm bảo chế tạo mẫu có kích thước lớn 200mm (dài) x 140mm (rộng) x 15mm (dày), kích thước đủ để cắt thành mẫu thử tiêu chuẩn Thiết bị phải đảm bảo an toàn, nhỏ gọn Thiết bị dễ chế tạo, sử dụng, bảo dưỡng, sửa chữa Giá thành thấp 2.2 Mơ hình thiết bị Trên sở yêu cầu kinh tế kỹ thuật đặt ra, sơ đồ nguyên lý chung CPME-1 thiết lập hình Lực Van an toàn Túi đựng mẫu nén THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ Van xả Thân nồi hấp Nắp Máy Máy hút chân khơng Hình Hệ thống nồi hấp tiêu chuẩn - + Hình Sơ đồ nguyên lý CPME-1 Trong sơ đồ hình 3, mẫu carbon/epoxy (6) đặt nửa khuôn (3) nửa khn (2) Tồn khn đặt bệ đỡ (1) kết nối với nguồn điện 220V (7) để gia nhiệt cho khuôn Lực ép lên mẫu thiết kế cấu tác dụng gián tiếp vào khuôn đỡ khung (4), (5) Mẫu đặt vào tách khỏi khuôn nhờ việc tháo lắp nửa khuôn Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 53 2.3 Tính tốn, lựa chọn thiết bị Lựa chọn cảm biến điều chỉnh nhiệt: Lựa chọn vật liệu: Lựa chọn cảm biến nhiệt có sơ đồ ngun lý hình Trong đó, đầu cảm biến (1) đặt bên khuôn (5) qua lỗ khoan Mút đầu cảm biến tiếp xúc trực tiếp với khn Tín hiệu nhiệt từ đầu cảm biến đưa xử lý (2) điều chỉnh nhờ núm điều chỉnh nhiệt độ (3) Khi vặn núm điều chỉnh nhiệt độ, thông qua xử lý tiếp điểm (4), nguồn điện cấp cho dây điện trở thay đổi tương ứng Bộ cảm biến nhiệt có khả điều chỉnh nhiệt độ vơ cấp dải từ đến 120oC Vật liệu làm bệ đỡ khuôn giá đỡ phải đảm độ bền tương đối cao, liên kết dễ dàng, chọn thép C45 (giới hạn bền 750MPa, giới hạn chảy 360MPa) Vật liệu làm khuôn phải đảm bảo độ cứng, độ bền nhiệt cao, tính dẫn nhiệt tốt hệ số dãn nở nhiệt thấp, chọn thép SA516Gr70 (giới hạn bền kéo 485-620MPa, độ dãn dài 17%, hệ số dãn nở nhiệt 12μm/m-oC, hệ số dẫn nhiệt 52 W/m-K) Tấm gia nhiệt cho khuôn làm từ tổ hợp vật liệu Niken-Crom Để đảm bảo tính an tồn, cách nhiệt, cách điện khn với bệ đỡ, lò xo người sử dụng, sử dụng lót vật liệu composite chịu nhiệt dày 5mm Nguyên lý gia nhiệt: - Hình Sơ đồ nguyên lý cảm biến nhiệt Lựa chọn cấu tạo áp lực: Cơ cấu tạo áp lực lên khn gồm lị xo phận điều khiển lực nén hình Cơ cấu điểm chỉnh lực nén Lò xo nén 20 70 Vỏ cách nhiệt Chất cách điện, dẫn nhiệt Dây điện trở + Hiện nay, việc gia nhiệt thực theo nhiều phương pháp khác phương pháp cảm ứng, hồ quang, điện trở, điện môi, plasma,… Với yêu cầu kinh tế, kỹ thuật đặt ra, khuôn khuôn CPME-1 gia nhiệt phương pháp nung nóng điện trở gián tiếp hình Theo phương pháp này, phận biến lượng điện thành nhiệt sử dụng dây đốt kín, loại có phần tử nung nóng đặt vỏ bọc kim loại để bảo vệ khỏi tác động mơi trường nung nóng, phần tử nung nóng định vị chất cách điện dẫn nhiệt (bột MgO) Ở đây, vật liệu điện trở Niken-Crom, điện áp sử dụng 220V, công suất 400W 64 Hình Sơ đồ cấu tạo áp lực Khn - + Hình Sơ đồ phương pháp gia nhiệt Lò xo loại chịu nén vật liệu thép carbon trung bình với ứng suất xoắn cho phép 600 - 800 MPa Lò xo thử nghiệm để xác định lực nén, kết cho thấy lực nén tối đa 2500N ứng với khoảng chuyển vị 31mm 54 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Với lực nén cho phép tạo áp lực lên khuôn tương đương với áp lực tạo lị hấp tiêu chuẩn (hình 7) Khi cần điều chỉnh áp lực khuôn tác dụng lên mẫu, ta cần điều chỉnh quay cần dịch chuyển xuống đoạn tương ứng với khoảng chuyển vị lò xo thử nghiệm Force, N 8000 6000 4000 Lắp ráp cảm biến nhiệt vào hai nửa khuôn, núm điều chỉnh nhiệt độ vào bệ đỡ kết nối với nguồn điện Sản phẩm CPME-1 chế tạo thể hình Mặt trước thiết bị (hình 9a) mặt khơng bị che kín nhằm thao tác đưa mẫu vào lấy dễ dàng, đồng thời thuận tiện cho việc quan sát mẫu đo độ dịch chuyển lò xo Mặt sau (hình 9b) có lắp che cố định với khung đỡ nhằm chặn dịch chuyển nửa khuôn mẫu, che lắp hai núm điều chỉnh nhiệt độ cho hai nửa khuôn (khác với vị trí thể vẽ cấu tạo hình 8) 260 2000 12 16 20 24 28 32 12 36 11 Extension, mm 13 Hình Kết thử nghiệm nén lò xo 10 65 14 70 225 16 17 26 10 150 210 30 340 Hình Cấu tạo thiết bị CPME-1 Chế tạo phần khung bệ đỡ phương pháp hàn Chế tạo khuôn trên, khuôn và phận gia nhiệt gắn với hai nửa khuôn Lắp ráp nửa khuôn dưới, phận tạo áp lực vào khung bệ đỡ 20 Từ vẽ cấu tạo, tiến hành chế tạo thiết bị theo bước sau: Chế tạo phận tạo điều khiển áp lực gồm lò xo, cấu định vị, cấu tay quay – trục vít 15 40 Sau tính tốn, lựa chọn phận đề cập phần 2.3, tiến hành lắp ráp phận lại với để thiết bị hoàn chỉnh (CPME-1) Bản vẽ cấu tạo CPME-1 thể hình Tồn thiết bị bao gồm chi tiết sau: 1- chân đế, 2- bệ đỡ khuôn, 3- khuôn dưới, 4- khuôn trên, 5- lớp cách nhiệt, cách điện, 6- gia nhiệt, 7- lò xo, 8- chốt định vị lò xo, 9- khung đỡ, 10- đai ốc, 11- trục vít, 12- tay quay, 13- gia cường, 14- điều chỉnh nhiệt, 15- vị trí kết nối với nguồn điện, 16- mẫu, 17- vị trí đặt cảm biến nhiệt 30 2.4 Chế tạo thiết bị a) Mặt trước b) Mặt sau Hình Thiết bị CPME-1 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Về chất lượng sản phẩm, CPME-1 chế tạo đáp ứng yêu cầu kinh tế, kỹ thuật đặt Các kích thước với vẽ Giá trị áp lực tạo theo giá trị độ nén lò xo nên điều chỉnh vơ cấp từ đến 31mm Nhiệt độ điều chỉnh số giá trị khác kết đo kiểm tra nhiệt độ trực tiếp hai khuôn với báo ghi núm điều chỉnh nhiệt độ Giá thành toàn thiết bị khoảng 8,5 triệu đồng Để đánh giá hiệu thiết bị CPME-1, tiến hành chế tạo hai mẫu thử từ vật liệu carbon/epoxy dạng băng tẩm (USN-125) điều kiện nhiệt độ 80oC, áp suất 0,12N/mm2 thời gian 180 phút Một sử dụng cho thử nghiệm kéo [3] sử dụng cho thử nghiệm uốn [4] (hình 10) Tấm gồm 16 lớp (mỗi lớp có chiều dày 0,125mm), tương ứng với chiều dày 2mm, ép lại với tay nhiệt độ thường 55 Mẫu thử nghiệm kéo chế tạo xác định ứng suất, mô đun đàn hồi theo tiêu chuẩn ASTM D – 638, tương ứng thử nghiệm uốn tiêu chuẩn ASTM D – 790 (hình 11) Mẫu thử sau chế tạo tiến hành thử nghiệm máy kéo nén vạn CHT với lực kéo 2000KN phòng kiểm nghiệm thuộc Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy, Trường Đại học Nha Trang (hình 12) Điều kiện thử nghiệm uốn: tốc độ uốn 2mm/phút, khoảng cách hai gối 60mm, nhiệt độ 28oC, độ ẩm 60% kéo: tốc độ kéo 1mm/phút, khoảng cách hai ngàm kẹp 60mm, nhiệt độ 28oC, độ ẩm 60% Hình 12 Thử nghiệm mẫu Kết thử nghiệm uốn thể hình 13 bảng Kết thử nghiệm kéo thể hình 14 bảng a) Mẫu chế tạo khn b) Tấm mẫu sau tách khn Hình 10 Chế tạo mẫu thử từ CPME-1 4xR76 13 19 57 115 165 a) Mẫu thử kéo 12.7 127 b) Mẫu thử uốn Hình 11 Mẫu thử tiêu chuẩn Hình 13 Đồ thị thử nghiệm uốn Bảng Kết thử nghiệm uốn Giá trị Giá trị Sai thử tham khảo số, Thông số nghiệm [5,6] % Ứng suất, MPa 1112,74 1300 14,40 Mô đun đàn hồi, GPa 92,72 110 15,71 56 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh đàn hồi đạt giá trị thấp so với giá trị tiêu chuẩn (chỉ 79,1%) Các giá trị ứng suất mô đun đàn hồi mẫu thử chế tạo CPME-1 thấp giá trị tiêu chuẩn tương ứng việc xếp lớp thực tay, phương sợi lớp khơng hồn tồn song song với điều kiện nhiệt độ, độ ẩm chế tạo mẫu chuẩn mẫu nghiên cứu khác Hình 14 Đồ thị thử nghiệm kéo Bảng Kết thử nghiệm kéo Giá trị Giá trị Sai số, Thông số thử tham khảo % nghiệm [7] Ứng suất, MPa 594,41 600 0,93 Mô đun đàn hồi, GPa 55,37 70 20,90 Kết thử nghiệm uốn cho thấy giá trị ứng suất uốn mô đun đàn hồi đạt cao, 84% so với giá trị tương ứng mẫu chuẩn Đối với thử nghiệm kéo, giá trị ứng suất đạt cao, gần với giá trị ứng suất tiêu chuẩn (99,07%) Tuy nhiên, mô đun KẾT LUẬN Thiết bị CPME-1 thiết kế phù hợp yêu cầu thực tế, chủ yếu dựa sở lý thuyết học nhiệt Sản phẩm chế tạo đáp ứng tốt yêu cầu kinh tế, kỹ thuật đặt Thiết bị đánh giá thông qua việc chế tạo thử nghiệm tính (kéo uốn) mẫu thử vật liệu carbon/epoxy dạng băng tẩm điều kiện nhiệt độ 80oC áp suất 0,12/mm2 Kết thử nghiệm cho thấy hầu hết giá trị đạt thấp so với mẫu chuẩn Do đó, cần tiếp tục nghiên cứu chế tạo thêm mẫu điều kiện nhiệt độ áp suất khác để có đánh giá xác thiết bị Tuy nhiên, với kết đạt được, CPME-1 hồn tồn áp dụng cho học tập nghiên cứu phịng thí nghiệm không chuyên vật liệu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] Suong V Hoa, Principles of the manufacturing of composite materials, Destech Publications, Inc., USA, 2009 Vasileios M Drakonakis, James C Seferis, and Charalambos C Doumanidis, Curing pressure influence of out-of-autoclave processing on structural composites for commercial aviation, Advances in Materials Science and Engineering, Volume 2013, pp 1-14, 2013 ASTM D638-03 – Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics ASTM D790–03 – Standard Test Methods for Flexural Properties of Plastics MatWeb, Overview of materials for Epoxy/Carbon Fiber Composite, MatWeb.com Zhiyuan Yu, Rongchang Li, Zhenghua Peng, Yonglian Tang, Carbon Fiber Reinforced Epoxy Resin Matrix Composites, Materials Science: Advanced Composite Materials, 1(1), pp 1-6, 2017 ACP Composite, “ISO 9001:2008,” Certified I No 49881, 2009 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Phạm Thanh Nhựt Khoa Kỹ thuật giao thông, Trường ĐH Nha Trang Email: nhutpt@ntu.edu.vn ... liệu Thiết bị chế tạo mẫu composite carbon/epoxy dạng băng tẩm phương pháp thủ cơng phiên (CPME-1) đáp ứng nhu cầu Thiết bị gia 2.1 Yêu cầu kinh tế, kỹ thuật Thiết bị CPME-1 thiết kế, chế tạo. .. Hình Composite carbon/epoxy băng tẩm Các sản phẩm mẫu thử từ composite carbon/epoxy dạng băng tẩm chế tạo nhờ hệ thống nồi hấp tiêu chuẩn hình Trong hệ thống này, mẫu thử hút chân khơng, sau tạo. .. chúng phù hợp để trang bị cho phòng thí nghiệm trọng điểm nghiên cứu chuyên sâu vật liệu composite Do đó, cần phải nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị có giá thành thấp, trang bị cho phịng thí nghiệm