ỨNG DỤNG CỦA compozite TRONG HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Bộ môn: Máy và thiết bị công nghiệp hóa chất - dầu khí ********************* ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU COMPOSITE TRONG HÀNG KHÔNG- VŨ TRỤ Sinh viên hướng dẫn: Trương Thị Yến Thi Sinh viên thực hiện : Vũ Duy Khương Lớp : Máy Hóa K50 Hà Nội 11- 2009 MỤC LỤC Lời nói đầu…………………………………………………………………3 Phần I: Lịch sử phát triển và ứng dụng……………………………… . 5 Phần II: Thành phần và cấu tạo composite dùng trong ngành hàng không- vũ trụ 9……………………………………9 Phần III: Công nghệ chế tạo một số chi tiết chính cho vật thể bay… 18 Phần IV: Ứng dụng vật liệu composite ở Việt Nam…………………….21 Tài liệu tham khảo……………………………………………………… 23 Ñề tài: Composite với ngành hàng không- vũ trụ GVHD: TRƯƠNG THỊ YẾN THI Lời nói đầu Vật liệu composite được sủ dụng rộng rãi trong những lĩnh vực khác nhau của ngành chế tạo máy và của nền kinh tế quốc dân.Ngày nay vật liệu composite được sủ dụng ngày càng nhiều trong thiết kế chế tạo những kết cấu hàng không, tên lửa, vũ trụ hiện đại…Việc nghiên cứu, chế tạo những vật liệu mới và các kết cấu sản phẩm từ chúng ta là một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học kĩ thuật và đó cũng là nhiệm vụ có tính cấp bách chiến lược của đất nước Việt Nam đang phát triển, có đầy đủ trong tay nguyên liệu và năng lượng. Nhờ ứng dụng của vật liệu composite, con người đã nâng được tầm cao, tầm xa và thời gian bay của các vật thể bay. Năm 1987, máy bay thử nghiệm Voyager nặng chỉ có 450 kg, chế tạo từ 100% từ vật liệu composite đã thực hiện thành công chuyến bay liên tục vòng quanh trái đất. Ngày nay đang chế tạo máy bay siêu tốc, chủ yếu từ composite, bay trên tầng khí quyển với vận tốc gấp 25 lần vận tốc truyền âm trong không khí.Nhờ ứng dụng của vật liệu mới, đã có những chuyến bay dài ngày của các vệ tinh, tàu vũ trụ và con người trong không gian. Cũng chính nhờ những ứng dụng vật liệu mới composite, con người ngày càng chinh phục mạnh mẽ khoảng không vũ trụ.Có nhiều điều trước đây chỉ dám mơ ước,nay đã trở thành hiện thực. Sở dĩ composite được ứng dụng và phát triển rộng rãi như vậy vì chúng rất bền và nhẹ. Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kĩ thuật và công nghệ hiện đại, chỉ có vật liệu mới composite mới đáp ứng nổi. Vì thế ngành khoa học- công nghệ vật liệu mới là một trong những mũi nhọn then chốt của sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Vật liệu composite chính là vật liệu của tương lai.Ngày nay việc nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng ngày một lan rộng với quy mô ngày càng lớn sang tất cả các nước, đặc biệt là nước đang phát triển. Thế kỉ XXI là thế kỉ của công nghệ cao và vật liệu composite. SVTH: Vũ Duy Khương-Máy hóa K50 Trang 3 Ñề tài: Composite với ngành hàng không- vũ trụ GVHD: TRƯƠNG THỊ YẾN THI Nếu đối với các vật liệu khác, phải từ vật liệu rồi sau đó mới chế tạo các kết cấu- sản phẩm, thì vật liệu composite nhiều khi được hình thành ngay trong quá trình chế tạo kết cấu- sản phẩm( như trong quá trình quấn thân vỏ động cơ, quấn các ống kĩ thuật…khi sản phẩm hình thành cũng đồng thời tạo ra vật liệu composite). Khả năng và đặc tính của composite phụ thuộc vào ba yếu tố: các vật liệu thành phần composite, cấu trúc phân bố của chúng, công nghệ chế tạo. Chỉ cần thay đổi một trong ba yếu tố đó cũng đủ dẫn đến thay đổi composite. Nội dung của tài liệu này gồm 4 phần chính: “Phần I :Lịch sử phát triển và ứng dụng của vật liệu composite trong ngành hàng không- vũ trụ. Phần II: Thành phần và cấu tạo composite dùng trong ngành hàng không- vũ trụ. Phần III: Công nghệ chế tạo một số chi tiết chính cho vật thể bay. Phần IV: Ứng dụng vật liệu composite ở Việt Nam.” Vì tài liệu này được copy- paste lần đầu tiên, ah không, lần đầu tiên được chép trong sách ra với sự hướng dẫn của bạn Thi ngố( chính xác là VN ko có đủ vốn từ để miêu tả tớ yêu cô ấy như thế nào!) chưa biết tý gì về môn vật liệu composite này, nên không thể tránh khỏi thiếu sót. DK rất mong nhận được sự góp ý của bạn đọc. Mọi chi tiết xin liên hệ theo: Email: khuongvuduy87@yahoo.com. Iphone: +841697478822. Tác giả Duy Khuong! SVTH: Vũ Duy Khương-Máy hóa K50 Trang 4 Ñề tài: Composite với ngành hàng không- vũ trụ GVHD: TRƯƠNG THỊ YẾN THI PHẦN I :LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU COMPOSITE TRONG NGÀNH HÀNG KHÔNG_ VŨ TRỤ 1. Lịch sử phát triển. Composite được ứng dụng trong ngành hàng không và kĩ thuật tên lửa lần đầu tiên ở Mỹ vào khoảng những năm 50. Hãng Boeing của Mỹ dùng vật liệu composite cốt sợi thủy tinh chế tạo máy bay từ năm 1958. Ở Liên Xo cũ, việc ứng dụng composite trong hàng không và kĩ thuật tên lửa muộn hơn Mỹ chút ít, vào khoảng đầu những năm 60. Kể từ đó cho tới nay đã xuất hiện nhiều vật liệu mới khác như: composite sợi cacbon, sợi hữu cơ, sợi bor,…với những tính năng kì diệu mà không vật liệu tự nhiên nào có thể cạnh tranh được, điều đó đã mở ra khả năng vô cùng rộng lớn để có thể nâng cao tầm cao, tầm xa của các vật thể bay. Chỉ trong một thời gian ngắn áp dụng, nghiên cứu và phát triển công nghệ vật liệu mới, công nghệ chế tạo các vật thể bay đã phát triển một cách vượt bậc: đã có những chuyến bay rất dài, và thậm trí cả du lịch trong vũ trụ của con người. Năm 1987, máy bay thử nghiệm Voyager của Mỹ do Hercules Aerospace Company sản xuất đã thực hiện thành công chuyến bay không nghỉ vòng quanh trái đất với trọng lượng chỉ có 450 kg từ composite carbon.<hinh: Máy bay Voyager( Mỹ)>. Mỹ đang thực hiện chế tạo máy bay chở khách bay cao trên tầng khí quyển, có tên là “ Tốc hành Phương Đông”. Trong năm 2008 sợi carbon và DuPont Kevlar (mạnh hơn thép 5 lần) đã được kết hợp với nhựa thermoset nâng cao để chế tạo cho các máy bay vận chuyển quân sự của ECS Composites giảm 30% trọng lượng và chịu được cường độ cao. Hiện nay 2 chiếc Boeing 747 và 767 đang sử dụng vật liệu composite để giảm trọng lượng và bay đường dài,còn chiếc boeing 787 mới nhất phần cánh và thân máy bay kết cấu gồm phần lớn vật liệu composite SVTH: Vũ Duy Khương-Máy hóa K50 Trang 5 Ñề tài: Composite với ngành hàng không- vũ trụ GVHD: TRƯƠNG THỊ YẾN THI Như vậy không chỉ trong công nghiệp chế tạo vật thể bay, mà trong tất cả mọi ngành công ngiệp khác, nhu cầu sử dụng composite trên thế giới ngày càng tăng. Vì vậy composite là vật liệu chủ lực của tương lai và thế kỷ XXI là thế kỷ của vật liệu mới composite. 2. Ứng dụng của vật liệu composite trong ngành hàng không -vũ trụ SVTH: Vũ Duy Khương-Máy hóa K50 Trang 6 Ñề tài: Composite với ngành hàng không- vũ trụ GVHD: TRƯƠNG THỊ YẾN THI “Voyager”, máy bay thử nghiệm của Mỹ đầu tiên với 100% composite.<hinh minh hoa>. • “Tàu tốc hành Phương Đông”, máy bay chở khách làm từ 100% composite. • “Ruslan”, máy bay khổng lồ của Nga, có tổng vật liệu composite sử dụng lên tới 5500kg, giảm được 1500kg trọng lượng. • “ IL-96, TU-204” cỡ lớn, máy bay chở khách cũng chiếm 55% trọng lượng là composite, giảm 1/3 tải trọng. Tên lửa chiến lược nguyên liệu rắn, composite chiếm 75÷90% trọng lượng. • Trực thăng chiến đấu, composite chiếm 45÷60% trọng lượng. • MiG 29, MiG 31, MIG-X, máy bay chiến đấu đều sử dụng 100÷790 kg vật liệu composite. AN-124, tầu lượn của Mỹ, sử dụng tới 2200kg vật liệu composite. Tên lửa vũ trụ có động cơ nhiên liệu rắn, phóng lên vũ trụ năm 1987 được chế tạo từ composite. Như vậy composite được sử dụng rộng rãi trong: Airplanes, rockets and missiles. SVTH: Vũ Duy Khương-Máy hóa K50 Trang 7 Ñề tài: Composite với ngành hàng không- vũ trụ GVHD: TRƯƠNG THỊ YẾN THI SVTH: Vũ Duy Khương-Máy hóa K50 Trang 8 Ñề tài: Composite với ngành hàng không- vũ trụ GVHD: TRƯƠNG THỊ YẾN THI PHẦN II: THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO COMPOSITE DÙNG TRONG HÀNG KHÔNG- VŨ TRỤ Vật liệu composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có những tính năng ưu việt hơn hẳn những vật liệu ban đầu. Những thành phần của vật liệu composite gồm: thành phần cốt( các sợi, hạt…) nhằm đảm bảo cho composite có được các đặc tính cơ học cần thiế và vật kiệu nền đảm bảo cho sự liên kết là làm việc hài hòa giữa các thành phần của composite với nhau. Khả năng khai thác và sử dụng vật liệu composite phụ thuộc vào các đặc tính cơ, lý, hóa của các vật liệu thành phần, cấu trúc phân bố của các vật liệu cốt, cũng như độ bền vững của sự liên kết giũa nền và cốt. Các loại conposite được sử dụng trong các vật thể bay: composite sợi thủy tinh, composite sợi bor, composite sợi cac bon, composite sợi hữu cơ, composite cacbon-cacbon, composite kim loai. Ưu điểm quan trọng nhất của vật liệu composite đó là khả năng chế tạo chúng từ những kết cấu, sản phẩm theo yêu cầu kĩ thuật mà ta mong muốn. Tùy theo đòi hỏi về độ bền, độ cứng, nhiệt độ làm việc, điều kiện khai thác sủ dụng…mà chúng ta lựa chọn những vật liệu thành phần, kết cấu tỷ lệ…và công nghệ sản xuất phù hợp. I. Các thành phần cấu thành vật liệu composite 1. Các thành phần cốt - Thành phần cốt của composite thường dùng là các sợi ngắn, sợi dài đơn, các dạng sợi tết, các cốt lưới, vải, các băng dải sợi và các loại băng với các tính năng cơ lý đã được xác định. - Các vật liệu composite có pha nền là nhựa tổng hợp, cốt thường là sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi bor.Các vật liệu composite nền kim loại sử dụng cốt là sợi thép,vonfram, berili, neobi… SVTH: Vũ Duy Khương-Máy hóa K50 Trang 9 Ñề tài: Composite với ngành hàng không- vũ trụ GVHD: TRƯƠNG THỊ YẾN THI 1.1Sợi thủy tinh (glass fibers) - Cấu tạo: sợi thủy tinh có 2 dạng: sợi dài( dạng chỉ) và sợi ngắn, có dạng hình trụ tròn, nhiệt độ làm việc của composite sử dụng sợi thủy tinh từ 500÷700oC. - Chế tạo: được chế tạo từ quá trình nhiệt phân một chất hữu cơ thích hợp để phân hóa thành polyme và cacbon, bằng nung nóng rất lâu hàng tuần để pha khí(polyme) khuếch tán khỏi vật liệu. Sau khi xử lý như vậy thể tích khối giảm 50% và tinh thể nhỏ mịn, độ bền cao đạt 70÷200 Mpa - Đặc điểm: nhẹ, chịu nhiệt khá,ổn định với tác động hóa sinh, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp, và giá thành rẻ. - Ứng dụng trong sản xuất composite polyme, chế tạo vỏ tàu thuyền, oto, nạp rẽ dòng của vật thể bay, cách quạt trong tua bin nước… - Mác sợi: MAC, AБC, KC của Nga sản xuất. 1.2 Sợi hữu cơ.( aramid or Kevlar) - Cấu tạo: gồm 2 loại sợi phổ biến: sợi hữu cơ aramid và sợi polyetylen, nhiệt độ làm việc của composite sử dụng sợi hữu cơ thường dưới 200oC. - Chế tạo: phụ thuộc vào thành phần polyme và phương pháp kéo sợi mà ta thu được sợi hữu cơ có khối lượng riêng từ 1410÷1450 kg/cm3, độ bền kéo 70÷150 Pa, nhiệt độ than hóa dưới 180oC. - Đặc điểm: có modun đàn hồi cao, độ bền cao khi kéo, ổn định cao về nhiệt độ, bền va đập, không chảy,tính cách điện cao - Ứng dụng: sử dụng rộng rãi để sản xuất chế tạo thân,vỏ tên lửa, động cơ nhiên liệu rắn, bình, ống chịu lực,găng tay cách nhiệt,mũ-áo giáp, chi tiết của tàu lượn, thiết bị thể thao - Mác vật liệu:Kevlar-29,Kevlar-129 do Mỹ sản xuất. Armoc, CVM, Terlon do Nga sản xuất. 1.3 Sợi cacbon(carbon fibers). - Cấu tạo: là loại vật liệu quan trọng nhất, có vai trò ngày càng lớn trong kĩ thuật do khối lượng riêng nhỏ(khoảng 2g/cm3), độ bền rất cao 2000÷3000 Mpa, nhiệt độ làm việc composite sử dụng sợi cacbon lên tới 2000oC. SVTH: Vũ Duy Khương-Máy hóa K50 Trang 10