5. Ý nghĩa
2.1. Cơ sở để xác định các môđun kỹ thuật
2.1.1. Xác định bằng thí nghiệm.
Composite đồng phƣơng đƣợc cấu tạo từ các sợi song song nằm trong nhựa. Vật liệu composite trực hƣớng đƣợc cấu tạo từ các lớp composite đồng phƣơng hoặc các lớp composite cốt vải. Các lớp vải đƣợc dệt từ các sợi đồng phƣơng vuông góc với nhau. Các lớp này có ba mặt phẳng đối xứng và trực giao từng đôi một, vì vậy chúng tạo thành một vật liệu trực hƣớng. Các phƣơng chính (1,2) đƣợc chọn tƣơng ứng theo phƣơng cơ bản và phƣơng ngang. Phƣơng 3 vuông góc với mặt phẳng của lớp vật liệu (hình 2.1).
Vật liệu composite đồng phƣơng đƣợc gọi là trƣờng hợp riêng của vật liệu composite trực hƣớng và đƣợc gọi là trực hướng tròn xoay hay đẳng hƣớng ngang.
Ứng xử đàn hồi của một vật liệu composite trực hƣớng có thể đƣợc mô tả bởi 9 mô đun độc lập:
3 mô đun Young : E , E , E1 2 3 ;
3 hệ số Poisson: 12, 13, 23 ; 3 mô đun cắt : G , G , G 12 13 23 ;
Các mô đun Young, hệ số Poisson và môđun cắt đƣợc gọi là các mô đun kỹ thuật. Để xác định đƣợc các môđun kỹ thuật, cần chế tạo mẫu và tiến hành các thí nghiệm sau [2]:
1. Thí nghiệm kéo.
- Kéo mẫu theo phƣơng cơ bản:
- Mục đích thí nghiệm : Xác định modul Young E1, hệ số Poisson 12, 13, ứng suất và biến dạng phá hủy σu , εu.
Hình 2.2. Mẫu thí nghệm kéo.
Khi kéo theo mẫu theo phƣơng cơ bản của vật liệu, tất cả các thành phần ứng suất bằng không, trừ 1.
Hình 2.4. Mô phỏng quá trình biến dạng kéo mẫu theo phương cơ bản
Từ thí nghiệm ta tính đƣợc ứng suất phá hủy σ1 và độ giãn dài tƣơng đối ε1: ε1 = ∆l/l; σ1 = P/F.
Do đó, mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng nhƣ trên biểu đồ:
Hình 2.5. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng
Mặt khác, theo định luật Hooke: σ1 = ε.E1. Do đó: E1 = σ1/ ε ≈ tg α. Môđun đàn hồi E bằng độ dốc của đƣờng cong biểu diễn mối quan hệ giữa lực và biến dạng và đƣợc thể hiện nhƣ trên hình vẽ.
Tính biến dạng dọc và biến dạng ngang, ta xác định đƣợc hệ số Poisson:
Hình 2.7. Xác định hệ số Poisson
- Kéo mẫu theo phƣơng ngang:
Khi kéo theo mẫu theo phƣơng ngang của vật liệu, tất cả các thành phần ứng suất bằng không, trừ 2.
Tƣơng tự nhƣ kéo mẫu theo phƣơng cơ bản, ta xác định đƣợc môđun Young E2 và các hệ số Poisson 23
- Kéo ngang:
Kéo ngang là thí nghiệm kéo theo phƣơng vuông góc với mặt phẳng của lớp vật liệu:
3 0
0 3
i i
Kéo ngang xác định đƣợc môđun Young E2 và các hệ số Poisson 23
2. Thí nghiệm cắt (trượt).
- Cắt trong mặt phẳng của lớp: Xác định đƣợc modul G12 và độ bền trƣợt 12 của composite cốt sợi đơn hƣớng.
Từ thí nghiệm, ta xác định đƣợc ứng suất cắt τ12 và biến dạng góc γ12. Ta có biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng.
Hình 2.9. Biến dạng cắt của nhựa
Hình 2.10. Sơ đồ mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng.
Từ đó dễ dáng tính đƣợc môđun cắt G12 = τ12/ γ12
- Tƣơng tự nhƣ trên, trong thí nghiệm cắt theo phƣơng cơ bản và phƣơng ngang, ta xác định đƣợc môđun cắt G13 và G23
* Nhận xét: Ở phƣơng pháp thí nghiệm, để xác định đƣợc các môđun kỹ thuật cần chế tạo mẫu và tiến hành nhiều thí nghiệm. Mẫu chế tạo cần đáp ứng đƣợc 4 yêu cầu tƣơng tự trong thí nghiệm với vật liệu đồng nhất, đẳng hƣớng và tạo ra các quy định khác nhau về kích thƣớc mẫu thử, cấu hình thí nghiệm và đặc tính kỹ thuật máy thí nghiệm. Một số những phức tạp này phản ánh tính chặt chẽ hơn trong nguyên lý Saint Venant với mẫu thử composite. Trong điều kiện ở Việt Nam, ta không thể chế tạo đƣợc mẫu vật liệu đáp ứng đƣợc các yêu cầu trên, vì vậy phƣơng pháp này không thể thực hiện đƣợc.
2.1.2. Xác định bằng lý thuyết.
Bài toán xác định các mô đun đàn hồi của một vật liệu composite đồng phƣơng gồm việc đi tìm các biểu thức của 5 mô đun độc lập khi đã biết các đặc
trƣng cơ học và hình học của các vật liệu thành phần: Mô đun đàn hồi của sợi, nhựa, tỉ lệ khối lƣợng sợi, độ dài sợi v.v... Bài toán đƣợc giới hạn với các sợi liên tục.
Cơ tính của sợi và nhựa đƣợc đặc trƣng bởi các mô đun đàn hồi (mô đun Young và hệ số Poisson). Lời giải của bài toán đặt ra ở trên không đơn giản và không duy nhất.
Tính phức tạp của bài toán, chủ yếu nằm ở chỗ: sợi phân bố trong nhựa theo vô số những khả năng khác nhau.
Hình 2.11 Sơ đồ phân bố sợi trong nhựa
Sợi phân bố đều, có thể không đều, chỗ này các sợi cách xa nhau, chỗ khác chúng tiếp xúc với nhau v.v... Kết quả là rất khó để chọn ra các “tế bào” cơ sở (gồm sợi và nhựa) đặc trƣng cho vật liệu.
Dƣới đây chúng ta làm quen với một phƣơng pháp đơn giản hóa [2].
+ Mô đun Young dọc đƣợc xác định nhờ thí nghiệm kéo dọc. Ta giả thiết rằng sợi và nhựa có cùng biến dạng. Biểu thức của mô đun Young dọc:
E1 = σs.Ss +σn.Sn
Trong đó: Sn và Ss tƣơng ứng là diện tích tiết diện ngang của sợi và nhựa.
Hình 2.12. Định luật hỗn hợp với môđun Young
σs , σn là ứng suất trong sợi và nhựa đƣợc biểu diễn bởi:
s s 1
n n 1
E . E .
+ Mô đun Young ngang đƣợc xác định nhờ thí nghiệm kéo ngang, trong đó lực tác dụng theo phƣơng vuông góc với sợi.
s s 2 s n 1 V 1 V E E E Hay 2 n n s s E 1 E E 1 1 V E
Bảng 2.1 cho chúng ta các giá trị của E2/En theo 3 giá trị của tỉ số Es/En
Bảng 2.1. Các giá trị E2/En tương ứng với các giá trị của tỉ số Es/En và Vs
Es/En Vs 0 0,2 00,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 1 5 10 100 1 1 1 1,19 1,22 1,25 1,47 1,56 1,66 1,67 1,82 1,98 1,92 2,17 2,46 2,27 2,70 3,25 2,78 3,57 4,80 3,57 5,26 9,17 4,17 6,90 16,81 5 10 100 + Hệ số Poisson dọc 12 đƣợc xác định nhờ thí nghiệm kéo dọc, hình 2.13. 12 sVs n 1 Vs + Môđun cắt dọc G12 đƣợc xác định nhờ thí nghiệm cắt dọc: s s 12 s n 1 V 1 V G G G
Hình 2.13. Biến đổi của mô đun E2 theo Vs
Các biểu thức trên cho phép xác định quá trình biến thiên của các mô đun theo tỉ lệ khối lƣợng sợi. Các đƣờng cong trên hình 2.14, cho ta hình ảnh biến thiên của E1, E2, G12, G23 của vật liệu composite sợi thủy tinh.
Hình 2.14. Biến đổi của các mô đun đàn hồi của các composite đồng phương theo tỷ lệ sợi
* Nhận xét: Đối với phƣơng pháp lý thuyết, để xác định đƣợc các môđun trên cũng cần dựa vào các thí nghiệm. Mặt khác, ở phƣơng pháp này cần xác định các thông số nhƣ môđun đàn hồi của sợi và nhựa, tỷ lệ thể tích, ứng suất trong sợi và nhựa... trong khi việc xác định các thông số này rất khó khăn. Thực tế trên thị trƣờng có rất nhiều loại nhựa và sợi, các thông số kỹ thuật cũng không đƣợc ghi cụ thể trên bao bì sản phẩm. Do đó ta không thể sử dụng phƣơng pháp này.
Kết luận
Nhƣ vậy, việc xác định các môđun kỹ thuật dựa vào phƣơng pháp thí nghiệm hay lý thuyết là rất khó khăn. Vì vậy, ta không thể sử dụng hai phƣơng pháp trên để xác định các môđun kỹ thuật. Phƣơng pháp thuần nhất hóa, coi vật liệu composite “không thuần nhất” là một loại vật liệu “thuần nhất” và làm thí nghiệm với các mẫu vật liệu nhiều lớp để tính toán giá trị trung bình của các thông số sẽ là một phƣơng án khả thi.
2.2. Chế tạo mẫu vật liệu composite bằng phƣơng pháp lăn ép. 2.2.1. Chế tạo khuôn. 2.2.1. Chế tạo khuôn.
Để đơn giản, tấm mẫu đƣợc chế tạo dạng tấm phẳng kích thƣớc 500x400 mm. Vì vậy, khuôn cũng có dạng tấm phẳng có kích thƣớc tƣơng ứng. Khuôn có thể làm bằng gỗ hoặc xi măng đảm bảo bề mặt nhẵn và phẳng.
- Bƣớc 1: Dùng kẽm hộp (20x40) mm đóng thành hộp hình chữ nhật sao cho kích thƣớc mặt trong của hộp là (500x400) mm.
- Bƣớc 2: Trộn hỗn hợp cát mịn, ximăng, nƣớc tạo thành vữa. Đổ hỗn hợp vào khuôn và cán phẳng. Sau khi chế tạo khuôn, cần để 1 đến 2 ngày cho khuôn khô.
2.2.2. Chế tạo mẫu.
Cơ tính của vật liệu phụ thuộc vào khối lƣợng nhựa/lớp, số lớp vật liệu và chiều dày của tấm vật liệu. Vì vậy, trong phạm vi đề tài, tác giả chế tạo 3 tấm mẫu với tỷ lệ khối lƣợng và số lớp khác nhau.
Vật liệu và dụng cụ chế tạo mẫu bao gồm: - Nhựa Polyester không no: 2.2 kg
- Chất đóng rắn butanox: 22g - Vải sợi thủy tinh: 100g
- Chất chống dính Wax8: 01 hộp - Con lăn bằng sắt.
- Chổi quét sơn : 02 chiếc - Cân tiểu li…
* Tấm mẫu 1: Khối lƣợng: 80g nhựa/ 1 lớp. Số lớp: 05.
Tấm mẫu có diện tích 0.5x0.4= 0.2m2. Vì vậy, tỷ lệ nhựa/sợi là 80g nhựa/0.2m2 sợi.
- Bƣớc 1: Sau khi khuôn khô, bôi lớp chống dính Wax 8 lên bề mặt khuôn. Sau khi bôi xong, để 5 – 10 phút tùy thuộc vào điều kiện thời tiết cho khô lớp chống dính.
Hình 2.15. Phủ chất chống dính Wax 8 lên khuôn
- Bƣớc 2: Gia công lớp thứ nhất:
Trộn đều hỗn hợp gồm 80g nhựa với chất đóng rắn butanox theo tỷ lệ 1/100, phủ đều lên toàn bộ bề mặt khuôn.
Khi lớp bề mặt nhựa se lại sau khoảng 3 – 4 phút, cắt tấm vải sợi thủy tinh kích thƣớc 500x400 mm trải lên bề mặt lớp nhựa đã gia công. Dùng con lăn bằng sắt lăn phẳng để lớp vải liên kết với lớp nhựa.
Hình 2.16. Trải lớp vải sợi thủy tinh và lăn phẳng lớp vải sợi.
- Các bƣớc tiếp theo: Làm tƣơng tự nhƣ bƣớc 2 trên cho tới khi đạt 5 lớp vật liệu.
- Dỡ khuôn lấy tấm mẫu: Sau khi quá trình trải vật liệu gia cƣờng và thấm nhựa đã hoàn thành, tấm mẫu đƣợc để đông kết tại nhiệt độ môi trƣờng. Để tránh biến dạng nên để khô rồi tháo sản phẩm ra. Thời gian này khoảng 20 - 22 giờ.
- Chiều dày tấm mẫu đạt đƣợc sau khi gia công là 2 mm.
* Tấm mẫu 2: Làm tƣơng tự nhƣ tấm mẫu 1. Pha nhựa Polyester không no với chất đóng rắn butanox với tỷ lệ 1/100.
- Khối lƣợng: 100g nhựa/ 1 lớp. - Số lớp: 05.
- Tỷ lệ nhựa/sợi: 100g nhựa/0.2m2 sợi. - Chiều dày tấm mẫu đạt đƣợc: 3mm
* Tấm mẫu 3: Pha nhựa Polyester không no với chất đóng rắn butanox với tỷ lệ 1/100.
- Khối lƣợng: 100g nhựa/ 1 lớp. - Số lớp: 10.
- Tỷ lệ nhựa/sợi: 100g nhựa/0.2m2 sợi. - Chiều dày tấm mẫu đạt đƣợc: 5mm
Sau khi gia công 3 tấm mẫu trên. mỗi tấm mẫu ta cắt làm 02 loại: sợi thẳng và sợi chéo có kích thƣớc 250 x 25 mm để tiến hành làm thí nghiệm thử kéo và uốn. Nhƣ vậy, với 03 tấm mẫu sau khi cắt đƣợc 03 loại mẫu sợi thẳng và 03 loại mẫu sợi chéo.
Hình 2.17. Mẫu kéo sợi thẳng và sợi chéo
Hình 2.18. Mẫu uốn sợi thẳng
2.3. Thí nghiệm thử kéo và uốn trên các mẫu vật liệu. 2.3.1. Thí nghiệm kéo. 2.3.1. Thí nghiệm kéo.
1. Tiến hành thí nghiệm
Lần lƣợt làm thí nghiệm thử kéo trên máy thử kéo model SM - 50 mẫu kéo sợi thẳng và sợi chéo, ta thu đƣợc biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa lực và biến dạng của các mẫu vật liệu trên.
Hình 2.19. Máy thử độ bền kéo
Hình 2.21. Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa lực và biến dạng.
2. Xác định môdun đàn hồi E
a. Mẫu kéo sợi thẳng:
Mẫu 1: Kích thƣớc mẫu 250x25x2 mm
TT Môdun đàn hồi E
(MPa)
Ứng suất phá hủy kéo б (MPa)
Lần 1 1093 40.86
Lần 2 1041 41.30
Lần 3 1051 41.63
Lần 4 1110 41.75
Giá trị trung bình Etb = 1098 Mpa б tb = 41.39 MPa Mẫu 2: Kích thƣớc mẫu 250x25x3 mm
TT Môdun đàn hồi E
(MPa)
Ứng suất phá hủy kéo б (MPa)
Lần 1 1273 45.56
Lần 2 1264 42.06
Lần 3 1298 49.13
Lần 4 1291 41.36
Mẫu 3: Kích thƣớc mẫu 250x25x5 mm
TT Môdun đàn hồi E
(MPa)
Ứng suất phá hủy kéo б (MPa)
Lần 1 1945 84.58
Lần 2 1973 83.10
Lần 3 1896 85.54
Lần 4 1932 87.96
Giá trị trung bình Etb = 1936.5 Mpa б tb = 85.23 MPa
b. Mẫu sợi chéo
Mẫu 1: Kích thƣớc mẫu 250x25x2 mm
TT Môdun đàn hồi E
(MPa)
Ứng suất phá hủy kéo б (MPa)
Lần 1 981 41.56
Lần 2 910 42.05
Lần 3 993 41.60
Lần 4 905 42.23
Giá trị trung bình Etb = 947.25 Mpa б tb = 41.86 MPa Mẫu 2: Kích thƣớc mẫu 250x25x3 mm
TT Môdun đàn hồi E
(MPa)
Ứng suất phá hủy kéo б (MPa)
Lần 1 1145 46.10
Lần 2 1193 45.86
Lần 3 1167 45.03
Lần 4 1142 43.96
Mẫu 3: Kích thƣớc mẫu 250x25x5 mm
TT Môdun đàn hồi E
(MPa)
Ứng suất phá hủy kéo б (MPa)
Lần 1 1658 59.03
Lần 2 1606 58.96
Lần 3 1697 58.50
Lần 4 1623 59.23
Giá trị trung bình Etb = 1646 Mpa б tb = 58.93 Mpa
* Nhận xét: Từ kết quả thí nghiệm cho thấy, mẫu sợi thủy tinh sợi thẳng có độ bền kéo lớn hơn mẫu sợi chéo. Độ bền kéo tỷ lệ thuận với số lớp và khối lƣợng các vật liệu thành phần.
2.3.2. Thí nghiệm uốn.
1. Tiến hành thí nghiệm
Lần lƣợt làm thí nghiệm thử uốn mẫu kéo sợi thẳng và sợi chéo, ta xác định đƣợc lực tác dụng lớn nhất và độ võng lớn nhất trên các mẫu thử.
Hình 2.22. Sơ đồ thí nghiệm uốn
2. Xác định môđun đàn hồi E.
a. Mẫu sợi thẳng
Mẫu 1: Kích thƣớc mẫu 250x25x2 mm Khoảng cách hai gối đỡ: 150 mm
TT Môdun đàn hồi uốn E (MPa)
Ứng suất phá hủy uốn б (MPa)
Lần 1 1125 42.00
Lần 2 1204 42.50
Lần 3 1178 41.25
Lần 4 1196 41.50
Giá trị trung bình Etb = 1175.75 Mpa б tb = 42.125 Mpa Mẫu 2: Kích thƣớc mẫu 250x25x3 mm
TT Môdun đàn hồi uốn E (MPa)
Ứng suất phá hủy uốn б (MPa)
Lần 1 1297 43.60
Lần 2 1315 45.48
Lần 3 1368 45.50
Lần 4 1309 44.64
Giá trị trung bình Etb = 1322.25 Mpa б tb = 44.82 Mpa Mẫu 3: Kích thƣớc mẫu 250x25x5 mm
TT Môdun đàn hồi uốn E (MPa)
Ứng suất phá hủy uốn б (MPa)
Lần 1 1923 87.28
Lần 2 1978 87.74
Lần 3 2066 89.00
Lần 4 2045 89.12
b. Mẫu sợi chéo
Mẫu 1: Kích thƣớc mẫu 250x25x2 mm Khoảng cách hai gối đỡ: 150 mm
TT Môdun đàn hồi uốn E (MPa)
Ứng suất phá hủy uốn б (MPa)
Lần 1 1043 39.35
Lần 2 989 39.43
Lần 3 1124 40.12
Lần 4 1056 40.25
Giá trị trung bình Etb = 1053 Mpa б tb = 39.79 Mpa
Mẫu 2: Kích thƣớc mẫu 250x25x3 mm
TT Môdun đàn hồi uốn E (MPa)
Ứng suất phá hủy uốn б (MPa)
Lần 1 1208 41.65
Lần 2 1267 41.67
Lần 3 1294 41.89
Lần 4 1243 41.
Giá trị trung bình Etb = 1253 Mpa б tb = 41.37 Mpa Mẫu 3: Kích thƣớc mẫu 250x25x5 mm
TT Môdun đàn hồi uốn E (MPa)
Ứng suất phá hủy uốn б (MPa)
Lần 1 1785 68.23