8.3.1. Đặc trưng chung của công nghệ
Vì vật liệu compozit là vật liệu được chế tạo nên từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, vì thế quá trình chế tạo chúng và các kết cấu từ compozit là sự tổng hòa của rất nhiều quá trình và thao tác công nghệ khác nhau. Đặc trưng chung của công nghệ chế tạo các kết cấu sản phẩm từ compozit polyme bao gồm những thao tác cơ bản sau:
+ Chuẩn bị vật liệu nền và cốt ( bao gồm cả việc kiểm tra chất lượng và tính chất của chúng xem có phù hợp với yêu cầu kỹ thuật không, xử lý bề mặt sợi cốt để tăng độ bền kết dính, loại bỏ các chất bẩn và tạp chất, sấy khô…)
+ Kết dính vật liệu nền và cốt: Việc kết dính này có hai cách thức: trực tiếp và gián tiếp. Phương pháp trực tiếp là phương pháp mà trong quá trình sản xuất kết cấu trực tiếp kết dính từ các vật liệu thành phần ban đầu, bỏ qua giai đoạn chuẩn bị các bán thành phẩm. Phương pháp gián tiếp là phương pháp các chi tiết của kết cấu được tạo ra từ các bán thành phẩm, khi sợi đã được tẩm nhựa nền từ trước
Cho đến nay đã có rất nhiều quá trình sản xuất chế tạo các kết cấu chi tiết từ compozit với những hình dạng cấu trúc và mục đích sử dụng khác nhau. Những công nghệ cơ bản sẽ được giới thiệu ngay sau đây
8.3.2. Một số phương pháp gia công chế tạo kết cấu từ compozit
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, đặc biệt là cơ khí tự động hóa và tin học ngày nay có rất nhiều phương pháp gia công vật liệu PC, tùy thuộc vào mục đích vào qui mô sản xuất vào tính chất và kích thước của kết cấu cũng như vào yêu cầu kỹ thuật mà lựa chọn phương pháp gia công thích hợp. Sau đây là một số phương pháp gia công phổ biến:
+ Lăn ép bằng tay: Đây là phương pháp dùng rulô hay chổi quét tẩm nhựa lên vải sợi. Sợi gia cường xếp trong khuôn. Sử dụng các loại gia cường khác nhau cho các phần kết cấu của sản phẩm. Sau đó tẩm nhựa lên sợi gia cường rồi dùng rulô ép để loại bỏ không khí. Tiếp tục sử dụng kỹ thuật như trên cho đến khi kết cấu đạt đến độ dày cần thiết. Tách sản phẩm sau một thời gian xác định để cho nhựa nền đóng rắn hoàn toàn. Chú ý là trước khi gia công để cho dễ dàng tách sản phẩm phải bôi lên khuôn một chất chống dính thích hợp. Phương pháp gia công này sử dụng rất phổ biến vì thiết bị máy móc đơn giản, không cần công nhân có trình độ tay nghề cao tuy nhiên nhược điểm của nó là rất độc hại đối với sức khỏe của người thi công trực tiếp và làm ô nhiễm môi trường.
Điểm đặc biệt của quá trình công nghệ này là nhận được sản phẩm với kích cỡ chính xác, và có độ nhẵn bề mặt ở phần tiếp xúc với khuôn trong quá trình chế tạo. Khuôn có thể được chế tạo từ vật liệu tùy ý, nhưng phải đảm bảo được độ cứng và đảm bảo được khi thi công tạo được dáng sản phẩm với kích cỡ đạt yêu cầu. Ngoài ra khuôn còn phải chịu được các tác động hóa học của nhựa nền. Thông thường khuôn được chế tạo từ gỗ, thạch cao, bê tông, kim loại.
Các lỗi kỹ thuật và cách khắc phục trong phương pháp đắp tay:
Các sai hỏng Nguyên nhân Cách khắc phục
Gel coat dính khuôn Sử dụng không đúng chất róc khuôn
Bôi lại chất róc khuôn và giữ khô. Nếu còn có thể phun PVOH trên lớp wax
Nhựa đi qua lớp gelcoat
Gelcoat bị trương và tách ra khỏi bề mặt khuôn do không đủ chất đóng rắn và do styren trong nhựa
Cho gelcoat đóng rắn nhanh. Lớp gelcoat khoảng 0.025 – 0.035mm là vừa. Đóng rắn nhanh lớp nhựa phủ trên gelcoat bằng cách thêm vào chất xúc tiến Bề mặt sản phẩm mờ không bóng láng Lấy sản phẩm nhanh. bề mặt khuôn bị làm bẩn.
Kéo dài thời gian đóng rắn của gelcoat và sản phẩm
Lớp gel coat có các lỗ khuyết
Do sự phồng lên của lớp gelcoat (lớp gelcoat bị tách ra khỏi lớp nhựa) và giữ không khí trong đó.
Phun gel coat thành nhiều lớp. kiểm tra các vết trương sau khi đắp. Sửa chữa liền sau khi tháo khuôn bằng cách đắp mastic.
Bọt, trương phồng, rỗ trên mặt gelcoat
Bọt khí, dung môi, dơ, nhiệt độ sinh ra trong quá trình gia công quá cao
Hạn chế bọt khi trong quá trình khuấy trộn xúc tác. giữ ổn định trong thời gian ngắn sau khi trộn và trước khi phun. Làm sách khu vực làm việc và khuôn
Hinh.8.2 Công nghệ lăn ép bằng tay. 1.con lăn, 2.khuôn, 3.gel cốt, 4. sợi gia cường, 5.chất chống dính, 6. nhựa nền
Xuất hiện các vùng mền
Đóng rắn không đồng đều Đưa thêm xúc tác và trộn kỹ
Có những vết rỗ lớn Sử dụng quá nhiều chất róc khuôn tại các góc sản phẩm làm cho gelcoat không thấm ướt vùng này Cẩn thận khị chọn lựa và sử dụng chất róc khuôn Xuất hiện các rãnh và khe nứt Vết nứt lớn là do tại đó lớp gelcoat quá dày hay nhiệt độ tỏa ra lớn.
Phun gelcoat đồng đều hơn. Trộn chất xúc tác kỹ hơn. Cẩn thận trong khi phun.
Các vết khuyết dọc theo bề mặt.
Độ nhớt của nhựa quá thấp, khuôn và nhiệt độ phòng quá cao.
Điều chỉnh lại độ nhớt của nhựa. Giản nhiệt độ phòng và khuôn
Bọt khí Bọt khí bị giữ trong sợi sau khi thấm ướt nhựa.
Khử bọt cẩn thận hơn, có thể thấm trước một lượng nhựa lên khuôn. Có thể pha thêm một lượng nhỏ màu xanh vào nhựa để có thể nhận thấy bọt dễ dàng
+ Ép nóng trong khuôn: Quá trình hiệu quả kinh tế nhất để sản xuất trên qui mô lớn các kết cấu có kích thước nhỏ đến trung bình. Chế tạo sản phẩm bằng máy ép thủy lực và khuôn kim loại được gia nhiệt. Sợi gia cường được xếp vào trong khuôn gia nhiệt được phủ một lớp chống dính. Nhựa có chất xúc tác được rót lên. Khuôn được đóng mở chính xác phụ thuộc vào tốc độ phản ứng của nhựa. Phương pháp này
+ Đúc kéo: Để chế tạo sản phẩm dạng thanh thẳng hoặc uốn, với thiết diện không đổi được gia cường chắc chắn theo một phương. Sản phẩm gia cường được thấm nhựa trong bể nhựa đã cho xúc tác. Sau đó sợi gia cường đã tẩm nhựa được kéo qua một khuôn gia nhiệt để gạt bỏ phần nhựa thừa, tạo hình cho sản phẩm đồng thời đóng rắn nhựa.
Hình 8.3 công nghệ ép nóng trong khuôn, 1. trục dẫn
động, 2. nhựa+sợi, 3. khuôn dương, 4. khuôn âm, 5. điện trở gia nhiệt
+ Phương pháp quấn: Công nghệ quấn các kết cấu compozit đã xuất hiện vào đầu những năm 60 của thế kỷ trước, trải qua một thời gian khá dài hoàn thiện công nghệ đến nay công nghệ quấn đã đạt đến trình độ tiên tiến tự động hoặc bán tự động, cho phép chế tạo được nhiều loại kết cấu có độ bền cao
Trong phương pháp quấn sợi gia cường được tẩm nhựa có xúc tác cho cuộn xung quanh một trục quay tròn có hình dáng của mặt trong kết cấu cần chế tạo. Sau khi quấn với những số lần quấn nhất định theo các chiều khác nhau, đạt được độ dày và cấu trúc cốt thiết kế, sản phẩm được trải qua quá trình đóng rắn và tháo sản phẩm. Sản phẩm có tỷ lệ sợi gia cường cao nên tính chất cơ học cao.
Công nghệ quấn chủ yếu được dùng để chế tạo các kết cấu có hình dạng của vật thể quay, các ống kỹ thuật, ống dẫn dầu, nước, hóa chất, các lọai bình chứa, xitec, vỏ động cơ tên lửa, các thùng chuyên trở vận tải, các thân vỏ của máy bay. Chính vì ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực của khoa học kỹ thuật như vậy nên phương pháp này là một trong những phương pháp rất quan trọng trong công nghệ chế tạo compozit.
+ Công nghệ SMC hay còn gọi là cán tấm: Theo phương pháp này nhựa sau khi trộn sẽ được bơm lên màng nhựa ở cả hai vị trí cùng một lúc, sợi liên tục sẽ được cắt bởi một dao cắt phía trên máy và rải đều lên vào giữa hai lớp nhựa. Toàn bộ nguyên vật liệu này sẽ đi qua bộ phận cán tấm. Hệ thống cán tấm này nhằm tạo ra sự thấm uớt đồng đều của nhựa lên sợi.
Hình 8.4. Công nghệđúc kéo, 1. Khuôn đóng rắn, 2. con lăn kéo, 3. thớt gia nhiệt, 4. Sợi gia cương, 5. tang quay, 6 bể tẩm nhựa nền, 7. sản phẩm Hình 8.5. Công nghệ cuôn, 1. Đầu cấp sợi, 2. động cơ, 3. thân máy, 4 sợi đã tẩm nhựa, 5. lõi trục
Những ưu điểm của công nghệ SMC
Kiểm soát được sợi trong SMC do đó điều chỉnh tính năng cơ lý tính của sản phẩm
Sản phẩm đuợc ép trong khuôn có thể tạo gân, tạo lỗ hoặc đưa chi tiết phụ vào
Trọng lượng nhẹ, SMC có trọng lượng riêng nhẹ hơn cấu trúc kim loại.
Ổn định kích thước, SMC có độ ổn định kích thước trong những điều kiện nhiệt độ và môi trường. Sự thay đổi thể tích khi gia công cũng có thể kiểm soát theo lượng phụ gia đưa vào trong công thức.
+ Công nghệ khuôn chân không ô tôcla: Phương pháp này được áp dụng để sản xuất các sản phẩm có kích thước lớn với cấu trúc phức tạp, với những đòi hỏi và ổn định về tiêu chuẩn cơ lý hóa khi khai thác sử dụng chúng và với số lượng sản phẩm lớn. Quá trình chế tạo sản phẩm được thực hiện dưới sự chênh lệch áp lực lên màng đàn hồi điapham trong bình otocla. Nhiệt độ trong bình được làm tăng lên sau khi đưa khuôn có vật liệu vào. Các túi chân không đàn hồi điapham có tác dụng phân bố đồng đều áp suất lên khuôn. Dưới tác dụng của nhiệt độ và áp lực ép của túi chân không vật liệu đóng rắn thành sản phẩm mong muốn.
8.4. Ứng dụng của vật liệu polyme compozit
Hiện nay, các lĩnh vực ứng dụng của vật liệu compozit hết sức phong phú, từ những sản phẩm đơn giản như bồn tắm, thùng chứa nước, tấm lợp… cho đến những chi tiết và kết cấu phức
Hình 8.6 dây chuyền công nghệ SMC, 1.SMC, 2,4.màng nhựa, 3. sợi, 5 nhựa. 6. dao cắt sợi, 7. sợi ngắn
Hình 8.7 .khuôn chân không ô tôc la, 1. gia nhiệt, 2. không khí vào, 3. vật liệu, 4. hút chân không, 5. khuôn, 6. túi điapham.
tạp có những yêu cầu đặc biệt trong máy bay, tàu vũ trụ. Những ứng dụng quan trọng của vật liệu compozit có thể qui về những lĩnh vực lớn sau đây:
8.4.1. Ứng dụng trong chế tạo ôtô và các phương tiện giao thông trên mặt đất
Việc sử dụng vật liệu compozit trong chế tạo ô tô đem lại những hiệu quả sau đây; + Giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng các thông số sử dụng, chịu ăn mòn tốt + Tăng độ lớn của chi tiết, giảm chi phí sản xuất.
+ Giảm độ ồn và độ rung, tăng độ tiện nghi + Giảm nguy hiểm cho người khi xảy ra tai nạn + Giảm vốn đầu tư cho thiết bị sản xuất
Hiện nay hầu hết các loại ô tô đua và nhiều chi tiết trên các ô tô vận tải và hành khách được chế tạo từ vật liệu compozit.
8.4.2. Ứng dụng trong lĩnh vực đóng tàu
Vật liệu polyme compozit dạng chất dẻo tăng cường bằng sợi thủy tinh được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàu từ thời điểm bắt đầu sử dụng vật liệu đó vào công nghiệp năm 1940. Độ bền riêng lớn, tuổi thọ cao, bền với môi trường nước biển, đơn giản khi sử dụng và sửa chữa, độ dẫn nhiệt thấp hơn so với kim loại. Ngoài ra vật liệu này còn cho phép người thiết kế tàu sử dụng độ mềm dẻo của vật liệu vào các kết cấu mà những kim loại thông thường không có.
Đối với tàu chiến và đặc biệt là tàu ngầm tiếng động của động cơ chân vịt là một trở ngại rất lớn trong thiết kế và sử dụng tàu, thật ra, chân vịt tàu ngầm đã được nghiên cứu rất kỹ trên phương diện thiết kế hình dạng, vật liệu, thủy động lực học và âm học. Nó được chế tạo bằng hợp kim nickel, nhôm và đồng, có đường kính 6 m, nặng hơn 40 tấn. Thời gian cần để hoàn thành một chân vịt là 12 tháng. Hợp kim nầy có khả năng chống rung rất hiệu quả nhưng tiếng ồn gây ra bởi sự tác động giữa nước và khối kim loại khổng lồ nặng 40 tấn vẫn không thể giảm thiểu. Chân vịt compozitdùng sợi carbon đang được các nhà khoa học và kỹ sư thiết kế đặc biệt lưu tâm. Đây là một thách thức lớn nhưng cũng có thể là lời giải cho trong việc chống rung giảm tiếng ồn, giảm thời gian sản xuất, giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng vận tốc, tăng sự linh hoạt trong thao tác chiến đấu.
8.4.3. Ứng dụng trong hàng không và vũ trụ
Theo số liệu thống kê của hãng sản xuất máy bay Airbus, khi sử dụng chất dẻo tăng cường bằng sợi cabon trong sản xuất loại máy bay A380 thì có sự thay đổi một cách cơ bản về chi phí cho vật liệu sản xuất. Do chất dẻo cacbon đắt nên giá thành của máy bay tăng từ 20,5-73,8% song chi phí sản xuất lại giảm từ 79,5-22,9%. Nếu tính chung thì hiệu quả kinh tế vẫn cao hơn. Vấn đề quan trọng nhất là giảm được trọng lượng kết cấu, nhờ vậy mà giảm được tiêu hao nhiên liệu, tăng khối lượng vận chuyển và tầm bay xa.
Trong ngành vũ trụ, việc chế tạo các chi tiết của tàu vũ trụ bằng vật liệu compozit sợi cacbon rất phổ biến và chỉ có vật liệu đó mới đáp ứng được những yêu cầu công nghệ và kỹ thuật mà các chi tiết đòi hỏi. Với mép và cánh tàu vũ trụ một yêu cầu kỹ thuật là vật liệu phải chịu
được nhiệt độ cao và bền vững với các tải khí động lực học và sự thay đổi nhiệt độ lớn trên bề mặt các chi tiết khi bị va chạm. Đối với loa phụt của động cơ tên lửa nhờ có vật liệu compozit sợi cacbon mà bộ phân quan trọng này trong vòng 15 năm trở lại đây đã có những thay đổi lớn về kích cỡ, cấu trúc và hình dáng.
Vật liệu compozit cacbon-cacbon cũng được xem là vật liệu tốt nhất để làm chóp khí động cơ tên lửa. Những chóp này được làm từ vật liệu compozit cacbon có độ bền cao với sự ô xy hóa của không khí ở nhiệt độ cao, các thử nghiệm gần đây cho thấy rằng chóp khí làm bằng loại vật liệu này giữ được hình dáng và bảo vệ được các thiết bị bên trong tên lửa khi làm việc ở điều kiện nhiệt độ trên 2760oC và vận tốc lớn hơn 5370m/s.
8.4.4. Các ứng dụng quan trọng khác của vật liệu polyme compzozit
Vật liệu polyme compozit trên cơ sở sơi cacbon tương thích rất tốt với các mô của cơ thể sống, vì vậy vật liệu sợi cacbon này được dùng đê chế tạo các thiết bị y tế, các bộ phận thay thế như xương, chất hàn răng, vỏ sọ não. Các loại vải cabon khi băng các vết bỏng làm cho chúng mau lành và khi gỡ thay băng rất róc, không gây thương tổn cho vết thương vừa mới lành. Những năm gần đây polyme compozit sợi cacbon còn được dùng để chế tạo ra các thiết bị viễn thông đặc biệt là anten do nó có hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ cứng cao và dẫn nhiệt tốt.
Ngoài ra do có độ bền hóa học cao, compozit polyme sợi cacbon còn được dùng nhiều trong công nghiệp hóa chất để chế tạo các ống dẫn, các bể chứa, các loại máy bơm, các loại bình chứa các hóa chất và các thiết bị khác phải làm việc trong môi trường hóa học độc hại.
Đối với ngành luyện kim vật liệu compozit có thể chế tạo ra các khuôn đúc áp lực cho việc dập nóng các kim loại và các hợp kim khó nóng chảy. Các khuôn đúc bằng vật liệu này có độ bền cơ lý cao, chịu được nhiệt độ cao, bền với ứng suất nóng, lại nhẹ và có thời gian sử dụng lâu