- Độ bền hoỏ học của sợi thuỷ tinh
e. Ảnh hưởng của mụi trường làm việc đến vật liệu Composite nền nhựa epoxy/cốt vải thuỷ tinh.
epoxy/cốt vải thuỷ tinh.
Vật liệu composite nền nhựa là loại vật liệu rất nhạy cảm với mụi trường. Trong điều kiện khớ hậu nhiệt đới giú mựa của Việt Nam: mưa nắng nhiều,
độ ẩm cao, thời tiết thay đổi thất thường khụng theo một quy luật nhất định, Vật liệu composite bị ảnh hưởng rất mạnh, tuy vậy cỏc kết quả nghiờn cứu về vấn đề này hầu như chưa cú. Sau đõy chỳng tụi sẽ giới thiệu một số cơ sở
khoa học nghiờn cứu về ảnh hưởng của mụi trường đến cỏc ứng xử cơ học của Vật liệu composite.
Ảnh hưởng của hiện tượng lóo húa
Khỏi niệm lóo hoỏ: Ta hiểu lóo hoỏ là sự thay đổi tớnh chất của vật liệu với nghĩa xấu đi theo thời gian, [5]. Trong quỏ trỡnh lóo hoỏ vấn đề cần quan tõm là sự thay đổi cỏc tớnh chất của vật liệu diễn ra từ từ trong thời gian dài dưới
ảnh hưởng của thời tiết, nhiệt độ, độ ẩm, ỏnh sỏng. v.v... Cỏc tớnh chất cơ
học của vật liệu chất dẻo hay vật liệu composite nền chất dẻo phụ thuộc rất nhiều vào thời gian chịu tỏc dụng của tải trọng, điện trường, điện ỏp xoay chiều, thời tiết, mụi trường ... Cỏc biểu hiện bờn ngoài của hiện tượng lóo hoỏ chớnh là bản chất vật lớ của hiện tượng, nú cũng được biểu lộ qua tỏc dụng cơ học, nhiệt độ và cỏc ảnh hưởng của thời tiết trong khi đú sự lóo hoỏ
bờn trong vật liệu lại được biểu hiện thụng qua cỏc yếu tố hoỏ học và cấu trỳc.
Cỏc yếu tố ảnh hưởng cần phải kể đến:
ắ Tỏc dụng của điện trường, điện ỏp xoay chiều tỏc động trong suốt quỏ trỡnh vận hành. [15]
ắ Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm cao (sự thay đổi nhiệt độ và số chu kỡ thay đổi nhiệt độ) [18, 19].
ắ Thời tiết thay đổi ắ Ánh sỏng (tia cực tớm)
ắ Mụi trường húa học (dầu cỏch điện, khớ SF6, nước, ...)
Do hiện tượng lóo hoỏ, [20] cỏc trạng thỏi ứng suất ở bề mặt tiếp xỳc sợi/nhựa ảnh hưởng cú tớnh chất quyết định đến cỏc tớnh chất cơ học của Vật liệu composite. Nếu khảo sỏt vật liệu tại 2 thời điểm trước và sau quỏ trỡnh lóo hoỏ xảy ra ta thấy do cú sự co ngút của vật liệu điện nền làm xuất hiện thờm ứng suất riờng trong lũng Vật liệu composite.
Sự hỡnh thành cỏc vết nứt:
Khi đề cập đến cỏc hậu quả của quỏ trỡnh lóo hoỏ của Vật liệu composite nền nhựa cốt sợi người ta phải đề cập đến việc hỡnh thành cỏc vết nứt. Xu hướng hỡnh thành vết nứt do lóo hoỏ gõy nờn càng tăng khi cú độ dũn của Vật liệu composite tăng lờn. Vết nứt thường xuất hiện bắt đầu từ bề mặt vật liệu sau
đú lan dần vào trong. Qua nghiờn cứu người ta khẳng định rằng cỏc vết nứt
được tạo ra do lóo húa luụn phỏt triển theo mặt ngăn cỏch sợi/nhựa vỡ vậy Vật liệu composite cốt vải cỏc vết nứt thường xuất hiện như cỏc đường trờn mặt bàn cờ.
Ảnh hưởng của mụi trường húa học: dầu cỏch điện, nước, nhiệt độ và
Nhỡn chung Vật liệu composite khi chế tạo được tiến hành ở nhiệt độ cao, do
đú khi trở về nhiệt độ phũng sẽ xuất hiện biến dạng và dẫn đến sự thay đổi kớch thước của vật liệu và làm xuất hiện cỏc ứng suất dư trong lũng vật liệu. Khỏc với vật liệu nền kim loại nhưng rất giống với một số loại vật liệu xốp khỏc, vật liệu Composit nền nhựa rất nhạy cảm với chất lỏng, nhiệt độ và hơi
ẩm, dễ hỳt ẩm và chất lỏng cho tới khi bóo hoà gõy nờn sự trương nở trong lũng vật liệu, làm xuất hiện thờm phần ứng suất và biến dạng. Kết quả là ảnh hưởng rất lớn tới độ bền, tuổi thọ và độ biến dạng của cỏc kết cấu làm từ Vật liệu composite. Với đặc tớnh dễ bỏm nước (hydrophil) của bề mặt thuỷ tinh, qua thớ nghiệm nhiều tỏc giả cho thấy khả năng thẩm thấu rất nhanh của cỏc phõn tử nước vào trong lũng Vật liệu composite theo cỏc đường khe hổng dọc theo sợi thuỷ tinh. Đõy là yếu tố khỏ quan trọng cần phải để ý tới. Vật liệu composite sẽ hư hại càng nhanh nếu vật liệu nền cũng dễ bỏm nước (hydrophil) và cú khả năng ngậm khỏ nhiều nước.
PHỤ LỤC 3
Sự xuống cấp khụng hồi phục của cỏch điện composite
1. Cơ chế đỏnh thủng
Sự đỏnh thủng cỏch điện, cũn được gọi là phúng điện, cú thể xảy ra theo nhiều cơ chế khỏc nhau. Cỏc nguyờn nhõn chớnh là:
a) Đỏnh thủng điện-cơ học
Nguyờn nhõn của cơ chế phúng điện này là do lực tĩnh điện tỏc động lờn 2 đầu điện cực của cỏch điện, nếu lực ộp tĩnh điện này đủ lớn thỡ sẽ làm cho
độ dày của cỏch điện giảm xuống và do đú làm tăng cường độ điện trường tỏc động lờn cỏch điện. Một hiệu ứng như thế này cú thể lớn hơn nữa nếu nhiệt độ tăng lờn hoặc cú sự làm núng vật liệu và gõy ra phúng điện. Tuy nhiờn, hiện tượng này rất ớt xảy ra
b) Đỏnh thủng do nhiệt
Khi độ dẫn điện của vật liệu quỏ lớn, do tăng nhiệt độ, mật độ dũng điện tăng lờn làm núng vật liệu do hiệu ứng Joule. Sự làm núng này làm tăng độ
dẫn điện và do đú tạo ra cỏc khối nhiệt và gõy ra phúng điện tại đõy. Hiện tượng này cú thể gặp trong trường hợp cú những điểm núng bất thường trong hệ.
c) Đỏnh thủng do phúng điện từng phần
Sự đỏnh thủng do phúng điện là sự phỏt triển của cõy điện, sinh ra trong những lỗ trống (void) của vật liệu hoặc trờn một sự tăng cường điện trường cục bộ xuất phỏt từ một khiếm khuyết trong cỏch điện hoặc trờn 1 điện cực. Cỏc dũng điện xung tương ứng với sự phúng điện từng phần, và đặc biệt là thỏc điện tử trong pha khớ của khoảng rỗng trong vật liệu, làm xuống cấp vật liệu cỏch điện. Một cấu trỳc cỏc sợi nhỏnh tạo bởi cỏc kờnh dẫn micro hỡnh thành nờn cõy điện như trong hỡnh 1.
Sự phỏt triển của cỏc cõy điện và cỏc mụ hỡnh hoỏ của chỳng là đề tài của rất nhiều nghiờn cứu được tiến hành từ những năm 80.
Trong trường hợp quỏ trỡnh xuống cấp diễn ra trong một thời gian dài, hay chớnh là cơ chế đỏnh thủng bởi phúng điện, thỡ sự hỡnh thành cõy điện
được xỏc định. Đõy cũng chớnh là dạng đỏnh thủng ảnh hưởng lớn đến vật liệu composite epoxy – glass fiber.
2. Phúng điện từng phần trong lỗ trống (void) của cỏch điện rắn
Sự xuống cấp của cỏch điện bằng cơ chế cõy điện núi chung được hỡnh thành bởi một hư hỏng (khiếm khuyết) trong hệ cỏch điện. Hư hỏng này cú thể ở phần tiếp giỏp giữa điện cực và cỏch điện hoặc nằm bờn trong cỏch
điện. Trong trường hợp đầu, sự gia tăng cường độ điện trường do hiệu ứng mũi nhọn cú thể dẫn đến sự xõm nhập của cỏc điện tớch vào trong cỏch điện tạo nờn cỏc điện tớch khụng gian trong vật liệu.
Phúng điện từng phần là một quỏ trỡnh đỏnh thủng cỏch điện mà chỉ xảy ra trong một chiều dày giới hạn của cỏch điện. Trong cỏch điện rắn, hiện tượng này xảy ra trong cỏc lỗ trống, do cỏc khiếm khuyết hoặc “ăn mũn” trong vật liệu. Hiện tượng phúng điện từng phần xuất hiện khi mà cỏc điện tớch được tớch tụ, tập trung tại mộp lỗ trống. Khi lượng điện tớch tớch tụđược, chớnh là điện trường của lỗ trống, đủ lớn thỡ cỏc mầm electron cú trong lỗ
trống cú thể gõy ra ion hoỏ chất khớ bởi cơ chế thỏc điện tử. Sự xúi mũn do tỏc động của điện tớch trờn thành của lỗ trống làm tăng thờm sự hư hỏng của cỏch điện và là nguyờn nhõn hỡnh thành cõy điện.
Nguồn gốc của lỗ trống
Diễn tiến của vật liệu cỏch điện từ lỳc bắt đầu được sử dụng cho đến khi bịđỏnh thủng bởi cõy điện được nghiờn cứu rất nhiều từ trước đến nay. Cỏc chặng đường khỏc nhau trong tuổi đời của vật liệu được trỡnh bày trong hỡnh
Như trờn đó trỡnh bày, sự xuất hiện của phúng điện từng phần tương ứng với giai đoạn đầu của quỏ trỡnh già hoỏ vật liệu. Do đú, để xỏc định được cỏc cơ chế già hoỏ và ảnh hưởng của cỏc tham số như là nhiệt độ và cường độ điện trường, thỡ cần phải tỡm hiểu sự hỡnh thành và phỏt triển của cỏc lỗ
trống mà chớnh chỳng sẽ là những nơi xảy ra sự phúng điện đầu tiờn.
Cơ chế ban đầu của sự hỡnh thành nờn cỏc lỗ trống, theo hỡnh II.2 là do sự
thoỏi biến ở cấp độ phõn tử như là sự tỏi định dạng cỏc phõn tử hay sự
chuyển động của cỏc nguyờn tử. Những hiện tượng này bắt nguồn từ cỏc lực tĩnh điện và điện cơ học. Sự tồn tại của cỏc dạng phản ứng hoỏ học cũng cú
thể là nguyờn nhõn đầu tiờn của sự xuống cấp vật liệu, vớ dụ như là phản ứng oxy hoỏ.
Cỏc hiện tượng khỏc cũng cú thể là nguyờn nhõn hỡnh thành cỏc lỗ trống. Cỏc tỏc động nhiệt – cơ học gõy ra vớ dụ bởi sự gión nở khỏc nhau của điện cực và cỏch điện hoặc trong trường hợp của vật liệu composite là do cỏc lực xộ, ộp tạo nờn cỏc vết nứt và bong (cốt gia cường ra khỏi chất nền).
Sự xõm nhập của cỏc electron cú năng lượng cao trong vựng điện trường cao gúp phần vào sự xúi mũn trong vật liệu, hay là làm tăng kớch thước của lỗ
trống. Cỏc điện tớch sinh ra bởi điện trường trong vật liệu , hay cũn gọi là
điện tớch khụng gian, cú thể là nhõn tố khởi đầu tạo nờn cỏc hư hỏng trong vật liệu theo cỏc cơ chế sau: Trong khoảng thời gian đầu, cỏc điện tớch này sẽ làm thay đổi giỏ trị điện trường cục bộ, tạo nờn cỏc vựng cú điện trường cao đột biến. Cỏc điện tớch này cũng cú thể làm biến đổi cấu trỳc phõn tử của vật liệu. Cuối cựng, sự phối hợp của cỏc cơ chế này chớnh là nguyờn nhõn phỏt ra cỏc ỏnh sỏng và làm gẫy cỏc liờn kết phõn tử.
PHỤ LỤC 4
Phương phỏp nghiờn cứu và xõy dựng định luật già hoỏ
1. Phương phỏp nghiờn cứu quỏ trỡnh già hoỏ điện - nhiệt
Nghiờn cứu già hoỏ của vật liệu cỏch điện núi chung và vật liờu composite cỏch điện núi riờng là dựa trờn việc đặc tớnh hoỏ cỏc tớnh chất thay đổi theo thời gian của sự già hoỏ dưới cỏc tỏc động cho trước của điện trường và nhiệt độ. Trong phần này chỳng ta sẽ xột đến cỏc điều kiện già hoỏ đối với vật liệu epoxy, thành phần chớnh của vật liệu composite được nghiờn cứu trong đề tài này.
Trước hết cần phải xỏc định cỏc điều kiện già hoỏ đối với vật liệu. a) Cỏc điều kiện già hoỏ
Theo Paloniemi, sự xuống cấp về mặt vật lý của vật liệu là hậu quả của những phản ứng hoỏ học. Vỡ vậy, để cú thể so sỏnh sự thay đổi cỏc tớnh chất với cỏc điều kiện già hoỏ khỏc nhau, cỏc tiến trỡnh già hoỏ ở cỏc điều kiện nhiệt độ khỏc nhau sẽ phải được chi phối bởi cỏc phản ứng như nhau. Cỏc phản ứng của sự xuống cấp vỡ thế phải được chế ngự bởi 1 trong số chỳng nhất trong phạm vi nghiờn cứu nhiệt độ.
Sandrolini nhận thấy rằng với nhiệt độ lớn hơn 1500C thỡ tuổi thọ của epoxy là dưới 1000h khi già hoỏ bằng nhiệt. Cỏc nghiờn cứu khỏc đó khằng định mức nhiệt độ này là vào khoảng 120 đến 1500C. Điều này cú nghĩa là phương thức tiến hành già hoỏ nhiệt chung nhất là ỏp dụng nhiệt lớn hơn nhiệt độ thiờu kết của vật liệu.
Tương tự như vậy, điều kiện già hoỏ về điện của epoxy được xỏc định từ giỏ trị ban đầu (đối với vật liệu khụng già hoỏ) của độ bền điện mụi. Vớ dụ, sandrolini đó sử dụng điện trường theo cụng thức sau đối với nhựa epoxy DGEBA:
Với E là điện trường đặt lờn cỏch điện trong quỏ trỡnh già hoỏ và ES0 là độ
bền điện ban đầu.
b) Làm rừ cỏc đặc tớnh hàm của vật liệu
Cỏc điều kiện già hoỏ điện - nhiệt được xỏc định theo phương phỏp đặc tớnh hoỏ chọn trước. Thực vậy, vật liệu cú thể được đặc tớnh hoỏ hoặc theo thời hạn trước khi phỏ huỷ dưới tỏc động điện trường khụng đổi hoặc bằng phộp
đo độ bền sau khi già hoỏ. Đõy là cỏc phương phỏp phỏ huỷ và đặc tớnh hoỏ quỏ trỡnh hư hỏng của cỏch điện.
Khoảng thời gian trước khi phúng điện đỏnh thủng khi đú được xỏc định là tuổi thọ của vật liệu, cỏc tớnh chất khỏc cũng cú thể được nghiờn cứu như là
độ bền điện hoặc sự xuất hiện của hiện tượng phúng điện từng phần. Vấn đề
hiện tượng. Do đú, cần phải thực hiện trờn một số lượng lớn cỏc mẫu và tiến hành cỏc phương phỏp diễn giải thống kờ, thụng thường là thống kờ Weibull với 2 hoặc 3 tham số. Ngoài ra, đối với vấn đề già hoỏ gia tốc núi chung thỡ thời gian thực hiện phải phự hợp với nghiờn cứu mà vẫn phải thể hiện được thực tế cỏc điều kiện hoạt động và quỏ trỡnh làm việc của vật liệu đú.
Kadotani đó dựng một cỏch tiếp cận khỏc trong việc xỏc định tuổi thọ của vật liệu bằng cỏc sử dụng độ bền điện (độ bền xỏc định bằng việc tăng ỏp nhanh). ễng đó định nghĩa một giỏ trị của độ bền điện tương ứng với tuổi thọ vật liệu. Sự già hoỏ của vật liệu cỏch điện sẽ làm giảm độ bền điện cho tới giỏ trị này. Từ cỏc điều kiện già hoỏ khỏc nhau, ụng tiến hành phộp ngoại suy tuổi thọ của vật liệu theo từng điều kiện tỏc động khỏc nhau của nhiệt độ
và điện trường như trong quỏ trỡnh sử dụng thực tế. Vớ dụ ụng sử dụng cỏc mức nhiệt độ 155, 180 và 200 0C và điện trường là 11 và 25kV/mm khi mà
điều kiện già hoỏ của vật liệu trong thực tế sử dụng là 1300C và 6,4kV/mm. Phộp ngoại suy xỏc định tuổi thọ trong quỏ trỡnh sử dụng thực tế được thực hiện theo định luật Arrhenius, mụ hỡnh mũ mà sẽ được trỡnh bày rừ hơn trong phần sau.
Phương phỏp nghiờn cứu này vẫn cũn đang tranh cói bởi vỡ nú ngoại suy giỏ trị tuổi thọ vật liệu cho nhiều năm từ cỏc dữ liệu nghiờn cứu trong vài ngày hoặc vài tuần. Điều này hàm ý rằng phương phỏp này giả định cỏc vật liệu phản ứng theo cỏch tương tự nhau trong điều kiện sử dụng và điều kiện già hoỏ mà thực tế thỡ cỏc điều kiện này rất khỏc nhau.
c) Đặc tớnh hoỏ cỏc tớnh chất khỏc của cỏch điện
Cỏc tớnh chất đó trỡnh bày ở phần trờn của cỏch điện rất cú ý nghĩa trong việc xỏc định sự phỏ huỷ của mẫu. Cỏc tớnh chất khỏc cú thể được tiến hành để
tỡm hiểu sự biến đổi của cỏc vật liệu nghiờn cứu. Champion và Dodd, trong cỏc nghiờn cứu của mỡnh về sự hỡnh thành cõy điện, đó đặc tớnh hoỏ cỏc vật liệu của họ bằng việc quan sỏt sự thay đổi chỉ số khỳc xạ, nhiệt độ thiờu kết của vật liệu cũng như hệ số tổn thất điện mụi. Cỏc tớnh chất điện mụi được sử dụng nhiều lần để xỏc định mức độ già hoỏ khỏc nhau.
Cỏc phương phỏp hoỏ lý cũng được sử dụng để xỏc định sự thay đổi của vật liệu. Tanaka đó liệt kờ ra một số kỹ thuật như phõn tớch nhiệt (Phõn tớch nhiệt trọng lực, phõn tớch nhiệt vi sai), cỏc kỹ thuật sắc ký và cả phương phỏp phổ khối. Việc quan sỏt cỏc hư hỏng tầm vi mụ cũng được tiến hành.