Do hạn chế về thời gian, khả năng và nguồn lực nên nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu các vấn đề sau:
- Chỉ nghiên cứu trong công nghệ ép phun.
- Vật liệu composite sử dụng là composite nền nhựa PA6 (Polyamide 6) gia cường sợi thủy tinh ngắn với kích thước 2-4µm.
- Chỉ nghiên cứu trên sợi thủy tinh ngắn với tỷ lệ 0 – 30%.
1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập tài liệu:
+ Thu thập tài liệu liên quan đến cơ sở lý thuyết của đề tài và xử lý tài liệu. + Nghiên cứu tiêu chuẩn ISO 178 và 527.
- Phương pháp kế thừa: Kế thừa có chọn lọc tài liệu và các cơng trình nghiên cứu ở trong nước và trên thế giới có liên quan đến vấn đề nghiên cứu.
8
- Phương pháp thiết kế và gia công mẫu: Chế tạo mẫu thử bằng phương pháp ISO 527 (ASTM D 638); ISO 178 (ASTM D 6272).
- Phương pháp thực nghiệm: Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến độ bền kéo và uốn của vật liệu composite trong công nghệ ép phun.
- Phương pháp xử lý số liệu: Số liệu thực nghiệm được xử lý bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đơn yếu tố với sự hỗ trợ của phần mềm Sigma Plot 11.
- Phương pháp đánh giá: Từ kết quả nghiên cứu, tiến hành đánh giá và đưa ra kết luận về ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh ngắn đến độ bền kéo, độ bền uốn và mô đun đàn hồi của vật liệu composite trên nền nhựa PA6.
1.7. Kết cấu đề tài
Chương 1: Tổng quan – Khái quát về đề tài nghiên cứu.
Chương 2: Giới thiệu – Giới thiệu những vấn đề liên quan đến nghiên cứu như vật liệu composite, sợi thủy tinh, công nghệ ép phun và nhựa polyamide (PA6).
Chương 3: Cơ sở lý thuyết – Trình bày cơ sở lý thuyết của đề tài nghiên cứu như quy trình nghiên cứu, phương pháp xác định cơ tính mẫu thử và phương pháp chế tạo các mẫu thử.
Chương 4: Mơ tả thí nghiệm – Trình bày các thông số liên quan đến thí nghiệm và chế tạo mẫu thử.
Chương 5: Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến cơ tính của mẫu thử - Nghiên cứu và trình bày ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến độ bền kéo, độ bền uốn, mô đun đàn hồi kéo và mô đun đàn hồi uốn của vật liệu composite gia cường sợi thủy tinh ngắn với tỷ lệ sợi từ 0 – 30%.
Chương 6: Kết luận và đề xuất – Tóm tắt kết quả nghiên cứu và đưa ra một số đề xuất.
9 Chƣơng 2 GIỚI THIỆU 2.1. Vật liệu composite 2.1.1. Khái niệm và tính chất 2.1.1.1. Khái niệm
Vật liệu composite là vật liệu được tổ hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau. Vật liệu mới được tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng loại vật liệu thành phần riêng rẽ.
Vật liệu composite bao gồm vật liệu nền và cốt. Vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính ngun khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bền nhiệt, bền hoá và khả năng chịu đựng khi vật liệu có khuyết tật. Vật liệu nền của composite có thể là polymer, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc cácbon. Vật liệu cốt đảm bảo cho composite có các mơ đun đàn hồi và độ bền cơ học cao. Các cốt của composite có thể là các hạt ngắn, bột, hoặc các sợi cốt như sợi thuỷ tinh, sợi polymer, sợi gốm, sợi kim loại và sợi cacbon,…
2.1.1.2. Tính chất
Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào những đặc tính sau đây:
- Cơ tính của các vật liệu thành phần: Các vật liệu thành phần có cơ tính tốt thì vật liệu composite cũng có cơ tính tốt và tốt hơn tính chất của từng vật liệu thành phần.
- Luật phân bố hình học của vật liệu cốt: Khi vật liệu cốt phân bố không đồng đều, vật liệu composite bị phá huỷ trước hết ở những nơi có ít vật liệu cốt. Với composite cốt sợi, phương của sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu,
10
có thể điều chỉnh được tính dị hướng này theo ý muốn để chế tạo được vật liệu cũng như phương án công nghệ phù hợp với yêu cầu.
- Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần: Vật liệu cốt và nền phải liên kết chặt chẽ với nhau mới có khả năng tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau. Ví dụ liên kết giữa cốt thép và xi măng trong bê tông.
2.1.2. Phân loại vật liệu composite 2.1.2.1. Phân loại theo hình dạng 2.1.2.1. Phân loại theo hình dạng
Khi phân loại theo hình dạng thì vật liệu composite bao gồm những loại sau: composite hạt, composite sợi, composite phiến, composite vảy, composite điền đầy (Hình 2.1).
Hình 2.1: Các loại vật liệu composite
a) Composite hạt; b) Composite sợi; c) Composite phiến d) Composite vảy; e) Composite điền đầy
2.1.2.2. Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần
Khi phân loại theo bản chất vật liệu thành phần, composite bao gồm những loại sau:
- Composite nền hữu cơ: nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi khoáng hoặc sợi kim loại.
11
- Composite nền kim loại: nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng, cốt thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC.
- Composite nền gốm: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc kim loại hoặc hạt gốm.
2.1.3. Vật liệu và thành phần của composite 2.1.3.1. Vật liệu nền 2.1.3.1. Vật liệu nền
- Nhựa phenolformaldehyt. - Nhựa epoxy.
- Nhựa polyester.
- Nhựa polymer nhiệt rắn hoặc nhiệt dẻo. - Các loại nhựa khác.
2.1.3.2. Vật liệu gia cƣờng
Vật liệu gia cường đóng vai trị là chất chịu ứng suất tập trung vì vật liệu gia cường (cốt) thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa.
Có ba dạng cốt cơ bản:
- Cốt dạng sợi: Sợi là loại vật liệu có một chiều kích thước (gọi là chiều dài) lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước khơng gian cịn lại (chiều rộng và chiều cao). Theo chiều rộng và chiều cao, chúng phân bố gián đoạn trong vật liệu composite, cịn theo chiều dài thì chúng có thể ở dạng liên tục hay gián đoạn. Các sản phẩm composite dân dụng thường được chế tạo từ loại vật liệu composite cốt sợi, trên nền nhựa là chủ yếu.
- Cốt dạng hạt: Hạt là loại vật liệu gián đoạn, khác sợi là khơng có kích thước ưu tiên. Loại vật liệu composite cốt hạt phổ biến nhất chính là bê tơng, thường được gọi ngắn gọn là bê tông, nên ta thường thấy cái được gọi là composite lại là vật liệu composite cốt sợi.
- Cốt dạng vải (cấu trúc): Là tổ hợp thành bề mặt (tấm) của vật liệu cốt sợi, được thực hiện bằng công nghệ dệt. Các kỹ thuật dệt vải truyền thống thường hay dùng là: kiểu dệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt
12
vải mô đun cao, kiểu dệt đồng phương. Kiểu dệt là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi. Kỹ thuật dệt cao cấp cịn có các kiểu dệt đa phương như: bện, tết và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phương.
2.1.3.3. Vùng chuyển tiếp trong composite
Vùng trung gian là vùng tiếp xúc giữa cốt và nền, nó thường là yếu tố có tính quyết định đến cơ tính và các thuộc tính khác nữa của composite. Vùng trung gian chính là nơi chuyển tải trọng từ nền sang cốt nên tác động đầu tiên của nó chính là tác động đến độ bền. Có nhiều yếu tố tác động đến thành phần và thể tích của vùng chuyển tiếp. Đầu tiên là tính thấm ướt, tức là pha nền ở trạng thái lỏng phải dễ dàng thấm ướt pha gia cường trước khi đóng rắn. Nhưng thực tế khơng phải lúc nào cũng có liên kết nền – cốt lý tưởng do bản chất hoá lý của các vật liệu rất khác nhau.
2.1.3.4. Các chất phụ gia
Là những vật liệu liệu nhằm cải thiện một số tính chất của composite như: - Tính dẫn điện, dẫn nhiệt: thường dùng bột, sợi hoặc vảy kim loại như Fe, Cu,
Al,… hoặc bi tráng kim loại. - Bôi trơn khi dỡ khuôn. - Tạo màu.
- Chống co ngót.
2.1.4. Composite nền nhựa
Chất nền khơng những là chất làm các sợi gia cố dính lại với nhau mà cịn có tác dụng phân bố lực đồng đều trên tồn bộ composite.
Nhựa nền có tác dụng như chất kết dính, tạo mơi trường phân tán, đóng vai trị truyền ứng suất sang cốt khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu. Nhựa nền có thể tạo thành từ một hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục.
13
2.1.5. Composite nền kim loại
Trong vật liệu composite nền kim loại, thường dùng nhiều trong kỹ thuật là vật liệu tổ hợp nền kim loại màu do những tính chất ưu việt mà các kim loại đen khơng có được, ví dụ như nhẹ, bền ở nhiệt độ cao, chịu mài mịn tốt… nhưng cơng nghệ chế tạo lại đơn giản hơn. Một số loại như sau:
- Composite nền nhôm cốt hạt. - Composite nền nhôm cốt sợi. - Composite nền đồng hạt thép.
2.1.6. Composite nền gốm
Vật liệu composite nền gốm (ceramic matrix composite, CMC) đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhằm khắc phục những nhược điểm của vật liệu gốm ngun khối, đó là tính dịn cố hữu và khả năng ứng dụng hạn chế của vật liệu gốm nguyên khối.
Vật liệu composite nền gốm thường dùng để chế tạo các chi tiết làm việc trong môi trường rất khắc nghiệt như: động cơ tên lửa và động cơ phản lực, động cơ khí trong nhà máy năng lượng, vỏ cách nhiệt của tàu khơng gian, lớp lót đầu tiên của buồng phản ứng nấu chảy, phanh máy bay, lò nhiệt luyện… đây là mơi trường làm việc có nhiệt độ rất cao nhưng rất khó làm nguội bằng chất lỏng thơng thường. Mặt khác, khi thay thế các siêu hợp kim bằng vật liệu gốm composite còn tiết kiệm được khá nhiều khối lượng, điều vô cùng quan trọng đối với ngành hàng không vũ trụ.
Trong composite nền gốm, vật liệu cốt có thể là cốt dạng khơng liên tục kiểu hạt, sợi ngắn hoặc lát vụn. Cũng có thể dùng cốt liên tục dạng sợi. Trong trường hợp cốt gián đoạn, việc tăng độ bền và độ dai va đập chỉ có thể tăng đến một giới hạn nào đó nhưng vẫn đủ để sử dụng. Một ví dụ composite nền gốm sợi vụn dùng trong lĩnh vực dụng cụ cắt là composite SiC/Si3N4, trong đó SiC là pha gia cường, cịn Si3N4 đóng vai trò vật liệu nền.
14
2.1.7. Ứng dụng của vật liệu composite 2.1.7.1. Trong một số lĩnh vực của đời sống 2.1.7.1. Trong một số lĩnh vực của đời sống
- Giao thông vận tải: Thay thế các loại sắt, gỗ, ván... như: càng, thùng trần của các loại xe ôtô, một số chi tiết của xe môtô.
- Hàng hải: Làm ghe, thuyền, thùng, tàu...
- Quốc phòng: Những phương tiện chiến đấu: tàu, cano, máy bay, phi thuyền... Thiết bị, dụng cụ, phương tiện phục vụ cho việc sản xuất nghiên cứu trong quân đội: bồn chứa nước hoặc hóa chất, khay trồng rau, bia tập bắn....
- Cơng nghiệp hóa chất: Bồn chứa dung dịch axit (thay gelcoat bằng epoxy hoặc nhựa vinyleste); bồn chứa dung dịch kiềm (thay gelcoat bằng epoxy).
- Dân dụng: Sản phẩm trong sơn mài như bình, tơ, chén, đũa... Sản phẩm trang trí nội thất: khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn... Bàn ghế, tủ giả đá, khay, thùng, bồn.
2.1.7.2. Trong ngành hàng không vũ trụ
Trong những năm gần đây, composite được sử dụng chế tạo các bộ phận trên máy bay như kết cấu khung xương, thân máy bay, cánh, bộ phận dẫn hướng... Một trong những lý do quan trọng nhất của việc ứng dụng rộng rãi loại vật liệu này trong ngành hàng không là độ bền và độ cứng tương đối trên trọng lượng riêng của composite lớn. Điều này làm giảm trọng lượng của máy bay, tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường và tăng hiệu quả kinh tế.
Composite còn được sử dụng để chế tạo các chi tiết hình dáng phức tạp, góp phần làm giảm số lượng chi tiết trên máy bay, đồng thời giảm thời gian và chi phí lắp đặt sản phẩm. Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh có tính trong suốt đối với sóng rada, đặc tính này rất quan trọng trong các ứng dụng qn sự. Nó cịn được sử dụng nhiều trong công nghệ vũ trụ.
2.2. Công nghệ ép phun
Công nghệ ép phun là q trình phun nhựa nóng chảy điền đầy lịng khn. Một khi nhựa được làm nguội và đơng cứng lại trong lịng khn thì khn được
15
mở ra và sản phẩm được đẩy ra khỏi khn nhờ hệ thống đẩy, trong q trình này khơng có bất cứ một phản ứng hóa học nào.
Bằng cách quan sát thơng thường nhất chúng ta có thể thấy có rất nhiều sản phẩm nhựa xung quanh chúng ta. Từ các sản phẩm đơn giản là dụng cụ học tập như: thước, bút…, đồ chơi cho đến các sản phẩm phức tạp như: bàn ghế, máy tính…đều được làm bằng nhựa. Các sản phẩm này đều có màu sắc và hình dáng đa dạng, chúng đã làm cho cuộc sống của chúng ta thêm đẹp và tiện nghi hơn. Điều này đồng nghĩa với việc sản phẩm nhựa mà phần lớn tạo ra bằng công nghệ ép phun đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta.
Với các tính chất như: độ dẻo dai, có thể tái chế, khơng có phản ứng hóa học nào với khơng khí ở điều kiện bình thường..., vật liệu nhựa đã đang thay thế dần các loại vật liệu khác như: sắt, nhôm, gang… đang ngày càng cạn kiệt trong tự nhiên. Hiện nay, có rất nhiều loại máy ép phun hiện đại phục vụ cho công nghệ ép phun.
16 Nguyên lý vận hành như sau:
- Nguyên liệu được cấp vào máy ép phun theo chu kỳ. Nguyên liệu sau khi đã hóa dẻo được phun vào trong khuôn (đã được kẹp chặt), hình dạng của khn sẽ tạo ra hình dạng của sản phẩm. Sau khi được định hình và làm nguội trong khn, hành trình mở khn được thực hiện để lấy sản phẩm. - Đặc điểm của cơng nghệ ép phun là q trình sản xuất diễn ra theo chu kỳ. - Thời gian chu kỳ phụ thuộc vào trọng lượng của sản phẩm, nhiệt độ của
nước làm nguội khuôn và hiệu quả hệ thống làm nguội khuôn.
- Chất lượng và năng suất của sản phẩm phụ thuộc vào chất lượng máy ép phun, chất lượng của khuôn mẫu, vật liệu.
2.3. Sợi thủy tinh 2.3.1. Tìm hiểu chung 2.3.1. Tìm hiểu chung
Vật liệu thủy tinh đã được sử dụng từ hàng nghìn năm trước đây. Người Ai Cập cổ đại đã biết dùng thủy tinh cho vào đất sét để tránh sự co ngót của sản phẩm sau khi nung. Khoảng thế kỷ XVIII, sợi thủy tinh được sử dụng trong gấm thêu kim tuyến ở Pháp. Những năm 30 của thế kỷ XX, sợi thủy tinh E đã ra đời đánh dấu sự phát triển và thương mại hóa của sợi thủy tinh.
Năm 1935, người ta đã bắt đầu sử dụng nhựa nhiệt rắn như polyester để sản xuất vật liệu composite gia cường bằng sợi thủy tinh và ứng dụng nó để làm máy che rada trên máy bay trong suốt chiến tranh thế giới lần thứ II. Từ đó đến nay, vật liệu polymer composite trên cơ sở sợi thủy tinh và các sợi tăng cường khác (cacbon, aramit) ngày càng phát triển. Ngày nay, vật liệu polymer composite gia cường bằng sợi thủy tinh được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực giao thông vận tải (chế tạo các thiết bị ô tô, tàu hỏa), trong xây dựng (panel, tấm chắn gió), ngành hàng khơng và vũ trụ.
Sợi thủy tinh được ứng dụng rộng rãi nhờ có nhiều ưu điểm: - Không cháy.
17 - Bền hóa, bền mơi trường.
- Độ bền, độ cứng cao. - Cách điện rất tốt. - Ổn định kích thước. - Dễ tạo hình.
- Đa dạng, giá thành thấp.
Bên cạnh những ưu điểm, sợi thủy tinh cịn có nhược điểm là hấp thụ nền kém dẫn đến tính chất của vật liệu khơng cao.