số phương pháp sản xuất ban đầu đòi hỏi môi trường nhiệt độ và áp suất đặc biệt, nên khó khăn khi tạo lại được môi trường đó tại hiện trường khi cần sửa chữa. Việc liên kết các vùng sửa chữa với cấu trúc gốc của nó cũng có thể rất khó.
Hình 2-22 Độ bền riêng ứng với môđun riêng của một số kim loại và compozit
Cấu trúc compozit dạng lớp
Nhiều kết cấu làm từ compozit, loại vật liệu được tạo ra từ một vài lớp vật liệu cơ sở chứa cả nền và cốt sợi. Phương thức định hướng các lớp với nhau ảnh hưởng đến các tính chất cuối cùng của kết cấu hoàn thiện.
Để minh hoạ, coi như mỗi lớp được tạo ra từ các bó sợi song song của vật liệu tăng cường, ví dụ sợi thuỷ tinh-E, nhúng vào nền nhựa, như polyeste. Như đã đề cập trước đây, ở dạng này vật liệu đôi khi được gọi là tẩm trước thể hiện rằng sợi được ưu tiên tẩm trước với nền rồi tạo hình kết cấu và xử lí tạo liên kết. Để tạo ra độ bền và độ cứng lớn nhất theo một hướng cụ thể, một vài lớp hoặc lớp tẩm trước có thể được đặt lên trên một lớp khác với tất cả các sợi sắp xếp theo hướng muốn đặt tải trọng kéo, gọi là tấm đơn hướng. Sau khi xử lí, tấm sẽ có độ bền và độ cứng rất cao khi chịu tải theo phương của các sợi, gọi là hướng dọc. Tuy nhiên, sản phẩm thu được sẽ có độ bền và độ cứng rất thấp theo hướng vuông góc với sợi, gọi là hướng ngang. Nếu chịu tải trọng ngoài trục bất kì, tấm có thể hỏng hoặc biến dạng đáng kể. Bảng 2-11 đưa ra các số liệu mẫu cho một tấm đơn hướng, compozit cácbon/epoxy.
Để khắc phục thiếu sót của độ bền và độ cứng ngoài trục, cấu trúc dạng lớp sẽ được tạo ra với các lớp định hướng khác nhau. Một cách bố trí phổ biến được chỉ ra trên hình 2-23. Gọi hướng dọc của lớp bề mặt là lớp 00, cấu trúc này là:
00, 900, +450, -450, -450, +450, 900, 00
Sự đối xứng và cân bằng của loại kĩ thuật xếp lớp này dẫn đến các tính chất gần như đồng đều theo hai phương. Thuật ngữ gần-đẳng hướng đôi khi được sử dụng để mô tả cấu trúc dạng này. Lưu ý rằng những tính chất theo phương vuông góc với mặt của cấu trúc lớp (đi qua chiều dày) vẫn khá thấp vì các sợi không bố trí theo hướng này. Ngoài ra độ bền và độ cứng theo các hướng chính có phần nhỏ hơn so với khi các lớp được xếp theo cùng một hướng đó. Bảng 2-11 cũng chỉ ra số liệu mẫu cho tấm gần-đẳng hướng so sánh với dạng sợi đơn hướng với nền giống nhau.
Bảng 2-11 Ví dụ về ảnh hưởng của cấu trúc lớp đến độ bền và độ cứng
Giới hạn bền kéo Môđun đàn hồi
Dọc Ngang Dọc Ngang
Kiểu lớp ksi MPa ksi MPa 106 psi GPa 106 psi Gpa
Đơn hướng 200 1380 5 34 21 145 1.6 11
Gần-đẳng hướng 80 552 80 552 8 55 8 55
Hình 2-23 Cấu trúc compozit nhiều lớp mỏng tạo ra các tính chất gần đẳng hướng
Dự đoán các đặc trưng của compozit
Thảo luận sau tổng kết một số thông số quan trọng cần để xác định các đặc trưng của compozit. Chỉ số dưới c chỉ compozit, m chỉ nền và f chỉ cốt. Độ bền và độ cứng của vật liệu compozit phụ thuộc các đặc trưng đàn hồi của cốt và nền. Ngoài ra nó còn phụ thuộc thể tích tỷ đối của vật liệu cốt Vf, và vật liệu nền Vm. Đó là
Vf = tỷ lệ thể tích của sợi trong compozit Vm = tỷ lệ thể tích của nền trong compozit
Chú ý với một thể tích đơn vị: Vf + Vm = 1; vì vậy Vm = 1- Vf
Chúng ta sẽ sử dụng một trường hợp lí tưởng để minh hoạ cho cách thức dự đoán độ bền và độ cứng của compozit. Xét một compozit với sợi đơn hướng, liên tục đặt theo hướng của tải trọng tác dụng. Đặc điểm của sợi là bền và cứng hơn nhiều so với nền. Hơn nữa, nền sẽ chịu biến dạng lớn hơn trước khi phá huỷ so với sợi. Hình 2-24 chỉ ra hiện tượng này trên đồ thị ứng suất - biến dạng của sợi và nền. Chúng ta sẽ sử dụng các kí hiệu sau đây trong hình 2-24:
suf = giới hạn bền kéo của sợi
εuf = biến dạng của sợi ứng với giới hạn bền kéo của nó
Hình 2-24 Ứng suất - biến dạng của vật liệu sợi và nền
Hình 2-25 Liên hệ giữa ứng suất và biến dạng của compozit và vật liệu sợi, nền của nó
Giới hạn bền kéo của compozit, suc, là giá trị ở khoảng giữa suf và σ’m, tuỳ thuộc vào tỉ lệ thể tích của sợi và nền trong compozit. Đó là
Qui tắc tổng hợp giới hạn bền kéo: suc = suf.Vf + σ’m.Vm (2-8) Ở một mức ứng suất nhỏ hơn bất kì, liên hệ giữa ứng suất toàn phần trong compozit, ứng suất trong sợi, và ứng suất trong nền theo dạng tương tự như:
Qui tắc tổng hợp ứng suất trong compozit: σc = σf.Vf + σm.Vm (2-9) Hình 2-25 minh hoạ liên hệ này trên đồ thị ứng suất - biến dạng
Có thể chia cả hai vế trong công thức (2-9) cho biến dạng tương ứng. Với mỗi vật liệu, σ/ε
= E, môđun đàn hồi của compozit có thể xác định như sau
Qui tắc tổng hợp môđun đàn hồi: Ec = Ef.Vf + Em.Vm (2-10) Khối lượng riêng của compozit cũng có thể tính theo cách tương tự
Qui tắc tổng hợp khối lượng riêng của compozit: ρc = ρf.Vf + ρm.Vm (2-11) Như đã đề cập trước đây (mục 2-2), khối lượng riêng là khối lượng trên một đơn vị thể tích. Một đặc trưng liên quan đến nó là trọng lượng riêng, là trọng lượng trên một đơn vị thể tích và kí hiệu bằng γ (kí tự Hi Lạp gamma). Liên hệ giữa khối lượng riêng và trọng lượng riêng đơn giản là γ = ρ.g, trong đó g là gia tốc trọng trường. Nhân từng vế trong Công thức (2-11) với g ta thu được công thức xác định trọng lượng riêng của compozit: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Qui tắc tổng hợp trọng lượng riêng của compozit: γc = γf.Vf + γm.Vm (2-12) Các công thức (2-8) đến (2-12) là ví dụ về các qui tắc tổng hợp.
Bảng 2-12 đưa ra các thông số ví dụ về những đặc trưng của một số vật liệu nền và cốt. Nhớ rằng mỗi tính chất như vậy có thể thay đổi trong phạm vi rộng, tuỳ thuộc sự hình thành và chế độ xử lí của vật liệu.
Bảng 2-12 Ví dụ các tính chất của vật liệu nền và cốt
Giới hạn bền kéo Môđun kéo Trọng lượng riêng ksi MPa 106 psi GPa lb/in3 kN/m3
Các vật liệu nền Polyeste Epoxy Nhôm Titan 10 18 45 170 69 124 310 1170 0.40 0.56 10.0 16.5 2.76 3.86 69 114 0.047 0.047 0.100 0.160 12.7 12.7 27.1 43.4 Các vật liệu cốt Thuỷ tinh-S Cácbon-PAN Cácbon-PAN (độ bền cao) Cácbon (môđun cao) Aramit 600 470 820 325 500 4140 3240 5650 2200 3450 12.5 33.5 40 100 19.0 86.2 231 276 690 131 0.090 0.064 0.065 0.078 0.052 24.4 17.4 17.7 21.2 14.1
Ví dụ 2-2 Tính các đặc trưng mong muốn như giới hạn bền kéo, môđun đàn hồi, và trọng lượng
riêng của compozit được làm từ các bó sợi cácbon-PAN đơn hướng trong nền epoxy. Tỉ lệ thể tích của sợi là 30%. Sử dụng các số liệu trong bảng 2-12
Lời giải:
Vấn đề: tính các giá trị suc, Ec, và γc cho compozit
Đã cho: nền epoxy: sum = 18 ksi; Em = 0.56 × 106 psi; γm = 0.047 lb/in3 Sợi cácbon-PAN: suf = 470 ksi; Ef = 33.5 × 106 psi; γf = 0.064 lb/in3 Tỉ lệ thể tích sợi: Vf = 0.30 và Vm = 1.0 – 0.30 = 0.70
Tính toán và kết quả: tính giới hạn bền kéo suc theo công thức (2-8) suc = suf.Vf + σ’m.Vm
Để tìm σ’m đầu tiên chúng ta cần tìm biến dạng khi sợi bị phá huỷ tại suf. Giả thiết sợi là đàn hồi tuyến tính đến khi bị hỏng. Khi đó
εf = suf / Ef = (470 × 103 psi)/(33.5 × 106 psi) = 0.014 Với cùng biến dạng như vậy, ứng suất trong nền là
σ’m = Em.ε = (0.56 × 106 psi)(0.014) = 7840 psi Khi đó
suc = (470 000 psi)(0.30) + (7840 psi)(0.70) = 146 500 psi Môđun đàn hồi tính theo công thức (2-10)
Ec = Ef.Vf + Em.Vm = (33.5 × 106)(0.30) + (0.56 × 106)(0.70) Ec = 10.4 × 106 psi
Trọng lượng riêng tính theo công thức (2-12)
γc = γf.Vf + γm.Vm = (0.064)(0.30) + (0.047)(0.70) = 0.052 lb/in3 Kết quả cuối cùng: suc = 146 500 psi
Ec = 10.4 × 106 psi
γc = 0.052 lb/in3
Nhận xét: các đặc trưng tính được của compozit nằm giữa các giá trị tương ứng của sợi và nền.
Hướng dẫn thiết kế cho những bộ phận làm từ compozit
Sự khác biệt quan trọng nhất giữa thiết kế với kim loại và thiết kế với compozit đó là kim loại là loại vật liệu đồng chất điển hình với các đặc trưng độ bền và độ cứng là đẳng hướng, trong khi compozit hiển nhiên là loại không đồng chất và dị hướng.
Các dạng hỏng của vật liệu compozit là rất phức tạp. Khi tải tác dụng dọc theo hướng của sợi dài, phá huỷ kéo xảy ra khi từng sợi riêng lẻ bị đứt. Nếu compozit tạo ra từ các sợi ngắn, không liên tục, phá huỷ xuất hiện khi sợi bị kéo ra khỏi nền. Trường hợp tải vuông góc với sợi dài, phá huỷ xuất hiện khi bản thân nền bị hỏng. Nếu các sợi ở dạng dệt, hoặc nếu cốt lưới ngắn hơn, sợi định hướng bất kì, thì một số dạng hỏng khác như sợi bị đứt, hoặc kéo ra khỏi nền là chủ yếu. Những compozit như vậy có các tính chất gần giống nhau theo mọi hướng, như cấu trúc nhiều lớp mỏng trong hình 2-23.
Vì vậy, một lưu ý quan trọng khi thiết kế để tạo ra độ bền tối ưu là:
Xếp sợi theo hướng của tải trọng.
Một dạng hỏng quan trọng khác là sự trượt giữa các lớp, khi đó các lớp của compozit nhiều lớp bị tách rời do tác dụng của lực cắt. Khi thiết kế cần lưu ý như sau:
Việc nối các vật liệu compozit đôi khi rất khó, và tạo ra những vùng mà vết gãy hoặc phá huỷ mỏi có thể hình thành. Phương pháp tạo hình compozit thường cho phép kết hợp một vài bộ phận thành một chi tiết. Dầm côngxôn, gân, bản cánh, và những thứ giống như vậy, có thể được đúc theo dạng cơ bản của chi tiết. Khi đó thiết kế cần lưu ý:
Tổ hợp một vài bộ phận thành một kết cấu toàn vẹn.
Khi cần tấm có độ cứng cao để chống uốn, như ở dầm hoặc các tấm rộng như sàn, người thiết kế có thể bố trí các vật liệu hiệu quả nhất gần mặt ngoài của tấm hoặc dầm. Bố trí các sợi độ bền cao lên các lớp ngoài trong khi lấp đầy lõi với các vật liệu nhẹ nhưng bền, trọng lượng ứng với độ bền và độ cứng đã cho là tiêu chí đánh giá một thiết kế hiệu quả. Hình 2-26 minh hoạ một số ví dụ về những thiết kế như vậy. Một hướng dẫn thiết kế khác cần lưu ý: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sử dụng vật liệu lõi nhẹ bao quanh bởi các lớp compozit độ bền cao.
Vì hầu hết các compozit sử dụng vật liệu polyme làm nền, do đó nhiệt độ làm việc của chúng bị giới hạn. Cả độ bền và độ cứng đều giảm khi nhiệt độ tăng. Polyimit tạo ra các đặc trưng ở nhiệt độ cao tốt hơn [lên đến 6000F (3180C)] so với hầu hết các vật liệu polyme làm nền khác. Các epoxy thông dụng bị giới hạn từ 2500F đến 3500F (1220C – 1780C). Mọi ứng dụng ở trên nhiệt độ phòng đều sẽ được kiểm tra bởi nhà cung cấp vật liệu. Sau đây là một hướng dẫn khi thiết kế
Tránh nhiệt độ cao.
Như đã trình bày, nhiều kĩ thuật sản xuất khác nhau được sử dụng với vật liệu compozit. Hình dạng có thể quyết định kĩ thuật sản xuất của một chi tiết. Đây là lí do để thực hiện nguyên tắc thiết kế đồng thời và dẫn đến một hướng dẫn khác:
Trong thiết kế cần chú ý các vấn đề về sản xuất ngay từ đầu.
Hình 2-26 Tấm mỏng với lõi nhẹ