Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2. Phân tích ảnh hưởng của công nghệ chế tạo đến cấu trúc và tính chất cơ học củavật liệu
3.2.2. Ảnh hưởng của áp lực ép mẫu
Quá trình đóng rắn nhựa PF thường giải phóng ra các chất phân tử thấp như H2O, NH3,… làm co ngót thể tích và tạo thành lỗ xốp. Do vậy, nhựa cần đóng rắn ở nhiệt độ cao và áp suất cao để tạo được vật liệu có chất lượng tốt.
Như vậy, trong giai đoạn ép tạo hình, áp lực ép đóng vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng liên kết giữa cốt sợi cacbon, vật liệu gia cường với vật liệu nền, đồng thời ảnh hưởng đến cấu trúc nhựa nền sau quá trình đóng rắn.
Kết quả khảo sát về ảnh hưởng của áp lực đến đặc tính của mẫu được trình bày trong bảng 3.5và hình 3.13dưới đây.
Bảng 3.5. Khảo sát ảnh hưởng của áp lực ép đến tính chấtmẫu compozit
40 50 60 70 80
0 50 100 150 200 250 300 350
0 50 100 150 200 250 300 350
303 305 308 306 302
46 49 50 49 45
244 247 249 247 243
Mô đun đàn hồi (GPa)
Độ bền cơ (MPa)
Thời gian ép (phút)
Độ bền kéo đứt Mô đun đàn hồi Độ bền uốn
Mẫu
Khối lượng sau
ép [g]
Số tấm
Áp lực ép [kg/cm2]
Độ dày [mm]
Tỷ
trọng [g/cm3]
Hàm lượng nhựa sau chế
tạo [%]
M6 120,7 17 30 5,34 1,32 42,67
M7 122,3 17 40 5,10 1,34 41,32
M8 121,1 17 50 4,96 1,36 40,50
M9 121,3 17 60 4,54 1,47 38,24
M10 123,3 17 70 4,48 1,54 35,15
Kết quả cho thấy mẫu compozit được chế tạo với lực ép 30 kg/cm2 nhựa nền chưa thấm ướt hoàn toàn cốt sợi cacbon. Khi tăng áp lực ép thì nhựa nền thấm ướt đều hơn các thành phần trong compozit. Tuy nhiên, khi áp lực ép quá cao (70 kg/cm2), thì hàm lượng nhựa trong compozit sẽ bị đẩy ra bên ngoài biên của tấm compozit làm pha nền của vật liệu bị gián đoạn nên khả năng gắn kết giữa nhựa và sợi giảm dần. Đồng thời, xuất hiện ứng suất dư trong mẫu làm bề mặt mẫu phồng rộp khi tháo mẫu ra khỏi khuôn ép.
Hình 3.13. Giản đồ sự ảnh hưởng của áp lực ép đến độ dầy và tỷ trọng của mẫu CCP
30 40 50 60 70
0 1 2 3 4 5 6
0 1 2 3 4 5 6
5.34 5.1 4.96
4.54 4.48
1.32 1.34 1.36 1.47 1.54
Độ dầy (mm)
Tỷ trọng (g/cm3 )
Áp lực ép (kg/cm2)
Độ dầy mẫu Tỷ trọng
Tiến hành chụp ảnh SEM để quan sát cấu trúc của mẫu vật liệu compozit được chế tạo với áp lực ép từ 30 đến 70 kg/cm2 (hình 3.15).
Hình 3.14. Ảnh SEM các mẫu compozit cacbon - phenolic sau chế tạo với áp lực ép tăng dần
(a - 30 kg/cm2; b- 40 kg/cm2; c - 50 kg/cm2; d - 60 kg/cm2; e - 70 kg/cm2) Kết quả cho thấy, đối với các mẫu ép với áp lực thấp (30 đến 40kg/cm2) liên kết giữa vải và nhựa chưa chặt, còn xuất hiện các khe kẽ nhỏ giữa các sợi vải. Ngược lại, với các mẫu ép ở áp lực cao (60 đến 70kg/cm2) xuất hiện những vết nứt sâu trong cấu trúc vật liệu, một số vị trí các bó sợi bị tách lớp, không liên kết được với nhau. Nguyên nhân có thể do áp lực ép trong quá trình đóng rắn. Nếu áp lực ép chưa đủ lớn, trong quá trình đóng rắn nhựa sẽ xảy ra phản ứng khâu mạch không gian, tạo ra lỗ xốp hở do sự thoát đi của các sản phẩm khí, dẫn đến sự hình thành các vết nứt trong cấu trúc mẫu. Nếu áp lực nén quá cao, các sản phẩm khí sinh ra trong quá trình đóng rắn nhựa không hoặc khó thoát ra khỏi mẫu, dẫn đến hình thành các lỗ xốp kín, đồng thời gây nên ứng suất dư trong mẫu, khi hạ áp suất để tháo mẫu ra khỏi khuôn sẽ tạo ra sự chênh áp giữa bên trong và bên ngoài mẫu, hình thành các vết nứt lớn giữa các bó sợi.
Mẫu ép ở áp lực 50kg/cm2 có cấu trúc bề mặt tốt nhất, liên kết giữa vải và nhựa chặt chẽ, không xuất hiện vết nứt.
Kết quả khảo sát tính chất cơ học của các mẫu vật liệu compozit được trình bày tại bảng 3.6 vàhình 3.15.
Bảng 3.6. Cơ tính của các mẫu vật liệu với áp lực ép khác nhau
Mẫu M6 M7 M8 M9 M10
Áp lực ép, kg/cm2 30 40 50 60 70
Độ bền kéo đứt, MPa 285 301 304 304 280
Mô đun đàn hồi, GPa 36 47 49 48 35
Độ bền uốn, MPa 226 244 246 245 220
Hình 3.15. Ảnh hưởng của áp lực ép đến cơ tính của vật liệu
Kết quả khảo sát cho thấy, với áp lực ép 30 kg/cm2 cơ tính của vật liệu thấp (độ bền kéo đứt đạt 285 MPa, độ bền uốn 226 MPa, mô đun đàn hồi 36
30 40 50 60 70
0 50 100 150 200 250 300 350
0 50 100 150 200 250 300 350
285
301 304 304
280
36 47 49 48
35 226
244 246 245
220
Mô đun đàn hồi (GPa)
Độ bền cơ (MPa)
Áp lực ép (kg/cm2)
Độ bền kéo đứt Mô đun đàn hồi Độ bền uốn
GPa). Khi tăng áp lực ép lên 40 kg/cm2, 50 kg/cm2, 60 kg/cm2 cơ tính của vật liệu tăng lên rõ rệt và tương đối đồng đều. Cụ thể, với áp lực ép 40 kg/cm2, cơ tính của vật liệu đạt giá trị cao nhất, cụ thể độ bền kéo đứt đạt 304 MPa, độ bền uốn 246 MPa, mô đun đàn hồi 49 GPa. Nguyên nhân là do khi tăng áp lực ép sẽ dẫn đến làm tăng khả năng liên kết, khả năng bám dính của nhựa và sợi nên tính chất cơ học của vật liệu tăng. Tuy nhiên, khi áp lực tăng quá cao thì hàm lượng nhựa trong compozit sẽ bị đẩy ra bên ngoài biên của tấm compozit làm pha nền của vật liệu bị gián đoạn nên khả năng gắn kết giữa nhựa và sợi giảm dẫn đến tính chất cơ học của vật liệu giảm xuống. Với áp lực ép 70 kg/cm2, cơ tính của vật liệu giảm rõ rệt, cụ thể độ bền kéo đứt giảm xuống còn 280 MPa, độ bền uốn 220 MPa, mô đun đàn hồi 35 GPa.
Trên giản đồ quan sát thấy tại áp lực ép 50 kg/cm2 thì mẫu cho kết quả độ bền cơ tính cao nhất. Như vậy có thể kết luận áp lực ép 50 kg/cm2là phù hợp để chế tạo vật liệu này.