L ỜI NÓI ĐẦU
3.2 Vật liệu và phương pháp chế tạo phôi
a,Vật liệu:
Thiết bị làm việc trong môi trường có tính ăn mòn cao và có giá thành rẻ. Nên chi tiết phải đảm bảo:
- Giá thành rẻ, dễ chế tạo, dễ vận chuyển. - Không bị ăn mòn trong môi trường nước biển. - Không tạo ra các chất gây ô nhiễm nước. - Có độ cứng vững cao.
- Chi phí bảo dưỡng thấp.
Với những yêu cầu trên ta chọn vật liệu chế tạo chi tiết là vật liệu composite. Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai vật liệu có bản chất khác nhau. Vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần khi xét riêng rẽ.
Vật liệu composite có các ưu nhược điểm sau:
- Ưu điểm:
+ Rất bền với môi trường, chịu được môi trường ẩm, mặn, bức xạ mặt trời. + Có tính trơ với sinh vật biển.
+ Có khả năng kết hợp với các vật khác như gỗ, xi măng, thép…để vừa tăng sức bề, vừa giảm giá thành.
+ Rất dễ tạo dáng, có độ bóng bề mặt cao, có độ kín nước gần như là tuyệt đối. + Dễ thi công, dễ sửa chữa, thiết bị thi công đơn giản.
+ Độ bền cơ học cao, trọng lượng riêng bé, do vậy có lợi về khả năng tải. + Tuổi thọ cao, có thể sử dụng trên 20 năm.
Trong các ưu điểm trên, do có trọng lượng riêng bé nên dẫn đến môđun riêng (E/p) và sức bền riêng ( /) lớn.
- Nhược điểm:
+ Giá thành cao. + Tính toán phức tạp.
+ Chất lượng composite phụ thuộc vào tay nghề công nhân. + Độ bền va đập kém.
Vật liệu composite thường bao gồm: Vật liệu cốt (thường dưới dạng sợi) và vật liệu nền (thường là nhựa). Dưới góc độ cơ học, vật liệu nền và vật liệu cốt là những vật liệu đồng nhất.
Vật liệu cốt giúp cho vật liệu composite có khả năng chịu lực cao hơn, vật liệu nền đóng vai trò liên kết vật liệu cốt với nhau và truyền lực cơ học tới chúng, cũng như bảo vệ vật liệu cốt chống chọi với môi trường xung quanh.
Nhựa dùng trong vật liệu composite là vật liệu biến dạng được và tương thích với sợi. Ngoài ra nhựa cần có tỷ trọng nhỏ để vật liệu composite có các đặc trưng cơ học riêng cao.
Hệ thống nhựa nền có hai loại:
- Nhựa nhiệt dẻo – Thermoplastic gồm các loại như: PE, PVC… có cấu trúc là các polymer mềm và chỉ có thể tạo dáng ở nhiệt độ cao. Loại này có cơ tính thấp, thường rất ít sử dụng.
- Nhựa nhiệt rắn – Thermosetting (sự đông rắn diễn ra trong quá trình gia công) gồm các loại: Polyeste, vinyl este, êpoxy và phênolic, được sử dụng làm vật liệu
nền cho các sản phẩm dùng trong kết cấu biển. Tính chất của nhựa nhiệt cứng : cho phép tạo hình một lần. Thật vậy, sau quá trình polyme hóa, nhiệt độ chất xúc tác, nhựa cho ta một kết cấu hình học nhất định, khó phá vỡ. Nhựa nhiệt cứng cơ tính cao, đặc biệt có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo. Vì vậy ta sử dụng nhựa nhiệt cứng: Nhựa polyeste không no.
*Nhựa polyeste:
Được sử dụng từ lâu để chế tạo vật liệu composite. Dựa theo môđun đàn hồi, người ta phân loại polyeste: nhựa mềm, nhựa cứng vừa phải và nhựa cứng. Loại nhựa cứng hay được sử dụng để chế tạo vật liệu composite.
Nhựa polyeste có ưu nhược điểm: - Ưu điểm:
+ Cứng.
+ Ổn định kích thước. + Dễ vận hành.
+ Chống môi trường hóa học. + Giá thành hạ.
- Nhược điểm:
+ Dễ bị nứt, đặc biệt nứt do va đập. + Độ co ngót cao (khoảng 8% 10%). + Khả năng chịu hơi nước, nước nóng kém. + Bị hư hại dưới tác dụng của tia cực tím. + Dễ bắt lửa.
+ Chịu nhiệt trung bình (dưới 1200C). *Chất tăng cường (hay vật liệu cốt):
Cung cấp cơ tính cho vật liệu composite: độ cứng, độ bền phá hủy,… Các chất tăng cường cũng cho phép cải thiện một số tính chất lý học của vật liệu composite: tính dẫn nhiệt, chịu nhiệt độ, độ bền mòn, tính dẫn điện,… Đối với chất tăng cường ta cần quan tâm đến một số đặc trưng sau: cơ tính phải cao, tỷ trọng nhỏ, tương thích với nhựa, dễ thao tác khi chế tạo, giá thành hạ,… Tùy thuộc vào mục đích sử dụng ta có các chất tăng cường khác nhau: sợi thủy tinh, khoáng chất, nhân tạo, tổng hợp,… Tuy nhiên, chất tăng cường hay sử dụng nhất dưới dạng sợi hoặc biến thể một chút. Sợi
thường được sử dụng để chế tạo vật liệu dưới dạng mặt (hay diện tích) theo nhiều kiểu khác nhau: mat, vải hay băng. Ta thường gặp các dạng sợi trên dưới dạng thủy tinh.
Sợi gia cường có nhiệm vụ chịu tải trọng vật liệu composite. Sự phối hợp của sợi có tác dụng như các tác nhân kìm hãm những vết nứt tế vi – sẽ biến nhựa dòn thành composite dẻo dai. Mối quan hệ đáng lưu ý giữa nhựa và sợi được giải thích bởi sự tăng sức bền kéo của sợi khi nó được bao bọc bởi nhựa nền.
Sợi gia cường trong vật liệu composite sử dụng trong môi trường biển chủ yếu là sợi thủy tinh. Sợi thủy tinh E có khả năng cách điện tốt, có sức bền cao, độ cứng vững hơi thấp và giá thành thấp – là loại được sử dụng nhiều nhất trong các sản phẩm composite làm việc trong môi trường biển. Sợi thủy tinh E có thành phần kiềm thấp, bao gồm các ôxít chủ yếu của Si, Ca, Al, và Bo. Các sợi riêng rẽ có đường kính nằm trong phạm vi 420m, được chế tạo bằng cách rót thủy tinh nóng chảy qua một thiết bị có nhiều lỗ nhỏ tạo thành sợi và từ đó dệt thành các bó gồm khoảng 200 sợi nhỏ. Sợi có thể được cắt ngắn với chiều dài khoảng 550mm, được xử lý với chất kết dính chuyên dùng để chế tạo thành vải mềm với hướng sợi ngẫu nhiên gọi là “mat”.
Thiết bị mà đề tài chế tạo cần độ kín nước tuyệt đối nhưng giá thành phải rẻ nên ta chọn vật liệu gia cường để chế tạo thiết bị là: “Mat”.
Mat: gồm các sợi liên tục hoặc gián đoạn, phân bố hỗn loạn trong một mặt phẳng. Các sợi được giữ với nhau nhờ liên kết có thể hòa tan hoặc không hòa tan trong nhựa, tùy thuộc vào công nghệ sử dụng. Tính phân bố hỗn loạn của các sợi làm cho “mat” có tính đẳng hướng trong mặt phẳng của nó.
Mat sợi ngắn hoặc sợi dài chỉ khác nhau ở mức độ biến dạng. Mat sợi ngắn biến dạng nhỏ, ngược lại mat sợi dài cho phép chịu các biến dạng đặc biệt lớn theo tất cả các phương. Một trong những ứng dụng chính của mat sợi dài là để đúc (đúc áp lực hoặc đúc chân không…) các chi tiết có hình dạng phức tạp. Chi tiết thùng lọc có kết cấu đơn giản, không chịu biến dạng lớn và chế tạo bằng phương pháp thủ công nên ta chọn loại mat sợi ngắn để chế tạo.
Người ta thường sử dụng thủy tinh loại E và R có đặc tính chung là độ bền cơ học cao.
Bảng 3.1 Cơ tính thủy tinh E và R lúc mới ra lò. [12, trang 24]
Đặc trưng Thủy tinh E Thủy tinh R
Khối lượng riêng [kg/m3] Mô đun Young Es [Gpa] Ứng suất phá hủy su [Mpa] Biến dạng phá hủy su [%] Hệ số poisson s 2600 73 3400 4,4 0,22 2550 86 4400 5,2 0,22
Trong trường hợp tổng quát, vật liệu cốt (chất tăng cường) của mỗi lớp vật liệu có bản chất khác nhau: có thể là xơ, sợi, mat, vải thủy tinh, cacbon,… Mỗi lớp cần phải ghi rõ bản chất của sợi sử dụng, loại sợi làm cốt, tỷ lệ khối lượng theo phương dọc và phương ngang.
Việc lựa chọn sợi phụ thuộc vào người sử dụng sao cho thõa mãn cao nhất tính bền, tính cứng,… khi chịu tải trọng ta cần chú ý:
- Các lớp đồng phương cho cơ tính cao theo phương của sợi. - Các lớp “mat” chịu kéo kém, do đó bố trí tại vùng chịu nén. - Vật liệu composite lớp vuông [0/90]n dễ bị tách lớp.
- Khi tăng cường theo cả ba phương, ta có vật liệu đẳng hướng.
b, Phương pháp chế tạo phôi:
Chi tiết được chế tạo có kết cấu đơn giản và làm bằng vật liệu composite nên ta sử dụng khuôn đúc bằng gỗ. Đúc được tiến hành theo phương pháp thủ công, đó là ta tiến hành quét lớp nhựa lên khuôn sau đó trải lớp mat lên lớp nhựa vừa quét, cứ tiếp tục như vậy cho đến khi đạt kích thước yêu cầu.