2.4.1. Định nghĩa và phân loại
Composite là một hỗn hợp gồm ít nhất hai pha hay hai thành phần vật liệu. Sự kết hợp này nhằm hạn chế nhược điểm của vật liệu này bằng ưu điểm của vật liệu kia, tạo nên sản phẩm có cơ tính khác hẳn các vật liệu ban đầu.
Về phương diện hóa học, Composite có ít nhất hai pha được giới hạn bởi các mặt phân cách riêng biệt. Thành phần liên tục tồn tại với khối lượng lớn hơn trong Composite được gọi là nền. Theo quan điểm thông thường, các đặc tính của nền được cải thiện nhờ sự phối hợp với thành phần khác để tạo nên vật liệu Composite. Composite có thể có nền là gốm, kim loại hoặc Polymer. Cơ tính của ba loại nền đó khác nhau đáng kể. Các Polymer có sức bền và môđun đàn hồi thấp, gốm cứng vững và dòn, kim loại có sức bền và môđun đàn hồi trung tính, có tính dễ kéo sợi.
Thành phần thứ hai được gọi là cốt, có tác dụng làm tăng cơ tính cho vật liệu nền. Thông thường, cốt cứng hơn, khỏe hơn và có độ cứng vững cao hơn vật liệu nền. Đặc trưng hình học của pha gia cường (cốt) là một trong những thông số chính để xác định tính có hiệu quả của vật liệu gia cường. Nói cách khác, cơ tính của vật liệu Composite là một hàm của hình dáng và kích thước sợi vật liệu gia cường. Vật liệu gia cường thường ở dạng sợi hay hạt.
Vật liệu Composite được phân loại theo hai tiêu chí: - Theo bản chất vật liệu nền: gồm một số dạng sau:
+ Composite nền kim loại (hợp kim nhôm, hợp kim Titan). + Composite nền khoáng (gốm).
- Theo hình dáng vật liệu cốt: có thể phân loại theo sơ đồ hình 2.21.
Hình 2.12: Sơ đồ phân loại vật liệu Composite
Chất gia cường dạng hạt có kích thước xấp xỉ nhau theo mọi hướng. Dạng của hạt gia cường có thể là cầu, khối hay bất cứ dạng nào khác. Sự sắp xếp các hạt gia cường có thể là ngẫu nhiên hay theo một hướng định trước. Đa số vật liệu Composite cốt hạt, hướng của hạt là ngẫu nhiên.
Vật liệu gia cường dạng sợi được đặc trưng bởi tỷ lệ giữa chiều dài sợi và diện tích mặt cắt ngang. Tuy nhiên, tỷ số này (được gọi là tỷ số bề mặt) có thể biến đổi đáng kể. Vật liệu Composite là lớp sợi dài với tỷ số bề mặt cao cho ta vật liệu được gọi là Composite có sợi gia cường liên tục, ngược lại Composite sợi không liên tục được chế tạo từ các sợi ngắn với tỷ số
bề mặt thấp. Hướng thường gặp trong Composite sợi liên tục là dạng đồng phương và hai hướng vuông góc. Dạng hạt, sợi và hướng sắp xếp được thể hiện trên hình 2.13.
Composite nhiều lớp là thuật ngữ khác của Composite
cốt sợi. Loại này thường ở dạng tấm là những kết cấu phẳng được tạo nên bằng cách sắp xếp các lớp theo một sự nói tiếp đặc biệt. Một tấm điển hình có thể có từ (4 40) lớp và hướng sợi thay đổi trong từng lớp theo một quy luật xuyên suốt chiều dày tấm.
Hình 2.13: Một số dạng cốt thường gặp
Hướng sắp xếp Composite
Cốt sợi
Composite 1 lớp Composite nhiều lớp
Cốt sợi liên tục Cốt sợi không liên tục
Sợi đồng phương Hai hướng vuông góc
Cốt hạt
Hướng ngẫu nhiên
Hiện nay vật liệu Composite với nền là nhựa Polymer và cốt dạng chất khoáng (cacbon, thủy tinh…) được sử dụng phổ biến nhất (chiếm hơn 90% Composite đang được sử dụng trên thế giới). Trong kỹ thuật, người ta gọi loại Composite này là FRP (Fiber Reinforced Plastic). Danh từ vật liệu Composite nói chung thường được dùng để chỉ về loại này.
2.4.2. Ứng dụng vật liệu composite chế tạo khung vỏ ô tô [14] 2.4.2.1. Trên thế giới 2.4.2.1. Trên thế giới
Năm 1994, các nhà sản xuất ô tô của Mỹ đã tin rằng vật liệu composite là chìa khóa thành công cho nền công nghiệp sản xuất ô tô trong tương lai để giảm trọng lượng ô tô và tiết kiệm nhiên liệu. Khi dùng vật liệu composite sẽ tạo nên một chiếc ô tô có trọng lượng nhẹ hơn và ít bị ăn mòn hơn so với các bộ phận được làm bằng thép. Ngoài ra một chi tiết bằng vật liệu composite có thể thay thế cho nhiều chi tiết phụ được làm bằng thép, do đó làm giảm chi phí lắp ráp.
Vật liệu composite đã được nghiên cứu ứng dụng chế tạo khung, thùng ô tô nhằm tạo ra những sản phẩm cao cấp. Vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh cao phân tử với những tính năng vượt trội và giá cả cạnh tranh hơn so với nhôm, thép, và sợi cacbon tổng hợp là quá tốn kém, nó đã được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô với các chi tiết nhỏ thì sau đó nó đã được ứng dụng trong đóng thùng ô tô, với một kết cấu lớn, đòi hỏi độ bền chắc, chịu lực tốt và cứng vững, và đã gặt hái được thành công vào năm 1996.
Ngày 31/03/2011 tại Southfield, Michigan Hội đồng nghiên cứu ô tô Hoa Kì, và tổ chức hợp tác công nghệ bao gồm tập đoàn Chrysler, công ty Ford Motor và General Motor đã được hiệp hội ô tô Hoa Kỳ trao bằng sáng chế ứng dụng thành công vật liệu composite trong đóng thùng ô tô tải. Các nhà nghiên cứu bắt đầu với việc thiết kế và phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên máy tính một thùng ô tô ảo theo mẫu. Các thông số cần thiết để phần mềm mô phỏng chi tiết bằng hình học, cùng với các thuộc tính của khung sợi thủy tinh dùng để thiết kế nên thùng ô tô bán tải.
Hãng ô tô nội địa Tata Motors của Ấn Độ sẽ sản xuất một dòng ô tô giá rẻ mới với vật liệu bằng composite, thay vì thép hay nhôm kiểu truyền thống.
Hình 2.14: Ô tô với vật liệu composite của hãng TaTa Motors
Mẫu ô tô giá rẻ mới này được cho là đã hoàn thiện và được thử nghiệm an toàn nhưng chưa được đưa vào sản xuất ngay.
2.4.2.2. Tại Việt Nam
Hiện nay, các hãng ô tô và các công ty mua bán, sửa chữa ô tô trong cả nước cũng đã bắt đầu thiết kế, chế tạo các sản phẩm cho ô tô bằng Composite, như: Công ty Hợp Long Thành, Công ty TNHH ô tô Sài Gòn, Công ty TNHH MTV Hoàng Cương:
Hình 2.15: Cản ô tô bằng Composite của Công ty SX TM&DV Hợp Long Thành
Hình 2.16: Các sản phẩm bằng vật liệu Composite (cản, nội thất) của Công ty TNHH MTV Hoàng Cương
2.4.3. Cấu trúc vật liệu composite 2.4.3.1. Vật liệu nền (nhựa) 2.4.3.1. Vật liệu nền (nhựa)
Hầu hết các loại nhựa dùng ở Việt nam được sử dụng chất gia tốc và chất xúc tác với hàm lượng thích hợp khoảng (0,5 2)%. Từ đó, trong hỗn hợp sẽ xảy ra các phản ứng hóa học sinh nhiệt để kích thích các phân tử hoạt động và liên kết với nhau thành chuỗi để tạo nên chất dẻo ở trạng thái rắn. Quá trình này phụ thuộc vào hàm lượng chất xúc tác, chất gia tốc, nhiệt độ môi trường và khí hậu.
Sau khi Polyester cơ bản được tạo ra, các nhà sản xuất sẽ tiến hành chuyển đổi các đặc tính của nhựa để phù hợp với từng ứng dụng riêng biệt.
1) Nhựa tạo lớp
Nhựa tạo lớp là loại nhựa kỵ khí, nghĩa là nó không đông cứng hoàn toàn trong môi trường không khí. Khi đó các lớp nhựa sau sẽ dễ dàng liên kết với lớp nhựa trước. Các đặc tính của nhựa tạo lớp: Có khả năng chống thấm nước, bền, khả năng dính kết, khả năng chống phản xạ, tia cực tím và thời tiết, có khả năng kết hợp với các loại vật liệu khác.
Để đảm bảo độ cứng chắc chúng ta nên sử dụng nhựa tạo lớp đã pha sẵn chất xúc tác và chất gia tốc.
2) Nhựa bề mặt
Là loại nhựa dùng để tạo lớp bề mặt sau cùng, nó không có tính kỵ khí. Loại này thường có chứa sáp hay các loại chất có tính năng tương tự, khi quá trình biến cứng xảy ra, sáp sẽ chảy loãng và tráng lên bề mặt một lớp mỏng làm cho nhựa đông cứng hoàn toàn.
Trong thực tế sản xuất người ta thường tạo ra nhựa bề mặt bằng cách pha paraphin vào nhựa tạo lớp với hàm lượng khoảng 1 (%). Nhựa bề mặt thường cứng hơn nhựa tạo lớp, có khả năng chịu ăn mòn hóa học và chịu tác động của môi trường tốt hơn.
3) Gelcoat
Lớp bao phủ có vai trò rất quan trọng đối với những sản phẩm chế tạo từ GRP. Do đó, nhựa dùng làm lớp bao phủ được chế tạo đặc biệt nhằm đảm bảo có đầy đủ tính chất của lớp bảo vệ như: Chống được tia cực tím, chống hà bám, tạo độ bóng bề mặt, dễ tạo màu sắc theo ý muốn.
Hiện nay, ở Việt Nam đang sử dụng một số loại nhựa polyester không no phổ biến như: 268BQTN, Dynopol 2116, G3253T, NORPOL, ISO, ....
2.4.3.2. Vật liệu cốt (vật liệu gia cường)
Vật liệu cốt trong GRP là sợi thủy tinh (Glass Fiber) rất thong dụng trên thị trường Việt Nam, bao gồm:
1) Mat
Mat được chế tạo bằng cách tạo ngẫu nhiên các sợi thủy tinh trên mặt phẳng, sau đó dùng chất liên diện để liên kết các sợi với nhau, tạo thành một vật liệu tấm giống như nỉ.
Trọng lượng khô của Mat từ (0,2 0,9) kg/m2. Tính theo trọng lượng, Mat là vật liệu gia cường có giá thành thấp nhất. GRP làm từ Mat có hàm lượng sợi thủy tinh thấp, từ (25 35)% và hàm lượng nhựa lớn nên vật liệu này có tính kín nước tốt. Mặt khác, do tính chất vô hướng của Mat mà vật liệu GRP có độ bền liên kết bên trong tốt.
Trong sử dụng, Mat thường được dùng như một lớp trung gian liên kết các lớp GRP với nhau, nếu chỉ sử dụng Mat, do hàm lượng nhựa cao nên GRP có độ bền và mô đun đàn hồi thấp. Trong gia công, Mat dễ dàng cho nhựa thấm vào, dễ tạo các góc uốn.
2) Vải thô (WR - Woven roving)
So với các dạng vải thủy tinh khác, vải thô dày hơn do sợi dệt lớn hơn. Trọng lượng của vải thô vào khoảng (0,3 1,2) kg/m2. Trong vật liệu GRP, vải thô thường được dùng ô tôn kẽ với các lớp Mat giúp cho vật liệu GRP có cấu trúc chặt chẽ, độ cứng và độ bền kéo tốt. Vải thô có một số đặc điểm sau:
- Tạo chiều dày của lớp nhanh.
- Không tạo được bề mặt GRP phẳng.
- Khó thấm ướt và hấp thụ nhựa, đòi hỏi phải sử dụng loại nhựa thích hợp. - Tấm GRP chế tạo từ vải thô thường có hàm lượng thủy tinh khoảng (4555) %. - Khó tạo các góc uốn.
2.4.3.3. Chất xúc tác
Chất xúc tác đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên gel và biến cứng của nhựa (đây là giai đoạn cho phép gia công và hoàn thành sản phẩm GRP). Chất xúc tác có 2 loại: Chất đông rắn (Catalyst) và chất gia tốc (Acelerator).
1) Chất đông rắn
Chất đông rắn thông dụng nhất cho nhựa polyester không no ở nhiệt độ thường là MEK (Methyl Ethyl Peroxide). Trong thành phần polyester lỏng có chứa các liên kết cacbon nối đôi C = C, đây là liên kết không bền, nếu có một tác nhân nào đó tác
động sẽ bẽ gãy các liên kết C = C thành liên kết cacbon nối đơn C - C, tức là tạo nên quá trình polyester hóa, làm cho nhựa lỏng biến cứng, đó chính là chức năng của chất đông rắn. Thông thường hàm lượng chất đông rắn chiếm từ (0,55)% khối lượng nhựa nền (hàm lượng thường sử dụng là 1%).
2) Chất gia tốc
Chất xúc tác có chức năng thúc đẩy quá trình biến cứng của nhựa mà không ảnh hưởng đến tính chất của nó. Chất gia tốc thường sử dụng là các loại muối kim loại nặng như: Octoate Cobalt, Vezinat cobalt, Naptenat cobalt.
Hàm lượng chất gia tốc luôn ít hơn hàm lượng chất đông rắn, chỉ chiếm khoảng (0,2 0,5)% khối lượng nhựa. Khi sử dụng, chất gia tốc phải được hòa tan trong nhựa trước khi thêm chất đông rắn vào.
2.4.3.4. Các chất phụ khác 1) Chất làm bóng khuôn
Cho đến nay, vật liệu đánh bóng thông dụng nhất là sáp carnauba wax (thường gọi tắt là Wax). Độ bóng của hầu hết các bề mặt được tạo ra nhờ sự có mặt của loại sáp quý này. Wax được bán trên thị trường ở dạng lỏng hoặc kem đựng trong hộp (giống như xi đánh giày).
Ngoài Wax, người ta còn dùng sáp silicon để tạo độ bóng. Tuy nhiên, loại này ít sử dụng vì nó có thể tạo ra một số phản ứng không kiểm soát được với nhựa gelcoat.
Khi cần tạo độ bóng cho bề mặt sản phẩm, người ta bôi lên bề mặt khuôn một lớp sáp mỏng và đều trước khi chế tạo.
2) Chất chống dính và tách khuôn
Chất chống dính được sử dụng khi cần tách khuôn. Hiện nay, hai loại chất chống dính thông dụng nhất là polyvinyl alcohol (PVA) và sáp paraphin (còn gọi là sáp đèn cầy). Trong đó, PVA thường được pha loãng trong nước hoặc rượu methyl, không màu còn sáp paraphin được chế tạo ở dạng thỏi rắn có màu trắng đục.
3) Chất chống chảy
Thông thường nhựa gelcoat và các loại nhựa nền đã pha trộn sẵn chất chống chảy. Trong trường hợp nhựa mua về thuộc nhóm không có tính chống chảy có thể pha thêm các chất chống chảy như dầu castor chứa hydro hoặc keo silica aerogel và bột aerosil với tỷ lệ khoảng 5%. Khi pha trộn phải cẩn thận vì bản thân các chất này ít nhiều có gây hại đến sức khoẻ.
2.4.4. Các thông số cơ bản của nền và cốt
Các thông số cơ bản của một số loại nền và cốt thông dụng: - Đối với nhựa nền:
+ Loại nhựa Epoxy:
Khối lượng riêng : 1100 - 1500 kg/m3 Môđun đàn hồi : 3 ÷ 5 GPa
Giới hạn bền kéo : 60 ÷ 80 MPa Giới hạn bền uốn : 100 ÷ 150 MPa Độ giãn dài tương đối : 2 ÷ 5 %
+ Nhựa Polyester không no :
Khối lượng riêng : 1100 - 1400 kg/m3 Môđun đàn hồi kéo : 2.8 - 3.5 GPa Môđun đàn hồi uốn : 3 - 4.5 GPa Giới hạn bền kéo : 50 - 80 MPa Giới hạn bền uốn : 100 - 150 MPa Độ giãn dài tương đối kéo : 2 - 5 %
Độ giãn dài tương đối uốn : 7 - 9 % - Đối với cốt :
+ Loại sợi thuỷ tinh E:
Khối lượng riêng : 2540 kg/m3 Môđun đàn hồi : 72.4 GPa Giới hạn bền : 3500 MPa + Loại sợi thuỷ tinh S :
Khối lượng riêng : 2480 kg/m3 Môđun đàn hồi : 4600 GPa Giới hạn bền : 85.5 MPa
2.5. Sử dụng phần mềm chuyên ngành trong tính toán, kiểm nghiệm khung ô tô 2.5.1. Các phần mềm phổ biến trong tính toán, kiểm nghiệm khung ô tô 2.5.1. Các phần mềm phổ biến trong tính toán, kiểm nghiệm khung ô tô
Trong lĩnh vực cơ học kết cấu khung ô tô cũng xuất hiện nhiều phần mềm phân tích kết cấu và đa số các phần mềm này đều dựa trên thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn. Sau đây là một số phần mềm đang có mặt tại Việt Nam:
+ SAP (Structural Analysis Program) có khả năng phân tích tĩnh và động các kết cấu không gian phức tạp, SAP có thư viện các phần tử hữu hạn phong phú, ứng xử với nhiều loại nguyên nhân tác động nên có thể dùng phân tích khá rộng các bài toán kết cấu trong thực tế. SAP có cách tổ chức tối ưu việc nhập số liệu tính toán và biểu hiện kết quả tính toán cuối cùng rất trực quan và rõ ràng tạo nhiều thuận lợi cho người sử dụng.
+ STRAND của Úc cũng là bộ chương trình phân tích kết cấu tương tự như SAP. Phiên bản cuối có mặt ở nước ta là STRAND6, cũng có khả năng phân tích như SAP, đã được sử dụng trong thiết kế và kiểm tra các thiết kế phức tạp. STRAND6 là sự phát triển cao nhất của hệ thống STRAND, nó đã trở thành phần mềm thương mại trong lĩnh vực nghiên cứu và thiết kế xây dựng.
+ STAAD.PRO của Mỹ, là bộ chương trình phân tích và thiết kế kết cấu. Về khả năng phân tích kết cấu STAAD.PRO đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn giải quyết các bài toán tĩnh và động, phẳng và không gian với mức độ phức tạp đáp ứng được các yêu cầu trong thiết kế các công trình thực tế hiện nay. Về khả năng thiết kế kết cấu STAAD.PRO là một chương trình khá hoàn thiện nhằm thực hiện việc thiết kế kết cấu với sự trợ giúp của máy tính điện tử. Chương trình có hỗ trợ phần đồ hoạ tốt nên nó có thể cho ra hình ảnh mô hình đẹp, dễ nhìn cho người sử dụng.
+ ANSYS là chương trình phần mềm có thể giải quyểt được các bài toán về