Báo cáo Thiết bị thi công mô hình thân vỏ ô tô bằng vật liệu composite (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Thiết bị thi công mô hình thân vỏ ô tô bằng vật liệu composite (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM THIẾT BỊ THI CÔNG MÔ HÌNH THÂN VỎ Ô TÔ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE Mã số: T2014-52 Chủ nhiệm đề tài: Kỹ SƯ THÁI HUY PHÁT SKC005570 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2014
2. BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NC KH&CN CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH THÂN VỎ Ô TÔ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE Mã số : T2014 - 52 Chủ nhiệm đề tài: KS. THÁI HUY PHÁT TP.HCM THAÙNG 11 - 2014
3. Danh sách những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài và đơn vị phối hợp chính : STT Tên thành viên Đơn vị công tác Nhiệm vụ 1 Thái Huy Phát Khoa CKĐ Chủ nhiệm đề tài 1
4. MỤC LỤC Danh mục bảng biểu – hình ảnh 3 CHƢƠNG 1: DẪN NHẬP 4 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 4 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 4 1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 5 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 KẾ T CẤ U THÂN XE 2.2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE CHƢƠNG 3: THI CÔNG MÔ HÌNH 11 3.1 THIẾ T KẾ MẦ U XE BẰ NG ĐẤ T SÉ T 11 3.2 TẠO KHUÔN BẰNG THẠCH CAO 11 3.3 ĐỔ COMPOSITE 13 3.4 SƢ̉ A CHƢ̃ A VÀ TAỌ LÁ NG BỀ MĂṬ , SƠN MÀU 14 CHƢƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ. 28 Tài liệu tham khảo 28 2
5. Danh mục bảng biểu – hình ảnh : BANGDULIEU : Bảng dữ liệu số liệu cho chương trình xử lý của vi điều khiển. Hình 1: các kiểu xe Hình 2: sedan 4 cửa Hình 3: coupe 2 cửa Hình 4: hardtop 4 cửa Hình 5: Liftback 3 cửa Hình 6: Convertible 2 cửa Hình 7: Pickup loại tải nhỏ Hình 8: Van và Staion Wagon Hình 9: VËt liÖu Composit Hình 10: C¸c kiÓu liªn kÕt gi÷a nÒn vµ cèt Hình 11: Sản phẩm hoàn thiện 3
6. Chƣơng 1: DẪN NHẬP 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, vật liệu composite được sử dụng phổ biến trong sản xuất trên nhiều lĩnh vực khác nhau như làm thân vỏ xe, thân tàu thủy, . Composite là vật liệu nhẹ, bền và cứng. Trong lĩnh vực ôtô, xu hướng của người tiêu dùng là yêu cầu một chiếc xe nhẹ nhưng đảm bảo độ bền và cứng. Để đáp ứng lại nhu cầu của người tiêu dùng thì các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực ôtô đã tìm ra một loại vật liệu có thể thay thế kim loại nhưng tính chất của chúng cũng tương tự như kim loại (cứng và bền). Với tính ưu việt đó composite dần trở thành vật liệu chính để sản xuất thân vỏ xe. 2. Mục tiêu đề tài. - Thiết kế được chiếc xe làm bằng vật liệu composite - Tạo ra một chiếc xe mà ta cảm thấy nhẹ và cứng. - Tạo ra mô hình và tài liệu cho sinh viên có thể học tập và nghiên cứu sau này. 3. Nhiệm vụ đề tài Trong việc giảng dạy thì mô hình và tài liệu giảng dạy là rất quan trọng. Đề tài “ nghiên cứu – thiết kế - thi công mô hình thân vỏ xe bằng vật liệu composite” là một đề tài mới, nên mô hình hoàn thành cần chính xác có tính tương đối cũng như tài liệu phải chính xác để sau này có thể đưa vào giảng dạy. 4. Phạm vi nghiên cứu - Thiết kế một mô hình xe có kích thước dài khoảng 45cm. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu. - Tìm hiểu lý thuyết về cấu tạo, đặc điểm, tính chất và công dụng của composite. Từ đó rút ra được ưu điểm của vật liệu composite. - Tìm hiểu composite được ứng dụng trên ôtô như thế nào. - Tìm hiểu phương pháp tạo ra vật liệu composite qua tài liệu trên mạng và hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn. 6. Giới hạn đề tài Do thời gian có hạn và đây là một đề tài mới nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu lý thuyết cơ bản về vật liệu composite như công dụng và phương pháp đơn giản để tạo ra composite, rồi từ đó xây dựng mô hình thân vỏ xe bằng vật liệu composite. 4
7. Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CẤ U TAỌ CƠ BẢ N THÂN VỎ XE 2.1.1 KẾ T CẤ U THÂN XE 2.1.1.1 Phân loaị thân xe a/ Phân loaị theo hình dá ng xe - Hình dáng thân xe của xe du lịch có hình dáng khác nhau tùy theo muc̣ đích sử duṇ g và có thể được chia làm các loại sau : Sedan, Coupe, Hardtop, Liftback( Hatch back ), Convertible, Pickup, Van và Wagon . Hình 1.1. các kiểu xe * Sedan: là loại xe du lịch có c ác ghế trước và sau có thể chở được 4 đến 6 người. Nó cũng được gọi là xe có 3 khoang: khoang động cơ, khoang hành khách và khoang hành lý. Các trụ gần như thẳng đứng ở trước và sau của thân xe tạo nên một khoảng không gian phía trước và bên trong rộng rãi. Có hai kiểu bố trí cửa xe: kiểu có 2 cửa và kiểu có 4 cửa. 5
8. Hình 1.2 sedan 4 cửa * Coupe: là loại xe du lịch có kiểu dáng thể thao và lịch lãm. Không giống như kiểu sedan, kiểu coupe có các ghế nhỏ ở phía sau. Hầu hết kiểu coupe là loại 2 cửa. Hình 1.3 coupe 2 cửa * Hardtop: là loại xe du lịch mà trụ giữa và trần xe không nối với nhau, nó cũng có các cửa không có khung kính ở cửa. Tuy nhiên ngày nay người ta cũng đưa ra các kiểu xe có 6
9. giữa trần xe và trụ giữa. Kiểu xe này được gọi là kiểu hardtop có trụ giữa. Các kiểu hardtop có khoang hành khách nhỏ hơn một chút so với kiểu sedan 4 cửa. Hình 1.4 hardtop 4 cửa * Liftback: là một loại xe du lịch có một cửa sau nghiêng và mở lên được, khoang hành khách và khoang hành lý được làm liền nhau. Nó cũng có thể được gọi là kiểu hatchback hay Fastback tùy theo góc độ nghiêng của cửa sau. Tùy theo số lượng cửa của nó, kiểu Liftback được chia thành Liftback thể thao 3 cửa hay liftback thực dụng 5 cửa. 7
10. Hình 1.5 Liftback 3 cửa * Convertible: đây là loại sedan hay coupe mà có thể lái xe với trần xe cuốn lên hay hạ xuống. Hình 1.6 Convertible 2 cửa * Pickup: đây là loại xe tải nhẹ có khoang động cơ kéo dài về phía trước của ghế lái xe 8
11. Hình 1.7 Pickup loại tải nhỏ * Van và Station Wagon: trong khi các loại xe du lịch đã nói ở trên có trần xe chỉ kéo dài đến hàng ghế sau thì Van và Station Wagon có trần xe kéo dài đến trụ phía sau cửa xe. Chúng là loại đa chức năng có khu vực hành lý bên trong xe rộng và có cửa phía sau rộng để chất hàng. Loại Station Wagon tập trung hơn vào việc chuyên chở hành khách, còn loại Van tập trung vào việc vận chuyển hàng hóa. Hình 1.8 Van và Staion Wagon b/ Phân loại theo thiết kế thân xe 9
12. - Kết cấu cơ bản của thân xe du lịch có thể phân loại theo các loại tùy thuộc vào vị trí đặt động cơ và phương pháp đỡ chúng. Loại thân xe Bố trí động cơ, Phương pháp Tên xe đường truyền lực Đỡ động cơ Khung FR Khung xe CROWN FR Khung phụ LEXUS LS400 Dầm ngang LEXUS SC400 Tổ hợp Khung phụ LEXUS ES300 FF Dầm giữa CAMRY Đỡ trực tiếp TERCEL STALET MR Dầm ngang MR2 2.1.1.2 Đặc điểm kết cấu loại thân xe tổ hợp - Ngày nay thân xe tổ hợp được sử dụng rộng rãi trong các xe du lịch. Nó được cấu tạo bằng cách hàn các khoang hành khách và bộ phận khung xe vào nhau để tạo nên một kết cấu thân xe thống nhất. Bộ khung xe này đỡ động cơ và hệ thống treo. - Thân xe tổ hợp là một ý tưởng thiết kế quay trở lại ý tưởng ban đầu áp dụng cho máy bay phản lực hiện đại và nó thường được so sánh với hình dạng vở trứng. Khi dùng ngón tay để bóp vỏ trứng nó có thể chịu được một lực tương đối lớn. Lý do là áp lực ngón tay được phân tán trên toàn bộ vỏ trứng chứ không tập trung ở bất kì vùng nào. Trong động lực học người ta gọi đây là “ kết cấu vỏ mỏng chịu lực”. - Mặc dù thân xe không thể áp dụng kết cấu vỏ mỏng chịu lực hoàn hảo như thế, nhưng theo cách nói thông thường, khi thân xe có kết cấu tương tự như vậy để chịu các lực bên ngoài, thì nó được gọi là thân xe tổ hợp. * Thân xe tổ hợp có các đặc điểm sau: - Thân xe tổ hợp nhẹ, tuy nhiên có đủ độ bền để chịu uốn và chịu xoắn do kết cấu liền khối của nó. Nó được cấu tạo bằng cách tổ hợp các tấm thép mỏng được dập với những hình dáng khác nhau và được hàn điểm gắn vào nhau. 10
13. - Tiếng ồn và rung động từ hệ thống truyền lực và hệ thống treo có thể dễ dàng thâm nhập qua thân xe tổ hợp, lúc này nó có tác dụng như một hộp rung động khi sửa chữa thân xe bị hỏng do tai nạn. - Vì sử dụng nhiều các tấm thép mỏng, cần phải có biện pháp chống gỉ, đặc biệt là vùng bên dưới thân xe. - Do có sự kết hợp của nhiều tấm thép khác nhau được dập thành các hình dạng phức tạp, cứ mỗi lần bị hư hỏng thì thân xe tổ hợp cần nhiều công sức hơn để sửa chữa. 2.2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE 2.2.1 MỞ ĐẦU Vật liệu là một lĩnh vực quan trọng đối với đời sống và sản xuất công nghiệp. Mỗi một loại vật liệu đều có những ưu ,nhược điểm riêng (ví dụ:vật liệu hữu cơ :nhẹ , bền, rẻ, dễ gia công nhưng không sử dụng được ở nhiệt độ cao; vật liệu vô cơ: chịu lực tốt, rẻ, có thể sử dụng được được ở khoảng nhiệt độ rộng nhưng kém bền, kết cấu nặng nề , khó gia công ). Sự phát triên mạnh mẽ của công nghệ hiện đại dẫn tới nhu cầu to lớn về những vật liệu đồng thời có nhiều tính chất cần thiết mà các vật liệu truyến thông khi đứng riêng rẽ không thể có được.Vật liệu kết hợp hay composite ra đời vừa đáp ứng nhu cầu cấp bách đó, vừa là sản phẩm của những công trình nghiên cứu trong nửa sau thế kỷ XX. Ngày nay, vật liệu composite đã và đang thay thế dần các vật liệu truyền thống như: vật liệu vô cơ,hữu cơ, kim loại để chế tạo ra các chi tiết máy và kết cấu kể cả các kết cấu chịu tải trọng lớn cũng như các sản phẩm dân dụng khác. 2.2.2 KHÁI NIỆM Vật liệu composit (composite ) là vật liệu tổ hợp từ hai (hoặc nhiều) 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 đứng riêng rẽ. 11
14. 2.2.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Vật liệu composite đầu tiên đã xuất hiện cách đây hàng nghìn năm . 5000 năm trước công nguyên người cổ đại đã thêm đá nghiền nhỏ hoặc những vật liệu nguồn gốc hữu cơ vào đất sét để giảm độ co, cứt khi nung gạch hoặc đồ gốm. ở Ai cập khoảng 3000 năm TCN người ta đã làm vỏ thuyền bằng lau sậy đan tẩm bitum, nếu bỏ qua một số khái niệm thì kỹ thuật đó cũng giống như kỹ thuật làm tàu hiện đại từ chất dẻo cốt thuỷ tinh hiện nay. Ở Việt Nam, thuyền tre đan trát sơn trộn mùn cưa là một ví dụ về vật liệu composit. Năm 1851, Nelson Goodyear đã dùng oxit kẽm làm chất độn cho elonit. Năm 1920, Bakeland đă dùng bột gỗ độn vào nhựa bakelit và John đã sử dụng xenlulo làm chất độn cho các loại nhựa . Mặc dù được hình thành từ rất sớm , nhưng việc chế tạo vật liệu composite mới thực sự được chú ý khoảng 60 năm trở lại đây. Vào những năm 1930 Slayter đã được Ellis và Foster dùng gia cường cho polyeste không no. Polyeste tăng cường bằng sợi thủy tinh được sử dụng trong ngành hàng không năm 1938. Năm 1944 đã sản xuất hàng nghìn chi tiết bằng chất dẻo composite cho máy bay và tàu chiến phục vụ đaị chiến thế giới lần thứ II. Năm 1950 chất lượng của vật liệu polyme composite được nâng cao nhờ sự ra đời của nhựa epoxy và hàng loạt sợi tăng cường như sợi cabon, sợi polyeste, nylon, aramit (kelva), sợi silic Từ năm 1970 đến nay , các chi tiết chế tạo từ composite cốt sợi đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp , làm vật liệu xây dựng và những ngành kỹ thuật cao . Mặc dù vậy , việc nghiên cứu nâng cao chất lượng , cải thiện tính chất cơ lý , tính chất nhiệt, điện v.v , mở rộng lĩnh vực ứng dụng của vật liệu này vẫn luô n được được đặt ra. 2.2.4 XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE TRONG THỜI GIAN TỚI. - Thay thế thép bằng vật liệu composite: Sự thay thế thép bằng các vật liệu mới có liên quan đến các tính chất đặc biệt và bản chất vật lý của chúng . Trong các vật rắn tinh thể, thép và các kim loại khác luôn tồn tại những sai lệch đường . Số lượng của chúng lên tới nhiều tỷ trên 1cm3 , làm yếu kim loại và không cho phép tăng độ bền của chúng lên một 12
15. cách đáng kể, nhờ những tính chất ưu việt, vật liệu polyme composite cho phép đạt được độ bền nén lớn hơn nhiều so với thép . - Chuyển vật liệu sang dạng sợi để tăng cường độ bền : kết quả nghiên cứu trong nhiều năm đã chứng tỏ khi chuyển vật liệu ở dạng khối sang dạng sợi thì độ bền của chúng tăng lên. Trong những sợi mảnh, độ bền đạt tới giá trị gần với lý thuyết và khi đó trong cấu trúc không quan sát thấy khuyết tật. -Đa dạng hoá nền polyme và chất tăng cường : Trong những năm gần đây trên thế giới, cùng với những loại nhựa nhiệt rắn đã được sử dụng rộng rãi như nhựa epoxy, polyeste không no , phenolfomandehyt người ta đã sử dụng rất có hiệu quả các loại nhựa nhiệt dẻo như PE, PP, polyamit, polycacbonat . -Phối hợp giữa các vật liệu polyme , nền kim loại và gốm. 2.2.5 ĐẶC ĐIỂM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU COMPOSITE 2.2.5.1 Các đặc điểm chung. - Là vật liệu nhiều pha. Các pha tạo nên composite thường rất khác nhau về mặt bản chất , không hoà tan lẫn nhau , phân tách nhau bằng bề mặt phân chia pha. Pha liên tục trong toàn khối composite được gọi là nền (matrix), pha phân bố gián đoạn , được nền bao bọc , quy định gọi là cốt .(Hình 1.1) NÒn Cèt H×nh 1.1: VËt liÖu Composit - Trong composite thì tỷ lệ , hình dáng , kích thước , cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước. - Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của composite. Tuy vậy tính chất của composite không bao hàm tất cả các tính chất của các 13
16. pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm. * Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào : + Cơ tính của vật liệu thành phần + Luật phân bố hình học của vật liệu cốt + Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần 2.2.5.2 Phân loại : Để phân loại vật liệu composite người ta dựa vào các đặc điểm chung của chúng : - Theo bản chất của vật liệu nền : Composite nền polyme, gốm , graphit, kim loại ,hỗn hợp nhiều pha. - Theo hình học cốt : Composite cốt hạt ( thô , mịn ) , composite cốt sợi ( dài, ngắn ). - Theo cấu trúc vật liệu : Composite tấm,lớp, tấm 3 lớp, khối , tổ ong - Theo phương pháp chế tạo : Đúc,ép ,đúc phun, lăn tô - Theo phạm vi ứng dụng : Composite cao cấp, composite kỹ thuật. a/ Phân loại theo bản chất của vật liệu nền . * Nền kim loại : - Kim loại có độ bền, cứng, dẻo khá cao, có thể chịu được nhiệt độ cao hơn polyme trong môi trường có oxy. Vật liệu composite nền kim loại có modun rất cao (~ 110 GPa ) ,nền đòi hỏi sợi tăng cường phải có modun cao. Al, Mg, Ti, Cu được nghiên cứu ứng dụng làm nền composite hơn cả, đặc biệt các kim loại nhẹ rất được ưa chuộng trong ngành hàng không. - Nền kim loại có một số ưu điểm so với nền polyme : + Kim loại nói chung dẻo, khá bền nên cải thiện chỉ tiêu cơ lý của polyme như modun đàn hồi. + Có độ dẫn điện, nhiệt cao hơn + Không bốc cháy, ít bị ảnh hưởng của môi trường ẩm. +Có tính đàn hồi nên trong một số trường hợp dễ gia công, lắp ráp. - Nhược điểm chính của nền kim loại là khối lượng riêng lớn. Công nghệ chế tạo composite nền kim loại phức tạp hơn rất nhiều so với nền polyme và do vậy giá thành sản phẩm sẽ cao hơn . Chính điều này hạn chế việc lựa chọn và triển khai ứng dụng chúng trong công nghiệp 14
17. * Nền polyme: - Composite nền polyme chiếm khoảng 90 % trong tổng số các loại composite. Nền polyme rất được ưa chuộng do có tỉ trọng thấp, cách điện, nhiệt tốt, dễ gia công. Polyme dùng làm nền có 2 loại: Nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo. - Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng : Polyetylen (PE) , Polypropen (PP), Polystylen , Polyamit - Nhựa nhiệt rắn phổ biến nhất là : Epoxy, polyeste không no, phenolic, polyuretan *Nền gốm và thuỷ tinh: - Tổ chức điển hình của gốm là đa pha và đa tinh thể. Hai pha chính tạo nên tổ chức của gốm : Pha thuỷ tinh phân bố xen kẽ giữa các vùng pha tinh thể và gắn kết chúng lại với nhau. Gốm là loại vật liệu có độ bền cao, duy trì được độ bền ở nhiệt độ cao (~ 1600 o C ), khả năng chịu oxy hoá cao. Tuy nhiên có độ bền kéo thấp , chịu va đập kém. Thuỷ tinh vô cơ là vật liệu nhận được bằng cách làm nguội nhanh một hợp chất vô cơ từ trạng thái nóng chảy ở nhiệt độ cao đến trạng thái rắn không kết tinh. Quá trình này giống như đối với nhựa nhiệt dẻo nên có thể áp dụng các phương pháp gia công của nhưạ nhiệt dẻo. Thuỷ tinh có độ bền và mođun đàn hồi cao (~69GPa), độ dãn nở nhiệt thấp. Nhờ tính chảy tốt nên khi tăng nhiệt độ và áp lực Ðp thì hàm lượng sợi tăng cường có thể tăng nhưng không làm giảm độ bền vật liệu. *Nền cacbon/graphit: - Grafit là vật liệu chịu nhiệt rất tốt, cứng, bền nhiệt(>2000 oC ), điển hình là composit cacbon-cacbon. Vật liệu này được sử dụng nhiều trong ngành hàng không, hoá dược , y tế b/ Phân loại theo hình học cốt: *Composite cốt hạt: - Có cấu tạo gồm các phân tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố đều trong nền. Các phân tử cốt rất đa dạng : Các loại khoáng tự nhiên , oxyt, cacbit, nitrit. - Composite cốt hạt mịn : thường có nền là kim loại hoặc hợp kim, cốt có kích thước nhỏ ( < 0.1 m) thường là các vật liệu bền cứng , có tính ổn định nhiệt cao như cacbit, nitrit. Tương tác nền cốt xảy ra ở mức vi mô với kích thước nguyên tử , phân tử. - Composite hạt thô : Nền có thể là polyme , kim loại hoặc gốm. Cốt thường được đưa vào để cải thiện độ bền nén , kéo , uốn, độ chống mài mòn ,độ ổn định kích thước , chịu 15
18. nhiệt hoặc tạo ra một tính chất mới theo yêu cầu. Tương tác nền cốt không xảy ra ở mức nguyên tử , phân tử. *Composite cốt sợi ngắn: - Độ dài cốt sợi nhỏ hơn 5cm. Composite cốt sợi ngắn được gia công bằng các phương pháp gia công nhựa thông thường như đúc, đùn, đúc phun. Khi đùn hoặc đúc phun vào khuôn, sợi phải có khả năng đi qua được khe hở trong thân thiết bị. Sợi ngắn thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt rắn do có khối lượng phân tử lớn khi đóng rắn sẽ không có lợi nếu dùng sợi ngắn. Tất cả composite cốt sợi ngăn đều thuộc composite kỹ thuật. *Composite cốt sợi có chiều dài trung bình: - Độ dài cốt sợi từ 10 đến 100 mm, thường dùng cho nhựa nhiệt rắn có thêm bột độn với hàm lượng khá lớn. Phương pháp gia công thường được sử dụng là phương pháp ướt . Sợi phải được thấm ướt hoàn toàn để composite đạt được các tính chất cao nhất. Composite này cũng thuộc composite kỹ thuật. *Composite cốt sợi dài: - Sợi này hay còn gọi là sợi liên tục thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn, chế tạo composite chất lương cao. Loại composite này có thể được chế tạo với nền là vô cơ , gốm , kim loại. c/ Phân loại theo phạm vi ứng dụng: - Theo phạm vi ứng dụng thì composite được chia thành 2 nhóm . Hai nhóm này khác nhau chủ yếu ở loại sợi , chiều dài sợi tăng cường và loại nhựa được sử dụng làm nền. - Nhóm thứ nhất được gọi là composite tiên tiến (advanced composite ), được chế tạo từ các loại sợi dài và có độ bền cao. Nhựa nền cũng là các loại nhựa có đặc tính tốt , chịu nhiệt, bền hoá học. Composite chất lượng cao thường được ứng dụng trong ngành hàng không , vũ trụ (như tên lửa , các bộ phận máy bay), cũng như các dụng cụ thể thao cao cấp (như vợt tennis, gây chơi gol ), vật liệu y sinh ( sửa chữa, thay thế các bộ phận răng, xương cơ thể ) . - Nhóm thứ hai được gọi là composite kỹ thuật ( engineering composite ) gồm các composite cốt sợi ngắn , có tính chất cơ lý thấp hơn. Nhựa nền cũng có tính chất thấp hơn. Các sản phẩm làm từ composite kỹ thuật bao gồm : vỏ tàu , ca nô , ôtô, bồn tắm , bể chứa 16
19. 2.2.6 CÁC VẬT LIỆU THÀNH PHẦN CỦA COMPOSITE - Thành phần chính của composite là nền và vật liệu tăng cường(cốt). Ngoài ra còn có chất đóng rắn , chất độn và một số chất màu (nếu cần).Vật liệu cốt giúp cho composite có khả năng chịu lực cao hợn .Vật liệu nền đóng vai trò liên kết vật liệu cốt với nhau và truyền lực cơ học tới chúng , cũng như bảo vệ cốt chống chọi với môi trường xung quanh. 1. Cốt - Trong toàn khối composite xét về mặt sắp xếp thì cốt phân bố không liên tục. Về mặt bản chất cốt có thể rất đa dạng tuỳ thuộc vào tính chất của composite cần chế tạo. Trong thực tế cốt có thể bằng kim loại ( thép không rỉ, vofram, molipden ) , bằng chất vô cơ ( bo , cacbon , thuỷ tinh , gốm ) và bằng chất hữu cơ ( polyamit thơm, nhựa epoxy ). - Hình dạng, kích thước, hàm lượng và sự phân bố cốt là những yếu tố ảnh hưởng mạnh đến tính chất của composite . - Một số dạng thức phân bố cốt trong không gian : cốt hoá một chiều (tuyến tính ), cốt hoá hai chiều ( mặt), cốt hoá ba chiều ( khối). Về đặc tính của từng loại cốt xem phần 2.2. 2. Nền - Trong composite nền đóng vai trò chủ yếu sau đây: - Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối thống nhất . - Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu composite thành các chi tiết theo thiết kế. - Che phủ , bảo vệ cốt tránh các hư hỏng cơ học và hoá học do tác dụng của môi trường ngoài. - Nền có thể là các vật liệu rất khác nhau . Về cơ bản người ta có thể phân loại nền thành 4 nhóm :polyme , kim koại , gốm và hỗn hợp. Đặc tính của từng loại nền xem phần 2.1. 3. Tƣơng tác giữa nền và cốt - Nền và cốt được kết hợp thành khối composite thống nhất thông qua liên kết tại vùng ranh giới pha.Về nguyên tắc giữa nền và cốt trong khối composite ở điều kiện làm việc bình thường không xảy ra hiện tượng khuếch tán hoà tan lẫn nhau.Tuy vậy tuỳ thuộc vào 17
20. qui trình công nghệ chế tạo, hệ thống có thể trải qua các trạng thái nhiệt độ, áp suất cao thuận lợi về mặt nhiệt động học cho các tương tác khác nhau giữa nền và cốt xảy ra. 3.1. Các dạng tương tác giữa nền và cốt . - Theo đặc điểm người ta phân loại tương tác nền –cốt thành 3 dạng cơ bản sau: - Nền và cốt không hoà tan lẫn nhau và không tạo thành hợp chất hoá học. VD : Các composit Al-B, SiC-Al - Nền và cốt tương tác tạo dung dịch rắn với độ hoà tan rất nhỏ và không tạo hợp chất hoá học. VD: Các composite :Nb-W, Ni- W - Nền và cốt tương tác với nhau tạo hợp chất hoá học . VD: Các composite :Al-SiO2 , Ti-Al 2O3, Ti-SiC Tuỳ thuộc vào dạng tương tác , giữa nền và cốt sẽ hình thành mối liên kết nhất định . Độ bền của composite chịu ảnh hưởng rất mạnh vào độ bền liên kết cốt- nền. 3.2. Các kiểu liên kết giữa cốt – nền . - Trong vật liệu composite , tồn tại 6 kiểu liên kết cơ bản sau: *Liên kết cơ học (hình vẽ 1.2a ): - Liên kết này thực hiện nhờ khớp nối thuần tuý cơ học giữa nền và cốt thông qua độ mấp mô bề mặt hoặc do lực ma sát. *Liên kết nhờ thấm ướt (hình vẽ 1.2b): - Liên kết này thực hiện nhờ năng lượng sức căng bề mặt . Đối với các composite tạo ra kiểu liên kết cơ học , khi tiến hành quy trình chế tạo , nếu pha nền dược nung chảy và thấm ướt với cốt thì bao giờ cũng xảy ra quá trình khuếch tán hoà tan lẫn nhau giữa chúng dù là rất nhỏ.Sức căng bề mặt trên ranh giới nền- cốt sau khi pha nền đông đặc chính là yếu tố quyết định của kiểu liên kết sau này . *Liên kết phản ứng (hình vẽ 1.2c) - Liên kết phản ứng xuất hiện khi trên ranh giới nền- cốt xảy ra tạo phản ứng, tạo hợp chất hoá học dạng Mox. Đặc tính của hợp chất mới tạo thành này ảnh hưởng quyết định đến độ bền liên kết giữa cốt và nền . *Liên kết phản ứng phân đoạn (hình vẽ1.2d) 18
21. - Đặc điểm của kiên kết này là phản ứng tổng thể xảy ra theo nhiều giai đoạn, trong đó có một giai đoạn không chế tốc độ tạo ra liên kết. *Liên kết oxit (hình vẽ 1.2e) - Liên kết trong composite dạng này thực hiện do tạo ra các sản phẩm phản ứng ở dạng màng oxyt (Mox). *Liên kết hỗn hợp - Liên kết này là hỗn hợp của các kiểu liên kết xuất hiện trong composite mà tương tác giữa nền và cốt phụ thuộc mạnh vào quá trình chế tạo hoặc sử dụng. H×nh 1.2: C¸c kiÓu liªn kÕt gi÷a nÒn vµ cèt 2.2.7 CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA COMPOSITE . 1. Cấu trúc vật liệu composite . - Xét về mặt cấu trú, vật liệu composite được chia thành một số loại như sau:composite nhiều lớp , composite ba líp. 1.1. Composite nhiều lớp . - Vật liệu được tổ hợp từ các lớp sợi hay vải đồng phương ; phương của sợi hoặc vải trong mỗi lớp không nhất thiết phải giống nhau ( hình vẽ 1.3 ) 19
22. S K L 0 0 2 1 5 4