Luận văn Nghiên cứu cường độ ứng suất trên dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu cường độ ứng suất trên dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ QUANG THU NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT TRÊN DẦM COMPOSITE NHIỀU LỚP VỚI CỐT SỢI KHÔNG LIÊN TỤC NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 0 4 1 2 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ QUANG THU NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT DẦM COMPOSITE NHIỀU LỚP VỚI CỐT SỢI KHÔNG LIÊN TỤC NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ QUANG THU NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT TRÊN DẦM COMPOSITE NHIỀU LỚP VỚI CỐT SỢI KHÔNG LIÊN TỤC NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Hướng dẫn khoa học: TS. ĐỖ THÀNH TRUNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ & tên: VÕ QUANG THU Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16/12/1986 Nơi sinh: Quảng Nam Quê quán: Quảng Nam Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 180c – Khu phố Đông Ba – Phƣờng Bình Hòa – Thị Xã Thuận An – Bình Dƣơng. Điện thoại nhà riêng: 01689.209.149 E-mail: quangthukt@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học: Hệ đào tạo: Chính quyThời gian đào tạo từ 09/2005 đến 11/2009 Nơi học: Đại Học Đồng Tháp - TP Cao Lãnh Ngành học: Sƣ Phạm Kỹ Thuật Công Nghiệp III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 11/05/2010 Công Ty TNHH TM & DV Nhân viên cho đến nay Tân Hiệp Phát i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Các số liệu, kết quả thực nghiệm trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kì công trình nào khác. TP. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 8 năm 2013 Võ Quang Thu ii
6. LỜI CẢM ƠN Sau hai năm học tập và nghiên cứu trong chƣơng trình sau Đại học, ngành Công nghệ Chế tạo máy tại Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, tác giả đã đúc kết, tiếp thu đƣợc nhiều kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình. Với công trình nghiên cứu trong luận văn thạc sĩ tác giả đã vận dụng các kiến thức đã đƣợc tiếp thu để giải một bài toán thực tiễn. Nghiên cứu về vật liệu composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục là một bài toán thực tiễn khá phức tạp vì vậy trong quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài tác giả đã gặp không ít khó khăn. Nhƣng với sự hƣớng dẫn tận tình của TS. Đỗ Thành Trung, cùng với sự hỗ trợ của gia đình, bạn bè, anh chị đồng nghiệp nên đến nay luận văn đã đƣợc các kết quả nhƣ mong muốn. Để đạt đƣợc các kết quả nhƣ ngày hôm nay, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến: - Giáo viên hƣớng dẫn TS. Đỗ Thành Trung, ngƣời đã hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình, theo sát và luôn động viên khuyến khích, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn. - Quý Thầy, Cô đã giảng dạy, hƣớng dẫn và giúp đỡ tác giả trong toàn khóa học. Quý Thầy, cô khoa Cơ khí Chế tạo máy, phòng Đào tạo Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ trong thời gian tác giả học tập và nghiên cứu tại trƣờng. Một lần nữa,tác giả xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài. Trân trọng cảm ơn! TP. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 9 năm 2013 Học viên Võ Quang Thu iii
7. TÓM TẮT Trong những thập niên gần đây, vật liệu composite đƣợc sử dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp nhƣ hàng không, vũ trụ, đóng tàu, xây dựng và sửa chữa công trình. Với các ƣu điểm nhƣ bền, nhẹ, phù hợp với các điều kiện và môi trƣờng làm việc khác nhau nên vật liệu composite đƣợc sử dụng để thay thế các vật liệu truyền thống. Trong đề tài này, thí nghiệm uốn dựa trên phƣơng pháp thí nghiệm 3 điểm uốn và các mẫu thí nghiệm đƣợc chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM 790. Nội dung chính đã đƣợc nghiên cứu là cƣờng độ ứng suất và mô đun đàn hồi uốn của dầm composite nhiều lớpđƣợc chế tạo từ sợi thủy tinh ngắn, hƣớng sợi phân bố ngẫu nhiên và nền nhựa epoxy. Phân tích ảnh hƣởng của tỷ lệ sợi (số lớp sợi) trong composite đến độ bền uốn (ứng suất uốn lớn nhất) và mô đun đàn hồi uốn. Trên cơ sở các kết quả thu đƣợc từ thí nghiệm, tìm đƣợc dạng phƣơng trình đặc trƣnggiữa độ bền, mô đun đàn hồi uốn và tỷ lệ sợi gia cƣờng. So sánh các kết quả đạt đƣợc của thí nghiệm với các mô hình lý thuyết tính toán các đặc tính sức bền của compositesợi ngắn, phân bố ngẫu nhiên. Các kết quả cho thấy tỷ lệsợi gia cƣờng ảnh hƣởng đến các thuộc tính cơ khí của composite đó làđộ bền và mô đun đàn hồi uốn. Mô đun đàn hồi và độ bền uốn tăng khi tỷ lệ sợi gia cƣờng tăng; độ bền và mô đun đàn hồi uốn của composite sợi ngắn trong nghiên cứu này đều đạt giá trị lớn nhất khi tỷ lệsợi gia cƣờng là lớn nhất. Các kết quả thu đƣợc của mô đun đàn hồi uốn từ thí nghiệm so với lý thuyết hoà trộn thì hệ số ảnh hƣởng của sợi đến mô đun đàn hồi uốn trong thí nghiệm là KE =0.24 và hệ số ảnh hƣởng của sợi đến độ bền uốn là K = 0.17 thấp hơn hệ số ảnh hƣởng theo lý thuyết hoà trộn với KE = = 0.375. So sánh kết quả giữa thí nghiệm và lý thuyết Christensen and Waal's ta thấy kết quả thu đƣợc từ thí nghiệm có sự khác nhau, kết quả thí nghiệm có giá trị thấp hơn so với lý thuyết Christensen and Waal's. Ta thấy rằng các kết quả từ thí nghiệm đều thấp hơn các lý thuyết là do: chiều dài sợi, hƣớng phân bố của sợi trong các lý thuyết là lý tƣởng, chiều dài sợi iv
8. bằng nhau, số lƣợng sợi phân bố theo các hƣớng nhƣ nhau, liên kết nền – cốt trong composite là lý tƣởng. Và trong nghiên cứu này, chiều dài các sợi là không bằng nhau, sự phân bố của sợi theo các hƣớng cũng không đều; liên kết nền – cốt không đƣợc tốt nhất do các nguyên nhân nhƣ công nghệ chế tạo còn nhiều hạn chế dẫn đến tồn tại các khuyết tật, lỗ trống làm giảm sức bền của composite; vật liệu nền để lâu ngày chịu tác động của các yếu tố nhƣ ánh sáng, nhiệt độ làm giảm cơ tính. ABSTRACT v
9. In recent decades, composite materials are used in almost all industries such as aviation, space, shipbuilding, construction and repair work. With the advantages of durability, lightweight, and having ability to working different conditions and environment, composite materials are used to replace traditional materials. In this project, the bending experiment of the prototype is based on the method of 3-point bending experiment and the test samples were manufactured according to ASTM 790 standard. The main content has been researched is stressintensity and bending elastic modulus of multi-layer composite beams made from short glassfiber; fiber direction distributed randomly and the epoxy resin.Analysis of the influence of fiber volume fraction (the number of fiber layers) in the composite to bending strength (maximum bending stress) and bending elastic modulus.Based on the results obtained from the experiment, finding characteristic equation between bending strength (maximum bending stress), bending elastic modulus and reinforced fibervolume fraction. Comparing the obtained results of experiment with theoretical models about calculating the strength properties of short fiber composite and random distribution. The results showed that the rate of fibers affected the mechanical properties of the composite that is bending strength and bending elastic modulus. Elastic modulus and bending strength increased when reinforced fibervolume fraction increased; strength and bending elastic modulus of short fiber composite in this study reached a maximum value when the rate of reinforced fibers is maximum. The obtained results of the bending elastic modulus from experiment with rule of mixtures theory showed that influence coefficient of the fiber to bending elastic modulus in laboratory is KE =0.24 and influence coefficient of the fiber to bending strength K = 0.17 lower influence coefficient of bending theory with = = 0.375. Comparison the results between experiment and Waal's Christsenten theory shows that is different and the test resultsare lower than the value of Christensen and Waal's theory.We see that the experimental results are lower than the theory vi
10. because fiber length, fiber distributed direction in the theory is ideal; equal fiber length; the number of fibers distributed in the direction is the same, the basic - core link in the composite is ideal.And in this study, the fiber length is not equal; the distribution of the fibers in the direction is uneven, the basic - core link is not the best for many reasons such as fabrication technology has many shortcomings led to the existence of defects, the holes reduce the strength of the composite material, the basic material for a long time to be affected by factors such as light, temperature will reduce mechanical properties. vii
11. MỤC LỤC Trang tựa Quyết định giao đề tài Xác nhận của Giảng viên hƣớng dẫn Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt luận văn iv Mục lục viii Danh mục các từ viết tắt xi Danh sách các hình xiii Danh sách các bảng xv CHƢƠNG I. TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu 3 1.1. Nƣớc ngoài 3 1.2. Trong nƣớc 6 1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn 7 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 9 2.1. Mục tiêu 9 2.2. Nội dung nghiên cứu 9 3. Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu 9 3.1. Nhiệm vụ của đề tài 9 3.2. Phạm vi nghiên cứu 10 4. Phƣơng pháp nghiên cứu 10 5. Điểm mới của luận văn và giá trị thực tiễn 10 CHƢƠNG II. VẬT LIỆU COMPOSITE 2.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite 11 2.1.1. Khái niệm vật liệu composite 12 2.1.2. Lịch sử phát triển 12 viii
12. 2.1.3. Xu hƣớng phát triển của vật liệu composite trong tƣơng lai 13 2.1.4. Các thành phần cấu tạo và phân loại vật liệu composite 13 2.1.4.1. Thành phần cấu tạo 13 2.1.4.2. Đặc điểm 13 2.1.4.3. Phân loại 14 2.1.4.4. Liên kết nền – cốt 15 2.1.5. Composite cấu trúc dạng lớp 16 2.1.6. Ứng dụng của vật liệu composite 17 2.1.6.1. Trong lĩnh vực thể thao 17 2.1.6.2. Trong lĩnh vực hàng không 17 2.1.6.3. Trong các lĩnh vực khác 18 2.2. Phản ứng kết nối ngang 19 2.3. Vùng chuyển tiếp trong composite 20 2.4. Công nghệ chế tạo composite 21 2.4.1 Giới thiệu 21 2.4.2 Ƣu - nhƣợc điểm của phƣơng pháp lát tay 21 2.5. Composite sợi ngắn 22 CHƢƠNG III CƠ SỞ PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN CƠ TÍNH CỦA COMPOSITE 3.1. Giới thiệu 24 3.2. Tỷ lệ nền – cốt 24 3.3. Lý thuyết dầm chịu uốn của vật liệu đồng nhất 26 3.4. Đặc tính uốn của composite 27 3.5. Tính toán mô đun đàn hồi của composite sợi ngắn 38 3.6. Các lý thuyết về sự truyền ứng suất 29 3.6.1. Ứng suất bình quân sợi 29 3.6.2. Ảnh hƣởng của vật liệu nền 30 3.7. Các lý thuyết tính toán độ bền và mô đun đàn hồi uốn của composite sợi ngắn phân bố ngẫu nhiên 31 ix
13. 3.7.1. Phƣơng trình Halpin – Tsai 31 3.7.2. Lý thuyết tính toán thuộc tính của composite cốt sợi ngẫu nhiên dựa trên các kết quả tính toán thuộc tính composite đơn hƣớng 33 3.7.3. Hệ số ảnh hƣởng của sợi 33 3.7.4. Mô hình của Christensen and Waal's 34 3.7.5. Mô hình Pan's. Hàm tỷ trọng của sợi 34 CHƢƠNG IV MÔ TẢ THÍ NGHIỆM 4.1. Vật liệu chế tạo composite 36 4.2. Quy trình chế tạo composite bằng phƣơng pháp lát tay 39 4.3. Thí nghiệm 3 điểm uốn 42 4.4. Các mẫu composite đã đƣợc chế tạo và thí nghiệm 43 CHƢƠNG V PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 5.1. Mối liên hệ giữa lực và chuyển vị 45 5.2. Thuộc tính cơ khí của các mẫu thí nghiệm chịu uốn 46 5.3. Ảnh hƣởng của tỷ lệ sợi đến độ bền uốn 48 5.4. Ảnh hƣởng của tỷ lệ sợi đến mô đun đàn hồi uốn 49 5.5. So sánh, đánh giá kết quả thí nghiệm của độ bền uốn và mô đun đàn hồi uốn với các mô hình lý thuyết 51 5.5.1. So sánh kết quả độ bền uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết hoà trộn 51 5.5.2. So sánh, đánh giá kết quả mô đun đàn hồi uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết hoà trộn 53 5.5.3. So sánh, đánh giá kết quả mô đun đàn hồi uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết Christensen and Waal's 55 5.6. Đánh giá sự phá huỷ của các mẫu composite qua các ảnh SEM 56 5.7. Kết luận 59 CHƢƠNG VI KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Tóm tắt các kết quả đạt đƣợc của luận văn 62 6.2 Hƣớng phát triển của đề tài 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 x
14. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT  : Ứng suất  c : Ứng suất của composite  f : Ứng suất của sợi  m : Ứng suất của nhựa nền E : Mô đun đàn hồi Ec : Mô đun đàn hồi của composite E f : Mô đun đàn hồi của sợi Em : Mô đun đàn hồi của nhựa nền d : Đƣờng kính sợi l : Chiều dài sợi l t : Chiều dài tới hạn h k : Hệ số ảnh hƣởng của sợi kE : Hệ số ảnh hƣởng đối với mô đun của sợi k : Hệ số ảnh hƣởng đối với ứng suất của sợi mc : Khối lƣợng của composite m f : Khối lƣợng của sợi mm : Khối lƣợng của vật liệu nền vc : Thể tích của composite v f : Thể tích của sợi trong composite vm : Thể tích của vật liệu nền trong composite vv : Thể tích của lỗ trống trong composite Vm : Phần trăm vật liệu nền trong composite V f : Phần trăm sợi trong composite xi
15. c : Tỷ trọng của composite f : Tỷ trọng của sợi m : Tỷ trọng của nền M: Moment uốn I : Moment quán tính tiết diện b : Bề rộng của mẫu thử h : Bề dày của mẫu thử L: Chiều dài của mẫu thử Lspan : Chiều dài giữa hai gối đỡ P : Tải trọng (lực) tác dụng  : Chuyển vị của dầm chịu uốn Tc: Độ bền của coposite Tm: Độ bền của nền Tf: Độ bền sợi E11: Mô đun dọc E22: Mô đun ngang  : Hệ số thuộc tính đàn hồi max : Giới hạn lớn nhất của sợi trong composite RTM: Resin Transfer Molding SEM: Scanning Electron Microscope ASTM: American Society for Testing and Materials TNHH: Trách Nhiệm Hữu Hạn TM & DV: Thƣơng mại & Dịch vụ xii
16. DANH MỤC CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1:Sửa chữa, gia cố các công trình bằng vật liệu composite FRP 7 Hình 2.1: Sơ đồ phân loại composite theo bản chất nền 14 7 Hình 2.2:Sơ đồ phân loại composite theo cấu trúc 15 Hình 2.3:Composite cấu trúc dạng lớp 16 Hình 2.4: Các ứng dụng của composite trong thể thao 17 Hình 2.5:Các ứng dụng của composite trong hàng không – vũ trụ 18 Hình 2.6:Các ứng dụng của composite trong xây dựng, công nghiệp 19 Hình 2.7:Sơ đồ cấu trúc composite cốt sợi 22 Hình 2.8: Biểu đồ phân bốứng suất trên chiều dài sợi 23 Hình 3.1:Thí nghiệm dầm chịu uốn 26 Hình 3.2:Sợi ngắn phân bố ngẫu nhiên 28 Hình 4.1: Sợi thủy tinh ngắn, phân bố ngẫu nhiên 36 Hình 4.2: Nhựa epoxy 37 Hình 4.3: Công thức hóa học của epoxy Biosphenol-A 37 Hình 4.4: Chất đóng rắn TETA 38 Hình 4.5: Khuôn chế tạo composite 38 Hình 4.6: Chất tách khuôn MG–WAX No.8 39 Hình 4.7: Khuôn sau khi đƣợc tạo lớp tách khuôn 40 Hình 4.8: Hòa trộn hỗn hợp Epoxy và chất đóng rắn TETA 40 Hình 4.9: Đắp sợi vào khuôn, tạo lớp 41 Hình 4.10: Quá trình đóng rắn của composite 42 Hình 4.11: Sản phẩm composite sau khi tách khuôn 42 Hình 4.12: Mô hình thí nghiệm 3 điểm uốn của dầm composite 42 Hình 4.13: Các mẫu composite đƣợc chế tạo và cắt theo tiêu chuẩn thí nghiệm 43 Hình 4.14: Các mẫu composite sau khi thí nghiệm 44 Hình 5.1: Biểu đồ của lực và chuyển vị 45 xiii
17. Hình 5.2: Biểu đồ ảnh hƣởng của tỷ lệ sợi đến độ bền uốn 48 Hình 5.3: Biểu đồ ảnh hƣởng củatỷ lệ sợi đến mô đun đàn uốn 49 Hình 5.4: So sánh kết quả độ bền giữa thí nghiệmvà lý thuyết hòa trộn 51 Hình 5.5: So sánh kết quả mô đun đàn hồi uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết hòa trộn 53 Hình 5.6: So sánh kết quả mô đun đàn hồi uốn giữa thí nghiệm và lý thuyết Christensen and Waal's 55 Hình 5.7: Các kiểu phá hủy của composite dƣới tải trọng uốn 56 Hình 5.8: Ảnh SEM của composite không có sợi gia cƣờng 57 Hình 5.9: Ảnh SEM của composite với 1 lớp sợi gia cƣờng bị phá hủy 57 Hình 5.10: Ảnh SEM của composite với 7 lớp sợi gia cƣờng bị phá hủy 58 Hình 5.11: Các vị trí khác nhau khi bị phá hủy của các mẫu composite 59 Hình 5.12: Sự phân bố không đồng đều của sợi theo các hƣớng 61 Hình 5.13: Các khuyết tật khi chế tạo composite 61 xiv
18. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1: Hệ số ảnh hƣởng tƣơng ứng với định hƣớng sợi 29 Bảng 3.2: Các thông số theo Halpin – Tsai đối với composite sợi ngắn 32 Bảng 4.1: Thuộc tínhcủa sợi thủy tinh Chopped Strand Mat 36 Bảng 4.2: Đặc tính của vật liệu nền – nhựa Epoxy 37 Bảng 5.1: Độ bền và mô đun đàn hồi uốn của các mẫu thí nghiệm không có sợi gia cƣờng 47 Bảng 5.2: Độ bền và mô đun đàn hồi uốn của các mẫu composite có tỷ lệ sợi gia cƣờng từ 0÷0.28 47 xv
19. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN CHƢƠNG I TỔNG QUAN Vật liệu composite đã xuất hiện và phát triển trong đời sống của chúng ta từ rất lâu.Tuy nhiên, trong những thập niên gần đây thì chúng mới đƣợc ứng dụng rộng rãi, phổ biến trong các ngành kỹ thuật.Thế kỉ XXI đƣợc cho là thế kỉ của công nghệ cao và của vật liệu composite.Vật liệu composite đã đƣợc nghiên cứu và phát triển, ứng dụng trong hầu hết các ngành kĩ thuật nhƣ ngành hàng không, vũ trụ, công nghiệp đóng tàu, xây dựng, ô tô. Composite đã đƣợc nghiên cứu về các đặc điểm sức bền, các thuộc tính cơ học, về khả năng làm việc trong các điều kiện khác nhau nhƣ tải trọng, nhiệt độ, môi trƣờng, tính chất dẫn điện Tuy nhiên, để tăng khả năng ứng dụng và phát triển, phát huy các ƣu điểm của vật liệu thì cần phải hiểu rõ hơn về các đặc tính sức bền, cơ tính, khả năng làm việc và các thành phần vật liệu kết hợp để tạo thành composite. Vật liệu composite là vật liệu kết hợp, do đó việc nghiên cứu và chế tạo composite từ các thành phần, vật liệu khác nhau để có thể tận dụng, kết hợp từng ƣu điểm của các thành phần vật liệu tạo nên composite nhiều ƣu điểm, có thể thay thế các vật liệu khác là một công việc quan trọng và đòi hỏi một quá trình lâu dài. Các vật liệu kết hợp để tạo thành composite, tỷ lệ của các thành phầnvật liệu này và sự phân bố, sắp xếp của các thành phần kết hợp trong composite đóng vai trò rất quan trọng, ảnh hƣởng và quyết định đến thuộc tính, sức bền của vật liệu composite. Đối với vật liệu composite thì thành phần sợi đóng vai trò là yếu tốảnh hƣởng đến cơ tính nhiều nhất. Đặc trƣng của composite cốt sợi là cƣờng độ vàđộ cứng phụ thuộc vào đƣờng kính sợi, hƣớng phân bố của sợi và các đặc trƣng của chất nền.Điều quan trọng nhất đối với vật liệu composite kết cấu cốt sợi là phải có cấu trúc sao cho tải trọng đặt vào phải đƣợc đặt vào sợi là pha có độ bền cao, nếu tải trọng đặt vào nền thì dẫn đến vật liệu sẽ nhanh chóng bị phá hủy, hay nói cách khác là cơ tính của vật liệu composite cốt sợi phụ thuộc vào mức 1
20. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN độtruyền tải trọng từ nền sang sợi. Hiện nay, sợi cacbon và sợi thủy tinh với cấu trúc nền là epoxy đƣợc sử dụng rộng rãi nhờ nhữngƣu điểm của chúng khi kết hợp. Một cách tổng quát đặc tính cơ học của vật liệu composite phụ thuộc vào các yếu tố sau đây: Đặc trƣng cơ học của sợi (sợi cacbon, sợi thủy tinh hay sợi aramid) Đặc trƣng cơ học của chất nền (epoxy, vinylester hay polyeste) Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc vật liệu composite cốt sợi (hay tỉ lệ phần trăm của sợi gia cƣờng trong vật liệu composite cốt sợi) Hƣớng phân bố của sợi trong chất nền. Từ năm 1970 đến nay, các chi tiết chế tạo từ composite cốt sợi đã đƣợc ứng dụng hầu hết trong các ngành công nghiệp, làm vật liệu xây dựng và các ngành kỹ thuật cao. Mặc dù vậy, việc nghiên cứu để nâng cao chất lƣợng, cải thiện các đặctính cơ học, tính chất nhiệt, điện , mở rộng lĩnh vực ứng dụng của vật liệu này vẫn luôn đƣợc đƣợc đặt ra. Ở nƣớc ta,việc sản xuất và ứng dụng vật liệu composite đã phát triển đáng kểtrong những năm gần đây,tuy nhiên vẫn chƣa xứng tầm với cácđiều kiện thuận lợi mà chúng ta đang có nhƣ nguồn tài nguyên, nhân công Một số công ty đã sử dụng các sản phẩm đƣợc chế tạo từ vật liệu composite nhập khẩu từ Trung Quốc và Đài Loan, tuy nhiên các công ty này chƣa nắm rõ đƣợc các đặc điểm, thuộc tính và phƣơng pháp chế tạo. Do đó, khi có các hƣ hỏng hay sự cố xảy ra đối với các sản phẩm composite thì việc khắc phục và sửa chữa còn nhiều hạn chế do đội ngũ kỹ thuật của các công ty chƣa hiểu sâu về các đặc điểm của vật liệu composite và các thành phần vật liệu kết hợp. Chẳng hạn nhƣ Công ty TNHH TM & DV Tân Hiệp Phát, là nơi tác giả hiện nay đang công tác sử dụng hệ thống các tháp Cooling Tower đƣợc chế tạo từ vật liệu composite nhập từ Đài Loan để giải nhiệt cho nƣớc làm mát hệ thống máy móc của nhà máy. Khi các tháp này hƣ hỏng thì việc sửa chữa tốn nhiều thời gian và chi phí, hiệu quả không cao do bộ phận kỹ thuật chƣa nắm đƣợc các thuộc tính của vật liệu composite và các vật liệu kết hợp. Việc sử 2
21. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN dụng các vật liệu kết hợp nhƣ các loại sợi gia cƣờng, nhựa nền sao cho phù hợp và tính toán đƣợc khả năng chịu tải trọng, độ bền hay các thông số khác của composite tƣơng ứng với các thành phần sợi, nhựa nền và độ dày của composite còn hạn chế rất nhiều. Xuất phát từ tình hình thực tế đó, tác giả thấy rằng việc nghiên cứu các thuộc tính cơ học của vật liệu composite là một điều cần thiết, đặc biệt là vật liệu compositecốt sợi không liên tục (sợi thủy tinh ngắn) là loại sợi đƣợc sử dụng rộng rãi và phổ biến ở nƣớc ta hiện nay do những ƣu điểm về thuộc tính cơ học và giá thành. Để góp phần làm rõ hơn đặc tính cơ học của vật liệu composite cốt sợi, khả năng ứng dụng của vật liệu này nên tác giả chọn đề tài: " Nghiên cứu cường độ ứng suất trên dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục". Việc nghiên cứu về các thành phần kết hợp, tỷ lệ của các thành phần và sự phân bố sắp xếp các thành phần kết hợp trong composite là rất cần thiết và quan trọng, từ cơ sở là các kết quả của nghiên cứu này có thể áp dụng để chế tạo composite phù hợp với các điều kiện làm việc, độ bền hay thuộc tính cơ học khác nhau, phù hợp với các chức năng của vật liệu khi đƣợc sử dụng. Trong nghiên cứu này đã tính toán các đặc tính cơ bản của composite đó là ứng suất uốn lớn nhất (độ bền uốn), mô đun đàn hồi uốn dựa trên các cơ sở lý thuyết và kết quả thu đƣợc từ thí nghiệm đối với vật liệu composite cốt sợi không liên tục, phân bố ngẫu nhiên. 1. Tình hình nghiên cứu 1.1. Nƣớc ngoài - Naresh Kr Sharma [13] đã nghiên cứu: "Thermoplastic polyurethane - glass fibre mat reinforced composite: Effect of alternative multilayer sandwich model on mechanical properties". Trong nghiên cứu này tác giả đã đƣa ra sự ảnh hƣởng của cơ tính composite có cấu trúc sandwich đƣợc kết hợp từ nhựa nhiệt dẻo gia cƣờng sợi thủy tinh khi thay đổi các lớp; Đƣa ra các kết quả ảnh hƣởng của sự thay đổi các lớp vàtỷ lệ phần trăm sợi gia cƣờng đến ứng suất kéo và uốn, mô đun đàn hồi và ứng suất va đập của composite. 3