Nghiên cứu độ bền của vật liệu composite được chế tạo bằng phương pháp VARTM

Nội dung text: Nghiên cứu độ bền của vật liệu composite được chế tạo bằng phương pháp VARTM

1. NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE ĐƯỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP VARTM RESEARCH ABOUT DURABILITY OF COMPOSITE MATERIALS MADE BY USING VARTM PGS.TS Đỗ Thành Trung 1, Nguyễn Văn Hưng 1 1 Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM TÓM TẮT Hiện nay người ta đang tìm cách thay thế các vật liệu truyền thống bằng các vật liệu composite nhằm tạo ra những vật liệu có cấu trúc bền và nhẹ vừa đảm bảo khả năng làm việc của kết cấu với giá thành rẻ, phù hợp với công nghệ phát triển vật liệu ngày nay. Trong đề tài này, tác giả chế tạo mẫu thử composite bằng phương pháp VARTM theo tiêu chuẩn ASTM D3039. Nội dung chính của bài báo này là nghiên cứu độ bền kéo và độ bền uốn của composite được chế tạo bằng cốt woven roving fiberglass (hướng sợi thủy tinh phân bố nhị phương) và chopped strand mat fiberglass (hướng sợi thủy tinh phân bố đa phương) trên nền nhựa Polyester. Phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến cơ tính của vật liệu composite. Trên cơ sở các kết quả thu được từ thí nghiệm, tìm được dạng phương trình đặc trưng của độ bền kéo và độ bền uốn theo tỷ lệ sợi gia cường. So sánh các kết quả thu được, kết quả cho thấy tỷ lệ sợi gia cường và phân bố của sợi ảnh hưởng đến các thuộc tính cơ khí của composite, khi tỷ lệ sợi gia cường thay đổi hoặc hướng sợi gia cường thay đổi thì độ bền kéo và độ bền uốn của vật liệu composite thay đổi. Từ khóa: VARTM, composite, mô đun kéo, độ bền kéo, mô đun uốn, độ bền uốn. ABSTRACT Nowaday, people are trying to replace traditional materials by composite materials in order to create materials light, enduring structures but ensure their working abilities, as well as meet low price to fit with the technology of developing material nowadays. In this project, the author created composite based on the method VARTM and standards ASTM D3039. The main content of the article is research tensile strength and flexural strength of composite samples made from woven roving fiberglass (oriented fibers two distribution) and chopped strand mat fiberglass (oriented fibers multimedia distribution) based on polyester resin. Analyzing the impact of fiber on the mechanical properties of composite materials. Based on the results obtained from the experiment, found the form characteristic equation between tensile strength and flexural strength ratio entail reinforcing fibers. Comparison of the results obtained, the results show that if the rate of fiber reinforced fibers and the distribution of changes, changing tensile strength and flexural strength of composite. Keywords: VARTM, composite, tensile strength, flexural strength.
2. 1. GIỚI THIỆU. Bảng 2.2. Tính chất vật liệu cốt. Vật liệu Composite là vật liệu được chế Tính chất chopped Woven tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác strand mats roving nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới Khối lượng riêng 2.49 (g/cm3) 2.52 (g/cm3) có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu. Độ bền kéo 3600 (MPa) 4500 (MPa) Vật liệu composite được cấu tạo từ các thành Modun kéo 72 (GPa) 87 (GPa) phần cốt nhằm đảm bảo cho composite có Đường kính 15 (µm) 14 (µm) được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của 2.2. Các bước thí nghiệm Composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau. Bước 1: Tiến hành bôi một lớp wax (Cana) lên Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm 2 tấm khuôn. một hay nhiều pha gián đoạn phân bố đều trên một pha nền liên tục. Pha gián đoạn thường có Bước 2: Định hình sợi thủy tinh vào khuôn. tính chất trội hơn pha liên tục. Pha liên tục gọi Bước 3: Cho vật liệu nền nhựa polyester và là nền, pha gián đoạn gọi là cốt được trộn vào chất đóng rắn MEKP vào bình chứa. pha nền nhằm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn và chống xướt. Bước 4: Đóng kín bồn chứa , sau đó hút chân không với áp suất 70 cmHG. Phương pháp VARTM (Vacuum Resin Bước 5: Bơm nhựa vào trong khuôn, với áp Transfer Molding) là một công nghệ sản suất phun 4 Kg/cm2. xuất composite, nhựa được chuyển vào khuôn trong điều kiện áp suất thấp, khuôn Bước 6: Đợi nhựa Polyester đóng rắn và định kín ngoài ra còn có sự hỗ trợ của chân hình trong khoảng thời gian 240 phút. Sau đó không để đẩy bọt khí ra ngoài, tạo ra sản tiến hành tháo khuôn lấy sản phẩm. phẩm có bề mặt chất lượng cao, cơ tính tốt. 3. Điều kiện thí nghiệm. Phương pháp VARTM gồm có 4 bước: - Độ bền kéo và độ bền uốn của mẫu Chuẩn bị; Phun; Lưu hóa; Tách khuôn. composite được đo trên máy Lloyd LR 30K, 2. CHẾ TẠO MẪU tại Trung tâm nghiên cứu vật liệu polymer, trường đại học Bách Khoa TP.HCM. Dựa 2.1. Chuẩn bị theo tiêu chuẩn ASTM D3039. - Nhựa nền Polyester được cung cấp bởi - Tốc độ đo mẫu chịu uốn là 5 mm/phút, Công Ty TNHH Tân Viễn Đông composite, mẫu chịu kéo là 2 mm/phút. tính chất nhựa lỏng polyester như bảng 2.1. - Thí nghiệm được thực hiện tại nhiệt độ Bảng 2.1. Tính chất nhựa polyester. phòng (25oc). Khối lượng riêng 1,13 - Mỗi loại mẫu thử được thực hiện tối thiểu Điểm bắt cháy 31,8°C 5 lần, sau đó tính giá trị trung bình. Ổn định ở 25°C 4 tháng Thời gian gel - MEKP 0,01% 120 phút 4. KẾT QUẢ Độ nhớt ở 25°C 40000 cps 4.1. So sánh độ bền kéo của composite - Chất đóng rắn MEKP ở dạng dung dịch được gia cường bằng woven roving lỏng chứa 9% oxy hoạt tính. fiberglass và chopped strand mat fiberglass - Vật liệu cốt gồm 2 loại: Sợi thủy tinh - Căn cứ vào kết quả thực nghiệm ta vẽ chopped strand mats và sợi thủy tinh woven được biểu đồ so sánh độ bền kéo của roving. Tính chất của vật liệu cốt có thông số composite được gia cường bằng cốt woven như bảng 2.2. roving và chopped strand mat như hình 4.1.
3. composite được gia cường bằng cốt chopped strand mat fiberglass lớn hơn độ bền kéo của composite được gia cường bằng cốt woven roving fiberglass, điều này có thể giải thích là mặc dù độ bền kéo của woven roving fiberglass lớn hơn độ bền kéo cuả chopped strand mat fiberglass nhưng do khả năng thấm giữa vật liệu nền polyester với chopped strand mat fiberglass tốt hơn khả năng thấm của vật liệu nền polyester với woven roving fiberglass, dù cùng tỷ lệ cốt sợi thủy tinh nhưng tỷ lệ khoảng trống trong composite được gia cường bằng cốt woven roving Hình 4.1. Biểu đồ so sánh độ bền kéo của fiberglass sẽ lớn hơn dẫn đến vết nứt tế vi lớn composite được gia cường bằng woven roving hơn, làm cho độ bền kéo nhỏ hơn [3]. và chopped strand mat. 4.2. So sánh độ mô đun kéo của composite - Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi và độ bền kéo được gia cường bằng woven roving và của composite được chế tạo bằng nhựa chopped strand mat. polyester cốt woven roving được thể hiện - Căn cứ vào kết quả thực nghiệm ta vẽ bằng phương trình đặc trưng c = 46.620 + được biểu đồ so sánh mô đun bền kéo của 2 composite được gia cường bằng woven roving 186.830 Vf - 310.467 Vf , Khi tỷ lệ sợi bằng 0.301 thì độ bền kéo đạt cực đại (74.73 MPa), và chopped strand mat như hình 4.2. giá trị cực đại này lớn hơn gấp 2.4 lần so với mẫu thí nghiệm chỉ có nền polyester kết hợp với chất xúc tác không có sợi gia cường (31.13 MPa). - Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi và độ bền kéo của composite được chế tạo bằng nhựa polyester cốt chopped strand mat fiberglass được thể hiện bằng phương trình đặc trưng sau c = 22.451+ 353.659 - 500.973 , Khi tỷ lệ sợi bằng 0.353 thì độ bền kéo đạt cực đại (84.87 MPa), giá trị cực đại này lớn hơn gấp 2.7 lần so với mẫu thí nghiệm chỉ có nền polyester kết hợp với chất xúc tác không có Hình 4.2. Biểu đồ so sánh mô đun kéo của sợi gia cường (31.13 MPa). composite được gia cường bằng woven roving và chopped strand mat. - Dựa vào biểu đồ hình 4.1 ta thấy khi tỷ lệ sợi thủy tinh nhỏ hơn 0.181 thì độ bền kéo của - Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi và mô đun kéo composite được gia cường bằng cốt chopped của composite được chế tạo bằng nhựa strand mat fiberglass thấp hơn độ bền kéo của polyester cốt woven roving được thể hiện composite được gia cường bằng cốt woven bằng phương trình đặc trưng Ec = 2244.844 + roving fiberglass, nguyên nhân này là do khi 11074.964 - 17747.571 , Khi tỷ lệ sợi tỷ lệ sợi thấp thì khả năng thấm giữa vật liệu bằng Vf= 0.312 thì mô đun kéo đạt cực đại nền và cốt của 2 loại sợi này là khá tốt tuy (3972.61 MPa). giá trị cực đại này lớn hơn gấp nhiên độ bền kéo của sợi thủy tinh woven 2.1 lần so với mẫu thí nghiệm chỉ có nền roving (4500 MPa) lớn hơn độ bền kéo của sợi polyester kết hợp với chất xúc tác không có thủy tinh chopped strand mat (3600 MPa). sợi gia cường (1879.5 MPa). Khi tỷ lệ sợi lớn hơn 0.181 thì độ bền kéo của
4. - Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi và mô đun kéo nghiệm chỉ có nền polyester kết hợp với chất của composite được chế tạo bằng nhựa xúc tác không có sợi gia cường (40.15 MPa). polyester cốt chopped strand mat fiberglass được thể hiện bằng phương trình đặc trưng sau 2 Ec = 1712.37 + 11387.264 Vf - 15479.344 Vf , Khi tỷ lệ sợi bằng 0.368 thì mô đun kéo đạt cực đại 3806.38 MPa). Giá trị cực đại này lớn hơn gấp 2.3 lần so với mẫu thí nghiệm chỉ có nền polyester kết hợp với chất xúc tác không có sợi gia cường (1879.5 MPa). - Dựa vào biểu đồ hình 4.2 ta thấy mô đun kéo của composite được gia cường bằng cốt chopped strand mat fiberglass thấp hơn mô đun kéo của composite được gia cường bằng cốt woven roving fiberglass (khi Vf < 0.421), Hình 4.3. Biểu đồ so sánh độ bền uốn của tuy nhiên chênh lệch này không nhiều. composite được gia cường bằng woven roving Nguyên nhân này là do mô đun kéo của và chopped strand mat. woven roving fiberglass có lớn hơn mô đun kéo cuả chopped strand mat fiberglass nhưng - Dựa vào biểu đồ hình 4.3 ta thấy độ bền chênh lệch này rất ít. uốn của composite được gia cường bằng cốt chopped strand mat fiberglass lớn hơn độ bền 4.3. So sánh độ bền uốn của composite uốn của composite được gia cường bằng cốt được gia cường bằng woven roving và woven roving fiberglass. Nguyên nhân này là chopped strand mat. do liên kết giữa các sợi trong strand mat - Căn cứ vào kết quả thí nghiệm ta có vẽ fiberglass chặt chẽ hơn các sợi trong woven được biểu đồ so sánh độ bền uốn của roving fiberglass, mặt khác do khả năng thấm composite được gia cường bằng woven roving giữa vật liệu nền polyester với chopped strand và chopped strand mat như hình 4.2 mat tốt hơn khả năng thấm của vật liệu nền polyester với woven roving [4]. - Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và độ bền uốn của composite được chế tạo bằng 4.4. So sánh mô đun uốn của composite nhựa polyester cốt woven roving fiberglass được gia cường bằng woven roving và được thể hiện bằng phương trình đặc trưng c chopped strand mat. = 56.597 + 215.098 - 321.850 , Khi tỷ - Căn cứ vào kết quả thí nghiệm ta vẽ được lệ sợi bằng 0.334 thì độ bền uốn đạt cực đại biểu đồ so sánh mô đun uốn của composite 92.518 (MPa), giá trị cực đại lớn hơn gấp 2.3 được gia cường bằng woven roving và lần so với mẫu thí nghiệm chỉ có nền polyester chopped strand mat như hình 4.4 kết hợp với chất xúc tác không có sợi gia - Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và mô cường (40.15 MPa). đun uốn của composite được chế tạo bằng - Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi và độ bền uốn nhựa polyester cốt woven roving fiberglass của composite được chế tạo bằng nhựa được thể hiện bằng phương trình đặc trưng Ec polyester cốt chopped strand mat được thể = 1554.949 + 17428.518 - 27793.792 hiện bằng phương trình đặc trưng c = 59.120 Khi tỷ lệ sợi bằng 0.314 thì mô đun uốn đạt + 290.345 - 404.771 . Khi tỷ lệ sợi cực đại (4285.15 MPa), giá trị cực đại lớn hơn trong khoảng 0.00 ÷ 0.359 thì độ bền uốn sẽ gấp 2.2 lần so với mẫu thí nghiệm chỉ có nền tăng dần. Khi tỷ lệ sợi bằng 0.359 thì độ bền polyester kết hợp với chất xúc tác không có uốn đạt cực đại 111.19 (MPa), giá trị cực đại sợi gia cường (1948 MPa). này lớn hơn gấp 2.77 lần so với mẫu thí - Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi và mô đun uốn của composite được chế tạo bằng nhựa
5. polyester cốt woven roving fiberglass được 4.5. So sánh độ bền kéo và độ bền uốn của thể hiện bằng phương trình đặc trưng Ec = composite được gia cường bằng woven 2 roving fiberglass. 3155.956 + 29129.293 Vf - 40507.512 Vf Khi tỷ lệ sợi bằng 0.360 thì mô đun uốn đạt - Biểu đồ so sánh độ bền kéo và độ bền uốn cực đại (8392.66 Mpa), giá trị cực đại này lớn của composite được gia cường bằng woven hơn gấp 4.4 lần so với mẫu thí nghiệm chỉ có roving fiberglass được thể hiện như hình 4.5. nền polyester kết hợp với chất xúc tác không có sợi gia cường (1948 MPa). Hình 4.5. So sánh độ bền kéo và uốn của composite được gia cường bằng woven roving Hình 4.4. Biểu đồ so sánh mô đun uốn của composite được gia cường bằng woven roving - Nhận xét: Dựa vào biểu đồ hình 4.5 ta thấy và chopped strand mat. composite được gia cường bằng cốt woven roving fiberglass có độ bền uốn lớn hơn độ - Dựa vào biểu đồ hình 4.4 ta thấy mô đun bền kéo, điều này kết luận composite được gia uốn của composite được gia cường bằng cốt cường bằng cốt woven roving fiberglass có chopped strand mat fiberglass lớn hơn mô đun khả năng chịu uốn tốt hơn là chịu kéo. uốn của composite được gia cường bằng cốt woven roving fiberglass. Nguyên nhân này là 4.6. So sánh độ bền kéo, uốn của composite do liên kết giữa các sợi trong strand mat được gia cường bằng chopped strand mat. fiberglass chặt chẽ hơn các sợi trong woven - Biểu đồ so sánh độ bền kéo và độ bền uốn roving fiberglass, mặt khác do khả năng thấm của composite được gia cường bằng chopped giữa vật liệu nền polyester với chopped strand strand mat fiberglass được thể hiện như hình mat fiberglass tốt hơn. 4.6. - Độ chênh lệch mô đun uốn của composite được gia cường bằng cốt chopped strand mat fiberglass so với mô đun uốn của composite được gia cường bằng cốt woven roving fiberglass tăng dần, nguyên nhân này là do khả năng thấm giữa vật liệu nền polyester với chopped strand mat fiberglass dễ hơn khả năng thấm của vật liệu nền polyester với woven roving fiberglass, nên khi tăng dần tỷ lệ cốt sợi thủy tinh thì vết nứt tế vi của composite được gia cường bằng cốt woven roving fiberglass sẽ tăng nhiều hơn, dẫn đến độ chênh lệch về mô đun uốn tăng dần Hình 4.6: So sánh độ bền kéo và uốn của composite được gia cường bằng chopped strand mat.
6. - Nhận xét: Dựa vào biểu đồ hình 4.6 ta thấy chopped strand mat fiberglass và composite composite được gia cường bằng cốt chopped được gia cường bằng cốt woven roving strand mat có độ bền uốn lớn hơn độ bền kéo, fiberglass tăng lên. điều này kết luận composite được gia cường Ảnh SEM của Ảnh SEM của bằng cốt chopped strand mat có khả năng chịu composite được gia composite được gia uốn tốt hơn là chịu kéo. cường bằng 11 lớp cường bằng 11 lớp 5. Phân tích cấu trúc composite qua ảnh chopped strand mat woven roving SEM - Quan sát ảnh SEM trên hình 5.1, ta thấy liên kết giữa nền và cốt của composite được gia cường bằng 1 lớp chopped strand mat và composite được gia cường bằng 1 lớp woven roving fiberglass khá chặt chẽ, không có những khoảng trống. Hình 5.3. Ảnh SEM của composite được gia Ảnh SEM của Ảnh SEM của cường bằng 11 lớp cốt sợi thủy tinh. composite được gia composite được gia cường bằng 1 lớp cường bằng 1 lớp chopped strand mat woven roving Hình 5.1. Ảnh SEM của composite được gia cường bằng 1 lớp cốt sợi thủy tinh. - Quan sát ảnh SEM trên hình 5.2, ta thấy khi tăng số lớp sợi lên 5 thì xuất hiện những khoảng trống trong composite được gia cường bằng cốt chopped strand mat fiberglass và composite được gia cường bằng cốt woven roving fiberglass. Ảnh SEM của Ảnh SEM của composite được gia composite được gia cường bằng 5 lớp cường bằng 5 lớp chopped strand mat woven roving Hình 5.2. Ảnh SEM của composite được gia cường bằng 5 lớp cốt sợi thủy tinh. - Quan sát ảnh SEM trên hình 5.3, ta thấy khi tiếp tục tăng số lớp sợi lên 11 thì khoảng trống trong composite được gia cường bằng cốt
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Đăng Cường. Compozit sợi thủy tinh và ứng dụng. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2011. [2] PGS. TS Phùng Rân. Quy hoạch thực nghiệm ứng dụng. Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 2006. [3]. Thanh Trung Do & Dong Joo Lee. Analysis of tensile properties for composites with wrinkled fabric. Journal of Mechanical Science and Technology, 24, 2010, 471-479. [4] Thanh Trung Do & Dong Joo Lee. Failure of composite with discontinuous fabric preform under bending. Journal of Key Engineering Materials, Vols. 462-463, 2011, p.698-703. TP. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 05 năm 2016 Xác nhận của Giảng viên hướng dẫn
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.