Tài liệu Công nghệ đóng sửa tàu vỏ phi kim loại

2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ ĐÓNG – SỬA CHỮA TÀU PHI KIM LOẠI 1.1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÓNG VÀ SỬA TÀU VỎ PHI KIM LOẠI 1.1.1. Khái niệm chung về công nghệ đóng và sửa tàu vỏ phi kim loại Quá trình sản xuất thường được chia thành quá trình công nghệ và quá trình phi công nghệ (hình 1.1). Quá trình sản xuất Quá trình công nghệ Quá trình lao động Quá trình phi công nghệ Quá trình tự nhiên Phục vụ sản xuất Chuẩn bị sản xuất Hình 1.1. Cơ cấu của quá trình sản xuất Quá trình công nghệ là một bộ phận quan trọng của quá trình sản xuất, trong đó người công nhân sử dụng tư liệu lao động để trực tiếp biến đối tượng lao động thành sản phẩm. Quá trình công nghệ làm thay đổi hình dáng, kích thước bên ngoài; thay đổi tính chất cơ, lý hoá bên trong của vật được gia công. Trong quá trình công nghệ, có thể phân biệt quá trình lao động như các quá trình gia công, lắp ráp,… và quá trình tự nhiên trong đó con người không trực tiếp tác động như quá trình phơi gỗ, quá trình đông cứng ở vật liệu composite,… Quá trình công nghệ thường được chia làm nhiều giai đoạn cộng nghệ khác nhau, mỗi giai đoạn công nghệ lại có thể chia thành nhiều nguyên công. Nguyên công là đơn vị cơ bản của quá trình công nghệ, là phần công việc sản xuất ở tại một nơi làm việc do một công nhân hoặc một nhóm công nhân tiến hành trên một dối tượng lao động nhất định. Quá trình phi công nghệ có thể chia thành quá trình phục vụ sản xuất và quá trình chuẩn bị sản xuất. sự vận chuyển, kiểm tra chất lượng, sửa chữa máy móc,... thuộc quá trình phục vụ sản xuất. Phóng mẫu, kiểm tra dưỡng mẫu,… thuộc quá trình chuẩn bị sản xuất. 1.1.1.1. Quá trình công nghệ đóng tàu vỏ phi kim loại Khác với quá trình công nghệ đóng tàu vỏ thép, do đặc thù của vật liệu, giới hạn về kích thước tàu, quy mô của các nhà máy,… mà quy trình công nghệ đóng tàu vỏ phi kim loại thường đơn giản hơn. CN đóng & sửa chữa tàu PKL 3 Quá trình công nghệ đóng tàu vỏ phi kim loại là quá trình thi công, chế tạo con tàu tính từ lúc nhập nguyên vật liệu về cho đến khi con tàu được nghiệm thu. * Đối với tàu vỏ composite : Công nghệ chế tạo luôn được thay đổi để phù hợp với sự thay đổi của nhà xưởng, máy móc và trang thiết bị theo hướng hiện đại. Và hiện nay, hầu hết quá trình công nghệ đều được bố trí theo dây chuyền. Trong đó có ba dạng dây chuyền sản xuất được áp dụng với các cỡ tàu khác nhau. - Dạng thứ nhất : Đối tượng lao động cố định, các tổ sản xuất di chuyển cùng với bước công việc và tư liệu sản xuất. Dạng này áp dụng đối với các tàu cỡ lớn, khó dịch chuyển trong quá trình thi công; điều kiện bến bãi, nhà xưởng, thiết bị nâng hạ, đường triền,… đáp ứng tốt yêu cầu về kích thước và khối lượng. Nhược điểm của dạng dây chuyền này là phức tạp và khó phân rõ ranh giới công việc giữa tổ sản xuất này với tổ sản xuất khác. Do đó, làm giảm năng suất lao động. - Dạng thứ hai : Các tổ sản xuất cố định cùng với bước công việc và tư liệu sản xuất còn đối tượng lao động di chuyển. Dây chuyền này thường chỉ áp dụng cho các tàu cỡ nhỏ và cỡ trung, các loại canô, xuồng, hay khi sản xuất các chi tiết, sản phẩm nhỏ. Ở dạng này, người công nhân thường chủ động với công việc của mình hơn nên nâng cao được năng suất lao động. - Dạng thứ ba : là sự kết hợp của hai dạng trên, áp dụng cho các tàu cỡ lớn nhưng trong điều kiện nhà xưởng, máy móc, trang thiết bị,… còn hạn chế. Ví dụ, do nhà xưởng bị hạn chế về chiều cao nên khi chế tạo xong phần thân tàu và lắp đặt máy chính, tiến hành cho hạ thuỷ tàu xuống nước rồi tiếp tục chế tạo phần thượng tầng. Dạng thứ ba này tỏ ra khá phù hợp với điều kiện thực tế của các cơ sở sản xuất ở nước ta trong giai đoạn hiện nay. * Đối với tàu vỏ gỗ : Ngoài một số ít tàu cỡ lớn thuộc dự án đánh bắt xa bờ do nhà nước đầu tư được đóng theo thiết kế, còn lại đại đa số đều được đóng theo kinh nghiệm dân gian tại các cơ sở chưa được đầu tư đúng mức. Vì thế, quá trình công nghệ thi công là hết sức đơn giản, không tuân theo một dạng dây chuyền sản xuất nào. Có thể nói, chất lượng của con tàu (các tính năng, độ bền,…) phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng nguyên vật liệu và trình độ tay nghề công nhân. 1.1.1.2. Quá trình công nghệ sửa chữa tàu phi kim loại Sửa chữa tàu thuỷ là một công việc vô cùng phức tạp. Khác với tàu vỏ thép, việc sửa chữa các tàu vỏ phi kim loại chủ yếu là thay mới hoặc bổ sung, gia cường thêm vào. Thật khó có thể xác định trước chính xác thời gian khai thác của một con tàu. Hai con tàu hoàn toàn giống nhau nhưng có thể có thời gian khai thác khác nhau đáng kể. Việc kéo dài tuổi thọ cũng như thời gian sử dụng một con tàu phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng chế tạo ban đầu cũng như chất lượng của công tác bảo dưỡng, sửa chữa. Trong những năm gần đây, mặc dù trong lĩnh vực đóng tàu đã đạt được rất nhiều tiến bộ khoa học, kỹ thuật, làm tăng tuổi thọ và độ tin cậy của tàu nhưng số lượng sự cố vẫn chưa có xu hướng giảm rõ rệt. Đặc biệt là phải làm việc trong điều kiện thời tiết CN đóng & sửa chữa tàu PKL 4 ngày càng diễn biến phức tạp. Theo số liệu thống kê, trung bình hàng năm trên thế giới có khoảng trên dưới 30% số lượng tàu phải sửa chữa, bảo dưỡng và khoảng 0,3% tổng số tấn đăng ký bị phá huỷ. 1.1.2. Sự phát triển của ngành đóng tàu bằng vật liệu phi kim loại và khả năng ứng dụng vật liệu mới trong đóng tàu Từ thời xa xưa, con người đã biết sử dụng những cây gỗ to, khoét rỗng bên trong để làm phương tiện đi lại trên nước. Đó là mầm mống đầu tiên của ngành công nghiệp đóng tàu ngày nay. Tiếp sau đó, những con tàu được chế tạo bằng vật liệu phi kim loại liên tục ra đời với những cải tiến đáng kể về mẫu mã, kích thước cũng như phương thức làm cho nó chuyển động như thuyền buồm rồi đến thuyền chạy bằng guồng,… Và trong những thập niên gần đây, với sự quan tâm của nhà nước và sự hấp dẫn của nguồn tài nguyên biển đã làm cho số lượng tàu thuyền nói chung và tàu bằng vật liệu phi kim loại nói riêng (chủ yếu là tàu vỏ gỗ) tăng lên đáng kể. Tuy có sự ra đời rất sớm nhưng so với tàu vỏ thép, các tàu bằng vật liệu phi kim loại còn rất hạn chế về quy mô và kích thước. Cho đến nay, ngoài loại tàu bêtông cốt thép hầu như không còn sử dụng, chiều dài lớn nhất của các tàu phi kim loại chỉ đạt khoảng 35m. Với kích thước đó, loại tàu này khó có thể chinh phục hết đại dương mênh mông. Từ khi loại vật liệu mới – vật liệu composite thâm nhập vào nước ta, với những tính năng ưu việt, nó được các trung tâm nghiên cứu, các cơ sở sản xuất đưa vào ứng dụng để chế tạo các tàu chủ yếu phục vụ cho nghề cá và các tàu đòi hỏi có kiểu dáng đẹp, tốc độ cao như tàu du lịch, tàu tuần tra,… Ngoài ra, ở một số nơi đã và đang nghiên cứu triển khai áp dụng khả năng kết hợp giữa vật liệu composite với các vật liệu khác trong đóng tàu nhằm đạt được các mục đích khác nhau theo ý muốn. Ví dụ, nghiên cứu bọc tàu vỏ gỗ bằng vật liệu composite nhằm làm tăng tuổi thọ cho tàu, giảm chi phí bảo dưỡng, sửa chữa,… hay sử dụng lõi gỗ, foam trong chế tạo các kết cấu sườn, đà, vách ngăn,.. nhằm mục đích tăng bền, cách nhiệt, cách âm,… 1.1.3. Giải pháp thiết kế - công nghệ trong đóng và sửa tàu phi kim loại Giải pháp thiết kế công nghệ là sự tổng hoà các yếu tố : vật liệu hiện có, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm, các thủ pháp công nghệ, công suất chế tạo, giá thành,… để chọn ra phương án tối ưu. Trong những năm 80, giải pháp thiết công nghệ được xem như tổng hoà của ba yếu tố cơ bản nhất : lựa chọn vật liệu, thiết kế kết cấu chi tiết và chọn các phương pháp công nghệ. Thực tiễn ở nước ta và với sự phát triển của nền kinh tế tri thức vào những năm cuối thế kỷ XX, đầu thế kỷ XXI cần xét thêm những điều kiện như : thực trạng trang thiết bị hiện có (với các nước tiên tiến, công nghiệp phát triển, vấn đề này trở thành thứ yếu, nhưng đối với nước ta là một vấn đề rất cơ bản, bởi vì các giải pháp công nghệ phải dựa trên cơ sở các trang thiết bị khả thi), và tính cạnh tranh của sản phẩm (ví dụ cạnh tranh về tính năng, về giá cả,…). Biểu đồ về giải pháp thiết kế công nghệ thể hiện ở hình 1.2. CN đóng & sửa chữa tàu PKL 5 - Vật liệu ban đầu - Máy móc, trang bị hiện có - Yêu cầu tính năng kỹ thuật - Thiết kế Giải pháp thiết kế công nghệ Thủ pháp công nghệ - Mức độ sản xuất - Lĩnh vực áp dụng - Hiệu quả kinh tế - Độ cạnh tranh - Giá thành Hình 1.2. Sơ đồ lựa chọn giải pháp thiết kế công nghệ Chính xuất phát từ thực tiễn kỹ thuật, đặc điểm của vật liệu, đòi hỏi phải tạo ra những con tàu mới có tính năng tốt hơn, bền hơn, đẹp hơn, rẻ hơn,… và như thế việc chọn được giải pháp công nghệ thi công tối ưu trong đóng mới hay bảo dưỡng, sửa chữa là hết sức cần thiết và khó khăn. Đặc biệt, khi chế tạo và sửa chữa các tàu bằng vật liệu composite, do đặc điểm của loại vật liệu này là nó được hình thành ngay trong quá trình thi công chế tạo, nên để có thể có được giải pháp thiết kế - công nghệ phải có sự tham gia của nhiều nhà khoa học và nhiều ngành khoa học khác nhau : cơ học, hoá học, thiết kế, công nghệ,… 1.2. CÁC VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI DÙNG TRONG ĐÓNG TÀU Các vật liệu phi kim loại được sử dụng trong đóng tàu bao gồm : gỗ, composite, ximăng – lưới thép, … Trong đó, hai loại vật liệu được sử dụng chủ yếu hiện nay là gỗ và composite còn bêtông cốt thép hầu như không còn. 1.2.1. Vật liệu gỗ 1.2.1.1. Đặc điểm của gỗ Gỗ là loại vật liệu tương đối phổ biến trong tự nhiên. Gỗ có tuổi bền tương đối cao, khối lượng riêng nhỏ. So với kim loại, gỗ có độ cứng kém hơn nên dễ gia công. Độ bền của gỗ thường không đồng đều, độ bền dọc thớ cao hơn độ bền ngang thớ. Gỗ dễ bị tác động bởi môi trường làm biến đổi tính chất, dễ cháy, mọt, mục, hút ẩm là thay đổi hình dáng và kích thước. Gỗ mới khai thác có độ ẩm cao, độ bền thấp nên trước khi gia công phải sấy khô ngoài trời hay trong lò sấy. Để tăng độ bền và tuổi thọ của gỗ, người ta phải xử lý bằng các biện pháp nhiệt hoá khác nhau tuỳ theo điều kiện sử dụng. Hiện nay, do tình trạng khang hiếm gỗ tự nhiên nên người ta tăng cường sử dụng các loại gỗ công nghiệp CN đóng & sửa chữa tàu PKL 6 trong sản xuất các mặt hàng gia dụng. Gỗ xẻ tự nhiên là sảm phẩm được sử dụng rất nhiều trong ngành công nghiệp đóng tàu. 1.2.1.2. Tính chất các loại gỗ dùng trong đóng tàu Một số tính chất của các loại gỗ dùng trong đóng tàu được thể hiện trong bảng 1. Bảng 1. Các tính chất của gỗ Số hiệu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Khối lượng riêng trung bình, kg/m3 990 815 770 735 735 735 735 735 720 720 720 705 705 690 670 655 655 640 625 625 625 580 560 545 545 530 530 515 515 450 385 Độ cứng tự nhiên Rất cứng Rất cứng Cứng Cứng trung bình Rất cứng Cứng trung bình Rất cứng Cứng trung bình Cứng trung bình Cứng Cứng Cứng trung bình Không cứng Rất cứng Không cứng Rất cứng Cứng Rất cứng Cứng Rất cứng Cứng trung bình Cứng Cứng trung bình Không cứng Cứng Cứng trung bình Cứng trung bình Cứng Không cứng Không cứng Cứng Sức chống thấm Tính dễ dán Sức chống thấm rất lớn Sức chống thấm rất lớn Sức chống thấm rất lớn Chống thấm Sức chống thấm rất lớn Chống thấm Chống thấm trung bình Chống thấm Chống thấm Sức chống thấm rất lớn Sức chống thấm rất lớn Sức chống thấm rất lớn Chống thấm Sức chống thấm rất lớn Chống thấm Sức chống thấm rất lớn Sức chống thấm rất lớn Sức chống thấm rất lớn Chống thấm Sức chống thấm rất lớn Chống thấm Sức chống thấm rất lớn Chống thấm Chống thấm trung bình Sức chống thấm rất lớn Chống thấm Sức chống thấm rất lớn Chống thấm Chống thấm trung bình Chống thấm Chống thấm Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Thoả mãn Bình thường Bình thường Thay đổi Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Bình thường Tốt Bình thường 1.2.1.3. Yêu cầu đối với gỗ dùng trong đóng tàu - Gỗ dùng trong chế tạo kết cấu thân tàu phải là loại gỗ cứng có cơ tính như được cho trong bảng 1 hoặc tương đương. - Phải là gỗ có chất lượng cao, được phơi sấy khô, không có lõi, không có gỗ dác, không bị mục, không bị sâu, không bị tách lớp, không bị nứt và không có những CN đóng & sửa chữa tàu PKL 7 khuyết tật khác làm hư hại vật liệu. Gỗ phải không có bướu, tuy nhiên những bướu riêng lẻ ở phía trong vẫn có thể chấp nhận được. - Gỗ được dùng để chế tạo các kết cấu dọc phải được sấy khô hợp lý. Nếu có nguy cơ gỗ bị quá khô thì gỗ phải được phủ một lớp dầu gai hoặc sơn dầu trước khi chế tạo để tránh hiện tượng tách lớp. - Vật liệu dùng để chế tạo kết cấu thân tàu đặc biệt là ván vỏ và ván boong phải được xẻ thẳng lớp. - Gỗ phải được bảo quản trong điều kiện khô và trước khi đem sử dụng phải có độ ẩm trong không khí khô không lớn hơn 20%. - Độ ẩm của gỗ dán phải bằng 15%. Gỗ dán dùng làm kết cấu thân tàu phải có chất lượng cao, phù hợp với mục đích sử dụng, phải có tính chịu nước biển lâu bền, phải có lớp mặt tốt, lớp lõi cứng. 1.2.1.4. Nguyên tắc thiết kế kết cấu đối với vật liệu gỗ Kích thước của các kết cấu được tính toán với loại gỗ có khối lượng riêng tiêu chuẩn trong điều kiện không khí khô có độ ẩm bằng khoảng 15% theo bảng 2. Bảng 2. Khối lượng riêng của gỗ dùng để tính toán kết cấu TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Khối lượng riêng (kg/m3) Tên kết cấu Sường mạn Đà ngang đáy Sống đáy Sống mũi Sống đuôi Mã liên kết sống đuôi và sống chính đáy Ngọn sống đuôi Ván vỏ Con trạch Thanh chống va Sống mạn, sống hông Xà ngang boong và mã Thành miệng khoang Ván boong 720 640 560 430 Nếu khối lượng riêng của gỗ được sử dụng khác với khối lượng riêng quy định ở trên thì các chiều rộng, chiều dày và môđun chống uốn cho trong bảng phải được điều chỉnh tỷ lệ thuận với tỷ số các khối lượng riêng của gỗ theo công thức sau : Chiều rộng Chiều dày Môđun chống uốn = Yêu cầu Chiều rộng Chiều dày Môđun chống uốn S x W Bảng Trong đó : S : Khối lượng riêng của gỗ dùng để tính toán tra bảng, kg/m3 W : Khối lượng riêng của gỗ được sử dụng, kg/m3 CN đóng & sửa chữa tàu PKL 8 Tuy nhiên, nếu sự điều chỉnh nói trên là giảm đi thì thì mức độ giảm phải không vượt quá 6% đối với chiều rộng hoặc chiều dày, trừ những trường hợp được Đăng kiểm thoả thuận đặc biệt. 1.2.2. Vật liệu bêtông cốt thép Vật liệu bêtông cốt thép dùng trong đóng tàu là loại vật liệu được cấu thành bởi hai thành phần cơ bản là bêtông và thép. 1.2.2.1. Yêu cầu đối với bêtông, cốt thép 1. Thân tàu phải được chế tạo băng bêtông nặng có mác không thấp hơn M30, nếu thân tàu được chế tạo bằng bêtông nhẹ thì mác không được thấp hơn M25. Thân cần cẩu nổi và thân tàu vận tải phải được chế tạo bằng bêtông có mác không thấp hơn M40. 2. Tỷ lệ ximăng trong bêtông nặng và bêtông nhẹ phải ở trong phạm vi 400–500kg/m3. Với bêtông để chế tạo phần boong khuất và vách, tỷ lệ ximăng không được giảm quá 15%. 3. Bêtông đóng tàu phải dễ điền khuôn, không bị phân lớp, không bị nứt khi co ngót. Những yêu cầu về kín dầu, chống bị mài mòn và chịu tác động của môi trường độc hại của bêtông đóng tàu phải được ghi chú rõ ràng và được Đăng kiểm chấp thuận. Bêtông dùng để nối các phân đoạn phải là bêtông hạt nhỏ có thành phần và phương pháp dầm được Đăng kiểm chấp thuận. 4. Độ kín nước của bêtông đóng tàu phải đảm bảo sao cho khi khi thử mẫu có chiều dày 5cm dưới áp suất 200KPa trong thời gian 48 giờ mà không xuất hiện giọt rò. 5. Cốt thép và các chi tiết thép để chế tạo bêtông cốt thép đóng tàu phải là thép cán mỏng. trong một tiết diện thân tàu có thể dùng các loại thép khác nhau có giới hạn chảy khác nhau không lớn hơn 30%. 1.2.2.2. Các thành phần của bêtông 1. Ximăng Để chế tạo bêtông đóng tàu phải dùng ximăng có mác không thấp hơn M50. Để dầm mối nối, để vá lỗ xuyên suốt có thể dùng ximăng thạch cao đát sét có mác không thấp hơn M40. Nếu tàu có thể hoạt động ở vùng nước mặn thì bêtông phải được chế tạo bằng ximăng chống sun phát hoá có mác không thấp hơn M50. Đặc tính của ximăng phải đảm bảo chế tạo được bêtông đóng tàu có mác theo đúng yêu cầu. Không được dùng loại ximăng không có giấy chứng nhận của nhà máy ximăng. Không được pha trộn các loại ximăng lại với nhau. Chỉ được dùng ximăng sau khi đã thử kiểm tra mác, kiểm tra thời gian đông cứng và sự nở thể tích. Thời gian thử cho đến lúc dùng không lâu quá 2 tháng đối với ximăng thường và không quá 1 tháng đối với ximăng đông cứng nhanh. Ximăng phải được bảo quản theo đúng quy định trong những kho kín tránh ẩm. 2. Chất độn - Để chế tạo bêtông nặng, chất độn hạt to phải là đá dăm nghiền từ đá núi loại cứng hoặc đá cuội tự nhiên. Để chế tạo bêtông nhẹ, chất độn hạt to phải là đá sỏi có khối CN đóng & sửa chữa tàu PKL 9 lượng riêng ở trạng thái xốp bằng 600-800kg/cm3 và độ hút nước trong 2 giờ phải không quá 15%. Kích thước của hạt độn phải không lớn hơn 20mm hoặc 0,25 lần kích thước nhỏ nhất của chi tiết bêtông và phải nhỏ hơn khoảng cách tối thiểu của các cốt thép song song. - Để chế tạo bêtông, chất độn hạt nhỏ phải là cát thạch anh, cát tự nhiên cỡ to, cỡ trung bình, mạt đá, mạt sỏi. - Chất độn phải được bảo quản tránh ẩm, tránh bẩn, tránh lẫn loại. Ngoài ra còn có nước pha, nước tưới, các chất phụ gia thêm vào để tăng tính công nghệ, tính chịu lạnh, tính kín nước, tính kín dầu và bảo về cốt thép. 1.2.3. Vật liệu composite 1.2.3.1. 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). + Composite nền polymer (nhựa, cao su,…). - Theo hình dáng vật liệu cốt : có thể phân loại theo sơ đồ hình 1.3. CN đóng & sửa chữa tàu PKL 10 Composite Coát sôïi Coát haït Composite 1 lôùp Composite nhieàu lôùp Höôùng ngaãu nhieân Höôùng saép xeáp Coát sôïi lieân tuïc Coát sôïi khoâng lieân tuïc Sôïi ñoàng phöông Hai höôùng vuoâng goùc Höôùng ngaãu nhieân Höôùng saép xeáp Hình 1.3. 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 1.4. CN đóng & sửa chữa tàu PKL 11 Composite coát haït Composite coát sôïi khoâng lieân tuïc höôùng saép xeáp Composite coát sôïi khoâng lieân tuïc höôùng ngaãu nhieân Composite coát sôïi lieân tuïc ñoàng phöông Composite coát sôïi lieân tuïc hai höôùng vuoâng goùc Hình 1.4. Một số dạng cốt thường gặp 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. Hiện nay chỉ có 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. Do vậy trong thực tế khi nói đến từ “vật liệu Composite” mà không giải thích gì thêm, chúng ta có thể ngầm hiểu rằng đó là vật liệu Composite có nền là nhựa Polymer, cốt là chất khoáng. Ngoài ra, trong tự nhiên cũng có một số vật liệu Composite như gỗ, xương,… 1.2.3.2. Hệ thống nhựa nền Hệ thống nhựa nền trong FRP bao gồm hai loại chính : Nhựa nhiệt rắn (Polyester, epoxy, vinylester, …) và nhựa nhiệt dẻo (PE, PVC, …). - Nhựa Polyester không no được sử dụng làm vật liệu nền cho các FRP dùng trong môi trường biển, nó có ưu điểm: giá thành vừa phải, dễ sử dụng và chịu được môi trường biển. - Nhựa vinylester có ưu điểm: chịu nước và hóa chất rất tốt, duy trì được sức bền và độ cứng ở nhiệt độ cao, độ dẻo dai cao và độ biến dạng lớn. Tuy nhiên, do giá thành cao hơn nhiều so với nhựa Polyester nên khả năng ứng dụng rất hạn chế. CN đóng & sửa chữa tàu PKL 12 - Nhựa epoxy có cơ tính và khả năng chịu nước cao nhất trong các loại nhựa nền, độ co ngót thấp (dưới 3%) nhưng giá thành lại cao nhất. Do đó chỉ sử dụng làm vật liệu nền cho các sản phẩm FRP yêu cầu khả năng làm việc cao. - Nhựa nhiệt dẻo là các Polymer được làm mềm ở nhiệt độ cao, và có thể tạo dáng hay nối ghép ở trạng thái dẻo. Chất gia cường trong nhựa nhiệt dẻo thường là sợi thủy tinh ngắn với chiều dài từ 3  12 (mm) và tỷ lệ trọng lượng của sợi từ 0,2  0,5. Trong nhựa nhiệt dẻo người ta ít khi sử dụng sợi gia cường loại dài. Ưu điểm lớn nhất của nhựa nhiệt dẻo là khả năng tái sinh của nó, đây cũng là điểm khác nhau cơ bản với nhựa nhiệt cứng. Nhựa nhiệt dẻo cốt sợi sử dụng rất phổ biến trong công nghệ đúc các tấm nhỏ. 1.2.3.3. Sợi gia cƣờng Sợi gia cường có nhiệm vụ chịu tải trong các kết cấu FRP. Sự phối hợp của sợi gia cường - 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 bó sợi khi nó được bao bọc bởi nền nhựa. Sợi thủy tinh sử dụng trong các kết cấu FRP bao gồm : Sợi thủy tinh E, sợi thủy tinh độ bền cao (S – glass), sợi cacbon, sợi Armid,… 1.3.4. Vật liệu Composite dùng trong đóng tàu Vật liệu Composite được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong ngành đóng tàu là Composite với cốt sợi thủy tinh và nền là nhựa Polyester không no, thường được gọi là GRP (Glassfiber Reinforced Polyester). 1.3.4.1. 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. Vì thế loại nhựa này rất thích hợp khi gia công các công trình lớn như đóng tàu. 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. CN đóng & sửa chữa tàu PKL 13 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, nhất là tàu thuyền. 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, .... 1.3.4.2. Vật liệu cốt (vật liệu gia cƣờng) Vật liệu cốt trong GRP dùng cho đóng tàu là sợi thủy tinh (Glass Fiber) với các dạng sau : 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 xen 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 4555 (%) Khó tạo các góc uốn. CN đóng & sửa chữa tàu PKL 14 1.3.4.3. 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 0,5  5 (%) 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. 1.3.4.4. 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. CN đóng & sửa chữa tàu PKL 15 1.3.4.5. Cơ chế gia cƣờng của vật liệu GRP 1. Lý thuyết kết dính trên bề mặt nhựa – sợi : Vai trò của chất gia cường là tạo nên những điểm chịu ứng suất tập trung do nhựa truyền đến khi có ngoại lực tác động. Do đó, chất độn thường có cơ tính cao hơn nhựa rất nhiều. Vấn đề quan trọng là phải có sự truyền tải ứng suất từ nhựa lên sợi cho tốt. Điều này được quyết định bởi sự tương tác giữa bề mặt sợi và nhựa. Trong đó, thành phần cấu trúc bề mặt sợi và thành phần, bản chất của nhựa là yếu tố ảnh hưởng quyết định đến tương tác đó. Hình dáng, kích thước chất độn trong GRP cũng ảnh hưởng đáng kể. Đối với chất độn dạng sợi, sự truyền tải ứng suất xảy ra dễ dàng hơn so với chất độn dạng hạt, vì khi đó ứng suất do nhựa truyền tới một điểm bất kỳ trên chiều dài sợi sẽ được phân bố đều trên khoảng chiều dài tới hạn, nên mỗi điểm sẽ chịu ứng suất nhỏ hơn rất nhiều (so với chất độn dạng hạt khi chịu cùng một tác dụng như vậy). Khi sợi gia cường được dệt thành tấm, khả năng chịu lực của chúng tăng lên đáng kể do : Mật độ sợi trong tấm nhiều hơn, do đó tỷ lệ sợi chiếm trong thành phần GRP sẽ tăng lên; làm giảm bớt tính dị hướng của vật liệu, nghĩa là làm đồng đều khả năng chịu lực của vật liệu GRP. Điều này thể hiện rõ ở tấm GRP cấu tạo hoàn toàn từ sợi thủy tinh dạng Mat. Theo lý thuyết kết dính, giữa sợi và nhựa có những liên kết cơ bản sau : + Lực hấp thụ. + Lực tĩnh điện. + Liên kết cơ học + Liên kết hóa học. Các liên kết này là nền tảng giúp cho vật liệu GRP có cơ tính cao hơn nhiều so với các vật liệu thành phần. 2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến tính năng gia cƣờng : - Bản chất polymer nền : có độ phân cực trung bình, thường không phân nhánh và có các nhóm phân cực ở hai đầu, độ kết dính thấp nên có khả năng tương tác với sợi. - Tính chất bề mặt sợi thủy tinh (vải và Mat) : có nhiều oxit kim loại phân bố ngẫu nhiên như : Fe2O3, Al2O3, SiO2 không hút ẩm và các oxit khác hút ẩm làm bề mặt bị hydrat hóa. Lớp hydrat hóa này ảnh hưởng đến tính thấm ướt của nhựa vào sợi. Để khắc phục tình trạng này, trong quá trình chế tạo,bề mặt sợi thủy tinh được thấm chất liên diện. Chất liên diện có nhiệm vụ tạo liên kết hóa học mạnh giữa nhựa và sợi, đồng thời làm giảm sức căng bề mặt giữa sợi và nhựa, tăng tính thấm ướt. 1.3.4.6. Cấu trúc vật liệu GRP Trong đóng tàu, vật liệu GRP thường có cấu trúc ở dạng tấm gồm nhiều lớp liên tục cốt sợi hoặc vải đồng phương. Đây là dạng cơ bản nhất của vật liệu Composite nhiều lớp. Từ loại vật liệu này ta có thể suy diễn lý thuyết ra các loại khác như Composite tấm trực hướng, Composite tấm lệch trục. CN đóng & sửa chữa tàu PKL 16 Để tiện nghiên cứu và tính toán, người ta kí hiệu vật liệu như sau : - Mỗi lớp được kí hiệu bởi một số, mô tả giá trị của góc tạo bởi phương của sợi với phương x của hệ quy chiếu chung. Các lớp liên tiếp được ngăn cách bởi dấu”/” nếu các góc khác nhau. Các lớp liên tiếp có cùng góc được ký hiệu bởi chỉ số. Các lớp được đặt tên liên tiếp từ mặt này sang mặt khác, các dấu “[ ]”chỉ rõ lúc bắt đầu và kết thúc của mã. Góc âm dương : Khi các lớp được hướng theo các góc có giá trị tuyệt đối bằng nhau nhưng trái dấu ta sẽ dùng dấu “+” và “-”, dấu“+” hay“-” phụ thuộc vào hệ tọa độ mà ta chọn. * Một số dạng Composite đồng phương : - - Vật liệu Composite đối xứng : Vật liệu Composite được coi là đối xứng nếu mặt trung bình của vật liệu là mặt đối xứng. Để mô tả vật liệu đối xứng, ta chỉ cần một nữa số lớp liên tục. Vật liệu Composite cân bằng : Khi số lớp theo phương  bằng số lớp theo phương  ta gọi đó là Composite cân bằng. Vật liệu Composite xen lớp : Khi mỗi lớp theo phương  kèm một lớp theo phương - ta gọi đó là Composite xen lớp. Vật liệu Composite lớp vuông : là Composite có dạng [0/90]n. Vật liệu Composite hỗn tạp: Khi vật liệu gồm nhiều lớp liên tục, bản chất sợi (cốt) của các lớp khác nhau ta gọi là Composite hỗn tạp. 1.3.5. Nghiên cứu cơ học vật liệu Composite Chúng ta đã làm quen với các phương pháp công nghệ chế tạo vật liệu Composite, đặc biệt là cấu trúc của vật liệu. Từ đó, ta có thể rút ra hai vấn đề lớn trong nghiên cứu cơ học của loại vật liệu mới này. - Nghiên cứu ứng xử cơ học theo cách tiếp cận vi mô, tức là nghiên cứu ứng xử của từng lớp vật liệu. - Nghiên cứu ứng xử cơ học theo cách tiếp cận vĩ mô, tức là nghiên cứu ứng xử của cả vật liệu gồm nhiều lớp. Một khi hai vấn đề trên được giải quyết, bằng cách áp dụng các phương pháp tính toán kết cấu, ta hoàn toàn có thể biết được ứng xử cơ học của toàn kết cấu khảo sát. Để tính toán các kết cấu dạng thanh, tấm, ta có thể sử dụng các phương pháp giải tích. Đối với các Composite có dạng hình học phức tạp hơn, ta cần sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. 1.3.6. Cơ chế phá huỷ của vật liệu Composite • Cô cheá phaù huyû laø moät quaù trình dieãn bieán cô hoïc xaûy ra trong loøng vaät lieäu, thöôøng taïo ra caùc veát nöùt. Ngöôøi ta thöôøng quan taâm ñeán thôøi ñieåm baét ñaàu phaù huyû vaø sau ñoù laø caû moät quaù trình phaù huyû vaät lieäu. Vôùi vaät lieäu Composite, thôøi ñieåm baét ñaàu phaù huyû coù theå ñöôïc xem laø luùc phaùt sinh veát nöùt vi moâ cuûa caùc vaät lieäu thaønh phaàn do coù khuyeát taät. CN đóng & sửa chữa tàu PKL 17 1.3.6.1. Cơ chế phá huỷ trong Composite đồng phƣơng : Cơ chế phá huỷ của vật liệu Composite đồng phương là tổ hợp của nhiều cơ chế cơ bản khác nhau : • • • • - Phá huỷ sợi. - Phá huỷ nhựa theo phương ngang. - Phá huỷ nhựa theo phương dọc. - Phá huỷ mặt liên kết giữa sợi và nhựa,... • Cơ chế phá huỷ cuối cùng của vật liệu Composite đồng phương là một quá trình tích tụ nhiều cơ cấu khác nhau. Quá trình phát triển vết nứt phụ thuộc vào tính chất của sợi và nhựa, tỷ lệ khối lượng sợi/nhựa, khả năng liên kết sợi - nhựa, điều kiện đặt tải cơ học. • - Sợi bị phá huỷ khi ứng suất kéo s trong một sợi nào đó đạt tới giá trị ứng suất phá huỷ su của sợi. • - Nhựa bị phá huỷ - nứt ngang khi ứng suất kéo n của nhựa đạt đến giá trị ứng suất phá huỷ nu. • - Nhựa bị phá huỷ - nứt dọc khi ứng suất cắt n của nhựa đạt đến giá trị ứng suất cắt phá huỷ nu. • - Phá huỷ tróc giữa sợi và nhựa khi ứng suất tróc t nhỏ hơn ứng suất cắt phá huỷ nu của nhựa. Một số dạng phá huỷ của Composite đồng phương được thể hiện trên hình 1.5. a. Phá huỷ sợi b. Nhựa bị phá huỷ dọc c. Nhựa bị phá huỷ ngang d. Quá trình tróc sợi - nhựa Hình 1.5. Một số dạng phá huỷ GRP đồng phương CN đóng & sửa chữa tàu PKL 18 1.3.6.2. Cơ chế phá huỷ trong Composite nhiều lớp : • Trong vật liệu Composite nhiều lớp, ngoài các cơ chế phá huỷ đã xét ở trên, ta còn gặp quá trình phá huỷ do tách lớp. • Cơ chế phá huỷ trong Composite nhiều lớp phụ thuộc vào bản chất vật liệu thành phần, trật tự xếp lớp và kiểu đặt tải cơ học. • Hình 1.6. Cơ chế phá huỷ trong Composite nhiều lớp. 1.3.7. Ƣu – nhƣợc điểm của vật liệu Composite 1.3.7.1. Ƣu điểm - Có khả năng kết hợp với các vật liệu khác như gỗ, thép,…để tạo ra các kết cấu mới vừa đảm bảo chất lượng kỹ thuật, vừa có giá thành thấp. Rất bền với môi trường biển, ít bị ăn mòn và điện phân. Có tính trơ với sinh vật biển. Rất dễ tạo dáng. Có độ bóng bề mặt cao. Độ kín nước rất cao. Dễ thi công và sửa chữa. Độ bền cơ học cao. Chi phí bảo dưỡng thấp. 1.3.7.2. Nhƣợc điểm - Giá thành sản phẩm cao. Chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào trình độ tay nghề. Độ bền va đập kém. Tính toán phức tạp. Chưa có biện pháp xử lý chất thải. CN đóng & sửa chữa tàu PKL 19 1.3.8. Các thông số cơ bản của nền và cốt Theo [1], một số loại nền và cốt có các thông số cơ bản sau : - Đối với nhựa nền : + Loại nhựa Epoxy : Khối lượng riêng Môđun đàn hồi Giới hạn bền kéo Giới hạn bền uốn Độ giãn dài tương đối + Nhựa Polyester không no : Khối lượng riêng Môđun đàn hồi kéo Môđun đàn hồi uốn Giới hạn bền kéo Giới hạn bền uốn Độ giãn dài tương đối kéo Độ giãn dài tương đối uốn - Đối với cốt : : 1100 – 1500 kg/m3 : 3 – 5 GPa : 60 – 80 MPa : 100 – 150 MPa :2–5% : 1100 – 1400 kg/m3 : 2,8 – 3,5 GPa : 3 – 4,5 GPa : 50 – 80 MPa : 100 – 150 MPa :2–5% :7–9% + Loại sợi thuỷ tinh E : Khối lượng riêng Môđun đàn hồi Giới hạn bền : 2540 kg/m3 : 72,4 GPa : 3500 MPa + Loại sợi thuỷ tinh S : Khối lượng riêng Môđun đàn hồi Giới hạn bền : 2480 kg/m3 : 4600 GPa : 85,5 MPa Thực tế, trong quá trình chế tạo vỏ tàu thường gặp các giá trị trọng lượng riêng sau : Sợi thuỷ tinh dạng Mat : dM = 2,5 g/cm3 Sợi thuỷ tinh dạng WR : dWR = 2,55 g/cm3 Nhựa Polyester không no : dP = 1,15 g/cm3 1.3.9. Xác định chiều dày và trọng lƣợng tấm Composite Khi chế tạo vỏ tàu, các loại sợi gia cường vải và Mat thường được sử dụng là : Vải : có trọng lượng từ 300  800 (g/m2) Mat : có trọng lượng từ 300  600 (g/m2) Thông thường, hàm lượng sợi trong kết cấu composite khi gia công bằng tay nằm trong khoảng : Với vải : Wf = (45  55)% (về trọng lượng) Với Mat : Wf = (30  35)% (về trọng lượng) Nếu bỏ qua ảnh hưởng của bọt khí thì chiều dày mỗi lớp được tính theo công thức : CN đóng & sửa chữa tàu PKL 20  1 1 W f tp f    d f  W f  1   d   n (cm) (1.1) Trong đó :  f – trọng lượng trên 1m2 sợi, g/m2 Wf – hàm lượng sợi trong kết cấu GRP, % df, dn – trọng lượng riêng của sợi và nhựa, g/m3 Như vậy, với tấm có chiều dày  thì số lớp cần thiết là : n  tp (1.2) Trong trường hợp tấm GRP gồm nhiều lớp Mat và vải thì ta cũng dễ dàng xác định được số lớp Mat và vải cần thiết để tạo nên chiều dày tấm nếu như ta biết được quy luật phân bố chúng. Trọng lượng riêng của tấm GRP cốt Mat xác định theo công thức : dt  d n .d M d M .Wn  d n .WM (1.3) Trọng lượng riêng của tấm GRP cốt WR xác định theo công thức : dt  d n .dWR dWR .Wn  d n .WWR (1.4) Trong đó : dn, dM, dWR – trọng lượng riêng của nhựa, Mat và vải, g/m3 Wn, WM, WWR – hàm lượng của nhựa, Mat và vải, g/m3 CN đóng & sửa chữa tàu PKL 21 CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ ĐÓNG TÀU VỎ COMPOSITE 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG 2.1.1. Những quy định chung Khác với các loại vật liệu truyền thống dùng trong ngành đóng tàu như gỗ, thép, nhôm,… vật liệu GRP được đưa vào ngành đóng tàu ở Việt Nam chưa lâu. Với vật liệu truyền thống, công nhân đóng tàu chủ yếu thực hiện các bước triển khai và lắp ráp; còn đối với vật liệu GRP, người công nhân phải thực hiện từ khâu pha chế vật liệu, tạo khuôn mẫu rồi mới đến bước chế tạo và lắp ráp. Vì vậy đòi hỏi người công nhân không chỉ phải biết về kỹ thuật đóng tàu mà còn phải am hiểu về vật liệu GRP. 2.1.2. Đặc điểm vỏ tàu composite - Đối với các tàu làm bằng vật liệu gỗ hoặc thép, vỏ tàu được chế tạo từ nhiều tấm nhỏ ghép lại với nhau bằng bulông, chốt, đinh tán hay bằng phương pháp hàn. Trong qua trình thi công, công việc có thể tiến hành liên tục hoặc gián đoạn tuỳ thuộc vào tình hình thời tiết, nguyên vật liệu hay nhân công,… Ngược lại, với những tàu làm từ vật liệu composite, vỏ tàu được đúc liền thành một khối thống nhất nên khi chế tạo phải có khuôn cho toàn bộ vỏ tàu. Đồng thời, việc thi công vỏ tàu phải được tiến hành một cách liên tục. - Trước khi tách vỏ tàu ra khỏi khuôn phải gia cường các kết cấu bên trong như sườn, đà, vách dọc, vách ngang,… để đảm bảo vỏ tàu không bị biến dạng sau khi tách khuôn. - Lớp sơn bề mặt vỏ tàu phải được sơn trước khi gia công, tức là phải sơn ngay trên bề mặt của khuôn tiếp xúc trực tiếp với vỏ tàu. - Vật liệu composite thường được hình thành ngay trong quá trình chế tạo, từ khâu pha chế cho đến khi trát lớp. Do đó, để có được vỏ tàu có chất lượng đòi hỏi phải có đội ngũ công nhân lành nghề, các thao tác phải cẩn thận và chính xác. 2.1.3. Yêu cầu đối với vật liệu composite dùng trong đóng tàu Theo yêu cầu của Đăng kiểm, các thành phần vật liệu như cốt sợi thuỷ tinh, nhựa chế tạo lớp, vật liệu lõi,… dùng trong chế tạo tàu composite đều phải được kiểm tra, thử nghiệm và phải được Đăng kiểm chấp nhận. Cụ thể như sau : * Đối với cốt sợi thuỷ tinh : - Các tấm sợi băm cần kiểm tra theo các yêu cầu sau : + Hình dạng bên ngoài. + Trọng lượng trên một đơn vị diện tích và sự sai lệch tối đa của trọng lượng đó. + Tỷ số trọng lượng của chất bó còn dư. + Độ bền kéo của sợi thuỷ tinh. + Độ bền uốn và mômen đàn hồi uốn ghi nhận từ mẫu thử lớp. + Độ bền kéo và mômen đàn hồi kéo ghi nhận từ mẫu thử lớp. CN đóng & sửa chữa tàu PKL