Tài liệu Nghiên cứu thiết kế thùng xe tải thaco towner bằng vật liệu composite

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG DƯƠNG TUẤN VIỆT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÙNG XE TẢI THACO TOWNER BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG DƯƠNG TUẤN VIỆT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÙNG XE TẢI THACO TOWNER BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 60.520.116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN VĂN LUẬN Đà Nẵng – Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Tác giả Dương Tuấn Việt ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu thành phần ban đầu, chính vì vậy nó có nhiều tính ưu việt và có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và cuộc sống. Trong những năm gần đây, đã có nhiều ứng dụng vật liệu composite để chế tạo các linh kiện trong ngành công nghiệp ứng dụng: Thân vỏ tàu thủy, thiết bị đựng hóa chất, cánh tua bin…. Trong ngành công nghiệp ô tô, composite đã được các hãng chế tạo ô tô ứng dụng chế tạo thân vỏ và các chi tiết thay thế khác. Cùng chung xu thế ứng dụng vật liệu thay thế, đồng thời đáp ứng nhu cầu của thị trường và tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm. Đề tài ‘‘nghiên cứu thiết kế thùng xe tải nhẹ Thaco Towner 750 bằng vật liệu composite’’ hướng đến đánh giá tính khả thi về mặt kỹ thuật khi chuyển đổi vật liệu chế tạo thùng. Bên cạnh đó, đề tài sẽ là cơ sở cho việc lựa chọn cách tạo mẫu và phương pháp tính toán phù hợp để sản xuất thùng xe tải nhẹ khác đang được lắp ráp tại Nhà máy bằng vật liệu composite. Từ khóa: Composite sandwich, Vỏ bao composite, công nghệ sandwich. ABSTRACT Composite material is a combination of two or more materials to create a new material that is superior to that of the original material, so it has a number of advantages and potential. Widely used in many fields of engineering and life. In recent years, there have been many uses of composite materials for manufacturing components in the application industry: ship hulls, chemical containers, turbine blades. In the automotive industry, composites have been used by automotive manufacturers to make body panels and other replacement. The same trend of application of substitute materials, while meeting the needs of the market and increasing the competitiveness of products. The study "Research and design the Thaco Towner 750 lightweight van with its composite material", aimed at assessing the technical feasibility of converting the materials used to make the barrels. In addition, the topic will be the basis for choosing the right modeling and calculation methods to produce other lightweight truck assemblies being assembled at the Plant by composite materials. Key word: Composite sandwich, composite shell, sandwich technology. iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cô giáo khoa Cơ khí Giao thông, phòng Đào tạo trường Đại học Bách khoa, Phòng khoa học và hợp tác Quốc tế trường Đại học Bách khoa, Ban khoa học công nghệ và môi trường – Đại học Đà Nẵng, đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học vừa qua. Đặc biệt tôi vô cùng biết ơn thầy TS. Trần Văn Luận, đã hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt luận văn. Dương Tuấn Việt iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... iii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.................................................................................. vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...................................................................... vii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 Chương 1. TỔNG QUAN ..............................................................................................3 1.1.Giới thiệu về kết cấu vật liệu composite ................................................................3 1.1.1. Chất nền (pha nền) ..........................................................................................3 1.1.2. Pha cốt.............................................................................................................7 1.1.3. Liên kết nền cốt ............................................................................................10 1.1.4. Chất xúc tác – Xúc tiến .................................................................................11 1.1.5. Các chất phụ gia sử dụng trong quá trình sản xuất composite .....................12 1.2. Kết cấu vật liệu composite sandwich ..................................................................14 1.3. Đặc tính sức bền tổng quát của vật liệu composite và của gỗ thông ..................15 1.3.1. Sức bền nén của gỗ thông .............................................................................15 1.3.2. Đặc tính cơ học của vật liệu composite ........................................................16 1.4. Ứng dụng của vật liệu composite ........................................................................17 1.4.1. Thế giới .........................................................................................................17 1.4.2. Việt Nam .......................................................................................................19 1.5.Tổng quan về các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài 20 1.5.1. Công nghệ lăn tay .........................................................................................21 1.5.2. Công nghệ VaRTM.......................................................................................23 1.5.3. Công nghệ quấn sợi ......................................................................................24 Chương 2. CỞ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THÙNG XE TẢI THACO TOWNER .....................................................................................................................26 2.1. Khảo sát kết cấu thùng xe tải thaco towner 750A ..............................................26 2.2. Phương án thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750A ........................................31 2.3. Sơ đồ phân tích tải trọng tác dụng lên thùng xe tải Thaco towner 750A ...........32 2.3.1. Sơ đồ phân bố khối lượng .............................................................................32 v 2.3.2. Phân tích các trường hợp tải trọng tác dụng lên thùng xe ............................32 2.4. Phương trình tính toán kết cấu dầm composite ...................................................35 2.4.1. Phương trình tính toán phân lớp composite ..................................................35 2.4.2. Phương trình tính toán sàn thùng xe .............................................................36 Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ...........................................................41 3.1. Mục tiêu thực nghiệm .........................................................................................41 3.2. Vật liệu thực nghiệm ...........................................................................................41 3.3. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo sức bền uốn ...........................................................43 3.4. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo sức bền nén ............................................................43 3.5. Kết quả thực nghiệm ...........................................................................................44 Chương 4. TÍNH TOÁN THÙNG XE TẢI THACO TOWNER 750A ..................46 4.1. Giả thiết tính toán ................................................................................................46 4.2. Xác định chiều dày của vỏ bao thùng .................................................................46 4.3. Kết quả tính toán .................................................................................................47 4.4. Đánh giá kết quả tính toán ..................................................................................48 4.5. Quy cách thùng xe bằng vật liệu composite sandwich .......................................50 KẾT LUẬN ..................................................................................................................54 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................55 vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. Số hiệu bảng biểu Tên bảng biểu Trang 2.1 Thông số kỹ thuật cơ bản ô tô THACO TOWNER 750A 27 3.1 Định nghĩa vật liệu thực nghiệm 42 3.2 Thành phần vật liệu của mỗi lớp 42 3.3 Modul đàn hồi của gỗ thông 44 3.4 Cường độ mỏi của composite Kết quả tính toán thùng xe bằng vật liệu composite sandwich 45 4.1 50 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Nhựa polyeter 4 1.2 Nhựa Epoxy 2 thành phần 6 1.3 Sợi thủy tinh loại E 8 1.4 Sợi kenvlar 9 1.5 Sợi carbon 9 1.6 Chất xúc tác MEKP 11 1.7 Chất tách khuôn MG-WAT 13 1.8 Chất điền đầy khuôn Mold sealer FK-4 14 1.9 Cấu trúc composite sandwich 14 1.10 Phân bố nội lực bên trong kết cấu composite sandwich 15 1.11 Minh chứng ứng suất và biến dạng của gỗ thông 16 1.12 Đặc tính cơ học của vật liệu composite 16 1.13 Ứng dụng vật liệu composite trong ngành hàng không 17 1.14 Ứng dụng vật liệu composite trong ngành vận tải 18 1.15 Ứng dụng vật liệu composite trong ngành đóng tàu 19 1.16 Quy trình công nghệ lăn tay 22 1.17 Quy trình công nghệ VaRTM 23 1.18 Kết quả tính toán ứng suất mặt đầu xe khách giường nằm 24 1.19 Công nghệ quấn sợi 24 2.1 Tuyến hình tổng thể của ô tô THACO TOWNER 750A 26 2.2 Kết cấu tổng thể thùng xe THACO TOWNER 750A Kết cấu khung xương và vỏ bao composite của xe tải Thaco Towner 750A 26 2.4 Sơ đồ phân bố khối lượng của xe tải Thaco Towner 750A 32 2.5 Tải trọng tác dụng lên sàn 33 2.6 Mô phỏng trường hợp xe leo dốc 33 2.7 Mô phỏng trường hợp xe xuống dốc 34 2.3 31 viii 2.8 Mô phỏng trường hợp xe nghiêng ngang 34 2.9 Hệ tọa độ của dầm liên tục chịu uốn 36 2.10 Mô phỏng dầm liên tục chịu uốn và xoắn 39 3.1 Mẫu vật liệu thí nghiệm Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định modul đàn hồi và độ cứng của vật liệu 41 43 4.1 Bố trí thực nghiệm đo sức bền nén Biến thiên lực uốn và biến dạng của dầm composite sandwich Biến thiên độ cứng của dầm composite theo khoảng cách giữa 2 gối đỡ Mô phỏng tấm composite sandwich 4.2 Mô phỏng ứng suất - biến dạng của thùng 47 4.3 Mô phỏng ứng suất - biến dạng của sàn thùng xe 47 4.4 Mô phỏng ứng suất - biến dạng khi thùng xe chịu uốn – xoắn 48 4.5 Biến dạng của dầm composite sandwich 48 4.6 So sánh độ cứng của dầm composite Kết cấu tổng thành của thùng xe tải Thaco Towner bằng composite 49 3.2 3.3 3.4 3.5 4.7 43 44 45 46 43 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu thành phần ban đầu, chính vì vậy nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và cuộc sống. Với những đặc điểm:  Không bị oxy hóa bởi điều kiện môi trường ẩm ướt;  Trọng lượng nhẹ, giá thành thấp;  Dễ tạo ra các biên dạng đạt tiêu chuẩn thẩm mỹ cao. Trong những năm gần đây, đã có nhiều ứng dụng vật liệu composite để chế tạo các linh kiện trong ngành công nghiệp ứng dụng: Thân vỏ tàu thủy, thiết bị đựng hóa chất, cánh tua bin…. Trong ngành công nghiệp ô tô, composite đã được các hãng chế tạo ô tô ứng dụng chế tạo thân vỏ và các chi tiết thay thế khác. Cùng chung xu thế ứng dụng vật liệu thay thế, đồng thời đáp ứng nhu cầu của thị trường và tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm. Đề tài ‘‘Nghiên cứu thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750 bằng vật liệu composite’’ hướng đến đánh giá tính khả thi về mặt kỹ thuật khi chuyển đổi vật liệu chế tạo thùng. Bên cạnh đó, đề tài sẽ là cơ sở cho việc lựa chọn cách tạo mẫu và phương pháp tính toán phù hợp để sản xuất thùng xe tải nhẹ khác đang được lắp ráp tại Nhà máy bằng vật liệu composite. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Tính toán thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750 bằng vật liệu composite phù hợp với tiêu chuẩn chuyên ngành. 3. ĐỐI TƯỢNG & PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thùng lững xe tải Thaco Towner 750A - Phạm vi nghiên cứu: xuất phát từ yêu của của thùng xe tải là: Đảm bảo sức bền; dễ dàng tháo lắp; sửa chữa, bảo dưỡng; dễ bốc xếp hàng; trọng lượng nhẹ và giá thành thấp. Để đảm bảo các tiêu chí này, thực tế cần thêm nhiều thời gian nghiên cứu và tính toán. Do đó, giới hạn phạm vi nghiên cứu của luận văn là đo đạc đánh giá đặc tính sức bền của vật liệu composite để làm cơ sở tính toán kết cấu vỏ bao thùng xe tải nhẹ 2 Thaco Towner 750A. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU * Nghiên cứu lý thuyết: dựa vào đặc tính lý thuyết và các phương trình tính toán phân lớp vật liệu thành phần để đồng nhất thành vật liệu composite. * Thực nghiệm: Khảo sát thông số tuyến hình, kết cấu thùng xe tải nhẹ truyền thống Thaco Towner và đo đạc xác định đặc tính sức bền vật liệu composite. 5. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Đánh giá khả năng và tạo tiền đề cho việc chuyển đổi vật liệu chế tạo các chi tiết / cụm chi tiết trên ô tô tải sản xuất tại Thaco trong thời gian sắp tới. Phát triển mô hình công nghiệp phụ trợ, gia tăng tỉ lệ nội địa hóa theo lô trình cho ngành công nghiệp ô tô nói chung và sản xuất xe tải tại đơn vị. 6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu và kết luận của luận văn “Nghiên cứu thiết kế thùng xe tải Thaco Towner bằng vật liệu composite” được trình bày trong 4 chương có cấu trúc như sau: Chương 1. Tổng quan Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính toán thùng xe tải Thaco Towner Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm Chương 4. Tính toán thùng xe tải Thaco Towner Kết luận và hướng phát triển của đề tài Tài liệu tham khảo Phụ lục. 3 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1.Giới thiệu về kết cấu vật liệu composite Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha: trong đó, pha rắn khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha. Phổ biến nhất là loại composite 2 pha: - Pha liên tục trong toàn khối gọi là nền; - Pha phân bố gián đoạn được nền bao quanh gọi là cốt. Trong vật liệu composite, tỷ lệ hình dáng, kích thước, sự phân bố của nền và cốt tuân theo quy luật đã thiết kế. Tuy nhiên, tính chất của các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên tính chất chung của composite. 1.1.1. Chất nền (pha nền) Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất để tạo thể liên tục. Nền có vai trò sau đây: - Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối composite thống nhất; - Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu composite thành các chi tiết thiêt kế; - Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do tác dụng của môi trường. Vật liệu nền (pha nền) trong cấu trúc của vật composite không chịu trực tiếp tải trọng hay ứng suất tác dụng lên vật liệu. Nó chỉ đóng vai trò trung gian truyền dẫn ứng suất hay tải trọng vào bên trong cho vật liệu đóng vai trò là chất độn (pha cốt). Tuy nhiên, việc chọn lựa một vật liệu làm nền đóng vai trò rất quan trọng để định hình nên tính chất hóa học và cơ lý của vật liệu composite. Sự hòa hợp giữa pha nền và pha cốt cũng là một nhân tố quan trọng trong việc thiết kế cấu trúc composite. Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm pha nền: Nhựa nhiệt dẻo: PE (polyethylene), PS (polystyrene), ABS (acrylonytril butadien styrene), PVC (polyvynyl clorur),… được trộn với nhựa, gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy. Nhựa nhiệt rắn: PU (polyurethane), PP (polypropylene), UF, Epoxy, Polyester không no, gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao. Riêng với epoxy và polyester không 4 no có thể tiến hành ở điều kiện thường, gia công bằng tay (hand lay-up method). Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo. Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường: a) Nhựa Polyester: Hình 1.1. Nhựa polyeter Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, polyester thông thường là loại không no (UPE - Unsaturated Polyester). Đây là nhựa nhiệt rắn, có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp. Thông thường người ta gọi polyester không no là nhựa polyester hay ngắn gọn hơn là polyester. Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol và monomer khác nhau, mỗi loại có những tính chất khác nhau. Chúng có thể rất khác nhau trong các loại nhựa UPE khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố: - Thành phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ các chất sử dụng); - Phương pháp tổng hợp; - Trọng lượng phân tử; - Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến); - Hệ chất độn. Bằng cách thay đổi các yếu tố trên, người ta sẽ tạo ra nhiều loại nhựa UPE có các tính chất đặc biệt khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng. Có hai loại polyester chính thường sử dụng trong công nghệ composite. Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi. Nhựa isophthalic lại có khả năng kháng nước cao nên được xem là vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là hàng hải. 5 Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường được pha loãng trong styrene. Lượng styrene có thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho quá trình gia công. Ngoài ra, styrene còn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang giữa các phân tử mà không có sự tạo thành sản phẩm phụ nào. Polyester còn có khả năng ép khuôn mà không cần áp suất. Polyester có thời gian tồn trữ ngắn là do hiện tượng tự đóng rắn của nó sau một thời gian. Thông thường, người ta thêm vào một lượng nhỏ chất ức chế trong quá trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa hiện tượng này. Nhà sản xuất có thể cung cấp nhựa ở dạng tự nhiên hay có dùng một số phụ gia. Nhựa có thể được sản xuất để chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng được. Như đã đề cập ở trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn. Tốc độ trùng hợp quá chậm cho mục đích sử dụng, vì vậy cần dùng chất xúc tác và chất xúc tiến để đạt độ trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó. Khi đã đóng rắn, polyester rất cứng và có khả năng kháng hoá chất. Quá trình đóng rắn hay tạo kết ngang được gọi là quá trình Polymer hóa. Đây là phản ứng hoá học chỉ có một chiều. Cấu trúc không gian này cho phép nhựa chịu tải được mà không bị giòn. Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước khi sử dụng. Nhựa và các phụ gia khác phải được phân tán đều trước khi cho xúc tác vào. Phải khuấy đều và cẩn thận để loại bỏ bọt khí trong nhựa ảnh hưởng quá trình gia công. Điều này rất quan trọng, do bọt khí còn trong nhựa sẽ ảnh hưởng tính chất cơ lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu. Cần phải chú ý rằng, việc dùng xúc tác và xúc tiến với hàm lượng vừa đủ sẽ cho vật liệu những tính chất tốt nhất. Nếu quá nhiều xúc tác sẽ làm quá trình đóng rắn xảy ra nhanh hơn, ngược lại, nếu ít xúc tác quá trình đóng rắn sẽ bị chậm lại. b) Vinylester: Vinylester có cấu trúc tương tự như polyester, nhưng điểm khác biệt chủ yếu của nó với polyester là vị trí phản ứng, thường là ở cuối mạch phân tử do vinylester chỉ có kết đôi C=C ở hai đầu mạch mà thôi. Toàn bộ chiều dài mạch phân tử đều sẵn chịu tải, nghĩa là vinylester dai và đàn hồi hơn polyester. Vinylester có ít nhóm ester hơn polyester, nhóm ester rất dễ bị thủy phân, tức là vinylester kháng nước tốt hơn các polyester khác, do vậy nó thường được ứng dụng làm ống dẫn và bồn chứa hoá chất. 6 Khi so sánh với polyester thì số nhóm ester trong vinylester ít hơn, nghĩa là vinylester ít bị ảnh hưởng bởi phản ứng thủy phân. Thường dùng vật liệu này như là lớp phủ bên ngoài cho sản phẩm ngập trong nước, như là vỏ ngoài của tàu, thuyền. Cấu trúc đóng rắn của vinylester có khuynh hướng dai hơn polyester, mặc dù để đạt tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đóng rắn. c) Epoxy: Hình 1.2. Nhựa Epoxy 2 thành phần Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nói chung, epoxy có tính năng cơ lý, kháng môi trường hơn hẳn các nhựa khác, là loại nhựa được sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay. Với tính chất kết dính và khả năng kháng nước tuyệt vời của mình, epoxy rất lý tưởng để sử dụng trong ngành đóng tàu, là lớp lót chính cho vỏ tàu chất lượng cao hoặc là lớp phủ bên ngoài vỏ tàu thay cho polyester dễ bị thủy phân bởi nước biển. Nhựa epoxy được tạo thành từ những mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tự vinylester, với nhóm epoxy phản ứng ở vị trí cuối mạch. Nhựa epoxy không có nhóm ester, do đó, khả năng kháng nước của epoxy rất tốt. Ngoài ra, do có hai vòng thơm ở vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất cơ và nhiệt tốt hơn mạch thẳng. Do vậy, epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt. Với nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn thông thường là amine, được cho vào epoxy, lúc này, giữa chúng sẽ xảy ra phản ứng hoá học. Thường nhóm epoxy sẽ phản ứng kết khối với nhóm amine, tạo ra cấu trúc phân tử ba chiều phức tạp. Amine kết hợp với epoxy theo một tỉ lệ nhất định, đây là yếu tố quan trọng vì việc trộn đúng tỉ lệ đảm bảo cho phản ứng xảy ra hoàn toàn. Nếu tỉ lệ trộn không đúng thì nhựa chưa phản ứng hoặc chất đóng rắn còn dư trong hỗn hợp sẽ ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm sau đóng rắn. 7 Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn chính xác, nhà sản xuất thường công thức hoá các thành phần và đưa ra một tỉ lệ trộn đơn giản bằng cách đo khối lượng hay thể tích của chúng. Cả nhựa epoxy lỏng và tác nhân đóng rắn đều có độ nhớt thấp để thuận lợi cho quá trình gia công. Epoxy đóng rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phòng từ (5 – 150)0C. Một trong những ưu điểm nổi bật của epoxy là co ngót thấp trong khi đóng rắn. Lực kết dính, tính chất cơ lý của epoxy được tăng cường bởi tính cách điện và khả năng kháng hoá chất. Ứng dụng của epoxy rất đa dạng, nó được dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, bột trét, sơn,… 1.1.2. Pha cốt Pha cốt đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung nên thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa (pha nền). Người ta đánh giá chất độn dựa trên các đặc điểm sau: - Tính gia cường cơ học; - Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ; - Phân tán vào nhựa tốt; - Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt; - Thuận lợi cho quá trình gia công; - Giá thành hạ, nhẹ. Trong toàn khối compsite thì cốt phân bố không liên tục và rất đa dạng, phụ thuộc vào loại composite cần chế tạo. Với loại composite kết cấu: cốt là các kim loại bền ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao, có môđun đàn hồi lớn, khối lượng riêng nhỏ. Các loại vật liệu cốt: Kim loại (thép không rỉ, W, B, Mo … ), chất vô cơ (các bon, thủy tinh, gốm). Hình dạng, kích thước, hàm lượng và sự phân bố của cốt ảnh hưởng rất mạnh đến tính chất composite. Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu độn (pha cốt) cho thích hợp. Có hai dạng độn: độn dạng sợi và độn dạng hạt 8 Độn dạng sợi: sợi có tính năng cơ lý hoá cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn, sợi thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi bo, sợi cacbua silic, sợi amide…Cốt sợi cũng có thể là sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông…), có thể là sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải, sợi poliamit…). Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà người ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác nhau: sợi ngắn, sợi dài, sợi rối, tấm sợi…. a) Sợi thuỷ tinh: Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt), có đường kính nhỏ vài chục micro mét. Khi đó, các sợi này sẽ mất những nhược điểm của thủy tinh khối, như: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ưu điểm của thủy tinh dệt, có thể chứa thêm những khoáng chất như: silic, nhôm, magiê, ... để nâng cao tính cơ học của sợi. Thành phần tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao). Loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiếm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt. Theo số liệu năm 1996, trên thế giới đã tiêu thụ 400.000 tấn sợi thủy tinh, trong đó: châu Âu 130.000 tấn, Bắc Mỹ 126.000 tấn, Nhật Bản 85.000 tấn… Hình 1.3. Sợi thủy tinh loại E 9 b) Sợi hữu cơ: Sợi kenvlar có cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, được gia công bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10 °C), tiếp theo được kéo ra thành sợi trong dung dịch, cuối cùng được xử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi. Sợi kenvlar và tất cả các sợi làm từ aramit khác như: Twaron, Technora,... có giá thành thấp hơn sợi thủy tinh, nhưng cơ tính lại thấp hơn. Các loại sợi aramit thường có độ bền nén, uốn thấp và dễ biến dạng cắt giữa các lớp. (a) (b) Hình 1.4. Sợi kenvlar (a. kiểu dệt đơn; b. kiểu dệt chéo) c) Sợi Carbon: Sợi carbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết với nhau. Các nguyên tử carbon liên kết với nhau trong một mặt phẳng tạo thành mạng tinh thể hình lục lăng. Sợi carbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt. (a) (b) Hình 1.5. Sợi carbon (a. kiểu dệt đơn; b. kiểu dệt chéo) 10 d) Sợi Bor: Sợi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học là B), là một dạng sợi gốm thu được nhờ phương pháp kết tủa. Sản phẩm thương mại của loại sợi này có thể ở các dạng: dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống, vải đồng phương. Cốt vải là tổ hợp thành bề mặt (tấm), của vật liệu cốt sợi, được thực hiện bằng công nghệ dệt. Các kỹ thuật dệt vải truyền thống thường hay dùng là: kiểu dệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải mô đun cao, kiểu dệt đồng phương. Kiểu dệt là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi. Kỹ thuật dệt cao cấp còn có các kiểu dệt đa phương như: bện, tết, và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phương. Việc trộn thêm các loại cốt sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ học cũng như độ bền hoá học của vật liệu như: khả năng chịu được va đập; độ giãn nở cao; khả năng cách âm tốt; tính chịu ma sát - mài mòn; độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao; khả năng chịu được trong môi trường ăn mòn như: muối, kiềm, axít… Những khả năng đó đã chứng tỏ tính ưu việt của hệ thống vật liệu mới so với các loại Polyme thông thường. Và cũng chính vì những tính năng ưu việt âý mà hệ thống vật liệu composite đã được sử dụng rông rãi trong sản xuất cũng như trong đời sống. e) Độn dạng hạt: Thường được sử dụng là: silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talic, hay graphite, carbon… khả năng gia cường cơ tính của chất độn dạng hạt dược sử dụng với mục đích sau: - Giảm giá thành; - Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy,... - Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao. - Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng rắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn. 1.1.3. Liên kết nền cốt Liên kết tốt giữa nền và cốt tại vùng ranh giới pha là yếu tố quan trọng nhất bảo đãm sự kết hợp các đặc tính tốt của hai pha trên. Để tăng cường độ rắn chắc giữa nền và cốt người ta có thể áp dụng các biện pháp sau: