MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1. Nghiên cứu về tính chất, đặc điểm, và đặc biệt tính chất ưu việt của vật liệu composite để có thể ứng dụng nó trong công nghệ đóng thùng ô tô.

2. Tìm hiểu về quy trình thiết kế sản xuất vật liệu composite.

3. Tìm hiểu thực tế về quy trình đóng thùng ô tô tải ốp vật liệu composite ở một số garage ở thành phố Hồ Chí Minh.

4. Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composites trong đóng thùng ô tô IZUSU FTR33P.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1. Tính toán lý thuyết xác định yêu cầu cơ tính và công nghệ chế tạo thùng xe tải từ vật liệu composite.

2. Nghiên cứu bằng phương pháp quan sát thực nghiệm, tham quan nhà xưởng thực tế.

3. Phương pháp kế thừa.

4. Phương pháp nghiên cứu tài liệu : thu thập tài liệu qua: Internet, sách báo, luận văn, các bài chuyên đề chuyên ngành.

5. Tham khảo ý kiến: thầy cô, các chuyên gia giàu kinh nghiệm trong lĩnh vực ứng dụng vật liệu composite.

MỤC LỤC

 

NỘI DUNG....................................................................................................... TRANG

Chương 1. VẬT LIỆU COMPOSITE......................................................................... 1

1.1 Giới thiệu vật liệu composite............................................................................. 1

1.1.1 Khái niệm........................................................................................................... 1

1.1.2 Lịch sử ra đời..................................................................................................... 2

1.1.3 Đặc điểm............................................................................................................ 2

1.1.4 Ưu và nhược điểm............................................................................................. 3

1.1.5 Phân loại............................................................................................................. 4

1.1.6 Cấu tạo................................................................................................................ 5

1.1.7 Ứng dụng vật liệu composite........................................................................ 15

1.2 Một số phương pháp gia công vật liệu composite......................................... 20

Chương 2. GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

                  THÙNG XE TẢI COMPOSITE.............................................................. 23

2.1 Sản xuất thùng xe tải composite trên thế giới................................................ 23

2.2 Sản xuất thùng xe tải composite ở Việt Nam................................................. 29

Chương 3. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

                  THÙNG XE TẢI COMPOSITE.............................................................. 30     

3.1 Quy trình sản xuất vật liệu composite............................................................ 30     

3.1.1 Nguyên liệu sản xuất vật liệu composite.................................................... 30     

3.1.2 Quy trình sản xuất vật liệu composite......................................................... 39

3.1.3 Các dụng cụ chuyên dùng............................................................................. 50     

3.2 Quy trình lắp ráp hoàn chỉnh thùng xe hoàn chỉnh...................................... 51

3.2.1 Kiểm tra chất lượng nguyên vật liệu đầu vào............................................. 51     

3.2.2 Công đoạn chế tạo thùng xe.......................................................................... 51

3.2.3 Công đoạn xử lý xe cơ sở, lắp thùng lên xe và hoàn chỉnh...................... 53

3.2.4 Công đoạn kiểm tra chất lượng xuất xưởng................................................ 54

Chương 4. TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM BỀN

                  THÙNG COMPOSITE TRÊN XE TẢI IZUSU  FRT33P..................... 58

4.1 Tính toán vật liệu composite............................................................................ 58

4.1.1 Lựa chọn vật liệu composite......................................................................... 58

4.1.2 Thiết kế và tính toán vật liệu composite..................................................... 63

4.2 Tính toán kiểm nghiệm bền thùng xe tải ISUZU FRT33P............................ 68

Chương 5 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ..................................................................... 89     

CHƯƠNG 1

VẬT LIỆU COMPOSITE

1.1 GIỚI THIỆU VẬT LIỆU COMPOSITE

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại dẫn đến các nhu cầu to lớn về loại vật liệu đồng thời có nhiều tính chất mà các vật liệu như kim loại, ceramic, polymer khi đứng riêng lẽ không có được mà nổi bật là loại vừa bền, vừa nhẹ, rẻ lại có tính chống ăn mòn cao. Composite (hay còn gọi là vật liệu kết hợp) ra đời mấy chục năm gần đây đã đáp ứng được các yêu cầu đó, đã đáp ứng, ứng dụng và phát triển tới trình độ cao trong quy luật kết hợp – một quy luật phổ biến trong tự nhiên. Ngành khoa học và công nghệ về composite đã có nhiều sản phẩm dùng trong mọi lĩnh vực: từ ô tô máy bay cho đến các vật liệu chỉnh hình và hiện phát triển đến mức nhiều người cho rằng thế kỉ 21 sẽ là văn minh của composite.

1.1.1 Khái niệm

Composite bao gồm Com từ Complex và -posite từ position nghĩa là thành phần. Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có đặt tính sức bền cơ lý hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi mà những vật liệu này làm việc riêng lẻ. Nói cách khác vật liệu composite là vật liệu đa thành phần.

Hình 1.1: Cấu trúc Polymer

Nguồn [2]

Vật liệu composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho composite có được các đặc tính cơ học, độ cứng cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau, tạo nên các kết cấu có khả năng chịu sự ăn mòn, chịu nhiệt trong môi trường khắc nghiệt.

1.1.2. Lịch sử ra đời.

Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân cây gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng licnin. Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo - một cấu trúc composite lý tưởng.

Vật liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống (ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm). Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu Composite từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan bằng tre chát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan tre chát bùn với rơm là những sản phẩm composite được áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội. Hay người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng. Và ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm vào mùa đông...

Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột phá vào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cường cho Polyeste không no và giải pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến thế giới lần thức hai. Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu Composite đó là sự xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia cường như Polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng,y tế, thể thao, quân sự và ô tô, vv…

1.1.3 Đặc điểm

Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha : trong đó các 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.

1.1.4 Ưu, nhược điểm

a. Ưu điểm:

Có nhiều loại chất làm nền và cốt được sử dụng để chế tạo composite. Mỗi loại composite cụ thể có tính ưu việt riêng. Do đó, cần có sự lựa chọn đúng tiêu chuẩn kỹ thuật để áp dụng phù hợp với mục đích sử dụng.

Vật liệu composite là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi:

- Tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao,cứng vững, chịu va đập, uốn kéo tốt.

- Chịu hóa chất, không sét rỉ, chống ăn mòn. Đặc tính này đặc biết thích hợp cho biển và khí hậu vùng biển.

- Chịu thời tiết, chóng tia UV, chống lão hóa nên rất bền.

- Dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao.

- Chịu nhiêt chịu lạnh chống cháy.

- Cách điện, cách nhiệt tốt.

- Chi phí bảo quản thấp, màu sắc đa dạng, thiết kế tạo dáng dễ dàng, đầu tư thiết bị và tổ chức sản xuất không phức tạp, chi phí vận chuyển và sản xuất không cao…

- Không thấm nước, không độc hại.

Sau đây là một bảng so sánh ngắn thể hiện tính ưu việt vật liệu composite của Công ty cổ phần đầu tư và phát triển vật liệu composite Sao Đỏ, khi giới thiệu sản phẩm bể chứa composite.

BỂ THÉP	BỂ COMPOSITE
- Bể thép thường xuyên bị rỉ sét, mọt hoặc bông tróc lớp sơn bảo vệ. - Chất lượng mối hàn không  đảm bảo, hệ số an toàn thấp. - Thời gian gia công lâu, khó khăn. - Trọng lượng nặng, hình thức xấu.. - Thường không có rốn bể, dẫn  đến cặn bẩn có thể bị quấn vào hệ thống sử dụng.	- Bể com posite hoàn toàn ngược lại - Không cần sơn mà vẫn đẹp. - Có thể lựa chọn màu sắc tuỳ ý. - Khi cần có thể tháo ra, lắp lại dễ dàng
BỂ NHỰA	BỂ COMPOSITE
- Tuổi thọ kém, chịu áp suất, chịu hoá chất kém, sớm lão hóa dưới ánh mặt trời, cơ tính kém, kích thước giới hạn	- Bể composite hoàn toàn ngược lại

 

b. Nhược điểm:

- Vật liệu composite khó có thể tái chế khi không sử dụng hay là phế phẩm trong quá trình sản xuất.

- Giá thành nguyên liệu thô làm nên vật liệu composite khá cao. Phương pháp gia công vật liệu composite đòi hỏi mất thời gian.

- Việc phân tích mẫu vật liệu composite và cơ, lý hóa tính rất phức tạp

1.1.5 Phân loại

Vật liệu composite được phân biệt theo bản chất và hình dạng của vật liệu thành phần.

a. Theo bản chất vật liệu nền và cốt:

• Composite nền hữu cơ: composite nền giấy (cáctông), composite nền nhựa, nền nhựa đường, nền cao su (tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xe máy),... Loại nền này thường có thể kết hợp với mọi dạng cốt liệu, như: sợi hữu cơ (polyamit, kevlar (là sợi aramit cơ tính cao),..), sợi khoáng (sợi thủy tinh, sợi cacbon,...), sợi kim loại (Bo,nhôm,...). Vật liệu composite nền hữu cơ chỉ chịu được nhiệt độ tối đa là khoảng 200 ÷ 300 °C.
• Composite nền khoáng (gốm): bê tông, bê tông cốt thép, composite nền gốm, composite cacbon - cacbon. Thường loại nền này kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại (Bo, thép,...), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua, gốm Nitơ,...).
• Composite nền kim loại: nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm,... Thường kết hợp với cốt liệu dạng: sợi kim loại (Bo,...), sợi khoáng (cacbon, SiC,...).

Composit nền kim loại hay nền khoáng chất có thể chịu nhiệt độ tối đa khoảng 600 ÷ 1.000 °C (nền gốm tới 1.000 °C).

 

b. Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc:

• Vật liệu composite độn dạng sợi: Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi đó là composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho polymer nền.
• Vật liệu composite độn dạng hạt: Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer nền. Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thước ưu tiên.

ØVật liệu composite cốt hạt và sợi: Bê tông là một loại composite (hay compozit) nền khoáng chất. Khi bê tông kết hợp với cốt thép tạo nên bê tông cốt thép, thì đá nhân tạo tạo thành từ xi măng là vật liệu nền, các cốt liệu bê tông là cát vàng và đá dăm thì là cốt hạt, còn cốt thép trong bê tông là cốt sợi.

 

1.1.6 Cấu tạo của vật liệu Composite

a. Chất nền (pha nền).

Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu.

Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất 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 chọn lựa một vật liệu làm nền đóng một vai trò rất quan trọng 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 polymer nền:

• Nhựa nhiệt dẻo: PE (polyethylene), PS (polystyrene), ABS (acrylonytril butadien styrene), PVC (polyvynyl clorur)…độn 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 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:

5. Polyester:

Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, Polyester loại này thường là loại không no, 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 tác 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. Còn nhựa isophthalic lại có khả năng kháng nước tuyệt vời nên được xem là vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là hàng hải.

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 gel hoá xảy ra nhanh hơn, ngược lại, nếu ít xúc tác quá trình đóng rắn sẽ bị chậm lại.

5. 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.

Hình 1.16 : Ứng dụng Vynylester trong việc lót đáy tàu

Nguồn : [5.2]

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.

5. Epoxy.

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 tàu chất lượng cao hoặc là lớp phủ bên ngoài vỏ tàu hay thay cho polyester dễ bị thủy phân bởi nước và gelcoat.

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 nó tốt hơn mạch thẳng, do vậy, epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt.

Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng không gian ba chiều. Chất đóng rắn ưa sử dụng 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.

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 thuận lợi quá trình gia công. Epoxy đóng rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phòng từ 5-150^oC, tuỳ cách lựa chọn chất đóng rắn. 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, sealant, bột trét, sơn.

b. Pha cốt.

Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa. 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 cho thích hợp.

Có hai dạng độn:

• Độn dạng sợi :sợi có tính năng cơ lý hoá cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn, 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….

Hình 1.3: Một số dạng composite cốt sợi

Nguồn [1]

 

Một số sợi thông dụng

- 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, ... cơ học hơn. 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…[1,80]

- Sợi hữu cơ: Sợi kenvlar 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 sử 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 như cơ tính lại thấp hơn: các loại sợi aramit thường có độ bền nén, uốn thấp và dễ biến dạng cắt giữa các lớp.

- Sợi Cacbon: Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35 A°. Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42 A°. Sợi cacbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt.

- 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: 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.

• 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 đối với độn tăng cường.
• 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.

Hình1.4 : Một số loại composite cốt hạt

Nguồn [1]

 

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.

Hình1.2 : Liên kết pha nền và pha cốt

 

 Để tăng cường độ rắn chắc giữa nền và cốt người ta có thể áp dụng các biện pháp sau:

- Liên kết cơ học được thực hiện nhờ độ mấp mô trên bề mặt do lực masat như kiểu bê tông cốt thép.

- Liên kế nhờ thấm ướt do năng lượng sức căng bề mặt vì pha nền bị nung chảy và dính ướt với cốt nên có sự khuếch tán tuy rất nhỏ, tạo nên sức căng bề mặt.

- Liên kết phản ứng, xuất hiện khi ranh giới pha xảy ra phản ứng tạo hợp chất hóa học, hợp chất này như một lớp keo kết dính hai pha. Đây là loại liên kết tốt nhất.

- Liến kết oxuyt, loại liên kết đặc trưng cho nền kim loại với cốt là oxit của chính kim loại đó.

c. Chất xúc tác – Xúc tiến.

Trên đây chúng ta đã nêu hai thành phần chủ yếu của composite là keo nhựa và sợi gia cường. Chất xúc tác và chất xúc tiến là thành phần thứ ba, chiếm một tỷ lệ rất nhỏ: 1,2 – 3% so với trong lượng nhựa trong cấu trúc composite.[1,59] Polyester liến kết với sợi thủy tinh là thông qua phản ứng hóa học liên kết nối ngang để đóng rắn cho vật liệu. Nhưng phải có chất xúc tác thì phản ứng mới được khởi động và phải có chất xúc tiến thì tốc độ phản ứng diễn ra nhanh chóng làm cho thời gian đông đặc và đóng rắn được rút ngắn theo ý muốn. Do đó, tỷ lệ pha chế chất xúc tác và xúc tiến cũng khá chặt chẽ quyết định chất lượng đóng rắn của sản phẫm composite.

• Chất xúc tác.

 Các chất xúc tác chỉ được cho vào nhựa trước khi gia công. Vai trò của chúng là tạo gốc tự do kích động cho quá trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp.
Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ.

Chất xúc tác gồm các loại:

Hai loại MEKP (metyl ethyl keton peroxide) và HCH (cyclo-hexanol peroxide) được dùng để đóng rắn nguội cho nhựa polyester.

MEKP là hỗn hợp của một số hợp chất peroxide, thành phần thay đổi tùy thuộc vào nhà sản xuất. Nó là chất oxi hoá mạnh nên phải tránh tiếp xúc với oxi.

HCH là sản phẩm phản ứng giữa hydroperoxide với cyclohexanol peroxide. Tuy nhiên nó là hỗn hợp của ít nhất hai trong bốn chất sau (theo Criegree, Schorenberg và Becke).

• Chất xúc tiến.

Như đã nêu ở trên, ở nhiệt độ phòng các chất xúc tác chưa thể làm cho resin đông, đóng rắn nhanh chóng và toàn phần nếu không có chất xúc tiến pha vào resin. Chất xúc tiến là chất đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự do cuả chất xúc tác. Dùng chất xúc tiến sẽ giảm được nhiệt độ và thời gian đóng rắn một cách đáng kể và có thể đóng rắn nguội. Vì vậy thông thường các nhà cung cấp resin đã pha sẵn vào trong resin chất xúc tiến với hàm lượng 0,05 – 0,5% so với khối lượng của resin để cung ứng ra thị trường. Gồm các loại:

d. Các chất phụ gia sử dụng trong quá trình sản xuất composite

• Chất pha loãng.

Tính chất của polyester phụ thuộc không những vào hàm lượng nối đôi và nhóm este, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ mà còn phụ thuộc vào tính chất cuả tác nhân nối ngang – monomer.

Các monomer khâu mạch ngang được dùng để đồng trùng hợp với các nối đôi trong nhựa UPE, tạo kết ngang, thường là chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên còn có tác dụng làm giảm độ nhớt của hỗn hợp, do vậy chúng còn được gọi là chất pha loãng. Monomer pha loãng phải thỏa mãn các điều kiện sau:

• Đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm không đồng nhất, làm ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm, hoặc còn sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền.
• Monomer phải tạo hỗn hợp đồng nhất với polyester, tốt nhất là dung môi cho polyester. Lúc đó nó hoà tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyester, tạo thuận lợi cho phản ứng đóng rắn và tạo độ nhớt thuận lợi cho quá trình gia công.
• Nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi trong quá trình gia công và bảo quản.
• Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp ít co rút.
• Ít độc.

• Chất đóng rắn

Để đóng rắn polyester, người ta dùng các monomer : styrene, metyl meta acrylat (MMA), vinyl, triallil xianuarat, … trong đó styrene được sử dụng nhiều nhất do có những tính chất ưu việt:

• Có độ nhớt thấp.
• Tương hợp tốt với polyester, khả năng đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp.
• Đóng rắn nhựa nhanh.
• Sản phẩm chịu thời tiết tốt, cơ lý tính cao, cách điện tốt.
• Khả năng tự bốc cháy thấp.

• Chất róc khuôn.

- Chất róc khuôn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khuôn.

- Chất róc khuôn dùng trong đắp tay là loại chất róc khuôn ngoài được bôi trực tiếp lên khuôn.

- Một số chất róc khuôn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo…

• Chất làm kín.

- Với khuôn làm từ các vật liệu xốp như gỗ, thạch cao thì cần phải bôi chất làm kín trước khi dùng chất róc khuôn.

- Các chất làm kín xâm nhập vào các lỗ xốp, ngăn chặn nhựa bám vào.

- Một số chất làm kín: Cellulose acetate, wax, silicon, stearic acid, nhựa furane, véc ni, sơn mài…

• Chất tẩy bọt khí.

- Bọt khí làm sản phẩm composite bị giảm độ chịu lực, độ chịu thời tiết và thẩm mỹ bề mặt.

- Lượng thường sử dụng: 0,2 – 0,5% lượng nhựa.

Lưu ý: nên cho chất tẩy bọt khí vào nhựa trước khi dùng các thành phần khác.

• Chất thấm ướt sợi.

- Có tác dụng tăng khả năng thấm ướt sợi giúp sử dụng độn nhiều hơn.

- Lượng dùng: 0,5-1,5% so với chất độn.

- Ngoài ra còn sử dụng nhiều chất phụ gia khác như: Chất tăng độ phân tán, Chất ngăn thoát hơi styrene, …

1.1.7 Ứng dụng vật liệu composite trong đời sống.

a .Thế giới:

Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu composite đã được nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến. Việc nghiên cứu và áp dụng thành công vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng. Đại chiến thế giới thứ hai nhiều nước đã sản xuất mày bay, tàu chiến và vũ khi phụ vụ cho cuộc chiến này. Cho đến nay thì vật liệu Composite polyme đã được sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện chế tạo ôtô; dựa trên những ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc:

• Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, chế tạo các bộ phận trên máy bay như kết cấu khung xương, thân máy bay, cánh, bộ phận dẫn hướng, máy móc khác của các hãng như Boeing 787, 676 Airbus 310 .Theo thống kê của hãng máy bay Boeing, chiếc Boeing Dreamliner 787 sử dụng đến 50% composite trên toàn bộ trọng lượng …

Hình 1.5: Ứng dụng vật liệu composite trên máy bay A380

Nguồn [2]

 

• Trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện.
• Các ngành dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ…,
• Ngành thể thao, các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennit… và các ngành dân dụng, quốc kế dân sinh khác.
• Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh có tính trong suốt đối với sóng rada, đặc tính này rất quan trọng trong các ứng dụng quân sự. Nó còn được sử dụng nhiều trong công nghệ vũ trụ.
• Vật liệu composite trong ngành vận tải : Ứng dụng của composite trong ngành vận tải là rất lớn. Loại vật liệu mới này cho phép chế tạo các phương tiện vận tải nhẹ hơn. Điều đó đồng nghĩa với việc tiết kiệm nhiên liệu, tăng khả năng chuyên chở và giảm ô nhiễm môi trường. Composite được sử dụng chế tạo thân và các chi tiết yêu cầu tính năng kỹ thuật cao trong các xe đua cũng như xe ô tô thương mại. Ngày nay các toa xe tàu hỏa cũng được chế tạo bằng vật liệu composite. Hiệu quả của nó làm giảm thiểu tự trọng của các toa xe và đoàn tàu, tăng lượng hàng chuyên chở, tăng hiệu suất vận tải đường sắt. Đặc biệt hơn, với yêu cầu ngày càng khắt khe về bảo vệ môi trường, các dòng động cơ mới như động cơ điện, fuel cell được đưa vào ứng dụng trong thị trường xe cơ giới. Hạn chế của các loại động cơ mới này là dung tích acquy sử dụng cho xe không cao, hạn chế tính cơ động của xe, trong khi giảm trọng lượng xe là rất cấp thiết cho các phương tiện sử dụng công nghệ xanh. Do đó, vật liệu composite được sử dụng tối đa trong chế tạo thân vỏ và các chi tiết trong thế hệ xe sạch này.
• Vật liệu composite trong ngành đóng tàu : Composite được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các loại tàu thuyền, xuồng cỡ nhỏ, cano... do chi phí đầu tư chế tạo phương tiện bằng vật liệu này thấp hơn sản phẩm cùng loại sử dụng chất liệu bằng gỗ, nhôm hoặc thép. Bên cạnh đó, yêu cầu về tay nghề của công nhân cũng đơn giản hơn. Vật liệu composite sử dụng cho đóng tàu, mang lại lợi ích cao bảo dưỡng rất ít, không bị ăn mòn, hen rỉ hay ảnh hưởng của môi trường nước biển. ­­­­­

b. Việt Nam:

Ở các nước phát triển trên thế giới thì vật liệu composite đã được phát triển từ lâu, nhưng ở nước ta thì composite được xem là vật liệu mới, bởi thời gian đưa vào ứng dụng và phạm vi ứng dụng ở nước ta vẫn còn chưa lâu và chưa nhiều.

Vật liệu composite sợi thủy tinh được bắt đầu nghiên cứu và áp dụng ở nước ta từ 1988, khởi đầu là canô, xuồng nhỏ với tư cách là vật liệu mới. Đến đầu thập kỉ 90 của thế kỉ 20, một vài đơn vị sản xuất composite đã hình thành với các sản phẩm ghe, thuyền, bồn chứa kích thước không lớn, đặt biệt là ở đồng bằng sông Cửu Long. Tuy nhiên composite thực sự phát triển tử 1995, hiện nay trong toàn quốc có hơn 40 đơn vị lớn nhỏ, nhưng chỉ một số đơn vị chuyển sản xuất mặt hàng composite, còn lại kết hợp với các sản phẩm nhựa khác, với nhìêu sản phẩm đa dạnh như: ghe, thuyền, canô, tàu cảng vụ, câu trượt, máng trượt, bể bơi, bồn tắm, tráng trí nội ngoại thất, các công trình phục vụ đô thị, các ngành thiết bị giáo dục, các giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu, các sân vận động và các trung tâm văn hoá… nông thôn, công trường, nhà máy, ứng dụng trong y học, tại khoa răng của bệnh viện trung ương Quân đội 108 đã sử dụng vật liệu Composite vào trong việc ghép răng thưa, làm răng giả, và đặc biệt là ứng dụng vào ngành sản xuất các linh kiên, cấu kiện, đóng thùng ô tô, đóng thùng xe tải, đóng thùng xe đông lạnh, xe bus và những bộ phận khác của ô tô,……

Hình1.15: Ứng dụng vật liêu composite làm thùng rác công cộng

Nguồn [5.2]