Thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực cánh bơm đảo nước sục khí chuyên dụng trong nuôi trồng thủy sản thâm canh bằng vật liệu composite

i


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Họ và tên SV : Mai Nguyễn Trần Thành Lớp : 47CT
Ngành : Cơ Khí Chế Tạo Máy MSSV : 47132209
Tên đề tài : “ Thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực cánh bơm đảo nước - sục
khí chuyên dụng trong nuôi trồng thủy sản thâm canh bằng vật liệu
Composite.”
Số trang :105 Số chương: 6 Số tài liệu tham khảo: 20
Hiện vật: Báo cáo Đồ Án Tốt Nghiệp, 1 đĩa CD, 1 Bộ khuôn đúc cánh bơm đảo
nước - sục khí và cánh bơm đảo nước - sục khí chuyên dụng bằng vật liệu
composite
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN





Kết luận:



Nha trang, ngày…tháng…năm 2009
Cán bộ hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)



PGS.TS PHẠM HÙNG THẮNG

ĐIỂM CHUNG
Bằng số Bằng chữ

ii

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Họ và tên SV : Mai Nguyễn Trần Thành lớp : 47CT
Ngành : Cơ Khí Chế Tạo Máy MSSV : 47132209
Tên đề tài : “Thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực cánh bơm đảo nước - sục khí
chuyên dụng trong nuôi trồng thủy sản thâm canh bằng vật liệu Composite.”
Số trang :105 Số chương: 6 Số tài liệu tham khảo: 20
Hiện vật: Báo cáo Đồ Án Tốt Nghiệp, 1 đĩa CD, 1 Bộ khuôn đúc cánh bơm đảo
nước - sục khí và cánh bơm đảo nước - sục khí chuyên dụng bằng vật liệu
composite

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN





Kết luận:



Nha trang, ngày…tháng…năm 2009
Cán bộ phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)

ĐIỂM CHUNG
Bằng số Bằng chữ

iii

LỜI CẢM ƠN!
Đồ án tốt nghiệp là sự khởi đẩu cho sự nghiệp nghiên cứu khoa học của thế hệ
kỹ sư trẻ chúng em, và cũng là điểm nhấn kết thúc cuộc đời sinh viên ngồi trên ghế
nhà trường. Đó là một điều thiêng liêng mà em cảm nhận được sau hơn bốn năm
học tập và nghiên cứu tại trường đại học Nha Trang. Sau một thời gian nghiên cứu
nghiêm túc, với tất cả khả năng của bản thân, với những gì đã học hỏi được ở các
thầy cô, ở sách vở và đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của các thầy hướng dẫn. Đến
nay em đã hoàn thành xong nhiệm vụ quan trọng của mình. Để đạt được kết quả này
không thể không kể đến những gì mà các thầy đã dành cho em. Em xin chân thành
được bày tỏ lời biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS Phạm Hùng Thắng, thầy Th.s Trần
An Xuân đã có những ý kiến chỉ bảo có ý nghĩa góp phần làm hoàn thiện đề tài của
em. Em xin chân thành cảm ơn thầy Ks Lê Ngọc Sơn với sự hướng dẫn tận tình của
thầy trong việc chế tạo thành công sản phẩm khuôn đúc áp lực, và cánh bơm đảo
nước – sục khí chuyên dụng phục vụ nuôi trồng thủy sản thâm canh bằng vật liệu
Composite. Bên cạnh đó em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô đã dìu dắt em
đi trên con đường mà em đã chọn, xin gửi tới các bạn đồng nghiệp trong tương lai
lời cảm ơn chân thành, cảm ơn các bạn đã có những góp ý chân thành trong quá
trình thực hiện đề tài của tôi.
Xin chân thành cảm ơn!!!
Nha Trang, tháng 12 năm 2009
Sinh viên thực hiện

Mai Nguyễn Trần Thành







iv

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ÁP LỰC VẬT LIỆU
COMPOSITE VÀ KẾT CẤU CÁNH BƠM ĐẢO NƯỚC – SỤC KHÍ 3
I.1 Tổng quan về công nghệ đúc áp lực Composite: 3
I.1.1 Định nghĩa vật liệu Composite: 3
I.1.2 Đặc tính chung: 3
I.1.3 Phân loại vật liệu Composite: 4
I.1.3.1 Phân loại theo hình dạng: 4
I.1.3.2 Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần: 4
I.1.3.3 Theo cấu trúc vật liệu cốt: 5
I.1.4 Kết cấu của vật liệu composite: 7
I.1.5 Công nghệ chế tạo vật liệu Composite: 14
I.1.5.1 Đúc không áp lực: 14
I.1.5.2 Đúc áp lực ( đúc ép): 14
I.1.5.3 Đúc liên tục: 17
I.1.5.4 Kéo định hình: 17
I.1.5.5. Đúc ly tâm: 18
I.1.5.6. Phương pháp quấn ống: 18
I.1.6 Cơ chế đông đặc, đông rắn trong Composite: 18

I.1.7 Cơ tính của vật liệu Composite: 19
I.1.8 Xác định thời gian đông, rỡ khuôn, đóng rắn 25
I.2 Kết cấu và yêu cầu kỹ thuật chế tạo cánh bơm đảo nước – sục khí 28
I.2.1 Xây dựng bản vẽ kết cấu cánh bơm đảo nước-sục khí: 28
I.2.1.1 Kết cấu cánh bơm đảo nước-sục khí: 28
I.2.1.2 Bản vẽ kỹ thuật cánh bơm đảo nước - sục khí 28
I.2.2 Yêu cầu kỹ thuật chế tạo cánh bơm đảo nước – sục khí chuyên dụng 35
I.2.2.1 Về vật liệu chế tạo cánh bơm 35
I.2.2.2 Về công nghệ chế tạo cánh bơm 35
v

I.2.2.3 Về kết cấu cánh bơm 35
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ KỸ THUẬT KHUÔN ĐÚC CÁNH BƠM ĐẢO
NƯỚC – SỤC KHÍ CHUYÊN DỤNG TỪ VẬT LIỆU COMPOSITE 37
II.1 Yêu cầu kỹ thuật bộ khuôn đúc 37
II.2 Kết cấu bộ khuôn đúc 38
II.2.1 Khuôn cánh ngoài: 38
II.2.1.1 Khuôn trên: 38
II.2.1.2 Khuôn dưới: 38
II.2.2 Khuôn cánh trong: 39
II.2.2.1 Khuôn trên: 39
II.2.2.2 Khuôn dưới: 40
II.2.3 Chốt định vị, pittong, xilanh ép: 40
II.2.4 Lõi, tấm đỡ, bulong: 41
II.3 Tính toán các thông số kỹ thuật cơ bản bộ khuôn đúc 43
II.3.1 Các kích thước cơ bản của bộ khuôn đúc 43
II.3.2 Kiểm tra độ bền của khuôn trong quá trình làm việc 46
II.3.2.1 Kiểm tra độ bền kéo của 4 bu lông ghép hai nửa khuôn 47
II.3.2.2 Kiểm tra độ bền dập của hai nửa khuôn trong quá trình ép 47
II.4 Bản vẽ kỹ thuật bộ khuôn đúc 48

CHƯƠNG III. CHẾ TẠO KHUÔN ĐÚC CÁNH BƠM ĐẢO NƯỚC – SỤC
KHÍ CHUYÊN DỤNG 49
III.1 Thiết kế quy trình chế tạo khuôn đúc cánh bơm 49
III.1.1 Xây dựng kết cấu hai nửa khuôn 50
III.2 Chế tạo thử nghiệm khuôn đúc 58
III.2.1 Lập trình gia công khuôn với sự trợ giúp của máy tính 58
III.2.2 Chuẩn bị phôi, máy, dụng cụ cắt gọt, đồ gá 76
III.2.3 Lập quy trình gia công khuôn 77
III.2.4 Kiểm tra khuôn lần cuối 79
vi

CHƯƠNG IV. XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐÚC CÁNH BƠM
ĐẢO NƯỚC – SỤC KHÍ 80
IV. 1 Chuẩn bị khuôn và vật liệu 80
IV. 2 Quy trình đúc cánh bơm 81
CHƯƠNG V. ĐÚC THỬ NGHIỆM, HOÀN CHỈNH VÀ HOẠCH TOÁN GIÁ
THÀNH SẢN PHẨM 88
V. 1 Đúc thử nghiệm 88
V. 2 Hoàn chỉnh công nghệ và khuôn đúc 88
V. 3 Hạch toán giá thành sản phẩm 89
CHƯƠNG VI. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 91
VI.1 Kết luận 91
VI.2 Đề xuất ý kiến. 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO 93
vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Đặc tính cơ học tổng quát của vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh 22
Bảng 1.2: Khả năng chịu va dập của vật liệu composite thủy tinh E so với vật liệu khác 23

Bảng 1.3: Đặc tính chịu hoá học của nhựa nền 24
Bảng 1.4: Lựa chọn hệ thống chất đóng rắn 25
Bảng 1.5: Thời gian đông đặc, khi rỡ khuôm (ở nhiệt độ phòng) 26
Bảng 1.6: Thời gian đông đặc và đóng rắn của nhựa (ở nhiệt độ phòng) 27
Bảng 3.1: Đặc tính chủ yếu của gelcoat [2,tr66]. 85

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Vật liệu Composite 3
Hình 1.2. Đúc phun nhựa 15
Hình 1.3. Đúc không nhiệt 15
Hình 1.4: Đặc tính cơ học Composite so với kim loại và vật liệu không gia cường 20
Hình 1.6. Ứng suất kéo, uốn của Composite 21
Hình 1.6. máy bơm sục khí 28
Hình 1.7 29
Hình 1.8 29
Hình 1.9 30
Hình 1.10 30
Hình 1.11 31
Hình 1.12 31
Hình 1.13 32
Hình 1.14 32
Hình 1.15 33
Hình 1.16 33
Hình 1.17 34
Hình 1.18 34
Hình 2.1. Nửa khuôn trên được thiết kế bằng phần mềm Pro wildfire 38
Hình 2.2. Nửa khuôn dưới được thiết kế bằng phần mềm Pro wildfire 39
Hình 2.3. Nửa khuôn trên được thiết kế bằng phần mềm Pro wildfire 39

Hình 2.4. Nửa khuôn dưới được thiết kế bằng phần mềm Pro wildfire 40
Hình 2.5. Chốt định vị được thiết kế bằng phần mềm Pro wildfire 40
Hình 2.6. pittong, xilanh ép 41
Hình 2.7. Lõi được thiết kế bằng phần mêm pro wildfire 41
Hình 2.8. Tấm đỡ khuôn được thiết kế bằng phần mêm pro wildfire 42
Hình 2.9. Bulong được thiết kế bằng phần mềm pro wildfire 42
Hình 2.10. Kết cấu bộ khuôn đúc được thiết kế bằng phần mềm pro wildfire 43
ix

Hình 2.11: Các kích thước cơ bản của khuôn dưới 43
Hình 2.12: Các kích thước cơ bản của khuôn trên 44
Hình 2.13: Các kích thước cơ bản của khuôn dưới 44
Hình 2.14: Các kích thước cơ bản của khuôn trên 45
Hình 2.16: Bảng cơ tính của nhôm Alloy1060 46
Hình 2.17: Kiểm tra ứng suất cho phép của nửa khuôn sử dụng phần mềm Solidword
2007 47
Hình 2.18: Kiểm tra chuyển vị cho phép của nửa khuôn sử dụng phần mềm Solidword
2007 48
Hình 3.1: Mô hình Solid của cánh bơm được thiết kế bằng phần mềm Pro
wildfire 50
Hình 3.2: Cách mở một File ứng dụng tách khuôn của phần mêm 51
Hình 3.3: Hình dáng của phôi dùng để tách khuôn cho chi tiết cánh bơm 52
Hình 3.4: Mặt phân khuôn đã được Mesh Surface 53
Hình 3.5: Nửa khuôn dưới được thiết kế bằng phần mềm Pro Engineer200i 54
Hình 3.6: Nửa khuôn trên được thiết kế bằng phần mềm Pro Engineer200i 54
Hình 3.7: Cách mở một File ứng dụng tách khuôn của phần mêm 55
Hình 3.8: Hình dáng của phôi dùng để tách khuôn cho chi tiết cánh bơm 56
Hình 3.9: Mặt phân khuôn đã được Mesh Surface 56
Hình 3.10: Nửa khuôn dưới được thiết kế bằng phần mềm Pro Engineer200i 57
Hình 3.11: Nửa khuôn trên được thiết kế bằng phần mềm Pro Engineer200i 58

1

LỜI NÓI ĐẦU
Ngành nuôi trồng thuỷ sản ở nước ta được xác định là một ngành kinh tế mũi
nhọn, có giá trị xuất khẩu cao, mang lại ngoại tệ lớn cho đất nước, trong đó nuôi
tôm đóng góp một phần không nhỏ, nuôi tôm là nghề đem lại lợi nhuận cao nhưng
mang tính rủi ro lớn, nếu không được áp dụng khoa học kỹ thuật và thiết bị máy
móc chuyên nghiệp.
Trong ngành nuôi tôm thì bơm nước sục khí là thiết bị không thể thiếu, nó
mang lại nhiều lợi ích thiết thực như: Bổ sung lượng thiếu hụt ôxy trong nước; góp
phần làm tăng mật độ nuôi ít nhất từ 510 lần, tạo dòng chảy lưu động trong ao
thường xuyên để gom chất bẩn, thức ăn thừa, duy trì điều kiện thích hợp nhất đối
với tôm. Nhưng một vấn đề hết sức quan trọng đặt ra ở đây mà mọi người rất quan
tâm là công nghệ chế tạo cánh bơm. Cánh bơm hiện đang được sử dụng là cánh
bơm được chế tạo bằng kim loại ( hợp kim đồng, và thép không gỉ) bằng phương
pháp hàn, với việc chế tạo như vậy sẽ làm giá thành sản phẩm cao trong khi
còn nhiều vật liệu khác có giá thành rẻ và đáp ứng được những yêu cầu cần
thiết để chế tạo cánh bơm. Và composite là vật liệu đáp ứng được những yêu
cầu như vậy. Trên cơ sở đó em được Bộ môn Chế Tạo Máy Khoa Cơ Khí trường
Đại Học Nha Trang giao cho đề tài: “THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHUÔN ĐÚC ÁP
LỰC CÁNH BƠM ĐẢO NƯỚC – SỤC KHÍ CHUYÊN DỤNG TRONG NUÔI
TRỒNG THỦY SẢN THÂM CANH BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE.”
Sau một thời gian nghiên cứu, tiến hành chế tạo khuôn và đúc thử nghiệm
cánh bơm dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS.TS Phạm Hùng Thắng, thầy
Th.s Trần An Xuân và thầy Ks Lê Ngọc Sơn, em đã hoàn thành đề tài với đầy đủ
nội dung sau:
Chương I: Tổng quan về công nghệ đúc áp lực vật liệu Composite và kết cấu

cánh bơm đảo nước – sục khí.
Chương II: Thiết kế kỹ thuật khuôn đúc cánh bơm đảo nước – sục khí chuyên
dụng từ vật liệu Composite.
2

Chương III: Chế tạo khuôn đúc cánh bơm.
Chương IV: Xây dựng quy trình công nghệ đúc cánh bơm.
Chương V: Đúc thử nghiệm, hoàn chỉnh khuôn và hạch toán giá thành sản phẩm
Chương VI: Kết luận và đề xuất
Vì thời gian và trình độ bản thân còn hạn chế và đây cũng là lần đầu tiên làm
quen với công tác nghiên cứu khoa học nên em không thể tránh khỏi những thiếu
sót trong quá trình thực hiện đề tài. Vì vậy, em rất mong được sự đóng góp ý kiến
của các thầy trong khoa và sự đóng góp ý kiến của những người quan tâm đến lĩnh
vực này để đề tài có hiệu quả ứng dụng cao hơn nữa.
Nhân đây, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Phạm Hùng
Thắng, thầy Th.s Trần An Xuân và thầy Ks Lê Ngọc Sơn đã quan tâm giúp đỡ,
hướng dẫn em thực hiện đề tài.

Nha Trang, ngày tháng 12 năm 2009
Sinh viên thực hiện



Mai Nguyễn Trần Thành

3

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ÁP LỰC VẬT LIỆU
COMPOSITE VÀ KẾT CẤU CÁNH BƠM ĐẢO NƯỚC – SỤC KHÍ
I.1 Tổng quan về công nghệ đúc áp lực Composite:
I.1.1 Định nghĩa vật liệu Composite:
Vật liệu Composite hay Composite là vật liệu tổ hợp từ hai vật liệu có bản
chất khác nhau. Vật liệu tạo thành có bản chất trội hơn đặc tính của từng vật liệu
thành phần khi xét riêng rẽ.
I.1.2 Đặc tính chung:
Trong trường hợp tổng quát nhất, một vật liệu Composite gồm một hay nhiều
pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục. Khi vật liệu gồm nhiều pha gián
đoạn, ta gọi đó là Composite hỗn tạp. Pha gián đoạn thường có cơ tính trội hơn pha
liên tục
Pha liên tục được gọi là nền ( matrice)
Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (renfort)
Cơ tính của vật liệu Composite phụ thuộc vào:
 Cơ tính của các vật liệu thành phần.
 Luật phân bố hình học của vật liệu cốt.
 Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần, v.v…
Để có thể mô tả một vật liệu Composite, ta cần biết rõ:
 Nguồn gốc và tính chất của các vật liệu thành phần.
 Dạng hình học của vật liệu cốt và luật phân bố của nó
 Đặc điểm giữa mặt tiếp xúc giữa vật liệu cốt và vật liệu kết dính

Hình 1.1. Vật liệu Composite

4

I.1.3 Phân loại vật liệu Composite:
I.1.3.1 Phân loại theo hình dạng:
Theo hình dạng của vật liệu thành phần, vật liệu Composite được phân chia thành
hai họ lớn: vật liệu Composite cốt sợi và vật liệu Composite cốt hạt (hay bột).
 Vật liệu Composite cốt sợi
Khi vật liệu cốt là các sợi, ta gọi đó là Composite cốt sợi. Sợi được sử dụng có thể
dưới dạng liên tục có thể dưới dạng gián đoạn: sợi ngắn, vụn v.v…Ta có thể điều
khiển sự phân bố, phương của sợi để có vật liệu dị hướng theo ý muốn. Và cũng có
thể tạo ra vật liệu có cơ - lý tính khác nhau, khi chú ý tới:
- bản chất của vật liệu thành phần.
- tỷ lệ của các vật liệu tham gia.
- phương của sợi
Vật liệu Composite cốt sợi có vai trò rất quan trọng trong công nghiệp, vì vậy việc
nghiên cứu kỹ lưỡng về ứng sử cơ học của loại vật liệu này là rất cần thiết.
 Vật liệu Composite cốt hạt
Khi vật liệu cốt có dạng hạt, ta gọi đó là Composite cốt hạt. Hạt khác sợi ở chỗ, nó
không có kích thước ưu tiên.
Hạt thường được dùng để cải thiện một số cơ tính của vật liệu hoặc của vật liệu nền,
chẳng hạn tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mòn, giảm độ co ngót
v.v…Trong nhiều trường hợp, hạt được sử dụng với mục đích làm giảm giá thành
sản phẩm mà vẫn không làm thay đổi cơ tính của vật liệu
Việc lựa chọn phương án kết hợp hạt – nền (nhựa) phụ thuộc vào cơ lý tính mà ta
muốn có. Chẳng hạn, người ta thêm chì vào trong hợp kim đồng để loại bớt khó
khăn khi gia công. Chất gốm kim ( xécme) cũng là một ví dụ về Composite kim loại
– gốm hạt, hay được sử dụng chế tạo các chi tiết, kết cấu chịu nhiệt độ cao.
I.1.3.2 Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần:
Tùy thuộc vào bản chất của vật liệu nền, vật liệu Composite được chia làm ba
nhóm:

 Composite nền hữu cơ ( nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt dạng:
5

- sợi hữu cơ: polyamit, kevlar v.v.
- sợi khoáng: thủy tinh, cacbon v.v…
- sợi kim loại : bo, nhôm v.v…
 Composite nền kim loại ( hợp kim titan, hợp kim nhôm…) với vật liệu cốt dạng:
- sợi kim loại: bo
- sợi khoáng: cacbon, SiC
 Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng:
- sợi kim loại: Bo
- hạt kim loại: chất gốm kim
- hạt gốm: cacbua, nito v.v…
Vật liệu Composite nền hữu cơ chỉ chịu được nhiệt độ từ 200
0
C đến 300
0
C, trong
khi đó Composite nền kim loại hay nền gốm có thể chịu được nhiệt độ từ 600
0
C (
nền kim loại) hoặc trên 1000
0
C ( nền gốm).
I.1.3.3 Theo cấu trúc vật liệu cốt:
Loại cốt hạt và loại cốt sợi khác nhau ở kích thước hình học của cốt: Cốt sợi
có tỷ lệ chiều dài trên đường kính khá lớn, cốt hạt là các phần tử đẳng trục.
Compozite cấu trúc là khái niệm để chỉ các bán thành phẩm dạng tấm, lớp, dạng tổ ong.

Cốt hạt Cốt sợi Compozite cấu trúc
Hạt
mịn
Liên
tục

Tổ
ong
Gián
đoạn
Tấm ba
lớp
Có
hướng
Lớp
Ngẫu
nhiên
Hạt
thô
Composite
6

Một số vật liệu Composite
Vật liệu thành phần Lĩnh vực ứng dụng
1. Composite nền hữu cơ
Giấy, carton
Tấm hạt
Tấm sợi
Vải bạt
Vật liệu chống thấm

Lốp
Tấm nhiều lớp

Chất dẻo tăng cường

Nhựa/hạt/sợi xelulo
Nhựa/mạt cưa
Nhựa/sợi gỗ
Nhựa mềm/vải
Elastome/bitum/vải dệt
Cao su/vải/sắt, thép
Nhựa/hạt/sợi thủy
tinh,cacbon
Nhựa/vibi


Nghành in/bao bì
Ngành mộc
Nhà cửa
Thể thao, nhà cửa
Mái che
Ngành oto

Các ngành công nghiệp
khác nhau
2. Composite nền khoáng
chất
Bê tông
Composite cacbon –
cacbon

Composite gốm




Cacbon/ sợi cacbon

Gốm sợi gốm



Máy bay, vũ trụ, thể thao,
y học
Chi tiết máy chịu nhiệt độ
cao

3. Composite nền kim loại Nhôm/sợi bo
Nhôm/sợi cácbon
Vũ trụ
4. Composite ba lớp
Vỏ
Lõi

Kim loại tấm nhiều lớp
Nhiều lĩnh vực

7

I.1.4 Kết cấu của vật liệu composite:
Composite có nhiều loại, được tạo ra tùy vật liệu thành phần và mục đích sử dụng.

Composite được cấu tạo bởi hai thành phần chủ yếu là: cốt – nhựa nền, từ hai thành
phần này tạo ra rất nhiều dạng kết cấu của composite, kết cấu của composite lại phụ
thuộc vào trọng lượng giữa cốt – nhựa nền và sự phân bố hình học của vật liệu cốt
theo mục đích sử dụng
Ngoài ra còn có các chất khác ( xúc tác, xúc tiến, phụ gia khác), với tỷ lệ trọng
lượng rất nhỏ khoảng vài % nhưng không thể thiếu
a. Thành phần cốt
Cốt là thành phần chịu lực chủ yếu ( gia cường), là pha gián đoạn, cốt cũng
được chia thành hai loại chính: cốt hạt và cốt sợi
 Cốt hạt: Vật liệu compozite cốt hạt, hạt khác sợi là không có kích thước ưu
tiên, được dùng để tăng cơ tính vật liệu hoặc của vật liệu nền.
Theo đặc trưng hình học hạt được phân thành: hạt cầu và hạt không phải cầu
 Hạt cầu (vibi): Có thể đặc, có thể rỗng, đường kính trung bình khoảng 10-
150 micromét, vi bi được chế tạo từ thuỷ tinh, cácbon, phenol,…Trong thực tế
lượng vi bi rỗng chiếm 99% tổng số vi bi sử dụng, do dễ bị vỡ nên chỉ được dùng ở
chế độ gia công với áp lực thấp, vi bi đặc thì khối lượng riêng nặng hơn
(2500kg/m
3
), nhưng giá thành thấp hơn, chịu được áp lực cao hơn khi gia công cùng
với nhựa.
 Hạt không phải cầu : hay được dùng nhất là hạt mica
Ngoài ra còn có hạt không dùng gia cường mà dùng với mục đích giảm giá
thành, tăng độ cứng, ổn định kích thước, nhưng làm giảm giá thành, độ bền kéo, độ
bền nén.
 Cốt sợi: Vật liệu compozite cốt sợi, sợi cũng có rất nhiều loại: sợi thuỷ tinh,
sợi cácbon, sợi armid, sợi polyeste, sợi bor, sợi gốc thực vật, sợi gốc khoáng, sợi
kim loại, sợi tổng hợp,… Trong mỗi loại lại chia ra nhiều dạng khác nhau, tuỳ theo
mục đích sử dụng và cơ tính đạt được mà ta sử dụng loại nào cho phù hợp.
Cấu tạo và cơ tính một số loại sợi thông dụng hay được dùng:
8

 Sợi thuỷ tinh:
là loại sợi được sử dụng phổ biến nhất trong công nghệ compozite. Cấu tạo
phân ra các loại sợi sau: sợi đơn, tao sợi, sợi roving, chỉ…Sợi đơn có thể liên tục
hoặc cắt ngắn, cấu tạo từ nhiều sợi đơn liên tục cho ta tao sợi liên tục và roving liên
tục, cấu tạo từ sợi đơn ngắn cho ta tao sợi ngắn và roving ngắn, từ các tao sợi,
roving, chỉ người ta dệt thành các sẩn phẩn gia cường (vải: vải dệt, vải ngẫu nhiên
không dệt là Mat cắt ngắn hay Mat liên tục).
* Sợi đơn là loại nhỏ nhất có đường kính d = (5-13) µm, sợi đơn có thể liên
tục hoặc cắt ngắn l = (5-8) cm trước khi kết dính thành tao sợi hoặc roving, dệt
thành vải gia cường tuỳ mục đích sử dụng.
* Tao sợi được tạo ra từ nhiều sợi đơn bằng cách kết dính lại, có tao sợi liên
tục, tao sợi cắt ngắn
* Roving do nhiều tao sợi dính kết lại loại sợi to hơn gọi là roving tương tự
ta cũng có roving liên tục và roving cắt ngắn, roving còn được chia ra roving mềm
và roving cứng tuỳ mục đích sử dụng và công nghệ mà ta chọn loại nào.
* Chỉ tạo ra bằng cách xe xoắn nhiều sợi đơn (102, 204, 408) đều đặn và liên
tục (20-40) vòng/1m chiều dài, được cuộn thành các cuộn rồi đem đi dệt.
Trong sợi thuỷ tinh lại chia ra rất nhiều loại sợi tùy theo thành phần hoá học:
thuỷ tinh , E, A, C, R, S, D, thuỷ tinh E là loại được sử dụng nhiều nhất trong công
nghệ compozit do có ưu điểm: sức bền cơ tính và tuổi thọ cao, nó là loại sợi thuỷ
tinh rẻ nhất.
 Sợi cacbon: là sợi tạo thành nhờ sự grafit hoá sợi cacbon có cường độ chịu
kéo và mô đun đàn hồi rất cao ( E= 650.000MPa, R= 4.000MPa) cũng có rất nhiều
loại: LM, HR, HM, THM sợi cácbon tương đối nhẹ có độ bền cao, rất cao đây là
loại sợi ưu việt, nhưng giá thành rất cao do công nghệ chế tạo phức tạp nên được
dùng chủ yếu cho ngành vũ trụ, hàng không.
 Sợi armid: còn có tên là kevlar, loại được ứng dụng chủ yếu mang tên là k29
và k49 là loại sợi nhẹ hơn sợi thuỷ tinh, có cơ tính cao, chịu kéo, chịu va đập như
9

sợi thuỷ tinh, uốn kén hơn, nhược điểm của loại này là: khó cắt, khó gia công cắt
gọt, kén chọn nhựa, có màu đục nên chủ yếu ứng dụng làm vỏ máy bay.
 Sợi polyete (tergal, orcon, terylen…) có đặc tính cơ học cao, sức bền kéo
R>1.000 MPa, môđun E= 14.000 MPa, nhẹ, chịu va đập tốt nhưng kém cứng vững
không phù hợp cho sản xuất đúc.
 Sợi Bor: có độ bền uốn, nén, bền cắt cao, độ cứng và mô đun đàn hồi cao,
dẫn điện, dẫn nhiệt, sợi bor là vật liệu bán dẫn dùng chủ yếu trong vi mạch, giá
thanh cũng rất cao.
 Sợi kim loại: sắt, đồng, nhôm…có mô đun và ứng suất phá huỷ thấp chủ yếu
dùng làm vật liệu cách âm, cách nhiệt.
Ngoài ra còn một số loại sợi khác được sử dụng vào những lĩnh vực đặc thù
riêng.
b. Thành phần nhựa nền
Nhựa nền cũng có khá nhiều loại, có nhiều cách phân loại, theo chất dẻo ta có
nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn, theo khả năng phản ứng ta có loại no (bão hoà) và
loại chưa no (chưa bão hoà).
Nhựa nhiệt dẻo là nhựa có thể tái sinh nhiều lần mà chỉ thay đổi đặc tính vật
lý, sản phẩn được hình thành và tạo dáng bằng cách gia nhiệt.
Nhựa nhiệt rắn được hình thành và tạo dáng thông qua phản ứng hóa học,
nhiệt năng (từ bên ngoài hoặc ngay trong phản ứng hóa học ) và lực nén, chất dẻo
nhiệt rắn không tái sinh được vì thay đổi đặc tính hóa học.
Yêu cầu với nhựa làm nền phải là vật liệu biến dạng được và tương thích với
vật liệu cốt, ngoài ra còn phải có tỷ trọng nhỏ để vật liệu compozite có đặc trưng cơ
học cao, vì vậy trong công nghệ chế tạo compozite chủ yếu dùng loại nhựa nhiệt rắn
(hay loại nhựa chưa no) hầu như không dùng nhựa nhiệt dẻo.
Một số loại nhựa nhiệt rắn thông dụng dùng làm nhựa nền trong sản xuất vật
liệu composite:
 Nhựa polyeste chưa no được tạo thành từ trưng cất glycol và axít chưa no
hoặc andehit sản phẩn tạo ra ở nhiệt độ phòng tồn tại ở dạng thể rắn từ nhựa gốc rắn

10

này cho hoà tan vào dung môi monome styren, nhựa gốc rắn này trở thành dạng
lỏng cung ứng trên thị trường.
Cơ tính của loại nhựa polyeste chưa no đã đóng rắn là:
Khối lượng riêng 1.200kg/m
3

Mô đun đàn hồi kéo 2,8- 3,5 Gpa
Mô đun đàn hồi 3- 4 Gpa
Ứng suất phá huỷ kéo 50-80 Gpa
Ứng suất phá huỷ uốn 90-130 MPa
Độ bền nén 90- 120 MPa
Độ bền cắt 10-20 MPa
Biến dạng phá huỷ kéo 2-5%
Nhiệt độ uốn cong dưới tải trọng(1,8 MPa) 60-100
0
C
Nhựa polyeste chưa no có ưu điểm là:
Cứng, ổn định kích thước.
Khả năng thấm vào sợi, hạt cao.
Dễ vận hành.
Giá thành hạ.
Chịu được môi trường hoá học.
+ Nhược điểm:
Dễ nứt do va dập.
Độ co ngót cao khoảng (0,5-2) %.
Bị hư dưới tác dụng của tia cực tím.
Chịu nhiệt độ dưới 120
0

C.
Nhựa polyeste chưa no được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp chế tạo
composite.
 Nhựa phenol (bakelit).
Cơ tính chính của nhựa phenol:
Khối lượng riêng 1.200 kg/m
3
.
Mô đun đàn hồi uốn 3 Gpa.
11

Ứng suất phá huỷ kéo 40 Mpa.
Ứng suất phá huỷ uốn 90 Mpa.
Độ bền nén 250 Mpa.
Nhiệt độ uốn cong dưới tải trọng 120
0
C.
Biến dạng phá huỷ kéo 2,5%.
Ưu điểm của nhựa phenol:
Ổn định kích thước cao.
Chịu nhiệt tốt và khả năng chống từ biến cao.
Độ co ngót thấp.
Độ bền cơ học cao.
Giá thành hạ.
Nhược điểm của nhựa phenol:
Gia công phải có áp lực, do đó ảnh hưởng đến nhịp độ chế tạo.
Không dùng trong thiết bị thực phẩm do có màu đậm.
 Nhựa epoxy được sử dụng nhiều sau nhựa polyeste chưa no trong công
nghiệp composite.
Cơ tính của nhựa epoxy:

Khối lượng riêng 1.100- 1.500kg/m
3
.
Môđun đàn hồi kéo 3- 5 Gpa.
Ứng suất phá huỷ kéo 60- 80 Mpa.
Ứng suất phá huỷ uốn 100- 150 Mpa.
Độ bền cắt 30- 50 Mpa.
Biến dạng phá huỷ kéo 2-5%.
Nhiệt độ uốn cong dưới tải trong 290
0
C.
Ưu điểm của nhựa epoxy:
Cơ tính cao hơn nhựa polyeste không no.
Chịu nhiệt liên tục cao hơn 150- 190
0
C.
Độ bền hoá học cao.
Độ co ngót thấp 0,1- 1%.
12

Thẩm thấu vào vải, sợi, hạt rất tốt.
Độ bám dính vào kim loại cao.
Nhược điểm của nhựa epoxy:
Thời gian polyme hoá dài tốn thời gian chế tạo.
Dễ bị nứt.
Giá thành cao.
Nhựa epoxy chủ yếu dùng trong chế tạo máy bay, vũ trụ, tên lửa…
Ngoài ra còn có một số loại nhựa khác như: furan, amin, polyimit, polystyryl
pyrdin, vinyl este…nhưng chúng được ứng dụng không nhiều.
Một số loại nhựa nhiệt dẻo:

Nhựa nhiệt dẻo cũng được chia làm hai loại: nhựa nhiệt dẻo đại trà và nhựa
nhiệt dẻo kỹ thuật, các loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến là polyclorua vinyl (PVC),
polyetylen (PE), polypropylen (PP), polyamit (PA)…
 Ưu điểm là giá thành hạ:
 Nhược điểm là cơ tính và khả năng chịu nhiệt kém
 Cơ tính của một số loại nhựa nhiệt dẻo.
Nhựa polypropylen (PP).
Khối lượng riêng 900 kg/m
3
.
Ứng suất phá huỷ 20-35 Mpa.
Mô đun đàn hồi thấp 1,1- 1,4 Gpa.
Nhiệt độ uốn cong dưới tải trọng 50- 60
0
C.
Nhựa polyamit (PA).
Khối lượng riêng 1140 kg/m
3
.
Ứng suất phá huỷ 60-80 Mpa.
Mô đun đàn hồi thấp 1,2- 2,5 Gpa.
Nhiệt độ uốn cong dưới tải trọng 65-100
0
C.
Vì cơ tính thấp nên trong công nghiệp composite, người ta rất ít sử dụng
nhựa nhiệt dẻo.
13

c. Thành phần chất phụ gia, chất xúc tác
 Chất phụ gia chỉ chiếm vài % có vai trò:

Bôi trơn làm tác nhân khi dỡ khuôn.
Tạo màu.
Tác nhân chống co ngót.
Tác nhân chống tia cựu tím.
 Chất xúc tác: chiếm (1-2,5)% nhưng không thể thiếu, nếu không có chất xúc
tác thì ở nhiệt độ bình thường (nhiệt độ phòng) nhựa không thể đóng rắn được
trong khuôn để tạo sản phẩm vì thiếu nhiệt không đủ cho phản ứng kết nối ngang
xảy ra do đó phải cần chất xúc tác để kích hoạt phản ứng kết nối ngang.
Phản ứng kết nối ngang: Nhựa gốc tạo ra ở thể rắn được hoà tan vào dung môi
styren để duy trì ở thể lỏng nhưng trong nhựa gốc và styren đều có các gốc tự do
các gốc này phản ứng qua lại với nhau tạo ra các cầu nối ngang để các chuỗi
polyeste gắn bó lại với nhau ngày càng dài, càng nhiều nếu không được kiểm soát,
sẽ trở thành một khối rắn chắc đó chính là diễn biến của phản ứng kết nối ngang.
Nhà sản xuất đã cho thêm vào chất phụ gia (chất kìm hãm) với lượng vừa đủ để
khống chế phản ứng không cho phản ứng kết nối ngang, nghĩa là không cho đóng
rắn, giữ ở thể lỏng để đưa vào sử dụng trong công nghệ chế tạo composite, phản
ứng kết nối ngang đóng vai trò quan trọng trong công nghệ composite và được gọi
là cơ cấu gốc tự do. Khi đưa nhựa vào chế tạo sản phẩm là lúc chúng ta muốn phản
ứng kết nối ngang diễn ra toàn phần để nhựa lỏng liên kết với hạt, sợi gia cường đóng rắn
hoàn toàn trong khuôn, muốn vậy phải có sự hỗ trợ của chất xúc tác, xúc tiến.
Chất xúc tác hay được sử dụng: MEKP, BPO.
 Xúc tác MEKP (methyl ethyl peroxid) sử dụng ở nhiệt độ phòng, cung cấp
trên thị trường ở dạng dung dịch lỏng oxy hoạt tính 9% với dung môi không hoạt
tính như dimethylphthalic. MEKP tạo thành bằng cách cho methyl ethyl keton phản
ứng với hydro peroxid kết quả phản ứng sau khi loại nước là methyl ethyl peroxid.
14

 Xúc tác BPO (benzoyl peroxid) tạo ra giữa phản ứng của Benzoyl và Peroxid
(H
2

O
2
) sử dụng ở nhiệt độ nâng cao bằng cách gia nhiệt trên 115
0
C, cung cấp dưới
dạng lỏng (50- 80)% hoặc dạng kem 50% hoà tan trong tricresyl phosphat.
Chất xúc tiến (chất châm ngòi phản ứng): ở nhiệt độ phòng các chất xúc tác
chưa thể làm cho nhựa đông, đóng rắn nhanh và toàn phần nếu không có chất xúc
tiến pha thêm vào nhựa, chất xúc tiến cũng có nhiều loại nhưng sử dụng phổ biến là
muối muối hữu cơ coban 12%, ngoài ra còn có hợp chất của anilin (C
6
H
5
NH
2
) như:
dimethylanilin C
6
H
5
N(CH
3
)
2
(DMA), diethylanilin C
6
H
5
N(C
2

H
5
)
2
(DEA), cả 2 chất
này đều không phản ứng trực tiếp với xúc tác MEKP mà nó thúc đẩy coban phản
ứng MEKP tỏa nhiều nhiệt.
I.1.5 Công nghệ chế tạo vật liệu Composite:
Trong phần này, chúng ta không đặt mục tiêu nghiên cữu kỹ lưỡng những phương
pháp công nghệ chế tạo vật liệu Composite, mà chỉ rút ra những nguyên lý của các
kỹ thuật tạo vật liệu, đặc biệt là chú trọng vào phần công nghệ chế tạo vật liệu
Composite bằng phương pháp đúc áp lực ( đúc ép), từ đó có khái niệm trong nghiên
cứu ứng xử cơ học vật liệu và kết cấu Composite.
I.1.5.1 Đúc không áp lực:
Đúc nguội, không cần ép là kỹ thuật đơn giản cho phép chế tạo các chi tiết bằng vật
liệu Composite sợi thủy tinh. Phương pháp này bao gồm:
- Đúc tiếp xúc
- Đúc bắn đồng thời
- Đúc chân không
I.1.5.2 Đúc áp lực ( đúc ép):
- Đúc phun nhựa
15


Hình 1.2. Đúc phun nhựa
Đặt vải giữa hai chi tiết khuôn đúc ( khuôn trên và dưới), phun nhựa nhờ áp lực,
nhựa thấm vào cốt. Tỷ lệ vật liệu cốt có thể cao, nhờ vậy vật liệu tạo ra có cơ tính
cao.
Nhờ phương pháp này, ta có thể chế tạo các chi tiết có đáy và có hình dạng phức
tạp.

- Đúc nguội nhờ áp lực

Hình 1.3. Đúc không nhiệt
Áp lực đúc nhỏ hơn 5at, không cần sấy nóng khuôn đúc, tận dụng quá trình phát
nhiệt của nhựa trong phản ứng trùng hợp. Năng lượng nhiệt trong quá trình đúc các
chi tiết đủ để giữ cho khuôn đúc hoạt động ở nhiệt độ từ 50
0
C – 70
0
C.
Vật liệu cốt và nhựa được đặt vào khuôn đúc đã có lớp lót và phụ gia giúp cho việc
dỡ khuôn được dễ dàng. Đóng khuôn đúc trên và dưới sau đó nén. Thời gian
16

polyme hóa ( trùng hợp) phụ thuộc vào loại nhựa sử dụng, vào chất xúc tác vào
nhiệt độ đạt được trong quá trình đúc.
Giải pháp công nghệ này phù hợp với công suất vừa (4 đến 12 chi tiết một giờ). Chi
phí cho vật liệu và cho khuôn đúc thấp hơn chi phí cho phương pháp đúc có nhiệt
độ. Chi tiết nhận được theo phương pháp này có bề mặt đẹp.
- Đúc có nhiệt độ


Kỹ thuật đúc có nhiệt độ cho phép chế tạo các chi tiết với công suất lớn, nhờ máy
nén thủy lực.
Vật liệu cốt ( mát, sợi ngắn hoặc dài, vải v.v…) được đặt vào khuôn đúc sấy nóng
đã có tác nhân dỡ khuôn. Sau đó cho nhựa đã có xúc tác chảy thoải mái lên cốt.
đóng khuôn đúc theo một chu kỳ đã xác định, sau đó nén phần khuôn trên. Thời
gian nén phụ thuộc vào quá trình polyme hóa của nhựa.
Giải pháp này cho phép sử dụng một tỷ lệ khối lượng vật liệu cốt khá cao, do đó vật
liệu tạo ra có cơ tính khá cao.