đề tài tốt nghiệp “thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300w bằng vật liệu composite”

1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Nguyễn Thị Luận – Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật
Cơ khí, khóa 2011- 2013 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái
Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường. Tôi lựa chọn thực
hiện đề tài tốt nghiệp “Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh
turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệu composite”
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của PGS. TS Ngô Như Khoa và sự
nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành.
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân
thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo
hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những
thông tin tham khảo được trích dẫn.
Thái Nguyên, ngày 05 tháng 10 năm 2014
Học viên

NGUYỄN THỊ LUẬN
2
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa
học của tôi, thầy giáo - PGS.TS. Ngô Như Khoa, người đã tận tình chỉ bảo, động
viên và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên đã tận tình giảng dạy trong hai năm học vừa qua
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các phòng ban chức năng trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện để tôi được
tham gia và hoàn thành khóa học này.
Tôi xin cảm ơn các cán bộ, nhân viên của Trung tâm thí nghiệm - Trường
ĐHKT Công nghiệp, phòng thí nghiệm kỹ thuật và công nghệ vật liệu đã giúp tôi
hoàn thành luận văn này.

Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với gia đình tôi, vì tất cả những gì mà
mọi người đã dành cho tôi. Mọi người đã chăm sóc, động viên tôi trong suốt thời
gian tôi sống, học tập và làm luận văn.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy cô giáo, các bạn bè, đồng
nghiệp trong trường Trung cấp nghề Nam Thái Nguyên đã tạo điều kiện, hỗ trợ và
giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và làm đề tài này.
Thái Nguyên, ngày 07 tháng 09 năm 2014
Học Viên


Nguyễn Thị Luận
3
4
CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT
E Modul đàn hồi (MPa)
σ Ứng suất phá hủy (MPa)
ρ Khối lượng riêng (kg/m
3
)
N Công suất động cơ (W)
P Lực kéo, nén tối đa (N)
NACA Ủy ban cố vấn ngành hàng không quốc gia
S Diện tích cánh (m
2
)
F Lực tác động lên cánh (N)
V Vận tốc thực của gió (m/s)
n Tốc độ làm việc (mm/min)
CNC Máy cắt điều khiển bằng máy tính (Computer Numerical Control)
CMM Máy đo tọa độ 3 chiều (Coordinates Measuring Machine)

SM Máy thử kéo, nén (Servo Control Universal Testing Machine )
5
6
GIỚI THIỆU
1. Vấn đề nghiên cứu.
Hiện nay, ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung, nhu cầu về năng lượng
điện ngày một tăng cao, trong khi đó các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng
lượng truyền thống như thủy điện, nhiệt điện,… đang ngày càng cạn kiệt và mất cân
bằng sinh thái, ô nhiễm môi trường. Bởi vậy,việc sử dụng nguồn năng lượng sạch,
có khả năng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời,… là một xu hướng
đang phát triển mạnh trên thế giới.
Trên thế giới:
* Tình hình phát triển năng lượng gió
Hiện nay trong số các nguồn năng lượng mới, năng lượng bằng sức gió phát
triển nhanh nhất trên thế giới vì nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng, sạch và
không làm hại môi trường. Do vậy việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió
ngày càng được quan tâm ở nhiều quốc gia trên thế giới như Đức, Mỹ, Pháp, Tây
Ban Nha, Bồ Đào Nha, Trung Quốc, Đan Mạch,…là những nước có lịch sử phát
triển hệ thống máy phong điện từ lâu đời và vẫn phát triển mạnh mẽ cho đến ngày
nay.
Theo [5], thống kê đến năm 2007 thế giới đã xây dựng được khoảng
20073MW điện, trong đó, Mỹ có 5244 MW, Tây Ban Nha có 3522 MW, Trung
Quốc có 3449MW, Ấn Độ có 1730 MW và Đức có 1667 MW.
Hình 1: Hệ thống quạt năng lượng gió ở Palm Sprin, California, Mỹ
7
Ở khu vực Châu Á, Trung Quốc là một trong những nước dẫn đầu nghiên
cứu phát triển và sử dụng nguồn năng lượng gió, đặc biệt chú trọng các loại máy
phong điện cỡ nhỏ. Chủ yếu là các máy phong điện trục đứng có công suất từ (100-
1000)W phục vụ sinh hoạt cho hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng cho các cột đèn
công cộng. Được chế tạo từ vật liệu composite với biên dạng và chiều cao cánh

khác nhau . Tham khảo một số hãng sản xuất nổi tiếng ở Trung Quốc
[10,11,12,13,14,15]
Hãng sản xuất
Công suất
(W)
Cánh
Số cánh Chiều cao (m)
Shandong Yaneng New Energy
Equipment Co., Ltd.
100 3 0,8
Nanjing Xinda Green Energy Co.,
Limited
300 5 1,4
500 5 1,6
1000 5 2,4
Hubei Bluelight Science &
Technology Development Co., Ltd.
400 3 1,4
Jilin Powerful Renewable Energy
Technology Co., Ltd.
500 3 1,8
Qingdao Hengfeng Wind Power
Generator Co., Ltd
600 5 1,6
300 3 1,3
* Một số nghiên cứu gần đây
Bộ phận chính và quan trọng nhất của turbine gió là bộ phận cánh. đặc biệt là
khả năng quay của cánh. Để nó hoạt động tốt cần chú ý tới việc thiết kế lựa chọn
hình dạng , kích thước cánh và vật liệu chế tạo cánh tối ưu. Biên dạng cánh turbine
có thể ở dạng tấm phẳng đơn giản; dạng vỏ trụ; hay dạng khí động học phức tạp.

Xét về mặt kết cấu, cánh turbine gió thường ở dạng kết cấu tấm/vỏ có hoặc không
có gân gia cường và ở dạng hộp panel.
Từ thời xa xưa khi thiết kế cánh turbine thì việc đầu tiên các nhà khoa học
quan tâm xem xét vật liệu chế tạo cánh là gì? Thuộc tính vật liệu sử dụng cánh
quyết định phần lớn phương pháp thiết kế và chế tạo cánh. Cánh quạt càng nặng thì
8
sẽ cần có nhiều gió hơn để quay roto, nghĩa là thu được ít năng lượng. Do đó, các
cánh quạt nhẹ, trọng lượng nhẹ, chắc chắn cho phép tăng tối đa sản lượng năng
lượng. Nhôm, titan, thép, gỗ và composite là những loại vật liệu mà đã được các
nhà nghiên cứu thử nghiệm để chế tạo cánh turbine. So sánh thấy vật liệu composite
có tính ưu việt vượt trội hơn hẳn là: khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết
cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành
phần cốt của Composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo
cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và
chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Một trong
các ứng dụng có hiệu quả nhất khi chế tạo cánh turbine là Composite lớp (nền nhựa,
cốt sợi). Đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính
chất nổi bật là nhẹ, độ bền cơ học cao, rẻ tiền, dễ kiếm, dễ lắp đặt, có độ bền riêng
và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫn
nhiệt, dẫn điện thấp. Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai
được các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất. Do vậy composite là
loại vật liệu được sử dụng rộng rãi khi chế tạo cánh turbine.
Mặc dù đã có rất nhiều chủng loại sản phẩm, turbine gió đã và đang được sản
xuất bởi các tập đoàn công nghiệp lớn trên thế giới và đưa vào sử dụng với các kiểu
dáng khác nhau [2]: Kiểu dáng chén, kiểu savonius, cánh dạng tấm phẳng , kiểu
Darrieus- Rotor và H- Rotor. Thể hiện qua sản phẩm mang tính thương mại hóa
của một số hãng nổi tiếng trên thế giới như Vestas (Denmark) với các sản phẩm
V52-850 KW, V80-1.8 MW, V80-2.0 MW, V90-3,0. Suzlon (India) với các turbine
950KW to 2MW; công ty GE Energy (USA) có sản phẩm 1.500-3.6000KW;
Siemens (Germany) đưa ra thị trường các turbine lớn 1.3 MW, 2.3 MW, 3.6MW và

Enercon nổi tiếng với sản phẩm E – 126 lập kỷ lục thế giới về công suất 7MW,…
thì các nghiên cứu về lĩnh vực turbine gió vẫn được nhiều nhà khoa học trên thế
giới đặc biệt quan tâm trong những năm gần đây là những nghiên cứu về chế tạo
cánh turbine gió trên các tạp chí khoa học hay trên các bài báo: “Sử dụng sợi
carbon trong thiết kế chế tạo cánh turbine gió” được đăng trên tạp chí SAND 2000-
9
0478 phát hành in tháng 3 năm 2000, quy trình sản xuất cánh [16], kỹ thuật và sản
xuất cánh turbine gió bằng vật liệu composite [17],…
Ở Việt Nam:
* Tình hình phát triển năng lượng gió
Việc sử dụng năng gió cũng đang được quan tâm nhưng ở mức thấp.
- Nhà máy phát điện gió đầu tiên ở Việt Nam là nhà máy đặt tại huyện đảo Bạch
Long Vỹ, thành phố Hải Phòng. Công suất 800KW với vốn đầu tư 0,87 triệu USD
(14 tỷ đồng)
- Nhà máy điện gió thứ 2 của cả nước đặt tại huyện đảo Lý Sơn vận hành bằng sức
gió, có kết hợp máy phát điện diesel với tổng công suất 7MW, tổng vốn đầu tư gần
2 tỷ đồng
- Năm 2007, nhà máy phong điện Phương Mai 3 được xây dựng trong khu kinh tế
Nhơn Hội, huyện Phù Cát, tỉnh Bình Định
- Đầu năm 2013, nhà máy phong điện tại Bình Thuận đã khánh thành và chính thức
hòa mạng lưới điện quốc gia
Song tất cả các máy móc thiết bị của máy phong điện đều được nhập khẩu từ
nước ngoài với giá thành tương đối cao
10
Hình 2: Những turbine điện gió đầu tiên tại Bình Thuận
* Các nghiên cứu trong nước
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công
suất 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam”, 2004 của nhóm khoa học thuộc
đại học Bách Khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ đề tài. Nội
dung đề tài đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo trạm phong điện trục ngang với công

suất thiết kế 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam. Đề tài này chưa áp dụng
cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ.
- Đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng trong máy
phong điện công suất 10kw”,2009, luận văn thạc sỹ Chu Đức Quyết trường Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Nội dung đề tài đã tính toán thiết kế các
vị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với biên dạng cánh phẳng.
- Gần đây đã có một số nghiên cứu như: Luận văn của Dương Văn Đồng đã tính
toán, thiết kế các vị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh phẳng cho máy phong
điện kiểu trục đứng công suất 3KW. Trần Thị Nam Thu với luận văn mô hình hóa
và tính toán kếu cấu cánh tuốc bin gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc
nhất bằng phương pháp phần tử hữu hạn… Các nghiên cứu trên vẫn chỉ dừng lại
ở việc mô hình hóa cánh tuốc bin.
Tuy nhiên, công nghệ chế tạo cánh turbine gió không được công bố hoặc nếu
có thì chỉ ở mức độ rất hạn chế kể cả trên các tạp chí khoa học hay sách chuyên
11
khảo. Để có thể nắm bắt được công nghệ chế tạo cánh turbine bằng vật liệu
composite lớp chúng ta bắt buộc phải tự nghiên cứu và thử nghiệm. Với đề tài
“Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng
công suất 300W bằng vật liệu composite” là rất cần thiết, thúc đẩy quá trình nghiên
cứu thực nghiệm và ứng dụng năng lượng gió phục vụ lợi ích con người.
2. Mục tiêu và nội dung.
*Mục tiêu:
- Xây dựng được quy trình công nghệ để chế tạo cánh turbine trục đứng công
suất 300W bằng vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh;
- Chế tạo thử nghiệm được cánh turbine.
* Nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan về quy trình công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm,
vỏ bằng vật liệu composite;
- Chế tạo thử nghiệm vật liệu composite lớp bằng phương pháp lăn ép;
- Thử nghiệm với mẫu là vật liệu composite để đánh giá công nghệ:

+ Thời gian đóng rắn của vật liệu nền sau mỗi lớp để thực hiện lớp tiếp theo;
+ Sự phân bố sợi trong nhựa;
+ Ảnh hưởng của phương pháp lăn ép đến tình trạng rỗ, bọt khí
+Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi/nhựa đến modul đàn hồi, độ bền kéo, độ cứng chống uốn.
- Chế tạo khuôn (vật liệu bằng bê tông);
- Chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệu
composite nền nhựa cốt sợi thủy tinh;
- Đánh giá khả năng công nghệ và khả năng ứng dụng của công nghệ này.
3. Phương pháp và phương pháp luận.
- Nghiên cứu thực nghiệm;
- Bằng các thử nghiệm chế tạo vật liệu composite lớp (thời gian đóng rắn,
thời gian tháo khuôn, độ giãn nở của vật liệu, kết cấu khi đóng rắn để chế tạo
khuôn), tiến tới thử nghiệm chế tạo cánh turbine gió bằng vật liệu composite lớp.
Trên cơ sở đó xây dựng quy trình công nghệ và chế tạo cánh turbine gió.
12
4. Cấu trúc luận văn.
Ngoài phần giới thiệu và phần kết luận chung, luận văn được chia thành 4
chương với các nội dung cơ bản từng chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về vật liệu và công nghệ chế tạo vật liệu composite
Chương 2: Phân tích kết cấu cánh turbine và vật liệu chế tạo. Chương này phân
tích kết cấu cánh turbine trục đứng công suất 300w, lựa chọn vật liệu chế tạo.
Chương 3: Chế tạo mẫu vật liệu composite lớp và xác định cơ tính. Chương này
trình bày về việc chế tạo mẫu, chuẩn bị máy móc, trang thiết bị cần thiết để thí
nghiệm, kế hoạch, kết quả thí nghiệm và đánh giá.
Chương 4: Thử nghiệm chế tạo cánh và đánh giá kết quả.
Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong phần cuối
cùng của luận văn.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
VẬT LIỆU COMPOSITE

Chương này giới thiệu về vật liệu composite, thành phần, tính chất và ứng
dụng vật liệu trong kỹ thuật và đời sống. Ngoài ra, chương này còn giới thiệu các
loại vật liệu nền, cốt và công nghệ chế tạo các kết cấu tấm, vỏ bằng vật liệu
composite
1.1. Giới thiệu vật liệu composite và ứng dụng
1.1.1. Giới thiệu vật liệu composite
Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha: trong đó các pha 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
Bản chất vật liệu của nền là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai
trò truyền ứng suất sang cốt khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu, bảo vệ cốt khỏi
bị hư hỏng do tấn công của môi trường, định hình kết cấu, cách điện, tăng độ dẻo dai.
13
Vật liệu cốt đóng vai trò là các điểm chịu ứng suất tập trung thường có tính
chất cơ lý hóa cao hơn vật liệu nền
Đặc trưng hình học của vật liệu cốt được xác định bởi: hình dạng, kích thước,
độ tập trung và phương phân bố.
Độ tập trung của vật liệu cốt thường được xác định thông qua tỷ lệ thể tích
hoặc tỷ lệ khối lượng. Đây là một thông số quan trọng quyết định tính chất cơ học
của vật liệu composite.
Với một tỷ lệ khối lượng cho trước, luật phân bố của vật liệu cốt trong lòng
vật liệu composite cũng rất quan trọng. Khi vật liệu cốt được phân bố đều theo thể
tích, ta được vật liệu đồng nhất. Khi vật liệu cốt phân bố không đều, vật liệu
composite bị phá huỷ ở nơi ít vật liệu cốt trước và kết cục là độ bền của vật liệu (kết
cấu) bị giảm đi.
Trong trường hợp composite cốt sợi, phương của sợi quyết định tính dị hướng
của vật liệu. Đây là một đặc trưng trội nhất của vật liệu composite. Có nghĩa là ta có
thể điều khiển được tính dị hướng của vật liệu và chọn những phương án công nghệ

phù hợp với những tính chất mong muốn.
Vật liệu composite rất phong phú, đa dạng, được sử dụng hầu hết trong các
lĩnh vực kỹ thuật và đời sống do các đặc điểm ưu việt của nó:
- Gía thành rẻ hơn thép không rỉ
- Tỷ số tính chất cơ lý/ giá cả và tỷ số tính chất cơ lý/khối lượng thì cao
hơn sắt thép rất nhiều
- Nhẹ hơn nhôm
- Phương pháp gia công và chế tạo đa dạng
- Dễ tạo hình, thay đổi và sửa chữa
- 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 biệt thích hợp
cho chi tiết làm việc ngoài trời.
- Chịu thời tiết, chống tia UV, chống lão hóa nên rất bền
- Dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao
14
- Chịu nhiệt, chịu lạnh chống cháy
- Chi phí bảo quản thấp, màu sắc đa dạng, thiết kế tạo dáng dễ dàng, đầu tư
thiết bị và tổ chức sản suất không phức tạp, chi phí vận chuyển và sản xuất không cao…
- Không thấm nước, ít độc hại
Như phân tích đã nói, vật liệu này được ứng dụng phổ biến cho đối tượng
nghiên cứu là cánh turbine gió.
1.1.2. Ứng dụng
Ngày nay với sự phát triển công nghiệp trên thế giới, những áp dụng khoa
học kỹ thuật vào công nghiệp không còn là ít, nổi bật là ứng dụng vật liệu
composite vào trong công nghiệp [1]
• Trên thế giới
Vật liệu composite đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đóng
tàu, xuồng, cano; công nghiệp điện tử, ô tô; ngành dân dụng, ngành thể thao,…
- Trong ngành thể thao: Vật liệu composite được sử dụng để chế tạo các đồ
dùng thể thao như vợt cầu lông, vợt tennit, gậy gôn, ván trượt,…

Hình 1.1. Ứng dụng vật liệu composite để chế tạo các đồ dùng, dụng cụ thể thao
15
- Trong ngành công nghiệp ô tô: vật liệu composite được sử dụng để chế tạo,
vỏ ô tô, các hệ thống tay cầm,… trong buồng lái,…
Hình 1.2. Ứng dụng vật liệu composite trong ngành ôtô
- Trong ngành hàng không vũ trụ: Vật liệu composite được ứng dụng vào
việc chế tạo các bộ phận trên máy bay như kết cấu khung xương, thân máy bay,
cánh, bộ phận dẫn hướng,
Hình 1.3. Ứng dụng vật liệu composite chế tạo các bộ phận trên máy bay
Theo thống kê của hãng máy bay Boeing chiếc Boeing Dreamliner 787 sử
dụng đến 50% composite trên toàn bộ trọng lượng
Hình 1.4. Phát triển vật liệu composite trong chế tạo máy bay dân dụng
16
Hình 1.5. Phát triển vật liệu composite trong chế tạo máy bay quân sự
- Vật liệu composite còn được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo cánh
turbine gió. Hãng Siemens đã sản xuất cánh quạt dài nhất thế giới cho những
turbine gió tạo ra điện [7]. Siemens cho biết riêng chiếc cánh quạt gió B75 có chiều
dài 75 mét, tương đương với sải cánh máy bay Airbus A380, trong khi đó, toàn bộ
rotor có đường kính lên tới 154 mét khi hoạt động. Những cánh quạt siêu dài này
bao phủ một diện tích 18.600 mét vuông khi quay, nó bằng diện tích của 2,5 sân
bóng gộp lại, cánh dài 75m. Cánh quạt gió B75 hiện được lắp trên tuabin gió tại
vùng bờ biển Osterild, Đan Mạch. Các tuabin gió tại đây khi đi vào hoạt động chính
thức sẽ đủ cung cấp điện cho 1,8 triệu ngôi nhà tới năm 2017. Sau khi thử nghiệm
thành công, Đan Mạch sẽ lắp đặt 300 tuabin này tại bờ biển Anh trong vài năm tới.
Hình 1.6. Cánh quạt gió B75 chế tạo bằng vật liệu composite
* Ở Việt Nam:
Ở các nước phát triển trên thế giới thì vật liệu composite đã được phát triển
từ lâu, nhưng với Việt Nam, thì composite được coi là vật liệu mới, bởi lẽ 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 (FRP) được bắt đầu nghiên cứu và áp dụng

thử ở nước ta từ 1988, khởi đầu là cano, xuồng nhỏ với tư cách là một vật liệu mới
17
Ở đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, chỉ có một vài công ty sản xuất composite
với các sản phẩm ghe, thuyền, bồn chứa có kích thước không lớn, chủ yếu là ở đồng
bằng sống Cửu Long.
Hình 1.7. Thuyền làm bằng vật liệu composite
Đến nay vật liệu composite đã và đang phát triển ở Việt Nam, được áp dụng
để sản xuất các mặt hàng như: ghe, thuyền, cano, xuồng, tàu cảng vụ, tàu nghiên
cứu Hải Dương, tàu đánh cá xa bờ, cầu trượt, máng trượt (cho công viên nước), bể
bơi, bồn tắm, kiot, trang trí nội thất, ngoại thất, các công trình cho công viên, thùng
đựng hóa chất, thùng chứa rác,… Các loại bồn chứa đặt dưới đất hoặc trên tháp cao
với dung tích hàng trăm mét khối. Chống thấm, dột, bọc vỏ tàu gỗ, v v.
Hình 1.8. Thuyền, bồn chứa dung dịch hóa chất và thùng chứa rác làm bằng
vật liệu composite
1.2. Cấu tạo và phân loại vật liệu composite
1.2.1. Cấu tạo
18
Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn
phân bố đều trên một pha nền liên tục. Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi là
composite hỗn tạp. Pha gián đoạn thường có tính chất trội hơn pha liên tục. Pha liên
tục gọi là nền (matrice). Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu gia cường (reenforce).

Hình 1.9. Cấu tạo vật liệu composite
1.2.2. Phân loại vật liệu composite
Vật liệu composite được phân loại dựa theo hình dạng cốt và theo bản chất
của nền các vật liệu thành phần.
a. Phân loại theo hình dạng
Theo hình dạng của vật liệu thành phần, vật liệu composite được phân làm
hai họ lớn: Vật liệu composite cốt sợi và vật liệu composite cốt hạt.
• 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 như sợi ngắn, sợi vụn… 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 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 hạt.
Khi vật liệu cốt có dạng hạt, ta gọi đó là vật liệu composite hạt. Hạt khác sợi ở
chỗ, nó không có kích thước ưu tiên. Hạt thường dụng để cải thiện một số cơ tính
của vật liệu hoặc của vật liệu nền, chẳng hạn tăng độ cứng, tăng khả năng chịu
19
nhiệt, chịu mòn, giảm độ co ngót,….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
những khó khăn khi gia công.
b. Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần
Tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu nền, vật liệu composite được chia ra làm
ba nhóm: composite nền hữu cơ, composite nền kim loại và composite nền gốm.
• Composite nền hữa cơ. (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt dạng:
- Sợi hữu cơ: Polyamit, Kevlar…
- Sợi khoáng : thuỷ tinh, cabon…
- Sợi kim loại: Bo, nhôm…
• 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 gốm (khoáng) với vật liệu cốt dạng:
- Sợi kim loại: Bo

- Hạt kim loại: Chất gốm kim
- Hạt gốm: Cacbua, Nitơ…
Vật liệu composite nền hữu cơ chỉ chịu được nhiệt độ từ 200 đến 300
o
C, trong
khi đó composite nền kim loại có thể chịu được nhiệt độ đến 600
o
C (nền kim loại)
hoặc trên 1000
o
C (nền gốm).
1.3. Công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm, vỏ bằng vật liệu composite
Hiện nay có nhiều phương pháp chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite.
Các công nghệ chế tạo được lựa chọn tùy theo yêu cầu của sản phẩm và yêu cầu của
sản xuất. Theo [4], các công nghệ được sử dụng trong chế tạo sản phẩm bằng vật
liệu composite bao gồm: phương pháp chế tạo thủ công và chế tạo công nghiệp
Chế tạo thủ công bao gồm:
- Phương pháp lăn ép
- Phương pháp phun hỗn hợp composite
- Phương pháp thấm nhựa trước.
20
Chế tạo công nghiệp bao gồm:
- Phương pháp đùn ép
- Phương pháp đúc chuyển nhựa
- Phương pháp đúc chân không
- Phương pháp quấn sợi.
1.3.1. Chế tạo thủ công
a. Phương pháp lăn ép
Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong chế tạo sản
phẩm bằng vật liệu composite là phương pháp chế tạo thủ công. Phương pháp thủ

công sử dụng khuôn hở, có thể sử dụng khuôn dương hoặc khuôn âm.
Hình 1.10. Chế tạo vật liệu composite bằng phương pháp lăn ép
Quy trình chế tạo gồm các bước chính như sau:
- Quét phủ lớp hỗ trợ tháo khuôn lên bề mặt khuôn;
- Phủ lớp tạo bề mặt sản phẩm (gel-coat) có tác dụng bảo vệ lớp vật liệu
composite tránh tác hại của điều kiện ngoài trời khắc nghiệt như: nhiệt độ, ánh sáng,
thời tiết, khí hậu,…(tương tự như phủ lớp sơn bảo vệ gỗ, kim loại)
- Phủ nhựa nền trên lớp tạo bề mặt có tác dụng bảo vệ cốt khỏi bị hư hỏng do
tấn công của môi trường, định hình kết cấu, cách điện, tăng độ dẻo dai,
- Rải lớp vật liệu cốt trên lớp nhựa nền có tác dụng chịu lực, chịu ứng suất
tập trung;
- Dùng con lăn để lăn ép vật liệu cốt với nhựa nền tạo môi trường liên kết
giữa nền và cốt, tránh hiện tượng rỗ khí;
- Qúa trình lặp đi lặp lại cho đến khi đủ số lớp theo thiết kế.
21
Sau khi quá trình rải vật liệu cốt và thấm nhựa nền đã hoàn thành, sản phẩm
được để đông kết tại nhiệt độ môi trường. Tốc độ đông kết của sản phẩm phụ thuộc
theo loại vật liệu nền, độ dày sản phẩm, nhiệt độ môi trường và độ dẫn nhiệt của vật
liệu khuôn. Để tăng tốc độ đông kết và giảm thời gian tháo khuôn, các sản phẩm có
kích thước nhỏ được đưa vào lò sấy; các sản phẩm có kích thước lớn hơn có thể
được sấy bằng khí nóng. Phản ứng tỏa nhiệt trong quá trình đông kết có thể làm
tăng nhiệt độ của sản phẩm. Tốc độ thay đổi nhiệt cũng là yếu tố quan trọng quyết
định tới cơ tính và chất lượng sản phẩm. Do hệ số giãn nở của vật liệu gia cường và
nhựa nền khác nhau, sự thay đổi nhiệt độ lớn trong quá trình đông kết có thể làm
biến dạng liên kết giữa hai loại vật liệu.
Vật liệu sử dụng trong phương pháp thủ công thường là epoxy hoặc
polyester không no và sợi thủy tinh. Phương pháp thủ công thường được áp dụng
cho các loạt sản phẩm có số lượng nhỏ hoặc sản phẩm đơn chiếc.
Phương pháp chế tạo thủ công có:
* Ưu điểm:

- Thiết kế linh động, dễ dàng thay đổi
- Chi phí đầu tư dụng cụ thiết bị thấp
- Hàm lượng sợi cao và phù hợp với sợi dài
* Nhược điểm:
- Sản phẩm chỉ có một bề nhẵn
- Thời gian đóng rắn thường dài
- Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào kỹ năng thao tác.
b. Phương pháp phun hỗn hợp composite
Trong phương pháp phun hỗn hợp, vật liệu gia cường có kích thước nhỏ
được trộn với nhựa polymer theo tỷ lệ xác định. Súng phun được sử dụng để phun
hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường vào khuôn. Vật liệu gia cường được
cung cấp liên tục vào một đầu cấp của súng phun, nhựa polymer và chất khởi tạo
phản ứng được cung cấp tới một đầu cấp khác của súng. Quá trình hòa trộn được
diễn ra trong thiết bị hòa trộn tĩnh hoặc động trong súng phun hoặc trong thiết bị
khác.
22
Hình 1.11. Phương pháp phun hỗn hợp
Tương tự như phương pháp chế tạo thủ công, chất hỗ trợ tháo khuôn được
phun hoặc quét lên mặt khuôn, tiếp theo là lớp gel-coat tạo bề mặt cho sản phẩm.
Sau đó hỗn hợp nhựa polymer, chất khởi tạo phản ứng và sợi gia cường được phun
ép vào khuôn.
Hình 1.12. Sơ đồ công nghệ phun hỗn hợp
Vật liệu sử dụng trong phương pháp phun hỗn hợp composite tương tự như
trong phương pháp thủ công. Sợi thủy tinh được cắt với chiều dài từ 10mm tới
40mm trước khi được trộn vào hỗn hợp.
23
Phương pháp này có:
* Ưu điểm: Nhanh, chi phí dụng cụ thấp
* Nhược điểm:
- Hàm lượng nhựa cao

- Chỉ chế tạo được composite sợi ngắn
- Nhựa cần có độ nhớt thấp khi phun, ảnh hưởng tới tính chất cơ nhiệt của
sản phẩm, cùng với hàm lượng styren cao, dễ ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của
công nhân
c. Phương pháp thấm nhựa trước
Trong phương pháp này, vật liệu gia cường được thấm nhựa polymer và
được bảo quản trong môi trường nhiệt độ thấp. Quy trình chế tạo sản phẩm
composite sử dụng vật liệu thấm nhựa trước được thực hiện như sau: vật liệu gia
cường đã thấm nhựa polymer được lấy ra khỏi thùng bảo quản lạnh, để trao đổi
nhiệt tự nhiên và đạt tới nhiệt độ môi trường trước khi tiến hành gia công. Trong
quá trình trao đổi nhiệt tự nhiên, vật liệu gia cường thấm nhựa polymer được để
trong bao bì bảo quản để tránh ngưng tụ hơi nước trên bề mặt. Vật liệu gia cường đã
thấm nhựa polymer được cắt thành hình dạng theo thiết kế. Quá trình cắt có thể tiến
hành thủ công hoặc tự động. Sau khi vật liệu được cắt theo thiết kế, tiến hành bóc
lớp bảo vệ, đặt vật liệu lên khuôn theo từng lớp. Quá trình được lặp lại tới khi đạt
được yêu cầu về độ dầy của sản phẩm.
Vật liệu thấm nhựa polymer trước được sử dụng trong những loạt sản phẩm
có số lượng không lớn. Do độ dầy của vật liệu thấm nhựa polymer trước thường
không lớn nên quá trình rải đặt các lớp yêu cầu độ chính xác cao. Thông thường quá
trình này được thực hiện tự động hoặc với sự hỗ trợ của máy tính. Tương tự như
phương pháp lăn tay thủ công, khuôn mẫu sử dụng trong phương pháp thấm nhựa
trước khá đơn giản, tuy nhiên với các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao như các
chi tiết trên máy bay, khuôn mẫu thường được chế tạo bằng kim loại hoặc vật liệu
composite để có thể chịu được tải trọng lớn trong quá trình chế tạo.
Trong phương pháp vật liệu thấm nhựa trước, sợi carbon và epoxy thường
được sử dụng là vật liệu gia cường và vật liệu nền. Phương pháp này được ứng
24
dụng chế tạo các sản phẩm trong ngành hàng không. Tuy nhiên phương pháp này
đang dần được áp dụng trong chế tạo các dụng cụ thể thao và giải trí như cần câu
cá, gậy chơi golf, ván trượt, v.v.

1.3.2. Chế tạo công nghiệp
a. Phương pháp đùn ép
Trong phương pháp này nhựa polymer dưới dạng bột hoặc hỗn hợp nhựa
polymer và vật liệu gia cường có chiều dài ngắn được cấp vào trống chứa hỗn hợp
vật liệu của máy đùn ép. Trục vít được sử dụng để đẩy hỗn hợp vật liệu về phía
trước của trống, nén hỗn hợp vật liệu đồng thời đẩy không khí chứa trong vật liệu ra
ngoài. Trong quá trình hòa trộn ma sát làm tăng nhiệt độ của hỗn hợp, năng lượng
nhiệt này làm vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng trước khi được chuyển tới buồng
phun ép. Do quá trình nén cắt trong trục vít, chiều dài của sợi gia cường giảm. Dưới
lực ép của trục vít, vật liệu được đùn ép vào khuôn, hệ thống van một chiều được sử
dụng để ngăn vật liệu bị nén ngược lại trống chứa. Khi vật liệu đã được nén vào
trong khuôn, trục vít được giữ nguyên vị trí để duy trì áp suất trong khuôn. Khi vật
liệu đã đông kết trong khuôn, trục vít được di chuyển theo chiều ngược lại để chuẩn
bị cho chu trình đùn ép sản phẩm tiếp theo
.
Hình 1.13. Phương pháp đùn ép
*Ưu điểm:
- Nhanh, hiệu quả kinh tế cao
- Tỷ lệ sợi/ nhựa có thể điều chỉnh được khi sợi đi qua bể nhựa
- Gía thành sợi giảm thiểu do không qua công đoạn dệt sợi thành vải
25
- Tính chất của sản phẩm tốt do có thể điều chỉnh phương của sợi phù hợp
* Nhược điểm:
- Hạn chế ở một số dạng sản phẩm nhất định (rỗng, mặt cắt tròn, oval,…)
- Khó điều chỉnh chính xác vị trí sợi dọc theo chiều dài sản phẩm
- Gía thành trống đối với những sản phẩm lớn là rất cao
- Yêu cầu nhựa có độ nhớt thấp nên ảnh hưởng tới tính chất cơ học và vấn đề
an toàn sức khỏe
Do các hạn chế nêu trên công nghệ đùn ép hỗn hợp composite thường được
sử dụng chế tạo các sản phẩm có kích thước không lớn với yêu cầu về cơ tính

không cao.
b. Phương pháp đúc chuyển nhựa
Phương pháp đúc chuyển nhựa sử dụng khuôn kín, vật liệu gia cường được
đặt trước trong khuôn. Với loạt sản phẩm có số lượng không lớn vật liệu gia cường
được cắt thủ công và đặt trên nửa khuôn phía dưới. Nửa khuôn phía trên được đóng
lại, nhựa polymer được điền đầy vào khuôn dưới áp suất cao. Sau khi nhựa polymer
được điền đầy vào khuôn, hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường được để
đông kết trong thời gian xác định. Sau đó sản phẩm được tháo khuôn để tiến hành
sản xuất chi tiết tiếp theo.

Hình 1.14. Phương pháp đúc chuyển nhựa