tóm tắt luận văn “Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệu composite

1
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:
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.
Ở Việt Nam:
Việc sử dụng năng gió cũng đang được quan tâm nhưng ở mức thấp.
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
* Các nghiên cứu
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- 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 cũng có một số nghiên cứu về cánh turbine gió, nhưng những nghiên
cứu đó chỉ dừng lại ở việc mô hình hóa cánh turbine
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 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
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:
- 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.
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.
3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
VẬT LIỆU COMPOSITE
Giới thiệu:
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
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
- 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.
4
1.1.2. Ứng dụng
*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, chế tạo cánh
máy bay, cánh turbine gió,….
Hình 1.6. Cánh quạt gió B75 chế tạo bằng vật liệu composite
* Ở Việt Nam:
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, thùng đựng hóa chất, thùng chứa rác,…
1.2. Cấu tạo và phân loại vật liệu composite
1.2.1. Cấu tạo
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
Vật liệu composite cốt sợi và vật liệu composite cốt hạt.
b. Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần
• Composite nền hữa cơ ;

• Composite nền kim loại ;
• Composite nền gốm ;
5
1.3. Công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm, vỏ bằng vật liệu composite
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
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.
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
6
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
c. Phương pháp thấm nhựa trước
1.3.2. Chế tạo công nghiệp
a. Phương pháp đùn ép.
b. Phương pháp đúc chuyển nhựa
c. Phương pháp đúc chân không
d. Phương pháp quấn sợi
1.4. Kết luận chương
Các sản phẩm composite được chế tạo theo nhiều phương pháp khác nhau như chế
tạo thủ công, phương pháp thấm nhựa trước, đùn ép, đúc chuyển nhựa, đúc chân không,
v.v. Các phương pháp này có các ưu nhược điểm khác nhau. Với các trang thiết bị, kinh
phí hiện có và đảm bảo yêu cầu công nghệ chế tạo cánh turbine gió hiện nay, phương
pháp lăn ép là sự lựa chọn phù hợp do đáp ứng tốt về giá thành, chất lượng trong chế tạo
các sản phẩm đơn chiếc, loạt sản phẩm nhỏ, kích thước vừa và nhỏ. Công nghệ này ít có

tác động xấu tới môi trường. Do đó, cần có đầu tư nghiên cứu để có thể ứng dụng vào
ngành công nghiệp chế tạo turbine gió ở Việt Nam hiện nay và trong tương lai.
7
CHƯƠNG 2
PHÂN TÍCH KẾT CẤU CÁNH TURBINE VÀ VẬT LIỆU
CHẾ TẠO
Giới thiệu
Dựa trên bộ 5 cánh turbine gió trục đứng công suất 300W thuộc bộ NACA 4 số
6621 do hãng Shenzhen Effsu New Energe ở Trung Quốc sản xuất, đề tài tiến hành lấy
mẫu vật liệu để phân tích kết cấu lớp vật liệu thành phần, làm cơ sở cho việc nghiên cứu
thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine theo yêu cầu đặt ra.
2.1. Khảo sát cánh turbine gió có biên dạng NACA 6621
Bộ 5 cánh turbine gió trục đứng công suất 300W có biên dạng NACA 6621 có kết
cấu như hình 2.1
Hình 2.1. Cánh turbine công suất 300W có biên dạng NACA 6621
Để khảo sát được vật liệu, chiều dày và số lớp
chế tạo cánh turbine 6621, tiến hành cắt mẫu để thí
nghiệm.
Hình 2.2.Mẫu thí nghiệm khảo sát cơ tính cánh turbine
Kết quả khảo sát, phân tích cho thấy:
8
Cánh turbine gió 6621 được làm từ vật liệu composite lớp nền nhựa epoxy, cốt vải
sợi thủy tinh. Bên ngoài bọc lớp vỏ gel coat trắng giữ vai trò bảo vệ lớp composite tránh
tác động xấu của môi trường như: nhiệt độ, ánh sáng, khí hậu, thời tiết.Tiếp đến là các
lớp vật liệu composite đảm bảo độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai không bị thay đổi hình
dáng dưới tác dụng của gió khi làm việc, không bị biến dạng võng và giữ vai trò tạo hình
kết cấu cánh. Bên trong có lớp xốp được chế tạo chèn khít vào vỏ composite làm tăng độ
cứng vững nhưng không làm tăng đáng kể khối lượng và giá thành chế tạo cánh. Lớp
composite có chiều dày là 1,5 mm, gồm 3 lớp sợi, nhựa xen kẽ nhau.
 !"

#$%&'()  &*&+ ,-+).
& #&'/* 0'12& ")3&
45!657 +89897': (  &6 ':
; #<989=7>?@A#BC89/D
Hình 2.3. Cánh turbine gió chế tạo
2.2. Lựa chọn vật liệu
2.2.1.Vật liệu nền
a. 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
9
Nhựa Polyester có ưu điểm:
- Cứng;
- Ổn định kích thước;
- Khả năng thấm vào sợi và nhựa cao;
- Dễ vận hành;
- Chống môi trường hoá học;
- Giá thành hạ.
Nhược điểm:
- Dễ bị nứt, đặc biệt là nứt do va đập;
- Độ co ngót cao (khoảng 8 đến 10%);
- Khả năng chịu hơi nước, nước nóng
kém
E%A#F#G")'+
- Bị hư hại dưới tác dụng của tia cực tím;
- Dễ bắt lửa;
- Chịu nhiệt trung bình (dưới 120
o

C).
Trên thị trường, các loại vật liệu nền polyester không no có suất xứ từ các nước
khác nhau được bày bán khá phổ biến tại một số địa điểm như: phố Hàng Hòm và một số
công ty ở Hà Nội, Vũng tàu, thành phố Hồ Chí Minh,… với giá thành tương đối rẻ, dao
động trong khoảng (30-70) nghìn VNĐ/1lít, nhưng không rõ tính chất.
b. Nhựa cô đặc
c. Nhựa polyimit.
d. Nhựa 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, chế tạo cánh turbine gió. Với tính chất kết
dính, có cơ tính và độ bền hóa học rất cao, epoxy rất lý tưởng để sử dụng chế tạo cánh
turbine gió, cánh máy bay, tên lửa,…
Nhựa epoxy có ưu điểm:
- Cơ tính cao (kéo, nén, uốn, va đập và từ biến, …) hơn polyeste.
- Chịu được nhiệt độ cao đến 150
0
C hoặc 190
0
C liên tục
- Độ bền hoá học rất cao
- Độ co ngót thấp (0,5 đến 1%)
- Thẩm thấu vào sợi, vải rất tốt
- Độ bám dính với kim loại cao.
Nhược điểm:
- Thời gian polymer hoá dài
- Giá thành cao
- Cần tôn trọng các hướng dẫn khi sử dụng
10
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 và chống lão hóa 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.
• Các loại nhựa epoxy:
- Nhựa Epoxy nền Bisphenol – A
- Nhựa Epoxy nền Bisphenol – F
- Nhựa Epoxy nền Novolac
Tuy nhiên, tùy vào mục đích riêng mà ta dùng loại nhựa Epoxy nào. Ngày này , người
ta thường sử dụng Epoxy đi từ nền Bisphenol A làm vật liệu nền trong công nghệ chế tạo
cánh turbine gió, do nó có nhiều tính chất ưu việt thỏa mãn nhiều yêu cầu khi sử dụng:
Hình 2.5. Nhựa epoxy và chất đóng rắn TETA
• Khảo sát thị trường
Tham khảo trên thị trường có rất nhiều loại nhựa epoxy đi từ nền Bisphenol A, qua
nghiên cứu học viên đã lựa chọn được 2 loại nhựa Epoxy: EP-3 và EP-4 trong số 5 loại
epoxy có trên thị trường Việt Nam, có khối lượng phân tử trung bình, độ nhớt và các chỉ
tiêu số hóa học thích hợp cho mục tiêu đề tài. Hai loại nhựa epoxy trên được bày bán
khá phổ biến trên thị trường với giá thành dao động trong khoảng từ (70 – 100)
nghìn/1kg, tại một số nơi như: phố Hàng Hòm và một số công ty TNHH ở Hà Nội
Nhận xét:
Dựa vào bảng 2.1, cho ta thấy vật liệu epoxy có cơ tính cao hơn hẳn so với vật liệu
nền nhiệt rắn khác. Mặt khác, với những ưu điểm nổi bật của vật liệu nền epoxy so với
các loại vật liệu nền khác, luận văn dự kiến chọn vật liệu nền để chế tạo cánh turbine gió
là epoxy
2.2.2. Cốt.
Có các loại cốt chính: Cốt sợi cốt vải và cốt hạt
11
a. Cốt sợi
Một số sợi thông dụng
Sợi thuỷ tinh:

Ưu điểm:Nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với các tác động hóa sinh. Tính chất cơ học
cao (kéo, nén, uốn, va đập ); chịu được nhiệt độ đến 120
0
C; độ bền hóa học cao; độ co
ngót thấp (0,5÷1%); thẩm thấu vào vải và sợi rất tốt và khả năng bám dính với kim loại
cao.
Hình 2.7. Sợi thủy tinh
Sợi hữu cơ:
Sợi Cacbon
Sợi Bor:
b. Cốt vải
Cốt vải là tổ hợp thành bề
mặt (tấm), của vật liệu cốt sợi,
được thực hiện bằng công nghệ dệt.
Hình 2.10. Vải thủy tinh
c. Cốt hạt
Kết luận:
Với những ưu điểm nổi trội của sợi thủy tinh, sợi thủy tinh rất thích hợp làm vật
liệu cốt khi chế tạo cánh turbine.
Sợi thủy tinh thường sử dụng trong chế tạo cánh turbine gió có 2 kiểu chính là E-
glass và S+R glass [6]. Qua quá trình khảo sát thị trường cho thấy: sợi thủy E- glass
được bày bán trên thị trường Việt Nam tại một số địa điểm như: phố Hang Hòm tại Hà
Nội, Vĩnh Phúc,Vũng Tàu, Thành Phố HCM,…Với giá thành rẻ, dao động trong khoảng
(100-120) nghìn VNĐ/1kg.
12
2.2.3. Vấn đề đóng rắn
Chất đóng rắn nhựa epoxy
Hình 2.11. Chất đóng rắn TETA
Ở đây tác giả sử dụng chất đóng rắn TETA (trietyl tetraamin), đây là loại akylene
amin không biến tính, thuộc hệ đóng rắn nguội được dùng phổ biến hiện nay, được sản

xuất từ Nhật. Theo quy định của nhà chế tạo thì tỉ lệ pha trộn theo khối lượng nhựa epoxy
và TETA là 10:1. Ngoài ra để quá trình đóng rắn được nhanh hơn, có pha thêm chất xúc
tiến Coban, theo quy định chế tạo vật liệu composite hàm lượng của chất này vào khoảng
0,4%
• Chất róc khuôn:
Do khuôn được làm bằng bê tông, để thuận tiện cho việc chế tạo cánh turbine gió,
không cần sử dụng chất róc khuôn mà dải một lớp nilon mỏng lên bề mặt khuôn rồi là
phẳng
• Chất làm kín.
Với khuôn làm bằng bê tông: Sau khi khuôn đóng rắn và khô, hòa hỗn hợp xi măng
với nước rồi quét lên bề mặt khuôn để bịt kín hết lỗ thoát khí.
2.3. Kết luận chương
Từ những phân tích về kết cấu lớp vật liệu thành phần, đặc tính kết cấu cánh. Dựa
trên kết quả khảo sát các loại nhựa, sợi phổ biến trên thị trường cũng như những đặc tính
kỹ thuật, công nghệ của vật liệu quy chuẩn tương ứng. Luận văn đã chọn vật liệu nền
epoxy, cốt vải sợi thủy tinh để chế tạo cánh. Tuy nhiên, để có cơ sở khoa học để lựa chọn
cần phải chế tạo mẫu thử nghiệm và tiến hành kiểm tra cơ tính của chúng.
L
l
1
l
2
R
l
2
P
P
P
L
L/2

L/2
b
h
13
CHƯƠNG 3
CHẾ TẠO MẪU VẬT LIỆU COMPOSITE LỚP VÀ XÁC ĐỊNHCƠ TÍNH
Giới thiệu
Để tiến hành chế tạo thử nghiệm cánh, cần khảo sát tính toán lựa chọn vật liệu
thành phần và đưa ra phương án chế tạo. Học viên tiến hành chế tạo mẫu vật liệu
composite với 2 loại vật liệu nền epoxy và polyester, cốt vải sợi thủy tinh để xác định cơ
tính mẫu.
3.1. Mục đích thí nghiệm
Tiến hành 2 thí nghiệm thử nghiệm kéo và uốn với một số mẫu vật liệu composite
lớp với vật liệu nền (Epoxy, polyeste) và tỷ lệ sợi/nhựa khác nhau nhằm mục đích:
• Thí nghiệm 1 (TN1): So sánh chọn loại vật liệu nền:
• Thí nghiệm 2 (TN2): Chọn phương án tỷ lệ sợi/ nhựa
3.2. Sơ đồ thí nghiệm
• Sơ đồ thí nghiệm kéo:
Với L =200mm, l
1
= 100mm,
l
2
= 40mm, R = 5mm
Hình 3.1. Sơ đồ kéo mẫu
• Sơ đồ thí nghiệm uốn
- Với L =100mm, b =25mm, h = const

Hình 3.2. Sơ đồ uốn mẫu
3.3. Mẫu thí nghiệm

Để đơn giản, tấm mẫu được chế tạo dạng tấm phẳng có kích thước
(400x400)mm. Sử dụng tấm kính thủy tinh có kích thước (400x400)mm làm mặt phẳng
chế tạo mẫu.
Trong phạm vi đề tài, tác giả chế tạo 3 tấm mẫu với 2 loại vật liệu (epoxy và
polyester), tỷ lệ sợi/ nhựa và số lớp khác nhau
14
Tấm mẫu 1: Sử dụng nền nhựa epoxy và vải sợi thủy tinh cụ thể như sau:
- Khối lượng nhựa: 500g
- Chất đóng rắn TETA
- Tỷ lệ nhựa/sợi: 80g/1lớp sợi
- Số lớp: 05 lớp
Bước 1: Chống dính cho tấm kính
Dải tấm nilon lên bề mặt tấm kính làm lớp chống dính cho tấm kính
Bước 2: Gia công lớp thứ nhất
Trộn đều hỗn hợp gồm 80g nhựa với chất đóng rắn TETA theo tỷ lệ 10:1, phủ đều
lên bề mặt tấm kính
Sau khoảng 4-5 phút, khi lớp nền nhựa se lại, cắt vải sợi thủy tinh thành tấm có
kích thước (400x400)mm trải lên bề mặt lớp nền nhựa vừa gia công. Dùng con lăn bằng
sắt lăn phẳng giúp cho vải sợi thủy tinh liên kết với lớp nền nhựa, tránh hiện tượng rỗ khí
Tiếp tục trộn đều hỗn hợp gồm 80g nhựa với chất đóng rắn TETA theo tỷ lệ 10:1,
sau đó dùng chổi lông phủ đều nhựa lên bề mặt lớp vải sợi thủy tinh vừa trải. Kết thúc
quá trình gia công lớp thứ nhất
Bước tiếp theo: Gia công các lớp tiếp theo cũng làm tương tự như bước 2 cho tới
khi đạt 5 lớp vật liệu
Dỡ khuôn lấy tấm mẫu: Sau khi quá trình chế tạo mẫu đã hoàn thành, tấm mẫu
được để đóng rắn tại nhiệt độ môi trường. Để tránh biến dạng nên để khô trong khoảng
thời gian 24h, rồi tiến hành tháo tấm mẫu ra.
- Chiều dày tấm mẫu đạt được sau khi gia công là 3,2mm
• Tấm mẫu 2: Sử dụng nền nhựa polyester không no và vải sợi thủy tinh cụ thể:
- Khối lượng nhựa: 500g

- Tỷ lệ nhựa/sợi: 80g/1 lớp vải sợi
- Chất đóng rắn: butanox
- Pha nhựa polyester không no với chất đóng rắn theo tỷ lệ 100:1
- Số lớp: 05 lớp
Các bước thực hiện làm tương tự như tấm mẫu 1. Kết quả, chiều dày tấm mẫu đạt
được sau khi gia công là 3,2mm
• Tấm mẫu 3: Sử dụng nền nhựa epoxy và vải sợi thủy tinh cụ thể như sau:
- Khối lượng nhựa: 500g
- Tỷ lệ nhựa/sợi: 100g/1 lớp sợi
- Chất đóng rắn: TETA
- Pha nhựa epoxy với chất đóng rắn theo tỷ lệ 10:1
- Số lớp: 04 lớp
15
Các bước thực hiện làm tương tự như tấm mẫu 1. Kết quả, chiều dày tấm mẫu đạt
được sau khi gia công là 3,2mm
Sau khi gia công xong 3 tấm mẫu, cắt mỗi tấm mẫu làm 2 loại: Sợi thẳng và sợi
chéo (45
0
) có kích thước (200x25)mm để tiến hành thí nghiệm thử kéo và thử uốn.
Vậy với 3 tấm mẫu sau khi cắt ta được 3 loại mẫu sợi thẳng và 3 loại mẫu sợi chéo.
Hình 3.4. Mẫu kéo sợi thẳng và sợi chéo
Hình 3.5. Mẫu uốn sợi thẳng và sợi chéo
3.4. Thiết bị thí nghiệm
3.4.1. Thí nghiệm kéo
Sử dụng máy đo độ bền kéo, nén SM-50
3.4.2. Thí nghiệm uốn
Thiết bị gồm có: Gía đỡ, gối đỡ, đồng hồ so, quả cân tác dụng lực
3.5. Trình tự thực hiện thí nghiệm
- Tiến hành lần lượt 2 thí nghiệm:
Thí nghiệm 1 (TN1): Thử nghiệm kéo và uốn 2 loại mẫu: mẫu 1 và mẫu 2

Thí nghiệm 2 (TN2): Thử nghiệm kéo và uốn mẫu 1 và mẫu 3
- Tiến trình thực hiện như sau:
3.5.1. Thí nghiệm kéo.
Để thực hiện thí nghiệm thử kéo, tiến hành theo trình tự sau:
16
- Đánh số thứ tự các mẫu thí nghiệm: M1k, M1k-x, M2k, M3k, M3k-x (Trong đó:
M là mẫu; 1,2,3 là số thứ tự mẫu; k là mẫu kéo, x là ký hiệu phương sợi chéo nghiêng
45
0
)
- Gá mẫu thí nghiệm lên tay cặp
- Đặt chế độ làm việc cho máy với tốc độ n = 2mm/min
- Tiến hành đo lần lượt 5 mẫu, với mỗi mẫu tiến hành 4 lần, thể hiện trên hình 3.8
Hình 3.8. Thí nghiệm thử kéo
- Mỗi lần thí nghiệm với từng mẫu, quay video quá trình biến dạng của mẫu, chụp
ảnh màn hình và lưu số liệu dưới dạng file ảnh và excel
- Làm lần lượt đối với các mẫu
3.5.2. Thí nghiệm uốn.
Thí nghiệm thử uốn sử dụng đồng hồ so để đo độ võng được tiến hành theo trình
tự sau:
- Đánh số thứ tự các mẫu thí nghiệm: M1u, M1u-x, M2u, M3u, M3u-x (Trong đó:
M là mẫu; 1,2,3. là số thứ tự mẫu; u là mẫu uốn, x- ký hiệu phương sợi chéo nghiêng 45
0
)
- Gá mẫu thí nghiệm lên gối đỡ
- Đặt đồng hồ so sao cho đầu đo tiếp xúc tại trung điểm của mẫu, điều chỉnh cho
kim đồng hồ về chỉ số 0
- Tác dụng lực và ghi kết quả chỉ thị trên đồng hồ
- Tiến hành đo lần lượt 5 mẫu, với mỗi mẫu tiến hành 4 lần, thể hiện trên hình 3.9
Hình 3.9. Thí nghiệm thử uốn

17
3.6. Cách thu thập số liệu
Sau khi thí nghiệm các số liệu thí nghiệm được thu thập bằng cách ghi lại số
liệu dưới dạng các bảng biểu và hình vẽ để phân tích, so sánh, đánh giá kết quả thí
nghiệm.
Hình 3.10.Kết quả số liệu thí nghiệm kéo
3.7. Kết quả thí nghiệm
3.7.1. Kết quả thí nghiệm (TN1)
H9I#J#?K5L 9.M
Mẫu Ứng suất phá hủy kéo σ (Mpa) Modul đàn hồi kéo E (Mpa)
M1k 54,3 1604,4
M2k 46,9 1117,9
- Kết quả thí nghiệm thử uốn mẫu 1 và mẫu 2 được thể hiện trong bảng 3.6; 3.7;3.8
H9I#N#?K5L 9. 
Mẫu
Ứng suất phá hủy uốn σ (Mpa) Modul đàn hồi uốn E (Mpa)
M1u 56,2 1667,4
M2u 42,7 1370,8
Nhận xét: Từ kết quả thí nghiệm trong bảng 3.5 và 3.8 ta thấy modul đàn hồi kéo
và modul đàn hồi uốn của vật liệu epoxy cao hơn so với vật liệu nền polyester không no
Kết luận: Vậy vật liệu nền epoxy có độ bền và modul đàn hồi cao hơn so với vật
liệu nền polyester không no. Mặt khác, tham khảo thị trường giá của vật liệu epoxy cao
hơn so với vật liệu polyester vào khoảng (15÷20)%. Nhưng với một loại vật liệu mà có
cơ tính, độ bền tốt nhưng giá thành không quá cao (70÷100) nghìn VNĐ/1kg thì nên lựa
chọn làm vật liệu để chế tạo
18
3.7.2. Kết quả thí nghiệm (TN2)
- Kết quả thí nghiệm kéo mẫu 1 và mẫu 3
H9I#@A#?K5L 9.M
Mẫu

Ứng suất phá hủy kéo σ (Mpa) Modul đàn hồi kéo E (Mpa)
M1k 54,3 1604,4
M1k-x 26,7 788,9
M3k 32,4 1101,0
M3k-x 23,7 648,5
Tiến hành thử nghiệm uốn đối với các mẫu 1 và mẫu 3
H9I#@O#?K5L 9. 
Mẫu Ứng suất phá hủy uốn σ (Mpa) Modul đàn hồi uốn E (Mpa)
M1u 46,9 1667,4
M1u-x 34,2 884,9
M3u 43,2 1114,4
M3u-x 31,9 767,4
Nhận xét:
Từ kết quả thí nghiệm trong bảng 3.12 và 3.16 cho thấy
- Phương sợi ảnh hưởng trực tiếp tới ứng suất phá hủy và modul đàn hồi kéo và
uốn của vật liệu: Mẫu có phương sợi thẳng có độ bền và modul đàn hồi kéo, uốn cao hơn
mẫu có phương sợi chéo nghiêng góc 45
0
- Cùng một loại vật liệu nền, cốt sợi thủy tinh, tuy nhiên tỷ lệ sợi/nhựa khác nhau.
Kết quả thí nghiệm cho thấy tỷ lệ sợi/nhựa ảnh hưởng tới độ bền và modul đàn hồi của
vật liệu: Tỷ lệ sợi/nhựa = 0,35(%V) có cơ tính cao hơn mẫu có tỷ lệ sợi/ nhựa = 0,25
(%V)
3.8. Kết luận chương:
Với quy trình tính toán, thiết kế, chế tạo mẫu bằng vật liệu composite, học viên đã
tiến hành thí nghiệm thử kéo và uốn lần lượt với từng mẫu. Kết quả cho thấy: cùng loại
vật liệu cốt, chế độ gia công như nhau, vật liệu nền epoxy có cơ tính cao hơn so với vật
liệu nền polyester không no. Mặt khác, cùng một loại vật liệu nền epoxy, cốt sợi thủy tinh
và tỷ lệ pha chất đóng rắn là như nhau, nhưng tỷ lệ sợi/nhựa khác nhau thì cơ tính của
chúng khác nhau. Với mẫu có tỷ lệ sợi/nhựa là 0,35% cho cơ tính cao hơn mẫu có tỷ lệ
sợi/nhựa là 0,25 %. Vậy luận văn lựa chọn vật liệu nền epoxy, cốt sợi thủy tinh với tỷ lệ

sợi/nhựa là 0,35% để tiến hành chế tạo thử nghiệm cánh.
19
CHƯƠNG 4
CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM CÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Giới thiệu:
Sau khi đã khảo sát tính toán lựa chọn vật liệu thành phần và đưa ra phương
án chế tạo. Đề tài tiến hành chế tạo thử nghiệm cánh dựa trên cơ sở của quá trình đã
có từ phân tích chế tạo mẫu bằng phương pháp lăn ép.
4.1. Thiết kế khuôn
Với yêu cầu kỹ thuật chế tạo cánh đòi hỏi mặt ngoài nhẵn, do vậy sử dụng
khuôn theo mặt trái để chế tạo.
Để thuận tiện cho việc chế tạo khuôn và tạo hình sản phẩm, việc lựa chọn
dùng khuôn bằng bê tông rất phù hợp để chế tạo cánh turbine gió có kết cấu như
hình 2.1.
* Các bước thực hiện:
B1: Chế tạo dưỡng làm khuôn
B2: Chế tạo khuôn
Quy trình chế tạo 2 nửa khuôn được thực hiện như sau:
- Trải lớp nilon hay bao tải phía dưới khung gỗ phục vụ dỡ khuôn
- Trộn hỗn hợp cát – xi măng theo tỷ lệ 1:2 ở mức sệt như vữa dùng trong
xây dựng
- Đổ hỗn hợp cát – xi măng đã trộn vào khung
- Dùng dưỡng gạt dọc theo khung để định dạng cho khuôn
Hình 4.3. Hình dạng 2 nửa khuôn sau khi sử dụng dưỡng gạt để chế tạo
B3: Dỡ khung lấy sản phẩm
Thời gian đông cứng khuôn khoảng 2 ngày. Dỡ bỏ khung gỗ được khuôn
như hình 4.4
20

Hình 4.4.Khuôn bê tông

4.2. Chế tạo cánh
Tác giả tiến hành chế tạo thử nghiệm cánh với các bước như sau:
Bước 1: Phủ vật liệu làm kín cho khuôn
Dùng chổi lông (chổi quét sơn) phết nước xi măng lên trên bề mặt khuôn để
làm kín lỗ rỗ cát trên khuôn.
Hình 4.5. Khuôn được làm kín bằng nước xi măng
Bước 2: Chống dính cho khuôn
Sau khi khuôn đã được phủ lớp xi măng làm kín, chờ bề mặt khuôn khô rồi
mới tiến hành chống dính cho khuôn:
Dùng tấm nilon mỏng trải đều lên bề mặt khuôn, sau đó dùng máy sấy, sấy
cho phẳng tấm nilon bám chặt vào bề mặt khuôn
Hình 4.6. Khuôn đã được chống dính
21
Bước 3: Đổ lớp lớp tráng gel coat
- Hòa hỗn hợp geloat trắng với chất đóng rắn theo tỷ lệ 100:1, dùng que
ngoáy đều để chất đóng rắn tan đều trong gel coat.
- Dùng chổi lông phết hỗn hợp trên lên trên bề mặt khuôn
Hình 4.7.Những hình ảnh ở công đoạn phủ gelcoat trắng trên khuôn
Bước 4: Tiến hành gia công lớp composite
Cách thức tiến hành gia công 1 lớp composite:
- Trải lớp vải sợi thủy tinh: Vải sợi thủy tinh được cắt với kích thước
(1500x250)mm. Đợi khoảng 15 phút lớp gel xe bề mặt, trải lớp vải sợi thủy tinh lên
trên lớp gel, sau đó dùng ru lô bằng sắt lăn phẳng lớp vải sợi tạo sự kết dính và
tránh hiện tượng rỗ khí giữa 2 lớp vật liệu nền và cốt.
Hình 4.8. Hình ảnh sau khi rải lớp sợi thủy tinh
- Phết lớp vật liệu nền epoxy: hòa 300g nhựa epoxy với 30g cốt vải sợi thủy
tinh, dùng que ngoáy đều hỗn hợp. Sau đó dùng chổi quét sơn phết hỗn hợp đó lên
lớp vải sợi thủy tinh vừa trải, dùng chổi quét sơn dập hỗn hợp tăng độ kết dính. Lúc
này đã hoàn thành xong 1 lớp composite.
22

Hình 4.9. Trải lớp vật liệu nền
Tiến hành gia công 4 lớp composite tiếp theo, được thực hiện lần lượt như
gia công lớp composite thứ nhất.
Hình 4.10. Gia công xong 5 lớp vật liệu composite
Bước 5:Tạo gờ cho cánh
Khi lớp vật liệu nền trên cùng xe lại, dùng thanh kẽm ngăn cách để tạo gờ
cho cánh. Khoảng cách giữa thanh kẽm và mép ngoài của cánh là 150mm. Dùng
hỗn hợp nhựa epoxy và chất đóng rắn TETA đã hòa phết lên khoảng trống ngăn
cách giữa thanh kẽm và mép ngoài của cánh.
Bước 6: Dỡ khuôn lấy sản phẩm
Sau khi đổ xong 6 lớp, để sản phẩm đóng rắn ở nhiệt độ ngoài trời, chờ
khoảng 24h cho hỗn hợp nhựa và sợi thủy tinh đông cứng tháo lấy sản phẩm. Sau
khi lấy sản phẩm, để tránh cong vênh ta lại đặt sản phẩm trở lại khuôn. Sau đó để
khoảng 48h lấy sản phẩm ra khỏi khuôn
23
Hình 4.11. Hai nửa cánh turbine sau khi dỡ khuôn
Bước 7: Ghép 2 nửa cánh tạo thành cánh turbine hoàn chỉnh
Sau khi 2 nửa cánh đã tháo ra khỏi khuôn, dùng máy mài cầm tay có lắp chổi
trà và đá cắt, cắt bỏ ba via. Dùng keo epoxy dán hai nửa cánh tạo thành cánh hoàn
chỉnh. Sau đó lại dùng dưỡng, giấy giáp chỉnh sửa đúng biên dạng cánh đã khảo sát
và đánh xung quanh bề mặt bên ngoài tạo độ nhẵn bóng cho cánh. Hoàn thành sản
phẩm.
Hình 4.12. Cánh turbine gió chế tạo
4.3. Đánh giá kết quả
4.3.1. Độ chính xác kích thước và hình dáng
• Xác định biên dạng
Sau chế tạo xong, đưa cánh lên máy đo tọa độ 3 chiều CMM (phòng thí
nghiệm trường ĐH kỹ thuật Công nghiệp TN) để xác định biên dạng cánh sau khi
chế tạo.
So sánh kết quả đo với biên dạng cánh đã khảo sát. Kết quả được hiển thị trên hình

4.2 a) và b)
24
221,5
a) b)
Hình 4.14. Biên dạng cánh khảo sát a) và cánh chế tạo b)
• Xác định kích thước chiều dài: Kích thước chiều dài được đo bằng thước dây
4.3.2. Xác định độ võng
a.Cơ sở lý thuyết để xác định độ võng
Để xác định độ võng của cánh cần tiến hành xác định lực tác dụng lên
cánh ở vị trí lực cản của gió vuông góc với mặt cánh ở bão cấp 15
v
Hình 4.15. Vận tốc gió tác dụng lên cánh turbine
E5"70,:7P
PBF#FD
?+QRS65+:)1RT@1AJU
I
VS1658WB0X'  )7D
VTY1AA@1FTY1IYN
A
C
0
SE91ZN[1C
0
T@1@\@1I3C
0
T@1I
$S$&13=@J$T@Y]^FN1_U
?)'77+`RT@1AJU
I
1VTY1IYN

A
1C
0
T@1I1$TFN1_U
8! aBF#FD)Q
PTJ]I1JTJ]I1JG
b0,a7`c))`  )Q
'
)
T
25
$2dTJ]I1JG1eT_YY
fT@OO_1FBg)DT@OO_1FBGU
A
D
hT@NFIOJ_B
F
DB.0,) )0!h

!+:%F#@OD
Hình 4.16. Kết quả tính momen quán tính J trên autocad
$&')')65Q
'
)
T
8# Xác định độ võng
Tiến hành đặt cánh trên 2 gối đỡ, dùng lực tác dụng tại vị trí trung điểm của
cánh, dùng đồng hồ so để xác định độ võng
Khoảng cách giữa hai gối đỡ bằng 700mm
Hình 4.17. Đo độ võng cánh