Phân tích quá trình ứng xử của tấm composite với bộ kích hoạt bằng tinh thể áp điện

vi
MC LC
QUYTăĐNH
XÁC NHN CA CÁN B HNG DẪN
LÝ LCH TRÍCH NGANG i
LI CMăN ii
LIăCAMăĐOAN iii
TÓM TT iv
ABSTRACT v
MC LC vi
CÁC HÌNH V TRONG LUNăVĔN x
DANH MC KÝ HIU, CH VIT TT TRONG LUNăVĔN xii
CHNGă1:ăM ĐU 1
1. ωơ s khoa học và thực tin 1
2. Mục tiêu và nhiệm vụ ca nghiên cu 3
γ. Đi tợng và phm vi nghiên cu 3
4. Phơng pháp nghiên cu 4
5. Kết cấu ca đồ án tt nghiệp 4
CHNGă2:ăTNG QUAN 5
1. Giới thiệu về vật liệu composite 5
2. Giới thiệu về vật liệu áp điện 11
3. Tình hình nghiên cu trong và ngoài nớc 16
3.1 Tình hình nghiên cu ngoài nớc 16
3.2 Tình hình nghiên cu trong nớc 21
CHNGă3: CăS LÝ THUYT 23
1 . Lý thuyết về tấm mng 23
2. Quan hệ ng suất và biến dng vật liệu composite 25
2.1 Quan hệ ng suất và biến dng trong một lớp vật liệu composite 25
2.2 Quan hệ ng suất và biến dng trong nhiều lớp vật liệu composite 29
2.2.1 Trng chuyn vị 30
vii

2.2.2 Trng biến dng 30
2.2.3 Trng ng Suất 31
2.2.4 Các Thành Phần Nội Lực 32
3. Những phơng trình cơ bn ca vật liệu áp điện. 34
3.1 Sự Phân Cực 34
3.2 Sự Ễp Điện 36
3.3Sự Ễp Điện Tuyến Tính 36
3.4Lớp Ễp Điện 38
3.4.1 Lớp Đơn Trong ng Suất Phẳng 39
3.4.2 Đa Lớp 41
4. Quan hệ ng suất biến dng ca tấm composite có lớp áp điện. 42
4.1 Momen Un 43
4.2 Độ Lệch ωa Tấm ωomposite Với Sự Kích Hot Ễp Điện 50
CHNGă4: KT QU VÀ THO LUN 53
1. Bài toán áp dụng 1 54
1.1 Bài toán 1 54
1.2 Bài toán 2 60
1.3 Bài toán 3 61
2. Bài toán áp dụng 2 65
CHNGă5 : KT LUN VÀ KIN NGH 69
1. Kết luận 69
2. Kiến nghị 70
TÀI LIU THAM KHO 72
PH LC 1 74
PH LC 2 84



viii
DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình Trang
Hình 2.1: Sơ đồ minh họa cấu to composite. 5
Hình 2.2: Nhà bằng tng rơm và đất sét. 6
Hình 2.3: Cấu to ca vật liệu composite lớp. 7
Hình 2.4: Một s loi ct cấu to composite 8
Hình 2.5: Các loi chất liệu nền composite 8
Hình 2.6: a) composite ht, b) composite sợi, c) composite phiến, d) composite vy,
e) composite đổ đầy. 9
Hình 2.7: Một s sn phẩm đợc chế to từ vật liệu composite. 10
Hình 2.8 : Hiện tợng áp điện 11
Hình 2.9: Sự biến dng ca tinh th áp điện. 12
Hình 2.10: Sự tơng tác cơ điện ca vật liệu áp điện. 12
Hình 2.11: Tinh th áp điện 13
Hình 2.12: Gm áp điện(trái) và polymer áp điện. 14
Hình 2.13: Phân loi vật liệu áp điện PZT, PVDF phổ biến. 15
Hình 2.14: Tấm dán actuator LaRω-MFω (trái) và giày có th tích điện năm 1996
(giữa) và cặp đeo có dây đai áp điện năm β007. 15
Hình 2.15: (a) Mô tơ áp điện tuyến tính N215 (b) Bệ áp điện khiều khin vị trí theo
chiều dài nanomet. 16
Hình 2.16: Sữa chữa dầm bị phân lớp thông qua miếng áp điện (PZT). 17
Hình 2.17: Địa đim ca elip với sự xác định vùng nt. 18
Hình 2.18: Sự định hớng vết nt. 18
Hình 2.19:Sữa chữa vết nt ca dầm với điều kiện biên tổng hợp 19
Hình 2.20: Độ dc ca dầm bị nt trớc và sau sữa chữa 20
Hình 2.21: Sự tăng cng cho dầm bằng sử dụng vật liệu áp điện. 20
Hình 3.1: Các thành phần nội lực (Kirchoff). 23
Hình 3.2: Quan hệ giữa các góc xoay ca mặt trung hòa và đo hàm độ võng. 24
ix
Hình 3.3: composite lệch trục. 25
Hình 3.4: Hệ trục tọa độ vật liệu (1,2,3) và hệ qui chiếu chung(x,y,z). 29

Hình 3.5: Sự phân cực điện tích. 35
Hình 3.6: Mô hình tấm composite liên kết với miếng áp điện . 38
Hình 3.7: Lớp và hệ trục tọa độ ca lớp đơn. 39
Hình 3.8: phân tích nội lực ca tấm (Kirchoff). 42
Hình 3.9: Vật liệu đa lớp. 42
Hình 3.10: Momen un trên tấm composite lớp gây ra bi bộ kích hot 44
Hình 3.11: Sự phân b ng suất dọc theo độ dày ca tấm composite lớp 44
Hình 3.12 : ψộ kích hot áp điện đợc liên kết bề mặt trên tấm composite. 50
Hình 4.1: Mô hình miếng áp điện liên kết với tấm composite trên gi tựa đơn. 53
Hình 4.2 : ψa kích thớc khác nhau ca bộ kích hot áp điện PZT. 54
Hình 4.3: Mô t chuyn vị tấm composite có gắn miếng PZT ti tâm (center). 59
Hình 4.4: Ba vị trí khác nhau ca bộ kích hot áp điện PZT 100x80 mm. 60
Hình 4.5: Mô t chuyn vị ca tấm composite có gắn miếng PZT 63
Hình 4.6: Mô t chuyn vị ca tấm composite có gắn miếng PZT 63
Hình 4.7: Sơ đồ biu thị chuyn vị đim ti tâm mặt cắt miếng PZT. 64
Hình 4.8: Tấm composite (0/-45/45/45/-45/0) khi chịu ti phân b đều. 65
Hình 4.9a: Đồ thị độ võng theo đng OA ca tấm composite (0/-45/45/45/-45/0)
khi chịu ti phân b đều. 66
Hình 4.9b: Độ võng theo đng OA ca tấm composite (0/-45/45/45/-45/0) khi
chịu ti phân b đều[FEM). 66
Hình 4.10: Vị trí dán miếng PZT trên tấm composite (0/-45/45/45/-45/0). 67
Hình 4.11: Độ võng theo đng OA ca tấm composite (0/-45/45/45/-45/0) khi
chịu ti phân b đều 100N/m
2
và áp đặt  các mc điện thế khác nhau 67
Hình 4.12: Đồ thị độ võng theo đng OA ca tấm composite (0/-45/45/45/-45/0)
khi chịu ti phân b đều 100N/m
2
và áp đặt  các mc điện thế khác nhau 67

x
DANH SÁCH CÁC BNG
Bng Trang
Bng 1: Thuộc tính vật liệu composite (cacbon/epoxy) và PZT G 1195 53
Bng 2: So sánh chuyn vị lớn nhất ca tấm composite đợc gây ra bi các miếng
PZT với ba kích thớc khác nhau 59
Bng 3: Chuyn vị lớn nhất ca tấm composite đợc gây ra bi bộ kích hot
PZT ti ba vị trí khác nhau 64
Bng 4: Chuyn vị lớn nhất ca tấm composite đợc gây ra bi bộ kích hot
PZT với các điện áp khác nhau 64

xi
DANH MC CÁC KÝ HIU, CH VIT TT
1,2,3 Hệ trục chính ca lớp vật liệu
x,y,z Hệtrục chung ca tấm vật liệu composite lớp
u,v,w Các thành phần chuyn vị theo phơng x,y,z
u
0
,v
0
,w
0
Các thành phần chuyn vị theo các phơng x,y,z ca mặt trung bình tấm

x
, 
y
,
z
Các thành phần chuyn vị góc quanh các trục x,y,z

ɛ
x
,ɛ
y
,ɛ
z
Các thành phần biến dng dài theo các phơng x,y,z
k
x
,k
y
,k
z
Các thành phần độ cong theo các trục x,y,z
k
xy
,k
xz
,k
yz
Các thành phần độ cong trong các mặt phẳng xy, xz,yz

,


, 

Các thành phần ng suất pháp trong hệ tọa độ x,y,z

,



, 

Các thành phần ng suất tiếp trong hệ tọa độ x,y,z

1,

2
, 
3
Các thành phần ng suất pháp trong hệ trục tọa độ 1,2,3

12,

13
, 
23
Các thành phần ng suất tiếp trong hệ tọa độ 1,2,3
 Góc phơng sợi ca lớp vật liệu
h
k
Tọa độ bề mặt ca lớp vật liệu composite
t Chiều dày ca tấm vật liệu composite.
[C] Ma trận hằng s độ cng ca lớp vật liệu composite trong hệ tọa độ 1,2,3
[ω’] Ma trận hằng s độ cng ca lớp vật liệu composite trong hệ tọa độ x,y,z
[Q] Ma trận độ cng thu gọn ca lớp vật liệu compositetrong hệ tọa độ 1,2,3
[Q’] Ma trận độ cng thu gọn ca lớp vật liệu composite trong hệ tọa độ x,y,z
[A],[B] Ma trận độ cng m rộng
[D] Ma trận cng cho un

C Điện dung trên tấm dẫn điện
Q
1
Điện tích ràng buộc trên tấm dẫn điện
Q
2
Điện tích tự do trên tấm dẫn điện
E Điện trng đều
ẞ Mật độ điện tích phân b trên tấm
xii
ɛ
0
Hằng s điện môi chân không
ɛ
r
Hằng s điện môi tuyệt đi ca vật cách điện
P Sự phân cực
d32, d31 Hệ s dẫn np áp điện ca bộ kích hot
g
31,
g
33
Hệ s điện áp áp điện
k
31
, k
33
, k
p
,k

t
Hệ s liên kết điện cơ áp điện
e
31
, e
32
Hệ s điện môi ca vật liệu áp điện
c Ma trận độ cng ca vật liệu áp điện
T
x
ng suất ca vật liệu áp điện theo phơng x
T
y
ng suất ca vật liệu áp điện theo phơng y
S
x
Biến dng ca vật liệu áp điện theo phơng x
S
y
Biến dng ca vật liệu áp điện theo phơng y
C
E
Đề cập tới độ cng khi điện trng là hằng s
[d], [e], [g], [h] Ma trận hằng s áp điện
[R
T
], [R
S
]
K

Ma trận chuyn đổi quan hệ đến ng suất, biến dng
Φ Điện thế đợc áp vào bộ kích hot
E
pe
Hệ s modun đàn hồi ca vật liệu áp điện
V
pe
Hệ s poison ca vật liệu áp điện
P
mn
Ti trọng hắng s
W
mn
Hằng s chuyn vị


1
Chng1
M ĐU
1. Căs khoa học và thực tin
Ngày nay với sự phát trin ca khoa học kỹ thuật là yếu t quyết định cho sự
ra đi ca các thành tựu khoa học. Và những thành tựu này th hiện rõ trên mọi lĩnh
vực nói chung và trong ngành cơ học nói riêng. Trong đó sự xuất hiện các loi vật
liệu mới với công nghệ cao đư và đang mang li nhiều hiệu qu về kinh tế và nâng
cao tuổi thọ làm việc cho các máy móc nói chung và các chi tiết cơ khí nói riêng.
Vật liệu composite là vật liệu đư đợc con ngi sáng to và sử dụng từ rất
lâu. Nhẹ -chắc- bền- không gỉ, chịu đợc các yếu t tác động ca môi trng , đó là
những u đim ch yếu ca vật liệu composite. Sự ra đi ca vật liệu composite là
cuộc cách mng về vật liệu nhằm thay thế cho vật liệu truyền thông và ngày càng
đợc ng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tiên tiến trên thế giới: hàng

không, vũ trụ, đóng tàu, ô tô, cơ khí, xây dựng dân dụng và đợc sử dụng rộng rãi
trong đi sng hàng ngày.
Mặc dù, composite là loi vật liệu đư có từ lâu nhng các ngành khoa học về
vật liệu này li vô cùng non trẻ. Khoa học vật liệu composite mới đợc hình thành
gắn với sự xuất hiện đầu tiên ca nó trong công nghệ tên lửa  Mỹ vào những năm
1950 ca thế kỷ XX. ωho đến nay, ngành khoa học này đư phát trin vợt bậc
không chỉ  Mỹ, Nga mà còn  các nớc công nghiệp nh Anh, Pháp, Đc, Nhật
Bn,…
Nhng vấn đề cần đặt ra là làm thế nào đ xác định chính xác vị trí ca các vết
nt và phân tích ng xử cơ học ca chi tiết, kết cấu tấm composite lớp nhằm dự báo
kh năng làm việc hiện ti ca kết cấu đ có những gii pháp ngăn ngừa các h
hng có th xy ra khi mà vật liệu composite có rất nhiều đim khác biệt so với vật
liệu kim loi: nhẹ, độ bền riêng và modun riêng cao, độ cách nhiệt, cách âm tt và
cũng là loi vật liệu có tính dị hớng rất cao. Hơn nữa, độ bền và tuổi thọ ca các
kết cấu composite phụ thuộc vào các vật liệu thành phần, phơng pháp gia công, ti

2
trọng tác dụng, môi trng làm việc và đặc biệt vào cấp độ chính xác ca mô hình
tính toán và thiết kế.
Tất c những điều trên cho thấy cần phi có những mô hình cơ học xác thực,
những phơng pháp tính toán hiệu qu, chính xác nhằm phân tích sâu sắc ng xử cơ
học cũng nh độ bền ca các kết cấu tấm composite lớp khi chịu tác dụng ca ti
trọng và môi trng. Trong những thập niên gần đây các nhà khoa học không
ngừng nghiên cu đ đa ra các phơng pháp đ gii quyết một cách chính xác các
vấn đề về ng xử cơ học trên vật liệu composite lớp: M.W. Hyer đưPhân tích ng
suất trong vật liệu composite ct sợi, Tans.Cphân tíchsự tập trung ng suất trong
composite lớp.L.banks and D.shearman” Lý thuyết đàn hồi cho vật liệu không đẳng
hớng”. Levinson.M “ ωơ học thuyết đơn gin trong kết cấu tấm đàn hồi”.
Thiết bị áp điện (piezoelectic actuator) là thích hợp với kỹ thuật kết cấu với
những ng dụng đ điều khin hình dng, gim dao động và tiếng ồn. Cấu trúc

thông minh đợc tích hợp với bộ kích hot có kh năng đáp ng với sự thay đổi môi
trng và điều khin chuyn động ca cấu trúc. Gm áp điện là vật liệu thông dụng
nhất sử dụng trong cấu trúc thông minh và có th có sẵn trên bề mặt cấu trúc đ
quan sát trực tuyến hệ thng, hoặc đợc gắn vào trong cấu trúc mà không có sự thay
đổi đáng k độ cng cấu trúc hệ thng.
Tuy nhiên việc tính toán các ng xử trên vật liệu compsite lớp cũng gặp nhiều
khó khăn vì ng suất và biến dng trong tấm composite lớp không những phụ thuộc
vào lực tác dụng mà còn phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu đặc trng hình học và môi
trng làm việc ca kết cấu. Thêm vào đó, phân b ng suất trong vật liệu
composite lớp phc tp hơn nhiều so với vật liệu đẳng hớng.Việc phân tích ng
suất biến dng đòi hi ngi phân tích phi nằm vững lý thuyết về ng suất, biến
dng và các định luật quan hệ biến dng- ng suất. Nói một cách tổng quát, phơng
pháp sử dụng thng đa đến việc đo biến dng đ từ đó suy ra ng suất. Những
mi quan hệ ng suất- biến dng đư to thành ch đề ca các lý thuyết về đàn hồi và
chy dẻo.
Một mô hình tồn ti hai bộ kích hot áp điện đợc dán đi xng trên bề mặt
ca tấm composite lớp phụ thuộc vào điện áp. Đi tợng ca nghiên cu là đ phát

3
trin biu thc phân tích ng xử ca tấm mng đợc kích thích bằng cách dán
những bộ kích hot áp điện.
 Việt Nam, hớng nghiên cu về ng xử cơ học( mô phng s cũng nh thực
nghiệm) ca kết cấu composite áp điện còn mới mẻ và còn rất ít kết qu đợc công
b. xuất phát từ thực tế đó, đề tài: “Phân Tích ng Xử ωơ Học Ca Tấm Composite
Với Bộ Kích Hot Tinh Th Ễp Điện” đợc nghiên cu trong luận văn này, với
mong mun đóng góp vào việc xây dựng và phát trin lĩnh vực nghiên cu các vấn
đề cơ học ng dụng trên tấm composite  Việt Nam.
2. Mc tiêu và nhim v nghiên cu
Mục tiêu ca đề tài là dựa trên cơ s lý thuyết tấm, lý thuyết composite lớp,
vật liệu áp điện đ gii quyết vấn đề :”Phân tích ng xử cơ học ca tấm composite

với bộ kích hot bằng tinh th áp điện”. Làm thuật toán đ gii quyết bài toán
chuyn vị cho tấm nhằm điều khin chính xác, điều khin hình dng cho những chi
tiết dng tấm đ từ đó làm cơ s , tiền đề cho quá trình thực nghiệm, ng dụng vào
sn xuất.
Nhiệm vụ ca đề tài là thiết lập các hệ thc tấm biến dng, chuyn vị, ng
suất. Sau đó, viết chơng trình tính toán các đi lợng trên thông qua phơng pháp
chuỗi lợng giác kép-phơng pháp ca Navie đ phân tích đánh giá các ng xử cơ
học ca tấm composie lớp ct sợi khi chịu tác động ca bộ kích hot áp điện bằng
cách kho sát hai bộ kích hot áp điện dán trên bề mặt ca tấm composite . Điện
thế với độ lớn ging nhau và ngợc dấu nhau đợc áp dụng cho hai bộ kích hot áp
điện đi xng.
Với các gi thiết cơ bn về biến dng ca tấm mng, luận văn góp phần xây
dựng đợc các hệ thc quan hệ ng suất – biến dng cho phân t tấm composite có
dán miếng áp điện.
3. Đốiătng và phm vi nghiên cu
Đi tợng nghiên cu ca đề tài là: “phân tích ng xử cơ học ca tấm
composite với bộ kích hot bằng tinh th áp điện”. Mô hình bài toán và bài toán
thực tế gồm tấm composite lớp đợc dán hai lớp hoặc miếng áp điện lên trên bề mặt

4
ca tấm đ dự đoán chuyn vị ca tấm composite lớp với điện thế đợc kích vào hai
bn cực ca lớp áp điện và đ điều khin đợc chuyn vị ca tấm composite dới
tác dụng ca lực tác dụng ngoài. Phát trin biu thc phân tích ng xử ca tấm
mng đợc kích thích bằng cách dán những bộ kích hot áp điện.
Phm vi nghiên cu: Sử dụng phơng pháp ca Navie trong việc gii quyết các
vấn đề về xác định các ng xử cơ học trong vật liệu composite còn rất mới mẻ,
đồng thi cũng là những lĩnh vực rộng lớn. Do vậy, giới hn ca đề tài chỉ thực hiện
trên các chi tiết đin hình và trong khuôn khổ cơ học đàn hồi tuyến tính.
4. Phngăphápănghiênăcu:
Nghiên cu, phân tích lý thuyết dựa trên việc tham kho, tìm kiếm các bài báo

và các tài liệu trong nớc và quc tế có liên quan đến vật liệu composite và vật
liệu áp điện . Với việc gii quyết hai vấn đề chính:
- Vấn đềth nhất: Xác định các quan hệ cơ bn ca vật liệu dị hớng.
- Vấn đề th hai: Nghiên cu ng xử đàn hồi ca vật liệu dị hớng đ từ đó
tìm ra các ng xử cơ học trong tấm vật liệu composite với bộ kích hot tinh
th áp điện.
5. Kt cu ca lunăvĕnătốt nghip
Đề tài “phân tích ng xử cơ học ca tấm composite với bộ kích hot bằng
tinh th áp điện” gồm có 5 chơng và phần phụ lục.
- ωhơng 1: M đầu
- ωhơng 2: Tổng quan
- ωhơng γ: ωơ s lý thuyết
- ωhơng 4: Kết qu và tho luận
- ωhơng 5: Kết luận và kiến nghị
- Tài liệu tham kho
- Phụ lục 1
- Phụ lục 2



5
Chngă2
TNG QUAN
1. Giiăthiuăvềăvtăliuăcomposite
1.1 Kháiănim:
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều loi vật liệu khácnhau.
Vật liệu mới đợc to thành có tính chất u việt hơn nhiều so với từng loivật liệu
thành phần riêng rẽ. Về mặt cấu to, vật liệu composite bao gồm một haynhiều pha
gián đon phân b đều trên một pha nền liên tục. Nếu vật liệu có nhiềupha gián
đon ta gọi là composite hổn tp. Pha gián đon thng có tính chất trộihơn pha liên

tục.
Pha liên tục gọi là nền (matrice). Pha gián đon gọi là ct hay vật liệu
giacng (reenforce).

Hình 2.1: Sơ đồ minh họa cấu to composite.
1.2 LchăsăhìnhăthƠnhăvƠăphátătrin
Những vật liệu đơn gin đư có từ rất xa xa. Khong 5000 năm trớc công
nguyên, con ngi đư biết trộn những viên đá nh vào đất trớc khi làm gch đ
tránh bị cong vênh sau khi phơi nắng, và đin hình về composite chính là hợp chất
đợc dùng đ ớp xác ca ngi Ai Cập.Ngi Hy Lp cổ cũng biết lấy mật ong
trộn với đất đá, cát si làm vật liệu xây dựng. và  Việt Nam, ông cha ta ngày xa
đư truyền li cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nh đ trát vào vách nhà, khi
khô to đợc lớp vật liệu cng, mát vào mùa hè và ấm vào mùa đông…
Mặc dù composite là loi vật liệu đư có từ rất lâu, nhng ngành khoa học về
vật liệu composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế to
tên lửa  Mỹ từ những năm 1950. Từ đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu

6
composite đư phát trin trên toàn thế giới và thuật ngữ vật liệu mới ngày nay đồng
nghĩa với vật liệu composite.

Hình 2.2: Nhà bằng tng rơm và đất sét.
Ngày nay trên thế giớivật liệu composite đợc sử dụng rộng ritừ các kiến trúc
xây dựng nh cầu đng, nhà cao tầng, các phơng tiện di chuyn nh phi cơ, tàu
thy,ô tô đến những vật gia dụng bình thng nh bàn ghế, bồn tắm, sàn nhà….
Những chiếc du thuyền hiện đi có thân tàu làm từ composite sợi thy tinh,cánh ca
các máy bay hng nhẹ và thậm chí ca các chiến đấu cơ là composite sợi carbon.
 Việt Nam đ sn xuất các loi vật liệu composite sợi thy tinh FRP
(Fiberglass Reinforced Polymer) thì có th sn xuất ít nhiều các loi nhựa nền, còn
sợi thuỷ tinh làm ct sợi gia cng thì hoàn toàn phi nhập khẩu. Có th khẳng

định, thực tế trong c nớc cho đến nay vẫn cha có nhà máy nào sn xuất đợc các
loi vật liệu này. C nớc chỉ có nhà máy xi măng trắng Thái Bình, công suất
25.000 tấn/năm.Vật liệu composite nhựa ct sợi thuỷ tinh (Fiberglass Reinforced
Plastic - FRP) mới đợc đa vào sử dụng không lâu nhng đư nhanh chóng đợc
chấp nhận. Đin hìnhlà các dự án đư sử dụng ng FRP nh Nhà máy nớc Dung
Quất (30.000 m
3
/ ngày), Nhà máy nớc khu công nghiệp Phi A (20.000 m3/ ngày),
đặc biệt là đng ng cấp nớc dài trên 80 km từ hồ Sông Đà về Hà Nội (600.000
mγ/ ngày),… tất c các dự án này đều sử dụng sn phẩm ca Công ty Cổ phần ng
sợi thuỷ tinh Vinaconex (Viglafico). Chính vì vậy việc nghiên cu và chế to các
loi vật liệu tiên tiến, đặc biệt là vật liệu composite sợi thy tinh là một yêu cầu cần
thiết.


7
1.3 Thành phn và cu to vt liu composite
Nhìn chung mỗi vật liệu composite đợc to thành gồm một hay nhiều pha
gián đon đợc phân b trong một pha liên tục duy nhất. Pha liên tục đợc gọi là
vật liệu nền (vật liệu kết dính) làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đon li. Pha gián
đon gọi là ct ca composite phi thõa mưn đợc những đòi hi về khai thác và về
công nghệ. Đòi hi về khai thác là những đòi hi nh yêu cầu về độ bền, độ cng,
khi lợng riêng, độ bền trong một khong nhiệt độ nào đó, độ bền ăn mòn trong
môi trng axit, kiềm. Còn đòi hi về công nghệ là những đòi hi về kh năng công
nghệ đ sn xuất ra những thành phần ct và những vật liệu composite trên cơ s sử
dụng những ct này.
Vật liệu composite thng gồm nhiều lớp, các lớp đợc dính li với nhau đ
to thành tấm, trong một lớp có th gồm nhiều sợi ngắn và sợi dài xếp song song
với nhau. Trong vật liệu composite, thành phần chịu lực chính là ct, nền có nhiệm
vụ liên kết, bo vệ và truyền ti trọng cơ học cho ct.

Hình 2.3: Cấu to ca vật liệu composite lớp.
Thành phần ct ca composite gồm có 9 loi thng dùng là các sợi ngắn, các
sợi dài đơn, các dng sợi tết ( đợc xoắn gồm nhiều loi sợi với nhau): sợi thy tinh,
sợi cacbon hoặc sợi kim loi, mỗi loi sợi có tính năng u đim, khuyết đim và
hiệu qu riêng. Độ bền ca vật liệu composite phụ thuộc vào hình thc sắp xếp sợi
và s lợng sợi đợc sử dụng. Sợi đợc gộp thành tao sợi , mỗi tao sợi có khong
100 sợi, những to sợi này đợc gộp li thành nhiều lọn. Nếu những lọn này đợc
se li ngi ta gọi là chỉ sợi, những lọn này to ra sự tăng cng độ bền theo một
chiều. Nếu mun tăng cng độ bền theo hai chiều ngi ta sẽ dùng chỉ sợi dệt
thành vi. Trên thực tế, thành phần ct luôn chiếm không quá 60 - 65% th tích vật

8
liệu composite. Theo tính toán, nếu thành phần ct chiếm quá liều lợng trên giữa
chúng sẽ ny sinh tuơng tác dẫn đến sự tập trung ng suất làm gim sc bền ca vật
liệu.

Hình 2.4: Một s loi ct cấu to composite
Chất liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế to ra vật liệu
composite. Vì vậy nên phi đm bo đợc cho vật liệu composite làm việc trong
những điều kiện khai thác khác nhau, đm bo đợc sự đồng đều trong quá trình
làm việc, hiệu qu giữa các thành phần ct với các dng đặt ti khác nhau, bền vững
khi chịu ti trợt, hoặc chịu ti  những hớng lệch với hớng ca các dầm ct
hoặc chịu ti tuần hoàn. Bn thân vật liệu nền sẽ xác định vật liệu composite mới
to ra chịu đợc đến nhiệt độ nào và cũng quyết định kh năng chịu đựng các tác
động môi trng, hóa học. Và một phần tính chất cơ học vật lý và những đặc tính
khác ca vật liệu nói chung. Chính vì vậy vật liệu nền có vai trò quan trọng nh
vậy, nên ngoài cách phân loi nh cấu trúc ngi ta còn gọi composite theo vật liệu
nền: vật liệu composite nền polyme, vật liệu composite nền kim loi, vật liệu
composite nền cacbon, vật liệu composite nền gm…

Hình 2.5: Các loi chất liệu nền composite
a) Nền kim loi b) Nền cacbon

1.4 Phân loi vt liu composite

9
1.4.1 Phân loi theo hình dng
Composite sợi, composite vy, composite ht, composite điền đầy,composite
phiến.

Hình 2.6: a) composite ht, b) composite sợi, c) composite phiến, d)composite vy,
e) composite đổ đầy.
1.4.2 Phân loi theo bn cht và vt liu thành phn
- Composite nền hữu cơ: nền là nhựa hữu cơ, ct thng là sợi hữu cơ hoặc
sợi khoáng hoặc sợi kim loi.
- Composite nền kim loi: nền là các kim loi nh titan, nhôm, đồng, ct
thng là sợi kim loi hoặc sợi khoáng nh ψ, ω, Siω.
- Composite nền gm: nền là các loi vật liệu gm, ct có th là sợi hoặcht
kim loi hoặc cũng có th là ht gm.
1.5 Các ng dng ca vt liu composite
Vật liệu composite đư có một lịch sử ng dụng khá lâu và ngày nay loi vật
liệu này đợc sử dụng hầu hết trong tất c các lĩnh vực:
- Trong xây dựng: ngi ta ch yếu dùng composite nền hữu cơ nh ng dẫn
dầu khí, tấm lợp, pannel vách ngăn, kênh thoát hóa chất, lớp ph van công trình
thy lợi, gm đệm m cầu,…
- Trong chế to máy: sử dụng composite polyme đ chế to thanh truyền và
piston, khớp ni, đĩa phanh máy bay concord, khuôn đúc áp lực, các chi tiết chịu
lực, chịu ma sát, sn xuất khung xe oto, v tàu, thuyền du lịch, thuyền đánh cá,…
composite sợi gm, sợi cacbon đợc dùng đ chế to các chi tiết làm việc  nhiệt độ
cao; trục đệm cánh qut tuabin, máy biến nớc bin thành nớc ngọt….

10
- Đặc biệt trong ngành hàng không vũ trụ do yêu cầu các khí cụ bay và các vật
th bay cần độ bền cao và trọng lợng nhẹ nên composite đợc dùng đ chế to
thân, v máy bay vận ti, ghế hành khách, và một s chi tiết khác.


Hình 2.7: Một s sn phẩm đợc chế to từ vật liệu composite.
uăđim ca vt liu composite:
- Kh năng chế to từ vật liệu này thành các kết cấu sn phẩm theo những yêu
cầu kỹ thuật khác nhau
- Kh năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn ca vật liệu trong điều kiện khắc
nghiệt ca môi trng.
- Kh năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi
rng và d lắp đặt, có độ bền riêng, các đặc trng đàn hồi cao, bền vuwngx với sự
ăn mòn hóa học ca môi trng, độ dẫn nhiệt dẫn điện thấp.
- Khi chế to  một nhiệt độ và áp suất nhất định đợc các th pháp công
nghệ, thuận lợi cho quá trình sn xuất.
Nhcăđim
- Giá thành còn cao.
- Độ bền va đập kém.
- ωhất lợng vật liệu phụ thuộc vào tay nghề công nhân.
- Vệ sinh công nghiệp kém.

11
- ωhất thi khó xử lý.
2. Giiăthiuăvềăvtăliuăápăđin.
2.1 Khái nim về hinătngăápăđin
Hiện tợng áp điện xy ra nh sau: ngi ta tìm đợc một loi chất có tính
chất hóa học gần ging gm (ceramic) và nó có hai hiệu ng thuận và nghịch nhng

khi áp vào nó một trng điện thì nó biến đổi hình dng và ngợc li khi dùng lực
cơ học tác động vào nó thì nó to ra dòng điện. Nó nh một máy biến đổi trực tiếp
từ năng lợng điện sang năng lợng cơ học và ngợc li. Nếu nh theo chiều hớng
thuận, có nghĩa là tác dụng lực lên vật thì sẽ sinh ra điện và ngợc li là áp điện
nghịch : tác động hiệu thế vào vật thì sẽ sinh ra công biến dng làm biến đổi lực.
Vật liệu áp điệnđợc cấu to bi ba yếu t PZT ( chì Pb, zorconi, titan ) sẽ có tính
chất áp điện. ( VD: thch anh ).


Hình 2.8 : Hiện tợng áp điện
2.2 Lch s hình thành và phát trin vt liuăápăđin
Vào năm 1880 hai anh em nhà Pierre và Jacques ωurie đư lần đầu tiên công
b hiện tợng áp điện. Họ đư thợc hiện các thí nghiệm khác nhau về tinh th ca
vật liệu áp điện nh là tinh th ca khoáng tua-ma-lin,đng mía,hoàng ngọc,thách
anh, và mui Rochelle. Các tinh th ca các chất này đư to ra điện tích bề mặt khi
chịu các lực cơ học, nên tinh th áp điện có hai hiệu ng là hiệu ng áp điện thuận
và hiệu ng áp điện nghịch. Hiệu ng áp điện thuận đợc định nghĩa nh sự phân
cực điện sn xuất bi sự biến dng cơ học trong tinh th thuộc lớp nhất định. Hiệu
ng áp điện nghịch là khi 1 tinh th bị biến dng khi có sự phân cực điện bằng 1
lợng tỷ lệ với trng điện (hình 2.9, hình 2.10).
Lực tác động
Điện áp thay đổi
Trớc biến dng
Sau biến dng

12

Hình 2.9: Sự biến dng ca tinh th áp điện.

Hình 2.10: Sự tơng tác cơ điện ca vật liệu áp điện.

Hội đồng khoa học thi bấy gi đư đặt tên ca hiện tợng này là “áp điện” đ
nhấn mnh ý nghĩa ca quá trình ng sử này. Trong tiếng Hy lp thì từ “áp ” có
nghĩa là “nhấn”. Do đó áp điện là vật liệu khi ta nhấn vào nó một lực nhất định đt
đến giới hn sinh điện thì nó sinh ra một điện thế tơng ng. Thuật ngữ này giúp
cho nó có th phân biệt với các hiện tợng khác nh là nhiệt điện hóa điện…
Mặc dù anh em nhà ωurie đư khám phá ra hiện hiện tợng áp điện nhng đó chỉ là
hiện tợng áp điện thuận, khi tác dụng lực vào vật liệu thì phát ra dòng điện, tuy
nhiên họ đư không khám phá ra hiện tợng áp điện ngợc. Sau đó vào năm 1881
Lippmann đư tìm ra hiện tợng áp điện ngợc thông qua các định luật cơ bn ca
nhiệt động lực học.
Việc khám phá ra hiện tợng áp điện to ra cuộc cách mng vật liệu mới lang
rộng khắp ωhâu Âu và sau đó đợc nghiên cu mnh mẽ trong sut hơn γ0 năm sau
đó trong khong chiến tranh thế giới th nhất. Việc nghiên cu hiện tợng áp điện
sau này đợc xem nh là hot động khoa học chính thc với ý nghĩa thực tin.
ωũng trong thi kỳ này các nhà khoa học ch yếu nghiên cu về quá trình chuyn
hóa năng lợng thuận nghịch ca hiện tợng này và tính bất đi xng ca mng tinh
th áp điện tự nhiên với việc sử dụng các phơng trình động lực học.

13
2.3 Phân loi vt liuăápăđin
Trong s các vật liệu áp điện nh: thch anh, Bari Titan Ôxít (BaTiO3), Chì
Titan Ôxít (PbTiO3),Cadium Sunphat (CdS), Chì Zitricona Titan Ôxít (PZT), Chì
Lantan Ziriconat Titan Ôxít (PLZT), Chì magie nobat (Pb[Mg1/3Nb2/3]O3),
polyme polyvinylidene fluoride (PVDF) thì gm áp điện là loi vật liệu có độ giòn
cao và có tính cơ điện tt so với các polyme áp điện khác. Phần này phân loi các
loi vật liệu áp điện. Vật liệu áp điện đợc phân thành các loi sau: vật liệu có mng
tinh th đơn, gm áp điện, polyme áp điện, composite áp điện, tấm mng áp điện.
 Vt liu có mng tinh th đn
Vật liệu có mng tinh th đơn bao gồm thch anh, liti nibonat (LiNbO
3

) và
liti tanali (LiTaO
3
) hình 2.11. ωhúng đợc sử dụng rộng r trong khoa học kỹ thuật
hiện đi. Chúng có mng tinh th đơn và có thuộc tính khác nhau theo các phơng
khác nhau k c tính chất ca truyền sóng trong vật liệu. Các vật liệu này đợc sử
dụng ch yếu trong thiết bị ổn định tần s dao động và thiết bị thu âm.

Hình 2.11: Tinh th áp điện
 Gốmăápăđin
Gm áp điện là một loi vật chất mà tinh th ca nó có cha pherophit. Mỗi
tinh th gồm có một ion kim loai hóa trị 4 nằm bên trong lới ion kim loi hóa trị
hai ôxy hình 2.11





14
 Ploymersăápăđin
ωác polymer nh polypropylene, polystyrene, poly (methyl methacrylate)
và vinyl acetate cũng có tính chất ca vật liệu áp điện. Tuy nhiên, hiệu ng áp điện
xy ra mnh mẻ hơn hết là loi polymer polyvinylidene fluoride (PVDF or PVF2).
Kết cấu phân tử ca PVDF có cha mch lặp (-CF
2
-CH
2
-)
n
. Sự phân cực ca

polymer này có th vĩnh cửu là do kỹ thuật xử lý gồm có kéo giàn và sự ghép lớp
ca các lớp phân cực với nhau to thành khi. Những loi polymer áp đin này
thng đợc sử dụng làm microphone và các ng dụng trong siêu âm hình 2.12.

Hình 2.12: Polymer áp điện .
 Compositeăápăđin
ωomposite áp điện là sự kết hợp ca gm áp điện và polymer áp điện là vật
liệu mang tính ha hẹn trong lơng lai do nó kết hợp thuộc tính cng ca gm và
tính dẽo dai ca polymer. Loi vật liệu này có nhiều u đim, bao gồm hệ s liên
kết cao, kh kháng âm thanh thấp, mền dẻo về cơ tính. ωhúng đặc biệt đợc sử
dụng trong thiết bị phát hiện tàu ngầm và thiết bị chuyn đổi sóng siêu âm trong
chuẩn đoán y học (hình 2.13).
 MƠnăápăđin mỏng
Zinc oxide (ZnO) và aluminum nitride (AlN) là các hợp chất có cấu trúc
Wurtzite.ZnO có th liên kết áp điện và nó đợc sử dụng trong các thiết bị âm thanh
là chính và các thiết bị SAW.

15

Hình 2.13: Vật liệu áp điện PZT, PVDF phổ biến (composite và màng mng).
2.4 Các ng dng ca vt liuăápăđin
Sau γ0 đợc khám phá trong khong chiến tranh thế giới th 1 vật liệu này đợc
nghiên cu một cách mnh mẽ [13]. ng dụng chín đầu tiên ca vật liệu áp điện là
thiết bị dò tìm dới mặt bin bằng sóng siêu âm, thiết bị này đợc chế to và phát
trin bi Paul Langevin và đồng nghiệp  Pháp. Và sau này đợc m rộng qua
nhiều ng dụng khác nửa, sau đây là một vài ng dụng tiêu biu

Hình 2.14: Tấm dán actuator LaRω-MFC (trái) và giày có th tích điện năm 1996
(giữa) và cặp đeo có dây đai áp điện năm β007(phi).
Thông qua bộ phận tích điện đặt  gót giày (hình β.14, giữa) thì năng lợng đợc

lu trữ và có th đợc sử dụng đ chiều sáng thay cho đèn phin có công suất thấp.
Hệ thng này đợc cấu to từ tấm áp điện mng PVDF.
Khi đeo cặp (hình β.14, phi) này thông qua việc đi bộ làm co giưn dây đeo sinh ra
dòng điện. Dòng điện này đợc tích li trong pin và đợc dụng đ xc pin cho thiết
bị iPod.

16

Hình 2.15: (a) Mô tơ áp điện tuyến tính Nβ15 (b) ψệ áp điện khiều khin vị trí theo
chiều dài nanomet.
uăđim ca loi vt liuăápăđiên(ăcm bin, b kích hot):
- Cấu trúc đơn gin,
- Kích thớc nh,
- Độ tin cậy cao,
- Có kh năng đo các đi lợng biến thiên nhanh.
Nhcăđim ca loi vt liuăápăđin ( cm bin, b kích hot)
- Độ biến dng ca phần tử áp điện rất nh (0.1% kích thớc vật liệu áp
điện).
- Giá thành tơng đi đắt.
3. Tng quan về tình hình nghiên cuătrongăvƠăngoƠiănc
3.1Tình hình nghiên cuănc ngoài
Tình hình nghiên cu về sự tơng tác đa trngca vật liệu áp điện trên thế
giới hiện nay đang phát trin rất mnh. Đặc biệt là  các nớc phát trin nh : Đc,
Nhật, Mỹ,…
 Wang và Quek (2002) [15] đư trình bày mô hình đơn gin nh hình β.16 đ
sửa chữa dầm bị phân lớp phụ thuộc vào ti trọng tập trung thông qua việc sử dụng
miếng áp điện. Thuộc tính vật liệu và thông s hình học ca dầm bị phân lớp đợc
ký hiệu với E là modun đàn hồi ca dầm, T là chiều rộng, H là độ dày, t là chiều dày
ca phần trên phân lớp và a là chiều dài ca vùng phân lớp. Quá trình phân tích chỉ
ra rằng khi dầm chịu ti trọng từ bên ngoài lực P thì sự phá hy do biến dng trợt

gây ra ti hai đầu ca vùng phân lớp với ng suất cắt là không liên tục.

17

Hình 2.16: Sữa chữa dầm bị phân lớp thông qua miếng áp điện (PZT).
Wang và Quek đư trình bày phơng pháp sửa chữa sự phân lớp ca dầm thông
qua miếng áp điện đ loi b ng suất cắt không liên tục ti hai đầu ca vùng phân
lớp, nhằm cân bằng với lực dọc trục gây ra trong dầm bị phân lớp khi un bằng
cách to ra phn lực thông qua miếng áp điện với độ dày h
p
và L
p
đợc dán vào dầm
(hình 2.16).
u đim ca công trình nghiên cu này là:
+ Sữa chữa vết nt đơn gin, gọn, ít tn công sc, thi gian,… so với các
phơng pháp khác nh thay thế, vá, tăng cng cho vùng bị nt.
+ Quan sát, kim tra đợc tình trng làm việc ca cấu trúc chính (dầm,
tấm, ).
 Đ phát hiện các khiếm khuyết (rỗ, vết nt…) trong một cấu trúc tấm,
dầm…, đ định hớng và xác định vị trí, mc độ tổn thất ca nó nên Tua và đồng
nghiệp [11] đề xuất một phơng pháp hình elip đ xác định vị trí khiếm khuyết có
th xuất hiện trên tấm (hình 2.17). Xét hình elip với PZT1 và PZTγ nh trọng tâm,
tổng các khong cách từ vết nt bất kỳ trên hình elip với hai trọng tâm là hằng s và
bằng với đng kính lớn ca elip.

18
Hình 2.17: Địa đim ca elip với sự xác định vùng nt.
u đim ca công trình nghiên cu này cho kết luận là:
+ Xác định chính xác vị trí ca vết nt từ các gii pháp vô hn đợc cung

cấp bi một hình elip, tín hiệu từ cặp thiết bị truyền động / cm biến ti các vị trí
khác nhau cần phi đợc sử dụng. Điều này sẽ cho phép nhiều hình elip đợc xây
dựng và giao nhau giữa chúng sau đó sẽ cung cấp vị trí ớc tính ca các vết nt. Ti
thiu là ba elip cung cấp một ớc tính rõ ràng về vị trí, nh minh họa trong hình
2.17.
+ Xác định các định hớng và độ chính xác mc độ thiệt hi ca vết nt,
phơng hớng với hai PZT đợc đặt thẳng hàng với vị trí vết nt đợc xác định 
các vị trí khác nhau, nh minh họa trong hình 2.18.

Hình 2.18: Sự định hớng vết nt.
 Trong vài thập kỷ qua, phơng pháp sữa chữa cấu trúc dùng vật liệu áp điện
là một quy trình bo trì cấu trúc hiệu qu, đ chúng tr li chc năng bình thng