nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon epoxy và glass epoxy
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.4 MB, 70 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
--------------
NGUYỄN HỮU TRUNG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
THIẾT BỊ TẠO MẪU THỬ COMPOSITE DẠNG BĂNG
TẨM CARBON/EPOXY VÀ GLASS/EPOXY
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: KỸ THUẬT TÀU THỦY
Khánh Hòa, năm 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
--------------
NGUYỄN HỮU TRUNG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
THIẾT BỊ TẠO MẪU THỬ COMPOSITE DẠNG BĂNG
TẨM CARBON/EPOXY VÀ GLASS/EPOXY
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: KỸ THUẬT TÀU THỦY
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
TS. PHẠM THANH NHỰT
Khánh Hòa, năm 2015
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên : Nguyễn Hữu Trung
MSSV
: 53131898
Khoa
: Kỹ thuật giao thông
Lớp
: 53 KTTT
Ngành : Kỹ thuật tàu thủy
Tên đề tài : " Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử
composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy "
Số trang :
56
Số chương :
4
Số tài liệu tham khảo : 11
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Kết luận:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Nha Trang, ngày….tháng….năm 2015.
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)
TS. Phạm Thanh Nhựt
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên : Nguyễn Hữu Trung
MSSV
: 53131898
Lớp
: 53 KTTT
Khoa
: Kỹ thuật giao thông
Ngành : Kỹ thuật tàu thủy
Tên đề tài : " Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử
composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy "
Số trang :
56
Số chương : 4
Số tài liệu tham khảo : 11
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Đánh giá chung:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
ĐIỂM CHUNG
Nha Trang, ngày….tháng….năm 2015.
CÁN BỘ PHẢN BIỆN
Bằng số
Bằng chữ
(Ký và ghi rõ họ tên)
ĐỀ CƯƠNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử
composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy.”
Nghành:
Kỹ thuật tàu thủy.
Giáo viên hướng dẫn:
TS. PHẠM THANH NHỰT.
Sinh viên thực hiện:
NGUYỄN HỮU TRUNG.
Mã số sinh viên:
53131898.
Lớp:
53KTTT.
Đại chỉ:
8B Nguyễn Đình Chiểu- Nha Trang-Khánh Hòa.
Số điện thoại:
01683960291.
Thời gian hoàn thành đề tài cho phép: Từ ngày 2-2-2015 đến ngày 15-6-2015.
I. ĐỐI TƯỢNG MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.
1. Đối tượng nghiên cứu.
- Vật liệu composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy.
- Thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm theo phương pháp thủ công.
2. Mục tiêu nghiên cứu.
- Thiết kếvà chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm
carbon/epoxy và glass/epoxy bằng phương pháp thủ công.
3. Phạm vi nghiên cứu.
- Nghiên cứu chế tạo thiết bị, và mẫu thử bằng phương pháp thủ công trong phòng thí
nghiệm.
II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.
Chương 1: Đặt vấn đề
1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu.
1.2. Mục tiêu đối tượng và phương pháp nghiên cứu.
1.3. Nội dung nghiên cứu.
Chương 2: Tính toán, thiết kế thiết bị.
2.1. Yêu cầu kinh tế kỹ thuật.
2.2. Tính toán thiết kế.
Chương 3: Chế tạo thử nghiệm thiết bị và mẫu thử.
3.1. Chế tạo thử nghiệm thiết bị.
3.2. Chế tạo mẫu thử.
3.3. Đánh giá kết quả.
Chương 4: Kết luận và kiến nghị.
4.1. Kết luận.
4.2. Kiến nghị.
III. KẾ HOẠCH VÀ THỜI GIAN HOÀN THÀNH.
Nghiên cứu tài liệu và lập đề cương chi tiết cho đồ án: Từ ngày 2-2-2015 đến
ngày 10-2-2015.
Trình bản thảo chương 1: Đặt vấn đề. Từ ngày 10-2-2015 đến ngày 5-3-2015.
Trình bản thảo chương 2: Tính toán thiết kế thiết bị.+ Bản vẽ thiết kế thiết bị.Từ
ngày 5-3-2015 đến ngày 5-4-2015.
Trình bản thảo chương 3:Chế tạo thử nghiệm thiết bị và mẫu thử. + Sản phẩm
chế tạo và kết quả thử nghiệm.Từ ngày 5-4-2015 đến ngày 6-5-2015.
Trình bản thảo chương 4: Kết luận và kiến nghị. Từ ngày 6-5-2015 đến ngày 66-2015.
Nộp đồ án và kết quả thực hiện trước ngày 15-6-2015.
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ giáo
viên hướng dẫn là TS. Phạm Thanh Nhựt. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong
đề tài này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào trước
đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá
được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong phần tài liệu tham
khảo. Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá, kết quả cũng như số liệu
của các tác giả, cơ quan tổ chức khác, và cũng được thể hiện ở phần tài liệu tham khảo.
Nếu có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về kết quả đồ
án tốt nghiệp của mình.
Khánh Hòa, ngày 15 tháng 06 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hữu Trung
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN. ............................................................................................................ i
MỤC LỤC. ......................................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU. ........................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ. ................................................................................................. v
LỜI NÓI ĐẦU. ..............................................................................................................vii
CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ ...........................................................................................1
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU....................................................... ...1
1.1.1. Giới thiệu về vật liệu composite. .................................................................... 1
1.1.1.1. Giới thiệu chung. .................................................................................... 1
1.1.1.2. Phân loại, cấu tạo và ứng dụng vật liệu composite................................. 2
1.1.2 Composite dạng băng tẩm và phương pháp chế tạo. ...................................... 3
1.1.2.1. Khái niệm về composite dạng băng tẩm. ................................................. 3
1.1.2.2. Đặc tính cơ học vật liệu composite dạng băng tẩm. ................................. 4
1.1.2.3. Phương pháp chế tạo mẫu composite dạng băng tẩm bằng nồi hấp tiêu
chuẩn. ................................................................................................................... 6
1.2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................ 7
1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. ...................................................................... 7
1.2.2. Đối tượng nghiên cứu của đề tài. .................................................................... 7
1.2.3. Phương pháp nghiên cứu. ............................................................................... 7
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. .................................................................................. 8
CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ ...................................................... 9
2.1. YÊU CẦU KINH TẾ - KỸ THUẬT. .................................................................... 9
2.1.1. Yêu cầu kinh tế. ............................................................................................. 9
2.1.2. Yêu cầu kỹ thuật. ........................................................................................... 9
2.2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ. ..................................................................................... 9
2.2.1. Xây dựng mô hình thiết bị. ................................................................................... 9
2.2.2. Chọn vật liệu chế tạo. .................................................................................. 10
2.2.3. Tính chọn thiết bị gia nhiệt tạo nhiệt độ. ..................................................... 12
2.2.3.1. Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật điện nhiêt. ................................................. 12
2.2.3.2. Tính chọn điện trở theo phương pháp trực tiếp. ................................... 13
2.2.3.3. Tính chọn điện trở theo phương pháp nung nóng gián tiếp.................. 16
iii
2.2.3.4. Lựa chọn cảm biến nhiệt và vật liệu cách nhiệt. ................................ 20
2.2.4. Tính chọn thiết bị nén tạo áp lực. ................................................................ 22
2.2.4.1. Các thông số hình học của lo xo xoắn ốc chịu nén............................... 22
2.2.4.2. Lựa chọn và tính toán lò xo nén. .......................................................... 24
2.2.4.3. Tính chọn trục vít đai ốc để tạo lực nén. .............................................. 27
3.1. CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ. ............................................................... 31
3.1.1. Công tác chuẩn bị. ....................................................................................... 31
3.1.1.1. Chuẩn bị nguyên vật liệu. ..................................................................... 31
3.1.1.2. Chuẩn bị bản vẽ. ................................................................................... 31
3.1.2.1. Quy trình chế tạo cốt và tấm ép. ........................................................... 32
3.1.2.2. Quy trình chế tạo phần vỏ thiết bị. ....................................................... 35
3.1.2.3. Kiểm tra. ............................................................................................... 42
3.2. CHẾ TẠO MẪU THỬ. ........................................................................................ 43
3.2.1. Công tác chuẩn bị. ....................................................................................... 43
3.2.2. Quy trình chế tạo mẫu thử. .......................................................................... 43
3.2.3. Thử nghiệm mẫu. ......................................................................................... 45
3.2.3.1. Quy định về mẫu thử theo tiêu chuẩn ISO R 527. ................................ 45
3.2.3.2. Chế tạo mẫu thử tiêu chuẩn. ................................................................. 46
3.2.4. Kết quả thử nghiệm...................................................................................... 49
CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. ............................................................ 52
4.1. KẾT LUẬN. ......................................................................................................... 53
4.2. KIẾN NGHỊ. ........................................................................................................ 53
4.2.1. Kiến nghị sử dụng thiết bị. .......................................................................... 53
4.1.1.1. Thời gian làm việc. ............................................................................... 53
4.1.1.2. Kiểm tra hệ thống thiết bị chế tạo mẫu composite. .............................. 53
4.1.1.3. Bảo dưỡng và vệ sinh thiết bị. .............................................................. 53
4.2.2. Những hạn chế của thiết bị. ......................................................................... 54
4.2.3. Đề xuất. ........................................................................................................ 54
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 55
iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tính chất cơ lý của một số sợi tổng hợp. .............................................................. 4
Bảng 2.1. Các chi tiết của thiết bị. ...................................................................................... 10
Bảng 2.2. Độ nở dài và nở khối của một số vật liệu. ......................................................... 11
Bảng 2.3. Thành phần hóa học và cơ tính của một số thép chế tạo máy.(%) .................... 11
Bảng 2.4. Cơ tính của một số thép chế tạo máy. ................................................................ 11
Bảng 2.5. Mật độ công suất truyền tải của dây đốt kín. ..................................................... 18
Bảng 2.6. Cơ tính vật liệu lò xo là thép carbon phụ thuộc đường kính dây d,(d 8mm). .. 24
Bảng 2.7. Cơ tính của các loại thép lò xo. .......................................................................... 25
Bảng 2.8. Chỉ số lò xo ........................................................................................................ 25
Bảng 2.9. Giá trị áp suất cho phép...................................................................................... 28
Bảng 2.10. Giá trị hệ số đai ốc và ren. ............................................................................... 29
Bảng 3.1. Các thông số của mẫu thử. ................................................................................. 49
Bảng 3.2. Kết quả thử nghiệm mẫu. ................................................................................... 49
Bảng 3.3. Giá trị ứng suất và modul đàn hồi trung bình của mẫu. ..................................... 51
v
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Composite dạng băng tẩm. ................................................................................... 3
Hình 1.2. Lò hấp sử dụng trong chế tạo mẫu composite. ..................................................... 6
Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo hệ thống thiết bị. .......................................................................... 10
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện trở trực tiếp. ........................................ 14
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý của tấm điện trở. ...................................................................... 19
Hình 2.4. Tấm điện trở. ...................................................................................................... 20
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý cảm biến nhiệt. ........................................................................ 21
Hình 2.6. Cảm biến nhiệt. ................................................................................................... 21
Hình 2.7. Tấm compsote sợi thủy tinh. .............................................................................. 21
Hình 2.8. Các thông số hình học của lò xo....................................................................... ..23
Hình 2.9. Lò xo. .................................................................................................................. 27
Hình 2.10. Trục vít - đai ốc. ............................................................................................... 30
Hình 2.11. Cấu tạo thiết bị thiết kế. .................................................................................... 30
Hình 3.1. Các chi tiết của thiết bị chế tạo. .......................................................................... 33
Hình 3.2. Cốt để gắn với trục vít. ....................................................................................... 33
Hình 3.3. Tấm lót. ............................................................................................................... 33
Hình 3.4. Ống giữ cố định lò xo với cốt. ............................................................................ 34
Hình 3.5. Cốt hoàn chỉnh. ................................................................................................... 34
Hình 3.6. Tiện rãnh trục vít. ............................................................................................... 35
Hình 3.7. Tấm ép. ............................................................................................................... 35
Hình 3.8. Các chi tiết sau khi cắt. ....................................................................................... 36
Hình 3.9. Khoan lỗ tấm đáy................................................................................................ 37
Hình 3.10. Khoan lỗ tấm trên. ............................................................................................ 37
Hình 3.11. Hàn cố định 2 tấm hông lên tấm đáy. .............................................................. 39
Hình 3.12. Hàn tấm trên vào tấm hông. ............................................................................. 39
Hình 3.13. Hàn các nẹp gia cường vào vị trí vạch dấu. ..................................................... 40
Hình 3.14. Hàn đai ốc vào tấm trên. ................................................................................... 40
Hình 3.15. Lắp tay quay lên trục vít. .................................................................................. 41
Hình 3.16. Hàn chân đế và lắp cốt vào trục vít. ................................................................. 41
Hình 3.17. Thiết bị chế tạo hoàn chỉnh. ............................................................................. 42
vi
Hình 3.18. Mẫu composite sau khi cắt. .............................................................................. 43
Hình 3.19. Thao tác chế tạo tấm mẫu thử........................................................................... 44
Hình 3.20. Nén lò xo tới giá trị lực xác định. ..................................................................... 44
Hình 3.21. Tấm mẫu thử chế tạo. ....................................................................................... 45
Hình 3.22. Quy cách mẫu thử theo tiêu chuẩn ISO R 527 ................................................. 45
Hình 3.23. Quy cách mẫu thử kéo. ..................................................................................... 46
Hình 3.24. Quy cách mẫu thử uốn. ..................................................................................... 46
Hình 3.25. Mẫu thử kéo sau khi cắt.................................................................................... 47
Hình 3.26. Mẫu thử uốn sau khi cắt. .................................................................................. 47
Hình 3.27. Mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn. ........................................................................... 48
Hình 3.28. Đánh dấu kí hiệu mẫu thử. ............................................................................... 48
Hình 3.29. Mẫu thử sau khi kéo. ........................................................................................ 52
Hình 3.30. Mẫu thử sau khi uốn. ........................................................................................ 55
vii
LỜI NÓI ĐẦU
Nhân loại đang bước vào kỷ nguyên bùng nổ của khoa học và công nghệ với
hàng loạt thành tựu to lớn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp,
giao thông vận tải. Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu đối với vật liệu càng lớn
đòi hỏi ngày càng nhiều vật liệu có tính năng cơ lý kỹ thuật cao hơn ưu việt hơn.
Trong đó không thể không nói đến vật liệu composite nó đã và đang trở thành một
trong những vật liệu không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta, đặc biệt là
composite công nghệ cao dạng băng tẩm nhựa eboxy/carbon và eboxy/glass. Tuy
nhiên đối với nước ta hiện nay việc chế tạo composite dạng băng tẩm này với chất
lượng cao vẫn còn gặp khá nhiều khó khăn và chưa phổ biến do giá thành vật liệu và
thiết bị dùng chế tạo quá cao, dẫn đến chi phí chế tạo mẫu cao. Nên việc nghiên cứu
thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm là một
nhiệm vụ tất yếu nhằm giảm giá thành sản phẩm, tạo được mẫu thử đảm bảo yêu cầu
phục vụ cho công tác nghiên cứu, ứng dụng vào thực tiễn.
Tuy nhiên do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không được nhiều
nên đề tài của tôi còn nhiều sai sót và hạn chế. Mặc dù đã cố gắng tính toán, thiết kế và
chế tạo thiết bị nhưng sản phẩm vẫn chưa đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu của tiêu
chuẩn. Tôi mong sự góp ý và sửa chữa để đề tài này có tính khả thi hơn về cả phương
diện kinh tế cũng như kỹ thuật.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Phạm Thanh Nhựt đã hướng dẫn và giúp
đỡ tôi hoàn thành đề tài này.
1
CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.
1.1.1. Giới thiệu về vật liệu composite.
1.1.1.1. Giới thiệu chung.
Vật liệu composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu
khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu
ban đầu. Vật liệu composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho
Composite có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành
phần của Composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau.
Vật liệu composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm
trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống (Ví
dụ: Sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm).
Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu composite từ khoảng 3.000 năm trước
Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này
các thuyền đan bằng tre trát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan tre trát bùn
với rơm, rạ là những sản phẩm composite được áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội.
Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến vào
những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ
tinh. Fillis và Foster dùng gia cường cho Polyester không no và giải pháp này đã được
áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại
chiến thế giới lần thức hai.
Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu composite đó là sự xuất
hiện nhựa Epoxy và các sợi gia cường như Polyester, nylon,… Từ năm 1970 đến nay
vật liệu composite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công
nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự,… Đặc biệt là sự phát triển của composite công
nghệ cao bằng sợi carbon, sợi thủy tinh sử dụng các biện pháp công nghệ như đùn ép, đúc
chuyển nhựa, đúc chân không, băng tẩm,… đã góp phần nâng cao tầm quan trọng của loại
vật liệu này trong đời sống con người và trở thành một siêu vật liệu của tương lai.
Tuy đã đạt được những thành tựu như vậy nhưng vấn đề nâng cao chất lượng, cải
thiện tính chất cơ lý, tính chất nhiệt điện, chịu ăn mòn,… mở rộng lĩnh vực sử dụng vật
liệu composite luôn được đặt ra.
2
1.1.1.2. Phân loại, cấu tạo và ứng dụng vật liệu composite.
a. Phân loại vật liệu composite.
Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu
thành phần.
- Phân loại theo hình dạng: Composite dạng sợi, composite dạng vảy, composite
dạng hạt, composite dạng điền đầy, composite dạng phiến.
- Phân loại theo bản chất và vật liệu thành phần:
+ Composite nền hữu cơ: Nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc
sợi khoáng hoặc sợi kim loại.
+ Composite nền kim loại: Nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng; Cốt
thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC.
+ Composite nền gốm: Nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc hạt
kim loại hoặc cũng có thể là hạt gốm.
b. Cấu tạo của vật liệu composite.
Composite bao gồm 3 thành phần chủ yếu đó là:
- Polymer nền là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất
sang chất độn khi có ngoại lực tác dụng.
- Chất độn (cốt) đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì có tính chất cơ lý cao
hơn nhựa.
- Các phụ gia khác như: Chất pha loãng, chất tách khuôn, chất làm kín, chất tẩy bọt
khí, chất thấm ướt sợi,…
c. Ứng dụng của vật liệu composite.
Cho đến nay thì vật liệu composite polymer đã được sử dụng để chế tạo nhiều chi
tiết, linh kiện chế tạo ôtô, dựa trên những ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng, tiết
kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu
cho máy móc. Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy
bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác của các hãng như Boeing 757,
676, Airbus 310,… Trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất các chi
tiết, các bảng mạch và các linh kiện. Ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nô; các
ngành dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ,…), ngành thể thao
(các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennis,…), và các ngành dân dụng, quốc phòng
dân sinh khác.
3
Ở Việt Nam vật liệu composite được áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực
của nền kinh tế quốc dân. Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu composite được
tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm. Tại Hà Nội đã có 8 đề tài nghiên cứu
về composite cấp thành phố được tuyển chọn, theo đó vật liệu composite được sử dụng
nhiều trong đời sống xã hội. Tại khoa răng của bệnh viện trung ương Quân đội 108 đã
sử dụng vật liệu Composite vào trong việc ghép răng thưa, các ngành thiết bị giáo dục,
bàn ghế, các giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng
trượt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu, các sân vận động và các
trung tâm văn hoá,…Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu Composite vào các lĩnh
vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện.
1.1.2 Composite dạng băng tẩm và phương pháp chế tạo.
1.1.2.1. Khái niệm về composite dạng băng tẩm.
Composite dạng băng tẩm (Prepreg) là những bán sản phẩm đã qua những bước
công nghệ ban đầu: Liên kết các loại vải và sợi (carbon, glass) đã tẩm sẵn resin (nhựa
epoxy), sau đó các bán thành phẩm này lại trở thành nguyên liệu cho công nghệ đúc nén
có gia nhiệt để tạo ra các sản phẩm composite.
Composite dạng băng tẩm bao gồm: Sợi (vải), resin tẩm sẵn, chất độn và chất xúc
tác. Nó không thể đóng rắn ở nhiệt độ phòng, chỉ khi lực nén tác động kèm theo gia
nhiệt nó mới có thể đóng rắn để trở thành sản phẩm composite cứng vững trong công
nghệ đúc nén.
Composite dạng băng tẩm được cung ứng và sản xuất trên thị trường dưới các
dạng: băng dài, vải đơn chiều, các tấm cuộn tròn SMC, BMC,…
Hình 1.1. Composite dạng băng tẩm.
4
Resin dùng để tẩm ở đây là loại hòa tan trong dung môi (cũng có loại không cần
dung môi) như: Phenolic, polyeste, epoxy, silicon, polyimide,… Các loại sợi thủy tinh,
kevlar, sợi carbon chiếm tỷ lệ 50- 80% trọng lượng prepreg vì thế đạt được cường độ cơ
học cao.
1.1.2.2. Đặc tính cơ học vật liệu composite dạng băng tẩm.
Vật liệu composite dạng băng tẩm được chế tạo từ carbon/epoxy và glass/epoxy
có cơ tính cực tốt, tính chất kết dính tốt, cải thiện tính kháng mỏi và kháng nứt giảm sự
phân hủy trong môi trường nước, tăng tính kháng thẩm thấu.
Bảng 1.1 Tính chất cơ lý của một số sợi tổng hợp.
Vật liệu
Tỉ trọng
Độ bền kéo
Mô đun đàn hồi
(g/m3)
(Gpa)
(Gpa)
Thủy tinh A
2.46
3.31
69
Thủy tinh C
2.46
3.31
69
Thủy tinh E
2.60
3.45
76
Thủy tinh S2
2.49
4.83
97
Carbon(sợi lớn)
1.74
3.62
228
Carbon (sợi Tb)
1.80
5.10
241
Carbon (sợi nhỏ)
1.80
6.21
297
Kevlar K-29
1.43
3.62
70
Kevlar K- 149
1.47
3.48
143
Sợi Basalt
2.65
4.15-4.80
100-110
Sợi thủy tinh là chất vô cơ kém mềm dẻo hơn sợi dệt có nguồn gốc thực vật
hoặc động vật (sợi chỉ thuỷ tinh không thể thắt nút được dễ dàng), sợi thủy tinh bền
vững (bền vững hơn bất kỳ sợi dệt nào), chúng không cháy, không mục nát, không
thấm nước và bền với hầu hết các axit, chúng là một vật dẫn điện kém và trong một số
5
trường hợp là vật dẫn nhiệt và âm kém, chúng không hút ẩm.
Sợi carbon chính là sợi grafit có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên
kết với nhau và cách nhau khoảng 3.35A0. Các nguyên tử carbon liên kết với nhau
trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách kiên kết
trong mỗi lớp là 1,42A0. Sợi carbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương
với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt.
Nhựa epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nhựa
epoxy được tạo thành từ những mạch phân tử dài đặc trưng bởi có nhiều hơn một
nhóm 1,2-epoxy trong một phân tử polymer. Nhựa epoxy không có nhóm ester, do đó
khả năng kháng nước của epoxy rất tốt. Ngoài ra, do có hai vòng thơm ở vị trí trung
tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất cơ và nhiệt tốt hơn mạch thẳng do vậy epoxy rất
cứng, dai và kháng nhiệt tốt. Nói chung epoxy có tính năng cơ lý, kháng môi trường
hơn hẳn các loại nhựa khác, là loại nhựa được sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết
máy bay. Với tính chất kết dính và khả năng kháng nước tuyệt vời của mình, epoxy rất
lý tưởng để sử dụng trong nghành đóng tàu, là lớp lót chính cho tàu chất lượng cao
hoặc là lớp phủ ngoài thay cho polyester dễ bị phân hủy bởi nước và gelcoat.
1.1.2.3. Ứng dụng của vật liệu composite dạng băng tẩm.
Với ưu điểm là nhẹ, độ bền cao, hệ số ma sát dãn nở nhiệt thấp, rất bền vững với
nhiều điều kiện khí hậu và các phản ứng hóa học nên các bán thành phẩm prepreg được
sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân.
Ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh
máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác và dùng để sửa chửa các chi
tiết nhỏ trên máy bay.
Trong quốc phòng để làm các tấm chống đạn trên các phương tiện vận chuyển và
các tấm chống đạn được đưa vào trong các áo giáp chống đạn, vỏ tên lửa, ngoài ra còn
dùng để sửa chữa thành vỏ xe thiết giáp, xe tăng,…
Trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng
mạch và các linh kiện.
Trong ngành y tế sử dụng cho hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ, các thiết bị
phục vụ y tế khác,…
Trong ngành thể thao được dùng làm ván trượt, gậy gôn, vợt tennis,…
6
1.1.2.3. Phương pháp chế tạo mẫu composite dạng băng tẩm bằng nồi hấp tiêu
chuẩn.
Trong phương pháp này, vật liệu gia cường được thấm nhựa polymer (epoxy) và
được bảo quản trong môi trường nhiệt độ thấp (khoảng -190C – -220C). Vật liệu được sử
dụng có thể là các lớp nhựa/sợi hay dạng băng tẩm. Trong đó, dạng băng tẩm từ
carbon/epoxy và glass/epoxy là phổ biến nhất được chế tạo theo phương pháp này.
Người ta chế tạo composite dạng băng tẩm bằng hệ thống nồi hấp (máy Autoclave), nó
bao gồm phần thân chính chứa sản phẩm cần chế tạo và các hệ thống kèm theo như hệ
thống hút chân không, hệ thống nén áp suất và hệ thống gia nhiệt. Các thiết bị phụ trợ
khác nhằm đảm bảo cho hệ thống hoạt động an toàn. Phần thân chính thường có dạng
một ống dày có nắp đậy đảm bảo chịu được áp suất cao lên đến trên 50 bar.
Hình 1.2. Lò hấp sử dụng trong chế tạo mẫu composite.
Điều kiện tiêu chuẩn để chế tạo mẫu composite dạng băng tẩm:
+ Nhiệt độ: Từ 1000C- 1200C.
+ Áp suất: Khoảng 7 – 8 bar.
+ Thời gian: Khoảng 3 – 3,5 giờ.
Quá trình chế tạo được thực hiện qua các bước 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
7
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.
- Sau khi sắp xếp các lớp sợi/nhựa hay dạng prepreg lên khuôn, tiến hành đặt các
lớp lót, lớp tách khuôn, lớp thông khí (thường là các tấm nỉ và nylon đục lỗ) và phủ một
màng mỏng kín khí lên trên cùng. Xung quanh màng được dán cố định lên khuôn nhằm
mục đích làm kín khí. Khuôn được lắp một van hút nối với máy hút chân không.
- Đưa toàn bộ cụm này vào khay đặt mẫu bên trong thân chính của máy, nối van
với máy hút chân không và tiến hành cho hút trong khoảng 10 – 15 phút.
- Khóa van chân không và bật máy nén khí cho đến khi đạt áp suất cần thiết rồi
khóa van, cho hệ thống gia nhiệt hoạt động liên tục để giữ nhiệt độ ở một mức cố định
trong khoảng thời gian cần thiết.
- Đối với composite dạng băng tẩm, áp suất nằm trong khoảng 7 – 8 bar, nhiệt độ
khoảng 100 – 1200C và quá trình thực hiện trong khoảng 3 – 3,5 giờ.
Hiện nay, đây là phương pháp được sử dụng chủ yếu để tạo ra mẫu thử composte
có độ bền cao, cơ tính cực tốt nhằm phục vụ cho công việc nghiên cứu, thực hành ở các
phòng thí nghiệm vật liệu, tuy nhiên giá thành để tạo ra một mẫu thử bằng nồi hấp này
rất cao không phù hợp với khả năng, điều kiện chế tạo của Việt Nam. Do vậy việc
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị tạo mẫu composite dạng băng tẩm tối ưu, phù
hợp với yêu cầu của nước ta là một nhiệm vụ cấp thiết cần phải thực hiện để góp phần
phát triển công nghệ chế tạo vật liệu composite nói chung và vật liệu composite chất
lượng cao nói riêng ở nước ta. Cũng như giảm giá thành, tăng cường khả năng thực
hành của đội ngũ sinh viên, nghiên cứu sinh về vật liệu nói chung và vật liệu composite
nói riêng.
1.2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm
carbon/epoxy và glass/epoxy bằng phương pháp thủ công.
1.2.2. Đối tượng nghiên cứu của đề tài.
- Vật liệu composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy.
- Thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm theo phương pháp thủ công.
1.2.3. Phương pháp nghiên cứu.
Trên cơ sở tìm hiểu điều kiện và phương pháp chế tạo vật liệu composite dạng
8
băng tẩm bằng nồi hấp tiêu chuẩn, tiến hành phân tích, đánh giá để làm cơ sở thiết kế,
chế tạo thiết bị tạo mẫu composite theo phương pháp thủ công.
Tiến hành chế tạo mẫu thử nhằm xác định cơ tính và các hằng số vật liệu để so
sánh với mẫu tương tự được chế tạo bằng nồi hấp tiêu chuẩn.
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.
Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm những bước cụ thể sau:
- Xây dựng các yêu cầu kinh tế, kỹ thuật làm căn cứ thiết kế hệ thống thiết bị tạo
mẫu thử composite dạng băng tẩm.
- Tính chọn các thiết bị phụ của hệ thống như thiết bị gia nhiệt, thiết bị nén tạo áp
suất, thiết bị cảm biến nhiệt.
- Chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm với các
thông số đã tính chọn.
- Chế tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy với
thiết bị đã tạo ra và kiểm tra, đánh giá mẫu tạo được so với mẫu tiêu chuẩn.
Do thời gian, kinh phí còn hạn hẹp nên việc chọn thiết kế và chế tạo thiết bị tạo
mẫu thử composite chỉ theo phương pháp thủ công với kích thước mẫu thử tương đối
nhỏ nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, dựa trên những điều kiện của phương
pháp chế tạo mẫu composite dạng băng tẩm bằng nồi hấp tiêu chuẩn. Đồng thời, do
phương pháp chế tạo và thử nghiệm mẫu thử băng tẩm từ glass/epoxy hoàn toàn tương
tự như carbon/epoxy nên trong đề tài này chỉ chế tạo mẫu thử bằng carbon/eboxy.
9
CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ
2.1. YÊU CẦU KINH TẾ - KỸ THUẬT.
2.1.1. Yêu cầu kinh tế.
- Đảm bảo giá thành chế tạo thiết bị phải rẻ hơn so với sử dụng nồi hấp nhưng
vẫn đảm bảo tương đối về điều kiện yêu cầu.
- Đảm bảo công chế tạo ít nhất và tận dụng được các thiết bị dụng cụ thông
thường có sẵn trong các nhà máy chế tạo để gia công.
- Sử dụng tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng đổi lẫn và dễ
dàng khi lắp ráp.
Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý hiếm.
2.1.2. Yêu cầu kỹ thuật.
- Thiết bị chế tạo ra phải đảm bảo đúng điều kiện về nhiệt độ áp suất và thời gian
làm việc như thiết kế.
- Phải đảm bảo hợp lý về công nghệ, hiệu quả về kỹ thuật, chắc chắn khi làm
việc, tiện lợi khi sử dụng, đơn giản khi chế tạo và hình dáng bề ngoài đẹp.
- Thiết kế nhỏ gọn, thân thiện với môi trường, dễ dàng bảo dưỡng, sữa chữa.
2.2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ.
2.2.1. Xây dựng mô hình thiết bị.
Yêu cầu của thiết bị tạo mẫu thử composite cần chế tạo:
+ Phải đảm bảo được lực nén khoảng 7 bar.
+ Phải đảm bảo duy trì được nhiệt độ từ 100- 1200C trong vòng 3 giờ.
+ Phải đảm bảo được kích thước của mẫu thử phù hợp. Dựa vào mẫu thử được
chế tạo theo tiêu chuẩn ta chọn kích thước tấm mẫu thử cần chế tạo là 180x100x2mm.
Với kích thước như vậy ta có thể tạo ra được 2 mẫu thử uốn và 2 mẫu thử kéo theo tiêu
chuẩn.
Từ những yêu cầu trên ta phác thảo mô hình thiết bị như hình 2.1 để làm cơ sở
cho việc tính toán và thiết kế.
10
4
P
5
3
6
2
-
1
+
00
1
01
1
180
210
Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo hệ thống thiết bị.
Các chi tiết và kích thước của thiết bị được liệt kê trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Các chi tiết của thiết bị.
STT
Tên chi tiết
Kích thước(mm)
Số lượng
1
Tấm vỏ đáy
210x110x10
1
2
Tấm khuôn dưới
180x100x12
1
3
Tấm khuôn trên
180x100x12
1
4
Tấm vỏ trên
210x110x10
1
5
Tấm vỏ hông
180x100x12
2
6
Tấm mẫu thử
180x100x2
1
2.2.2. Chọn vật liệu chế tạo.
Dựa vào điều kiện nêu trên ta có thể lựa chọn vật liệu và kích thước của các chi
tiết trong thiết bị: Thiết bị chế tạo dùng để chịu nén và áp suất cao, cũng như nhiệt độ
cao vậy nên phải chọn vật liệu sao cho đảm bảo đủ bền cho thiết bị và phải có độ nở
11
dài, nở khối nhỏ. Dựa vào bảng 2.2 ta chọn thép chế tạo máy vì nó có độ nở dài và nở
khối nhỏ.
Bảng 2.2. Độ nở dài và nở khối của một số vật liệu.
Vật liệu
Độ nở dài mm
Độ nở khối m3
Nhôm
3,66
0,0054
Đồng
2,55
0,0038
Sắt, thép
1,65
0,0025
Thép chế tạo máy
1,5
0,0023
Kẽm
5,1
0,0077
Thép chế tạo máy có yêu cầu chất lượng hợp kim cao, P, S nhỏ hơn 0,04%. Một
số mác thép thường dùng cho chế tạo máy được thể hiện qua bảng 2.3 và bảng 2.4 bao
gồm thành phần hóa học và cơ tính của chúng.
Bảng 2.3. Thành phần hóa học và cơ tính của một số thép chế tạo máy.(%)
Mác thép
Carbon
CT38s
0,14 -0,22
CT38n
0,14 -0,22
CT38
0,14 -0,22
Silic
Mangan
Phốt pho
Lưu huỳnh
0,30 – 0,60
0,04
0,05
0,05 – 0,17
0,40 – 0,65
0,04
0,05
0,12 – 0,3
0,40 – 0,65
0,04
0,05
0,07
Bảng 2.4. Cơ tính của một số thép chế tạo máy.
Mác
st/MPa chia theo độ dày, mm
thép
, theo độ dày, mm
< 20
20- 40
40- 100
> 100
< 20
20- 40
> 40
CT38
363-461
235
226
216
196
27
26
24
CT38n
373-481
245
235
226
206
26
25
23
CT51
490-628
284
275
265
255
20
19
17
C45
598-753
354
324
298
276
20
18
16
12
Dựa vào bảng 2.3, 2.4 và yêu cầu của thiết bị ta chọn thép chế tạo máy C45 là
loại thép có hàm lượng carbon trung bình đảm bảo sự cân bằng giữa độ bền và độ
mềm phù hợp cho thiết bị.
2.2.3. Tính chọn thiết bị gia nhiệt tạo nhiệt độ.
2.2.3.1. Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật điện nhiêt.
Kỹ thuật điện nhiệt là kỹ thuật biến đổi điện năng thành nhiệt dựa trên cơ sở các
định luật vật lý. Kỹ thuật điện nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và sinh
hoạt. Ví dụ như trong các nhà máy xí nghiệp thường gặp các lò điện trở, thiết bị sấy,
thiết bị nung nóng. Trong sinh hoạt gặp những thiết bị nung nóng nước, nồi cơm điện,
bình nóng lạnh, thiết bị sưởi ấm, lò vi sóng,…Có thể phân loại thiết bị điện nhiệt theo
các phương pháp sau:
+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện trở: Là thiết bị biến đổi
điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt. Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và
truyền nhiệt dẫn điện, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt.
+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo nguyên lý cảm ứng: Khi một vật đặt trong
từ trường biến thiên trong vật sẽ cảm ứng dòng điện và vật được nung nóng.
+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp hồ quang: Là lợi dụng nhiệt
của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và kim loại. Phương pháp
này dùng để nấu thép hợp kim chất lượng cao.
+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện môi: Vật nung là loại
không dẫn điện hoặc bán dẫn được đặt giữa không gian hai má tụ điện. Tụ điện được
nối với nguồn áp có tần số siêu cao hàng chục, hàng trăm hoặc hàng nghìn MHz, dưới
tác dụng của điện trường biến thiên với tần số siêu cao trong vật sẽ có dòng điện dịch,
kết quả vật được nung nóng.
+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện tử: Năng lượng điện biến
thành nhiệt do va chạm của dòng điện tử được gia tốc cao trong trường điện với những
vật gia công (vật nung nóng).
+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp laser: Dựa theo nguyên lý
bức xạ ánh sáng, do các electron từ mức năng lượng thấp nhảy sang mức năng lượng
cao, rồi từ cao nhảy về thấp thì phát ra bức xạ tạo ra nhiệt.
+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp plasma: Năng lượng điện
biến vào nhiệt trong dòng vật chất bị ion hóa dưới tác dụng của điện trường giữa điện
