NGHIÊN cứu, THIẾT kế, CHẾ tạo mô HÌNH máy QUẤN BÌNH COMPOSITE

M CL C
TRANG T A
QUY T Đ NH GIAO Đ TÀI
LÝ L CH KHOA H C ........................................................................................................ii
L I CAM ĐOAN ................................................................................................................ iv
L I C M T ....................................................................................................................... v
TÓM T T............................................................................................................................ vi
SUMMARY........................................................................................................................vii
M C L C ........................................................................................................................ viii
CH

NG I . T NG QUAN ................................................................................................ 1

1.1. Đặt v n đ .................................................................................................................. 1
1.1.1. Tình hình s d ng v t li u composite trên th gi i: ............................................ 1
1.1.2. Tình hình s d ng v t li u composite
1.2. T ng quan v h

Vi t Nam:............................................. 5

ng nghiên c u................................................................................ 5

1.2.1. Các k t qu nghiên c u trong n

c ..................................................................... 5

1.2.2. Các k t qu nghiên c u ngoƠi n

c ..................................................................... 6

1.4 N i dung nghiên c u, ph

ng pháp nghiên c u vƠ đ i t

ng nghiên c u ................. 8

1.4.1 N i dung nghiên c u............................................................................................. 8
1.5 ụ nghĩa khoa h c và th c ti n..................................................................................... 9
1.5.1 ụ nghĩa khoa h c .................................................................................................. 9
1.5.2 ụ nghĩa th c ti n................................................................................................... 9
CH

NG 2: C S LÝ THUY T ................................................................................... 10

2.1 V t li u composite..................................................................................................... 10
2.1.1. Khái ni m........................................................................................................... 10
2.1.2. C u t o v t li u composite ................................................................................. 10
2.1.3. Tính ch t v t li u composite .............................................................................. 18
2.1.4. Phân lo i v t li u composite .............................................................................. 18
viii


2.1.5.

u đi m c a v t li u composite ........................................................................ 19

2.1.6. Công ngh ch t o v t li u composite ............................................................... 19
2.2 Các lo i s i gia c

ng ch t dẻo ................................................................................ 20

2.2.1 S i th y tinh ........................................................................................................ 20
2.2.2 S i cacbon ........................................................................................................... 22
2.2.3 Các lo i s i h u c ............................................................................................. 22
CH

NG 3: Đ XU T L A CH N PH

3.1. T ng quan ph

NG ÁN QU N ......................................... 23

ng pháp qu n .................................................................................. 23

3.1.1. Qu n khô: ........................................................................................................... 23
3.1.2. Qu n

t: ........................................................................................................... 24

3.2. Các ki u qu n bình thông d ng................................................................................ 26
3.3. Phân tích s n ph m l a ch n ph

ng án thi t k ..................................................... 27

3.3.1. Ph

ng án 1 ....................................................................................................... 27

3.3.2. Ph

ng án 2 ....................................................................................................... 28

3.3.3. Ph

ng án 3 ....................................................................................................... 29

3.4. L a ch n ph

ng án qu n ........................................................................................ 30

3.5. Bi u th c liên h t c đ ........................................................................................... 32
3.6. S l n qu n trên m t l p .......................................................................................... 35
CH

NG 4: TệNH TOÁN, THI T K C KHệ ............................................................. 36

4.1. Các thông s s d ng tính toán ................................................................................ 36
4.2. Tính toán thi t k tr c .............................................................................................. 36
4.3. Ch n đ ng c ........................................................................................................... 40
4.4. Tính toán ki m nghi m lăn: .................................................................................. 40
4.5. Ch n vít me- đai c bi .............................................................................................. 41
CH

NG 5: ĐI N- ĐI U KHI N ................................................................................... 44

5.1. Thi t k m ch đi n ................................................................................................... 44
5.2. L u đ đi u khi n: ................................................................................................... 46
5.3. Thi t k m ch đi u khi n ......................................................................................... 47
5.3.1.Ph n c ng ........................................................................................................... 48
ix

5.3.2.Ph n m m ........................................................................................................... 49
5.3.3. Gi i thi u v Arduino IDE và ngôn ng l p trình cho Arduino ........................ 51
5.3.4. Kh i ngu n ........................................................................................................ 52
5.2.5. M ch đi u khi n đ ng c (driver) .................................................................... 53
CH

NG 6: S N PH M THI T K .............................................................................. 54

6.1. Mô hình máy qu n ................................................................................................... 54
6.2. Quỹ đ o đ u r i s i .................................................................................................. 55
6.3. S n ph m qu n th nghi m ...................................................................................... 56
CH

NG 7: K T LU N VÀ KI N NGH ..................................................................... 57

7.1. K t lu n .................................................................................................................... 57
7.2. Ki n ngh .................................................................................................................. 58
TÀI LI U THAM KH O .................................................................................................. 59
PH L C 1: TH

N TRÊN BÌNH GAS MINI ............................................................. 61

PH L C 2: SO SÁNH Đ NG C B
PH L C 3: CH

C VẨ Đ NG C SERVO ............................. 64

NG TRỊNH ĐI U KHI N ............................................................... 69

x


DANH M C HÌNH NH
Hình 1.1: Máy bay Boeing Dreamliner 787 ........................................................................ 2
Hinh 1.2 : Thuy n s d ng v t li u composite ..................................................................... 2
Hình 1.3: Xe s d ng v t li u composite ............................................................................. 3
Hình 1.4: B n ch a hóa ch t composite ............................................................................... 3
Hình 1.5: Tranh s n mƠi bằng v t li u composite................................................................ 4
Hinh 1.6: ng composite ...................................................................................................... 4
Hình 1.7: B n biogas composite .......................................................................................... 5
Hinh 1.8: Thùng rác composite ............................................................................................ 5
Hình 1.9: Các v n bình ch u áp l c ................................................................................... 7
Hình 1.10: Các lo i bình ch u áp l c composite .................................................................. 8
Hình 2.1: S đ phân lo i c t theo hình d ng .................................................................... 11
Hình 2.2: S đ phân b đ nh h ng c t s i ...................................................................... 12
Hình 2.3: Các ki u d t b t chéo c a v i ............................................................................. 13
Hình 2.4: Công th c hóa h c c a m t s lo i epoxy thông d ng ...................................... 17
Hình 2.5: Hình d ng c a các lo i v t li u composite ......................................................... 18
Hình 2.6: S đ quá trình s n xu t s i th y tinh ................................................................ 20
Hình 3.1: S đ nguyên lý máy qu n bình s d ng công ngh qu n khô .......................... 23
Hình 3.2: S đ nguyên lý máy qu n bình s d ng s i th y tinh ...................................... 24
Hình 3.3: M t s hình nh c a công ngh qu n ................................................................. 25
Hình 3.4: Các ki u qu n bình thông d ng .......................................................................... 26
Hình 3.5: Mô hình nguyên lý r i s i composite hai tr c .................................................... 27
Hình 3.6: Mô hình nguyên lý r i s i composite b n tr c ................................................... 28
Hình 3.7: Mô hình nguyên lý r i s i composite sáu tr c ................................................... 29
Hình 3.8: S đ nguyên lý r i s i b n tr c ........................................................................ 30
Hình 3.9 .............................................................................................................................. 32
Hình 3.10 ............................................................................................................................ 32

Hình 3.12 ............................................................................................................................ 35
Hình 4.1: kích th c chi ti t trên tr c ................................................................................ 37
Hình 4.2: Bi u đ n i l c ................................................................................................... 39
Hình 4.3: B truy n vít me ậ đai c bi ............................................................................... 42
Hình 5.1: M ch đi u khi n đ ng c ................................................................................... 44
Hình 5.6. L u đ đi u khi n ............................................................................................... 46
Hình 5.2: Bo m ch Arduino Mega 2560. .......................................................................... 50
Hình 5.3: Giao di n ph n m m Arduino ............................................................................ 51
Hình 5.4: Kh i ngu n ........................................................................................................ 52
Hình 5.5: M ch đi u khi n đ ng c b c .......................................................................... 53
xi


Hình 6.1: Máy qu n bình composite .................................................................................. 54
Hình 6.2: C m l p kh i 1 ................................................................................................... 54
Hình 6.3: C m l p kh i 2 ................................................................................................... 55
Hình 6.4: Ki m tra quỹ đ o đ u r i s i .............................................................................. 55
Hình 6.5: So sánh quỹ đ o đ u r i s i vƠ đ ng tròn chu n .............................................. 56
Hình 6.4: S i r i trên ph n hình tr và ch m c u .............................................................. 56
Hình 6.3: S n ph m qu n hoàn t t...................................................................................... 56
Hình 1.1: Phi u k t qu th n (ph l c 1) ........................................................................ 63
Hình 2.1: Nguyên lý ho t đ ng c a đ ng c b c (ph l c 2) .......................................... 65

xii


DANH M C B NG BI U
B ng 3.1:B ng so sánh u nh

c đi m các ph

ng án qu n ............................................ 29

B ng 3.2: B ng tính S2, S3 theo góc θ ............................................................................... 34
B ng 2.1: B ng so sánh u, nh

c đi m c a đ ng c b

B ng 2.2: B ng các lo i đ ng c b

c vƠ đ ng c servo (ph l c 2)65

c c a hãng NEMA (ph l c 2) ............................... 66

xiii


NG I . T NG QUAN

CH
1.1. Đặt v n đ
V t li u composite đ

c ng d ng trong nhi u lĩnh v c khác nhau. V i nh ng tính

năng u vi t mƠ v t li u nƠy đƣ đ

c nhi u nhƠ khoa h c trên th gi i nghiên c u vƠ phát

tri n. Trong th chi n th hai thì v t li u composite ch y u đ

c s d ng đ ph c v cho

vi c s n xu t chi ti t cho máy bay, tƠu chi n vƠ vũ khí. Cho đ n nay thì v t li u composite
đ

c s d ng đ ch t o nhi u chi ti t, linh ki n ph c v trong ngƠnh công nghi p cũng

nh trong dơn d ng.
1.1.1. Tình hình s d ng v t li u composite trên th gi i:
- Trong ngành hàng không: Trong nh ng năm g n đơy, composite đ
t o các b ph n trên máy bay nh k t c u khung x
d nh

c s d ng ch

ng, thơn máy bay, cánh, b ph n

ng... Theo th ng kê c a hƣng máy bay Boeing, chi c Boeing Dreamliner 787

s d ng đ n 50% composite trên toƠn b tr ng l

ng. M t trong nh ng lý do quan

tr ng nh t c a vi c ng d ng r ng rƣi lo i v t li u nƠy trong ngƠnh HƠng không lƠ đ
b n vƠ đ c ng t
tr ng l

ng đ i trên tr ng l

ng riêng c a composite l n. Đi u nƠy lƠm gi m

ng c a máy bay, ti t ki m nhiên li u, gi m ô nhi m môi tr

qu kinh doanh. Composite còn đ
t p, góp ph n lƠm gi m s l

ng vƠ tăng hi u

c s d ng đ ch t o các chi ti t hình dáng ph c

ng chi ti t trên máy bay, đ ng th i gi m th i gian vƠ chi

phí l p đặt s n ph m. Đặc bi t v t li u composite c t s i th y tinh có tính trong su t
đ i v i sóng rada, đặc tính nƠy r t quan tr ng trong các ng d ng quơn s . Nó còn
đ

c s d ng nhi u trong công ngh vũ tr .

1


Hình 1.1: Máy bay Boeing Dreamliner 787
-

Trong hƠng h i: Composite đ

c s d ng r ng rƣi trong vi c ch t o các lo i tƠu

thuy n, xu ng cỡ nh , cano... do chi phí đ u t ch t o ph

ng ti n bằng v t li u nƠy

th p mƠ l i cho đ ch u l c vƠ đ b n cao h n các s n ph m cùng lo i s d ng ch t
li u bằng g , nhôm hoặc thép. Bên c nh đó, yêu c u v tay ngh c a công nhơn cũng
đ n gi n h n. V t li u composite s d ng cho đóng tƠu, mang l i l i ích cao b o
d ỡng r t ít, không b ăn mòn, han r hay nh h
Composite cũng đ

ng c a môi tr

ng n

c bi n.

c s d ng trong các tƠu quơn s do tính trong su t v i rada c a

lo i v t li u nƠy.

Hinh 1.2 : Thuy n s d ng v t li u composite
- Trong ngành v n t i:

ng d ng c a composite trong ngƠnh v n t i lƠ r t l n. Lo i

v t li u m i nƠy cho phép ch t o các ph

ng ti n v n t i nhẹ h n. Đi u đó đ ng nghĩa

v i vi c ti t ki m nhiên li u, tăng kh năng chuyên ch vƠ gi m ô nhi m môi tr
Composite đ

ng.

c s d ng ch t o thơn vƠ các chi ti t yêu c u tính năng kỹ thu t cao
2


trong các xe đua cũng nh xe ô tô th

ng m i. NgƠy nay các toa xe tƠu h a cũng đ

c

ch t o bằng v t li u composite. Hi u qu c a nó lƠm gi m thi u tr ng l

ng c a các

toa xe vƠ đoƠn tƠu, tăng l

ng s t. Đặc

ng hƠng chuyên ch , tăng hi u su t v n t i đ

bi t h n, v i yêu c u ngƠy cƠng kh t khe v b o v môi tr
nh đ ng c đi n, fuel cell đ

ng, các dòng đ ng c m i

c đ a vƠo ng d ng trong th tr

ng xe c gi i. H n

ch c a các lo i đ ng c m i nƠy lƠ dung tích acquy s d ng cho xe không cao, h n
ch tính c đ ng c a xe, trong khi gi m tr ng l

ng xe lƠ r t c p thi t cho các ph

ti n s d ng công ngh xanh. Do đó, v t li u composite đ

ng

c s d ng t i đa trong ch

t o thơn v vƠ các chi ti t trong th h xe s ch nƠy.

Hình 1.3: Xe s d ng v t li u composite
-

Trong công nghi p hóa ch t: b n ch a dung d ch axit, b n ch a dung d ch ki mầ

Hình 1.4: B n ch a hóa ch t composite
3


-

Trong dơn d ng: s n ph m s n mƠi, s n ph m trang trí n i th tầ

Hình 1.5: Tranh s n mƠi bằng v t li u composite
-

V t li u composite s d ng trong công ngh qu n:

Hinh 1.6: ng composite

4


1.1.2. Tình hình s d ng v t li u composite

Hình 1.7: B n biogas composite

Vi t Nam:

Hinh 1.8: Thùng rác composite

Hi n nay t i Vi t Nam cũng đƣ và đang s d ng các s n ph m t v t li u composite
cho nhi u lĩnh v c nh ng ph n l n đ u lƠ các s n ph m đ n gi n hoặc các lo i s n
ph m ngo i nh p. Bình áp l c composite cũng lƠ m t s n ph m trong s đó.
1.2. T ng quan v h

ng nghiên c u

1.2.1. Các k t qu nghiên c u trong n

c

1. Đ tƠi: ắNghiên c u công ngh qu n ng s i và ch t o máy qu n ng s i
composite” năm 2007 ậ ĐH SPKT TPHCM
-

Đ tƠi đ

c th c hi n d

i s ch trì c a TS. Lê Hi u Giang. Đ tài nghiên c u

v v t li u n n polymer nhi t r n, v t li u n n polymer nhi t dẻo. Qu n ng
composite bằng s i v i và th nghi m trên ng composite s i v i.
-

Đ tài cho bi t v m t s ph

-

Đ tƠi đ a ra đ

ng pháp qu n ng composite trên th gi i

c bi u th c liên h v t c đ gi a hai đ ng c đ th c hi n

quá trình qu n ng và ch t o đ
ho t đ ng tr n tru vƠ cho ra đ

c mô hình máy qu n ng composite hai tr c
c s n ph m nh ý mu n.

2. ắ ng d ng v t li u composite” - Tr n H u Vinh- Công ty c ph n đ u t chuy n
giao WORDTECH
- Bài vi t gi i thi u t ng quan v các ph

ng pháp qu n s i composite. Gi i thi u

v nguyên li u s d ng, quy trình s n xu t s n ph m bằng ph
5

ng pháp qu n g m


t khâu chu n b , các giai đo n qu n đ n các ph

ng pháp qu n. Gi i thi u các ki u

qu n bình thông d ng: helical, hoop, polar .
1.2.2. Các k t qu nghiên c u ngoƠi n

c

1. Apparatus for winding filament about three axes of a mandrel- William D.
Goldsworthy, John A. Bummell- United States Patent- 1973: đ tài sáng ch máy
qu n s i filament ba tr c. BƠi báo đƣ đ a ra mô hình máy v i m t s ph
qu n c b n, quá trình qu n đ

ng pháp

c th c hi n ph i h p v i các chuy n đ ng đ n gi n

nh xoay vƠ l c.
2. Influence of winding angle on the strength and deformation of filament-wound
composite tubes subjected to uniaxial and biaxial loads- Composites science and

technology, volume 46, issue 4, 1993, pages 363- 378: đ tài nghiên c u nh h

ng

c a góc qu n v s ch u l c và bi n d ng c a ng composite ch u l c d c tr c và
không d c tr c .
- BƠi báo đ a ra k t qu th nghi m trên các góc qu n thay đ i t 150 đ n 850.
- Đ a ra k t qu đ ch u l c trên các ph

ng, tùy tr

ng h p mà s d ng các góc

qu n khác nhau
3. A computer controlled filament winding technique for manufacturing cement
based composite laminates- Andrew Pivacek- Arizona State University- 2001: đ
tài nghiên c u v đi u khi n kỹ thu t qu n s i filament đ s n xu t composite t m
bằng máy tính. Đ tƠi cũng cho bi t các thông s c a quá trình ngâm, t m, ép, và các
ch t ph gia.
4. Finite element modeling of the filament winding process- Composite structures,
volume 52, issues 3- 4, May ậ June 2001, pages 499- 510 : đ tài nghiên c u v quá
trình qu n bằng s i filament.
K t lu n: Bình áp l c composite đ

c s d ng khá nhi u

n

c ngoài, nh ng v i Vi t

Nam còn khá xa l đặc bi t là công ngh s n xu t v n ph i nh p kh u . Hi n t i trong
n

c ch a có công trình nào th c hi n nghiên c u ch t o máy qu n bình composite này.

6


1.3. Tính c p thi t c a đ tƠi
Bình ch u áp l c lƠ m t lo i bình đ
m t áp su t l n h n áp su t môi tr

c thi t k dùng đ ch a ch t khí hoặc ch t l ng
ng. Bình ch u áp l c đ

c s d ng c trong công

nghi p l n trong sinh ho t nh bình ch a khí nén, bình h i, bình gasầ Đa ph n bình
ch u áp l c trên th tr

ng đ

c lƠm t thép vì d ch t o vƠ giá thƠnh rẻ. Đ s n xu t

ra m t bình áp l c bằng thép ng

i ta s rèn, d p các t m thép r i đem hƠn chúng l i

v i nhau, m t vƠi đặc tính c h c c a thép đ

c gia tăng t vi c rèn , d p nh ng vi c

hƠn có th lƠm gi m nh ng đặc tính không mong mu n. Khi có cháy hoặc ch p đi n thì
các lo i bình ch u áp l c d ng nƠy kh năng ch u l c khi áp su t tăng cao th p, s r t
nguy hi m vƠ có kh năng phát sinh n .

Hình 1.9: Các v n bình ch u áp l c
Bình ch u áp l c composite đ
Nam. Bình ch u áp l c lo i nƠy đ
vƠ tr ng l

c ng d ng r ng rƣi trên th gi i vƠ đƣ có mặt
c gia c

Vi t

ng b i s i composite có s c ch u l c cao

ng nhẹ, bên c nh đó còn có m t s đặc đi m nh tính không d n đi n, d n

nhi t kém nên áp su t trong bình n đ nh không x y ra tr

ng h p tăng áp đ t ng t có

th gơy n , hoặc s c ch m đi n, ch p đi n gơy cháy nh lo i bình truy n th ng, ngay
c khi trong đám cháy cũng không gơy n bình. T nh ng lý do trên thì bình composite

7

đang d n thay th nh ng lo i bình thép truy n th ng vì tính an toƠn mƠ bình truy n
th ng không có đ

c.

Hình 1.10: Các lo i bình ch u áp l c composite
Hi n t i các lo i bình ch u áp l c composite đ

c nh p kh u t n

c ngoƠi lƠ ch

y u, g n đơy công ty TTA , Nh Xuơn, Hóc Môn, TP HCM cũng đƣ đ a ra s n ph m
bình gas composite v i thi t b máy móc là công ngh c a t p đoƠn Composite
Scandinavia (Th y Đi n).
Tính t i th i đi m hi n nay, trong n

c ch a có m t công trình nghiên c u ch t o

bình ch u áp l c composite nƠy. Nh n th c đ

c t m quan tr ng, đ

cs h

ng d n

c a PGS TS. Lê Hi u Giang, h c viên lƠ Ph m Quơn Anh ti n hƠnh nghiên c u đ tƠi :
ắNghiên c u, thi t k , ch t o mô hình máy qu n bình composite”. Đơy chính lƠ
ti n đ đ nghiên c u, ch t o bình áp l c composite.

1.4 N i dung nghiên c u, ph

ng pháp nghiên c u vƠ đ i t

ng nghiên c u

1.4.1 N i dung nghiên c u
Do lĩnh v nghiên c u c a đ tƠi khá r ng, kh i l

ng t

ng đ i l n vƠ liên quan

nhi u lĩnh v c không ph i chuyên môn cũng nh nguyên v t li u đ s n xu t bình
composite, nên lu n văn ch gi i h n đ n nh ng ph n sau.
- Nghiên c u công ngh qu n bình bằng công ngh qu n
8

t.


- Nghiên c u, thi t k mô hình máy qu n bình composite.
- Nghiên c u, ch t o mô hình máy qu n bình composite.
- Thi t k m ch đi u khi n máy
- Vi t ch

ng trình đi u khi n máy

- Th c hi n qu n trên mô hình m u v i ph
1.4.2 Ph

- Ph

ng pháp qu n chéo

ng pháp nghiên c u

ng pháp phơn tích tƠi li u, x lý thông tin: tham kh o t sách báo, giáo trình, các

t p chí, Internet và các bài báo liên quan. D a trên nh ng tài li u hi n có v lý thuy t
composite. T p h p và x lý thông tin .
- Đi u tra th c t : tham quan t i công ty s n xu t bình gas composite, ph ng v n các
công nhơn, ban lƣnh đ o đ giúp l a ch n ý t

ng, đ a ra ph

ng án thi t k h p lý.

- Ti n hƠnh th n trên bình gas mini đ kh o sát thông s
- Ph
ph

ng pháp t ng h p: t ngu n thông tin thu th p, ti n hƠnh phơn tích x lý, đ xu t
ng án, th c hi n tính toán, thi t k , ch t o mô hình máy qu n bình. Phân tích và

x lý nh ng l i phát sinh trong quá trình th c hi n.
1.4.3 Đ i t

ng nghiên c u

- V t li u composite: lý thuy t vƠ ng d ng

1.5 ụ nghĩa khoa h c vƠ th c ti n
1.5.1 ụ nghĩa khoa h c
S n ph m c a đ tƠi s đ

c s d ng đ nghiên c u ch t o bình áp l c composite.

1.5.2 ụ nghĩa th c ti n
- K t qu c a công trình b

c đ u đƣ t o ra mô hình máy qu n bình lƠ b

c đ u cho

vi c ch t o bình áp l c mƠ hi n t i Vi t Nam ta ch a có.
- K t qu c a nghiên c u s đ

c áp d ng vƠo nghiên c u khoa h c, đ a vƠo nghiên

c u s n xu t s n ph m ph c v nhu c u trong n
ngoài.

9

c mƠ hi n t i v n ph i nh p t n

c


CH

NG 2: C

S

Lụ THUY T

2.1 V t li u composite
2.1.1. Khái ni m
V t li u composite lƠ v t li u đ

c ch t o t ng h p t hai hay nhi u v t li u

khác nhau nhằm m c đích t o ra m t v t li u m i có tính năng u vi t h n hẳn v t
li u ban đ u. V t li u composite đ
cho Composite có đ

c c u t o t các thƠnh ph n c t nhằm đ m b o

c các đặc tính c h c c n thi t vƠ v t li u n n đ m b o cho

các thƠnh ph n c a composite liên k t, lƠm vi c hƠi hòa v i nhau.
2.1.2. C u t o v t li u composite
M i v t li u composite g m m t hay nhi u pha gián đo n đ

c phơn b trong

m t pha liên t c duy nh t. (Pha lƠ m t lo i v t li u thƠnh ph n nằm trong c u trúc
c a v t li u composite.) Pha liên t c g i lƠ v t li u n n (matrix), th
v liên k t các pha gián đo n l i. Pha gián đo n đ
c

ng (reinforcement) đ

mòn, ch ng x

ng lƠm nhi m

c g i lƠ c t hay v t li u tăng

c tr n vƠo pha n n lƠm tăng c tính, tính k t dính, ch ng

c ...

Thành ph n c u thƠnh g m : c t vƠ n n
2.1.2.1. C t : đóng vai trò lƠ ch t ch u ng su t t p trung vì c t th
cao h n nh a. Ng
- Tính gia c

i ta đánh giá c t d a trên các đặc đi m sau:

ng c h c.

- Tính kháng hóa ch t, môi tr

ng, nhi t đ .

- Phân tán vƠo nh a t t.
- Truy n nhi t vƠ gi i nhi t t t.
- Thu n l i cho quá trình gia công.
- Tr ng l

ng nhẹ.

- Giá thƠnh h .

10

ng có c tính


Hình 2.1: S đ phân lo i c t theo hình d ng
a) Các d ng th c phơn b trong không gian, b) c t hóa 1 chi u (tuy n tính),
c ) c t hóa 2 chi u (mặt), d) c t hóa 3 chi u (kh i)
Tùy thu c vƠo yêu c u s n ph m mƠ ng

i ta ch n v t li u c t thích h p. Có

ba d ng c t c b n sau:
a) C t d ng h t: h t lƠ lo i v t li u gián đo n. C t h t có th

hai d ng: h t

thô vƠ h t m n.
- C t h t thô g m các h t đẳng tr c phơn b đ u trong n n. Thí d h t oxit,
nitrit, borit, cacbit v.vầCũng có th h t c t lƠ các pha m m, có đ b n c t nh
nh graphit, mica v.vầ
- C t h t m n hay còn g i lƠ composite hóa b n phơn tán th

ng có n n lƠ kim

lo i hay h p kim. Đặc đi m c a composite hóa b n phơn tán lƠ c t có kích th
r t nh (nh h n 0.1 μm), th

c

ng lƠ các v t li u b n, c ng vƠ có tính b n nhi t

cao.Thí d oxit, cacbit, nitrit, borit hoặc các pha liên kim lo i. S t o thƠnh các
pha c t nƠy t

ng t nh quá trình hóa c ng phơn tán t dung d ch r n quá bƣo

hòa. Vì c t có kích th

c r t nh nên d

i tác d ng c a l c, trong v t li u

composite n n s h ng ch u h u nh toƠn b t i. Lúc nƠy các ph n t c t nh
m n, phơn tán đóng vai trò hƣm l ch, lƠm tăng b n vƠ c ng cho v t li u. Hi u ng
11


hóa b n phơn tán trong v t li u composite h t m n không l n l m nh ng r t n
đ nh

nhi t đ cao.

Kh năng gia c

ng c tính c a ch t đ n d ng h t đ

c s d ng v i m c đích:

- Gi m giá thƠnh,
- Tăng th tích c n thi t đ i v i tr n tr , tăng đ b n c lý, hóa, nhi t, đi n,
kh năng ch m cháy đ i v i đ n tăng c

ng.

- D đúc khuôn, gi m s t o b t khí trong nh a có đ nh t cao.
- C i thi n tính ch t b mặt v t li u, ch ng co rút khi đóng r n
Lo i v t li u c t h t ph bi n nh t chính lƠ bê tông
b) C t d ng s i: S i lƠ v t li u có m t chi u kích th
nhi u so v i hai chi u kích th
chúng có th

c (chi u dƠi) l n h n r t

c còn l i ( chi u r ng, chi u cao). Chi u dƠi

d ng liên t c hay gián đo n, còn theo hai chi u kia chúng phơn b

gián đo n trong v t li u composite. Composite c t s i lƠ lo i v t li u k t c u quan
tr ng nh t. Các lo i v t li u dơn d ng th

ng đ

c ch t o t

lo i v t li u

composite c t s i trên n n nh a lƠ ch y u. Khi thi t k ch t o s n ph m
composite c t s i ng

i ta quan tơm nh t lƠ đ b n riêng vƠ modun đƠn h i c a

s i. Tính ch t c a composite c t s i ph thu c vƠo nhi u y u t : b n ch t v t li u
c t vƠ n n, đ b n liên k t n n- c t trên ranh gi i, s phơn b vƠ đ nh h
s i, kích th

ng c a

c, hình dáng c a s i v.vầ

Hình 2.2: S đ phân b đ nh h

ng c t s i

a) C t s i phơn b m t chi u song song, b) C t s i phơn b hai chi u song song,
c) C t s i phơn b ng u nhiên, d) C t s i đan qu n 3 chi u vuông góc
C t s i có tính năng lý hóa cao, th

ng dùng đ ch t o các lo i v t li u cao

c p nh s i th y tinh, s i cacbon, s i Bo, s i cacbua silic, s i amideầ. tuy nhiên
12


s i có giá thƠnh cao. C t s i có th lƠ s i t nhiên nh s i đay, s i gai, s i lanh,

x d aầ cũng có th lƠ s i nhơn t o nh s i th y tinh, s i v iầTùy yêu c u s
d ng mƠ ng

i ta ch t o thƠnh nhi u d ng s i khác nhau. Vi c tr n thêm các lo i

c t s i nƠy vƠo h n h p có tác d ng lƠm tăng đ b n c h c cũng nh đ b n hóa
h c c a v t li u nh kh năng ch u va đ p, đ giƣn n cao, kh năng cách ơm tôt,
ch u ma sát, ch u mƠi mònầ
c) C t d ng v i: c t v i lƠ t h p thƠnh b mặt (t m) c a v t li u c t s i, đ

c

th c hi n bằng công ngh d t. Các thƠnh ph n c t c a composite ph i th a mƣn
đ

c đòi h i yêu c u v khai thác vƠ công ngh . Đòi h i v khái thác lƠ đòi h i

nh yêu c u đ b n, đ c ng, đ ch ng ăn mòn trong môi tr

ng axit, ki mầ

Còn đòi h i v công ngh lƠ đòi h i v kh năng công ngh trong quá trình s n
xu t ra thƠnh ph n c t nƠy. ThƠnh ph n c t c a composite th

ng đ

c s d ng

lƠ s i th y tinh, s i bazan, s i h u c , s i cacbon, s i bor, s i cacbua silick, s i
kim lo i, s i ng n vƠ các h t phơn tán, c t v i. Trên th c t thƠnh ph n c t luôn

chi m không quá 60-65% th tích c a v t li u composite, n u thƠnh ph n c t
chi m quá li u l

ng thì gi a chúng s n y sinh t

ng tác d n đ n t p trung ng

su t lƠm gi m s c b n c a v t li u.

L a tr n

Xa tanh

Vơn chéo

Ki u mô
đun cao

Ki u đ ng
ph

ng

Hình 2.3: Các ki u d t b t chéo c a v i
2.1.2.2. V t li u n n: v t li u n n gi vai trò c c kỳ quan tr ng trong vi c ch t o
ra v t li u composite, vì v y chúng ph i đáp ng đ

c nh ng yêu c u v mặt s

d ng cũng nh v mặt công ngh .

- Ch t li u n n polyme nhi t r n: nh a polyeste vƠ nhóm nh a cô đặc nh :
nh a phenolformandehyt, nh a furan, nh a amin, nh a epoxy.
13


- Ch t li u n n polyme nhi t dẻo: n n c a v t li u lƠ nh a nhi t dẻo nh PVC,
nh a polyetylen, nh a polypropylen, nh a polyamitầ
- Ch t li u n n cacbon.
- Ch t li u n n kim lo i.
+ Yêu c u v mặt s d ng: v t li u n n ph i có tính c lý t t đ lƠm vi c trong
nh ng đi u ki n khác nhau, đ m b o đ b n khi ch u t i tr
h

ng l ch v i h

t, ch u t i

nh ng

ng d m c t, ch u t i tu n hoƠn, đ m b o lƠm vi c đ ng đ u

hi u qu gi a các ph n c t, v t li u n n có ch c năng liên k t các s i c t v i nhau
thƠnh kh i b o v đ ch ng l i nh ng tác đ ng c a môi tr

ng.

+ Yêu c u v công ngh : v t li u n n ph i đáp ng v nh ng yêu c u công
ngh nh đ nh t, s phơn b đ u các c t bên trong, b o t n đ
có c a các d m c t, đ m b o đ

c tính năng v n

c s k t dính v ng ch c gi a ch t li u n n vƠ

c t, đ m b o đ co rút t i thi u.
M t s lo i nh a nhi t r n thông th

ng:

a) Polyeste (PE): Polyeste lƠ thƠnh ph n c b n c a v t li u composite, lƠ s n
ph m xu t x t công ngh hóa d u. Polyeste đóng vai trò nh m t keo nh a đ
liên k t các s i th y tinh (hoặc các s i khác) v i tác d ng c a các ch t xúc tác,
xúc ti n, các l p nƠy s đóng r n tr thƠnh v t li u (hoặc s n ph m composite).
Polyeste lƠ m t lo i ch t dẻo, đ

c t ng h p t các h p ch t h u c g c

cacbon, c th lƠ các h p ch t c a axit h u c v i r

u. Polyeste đ

c phơn lo i

theo các cách sau:
- Phân lo i theo ch t dẻo
+ Ch t dẻo nhi t lƠ lo i ch t dẻo có th t o dáng hoặc t o s n ph m bằng gia
nhi t vƠ có th tái sinh nhi u l n, vì chúng ch có th thay đ i tính ch t v t lý.
+ Ch t dẻo nhi t r n khác bi t c b n v i lo i ch t dẻo nhi t lƠ trong quá trình
đ nh hình vƠ t o dáng s n ph m ph i có ph n ng hóa h c đ ng th i ph i có
nhi t, nhi t nƠy sinh ra trong ph n ng hóa h c hoặc có th đ

t bên ngoƠi. Sau khi s n ph m đ nh hình thì không th tái sinh đ

14

c gia nhi t thêm
cn a


- Phơn lo i theo polymer: polymer đ

c mang tên xu t phát t tên c a các đ n t

t o ra nó: Ví d chu i hóa h c c a các đ n t ethylen thì mang tên polyethylen.
Hoặc xu t phát t bi n pháp liên k t hóa h c hoặc bi n pháp t o thƠnh chu i v i
nhau c a các đ n t . Polyeste lƠ lo i polymer đ

c t o ra b i s k t n i các đ n

t este l i v i nhau. Este lƠ s n ph m cu i cùng c a ph n ng hóa h c gi a m t
axit h u c v i r

u. Polyeste đ

c t o ra t các ph n ng hóa h c khác nhau vƠ

có công th c hóa h c t ng quát:

- Phơn lo i theo kh năng ph n ng:
+ Polyeste no còn g i lƠ polyeste bƣo hòa, v mặt hóa h c nó không còn kh
năng tham gia các ph n ng hóa h c n a. S n ph m đi n hình lƠ alkyd vƠ các

lo i v i, s i t ng h p. Polyeste nƠy thu c ch t dẻo nhi t dẻo. Lo i nƠy không
s d ng trong công ngh composite.
+ Polyeste ch a no còn g i lƠ polyeste ch a bƣo hòa. V mặt hóa h c nó còn
có kh năng ti p t c tham gia ph n ng hóa h c v i các nhóm khác nh ch t
xúc tác, xúc ti n đ t o ra s n ph m cu i cùng đóng r n. Polyeste nƠy thu c
ch t dẻo nhi t r n.
Polyester có nhi u lo i, đi t

các acid, glycol vƠ monomer khác nhau, m i lo i

có nh ng tính ch t khác nhau. Chúng có th

r t khác nhau trong các lo i nh a

UPE khác nhau, ph thu c ch y u vƠo các y u t :
+ ThƠnh ph n nguyên li u (lo i vƠ tỷ l tác ch t s d ng).
+ Ph

ng pháp t ng h p.

+ Tr ng l

ng phơn t .

+ H đóng r n (monomer, ch t xúc tác, ch t xúc ti n).
+ H ch t đ n (c t).
Đa s nh a polyester có mƠu nh t, th
L

ng đ

c pha loƣng trong styrene.

ng styrene có th lên đ n 50% đ lƠm gi m đ

nh t c a nh a, d dƠng cho

15


quá trình gia công. NgoƠi ra, styrene còn lƠm nhi m v
ngang gi a các phơn t

mƠ không có s

t o thƠnh s n ph m ph

có th i gian t n tr

ng n lƠ do hi n t

Thông th

i ta thêm vƠo m t l

ng, ng

ng t

t ng h p polyester đ ngăn ng a hi n t

nh a

đóng r n t o liên k t
nƠo. Polyester

đóng r n c a nó sau m t th i gian.

ng nh

ch t

c ch

trong quá trình

ng nƠy. NhƠ s n xu t có th cung c p

d ng t nhiên hay có dùng m t s ph gia.

Nh a có th đ
đƣ đ c p

c s n xu t đ ch c n cho xúc tác vƠo lƠ s

trên, c n ph i có th i gian đ

polyester t

d ng đ

c. Nh

đóng r n. T c đ

trùng

h p quá ch m cho m c đích s d ng, vì v y c n dùng ch t xúc tác vƠ ch t xúc
ti n đ đ t đ trùng h p c a nh a trong m t kho ng th i gian nƠo đó. Khi đƣ
đóng r n, polyester r t c ng vƠ có kh
hay t o k t ngang đ

năng kháng hoá ch t. Quá trình đóng r n

c g i lƠ quá trình Polymer hóa. Đơy lƠ ph n ng hoá h c

ch có m t chi u. C u trúc không gian nƠy cho phép nh a ch u t i đ

c

mƠ không b giòn.
b) Vinylester: Vinylester có c u trúc tƣ ng t
bi t ch

nh polyester, nh ng đi m khác

y u c a nó v i polyester lƠ v trí ph n ng, th

t do vinylester ch có k t đôi C=C
m ch phơn t

ng lƠ

cu i m ch phơn

hai đ u m ch mƠ thôi. ToƠn b

chi u dƠi

đ u sẵn ch u t i, nghĩa lƠ vinylester dai vƠ đƠn h i h n polyester.

Vinylester có ít nhóm ester h n polyester, nhóm ester r t d b th y phơn, t c lƠ
vinylester kháng n

c t t h n các polyester khác, do v y nó th

ng đ

c ng

d ng lƠm ng d n vƠ b n ch a hoá ch t. Khi so sánh v i polyester thì s nhóm
ester trong vinyl ester ít h n, nghĩa lƠ vinyl ester ít b

nh hƣ ng b i ph n ng

th y phơn. Th

bên ngoƠi cho s n ph m

ng p trong n

ng dùng v t li u nƠy nh lƠ l p ph
c, nh lƠ v

ester có khuynh h

ngoƠi c a tƠu, thuy n. C u trúc đóng r n c a vinyl

ng dai h n polyester, mặc dù đ đ t tính ch t nƠy, nh a c n

nhi t đ cao sau đóng r n.
c) Epoxy: Epoxy lƠ đ i di n cho m t s

nh a có tính năng t t nh t hi n nay.

Nói chung, epoxy có tính năng c lý, kháng môi tr
lƠ lo i nh a đ

cs

ng h n hẳn các nh a khác,

d ng nhi u nh t trong các chi ti t máy bay. V i tính ch t
16


k t dính vƠ kh năng kháng n

c tuy t v i c a mình, epoxy r t lý t

d ng trong ngƠnh đóng tƠu, lƠ l p lót chính cho tƠu ch t l

ph

bên ngoƠi v

ng đ

s

ng cao hoặc lƠ l p

tƠu hay thay cho polyester d b th y phơn b i n

c vƠ

gelcoat.

Hình 2.4: Công th c hóa h c c a m t s lo i epoxy thông d ng
d) Nh a Epoxy vinyl ester: lƠ s n ph m c a ph n ng gi a axit methacrylic vƠ
DGEBPAC (Diglycidylether of Bisphenol A). Nh a Epoxy Vinyl Ester có ph n
ng l

i hoá nh các g c t do có tác nhơn kh i mƠo(Monomer Styren), ph n

ng đóng r n di n ra
và đ

nhi t đ th

ng. Lo i nh a nƠy có nhi u tính ch t u vi t

c s d ng trong nh ng môi tr

ng hoá ch t ăn mòn m nh vƠ đi u ki n lƠm

vi c kh c nghi t.
-

HƠm l

ng Styrene (%)

-

Đ nh t Brookfield ( 25°C/60v/phút)

450

-

Tỷ tr ng

1,04 ± 0,01

45

17


2.1.3. Tính ch t v t li u composite
C tính c a v t li u composite ph thu c vƠo nh ng đặc tính sau:

- C tính c a các v t li u thƠnh ph n: các v t li u thƠnh ph n có c tính t t thì v t
li u composite cũng có c tính t t vƠ t t h n tính ch t c a t ng v t li u thƠnh ph n.
- Lu t phơn b hình h c c a v t li u c t: khi v t li u li u c t phơn b không đ ng
đ u, v t li u composite b phá huỷ tr
c t s i, ph
tính d h

ch t

ng c a s i quy t đ nh tính d h
ng nƠy theo ý mu n đ ch t o đ

nh ng n i ít v t li u c t. V i composite
ng c a v t li u, có th đi u ch nh đ
c v t li u cũng nh ph

c

ng án công ngh

phù h p v i yêu c u.
- Tác d ng t

ng h gi a các v t li u thƠnh ph n: v t li u c t vƠ n n ph i liên k t

chặt ch v i nhau m i có kh năng tăng c

ng vƠ b sung tính ch t cho nhau. Ví d :

liên k t gi a c t thép vƠ xi măng trong bê tông.

Đ có c tính cao các nhƠ s n xu t dùng nhi u ph
s i. HƠm l
l

ng s i

ng pháp đ gia tăng hƠm l

ng

kho ng 50 - 60 % th tích c a composite lƠ m c t i u. HƠm

ng s i nhi u nh t có th đ t đ n lƠ 70 - 75 % th tích nh ng

con s nƠy ch t n n

không đ đ t o ra đ dính (adhesion) c n thi t.
2.1.4. Phơn lo i v t li u composite
- Phơn lo i theo hình d ng c t li u

Hình 2.5: Hình d ng c a các lo i v t li u composite
a- composite h t, b- composite s i, c- composite phi n
d- composite v y, e- composite đ đ y
- Phơn lo i theo b n ch t vƠ v t li u thƠnh ph n
18


+ Composite n n h u c : n n lƠ nh a h u c , c t th

ng lƠ s i h u c , hoặc s i

khoáng hoặc s i kim lo i.
+ Composite n n g m: n n lƠ các lo i v t li u g m, c t có th lƠ s i, hoặc h t kim
lo i hoặc cũng có th lƠ h t g m.
+ Composite n n kim lo i: n n lƠ các kim lo i nh titan, nhôm, đ ng, c t th

ng lƠ

s i kim lo i hoặc s i khoáng nh B, C, SiC
2.1.5.

u đi m c a v t li u composite

- Nhẹ nh ng c ng v ng, ch u va đ p, u n, kéo t t.
- Ch u hóa ch t, không g sét, ch ng ăn mòn.
- Ch u th i ti t, ch ng tia t ngo i, ch ng lƣo hóa nên r t b n.
- Ch u nhi t, ch u l nh, ch ng cháy.
- Ch u ma sát, c

ng đ l c vƠ nhi t đ cao.

- H p th sóng đi n t t t ( composite- th y tinh)
- Không th m n

c, không đ c h i.

- B o trì, b o d ỡng, s a ch a d dƠng, chi phí th p.
- MƠu s c đa d ng, đẹp, b n vì đ

c pha ngay trong nguyên li u.

- Thi t k , t o dáng thu n l i, đa d ng, có nhi u công ngh đ l a ch n
- Đ u t thi t b vƠ t ch c s n xu t không ph c t p, không t n kém, không nh h
môi tr

ng, chi phí v n chuy n vƠ s n xu t không cao.

2.1.6. Công ngh ch t o v t li u composite
- Công ngh khuôn ti p xúc:
+ Lát tay
+ Phun
+ Lát máy
- Công ngh khuôn v i diaphragm đƠn h i
+ Khuôn chân không
+ Khuôn chân không ậ autoclave
+ Khuôn ép diaphragm
- Công ngh t m áp l c
19

ng