Dự đoán ứng xử cơ học của chi tiết composite BMC dùng trong công nghiệp điện bằng mô hình đồng nhất đa cấp độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Khoa: Kỹ Thuật Giao Thông

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
-------------------------------------Ngày
tháng
năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN HỮU THUẬN

MSSV: G0904641

NGÀNH: KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG

LỚP: GT09HK

1. Đầu đề luận án:
Dự đoán ứng xử cơ học của chi tiết composite BMC dùng trong công nghiệp điện bằng
mô hình đồng nhất đa cấp độ.
2. Nhiệm vụ luận án:
- Nghiên cứu lý thuyết composite loại BMC
- Xây dựng mô hình dự đoán ứng xử của vật liệu composite dựa vào thành phần và các
tính chất cơ học của thành phần và phân bố hướng sợi
- Mô hình hóa ứng xử vật liệu bằng lập trình matlab
- So sánh các kết quả thu được với kết quả thí nghiệm trên vật liệu BMC
Ngày giao nhiệm vụ luận án: 03/09/2013
3. Ngày hoàn thành luận án: 30/12/2013

4. Họ tên người hướng dẫn:

Phần hướng dẫn: 100%

- TS. LÊ THỊ TUYẾT NHUNG
Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua Bộ môn.
Ngày

tháng

năm

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:
Người duyệt (chấm sơ bộ): ......................
Đơn vị: .....................................................
Ngày bảo vệ: ............................................
Điểm tổng kết: .........................................
Nơi lưu trữ luận án: .................................

i


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được đề tài luận văn này, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân đã vận
dụng những kiến thức tiếp thu được ở trường, tìm tòi học hỏi cũng như thu thập thông
tin số liệu có liên quan đến đề tài. Em luôn nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, hỗ trợ

và động viên từ gia đình, từ quý thầy cô cùng các bạn. Nhờ đó mà em đã hoàn thành
được luận văn như mong muốn, nay xin cho phép em được gửi lời cám ơn sâu sắc và
chân thành đến:
Ba mẹ là những người đã dạy dỗ và nuôi em khôn lớn cho đến khi em bước chân
vào giảng đường đại học, là người luôn bên cạnh em và chia sẽ mỗi lúc em gặp khó
khăn trong cuộc sống.
Các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật hàng không trường Đại Học Bách Khoa đã truyền
đạt những kiến thức quý báu để từ đó em phát triển thêm vốn hiểu biết của mình vận
dụng trong công việc sau này. Ban giám hiệu trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố
Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong quá trình học tập và
hoàn thành luận văn.
Em cũng xin chân thành cảm ơn cô TS. Lê Thị Tuyết Nhung, người trực tiếp
hướng dẫn đề tài. Trong quá trình làm luận văn, cô đã rất tận tình hướng dẫn thực hiện
đề tài, giúp em giải quyết các vấn đề nảy sinh trong quá trình làm luận văn và hoàn
thành luận văn đúng định hướng ban đầu.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã cho em
những đóng góp quý báu để luận văn thêm hoàn chỉnh.
Cuối cùng xin được gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè là những người luôn chia sẽ
những chuyện buồn vui trong cuộc sống cũng như giúp đỡ em những lúc khó khăn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn. Chúc tất cả mọi người nhiều sức khỏe và
thành đạt.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 01 năm 2014
Sinh Viên
Nguyễn Hữu Thuận

ii


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nhiệm vụ của đề tài luận văn này là dự đoán ứng xử cơ học của chi tiết
composite bằng mô hình đồng nhất đa cấp độ. Trọng tâm chính của luận văn là xây
dựng một chương trình dùng để dự đoán ứng xử của composite dựa trên mô hình đồng
nhất đa cấp độ. Mô hình đồng nhất được sử dụng trong đề tài là mô hình Mori –
Tanaka, mô hình này cho phép dự đoán ứng xử của vật liệu composite có tính đến
hướng sợi bất kì do phương pháp sản xuất bằng phun – đúc khuôn. Nhằm tạo thêm
một công cụ cho việc dự đoán tính chất cơ học của composite nhanh và đáng tin cậy
hơn dựa trên mô hình Mori - Tanaka, đề tài cũng trình bày việc xây dựng chương trình
mô hình hóa composite trên giao diện GUIDE của MATLAB. Phần cuối của đề tài
trình bày việc kiểm nghiệm tính chính xác của chương trình thông qua việc so sánh kết
quả mô hình với các kết quả thực nghiệm có sẵn. Song song cùng với đó là so sánh và
phân tích ứng xử của một chi tiết composite trên phần mềm hữu hạn Abaqus với các
kết quả có được từ mô hình dự đoán composite đã xây dựng.
Luận văn này được bố cục thành các phần chính sau đây:
-

Giới thiệu tổng quan đề tài

-

Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì

-

Chương 2: Các phương pháp mô hình hóa vật liệu composite

-

Chương 3: Kết quả mô hình hóa vật liệu composite

-

Kết luận và kiến nghị

iii


MỤC LỤC
Đề mục

Trang

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................. ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................................iii
MỤC LỤC ................................................................................................................................. iv
DANH SÁCH HÌNH VẼ........................................................................................................... vi
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .................................................................................................... vii
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ........................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. VẬT LIỆU COMPOSITE SỢI HƯỚNG ĐỒNG NHẤT VÀ SỢI HƯỚNG
BẤT KÌ ...................................................................................................................................... 3
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của Composite ............................................................... 3
1.2. Thành phần cấu tạo và cách phân loại vật liệu composite ................................................ 4
1.2.1. Thành phần cấu tạo.................................................................................................... 4
a. Thành phần cốt ................................................................................................................ 4
b. Vật liệu nền ..................................................................................................................... 5
1.2.2. Phân loại vật liệu composite ...................................................................................... 5
a. Phân loại theo bản chất nền và sợi................................................................................... 6
b. Phân loại theo hình dạng sợi ........................................................................................... 6
1.2.3. Các kết quả thí nghiệm về cơ tính của vật liệu composite ...................................... 10

a. Thông số tính chất cơ học của một vài loại composite tham khảo nhà sản xuất ........... 10
b. Các kết quả thí nghiệm trên vật liệu composite sợi ngắn, hướng bất kì........................ 12
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA VẬT LIỆU COMPOSITE ........ 16
2.1. Phương pháp mô hình hóa theo lý thuyết composite sợi đơn hướng .............................. 16
2.1.1. Trường hợp với tấm có góc hướng sợi trùng với trục chính tải .............................. 17
2.1.2. Trường hợp với tấm có góc hướng sợi lệch với trục chính tải ................................ 18
2.2. Phương pháp mô hình hóa composite sợi ngắn, có hướng bất kì ................................... 20
2.2.1. Composite sợi ngắn, hướng sợi bất kì ..................................................................... 22

iv


2.2.2. Đối với composite sợi ngắn, sợi cùng hướng .......................................................... 23
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ MÔ HÌNH HÓA VẬT LIỆU COMPOSITE ............................. 24
3.1. SỢI ĐƠN HƯỚNG (UNIDIRECTIONAL FIBER) ....................................................... 24
3.1.1. Chương trình tính toán tính chất cơ học của composite sợi unidirectional ............. 24
3.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ sợi đến tính chất cơ học của composite sợi đơn hướng .......... 29
3.1.3. Mô phỏng phần tử hữu hạn của chi tiết cánh composite ......................................... 31
a. Hình học, vật liệu của mô hình cánh composite Glass/Epoxy 45 % sợi ....................... 31
b. Cách chia lưới và định nghĩa loại phần tử cho mô hình cánh ....................................... 32
c. Điều kiện biên, ngàm ..................................................................................................... 33
d. Kết quả mô phỏng ứng suất và chuyển vị của mô hình cánh ........................................ 33
3.2. SỢI HƯỚNG BẤT KÌ (RANDOM ORIENTATION FIBER)....................................... 38
3.2.1. Chương trình tính toán tính chất cơ học của composite sợi random orientation..... 38
3.2.2. Đánh giá kết quả mô hình và so sánh với số liệu thực nghiệm vật liệu BMC ........ 40
a. Kiểm nghiệm với mô hình composite hướng sợi bất kì ................................................ 40
b. So sánh sự ảnh hưởng bởi góc đo hướng sợi tới tính chất cơ học của vật liệu ............. 41
c. Kiểm nghiệm với thực nghiệm ...................................................................................... 45
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 50

PHỤ LỤC A.1 .......................................................................................................................... 51
PHỤ LỤC A.2 .......................................................................................................................... 53

v


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 - Các loại thành phần sợi của composite phân loại theo hình dạng............................. 6
Hình 1.2 – Sơ đồ công nghiệp sản xuất composite sợi dài [3] ................................................... 7
Hình 1.3 – Sơ đồ các công nghệ sản xuất composite sợi ngắn [5] ............................................. 9
Hình 1.4 - Mẫu thí nghiệm vật liệu composite loại BMC ........................................................ 12
Hình 1.5 - Mô phỏng hướng sợi chi tiết BMC trong không gian [7] ....................................... 14
Hình 1.6 – Thống kê góc đo hướng sợi của 2 chi tiết BMC 20%wt ở 2D ............................... 14
Hình 1.7 – Thống kê góc đo hướng sợi hai chi tiết BMC 20%wt ở 3D ................................... 15
Hình 2.1- Sơ đồ khối tính toán các tính chất cơ học của composite sợi đơn hướng ................ 16
Hình 2.2- Minh họa một phần tử đại diện của composite một lớp ........................................... 17
Hình 2.3 – Các hệ trục tọa độ quy ước của composite ............................................................. 18
Hình 2.4 – Sơ đồ khối mô hình hóa composite sợi ngắn bằng mô hình Mori – Tanaka .......... 21
Hình 2.5 – Minh họa các hệ trục hướng sợi của phần tử sợi composite................................... 22
Hình 3.1 – Đồ thị mô tả ảnh hưởng của tỉ lệ sợi tới module đàn hồi của composite theo các
phương khác nhau của composite Glass/Epoxy ....................................................................... 30
Hình 3.2 – Đồ thị mô tả ảnh hưởng của tỉ lệ sợi tới module đàn hồi của composite theo các
phương khác nhau của composite Graphite/Epoxy .................................................................. 30
Hình 3.3 – Mô phỏng chi tiết cánh NACA 0012 ...................................................................... 32
Hình 3.4 – Chia lưới cho mô hình cánh NACA 0012 .............................................................. 33
Hình 3.5 – Điều kiện biên, điều kiện tải áp dụng cho mô hình cánh NACA 0012 .................. 33
Hình 3.6 – Vị trí biên dạng thứ nhất lấy ứng suất trên mô hình cánh NACA 0012 ................. 34
Hình 3.7 – Vị trí biên dạng thứ hai lấy ứng suất trên mô hình cánh NACA 0012 ................... 34
Hình 3.8 – Ứng suất S33 phát triển trên chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi ......... 35
Hình 3.9 – Đồ thị trạng thái ứng suất Mises của chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi

theo biên dạng 1........................................................................................................................ 35
Hình 3.10 – Đồ thị trạng thái ứng suất Mises của chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45%
sợi theo biên dạng 2 .................................................................................................................. 36
Hình 3.11 – Độ lớn chuyển vị thể hiện trên chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi .... 36
Hình 3.12 – Đồ thị trạng thái chuyển vị của chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi theo
biên dạng thứ 2 ......................................................................................................................... 37

vi


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 - Tính chất cơ học của một vài loại composite [6] .................................................... 10
Bảng 1.2 - Tính chất cơ học của một số loại sợi và nền [6] ..................................................... 11
Bảng 1.3 – Bảng thông số chi tiết mẫu BMC dùng trong thí nghiệm kéo nén của N.Le ......... 13
Bảng 1.4 - Kết quả thí nghiệm của N.Le với chi tiết BMC 20% wt (Injected plate, Xmold
samples) .................................................................................................................................... 13
Bảng 3.1 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô hình composite loại
Glass/Epoxy 45% sợi ................................................................................................................ 27
Bảng 3.2 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô hình composite loại
Graphite/Epoxy 70% sợi .......................................................................................................... 29
Bảng 3.3 – Thông số vật liệu chi tiết cánh làm bằng composite Glass/Epoxy 45% sợi........... 32
Bảng 3.4 – Bảng so sánh ứng suất, chuyển vị loại composite Glass/Epoxy ở các tỉ lệ sợi khác
nhau .......................................................................................................................................... 38
Bảng 3.5 – Bảng kết quả cho ba chi tiết composite ở ba góc hướng sợi khác nhau................. 41
Bảng 3.6 - Góc đo hướng sợi của chi tiết 20F Injected plate ở 2D cho mô hình Mori – Tanaka
.................................................................................................................................................. 41
Bảng 3.7 - Góc đo hướng sợi của chi tiết 20F Injected plate ở 3D cho mô hình Mori – Tanaka
.................................................................................................................................................. 42
Bảng 3.8 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm chi tiết composite BMC 20%wt - 20F
Injected plate 2D và composite BMC 20%wt - 20F Injected plate 3D .................................... 43

Bảng 3.9 - Góc đo hướng sợi chi tiết 20F-Xmold ở 2D cho mô hình Mori – Tanaka ............. 44
Bảng 3.10 - Góc đo hướng sợi của chi tiết 20F-Xmold ở 3D cho mô hình Mori – Tanaka ..... 44
Bảng 3.11 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm chi tiết composite BMC 20%wt - 20FXmold 2D và composite BMC 20%wt - 20F-Xmold 3D ......................................................... 45
Bảng 3.12 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô hình composite BMC 20%wt (20F
Injected plate) ........................................................................................................................... 46
Bảng 3.13 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô hình composite BMC 20%wt
(20F-Xmold) ............................................................................................................................. 46

vii


GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Trong nhiều năm trở lại đây, sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp vật
liệu composite đã và đang tạo nên những bước đột phá quan trọng trong nền công
nghiệp vật liệu. Việc nghiên cứu và áp dụng composite rộng rãi hơn nữa là một trong
những nhiệm vụ cấp thiết trong xu thế phát triển không ngừng của nền công nghiệp vật
liệu hiện nay.
Vật liệu composite đã giải quyết được phần lớn các vấn đề về vật liệu mà lúc
nghành công nghiệp này chưa phát triển là tạo ra một loại vật liệu vừa có cơ tính tốt
vừa có độ bền cao nhưng lại rất nhẹ. Với những ưu điểm về cơ tính phổ biến vừa nêu,
bên cạnh đó bằng công nghệ nano hiện nay người ta có thể tạo ra những vật liệu
composite với những tính năng đặc biệt phù hợp với từng nhu cầu sử dụng khác nhau,
chính vì vậy hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu vật liệu composite để có thể
đưa composite ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực.
Xác định được tầm quan trọng của việc nghiên cứu các tính chất cơ học của
composite, luận văn này được xây dựng với mục đích xây dựng một chương trình tính
toán dự đoán các tính chất cơ học của composite dựa vào các thông số thành phần.
Trong tính toán với composite, để tính toán được độ bền của một chi tiết bằng
composite thì cần biết được tính chất cơ học của composite, mà tính chất cơ học của
composite lại phụ thuộc vào loại sợi của composite (ví dụ: sợi ngắn, sợi dài), phụ

thuộc vào hướng sợi của composite. Ngoài ra đối với loại sợi ngắn, thì phương pháp
sản xuất chính là phun vào khuôn vì vậy hướng sợi của chi tiết composite là bất kì và
khi đó tính chất của chi tiết composite đó trở nên không đồng nhất trong các vùng khác
nhau của chi tiết. Việc xây dựng một chương trình để có thể dự đoán các tính chất cơ
học của composite thông qua các tính chất của các thành phần đặc trưng như vậy là rất
cần thiết.
Các phần mềm phần tử hữu hạn hiện nay như Abaqus, Catia chỉ cho phép phân
tích ứng xử của vật liệu composite khi ta nhập các thông số cuối cùng của composite
như module đàn hồi của composite, module trượt của composite,…nhưng để thu được
những số liệu này ngoài cách làm thí nghiệm, thì một phương pháp nữa là sử dụng mô

1


hình để dự đoán và tính toán các thông số của composite dựa trên tính chất cơ học của
các thành phần cấu tạo nên composite.
Hai phương pháp mô hình hóa composite thường sử dụng để tính toán các tính
chất cơ học của composite dựa vào các tính chất cơ học của các thành phần cấu tạo là:
Phương pháp dựa vào lý thuyết composite sợi đồng nhất sẽ trình bày ở phần 2.1 và
phương pháp mô hình hóa composite sợi có hướng bất kì theo mô hình Mori – Tanaka
[1] trình bày ở phần 2.2.
Ở phương pháp thứ nhất là dựa vào lý thuyết về composite, về quan hệ ứng suất
– biến dạng của từng thành phần sợi và nền để tìm ra mối quan hệ với ứng suất – biến
dạng của loại composite đó. Phương pháp này áp dụng cho loại composite có hướng
sợi đồng nhất (unidirectional fiber).
Ở phương pháp thứ hai, phương pháp này được chia thành hai phần nhỏ khác
nhau, phần A là xây dựng mô hình cho bài toán composite sợi ngắn, hướng sợi bất kì,
phần B là bài toán xây dựng cho loại sợi ngắn nhưng hướng sợi là đồng nhất (là một
trường hợp đặc biệt của sợi có hướng bất kì).
Trong phương pháp thứ hai phương pháp mô hình hóa theo mô hình Mori –

Tanaka sẽ cho phép xây dựng nên mô hình bài toán cho phép dự đoán ứng xử của
composite bắt đầu từ quan hệ của sợi và nền. Trong phương pháp này trình bày cách
xây dựng mô hình Mori – Tanaka để tính toán tính chất cơ học của composite, tiếp
theo là xây dựng chương trình tính toán đó trên phần mềm Matlab và kiểm nghiệm kết
quả với một vài mẫu thí nghiệm composite, cuối cùng là phân tích ứng suất năm mẫu
chi tiết cánh sải 0.36 m của cùng một loại composite sợi ngắn, hướng bất kì từ các kết
quả dự đoán của phương pháp này trên phần mềm Abaqus.
Kết quả sẽ đạt được của hai phương pháp này sẽ cho ta một chương trình dùng để
tính toán các module đàn hồi cho composite từ các thông số đầu vào của sợi và nền với
các loại thành phần, đặc điểm, cấu trúc sợi khác nhau.

2


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì

CHƯƠNG 1. VẬT LIỆU COMPOSITE SỢI HƯỚNG ĐỒNG NHẤT VÀ
SỢI HƯỚNG BẤT KÌ
Composite hiện có nhiều loại và nhiều thành phần cấu tạo khác nhau, có rất
nhiều cách phân loại composite nhưng phổ biến là cách phân loại dựa theo loại sợi
(sợi ngắn, sợi dài). Nhu cầu ứng dụng thực tế của composite là rất lớn trong nhiều
lĩnh vực, và mỗi lĩnh vực lại có nhiều thế mạnh riêng cho từng loại sợi, tương ứng với
cách sản xuất loại composite có sợi đó (ví dụ trong hàng không, thì composite sợi dài,
đơn hướng có ưu điểm hơn vì tạo được các chi tiết composite dạng tấm, các lớp tấm
phẳng 2D ứng dụng trong chế tạo vỏ, cánh máy bay…, phương pháp sản xuất loại này
chủ yếu là nén sợi và nền theo các lớp. Trong công nghiệp ôtô, công nghiệp điện, hay
gia dụng thì sợi ngắn có nhiều ưu điểm hơn, do tạo được các chi tiết khối 3D phức tạp,
và có chi phí sản xuất rẻ vì phương pháp sản xuất loại composite sợi ngắn này chủ yếu
là phun – đúc khuôn). Vì phương pháp sản suất thì có ảnh hưởng lớn đến cơ tính của
vật liệu composite, đặc biệt là phương pháp phun khuôn (Injection), do hướng sợi

trong chi tiết composite sợi ngắn được sản xuất bằng phương pháp này là bất kì, vì thế
dẫn tới sự khó khăn khi xác định cơ tính của vật liệu composite. Do đó, việc tìm hiểu
thêm về loại vật liệu này là rất cần thiết, thiết thực. Phần trình bày dưới đây sẽ trình
bày rõ hơn về loại vật liệu này.
1.1. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA COMPOSITE
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 tre đan bằng tre chát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan
tre chát bùn với rơm, rạ là những sản phẩm Composite được áp dụng rộng rãi trong đời
sống.
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

3


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì
sợi thủy tinh; Fillis và Foster dùng gia cường cho Polyeste không no và giải pháp này
đã được áp dụng rộng rãi trong nghành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục
vụ cho đại chiến thế giới lần thứ hai.
Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong nghành vật liệu Composite đó là sự
xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia cường như Polyeste, nylon,…[2]
Trong những năm gần đây, composite được sử dụng chế tạo các bộ phận trên
máy bay như kết cấu khung xương, thân máy bay, cánh, bộ phận dẫn hướng... Theo
thống kê của hãng máy bay Boeing, chiếc Boeing Dreamliner 787 sử dụng đến 50%
composite trên toàn bộ trọng lượng. Tháng 11 năm 2013, hãng Airbus cũng vừa bay
thử nghiệm thành công chiếc A350 XWB được làm từ vật liệu tiên tiến – bao gồm vật

liệu composite lên tới 53% [2]. Hiện nay không chỉ trong hàng không, trong nghành
vận tải đường bộ, vật liệu composite đã được sử dụng trong việc sản xuất các toa xe
tàu hỏa, các bộ phận cơ khí phức tạp của ôtô nhằm hạn chế tối đa trọng lượng và giảm
chi phí. Trong công nghiệp đóng tàu, vật liệu composite đã bắt đầu được dùng để đóng
các loại tàu thuyền, xuồng cỡ nhỏ, cano…Ngoài ra, rất nhiều ứng dụng của vật liệu
composite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các nghành công
nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự vv…
1.2. THÀNH PHẦN CẤU TẠO VÀ CÁCH PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
COMPOSITE
Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân
bố trong một pha liên tục duy nhất. Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), thường
làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là cốt sợi hay vật
liệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính,
chống mòn, chống xước...[2]
1.2.1. Thành phần cấu tạo
a. Thành phần cốt
Có nhiều loại thành phần cốt khác nhau, nhưng về cơ bản có các nhóm cốt như
sau: Nhóm sợi khoáng chất gồm có sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm. Nhóm sợi tổng
hợp ổn định nhiệt gồm sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil. Các nhóm sợi
4


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì
khác ít phổ biến hơn như là sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô, giấy, sợi đay, sợi gai, sợi
dứa, sơ dừa,...) sợi gốc khoáng chất (sợi Amiăng, sợi Silic,...), sợi nhựa tổng hợp: sợi
polyeste (tergal, dacron, térylène, ..), sợi polyamit,..; sợi kim loại: thép, đồng,
nhôm,…[2]
b. Vật liệu nền
Vật liệu nền có bốn loại chính sau là bốn loại chất liệu nền đặc trưng của
composite, chúng có các tính chất cơ học phù hợp và nhiều cơ tính tốt để tạo nên vật

liệu composite:
 Chất liệu nền polyme nhiệt rắn: Nhựa polyeste và nhóm nhựa cô đặc như: nhựa
phenol, nhựa furan, nhựa amin, nhựa epoxy.
 Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo: Nền của vật liệu là nhựa nhiệt dẻo như: PVC,
nhựa polyetylen, nhựa polypropylen, nhựa polyamit,...
 Chất liệu nền cacbon: Cacbon dưới các xử lý đặc biệt (kéo dãn các sợi hữu cơ
và cacbon hóa) nó có khả năng sắp xếp các mặt tinh thể cacbon theo hướng của
sợi hoặc vuông góc với trục của sợi không có các mặt tinh thể cacbon. Kết quả là
các sợi có độ bền đặc biệt cao hơn cả thép.
 Chất liệu nền kim loại: Vật liệu compozit nền kim loại có modun đàn hồi rất
cao có thể lên tới 110 GPa. Do đó đòi hỏi chất gia cường cũng có module cao.
Các kim loại được sử dụng nhiều là: nhôm, niken, đồng.
1.2.2. Phân loại vật liệu composite
Vật liệu composite được phân loại theo hai cách phân loại chủ yếu là phân loại
theo loại sợi và theo bản chất của vật liệu thành phần. Trong khi phân loại theo bản
chất dựa vào bản chất của sợi và nền, thì phân loại theo loại sợi phần nào phụ thuộc
vào cách sản xuất. Cách sản xuất không chỉ tạo thành hai loại kích thước sợi ngắn, sợi
dài mà còn tạo ra hướng sợi ngẫu nhiên của vật liệu composite. Đặc biệt đối với loại
sợi ngắn, cách sản xuất thường là phun hỗn hợp sợi và nền vào khuôn, vì vậy hướng
sợi trong các sản phẩm của phương pháp này là bất kì và cơ tính của composite trở nên
phức tạp hơn.

5


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì
a. Phân loại theo bản chất nền và sợi
Composite nền hữu cơ: composite nền giấy (cáctông), composite nền nhựa, nền
nhựa đường, nền cao su (tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xe
máy),... Loại nền này thường có thể kết hợp với mọi dạng cốt liệu, như: sợi hữu cơ

(polyamit, kevlar (là sợi aramit cơ tính cao)…), sợi khoáng (sợi thủy tinh, sợi
cacbon,…), sợi kim loại (Bo, nhôm,...). Vật liệu composite nền hữu cơ chỉ chịu được
nhiệt độ tối đa là khoảng 200 ÷ 300 °C.
Composite nền khoáng chất: bê tông, bê tông cốt thép, composite nền gốm,
composite cacbon - cacbon. Thường loại nền này kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại
(Bo, thép,...), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua, gốm Nitơ,...).
Composite nền kim loại: nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm,... Thường kết
hợp với cốt liệu dạng: sợi kim loại (Bo,...), sợi khoáng (cacbon, SiC,...).
Composit nền kim loại hay nền khoáng chất có thể chịu nhiệt độ tối đa khoảng
600 ÷ 1.000 °C (nền gốm tới 1.000 °C).[2]
b. Phân loại theo hình dạng sợi

a) Sợi dài (Continuous fibers)

b) Sợi ngắn (Discontinuous fibers)

Hình 1.1 - Các loại thành phần sợi của composite phân loại theo hình dạng

Composite hiện nay sử dụng dạng cốt sợi là phần lớn (còn lại số ít là dạng cốt
hạt), cốt sợi được chia thành hai loại khác nhau là composite sợi dài và composite sợi
ngắn.
 Composite sợi dài (Continuous fiber)
Composite sợi dài là composite có sợi với một chiều kích thước (gọi là chiều dài)
lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước không gian còn lại. Theo hai chiều kia
chúng phân bố gián đoạn trong vật liệu composite, còn theo chiều dài thì chúng có thể

6


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì

ở dạng liên tục hay gián đoạn [2]. Sợi có thể dài từ vài centi - mét đến vài chục mét và
các sợi trong cấu trúc thì cùng hướng với nhau.
Phương pháp sản xuất composite sợi dài chủ yếu là các phương pháp nén, ép
theo băng chuyền, khuôn hoặc là phương pháp chế tạo thủ công bằng cách quét các
lớp keo tuần tự các lớp sợi. Từ các phương pháp sản xuất như vậy nên sản phẩm
composite thường có dạng tấm, và hướng sợi của tấm là đơn hướng.

a) Phương pháp nén

b) Phương pháp ép trên băng chuyền

Hình 1.2 – Sơ đồ công nghiệp sản xuất composite sợi dài [3]
Ở Hình 1.2a) là phương pháp nén composite trong khuôn kín, các sợi gia cường
được cắt thủ công và đặt trên nửa khuôn phía dưới. Nửa khuôn phía trên được đóng
lại, chất keo nền được điền đầy vào khuôn dưới áp suất cao. Sau khi chất nền được
điền đầy vào khuôn, hỗn hợp nền và vật liệu gia cường được để đông kết trong thời
gian xác định. Sau đó sản phẩm được tháo khuôn để tiến hành sản xuất chi tiết tiếp
theo. Hình 1.2b) là phương pháp ép trên băng chuyền, trong phương pháp này lần lượt
từng lớp keo, lớp sợi được dẫn theo băng tải đến bộ phận ép để hỗn hợp liên kết với
nhau, sau đó sẽ chuyển qua khâu làm khô và được cắt thành từng cuộn.[4]
Composite sợi dài có các tính chất cơ học theo phương hướng sợi là rất lớn, độ
cứng, độ bền, ứng suất kéo, nén..theo phương chính sợi là lớn hơn nhiều lần so với hai
phương còn lại. Do tính chất đơn hướng như vậy nên khi chế tạo chi tiết composite sợi
dài, nhà sản xuất thường xếp các tấm với nhiều hướng sợi khác nhau chồng lên nhau,
nhằm tạo cơ tính tốt cho composite theo các hướng khác nhau. Sản phẩm loại
7


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì
composite sợi dài thường là dạng đơn lớp hay tấm nhiều lớp (dạng sandwich). Ứng

dụng của composite sợi dài chủ yếu hiện nay là trong nghành công nghiệp hàng không,
các bộ phận vỏ, cánh, hay khung của máy bay đang dần thay thế bởi vật liệu
composite, ví dụ máy bay A350 có tới 53% khối lượng là composite, hay mỗi chiếc
787 Dreamline gồm xấp xỉ 35 tấn carbon – fiber – reinforced - polymer (CFRP), trong
đó gần 23 tấn là sợi carbon, chiếm khoảng 50% khối lượng máy bay và phần lớn là ở
bộ phận thân, cánh, đuôi. Tỉ lệ composite này giúp cho A350 được đánh giá cao hơn
787 Dreamline về tiết kiệm nhiên liệu, hiệu năng cũng như tính kinh tế. Ngoài những
ứng dụng thực tế mang ý nghĩa lớn trong hàng không, trong các ngành công nghiệp
khác cũng có rất nhiều ứng dụng thiết thực như:
• Bình chịu áp lực cao.
• Ống dẫn xăng dầu composite cao cấp 3.
• Ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn composite (ống cốt sợi thủy tinh).
• Ống dẫn nước thải, hóa chất composite, hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng.
• Ống thủy nông, ống dẫn nước nguồn qua vùng nước ngậm mặn, nhiễm phèn.
• Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất.
• Hệ thống sứ cách điện, sứ polymer, sứ silicon, sứ epoxy các loại sứ chuỗi, sứ
đỡ, sứ cầu giao, sứ trong các bộ thiết bị điện, chống sét, cầu chì.
• Lốp xe ô tô, xe máy, xe đạp.
• Vỏ tầu thuyền composite (vỏ lãi)...
• Thùng rác công cộng
• Mô hình đồ chơi trẻ em
 Composite sợi ngắn (Discontinuous fiber)
Composite sợi ngắn là loại có vật liệu sợi ngắn, gián đoạn, các sợi gia cường
ngắn khoảng từ 6 – 12 mm, hướng của sợi trong chi tiết là ngẫu nhiên. Các chi tiết
được chế tạo từ composite sợi ngắn thường rất khó khăn trong việc dự đoán ứng xử,
đặc biệt là các chi tiết 3D phức tạp vì hướng sợi phân bố trong chi tiết là bất kì, mặc dù
hướng chính sợi là theo hướng dòng chảy khi phun.
Nguyên lí của các phương pháp sản xuất composite sợi ngắn là trộn hỗn hợp nền
và sợi trước sau đó đổ hoặc phun, đùn vào khuôn chi tiết. Phương pháp này làm cho
8

Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì
các sợi trong chi tiết là hỗn độn, các sợi nằm theo các hướng khác nhau và ngẫu nhiên.
Các phương pháp sản xuất chủ yếu là phun hỗn hợp nền (keo) và sợi vào khuôn,
phương pháp đúc chân không hay còn gọi là đùn ép.

a) Công nghệ đúc chân không

b) Công nghệ phun

Hình 1.3 – Sơ đồ các công nghệ sản xuất composite sợi ngắn [5]
Hai công nghệ sản xuất sợi ngắn trên là điển hình cho sản xuất vật liệu composite
sợi ngắn, ở công nghệ đúc chân không – Hình 1.3a) nhựa và vật liệu gia cường có
chiều dài ngắn được cấp vào trống chứa hỗn hợp vật liệu của máy đùn ép. Bơm được
sử dụng để đẩy hỗn hợp vật liệu về phía trước của túi chân không, đồng thời đẩy
không khí chứa trong vật liệu ra ngoài. Trong quá trình hòa trộn ma sát làm tăng nhiệt
độ của hỗn hợp, năng lượng nhiệt này làm vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng trước
khi được chuyển tới buồng phun ép. Dưới lực ép của quá trình bơm, vật liệu được đùn
ép vào khuôn, hệ thống van một chiều được sử dụng để ngăn vật liệu bị nén ngược lại
trống chứa. Khi vật liệu đã được nén vào trong khuôn, bơm được giữ nguyên vị trí để
duy trì áp suất trong khuôn. Khi vật liệu đã đông kết trong khuôn, bơm được di chuyển
theo chiều ngược lại để chuẩn bị cho chu trình đùn ép sản phẩm tiếp theo. Ở Hình
1.3b) cách sản xuất gần như tương tự, nhưng ở đây cách đưa vật liệu từ khi tạo hỗn
hợp tới khi phun vào khuôn được dẫn bằng trục vít, dẫn động bởi motor và được gia
nhiệt thêm bên ngoài trục vít, tạo áp suất lớn hơn để phun khuôn các chi tiết phức
tạp.[4]
Ưu điểm của các phương pháp này là khả năng tự động hóa cao, năng suất lớn,
hiệu quả cao, phù hợp với loạt sản phẩm có số lượng lớn. Phương pháp này có thể sử
dụng để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp. Composite loại này được dùng

nhiều trong các chi tiết 3D, các chi tiết công nghiệp phức tạp như các thiết bị điện,
9


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì
điện tử trên máy bay, hay các thiết bị điện dân dụng, công nghiệp… bình đựng xăng
dầu, các dung dịch kiềm hay axit, các chi tiết phức tạp trên oto, moto, tàu thủy hay các
thiết bị điện, điện tử trên máy bay, tên lửa…vv.
Đặc trưng cho loại sợi này là Composite loại Bulk Moulding Compound (BMC).
So với sợi loại dài thì BMC có nhiều tính chất tốt hơn như: độ cứng, độ bền phân bố
gần như đều theo các hướng, khả năng chống ăn mòn cao, khả năng kháng hóa chất
cao, tính cách nhiệt hoặc cách điện tốt và đặc biệt là có thể chế tạo cho nhiều chi tiết
cần độ phức tạp cao hơn, chi phí sản xuất lại rẻ hơn.
1.2.3. Các kết quả thí nghiệm về cơ tính của vật liệu composite
Các kết quả thí nghiệm dưới đây sẽ cho ta thấy rõ hơn về tính chất cơ học của
một số loại composite, và sự ảnh hưởng bởi các thành phần cấu tạo tới tính chất của
composite. Đồng thời đây cũng là các số liệu dùng để kiểm chứng với mô hình tính
toán sẽ xây dựng ở chương 3.
a. Thông số tính chất cơ học của một vài loại composite tham khảo nhà sản xuất
Bảng 1.1 - Tính chất cơ học của một vài loại composite [6]
Thông số

Ký
hiệu

Đơn
vị

Thành phần thể tích
của sợi

f

-

0.45

0.5

0.7

Module đàn hồi dọc

EL

GPa

38.6

204

181

Module đàn hổi
ngang

ET

GPa

8.27

18.5

10.3

Hệ số Poisson

v

-

0.26

0.23

0.28

Module cắt

G12

GPa

1.14

5.59

7.17

Độ bền kéo theo
phương dọc

 1T

MPa

1062

1260

1500

Độ bền nén theo
phương dọc

 1T

Mpa

610

2500

1500

Độ bền kéo theo
phương ngang

 1T

Mpa

31

61

40

Độ bền nén theo
phương ngang

 1T

Mpa

118

202

246

Độ bền cắt trên mặt
phẳng

 12

MPa

72

67

68

Glass/Epoxy Boron/Epoxy

Graphite/Epox
y

10


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì
Bảng 1.2 - Tính chất cơ học của một số loại sợi và nền [6]
Thông số

Đơn vị

Sợi

Nền

Graphite

Glass

Epoxy

Polyamide

Module dọc trục

GPa

230

85

3.4

3.5

Module ngang

GPa

22

85

3.4

3.5

Hệ số Poisson

-

0.3

0.2

0.3

0.35

Module cắt dọc trục

GPa

22

35.42

1.308

1.3

Độ bền kéo dọc trục

MPa

2067

1550

72

54

Độ bền nén dọc trục

MPa

1999

1550

102

108

Độ bền kéo ngang

MPa

77

1550

72

54

Độ bền nén ngang

MPa

42

1550

102

108

Độ bền cắt

MPa

36

35

34

54

Các kết quả trên đây là các kết quả thí nghiệm của nhà sản xuất đưa ra. Bảng 1.1
là bảng thông số các tính chất cơ học của một số loại composite được làm từ các thành
phần vật liệu ở Bảng 1.2. Ở Bảng 1.1 là các thông số tính chất của ba loại composite
sợi dài, đặc điểm nổi bật của composite loại này là module đàn hồi theo phương dọc và
ngang chênh lệch nhau rất lớn, với loại Glass/Epoxy thì module đàn hồi phương dọc
(38.6 GPa) gấp gần 5 lần module đàn hồi theo phương ngang (8.27 GPa), loại
Boron/Epoxy module đàn hồi phương dọc lớn gấp 11 lần phương ngang và tương tự
loại Graphite/Epoxy là gấp 18 lần. Như vậy ta thấy rằng đối với loại composite sợi dài,
hướng sợi có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất cơ học của vật liệu, và theo phương
hướng sợi thì composite sẽ có những cơ tính tốt hơn. Điều đó dẫn đến việc cần phải
kết hợp nhiều tấm composite có hướng sợi khác nhau nhằm tạo nên cơ tính tốt cho

composite ở các hướng bất kì.
Ở đây ta chú ý tới Bảng 1.2, các thành phần như sợi glass, nền epoxy, nền
polyamide là vật liệu isotropic còn sợi graphite là vật liệu transversely isotropic. Tức
là đối với vật liệu isotropic, module đàn hồi hay tính chất cơ học của vật liệu theo
phương dọc trục và phương ngang là như nhau trong khi đối với loại vật liệu
transversely isotropic thì module đàn hồi theo phương dọc trục là lớn hơn nhiều so với
phương ngang (ví dụ sợi Graphite có module đàn hồi theo phương dọc trục - 230 GPa)
lớn hơn gấp 10 lần theo phương ngang – 22 GPa). Vì vậy khi định nghĩa vật liệu để
11


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì
tính toán các tính chất của composite, phải định nghĩa đúng cho từng loại vật liệu
isotropic và transverse isotropic này, đặc biệt là trong các ma trận độ cứng của vật liệu.
Các kết quả thí nghiệm về vật liệu composite ở trên sẽ dùng để so sánh, kiểm
nghiệm kết quả với mô hình vật liệu composite sẽ xây dựng ở chương 3.
b. Các kết quả thí nghiệm trên vật liệu composite sợi ngắn, hướng bất kì
Các thí nghiệm được trình bày trong phần này dùng vật liệu composite sợi ngắn
có tên gọi là Bulk Moulding Compound (BMC) với chiều dài sợi từ 6 – 50 mm, hướng
sợi trong chi tiết là ngẫu nhiên. Hai mẫu thí nghiệm được sản xuất theo hai phương
pháp khác nhau nhưng cùng với một loại sợi BMC, chi tiết thứ 1 là mẫu 20F – Xmold
được sản xuất bằng cách đúc với khuôn hình chữ thập. Chi tiết thứ hai là mẫu 20F –
Injection plate được sản xuất bằng cách phun hỗn hợp sợi và nền vào khuôn.

a) Xmold sample

b) Injected plate

Hình 1.4 - Mẫu thí nghiệm vật liệu composite loại BMC
Thí nghiệm kéo hai mẫu chi tiết trên được thực hiện bởi N. Le [7] với mục đích

là đo module đàn hồi theo các phương của chi tiết BMC. Song song với đó là thí
nghiệm phân tích ảnh để thống kê các góc hướng sợi trên các mẫu, nhằm dự đoán ảnh
hưởng của các góc hướng sợi tới module đàn hồi của vật liệu BMC.
Hai chi tiết BMC có 20% thành phần khối lượng là sợi, chiếm 14% thành phần
thể tích composite, và các thành phần cơ bản này đều là vật liệu isotropic. Các thông
số cơ bản của thành phần sợi và nền được thống kê như bảng dưới cùng các quy ước
về góc và phương của sợi trong chi tiết BMC được minh họa như hình 1.5. [8]

12


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì
Bảng 1.3 – Bảng thông số chi tiết mẫu BMC dùng trong thí nghiệm kéo nén của N. Le
Thành phần
nền

Thành
phần
sợi

Module
dọc trục
của nền

Module dọc
trục của sợi

Chiều
dài sợi

Đường
kính sợi

Phần trăm
thể tích của
sợi

Polyester
chưa bão hòa
(hạt Al2O3 –
80%wt)

E-Glass

6.5 GPa

72 GPa

6 mm

14 μm

0.14

Sau khi thí nghiệm kéo hai mẫu trên, N. Le đã thống kê được các module đàn hồi của
hai mẫu thí nghiệm 20F - Injected plate và 20F – Xmold, kết quả kéo theo phương dọc
và phương ngang của sợi được giới thiệu trong bảng sau:
Bảng 1.4 - Kết quả thí nghiệm của N. Le với chi tiết BMC 20% wt (Injected plate,
Xmold samples)
Thông số 20F - Xmold 20F – Injected plate

E1 (Gpa)

10.76 ± 0.67

9.75 ± 0.82

E2 (Gpa)

9.24 ± 0.45

9.15 ± 0.52

E2c/ E1c

0.86

0.95

Kết quả sau khi kéo hai mẫu là tương đối chính xác với sai số các lần đo là từ 4 –
8 %. Không như composite sợi dài, tính chất đàn hồi của chi tiết composite sợi ngắn
theo các phương 1 và 2 là gần như bằng nhau, tỉ số module đàn hồi E2c/ E1c là gần bằng
1 cho cả hai chi tiết 20F – Xmold và 20F – Injected plate. Chứng tỏ đối với các chi tiết
được làm từ composite sợi ngắn, hướng sợi bất kì thì ảnh hưởng của hướng sợi tới tính
chất cơ học hay ứng xử của chi tiết không bị ảnh hưởng nhiều. So với các chi tiết làm
từ composite sợi dài thì loại composite sợi ngắn không những cho các kết quả tốt hơn
về mặt cơ tính mà còn có thể sử dụng để chế tạo được các chi tiết 3D phức tạp.
BMC được sản xuất bằng cách phun khuôn là chủ yếu nên hướng sợi ngẫu nhiên
của vật liệu phần nào quyết định tới tính chất cơ học của chi tiết BMC. Để tìm hiểu
thêm về ảnh hưởng của hướng sợi N. Le đã tiến hành đo hướng sợi của hai mẫu BMC
trên nhằm thấy rõ được ảnh hưởng của hướng sợi tới tính chất cơ học của mẫu.

Bằng phương pháp phân tích ảnh vi mô chi tiết composite để đo các hướng sợi
của hai mẫu trên. N. Le đã thống kê được các thông số về độ hướng sợi của hai mẫu
BMC trên [9]. Với các thông số về độ hướng sợi, bằng các cách rời rạc hóa các họ sợi
13


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì
đo được về các nhóm sợi theo góc, sẽ thu được biểu đồ độ hướng sợi của các nhóm sợi
theo góc, và với các cách rời rạc khác nhau sẽ cho ra các biểu đồ hướng sợi khác nhau
như hình 1.6 với quy ước về các góc hướng sợi như sau:

Hình 1.5 - Mô phỏng hướng sợi chi tiết BMC trong không gian [7]
30

45
40

25

35

20

30
25

15

20
Tỉ lệ sợi (%)

10

Tỉ lệ sợi (%)

15
10

5

5

0

0
-90 -60 -30 0

30 60 90

Góc phi - φ (độ)

a) 20F - Injected plate

-90 -60 -30

0

30

60

90

Góc phi - φ (độ)

b) 20F - Xmold sample

Hình 1.6 – Thống kê góc đo hướng sợi của hai chi tiết BMC 20%wt ở 2D
Trên hình 1.6 mặc dù mẫu thí nghiệm BMC có góc hướng sợi là bất kì nhưng hướng
chính vẫn là hướng phun sợi, tức là thẳng theo hướng phun sợi và phần lớn nằm ở góc
phi = 0 độ (chiếm tới 28% ở chi tiết 20F – Injected plate, và 40% trong chi tiết 20F Xmold). Phần sợi còn lại lệch ra các góc từ 30 đến 60 độ nhưng vẫn nằm trong mặt
phẳng chi tiết (mặt phẳng 2D).

14


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì

40
0

10

30
60

5

90
120

0
-90 -60 -30

0 30 60
90
Góc phi (độ)

0

a) 20F - Injected plate

Tỉ lệ sợi (%)

Tỉ lệ sợi (%)

15

0

30

30
20

60
90

10

120

0
-90 -60 -30

0 30 60
90
Góc phi (độ)

0

b) 20F - Xmold sample

Hình 1.7 – Thống kê góc đo hướng sợi hai chi tiết BMC 20%wt ở 3D
Hình 1.7 là biểu đồ các họ sợi bao gồm cả các góc lệch ngoài mặt phẳng của chi tiết, ở
biểu đồ này ngoài các góc phi là các góc lệch giữa trục chính tải và hình chiếu trục
chính sợi, còn có góc theta là góc lệch giữa trục chính sợi và mặt phẳng vuông góc với
mặt phẳng sợi (Hình 1.3). Ở biểu đồ 3D này, hướng chính theo mặt phẳng chi tiết vẫn
là 0 độ (theo hướng phun sợi), và các góc lệch theta ở 90 và 120 độ là phổ biến (theta
bằng 90 độ tức là sợi nằm trên mặt phẳng của chi tiết – Hình 1.5), chứng tỏ rằng các
sợi hầu như vẫn nằm trong mặt phẳng chi tiết và chỉ lệch ra các góc với tỉ lệ nhỏ dù ở
2D hay 3D.

15


Chương 2: Các phương pháp mô hình hóa vật liệu composite

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA VẬT LIỆU
COMPOSITE

Có hai phương pháp mô hình hóa composite được trình bày ở đây là phương
pháp mô hình bài toán theo lý thuyết composite đơn hướng và phương pháp mô hình
theo mô hình sợi ngắn, hướng sợi bất kì. Phương pháp thứ nhất sẽ trình bày việc xây
dựng mô hình bài toán composite 2D từ các thành phần sợi và nền bằng cách sử dụng
lý thuyết cổ điển về ứng suất – biến dạng. Ở phương pháp thứ hai này sẽ dựa theo mô
hình đồng nhất của Mori – Tanaka để mô hình hóa composite từ các thành phần sợi và
nền. Kết quả đạt được của hai phương pháp trên là ta thu được module đàn hồi theo
các phương của composite từ các thông số đầu vào của sợi và nền.
2.1. PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA THEO LÝ THUYẾT COMPOSITE SỢI
ĐƠN HƯỚNG
Với mô hình composite tấm mỏng, sợi đồng nhất hướng có các tính chất của sợi
và nền đã biết, mô hình composite xây dựng theo lý thuyết vật liệu composite cơ bản
được đưa ra bởi Autar K. Kaw [10] sẽ tính toán được các thông số cuối cùng của tấm
composite từ các thông số cơ bản của hai thành phần của sợi và nền. Quá trình mô
hình hóa này được mô tả thông qua sơ đồ sau:

Hình 2.1- Sơ đồ khối tính toán các tính chất cơ học của composite sợi đơn hướng
16


Chương 2: Các phương pháp mô hình hóa vật liệu composite
Theo giản đồ xây dựng trên, mô hình xây dựng composite sợi ngắn, cùng hướng
có các thông số đầu vào là các thông số tính chất cơ học của sợi và nền gồm có
V f , Vm , E f , Em , v f , vm , sau đó dựa vào lý thuyết vật liệu composite cơ bản để tính được

các thông số tính chất cơ học của composite đơn hướng như E1, E2, E3, G12 – công
thức (2.1).
Nếu composite cần tính toán là loại composite có trục chính sợi trùng với trục
chính tải thì đó chính là kết quả các thông số tính chất cơ học của composite E1, E2, E3,
G12.

Nếu composite là loại có trục chính sợi lệch góc θ so với trục chính tải thì từ các
thông số ở bước trên ta xây dựng được ma trận độ cứng [Q] của composite (ma trận
[Q] này là ma trận độ cứng của composite theo trục tọa độ địa phương) – công thức
(2.2). Tiếp theo ta sẽ tìm được ma trận độ cứng thực [Qc] của composite theo hệ trục
tọa độ toàn cục bằng cách xoay ma trận độ cứng [Q] theo một góc theta (ma trận quay
góc theta [T]) – công thức (2.3). Từ ma trận độ cứng [Qc], ta có được ma trận độ mềm
[Sc] thông qua quan hệ [S] = [Q]-1, các thông số tính chất cơ học của composite E1c,
E2c, E3c, G12c sẽ được tính từ các hệ số của ma trận độ mềm [Sc] theo công thức (2.4).
2.1.1. Trường hợp với tấm có góc hướng sợi trùng với trục chính tải
Nếu như composite được cấu tạo từ nền và sợi đơn hướng thẳng đều, trục chính
tải trùng với trục chính của sợi.

Hình 2.2- Minh họa một phần tử đại diện của composite một lớp
Thì ta có thể tính được các thông số thể hiện cơ tính của tấm composite 2D với
các đại lượng cho trước của nền và sợi theo lý thuyết cơ bản của composite như sau:
 E1c  V f * E f  Vm * E m G f  E f / (2 * (1  v f ))


V f Vm
vf
v
 1



; G12 
 m

G f Gm
 E2 c E f Em


v  v * V  v * V
G  E / (2 * (1  v ))
f
f
m
m
m
m
 m
 12

17


Chương 2: Các phương pháp mô hình hóa vật liệu composite
Trong đó:
V f , Vm : lần lượt là phần trăm thể tích của sợi và nền.
E f , Em : là module đàn hồi của sợi nền và sợi.

E1c , E2c : là module đàn hổi của composite theo phương chính 1 và phương 2.
v f , vm , v12 : lần lượt là hệ số Poisson của sợi, nền và phương 12 của composite.
G f , Gm , G12 : lần lượt là module cắt của sợi, nền và composite.

Ma trận độ cứng của tấm được thể hiện thông qua quan hệ ứng suất - biến dạng
theo đinh luật Hooke. Và vì vật liệu là đối xứng nên quan hệ ứng suất – biến dạng
1  Q11 Q12 0   1 
  
 
trong trường hợp này thể hiện như sau:  2   Q21 Q22 0   1 

   0
0 Q66  12 
 12  

Với các thành phần của ma trận độ cứng [Q]:
E1

 Q11  (1  v v )
12 21

E2

 Q 22 
(1  v12 v 21 )


v12 E 2
 Q12  Q 21 
(1  v12 v 21 )

Q  G
12
 66

(2.2)

2.1.2. Trường hợp với tấm có góc hướng sợi lệch với trục chính tải

Hình 2.3 – Các hệ trục tọa độ quy ước của composite
Để giải quyết các bài toán cho loại composite này trước tiên phải tìm được mối

quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của tấm composite trong hệ toạ độ toàn cục và
cũng là hệ tọa độ của trục chính tải đó là ma trận độ cứng Q  .
18