Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ô tô ở việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRẦN ANH SƠN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU COMPOSITE
TRONG SẢN XUẤT THÙNG XE Ô TÔ Ở VIỆT NAM
Chuyên ngành : Kỹ thuật Ơ tơ - Máy kéo
Mã số:………………

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:
Họ và tên:.…………………………
Học hàm: ………………………….
Học vị: ………………………….
Chữ ký: ………………………….
Cán bộ chấm nhận xét 1:
Họ và tên:………………………….
Học hàm: ………………………….
Học vị: ………………………….
Chữ ký: ………………………….
Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Họ và tên:………………………….
Học hàm: ………………………….
Học vị: ………………………….
Chữ ký: ………………………….
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Anh Sơn

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19/10/1983

Nơi sinh: Bình Định

Chun ngành: Kỹ thuật ơ tơ – Máy kéo

MSHV: 01308285

I. TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU COMPOSITE
TRONG SẢN XUẤT THÙNG XE Ô TÔ Ở VIỆT NAM
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tìm hiểu các loại vật liệu, kết cấu và một số phương pháp gia công
chế tạo composite.
2. Thiết kế kết cấu và tính tốn sức bền trong đóng thùng bằng vật liệu
composite với kết cấu Sandwich.
3. Thiết kế qui trình cơng nghệ đóng thùng xe đơng lạnh bằng vật liệu
composite với kết cấu Sandwich.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

10/01/2011

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2011
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Phạm Xuân Mai
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN

QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chuyên ngành thông
qua ngày 28 tháng 06 . năm 2011
TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

ii


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy, các đơn vị, cá nhân đã tận
tình giúp đỡ em trong suốt thời gian theo học cao học và thực hiện đề tài tốt nghiệp:
- Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Xuân Mai, người thầy đã đề ra
phương hướng, hết lòng chỉ bảo, hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên
môn cùng kinh nghiệm nghiên cứu trong suốt thời gian em học tập, làm việc và thực
hiện luận văn này.
- Em xin chân thành cảm ơn đến quý Thầy, Cô giảng dạy lớp cao học ô tô
niên khoá 2008 - 2010 đã trang bị cho em nhiều kiến thức nền tảng giúp em hoàn
thành luận văn tốt nghiệp này.
- Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy phản biện đã đóng góp nhiều ý kiến hết
sức quý báu giúp em hoàn thiện nội dung tập luận văn này.
- Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Khoa Cơ Kỹ thuật Giao Thơng,
Phịng Quản lý sau Đại Học Trường Đại Học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh và Ban
Giám Hiệu.
- Xin cảm ơn người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người
ln dành những tình cảm sâu sắc nhất, ln động viên, khuyến khích tơi vượt qua
những khó khăn trong suốt q trình thực hiện luận văn này.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 12 năm 2011

Trần Anh Sơn

iii


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, nhu cầu vận chuyển hàng hóa ngày một cao, trong đó có hàng đơng
lạnh, vì vậy nền cơng nghiệp đóng thùng xe cũng phát triển theo. Trong lĩnh vực
thiết kế và đóng thùng xe thì yêu cầu giảm tự trọng của xe và tăng độ bền cũng như
tuổi thọ của xe rất được quan tâm.
Khi chúng ta xát định được mức độ và tầm quan trọng trong việc lựa chọn vật
liệu để thiết kế đóng thùng xe, vật liệu composite đã đáp ứng được những chỉ tiêu
đó. Vì vậy luận văn tập trung nghiên cứu những vấn đề sau:
- Nghiên cứu các loại vật liệu, kết cấu và một số phương pháp gia công chế tạo
composite.
- Cơ sở lý thuyết về thiết kế khuôn trong chế tạo vật liệu composite.
- Thiết kế kết cấu và tính tốn sức bền trong đóng thùng bằng vật liệu
composite kết cấu Sandwich bằng sợi thủy tinh.
- Thiết kế qui trình cơng nghệ đóng thùng xe đơng lạnh bằng vật liệu
composite với kết cấu Sandwich.

iv


MỤC LỤC

Trang

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ....................................................................ii
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................... iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN......................................................................................iv

PHẦN 1: TỔNG QUAN
1. Lý do chọn đề tài.............................................................................................1
2. Mục tiêu đề tài và đối tượng nghiên cứu. ......................................................1
3. Tổng quan về phạm vi ứng dụng composite trên thế giới và trong nước.....1
4. Ý nghĩa và tính khoa học của đề tài...............................................................2
5. Tính thực tiễn của đề tài.................................................................................2
6. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu ..................................................................2
7. Phương pháp nghiên cứu, cách tiếp cận đề tài. .............................................2
8. Dự kiến kết quả đề tài, các lợi ích kinh tế khoa học - xã hội của đề tài.........3

PHẦN 2: NỘI DUNG
Chương 1: VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ COMPOSITE.................................4
1.1 Khái niệm. ......................................................................................................4
1.2 Đặc điểm.........................................................................................................4
1.3 Phân loại.........................................................................................................5
1.3.1 Phân loại theo bản chất, thành phần. ...............................................5
1.3.2 Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc .................5
1.4 Cấu tạo của vật liệu Composite.....................................................................6
1.4.1 Polymer nền .......................................................................................6


1.4.1.1 Polyester ....................................................................................6
1.4.1.2 Vinylester ..................................................................................8
1.4.1.3 Epoxy ........................................................................................9
1.4. 2 Chất độn (cốt)..................................................................................10

1.4.2.1 Độn dạng sợi ...........................................................................11
1.4.2.2 Độn dạng hạt............................................................................11
1.4.3 Chất pha lỗng .................................................................................12
1.4.4 Chất tách khn, chất làm kín và các phụ gia khác......................13
1.4.4.1 Chất róc khn.........................................................................13
1.4.4.2 Chất làm kín.............................................................................13
1.4.4.3 Chất tẩy bọt khí........................................................................13
1.4.4.4 Chất thấm ướt sợi.....................................................................13
1.4.5 Chất xúc tác – Xúc tiến....................................................................13
1.4.5.1 Chất xúc tác .............................................................................13
1.4.5.2 Chất xúc tiến ............................................................................14
1.5 Cơ tính riêng của vật liệu composite...........................................................15
1.6 So sánh tính chất vật liệu composite so với vật liệu cơ khí. .......................16
Chương 2: CÁC LOẠI VẬT LIỆU, KẾT CẤU COMPOSITE THÔNG DỤNG
VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG CHẾ TẠO.................................20
2.1 Các loại vật liệu composite thông dụng ......................................................20
2.1.1 Composite hạt. .................................................................................20
2.1.2 Composit sợi.....................................................................................20
2.2 Các loại kết cấu composite thông dụng.......................................................22


2.2.1 Kết cấu dạng lớp ..............................................................................22
2.2.2 Kết cấu Sandwich. ...........................................................................22
2.3 Một số phương pháp gia công và chế tạo vật liệu composite .....................25
2.3.1 Công nghệ lăn tay ............................................................................25
2.3.2 Công nghệ súng phun ......................................................................26
2.3.3 Công nghệ pulltrusion .....................................................................27
2.3.4 Công nghệ đúc nén...........................................................................28
2.3.5 Công nghệ quấn sợi..........................................................................29
2.3.6 Công nghệ đúc chuyển Resin RTM.................................................30

2.3.7 Công nghệ tạo lớp liên tục (Continuous Laminating). ...................31
2.3.8 Công nghệ đúc bằng vữa thủy tinh (Plasterglass). .........................32
2.3.9 Công nghệ ép phun (Injection Moulding Thermoplastics) ............32
2.3.10 Công nghệ đúc ép- phun phản ứng RRIM (Reinforced Reaction
Injection Moulding)...........................................................................................33
Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THIẾT KẾ KHUÔN COMPOSITE ...36
3.1 Vai trị của khn ........................................................................................36
3.2 Xác định kiểu dáng sản phẩm .....................................................................36
3.3. Sản phẩm có độ nghiêng thốt khn tự nhiên.........................................37
3.3.1 Tấm phẳng hình chữ nhật ...............................................................37
3.3.2 Khối hình hộp chữ nhật...................................................................38
3.3.3 Sản phẩm hình trịn xoay ................................................................39
3.4 Sản phẩm có độ nghiêng thốt khn khơng tự nhiên...............................40
3.4.1 Sản phẩm hình hộp chữ nhật, một mặt láng ..................................40
3.4.2 Sản phẩm hình hộp chữ nhật 2 mặt láng. ......................................41


3.4.3 Sản phẩm trịn xoay.........................................................................43
3.5 Sản phẩm có kích thước lớn........................................................................43
Chương 4: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỀN COMPOSITE
............................................................................................................45
4.1 Tính tốn sức bền vật liệu composite..........................................................45
4.1.1 Phương pháp thực nghiệm. .............................................................45
4.1.1.1 Tính chiều dày laminat bằng hằng số C. ...................................45
4.1.1.2 Tỷ lệ % trọng lượng và thể tích. ...............................................46
4.1.1.3 Tỷ trọng composite: .................................................................48
4.1.1.4 Khái niệm về tải đơn vị UTUS. ................................................48
4.1.2 Phương pháp toán học.....................................................................50
4.1.2.1 Hệ số gia cường hữu ích...........................................................50
4.1.2.2 Mơđun ngang và dọc................................................................51

4.1.2.3 Hệ số phân bổ poisson..............................................................52
4.1.2.4 Môđun kéo cho laminat sợi ngẫu nhiên. ...................................54
4.1.2.5 Môđun cắt. ...............................................................................54
4.1.2.6 Môđun đàn hồi khi lực nghiêng một góc α. ..............................55
4.1.2.7 Laminat nhiều chiều.................................................................56
4.2 Tính tốn và thiết kế các kết cấu composite. ..............................................57
4.2.1 Hệ số an tồn....................................................................................57
4.2.2 Tính bền uốn. ...................................................................................58
4.2.3 Ứng suất uốn trong laminat nhiều lớp. ...........................................58
4.2.4 Tính tốn kết cấu Sandwich. ...........................................................60


Chương 5: NGHIÊN CỨU THÙNG XE TẢI DÙNG VẬT LIỆU COMPOSITE
............................................................................................................................62
5.1 Thùng xe tải dùng vật liệu composite trên thế gới .....................................62
5.2 Thùng xe tải dùng vật liệu composite trong nước ......................................68
5.3 Ứng dụng vật liệu composite trong đóng thùng xe tải hyundai porter 1,25T
............................................................................................................................70
5.3.1 Bố trí chung ơ tơ thiết kế HYUNDAI PORTER.............................70
5.3.2 Đặc tính kỹ thuật cơ bản của ô tô....................................................71
5.3.3 Nghiên cứu và lựa chọn phương án thiết kế xe bảo ôn và đông lạnh
...................................................................................................................74
5.3.3.1 Các phương pháp làm lạnh trong thùng. ...................................74
5.3.3.2 Kết cấu xe bảo ôn và đông lạnh................................................76
5.3.3.3 Lựa chọn phương án thiết kế xe đơng lạnh. ..............................81
5.4 Phân tích kết cấu thùng xe tải huyndai porter dùng composite. ...............81
Chương 6: THIẾT KẾ KẾT CẤU VÀ TÍNH TỐN SỨC BỀN THÙNG
COMPOSITE. ...................................................................................................84
6.1 Thiết kế kết cấu thùng composite kết cấu sandwich. .................................84
6.1.1 Tính tốn xát định kích thước sơ bộ kết cấu. .................................84

6.1.2 Thiết kế mảng hông. ........................................................................88
6.1.3 Thiết kế mảng trước. .......................................................................89
6.1.3 Thiết kế mảng sàn. ...........................................................................90
6.1.4 Thiết kế mảng trần. .........................................................................90
6.1.5 Thiết kế khung bao và cửa sau........................................................91
6.2 Thiết kế các mối lắp ghép mảng composite. ...............................................91


6.3 Tính tốn sức bền thùng composite. ...........................................................92
6.3.1 Tính tốn mảng hơng.......................................................................93
6.3.2 Tính tốn mảng trước......................................................................95
6.3.3 Tính tốn mảng sàn. ........................................................................98
6.3.4 Tính tốn sức bền dầm ngang sàn thùng tải...................................99
6.4 Thông số kỹ thuật kết cấu thùng xe composite.........................................100
Chương 7: THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ TẤM COMPOSITE SANDWICH
TRONG ĐĨNG THÙNG XE HYUNDAI PORTER. ....................................102
7.1 Thiết kế công nghệ tấm composite sandwich............................................103
7.1.1 Chuẩn bị khuôn............................................................................. 103
7.1.2 Đánh wax bề mặt khuôn. ............................................................... 104
7.1.3 Quét gelcoat....................................................................................105
7.1.4 Tạo các lớp gia cường bằng tay (laminate)...................................108
7.1.5 Dán foam cánh nhiệt lên bề mặt laminate. ...................................110
7.1.6 Tháo sản phẩm và hoàn thiện sản phẩm. .....................................111
7.2 Thiết kế và lắp các vách composite tạo thùng xe.....................................113
7.2.1 Gia công chi tiết khung thùng xe...................................................112
7.2.2 Lắp khung thùng............................................................................112
7.3 Lắp khung bao và cửa sau.........................................................................112
7.4 Lắp ốp vách, trang trí lên thùng xe...........................................................113
Chương 8: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................114
8.1 Kết luận......................................................................................................114

8.2 Hướng phát triển đề tài. ............................................................................114
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................115


Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ô tô ở Việt Nam

PHẦN 1: TỔNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài
Thế giới vật chất luôn vận động và biến đổi không ngừng, đi cùng với sự biến
đổi đó là sự phát triển của ngành vật liệu học. Tuy có nhiều khám phá về các loại
vật liệu khác nhau ra đời đã làm thay đổi nhiều phương thức sản xuất thì trong đó sự
khám phá ra vật liệu composite (vật liệu tổng hợp) ở đầu thế kỷ 20 đã mở đường
cho nhiều ứng dụng trong cuộc sống như trong xây dựng, trong chế tạo ơ tơ, trong
đóng thùng ơ tơ, vv...
Trong lĩnh vực thiết kế và đóng thùng xe thì yêu cầu giảm tự trọng của xe và
tăng độ bền cũng như tuổi thọ của xe rất được quan tâm. Vật liệu composite đã đáp
ứng được những chỉ tiêu đó, vì thế mà cơng nghệ sản xuất thùng xe bằng vật liệu
composite đang được bắt đầu ứng dụng rỗng rãi.
Xuất phát từ vấn đề nêu trên, với sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Xuân Mai,
em đã chọn đề tài "Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất
thùng xe ô tô ở việt nam ".
1.2 Mục tiêu của đề tài
 Nghiên cứu công nghệ sản xuất thùng xe composite.
 Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong đóng thùng đơng lạnh xe huyndai
porter.

 Thiết kế cơng nghệ tấm composite sandwich trong đóng thùng xe hyundai porter.
1.3 Tổng quan về phạm vi ứng dụng composite trên thế giới và trong nước
1.3.1 Thế giới
Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu composite đã được nhiều

nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến. Việc nghiên cứu và áp dụng thành
công vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng. Đại chiến thế giới thứ II
nhiều nước đã sản xuất mày bay, tàu chiến và vũ khi phụ vụ cho cuộc chiến này.
Ngày nay thì vật liệu Composite sandwich đã được sử dụng để chế tạo nhiều
chi tiết, linh kiện chế tạo ôtô, trong đóng thùng ô tô đặc biệt là xe đông lạnh.

GVHD: PGS.TS Phạm Xuân Mai

Trang 1

HVTH: Trần Anh Sơn


Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ô tô ở Việt Nam

1.3.2 Việt Nam
Tại Hà Nội đã có 8 đề tài nghiên cứu về composite cấp thành phố được tuyển
trọn, 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.
Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liều Composite vào các lĩnh vực điện dân
dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện.
Hiện vật liệu composite kết cấu sandwich đã được ứng dụng trong ngành cơng
nghiệp ơ tơ như: đóng thùng xe tải, đóng thùng xe đông lạnh, xe bus và những bộ
phận khác của ô tô,…
1.4 Ý nghĩa và tính khoa học của đề tài
Với việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu mới (vật liệu composite) trong sản
xuất thùng xe sẽ mang lại nhiều lợi ích về kinh tế cũng như tăng độ bền và tuổi thọ
của chi tiết.
1.5 Tính thực tiễn của đề tài

Kết quả của đề tài là cơ sở để ứng dụng rộng rãi công nghệ composite trong
nền công nghiệp đóng thùng ơ tơ bằng vật liệu mới ở Việt Nam.
1.6 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng vật liệu, kết cấu và công nghệ chế tạo composite trong
đóng thùng ơ tơ tải hyundai porter.
Tính tốn kết cấu thiết kế chi tiết kết cấu composite sandwich.
1.7 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp thu thập, tổng hợp, phân tích số liệu.
Phương pháp khảo sát điều tra hiện trạng.
Phương pháp kế thừa.
Phương pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập tài liệu qua: Internet, sách báo, luận
văn, các bài chuyên đề từ các cuộc hội thảo.
Tham khảo ý kiến: thầy cô, các chuyên gia giàu kinh nghiệm trong lĩnh vực
ứng dụng vật liệu composite.

GVHD: PGS.TS Phạm Xuân Mai

Trang 2

HVTH: Trần Anh Sơn


Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ô tô ở Việt Nam

1.8 Dự kiến kết quả đề tài, các lợi ích kinh tế khoa học-xã hội của đề tài
Kết quả của đề tài là cơ sở để ứng dụng rộng rãi công nghệ composite trong
nền cơng nghiệp đóng thùng ơ tơ bằng vật liệu mới.

GVHD: PGS.TS Phạm Xuân Mai

Trang 3

HVTH: Trần Anh Sơn


Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ô tô ở Việt Nam

PHẦN 2: NỘI DUNG
Chương 1: VẬT LIỆU COMPOSITE
1.1 Khái niệm
Là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có
tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng biệt.
Cho nên nó cịn được gọi là vật liệu kết hợp.
Tính ưu việt của vật liệu Composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành
các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các
thành phần cốt của Composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm
bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt
và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của mơi trường.
Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là Composite polyme, đây là vật
liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ,
độ bền cao, chịu mơi trường, dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi
cao, bền vững với môi trường ăn mịn hố học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp. Khi chế
tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai được các thủ pháp công nghệ,
thuận lợi cho quá trình sản xuất.

(a)

(b)

(c)

Hình 1.1: Các loại sợi được đan vào nhau thành những phiến vải
(a) sợi thủy tinh, (b) sợi carbon và (c) Kevlar.
1.2 Đặc điểm
Là vật liệu nhiều pha: trong đó các pha rắn khác nhau về bản chất, khơng hịa
tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha. Phổ biến nhất là loại
composite 2 pha:

GVHD: PGS.TS Phạm Xuân Mai

Trang 4

HVTH: Trần Anh Sơn


Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ô tô ở Việt Nam

- Pha liên tục trong toàn khối gọi là nền.
- Pha phân bố gián đoạn được nền bao quanh gọi là cốt.
Trong vật liệu composite tỷ lệ hình dáng, kích thước, sự phân bố của nền và
cốt tuân theo quy luật đã thiết kế.
Tính chất của các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên tính chất chung
của composite.
Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu
thành phần.
1.3 Phân loại
1.3.1 Phân loại theo bản chất, thành phần
Composite nền chất dẻo (composite polymerit) như các sợi hữu cơ (polyamide,
kevlar…), Sợi khoáng (thủy tinh, carbon…), sợi kim loại (Bo, nhôm…)
Composite nền kim loại (composite metallit: nền kim loại (hợp kim Titan, hợp

kim Al,…) cùng với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)…
Composite nền gốm (composite ceramic) sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất
gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…
Composit nền là hỗn hợp của hai hay nhiều pha.
1.3.2 Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc
Composite

Cốt hạt

Hạt thô

Hạt mịn

Composite cấu trúc

Cốt sợi

Liên tục

Gián đoạn

Lớp

Tấm 3 lớp

Tổ ong

Hình 1.2: Sơ đồ phân loại composite.

GVHD: PGS.TS Phạm Xuân Mai

Trang 5

HVTH: Trần Anh Sơn


Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ô tô ở Việt Nam

Vật liệu composite độn dạng sợi: Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi
đó là composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho
polymer nền.
Vật liệu composite độn dạng hạt: Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các
tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer nền. Hạt khác sợi ở chỗ nó khơng có kích
thước ưu tiên.
1.4 Cấu tạo của vật liệu Composite
1.4.1 Polymer nền
Là chất kết dính, tạo mơi trường phân tán, đóng vai trị truyền ứng suất sang
độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu.
Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách
đồng nhất tạo thể liên tục.
Nền có vai trị sau đây:
- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối composite thống nhất.
- Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu composite
thành các chi tiết thiêt kế.
- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do tác dụng của môi trường.
Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo
làm polymer nền.
- Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC…độn được trộn với nhựa, gia công trên
máy ép phun ở trạng thái nóng chảy.
- Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyester không no, gia công dưới áp

suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polyester không no có thể tiến hành ở điều
kiện thường, gia cơng bằng tay (hand lay- up method). Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn
cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo.
Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường:
1.4.1.1 Polyester
Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, Polyester
loại này thường là loại không no, đây là nhựa nhiệt rắn, có khả năng đóng rắn ở
dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp. Thơng thường người ta gọi
polyester không no là nhựa polyester hay ngắn gọn hơn là polyester.

GVHD: PGS.TS Phạm Xuân Mai

Trang 6

HVTH: Trần Anh Sơn


Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ơ tơ ở Việt Nam

Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol và monomer khác nhau, mỗi loại
có những tính chất khác nhau. Chúng có thể rất khác nhau trong các loại nhựa UPE
khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố:
- Thành phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ tác chất sử dụng).
- Phương pháp tổng hợp.
- Trọng lượng phân tử.
- Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến).
- Hệ chất độn.
Bằng cách thay đổi các yếu tố trên, người ta sẽ tạo ra nhiều loại nhựa UPE có
các tính chất đặc biệt khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng.
Có hai loại polyester chính thường sử dụng trong cơng nghệ composite. Nhựa

orthophthalic cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi. Cịn nhựa isophthalic lại
có khả năng kháng nước tuyệt vời nên được xem là vật liệu quan trọng trong cơng
nghiệp, đặc biệt là hàng hải.
Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường được pha lỗng trong styrene.
Lượng styrene có thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho q
trình gia cơng. Ngồi ra, styrene cịn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang giữa
các phân tử mà khơng có sự tạo thành sản phẩm phụ nào. Polyester cịn có khả năng
ép khn mà khơng cần áp suất.
Polyester có thời gian tồn trữ ngắn là do hiện tượng tự đóng rắn của nó sau
một thời gian. Thông thường, người ta thêm vào một lượng nhỏ chất ức chế trong
quá trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa hiện tượng này.
Nhà sản xuất có thể cung cấp nhựa ở dạng tự nhiên hay có dùng một số phụ
gia. Nhựa có thể được sản xuất để chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng được. Như đã
đề cập ở trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn. Tốc độ trùng hợp quá
chậm cho mục đích sử dụng, vì vậy cần dùng chất xúc tác và chất xúc tiến để đạt độ
trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó.
Khi đã đóng rắn, polyester rất cứng và có khả năng kháng hố chất. Q trình
đóng rắn hay tạo kết ngang được gọi là q trình Polymer hóa. Đây là phản ứng hố
học chỉ có một chiều. Cấu trúc khơng gian này cho phép nhựa chịu tải được mà
khơng bị giịn.

GVHD: PGS.TS Phạm Xuân Mai

Trang 7

HVTH: Trần Anh Sơn


Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ô tô ở Việt Nam

Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước khi sử dụng. Nhựa và các phụ gia khác
phải được phân tán đều trước khi cho xúc tác vào. Phải khuấy đều và cẩn thận để
loại bỏ bọt khí trong nhựa ảnh hưởng q trình gia cơng. Điều này rất quan trọng do
bọt khí cịn trong nhựa sẽ ảnh hưởng tính chất cơ lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu.
Cần phải chú ý rằng việc dùng xúc tác và xúc tiến với hàm lượng vừa đủ sẽ cho vật
liệu những tính chất tốt nhất. Nếu q nhiều xúc tác sẽ làm q trình gel hố xảy ra
nhanh hơn, ngược lại nếu ít xúc tác quá trình đóng rắn sẽ bị chậm lại.

Hình 1.3: Cấu trúc của một dạng polyester và các hạt nhựa polyester
1.4.1.2 Vinylester
Vinylester có cấu trúc tương tự như polyester, nhưng điểm khác biệt chủ yếu
của nó với polyester là vị trí phản ứng, thường là ở cuối mạch phân tử do vinylester
chỉ có kết đơi C=C ở hai đầu mạch mà thơi. Toàn bộ chiều dài mạch phân tử đều
chịu tải, nghĩa là vinylester dai và đàn hồi hơn polyester. Vinylester có ít nhóm ester
hơn polyester, nhóm ester rất dễ bị thủy phân, tức là vinylester kháng nước tốt hơn
các polyester khác, do vậy nó thường được ứng dụng làm ống dẫn và bồn chứa hố
chất.
Khi so sánh với polyester thì số nhóm ester trong vinylester ít hơn, nghĩa là
vinylester ít bị ảnh hưởng bởi phản ứng thủy phân. Thường dùng vật liệu này như là
lớp phủ bên ngoài cho sản phẩm ngập trong nước, như là vỏ ngoài của tàu, thuyền.
Cấu trúc đóng rắn của vinylester có khuynh hướng dai hơn polyester, mặc dù để đạt
tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đóng rắn.

GVHD: PGS.TS Phạm Xuân Mai

Trang 8

HVTH: Trần Anh Sơn

Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ơ tơ ở Việt Nam

Hình 1.4: Ứng dụng Vilylester trong lớp lót của tàu.
1.4.1.3 Epoxy
Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nói chung,
epoxy có tính năng cơ lý, kháng mơi trường hơn hẳn các 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 ngành
đóng tàu, là lớp lót chính cho tàu chất lượng cao hoặc là lớp phủ bên ngoài vỏ tàu
hay thay cho polyester dễ bị thủy phân bởi nước và gelcoat.
Nhựa epoxy được tạo thành từ những mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tự
vinylester, với nhóm epoxy phản ứng ở vị trí cuối mạch. Nhựa epoxy khơng có
nhóm ester, do đó khả năng kháng nước của epoxy rất tốt. Ngồi ra, do có hai vịng
thơm ở vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất cơ và nhiệt nó tốt hơn mạch
thẳng, do vậy epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt.
Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng khơng gian ba chiều. Chất
đóng rắn ưa sử dụng là amine, được cho vào epoxy, lúc này giữa chúng sẽ xảy ra
phản ứng hố học. Thường nhóm epoxy sẽ phản ứng kết khối với nhóm amine, tạo
ra cấu trúc phân tử ba chiều phức tạp. Amine kết hợp với epoxy theo một tỉ lệ nhất
định, đây là yếu tố quan trọng vì việc trộn đúng tỉ lệ đảm bảo cho phản ứng xảy ra
hoàn toàn. Nếu tỉ lệ trộn khơng đúng thì nhựa chưa phản ứng hoặc chất đóng rắn
cịn dư trong hỗn hợp sẽ ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm sau đóng rắn.

GVHD: PGS.TS Phạm Xuân Mai

Trang 9

HVTH: Trần Anh Sơn

Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ô tô ở Việt Nam

Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn chính xác, nhà sản xuất thường cơng thức hoá các
thành phần và đưa ra một tỉ lệ trộn đơn giản bằng cách đo khối lượng hay thể tích
của chúng.
Cả nhựa epoxy lỏng và tác nhân đóng rắn đều có độ nhớt thấp thuận lợi q
trình gia cơng. Epoxy đóng rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phịng từ 5150oC, tuỳ cách lựa chọn chất đóng rắn. Một trong những ưu điểm nổi bật của
epoxy là co ngót thấp trong khi đóng rắn. Lực kết dính, tính chất cơ lý của epoxy
được tăng cường bởi tính cách điện và khả năng kháng hoá chất.
Ứng dụng của epoxy rất đa dạng, nó được dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý
bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn.
1.4. 2 Chất độn (cốt)
Đóng vai trị là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý
cao hơn nhựa. Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:
- Tính gia cường cơ học.
- Tính kháng hố chất, mơi trường, nhiệt độ.
- Phân tán vào nhựa tốt.
- Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.
- Thuận lợi cho q trình gia cơng.
- Giá thành hạ, nhẹ.
Trong tồn khối compsite thì cốt phân bố khơng liên tục và rất đa dạng, phụ
thuộc vào loại composite cần chế tạo.
Với loại composite kết cấu: cốt là các kim loại bền ở nhiệt độ thường và nhiệt
độ cao, có mơđun đàn hồi lớn, khối lượng riêng nhỏ.
Các loại vật liệu cốt: Kim loại (thép không rỉ, W, B, Mo … ), chất vơ cơ (các
bon, thủy tinh, gốm).
Hình dạng, kích thước, hàm lượng và sự phân bố của cốt ảnh hưởng rất mạnh
đến tính chất composite.
Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn
loại vật liệu độn cho thích hợp.

Có hai dạng độn:

GVHD: PGS.TS Phạm Xuân Mai

Trang 10

HVTH: Trần Anh Sơn


Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ô tô ở Việt Nam

1.4.2.1 Độn dạng sợi
Sợi có tính năng cơ lý hố cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành
cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi
carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide…
Cốt sợi cũng có thể là sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre,
bơng…), có thể là sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải, sợi poliamit…). Tuỳ theo yêu
cầu sử dụng mà người ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác nhau: sợi ngắn, sợi dài,
sợi rối, tấm sợi….
Việc trộn thêm các loại cốt sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền
cơ học cũng như độ bền hoá học của vật liệu như: khả năng chịu được va đập; độ
giãn nở cao; khả năng cách âm tốt ; tính chịu ma sát - mài mòn; độ nén, độ uốn dẻo
và độ kéo đứt cao; khả năng chịu được trong môi trường ăn mịn như: muối, kiềm,
axít… Những khả năng đó đã chứng tỏ tính ưu việt của hệ thống vật liệu mới so với
các loại Polyme thông thường. Và cũng chính vì những tính năng ưu việt ấy mà hệ
thống vật liệu composite đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất cũng như trong
đời sống.

Hình 1.5: Tám loại sợi cacbon.
1.4.2.2 Độn dạng hạt

Thường được sử dụng là: silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng,
cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon… khả năng gia cường cơ tính của
chất độn dạng hạt dược sử dụng với mục đích sau:
- Giảm giá thành.

GVHD: PGS.TS Phạm Xuân Mai

Trang 11

HVTH: Trần Anh Sơn


Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ơ tơ ở Việt Nam

- Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện,
khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường.
- Dễ đúc khn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao.
- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng rắn, che khuất sợi
trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn.
1.4.3 Chất pha lỗng
Tính chất của polyester phụ thuộc khơng những vào hàm lượng nối đơi và
nhóm este, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ mà cịn phụ thuộc vào tính chất
của tác nhân nối ngang – monomer.
Các monomer khâu mạch ngang được dùng để đồng trùng hợp với các nối đôi
trong nhựa UPE, tạo kết ngang, thường là chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên cịn
có tác dụng làm giảm độ nhớt của hỗn hợp, do vậy chúng còn được gọi là chất pha
loãng. Monomer pha loãng phải thỏa mãn các điều kiện sau:
- Đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm
không đồng nhất, làm ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm, hoặc cịn sót lại
monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền.

- Monomer phải tạo hỗn hợp đồng nhất với polyester, tốt nhất là dung mơi cho
polyester. Lúc đó nó hồ tan hồn tồn vào giữa các mạch phân tử polyester, tạo
thuận lợi cho phản ứng đóng rắn và tạo độ nhớt thuận lợi cho q trình gia cơng.
- Nhiệt độ sơi cao, khó bay hơi trong q trình gia cơng và bảo quản.
- Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp ít co rút.
- Ít độc.
Để đóng rắn polyester, người ta dùng các monomer : styrene, metyl meta
acrylat (MMA), vinyl, triallil xianuarat, … trong đó styrene được sử dụng nhiều
nhất do có những tính chất ưu việt:
- Có độ nhớt thấp.
- Tương hợp tốt với polyester, khả năng đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp.
- Đóng rắn nhựa nhanh.
- Sản phẩm chịu thời tiết tốt, cơ lý tính cao, cách điện tốt.
- Khả năng tự bốc cháy thấp.

GVHD: PGS.TS Phạm Xuân Mai

Trang 12

HVTH: Trần Anh Sơn


Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ô tô ở Việt Nam

1.4.4 Chất tách khuôn, chất làm kín và các phụ gia khác
1.4.4.1 Chất róc khn
Chất róc khn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khn.
Chất róc khn dùng trong đắp tay là loại chất róc khn ngoại được bơi trực
tiếp lên khn.
Một số chất róc khn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo…

1.4.4.2 Chất làm kín
Với khn làm từ các vật liệu xốp như gỗ, thạch cao thì cần phải bơi chất làm
kín trước khi dùng chất róc khn.
Các chất làm kín xâm nhập vào các lỗ xốp, ngăn chặn nhựa bám vào.
Một số chất làm kín: Cellulose acetate, wax, silicon, stearic acid, nhựa furane,
véc ni, sơn mài…
1.4.4.3 Chất tẩy bọt khí
Bọt khí làm sản phẩm composite bị giảm độ chịu lực, độ chịu thời tiết và thẩm
mỹ bề mặt.
Lượng thường sử dụng: 0.2-0.5% lượng nhựa.
Lưu ý: nên cho chất tẩy bọt khí vào nhựa trước khi dùng các thành phần khác.
1.4.4.4 Chất thấm ướt sợi
Có tác dụng tăng khả năng thấm ướt sợi giúp sử dụng độn nhiều hơn.
Lượng dùng: 0.5-1.5% so với độn.
Ngồi ra cịn sử dụng nhiều chất phụ gia khác như: Chất tăng độ phân tán,
Chất ngăn thoát hơi styrene, …
1.4.5 Chất xúc tác – Xúc tiến
1.54.5.1 Chất xúc tác
Các chất xúc tác chỉ được cho vào nhựa trước khi gia cơng. Vai trị của chúng
là tạo gốc tự do kích động cho q trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp.
Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ ánh
sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ.

GVHD: PGS.TS Phạm Xuân Mai

Trang 13

HVTH: Trần Anh Sơn

Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong sản xuất thùng xe ô tô ở Việt Nam

Chất xúc tác gồm các loại:
Xúc tác Peroxide (Peroxide: thơng dụng nhất là benzoil-peroxide).
Nó là loại bột trắng, tồn tại ở ba dạng: khô (khoảng 5% ẩm), paste trong nước
(khoảng 25% nước), và thông dụng nhất là paste trong tricresyl-phosphonate hay
dimetyl phthalate (khoảng 70% peroxide). Nó được dùng để đóng rắn nhựa
polyester (ở nhiệt độ khoảng trên 80Oc) và thường được dùng với tỉ lệ 0,5-2% so với
nhựa. Khi cho vào nhựa nó thường ở dạng paste.
Ngoài ra các chất xúc tác thuộc loại peroxide cịn có:
- Di-t-butyl peroxide (CH3)3-C-O-O-C-(CH3)3
- Di-acetyl peroxide (CH3)3-CO-O-O-OC-(CH3)3
- Hydroperoxide
- t-butyl-hydroperoxide (CH3)3-COOH
- Cumen-hydroperoxide C6H5-C-(CH3)2-O-OH
Hai loại MEKP (metyl ethyl keton peroxide) và HCH (cyclo-hexanol
peroxide) được dùng để đóng rắn nguội cho nhựa polyester.
MEKP là hỗn hợp của một số hợp chất peroxide, thành phần thay đổi tùy
thuộc vào nhà sản xuất. Nó là chất oxi hố mạnh nên phải tránh tiếp xúc với oxi.
HCH là sản phẩm phản ứng giữa hydroperoxide với cyclohexanol peroxide.
Tuy nhiên nó là hỗn hợp của ít nhất hai trong bốn chất sau (theo Criegree,
Schorenberg và Becke).
Xúc tác azo và diazo.
Diazo aminobenzen: C6H5-NH-N=N-C6H5
Dinitric cuả acid diizobutyric: NC(CH3)2-N=N-C(CH3)2-COO-CN
Dimetyl ester cuả acid diizobutyric: C2H5-OOC-C(CH3)2-N=N-C(CH3)2COO-C2H5.
1.4.5.2 Chất xúc tiến
Chất xúc tiến là chất đóng vai trị xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự do của chất xúc
tác. Dùng chất xúc tiến sẽ giảm được nhiệt độ và thời gian đóng rắn một cách đáng
kể và có thể đóng rắn nguội. Gồm các loại:

Xúc tiến kim loại.

GVHD: PGS.TS Phạm Xuân Mai

Trang 14

HVTH: Trần Anh Sơn