NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÙNG XE TẢI THACO TOWNER BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE. LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

DƯƠNG TUẤN VIỆT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÙNG XE TẢI
THACO TOWNER BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng – Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

DƯƠNG TUẤN VIỆT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÙNG XE TẢI
THACO TOWNER BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 60.520.116

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
TS. TRẦN VĂN LUẬN

Đà Nẵng – Năm 2017

i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết
quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng
và chưa được công bố trong bất kỳ cơng trình khoa học nào khác.

Tác giả

Dương Tuấn Việt


ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm tạo
ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu thành phần ban đầu, chính vì
vậy nó có nhiều tính ưu việt và có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ
thuật và cuộc sống.
Trong những năm gần đây, đã có nhiều ứng dụng vật liệu composite để chế tạo các
linh kiện trong ngành công nghiệp ứng dụng: Thân vỏ tàu thủy, thiết bị đựng hóa chất,
cánh tua bin…. Trong ngành cơng nghiệp ô tô, composite đã được các hãng chế tạo ô
tô ứng dụng chế tạo thân vỏ và các chi tiết thay thế khác.
Cùng chung xu thế ứng dụng vật liệu thay thế, đồng thời đáp ứng nhu cầu của thị
trường và tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm. Đề tài ‘‘nghiên cứu thiết kế thùng xe tải
nhẹ Thaco Towner 750 bằng vật liệu composite’’ hướng đến đánh giá tính khả thi về
mặt kỹ thuật khi chuyển đổi vật liệu chế tạo thùng. Bên cạnh đó, đề tài sẽ là cơ sở cho
việc lựa chọn cách tạo mẫu và phương pháp tính tốn phù hợp để sản xuất thùng xe tải
nhẹ khác đang được lắp ráp tại Nhà máy bằng vật liệu composite.

Từ khóa: Composite sandwich, Vỏ bao composite, cơng nghệ sandwich.
ABSTRACT
Composite material is a combination of two or more materials to create a new
material that is superior to that of the original material, so it has a number of
advantages and potential. Widely used in many fields of engineering and life. In recent
years, there have been many uses of composite materials for manufacturing
components in the application industry: ship hulls, chemical containers, turbine blades.
In the automotive industry, composites have been used by automotive manufacturers
to make body panels and other replacement.
The same trend of application of substitute materials, while meeting the needs
of the market and increasing the competitiveness of products. The study "Research
and design the Thaco Towner 750 lightweight van with its composite material", aimed
at assessing the technical feasibility of converting the materials used to make the
barrels. In addition, the topic will be the basis for choosing the right modeling and
calculation methods to produce other lightweight truck assemblies being assembled at
the Plant by composite materials.
Key word: Composite sandwich, composite shell, sandwich technology.


iii
LỜI CẢM ƠN
Tơi xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cô giáo khoa
Cơ khí Giao thơng, phịng Đào tạo trường Đại học Bách khoa, Phòng khoa học và hợp
tác Quốc tế trường Đại học Bách khoa, Ban khoa học công nghệ và môi trường – Đại
học Đà Nẵng, đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học vừa qua.
Đặc biệt tôi vô cùng biết ơn thầy TS. Trần Văn Luận, đã hướng dẫn tơi hồn
thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi
để tơi hồn thành tốt luận văn.

Dương Tuấn Việt


iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... iii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...................................................................... vii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN ..............................................................................................3
1.1.Giới thiệu về kết cấu vật liệu composite ................................................................3
1.1.1. Chất nền (pha nền) ..........................................................................................3
1.1.2. Pha cốt.............................................................................................................7
1.1.3. Liên kết nền cốt ............................................................................................10
1.1.4. Chất xúc tác – Xúc tiến .................................................................................11
1.1.5. Các chất phụ gia sử dụng trong quá trình sản xuất composite .....................12
1.2. Kết cấu vật liệu composite sandwich ..................................................................14
1.3. Đặc tính sức bền tổng quát của vật liệu composite và của gỗ thông ..................15
1.3.1. Sức bền nén của gỗ thông .............................................................................15
1.3.2. Đặc tính cơ học của vật liệu composite ........................................................16
1.4. Ứng dụng của vật liệu composite ........................................................................17
1.4.1. Thế giới .........................................................................................................17
1.4.2. Việt Nam .......................................................................................................19
1.5.Tổng quan về các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài 20
1.5.1. Công nghệ lăn tay .........................................................................................21
1.5.2. Công nghệ VaRTM.......................................................................................23
1.5.3. Công nghệ quấn sợi ......................................................................................24
Chương 2. CỞ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THÙNG XE TẢI THACO

TOWNER .....................................................................................................................26
2.1. Khảo sát kết cấu thùng xe tải thaco towner 750A ..............................................26
2.2. Phương án thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750A ........................................31
2.3. Sơ đồ phân tích tải trọng tác dụng lên thùng xe tải Thaco towner 750A ...........32
2.3.1. Sơ đồ phân bố khối lượng .............................................................................32


v
2.3.2. Phân tích các trường hợp tải trọng tác dụng lên thùng xe ............................32
2.4. Phương trình tính tốn kết cấu dầm composite ...................................................35
2.4.1. Phương trình tính tốn phân lớp composite ..................................................35
2.4.2. Phương trình tính tốn sàn thùng xe .............................................................36
Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ...........................................................41
3.1. Mục tiêu thực nghiệm .........................................................................................41
3.2. Vật liệu thực nghiệm ...........................................................................................41
3.3. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo sức bền uốn ...........................................................43
3.4. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo sức bền nén ............................................................43
3.5. Kết quả thực nghiệm ...........................................................................................44
Chương 4. TÍNH TỐN THÙNG XE TẢI THACO TOWNER 750A ..................46
4.1. Giả thiết tính tốn ................................................................................................46
4.2. Xác định chiều dày của vỏ bao thùng .................................................................46
4.3. Kết quả tính tốn .................................................................................................47
4.4. Đánh giá kết quả tính tốn ..................................................................................48
4.5. Quy cách thùng xe bằng vật liệu composite sandwich .......................................50
KẾT LUẬN ..................................................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................55


vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.

Số hiệu bảng
biểu

Tên bảng biểu

Trang

2.1

Thông số kỹ thuật cơ bản ô tô THACO TOWNER 750A

27

3.1

Định nghĩa vật liệu thực nghiệm

42

3.2

Thành phần vật liệu của mỗi lớp

42

3.3

Modul đàn hồi của gỗ thông

44

3.4

Cường độ mỏi của composite
Kết quả tính tốn thùng xe bằng vật liệu composite
sandwich

45

4.1

50


vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hiệu
hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

1.1

Nhựa polyeter

4

1.2

Nhựa Epoxy 2 thành phần

6

1.3

Sợi thủy tinh loại E

8

1.4

Sợi kenvlar

9

1.5

Sợi carbon

9

1.6

Chất xúc tác MEKP

11

1.7

Chất tách khuôn MG-WAT

13

1.8

Chất điền đầy khuôn Mold sealer FK-4

14

1.9

Cấu trúc composite sandwich

14

1.10

Phân bố nội lực bên trong kết cấu composite sandwich

15

1.11

Minh chứng ứng suất và biến dạng của gỗ thơng

16

1.12

Đặc tính cơ học của vật liệu composite

16

1.13

Ứng dụng vật liệu composite trong ngành hàng không

17

1.14

Ứng dụng vật liệu composite trong ngành vận tải

18

1.15

Ứng dụng vật liệu composite trong ngành đóng tàu

19

1.16

Quy trình cơng nghệ lăn tay

22

1.17

Quy trình cơng nghệ VaRTM

23

1.18

Kết quả tính tốn ứng suất mặt đầu xe khách giường nằm

24

1.19

Cơng nghệ quấn sợi

24

2.1

Tuyến hình tổng thể của ô tô THACO TOWNER 750A

26

2.2

Kết cấu tổng thể thùng xe THACO TOWNER 750A
Kết cấu khung xương và vỏ bao composite của xe tải Thaco
Towner 750A

26

2.4

Sơ đồ phân bố khối lượng của xe tải Thaco Towner 750A

32

2.5

Tải trọng tác dụng lên sàn

33

2.6

Mô phỏng trường hợp xe leo dốc

33

2.7

Mô phỏng trường hợp xe xuống dốc

34

2.3

31

viii
2.8

Mô phỏng trường hợp xe nghiêng ngang

34

2.9

Hệ tọa độ của dầm liên tục chịu uốn

36

2.10

Mô phỏng dầm liên tục chịu uốn và xoắn

39

3.1

Mẫu vật liệu thí nghiệm
Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định modul đàn hồi và độ cứng
của vật liệu

41

43

4.1

Bố trí thực nghiệm đo sức bền nén
Biến thiên lực uốn và biến dạng của dầm composite
sandwich
Biến thiên độ cứng của dầm composite theo khoảng cách
giữa 2 gối đỡ
Mô phỏng tấm composite sandwich

4.2

Mô phỏng ứng suất - biến dạng của thùng

47

4.3

Mô phỏng ứng suất - biến dạng của sàn thùng xe

47

4.4

Mô phỏng ứng suất - biến dạng khi thùng xe chịu uốn – xoắn

48

4.5

Biến dạng của dầm composite sandwich

48

4.6

So sánh độ cứng của dầm composite
Kết cấu tổng thành của thùng xe tải Thaco Towner bằng
composite

49

3.2
3.3
3.4
3.5

4.7

43

44
45
46

43


1

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm tạo
ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu thành phần ban đầu, chính vì
vậy nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và cuộc sống.
Với những đặc điểm:
 Khơng bị oxy hóa bởi điều kiện mơi trường ẩm ướt;
 Trọng lượng nhẹ, giá thành thấp;
 Dễ tạo ra các biên dạng đạt tiêu chuẩn thẩm mỹ cao.
Trong những năm gần đây, đã có nhiều ứng dụng vật liệu composite để chế tạo các
linh kiện trong ngành công nghiệp ứng dụng: Thân vỏ tàu thủy, thiết bị đựng hóa chất,
cánh tua bin…. Trong ngành cơng nghiệp ơ tơ, composite đã được các hãng chế tạo ô
tô ứng dụng chế tạo thân vỏ và các chi tiết thay thế khác.
Cùng chung xu thế ứng dụng vật liệu thay thế, đồng thời đáp ứng nhu cầu của thị
trường và tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm. Đề tài ‘‘Nghiên cứu thiết kế thùng xe tải
Thaco Towner 750 bằng vật liệu composite’’ hướng đến đánh giá tính khả thi về mặt
kỹ thuật khi chuyển đổi vật liệu chế tạo thùng. Bên cạnh đó, đề tài sẽ là cơ sở cho việc
lựa chọn cách tạo mẫu và phương pháp tính tốn phù hợp để sản xuất thùng xe tải nhẹ
khác đang được lắp ráp tại Nhà máy bằng vật liệu composite.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Tính tốn thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750 bằng vật liệu composite phù hợp
với tiêu chuẩn chuyên ngành.
3. ĐỐI TƯỢNG & PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thùng lững xe tải Thaco Towner 750A
- Phạm vi nghiên cứu: xuất phát từ yêu của của thùng xe tải là: Đảm bảo sức bền; dễ
dàng tháo lắp; sửa chữa, bảo dưỡng; dễ bốc xếp hàng; trọng lượng nhẹ và giá thành
thấp. Để đảm bảo các tiêu chí này, thực tế cần thêm nhiều thời gian nghiên cứu và tính
tốn. Do đó, giới hạn phạm vi nghiên cứu của luận văn là đo đạc đánh giá đặc tính sức
bền của vật liệu composite để làm cơ sở tính tốn kết cấu vỏ bao thùng xe tải nhẹ


2

Thaco Towner 750A.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
* Nghiên cứu lý thuyết: dựa vào đặc tính lý thuyết và các phương trình tính tốn phân
lớp vật liệu thành phần để đồng nhất thành vật liệu composite.
* Thực nghiệm: Khảo sát thông số tuyến hình, kết cấu thùng xe tải nhẹ truyền thống
Thaco Towner và đo đạc xác định đặc tính sức bền vật liệu composite.
5. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Đánh giá khả năng và tạo tiền đề cho việc chuyển đổi vật liệu chế tạo các chi tiết / cụm
chi tiết trên ô tô tải sản xuất tại Thaco trong thời gian sắp tới.
Phát triển mơ hình cơng nghiệp phụ trợ, gia tăng tỉ lệ nội địa hóa theo lơ trình cho ngành
cơng nghiệp ơ tơ nói chung và sản xuất xe tải tại đơn vị.
6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu và kết luận của luận văn “Nghiên cứu thiết kế
thùng xe tải Thaco Towner bằng vật liệu composite” được trình bày trong
4 chương có cấu trúc như sau:
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính tốn thùng xe tải Thaco Towner
Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 4. Tính tốn thùng xe tải Thaco Towner
Kết luận và hướng phát triển của đề tài
Tài liệu tham khảo
Phụ lục.


3
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.Giới thiệu về kết cấu vật liệu composite
Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha: trong đó, 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:
- 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. Tuy nhiên, tính chất của các pha thành phần được kết
hợp lại để tạo nên tính chất chung của composite.
1.1.1. Chất nền (pha nền)
Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng
nhất để 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.
Vật liệu nền (pha nền) trong cấu trúc của vật composite không chịu trực tiếp tải
trọng hay ứng suất tác dụng lên vật liệu. Nó chỉ đóng vai trị trung gian truyền dẫn ứng
suất hay tải trọng vào bên trong cho vật liệu đóng vai trị là chất độn (pha cốt).
Tuy nhiên, việc chọn lựa một vật liệu làm nền đóng vai trị rất quan trọng để định
hình nên tính chất hóa học và cơ lý của vật liệu composite. Sự hòa hợp giữa pha nền
và pha cốt cũng là một nhân tố quan trọng trong việc thiết kế cấu trúc composite.
Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm pha
nền:
Nhựa nhiệt dẻo: PE (polyethylene), PS (polystyrene), ABS (acrylonytril
butadien styrene), PVC (polyvynyl clorur),… được trộn với nhựa, gia công trên máy
ép phun ở trạng thái nóng chảy.
Nhựa nhiệt rắn: PU (polyurethane), PP (polypropylene), UF, Epoxy, Polyester
không no, gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao. Riêng với epoxy và polyester không


4

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 thơng thường:
a) Nhựa Polyester:

Hình 1.1. Nhựa polyeter
Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, polyester
thông thường là loại không no (UPE - Unsaturated Polyester). 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.
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 các 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. Nhựa isophthalic lại có khả
năng kháng nước cao nên được xem là vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt
là hàng hải.


5
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 quá trình gia
cơng. Ngồi ra, styrene cịn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang giữa các phân tử
mà không 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. Thơng 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 q 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 không gian này cho phép nhựa chịu tải được mà khơng
bị giịn.

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 quá nhiều xúc tác sẽ làm q trình đóng rắn xảy ra nhanh hơn,
ngược lại, nếu ít xúc tác q trình đóng rắn sẽ bị chậm lại.
b) 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. Tồn bộ chiều dài mạch phân tử đều sẵn
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 hoá chất.


6
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 ngồi 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.
c) Epoxy:

Hình 1.2. Nhựa Epoxy 2 thành phần
Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nói chung,
epoxy có tính năng cơ lý, kháng môi 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 vỏ tàu chất lượng cao hoặc là lớp phủ bên ngoài vỏ tàu thay cho

polyester dễ bị thủy phân bởi nước biển.
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 tốt hơn mạch thẳng. Do vậy,
epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt.
Với nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn thông thường là amine, được cho vào
epoxy, lúc này, giữa chúng sẽ xảy ra phản ứng hoá 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.


7
Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn chính xác, nhà sản xuất thường cơng thức hố 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 để thuận lợi cho
q trình gia cơng. Epoxy đóng rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phịng từ (5 –
150)0C. 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 hố chất.
Ứng dụng của epoxy rất đa dạng, nó được dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý bề
mặt, hỗn hợp đổ, bột trét, sơn,…
1.1.2. Pha cốt
Pha cốt đóng vai trị là chất chịu ứng suất tập trung nên thường có tính chất cơ lý
cao hơn nhựa (pha nền). Người ta đánh giá chất 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 quá trình gia cơng;

-

Giá thành hạ, nhẹ.

Trong tồn khối compsite thì cốt phân bố không 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 vô 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 (pha cốt) cho thích hợp.
Có hai dạng độn: độn dạng sợi và độn dạng hạt


8
Độn dạng sợi: sợi có tính năng cơ lý hố cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có
giá thành cao hơn, sợi 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….
a) Sợi thuỷ tinh:
Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt), có
đường kính nhỏ vài chục micro mét. Khi đó, các sợi này sẽ mất những nhược điểm của
thủy tinh khối, như: giịn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ưu điểm của thủy tinh dệt,
có thể chứa thêm những khống chất như: silic, nhơm, magiê, ... để nâng cao tính cơ
học của sợi. Thành phần tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủy tinh E
(dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao),
sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học
cao). Loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiếm 1%) được sử
dụng trong các ứng dụng riêng biệt. Theo số liệu năm 1996, trên thế giới đã tiêu thụ
400.000 tấn sợi thủy tinh, trong đó: châu Âu 130.000 tấn, Bắc Mỹ 126.000 tấn, Nhật
Bản 85.000 tấn…

Hình 1.3. Sợi thủy tinh loại E


9

b) Sợi hữu cơ:
Sợi kenvlar có cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, được gia công
bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10 °C), tiếp theo được kéo ra thành sợi
trong dung dịch, cuối cùng được xử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi. Sợi kenvlar và tất
cả các sợi làm từ aramit khác như: Twaron, Technora,... có giá thành thấp hơn sợi thủy
tinh, nhưng cơ tính lại thấp hơn. Các loại sợi aramit thường có độ bền nén, uốn thấp và
dễ biến dạng cắt giữa các lớp.

(a)

(b)

Hình 1.4. Sợi kenvlar (a. kiểu dệt đơn; b. kiểu dệt chéo)

c) Sợi Carbon:
Sợi carbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành
các lớp liên kết với nhau. Các nguyên tử carbon liên kết với nhau trong một mặt phẳng
tạo thành mạng tinh thể hình lục lăng. Sợi carbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần
tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt.

(a)

(b)

Hình 1.5. Sợi carbon (a. kiểu dệt đơn; b. kiểu dệt chéo)


10
d) Sợi Bor:
Sợi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học là B), là một dạng sợi gốm thu được nhờ

phương pháp kết tủa. Sản phẩm thương mại của loại sợi này có thể ở các dạng: dây sợi
dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống, vải đồng
phương. Cốt vải là tổ hợp thành bề mặt (tấm), của vật liệu cốt sợi, được thực hiện
bằng công nghệ dệt. Các kỹ thuật dệt vải truyền thống thường hay dùng là: kiểu dệt lụa
trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải mô đun cao, kiểu dệt đồng
phương. Kiểu dệt là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi. Kỹ thuật dệt cao cấp
cịn có các kiểu dệt đa phương như: bện, tết, và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa
phương.
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 mịn; độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo
đứt cao; khả năng chịu được trong mơi 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
thơng thường. Và cũng chính vì những tính năng ưu việt âý mà hệ thống vật liệu
composite đã được sử dụng rông rãi trong sản xuất cũng như trong đời sống.
e) Độn dạng hạt:
Thường được sử dụng là: silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng,
cao lanh, đất sét, bột talic, hay graphite, carbon… khả năng gia cường cơ tính của chất
độn dạng hạt dược sử dụng với mục đích sau:
- Giảm giá thành;
- Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hố, nhiệt, điện, khả
năng chậm cháy,...
- 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.
1.1.3. Liên kết nền cốt
Liên kết tốt giữa nền và cốt tại vùng ranh giới pha là yếu tố quan trọng nhất bảo
đãm sự kết hợp các đặc tính tốt của hai pha trên.
Để tăng cường độ rắn chắc giữa nền và cốt người ta có thể áp dụng các biện pháp sau:

11
- Liên kết cơ học được thực hiện nhờ độ mấp mô trên bề mặt do lực ma sat như
kiểu bê tông cốt thép;
- Liên kế nhờ thấm ướt do năng lượng sức căng bề mặt vì pha nền bị nung chảy
và dính ướt với cốt nên có sự khuếch tán tuy rất nhỏ, tạo nên sức căng bề mặt;
- Liên kết phản ứng, xuất hiện khi ranh giới pha xảy ra phản ứng tạo hợp chất
hóa học, hợp chất này như một lớp keo kết dính hai pha. Đây là loại liên kết tốt nhất.
- Liến kết oxuyt, loại liên kết đặc trưng cho nền kim loại với cốt là oxit của
chính kim loại đó.
1.1.4. Chất xúc tác – Xúc tiến
Trên đây chúng ta đã nêu hai thành phần chủ yếu của composite là keo nhựa và
sợi gia cường. Chất xúc tác và chất xúc tiến là thành phần thứ ba, chiếm một tỷ lệ rất
nhỏ: (1,2 – 3)% so với trọng lượng nhựa trong cấu trúc composite. Polyester liến kết
với sợi thủy tinh là thông qua phản ứng hóa học liên kết nối ngang để đóng rắn cho vật
liệu. Nhưng phải có chất xúc tác thì phản ứng mới được khởi động và phải có chất xúc
tiến thì tốc độ phản ứng diễn ra nhanh chóng làm cho thời gian đơng đặc và đóng rắn
được rút ngắn theo ý muốn. Do đó, tỷ lệ pha chế chất xúc tác và xúc tiến cũng khá chặt
chẽ, quyết định chất lượng đóng rắn của sản phẩm composite.
a) Chất xúc tác:

Hình 1.6 Chất xúc tác MEKP
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.


12
Chất xúc tác gồm các loại:

-

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).

b) Chất xúc tiến.
Như đã nêu ở trên, ở nhiệt độ phòng các chất xúc tác chưa thể làm cho nhựa
đơng, đóng rắn nhanh chóng và tồn phần nếu khơng có chất xúc tiến pha vào nhựa.
Chất xúc tiến là chất đóng vai trị xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự do cuả 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. Vì vậy thông thường các nhà cung cấp nhựa đã pha sẵn vào
trong nhựa chất xúc tiến với hàm lượng (0,05 – 0,5)% so với khối lượng của nhựa để
cung ứng ra thị trường.
1.1.5. Các chất phụ gia sử dụng trong q trình sản xuất composite
a) Chất pha lỗng:
Tính chất của polyester phụ thuộc không những vào hàm lượng nối đôi và
nhóm este, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ mà cịn phụ thuộc vào tính chất
cuả 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 môi cho
polyester. Lúc đó nó hồ tan hồn tồn vào giữa các mạch phân tử polyester,


13
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.

b) Chất đóng rắn:
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 điểm:
-

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.

c) Chất tách khn:
-

Chất tách khn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khn.

-

Chất tách khn dùng trong đắp tay là loại chất tách khn ngồi được bơi
trực tiếp lên khn.

Một số chất róc khn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo…

Hình 1.7. Chất tách khn MG-WAT
d) Chất làm kín
- Với khuôn làm từ các vật liệu xốp như gỗ, thạch cao thì cần phải bơi chất làm
kín trước khi dùng chất tách khuôn.


14
- 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…

Hình 1.8. Chất điền đầy khn Mold sealer FK-4

e) 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.
1.2. Kết cấu vật liệu composite sandwich

(a)

(b)

(c)

Hình 1.9. Cấu trúc composite sandwich
(a. Lớp composite; b. Kết cấu dầm composite sandwich; c. Minh chứng về sức bền
và độ cứng của kết cấu composite sandwich)


15
Elõi <Ứng suất uốn

và
Eplõi <
Tải uốn

Tải cắt
No approxim ations

Ec << Ef

Ec << Ef and t c >> t

Hình 1.10. Phân bố nội lực bên trong kết cấu composite sandwich
Vật liệu composite sandwich được kết cấu từ 2 lớp cơ bản: lớp composite (hình
1.9a) có độ bền và độ cứng cao gọi là lớp da bao bên ngoài, lớp lõi thường làm từ vật
liệu nhẹ nhằm tăng chiều dày của cấu trúc composite sandwich tổng thành (hình 1.9b).
Hình hình 1.9c cũng cho thấy rằng: khi chiều dày của cấu trúc tăng sẽ làm tăng độ
cứng chống uốn cho kết cấu nhưng khối lượng của kết cấu tổng thành tăng nhẹ.

1.3. Đặc tính sức bền tổng quát của vật liệu composite và của gỗ thông
1.3.1. Sức bền nén của gỗ thông
a

f