Nghiên cứu chế tạo vật liệu mới composite polyme 3 pha phục vụ công nghiệp đóng tàu ở việt nam

ĐẠÍ HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

BÁO C Á O KÉT QƯẢ T H Ụ C H IỆN
ĐỀ ÁN

‘NÍỈHIÊN CỨU C H É T Ạ O V Ậ T L I Ệ U M Ớ I C O M P O S I T E P O L Y M E 3 P H A
P H Ụ C V Ụ C Ô N G N G H I Ệ P Đ Ó N G T À U ở V I Ệ T N A M ’’
M Ã SỐ: Q G Đ A . 12.03

C HỦ TRÌ: P G S .T S K H . N G Ư Y Ẻ N Đ Ì N H Đ Ứ C

HẢ NỘI 2013


M U C LUC

M ơ d ầ u ................................................................................................................................................. 10
C hư on g I, C ơ sỏ khoa học, nghiên cứu, tính tốn ảnh h ư ở n g của sợi và

hạt đến

tính nãng cơ lý của vật liệu compos ite 3 p h a ..................................................................... 22
1.1. A.nh hư ớ ng của sợi và hạt đên m ô đun đàn hôi £|| (m ô đ u n kéo
S0112 s o n 2 v ớ i cố t sợ i), m ô đun đàn hồi ( m ô đun k éo th e o p h ư ơ n a nằm

theo phương
trone mặt

p h ắ ra vng c \ ới p h ư ơ n e của cốt sợi) và các mô đun đàn hồi trượt G ,,,G ,3

của

vật l ệ u ...................................................................................................................................................22
1.1.1

M ơ hình vật liêu com posit 3 pha cốt sợi và hạt gia c ư ờ n g ..................................... 22

1.1.2

M ơ hình tính tốn xác định các hệ số vật liệu cùa co m p o sit p o ly m e 3 p h a.... 22

1.1.3

Xây dự ng các biểu thức xác định các hệ số kỹ thuật vật liệ u................................ 23

1.1.4 Tính tốn s ố ........................................................................................................................... 28
1.1.5 Kết lu ậ n ..................................................................................................................................... 37
1.2. Dãn nờ nhiệt của com posite cốt s ợ i..................................................................................... 37
í.2 . ỉ

Giới ih iệ u ................................................................................................................................ 37

1.2.2

N hĩrne hệ thức cơ s ờ ............................................................................................................ 41

1.2.3

Bài toán v à phương pháp g iả i............................................................................................ 42

1.2.3 1. M iền của pha n ề n ................................................................................................................43

1.2.3 2. M iền của pha s ợ i.................................................................................................................44
1.2.3 3. T h u ần Iihất hoá trụ hỗn tạp - trụ c o m p o site .............................................................. 44
1.2.3 4. Điều kiện tồn tại trạng thái biến d ạ n s p h ẳ n e ............................................................ 46
1.2.4 Kết lu ậ n ..................................................................................................................................... 48
1.3. Dàn n ở nhiệt của com posite 3 pha cốt sợi đ ồ n a ph ươ ne độn hạt c ầ u .....................48
1.3.1

ĩ)ặt vấn đ ề ............................................................................................................................... 48

13.2

Xác định các hệ số aiãn nở nhiệt của com posite ba pha cốt sợi đồna phươnơ

độn lạt c ầ u ...........................................................................................................................................49
1.3.2 1. í lệ số 2 Ìãn nờ nhiệt cùa nền ơià đ ịn h ........................................................................... 50


1.3.2 2. Hệ sỏ uiãn nơ nhiệt của com p osite hai pha cốt sợi đồnu p h ư ơ n e .........................50
1.3.2 3. Mệ số eiãn nở nhiệl của com po site ba pha cốt sợi đ ồ n a p hư ơ n a độn hại
c ầu ...........................................................................................................................................................52
1.3.3 Ví dụ b ànẹ s ố ............................................................................................................................54
1.3.4 Kết lu ậ n ...................................................................................................................................... 59
1.4. " inh toán ứ na suất - biến dạng, tính c hố ng thấm , khả nănơ k háng nhiệt của ống
dân co m p o site cốt hạt c h ịu áp suất trong, n g o à i v à nhiệt đ ộ .................................................... 60

1.4.1 Các p h ư ơ n a trình cơ bàn cua nhiệt đàn hồi tuyến tín h ...............................................60
1.4.1 1. M ối liên hệ ứng suất, biến dạng và nhiệt đ ộ ............................................................. 60
ỉ.4.1 2 Phương trình truyền n h iệt..................................................................................................61
1.4.1 3. Đặt bài toán theo chuyền d ịc h ......................................................................................... 63
1.4.2 Trụ C om posite chịu tác động của áp suất và nhiệt đ ộ ................................................ 65

1.4.2 l . Đặt bài to á n ........................................................................................................................... 65
1.4.22. Phư ơng pháp giải.................................................................................................................68
1.4.22.1. Xác định trường nhiệt độ T { r \ t ) ................................................................................. 68
1.4.22.2. X ác định trường ứng suất, biến dạng v à ch uv ển v ị .............................................. 73
1.4.3 T ính tốn s ố ............................................................................................................................. 77
1.4.3 1. Sự phân bố của

chuyển v ị.......................................................................................... 78

1.4.32. Sự phân bố của

biến d ạ n g .......................................................................................... 80

1.4.3 3. Sự phân bố của

ứ n a suất.............................................................................................83

1.4.4 N hận x é t..................................................................................................................................... 89
1.4.5 Kết lu ậ n ...................................................................................................................................... 90
1.5. 'Nghiên cửu ảnh hường của các hạt. các sợi lên khả năng chịu uốn của tấm
com posite...............................................................................................................................................91
1.5.1 Phân tích uốn cho tấm com posite ba p h a .........................................................................91
1.5.12. T âm com posite phân lớp................................................................................................... 95
1.5.2 Kết quả s ố ..................................................................................................................................96
1.5.2 1. A nh hưởno của tv lệ sợi và h ạ t........................................................................................97
1.5.22. Ả nh hườ ng cùa góc s ợ i...................................................................................................... 98


13.2.3. A nh h ư ở n g của lính đối xứ n e của tấ m ......................................................................... 105
1x1. Kết lu ậ n .................................................................................................................................... 107

I.). ớ n định tĩnh của tấm com posite 3 pha nhiều lớp có kể đến tính khơne hồn háo
v: hình d án e ban đ ầ u ..................................................................................................................... 108
I ■» i. Tông q u a n ................................................................................................................................ 108
Xác dịnh các mô đun dàn hồi của vật liệu com p osite ba p h a .................................109
Các p h ư ơ ng trình cơ bản ....................................................................................................114
Phân tích ổn đ ịn h ................................................................................................................... 121
1. Tấm com posite ba pha chịu lực nén dọc trụ c ........................................................... 121
I.).4.2. M ột số kết quả tính

tốn................................................................................................123

I.).5. Kết lu ậ n ................................................................................................................................... 127
I.'. Phân tích phi tuyến động học tấm c o m p osite polym e 3 pha có gân gia
crờng................................................................................................................................................... 128
I.M. M ở đ ầ u ...................................................................................................................................... 128
Các hệ thức cơ bản của tấm com p o site có gân gia c ư ờ n g ........................................128
I/..3. IMiirơng pháp giải theo hàn ứng suất ệ v à độ v õ n g w ............................................ 132
I/.3.1. D ao độn g có điều kiện biên bản lề bốn c ạ n h ........................................................... 133
I.’.3.2. D ao động vỏ với điều kiện biên ngàm hai cạnh và bản lề hai c ạ n h ...................136
Kết quả giải s ố .......................................................................................................................139
Nhận x é t.................................................................................................................................. 149
I/.6. Kết lu ậ n .................................................................................................................................... 151
O ir o n g II. Kết quả chế tạo mẫu và thực nghiệm cho co m po si te polvm e 3 pha
n n polyeste sợi thủy tinh, hạt titanoxit............................................................................... 152
111. Quy trình chế tạo composite nền polyeste sợi thủy tinh, hạt titan o x it....................152
111.1. Vạt liệu thành p h ầ n .............................................................................................................152
111.2. Sợi thủv tin h ...........................................................................................................................153
111.3. Quy trình chế tạo com posile 3 pha nền polyeste, sợi thủy tinh, hạt titan
o.it

158

112. Coniposite nền polyeste với 25°ó cốt sợi (0% cốt h ạ t)............................................... 163


112.1. Két qua chế tạo................................................................................................................. 163
112.2. Kẻt quà thực n g iệm ......................................................................................................... 165
Ỉ13. C om posite nền polyeste với 25% cốt sợi (5% cốt hạt)...........................................169
113.1. Két quà chế tạo................................................................................................................. 169
113.2. Kêt quà thực n a iệ m ..........................................................................................................171
114. (rom posite nền polyeste với 25% cốt sợi (10% cốt h ạt).......................................... 174
114.1. Kết quả chế tạo................................................................................................................. 174
114.2. Két quá thực naiệrn......................................................................................................... 176
115. C om posite nền polveste với 30% cốt sợi (5% cốt h ạ t).............................................179
115.1. Kết quả chế tạo................................................................................................................. 179
115.2. Kết quả thực n giệm .......................................................................................................... 181
115. C om posite nền polyeste với 40% cốt sợi (5% cốt h ạ t)............................................. 184
115.1. Kết quả chế tạ o ................................................................................................................. 184
115.2. Kết quá thực n giệm ....................................................................................................... 186
Ciirong l i l . Ket quả chế tạo mẫu và thực nghiệm cho composite polyme 3 pha
lĩin vinyỉeste sợi thủy tinh, hạt titanoxit............................................................................ 191
II. 1. Quy trình chế tạo composite nền vinyleste sợi thủy tinh, hạt titanoxit..............191
11.2. C om posite nền vinyleste với 25% cốt sợi (0% cốt hạt).......................................... 193
11.2.1. Kết quả chế tạo ............................................................................................................. 193
11.2.2. Kết quả thực n g iệm ......................................................................................................195
11.3. C om posite nền vinyleste với 25% cốt sợi (5% cốt hạt)...........................................198
ỉl.3 .1 . Ket quả chế tạo ................................................................................................................ 198
11.3.2. Kết quả thực n g iệm ........................................................................................................200
11.4. Coinposite nền vinyleste với 25% cốt sợi (10% cốt h ạ t)........................................203
11.4.1. Kết quả chế tạ o ..............................................................................................................203

11.4.2. Kết quả thực ngiệm ......................................................................................................205
11.5. C om posite nền vinyleste với 3 0 /0 cốt sợi (5°/0 cốt h ạt).......................................... 208
11.5.1. Kết quả chế tạ o ..............................................................................................................208
11.5.2. Kết quả thực n giệm ......................................................................................................2 10
11.6. C om posite nền vinyleste với 40% cốt sợi (5% cốt hạt)...........................................213


III.6.l . Kết quả chế tạ o .................................................................................................................. 213
[11.6.2. Ket quá thực n e iệ m .......................................................................................................... 215
Chưrng IV. Kết quả chế tạo mẫu và thực nghiệm cho co m po si te polyme 3 pha
nêti cpoxv sợi thủy tinh, hạt titanoxit................................................................................... 220
IV.

1 Quy trình chế tạo composite nền epoxy sợi thúy tinh, hạt tita n o x i................ 220

IV. 1 1. N hựa e p o x y ........................................................................................................................ 220
IV. 1 2. Quv trình chế tạo com posite 3 pha nền epoxy sợi thủy tinh, hạt titanoxit..222
IV.2 C om posite nền epoxv với 2 5% cốt sợi (0 % cốt h ạ t).............................................. 224
IV.2 1. Kết quả chế tạ o ..................................................................................................................224
IV.2.2. Ket q u ả thực n s iệ m .......................................................................................................... 226
ỈV.3. C om posite nền epoxy với 2 5 % cốl sợi (5% cốt h ạ t)................................................ 230
IV.3 1. Kết qu ả chế tạ o ..................................................................................................................230
IV.3.2. Kết q u ả thực n g iệ m .......................................................................................................... 232
IV.4 C om posite nền epoxy với 25% cốt sợi (1 0 % cốt h ạ t).............................................. 235
IV.4 1. Kết qu ả chế tạ o .................................................................................................................. 235
IV.4.2. Kết quả thực n g iệm .......................................................................................................... 237
IV .5.C om posite nền epoxy với 3 0% cốt sợi (5 % cốt h ạ t).................................................240
IV.5.1. Kết q u ả chế tạ o .................................................................................................................. 240
IV.5.2. Kết qu ả thực n giệm ............................... .......................................................................... 242
IV .ó.C om posite nền epoxv với 4 0 % cốt sợi (5 % cốt h ạ t).................................................245

IV.6 1. Kết qu ả chế tạ o .................................................................................................................. 245
[V.6.2. Kết qu ả thực n giệm .......................................................................................................... 247
Chưrng V. Kết quả chế tạo mẫu và thực nghiệm cho c om po s it e polyme 3 pha
nền «poxy sọi cacbon, hạt titanoxit........................................................................................252
V.

1. ^uv trình chế tạo composite nền epoxy sợi cacbon, hạt tita n o x it........................ 252

v . l . . Sợi các b o n ...........................................................................................................................252
\ . \ Q u y trình chế tạo composite 3 pha nền epoxv sợi cacbon. hạt titanoxit.......... 264
^ .2 . ro m p o s ite nền epoxv với 25% cốt sợi (0% cốt h ạ t) .................................................. 266
V.2. . Kêt quả chế tạ o ................................................................................................................... 266
V.2.^ Kêt quả thực n g iệm ............................................................................................................267


V.3. C omposite nền epoxy với 25*^0 cốl sợi (5% cốt h ạ t)................................................271
v.3.1. Kết q uả chế tạ o ................................................................................................................. 271
v.3.2. Kết q uả thực n g iệ m .........................................................................................................273
V.4, C omposite nền epoxv với 40% cốt sợi (0% cốl h ạ t)............................................... 276
V .4 .1. Kết quả chế tạ o ................................................................................................................ 276
v.4.2. Kết qu ả thực n g iệ m .........................................................................................................278
TỔNG H Ợ P K É T Q U Ả C H Ế T Ạ O M Ả Ư .......................................................................... 281

TÓNJ HỢP KẾT QUẢ s ố LIỆU THựC NGHIỆM.............................................284
K Ế T Q U Ả Đ À O T Ạ O ................................................................................................................ 288
K ẾT Q U Ả Ứ N G D Ự N G V À O T H ự C T Ỉ É N ..................................................................... 289
CÁ C C Ò N G t r I n h Đ ả C ô n g b ố .................................................................................... 290
K ÉT L U Ậ N .................................................................................................................................... 292
TÀI LIỆU T H A M K H Ả O ......................................................................................................... 293
PHIỂU Đ Ả N G K Ý K Ế T Q U Ả C Ủ A ĐỀ Á N ..................................................................... 305

PH Ụ LỤ C 1; K ết quả thực nghiêm com posite nền polyeste, sợi thuỷ tinh, hạt
Titan oxit
PH Ụ LỤ C 2: Kết quả thực nghiêm com posite n ền vinylyeste, sợi thuỷ tinh, hạt
Titan oxit
PH Ụ LỤC 3; Kết quả thực nghiêm com posite nền epoxv, sợi thuỷ tinh, hạt
Titan oxit
PHỤ LỤ C 4: Kết quả thực nghiêm com posite nền epoxy, sợi cacrbon, hạt
Titan oxit
PHỤ LỤ C 5: Hồ sơ đăng ký sáng chế và Biên bản triển khai áp dụng
PM Ụ L Ụ C 6: Bản photo copy các cơng trình đã công bố


T H Ò N C TIN C H U N G VÈ ĐÈ Á N
Tén đề án, Mã số:
••NCIỈỈẾN CỬU CHẺ ĨẠO VẬT LIỆU MỚI COMPOSITE POLYME 3 PiỉA PHỤC v ụ
CỊNG NGHIỆP ĐĨNG TÀU ớ VIỆT N A M ’M ã số: Q G Đ A 12.U3.
Chii n h iệ m đề tài: PG S .T SK H Nguyễn Đình Đức
C(I' q u a n c h ủ trì:

T rư ờ n a Đại học C ông nghệ - Đ H Q G H N

Nội dung nghiên cứu của đề án:
Bao gồm n h ữ n g nội dung chính nh ư sau:
NltóTi nội d u n e 1 : C ơ sở kh oa học cho việc nghiên cứu chế tạo com posile polym e
3 pha. Bao g ồm tính tốn xác định các m ơ đun đàn hồi cho com po site 3 pha phụ
ihuộ; hiên vào tỷ lệ sợi và hạt; khảo sát các ảnh h ư ở n g của tỷ lệ sợi và hạt lên độ
bên .lôn, hệ sô dãn nở nhiệt và đáp ứng phi tuyên (tĩnh và độ n g) của tấm com posite
3 phi.
NhóTi nội d u n g 2 : Q uy trình cơng nghệ và đặc trưng cơ Iv của vật liệu com posite 3
pha nền polyeste sợi thủy tinh, hạt titanoxit

N h ó n nội d u n g 3 : Q uy trình cơng nghệ và đặc trưng cơ lý của vật liệu composite 3
pha nền vinylester sợi thủy tinh, hạt titanoxit
N h ó n nội d u n g 4 ; Q uy trình cơng nghệ và đặc trư na cơ lý của vật liệu composite 3
pha lề n e p ox y sợi thủv tinh, hạt titanoxit
N h ó n nội d u n g 5 : Quy trình cơng nghệ và đặc trưng cơ lý của vật liệu com posite 3
pha lên epoxy, sợi cacbon, hạt titanoxit
Vơi àrng nội d u n ẹ ở nhóm 2,3, 4 và 5 lại bao gồm các nội dung chính như sau:
- N gh iên cứu quv trình c ô n e nghệ
- N ghiên cứu che thử mẫu vật liệu với các p h ư ơ n e án trộn nền polyme với
SỢI tia c ư ờ n e v à các hạt titanoxit theo các tv lệ khác nhau

- T hự c n e h iệm phương pháp xác định các mô đun đàn hồi của từnơ loại mẫu
\'ật 1ệu com p osile
-

Phân tích, tồna hợp, đánh 2 Ìá kết quá chế tạo và th ử n sh iệ m


Kinh phí thực hiện: 950 triệu đồne. KP Quỳ í^hát triển K H C N ciia Đ H Q G liN
1 hị’; gian nghiên cứu: 2012 -2013
1 hành viên chính tham gia thực hiện đề án:
PGS IS K H N guvễn Đình Đức (Chú nhiệm Đề tài)
TS. Vguyền H ồng Q uân (Đ H C N ). TS. Lê Thái íỉị a (Đ H C N ), TS. Hồng Văn
ĨÙIIL (Đ H K T HN);

ThS. N ghiêm Thị Thu Hà (Í)H K H T N ); ThS. Đỗ Nam

(ĐI ỈCN); ThS, Vũ Thị Thuỳ A nh (Đ H C N ); ThS. Phạm Vãn Thu (V iện NC Chế tạo
tàu n u ỷ - ĐH N ha Trang); ThS. N guyễn Văn Đẳc (Đ H X D H N ); K S.N C S Tràn
Quốc Quàn (Đ H C N ); KS. H V CH Bùi Đức Tiệp (V iện C ơ học); C N .H V C H Nguvễn

Xuâi' Tú (Đ H C N ); KS. Hồ Q uang Sáng (Đ H C N ); KS. Đ inh V ăn Đ ạt (Đ H C N ), KS.
Phạm H ồng C ông (Đ H C N ).


iVlỏ ĐẦU

C o m p osite là loại vật liệu được cấu thành từ hai hoặc nhiều vật liệu thành
phàr khác nhau nhăm mục đich phat huy các tính năng iru việt cúa vặl liệu thánh
phàr và tạo ra vật liệu m ới com posite có nhiều tính chất ưu việt vượ t trội [1, 2J. Vật
liệu com posite gôm thành phần liên tục, có tính n ă n e gắn kết các thành phần gia
c ư à rg , gọi là vật liệu nền (hay pha nền) và các thành phần cốt (các pha gia cườne).
Vật íiệu nền có tác dụng phối hợp sự làm việc hài hoà của toàn khối com posite,
p h à r bố lại nội lực, chống chịu các tác động lý-hố cùa m ơi trư ờ na. Tác dụng nổi
bật của pha gia cường là làm cho com posite trở nên c ứ ng hơn, làm tốt hơn khả năng
khác như: kh ả năng chống lại biến dạng k h ô n a đàn hồi, c h ố n g thấm , chố ng cháy,
giảiĩ sự phát triển của vết nứt và chịu va đập tốt.
Với n h ữ n g tính năng nồi trội cùa m ột số com posite n h ư rất nhẹ, bền với các
tac cộng vật lý, hoá học (com posite polym e), bền và siêu bền nhiệt (com posite chức
năng, com posite carbon-carbon), khả năng chống ăn m òn cao và thích ứng với các
tiêu :hí cao củ a kỹ thuật và công nghệ hiện đại, com po site phát huy được ưu điểm
cùa các vật liệu thành phần, vì vậy com posite đã được n e h iên cứu và sử dụng như là
loại vật liệu lý tưởng ứng dụng trong các ngành c ô n ạ nghiệp, điển hình là cơng
nghiỉp nhựa, cơn g nghiệp ơ tơ, cơng nghiệp đóng tàu, c ơ khí, chế tạo máv, xâv
dựnị; dân dụng, giao th ô na vận tải và thậm chí cả trong y học. N ghiên cứu về vật
liệu và kêt cấu com p osite noày càng được phát triển rộ ng rãi, có ý nghĩa k hoa học
và ữ ự c tiền to lớn.
Vật liệu com posite thông thirờno được phân loại theo m ột số cách sau đâv
[ 1]:
Phân loại theo vật liệu nền: Do vai trị đặc biệt quan trọng của pha nền.
tronỊ cơng nghiệp người ta phàn loại vật liệu com posite theo tên 2ỌÌ cùa vật liệu

nẻn. ví dụ như com posite polyme (nèn làm lừ vật liệu polvm e). com posite kim loại

10


(íomposite nền kim loại hoặc hợp kim), com pos it e gốm. composi le carbon-carbon
VV
Phân loại theo cấu trúc vật liệu: T heo cách này người ta phân co m po site ra
lan các loại:
C om posite hạt là loại com posite cấu thành từ pha nền và pha dộn là các loại
hit. nói chung, có kích thước và tính chất khác nhau.
C om posite sợi là loại vật liệu được cấu thành từ pha nền liên tục và pha độn
1; các sợi gia cườne. Các sợi này có thể được sẳp xếp theo c ùn a một p h ư ơ n g xác
đnh (com posite cốt sợi đồng ph ươ ng ID ) hoặc theo các p h ư ơ n g khác nhau nD (sợi
ga cường phân bố theo n phươn2 khác nhau).
C om p o site phân lớp được cấu thành từ các lớp vật liệu khác nhau đư ợ c sắp
la đê cho ra m ột lớp tổng thế có độ cứng cao. C ác lớp vật liệu có thể là các vật liệu
o n ip o site đồng phương và các lớp khác nhau có các hư ớ n g sợi khác nhau, hoặc
vú. Nhược điểm của loại vật liệu này là nguy cơ b o n e tách các lớp vật liệu và sir
tịp trung ứng suất cao nơi mặl tiếp xúc, đặc biệt khi vật liệu p hân lớp làm việc tronR
nôi trường có nhiệt độ cao.
C om posite nhiều pha có cấu trúc k h ô ng eian, bao gồm sự kết hợp của 2 hay
niieu thành phần gia cường khác nhau trong vật liệu nền, cịn có kv hiệu tổng quát
li coinposite n D m (chì số n được dùn g để chỉ sổ phươn2 cùa sợi gia cường, còn chỉ
S( m để nói ràne: n aồi các sợi, pha nền đã được b ổ sunơ từ n h iề u pha khác nhau, ví

di Iihư các hạt và các sợi ngắn phân tá n ,...).
Ngàv nay đã xuất hiện một số loại vật liệu com posite có tên 2ỌÌ mới như
cmiposite biến đổi chức năng [44, 45, 46, 52, 56], com posite áp điện [17], nanocmiposite (it nhất một Ihành phần vật liệu cỏ kích thước nano mét). Đâv là n h ữ n e
lcỊÌ c o m p o s it e đana đư ợ c quan tâm n a h iê n c ứ u bởi khả năng ứ n g d ụ n g rộng rãi của

ciúrm.
C om posite polyme là vật liệu c ã

quan Irọne trona khoa học. c ô ne n ah ệ \ à

tlưưng inại. N ó được ứ n s dụ ne làm vật liệu đàn hồi eia c ư ừ n a sử dụng cho mục


đ ích giảm khối lư ự n s, lărm độ bên kêi càu. c icii diện, hền với m ôi trường kiềm và

axíl,. . C om posite pol\ me siêu bèn. siêu níic va cỏ tính nănơ cơ Iv tơt được sử dụna,
troiic máy bay, h a n s khôntỉ vũ Irụ. lau lhu\. Loniposite polyme ba pha là vật liệu lồ
hợp côm nền polym e. cốl sợi hoặc vai và thêm các hạt eia cường (hoặc phụ eia) đê
tạo rt n h ừ n s vật liệu có tính chấi như mona inn.
Trên thế 2 Ìới, nhữna nohicMi cửu \ ê comỊX)siie 3 pha có thê kể đến từ n h ữ n s
nám "'0 của thế kỷ XX. Nhừno nehiên cưu sớm nhất công bổ về kết cấu composite 3
pha cã xuất hiện lừ những năm 70. Năm 19” 2. hài báo của D .R .Fow ler và D.A.
Nevv.on [7] trình bàv loạt thí nohiệm về nén của ống; composite phân lớp 3 pha
(nhự;i, sợi và lá kim loại). Dựa trên kết quả thí nghiêm, một phương pháp được các
tác 5 ả đề xuất đế tính tốn lực tới hạn và thời đièm mất ổn định cho kết cấu ống: 9
ống với các pha sợi khác nhau, số phân lớp và cách sắp xếp phân lớp khác nhau
được chế tạo cho thí nehiệm nén dọc trục. Các ơng bị phá hùy do sự phân tách giữa
các pha và phân tách dọc trục trona các pha. Ket qua thí nehiệm cho các giá trị lực
tơi han khá p hù hợp với lính tốn lý thut cho 6, 9 trường hợp. M ột năm sau đó [8],
năm 1973 các tác giả này trình bày các thí nghiệm vè tấm com posite 3 pha phân lớp
(nhự£, sợi và lá kim loại) tựa bản ỉề hai cạnh dối diện và chịu nén trên hai cạnh này:
8 tà ư chừ nhật được chê tạo với các thành phần lá kim loại khác nhau (nhôm, thép,
tita n iv à cách sắp xép các pha, cũng như phươne sợi khác nhau. Phân lý thuyết trình
bày tn h toán cho các hàng số đàn hồi bàng lý thuyết tấm mỏng và độ uốn của tấm

báng phương pháp ihè năng cực tiêu. Mô đun Young được đo đạc cho kêt quả khá
píiù t-ợp với tính tốn lí thuyết. Các ứns, xử biến dạnẹ lớn và oằn được đo đạc cũng
CIO tìây sự ph ù hợp với tính tốn lý thuvết. Bên cạnh đó bài báo c ũ n e trình bàv một
sị k ió khăn trọ ng việc chế tạo tấm composile 3 pha nhiều lớp và các biện pháp kĩ
tỉ uật đế khắc phục. Tu>- nhiên nhữna nahiên cưu này là nhừne nơhiên cứu thực
nghitm, do đó chưa phản ánh được nhừne dự háo ve sự thay đồi cơ tính của vật liệu
V.I kl-ả nâng chịu tái của kết cấu phụ thuộc vào tỷ lệ gia cường cùa từ n s pha cũn2
m i i íự phàn bố cấu trúc. Do hạn chế về còns ntỉhệ chế lạo và nhu cầu sử dụno
c.)riỊ-osite 3 pha ma \'ề sau rất ÍI cỏ cịna trình nshièn cứu đầy đủ được côna bố kếi
q.ià ^ê loại vật liệu này, đặc biệt là đơi vói comp( siie 3 pha gia c ư ờ na côt sợi và các


loá hat. N hữnơ năm ^ần dây khoa học và cơng ne,hệ đã phát triên tới trình độ cao,
cá: hạt nano và các hạt áp điện dược nehiôn cứu chế tạo đira vào ứ n 2 d ụ n s troniỉ
côig nahiệp, dã m ớ ra nhiều hướng nghiên cứu về lính chất cơ-lý và kết cấu của vật
liệi coniposite 3 pha.
C ác nghiên cứ u tồnơ quan cho thấv các rmhiên cứu về vật ỉiệu composite 3
phi còn rấl m ới và xuất hiện chủ vếu từ những năm 90 của the kỷ XX trở lại đây.
I rước hết phải kể đến các nghiên cứu cùa cáe nhà hóa học và vật lý trong
viíC

chế tạo và nghiên cứu vật liệu composite 3 pha những năm gần đâv. N ăm 2003,

Z.A. D ang đă nghiên cửu khả năng ứng dụng trone lĩnh vực vi điện tử (micro
ehctronic) của vật liệu composite 3 pha (nhựa polyvinvlidene tluoride, số m và
ca bon nanotube) [9] với những ưu điểm về hằng số điện môi cao, nhiệt độ chế tạo
th;p (2 0 0 ‘^C) và dễ dàng chế lạo các hình dạng khác nhau. Các tính chất điện mơi
điợc nghiên cứu khi thay đổi tỉ lệ thể tích của pha gốm và pha carbon nanotube,
cũig n h ư khi thay đổi nhiệt độ môi trường và tần số. C arbon nanotube cho thấy ảnh
huíriig lớn đến hằng số điện môi của composite 2 pha 2;ốm và nhựa polvvinylidene

tliDrid. Sự bổ sung carbon nanotube với ti lệ thể tích 12% có thể làm tăng hàng số
dim m òi cùa vặt liệu lẻn gấp 20 lằn. Nhom cac tác già này cũng đã nghièn cứu ưns
xủ c á c h điện, đặc biệt là ánh hường của nhiệt độ đến tính chất cách điện cùa
conposite 3 pha gồm nền polym e PVDF và sợi các bon, hạt B aT i 03 [10].

c .w . Nan, L.J. D ong và các tác giả khác [11] đã nahiên cứu tính chất áp điện
vàđiện từ của com posite 3 pha bao aồm nền polyme, hạt hợp kim Tb-D y-Fe và hạt
ch-kẽm -titan PZT.
N ă m 2008, R.G. Diaz đã cơng bổ [12] các kết q tính tốn lý thuyết cho các
haig sô áp điện (piezolectric) của vật liệu composite 3 pha 2 ồm sốm , nhựa polyme
vàsưi í'*ZT-7A (một hợp chất của chì và titan). Các kết q tính toán lý thuyết cho
th.y sự phù hợp với thực nahiệm cùa các hằng số áp điện khi thav đôi li lệ thê tích
củ- sợi PZT-7A . Vật liệu có khà năn 2 ứ n s dụno troiì 2 các bộ chun đơi, ví dụ
ccig ĩighệ ảnh hóa (im aeing), thí nohiệm khôna phá hủy (nondeslructive testinơ).
tan^ihe dưới nước (h \'d ro p h o n e )...

13


'1. Chen và M.L. M ecartney ị l 3 | năm 2005 c ơ n s bố kết q thí nghiệm cho
các tính chất từ biến, vi kếl cấu và cơ học của vật liệu com posite 3 pha (40° o nhôm,
30° 0 ziriconi, 30% gốm ceramic). T ro n e bài báo này chu yếu trình bày nhừne;
n s h iê n cứu ban đầu về chế tạo và các tính chất kết dính của các pha, chưa cỏ kết
quả cho các tính chất cơ học của vật liệu.
N ăm 2008, s. Kari và các tác giá trình bày rmhiên cứu về ảnh hưởng của vật
liệu kết dính (interphase malerial) tới com posite 3 pha (nền nhựa, sợi gia cường
h o ặc hạt độn hình cầu và vật liệu kết dính) bàn2 phirơne ph áp số [14]. Ket quả tính
tốn thu được cho thấv sự phù hợp với các kết quả giải tích. K ết luận đưa ra là vật
liệu kết dính cần đư ợ c chọn sao cho đủ cứng để truyền tải lực qua lại giữa pha sợi
và p h a nền.

N ăm 2009, s. G eorge và M.T. Sebastian trình bày kết q uả thí nghiệm vật liệu
com posite 3 pha (n h ự a epoxy, ẹốm và bạc kim loại) cho nh ững ứ n s dụng chế tạo tụ
điện [15]. ư u điểm của vật liệu mới này là ở chỗ: hàng số điện môi cao hơn các vật
liệu cách điện truyền thống, nhiệt độ chế tạo thấp (70°C) và dễ dàng lạo các hình
d ạng khác nhau. C ác thuộc tính điện mơi (dielectric) của vật liệu được nghiên cứu
khi thay đổi ti ỉệ thể tích của bạc và khi thay đổi tần số, nhiệt độ môi trường, đồng
thời các kết quả này cho thấy sự phù hợp với các tính tốn bàng lý thuyết. K ết quả
cho thấy vật liệu 2 p ha gồm epoxy v à gốm nếu được bổ sung 2 8 % bạc có thể có
h àng số điện môi tã n e từ 8 lên 142 tại tần sổ lM H z . Với các tính chất tốt như trên,
vật liệu mới này hứa hẹn sẽ được phát triển rộng rãi tronơ lĩnh vực vi điện tử.
Các lác giả S.K. Chaturvedi, G .Y .T zen g đã nehiên cứu m ơ hình ở cấp độ hạt
kích thước micro m ét cho vật liệu com posite 3 pha (nền nhựa, sợi và vật liệu kết
dính) [16]. Ả nh hư ở n g của tỉ lệ sợi, sức cản nhớt và độ cứna, của các pha thành phần
đến tính chất cơ học cùa com posite được xem xét và thảo luận.
Khi nehiên cửu m ơ hình com posite 3 pha, vấn đề đầu tiên và quan trọ ns là
phai xác định được m ô đun đàn hồi của com posite 2 pha chi bao gồm nền và các hạt
độn. Các nahiên cứu về com posite 2 pha nàv ílườno như được trinh bày và đề cập
đến lần dầu tiên tro n s c ơ na trình [17. 18]. T rong [17], C hristensen sử dụng giả thiết

14


tviệ CMC hạl độn là nhó. Năm 1995. N. Katsube trình bày một ph ươ na pháp siải tích
klác dê tính tốn các hãna sơ đàn hơi cho vậl liệu com posite hạl độn hinh câu [19 .
T.c eii sư dụnR Iv thuyết ứnơ suất trung bình và thê tích biến d ạn e truna bình. Kết
qiá th.i được phù hợp với kết quả cúa Mashin (1983).
Gần đâv, một số kết q tính tốn mơ đun đàn hồi cho composite 2 pha với
nei pd> slyren và các hạt titan dioxit được các nhà vật Iv nghiên cứu và giới thiệu
tôig q-ian tro n a bài báo [20]. Năm 1996, Vanin G.A. và N a uy ên Đinh Đức đã đưa
racỏng thức tính tốn mơ đun đàn hồi cho composile 2 pha độn các hạt cầu, có tính

đếi lư m a tác 2 Ìừa nền và các hạt [21], kết quả cho thấy mối quan hệ phi tuyến giữa
mi đui đàn hồi và tv lệ các hạt độn trong composite.
C om posite 3 pha gồm nền và 2 pha khác đều là các hạt độn (từ vật liệu khác
n h u ) được xem xét và nghiên cứu trong [22] (^ồm nền, hạt cầu và spherical
amulis) . C om posite 3 pha 2 ồm nền và các pha hạt đều được xem là composite
đóig rhất, đ ẳng hướng.
C om posite 3 pha gôm nền và hai pha đều là sợi cũng đã được nghiên cứu vào
nàn 2)05 trong bài báo của Y. Ivvahori và các tác giả [23]. Trong bài báo này các
tá< giá trình bày hàng loạt thí nghiệm kéo, nén, uốn để xác định độ bền cho vật liệu
cenpcsiie sợi carbon nano 2 pha (nền nhựa epoxy, sợi carbon nano) và 3 pha (nền
nhra ípoxy, sợi vải, sợi carbon nano) nhàm đánh giá tác dụng của việc bổ sung sợi
cabor n a n o vào vật liệu composite. Kiềm tra với độ dài khác nhau là lOOOnm và
5C)0nn v à hai tỉ lệ khối lượng Idiác nhau của sợi carbon nano là 5% và 10%. Với
vậ liệi 2 pha, thí nghiệm kéo, nén và uốn đều cho thấv mơ đun Young và độ bền
CỦI \ ậ liệu tăng với các trường hợp 5% sợi carbon nano, và tăng m ạnh hơn nữa với
tnờiK hợp 10%. Trong khi đó, với vật liệu 3 pha, việc bổ sunơ sợi carbon nano
khỊMíỉlàm thav đồi đánơ kề độ bền và mò đun Young cua vật liệu. Mơ đun Youna

2 Ì;ni t o n a thi nsh iệm kéo và uốn, tăns nhẹ trong thí nehiệm nén.
Các nehiên cứu cơ học về vật liệu composite 3 pha bao 2 ồm nền, sợi và hạt
đ ìstrn đ ư ợ c đề xuất nohiên cứu tronơ [24] vào năm 1996. Ý tướne nơhiên cửu về
ccnỊxsite ? pha của các tác siả (Vanin G.A., Nguyen Dinh Duc) nảv sinh khi


ntihièn cứu vặt liệu com positc carbdivcarhon co jâu trúc không gian: Thực tế cho
thấy các mô dun dàn hôi trưọt cua \ậ l liẹu conip )site carbon-carbon 31) giữa thực
imhiệm và các tính tốn Iv thu}ếi khck Iihau q xa. Các tác giả dã đặt vấn dề phải
lý giải hiện tư ợ n s này. Soi trên kính hicn \ i diện tư cho thấy có vơ vàn lỗ rồng bọt
khí xuất hiện trona vật liệu (các lồ rồnu na\ có thè chiếm tỷ lệ đèn 15-20%).
NiiU)'ên nhân xuất hiện các lỗ rồne bọt khi là quá Irình eraphit liỏa, ủ vật liệu khi

chế tạo com posite carbon-carbon ở nhiệt dộ circ cao (đến h à n s vài nghìn độ). Đe
tính tốn ánh h ư ờ n e của các lỗ rồna bọt khi. các tác giả đã đề xuất mơ hình
composite 3 pha 3D m gồm nền carbon. các sợi carbon và lồ rỗng hình cầu. Ket quả
tinh tốn cho ihấv các bọt khí rỗng lam giam mỏ đun đàn hồi của vật liệu [24],
nhưng nếu xem pha thứ 3 là hạt vật chất (khỏng rồne, có mơ đun đàn hồi cao) thi
tính năng vật liệu lại được cải thiện [25. 26]. Trong [21J các tác giả đã đề xuất cơng
thức mới tính mơ đun đàn hồi của composUe 2 pha và đã tính đến tương tác giữa
nên và các hạt. M ơ hình composite 3 pha 3Dm được các tác giả đề xuất giải quyết
theo m ô hình coinposite 2 pha liên tiếp: Pha đâu gộp nền với các hạt. đê tính các mơ
đun dàn hồi hiệu quả cho composite được xcni như là vật liệu nền giả định cho
ccmposite. B ước tính tiếp theo bao gồm nền íiả định và các sợi gia cường. Theo
thuật tốn này, các tác giả đã nahiên cứu tính tốn các mơ đun đàn hơi và tính tốn
hiện tượim từ biến cũng như hệ số dãn nở nhiệt cho composite 3 pha 3D m [21, 242(’j.
N ãm 2005, các tác giả J.C.Afonso, G.í^analli đề nghị m ột phương pháp đơn
gián để tính tốn các h ằ n s số đàn hồi cho vật liệu composite 3 pha (nền, sợi ngắn
hoặc dài, hạt) sử dụng hiệu ứng shear las và phần tử đại diện [27]. Mơ hình tính
tcáii cho vật liệu hai pha sử dụna phirơna pháp sợi giả tưởng. Phần tính tốn các
hiinơ số cho vật liệu 3 pha được thực hiện hàii 2 phương pháp phần tử đại diện: vật
liíu 3 pha thực tế được thay thế bơi nhữna phàn tư đại diện đưn lé chỉ gồm 2 pha là
ncn \ à một tro ng hai pha gia cườns. Sau đó các hằng số đàn hơi được lính tốn cho
CÍC phần từ đại diện nàv, tiếp theo sừ dụnu luật phàn phối đơn 2Ìản dế tính tốn các

h.ing; số cho \ ’ật liệu 3 pha từ các hằns số đan hịi \ à ti lệ thể tích của các phân tử đại
d ệ n đó. Kết qua linh tốn cho cá irường hợp 2 pha lẫn 3 pha đều rất phù hợp với

16


kếl q j a thực nhiệm, tuy nhiên, bài báo chi trinh bàv phần tính tốn cho mơ đun
Young.

S.Y,Fu và các tác eiả [28] công bố kết quá ntỉhiên cửu về các hàng số đàn
hỏi c.ia vật liệu com posile lai (hybrid com posite) Rồm các pha hạt độn. sợi n 2 ấn và
nên roỊvm e sử dụng luật phân phố! và p h ư ơ n g pháp phân lớp. T r o n s phươ na pháp
sử clụnu luật phân phối, tác động qua lại giữa sợi và hạt kh ơn g được tính dến. Trong
phươag pháp phân lớp, vật liệu hai pha gồm nền và hạt được coi như nền giả định
kết hơp v ới sợi trona tính tốn sử d ụ n e Iv thuvết phân lớp co m p osite như ở [29].
Gần đây, R.Pal trình bày 4 m ơ hình m ới để tính tốn mơ đun đàn hồi Y oung
cho vật liệu com posite 2 pha có hạt độn [30]. Các th ơ n a số đầu vào vêu cầu gồm có;
tỉ lệ hạt độn, hàng số Poatxong của hạt độn, tỉ lệ giữa m ô đun Y o u n g của hạt độn và
nên, và tỉ lệ cực đại của hạt độn. C ác công thức thu được dưới dạng giải tích, và
phân tích của tác giả cho thấy có 2 ph ư ơ n g pháp (ph ư ơ ng pháp 2 và 4) phù hợp
tương đối tốt với các kết quả thực nghiệm.
G ần đây nhất, S.G. M o gilev skaya và các tác giả đã đưa ra ph ư ơ ng pháp mới
xác dịnh các hệ số đàn hồi của com p osite [31J. Trước đây th ư ờ ng sử dụng hai
phương pháp truyền thốns; để tính toán các hàng số đàn hồi cho vật liệu com posite
là ph-in tử thể tích đại diện (representative volu m e elem ent, R V E ) và phần tử tuần
hoàn (repeating unit cell, RU C). Hai ph ư ơ ng pháp này đều sử dụng những phần tử
vật liệu hữu hạn với các điều kiện biên phức tạp được chọn theo các giả thiết và
đièu v i ệ n của neười thực hiện. T ron g bài báo này các tác giả để xuất m ột p h ư ơ n s
pháp mới sử dụng phần tử vô h ạn k hơ ng đ ồng nhất để tính tốn các hằng số đàn hồi
cho \ậ i liệu com posite có tính tốn đến sự tươ ng tác trên bề mặt 2 Ìừa các pha vật
liêu. Một sổ ví dụ so sánh kết q uả tính tốn m ơ đun đàn hồi cho thấy sự phù hợp với
cac kết quá của các tác già khác, ư u điểm của p h ư ơ n a pháp mới so với hai phươ na
pháp truyền th ốn g RVE và

Rưc là khơng

có những điều kiện biên phức tạp mà chi

yéu Ciu điều kiện đặt lực tại vô cùng, dễ dàng ứng dụng cho n h ữ n s điều kiện tươnơ

tá: b: mặt khác nhau eiĩra các pha vật liệu và khône cần bước trung bình hóa ứng
si ' à biến dạng cua miền khônơ đồna; nhất.


Những nám 2 ân đâv, do sự xuất hiện của các sợi và các hạt nano, các vật liệu
th)ng minh và ứnu dụ n e của composite trong các bộ vi \ ừ lý M EM S, N EM S, đã
xiâi hiện một sỏ cône bô nehiên cứu khác liên quan đên composite như R .x . Zane
tn n g bài báo [32] trình bàv phương pháp giải lích đế dự đoán các hàna số đàn hồi
c b vật liệu com posite 2 pha gồm nền nhựa và hạt độn hoặc sợi ngấn làm bàng vật
liíU

thơng minh SM A (Shape M emory Alloy, vật liệu có khá năng ghi nhớ hình

d;ng ban đầu và biến đơi hình dạng dưới tác dụnạ của nhiệt độ, đày là vật liệu mới
Ví

được nshiên cửu ứng dụng nhiều tronẹ lĩnh vực chế tạo sensor, actuator và điều

klien dao độn. 2 ).
Sử dụng p h ư ơ n s pháp tiếp cận tro ns [24], khi tính đến tương tác giữa hạt và
nei, tác giả N guyen Dinh Duc đã đề xuất cơng thức tính tốn mơ đun đàn hồi cho
conposite với hạt cầu rỗng trong [24] có thể áp d ụ n a tính cho composite khi độn
cá: hạt nano [33], trên cơ sở đó tronR [34], tác giả đưa ra thuật tốn xác định các mô
đin đàn hôi cho nano-com posite 3 pha (gồm có 2 pha hạt, trone đó có các hạt nano)
th :0 mơ hình 2 pha liên tiếp, đồng thời áp dụng tính hệ số dãn nở nhiệt cho
ccĩiposite 3 pha gồm nền polyme, sợi và hạt gia cường theo thuật toán sử dụng hai
p h Hên tiếp đã được trình bày trong [35].
Trong [36J, các tác giả đã nghiên cứu vật liệu composite 3 pha gồm nền
ep.)xy, các hạt ceramic và các hạt áp điện và nghiên cứu tính chất cách điện, cách

ân của vật liệu này.
N hư vậv, qua phần tổng quan tình hình nghiên cứu về composite 3 pha ở
tnn g và ngoài nước, cho thấv rằn2 composite 3 pha ngày cànơ được nghiên cứu và
ứig dụng mạnh mẽ, nhất là trong nhữne năm eần đây. Các cơng trình nghiên cứu đã
hiớng tới sự kết hợp trong composite các sợi và hạt có những tính chất mới như:
cá hạt và sợi nano, sợi và hạt áp điện, tư tính... Tuv nhiên ở Việt Nam composiie
p cym e 3 pha cịn khá mới mè, và cịn ít những cơng bố nghiên cứu theo hirớna
h(in thiện cơne nghệ, tính toán các đặc trưng cơ lÝ của vật liệu, nhàm phản ánh
tiưr.g minh các tính chất cơ - lý của vật liệu composite 3 pha, hoặc các khả năns
chu tai cùa kết câu từ composite 3 pha qua các th ôn s số ban đầu cua các vật liệu


thành phần. Do nhu cầu cấp ihiét cùa naành kv thuật tàu thùv, mới đâv, năm 2011 ở
Việt Mam đã có luận án tiến sĩ kỹ thuật nah ièn cứu về mặt lÝ thuvết và ihực ne,hiệm
tính t3án uốn cho tấm com posite 3 pha trong c ô n e n s h iệ p đó ng tàu của Đ.K. M inh
6J. ( á c nghiên cứu tính tốn lý thuyết về thực n ẹ h iệm trong [6J chỉ ra com posite 3
pha c3 nhiêu ưu điêm trong việc tăng khá n ă n e bền vữ n g của vật liệu: sợi làm tăng
môdi-l dan hồi E và sức bền kéo của vật liệu, còn các hạt cỏ tác d ụ n e chống thấm,
giảm các biến dạng từ biến, tăng khả n ă n e bền nhiệt, bền nén cho vật liệu,

tuy

nhiòn h ợ p lý nhất chỉ nên để 5-10% hạt. Đặc biệt là các kết q tính tốn, tác siả thu
được ở dạng giải tích tư ờ n a minh qua các tham số của các vật liệu thành phần ban
đầu \ à tỷ lệ trộn giữa chúng, n hờ vậy, thôn g qu a sự điều chinh các thơng số này,
chúng ta có thề tính tốn thiết kế ra những vật liệu com po site m ới với những tính
chât ^à khả năng m ong muôn.

Đ ây là n hững c ơ sở quan trọng cho việc triên khai

Đè ár, này.
V ật liệu com posite 3 pha được đề cập tới trong Đ ề án là com posite bao g ồ m
pha rên p oly m e (polyester, vinylester, epoxy), sợi (thủy tinh, cacbon) và bô sung
thèm pha thứ ba là các hạt eia cường (là các hạt titan oxit) với các p h ư ơ n g án chọn
tỷ lệ trộn nền, sợi và hạt khác nhau.
l ĩ u điểm chung của com posite nền p olym e là: N hẹ, có độ bền riêng và các
đặc trưng đàn hồi cao, bền vừ n g với các mơi trư ờ ng hố học ăn mòn, độ dẫn nhiệt,
điện rât thấp. N ao ài ra, ưu điểm của vật liệu p oly m e là khi chế tạo, với nhiệt độ và
áp su.ìt nhất định có thể dễ triển khai các thủ pháp cơng nehệ, dễ kết dính sợi với
nền.
N h ược điểm của com posite polym e là khả năng chịu nhiệt và chịu các tác
động p hó n e xạ k h ơ n s cao; có tính hút nước và dễ biến dạng khi bị thay đổi các đặc
tnrng c ơ lý cù n g với thời gian và dưới tác độn g cùa các điều kiện khí hậu. N hừnơ
nhượì đ iểm này của com posite polym e chủ yếu do lớp vật liệu nền qui định. C hính
vì vậy, việc bố sung và gia c ư ờ n e nền poỉvm e bàng các hạt có V nghĩa quan trọna
vâ câ'i thièt. ví dụ như việc bố sun e sợi 2 Ìa c ư ờ n 2 làm tăng m ô đun đàn hồi và sức
bên Cia p o h m e , bô surm vào polvm e chât ííia cư ờ n g là các hạt thích hợp cũne đem

19


lại úi'h ổn dịnh kích ihước hình dáng, tính ốn định nhiệl và tính bền cháy cho vật
liệu kèi càu. chông hà. báo \'ệ polyme khô ns bị thùy phân trone môi I r ư ờ n o nước....
IVlục tiêu của đề án
Mục tiêu Đe án là trên dựa trên kết q các nghiên cứu cơ bản. nahiên cứu
tính tốn một sơ tính n ă n ẹ cơ lý của composite polyme 3 pha, đông thời tiên hành
tiên hành chê tạo thử trong PTN và làm các thực nghiệm xác định các mơ đun đàn
hỏi Cia vật liệu, góp phần xây dựng cơ sờ khoa học và thực nsh iệm cho việc tính
tốn - thiêt kế, lựa chọn vật liệu và công nghệ chế lạo khi chế tạo các kết cấu bàna
composite tại Việt Nam.

Tóm tắt nội du ng của đề án
Nội dung chính của báo cáo nghiệm thu đề án được thể hiện qua 5 chương;
C hư ơ ng I: N ghiên cứu về vật liệu com posite 3 pha, tập trung vào viêc xác
định ;ác mô đun đàn hồi cho vật liệu. Trên cơ sở kết quả thu được kháo sát sự thay
đoi CiiC tính chất cơ lý của vật liệu khi thay đổi các vật liệu thành phần và tỷ lệ phân
bô của chúng tro n e composite, làm rõ vai trò của từng pha trone vật liệu compoiste
3 pha
C h ư ơ n g 2: Kết quả chế tạo m ẫu và thực nghiệm cho composite polyme 3
pha nằn polyeste sợi thủv tinh, hạt titanoxit
C h ư ơ n g 3; Kết quả chế tạo mẫu và thực nghiệm cho composite polyme 3
pha nằn vinyleste sợi thủy tinh, hạt titanoxit
C hương 4: Kết quả chế
pha nèn epoxy sợi thủy tinh, hạt
C hư ơ ng 5: Ket quả chế

tạo mẫu và thực nghiệm cho composite polvme

3

titanoxit
tạo mẫu và thực nehiệm cho composite polyme

3

pha n;n epoxy sợi cacbon, hạl titanoxit
Hiệu quả, tính bền v ữ n g và khả năng ứng dụng thực tế của các kết quả của đề
án
Khi đã được nehiên cứu che tạo và thứ nahiệm trong PTN, các kết quà
ci,a ổì án là n h ừ n a chì dẫn cho các kỹ sư. các doanh nahiệp khi tiến hành lựa chọn

20


công nghệ ; lụra chọn vật liệu nên, sợi, hạt cũnơ như tv lệ trộn của chúna trước khi
chế tạo composite polvme.
Các kêt qua thực nahiệm nhận được cũne chính là nh ừ nẹ thơníĩ số kv thuật
đầu, được sử dụníi khi tính tốn thiét kế các kết cấu băng coniposite.
Các kêt q của đề án cũng có ích khơng chi cho ngành cơng nghiệp đóna tàu,
vì composite 3 pha nhận được dự kiến sẽ có độ bền cao, khả năng chốne thấm tốt,
nên hồn tồn có thể áp dụng khi chế tạo các vật liệu, kết cấu composite khác như:
các ống kỳ thuật dẫn dầu, khí, hóa c h ấ t ; các bể chứa com posite ; các kết cấu cơn 2
trình có dạng tấm v à vỏ,...phục vụ phát triền kinh tế và an ninh quốc phòng (ví dụ
có thê sử dụng com posite polvm e 3 pha áp dụng triển khai một số cơng trình trên
đáo) ở Việt Nam.
Kêt quả đề án cũng có thế là tài liệu tham khảo cho các cán bộ, sinh viên, các
nha khoa học nghiên cứu, các kỳ sư trong quá trình nghiên cứu và ứng d ụ n s vật liệu
coiĩiposite polvme.
Nhân dịp này, chúng tôi xin chân thành cảm ơn Quỹ phát triển K H CN Đ H QGHN, lãnh đạo Đại học Quốc gia Hà Nội (Đ H Q G H N ), lãnh đạo trường Đại
họí C ông nghệ, đặc biệt là Ban Khoa học Công nghệ - Đ H Q G H N , Văn Phòng
ĐHGHN và Phịng K hoa học Cơng nghệ và Khoa Cơ học K ỹ thuật và Tự độne hóa
- Tnrờng Đại học C ông nahệ đã luôn tạo đ iều kiện và giúp đỡ chúng tôi; cảm ơn
Seininar về C ơ học vật rắn biến dạng và cảm ơn các đồng nghiệp đã ủng hộ và luôn
dàrh cho chúng tôi sự động viên, cổ vũ cũng như những lời khuyên và nhận xét quý
bát trong suốt quá trình thực hiện đề án.


CHL ONG I

C ơ S ỏ K H O A HỌ C , N G H I Ê N c ứ u , T Í N H T O Á N Ả N H H Ư Ờ N G C Ủ A SỢI
VÀ FÍẠT Đ É N T ÍN H N Ă N G c o LÝ C Ủ A V Ậ T L IỆ U P O L Y M E

C O M P O S I T E 3 PH A

1.1. Anh huỏììg của các sọi và hạt đến mô đun đàn hồi kéo £|| (mô đun kéo theo
phưong song song vói cốt sợi), mơ đun đàn hồi kéo £ „ (mô đun kéo theo
phirong nằm trong mặt ph ẳng vu ơ n g góc vói p h ư ơ n g của cốt sọi), mô đun đàn
hồi truọt G, 3, ơi^của vật liệu
1.1.1. M ơ hình vật liêu composit 3 pha cốt sợi và hạt gia c ư ờ n g

a

'y

Hình 1.1. M ơ hình coposite poly m e ba pha có sợi và hạt gia c ư ờ n g
Dối với vật liệu com posit polvm e hai pha thơng thưịng, việc xác định các hệ
sơ vậ: liệu khá đơn giản và đã được nhiều tài liệu cô n g bố. v ấ n đề đặt ra đối với vật
liệu c3mposit 3 pha là làm thế nào để tính tốn được các hệ số kỹ thuật của vật liệu,
đông thời phải được thể hiện qua các tham số cơ học - vật lý và phân bố hình học
của C.IC vật liệu thành phần.
1.1.2. iMơ hình tính tốn xác định các hệ sơ vật liệu của coniposit polyme 3 pha
Eên nay, đã có nhiêu nẹhièn cứu xác định hệ số kỳ thuật của vật liệu đôi với
comp3site đồrm phươriiì [1,18,41]. Vật liệu đồno p h ư ư n s thưừno vẫn đưực xem như
dàng Iirớng ngana; với 5 hăng sô đàn hôi [1,2]. N h ữ n e kêt quả mới và hiện đại nhât


th;o 2 cách tiếp cận eiộc lập cùa Pobedria ỉỉ.íi. [4 1 1 và Vanin G.A. [18] đã xác định
điợc thcm hệ số ihứ 6 của vật liệu này.
Coniposite ba pha đă được dề xuấl sẽ dược nghiên cứu và giải quyết vấn đê
kl^oa học đặt ra theo các phươnơ pháp trona [1. 38, 40] tức là được giải quyếl từng
b iớ t theo mơ hình hai pha trên quan điêm được mô tá bởi công thức:

Bước thứ nhất; xem xét com posite 2 pha gồm: pha nền ban đầu và các hạt độn,
conposite như vậy được xem là đồnạ nhất, đảng hướng và có 2 hăng sơ đàn hơi.
Vệc xác định các hànơ số đàn hồi cho composite độn các hạt cầu Om đã được xác
địih ư o n g [1,18,24], trong đó tại [1,24] đã tính đến tương tác giữa các hạt với nền.
C;c hệ số kv thuật của com posite Om lúc này được gọi là com posite "giá định
B ước thứ hai; xác định các hệ số đàn hồi của composite giữa nền giả định và
cá; sợi gia cường.
I. .3. X ây d ự n g các biểu thức xác định các hệ số kỹ thuật vật iiệu
G iả thiết các thành phần của composite (nền, sợi, hạt) đều là đồng nhất, đồng
hiớiia,, khi đó chúng ta sẽ ký hiệu Em, Gm, Vn,; Ea, Ga, Va; Ec, Gc, Vc tương ứng là
cá; m ô đun đàn hồi và hệ số Poatxong của nền, sợi và các hạt. T ừ đây về sau, các
đa lượng liên quan đến nền sẽ viết có chỉ số là m hoặc khơng chỉ số; liên quan đên
sọ sẽ có chỉ số a và hạt là chi số c. Theo già thiết, với mọi thành phần vật liệu đàn
h(i đồn g nhất đảng hướng thoả mãn định luật Hooke [1,2,37];
(

1 .1 )

Khi đó theo [41] chú n e ta nhận được các mơ đun đàn hồi của composite giả
đnh như sau;
15(1-

c

6 ’,.,

íc
( 1 .2 )

7 -5 v „ + (8 -1 0 v .Ể ^

A i; = K,„ +

(1.3)

x - l

23


■K-hi xem xét sự tư ư n s tác 2 Ìữa các thành phần hạt độn và nên. tức là Irạng thái
ứrụ aiấl được xác định dưới dạng tổng của ứna suất d ồ n s nhất và các ứng suât
tưmậ tác la có:
= ơ",,' + cr’ + ơ " + ...
(lU
Nếu chi lính đến tương tác aiừa hạt và nền, tức là chỉ giới hạn tới hai số
hạig đầu của (1.4) nhận được kết quà sau [1.381 :
G --r,

(1.5)

1+ ỉ , ( 8 - 1 0 f , . ) / /

( 1 .6 )

K-K.

V(i:

L=

K, - Ắ’
4G„
K. +

G J G -\

H =

(1.7)

8 -1 0 v „ ,+ (7 -5 v J
ơ,.

Việc xác định các m ô đun đàn hồi cho composite cốt sợi đồng phương được lựa
chm theo kết quả của Vanin G.A. [18 .
Theo Vianin G.A. vi môi trường composiie là đàn hồi. nên chúng ta sẽ tách
tra g thái ứng siiất-biến dạng của composite cốt sợi độn thành ba trường hợp độc
lật nhau; trượt dọc, kéo - nén dọc và trượt ngang-kéo nén ngang đồng thời trên mật
p h n g vng góc với sợi độn (Hình 1.2).

H ìn h 1.2. Trạng thái ứn2 suất-biến dạng của composite cốt sợi độn
Khi đó chúrm la có thể biểu diễn trạn s thái ứii 2 suất cùa môi trường composite
nl như sau;
.8 )

24


Với mồi trạng thủi ứnu suất của (1.8) sẽ xây dựne các bài lốn biên tươriíỉ ứng

dcxác định các hệ số kỹ thuật cùa vật liệu ID [18Ị. Dưới đây kháo sát bài toán trưọft
d c . C/ia thiết các sợi có hình trụ trịn và đều cé) bán kính bàn2 nhau.
Xét trường hợp khi composite ID ở trạng thái trượt thuần túy dưới tác động của
ứig siiât ơ |2 và ơ | 3 . nhìrns thành phần cịn lại của ten xơ ứna suất băng khơng, khi
d( phư(rng trình cân bằng có dạng:
ỡcr^

ỡơ-,3
+ ---- ^ = 0
ÕX-.
dx.'-3
(1.9)

ễ íĩa .o
ổx,
õa, 3 _

0

=

õx,

T ừ ba thành phần của véc tơ chuyển vị chỉ cịn lại

khác khơng, khi đó các

g c trượt và ch uy ển vị có mối quan hệ Cơsi:
õu.
ĩil ~ 2<Í|2 - ^

dx-,

•

-_
õu.
/1 3 = 2 ^ 1 3 = ^
ÕX-,

( 1. 10)

Biểu diễn ơ |2 và ơ |3 qua U| nhờ định luật Húc và (1.10) rồi thay vào (1.9)
nhìn được:

dx~

( 1.11

ơxị

Neu thực hiện phép biến đồi:
r = ^2 + ứ , , z = x ^ -

( 1. 1 2 )

/.X3

v .đ ô n g nhất u = U | , khi đó nyhiệm của phương trình Laplalce ( l . l l ) được tìm
d ứ i dạnơ;
li = (p{z) + ệ { : )

(1.13)

O n s suất tiếp được xác định qua các hàm ọ{z) theo cônạ thức:
=G

du

, õu
-r
dx.
õx

- 2 G ( p '{=)

Điều kiện lièn kết lý iườnơ trên biên s eíừa nền và sợi dần đến:
(1.15)

ỌÁ-) + ^ai =)=(P{=)+^i =)

25