Công nghệ sản xuất vật liệu Composite tổ ong

I> Khái niệm về vật liệu composite:
Sự phát triển mạnh mẽ cuả công nghệ hiện đại dẫn tới nhu cầu to lớn về những vật liệu đồng thời có nhiều tính chất cần thiết mà
các vật liệu truyền thống khi đáp ứng riêng rẽ không thể có được. Vật liệu kết hợp hoặc vật liệu composite ra đời vừa là sự đáp
ứng nhu cầu cấp bách đó, vừa là sản phẩm cuả những công trình nghiên cưú nửa sau thế kỷ XX nhằm khai thác, phát triển quy
luật kết hợp - một quy luật phổ biến trong tự nhiên . Đồng thời với kết quả đó, ngành khoa học hiện đại về composite cũng xuất
hiện.
Trong quá trình chế tạo vật liệu composite, các nhà khoa học và các kỹ sư đã kết hợp nhiều loại vật liệu kim loại, ceramics, và
polymer nhằm tạo ra những vật liệu cuả thế hệ mới với các tính năng vượt trội.
Xét về bản chất, composite là kiểu vật liệu lai tạo ( a hybrid creation) giữa hai hoặc nhiều vật liệu, sao cho tính chất cuả chúng bổ
sung lẫn nhau . Thông thường tính chất cuả composite nằm trung gian giữa tính chất cuả các thành phần, nhưng trong đa số các
trường hợp, người ta quan tâm đến một tập hợp tối ưu giữa các tính chất hơn là từng đặc tính riêng lẻ. Đối với composite kết cấu
thì đó là độ bền riêng cao kết hợp với tính dẻo tốt và chịu được nhiệt độ cao. Đối với composite dụng cụ thì cần sự kết hợp tốt
giữa độ cứng, độ bền, khả năng chịu mài mòn và nhiệt độ,…
Dựa trên các thành tựu của ngành khoa học này, các nhà công nghệ vật liệu có thể tạo ra những composite mới thỏa mãn mọi
nhu cầu đa dạng và phong phú cuả nền công nghiệp phát triển hiện nay cũng như trong tương lai. Chính vì vậy gần đây người ta
thường nói: nền văn minh cuả thế kỷ XXI là nền văn minh cuả thời kì vật liệu composite.
II> Khái niệm về vật liệu composite tổ ong:
1. Phân loại:
Theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc, ta có thể phân loại composite thành ba nhóm: composite
cốt hạt,composite cốt sợi, composite cốt sợi như chúng được chỉ ra trong sơ đồ dưới đây:
Composite
Cốt hạt
(Particle – Reinforced)
Cốt sợi
(Fiber- reinforced)
Composite cấu trúc
(Structural)
Hạt
mịn
Hạt
thô

Có hướng
(Aligned)
Ngẫu nhiên
(Randomly
oriented)
Liên tục
(Continuous)
Gián đọan
(Discontinuou
s)
Lõi
xốp
Lõi tổ ong
(Honeycomb
)
Lớp
(Laminates)
Tấm 3 lớp
(Sandwich panels)
Khái niệm composite cấu trúc là để chỉ các bán thành phẩm dạng lớp, tấm ba lớp được tạo thành bằng
cách kết hợp các vật liệu đồng nhất với vật liệu composite theo những phương án cấu trúc khác nhau. Ở
đây, chúng ta tập trung nghiên cứu về composite cấu trúc tấm ba lớp dạng tổ ong.
2) Vật liệu composite tổ ong:
a) Cấu tạo:
- Loại này gồm có ba lớp:
+Hai lớp mặt được chế tạo từ vật liệu có độ bền cứng và vững cao nhằm chịu toàn bộ tải trọng (kéo nén
và uốn) tác dụng theo các chiều song song với mặt tấm.
+Lớp lõi nằm giữa hai lớp mặt là vật liệu nhẹ, độ bền và cứng vững tương đối nhỏ. Lớp này có tác
dụng:
Duy trì khoảng cách giữa hai lớp mặt và giảm biến dạng theo chiều vuông góc với mặt tấm.

Tạo độ cứng vững nhất định, tránh các hiện tượng cong vênh tấm.
- Trong kỹ thuật, người ta thường gặp hai loại lõi: lõi xốp (bọt) và lõi cấu tạo theo dạng tổ ong.
- Composite dạng tổ ong là một tấm ghép ba lớp dạng tổ ong có khối lượng nhỏ, cách lửa và có những
tính chất hơn hẳn các vật liệu thông thường khác. Tấm ghép này có các lớp bề mặt được làm từ
composite cuả sợi thuỷ tinh/ Epoxy và Kevlar/ Epoxy, còn phần lõi dạng tổ ong chính là giấy Nomex.
Tấm ghép cấu trúc 3 lớp này được ứng dụng chủ yếu trong ngàng hàng không, đặc biệt là các kết cấu
sàn và thân máy bay. Hình dưới đây chỉ rõ cấu tạo cuả một tấm ghép 3 lớp hoàn chỉnh:

b) Đặc điểm:
+ Tỉ lệ (độ bền/ khối lượng) cao
+ Chi phí thấp.
+ Cách lửa, có khảnăng tự dập tắt ngọn lưả, khói bay ra ít độc.
+ Nhiệt độ làm việc cao, có thể lên tới 180
0
C.
+ Dễ tạo hình.
+ Có khả năng kháng mòn.
c) Các loại lõi dạng tổ ong thường gặp:
- Lõi lục giác (Hexagonal Core) : đây là dạng cấu hình cơ bản và phổ biến nhất, phù hợp với cả vật liệu kim loại và phi kim.
Lớp dính
Lớp dính
Lớp bề mặt :
Kevlar/ Epoxy
Lớp bề mặt : sợi
thuỷ tinh/ Epoxy.
Lõi tổ ong: giấy Nomex
- Lõi lục giác được gia cường (Reinforced Hexagonal Core): có một tấm vật liệu nền được đặt dọc các ô theo hướng chiều dài
(hướng L) để tăng cơ tính.
- Lõi OX (OX- Core): cấu hình OX là một tổ ong dạng lục giác được kéo dài theo hướng W, tạo ra những dạng ô vuông thuận
lợi cho quá trình lưu hoá hay tạo hình theo hướng L. Cấu hình này cũng làm tăng tính chất khi cắt theo hướng W, và giảm theo

hướng L so với tổ ong dạng lục giác.
- Lõi dạng Flex (Flex- Core): cấu hình này cung cấp cho vật liệu các độ tạo hình đặc biệt bằng cách giảm độ cong đối đoạn
(anticlastic curvature) và không gây oằn đối với các vách ngăn. Nhờ đó, độ cong cuả bán kính dễ dàng được định hình. Khi tạo
hình bán kính. Flex- Core cho độ bền cắt cao hơn dạng lõi lục giác với cùng một khối lượng. Flex-Core thường được sản xuất từ
Al, Nomex, và các chất nền từ sợi thuỷ tinh.
CƠ TÍNH VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA.
Các phương pháp dùng để kiểm tra cơ tính của dạng tổ ong được kể đến trong tài liệu này dựa trên
tiêu chuẩn MIL-STD-401 và những tiêu chuẩn ASTM thích hợp. Các tính chất và phương pháp thử
nghiệm thường dùng được tóm lại dưới đây. Ngoài những trường hợp đặc biệt thì những phương pháp
dưới đây thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng.
1)Đo khối lượng riêng và độ dày:
Khối lượng riêng của dạng tổ ong được xác định dựa trên khối lượng (pound) có trong 1 khối lập
phương. Dung sai về khối lượng riêng của loại nhôm thông thường là ±17%. Khối lượng riêng của sản
phẩm dạng tổ ong thường được đo trên toàn bộ kích thước cuả tấm vật liệu .
Việc đo kích thước và khối lượng sai lệch trong khoảng 0.5%. Bề dày được đo chính xác đến 0.001
inch theo tiêu chuẩn ASTM C366.
2)Các tính chất chịu nén:
a) Độ bền nén ổn định là độ bền nén tối hậu của vật liệu dạng tổ ong , được tính bằng khối lượng
trên một đơn vị diện tích (inch vuông) khi chịu lực tác dụng theo hướng T. Theo phương pháp này thì
một lớp phủ trên bề mặt được kết dính với vật liệu dạng tổ ong (nén ổn định).
Module áp lực ổn định, cũng được tính bằng khối lượng trên 1 inch vuông, được xác định từ độ
dốc ở phần đường thẳng ban đầu của đường cong Ứng suất – Biến dạng. Một số vật liệu dạng tổ ong có
mối quan hệ Ứng suất – Biến dạng tuyến tính, trong khi những loại khác thì đường cong Ứng suất –
Biến dạng là không tuyến tính.
Độ bền nén tối thiểu là độ chịu nén tối đa cuả phần lõi xác định bởi khối lượng trên đơn vị diện
tích (inch vuông) khi chịu tải theo hướng T dẫn tới sự không ổn định tại các mép (cạnh) của ô tổ ong.
Giá trị này thường được dùng như một tiêu chuẩn vì phương pháp kiểm tra rất đơn giản và nhanh
chóng.
b) CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA.
Kích thước tiêu chuẩn của mẫu thử khi kiểm tra về độ bền nén là 3”Lx3”Wx0.625”T đối với vật

liệu nhôm và 3”Lx3”Wx0.500”T đối với những lõi phi kim loại. Kích thước 1 ô tổ ong là ½ inch hoặc
lớn hơn, một mẫu 4”x4” hay thậm chí là 6”x6” thường được dùng để làm giảm những lỗi phát sinh bởi
tác động cuả các mép (cạnh) trên các mẫu nhỏ. Những mẫu chịu nén không ổn định thường được chuẩn
bị bằng cách phủ thêm lớp nhôm AL 5052 dày 0.032” trên mỗi mặt.
Trừ những trường hợp đặc biệt khác, tải trọng thường dùng là 0.020 inch trong 1 phút. Các phát
hiện về sai hỏng hoặc khuyết tật được ghi lại bởi một thiết bị có tên là Displacement Transducer , nó đo
sự chuyển dời của lực và các bề mặt chịu tải xuyên qua tâm của mẫu.
3)CRUSH STRENGTH (tạm dịch:ĐỘ BỀN NGHIỀN)
a) Sau khi vật liệu dạng tổ ong vượt quá độ bền nén tối đa, nó sẽ tiếp tục biến dạng dẻo và bị
nghiền đều. Đường cong lực- độ võng là 1 đường đặc trưng.
Lực nghiền trung bình trên 1 đơn vị tiết diện ngang được định nghĩa là độ bền nghiền, tính bằng
khối lượng trên 1 inch vuông. Tổ ong sẽ vỡ nát ra tại một giá trị ứng suất không đổi (phụ thuộc vào
khối lượng riêng và loại vật liệu dùng làm lõi), do đó có thể dự đoán được khả năng hấp thụ của nó,
cho nên đây là một loại vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng liên quan đến vấn đề hấp thu năng lượng .
Khi được dùng trong mục đích này, vật liệu này thường được nghiền nhẹ trước để loại bỏ đỉnh chịu
nén trên đường cong Lực – Độ võng. Độ bền nghiền của ô tổ ong sẽ giảm khi tăng góc tác dụng lực
lên độ dày cuả mẫu.
b) Phương pháp kiểm tra:
Tải lực và đĩa đỡ được dùng để kiểm tra độ bền nén và máy đo độ lệch được dùng để đo phạm
vi chuyển động tại đầu ghi cuả máy đo. Để có được đường cong Lực nén – độ võng đúng chuẩn, nên
dùng lõi có độ dày tối thiểu là 0.625 inches.
4) CÁC TÍNH CHẤT TRƯỢT THEO HƯỚNG L VÀ W:
a) Độ bền trượt của dạng tổ ong dùng để chỉ ứng suất tối đa tính theo khối lượng trên inch vuông
khi tác dụng một lực trượt song song với mặt phẳng L-W. Modulus trượt là độ dốc của đường thẳng ở
phần đầu trên đường cong Ứng suất – Biến dạng. Giá trị đạt được phụ thuộc vào sự định hướng của lực
tác dụng đối với chiều L và W , nghĩa là cao nhất theo hướng L và thấp nhất theo hướng W cho ô tổ
ong dạng lục giác.
b) Các phương pháp kiểm tra:
Phương pháp kiểm tra bằng điã thép :
.Kích thước của mẫu tổ ong bằng nhôm thường là 7.5”x2”x0.625”T. Còn kích thước mẫu thử cuả

tổ ong làm từ vật liệu phi kim loại là 6”x2”x0.500”T
Độ dày tuân theo tiêu chuẩn MIL-C-7438 và MIL-C-8073. Mẫu được gắn với vật tải là các đĩa
bằng thép dày khoảng 0.5 inch và sau đó được thực hiện kiểm tra.
Tốc độ tải lực thường là 0.020 inches trong 1 phút. Độ lệch (độ võng) khi trượt được đo bằng máy
Displacement Transducer (Biến năng chuyển vị), máy này sẽ cảm ứng với độ chuyển dịch tương quan
của 2 đĩa .Do một vài loại vật liệu phi kim sẽ không có được đường cong ứng suất – biến dạng là tuyến
tính (đặc biệt khi nhiệt độ tăng lên), nên modul trượt thường được tính từ độ dốc của phần đường
thẳng ở phần đầu trên đường cong Lực – Độ võng.
Tấm tổ ong có khối lượng riêng cao đôi khi cũng gặp khó khăn khi dùng phương pháp này vì có
những lưc trượt lớn hơn tác động vào mối nối giữa phần lõi và các đĩa thép.Trong một số trường hợp,
những số liệu dùng trong phương pháp kiểm tra độ bền trượt cho các kết cấu dạng dầm sẽ được ứng
dụng nhiều hơn. Kết quả này cũng xác thực cho những lõi dày hơn và khối lượng riêng cao hơn.
Phương pháp kiểm tra dầm chịu uốn
Mặc dù phương pháp kiểm tra vật liệu dạng tấm được chọn vì cho những kết quả thật về độ bền trượt
và modul của vật liệu tổ ong, phép thử độ uốn cuả dầm cũng thường được dùng để đánh giá tổng quan
về các tính năng cuả tấm panel dạng sandwich. Thực nghiệm cho thấy những giá trị này phụ thuộc
nhiều vào độ dày bề mặt, vật liệu trên bề mặt và các điều kiện về tải trọng, những tính chất được tính
toán của loại tổ ong có thể thay đổi đáng kể trong 1 loạt kiểm tra từ lần này sang lần khác. Có nhiều
cách để kiểm tra độ uốn cuả dầm. Hai kỹ thuật thông dụng nhất được giới thiệu trong sơ đồ dưới đây.
Kích thước mẫu là 8”x3”. Khoảng cách giữa 2 trụ đỡ (khẩu độ) là 6” và có thể tác dụng lực ở 1
hoặc 2 điểm. Khoảng cách giữa các lực tại 2 điểm tác dụng thường bằng 1/3 khẩu độ. Các yếu tố khác
dựa theo tiêu chuẩn MIL-C-7438 và ASTM C393.
Cần nhấn mạnh lại là các dữ liệu trong phép kiểm tra độ uốn của dầm chỉ nên được xem như là
một phương pháp thử hoạt động cuả bề mặt, các mối nối, và phần lõi trong cấu trúc cuả composite
dạng sandwich . Các giá trị về đặc tính trượt của phần lõi theo phương pháp thử độ uốn thường cao hơn
phương pháp kiểm tra composite dạng tấm phẳng.
Flatwise tensile ( phương pháp kéo căng)
Cách này thường được dùng để đo độ bền mối nối của chất kết dính và/hoặc độ bền kéo của phần lõi
tổ ong. Hầu hết những chất kết dính cấu trúc sẽ bền hơn những dạng lõi làm bằng nhôm. Phương pháp
kiểm tra này là hữu dụng nhất trong việc xác dịnh phương thức chuẩn bị bề mặt , các điều kiện liên kết,

và prepreg adhesions ( các chất kết dính dạng bán thành phẩm).