Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong đóng thùng xe tải

Đồ án tốt nghiệp

1

CHƯƠNG 1
VẬT LIỆU COMPOSITE
1.1 GIỚI THIỆU VẬT LIỆU COMPOSITE
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại dẫn đến các nhu cầu to lớn về
loại vật liệu đồng thời có nhiều tính chất mà các vật liệu như kim loại, ceramic,
polymer khi đứng riêng lẽ không có được mà nổi bật là loại vừa bền, vừa nhẹ, rẻ lại
có tính chống ăn mịn cao. Composite (hay còn gọi là vật liệu kết hợp) ra đời mấy
chục năm gần đây đã đáp ứng được các yêu cầu đó, đã đáp ứng, ứng dụng và phát
triển tới trình độ cao trong quy luật kết hợp – một quy luật phổ biến trong tự nhiên.
Ngành khoa học và công nghệ về composite đã có nhiều sản phẩm dùng trong mọi
lĩnh vực: từ ô tô máy bay cho đến các vật liệu chỉnh hình và hiện phát triển đến mức
nhiều người cho rằng thế kỉ 21 sẽ là văn minh của composite.
1.1.1 Khái niệm
Composite bao gồm Com từ Complex và -posite từ position nghĩa là thành
phần. Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu
khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có đặt tính sức bền cơ lý hơn hẳn
các vật liệu ban đầu, khi mà những vật liệu này làm việc riêng lẻ. Nói cách khác vật
liệu composite là vật liệu đa thành phần.
Hình 1.1: Cấu trúc Polymer

Nguồn [2]
Vật liệu composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho
composite có được các đặc tính cơ học, độ cứng cần thiết và vật liệu nền đảm bảo
cho các thành phần của composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau, tạo nên các kết
cấu có khả năng chịu sự ăn mịn, chịu nhiệt trong môi trường khắc nghiệt.
GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

2

1.1.2. Lịch sử ra đời.
Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân cây gỗ, có
cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng licnin. Kết
quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo - một cấu trúc composite lý
tưởng.
Vật liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm
trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống
(ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ
gốm). Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu Composite từ khoảng 3.000 năm trước
Cơng ngun, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau
này các thuyền đan bằng tre chát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan tre
chát bùn với rơm là những sản phẩm composite được áp dụng rộng rãi trong đời sống
xã hội. Hay người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm
vật liệu xây dựng. Và ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn
với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và
ấm vào mùa đông...
Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột phá
vào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công
sợi thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cường cho Polyeste không no và giải pháp này
đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục
vụ cho đại chiến thế giới lần thức hai. Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong
ngành vật liệu Composite đó là sự xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia cường như
Polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền chất dẻo đã được

đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng,y tế, thể thao,
quân sự và ô tô, vv…
1.1.3 Đặc điểm
Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha : trong đó các pha rắn khác nhau về
bản chất, khơng hòa 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.
GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

3

 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.
1.1.4 Ưu, nhược điểm
a. Ưu điểm:
Có nhiều loại chất làm nền và cốt được sử dụng để chế tạo composite. Mỗi
loại composite cụ thể có tính ưu việt riêng. Do đó, cần có sự lựa chọn đúng tiêu
chuẩn kỹ thuật để áp dụng phù hợp với mục đích sử dụng.
Vật liệu composite là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng
rộng rãi:
- Tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao,cứng vững, chịu va đập, uốn kéo tốt.
- Chịu hóa chất, khơng sét rỉ, chống ăn mịn. Đặc tính này đặc biết thích hợp cho biển
và khí hậu vùng biển.

- Chịu thời tiết, chóng tia UV, chống lão hóa nên rất bền.
- Dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao.
- Chịu nhiêt chịu lạnh chống cháy.
- Cách điện, cách nhiệt tốt.
- Chi phí bảo quản thấp, màu sắc đa dạng, thiết kế tạo dáng dễ dàng, đầu tư thiết bị và
tổ chức sản xuất khơng phức tạp, chi phí vận chuyển và sản xuất không cao…
- Không thấm nước, không độc hại.
Sau đây là một bảng so sánh ngắn thể hiện tính ưu việt vật liệu composite của
Công ty cổ phần đầu tư và phát triển vật liệu composite Sao Đỏ, khi giới thiệu sản
phẩm bể chứa composite.
BỂ THÉP
BỂ COMPOSITE
- Bể thép thường xuyên bị rỉ sét, mọt - Bể com posite hồn tồn ngược lại
hoặc bơng tróc lớp sơn bảo vệ.

- Không cần sơn mà vẫn đẹp.

- Chất lượng mối hàn khơng đảm bảo, hệ - Có thể lựa chọn màu sắc tuỳ ý.
số an tồn thấp.

- Khi cần có thể tháo ra, lắp lại dễ

- Thời gian gia công lâu, khó khăn.

dàng

- Trọng lượng nặng, hình thức xấu..
- Thường khơng có rốn bể, dẫn đến cặn

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

4

bẩn có thể bị quấn vào hệ thống sử dụng.
BỂ NHỰA
BỂ COMPOSITE
- Tuổi thọ kém, chịu áp suất, chịu hố - Bể composite hồn tồn ngược lại
chất kém, sớm lão hóa dưới ánh mặt trời,
cơ tính kém, kích thước giới hạn
b. Nhược điểm:
- Vật liệu composite khó có thể tái chế khi khơng sử dụng hay là phế phẩm trong quá
trình sản xuất.
- Giá thành nguyên liệu thô làm nên vật liệu composite khá cao. Phương pháp gia
cơng vật liệu composite địi hỏi mất thời gian.
- Việc phân tích mẫu vật liệu composite và cơ, lý hóa tính rất phức tạp
1.1.5 Phân loại
Vật liệu composite được phân biệt theo bản chất và hình dạng của vật liệu
thành phần.
a. Theo bản chất vật liệu nền và cốt:
 Composite nền hữu cơ: composite nền giấy (cáctông), composite nền nhựa,
nền nhựa đường, nền cao su (tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm,
lốp ô tô xe máy),... Loại nền này thường có thể kết hợp với mọi dạng cốt liệu,
như: sợi hữu cơ (polyamit, kevlar (là sợi aramit cơ tính cao),..), sợi khống
(sợi thủy tinh, sợi cacbon,...), sợi kim loại (Bo,nhôm,...). Vật liệu composite
nền hữu cơ chỉ chịu được nhiệt độ tối đa là khoảng 200 ÷ 300 °C.

 Composite nền khống (gốm): bê tơng, bê tơng cốt thép, composite nền gốm,

composite cacbon - cacbon. Thường loại nền này kết hợp với cốt dạng: sợi
kim loại (Bo, thép,...), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua,
gốm Nitơ,...).
 Composite nền kim loại: nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm,... Thường kết
hợp với cốt liệu dạng: sợi kim loại (Bo,...), sợi khoáng (cacbon, SiC,...).
Composit nền kim loại hay nền khống chất có thể chịu nhiệt độ tối đa khoảng 600 ÷
1.000 °C (nền gốm tới 1.000 °C).

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

5

b. Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc:
 Vật liệu composite độn dạng sợi: Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi
đó là composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho
polymer nền.
 Vật liệu composite độn dạng hạt: Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các tiểu
phân hạt độn phân tán vào polymer nền. Hạt khác sợi ở chỗ nó khơng có kích
thước ưu tiên.

 Vật liệu composite cốt hạt và sợi: Bê tơng là một loại composite (hay
compozit) nền khống chất. Khi bê tông kết hợp với cốt thép tạo nên bê tơng
cốt thép, thì đá nhân tạo tạo thành từ xi măng là vật liệu nền, các cốt liệu bê

tông là cát vàng và đá dăm thì là cốt hạt, cịn cốt thép trong bê tơng là cốt sợi.

Composite

Cốt hạt

Composite cấu trúc

Cốt sợi

Liên tục Gián đoạn
Hạt thô
Hạt mịn
1.1.6 Cấu tạo của vật liệu Composite

Lớp

Tấm 3 lớp

Tổ ong

a. Chất nền (pha nền).
Là chất kết dính, tạo mơi trường phân tán, đóng vai trị truyền ứng suất sang độn
khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu.
Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách
đồng nhất tạo thể liên tục.
Nền có vai trị sau đây:
 Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối composite thống nhất.
 Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu composite thành
các chi tiết thiêt kế.

 Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do tác dụng của môi trường.

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

6

 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 chọn lựa một vật liệu làm nền đóng một vai trị rất quan
trọng 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
polymer nền:
 Nhựa nhiệt dẻo: PE (polyethylene), PS (polystyrene), ABS (acrylonytril
butadien styrene), PVC (polyvynyl clorur)…độn được trộn với nhựa, gia cơng
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
khơng no có thể tiến hành ở điều kiện thường, gia công bằng tay (hand lay-up
method). Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa
nhiệt dẻo.
Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường:

 Polyester:
Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, Polyester
loại này thường là loại không no, đây là nhựa nhiệt rắn, có khả năng đóng rắn ở dạng
lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp. Thơng thường người ta gọi
polyester khơng 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 tác chất sử dụng).
 Phương pháp tổng hợp.
 Trọng lượng phân tử.
 Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến).

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

7

 Hệ chất độn.
Bằng cách thay đổi các yếu tố trên, người ta sẽ tạo ra nhiều loại nhựa UPE có các tính
chất đặc biệt khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng.
Có hai loại polyester chính thường sử dụng trong cơng nghệ composite. Nhựa
orthophthalic cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi. Cịn nhựa isophthalic lại có
khả năng kháng nước tuyệt vời nên được xem là vật liệu quan trọng trong công
nghiệp, đặc biệt là hàng hải.
Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường được pha lỗng trong styrene. Lượng

styrene có thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho q trình gia
cơng. Ngồi ra, styrene cịn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang giữa các phân
tử mà khơng có sự tạo thành sản phẩm phụ nào. Polyester cịn có khả năng ép khn
mà khơng cần áp suất.
Polyester có thời gian tồn trữ ngắn là do hiện tượng tự đóng rắn của nó sau một
thời gian. Thông thường, người ta thêm vào một lượng nhỏ chất ức chế trong quá
trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa hiện tượng này.
Nhà sản xuất có thể cung cấp nhựa ở dạng tự nhiên hay có dùng một số phụ gia.
Nhựa có thể được sản xuất để chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng được. Như đã đề
cập ở trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn. Tốc độ trùng hợp 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 gel hố xảy ra nhanh
hơn, ngược lại, nếu ít xúc tác q trình đóng rắn sẽ bị chậm lại.

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

8

 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 hố
chất.
Hình 1.16 : Ứng dụng Vynylester trong việc lót đáy tàu

Nguồn : [5.2]
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.
 Epoxy.
Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nói chung,
epoxy có tính năng cơ lý, kháng mơi trường hơn hẳn các nhựa khác, là loại nhựa
được sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay. Với tính chất kết dính và khả
năng kháng nước tuyệt vời của mình, epoxy rất lý tưởng để sử dụng trong ngành
đóng tàu, là lớp lót chính cho tàu chất lượng cao hoặc là lớp phủ bên ngoài vỏ tàu hay
thay cho polyester dễ bị thủy phân bởi nước và gelcoat.
Nhựa epoxy được tạo thành từ những mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tự
vinylester, với nhóm epoxy phản ứng ở vị trí cuối mạch. Nhựa epoxy khơng có nhóm
ester, do đó khả năng kháng nước của epoxy rất tốt. Ngoài ra, do có hai vịng thơm ở
GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

9

vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất cơ và nhiệt nó tốt hơn mạch thẳng, do
vậy, epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt.
Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng khơng gian ba chiều. Chất đóng
rắn ưa sử dụng là amine, được cho vào epoxy, lúc này giữa chúng sẽ xảy ra phản ứng
hố học. Thường nhóm epoxy sẽ phản ứng kết khối với nhóm amine, tạo ra cấu trúc
phân tử ba chiều phức tạp. Amine kết hợp với epoxy theo một tỉ lệ nhất định, đây là
yếu tố quan trọng vì việc trộn đúng tỉ lệ đảm bảo cho phản ứng xảy ra hồn tồn. 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.
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 thuận lợi q
trình gia cơng. Epoxy đóng rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phịng từ 5-150 oC,
tuỳ cách lựa chọn chất đóng rắn. Một trong những ưu điểm nổi bật của epoxy là co
ngót thấp trong khi đóng rắn. Lực kết dính, tính chất cơ lý của epoxy được tăng
cường bởi tính cách điện và khả năng kháng hoá chất.
Ứng dụng của epoxy rất đa dạng, nó được dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý bề
mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn.
b. Pha cốt.
Đóng vai trị là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý cao
hơn nhựa. Người ta đánh giá chất độn dựa trên các đặc điểm sau:

 Tính gia cường cơ học.
 Tính kháng hố chất, môi 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.

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

10

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 cho thích hợp.
Có hai dạng độn:
•

Độn dạng sợi :sợi có tính năng cơ lý hoá cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi

có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như:
sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide…Cốt sợi cũng có
thể là sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bơng…), có thể là
sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải, sợi poliamit…). Tuỳ theo yêu cầu sử dụng
mà người ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác nhau: sợi ngắn, sợi dài, sợi rối,
tấm sợi….
Hình 1.3: Một số dạng composite cốt sợi

Nguồn [1]
Một số sợi thông dụng
- 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: giòn, 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, ... cơ
học hơn. 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
GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

11

400.000 tấn sợi thủy tinh, trong đó : châu Âu 130.000 tấn, Bắc Mỹ 126.000 tấn, Nhật
Bản 85.000 tấn…[1,80]

- Sợi hữu cơ: Sợi kenvlar 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 sử 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 như cơ tính lại thấp hơn: các loại sợi aramit thường có độ bền
nén, uốn thấp và dễ biến dạng cắt giữa các lớp.
- Sợi Cacbon: Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt,
tạo thành các lớp liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35 A°. Các nguyên tử
cacbon liên kết với nhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng,
với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42 A°. Sợi cacbon có cơ tính
tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt
cực tốt.
- 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: 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 mòn; 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.

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

•

12

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, hoá, nhiệt, điện, khả
năng chậm cháy đối với độn tăng cường.
 Dễ đúc khuôn, 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.
Hình1.4 : Một số loại composite cốt hạt

Nguồn [1]
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.
Hình1.2 : Liên kết pha nền và pha cốt

Để tăng cường độ rắn chắc giữa nền và cốt người ta có thể áp dụng các biện

pháp sau:
- Liên kết cơ học được thực hiện nhờ độ mấp mô trên bề mặt do lực masat 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.

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

13

- 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.
c. 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 trong lượng nhựa trong cấu trúc composite.[1,59] Polyester liến
kết với sợi thủy tinh là thơng 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 phẫm composite.
 Chất xúc tác.
Các chất xúc tác chỉ được cho vào nhựa trước khi gia cơng. Vai trị của chúng

là tạo gốc tự do kích động cho q trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp.
Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ ánh
sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ.
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).
 Chất xúc tiến.
Như đã nêu ở trên, ở nhiệt độ phòng các chất xúc tác chưa thể làm cho resin
đơng, đóng rắn nhanh chóng và tồn phần nếu khơng có chất xúc tiến pha vào resin.
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

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

14

kể và có thể đóng rắn nguội. Vì vậy thơng thường các nhà cung cấp resin đã pha sẵn
vào trong resin chất xúc tiến với hàm lượng 0,05 – 0,5% so với khối lượng của resin
để cung ứng ra thị trường. Gồm các loại:
d. Các chất phụ gia sử dụng trong q trình sản xuất composite

•

Chất pha lỗng.
Tính chất của polyester phụ thuộc khơng những vào hàm lượng nối đơi và nhóm

este, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ mà cịn phụ thuộc vào tính chất cuả tác
nhân nối ngang – monomer.
Các monomer khâu mạch ngang được dùng để đồng trùng hợp với các nối đơi
trong nhựa UPE, tạo kết ngang, thường là chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên cịn
có tác dụng làm giảm độ nhớt của hỗn hợp, do vậy chúng còn được gọi là chất pha
loãng. Monomer pha loãng phải thỏa mãn các điều kiện sau:
 Đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm
không đồng nhất, làm ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm, hoặc cịn sót lại
monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền.
 Monomer phải tạo hỗn hợp đồng nhất với polyester, tốt nhất là dung mơi cho

polyester. Lúc đó nó hồ tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyester,
tạo thuận lợi cho phản ứng đóng rắn và tạo độ nhớt thuận lợi cho q trình gia
cơng.
 Nhiệt độ sơi cao, khó bay hơi trong q trình gia cơng và bảo quản.
 Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp ít co rút.
 Ít độc.
• 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 việt:
 Có độ nhớt thấp.
 Tương hợp tốt với polyester, khả năng đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp.
 Đóng rắn nhựa nhanh.
 Sản phẩm chịu thời tiết tốt, cơ lý tính cao, cách điện tốt.

 Khả năng tự bốc cháy thấp.

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

•

15

Chất róc khn.
- Chất róc khn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khn.
- Chất róc khn dùng trong đắp tay là loại chất róc khn ngồi được bơi trực

tiếp lên khn.
- Một số chất róc khn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo…
• Chất làm kín.
- Với khn làm từ các vật liệu xốp như gỗ, thạch cao thì cần phải bơi chất làm
kín trước khi dùng chất róc khn.
- Các chất làm kín xâm nhập vào các lỗ xốp, ngăn chặn nhựa bám vào.
- Một số chất làm kín: Cellulose acetate, wax, silicon, stearic acid, nhựa furane,
véc ni, sơn mài…
• 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.

• Chất thấm ướt sợi.
- Có tác dụng tăng khả năng thấm ướt sợi giúp sử dụng độn nhiều hơn.
- Lượng dùng: 0,5-1,5% so với chất độn.
- Ngồi ra cịn sử dụng nhiều chất phụ gia khác như: Chất tăng độ phân tán,
Chất ngăn thoát hơi styrene, …
1.1.7 Ứng dụng vật liệu composite trong đời sống.
a .Thế giới:
Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu composite đã được nhiều
nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến. Việc nghiên cứu và áp dụng thành
công vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng. Đại chiến thế giới thứ
hai nhiều nước đã sản xuất mày bay, tàu chiến và vũ khi phụ vụ cho cuộc chiến này.
Cho đến nay thì vật liệu Composite polyme đã được sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết,
linh kiện chế tạo ôtô; dựa trên những ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng, tiết kiệm
nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho
máy móc:
GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

-

16

Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy
bay, mũi máy bay và một số linh kiện, chế tạo các bộ phận trên máy bay
như kết cấu khung xương, thân máy bay, cánh, bộ phận dẫn hướng, máy
móc khác của các hãng như Boeing 787, 676 Airbus 310 .Theo thống kê

của hãng máy bay Boeing, chiếc Boeing Dreamliner 787 sử dụng đến
50% composite trên tồn bộ trọng lượng …
Hình 1.5: Ứng dụng vật liệu composite trên máy bay A380

Nguồn [2]
-

Trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất các chi tiết,
các bảng mạch và các linh kiện.

-

Các ngành dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép
sọ…,

-

Ngành thể thao, các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennit… và các
ngành dân dụng, quốc kế dân sinh khác.

-

Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh có tính trong suốt đối với sóng rada,
đặc tính này rất quan trọng trong các ứng dụng quân sự. Nó cịn được sử
dụng nhiều trong cơng nghệ vũ trụ.

-

Vật liệu composite trong ngành vận tải : Ứng dụng của composite trong
ngành vận tải là rất lớn. Loại vật liệu mới này cho phép chế tạo các

phương tiện vận tải nhẹ hơn. Điều đó đồng nghĩa với việc tiết kiệm nhiên
liệu, tăng khả năng chuyên chở và giảm ô nhiễm môi trường. Composite
được sử dụng chế tạo thân và các chi tiết yêu cầu tính năng kỹ thuật cao
trong các xe đua cũng như xe ô tô thương mại. Ngày nay các toa xe tàu
hỏa cũng được chế tạo bằng vật liệu composite. Hiệu quả của nó làm
giảm thiểu tự trọng của các toa xe và đoàn tàu, tăng lượng hàng chuyên

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

17

chở, tăng hiệu suất vận tải đường sắt. Đặc biệt hơn, với yêu cầu ngày
càng khắt khe về bảo vệ mơi trường, các dịng động cơ mới như động cơ
điện, fuel cell được đưa vào ứng dụng trong thị trường xe cơ giới. Hạn
chế của các loại động cơ mới này là dung tích acquy sử dụng cho xe
khơng cao, hạn chế tính cơ động của xe, trong khi giảm trọng lượng xe là
rất cấp thiết cho các phương tiện sử dụng cơng nghệ xanh. Do đó, vật liệu
composite được sử dụng tối đa trong chế tạo thân vỏ và các chi tiết trong
thế hệ xe sạch này.
-

Vật liệu composite trong ngành đóng tàu : Composite được sử dụng rộng
rãi trong việc chế tạo các loại tàu thuyền, xuồng cỡ nhỏ, cano... do chi
phí đầu tư chế tạo phương tiện bằng vật liệu này thấp hơn sản phẩm cùng
loại sử dụng chất liệu bằng gỗ, nhôm hoặc thép. Bên cạnh đó, u cầu về

tay nghề của cơng nhân cũng đơn giản hơn. Vật liệu composite sử dụng
cho đóng tàu, mang lại lợi ích cao bảo dưỡng rất ít, khơng bị ăn mịn, hen
rỉ hay ảnh hưởng của môi trường nước biển.

b. Việt Nam:
Ở các nước phát triển trên thế giới thì vật liệu composite đã được phát triển từ
lâu, nhưng ở nước ta thì composite được xem là vật liệu mới, bởi thời gian đưa vào
ứng dụng và phạm vi ứng dụng ở nước ta vẫn còn chưa lâu và chưa nhiều.
Vật liệu composite sợi thủy tinh được bắt đầu nghiên cứu và áp dụng ở nước ta
từ 1988, khởi đầu là canô, xuồng nhỏ với tư cách là vật liệu mới. Đến đầu thập kỉ 90
của thế kỉ 20, một vài đơn vị sản xuất composite đã hình thành với các sản phẩm ghe,
thuyền, bồn chứa kích thước khơng lớn, đặt biệt là ở đồng bằng sông Cửu Long. Tuy
nhiên composite thực sự phát triển tử 1995, hiện nay trong tồn quốc có hơn 40 đơn
vị lớn nhỏ, nhưng chỉ một số đơn vị chuyển sản xuất mặt hàng composite, còn lại kết
hợp với các sản phẩm nhựa khác, với nhìêu sản phẩm đa dạnh như: ghe, thuyền,
canô, tàu cảng vụ, câu trượt, máng trượt, bể bơi, bồn tắm, tráng trí nội ngoại thất, các
cơng trình phục vụ đô thị, các ngành thiết bị giáo dục, các giải phân cách đường giao
thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của
các nhà thi đấu, các sân vận động và các trung tâm văn hố… nơng thơn, cơng
trường, nhà máy, ứng dụng trong y học, tại khoa răng của bệnh viện trung ương Quân

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

18

đội 108 đã sử dụng vật liệu Composite vào trong việc ghép răng thưa, làm răng giả,
và đặc biệt là ứng dụng vào ngành sản xuất các linh kiên, cấu kiện, đóng thùng ơ tơ,
đóng thùng xe tải, đóng thùng xe đơng lạnh, xe bus và những bộ phận khác của ơ tơ,
……
Hình1.15: Ứng dụng vật liêu composite làm thùng rác cơng cộng

Nguồn [5.2]
Hình 1.7 :Ứng dụng vật liệu composite trong nội thất.

Vật liệu composite được áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền
kinh tế quốc dân. Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu composite được tiêu thụ ở
Việt Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm; tại Hà Nội đã có 8 đề tài nghiên cứu về
composite cấp thành phố được tuyển trọn [4,25]. Hiện nay, ở Bình Thuận chưa có
con số thống kê cụ thể, ước lượng có khoảng trên 500 thuyền vỏ gỗ đã được bọc
composite. [5.2]
Về công nghệ, ở nước ta chủ yếu là công nghệ trải tay, công nghệ phun và các
cơng nghệ tiên tiến khác vẫn cịn ít được áp dụng. Tuy nhiên sản phẩm composite đã
và đang có xu thế phát triển ở nước ta với nhiều sản phẩm phục vụ đời sống và công
nghiệp hữu hiệu.
c. Một số vật liệu composite thông dụng hiện nay
Composite hạt.

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

19

Cấu tạo gồm các phần tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố đều trong nền. Các
phần tử cốt là các pha cứng và bền hơn nền: ôxyt, nitrit, các bit,…
 Composite hạt thô nền polymer: hạt cốt là thạch anh, thủy tinh, stêalit, ôxyt
nhôm,… Được sử dụng phổ biến trong đời sống: cửa, tường ngăn, trần nhà,…
 Composite hạt thô nền kim loại: hạt cốt là các phần tử cứng :Wc, TiC, TaC

nền là Co dùng làm dụng cụ cắt gọt, khuôn kéo, khuôn dập … Ngồi ra cịn có
các hợp kim giả:W-Cu, W-Ag, Mo-Cu, Mo-Ag,… sử dụng trong kĩ thuật điện.
 Composite hạt thô nền gốm: điển hình là bê tơng, cốt là tập hợp các hạt rắn:

đá, sỏi,… liên kết bởi nền là xi măng. Bê tông atphan (nền là xi măng atphan)
dùng rải đường, làm cầu, cống … Bê tông với nền là xi măng pooc lăng sử
dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cửa, các cơng trình,…
 Composite hạt mịn: các phần tử cốt có kích thước rất nhỏ <0,1 µm, cứng và

ổn định nhiệt độ cao, phân bố trên nền kim loại hay hợp kim, được sử dụng
trong lĩnh vực nhiệt độ cao.
Composit sợi.
Đây là loại vật liệu kết cấu quan trọng nhất, hiện đang nghiên cứu và sử dụng
phổ biến. Cấu tạo của nó gồm cốt dạng sợi phân bố trong nền theo qui luật đã thiết
kế. Gồm các loại sau đây:
 Composite sợi thủy tinh: hiện tại là loại vật liệu thông dụng nhất, cốt là sợi

thủy tinh, nền là polyeste, đôi khi dùng bakêlit.
Ứng dụng: chế tạo mui xe hơi, cửa, thùng xe lạnh, sitec, mũi máy bay, vỏ bảo
vệ buồn lái tàu vũ trụ.
 Composite sợi các bon: Cốt là sợi carbon hay sợi carbon thủy tinh. Nền là
êpoxiphê non, polyeste hay carbon.
Ứng dụng: chế tạo thân máy bay quân sự, phần lái cánh tàu bay, thùng xe hơi,

công nghiệp tàu thủy, vật liệu cách nhiệt của động cơ, đĩa ma sát,…
 Composite sợi hữu cơ: Cốt là sợi polyme, nền là polyme.
Ứng dụng: chế tạo vật liệu cách nhiệt, cách điện, các kết cấu ô tô, máy bay,…
1.2 Một số phương pháp gia công và chế tạo vật liệu composite
1.2.1 Cơng nghệ lăn tay
Hình1.8: Minh họa phương pháp lăn tay

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

20

Nguồn [3]
Kỹ thuật lăn tay được thực hiện bằng cách tẩm ướt sợi thủy tinh với nhựa lỏng
(có thể đã được pha hoặc chưa pha chất đóng rắn). Sản phẩm làm từ quy trình này là
những sản phẩm quá lớn không thể sản xuất từ những phương pháp khác. Kỹ thuật
này dùng để sản xuất các sản phẩm với số lượng ít và có đầu tư cho sản xuất tháp. Ví
dụ: tàu thuyền, bồn chứa hóa chất, thùng xe tải…
1.2.2 Cơng nghệ súng phun
Hình 1.11: Phương pháp phun

Nguồn [3]

Kỹ thuật súng phun được sử dụng thay thế cho kỹ thuật lăn tay, mặt dù chúng
có một số điểm khác nhau. Kỹ thuật này thường được sử dụng cho khn q lớn
khơng chuẩn bị sợi gia cường vì quá nặng không thể dùng tay được. Với kỹ thuật

súng phun sản phẩm được hoàn thành nhanh hơn kỹ thuật đắp tay và có thể dùng kèm
theo phương pháp phủ và có thể tự động hóa. Ta cũng có thể dùng kỹ thuật súng
phun để sửa chữa hoặc gia cường thùng chứa kim loại ở bên trong hoặc bên ngoài, hồ
bơi và các cấu trúc chống ăn mòn. Súng phun cịn có thể sản xuất các pano bảo vệ
máy, bồn tắm, thùng xe tải…
1.2.3 Công nghệ pulltrusion
Đây là kỹ thuật dùng để sản xuất các sản phẩm profile composite bằng cách
kéo sợi qua bộ phận tẩm ứơt nhựa, định hình và đóng rắn. Nguyên liệu sử dụng là
dạng thủy tinh sợi roving kết hợp với nhựa nhiệt rắn ở dạng lỏng như nhựa polyester

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

21

hay nhựa epoxy. Ngày nay kỹ thuật pultrusion được dùng rộng rãi ở Nhật, Thụy Sĩ,
Anh, Đức …Các sản phẩm của phương pháp này thường có dạng ống hay thanh,
được dùng trong kỹ thuật điện và chống ăn mịn.
Ngồi ra trên thế giới với những sản phẩm kỹ thuật cao, người ta đã sử dụng
các phương pháp gia cơng tiên tiến và phức tạp hơn ví dụ như:
1.2.4 Công nghệ đúc nén
Công nghệ này dùng máy dưới áp lực và có gia nhiệt, khn gồm 2 nửa
đực và cái. Dưới áp lực của lực nén và cùng với gia nhiệt tại khn, phản ứng
đóng rắn diễn ra làm cho sản phẩm đóng rắn hồn tồn. Cơng nghệ này ứng
dụng khi sản xuất với số lượng lớn , sử dụng áp lực nén cao phù kợp cho sản
xuất các chi tiết lớn theo module và cho sản phẩm nhẵn cả hai mặt, hình dạng

chính xác theo khn. Ở Việt Nam, công nghệ này dường như chưa được áp
dụng do đầu tư thiết bị cịn cao.
1.2.5 Cơng nghệ quấn sợi
Hình 1.9 : Minh họa phương pháp quấn sợi

Nguồn [3]
Sản xuất những thùng chịu áp suất hình trụ, hình cầu. Làm sản phẩm dạng
ống, các ống dẫn Oxy, gas và khí khác. Làm vỏ động cơ phản lực, cánh máy bay trực
thăng, các bộ phận của tàu vũ trụ. Những thùng chứa rất lớn đặt ngầm dưới đất (để
chứa xăng, dầu, muối, acid, kiềm, nước v.v…) . Nâng cấp, thay thế và sửa chữa tất cả
các đường ống trong đô thị, ống bằng vật liệu composite làm việc lâu bền, khơng bị
ăn mịn, giảm sự phá hủy đường ống ngay cả ở áp suất cao.

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

22

CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÙNG XE COMPOSITE
2.1 Lịch sử hình thành và phát triển
Sau nhiều thập kỉ bị giới hạn chỉ được ứng dụng trong các ngành công nghiệp
hàng không vũ trụ, quân sự và thể thao thì nay vật liệu composite đã từng bước khẳng
định chỗ đứng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Cùng với sự quan tâm của
các tổ chức, và các cơng trình nghiên cứa đã tạo điều kiện cho vật liệu composite có
những cơ hội mới nhưng vẫn vấp phải sự cạnh tranh gay gắt trong các lĩnh vực kỷ

thuật, văn hóa.., nhưng với những ưu điểm vược trội đã giúp nó nâng cao khả năng
cạnh tranh với các loại vật liệu truyền thống.
Kim loại là một vật liệu truyền thống đã đi cùng và phát triển cùng với công
nghệ ô tô từ 1913, bởi chiếc xe đầu tiên của hãng Henry Ford. Theo báo cáo, Hội
đồng nghiên cứu quốc gia Mỹ (National Research Council - NRC), năm 2004 trung
bình một chiếc ơ tơ chứa khoảng 2233 pound thép (chiếm khoảng 55% trọng lượng
xe), và 331 pound còn lại (tương đương 8% trọng lượng xe) là sắt. [2]
Năm 1994, các nhà sản xuất xe ô tô của Mỹ đã tin rằng vật liệu composite là
chìa khóa thành cơng cho nền công nghiệp sản xuất ô tô trong tương lai để giảm
trọng lượng xe đáng kể và tiết kiệm nhiên liệu. Vật liệu composite là sự kết hợp của
một loại polyme với sợi thủy tinh cùng với các chất xúc tiến, xúc tác và phụ gia khác
nhau tạo nên độ bền, và độ cứng vững, sẽ tạo nên một chiếc xe có trọng lượng ít hơn
và ít bị ăn mịn hơn so với các bộ phận được làm bằng thép. Ngồi ra một chi tiết
bằng vật liệu composite có thể thay thế cho nhiều chi tiết phụ được làm bằng thép, do
đó làm giảm chi phí lắp ráp. Các nhà sản xuất ô tô của Mỹ gồm: Chrysler, General
Motors (GM) và Ford đã cộng tác và thành lập nên Automotive Composites
Consortium (ACC) để tiếp tục nghiên cứu và phát triển vật liệu composite có khả
năng chịu lực tốt, các cơng trình nghiên cứu và hợp tác đã được tiến hành, cuộc chạy
đua về vật liệu mới trong ngành ô tô đã thực sự bắt đâu. Nhưng sau đó các bộ phận
làm bằng vật liệu composite đã bị hạn chế sản xuất về quy mô cũng như khả năng
chịu tải nặng. Các bộ phận này chỉ có thể được sản xuất với sản lượng thấp do tỷ lệ
phế liệu cao và quy trình sản xuất kéo dài. Các nhà nghiên cứu ACC đã đề xuất phát

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

23

triển một mẫu thùng xe bán tải đầu tiên như là một cuộc thử nghiệm với một cấu trúc
lớn, mạnh mẽ và bền chắc. Sự nghiên cứu và phát triển của họ yêu cầu cần có sự hợp
tác chặc chẽ giữa các ngành cùng với các thiết bị tiên tiến và hiện đai. ACC đã ứng
dụng các chương trình cơng nghệ tiên tiến cho một chương trình dự án trong hai năm
như là mục tiêu của năm 1994, và dự án bắt đầu vào năm 1995.
Họ đề xuất một dự án phát triển quy trình sản xuất mà có thể bao gồm việc
phân tích,thiết kế, thử nghiệm, chứng minh việc sản xuất với số lượng lớn, chi phí
thấp và phương pháp sản xuất một thùng xe composite. Điều này sẽ làm giảm khối
lượng của thùng xe đáng kể nhưng các chi tiết vẫn đảm bảo độ bền chắc và khả năng
chịu lực tốt. Vật liệu composite có thể chống lại vết lõm, vết trầy xước, chống ăn
mòn và rỉ sét, đó là những vấn đề mà ta vẫn thường gặp phải khi dùng kết cấu
thép. Hơn

nữa,

vật

liệu

composite

nhẹ

hơn rất

nhiều so

với

thép.

Tuy nhiên, công nghệ này chưa được chứng minh và có nguy cơ kéo theo rủi ro đáng
kể, vì sự liên quan của nhiều khía cạnh thiết kế cùng xảy ra với nhau,chẳng hạn như
vị trí sợi, đúc phơi, quy trình chế tạo... Tỷ lệ phế liệu là 30% và thời gian của chu kỳ
sản xuất từ 20 đến 40 phút của các quá trình đúc điển hình chất lỏng đã được giảm.
Nếu thành công, dự án này sẽ, lần đầu tiên, tạo điều kiện năng cao sản xuất
với số lượng lớn, các bộ phận phức tạp từ composite. Hội đồng chấp thuận đề nghị
và phát triển bắt đầu vào năm 1995. Các dự án dựa trên hơn 20 nhà thầu phụ để cung
cấp nguyên vật liệu, thiết bị, và thử nghiệm. nếu thành cơng thì cơ sở hạ tầng mới
được thành lập sẽ đảm bảo thương mại hóa nhanh chóng các bộ phận sau khi dự án
kết thúc.
Cơng nghệ mới sẽ giúp các nhà sản xuất và nhà cung cấp sản xuất ra các bộ
phân ô tô gọn nhẹ hơn, tiết kiệm nhiên liệu, tăng khả năng cạnh tranh sản phẩm ô
tô, sẽ giúp thúc đẩy khả năng cạnh tranh tồn cầu của ngành cơng nghiệp ơ tơ Mỹ. Kỹ
thuật sản xuất phát triển trong dự án này cũng có thể được áp dụng cho một loạt các
sản phẩm bổ sung cho hàng không vũ trụ, nội thất, y tế, và các ứng dụng giải trí.
Trong suốt q trình thành công của dự án, ACC cùng với các nhà cung cấp đã
phát minh và phát triển các quy trình công nghệ, máy công cụ, và các dữ liệu cần
thiết để tạo nên cấu trúc vật liệu composite. Các dự án phát triển thùng xe tải đã đi

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

24

đến việc thành lập Trung tâm Quốc gia Composite (NCC) vào năm 1996, được tài trợ
một phần do chính phủ của bang Ohio.
Sau khi việc tài trợ cho ATP kết thúc vào đầu năm 1997, ACC tiếp tục phát
triển các thùng xe nguyên mẫu cho ba năm nữa với sự hỗ trợ từ Bộ Năng
lượng, NCC, và ba công ty sản xuất ô tô. Các thử nghiệm được mở rộng đã chứng
minh độ chắc chắn những của chiếc xe tải nhỏ và độ bền của thùng xe. Từ năm 2001,
GM và DaimlerChrysler (Chrysler sáp nhập với Daimler- Benz để trở thành
DiamlerChrysler vào năm 1998) đã thương mại hóa một số bộ phận bằng cách sử
dụng cơng nghệ này cùng với nhiều dự định trong tương lai. Ford vẫn tiếp tục phát
triển, nhưng vẫn chưa thương mại hóa sản phẩm tại thị trường Mỹ. Lợi ích của cơng
nghệ này đã mở rộng vượt ra ngồi ngành cơng nghiệp ôtô. Ví dụ, các vật liệu
composite bền đang được sử dụng cho các bộ phận máy bay, tàu biển, mũ bảo hiểm
của lính cứu hỏa.
Để gặt hái thành cơng trong ngành ô tô, vật liệu composite đã được nghiên
cứu ứng dụng chế tạo khung, thùng xe nhằm tạo ra những sản phẩm cao cấp. Vật liệu
tổng hợp sợi thủy tinh cao phân tử với những tính năng vượt trội và giá cả cạnh tranh
hơn so với nhôm, thép, và sợi cacbon tổng hợp là quá tốn kém, nó đã được sử dụng
trong ngành công nghiệp ô tô với các chi tiết nhỏ thì sau đó nó đã được ứng dụng
trong đóng thùng xe, với một kết cấu lớn, địi hỏi độ bền chắc, chịu lực tốt và cứng
vững, và đã gặt hái được thành công vào năm 1996.
Ngày 31/03/2011 tại Southfield, Michigan thì hội đồng nghiên cứu ơ tơ Hoa
Kì, và tổ chức hợp tác công nghệ bao gồm tập đồn Chrysler, cơng ty Ford Motor và
General Motor đã được hiệp hội ô tô Hoa Kỳ trao bằng sáng chế ứng dụng thành
cơng vật liệu composite trong đóng thùng xe.
• Ứng dụng vật liệu composite sợi thủy tinh trong sản xuất thùng xe ô tô.
Hiệp hội các nhà nghiên cứu bắt đầu với thiết kế bằng máy tính, kỹ thuật và
phân tích phần tử hữu hạn đã phát triển một thùng nguyên mẫu xe ảo. Các thông số
cần thiết để phần mềm mơ phỏng chi tiết bằng hình học, cùng với các thuộc tính của
khung sợi thủy tinh dùng để thiết kế nên thùng xe bán tải, và cấu trúc nhựa

polyunethane đảm bảo các sợi liên kết với nhau tạo nên một bề mặt nhẵn.
Bốn mục tiêu chính của các nhà nghiên cứu :

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo


Đồ án tốt nghiệp

25

 Song song với công nghệ phát triển dự án ACC là sử dụng sợi thủy tinh để

tạo hình trước. Các nhà nghiên cứu sẽ kết hợp các sợi thủy tinh và chất kết
dính trên bề mặt để tạo nên phôi, phôi được gia nhiệt từ 300 0F- 4000F, sau
đó di chuyển phơi vào khn, nơi mà người ta sử dụng áp lực để tạo ra
hình dạng cuối cùng của nó.
 Phát triển quy trình cơng nghệ phun trực tiếp polyurethane vào các khn

mẫu có chứa các phơi, và điều chỉnh thời gian lưu hóa, áp suất, lớp vải sợi
thủy tinh và nhiệt độ.
 Phát triển công nghệ sử dụng chất kết dính để hợp chất tham gia cấu trúc
kết hợp tốt với khung sường kim loại của xe tải.
 Phát triển công nghệ tạo nên sản phẩm chất lượng cao, giá thành sản xuất
thấp, trong đó yêu cầu với việc thử nghiệm chất polyurethane và tỷ lệ.
Các tiến bộ trong công nghệ đúc và công nghệ phôi sợi thủy tinh đã đạt được
yêu cầu bền chắc để thay thế các bộ phận trước đây được làm bằng thép.
Các nghiên cứu yêu cầu các thuộc tính cụ thể của mẫu ban đầu:
 Tính chất phù hợp: Khn của thùng xe bán tải có hình dạng rất phức

tạp, và các sợi thủy tinh phải được sử dụng đúng cách và phù hớp với
hình dạng này. Mặt dưới được tôi them độ cứng và khả năng chịu lực
tốt.
 Độ dày: Các nghiên cứu cần thiết các phôi phải nhỏ gọn, nhưng phải đủ
để lấp các khoảng trống của bề mặt khn.
 Tính đồng nhất: Các nghiên cứu cho thấy các sợi cần thiết được định
hướng để đạt được độ bền thống nhất và độ cứng để đáp ứng yêu cầu
thực hiện và các sơi đồng nhất để keo có dịng chảy tốt.
 Kích thước lưới: Cần có sự điều chỉnh phù hợp với các cạnh của khuôn
để tránh sự không đồng đều chiều dày của lớp.
 Chu kỳ thời gian: Các nghiên cứu yêu cầu nguồn cung cấp đầy đủ và
phù hợp với tỷ lệ dự kiến là một phần sản xuất so với 15 phần/h.
Các nghiên cứu phát triển công nghệ SRIM:
ACC tạo mẫu ban đầu với chất lượng cao bằng sợi thủy tinh. Việc sử dụng
mẫu ban đầu là quan trong để đạt được quá trình đúc SRIM nhanh chóng với tỷ lệ
phế liệu thấp.
Các nhà nghiên cứu đã đạt được mục tiêu về thời gian để sản xuất hồn thành
một thùng xe tải có cổng sau và vỏ trong 4 phút. Họ đã cân bằng được phản ứng đặc

GVHD : Trần Anh Sơn

SVTH : Nguyễn Hoàng & Nguyễn Hoàng Bảo