(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu độ bền của vật liệu COMPOSITE được chế tạo bằng phương pháp VARTM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN HƯNG

NGHIÊN CỨU ÐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE
ÐUỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP VARTM

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

S KC 0 0 4 8 4 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN HƯNG

NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE ĐƯỢC CHẾ
TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP VARTM

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

i
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN HƯNG

NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE ĐƯỢC CHẾ
TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP VARTM

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS ĐỖ THÀNH TRUNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016


i


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Họ và tên học viên: Nguyễn Văn Hưng

MSHV: 138520103012

Chun ngành: Kỹ thuật cơ khí

Khóa: 2013B

Tên đề tài: “Nghiên cứu độ bền của vật liệu composite được chế tạo bằng
phương pháp VARTM”.
Học viên đã hoàn thành LVTN theo đúng yêu cầu về nội dung và hình thức
(theo qui định) của một luận văn thạc sĩ.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 03 năm 2016
Giảng viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ học tên)

ii


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC
Họ & tên: NGUYỄN VĂN HƯNG

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 22/12/1988

Nơi sinh: Bình Thuận

Quê quán: Quảng Ngãi

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 33, Đường 11, Phường Tăng Nhơn Phú B, Quận 9, TP.HCM
Điện thoại nhà riêng: 01662833485
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 10/2008 đến 02/2013

Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Ngành học: Công nghệ tự động
Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo tay gắp sản phẩm trên máy ép nhựa
Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 08/2012, Trường ĐHSPKT TP.HCM
Người hướng dẫn: Thạc Sĩ Trần Minh Thế Un
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
Thời gian

Nơi công tác

05/2013
12-2013
Từ 11-2013
Đến nay

Công ty TNHH Kỹ Thuật
Huy Thịnh
Học viên Trường
ĐHSPKT TP.HCM

iii

Công việc đảm nhiệm
Nhân viên
Học Viên


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi.
Các số liệu, kết quả thực nghiệm trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai cơng bố trong bất kì cơng trình nào khác.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 03 năm 2016
Nguyễn Văn Hưng

iv


LỜI CẢM ƠN
Qua quá trình học tập, nghiên cứu và hồn thành luận văn, tơi xin cảm ơn chân
thành và sâu sắc đến:
-

Giáo viên hướng dẫn PGS.TS. Đỗ Thành Trung, người đã hướng dẫn, chỉ

bảo tận tình, theo sát và ln động viên khuyến khích, giúp đỡ tác giả trong suốt
q trình thực hiện và hồn thành luận văn.
-

Thầy TS. Phạm Sơn Minh, thầy đã hướng dẫn và giải thích chi tiết để tác giả

rõ hơn về quy trình chế tạo mẫu composite bằng phương pháp VARTM.
-

Thầy Th.S. Trần Minh Thế Uyên, thầy đã hướng dẫn tận tình trong quá trình

thiết kế khn và gia cơng chế tạo mẫu composite.
-

Q Thầy, Cơ giảng dạy tại khoa Cơ khí Chế tạo máy, phòng Đào tạo sau

đại học - Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tác
giả trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường.
-

Kính gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật

Tp. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho cho các học viên tại trường
được học tập và nghiên cứu.
-

Một lần nữa, tác giả xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động

viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài.
Trân trọng cảm ơn!

Kính chúc Q thầy, cơ dồi dào sức khỏe.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 03 năm 2016
Học viên
Nguyễn Văn Hưng

v


TĨM TẮT
Composite là vật liệu có từ lâu đời, khơng những được sử dụng rộng rãi ở các
nước trên thế giới, mà chúng còn được sử dụng nhiều ở Việt Nam trong hầu hết các
ngành, lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân bởi những đặc tính vượt trội như nhẹ, độ
chịu ăn mịn cao, cơ tính tốt … Hiện nay người ta đang tìm cách thay thế các vật
liệu cũ bằng các vật liệu Composite nhằm tạo ra những cấu trúc bền và nhẹ, vừa
đảm bảo khả năng làm việc của kết cấu với giá thành rẻ, phù hợp với công nghệ
phát triển vật liệu ngày nay. Tuy nhiên hiện nay chưa có nhiều đề tài nghiên cứu các
yếu tố ảnh hưởng của quá trình chế tạo và cốt sợi đến cơ tính của vật liệu composite.
Trên cơ sở đó tơi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu độ bền của vật liệu
composite được chế tạo bằng phương pháp VARTM”.
Trong đề tài này, tác giả chế tạo mẫu thử composite bằng phương pháp VARTM
theo tiêu chuẩn ASTM D3039. Nội dung chính đã được trình bày là nghiên cứu độ
bền kéo, mô đun đàn hồi kéo, độ bền uốn và mô đun đàn hồi uốn của mẫu
composite được chế tạo từ sợi thủy tinh dạng tấm và dạng lưới, hướng sợi phân bố
ngẫu nhiên (dạng tấm) hoặc có hướng (dạng lưới) và nền nhựa Polyester. Ngoài ra,
ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến cơ tính của vật liệu composite cũng được phân tích.
Trên cơ sở các kết quả thu được từ thí nghiệm, các phương trình đặc trưng của độ
bền uốn, mô đun đàn hồi uốn, độ bền kéo và mô đun đàn hồi kéo theo tỷ lệ sợi gia
cường xác định. Kết quả cho thấy tỷ lệ sợi gia cường và phân bố của sợi ảnh hưởng
đến thuộc tính cơ khí của vật liệu composite. Khi tỷ lệ sợi gia cường thay đổi hoặc

hướng sợi gia cường thay đổi thì độ bền kéo, mơ đun đàn hồi kéo, độ bền uốn và mô
đun đàn hồi uốn của vật liệu composite thay đổi.

vi


ABSTRACT
- Composite materials have existed for a long time. It is not only used widely in
many countries in over the world, but also applied in most populated areas of Viet
Nam due to the outstanding features such as lightweight, high corrosive resistance
and high mechanical properties. Nowadays, people are trying to replace traditional
materials by Composite materials for the lightweight function, enduring structures
as well as the low price to fit with the developed material technology. However,
there are currently not many researches that consider the effects of processing type
and fabric preform on the mechanical properties of composite materials. Therefore, I
decided to choose the topic "Study on the tensile and bending strengths of
composite materials by Vacuum Assisted Resin Transfer Molding process.”
- In this research, the author fabricated the composite samples based on the
VARTM process and ASTM D3039 standard. The main contents of this research
were to study the tensile strength, tensile modulus, bending strength and bending
modulus of composites with the woven roving and chopped strand mat fiberglass
types. Moreover, the effects of fiber volume fraction on mechanical properties of
composite materials were also considered. Based on the experimental results, the
characteristic equations of tensile strength, tensile modulus, bending strength and
bending modulus of composites as a function of fiber volume fraction were found.
The results showed that the fiber volume fraction and distribution of reinforcing
fibers affects mechanical properties of the composite materials. When the fiber
volume fraction and the distribution of fibers were varried, the tensile strength,
tensile modulus, bending strength and bending modulus of composites changed.

vii


MỤC LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ....................................................................................i
XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ............................................................ ii
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................iv
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. v
TÓM TẮT ...................................................................................................................vi
ABSTRACT .............................................................................................................. vii
MỤC LỤC ................................................................................................................ viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ xiii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ......................................................................................xiv
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... xv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN....................................................................................... 1
1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ......................................................................... 1
1.1.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite............................................................... 1
1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của vật liệu composite ..................................... 1
1.1.3. Ưu điểm của vật liệu composite .......................................................................... 2
1.1.4. Tầm quan trọng của composite ........................................................................... 3
1.2. Kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................................... 4
1.2.1 Các kết quả nghiên cứu trong nước ..................................................................... 4
1.2.2 Các kết quả nghiên cứu ngồi nước ..................................................................... 5
1.3. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 7
1.4. Mục đích của đề tài ................................................................................................ 8

viii

1.5. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài ............................................................ 9
1.5.1. Nhiệm vụ của đề tài............................................................................................. 9
1.5.2. Giới hạn của đề tài .............................................................................................. 9
1.6. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................ 9
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................ 10
2.1. Giới thiệu composite ............................................................................................ 10
2.2. Phân loại composite ............................................................................................. 10
2.2.1 Phân loại theo pha nền ....................................................................................... 10
2.2.2 Phân loại theo cốt gia cường .............................................................................. 11
2.3 Cấu tạo vật liệu composite .................................................................................... 12
2.3.1 Thành phần cốt ................................................................................................... 12
2.3.1.1. Cốt dạng sợi ................................................................................................... 12
2.3.1.2. Cốt dạng hạt: .................................................................................................. 14
2.3.1.3 Cốt dạng vải .................................................................................................... 15
2.3.2 Vật liệu nền ........................................................................................................ 15
2.3.3. Xúc tác .............................................................................................................. 19
2.4. Công nghệ VARTM ............................................................................................. 20
2.5. Tỷ lệ nền cốt ......................................................................................................... 21
2.6. Cơ học của vật liệu composite ............................................................................. 23
2.6.1. Độ bền kéo ........................................................................................................ 23
2.6.2 Độ bền uốn ......................................................................................................... 24
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ KHUÔN.......................................................................... 25
3.1. Mẫu chịu uốn và mẫu chịu kéo ............................................................................ 25
3.2. Chọn kiểu khuôn .................................................................................................. 25
ix


3.3. Thiết kế khuôn cho mẫu chịu uốn và mẫu chịu kéo............................................. 27
3.3.1. Thiết kế khuôn cho mẫu chịu uốn ..................................................................... 27
3.3.2. Thiết kế khuôn cho mẫu chịu kéo ..................................................................... 29

CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO MẪU ................................................................................ 31
4.1. Chuẩn bị thiết bị chế tạo sản phẩm ...................................................................... 31
4.1.1. Vật liệu nền (Polyester khơng no) ..................................................................... 31
4.1.1.1. Giới thiệu........................................................................................................ 31
4.1.1.2. Đặc tính của nhựa Polyester không no ........................................................... 31
4.1.1.3. Ưu nhược điểm của Polyester khơng no ........................................................ 32
4.1.2 Chất đóng rắn MEKP ......................................................................................... 33
4.1.3. Vật liệu cốt (Sợi gia cường bằng thủy tinh) ...................................................... 33
4.1.4. Hệ thống thiết bị VARTM ................................................................................ 36
4.1.4.1. Bình chứa ....................................................................................................... 37
4.1.4.2. Máy nén khí.................................................................................................... 39
4.1.4.3. Máy hút chân khơng ....................................................................................... 39
4.1.4.4. Khn mẫu thí nghiệm ................................................................................... 40
4.2. Quy trình chế tạo mẫu theo phương pháp VARTM ............................................ 41
4.2.1. Giai đoạn chuẩn bị ............................................................................................ 41
4.2.2. Giai đoạn thực hiện ........................................................................................... 43
4.2.3. Giai đoạn kết thúc ............................................................................................. 45
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ .............. 46
5.1. Thí nghiệm đo độ bền kéo và độ bền uốn của mẫu composite ............................ 46
5.1.1. Điều kiện thí nghiệm ......................................................................................... 46
5.1.2 Kết quả đo .......................................................................................................... 46
x


5.1.2.1. Kết quả đo độ bền kéo của composite cốt woven roving fiberglass .............. 46
5.1.2.2. Kết quả đo độ bền kéo của composite cốt chopped strand mat fiberglass ..... 47
5.1.2.3 Kết quả đo độ bền uốn của composite cốt woven roving fiberglass .............. 47
5.1.2.4 Kết quả đo độ bền uốn của composite cốt chopped strand mat fiberglass ..... 48
5.2. Phân tích kết quả thí nghiệm ................................................................................ 48
5.2.1. Độ bền kéo của composite cốt woven roving fiberglass ................................... 48

5.2.2. Độ bền kéo của composite cốt chopped strand mat fiberglass ......................... 51
5.2.3 So sánh độ bền kéo của composite được gia cường bằng sợi thủy tinh woven
roving và chopped strand mat ..................................................................................... 53
5.2.4. Mô đun kéo của composite cốt woven roving fiberglass .................................. 54
5.2.5 Mô đun kéo của composite cốt chopped strand mat fiberglass ......................... 56
5.2.6. So sánh mô đun kéo của composite được gia cường bằng woven roving
fiberglass và chopped strand mat fiberglass ............................................................... 57
5.2.7 Độ bền uốn của composite cốt woven roving fiberglass ................................... 58
5.2.8. Độ bền uốn của composite cốt chopped strand mat fiberglass ......................... 59
5.2.9 So sánh độ bền uốn của composite được gia cường bằng woven roving
fiberglass và chopped strand mat fiberglass ............................................................... 61
5.2.10 Mô đun uốn của composite cốt woven roving fiberglass ................................ 62
5.2.11 Mô đun uốn của composite cốt chopped strand mat fiberglass ....................... 64
5.2.12 So sánh mô đun uốn của composite được gia cường bằng woven roving
fiberglass và chopped strand mat fiberglass ............................................................... 65
5.2.13 So sánh độ bền kéo và độ bền uốn của composite được gia cường bằng
woven roving fiberglass .............................................................................................. 67
5.2.14 So sánh độ bền kéo và độ bền uốn của composite được gia cường bằng
chopped strand mat fiberglass ..................................................................................... 68
xi


5.5. Phân tích cấu trúc composite qua ảnh SEM ........................................................ 68
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................... 71
6.1. Tóm tắt kết quả đạt được...................................................................................... 71
6.2. Hướng phát triển của đề tài .................................................................................. 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 72
PHỤ LỤC ................................................................................................................... 74

xii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
RTM :

Resin Transfer Molding

VRTM : Vacuum Resin Transfer Molding
MEKP : Methyl Ethyl Ketone Peroxide
SEM :

Scanning Electron Microscope

ASTM : American Society for Testing and Materials

:

Ứng suất

c :

Ứng suất của composite

E:

Mô đun đàn hồi

Ec :

Mô đun đàn hồi của composite

mc :

Khối lượng của composite

mf :

Khối lượng của sợi

mm :

Khối lượng của vật liệu nền

vc:

Thể tích của composite

vf:

Thể tích của sợi trong composite

vm :

Thể tích của vật liệu nền trong composite

vv :

Thể tích của lỗ trống trong composite

Vm :

Tỷ lệ vật liệu nền trong composite

Vf :

Tỷ lệ sợi trong composite

c :

Tỷ trọng của composite

f :

Tỷ trọng của sợi

m :

Tỷ trọng của nền

xiii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 4.1: Tính chất nhựa polyester ............................................................................ 32
Bảng 4.2: Thành phần sợi thủy tinh chopped strand mats .......................................... 34
Bảng 4.3: Tính chất sợi thủy tinh chopped strand mats .............................................. 34
Bảng 4.4: Thành phần sợi thủy tinh woven roving ..................................................... 35
Bảng 4.5: Tính chất sợi thủy tinh woven roving ......................................................... 35
Bảng 5.1. Kết quả đo độ bền kéo của composite cốt woven roving fiberglass. ......... 46
Bảng 5.2. Kết quả đo độ bền kéo của composite cốt chopped strand mat fiberglass . 47

Bảng 5.3. Kết quả đo độ bền uốn của composite cốt woven roving fiberglass .......... 47
Bảng 5.4. Kết quả đo độ bền uốn của composite cốt chopped strand mat fiberglass . 48

xiv


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Ứng dụng vật liệu composite trong cơng nghiệp Ơtơ ................................... 3
Hình 1.2: Tỉ trọng các loại vật liệu trên máy bay B787. ............................................... 3
Hình 2.1: Cấu trúc composite...................................................................................... 10
Hình 2.2: Sơ đồ phân loại composite theo cấu trúc .................................................... 12
Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống VARTM ............................................................................. 20
Hình 2.4: Thí nghiệm kéo ........................................................................................203
Hình 2.5: Thí nghiệm 3 điểm uốn .............................................................................204
Hình 3.1: Kích thước mẫu chiụ uốn ............................................................................ 25
Hình 3.2: Kích thước mẫu chiụ kéo ............................................................................ 25
Hình 3.3: Khn 3 tấm ................................................................................................ 26
Hình 3.4: Khn 2 tấm ................................................................................................ 26
Hình 3.5: Mơ hình khn của mẫu chịu uốn............................................................... 27
Hình 3.6: kết cấu khn của mẫu chịu uốn ................................................................. 27
Hình 3.7: Khn dưới của mẫu chịu uốn .................................................................... 28
Hình 3.8: Khn trên của mẫu chịu uốn ..................................................................... 28
Hình 3.9: Mơ hình khn của mẫu chịu kéo ............................................................... 29
Hình 3.10: kết cấu khn của mẫu chịu kéo ............................................................... 29
Hình 3.11: Khn dưới của mẫu chịu kéo .................................................................. 30
Hình 3.12: Khn trên của mẫu chịu kéo ................................................................... 30
Hình 4.1: Nhựa polyester ............................................................................................ 31
Hình 4.2: Chất đóng rắn MEKP .................................................................................. 33
Hình 4.3: Sợi thủy tinh chopped strand mats .............................................................. 34
Hình 4.4: Sợi thủy tinh woven roving ......................................................................... 35

xv


Hình 4.5: Hệ thống thiết bị VARTM .......................................................................... 36
Hình 4.6: Bình chứa nhựa ........................................................................................... 37
Hình 4.7: Đồng hồ đo áp suất nén ............................................................................... 38
Hình 4.8: Đồng hồ đo áp suất chân khơng .................................................................. 38
Hình 4.9: Máy nén khí ................................................................................................ 39
Hình 4.10: Máy hút chân khơng .................................................................................. 40
Hình 4.11: Khn cho mẫu thí nghiệm kéo đã gia cơng............................................. 40
Hình 4.12: Khn cho mẫu thí nghiệm uốn đã gia cơng ............................................ 40
Hình 4.13: Bơi lớp cana lên tấm khn ...................................................................... 41
Hình 4.14: Định hình sợi thủy tinh vào khn dưới ................................................... 41
Hình 4.15: Lắp ron giấy vào lịng khn duới ............................................................ 42
Hình 4.16: Đóng khn và lắp đầu phun nhựa vào khn ......................................... 42
Hình 4.17: Trộn hỗn hợp theo tỉ lệ .............................................................................. 42
Hình 4.18: Hỗn hợp nhựa đã trộn ............................................................................... 43
Hình 4.19: Hút chân khơng ......................................................................................... 43
Hình 4.20: Nén khí nén áp suất bình chứa .................................................................. 44
Hình 4.21: Dẫn nhựa vào khn ................................................................................. 44
Hình 4.22: Sản phẩm sau khi lấy ra khỏi khn ......................................................... 45
Hình 5.1: Máy Lloyd LR 30K ..................................................................................... 46
Hình 5.2: Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi và độ bền kéo của vật liệu composite cốt
woven roving fiberglass .............................................................................................. 50
Hình 5.3: Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi và độ bền kéo của vật liệu composite cốt
chopped strand mat fiberglass ..................................................................................... 51
Hình 5.4: Biểu đồ so sánh độ bền kéo của composite được gia cường bằng sợi thủy
tinh woven roving và chopped strand mat .................................................................. 53

xvi


Hình 5.5: Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi và mơ đun kéo của composite cốt woven
roving fiberglass. ......................................................................................................... 54
Hình 5.6: Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi và mô đun kéo của composite cốt chopped
strand mat fiberglass ................................................................................................... 56
Hình 57: Biểu đồ so sánh mô đun kéo của composite được gia cường bằng woven
roving fiberglass và chopped strand mat fiberglass .................................................... 57
Hình 5.8: Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi và độ bền uốn của composite cốt chopped
strand mat fiberglass ................................................................................................... 58
Hình 5.9: Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi và độ bền uốn của composite cốt chopped
strand mat fiberglass ................................................................................................... 60
Hình 5.10: Biểu đồ so sánh độ bền uốn của composite được gia cường bằng woven
roving fiberglass và chopped strand mat fiberglass .................................................... 61
Hình 5.11: Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi và mô đun uốn của composite cốt woven
roving fiberglass .......................................................................................................... 63
Hình 5.12: Mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi và mô đun uốn của composite cốt chopped
strand mat fiberglass. .................................................................................................. 64
Hình 5.13: So sánh mơ đun uốn của composite được gia cường bằng woven roving
fiberglass và chopped strand mat fiberglass ............................................................... 66
Hình 5.14: So sánh độ bền kéo và độ bền uốn của composite được gia cường bằng
woven roving fiberglass .............................................................................................. 67
Hình 5.15: So sánh độ bền kéo và độ bền uốn của composite được gia cường bằng
chopped strand mat fiberglass ..................................................................................... 68
Hình 5.16: Ảnh SEM của composite được gia cường bằng 1 lớp cốt sợi thủy tinh ... 69
Hình 5.17: Ảnh SEM của composite được gia cường bằng 5 lớp cốt sợi thủy tinh ... 69
Hình 5.18: Ảnh SEM của composite được gia cường bằng 11 lớp cốt sợi thủy tinh . 70

xvii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
1.1.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai nhiều vật liệu khác nhau nhằm tạo ra
một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu thành phần ban đầu, chính vì
vậy nó có nhiều tính ưu việt và có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ
thuật và đời sống [1].
Do các đặc tính vượt trội so với các loại vật liệu truyền thống khác, vật liệu
composite được sử dụng trong nhiều lĩnh vực và đáp ứng tốt các yêu cầu khắt khe
về chất lượng cũng như tính thẩm mỹ. Trong ngành vận tải, vật liệu composite được
sử dụng chế tạo toa xe, các chi tiết, kết cấu chịu lực trên ô tô và các phương tiện vận
tải.
Vật liệu composite cũng được sử dụng rộng rãi trong quân sự, công nghệ vũ trụ,
ngành năng lượng. Các ngành cơng nghệ hàng hải, đóng tàu cũng cho thấy ứng
dụng ngày càng rộng rãi và tiềm năng lớn của vật liệu composite.
Phương pháp gia cơng có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm, phương
pháp gia công bị chi phối bởi tính chất của vật liệu polymer cũng như u cầu về
hình dáng, tính chất của sản phẩm cuối cùng. Việc lựa chọn phương pháp gia cơng
thích hợp nói chung là rất phức tạp, phải chú ý đến nhiều khía cạnh như tính chất
của vật liệu ban đầu, yêu cầu về chất lượng sản phẩm, yêu cầu về lợi ích kinh
tế…Nói chung phải đảm bảo thu được sản phẩm có tính năng tốt nhất và có lợi ích
kinh tế .
1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của vật liệu composite
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
1

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, rạ là những sản phẩm composite được áp dụng rộng rãi trong đời
sống xã hội lúc bấy giờ.
Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến
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, …
1.1.3. Ưu điểm của vật liệu composite
Tính ưu việt của vật liệu composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các
kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các
thành phần cốt của composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm
bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt
và chịu sự ăn mịn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường.
Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là composite polyme, đây là vật liệu
có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ
bền cao, chịu môi trường, dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao,
bền vững với mơi trường ăn mịn hố học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp.

2


1.1.4. Tầm quan trọng của composite
Hiện nay vật liệu composite được sử dụng trong nhiều lĩnh vực với các ứng dụng
khac nhau như:

 Các sản phẩm trang trí nội thất: khung hình, nẹp hình, vách ngăn..
 Trong các sản phẩm thể thao: Vợt, gậy đánh gôn..
 Hàng hải: Làm ghe, thuyền, thùng, tàu...
 Quốc phòng: Những phương tiện chiến đấu: tàu, cano, máy bay, phi thuyền...
 Giao thông vận tải: Dùng làm các bộ phận trong xe máy, ô tô …

Hình 1.1: Ứng dụng vật liệu composite trong cơng nghiệp Ôtô.
Đặc biệt vật liệu composite được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực hàng không,
theo hãng hàng không Boeing's Commercial Airplanes division, tỷ trọng của vật liệu
composite có trên máy bay B787 như hình 1.2.

Hình 1.2: Tỉ trọng các loại vật liệu trên máy bay B787.

3


1.2. Kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1 Các kết quả nghiên cứu trong nước
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật trong những thập niên
gần đây, sự ra đời và phát triển của vật liệu composite đang chiếm một vị trí nổi trội
trong các ngành cơng nghiệp chế tạo. Có rất nhiều đề tài nghiên cứu về vật liệu
composite, trong đó nổi trội là:
-

Đề tài của TS. Nguyễn Nhật Trinh, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thực hiện

vào năm 2009 “Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số chế tạo đến độ bền vật liệu
polymer composite gia cường vải polyeste trên cơ sở nhựa phenolfomandehit”[2].
Đề tài này nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế tạo như nhiệt độ,
lực ép và tỉ phần vải/nhựa nền đến độ bền cơ học của vật liệu polime compozit (PC)

trên cơ sở nhựa phenolfomandehit (PF) được gia cường vải dệt thoi xơ polyeste
(PET), đồng thời khảo sát ảnh hưởng của môi trường đến độ bền cơ học của vật liệu
PC nhằm khuyến cáo các nhà sử dụng khai thác hiệu quả phụ tùng thay thế bằng vật
liệu PC. Đã xác định được các thông số công nghệ chế tạo tối ưu: nhiệt độ 1420C, áp
lực 2,25 MPa, tỉ phần các cấu tử 56%. Độ bền cơ học vật liệu PC cực đại: độ bền
kéo 102,94 MPa, độ bền nén 88,27 MPa, độ bền va đập 106,02kJ/m2. Sau thời gian
ngâm 120 ngày, độ bền kéo kéo vật liệu PC giảm 13% trong môi trường nước, giảm
50% trong môi trường kiềm và giảm 27% trong môi trường axit HCl.
-

Nguyễn Tiến Đắc, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã thực hiện luận văn

Thạc sĩ với đề tài: "Tính tốn xác định một số đặc trưng cơ học cho vật liệu
composite cốt sợi đồng phương”. Tác giả đã nghiên cứu về composite cốt sợi đồng
phương hai pha và ba pha; tính tốn, xác định một số đặc trưng cơ học của vật liệu
composite cốt sợi đồng phương. Áp dụng phương pháp xấp xỉ thể tích để thiết lập
và giải bài tốn kéo trụ đều mọi phía theo phương ngang với lực kéo khơng đổi, qua
đó tìm được cơng thức giải tích xác định mơ đun khối biến dạng phẳng của vật liệu
composite cốt sợi đồng phương.

4


-

Nguyễn Thị Bích Nga, "Nghiên cứu cơ chế phá hủy của composite sợi ngắn",

trong nghiên cứu này đã trình bày các cơ sở lý thuyết về cơ chế phá hủy, sự truyền
ứng suất của vật liệu composite, tính tốn được tốc độ giải phóng năng lượng tới
hạn đặc trưng cho vật liệu composite nền polyamide gia cường sợi cacbon và sợi

thủy tinh ở các nhiệt độ khác nhau là -20c, 200c và 450c. Đồng thời đưa ra mối quan
hệ giữa tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn và nhiệt độ.
-

Ngồi ra, cịn có rất nhiều cơng trình nghiên cứu về vật liệu composite do PGS.

TS. Đỗ Thành Trung và các học viên Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
thực hiện như: “Nghiên cứu và phát triển nhíp giảm xóc bằng vật liệu composite”,
“Nghiên cứu và phát triển địn treo trên bằng vật liệu composite”, “Nghiên cứu
cường độ ứng suất trên dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục”…..Kết
quả cho thấy vật liệu composite có nhiều đặc tính ưu việt hơn hẳn các loại vật liệu
truyền thống và cho thấy khả năng ứng dụng cao trong ngành cơ khí.
1.2.2 Các kết quả nghiên cứu ngồi nước
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. Trong đó, tiêu biểu là :
-

Mohd Zuhri Mohamed Yusoff, Mohd Sapuan Salit, Napsiah Ismail và Riza

Wirawan đã nghiên cứu: "Mechanical Properties of Short Random Oil Palm Fibre
Reinforced Epoxy composites". Các đặc tính cơ học của vật liệu composite nền
epoxy, gia cường sợi dầu cọ ngắn, phân bố ngẫu nhiên đã được tìm hiểu. Các kết
quả về ứng suất kéo, ứng suất uốn và mô đun đàn hồi tương ứng với các tỷ lệ phần
trăm của sợi gia cường đã được trình bày. Khi tỷ lệ % sợi cọ dầu gia cường tăng lên
thì các ứng suất kéo và uốn của composite này giảm xuống và tỷ lệ tối ưu của thành
phần sợi trong composite là khoảng 5%, tại đây các ứng suất kéo, ứng suất uốn và
mô đun đàn hồi đạt được giá trị lớn nhất [3].
-

Yunkai Lu đã nghiên cứu: "Mechanical Properties of Random Discontinuous

Fiber composites Manufactured from Wetlay Process". Đưa ra các kết quả về đặc
5