Các phương pháp chế tạo vật liệu composite_báo cáo tiểu luận cơ học vật liệu hàng không
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.1 MB, 48 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG
-------o0o-------
TIỂU LUẬN MÔN HỌC
CƠ HỌC VẬT LIỆU HÀNG KHÔNG
Đề tài
CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE
GVHD: PGS.TS Lý Hùng Anh
Sinh viên thực hiện
Mã số sinh viên
Phan Thanh Tân
1915067
Nguyễn Hoàng Dung
1910929
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2022
Lời cam kết - Commitment
Chúng tôi cam kết:
-
Đây là báo cáo tiểu luận do nhóm thực hiện.
-
Các đoạn trích dẫn và số liệu kết quả sử dụng để so sánh trong báo cáo
này đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu
biết của chúng tôi.
– iii –
– iv –
Lời cảm ơn - Acknowledgements
Chúng tôi xin cảm ơn quý thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật Hàng không – Đại
học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh, cảm ơn giảng viên môn Cơ học Vật liệu Hàng
không PGS.TS Lý Hùng Anh.
Tài liệu được biên soạn dựa trên nền tảng định dạng luận văn tốt nghiệp của
SV. Bùi Nhã Đạt, lớp VP08HK.
–v–
– vi –
Tóm tắt tiểu luận
Trong tiểu luận này, chúng tơi cung cấp một cái nhìn tổng quan về vật liệu
composite – một loại vật liệu đang rất phổ biến hiện nay nhờ những tính năng
vượt trội hơn các vật liệu đơn lẻ khác. Báo cáo sẽ trình bày nội dung một cách
đầy đủ và ngắn gọn nhất về vật liệu composite và ứng dụng của nó trong đời
sống hiện nay, tại sao nó lại trở nên phổ biến và có các tính chất vượt trội hơn
các vật liệu riêng lẻ khác.
Mặc dù rất phổ biến nhưng vật liệu này được gia công, chế tạo như thế
nào lại không phải ai cũng biết. Vì vậy mà trong bài báo cáo này, chúng tơi đã
trình bày chi tiết các phương pháp phổ biến nhất để chế tạo vật liệu composite.
Từ đó có cái nhìn khách quan và đưa ra cho mình sự lựa chọn hồn hảo nhất
theo nhu cầu, mục đích sử dụng.
Bài báo cáo này gồm 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Các phương pháp chế tạo vật liệu composite phổ biến nhất
Chuowng 4: Kết luận và hướng phát triển
– vii –
– viii –
Mục lục - Table of Contents
Lời cam kết - Commitment ................................................................................iii
Lời cảm ơn - Acknowledgements ....................................................................... v
Tóm tắt tiểu luận ................................................................................................vii
Mục lục - Table of Contents............................................................................... ix
Chú giải ký hiệu – Nomenclature ...................................................................... xi
Danh mục hình ảnh - List of Figures ................................................................xii
.......................................................................................................... 14
Giới thiệu chung - Introduction......................................................................... 14
1.1 Lý do chọn đề tài ............................................................................14
1.1.1 Sự phát triển của vật liệu composite ..............................................14
1.2 Mục tiêu của báo cáo ......................................................................15
.......................................................................................................... 16
Cơ sở lý thuyết - Literature Review .................................................................. 16
2.1 Tổng quan về vật liệu composite....................................................16
2.1.1 Ưu điểm của vật liệu composite .....................................................19
2.1.2 Nhược điểm của vật liệu composite ...............................................20
2.2 Vật liệu composite FRP ..................................................................20
2.2.1 Ưu điểm của vật liệu FRP ..............................................................22
2.2.2 Ứng dụng của vật liệu FRP trong đời sống và sản xuất ................22
2.3 Quy trình sản xuất vật liệu composite ............................................23
2.3.1 Quy trình đúc hở .............................................................................23
2.3.2 Quy trình đúc kín ............................................................................24
2.3.3 Quy trình đúc khn nhựa ..............................................................25
.......................................................................................................... 26
Các phương pháp chế tạo vật liệu composite phổ biến nhất - The Most Popular
Methods of Composite Fabrication ................................................................... 26
3.1 Phương pháp lăn tay (Hand lay-up) ...............................................27
3.1.1 Ưu điểm của phương pháp lăn tay .................................................27
3.1.2 Nhược điểm của phương pháp lăn tay ...........................................28
3.1.3 Ứng dụng của phương pháp lăn tay ...............................................28
3.1.4 Các bước thực hiện phương pháp lăn tay.......................................28
3.2 Phương pháp phun (Spray up) ........................................................29
3.2.1 Ưu điểm của phương pháp phun ....................................................30
3.2.2 Ứng dụng của phương pháp phun ..................................................30
3.2.3 Các bước thực hiện phương pháp phun .........................................31
3.3 Phương pháp cán liên tục (Pultrusion) ...........................................31
– ix –
3.3.1 Ưu điểm của phương pháp pultrusion ............................................ 31
3.3.2 Các bước thực hiện phương pháp pultrusion ................................. 32
3.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo composite bằng công
nghệ pultrusion........................................................................................... 35
3.3.4 Các ứng dụng và sản phẩm của công nghệ pultrusion................... 35
3.4 Phương pháp đúc ép phản lực (Reaction Reinforced Injection
Molading) ................................................................................................. 36
3.4.1 Ưu điểm của phương pháp RRIM .................................................. 37
3.4.2 Nhược điểm của phương pháp RRIM ............................................ 38
3.4.3 Quy trình sản xuất composite bằng phương pháp RRIM .............. 38
.......................................................................................................... 41
Kết luận- Conclusions ....................................................................................... 41
Tài liệu tham khảo - References ....................................................................... 43
Appendix ........................................................................................................... 44
A. Hình ảnh mơ tả các phương pháp chế tạo vật liệu composite ....... 44
B. Hình ảnh các ứng dụng và sản phẩm composite được tạo ra từ các
công nghệ .................................................................................................. 46
–x–
Chú giải ký hiệu – Nomenclature
AFRP
Aramid Fiber Reinforced Plastic (Nhựa gia cố sợi
aramid)
CAMC
Carbon Matrix Composite (Vật liệu composite nền
cacbon)
CCC
Cacbon-cacbon Composite
CFRP
Carbon Fiber Reinforced Plastic (Nhựa gia cố sợi
carbon)
CMC
Ceramic Matrix Composite (Vật liệu composite nền
gốm hay vô cơ ceramic)
FRP
Fiber Reinforced Plastic/ Polymer
GFRP
Glass Fiber Reinforced Plastic (Nhựa gia cố sợi thủy
tinh)
MMC
Metal Matrix Composite (Vật liệu composite nền kim
loại)
PMC
Polymer Matrix Composite (Vật liệu composite nền
polymer)
PU
Polyurethane
RIM
Reinforced Injection Molading (Công nghệ đúc ép)
RRIM
Reaction Reinforced Injection Molading (Công nghệ
đúc ép phản lực)
– xi –
Danh mục hình ảnh - List of Figures
Hình 3.2 - Phương pháp phun sợi nhựa ............................................................ 30
Hình 3.3 - Quy trình hoạt động cơ bản của phương pháp pultrusion .............. 32
Hình 3.5 - Các profile làm từ cơng nghệ pultrusion có thể dùng để thay thế
profile làm từ nhơm ........................................................................................... 36
– xii –
– xiii –
Giới thiệu chung - Introduction
Vật liệu composite ngày càng được ưa chuộng lựa chọn ứng dụng vào nhiều
lĩnh vực của cuộc sống hiện đại nhờ sở hữu những đặc tính vượt trội, nó đang dần
thay thế các vật liệu đơn lẻ như gỗ, đá, kim loại, nhựa rẻ tiền… nhờ những ưu
điểm tổng hợp về chất lượng, thẩm mỹ, giá thành. Chương này giới thiệu sơ lược
về sự phát triển của vật liệu composite.
1.1 Lý do chọn đề tài
1.1.1 Sự phát triển của vật liệu composite
Sự phát triển của vật liệu composite cũng như các công nghệ thiết kế và sản
xuất liên quan là một trong những tiến bộ quan trọng nhất trong lịch sử vật liệu.
Vật liệu tổng hợp là vật liệu đa chức năng có các tính chất cơ học và vật lý chưa
từng có mà có thể được điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu của một ứng dụng cụ
thể. Nhiều vật liệu tổng hợp cũng được triển lãm khả năng chống mài mòn, ăn
mòn và tiếp xúc với nhiệt độ cao. Những đặc điểm độc đáo này cung cấp cho kỹ
sư cơ khí những cơ hội thiết kế khơng thể có với vật liệu ngun khối (không gia
cố). Công nghệ vật liệu tổng hợp cũng có thể sử dụng tồn bộ một lớp vật liệu rắn,
gốm sứ, trong các ứng dụng mà các phiên bản ngun khối là khơng phù hợp vì
GIỚI THIỆU CHUNG - INTRODUCTION
độ phân tán cường độ lớn của chúng và khả năng chống sốc cơ học và nhiệt kém.
Hơn nữa, nhiều quy trình sản xuất vật liệu tổng hợp cũng thích nghi với chế tạo
các kết cấu lớn, phức tạp, cho phép hợp nhất các bộ phận, giảm chi phí chế tạo.
Vật liệu tổng hợp là vật liệu quan trọng ngày nay được sử dụng rộng rãi,
không chỉ trong hàng khơng vũ trụ cơng nghiệp, mà cịn trong một số lượng lớn
và ngày càng tăng của cơ khí thương mại các ứng dụng, chẳng hạn như động cơ
đốt trong; linh kiện máy móc; quản lý nhiệt và bao bì điện tử; các kết cấu ơ tơ, xe
lửa và máy bay và các bộ phận cơ khí, chẳng hạn như phanh, trục truyền động,
bánh đà, bồn chứa và bình chịu áp lực; các thành phần ổn định về kích thước; thiết
bị cơng nghiệp chế biến địi hỏi khả năng chống ăn mịn ở nhiệt độ cao, oxy hóa,
và mài mịn; thăm dị và khai thác dầu khí ngồi khơi và trên đất liền; cơng trình
biển; thiết bị thể thao và giải trí; tàu thuyền; và các thiết bị y sinh. Cần lưu ý rằng
các vật liệu cấu trúc sinh học xuất hiện trong tự nhiên thường là một số loại
composite. Ví dụ phổ biến là gỗ, tre, xương, răng và vỏ. Hơn nữa, sử dụng vật liệu
composite nhân tạo như hiện nay không phải là quá mới. Gạch bùn gia cố bằng
rơm được sử dụng trong thời kinh thánh.
Chính vì tính phổ biến đó nên nhóm đã chọn tìm hiểu về vật liệu composite
đặc biệt là về các phương pháp chế tạo ra nó để có thể ứng dụng vào cuộc sống
cũng như vào công việc trong tương lai.
1.2 Mục tiêu của báo cáo
Mục tiêu chính của báo cáo là tìm hiểu về các phương pháp chế tạo vật liệu
composite.
15
CƠ SỞ LÝ THUYẾT - LITERATURE REVIEW
Cơ sở lý thuyết - Literature Review
Chương 2 gồm 3 phần :
-
Phần 1: Tổng quan về vật liệu composite;
-
Phần 2: Vật liệu composite FRP;
-
Phần 3: Quy trình sản xuất vật liệu composite.
2.1 Tổng quan về vật liệu composite
Composite là vật liệu bao gồm hai hoặc nhiều vật liệu thành phần liên kết
với nhau. Điều này phân biệt vật liệu tổng hợp với hợp kim kim loại trong đó các
thành phần được hịa tan vào nhau.
Dựa theo kiểu phân bố thành phần trong vật liệu composite, chia thành
2 kiểu:
-
Thành phần phân bố liên tục trong tồn thể tích vật liệu gọi là nền
-
Thành phần phân bố ngẫu nhiên trong vật liệu gọi là cốt
Tính chất của vật liệu nền (hay còn gọi là pha liên tục):
16
CƠ SỞ LÝ THUYẾT - LITERATURE REVIEW
•
Là chất kết dính các vật liệu gia cường lại với nhau tạo thành một khối
thống nhất và tạo mơi trường phân tán.
•
Khi có lực tác động từ bên ngoài hoặc tác động do mơi trường, vật liệu nền
đóng vai trị truyền ứng suất sang cho chất gia cường và bảo vệ chúng
không bị hư hại.
•
Đảm bảo độ dẻo dai cho vật liệu giúp tránh sự xuất hiện của các vết nứt.
•
Cách điện và tối ưu về màu sắc như pha màu, bền màu…
Tính chất của vật liệu cốt (hay còn gọi là pha gián đoạn):
•
Chịu ứng suất tập trung từ vật liệu nền truyền sang và phân tán vào pha liên
tục.
•
Tạo tính chất kháng ăn mịn và kháng với hóa chất.
•
Truyền nhiệt và giải nhiệt tốt nên giúp sản phẩm làm composite có ưu điểm
cách nhiệt, bề mặt sản phẩm khơng bị nóng và biến chất.
•
Mang những ưu điểm của 2 hay nhiều vật liệu thành phần nhưng giá thành
lại tốt hơn so với vật liệu riêng lẻ.
Dựa theo 2 kiểu phân bô thành phần có thể phân loại vật liệu composite
thành 6 nhóm:
• Composite nền hữu cơ: Vật liệu gồm chất nền là nhựa, nhựa đường hoặc
cao su kết hợp với vật liệu cốt là các sợi hữu cơ (polyamide, aramid…); sợi
khoáng (sợi thủy tinh fiberglass, sợi carbon…) hoặc sợi kim loại (nhơm…)
•
Composite nền khống chất: Sản phẩm nền khống chất như bê tông, nền
gốm, carbon kết hợp với cốt là sợi/ hạt kim loại, hạt gốm…
•
Composite nền kim loại: Vật liệu nền là các hợp kim như nhôm, titan… kết
hợp với vật liệu gia cường là sợi khoáng hoặc sợi kim loại.
•
Tổng hợp cốt sợi: Dùng các chất gia cường ở dạng sợi kết hợp với nền
nhựa. Sợi có đặc trưng về chiều dài nên vừa phân bổ ở dạng liên tục và gián
đoạn.
17
CƠ SỞ LÝ THUYẾT - LITERATURE REVIEW
•
Tổng hợp cốt hạt: Dùng các chất gia cường ở dạng hạt, phân bổ ở dạng
gián đoạn. Vật liệu cốt hạt phổ biến là bê tơng.
•
Tổng hợp cốt sợi và hạt: Là vật liệu tổng hợp từ nhiều dạng vật chất. Cụ
thể, bê tông cốt thép có nền khống chất. Cấu tạo của nó gồm xi măng được
tạo thành từ đá (vật liệu nền), cốt bê tông là sự kết hợp của cát và đá dăm
(cốt hạt), thép (cốt sợi).
Nói cách khác, tùy theo bản chất của vật liệu nền, có thể chia vật liệu
composite thành 4 loại đặc trưng nhất:
• Vật liệu composite nền polymer (Polymer Matrix Composite: PMC): Chất
nền polyme nói chung là vật liệu tương đối yếu, độ cứng thấp, nhớt đàn
hồi. Độ bền và độ cứng của PMC chủ yếu đến từ các sợi gia cố.
• Vật liệu composite nền kim loại (Metal Matrix Composite: MMC): Các kim
loại ban đầu được sử dụng cho vật liệu ma trận MMC thường là các hợp
kim truyền thống. Theo thời gian, các vật liệu nền đã được phát triển. Các
vật liệu nền kim loại chính được sử dụng cho MMC là hợp kim của nhơm,
titan và sắt. Đã có nhiều kim loại khác được sử dụng làm vật liệu nền kim
loại, bao gồm đồng, chì, magiê, coban, bạc và siêu hợp kim.
• Vật liệu composite nền gốm hay vô cơ ceramic (Ceramic Matrix
Composite: CMC): Các loại gốm chính được sử dụng làm nền CMC là
cacbua silic, alumina, silicon nitride, mullite, và xi măng khác nhau. Trong
thực tế, rất khó xác định các thuộc tính vật liệu nền gốm trong composite.
• Vật liệu composite nền cacbon (Carbon Matrix Composite: CAMC):
Carbon là một vật liệu đặc biệt. Nó bao gồm các vật liệu từ chất bôi trơn
đến kim cương thành sợi cấu trúc. Các dạng nền carbon tạo ra từ các loại
carbon-carbon khác nhau quá trình sản xuất có xu hướng khá yếu, vật liệu
giịn. phạm vi dẫn nhiệt từ rất thấp đến cao, tùy thuộc vào nguyên liệu và
quy trình tiền chất.
Vật liệu composite cacbon-cacbon (CCC) là phân lớp quan trọng nhất của
CAMC. Vật liệu composite này là một họ vật liệu bao gồm nền carbon (hoặc than
18
CƠ SỞ LÝ THUYẾT - LITERATURE REVIEW
chì) được gia cố bằng sợi carbon (hoặc than chì). Do đó, các đặc tính tối ưu của
carbon được thể hiện trong vật liệu này với độ bền cao, tính linh hoạt và độ dẻo
dai. Vật liệu composite carbon-carbon bao gồm từ các cấu trúc gia cố bằng sợi
đơn hướng đơn giản đến các cấu trúc 3 chiều được dệt phức tạp. Sự đa dạng của
sợi carbon và kỹ thuật dệt đa hướng hiện có cho phép điều chỉnh các vật liệu
composite C/C để đáp ứng các yêu cầu thiết kế phức tạp. Bằng cách lựa chọn loại
sợi, bố cục (hoặc sợi dệt), chất nền và xử lý nhiệt composite, các đặc tính có thể
phù hợp với các ứng dụng khác nhau.
Vào đầu những năm 1960, vật liệu composite carbon-carbon đã được phát
triển cho các ứng dụng hàng không vũ trụ ở nhiệt độ cao như nón mũi và vịi tên
lửa. Những vật liệu tổng hợp này có thể được điều chỉnh để có độ bền và độ cứng
cao hơn so với các hợp kim kim loại kỹ thuật khác và, không giống như kim loại,
có thể duy trì các đặc tính này ở nhiệt độ cao.
Trong số đó, FRP là một trong những loại PMC phổ biến và được sử dụng
rộng rãi nhất hiện nay.
2.1.1 Ưu điểm của vật liệu composite
Vật liệu composite có thể được tạo thành từ các vật liệu khác nhau. Vì thế,
cấu trúc hình học có thể thay đổi và thành phần cấu tạo nên vật liệu giúp nó mang
tính chất đặc trưng của các chất thành phần, có phần vượt trội hơn hẳn.
-
Độ bền và độ cứng cao, độ uốn kéo tốt, là một loại vật liệu có độ vững chắc.
-
Chống ăn mịn, chống được sự oxy hố cũng như chịu được mơi trường
khắc nghiệt. Vì thế, có thể sử dụng đựng hóa chất, axit đều rất phù hợp.
-
Tuổi thọ sử dụng lâu dài.
-
Khối lượng riêng nhỏ, trọng lượng nhẹ nên các sản phẩm được làm từ vật
liệu composite rất tiện dụng trong di chuyển.
-
Chịu được tác động từ thời tiết, chống UV cao nên có thể sử dụng cho cả
điều kiện trong nhà và ngoài trời.
-
Vật liệu kháng ăn mịn và kháng hóa chất, chống thấm nước và không độc
hại với sức khỏe, môi trường.
19
CƠ SỞ LÝ THUYẾT - LITERATURE REVIEW
-
Có tính thẩm mỹ cao: Đơn giản vì composite dễ dàng cắt dời và dễ sáng
tạo các hoa văn lên đó, khả năng gia cơng và tạo hình cao, dễ tạo màu nên
các sản phẩm từ vật liệu này rất đa dạng về kiểu dáng, màu sắc.
-
Sữa chữa dễ dàng, chi phí về bảo dưỡng hay về sản xuất không cao.
-
Về giá thành: Chất liệu composite thấp hơn so với giá thành của một số
chất liệu khác như gang, thép. Vì vậy khi sử dụng vật liệu này sẽ giúp bạn
tiết kiệm được một khoản đáng kể.
2.1.2 Nhược điểm của vật liệu composite
-
Trong quá trình sản xuất dễ sinh ra phế phẩm. Vật liệu khó tái chế, tái sử
dụng.
-
Ngun liệu thơ đầu vào có giá thành khá cao.
-
Gia công tốn nhiều thời gian, phân tích thành phần vật liệu phức tạp.
-
Chất lượng của vật liệu composite có thể bị tác động bởi trình độ người
công nhân.
2.2 Vật liệu composite FRP
FRP (Fiber Reinforced Plastic/ Polymer) là vật liệu có cấu tạo gồm nhiều vật
liệu khác tổng hợp thành. Trong đó, nhựa (plastic/ polymer) được gia cố bằng sợi
(fiber) để cải thiện các tính chất cho vật liệu. Các sợi gia cố thường là sợi thủy
tinh (fiberglass). Ngồi ra, có thể sử dụng sợi từ nhóm khác như sợi carbon, sợi
aramid. Các loại sợi ít phổ biến hơn là sợi xenlulo …Mỗi loại sợi có đặc trưng
riêng về độ cứng, độ căng kéo góp phần tạo nên loại nhựa tổng hợp có tính chất
khác nhau.
Sản xuất vật liệu nhựa composite cốt sợi gồm sản xuất phôi sợi và gia cố
những sợi này trong chất nền nhựa. Sợi có thể ở nhiều dạng như sợi, dệt, đan, bện.
Bằng kỹ thuật và cơng nghệ tự động hóa, hàm lượng sợi được kiểm soát theo tỉ lệ
yêu cầu.
20
CƠ SỞ LÝ THUYẾT - LITERATURE REVIEW
Quy trình sản xuất FRP theo công nghệ Pultrusion hiện nay được áp dụng
rộng rãi. Quy trình này chế tạo hình dạng, cấu trúc vật liệu một cách liên tục mà
không thay đổi mặt cắt ngang bằng cách kéo nguyên liệu thô qua một khn tạo
hình được gia nhiệt.
Vật liệu FRP có 3 loại chính
• GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic) hay viết tắt là FRP (Fiberglass
Reinforced Plastic) - Nhựa gia cố sợi thủy tinh: Đây là loại vật liệu được
sử dụng nhiều nhất trong các loại vật liệu tổng hợp gia cố sợi. Chất nền
nhựa nhiệt rắn kết hợp với chất gia cường là sợi thủy tinh. Nhựa đóng vai
trị kết dính sợi thủy tinh, kháng hóa chất và chống các tác động từ mơi
trường trong khi sợi thủy tinh tăng cường các tính chất như độ bền, độ ổn
định kích thước, cách điện…
• CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) - Nhựa gia cố sợi carbon: Chất
nền là nhựa kết hợp với chất gia cường cacbon dạng sợi. Đây là vật liệu
nhựa nhẹ và cực kỳ bền, tỷ lệ cường lực trên khối luongj cao, độ cứng tốt.
Hạn chế của CFRP là về chi phí. So với nhựa thủy tinh, nhựa gia cường sợi
carbon có giá thành đắt hơn từ 5 đến 25 lần. Do đó, chúng thường được
ứng dụng trong những lĩnh vực chuyên biệt, yêu cầu cao như hàng không
vũ trụ, tàu thuyền, kỹ thuật hay các sản phẩm xa xỉ như ô tơ.
• AFRP (Aramid Fiber Reinforced Plastic) - Nhựa gia cố sợi aramid: Nhựa
gia cố sợi aramid có những ưu điểm vượt trội từ loại sợi này như độ bền
cao, khả năng chống mài mịn tốt. Ngồi ra, nhựa aramid có khả năng dung
môi hữu cơ, không bắt lửa và không dẫn điện. Năng lượng đứt gãy của sợi
aramid cao nên các ứng dụng về mũ bảo hiểm hay áo chống đạn thường sử
dụng loại nhựa gia cố ara mid để tăng hiệu quả.
Vật liệu FRP nhựa gia cố bằng sợi nói chung và FRP nhựa cốt sợi thủy tinh
nói riêng có nhiều ưu điểm về độ bền, tỉ lệ trọng lượng trên cường độ, khả năng
chống ăn mòn, được ứng dụng trong nhiều ngành và lĩnh vực cuộc sống như công
nghiệp, hàng không, hàng hải, xây dựng…
21
CƠ SỞ LÝ THUYẾT - LITERATURE REVIEW
2.2.1 Ưu điểm của vật liệu FRP
Vật liệu FRP có những ưu điểm vượt trội so với các vật liệu khác:
-
Độ bền cao.
-
Trọng lượng nhẹ.
-
Khả năng chịu tác động từ môi trường như điều kiện thời tiết (chống UV),
mơi trường hóa chất.
-
Khơng bắt lửa.
-
Cách nhiệt.
-
Tính đa dạng trong thành phần
-
Màu sắc vật liệu bắt mắt, khả năng tạo hình cao nên ứng dụng được nhiều
lĩnh vực từ khoa học kỹ thuật đến các ứng dụng đời sống.
2.2.2 Ứng dụng của vật liệu FRP trong đời sống và sản xuất
Vật liệu FRP được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ bền cao và trọng
lượng tương đối nhẹ, độ chống mài mòn cao, dung sai hạn chế và khả năng gia
cơng chính xác.
Nhựa gia cố sợi thủy tinh được ứng dụng ở những lĩnh vực từ dân dụng đến
công nghiệp như:
-
Các đường ống dẫn.
-
Thân, vỏ ô tô.
-
Van, bơm đúc.
-
Thùng chứa, bể chứa.
-
Bàn ghế nhựa, ghế hồ bơi, đồ dùng nội – ngoại thất.
-
Các sản phẩm yêu cầu về tính trung tính điện.
Nhựa gia cố bằng sợi carbon được ứng dụng trong các sản phẩm yêu cầu độ
cứng cực kỳ cao và đặc biệt như:
-
Hàng khơng vũ trụ.
-
Bình áp lực.
-
Linh kiện, động cơ máy bay, tên lửa, ô tô.
22
CƠ SỞ LÝ THUYẾT - LITERATURE REVIEW
-
Vỏ thân ô tô cao cấp.
-
Dụng cụ, thiết bị cho tàu thuyền.
Vật liệu bằng nhựa aramid được ứng dụng trong các cấu trúc chịu tải trọng
và va đập.
2.3 Quy trình sản xuất vật liệu composite
Có khá nhiều cơng nghệ được ứng dụng trong gia công vật liệu composite.
Mỗi một kỹ thuật khi áp dụng sẽ đòi hỏi nhiều mức độ phức tạp khác nhau. Có 3
loại quy trình để tạo sản xuất ra vật liệu composite: đúc hở, đúc kín, đúc khn
nhựa. Trong đó, mỗi quy trình có thể được áp dụng những phương pháp khác nhau
2.3.1 Quy trình đúc hở
Vật liệu được đặt trong khn mở để khi tiếp xúc với khơng khí, chúng sẽ
cứng lại. Quy trình đúc này có chi phí thấp, được ứng dụng trong làm mẫu test hay
trong một thời gian sản xuất ngắn.
Các phương pháp đúc hở:
•
Lăn tay: Đắp cốt sợi bằng tay vào khuôn và chổi/ con lăn để qt phủ nhựa
lên. Quy trình gia cơng đơn giản, dễ chỉnh sửa thiết kế, kích thước gia cơng
từ nhỏ đến lớn.
•
Súng phun: Dùng súng cắt để cắt ngắn sợi gia cường và cho vào nhựa.
Trong quá trình phun, độ dày của sản phẩm phụ thuộc vào sự kiểm soát của
người vận hành. So với đắp tay, phun sợi có lợi hơn khi sản xuất với số
lượng lớn nhờ tính tự động hóa. Phương pháp này được ứng dụng trong chế
tạo vật liệu composite dành cho tàu thuyền, bồn chứa, thiết bị bồn tắm, phụ
kiện phịng tắm…với kích thước đa dạng.
•
Quấn sợi: Quy trình tự động sử dụng trục quay làm khn và điều khiển
bằng máy tính nên nguồn nhân lực được giảm đáng kể so với 2 phương
pháp trên. Quấn sợi tạo ra sản phẩm có một lớp phủ ở bề mặt bên trong và
lớp cán mỏng trên đường kính mặt ngồi, ứng dụng để sản xuất sản phẩm
có cấu trúc rỗng như vỏ động cơ, ống dẫn…Phương pháp sử dụng trục gá
23
CƠ SỞ LÝ THUYẾT - LITERATURE REVIEW
với kích thước và hình dáng theo yêu cầu của sản phẩm.
2.3.2 Quy trình đúc kín
Nguyên liệu nền và gia cường được đặt trong khn kín hoặc túi chân khơng
nhằm đảm bảo chúng khơng tiếp xúc với khơng khí, được áp dụng trong sản xuất
khối lượng lớn hoặc các sản phẩm yêu cầu hoàn thiện cả 2 bề mặt.
Các phương pháp đúc kín:
•
Đúc túi chân khơng: giúp loại bỏ khơng khí nên hạn chế tối đa tỉ lệ bị rỗng.
Đúc bao chân không giúp loại bỏ phần nhựa thừa, tăng kết dính cho hỗn
hợp.
•
Truyền chân không: Phương pháp tạo ra các lớp mỏng với kết cấu đồng
đều, độ bền cao và nhẹ. Quá trình thực hiện bằng cách dùng áp suất chân
không để kéo nhựa vào trong khuôn, dát mỏng, nén chặt loại bỏ nhựa thừa
và khơng khí vốn là tác nhân gây ra rỗng thành phẩm.
•
Hút chân khơng: Vật liệu gia cường được cho vào khn kín. Sau đó bơm
nhựa vào bằng áp lực. Phương pháp có thể thực hiện ở nhiệt độ phịng cịn
khn được gia nhiệt để đảm bảo thời gian chu kỳ nhanh và sự đồng nhất
của sản phẩm.
•
Ép khn: Kẹp vật liệu composite ở giữa 2 khuôn trong điều kiện nhiệt độ
và áp suất cao, ứng dụng để xử lý nhựa gia cố sợi thủy tinh và số lượng lớn.
Quy trình nhanh và tính đồng nhất sản phẩm cao, bề mặt sản phẩm đẹp.
Phương pháp tự động hóa nên chi phí nhân cơng tương đối thấp.
•
Đúc ép: Các sợi liên tục được kéo qua bể nhựa để đạt độ bão hòa. Phương
pháp dùng để tạo ra các sản phẩm vật liệu tổng hợp có dạng thanh dài kết
cấu cao như ống dẫn, trục dầm…
•
Đúc ép phản lực: Nung riêng hai hoặc nhiều loại nhựa sau đó kết hợp với
sợi thủy tinh đã nghiền nhỏ. Bơm hỗn hợp vào khuôn bằng áp suất cao và
nén lại. Phương pháp ứng dụng để sản xuất các bộ phận ô tô, tấm chắn, vỏ
lốp…
24
CƠ SỞ LÝ THUYẾT - LITERATURE REVIEW
•
Đúc ly tâm: Nền và cốt được lắng lại bên trong mặt khuôn quay. Dùng lực
ly tâm để giữ chúng cho đến khi đông lại. Phương pháp ứng dụng để sản
xuất sản phẩm rỗng như ống, bể chứa, bồn chứa…
•
Cán liên tục: Nền nhựa và cốt sợi được kẹp giữa 2 tấm, các con lăn đóng
vai trị tạo hình và cán mỏng vật liệu thành dạng tấm. Sau đó, cắt các tấm
theo khổ yêu cầu. Cán liên tục được dùng để làm vật liệu cho biển báo, tấm
xây dựng…
2.3.3 Quy trình đúc khn nhựa
Quy trình đúc hỗn hợp gồm nhựa và chất độn mà khơng có sự tham gia của
cốt sợi, được sử dụng trong sản xuất sản phẩm có hình dạng kích thước theo u
cầu, gồm 2 phương pháp:
• Đúc đá ni cấy tráng gel: Tráng một lớp gel lên bề mặt để tạo vẻ đẹp và
tăng khả năng chống mài mòn thời tiết. Lớp gel là hỗn hợp của nhựa và
chất độn khống (đá cẩm thạch, mã não, hoa cương).
• Khn đúc bề mặt rắn: Khuôn đúc là chất nền và không có phủ gel nên bề
mặt rắn, đặc đồng nhất khi thực hiện cắt, chà nhám hay kết dính. Bề mặt
rắn giúp cho việc tạo kiểu sản phẩm đa dạng và tăng vẻ đẹp về thẩm mỹ.
25
