Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu composite đã trở thành một trong những vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại nhờ các đặc tính vượt trội như trọng lượng nhẹ, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt. Tại Việt Nam, lượng nhựa sử dụng để sản xuất composite đạt khoảng 5.000 tấn mỗi năm, cho thấy mức độ ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giao thông vận tải, hàng hải, quốc phòng và xây dựng. Tuy nhiên, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chế tạo, đặc biệt là phương pháp VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) và tỷ lệ sợi gia cường đến cơ tính của vật liệu composite vẫn còn hạn chế.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu độ bền kéo, mô đun đàn hồi kéo, độ bền uốn và mô đun đàn hồi uốn của vật liệu composite chế tạo bằng phương pháp VARTM, sử dụng sợi thủy tinh dạng tấm (chopped strand mats) và dạng lưới (woven roving) với các tỷ lệ sợi khác nhau. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật liệu composite nền nhựa polyester không no, chế tạo và thử nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong năm 2016. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất composite chất lượng cao, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả ứng dụng trong công nghiệp cơ khí và các ngành liên quan.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản về vật liệu composite, bao gồm:

  • Cấu trúc composite: Vật liệu composite gồm pha nền liên tục và pha cốt gián đoạn, trong đó pha cốt chịu ứng suất chính và pha nền liên kết các thành phần lại với nhau.
  • Phân loại composite: Theo pha nền (polymer nhiệt rắn, nhiệt dẻo, kim loại, ceramic) và theo dạng cốt (sợi, hạt, vải).
  • Cơ học vật liệu composite: Tập trung vào các đặc tính cơ lý như độ bền kéo, mô đun đàn hồi kéo, độ bền uốn và mô đun đàn hồi uốn, được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D3039.
  • Công nghệ VARTM: Phương pháp chế tạo composite bằng cách hút chân không để đưa nhựa vào khuôn chứa cốt sợi, giúp giảm bọt khí, tăng chất lượng bề mặt và cơ tính sản phẩm.
  • Tỷ lệ sợi gia cường (Vf): Là tỷ lệ thể tích sợi trong composite, ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính vật liệu, được tính toán dựa trên tỷ trọng của sợi, nền và composite.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, sách giáo trình, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, đồng thời thực hiện thí nghiệm chế tạo và kiểm tra mẫu composite.
  • Thiết kế và chế tạo mẫu: Mẫu thử được thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM D3039, gồm mẫu chịu kéo và mẫu chịu uốn, sử dụng khuôn 2 tấm để đảm bảo độ kín và thuận tiện trong quá trình sản xuất.
  • Vật liệu sử dụng: Sợi thủy tinh dạng chopped strand mats và woven roving làm cốt, nhựa polyester không no làm nền, chất đóng rắn MEKP.
  • Quy trình chế tạo: Thực hiện theo phương pháp VARTM với các bước chuẩn bị, phun nhựa, lưu hóa và tách khuôn.
  • Thí nghiệm cơ tính: Đo độ bền kéo, mô đun đàn hồi kéo, độ bền uốn và mô đun đàn hồi uốn trên các mẫu composite với tỷ lệ sợi khác nhau.
  • Phân tích dữ liệu: Sử dụng phương pháp thống kê toán học để xử lý kết quả, xây dựng các phương trình đặc trưng mô tả ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến cơ tính composite.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2016 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, bao gồm giai đoạn thiết kế, chế tạo mẫu, thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến độ bền kéo: Độ bền kéo của composite cốt woven roving fiberglass tăng từ khoảng 80 MPa lên đến 150 MPa khi tỷ lệ sợi gia cường tăng từ 30% đến 50%. Tương tự, composite cốt chopped strand mat fiberglass có độ bền kéo tăng từ 60 MPa lên 110 MPa trong cùng khoảng tỷ lệ sợi.
  2. Mô đun đàn hồi kéo: Mô đun đàn hồi kéo của composite cốt woven roving fiberglass đạt giá trị cao hơn 25% so với composite cốt chopped strand mat fiberglass ở tỷ lệ sợi 45%, với giá trị lần lượt khoảng 12 GPa và 9.5 GPa.
  3. Độ bền uốn và mô đun uốn: Composite cốt woven roving fiberglass có độ bền uốn trung bình 140 MPa, cao hơn 20% so với composite cốt chopped strand mat fiberglass. Mô đun uốn cũng cho thấy xu hướng tương tự, với giá trị tăng theo tỷ lệ sợi gia cường.
  4. Phương trình đặc trưng: Các phương trình toán học được xây dựng mô tả mối quan hệ tuyến tính giữa tỷ lệ sợi và các chỉ số cơ tính như độ bền kéo, mô đun đàn hồi kéo, độ bền uốn và mô đun uốn, giúp dự đoán cơ tính composite theo tỷ lệ sợi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt cơ tính giữa hai loại cốt sợi là do cấu trúc và hướng phân bố sợi. Woven roving có hướng sợi định hướng rõ ràng, giúp truyền tải lực hiệu quả hơn so với chopped strand mats có sợi phân bố ngẫu nhiên. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy sự phân bố và hướng sợi ảnh hưởng lớn đến cơ tính composite.

Biểu đồ so sánh độ bền kéo và mô đun đàn hồi kéo minh họa rõ ràng sự vượt trội của composite cốt woven roving ở các tỷ lệ sợi cao. Ngoài ra, ảnh SEM cho thấy cấu trúc liên kết giữa sợi và nền nhựa ở các mẫu có số lớp sợi khác nhau, giúp giải thích cơ chế tăng cường cơ tính khi tăng tỷ lệ sợi.

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy phương pháp VARTM giúp giảm thiểu bọt khí, tăng độ đồng nhất của vật liệu, từ đó nâng cao cơ tính so với các phương pháp truyền thống như đắp tay. Điều này khẳng định tính ưu việt của công nghệ VARTM trong sản xuất composite chất lượng cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỷ lệ sợi gia cường: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ sợi từ 45% đến 50% để đạt được cơ tính tối ưu cho composite cốt woven roving fiberglass, nhằm nâng cao độ bền kéo và uốn trong các ứng dụng cơ khí.
  2. Ứng dụng công nghệ VARTM rộng rãi: Đề xuất các doanh nghiệp và nhà máy sản xuất composite áp dụng phương pháp VARTM để cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm bọt khí và tăng tính đồng nhất, với mục tiêu nâng cao chỉ số cơ tính ít nhất 15% trong vòng 1-2 năm.
  3. Nghiên cứu mở rộng về các loại sợi khác: Khuyến khích nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của các loại sợi khác như sợi carbon, sợi aramid trong công nghệ VARTM để đa dạng hóa sản phẩm composite, hướng tới các ứng dụng đòi hỏi cơ tính cao hơn.
  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật VARTM cho kỹ sư và công nhân trong ngành cơ khí, nhằm nâng cao năng lực sản xuất composite chất lượng cao, dự kiến thực hiện trong 6 tháng tới tại các trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, vật liệu: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm chi tiết về vật liệu composite và công nghệ VARTM, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.
  2. Doanh nghiệp sản xuất composite và linh kiện cơ khí: Thông tin về ảnh hưởng tỷ lệ sợi và phương pháp chế tạo giúp cải tiến quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí.
  3. Các kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm: Dữ liệu về cơ tính composite giúp lựa chọn vật liệu phù hợp cho các chi tiết máy, kết cấu chịu lực trong các ngành ô tô, hàng hải, hàng không.
  4. Cơ quan quản lý và đào tạo kỹ thuật: Tài liệu tham khảo để xây dựng chương trình đào tạo, chính sách phát triển công nghệ vật liệu composite trong nước, góp phần nâng cao năng lực công nghiệp quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp VARTM có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Phương pháp VARTM giúp giảm bọt khí trong sản phẩm, tăng chất lượng bề mặt và cơ tính, đồng thời tiết kiệm nguyên liệu và nhân công so với phương pháp đắp tay truyền thống.

  2. Tỷ lệ sợi gia cường ảnh hưởng như thế nào đến cơ tính composite?
    Tỷ lệ sợi gia cường càng cao thì độ bền kéo, mô đun đàn hồi kéo, độ bền uốn và mô đun uốn của composite càng tăng, tuy nhiên cần kiểm soát để tránh hiện tượng phân nhóm sợi gây khuyết tật.

  3. Loại sợi nào cho cơ tính composite tốt hơn: woven roving hay chopped strand mats?
    Woven roving có hướng sợi định hướng rõ ràng nên cho cơ tính tốt hơn so với chopped strand mats có sợi phân bố ngẫu nhiên, đặc biệt ở các chỉ số độ bền kéo và mô đun đàn hồi.

  4. Nhựa polyester không no có những ưu điểm gì khi làm nền composite?
    Nhựa polyester không no có khả năng đóng rắn nhanh, chi phí thấp, cơ tính tốt và dễ gia công, phù hợp với nhiều ứng dụng trong sản xuất composite.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này vào sản xuất công nghiệp không?
    Hoàn toàn có thể, kết quả nghiên cứu cung cấp các phương trình đặc trưng và quy trình chế tạo mẫu thực nghiệm, giúp doanh nghiệp tối ưu hóa sản xuất composite chất lượng cao bằng công nghệ VARTM.

Kết luận

  • Đã nghiên cứu và xác định được ảnh hưởng rõ rệt của tỷ lệ sợi gia cường và hướng sợi đến các đặc tính cơ học của vật liệu composite chế tạo bằng phương pháp VARTM.
  • Composite cốt woven roving fiberglass cho độ bền kéo và mô đun đàn hồi cao hơn so với composite cốt chopped strand mats ở cùng tỷ lệ sợi.
  • Phương pháp VARTM giúp nâng cao chất lượng sản phẩm composite, giảm bọt khí và tăng tính đồng nhất so với phương pháp đắp tay.
  • Các phương trình đặc trưng về cơ tính composite theo tỷ lệ sợi được xây dựng, hỗ trợ dự đoán và thiết kế sản phẩm composite trong thực tế.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ VARTM trong sản xuất công nghiệp, đồng thời đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật để phát triển ngành vật liệu composite tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong sản xuất thực tế và tiếp tục nghiên cứu mở rộng về các loại sợi và vật liệu nền mới nhằm nâng cao hiệu quả và đa dạng hóa sản phẩm composite.