Chương 1 Tổng quan 1. Vật liệu composite có cơ tính biến đổi Vật liệu composite là loại vật liệu được cấu thành từ hai hoặc nhiều loại vật liệu thành phần khác nhau nhằm đạt được các tính chất ưu việt như khối lượng nhẹ, độ cứng và độ bền cao, khả năng kháng nhiệt, chống ăn mòn hoá học tốt,. Gần đây một số loại vật liệu composite có các chức năng thông minh đã ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong việc chế tạo các kết cấu hiện đại và thoả mãn các điều kiện làm việc khắc nghiệt như là các vật liệu gia cường sợi SMA (shape memory alloy), vật liệu có cơ tính biến đổi. Các vật liệu có cơ tính biến đổi này có thể cấu thành từ một số vật liệu thành phần như vật liệu nền, các hạt, các sợi,.
có cơ tính khác nhau và các tính chất vật liệu hiệu dụng của chúng có thể được xác định bằng phương pháp tiếp cận vi mô (micromechanical approach) như được trình bày trong các tài liệu [23, 68, 124]. Tuy nhiên, từ nguồn tài liệu mở có thể thấy loại vật liệu có cơ tính biến đổi điển hình và được quan tâm nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây là vật liệu composite hai thành phần có cơ tính biến đổi được cấu thành từ các vật liệu ceramic và kim loại. Luận án này cũng chỉ tập trung nghiên cứu sự ổn định của các kết cấu tấm và vỏ làm từ vật liệu composite hai thành phần có cơ tính biến đổi. Vật liệu có cơ tính biến đổi với tên quốc tế là Functionally Graded Material và thường được viết tắt phổ biến là FGM đã được phát triển và đặt tên bởi một nhóm các nhà khoa học vật liệu ở Viện Sendai của Nhật Bản vào năm 1984 [36, 83, 119].
Vật liệu này là một loại composite thế hệ mới, composite thông minh, ra đời như là kết quả của những đòi hỏi thực tế về một loại vật liệu có thể khắc phục được những nhược điểm của các loại kim loại truyền thống và các composite thông thường như vật liệu composite nền polymer - cốt sợi trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đặc biệt là trong các kết cấu chịu nhiệt độ cao. Vật liệu có cơ tính biến đổi loại này được tạo thành từ hai loại vật liệu thành phần là ceramic và kim loại trong đó tỷ lệ thể tích của mỗi thành phần biến đổi (graded) một cách trơn và liên tục từ mặt này sang mặt kia theo chiều dày thành kết cấu cho phù hợp với thế mạnh đặc trưng của các vật liệu thành phần. Do có mô đun đàn hồi E cao cùng với hệ số truyền nhiệt K và hệ số dãn nở nhiệt rất thấp nên thành phần ceramic làm cho vật liệu có cơ tính biến đổi có độ cứng cao và khả năng kháng nhiệt rất tốt. Trong khi đó thành phần kim loại làm cho vật liệu có cơ tính biến đổi trở nên mềm dẻo hơn, bền hơn và khắc phục sự rạn nứt có thể xảy ra do tính giòn của vật liệu ceramic khi chịu nhiệt cao (xem bảng 1.
Tính chất của một số vật liệu thành phần của vật liệu FGM [135] Vật liệu Các tính chất E ( N / m2 ) (o C 1 ) K (W / mK ) (kg / m3 ) Kim loại: Nhôm ( Al ) 70.4 3750 Điều đặc biệt là các thành phần vật liệu biến đổi một cách trơn và liên tục từ mặt này sang mặt kia theo chiều dày thành kết cấu nên các vật liệu có cơ tính biến đổi tránh được các nhược điểm thường gặp trong các loại composite nền – sợi thông thường như là sự bong tách giữa các lớp hoặc các pha vật liệu, sự đứt gãy các sợi và sự tập trung ứng suất cao trong vật liệu, những điều có thể gây phá huỷ vật liệu và làm giảm hiệu quả làm việc của các kết cấu, đặc biệt là trong các kết cấu chịu nhiệt. Đối với vật liệu composite hai thành phần có cơ tính biến đổi tạo thành từ sự kết hợp của kim loại và ceramic, tỷ lệ thể tích của các thành phần vật liệu được giả thiết biến đổi theo chiều dày thành kết cấu h theo một hàm luỹ thừa của biến chiều dày z như sau [31-33, 35, 39, 40, 81-83, 85-90, 96-99, 102-105, 129-136] 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1) 2h trong đó k là một số không âm được gọi là chỉ số tỷ lệ thể tích (volume fraction index) có thể được chọn để tối ưu ứng xử của kết cấu và các chỉ số dưới c và m để chỉ thành phần ceramic và kim loại (metal) tương ứng. Rõ ràng giá trị k 0 tương ứng với trường hợp kết cấu đồng nhất đẳng hướng được làm từ vật liệu ceramic, k 1 là trường hợp các thành phần ceramic và kim loại phân bố tuyến tính qua chiều dày thành kết cấu và khi k tăng thì tỷ lệ thể tích của thành phần ceramic trong kết cấu giảm (xem hình 1. bÒmÆ t giµu kim lo¹ i h/2 x h/2 t giµu ceramic bÒmÆ z Hình 1.
Mô hình kết cấu làm từ vật liệu Hình 1. Sự biến đổi của tỷ lệ ceramic có cơ tính biến đổi FGM. qua chiều dày thành kết cấu. Các tính chất hiệu dụng Peff của vật liệu có cơ tính biến đổi xác định theo quy tắc hỗn hợp sau đây Peff ( z ) Prc Vc ( z) Prm Vm ( z) (1.2) trong đó Pr ký hiệu một tính chất cụ thể của vật liệu như mô đun đàn hồi E , hệ số dãn nở nhiệt hoặc hệ số truyền nhiệt K .2) ta nhận được biểu thức sau đây của các tính chất hiệu dụng 2z h k Peff ( z ) Prc Prm Prm .3) 2h 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Theo phân bố luật luỹ thừa này thì mặt z h / 2 của kết cấu là ceramic thuần tuý và mặt z h / 2 là kim loại thuần tuý và tính chất vật liệu hiệu dụng biến đổi một cách liên tục, trơn từ mặt này sang mặt kia theo chiều dày kết cấu.
Do tính chất kháng nhiệt ưu việt, các vật liệu có cơ tính biến đổi là sự lựa chọn lý tưởng khi kết cấu làm việc trong những môi trường nhiệt độ rất cao hoặc chịu sự truyền nhiệt lớn như các phần tử kết cấu của máy bay, tàu vũ trụ, tên lửa, lò phản ứng hạt nhân, các thiết bị thí nghiệm, luyện kim,. Hiện nay, các vật liệu có cơ tính biến đổi được phát triển để sử dụng phổ biến trong nhiều ngành kỹ thuật khác nhau như điện tử, quang học, hoá học,. Công nghệ chế tạo của loại vật liệu với cơ tính biến đổi trơn và liên tục này có thể tham khảo trong [36, 119]. Các nghiên cứu về các kết cấu FGM Để cho ngắn gọn cách diễn đạt, trong khuôn khổ luận án này cụm từ “vật liệu composite có cơ tính biến đổi” sẽ được viết tắt là FGM (Functionally Graded Material) và các kết cấu (tấm, vỏ, panel) được chế tạo từ vật liệu composite có cơ tính biến đổi sẽ được gọi tắt là các kết cấu (tấm, vỏ, panel) FGM.
Kể từ khi ra đời năm 1984 FGM đã nhận được sự quan tâm của đông đảo các nhà khoa học trong các lĩnh vực vật lý, hoá học, vật liệu và đặc biệt là các nhà cơ học vật liệu và cơ học kết cấu. Từ các tài liệu nghiên cứu được xuất bản có thể thấy, trong khoảng hơn 10 năm sau khi loại vật liệu này ra đời, các nghiên cứu về nó chủ yếu tập trung vào khía cạnh tối ưu hoá vật liệu [72], tức là nghiên cứu xem ở mức độ phân bố tỷ lệ thể tích các thành phần như thế nào thì sự tập trung ứng suất là nhỏ nhất và chịu nhiệt tốt nhất, và công nghệ chế tạo vật liệu [36, 119]. Sau đó trong khoảng năm năm cuối của thế kỷ trước đã xuất hiện một số phân tích tĩnh và động đầu tiên của các kết cấu FGM. Từ đầu thế kỷ này đến nay các nghiên cứu về dao động, ổn định tĩnh (các ứng xử vồng và trạng thái làm việc sau khi vồng của kết cấu), ổn định động lực học của các kết cấu FGM xuất hiện nhiều hơn.
Hiện nay tình hình nghiên cứu về ứng xử của các kết cấu FGM vẫn đang diễn ra rất sôi động, điều này xuất phát từ nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều của loại vật liệu này trong các ngành công nghiệp 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hiện đại. Có thể nói rằng sự xuất hiện của loại composite thế hệ mới này đã đặt ra cho các nhà cơ học kết cấu những bài toán mới cần được giải quyết. Một số vấn đề chính đã được quan tâm nghiên cứu về ứng xử của các kết cấu FGM trong hơn 20 năm qua được nhìn lại trong các phần dưới đây, trong đó sự phân chia các chủ đề nghiên cứu cụ thể chỉ mang tính tương đối. Phân tích tĩnh và động các kết cấu FGM Các bài toán phân tích tĩnh và động kết cấu tấm, vỏ làm từ vật liệu phân lớp truyền thống đã được mở rộng cho các kết cấu FGM, đồng thời ảnh hưởng của nhiệt độ lên các tính chất vật liệu và ứng xử cơ - nhiệt của kết cấu FGM đã được xét đến.
Reddy và các cộng sự trong nhóm nghiên cứu của ông ấy đã trình bày các nghiên cứu về phân tích ứng xử tĩnh và động các tấm và vỏ trụ FGM [80-83]. Họ đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và các lý thuyết biến dạng trượt bậc nhất [81, 83] và biến dạng trượt bậc cao [80, 82] để phân tích ứng suất và độ võng của các tấm và vỏ trụ chịu tải ngang phân bố đều, nhiệt độ và tải cơ - nhiệt tác dụng đồng thời. Trong các công trình này các nhà nghiên cứu cũng đã xét sự phân bố nhiệt độ trong tấm theo thời gian trong bài toán truyền nhiệt không dừng, tương tác cơ - nhiệt trong kết cấu khi kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ lên các tính chất vật liệu. Ngoài ra ảnh hưởng của sự phân bố vật liệu (chỉ số k ), biến dạng trượt, các tham số hình học của kết cấu và tính phi tuyến hình học theo nghĩa Von Karman, tức là biến dạng nhỏ và độ võng nhỏ vừa, cũng đã được xem xét trong các nghiên cứu này.
Arciniega và Reddy [6] đã phân tích độ võng của các tấm và vỏ chịu các mô men uốn ở cạnh và tải cơ bằng phương pháp phần tử hữu hạn.