CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN và kích thước là : chiề u dài lá nhíp 1100 mm, chiề u rô ̣ng 34 mm, chiề u dày 5,5 mm và lực tác dụng tối đa là 2465 N trong điề u kiê ̣n tải tĩnh. Nghiên cứu về thành phần vật liệu và công nghệ chế tạo sản phẩm composite loại composite polyme. Tính toán , thiết kế tối ưu một nhíp giảm xóc bằ ng vâ ̣t liê ̣u composite bằng phần mềm ANSYS. Thử nghiê ̣m chế ta ̣o nhíp giảm xóc bằng vật liệu composite sơ ̣i cacbon tẩ m sẵn.
So sánh và đánh giá kết quả. Phƣơng pháp nghiên cứu Sử du ̣ng phương pháp n ghiên cứu lý thuyết bằng cách phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành, các công bố trên các tập san , các nguồn thông tin từ internet có liên quan đế n đề tài. Ứng dụng phần mềm mô phỏng để thiết kế tối ưu nhíp giảm xóc bằng vật liê ̣u composite. Phương pháp thử nghiê ̣m chế ta ̣o nhip ́ giảm xóc bằ ng vâ ̣t liê ̣u composite và đánh giá kết quả.
12 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Cơ sở về vật liệu composite 2. Khái niệm 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 tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu. Vật liệu composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho composite có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau [20].
Ƣu và nhƣợc điểm của vật liệu composite 2. Ƣu điểm Vật liệu composite nói chung có những ưu điểm sau: - Nhẹ nhưng cứng vững, chịu va đập, uốn, kéo tốt. - Chịu hóa chất, không gỉ sét, chống ăn mòn. Đặc tính này đặc biệt thích hợp cho khí hậu vùng biển (tàu thuyền, các bồn chứa nước, bể xí tự hoại, ống nước thải, cấu kiện nhà máy hóa chất, phòng thí nghiệm…) - Chịu thời tiết chống tia tử ngoại, chống lão hóa nên rất bền (mái che, ghế sân vận động, các công trình ngoài trời…) - Cách điện, cách nhiệt tốt (thang cách điện, cấu kiện trong máy điện tử, vách cách nhiệt…) - Chịu ma sát, cường độ lực và nhiệt độ cao (vỏ máy bay, bệ phóng tên lửa và các cấu kiện khác trong hàng không, vũ trụ,… ).
Đặc tính này đặc biệt phát huy ở composite - cacbon. - Composite - thủy tinh hấp thụ sóng điện tử tốt (các vòm che rađa và các hệ thống điện tử khác). - Không thấm nước, không độc hại (bồn chứa nước, chống thấm… ) - Bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng, chí phí thấp. - Màu sắc đa dạng, đẹp, bền vì được pha ngay trong nguyên liệu.
13 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Thiết kế, tạo dáng thuận lợi, đa dạng, có nhiều công nghệ để lựa chọn. - Đầu tư thiết bị và các tổ chức sản xuất không phức tạp, không tốn kém, không ảnh hưởng môi trường, chi phí vận chuyển và sản xuất không cao [3]. Nhƣợc điểm Với những ưu điểm ta vừa đề cập trên, điều đó không có nghĩa là vật liệu composite không có những khuyết điểm so với các loại vật liệu khác, đặc biệt là kim loại. Một trong những khó khăn đó là khả năng kết nối với bộ phận làm bằng các vật liệu khác nhau.
Sự kết nối này là một vấn đề hết sức cần thiết khi sản phẩm có tính chất phức tạp và cần tích hợp các loại vật liệu khác nhau để khai thác các ưu điểm về đặt tính làm việc của từng kim loại. Đối với composite, ta biết khả năng hàn là rất kém (hay gần như là không thể). Một số cách thức kết nối khác như tán tiver, bắt bulông… cũng khó khăn hơn vấn đề kết nối giữa kim loại với kim loại rất nhiều. Do vậy, cách thức ghép nối, liên kết các bộ phận là một khó khăn lớn, không những giữa chi tiết làm bằng composite và các chi tiết làm từ các vật liệu khác [1].
Phân loại vật liệu composite Việc phân loại trong composite có thể được thực hiện theo một trong hai cách, tùy theo trường hợp cụ thể. Các cách phân loại đó là phân loại theo vật liệu nền và phân loại theo cấu trúc composite [5]. Phân loại theo pha nền Cho đến nay căn cứ vào pha nền có thể phân composite thành 4 loại như hình 2. Vật liệu composite Vật liệu Vật liệu Vật liệu Vật liệu composite composite composite composite polyme kim loại gốm cacbon Hình 2.1: Phân loa ̣i vâ ̣t liê ̣u composite theo pha nề n 14 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
Phân loại theo cấu trúc Trong cơ học, chúng ta dựa vào cấu trúc của thành phần cốt để phân loại composite hình 2. Vật liệu composite Cốt hạt Cốt sợi Conposite cấu trúc Hạt thô Hạt Liên tục Gián đoạn Lớp Tấm ba Tổ ong mịn lớp Có hướng Ngẫu nhiên Hình 2.2: Phân loa ̣i vâ ̣t liê ̣u composite theo cấ u trúc 2. Cấ u ta ̣o vật liệu composite 2. Thành phần cốt Cốt là pha không liên tục, đóng vai trò tạo nên độ bền và mô đun đàn hồi cao cho composite.
Các thành phần cốt của vật liệu composite phải thỏa mãn được những đòi hỏi về khai thác và công nghệ. Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi như yêu cầu về độ bền, độ cứng, khối lượng riêng, độ bền trong một khoảng nhiệt độ nào đó, bền trong môi trường axit, kiềm… còn đòi hỏi về công nghệ đó là những đòi hỏi về khả năng công nghệ để sản xuất ra các thành phần cốt và những vật liệu composite trên cơ sở những cốt này. Hiện nay, với các vâ ̣t liê ̣u composite polyme có pha nề n là nhựa tổ ng hơ ̣p, các cốt thường là vải hay sợi thủy tinh, sơ ̣i cacbon (hình 2. Trên thực tế, thành phần cốt luôn chiếm không quá 60 - 65% thể tích của vật liệu composite.
Theo tính toán, nếu thành phần cốt chiếm quá liều lượng trên giữa chúng sẽ nảy sinh tương tác dẫn đến sự tập trung ứng suất làm giảm sức bền của vật liệu. 15 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sợi thủy tinh Sợi thủy tinh được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu composite polyme. Ưu điểm của sợi thủy tinh là nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với tác động hóa sinh, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp. Sợi thủy tinh có hai dạng điển hình: sợi dài (dạng chỉ) và sợi ngắn.
Thông thường chúng có dạng hình trụ tròn. Công nghệ sản xuất tất cả các loại sợi thủy tinh là kéo sợi từ dung dịch nóng chảy. Có ba phương pháp chính để sản xuất ra sợi thủy tinh: Kéo sợi từ dung dịch nóng chảy qua khuôn. Kéo sợi từ những phôi thủy tinh được sấy nóng.
Nhận được những sợi ngắn từ các tia dung dịch nóng chảy bằng cách thổi không khí, hơi, gas… Quá trình một giai đoạn kéo sợi thủy tinh thực chất là từ những thành phần cơ bản như cát thạch anh, đá vôi, axit bor, đất sét, than,… được trộn theo một tỷ lệ hợp lý, sau đó nung nóng ở nhiệt độ cao vào khoảng 12600C. Dung dịch thủy tinh nóng chảy rót trực tiếp vào bộ phận khuôn kéo sợi được chế tạo từ platin. Dưới áp lực, dung dịch thủy tinh chảy qua những lỗ nhỏ của khuôn đường kính thông thường từ 0,8 - 3 mm và khi qua buồng lạnh được kéo thành sợi có đường kính khoảng từ 3 - 19 μm với vận tốc 20 - 50 m/giây, sau đó được hồ. Sợi thủy tinh nhận được như vậy là những sản phẩm sợi thô.
Thường để xoắn bệnh thành chỉ, dệt thành vải cho các công đoạn tiếp theo. Đặc trưng cơ lý hóa của sợi thủy tinh phụ thuộc chủ yếu vào các nguyên liệu thành phần dùng để kéo thành sợi Sợi thủy tinh có những ưu điểm nổi trội là giá thành rẻ, chúng được dùng rộng rãi trong sản xuất composite polyme, để chế tạo các tàu tải trọng nhỏ, thuyền, xuồng, canô, thân vỏ tàu, các ống dẫn dầu cánh quạt trong của tubin của nhà máy thủy điện… và rất nhiều sản phẩm tiêu dùng thông thường khác. 16 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sợi cacbon Từ vài thập niên gần đây một loại sợi mới có cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi rất cao đã phát triển, đó là sợi cacbon. Chính xác hơn, đây là sợi graphit hay là sợi cacbon được graphit hóa.
Với ưu điểm như rất nhẹ (với khối lượng riêng 2g/cm3), chịu được nhiệt độ lên đến vài ngàn độ trong môi trường trơ, hệ số ma sát và dãn nở nhiệt thấp, rất bền với nhiều điều kiện khí hậu và các phản ứng hóa học, đặc biệt có độ cứng rất cao. Sợi cacbon được chế tạo theo công nghệ hiện nay, tuy có mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo thấp hơn lý thuyết nhưng vẫn là rất cao: E = 650. Tuy nhiên công nghệ chế tạo sợi cacbon lại rất đắt tiền, vì thế sản lượng trên thế giới còn rất khiêm tốn. Với những đặc tính ưu việt của sợi cacbon, hiện nay nó được áp dụng chủ yếu cho ngành vũ trụ, hàng không (tên lửa, vệ tinh, máy bay,…) a.
Sợi thủy tinh b. Sợi cacbon Hình 2.3: Các loại sợi được đan vào nhau thành những phiến vải. Vật liệu nền Là pha liên tục đóng vai trò liên kết toàn bộ phần tử cốt thành một khối composite thống nhất. Vật liệu nền giữ vai trò quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu composite, sẽ xác định vật liệu composite mới tạo ra chịu được đến nhiệt độ nào.
Vật liệu nền cũng quyết định khả năng chịu đựng của vật liệu composite với tác động của môi trường, tác động hóa học và quyết định một phần tính chất cơ học, vật lý, điện và những đặc tính khác của vật liệu composite nói chung. 17 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Vật liệu nền phải có độ cứng cần thiết để đảm bảo cho composite chịu được tải, nhất là khi tải không tác động theo phương của các sợi cốt, phải đảm bảo được sự làm việc hài hòa của các thành phần cốt, đặc biệt là đảm bảo cho composite có tính liên tục, “nguyên khối” cho đến khi cốt bên trong chưa bị phá hủy. Chính vì vậy, việc lựa chọn vật liệu nền là một trong những nhiệm vụ quan trọng đầu tiên trong sản xuất vật liệu composite. Đối với composite polyme, vật liệu nền thường sử dụng là nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo.