I. Tổng Quan Về Tấm FGM Vật Liệu Tiên Tiến Cho Kiến Trúc
Vật liệu composite là sự kết hợp của hai hay nhiều thành phần khác nhau, tạo ra vật liệu mới với tính năng ưu việt hơn. Các tính năng này bao gồm độ bền, nhẹ, khả năng chịu va đập, chịu tải cơ, chịu tải nhiệt và chịu tải cơ-nhiệt. Ngày nay, vật liệu composite được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế quốc dân, từ công nghiệp dân dụng đến hàng không vũ trụ. Nghiên cứu và chế tạo vật liệu mới là một trong những thành tựu quan trọng của tiến bộ khoa học kỹ thuật. Với ưu điểm bền cơ học, đặc biệt là bền nhiệt và khả năng chống lại bức xạ nhiệt, vật liệu composite FGM được sử dụng trong xây dựng các công trình điện hạt nhân và các kết cấu trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Do đó, nghiên cứu về vật liệu và kết cấu FGM thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước.
1.1. Vật liệu composite FGM Định nghĩa và đặc điểm nổi bật
Vật liệu composite FGM là loại vật liệu được chế tạo từ hai hay nhiều loại vật liệu thành phần khác nhau. Mỗi thành phần có đặc trưng cơ – lý – hóa riêng biệt. Khi tổng hợp lại, chúng tạo ra một vật liệu mới có tính chất ưu việt như khối lượng nhẹ, độ cứng và độ bền cao, khả năng kháng nhiệt, chống ăn mòn hóa học tốt. Công dụng và đặc tính của vật liệu composite phụ thuộc chủ yếu vào ba yếu tố: vật liệu thành phần, cấu trúc phân bố của các thành phần và công nghệ chế tạo. Thay đổi một trong ba yếu tố này sẽ dẫn đến một dạng composite khác. Ví dụ, thay đổi vật liệu composite cốt sợi đồng phương 1D sang cấu trúc cốt sợi không gian 3D với thành phần ban đầu sẽ có vật liệu mới với môđun trượt cao hơn gấp 2-3 lần.
1.2. Phân loại vật liệu composite Các tiêu chí và ứng dụng thực tế
Để phân loại composite, người ta có hai cách: theo công nghệ dựa vào vật liệu nền (ví dụ: composite polymer, composite kim loại, composite gốm) hoặc theo cơ học dựa trên cấu trúc của các thành phần (ví dụ: composite cốt hạt, composite cốt sợi đồng phương, composite phân lớp). Vật liệu composite cốt hạt hoặc sợi nhỏ phân tán là một trong những mô hình cơ bản nhất của cơ học vật liệu composite. Trong đó, các hạt được đưa vào với mục đích làm tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mòn, giảm độ congót. Trong một số trường hợp, hạt dùng để giảm giá thành sản phẩm mà không làm thay đổi cơ tính của vật liệu.
II. Thách Thức Giải Pháp Ứng Dụng Tấm FGM Trong Kiến Trúc
Phân tích và tính toán kết cấu nói chung trên nền đàn hồi đã được giới thiệu trong nhiều nghiên cứu. Tuy nhiên, đến nay những nghiên cứu về kết cấu composite chức năng FGM trên nền đàn hồi chưa nhiều. Số lượng báo cáo công bố về vấn đề này trong nước hầu như chưa có. Vì thế, tác giả đã mạnh dạn tìm hiểu, nghiên cứu và mục tiêu chính của luận văn là bước đầu nghiên cứu ảnh hưởng cơ bản của nền đàn hồi đối với ổn định của tấm composite FGM chịu tải cơ và nhiệt. Thông qua kết quả tìm được, luận văn phân tích làm rõ vai trò của nền đàn hồi lên ổn định phi tuyến của tấm composite FGM, trong cả hai trường hợp: tấm phẳng và có imperfect ban đầu.
2.1. Vấn đề ổn định kết cấu FGM Tổng quan các nghiên cứu hiện tại
Ổn định của tấm composite chức năng FGM trên nền đàn hồi. Tính toán số. Qua đây, cho phép em được bày tỏ sự biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy PGS. Nguyễn Đình Đức, thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới anh Hoàng Văn Tùng, các thầy cô, các bạn đồng nghiệp trong Khoa Cơ học Kỹ thuật và Tự động hóa đã luôn cổ vũ, động viên và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn này.
2.2. Giải pháp thiết kế kiến trúc Tối ưu hóa tấm FGM trên nền đàn hồi
Các kết quả chính của luận văn là ở mục 2.4 chương 2 và chương 3, đã được trình bày và thảo luận tại hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ X”. Tác giả đã nhận được những góp ý bổ ích từ các thành viên của hội nghị để hoàn thiện. Tuy nhiên, do bước đầu tiếp cận nghiên cứu khoa học về lĩnh vực vật liệu composite chức năng FGM, chắc chắn Luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, tác giả rất mong tiếp tục nhận được những đánh giá và góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để Luận văn được hoàn thiện hơn.
III. Phương Pháp Tính Toán Mô Hình Hóa Tấm FGM Trong Kiến Trúc
Vật liệu composite FGM là loại vật liệu được chế tạo nên từ hai hay nhiều loại vật liệu thành phần khác nhau. Mỗi thành phần lại có những đặc trưng cơ – lý – hóa riêng biệt và khi tổng hợp chúng lại sẽ tạo ra một vật liệu mới nhưng đạt được các tính chất ưu việt như khối lượng nhẹ, độ cứng và độ bền cao, khả năng kháng nhiệt, chống ăn mòn hóa học tốt. Công dụng và đặc tính của vật liệu composite phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố: các vật liệu thành phần của composite, cấu trúc sự phân bố của các thành phần, và công nghệ chế tạo.
3.1. Mô hình tấm FGM trên nền đàn hồi Các yếu tố ảnh hưởng
Khi thay đổi một trong ba yếu tố này sẽ dẫn đến thay đổi sang một dạng composite khác; chẳng hạn khi thay đổi vật liệu composite cốt sợi đồng phương 1D sang cấu trúc cốt sợi không gian 3D với cùng thành phần ban đầu chúng ta sẽ có vật liệu mới với môđun trượt có thể cao hơn gấp 2-3 lần. Còn nếu là vật liệu 3D carbon-carbon thì khả năng kháng nhiệt có thể là 25000C đến 30000C. Chính nhờ những ưu điểm nổi trội mà không vật liệu tự nhiên nào có được, hiện nay, vật liệu composite đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: Y tế, Thể thao, Công nghiệp Dân dụng, Giao thông Vận tải, Xây dựng, Công nghiệp nặng, điện hạt nhân,… và đặc biệt là trong ngành hàng không Vũ trụ.
3.2. Phương trình ổn định tấm FGM Phân tích và ứng dụng thực tế
Chính nhờ có các đặc tính nổi trội của loại vật liệu mới composite mà việc khám phá vũ trụ của loài người đã thu được nhiều kết quả quan trọng và đưa ngành khoa học Vũ trụ có những bước tiến dài trong việc thực hiện mơ ước chinh phục Vũ trụ của con người. Để phân loại composite, người ta có 2 cách: Trong công nghệ có thể dựa vào vật liệu nền, gọi tên theo vật liệu nền, như vật liệu composite polymer, composite kim loại (nền là kim loại hoặc hợp kim), composite gốm và composite carbon-carbon. Nếu một trong các thành phần cấu thành nên composite có cấu trúc nano, composite khi đó được gọi là nano composite (khá phổ biến là composite nền polymer trộn các hạt nano hoặc các sợi ống nano).
IV. Ứng Dụng Thực Tế Tấm FGM Dự Án Kiến Trúc Tiêu Biểu
Trong cơ học, người ta phân loại composite theo kết cấu của các thành phần độn gia cường, theo đó có thể phân thành các loại như sau: composite cốt hạt hoặc sợi nhỏ phân tán; composite cốt sợi đồng phương, composite phân lớp, composite có cấu trúc không gian nD và composite có cấu trúc không gian nhiều pha nDm. + Vật liệu composite cốt hạt hoặc sợi nhỏ phân tán là một trong các mô hình cơ bản nhất của cơ học vật liệu composite. Trong đó các hạt được đưa vào với mục đích làm tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mòn, giảm độ congót…Trong một số trường hợp hạt dùng để giảm giá thành sản phẩm mà không làm thay đổi cơ tính của vật liệu.
4.1. Tấm ốp mặt tiền FGM Giải pháp thẩm mỹ và bền vững
Cốt hạt trong vật liệu composite phổ biến là dạng hình cầu, sợi nhỏ phân tán để tránh sự tập trung ứng suất, qua đó giảm độ nhạy của vật liệu với các vết nứt. Cốt hạt khác cốt sợi ở đặc điểm là nó không có phương ưu tiên. + Vật liệu composite cốt sợi đồng phương là mô hình vật liệu trong đó thành phần cốt là các sợi được sắp xếp theo cùng một phương (ngang, dọc hoặc xiên). Cốt sợi gồm nhiều loại như: sợi thủy tinh; sợi carbon; sợi aramit, kevla,…
4.2. Tấm lợp FGM Hiệu quả cách nhiệt và khả năng chịu lực
- Vật liệu composite phân lớp là loại vật liệu tạo nên từ nhiều lớp có tính chất khác nhau được xếp chồng lên nhau. Có thể là xơ, sợi, vải (thủy tinh, carbon,…). Mỗi lớp cần phải được chỉ rõ bản chất của sợi sử dụng, loại vật liệu làm cốt, tỷ lệ sợi theo phương dọc ngang. Việc lựa chọn sợi của các lớp vật liệu phụ thuộc vào người sử dụng sao cho thỏa mãn cao nhất tính bền, tính cứng khi chịu tải trọng. Trong đó ta thấy nếu các lớp là đồng phương sẽ cho cơ tính cao theo phương của sợi; nếu là các lớp matrix” sẽ chịu kéo kém và cần bố trí lại vùng chịu nén; nếu các lớp là vuông góc [0/90]n thì vật liệu dễ bị tách lớp; nếu vật liệu tăng cường theo cả ba phương ta sẽ được vật liệu 3D có cấu trúc không gian.
V. Độ Bền An Toàn Tiêu Chuẩn Tấm FGM Trong Xây Dựng
- Vật liệu composite có cấu trúc không gian là vật liệu composite có cốt sợi độn được hướng theo nhiều phương khác nhau trong không gian. Khác với vật liệu composite truyền thống như vật liệu composite phân lớp hay vật liệu composite cốt sợi đồng phương (1D - cốt sợi độn song song theo một phương nhất định). Composite cấu trúc không gian có độ bền, khả năng chịu lực, chịu va đập cũng như có độ cứng cao theo nhiều phương khác nhau. Rất nhiều chi tiết phức tạp của vật thể bay như bánh lái, các điểm tiếp nối, loa phụt…của tên lửa, các tấm chắn chịu lực, chịu nhiệt…của các vật thể bay được chế tạo từ vật liệu composite có cấu trúc không gian.
5.1. Khả năng chịu lực và độ bền của tấm FGM Phân tích chi tiết
Khi vật liệu composite được hướng theo n phương khác nhau trong không gian thì ta có sợi gia cường theo n phương khác nhau và ký hiệu là nD. Thực tế hiện nay đã tạo ra được vật liệu composite 3D, 4D, 6D, 9D, 11D…Nhưng các nhà cơ học đã tính toán và thấy rằng chỉ có composite 3D và 4D là có độ bền ưu việt hơn, đặc biệt composite 4D có mô đun trượt cao nhất. Khi các cốt sợi được phân bố theo quá nhiều phương, khoảng cách gần nhau của chúng dẫn đến sự tập trung ứng suất bên trong và vì vậy làm giảm độ bền của vật liệu.
5.2. Tiêu chuẩn an toàn và bảo trì tấm FGM Hướng dẫn chi tiết
Khi vật liệu nền của composite nD lại được bổ sung thêm các hạt hoặc các sợi phân tán khác nhau, khi đó composite được cấu thành từ trên 3 thành phần khác nhau, và vật liệu như vậy được ký hiệu là composite nDm. Chỉ số m được ký hiệu để hiểu là vật liệu nền đã được bổ sung thêm từ pha thứ 3. 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 thỏa mãn các điều kiện làm việc khắc nghiệt như là các vật liệu gia cường sợi SMA (shape memory alloy), vật liệu chức năng (có cơ tính biến đổi).
VI. Tương Lai Tấm FGM Xu Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Kiến Trúc
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 được cấu thành từ các vật liệu ceramic và kim loại. Vì vậy, trong Luận văn này cũng tập trung nghiên cứu sự ổn định của kết cấu tấm từ vật liệu FGM hai thành phần có cơ tính biến đổi như vậy. Vật liệu chức năng, hay còn được gọi là 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.
6.1. Vật liệu FGM thân thiện môi trường Xu hướng kiến trúc xanh
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, 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 (Hình 1) 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.
6.2. Công nghệ sản xuất tấm FGM Tiêu chuẩn và quy trình mới
Do có mô đun đàn hồi cao cùng với hệ số truyền nhiệt 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 dòn của vật liệu ceramic khi chịu nhiệt cao (xem bảng 1). Tính chất của một số vật liệu thành phần của vật liệu FGM [70] Vật liệu Các tính chất E ( N / m2 ) (0 C−1 ) K (W / mK ) (kg / m3 ) Kim loại: 70.0 10−6 204 2707 Nhôm ( Al ) Ti − 6Al − 4Ѵ 105.1 4429 Ceramic: Zirconia ( 151109 0.4 3750 9 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 10 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 hủy vật liệu và làm giảm hiệu quả làm việc của các kết cấu, đặc biệt là trong các kết cấu chịu nhiệt.
