Chương 1 của luận án tập trung vào phần tổng quan về các vấn đề nghiên cứu liên quan đến đề tài. Bao gồm: Sơ lược về vật liệu composite sandwich. Giới thiệu về lý thuyết truyền âm. Giới thiệu các công trình nghiên cứu trên thế giới về tổn thất truyền âm.
Giới thiệu các phương pháp xác định tổn thất truyền âm. Nhận xét và lựa chọn phương pháp nghiên cứu phù hợp với nội dung của luận án. Giới thiệu về vật liệu composite sandwich Ngày nay, trong tất cả các ngành công nghiệp, vật liệu là yếu tố đóng vai trò quan trọng nhất để tạo ra những chi tiết, sản phẩm nhất định. Vật liệu quyết định tới thiết kế, thi công và giá thành của sản phẩm.
Vật liệu kim loại và phi kim là những vật liệu được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Gần đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã tạo ra thêm một số vật liệu mới như vật liệu polymer, vật liệu nano, vật liệu bio, vật liệu composite, vật liệu composite sandwich,… Trên thế giới, vật liệu composite sandwich đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hàng không, kỹ thuật xây dựng, các dụng cụ thể thao, tàu thủy,. do tính hiệu quả không những về mặt độ bền mà cả về mặt kinh tế, thẩm mỹ,. Khái niệm, cấu tạo Vật liệu composite sandwich là vật liệu gồm hai lớp da mỏng có độ bền cao liên kết với lớp lõi dày nằm ở giữa.
Thông thường lớp da có độ cứng cao, lớp lõi tương đối mềm và linh hoạt, khi các lớp này kết hợp với nhau sẽ tạo ra vật liệu composite sandwich có độ bền cao (nhất là khả năng chịu uốn và cắt) và trọng lượng nhẹ (hình 1. Với những đặc tính ưu việt của vật liệu composite sandwich: chống rung, chống uốn, cách nhiệt, cách âm tốt,. tại Việt Nam, trong những năm gần đây, vật liệu này đã được ứng dụng vào trong chế tạo các kết cấu tàu thủy như: ca bin, buồng máy, mặt boong và một số chi tiết khác trên tàu thủy. Độ kết dính của lớp da và lớp lõi là tiêu chí quan trọng cho việc chịu tải và nâng cao cơ tính của vật liệu composite sandwich.
7 Trong quá trình tính toán thiết kế, vật liệu composite sandwich phải đáp ứng một số các tiêu chí về cấu trúc như: lớp da đủ dày để chịu được tải trọng kéo, nén và biến dạng. Lớp lõi cần đủ dày và có mô đun cắt đủ lớn để chống uốn cho toàn bộ tấm sandwich khi chịu tải trọng uốn. Cấu trúc vật liệu composite sandwich cần phù hợp để tránh gây ra hiện tượng độ võng vượt quá giới hạn khi chịu tác dụng của tải. Cấu tạo vật liệu composite sandwich [136] Chiều dày lớp lõi có thể dày gấp nhiều lần chiều dày lớp da tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật của nhà chế tạo [47].
Phân loại Tùy theo cấu tạo, kết cấu, vật liệu thành phần sẽ tạo ra các loại vật liệu sandwich khác nhau. Lớp da có thể là vật liệu composite sandwich, hợp kim nhôm, hợp kim titan hoặc có thể là thép không gỉ, hợp kim kim loại chịu nhiệt [46]. Cơ tính riêng của một số vật liệu thường gặp [12], [47] Vật liệu Mô đun Ứng suất Khối lượng Mô đun Độ bền đàn hồi phá hủy riêng (kg/m3) riêng riêng (GPa) (MPa) (MNm/kg) (kNm/kg) Thép 210 340 - 2100 7800 26,9 43 - 270 Hợp kim nhôm 70 140 - 620 2700 25,9 52 - 230 Gỗ 30 - 390 33,3 - Thủy tinh 70 700 - 2100 2500 28 280 - 840 Vật liệu lõi được sử dụng thường là các loại vật liệu nhẹ như gỗ balsa, foam – PU,…và dạng rỗng như lõi tổ ong, lõi lượn sóng v. Cơ tính riêng của một số vật liệu lõi thường gặp [47] Vật liệu lõi Trọng lượng riêng Modul cắt Độ bền cắt (MPa) (MPa) PVC foam 0,075 25 0,8 PVC foam 0,13 40 1,9 PVC foam 0,19 50 2,4 PU foam 0,10 10 0,6 PU foam 0,19 30 1,4 Foam dạng tấm 0,4 430 - Foam dạng tấm 0,8 1000 21 Gỗ balsa 0,10 110 1,4 Gỗ balsa 0,18 300 2,5 Lõi nhôm dạng tổ ong* 0,07 455/205 2,2/1,4 Lõi nhôm dạng tổ ong * 0,13 895/365 4,8/3,0 Lõi GRP dạng tổ ong* 0,08 117/52 2,3/1,4 Lõi aramid dạng tổ ong 0,065 53/32 1,7/1,0 * : Giá trị theo phương dọc và phương ngang của lõi tổ ong hình lục giác Hình 1.
Các dạng lõi của vật liệu composite sandwich [136] (a) Vật liệu composite sandwich lõi gỗ balsa; (b) Vật liệu composite sandwich lõi tổ ong; (c) Vật liệu composite sandwich lõi dạng sóng. Trong vật liệu composite sandwich, nếu lớp da giống hệt nhau cả về chiều dày và đặc trưng vật liệu, được gọi là vật liệu composite sandwich đối xứng. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp cụ thể các lớp da trên và da dưới có thể khác nhau cả về chiều dày và đặc trưng vật liệu tùy từng điều kiện tải và môi trường làm việc. Dạng vật liệu này gọi là vật liệu composite sandwich bất đối xứng.
Phạm vi ứng dụng Vật liệu composite sandwich đã được sử dụng rộng rãi trong ngành ô tô, hàng không vũ trụ, tàu thuyền và các ứng dụng trong kỹ thuật dân sự bởi chúng có độ cứng uốn tốt và trọng lượng nhẹ, do đó làm giảm đáng kể mức tiêu hao nhiên liệu. Ngoài ra, vật liệu composite sandwich còn có khả năng hấp thụ năng lượng khi chịu va đập, vì vậy nó càng được ưa chuộng trong các ngành công nghiệp hiện nay. Trong ngành hàng không vũ trụ, vật liệu composite sandwich đã được sử dụng trong các kết cấu tàu con thoi, chúng cũng được sử dụng trong các máy bay quân sự và thương mại. Hải quân Mỹ và và Hải quân Hoàng gia Thụy Điển đã sử dụng vật liệu này để làm vách ngăn nhằm giảm trọng lượng của tàu.
Không những thế, đầu máy xe lửa cũng được thiết kế bằng vật liệu composite sandwich để chống lại các sóng áp lực. Hơn nữa, vật liệu composite sandwich còn được sử dụng trong xe buýt, thuyền buồm, thuyền đua, xe đua, ván trượt tuyết, ván trượt nước và canô mang lại hiệu quả rất cao về thẩm mỹ, chất lượng và kinh tế,…[122]. Vật liệu composite sandwich dùng trong tàu thủy Vật liệu composite sandwich dùng trong tàu thủy là loại vật liệu trong đó lớp da thông thường được chế tạo từ vật liệu thành phần là sợi thủy tinh và nhựa nền polyester không no, lõi là foam - PU, Divinycell, Sphere,. Vật liệu này có trọng lượng nhẹ, có khả năng chịu uốn, cắt cao (hình 1.
Vật liệu composite sandwich lõi foam - PU Lớp da composite có thể cấu tạo từ sợi CSM, vải thủy tinh, sợi cacbon, sợi kevlar-aramid kết hợp với nhựa polyester, nhưa epoxy, nhựa vinylester. Sự kết hợp của các vật liệu da và lõi khác nhau sẽ có được vật liệu composite sandwich có cơ tính khác nhau. Sự cải tiến về mặt độ cứng và sức bền khi thay đổi kết cấu [47] Quan hệ Lớp da (t) Chiều dày lớp lõi (t) Chiều dày lớp lõi (3t) Độ cứng uốn (D) 1 7 37 Độ bền uốn 1 3,5 9,2 Trọng lượng 1 1,03 1,06 1. Vật liệu lớp da Là tổ hợp ít nhất từ hai vật liệu có bản chất khác nhau.
Vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần khi xét riêng rẽ. Lớp da bao gồm một thành phần liên tục gọi là vật liệu nền (nhựa polymer) và các thành phần cốt (sợi thủy tinh các loại). Vật liệu nền có tác dụng phối hợp sự làm việc hài hoà của toàn khối composite, phân bố lại nội lực, chịu các tác động lý-hoá của môi trường; thành phần cốt có tác dụng làm cho composite trở nên cứng hơn, khả năng chống lại biến dạng không đàn hồi, giảm sự phát triển của vết nứt và các khuyết tật trong vật liệu,. Do đó, lớp composite có tính chất: nhẹ, bền với các tác động vật lý, hoá học, khả năng chống ăn mòn cao, phù hợp với công nghệ kỹ thuật hiện đại.
Vật liệu composite sandwich Thông thường, lớp da có độ dày khoảng từ 0,25mm đến 40mm tùy theo đặc điểm thiết kế cụ thể. Lớp da bằng vật liệu composite được thiết kế linh hoạt, tùy ý tạo hình dáng và chiều dày tại các vị trí kết cấu khác nhau của sản phẩm. Ngoài ra, lớp da còn có tính “trơ” với môi trường, giá thành và chi phí đầu tư hợp lý. Chính vì vậy mà vật liệu composite là vật liệu thành phần được lựa chọn để tạo ra vật liệu composite sandwich dùng trong đóng tàu và một số lĩnh vực khác.
Nhựa Polymer Nhựa Polymer được sử dụng để sản xuất vỏ tàu là nhựa nhiệt rắn, chủ yếu là nhựa polyester không no. Nhựa polyester này chiếm khoảng 40-60% trọng lượng của vật liệu composite. Có hai loại polyester chính thường sử dụng trong công nghệ composite: Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi và nhựa isophthalic lại có khả năng kháng nước tốt nên được xem là vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là hàng hải. Nhựa polyester không no dùng cho ngành đóng tàu đều phải được các cơ quan Đăng kiểm Quốc tế thử nghiệm và cấp chứng chỉ công nhận chất lượng.
Hiện tại, các cơ sở đóng tàu composite ở Việt Nam thường dùng các loại nhựa có mã hiệu như sau: 9509, 8201, C114, 8120, UC123LC,. Để nhựa polyester không no đóng rắn, thường sử dụng các chất gia tốc như Peroxid, MEKP (Methyl Ethyl Ketone Peroxide), BPO (Benzoyl Peroxide),. Trong đó, MEKP được dùng phổ biến với nhựa polyester không no. Đây là chất đông rắn sử dụng nhiều nhất trong công nghệ composite.
Vật liệu composite sẽ đông cứng ở nhiệt độ bình thường với sự có mặt của chất đông rắn. Thời gian đông rắn thường áp dụng khi trát vỏ tàu là trên dưới một giờ đồng hồ. Kích thước và hình dáng vật thể do vật liệu composite tạo thành bị giới hạn bởi sự có mặt của khuôn. Sau đông rắn, sản phẩm định hình đúng hình mẫu mà khuôn đã hạn định.
Nhựa polyester không no 12 Hình 1. Chất đông rắn MEKP 1. Cốt sợi thủy tinh Được chế tạo từ thủy tinh kéo thành sợi, sợi thủy tinh có chứa các chất silic, alumin, manhê,. Có nhiều loại sợi khác nhau được phân loại theo cấu tạo: - Sợi thủy tinh E được ứng dụng chung cho tất cả các lĩnh vực, có tính dẫn điện tốt, khả năng kháng nước cao; - Sợi thủy tinh D có khả năng cách điện cao nên được dùng trong chế tạo linh kiện điện tử viễn thông; - Sợi thủy tinh C có độ bền hóa học cao dùng làm chế tạo các lớp phủ chi tiết máy, các kết cấu chống ăn mòn hóa học; - Sợi thủy tinh R và S dùng để chế tạo các kết cấu có độ bền cơ học cao [12].