Nghiên Cứu Tổn Thất Truyền Âm Qua Tấm Composite Sandwich Và Ứng Dụng Vào Giảm Ồn Tàu Thủy

Luận án tiến sĩ phân tích nghiên cứu tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich và ứng dụng vào giảm ồn tàu thủy, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp tri

• Tác giả: Đinh Đức Tiến
• Người hướng dẫn: GS. Trần Ích Thịnh
• Trường học: Trường Đại học Nha Trang
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổn Thất Truyền Âm Qua Tấm Composite Sandwich Trong Giảm Ồn Tàu Thủy
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Khánh Hòa

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC KÝ HIỆU
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• 1. MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu về vật liệu composite sandwich
• 1.2. Khái niệm, cấu tạo
• 1.3. Phạm vi ứng dụng
• 1.4. Vật liệu composite sandwich dùng trong tàu thủy
• 1.5. Vật liệu lớp da
• 1.6. Đặc điểm công nghệ thi công
• 1.7. Lý thuyết truyền âm
• 1.8. Tần số, bước sóng, biên độ
• 1.9. Mức áp suất âm, cường độ âm
• 1.10. Một số kết quả nghiên cứu liên quan đến luận án
• 1.11. Tình hình nghiên cứu về tổn thất truyền âm đối với vật liệu composite sandwich
• 1.12. Nhận xét chung chương 1
• 1.13. Kết luận chương 1
• 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TỔN THẤT TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE SANDWICH
• 2.1. Khai triển công thức thực nghiệm theo phương pháp phân tích thống kê năng lượng
• 2.2. Giả thiết và khái niệm
• 2.3. Công thức thực nghiệm xác định tổn thất truyền âm
• 2.4. Mục đích thực nghiệm
• 2.5. Mô tả phòng thí nghiệm
• 2.6. Phương pháp chế tạo mẫu thử
• 2.7. Phương pháp đo
• 2.8. Quy trình và số lượng điểm đo
• 2.9. Các thông số cần đo
• 2.10. Tiêu chuẩn áp dụng
• 2.11. Kiểm tra độ tin cậy
• 2.12. Kết quả thực nghiệm đo STL qua các mẫu composite sandwich
• 2.12.1. Mẫu composite sandwich M2
• 2.12.2. Mẫu composite sandwich M3
• 2.12.3. Mẫu composite sandwich M4
• 2.12.4. Mẫu composite sandwich M5
• 2.12.5. Mẫu composite sandwich M6
• 2.12.6. Mẫu composite sandwich M7
• 2.12.7. Mẫu composite sandwich M8
• 2.12.8. Mẫu composite sandwich M9
• 2.12.9. Mẫu composite sandwich M10
• 2.12.10. Mẫu composite sandwich M11
• 2.13. Nhận xét chung chương 2
• 2.14. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN TỔN THẤT TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE SANDWICH DÙNG TRONG CHẾ TẠO KẾT CẤU TÀU THỦY
• 3.1. Lý thuyết tấm composite sandwich
• 3.2. Trường chuyển vị, biến dạng và ứng suất
• 3.3. Phương trình quan hệ nội lực biến dạng của tấm composite sandwich
• 3.4. Xây dựng mô hình xác định tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich
• 3.4.1. Mô tả lý thuyết
• 3.4.2. Tổn thất truyền âm của tấm composite sandwich
• 3.4.3. Xác định độ cứng uốn biểu kiến của tấm composite sandwich
• 3.4.4. Xác định tần số dao động riêng của dầm composite sandwich
• 3.4.5. Xác định độ cứng uốn biểu kiến của dầm trong dải tần số 1/3 Octave
• 3.4.6. Xác định tổn thất truyền âm của các tấm A – K
• 3.5. So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm
• 3.5.1. So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm của tấm A
• 3.5.2. So sánh kết quả tính toán giữa lý thuyết và thực nghiệm của tấm K
• 3.5.3. So sánh giá trị STL theo các nhóm kết cấu
• 3.5.4. Tấm có khối lượng riêng lớp lõi khác nhau, cùng chiều dày lớp da, cùng chiều dày lớp lõi: Tấm A và Tấm C; Tấm I và Tấm K
• 3.5.5. Tấm có chiều dày lớp da khác nhau, cùng chiều dày lớp lõi, cùng khối lượng riêng lớp lõi: tấm E và tấm F; tấm G và tấm H
• 3.5.6. Tấm có chiều dày lớp lõi khác nhau, cùng chiều dày lớp da, cùng khối lượng riêng lớp lõi: Tấm E và tấm G; tấm F và tấm H
• 3.6. Nhận xét chung chương 3
• 3.7. Kết luận chương 3
• 4. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIẢM ỒN BUỒNG MÁY TÀU KHÁCH VỎ COMPOSITE
• 4.1. Các phương pháp giảm ồn đối với động cơ diesel (máy chính) lắp đặt trên tàu khách vỏ composite
• 4.2. Tiếng ồn từ động cơ
• 4.3. Các phương pháp giảm ồn động cơ diesel tàu thủy
• 4.4. Một số nhận xét
• 4.5. Ứng dụng giảm ồn buồng máy tàu khách vỏ composite
• 4.5.1. Giới thiệu chung về tàu nghiên cứu
• 4.5.2. Các thông số chính
• 4.5.3. Thông số động cơ
• 4.5.4. Bố trí chung toàn tàu
• 4.5.5. Kết quả đo độ ồn khi tàu GW01 hoạt động
• 4.5.6. Phương pháp, thiết bị, vị trí đo và quy trình đo
• 4.5.7. Phương án xử lý độ ồn
• 4.5.8. Kết quả đo độ ồn khi tàu VQGNC hoạt động
• 4.5.9. So sánh kết quả đo độ ồn của hai tàu
• 4.6. Nhận xét chung chương 4
• 4.7. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Tổn Thất Truyền Âm Composite 55 ký tự

Vật liệu composite đã trở nên phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm cả đóng tàu, nhờ vào các đặc tính ưu việt như độ bền cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn. Nghiên cứu về tổn thất truyền âm qua vật liệu composite sandwich ngày càng quan trọng, đặc biệt trong việc giảm thiểu tiếng ồn trên tàu thủy. Tiếng ồn quá mức gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe và hiệu suất làm việc của thủy thủ, cũng như sự thoải mái của hành khách. Do đó, việc tìm hiểu và ứng dụng các giải pháp giảm ồn hiệu quả là vô cùng cần thiết. Vật liệu composite (cốt sợi thủy tinh, nhựa nền hữu cơ) ngày càng được sử dụng nhiều trong chế tạo ca nô du lịch, tàu cao tốc, tàu cá. Các sản phẩm này đã đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật và chiếm được lòng tin người dùng. Vật liệu này bền với môi trường, chịu được nắng, mưa, bức xạ mặt trời và khả năng chịu nước mặn rất tốt.

1.1. Vật Liệu Composite Sandwich Khái Niệm và Ứng Dụng

Vật liệu composite sandwich được cấu tạo từ hai lớp da (skin) bên ngoài và một lớp lõi (core) ở giữa. Lớp da thường là vật liệu có độ cứng và độ bền cao, trong khi lớp lõi có thể là vật liệu nhẹ như foam hoặc honeycomb. Cấu trúc này giúp tăng cường độ cứng và giảm trọng lượng tổng thể so với vật liệu đặc thông thường. Composite sandwich được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm hàng không vũ trụ, ô tô, và đặc biệt là đóng tàu, nhờ khả năng cách âm, cách nhiệt và chịu lực tốt. Theo nghiên cứu, việc lựa chọn vật liệu và cấu trúc phù hợp cho lớp lõi và lớp da có thể tối ưu hóa khả năng giảm ồn của tấm composite sandwich.

1.2. Tầm Quan Trọng của Giảm Ồn Tàu Thủy Hiện Đại

Tiếng ồn trên tàu thủy xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm động cơ, hệ thống thông gió, và hoạt động của các thiết bị khác. Mức độ tiếng ồn cao có thể gây ra các vấn đề sức khỏe như mất ngủ, căng thẳng, và giảm thính lực. Bên cạnh đó, nó còn ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của thủy thủ và trải nghiệm của hành khách. Vì vậy, việc giảm ồn là một yêu cầu quan trọng trong thiết kế và vận hành tàu thủy hiện đại. Các quy định về mức ồn cho phép trên tàu ngày càng nghiêm ngặt, thúc đẩy các nhà nghiên cứu và kỹ sư tìm kiếm các giải pháp giảm ồn hiệu quả, trong đó có việc sử dụng vật liệu composite sandwich.

II. Thách Thức Trong Giảm Ồn Cho Tàu Thủy Composite 58 ký tự

Việc giảm ồn cho tàu thủy, đặc biệt là tàu vỏ composite, đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. Các phương pháp giảm ồn truyền thống thường tập trung vào việc sử dụng vật liệu cách âm dày và nặng, điều này có thể làm tăng trọng lượng của tàu và ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành. Ngoài ra, đặc tính rung động và truyền âm của vật liệu composite khác biệt so với vật liệu kim loại, đòi hỏi các phương pháp thiết kế và phân tích đặc biệt. Do đó, cần có những nghiên cứu chuyên sâu để tìm ra các giải pháp giảm ồn hiệu quả và phù hợp với đặc điểm của tàu vỏ composite. Vật liệu composite có nhiều ưu điểm như rất bền với môi trường, chịu được nắng mưa, bức xạ mặt trời và đặc biệt là khả năng chịu nước mặn rất tốt.

2.1. Khó Khăn Trong Thiết Kế Vật Liệu Cách Âm Hiệu Quả

Thiết kế vật liệu cách âm hiệu quả đòi hỏi sự cân bằng giữa nhiều yếu tố, bao gồm khả năng hấp thụ âm, trọng lượng, độ bền, và chi phí. Vật liệu composite sandwich có thể đáp ứng được nhiều yêu cầu này, nhưng việc tối ưu hóa cấu trúc và thành phần để đạt được hiệu quả cách âm cao nhất là một thách thức. Cần có các mô hình tính toán chính xác và các thí nghiệm kiểm chứng để đánh giá hiệu quả của các thiết kế khác nhau. Việc lựa chọn vật liệu lõi phù hợp cũng rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp thụ và triệt tiêu rung động.

2.2. Rung Động và Truyền Âm Trong Kết Cấu Composite

Kết cấu composite có đặc tính rung động phức tạp do tính dị hướng và không đồng nhất của vật liệu. Các phương pháp phân tích rung động truyền thống có thể không phù hợp để áp dụng cho kết cấu composite. Cần có các phương pháp phân tích tiên tiến như phân tích phần tử hữu hạn (FEA) hoặc phân tích thống kê năng lượng (SEA) để mô phỏng và dự đoán chính xác đặc tính rung động của kết cấu. Ngoài ra, cần phải hiểu rõ cơ chế truyền âm qua kết cấu composite để thiết kế các biện pháp giảm rung và cách âm hiệu quả.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tổn Thất Truyền Âm STL 52 ký tự

Nghiên cứu về tổn thất truyền âm (STL) qua tấm composite sandwich thường bao gồm cả phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết sử dụng các mô hình toán học để dự đoán STL dựa trên đặc tính vật liệu và cấu trúc của tấm. Phương pháp thực nghiệm tiến hành đo STL trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng các thiết bị chuyên dụng. Kết quả từ hai phương pháp này được so sánh và đối chiếu để kiểm chứng tính chính xác của mô hình lý thuyết và đánh giá hiệu quả của tấm composite sandwich. Các thông số như tần số, độ dày lớp da, độ dày lõi, vật liệu lõi và phương pháp chế tạo đều có ảnh hưởng đến STL.

3.1. Xây Dựng Mô Hình Tính Toán STL Hiệu Quả

Việc xây dựng mô hình tính toán STL hiệu quả đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về lý thuyết truyền âm và đặc tính cơ học của vật liệu composite. Mô hình cần phải tính đến các yếu tố như độ cứng, khối lượng riêng, hệ số giảm chấn, và các điều kiện biên. Các phương pháp số như phân tích phần tử hữu hạn (FEA) và phân tích phần tử biên (BEA) thường được sử dụng để giải các bài toán truyền âm phức tạp. Mô hình cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm để đảm bảo độ tin cậy và chính xác.

3.2. Thực Nghiệm Đo STL trong Phòng Thí Nghiệm

Thực nghiệm đo STL trong phòng thí nghiệm là một phần quan trọng trong nghiên cứu về tổn thất truyền âm. Các thí nghiệm thường được thực hiện trong các phòng vang hoặc phòng truyền âm được thiết kế đặc biệt. Thiết bị đo bao gồm nguồn âm, micro, và hệ thống phân tích tín hiệu. Mẫu composite sandwich được đặt giữa hai phòng và STL được tính toán dựa trên sự khác biệt về mức áp suất âm giữa hai phòng. Quá trình đo cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ chính xác và loại bỏ các yếu tố gây nhiễu.

3.3. Phương pháp phân tích thống kê năng lượng SEA

Phương pháp phân tích thống kê năng lượng (SEA) được sử dụng để xác định tổn thất truyền âm. SEA là phương pháp hiệu quả trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến rung động và âm thanh trong các hệ thống phức tạp, đặc biệt là ở tần số cao. Phương pháp này dựa trên việc phân tích dòng năng lượng giữa các thành phần của hệ thống.

IV. Ứng Dụng Composite Sandwich Giảm Ồn Tàu 53 ký tự

Kết quả nghiên cứu về tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich có thể được ứng dụng vào việc thiết kế và chế tạo các kết cấu giảm ồn cho tàu thủy. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm vách ngăn cách âm, sàn cách âm, và vỏ tàu cách âm. Bằng cách lựa chọn vật liệu và cấu trúc phù hợp, có thể giảm đáng kể tiếng ồn trong các khu vực quan trọng trên tàu, cải thiện điều kiện làm việc và sinh hoạt cho thủy thủ và hành khách. Luận án đã ứng dụng các kết quả nghiên cứu để chế tạo kết cấu giảm ồn cho buồng máy tàu thủy điển hình tại Viện nghiên cứu chế tạo Tàu thủy – Trường Đại học Nha Trang.

4.1. Thiết Kế Vách Ngăn Cách Âm Hiệu Quả Cho Tàu

Vách ngăn cách âm là một trong những biện pháp quan trọng để giảm ồn trong các khu vực khác nhau trên tàu. Việc sử dụng tấm composite sandwich có thể giúp giảm trọng lượng của vách ngăn so với các vật liệu truyền thống, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu quả cách âm cao. Thiết kế vách ngăn cần tính đến các yếu tố như vị trí đặt, kích thước, và yêu cầu về độ bền và khả năng chống cháy.

4.2. Giảm Tiếng Ồn Buồng Máy Tàu Khách Vỏ Composite

Buồng máy là một trong những nguồn gây ồn lớn nhất trên tàu thủy. Việc sử dụng vật liệu composite sandwich để cách âm buồng máy có thể giúp giảm đáng kể tiếng ồn lan truyền ra các khu vực khác trên tàu. Các biện pháp giảm ồn khác có thể bao gồm sử dụng bộ giảm thanh cho động cơ, cách ly rung động cho các thiết bị, và thiết kế hệ thống thông gió giảm ồn. Cần đo đạc độ ồn và đánh giá hiệu quả của các biện pháp giảm ồn sau khi lắp đặt.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu STL 56 ký tự

Nghiên cứu về tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich đã mang lại những hiểu biết sâu sắc về cơ chế truyền âm và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả cách âm. Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để thiết kế và chế tạo các kết cấu giảm ồn hiệu quả cho tàu thủy, góp phần cải thiện điều kiện làm việc và sinh hoạt trên tàu. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu về các vật liệu và cấu trúc composite mới, cũng như các phương pháp phân tích và thiết kế tiên tiến để nâng cao hiệu quả giảm ồn và tối ưu hóa trọng lượng và chi phí.

5.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Quan Trọng

Các kết quả nghiên cứu quan trọng bao gồm việc xác định ảnh hưởng của vật liệu và cấu trúc lớp lõi và lớp da đến tổn thất truyền âm, xây dựng mô hình tính toán STL chính xác, và ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thiết kế vách ngăn cách âm và cách âm buồng máy cho tàu thủy. Các kết quả này đã được công bố trên các tạp chí khoa học và hội nghị chuyên ngành.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Vật Liệu Composite Mới

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu về các vật liệu composite mới có khả năng cách âm cao hơn, trọng lượng nhẹ hơn, và chi phí thấp hơn. Các vật liệu lõi nano và các cấu trúc meta-material có tiềm năng mang lại những đột phá trong lĩnh vực này. Ngoài ra, cần nghiên cứu về các phương pháp chế tạo mới để sản xuất các kết cấu composite phức tạp với độ chính xác cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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].