CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Vật liệu composite Vật liệu composite là loại vật liệu bao gồm hai hoặc nhiều hơn các vật liệu thành phần, chúng kết hợp với nhau ở mức độ vĩ mô và không hòa tan lẫn nhau. Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất. Pha liên tục gọi là vật liệu nền, thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại.
Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, đảm bảo cho composite có được các đặc tính cơ học cần thiết. Về cơ bản có hai kiểu vật liệu cốt là dạng cốt sợi (ngắn hoặc dài) và dạng cốt hạt. Có nhiều loại sợi thường được sử dụng ví dụ như sợi thủy tinh, sợi carbon, Kelver-49. Ngoài ra, còn có nhóm các loại sợi ít phổ biến hơn như sợi boron, sợi nhôm oxit và sợi cac-bua silicon.
Trong thực tế ứng dụng có hai loại composite được sử dụng nhiều đó là composite nền polymer sợi thủy tinh và composite nền polymer sợi carbon. Trong quá trình chế tạo, cốt sợi được đưa vào lớp nền. Nền có thể được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại, polymer hoặc gốm [31, 52]. Một kết cấu có thể gồm nhiều lớp composite cốt sợi.
Mỗi lớp có thể có độ dày và góc sợi khác nhau như thể hiện trên hình 1. Mỗi lớp cũng có thể được làm bởi một loại vật liệu khác nhau. Hơn nữa, trong mỗi lớp thì tính chất vật liệu theo các hướng khác nhau cũng có thể khác nhau, tuy nhiên, hướng có mô đun đàn hồi lớn nhất được gọi là hướng dọc, hướng vuông góc với sợi gọi là hướng ngang. Hai hướng này tạo thành hệ tọa độ vật liệu (1,2,3) của mỗi lớp.
Góc sợi của mỗi lớp vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu thiết kế. Ví dụ, với mỗi cấu hình khác nhau về góc sợi trong các lớp sẽ làm cho kết cấu composite có khả năng chịu lực khác nhau [3, 31, 52]. Vật liệu composite lớp Chức năng của sợi là chịu lực, trong khi nền chủ yếu đóng vai trò giữ hình dáng cho kết cấu và liên kết sợi với nhau, truyền lực tới sợi. Vật liệu composite lớp cốt sợi có ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau ví dụ như hàng hải, xây dựng, cơ khí, hàng không, làm bình chứa ga, chứa dầu, thiết bị dụng cụ thể thao và trong công nghiệp ô tô [52].
Ứng dụng phổ biến nhất là trong ngành kỹ thuật hàng không vũ trụ vì ngành công nghiệp này đang tìm kiếm vật liệu nhẹ để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu. Ví dụ, gần năm mươi phần trăm tổng số vật liệu được sử dụng trong kết cấu máy bay Boeing-787 là được làm bằng composite, như được minh họa trong hình 2 [86]. Vật liệu composite được sử dụng trong máy bay Boeing 787 8 1. Ống nano carbon Ống nano carbon (CNT) được phát hiện vào năm 1991 bởi Iijima [29].
Với tính chất tinh thể đặc biệt và các tính chất cơ, lý, hóa học nổi trội chẳng hạn như có độ bền cao, độ cứng lớn trong khi khối lượng riêng nhỏ, tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, tính chất phản xạ điện từ mạnh. Ống nano ngày càng được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau. Ống nano carbon có hai dạng chính là dạng đơn vách và đa vách (hình 1. Ống nano carbon đơn vách Hình 1.
Ống nano carbon đa vách Dạng đơn vách [10, 29] (SWCNT: single-walled carbon nanotube) có kết cấu như một tấm graphene cuộn tròn lại. Dạng đa vách [29] (MWCNT: multi-walled carbon nanotube) có kết cấu như nhiều tấm graphene lồng vào nhau rồi cuộn lại hoặc một tấm graphene cuộn lại thành nhiều lớp. Graphene có kết cấu bền vững ngay cả ở nhiệt độ bình thường. Độ cứng của graphene lớn hơn rất nhiều so với các vật liệu khác (cứng hơn cả kim cương và gấp khoảng 200 lần thép).
Đây là nhờ các liên kết 9 carbon-carbon trong graphene. Graphene được cho là có độ bền kéo trong mặt phẳng lên đến 1.06 TPa và do đó ống nano carbon cũng sở hữu độ cứng tương tự [35]. Overney và cộng sự [67] đã tính toán và tìm được module đàn hồi của ống nano đơn vách là tương đương với mô đun đàn hồi của graphene với giá trị khoảng 1500 GPa. Năm 1997, Wong và đồng nghiệp [104] sử dụng kính hiển vi nguyên tử để đo trực tiếp độ cứng của ống carbon đa vách và cho thấy module đàn hồi của loại vật liệu này là 1.
Nghiên cứu của Salvetat và cộng sự [77] cho giá trị trung bình của module đàn hồi của ống nano carbon đa vách vào khoảng 810 GPa. Ống nano carbon được sử dụng làm vật liệu gia cường trong các loại vật liệu composite và kết quả là vật liệu nano composite ra đời với các tính chất cơ, lý, hóa được cải thiện. Dựa trên tính chất dẫn điện rất tốt và tỷ trọng thấp của CNT, Kilbride và cộng sự đã chế tạo một loại nhựa dẫn điện có sự thẩm thấu ở mức siêu cao và đo dòng điện xoay chiều cũng như độ dẫn điện trực tiếp trong màng mỏng composite. Hơn thế, nhóm của Biercuk [12] sử dụng ống nano carbon đơn vách để làm tăng tính chất truyền nhiệt của epoxy công nghiệp và kết quả đúng như mong đợi, tính chất dẫn nhiệt và tính chất cơ học của composite SWCNT-epoxy được cải thiện rất đáng kể.
Vật liệu áp điện Vật liệu áp điện là loại vật liệu có khả năng thay đổi hình dạng, kích thước khi đặt chúng dưới tác động của điện trường hoặc sinh ra điện trường khi chúng bị biến dạng. Vật liệu áp điện ngày càng được sử dụng nhiều trong các kết cấu nhằm làm cho các kết cấu trở nên “thông minh”. Người Ai Cập cổ đã phát hiện ra loại vật liệu này, nhận thấy các đặc tính về điện của chúng, đặc biệt là khả năng phát điện tích tĩnh khi cọ sát. Từ “piezoelectricity – áp điện” được đặt tên bởi hai nhà khoáng vật người Pháp là Jacques và Pierre Curie.
Năm 1894, trong nghiên cứu của Voigt, việc đặt một điện áp trên vật liệu áp điện gây ra sự thay đổi hình học, được gọi là hiệu ứng áp điện (kích thích - actuator) [96] và hiện tượng tự sinh ra điện khi bị biến dạng gọi là hiệu ứng áp ngược (cảm biến - sensor). Việc sử dụng vật liệu áp 10 điện với mục đích cảm biến hoặc kích thích có ý nghĩa quan trọng. Cảm biến áp điện có thể được dùng để đo các đại lượng vật lý như ứng suất, biến dạng trong kết cấu, ngược lại, kích thích áp điện được sử dụng để chủ động tạo ra biến dạng trong một kết cấu bằng cách sử dụng điện áp. Sơ đồ đáp ứng áp điện trong vật liệu áp điện được minh họa trong hình 1.
Sự khác biệt về vị trí trung bình của điện tích dương và điện tích âm dẫn đến phản ứng áp điện. Tinh thể vật liệu áp điện ở trạng thái A) Không biến dạng, B) Biến dạng Trong những năm gần đây, vật liệu áp điện đã đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật công nghiệp và sản xuất các thiết bị chính xác. Một trong những lợi thế của việc sử dụng vật liệu áp điện là nếu được sản xuất ở trạng thái rắn chắc, chúng có thể làm việc trong hầu hết các điều kiện môi trường khắc nghiệt như bụi bẩn, dầu, khí thải, nhiệt độ cao và còn có tác dụng ngăn cản dao động gây bất lợi cho kết cấu. Vật liệu áp điện tồn tại trong một số tinh thể tự nhiên như thạch anh và muối rochelle [94].
Vật liệu composite nano carbon - áp điện Composite áp điện là loại composite có sự kết hợp với vật liệu áp điện. Vật liệu áp điện dưới dạng lớp hoặc các miếng mỏng khi được nhúng hoặc gắn vào kết cấu composite sẽ tạo nên kết cấu composite áp điện có khả năng cảm biến hoặc kích thích đối với những đáp ứng động học và tĩnh học. Kết cấu tấm, vỏ composite nano carbon – áp điện sẽ mang ưu điểm của từng loại vật liệu thành phần (Hình 1. Tấm composite nano carbon – áp điện Hình 1.
Vỏ composite nano carbon – áp điện 1. Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến nội dung đề tài luận án 1. Các nghiên cứu về kết cấu tấm, vỏ composite nano carbon Vật liệu có cơ tính biến thiên (FGM) là loại vật liệu composite thế hệ mới có tính chất biến đổi theo một quy luật nào đó. Ý tưởng và mô hình của vật liệu FGM đã được áp dụng thành công đối với vật liệu composite nano carbon (FG-CNTRC).
Composite cốt ống nano carbon được Shen [85] lần đầu đề xuất, trong đó ống nano carbon được phân bố trên nền là vật liệu đẳng hướng được thiết kế đặc biệt, phần thể tích ống CNT biến đổi theo phương chiều dày tuân theo các quy tắc toán học nhất 12 định để tạo nên một loại composite thế hệ mới với các tính chất cơ học được cải thiện. Sau đó, hàng loạt các khảo sát về dầm, tấm và vỏ làm bằng vật liệu FG-CNTRC đã được nghiên cứu. Cụ thể, các nghiên cứu có thể kể đến như sau: a) Phân tích tĩnh và dao động tự do kết cấu làm bằng vật liệu FG-CNTRC Dựa trên lý thuyết tấm biến dạng cắt bậc nhất (FSDT) [73], Zhu và cộng sự [116] đã tiến hành phân tích uốn và dao động tự do của các tấm mỏng và tấm có chiều dày trung bình được làm từ composite cốt sợi là các ống nano carbon đơn vách. Trong nghiên cứu này, phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng với bốn dạng phân bố ống nano carbon dọc theo chiều dày tấm được xét đến đó là phân bố đều (UD), phân bố dạng chữ “X” (FG-X), phân bố dạng chữ “O” (FG-O) và phân bố dạng chữ “V” (FG-V).
Kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích ống nano carbon và kiểu phân bố ống CNT theo chiều dày tấm đến ứng xử uốn, tần số và dạng dao động riêng của tấm FG-CNTRC. Hơn thế, kết quả nghiên cứu cho thấy các tấm có kiểu phân bố FG-X sẽ hiệu quả hơn (độ cứng tấm lớn hơn) tấm có kiểu phân bố FG- O. Nuttawit và Variddhi [102] đã phân tích ứng xử uốn, ổn định và dao động của dầm FG-CNTRC trên nền đàn hồi Pasternak. Theo kết quả khảo sát, bằng cách sử dụng các lý thuyết khác nhau thì kết quả tính về chuyển vị và ứng suất pháp là tương đương nhau, nhưng ứng suất tiếp thì khác biệt.
Lý thuyết bậc cao sẽ cho kết quả tính ứng suất tiếp tốt hơn.