Khái niệm về vật liệu composite

I> Khái niệm về vật liệu composite: Sự phát triển mạnh mẽ cuả công nghệ hiện đại dẫn tới nhu cầu to lớn về những vật liệu đồng thời có nhiều tính chất cần thiết mà các vật liệu truyền thống khi đáp ứng riêng rẽ không thể có được. Vật liệu kết hợp hoặc vật liệu composite ra đời vừa là sự đáp ứng nhu cầu cấp bách đó, vừa là sản phẩm cuả những công trình nghiên cưú nửa sau thế kỷ XX nhằm khai thác, phát triển quy luật kết hợp - một quy luật phổ biến trong tự nhiên . Đồng thời với kết quả đó, ngành khoa học hiện đại về composite cũng xuất hiện. Trong quá trình chế tạo vật liệu composite, các nhà khoa học và các kỹ sư đã kết hợp nhiều loại vật liệu kim loại, ceramics, và polymer nhằm tạo ra những vật liệu cuả thế hệ mới với các tính năng vượt trội. Xét về bản chất, composite là kiểu vật liệu lai tạo ( a hybrid creation) giữa hai hoặc nhiều vật liệu, sao cho tính chất cuả chúng bổ sung lẫn nhau . Thông thường tính chất cuả composite nằm trung gian giữa tính chất cuả các thành phần, nhưng trong đa số các trường hợp, người ta quan tâm đến một tập hợp tối ưu giữa các tính chất hơn là từng đặc tính riêng lẻ. Đối với composite kết cấu thì đó là độ bền riêng cao kết hợp với tính dẻo tốt và chịu được nhiệt độ cao. Đối với composite dụng cụ thì cần sự kết hợp tốt giữa độ cứng, độ bền, khả năng chịu mài mòn và nhiệt độ,… Dựa trên các thành tựu của ngành khoa học này, các nhà công nghệ vật liệu có thể tạo ra những composite mới thỏa mãn mọi nhu cầu đa dạng và phong phú cuả nền công nghiệp phát triển hiện nay cũng như trong tương lai. Chính vì vậy gần đây người ta thường nói: nền văn minh cuả thế kỷ XXI là nền văn minh cuả thời kì vật liệu composite. II> Khái niệm về vật liệu composite tổ ong: Phân loại: Theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc, ta có thể phân loại composite thành ba nhóm: composite cốt hạt,composite cốt sợi, composite cốt sợi như chúng được chỉ ra trong sơ đồ dưới đây: Composite Cốt hạt (Particle – Reinforced) Cốt sợi (Fiber- reinforced) Composite cấu trúc (Structural) Hạt mịn Hạt thô Có hướng (Aligned) Ngẫu nhiên (Randomly oriented) Liên tục (Continuous) Gián đọan (Discontinuous) Lõi xốp Lõi tổ ong (Honeycomb) Lớp (Laminates) Tấm 3 lớp (Sandwich panels) Khái niệm composite cấu trúc là để chỉ các bán thành phẩm dạng lớp, tấm ba lớp được tạo thành bằng cách kết hợp các vật liệu đồng nhất với vật liệu composite theo những phương án cấu trúc khác nhau. Ở đây, chúng ta tập trung nghiên cứu về composite cấu trúc tấm ba lớp dạng tổ ong. 2) Vật liệu composite tổ ong: a) Cấu tạo: - Loại này gồm có ba lớp: +Hai lớp mặt được chế tạo từ vật liệu có độ bền cứng và vững cao nhằm chịu toàn bộ tải trọng (kéo nén và uốn) tác dụng theo các chiều song song với mặt tấm. +Lớp lõi nằm giữa hai lớp mặt là vật liệu nhẹ, độ bền và cứng vững tương đối nhỏ. Lớp này có tác dụng: ŸDuy trì khoảng cách giữa hai lớp mặt và giảm biến dạng theo chiều vuông góc với mặt tấm. ŸTạo độ cứng vững nhất định, tránh các hiện tượng cong vênh tấm. - Trong kỹ thuật, người ta thường gặp hai loại lõi: lõi xốp (bọt) và lõi cấu tạo theo dạng tổ ong. - Composite dạng tổ ong là một tấm ghép ba lớp dạng tổ ong có khối lượng nhỏ, cách lửa và có những tính chất hơn hẳn các vật liệu thông thường khác. Tấm ghép này có các lớp bề mặt được làm từ composite cuả sợi thuỷ tinh/ Epoxy và Kevlar/ Epoxy, còn phần lõi dạng tổ ong chính là giấy Nomex. Tấm ghép cấu trúc 3 lớp này được ứng dụng chủ yếu trong ngàng hàng không, đặc biệt là các kết cấu sàn và thân máy bay. Hình dưới đây chỉ rõ cấu tạo cuả một tấm ghép 3 lớp hoàn chỉnh: Lớp bề mặt : sợi thuỷ tinh/ Epoxy. Lớp dính Lõi tổ ong: giấy Nomex Lớp dính Lớp bề mặt : Kevlar/ Epoxy b) Đặc điểm: + Tỉ lệ (độ bền/ khối lượng) cao + Chi phí thấp. + Cách lửa, có khảnăng tự dập tắt ngọn lưả, khói bay ra ít độc. + Nhiệt độ làm việc cao, có thể lên tới 1800 C. + Dễ tạo hình. + Có khả năng kháng mòn. c) Các loại lõi dạng tổ ong thường gặp: - Lõi lục giác (Hexagonal Core) : đây là dạng cấu hình cơ bản và phổ biến nhất, phù hợp với cả vật liệu kim loại và phi kim. - Lõi lục giác được gia cường (Reinforced Hexagonal Core): có một tấm vật liệu nền được đặt dọc các ô theo hướng chiều dài (hướng L) để tăng cơ tính. - Lõi OX (OX- Core): cấu hình OX là một tổ ong dạng lục giác được kéo dài theo hướng W, tạo ra những dạng ô vuông thuận lợi cho quá trình lưu hoá hay tạo hình theo hướng L. Cấu hình này cũng làm tăng tính chất khi cắt theo hướng W, và giảm theo hướng L so với tổ ong dạng lục giác. - Lõi dạng Flex (Flex- Core): cấu hình này cung cấp cho vật liệu các độ tạo hình đặc biệt bằng cách giảm độ cong đối đoạn (anticlastic curvature) và không gây oằn đối với các vách ngăn. Nhờ đó, độ cong cuả bán kính dễ dàng được định hình. Khi tạo hình bán kính. Flex- Core cho độ bền cắt cao hơn dạng lõi lục giác với cùng một khối lượng. Flex-Core thường được sản xuất từ Al, Nomex, và các chất nền từ sợi thuỷ tinh. CƠ TÍNH VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA. Các phương pháp dùng để kiểm tra cơ tính của dạng tổ ong được kể đến trong tài liệu này dựa trên tiêu chuẩn MIL-STD-401 và những tiêu chuẩn ASTM thích hợp. Các tính chất và phương pháp thử nghiệm thường dùng được tóm lại dưới đây. Ngoài những trường hợp đặc biệt thì những phương pháp dưới đây thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng. 1)Đo khối lượng riêng và độ dày: Khối lượng riêng của dạng tổ ong được xác định dựa trên khối lượng (pound) có trong 1 khối lập phương. Dung sai về khối lượng riêng của loại nhôm thông thường là ±17%. Khối lượng riêng của sản phẩm dạng tổ ong thường được đo trên toàn bộ kích thước cuả tấm vật liệu . Việc đo kích thước và khối lượng sai lệch trong khoảng 0.5%. Bề dày được đo chính xác đến 0.001 inch theo tiêu chuẩn ASTM C366. 2)Các tính chất chịu nén: a) Độ bền nén ổn định là độ bền nén tối hậu của vật liệu dạng tổ ong , được tính bằng khối lượng trên một đơn vị diện tích (inch vuông) khi chịu lực tác dụng theo hướng T. Theo phương pháp này thì một lớp phủ trên bề mặt được kết dính với vật liệu dạng tổ ong (nén ổn định). Module áp lực ổn định, cũng được tính bằng khối lượng trên 1 inch vuông, được xác định từ độ dốc ở phần đường thẳng ban đầu của đường cong Ứng suất – Biến dạng. Một số vật liệu dạng tổ ong có mối quan hệ Ứng suất – Biến dạng tuyến tính, trong khi những loại khác thì đường cong Ứng suất – Biến dạng là không tuyến tính. Độ bền nén tối thiểu là độ chịu nén tối đa cuả phần lõi xác định bởi khối lượng trên đơn vị diện tích (inch vuông) khi chịu tải theo hướng T dẫn tới sự không ổn định tại các mép (cạnh) của ô tổ ong. Giá trị này thường được dùng như một tiêu chuẩn vì phương pháp kiểm tra rất đơn giản và nhanh chóng. b) CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA. Kích thước tiêu chuẩn của mẫu thử khi kiểm tra về độ bền nén là 3”Lx3”Wx0.625”T đối với vật liệu nhôm và 3”Lx3”Wx0.500”T đối với những lõi phi kim loại. Kích thước 1 ô tổ ong là ½ inch hoặc lớn hơn, một mẫu 4”x4” hay thậm chí là 6”x6” thường được dùng để làm giảm những lỗi phát sinh bởi tác động cuả các mép (cạnh) trên các mẫu nhỏ. Những mẫu chịu nén không ổn định thường được chuẩn bị bằng cách phủ thêm lớp nhôm AL 5052 dày 0.032” trên mỗi mặt. Trừ những trường hợp đặc biệt khác, tải trọng thường dùng là 0.020 inch trong 1 phút. Các phát hiện về sai hỏng hoặc khuyết tật được ghi lại bởi một thiết bị có tên là Displacement Transducer , nó đo sự chuyển dời của lực và các bề mặt chịu tải xuyên qua tâm của mẫu. 3)CRUSH STRENGTH (tạm dịch:ĐỘ BỀN NGHIỀN) a) Sau khi vật liệu dạng tổ ong vượt quá độ bền nén tối đa, nó sẽ tiếp tục biến dạng dẻo và bị nghiền đều. Đường cong lực- độ võng là 1 đường đặc trưng. Lực nghiền trung bình trên 1 đơn vị tiết diện ngang được định nghĩa là độ bền nghiền, tính bằng khối lượng trên 1 inch vuông. Tổ ong sẽ vỡ nát ra tại một giá trị ứng suất không đổi (phụ thuộc vào khối lượng riêng và loại vật liệu dùng làm lõi), do đó có thể dự đoán được khả năng hấp thụ của nó, cho nên đây là một loại vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng liên quan đến vấn đề hấp thu năng lượng . Khi được dùng trong mục đích này, vật liệu này thường được nghiền nhẹ trước để loại bỏ đỉnh chịu nén trên đường cong Lực – Độ võng. Độ bền nghiền của ô tổ ong sẽ giảm khi tăng góc tác dụng lực lên độ dày cuả mẫu. b) Phương pháp kiểm tra: Tải lực và đĩa đỡ được dùng để kiểm tra độ bền nén và máy đo độ lệch được dùng để đo phạm vi chuyển động tại đầu ghi cuả máy đo. Để có được đường cong Lực nén – độ võng đúng chuẩn, nên dùng lõi có độ dày tối thiểu là 0.625 inches. 4) CÁC TÍNH CHẤT TRƯỢT THEO HƯỚNG L VÀ W: a) Độ bền trượt của dạng tổ ong dùng để chỉ ứng suất tối đa tính theo khối lượng trên inch vuông khi tác dụng một lực trượt song song với mặt phẳng L-W. Modulus trượt là độ dốc của đường thẳng ở phần đầu trên đường cong Ứng suất – Biến dạng. Giá trị đạt được phụ thuộc vào sự định hướng của lực tác dụng đối với chiều L và W , nghĩa là cao nhất theo hướng L và thấp nhất theo hướng W cho ô tổ ong dạng lục giác. b) Các phương pháp kiểm tra: Phương pháp kiểm tra bằng điã thép : .Kích thước của mẫu tổ ong bằng nhôm thường là 7.5”x2”x0.625”T. Còn kích thước mẫu thử cuả tổ ong làm từ vật liệu phi kim loại là 6”x2”x0.500”T Độ dày tuân theo tiêu chuẩn MIL-C-7438 và MIL-C-8073. Mẫu được gắn với vật tải là các đĩa bằng thép dày khoảng 0.5 inch và sau đó được thực hiện kiểm tra. Tốc độ tải lực thường là 0.020 inches trong 1 phút. Độ lệch (độ võng) khi trượt được đo bằng máy Displacement Transducer (Biến năng chuyển vị), máy này sẽ cảm ứng với độ chuyển dịch tương quan của 2 đĩa .Do một vài loại vật liệu phi kim sẽ không có được đường cong ứng suất – biến dạng là tuyến tính (đặc biệt khi nhiệt độ tăng lên), nên modul trượt thường được tính từ độ dốc của phần đường thẳng ở phần đầu trên đường cong Lực – Độ võng. Tấm tổ ong có khối lượng riêng cao đôi khi cũng gặp khó khăn khi dùng phương pháp này vì có những lưc trượt lớn hơn tác động vào mối nối giữa phần lõi và các đĩa thép.Trong một số trường hợp, những số liệu dùng trong phương pháp kiểm tra độ bền trượt cho các kết cấu dạng dầm sẽ được ứng dụng nhiều hơn. Kết quả này cũng xác thực cho những lõi dày hơn và khối lượng riêng cao hơn. Phương pháp kiểm tra dầm chịu uốn Mặc dù phương pháp kiểm tra vật liệu dạng tấm được chọn vì cho những kết quả thật về độ bền trượt và modul của vật liệu tổ ong, phép thử độ uốn cuả dầm cũng thường được dùng để đánh giá tổng quan về các tính năng cuả tấm panel dạng sandwich. Thực nghiệm cho thấy những giá trị này phụ thuộc nhiều vào độ dày bề mặt, vật liệu trên bề mặt và các điều kiện về tải trọng, những tính chất được tính toán của loại tổ ong có thể thay đổi đáng kể trong 1 loạt kiểm tra từ lần này sang lần khác. Có nhiều cách để kiểm tra độ uốn cuả dầm. Hai kỹ thuật thông dụng nhất được giới thiệu trong sơ đồ dưới đây. Kích thước mẫu là 8”x3”. Khoảng cách giữa 2 trụ đỡ (khẩu độ) là 6” và có thể tác dụng lực ở 1 hoặc 2 điểm. Khoảng cách giữa các lực tại 2 điểm tác dụng thường bằng 1/3 khẩu độ. Các yếu tố khác dựa theo tiêu chuẩn MIL-C-7438 và ASTM C393. Cần nhấn mạnh lại là các dữ liệu trong phép kiểm tra độ uốn của dầm chỉ nên được xem như là một phương pháp thử hoạt động cuả bề mặt, các mối nối, và phần lõi trong cấu trúc cuả composite dạng sandwich . Các giá trị về đặc tính trượt của phần lõi theo phương pháp thử độ uốn thường cao hơn phương pháp kiểm tra composite dạng tấm phẳng. Flatwise tensile ( phương pháp kéo căng) Cách này thường được dùng để đo độ bền mối nối của chất kết dính và/hoặc độ bền kéo của phần lõi tổ ong. Hầu hết những chất kết dính cấu trúc sẽ bền hơn những dạng lõi làm bằng nhôm. Phương pháp kiểm tra này là hữu dụng nhất trong việc xác dịnh phương thức chuẩn bị bề mặt , các điều kiện liên kết, và prepreg adhesions ( các chất kết dính dạng bán thành phẩm). Correlation of Shear Strength Data (Sự tương quan giữa các dữ liệu cuả độ bền trượt) Effect of Core Thickness on Plate Shear Strength (Ảnh hưởng cuả độ dày phần lõi lên độ bền trượt cuả tấm tổ ong) Độ bền trượt của vật liệu tổ ong sẽ thay đổi theo độ dày cuả lõi. Như thí nghiệm kéo trượt tấm phẳng ở phần trên, lực trượt sẽ tạo ra một thành phần lực nhỏ hơn nằm song song với trục theo hướng kéo dãn tổ ong. Vì vậy mà cấu trúc tổ ong sẽ không đơn thuần bị trượt mà sẽ chịu cả trượt và kéo. Lõi dày sẽ có độ bền trượt khi dùng thấp hơn so với lõi mỏng . Theo quan điểm trên, có thể kết luận rằng giản đồ độ bền trượt-bề dày lõi sẽ chỉ ra được độ bền trượt thật sự của phần lõi.Tuy nhiên, đối với những lõi quá mỏng, phần gờ cuả lớp keo dính giữa bề mặt và lõi có hiệu ứng tăng cường về độ bền trượt. Thông thường, bề sâu của đường gờ này không ảnh hưỏng nhiều đến độ dày của phần lõi , nhưng đối với loại lõi cực mỏng thì độ sâu này có tác động lớn dến chiều dày cuả lõi. Vì thế, nó sẽ gây ảnh hưởng đáng kể tới độ bền trượt. Và cũng do chiều sâu của phần gờ phụ thuộc vào loại keo dính sử dụng, người ta sẽ kiểm tra phần lõi bằng cách thử với nhiều loại keo dán khác nhau. Correlation of Flexural Shear Strength Data (sự tương quan giữa các dữ liệu của độ bền trượt uốn). Như đã nói ở trên, phương pháp kiểm tra độ trượt cuả tấm phẳng (phương pháp đĩa thép) được xem như là cách tốt nhất để đạt được những tính chất trượt thật sự của vật liệu tổ ong. Các kết quả từ phép thử dầm chịu uốn chịu ảnh hưởng bởi một vài thông số, như là độ dày bề mặt, vật liệu trên bề mặt, độ dày lõi và những điều kiện về tải trọng. Chỉ riêng độ dày bề mặt sẽ gây ra nhiều thay đổi lớn bởi vì bề mặt có khả năng phải chịu các lực trượt giống như phần lõi, và hơn nữa, nó cũng bị tác động thêm bởi các lực trượt gây ra sau khi phần lõi bị chảy. Mechanical Property Tables (Các tính chất cơ học) Những tính chất đo được thông dụng nhất của vật liệu tổ ong là độ bền nén tối thiểu , độ bền và modul nén ổn định , độ bền nghiền, và độ bền và modul trượt cuả tấm phẳng theo hướng L và W. Bảng sau đây bao gồm những tính chất cơ lý của các dạng lõi tổ ong khác nhau dựa theo số liệu của Hexcel. Giá trị độ bền nghiền theo tài liệu này được dùng cho những thiết kế sơ bộ. Với trọng lượng lõi dưới 3pcf, những giá trị này thay đổi trong khoảng ±20%. Với những loại có trọng lượng khác, giá trị độ bền nghiền sai lệch ±15%. Những tính chất vật liệu tổ ong dưới đây dùng cho độ bền và modul nén theo phương T, độ bền và modul trượt theo phương LT và WT. Các tính chất của dạng tổ ong theo những hướng phụ khác rất thấp so với những tính chất được đưa ra cho định hướng thiết kế ban đầu. Những tính chất nén theo hướng L và W thường nhỏ hơn 5% tính chất nén theo phương T. Độ bền trượt theo mặt LW nhỏ hơn rất nhiều so với mặt LT hay WT, trong khi modul trượt của tấm phẳng theo mặt LW thường nhỏ hơn 5% modul trượt trên mặt LT hay mặt WT. Ngoài độ bền nén và các tính chất trượt cuả tấm phẳng, đôi khi những tính chất khác của vật liệu tổ ong cũng quan trọng trong các ứng dụng đặc biệt . Điều này bao gồm tính mỏi trong trường hợp chịu tải lặp lại, độ rão do ứng suất không đổi trong thời gian dài (đặc biệt là khi tăng nhiệt độ hay khi kết hợp với những vật liệu khác), và độ bền kéo căng. - Vât liệu: + Giấy Nomex: là polymer được tổng hợp từ hợp chất Polyamide thơm (mạch vòng). Giấy Nomex là 1 vật liệu dai và dẻo, có thể dễ dàng cắt, khoan, gấp, in hoặc dán lên các vật liệu khác. + Prepreg Kevlar/ Epoxy : được dùng ở dạng 1 hay nhiều lớp. Chúng có độ bền và độ dai va đập cao. + Prepreg sợi thuỷ tinh/ Epoxy: có tính chất cơ lý rất cao, vì đã loại bỏ được các sail lệch gây ra trong quá trình dệt sợi. Có độ cứng và độ bền tốt. - Quá trình sản xuất tấm ghép 3 lớp dạng tổ ong: + Quá trình tạo lõi cấu trúc tổ ong : < Vật liệu cần thiết : giấy Nomex, chất kết dính. + Quá trình ghép các tấm bề mặt : < Vật liệu cần thiết : lõi dạng tổ ong, tấm sợi thuỷ tinh/ Epoxy, tấm Kevlar/ Epoxy. - Máy móc và thiết bị Bước 2 Tạo lõi cấu trúc tổ ong. Đầu vào: Giấy cuộn Nomex Keo dính Epoxy Đầu ra: Tấm giấy đã dán. Lưu hoá trong 3 giờ ở 160 0C. Cưa ngang K éo dãn lõi tổ ong Bước 3 Đầu vào: lõi tổ ong chưa kéo dãn (dạng tấm mỏng) Đầu ra: lõi tổ ong đã kéo dãn. Nhúng lớp phủ bề mặt (Nhựa phenolic) Bước 4 Đầu vào: lõi tổ ong đã kéo dãn chưa phủ lớp bề mặt. Đầu ra: lõi tổ ong đã kéo dãn được phủ trên bề mặt. Bước 5 Lưu hoá (Dùng nồi hấp) Đầu vào: lõi tổ ong chưa lưu hoá. Đầu ra: lõi tổ ong hoàn chỉnh. Dung môi bay hơi tự nhiên. Lưu hoá trong 3 giờ ở 1400 C Ép thuỷ lực Bước 6 Nhiệt độ: 1800C (3650F) Áp suất : 5Kgf/cm2 (71PSI) Đầu vào: lõi tổ ong Nomex, lớp bề mặt bằng sợi thuỷ tinh/ Epoxy, lớp bề mặt bằng Kevlar/ Epoxy. Đầu ra: sản phẩm tấm ghép 3 lớp dạng tổ ong. Bước 1