Có rất nhiều loại nguyên liệu thô để sản xuất vật liệu composite, bao gồm nhựa, sợi và vật liệu lõi, và mỗi loại vật liệu đều có những đặc tính riêng về độ bền, độ cứng, độ dẻo dai và độ ổn định nhiệt, với chi phí và hiệu suất khác nhau. Tuy nhiên, hiệu suất cuối cùng của vật liệu composite nói chung không chỉ liên quan đến ma trận nhựa và sợi (cũng như vật liệu lõi trong cấu trúc vật liệu dạng sandwich), mà còn liên quan chặt chẽ đến phương pháp thiết kế và quy trình sản xuất các vật liệu trong cấu trúc đó. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ giới thiệu các phương pháp sản xuất vật liệu composite thường được sử dụng, các yếu tố ảnh hưởng chính của mỗi phương pháp và cách lựa chọn nguyên liệu thô cho các quy trình khác nhau.
Ép phun
1. Mô tả phương pháp: Vật liệu gia cường sợi ngắn và hệ nhựa được phun đồng thời vào khuôn, sau đó được đóng rắn dưới áp suất khí quyển để tạo thành sản phẩm composite nhiệt rắn thông qua quy trình đúc.
2. Lựa chọn vật liệu:
Nhựa: chủ yếu là polyester
Sợi: sợi thủy tinh thô
Vật liệu lõi: không có, cần được kết hợp với ván ép.
3. Ưu điểm chính:
1) Nghề thủ công có lịch sử lâu đời
2) Chi phí thấp, tốc độ xếp lớp sợi và nhựa nhanh chóng
3) Chi phí khuôn mẫu thấp
4. Những nhược điểm chính:
1) Ván ép dễ hình thành các vùng giàu nhựa, trọng lượng lớn.
2) Chỉ có thể sử dụng các sợi ngắn, điều này hạn chế nghiêm trọng các đặc tính cơ học của ván ép.
3) Để thuận tiện cho việc phun, độ nhớt của nhựa cần phải đủ thấp, dẫn đến mất đi các tính chất cơ học và nhiệt của vật liệu composite.
4) Hàm lượng styren cao trong nhựa phun đồng nghĩa với nguy cơ gây hại cao cho người vận hành, và độ nhớt thấp khiến nhựa dễ dàng thấm qua quần áo lao động của người lao động và tiếp xúc trực tiếp với da.
5) Nồng độ styren dễ bay hơi trong không khí khó đáp ứng các yêu cầu pháp lý.
5. Các ứng dụng điển hình:
Hàng rào đơn giản, các tấm kết cấu chịu tải trọng thấp như thân xe mui trần, tấm chắn gió xe tải, bồn tắm và thuyền nhỏ.
Đúc thủ công
1. Mô tả phương pháp: Thấm nhựa vào các sợi bằng tay, các sợi có thể được dệt, bện, khâu hoặc liên kết và các phương pháp gia cường khác. Việc tạo hình bằng tay thường được thực hiện bằng con lăn hoặc cọ, sau đó nhựa được ép bằng con lăn keo để thấm vào các sợi. Ván ép được đặt dưới áp suất bình thường để đóng rắn.
2. Lựa chọn vật liệu:
Nhựa: không yêu cầu cụ thể, có sẵn các loại nhựa epoxy, polyester, ester gốc polyetylen, nhựa phenolic.
Sợi: không có yêu cầu cụ thể, nhưng trọng lượng cơ bản của sợi aramid lớn hơn gây khó khăn cho việc thấm vào lớp vải dệt thủ công.
Nguyên liệu chính: không yêu cầu
3. Những ưu điểm chính:
1) Lịch sử lâu đời của công nghệ
2) Dễ học
3) Chi phí khuôn thấp nếu sử dụng nhựa đóng rắn ở nhiệt độ phòng
4) Nhiều lựa chọn về vật liệu và nhà cung cấp
5) Hàm lượng chất xơ cao, sử dụng sợi dài hơn so với quy trình phun.
4. Nhược điểm chính:
1) Việc trộn nhựa, hàm lượng và chất lượng nhựa trong vật liệu nhiều lớp phụ thuộc chặt chẽ vào tay nghề của người vận hành; rất khó để đạt được hàm lượng nhựa thấp và độ xốp thấp cho vật liệu nhiều lớp.
2) Nguy cơ về sức khỏe và an toàn do nhựa: Trọng lượng phân tử của nhựa đúc thủ công càng thấp thì nguy cơ gây hại cho sức khỏe càng lớn; độ nhớt càng thấp thì nhựa càng dễ thấm qua quần áo lao động của công nhân và tiếp xúc trực tiếp với da.
3) Nếu không lắp đặt hệ thống thông gió tốt, nồng độ styren bay hơi từ các este gốc polyester và polyetylen vào không khí khó đáp ứng được các yêu cầu pháp lý.
4) Độ nhớt của nhựa trộn bằng tay cần phải rất thấp, do đó hàm lượng styren hoặc các dung môi khác phải cao, dẫn đến mất đi các tính chất cơ học/nhiệt của vật liệu composite.
5) Các ứng dụng điển hình: cánh quạt tuabin gió tiêu chuẩn, thuyền sản xuất hàng loạt, mô hình kiến trúc.
Quy trình đóng gói chân không
1. Mô tả phương pháp: Quy trình ép chân không là sự mở rộng của quy trình xếp lớp thủ công nêu trên, tức là niêm phong một lớp màng nhựa trên khuôn sẽ tiến hành ép chân không các tấm ván ép thủ công, áp dụng áp suất khí quyển lên các tấm ván ép để đạt được hiệu quả hút chân không và làm chặt, nhằm cải thiện chất lượng vật liệu composite.
2. Lựa chọn vật liệu:
Nhựa: chủ yếu là nhựa epoxy và phenolic, nhựa polyester và polyetylen dạng este không phù hợp vì chúng chứa styren, dễ bay hơi trong bơm chân không.
Sợi: không có yêu cầu, ngay cả khi trọng lượng cơ bản của các sợi lớn hơn có thể được thấm vào dưới áp suất.
Nguyên liệu chính: không yêu cầu
3. Ưu điểm chính:
1) Có thể đạt được hàm lượng sợi cao hơn so với quy trình ép thủ công tiêu chuẩn.
2) Tỷ lệ lỗ rỗng thấp hơn so với quy trình đắp thủ công tiêu chuẩn.
3) Dưới áp suất âm, nhựa chảy đủ để cải thiện mức độ thấm sợi, tất nhiên, một phần nhựa sẽ bị hấp thụ bởi các vật tư tiêu hao trong hệ thống chân không.
4) Sức khỏe và an toàn: quy trình đóng gói chân không có thể giảm thiểu sự phát thải các chất dễ bay hơi trong quá trình đóng rắn.
4. Nhược điểm chính:
1) Quy trình bổ sung làm tăng chi phí nhân công và vật liệu túi hút chân không dùng một lần.
2) Yêu cầu kỹ năng cao hơn đối với người vận hành
3) Việc trộn nhựa và kiểm soát hàm lượng nhựa phụ thuộc phần lớn vào trình độ chuyên môn của người vận hành.
4) Mặc dù túi hút chân không làm giảm sự phát thải các chất dễ bay hơi, nhưng nguy cơ đối với sức khỏe của người vận hành vẫn cao hơn so với quy trình truyền dịch hoặc tiền tẩm.
5. Các ứng dụng điển hình: du thuyền cỡ lớn, phiên bản giới hạn, các bộ phận xe đua, liên kết vật liệu lõi trong quá trình đóng tàu.
Khuôn cuộn
1. Mô tả phương pháp: Quá trình quấn sợi về cơ bản được sử dụng để sản xuất các bộ phận kết cấu rỗng, tròn hoặc hình bầu dục như ống và máng. Các bó sợi được tẩm nhựa và sau đó được quấn quanh một trục cuốn theo nhiều hướng khác nhau. Quá trình này được điều khiển bởi máy quấn sợi và tốc độ của trục cuốn.
2. Lựa chọn vật liệu:
Nhựa: không có yêu cầu cụ thể, ví dụ như epoxy, polyester, este gốc polyetylen và nhựa phenolic, v.v.
Sợi: không yêu cầu gì đặc biệt, sử dụng trực tiếp các bó sợi của khung cuộn, không cần dệt hoặc may thành vải sợi.
Vật liệu lõi: không có yêu cầu cụ thể, nhưng lớp vỏ thường là vật liệu composite một lớp.
3. Những ưu điểm chính:
(1) tốc độ sản xuất nhanh, là một cách sắp xếp kinh tế và hợp lý
(2) Hàm lượng nhựa có thể được kiểm soát bằng cách đo lượng nhựa được mang bởi các bó sợi đi qua rãnh nhựa.
(3) Giảm thiểu chi phí sợi, không có quy trình dệt trung gian
(4) hiệu suất cấu trúc tuyệt vời, vì các bó sợi tuyến tính có thể được bố trí dọc theo các hướng chịu tải khác nhau
4. Nhược điểm chính:
(1) Quá trình này chỉ giới hạn ở các cấu trúc rỗng tròn.
(2) Các sợi không dễ dàng và chính xác được sắp xếp dọc theo hướng trục của thành phần
(3) Chi phí đúc khuôn dương trục gá cao hơn cho các bộ phận kết cấu lớn
(4) Bề mặt ngoài của cấu trúc không phải là bề mặt khuôn, do đó tính thẩm mỹ kém hơn
(5) Khi sử dụng nhựa có độ nhớt thấp, cần chú ý đến các đặc tính cơ học và hiệu suất an toàn vệ sinh.
Các ứng dụng điển hình: bồn chứa và đường ống hóa chất, bình khí, bình thở cho lính cứu hỏa.
Ép đùn khuôn
1. Mô tả phương pháp: Từ giá đỡ cuộn chỉ, bó sợi được kéo ra và tẩm keo, đi qua tấm gia nhiệt. Tại tấm gia nhiệt, nhựa sẽ được thẩm thấu vào sợi, kiểm soát hàm lượng nhựa và cuối cùng vật liệu sẽ được đóng rắn thành hình dạng yêu cầu; sản phẩm đã đóng rắn có hình dạng cố định này được cắt cơ học thành các chiều dài khác nhau. Sợi cũng có thể đi vào tấm gia nhiệt theo các hướng khác ngoài 0 độ. Ép đùn và tạo hình kéo giãn là một quy trình sản xuất liên tục và mặt cắt ngang của sản phẩm thường có hình dạng cố định, cho phép một số biến đổi nhỏ. Vật liệu đã được làm ướt trước sẽ được cố định và trải đều vào khuôn khi đi qua tấm gia nhiệt để đóng rắn ngay lập tức. Mặc dù quy trình này ít liên tục hơn, nhưng nó có thể đạt được sự thay đổi hình dạng mặt cắt ngang.
2. Lựa chọn vật liệu:
Nhựa: thường là epoxy, polyester, este gốc polyetylen và nhựa phenolic, v.v.
Cáp quang: không yêu cầu
Vật liệu lõi: không thường được sử dụng
3. Ưu điểm chính:
(1) tốc độ sản xuất nhanh, là một cách làm ướt trước và xử lý vật liệu tiết kiệm và hợp lý
(2) kiểm soát chính xác hàm lượng nhựa
(3) giảm thiểu chi phí sợi, không có quy trình dệt trung gian
(4) đặc tính cấu trúc tuyệt vời, vì các bó sợi được sắp xếp theo đường thẳng nên tỷ lệ thể tích sợi cao
(5) Khu vực thấm sợi có thể được bịt kín hoàn toàn để giảm sự phát thải các chất dễ bay hơi
4. Những nhược điểm chính:
(1) quá trình này giới hạn hình dạng của mặt cắt ngang
(2) Chi phí tấm gia nhiệt cao hơn
5. Các ứng dụng điển hình: dầm và giàn của các công trình nhà ở, cầu, thang và hàng rào.
Quy trình đúc chuyển nhựa (RTM)
1. Mô tả phương pháp: Các sợi khô được đặt trong khuôn dưới, có thể được nén trước để các sợi bám sát hình dạng khuôn nhất có thể và liên kết với nhau bằng chất kết dính; sau đó, khuôn trên được cố định vào khuôn dưới để tạo thành một khoang, rồi nhựa được bơm vào khoang đó. Phương pháp bơm nhựa và thấm sợi bằng chân không, được gọi là Bơm nhựa hỗ trợ chân không (VARI), thường được sử dụng. Sau khi quá trình thấm sợi hoàn tất, van bơm nhựa được đóng lại và vật liệu composite được làm cứng. Quá trình bơm nhựa và làm cứng có thể được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc trong điều kiện gia nhiệt.
2. Lựa chọn vật liệu:
Nhựa: thường là epoxy, polyester, polyvinyl ester và nhựa phenolic, nhựa bismaleimide có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao.
Sợi: không yêu cầu. Sợi khâu phù hợp hơn cho quy trình này, vì khoảng trống giữa các bó sợi tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền nhựa; có những loại sợi được phát triển đặc biệt có thể thúc đẩy dòng chảy của nhựa.
Vật liệu lõi: xốp tế bào không phù hợp, vì các ô hình tổ ong sẽ bị lấp đầy bởi nhựa, và áp lực cũng sẽ khiến xốp bị xẹp.
3. Những ưu điểm chính:
(1) Tỷ lệ thể tích sợi cao hơn, độ xốp thấp
(2) Môi trường làm việc an toàn và lành mạnh, sạch sẽ và gọn gàng do nhựa được niêm phong hoàn toàn.
(3) Giảm việc sử dụng lao động
(4) Mặt trên và mặt dưới của các bộ phận kết cấu là các bề mặt được đúc, dễ dàng xử lý bề mặt sau này.
4. Nhược điểm chính:
(1) Các khuôn được sử dụng cùng nhau rất đắt tiền, nặng và tương đối cồng kềnh để chịu được áp lực lớn hơn.
(2) giới hạn trong việc sản xuất các bộ phận nhỏ
(3) Các khu vực không được làm ướt có thể dễ dàng xuất hiện, dẫn đến một lượng lớn phế liệu
5. Các ứng dụng điển hình: các bộ phận nhỏ và phức tạp của tàu con thoi và ô tô, ghế ngồi trên tàu hỏa.
Thời gian đăng bài: 08/08/2024
