Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu phân tích cấu trúc, tính chất của vật liệu compozit trên cơ sở vải cacbon - nhựa phenolic

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của Luận văn nhằm nghiên cứu chế tạo và phân tích chính xác thành phần phối liệu, tính năng vật liệu có ý nghĩa quan trọng, góp phần nâng cao chất lượng của hệ vật liệu compozit. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu phân tích cấu trúc, tính chất của vật liệu compozit trên cơ sở vải cacbon - nhựa phenolic

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TRẦN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ VẢI CACBON - NHỰA PHENOLIC LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TRẦN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ VẢI CACBON - NHỰA PHENOLIC Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 8.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Minh Thành THÁI NGUYÊN - 2018
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan quyển luận văn được chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Minh Thành với đề tài nghiên cứu trong luận văn "Nghiên cứu phân tích cấu trúc, tính chất của vật liệu compozit trên cơ sở vải cacbon - nhựa phenolic". Đây là đề tài nghiên cứu mới, không trùng lặp với các đề tài luận văn nào trước đây, do đó không có sự sao chép của bất kì luận văn nào. Nội dung của luận văn được thể hiện theo đúng quy định, các nguồn tài liệu, tư liệu nghiên cứu và sử dụng trong luận văn đều được trích dẫn nguồn. Nếu xảy ra vấn đề gì với nội dung luận văn này, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm theo quy định. Thái Nguyên, tháng 6 năm 2018 Tác giả luận văn Trần Thị Thu Trang
ii LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ hóa học chuyên ngành hóa phân tích với đề tài “Nghiên cứu phân tích cấu trúc, tính chất của vật liệu compozit trên cơ sở vải cacbon – nhựa phenolic” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng của bản thân và được sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy, bạn bè đồng nghiệp và người thân. Qua trang viết này tác giả xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua. Xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo TS. Vũ Minh Thành đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho để tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý thầy cô trong Khoa Hóa học trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài luận văn. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị công tác đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện Luận văn. Tác giả luận văn Trần Thị Thu Trang MỤC LỤC
iii LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................... ii MỤC LỤC ..................................................................................................... ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................ vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ................................................................ viii MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN ........................................................................... 2 1.1. Vật liệu compozit ................................................................................... 2 1.2. Vật liệu compozit cacbon- phenolic....................................................... 3 1.2.1. Nguyên liệu chế tạo ............................................................................. 3 1.2.2. Phân tích và chế tạo vật liệu compozit cacbon-phenolic .................... 8 1.3. Phân tích cơ chế cách nhiệt theo kiểu tải mòn của vật liệu ................. 11 1.3.1. Chất tải mòn theo cơ chế thăng hoa .................................................. 13 1.3.2. Chất tải mòn theo cơ chế nóng chảy - bay hơi .................................. 13 1.3.3. Chất tải mòn theo cơ chế cốc hoá ..................................................... 14 Chương 2 THỰC NGHIỆM .................................................................... 17 2.1. Đối tượng và nội dung nghiên cứu....................................................... 17 2.2. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị.......................................................... 17 2.2.1. Nguyên liệu, hóa chất ........................................................................ 17 2.2.2. Thiết bị .............................................................................................. 17 2.3. Quy trình thực nghiệm ......................................................................... 18 2.3.1. Tổng hợp nhựa nền PF dạng novolac ............................................... 19 2.3.2. Biến tính bề mặt vải cacbon .............................................................. 19 2.3.3. Tẩm nhựa nền lên vải cacbon............................................................ 20 2.3.4. Ép trên máy ép thủy lực có gia nhiệt ................................................ 20 2.3.5. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất vật liệu ... 22 2.4. Phân tích đánh giá một số chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu chế tạo ......... 23 2.4.1. Phương pháp cân thủy tĩnh................................................................ 23
iv 2.4.2. Phương pháp xác định hàm lượng nhựa nền..................................... 23 2.5. Phân tích cấu trúc, tính chất lý - hoá của vật liệu ................................ 24 2.5.1. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi đều Fourier .......................... 24 2.5.2. Phương pháp phân tích hiển vi điện tử quét ..................................... 24 2.5.3. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng .......................................... 25 2.5.4. Phương pháp đánh giá khả năng cách nhiệt của vật liệu .................. 25 2.5.5. Phương pháp đánh giá tính chất cơ lý của vật liệu ........................... 27 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 30 3.1. Phân tích tính chất của nguyên liệu chế tạo compozit vải cacbon - nhựa phenolic ....................................................................................................... 30 3.1.1. Phân tích tính chất vải cacbon trước xử lý ........................................ 30 3.1.2. Phân tích tính chất vải cacbon sau biến tính bằng axit ..................... 31 3.1.3. Phân tích khả năngliên kết giữa vải cacbon và nhựa nền novolac ... 34 3.2. Phân tích ảnh hưởng của công nghệ chế tạo đến cấu trúc và tính chất cơ học củavật liệu ............................................................................................. 37 3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian ép mẫu ...................................................... 37 3.2.2. Ảnh hưởng của áp lực ép mẫu .......................................................... 41 3.2.3. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý vải ............................................. 45 3.3. Phân tích khả năng cách nhiệt của vật liệu bằng phương pháp sử dụng đèn khò ôxi -axetylen .................................................................................. 47 3.3.2. Phân tích ảnh hưởng của thời gian ép mẫu đến khả năng cách nhiệt của vật liệu ......................................................................................................... 47 3.3.3. Phân tích ảnh hưởng của áp lực ép mẫu đến khả năng cách nhiệt của vật liệu ......................................................................................................... 50 3.3.4. Phân tích ảnh hưởng của phương pháp xử lý vải đến khả năng cách nhiệt của vật liệu ......................................................................................... 53 KẾT LUẬN ................................................................................................ 55 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN .......................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 57
v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Chữ viết tắt Ý nghĩa Association for Testing Hiệp hội Vật liệu thử nghiệm ASTM Materials quốc tế Mỹ Energy - dispersive X - ray EDX Phổ tán sắc năng lượng tia X spectroscopy Field Emission Scanning Kính hiển vi điện tử quét phát FE - SEM Electron Microscopy xạ trường Fouriertransform infrared Phổ hồng ngoại biến đổi đều FTIR spectroscopy Fourier Vật liệu compozit cacbon - CCP Compositecarbon - phenolic phenolic PA Purity Analysis Tinh khiết phân tích PAN Polyacrylonitrile Sợi polyacrylonitril PF Phenolformaldehyd Nhựa phenolformandehit Tranmission Electron Kính hiển vi điện tử truyền TEM Microscopy qua Phương pháp phân tích nhiệt TGA Thermogravimetric analysis khối lượng
vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Kết quả thử nghiệm một số polyme trên dòng nhiệtcủa đèn khò ôxi - axetylen ................................................................................... 15 Bảng 1.2. Kết quả thử nghiệm tấm compozit nền nhựa phenolfomandehit với hàm lượng cốt sợi khoảng 60% trên dòng nhiệt của đèn khò ôxi - axetylen ................................................................................... 15 Bảng 2.1. Các thông số yêu cầu chuẩn bị mẫu cho phép đo độ bền kéo . 28 Bảng 2.2. Các yêu cầu chuẩn bị mẫu cho phép thử độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178:2010 (E)................................................................. 29 Bảng 3.1. Một số chỉ tiêu kỹ thuật chính của vải sợi cacbon .................... 30 Bảng 3.2. Một số thông số kỹ thuật của nhựa nền phenolic dạng novolac .............................................................................................. 35 Bảng 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ép mẫu đến tính chất mẫu ép ........................................................................................................ 39 Bảng 3.4. Cơ tính của các mẫu vật liệu với thời gian ép khác nhau ........ 40 Bảng 3.5. Khảo sát ảnh hưởng của áp lực ép đến tính chấtmẫu compozit ............................................................................................ 41 Bảng 3.6. Cơ tính của các mẫu vật liệu với áp lực ép khác nhau ............. 44 Bảng 3.7. So sánh tính chất của các mẫu CCP chế tạo từ vải cacbon vớihai chế độ có và không xử lý vải trong axit ...................................... 45 Bảng 3.8. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ép mẫu đến khả năng bảo vệ nhiệt của vật liệu CCP .................................................................... 48 Bảng 3.9. Khảo sát ảnh hưởng của áp lực ép đến khả năng bảo vệ nhiệtcủa mẫu vật liệu CCP ............................................................................. 51 Bảng 3.10. Khảo sát khả năng cách nhiệt của các mẫu CCP chế tạo với hai chế độ có xử lý vải trong axit (M3, M8) và không xử lý vải (M11) ... 53
vii
viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Cấu trúc sợi cacbon được đan dệt theo các hướng khác nhau .. 4 Hình 1.2. Tương quan giữa giới hạn độ bền kéo σ B và mô đun đàn hồi E của sợi cacbon trên cơ sở sợi xenlulôzơ ................................... 5 Hình 1.3. Sự phụ thuộc của giới hạn bền kéo σB và mô đun đàn hồi của sợi cacbon trên cơ sở hắc ín vào nhiệt độ xử lý nhiệt ............... 5 Hình 1.4. Vải cacbon được sản xuất từ sợi PAN ...................................... 6 Hình 1.5. Công thức tổng quát của nhựa phenolic.................................... 7 Hình 1.6. Sơ đồ của hệ thống bảo vệ nhiệt theo cơ chế tải mòn ............. 12 Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo mẫu vật liệu compozit cacbon-phenolic........... 18 Hình 2.2. Sơ đồ ép chế tạo mẫu vật liệu compozit cacbon - phenolic .... 21 Hình 2.3. Máy ép gia nhiệt Carver chuyên dụng cho chế tạovật liệu compozit ............................................................................................. 22 Hình 2.4. Giản đồ nhiệt độ của ngọn lửa đèn khò ôxi - axetylen ........... 25 Hình 2.5. Sơ đồ phương pháp thử nghiệm khả năng chịu nhiệt của vật liệu sử dụng đèn khò ôxi - axetylen theo tiêu chuẩn ASTM - E285 - 08 ............................................................................................. 27 Hình 2.6. Mẫu thử kéo hình dạng mái chèo theo tiêu chuẩn ISO 527 - 2012 ......................................................................................... 27 Hình 2.7. Sơ đồ bố trí thí nghiệm đối với phép thử độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178:2010 (E) ......................................................... 29 Hình 3.1. Vải sợi cacbon ......................................................................... 30 Hình 3.2. Ảnh SEM cấu trúc bề mặt sợi cacbon với độ phóng đại khác nhau ......................................................................................... 31 Hình 3.3. Phổ FTIR của sợi cacbon trước xử lý (CF0), xử lý trong môi trường axit HNO3 ở 0,5 (CF1), 1 (CF2), 2 (CF3) và 4 giờ (CF4) ........................................................................................ 32
ix Hình 3.4. Ảnh SEM bề mặt của sợi cacbon trước (CF0) và sau xử lýtrong môi trường axit HNO3 trong các khoảng thời gian0,5 (CF1); 1 (CF2) và 2 giờ (CF3) ................................................................ 33 Hình 3.5. Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu compozit chế tạo từ vải cacbon trước và sau xử lý bằng axit .................................................... 34 Hình 3.6. Mẫu nhựa novolac sau tổng hợp ............................................. 35 Hình 3.7. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu nhựa PF trong môi trường N2 ... 36 Hình 3.8. Giản đồ ép mẫu compozit cacbon - phenolic .......................... 37 Hình 3.9. Mẫu vật liệu được chế tạo với thời gian ép 60 phút ............... 38 Hình 3.10. Ảnh SEM các mẫu compozit cacbon - phenolic sau chế tạo theo các khoảng thời gian tăng dần từ 40 đến 80 phút theo chiều a tới e ............................................................................................... 38 Hình 3.11. Ảnh hưởng của thời gian ép đến tỷ trọng và độ dày của mẫu vật liệu compozit cacbon - phenolic ....................................... 40 Hình 3.12. Ảnh hưởng của thời gian ép đến cơ tính của vật liệu ........... 41 Hình 3.13. Giản đồ sự ảnh hưởng của áp lực ép đến độ dầy và tỷ trọngcủa mẫu CCP ................................................................................. 42 Hình 3.14. Ảnh SEM các mẫu compozit cacbon - phenolic sau chế tạo với áp lực ép tăng dần từ 30 đến 70 kg/cm2 theo chiều từ a tới e .... 43 Hình 3.15. Ảnh hưởng của áp lực ép đến cơ tính của vật liệu ................ 44 Hình 3.16. Ảnh SEM của các mẫu CCP chế tạo với vải cacbon đã xử lý axit (a, b) và chưa xử lý axit (c) .............................................. 47 Hình 3.17. Thử nghiệm thực tế mẫu vật liệu CCPdưới ngọn lửa đèn khò ôxi - axetylen........................................................................... 47 Hình 3.18. Hình ảnh các mẫu vật liệu CCP ép trong các khoảng thời gian khác nhau sau khi thử nghiệm ................................................ 48 Hình 3.19. Ảnh hưởng của thời gian ép mẫu đến khả năng bảo vệ nhiệtcủa vật liệu CCP ............................................................................ 50
x Hình 3.20. Hình ảnh các mẫu vật liệu CCP chế tạo với các áp lực épkhác nhau sau khi thử nghiệm ......................................................... 51 Hình 3.21. Ảnh hưởng của áp lực ép mẫu đến khả năng bảo vệ nhiệtcủa vật liệu CCP ............................................................................ 53 Hình 3.22. Các mẫu CCP chế tạo với hai chế độ có xử lý vải trong axit (M3, M8) và không xử lý vải (M11) ...................................... 53
1 MỞ ĐẦU Sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, đặc biệt là các ngành hàng không vũ trụ, năng lượng nguyên tử luôn đi liền với sự phát triển của công nghệ vật liệu và sự ra đời của các vật liệu mới với những tính chất cơ, lý, hóa đặc biệt. Trong những thập niên gần đây, vật liệu compozit được thế giới hết sức quan tâm, dần thay thế các vật liệu truyền thống trong rất nhiều lĩnh vực. Sử dụng vật liệu compozit giúp làm tăng độ bền, độ cứng vững, khả năng chịu va đập, khả năng chịu hóa chất,… của rất nhiều kết cấu, chi tiết. Đến nay, vật liệu compozit đã có mặt trong hầu hết mọi lĩnh vực: từ công nghiệp dân dụng, y tế, thể thao, xây dựng cho đến các ngành công nghiệp nặng, hàng không vũ trụ, năng lượng hạt nhân. Sợi cacbon được dùng rộng rãi làm sợi gia cường, nhất là compozit nền hữu cơ. Sợi cacbon có cấu trúc giống than chì (graphit) được tạo thành bằng những liên kết cộng hoá trị rất bền giống như trong kim loại và gốm. Nhờ vào phương pháp chế tạo mà tính chất sợi cacbon liên tục được cải thiện qua nhiều thập niên qua, mô đun đàn hồi của sợi cacbon hiện đã cao hơn thép 4 lần nhưng tỷ trọng vẫn nhẹ hơn thép 4 lần. Compozit trên cơ sở vải sợi cacbon có độ bền cao, chịu nhiệt tốt và nhẹ hơn nhiều so với các vật liệu compozit truyền thống khác nên được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật cao như hàng không, vũ trụ, an ninh quốc phòng. Đặc biệt vật liệu compozit trên cơ sở sợi cacbon kết hợp với nền nhựa nhiệt rắn phenolic là một trong các hướng công nghệ ưu tiên được lựa chọn trong chế tạo một số chi tiết chịu nhiệt, cách nhiệt, đòi hỏi tính năng cơ lý tốt trong ngành hàng không vũ trụ. Do hệ vật liệu này có tính năng đặc biệt và được ứng dụng trong ngành kỹ thuật cao nên việc đề xuất "Nghiên cứu phân tích cấu trúc, tính chất của vật liệu compozit trên cơ sở vải cacbon - nhựa phenolic" để nghiên cứu chế tạo và phân tích chính xác thành phần phối liệu, tính năng vật liệu có ý nghĩa quan trọng, góp phần nâng cao chất lượng của hệ vật liệu này.
2 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Vật liệu compozit Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp của hai hay nhiều vật liệu thành phần khác nhau về hình dạng hoặc cấu trúc hóa học nhằm tạo ra một vật liệu mới có tính năng vượt trội so với vật liệu thành phần. Theo thành phần cấu tạo, người ta chia vật liệu compozit thành 3 loại chính: - Compozit nền kim loại: Là compozit có nền là các kim loại như Al, Mg, Ti, Fe, Co, Cu…Vật liệu gia cường là các sợi,hạt vô cơ,gốm hoặc kim loại(Pb, W, Mo). - Compozit nền gốm: Có thành phần chính là oxit, cacbua, nitric và boric được gia cường bởi các các hạt, sợi vô cơ,gốm hoặc kim loại. - Compozit nền polyme: Là compozit có nền là các polyme nhiệt dẻo và nhiệt rắn, vật liệu gia cường là các sợi hạt hữu cơ, vô cơ và kim loại [4]. Mỗi vật liệu compozit gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất (pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu compozit). Thông thường vật liệu compozit nền polyme được cấu tạo bởi 2 thành phần chính: - Vật liệu nền là pha liên tục, liên kết các pha gián đoạn với nhau. Vật liệu nền sử dụng trong chế tạo compozit nền polyme thường dùng là các loại nhựa nhiệt rắn như: phenolic, polyurethan, polypropylen, epoxy, polyeste không no,… hoặc nhựa nhiệt dẻo như: polyethylen, polystyren, acrylonytril butadien styren, polyvinyl clorua,... - Vật liệu cốt hay vật liệu gia cường là một pha gián đoạn được trộn vào với mục đích gia tăng cơ tính, tính kết dính, chống ăn mòn,…Các loại sợi thường dùng cho vật liệu compozit nền polyme gồm có: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi kevlar, sợi xenlulozo,…[4].
3 1.2. Vật liệu compozit cacbon- phenolic Trong những năm gần đây có rất nhiều công trình công bố vật liệu compozit trên cơ sở gia cường sợi cacbon làm cốt có tính năng chịu nhiệt cao (>20000C), sốc nhiệt và cách nhiệt tốt. Những hệ vật liệu này hiện nay trên thế giới đã và đang được quan tâm mạnh mẽ và kết quả nghiên cứu đã được đưa vào ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị liên quan đến quốc phòng, hàng không - vũ trụ [2].Vật liệu compozit cacbon - phenolic (CCP) có thành phần cốt là vải cacbon gia cường cho nhựa nền phenolic. Các vật liệu compozit có khả năng chịu nhiệt độ cao và chống cháy thường sử dụng sợi thủy tinh và sợi cacbon làm cốt. Hệ cốt sợi này có khả năng tương thích với hệ polyme tốt. Đặc biệt sợi cacbon có độ dẫn nhiệt, dẫn điện, chịu sốc nhiệt, không bị phân hủy ở nhiệt độ cao và chỉ thăng hoa ở nhiệt độ trên 3640oC. 1.2.1. Nguyên liệu chế tạo Vật liệu CCP gồm có hai thành phần chính: cốt vải cacbon và nền nhựa phenolic liên kết các cốt sợi cacbon. Mỗi thành phần cấu tạo có ảnh hưởng nhất định đến tính chất của sản phẩm compozit. Do đó việc khảo sát, lựa chọn các chủng loại cho từng thành phần đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc tạo ra sản phẩm vật liệu compozit có được các tính chất mong muốn. Dưới đây trình bày một số thông tin về các thành phần của vật liệu CCP, từ đó đề xuất phương án lựa chọn thành phần vật liệu thích hợp cho chế tạo CCP. 1.2.1.1. Cốt vải cacbon gia cường vật liệu compozit Vải cacbon là thành phần cơ bản đóng vai trò tăng độ bền cơ lý (vật liệu cốt) trong CCP. Loại vải này được dệt từ các bó sợi cacbon theo các cấu trúc đơn hướng (1D), hoặc đa hướng (2D, 3D,...) tùy theo yêu cầu của vật liệu.
4 Hình 1.1. Cấu trúc sợi cacbon được đan dệt theo các hướng khác nhau [17] Sợi cacbon thường được chế tạo từ các nguồn nguyên liệu như: sợi xenlulôzơ, hắc ín và polyacrylonitril (PAN),... - Sợi cacbon chế tạo từ sợi xenlulôzơ Quá trình công nghệ chế tạo sợi cacbon từ sợi xenlulôzơ gồm bốn giai đoạn chính: chuẩn bị vật liệu, ôxi hóa, cacbon hóa và graphit hóa. Mô đun đàn hồi của sợi cacbon làm từ sợi xenlulôzơ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là nhiệt độ cao nhất của quá trình xử lý nhiệt. Khối lượng riêng của sợi đạt khoảng 1,3 ÷ 1,9 g/cm3, độ bền kéo đến 3445 MPa, mô đun đàn hồi khoảng 690 ÷ 760 GPa (hình 1.2) [25].
5 Hình 1.2. Tương quan giữa giới hạn độ bền kéo σB và mô đun đàn hồi E của sợi cacbon trên cơ sở sợi xenlulôzơ - Sợi cacbon chế tạo từ nhựa hắc ín Trong những nguyên liệu dùng để chế tạo sợi cacbon, hắc ín dầu mỏ và hắc ín than đá là nguyên liệu rẻ tiền và phổ biến nhất. Sản xuất sợi cacbon trên cơ sở hắc ín gồm hai quá trình: sản xuất sợi mô đun thấp và graphit hóa sợi thu sản phẩm sợi dưới áp lực cao. Độ bền kéo của sợi cacbon trên cơ sở hắc ín phụ thuộc vào nhiệt độ quá trình xử lý nhiệt. Độ bền của sợi cacbon trên cơ sở hắc ín không cao do có nhiều khuyết tật trong cấu trúc sợi. Điều này đã hạn chế ứng dụng của sợi cacbon trên cơ sở hắc ín trong chế tạo compozit. Hình 1.3 cho thấy mô đun đàn hồi của sợi tăng nhanh khi nhiệt độ xử lý nhiệt tăng [25]. Hình 1.3. Sự phụ thuộc của giới hạn bền kéo σB và mô đun đàn hồi của sợi cacbon trên cơ sở hắc ín vào nhiệt độ xử lý nhiệt
6 - Sợi cacbon chế tạo từ polyacrylonitril (PAN) Sợi PAN là một nguyên liệu chính dùng để chế tạo sợi cacbon. Từ sợi PAN có thể chế tạo sợi cacbon có độ bền và mô đun đàn hồi cao. Sợi PAN có ưu điểm là có chứa hàm lượng cacbon cao (khoảng 40% khối lượng). Quá trình xử lý sợi PAN bao gồm các giai đoạn: tạo hình sợi PAN ban đầu; vuốt sơ bộ; ổn định hóa ở nhiệt độ 220°C trong không khí; cacbon hóa ở nhiệt độ 1500°C trong môi trường khí trơ; graphit hóa ở nhiệt độ 3000°C trong môi trường khí trơ. Hình 1.4. Vải cacbon được sản xuất từ sợi PAN Độ bền kéo và mô đun đàn hồi cao của sợi cacbon có được là do tính dị hướng cao của tinh thể graphit. Để đạt được cơ lý tính cao nhất thì các mặt cơ sở của tinh thể graphit phải song song với trục của sợi. Trong tinh thể graphit lý tưởng, mô đun đàn hồi của tinh thể phụ thuộc rất lớn vào hướng của nó so với mặt cơ sở. Theo mặt cơ sở mô đun đàn hồi đạt 1000 GPa, nhưng chỉ lệch đi 15° giá trị đó đã giảm xuống còn 70 GPa. Do đó, sợi cacbon có mô đun đàn hồi cao phải có cấu trúc mặt cơ sở định hướng so với trục sợi [25]. Từ các nghiên cứu trên, chúng tôi quyết định chọn vải cacbon có nguồn gốc sợi PAN để chế tạo được vật liệu CCP có cơ tính cao.
7 1.2.1.2. Nhựa nền phenolic để chế tạo compozit Có nhiều loại nhựa nhiệt rắn được sử dụng làm vật liệu nền cho CCP như: nhựa polyeste, polyimit, polyacetat, expoxy, phenolformaldehit (PF),... Nhưng nhựa PF thường được sử dụng để chế tạo CCP, do nguồn nguyên liệu sẵn có, rẻ và đặc biệt là tương hợp tốt với cốt vải cacbon. Nhược điểm duy nhất của hệ nhựa này là giòn và có độ rỗng cao [4]. Tuỳ thuộc vào điều kiện tổng hợp, nhựa phenolic được chia làm hai loại là novolac và resol. Nhựa novolac: được điều chế bằng phương pháp trùng ngưng phenol (P) với formandehit (F) khi tỷ lệ mol P/F>1, sử dụng xúc tác axit. Tuỳ thuộc vào tỷ lệ mol của phenol và fomandehit mà nhựa thu được có khối lượng phân tử khác nhau. Thông thường khối lượng phân tử trung bình của nhựa trong khoảng 600÷1200. Công thức tổng quát của nhựa novolac thể hiện trên hình 1.5a. Nhựa resol: Được điều chế bằng phương pháp trùng ngưng phenol với formandehit khi tỷ lệ mol P/F
8 thấp như: H2O, NH3... làm co ngót thể tích và tạo thành nhiều cấu trúc xốp hơn do đó làm giảm tính chất cơ lý của vật liệu compozit so với nhựa novolac [15]. Từ các phân tích trên đây, nhóm chúng tôi lựa chọn nhựa phenolic dạng novolac và sử dụng phương pháp ép nóng trong khuôn, đóng rắn ở áp suất cao và nhiệt độ cao để tạo được vật liệu CCP có cơ tính tốt. 1.2.2. Phân tích vàchế tạo vật liệu compozit cacbon-phenolic 1.2.2.1. Phân tíchtính chất nguyên liệu ban đầu a)Phân tích nhựa nền phenolic dạng novolac Trong quá trình chế tạo vật liệu compozit, nhựa nền novolac xảy ra phản ứng polyme hóa, khâu mạch không gian, giải phóng các hợp chất phân tử lượng thấp như H2O, NH3,... Quá trình đóng rắn xảy ra sự biến đổi trạng thái pha của nhựa novolac theo nhiệt độ, do đó cần có sự phân tích, xác định tính chất của nhựa nền. Mẫu tẩm nhựa nền được xác định quá trình biến đổi trên máy phân tích nhiệt TGA, từ đó rút ra kết luận quy trình chế tạo vật liệu. b) Phân tích tính chất vải cacbon Tính chất của vải cacbon phụ thuộc nguyên liệu ban đầu và các yếu tố của quá trình công nghệ, trong đó quan trọng nhất là nhiệt độ của quá trình xử lý nhiệt. Sự liên kết giữa bề mặt CFs với PF phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc nguyên tử xen giữa hai bề mặt và sự ảnh hưởng lẫn nhau của chúng. Bề mặt liên kết tốt là yếu tố quan trọng trong việc truyền tải trọng từ nhựa nền sang sợi, giúp giảm sự tập trung ứng suất và tăng cơ tính cho vật liệu compozit [24]. Tuy nhiên, sợi cacbon có đặc tính không phân cực, độ bền cao, bề mặt sau khi được graphit hóa nhẵn bóng khiến chúng khó có các tương tác vật lý và hóa học nếu không được biến tính bề mặt [26,30]. Do vậy, xử lý bề mặt CFs để tăng liên kết của CFs với nhựa nền là yếu tố không thể bỏ qua khi nghiên cứu và chế tạo hệ vật liệu này. Đã có nhiều công