Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Tính toán và mô phỏng số tấm composite lõi lượn sóng chịu xoắn bằng phương pháp đồng nhất hóa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:60

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu, tính toán và phát triển một mô hình đồng nhất hóa để mô phỏng số cho tấm composite lõi lượn sóng dạng 3D chịu xoắn bằng một tấm đồng nhất 2D tương đương nhằm tiết kiệm thời gian tính toán (từ 15 đến 20 lần) cũng như thời gian xây dựng mô hình bài toán và chi phí.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Tính toán và mô phỏng số tấm composite lõi lượn sóng chịu xoắn bằng phương pháp đồng nhất hóa

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN MẠNH VỮNG TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỐ TẤM COMPOSITE LÕI LƯỢN SÓNG CHỊU XOẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG NHẤT HÓA LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Thái Nguyên, tháng 8 năm 2017
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN MẠNH VỮNG TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỐ TẤM COMPOSITE LÕI LƯỢN SÓNG CHỊU XOẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG NHẤT HÓA Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 60520103 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. DƯƠNG PHẠM TƯỜNG MINH PHÒNG ĐÀO TẠO Thái nguyên, tháng 8 năm 2017
LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Mạnh Vững Học viên lớp cao học khóa K17 - Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại Nhà máy Z131/Tổng cục CNQP/BQP. Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Dương Phạm Tường Minh. Ngoài thông tin trích dẫn từ các tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các kết quả và số liệu thực nghiệm là do tôi thực hiện và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Thái Nguyên,ngày 8 tháng 8 năm 2017 Người thực hiện Nguyễn Mạnh Vững 1
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn khoa học, thầy giáo TS. Dương Phạm Tường Minh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tôi xin cám ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập. Tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên khích lệ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn. Thái Nguyên, ngày 8 tháng 8 năm 2017 Người thực hiện Nguyễn Mạnh Vững 2
TÓM TẮT Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau. Vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần. Ngày nay, tấm composite lõi lượn sóng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp (như bao bì, xây dựng, đóng tàu, hàng không, chế tạo ôtô, quốc phòng,…) nhờ các ưu điểm nổi bật như nhẹ, rẻ, và chịu được các môi trường khắc nghiệt. Do đó, việc nghiên cứu phải mô hình hóa và dự đoán các ứng xử cơ học của loại vật liệu này là hết sức cần thiết. Một tấm composite lõi lượn sóng có thể được coi như là một cấu trúc 3D và được mô hình hóa (lớp vỏ và lõi lượn sóng) bởi các phần tử vỏ (shell), nhưng việc mô hình hóa và mô phỏng số các tấm composite trực hướng kiểu này rất khó khăn và tốn kém. Do đó, việc sử dụng một mô hình đồng nhất hóa để mô phỏng các cấu trúc của nó nhằm đánh giá ứng xử cơ học sẽ nhanh hơn, giảm chi phí mà vẫn cho kết quả tương đương. Trong luận văn này, một mô hình đồng nhất hóa giải tích cho tấm composite lõi lượn sóng chịu xoắn được đề xuất. Theo mô hình này, một tấm composite lõi lượn sóng 3D được thay thế bởi một tấm đồng nhất 2D tương đương. Thay vì sử dụng luật ứng xử cục bộ (quan hệ giữa ứng suất và biến dạng) tại mỗi điểm, phép đồng nhất hóa cung cấp các độ cứng tổng thể (quan hệ giữa biến dạng tổng thể và hợp lực) cho một tấm 2D đồng nhất tương đương. Việc so sánh các kết quả mô phỏng số sử dụng phần tử hữu hạn cho mô hình Abaqus 3D, mô hình đồng nhất hóa 2D và kết quả thí nghiệm của tấm lượn sóng chịu xoắn chỉ ra rằng mô hình đồng nhất hóa đề xuất rất chính xác và cực kỳ hiệu quả. 3
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiÖu Tên các đại lượng uq, vq, wq Các chuyển vị của một điểm q(x, y, z) u, v, w Các chuyển vị của điểm p(x, y, 0) x Góc xoay của pháp tuyến z về x hoặc góc xoay quanh trục y y (x=xoay Góc y) của pháp tuyến z về y hoặc góc xoay quanh trục -x   (y=- Véc tơx)độ cong x ,  y Các góc xoay của mặt trung bình quanh trục y và trục x tương ứng màng N x , N y , Lực M x , M y , Mô men uốn, xoắn Tx , Ty Lực cắt ngang 4
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 1 LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 2 TÓM TẮT ........................................................................................................ 3 BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ 4 MỤC LỤC ........................................................................................................ 5 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... 6 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ....................................................... 7 MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 9 0.1. Tính cấp thiết của đề tài: ........................................................................... 9 0.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: .............................................................. 10 0.3. Kết quả đạt được: .................................................................................... 11 0.4. Cấu trúc của luận văn: ............................................................................. 11 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CƠ HỌC VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU COMPOSITE PHỨC TẠP ........................................................................ 12 1.1. Vật liệu composite. ................................................................................ 13 1.2. Tấm composite. ...................................................................................... 19 1.3. Tấm composite với các dạng lõi khác nhau ........................................... 22 1.4. Tấm composite lõi lượn sóng ................................................................ 25 1.5. Carton lõi lượn sóng .............................................................................. 26 1.6. Mục đích của luận văn. .......................................................................... 29 Chương 2 MÔ HÌNH ĐỒNG NHẤT HÓA CHO TẤM COMPOSITE LÕI LƯỢN SÓNG ...................................................................................................... 30 2.1. Giới thiệu................................................................................................. 30 2.2. Nhắc lại lý thuyết tấm của Mindlin......................................................... 30 2.3. Lý thuyết tấm nhiều lớp .......................................................................... 33 2.4. Áp dụng lý thuyết tấm nhiều lớp vào carton lõi lượn sóng .................... 35 Chương 3 HỢP THỨC HÓA BẰNG SỐ VÀ THỰC NGHIỆM CHO MÔ HÌNH ĐỒNG NHẤT HÓA ................................................................................ 44 3.1. Hợp thức hóa bằng mô phỏng số ............................................................ 44 3.2. Hợp thức hóa bằng thực nghiệm ............................................................. 47 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 56 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. Thuộc tính của các lớp giấy tạo thành tấm carton ................................................. 45 Bảng 2. So sánh giữa Abaqus-3D và Mô hình H-2D cho xoắn MD và CD......................... 46 Bảng 3. Tính chất cơ lý đối với vật liệu hợp kim nhôm Д16 ............................................... 47 Bảng 4. Thành phần hóa học của vật liệu Д16 .................................................................... 48 6
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1. Mô hình đồng nhất hóa tấm composite lõi lượn sóng ......................... 9 Hình 2. Tỷ lệ composite trong máy bay tàu lượn ............................................ 16 Hình 3. Ứng dụng trong chế tạo động cơ tên lửa xuyên lục địa ..................... 16 Hình 4. Ứng dụng trong chế tạo máy bay ....................................................... 17 Hình 5. Ứng dụng trong công nghiệp ôtô ....................................................... 17 Hình 6. Ứng dụng trong công nghiệp tàu thủy ............................................... 17 Hình 7. Ứng dụng trong dụng cụ thể thao ...................................................... 18 Hình 8. Ứng dụng trong kết cấu xây dựng ...................................................... 18 Hình 9. Ứng dụng trong công nghiệp bao bì .................................................. 19 Hình 10. Các loại vật liệu composite .............................................................. 19 Hình 11. Lớp vật liệu composite ..................................................................... 20 Hình 12: Mô hình cấu trúc của composite nhiều lớp ..................................... 20 Hình 13. Hệ trục chính vật liệu và hệ trục quy chiếu chung .......................... 21 Hình 14. Tấm lõi đơn ...................................................................................... 22 Hình 15. Tấm lõi kép ....................................................................................... 23 Hình 16. Một số dạng kết cấu lõi của tấm Sandwich...................................... 23 Hình 17. Các tấm sandwich lõi đơn hướng .................................................... 24 Hình 18. Tấm sandwich đa lõi, đa hướng ....................................................... 24 Hình 19. Tấm Sandwich lõi lượn sóng ............................................................ 25 Hình 20. Carton lượn sóng lõi đơn (trên) và lõi kép (dưới). .......................... 26 Hình 21. Lực màng, mô men uốn-xoắn và lực cắt ngang ............................... 32 Hình 22. Cấu tạo tấm nhiều lớp ...................................................................... 33 Hình 23. Hình dáng hình học của carton lõi lượn sóng ................................. 36 Hình 24. Lực và mô men nội lực trong một mặt phân tố của tấm .................. 38 Hình 25. Mô hình xoắn cho một gridwork ...................................................... 39 7
Hình 26. Hình dáng hình học mặt CD của carton lượn sóng ......................... 44 Hình 27. Chia lưới mô hình Abaqus-3D (trên) và mô hình H-2D (dưới) bởi phần tử S4R ..................................................................................................... 45 Hình 28. Chuyển vị và biến dạng của tấm carton khi chịu xoắn theo mặt MD ......................................................................................................................... 46 Hình 29. Bản vẽ mẫu thí nghiệm ..................................................................... 48 Hình 30. Bản vẽ tấm mẫu gia công trên máy phay CNC ................................ 49 Hình 31. Tấm lượn sóng sau khi phay và khoan lỗ trên máy phay CNC........ 49 Hình 32. Gá lắp phôi trên máy cắt dây để gia công tấm lượn sóng ............... 50 Hình 33. Mẫu thí nghiệm tấm lượn sóng sau khi cắt dây ............................... 50 Hình 34. Sơ đồ nguyên lý của đồ gá thử xoắn ................................................ 51 Hình 35. Đồ gá thử mô men xoắn cho tấm lượn sóng .................................... 52 Hình 36. Chuyển vị và biến dạng của tấm hợp kim nhôm lõi lượn sóng khi chịu xoắn theo mặt CD .................................................................................... 53 Hình 37. Quan hệ Mô men-Góc xoắn cho tấm hợp kim nhôm lõi lượn sóng khi chịu xoắn theo mặt CD .................................................................................... 53 8
MỞ ĐẦU 0.1. Tính cấp thiết của đề tài: Ngày nay, tấm composite lõi lượn sóng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp (như bao bì, xây dựng, đóng tàu, hàng không, chế tạo ôtô,…) nhờ các ưu điểm nổi bật như nhẹ, rẻ, và chịu được các môi trường khắc nghiệt. Chính vì vậy mà cần thiết phải tính toán và dự đoán được ứng xử cơ học của loại vật liệu này nhằm sử dụng tối ưu các ưu điểm của chúng. Để giải quyết được vấn đề này, cần phải tiến hành một loạt các thí nghiệm với nhiều kết cấu lõi lượn sóng khác nhau. Việc làm này sẽ rất tốn kém và tiêu tốn khá nhiều thời gian, bởi vậy cần thiết phải tiến hành mô phỏng số cho các loại kết cấu composite dạng 3D này. Hiện nay, việc thiết kế tính toán mô phỏng số cho các kết cấu composite thường sử dụng các công cụ FEM bằng các phần mềm thương mại (Ansys, Abaqus…). Hình 1. Mô hình đồng nhất hóa tấm composite lõi lượn sóng Tuy nhiên, việc mô phỏng các kết cấu composite kiểu như vậy rất tốn kém và không hiệu quả, thậm chí là không thể thực hiện được đối với các tấm có kích thước lớn (vì đây là một tấm sandwich 3D rất phức tạp nên thời gian xây dựng mô hình hình học, thời gian cho sự chuẩn bị mô hình phần tử hữu 9
hạn và công việc tính toán mô phỏng số mất rất nhiều thời gian). Vì vậy mà cần thiết phải phát triển một phương pháp mới nhằm rút ngắn thời gian tính toán phục vụ thiết kế, mô phỏng cho các kết cấu này mà vẫn đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu. Đó là phương pháp đồng nhất hóa, nó được xây dựng để thay thế tấm composite lõi lượn sóng 3D bằng một tấm đồng nhất 2D tương đương (Hình 1), nhằm giảm đáng kể thời gian tính toán cũng như thời gian xây dựng mô hình. Với mô hình đồng nhất hóa dạng này, có thể nhận thấy rằng thời gian cũng như khối lượng tính toán sẽ giảm đi rõ rệt, và tất nhiên mô hình này hoàn toàn có thể ứng dụng được dễ dàng cho các kiểu tấm composite phức tạp làm bằng các vật liệu khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng trong các lĩnh vực như: Bao bì, xây dựng, tàu thủy, ô tô và hàng không. Từ những lý do trên, có thể thấy rằng việc đặt vấn đề nghiên cứu và xây dựng được mô hình đồng nhất hóa cho tấm composite lõi lượn sóng là rất cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn vô cùng to lớn. Sự thành công của phương pháp này sẽ có tính đột phá, cho phép mở ra một tiềm năng về mô phỏng số cho các cấu trúc tấm composite phức tạp, thực tế được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tại Việt Nam cũng như trên thế giới. Theo đó, đề tài “Tính toán và mô phỏng số tấm composite lõi lượn sóng chịu xoắn bằng phương pháp đồng nhất hóa” sẽ mở ra để nghiên cứu, giải quyết các vấn đề trên. 0.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu, tính toán và phát triển một mô hình đồng nhất hóa để mô phỏng số cho tấm composite lõi lượn sóng dạng 3D chịu xoắn bằng một tấm đồng nhất 2D tương đương nhằm tiết kiệm thời gian tính toán (từ 15 đến 20 lần) cũng như thời gian xây dựng mô hình bài toán và chi phí. 10
Một kết cấu tấm composite lõi lượn sóng phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp bao bì cũng như đời sống hằng ngày là tấm carton lõi lượn sóng. Chính vì vậy đề tài tập trung nghiên cứu tính toán cho tấm carton lõi lượn sóng, và từ đó có thể mở rộng áp dụng cho tất cả các loại tấm composite lõi lượn sóng được làm từ các loại vật liệu khác nhau. 0.3. Kết quả đạt được: Đề tài đã nghiên cứu xây dựng được mô hình đồng nhất hóa 2D cho tấm composite lõi lượn sóng 3D, từ đó áp dụng cho tính toán tấm carton lõi lượn sóng đơn (3 lớp). Đăng tải 01 bài báo trên Tuyển tập Hội nghị Khoa học toàn quốc Vâ ̣t liêụ và Kế t cấu Composite - Cơ học, Công nghê ̣ và Ứng dụng. Tháng Bảy 2016, Nha Trang, Việt Nam. Tr. 463-470. 0.4. Cấu trúc của luận văn: Ngoài phần giới thiệu và phần kết luận chung, luận văn được chia thành 3 chương với các nội dung như sau: Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu cơ học vật liệu và kết cấu composite phức tạp. Chương 2: Mô hình đồng nhất hóa cho tấm carton lõi lượn sóng. Chương 3: Hợp thức hóa bằng số và thực nghiệm cho mô hình đồng nhất hóa. Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong phần cuối cùng của luận văn. 11
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CƠ HỌC VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU COMPOSITE PHỨC TẠP So với vật liệu kinh điển thì vật liệu composite có rất nhiều ưu điểm nổi bật mà ta có thể nêu ra ở đây, đó là: nhẹ, độ bền riêng cao, mô đun đàn hồi riêng cao, độ cách nhiệt, cách âm tốt, chịu mài mòn tốt… do vậy mà nó càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tiên tiến trên thế giới như: hàng không, chế tạo máy, vũ trụ, đóng tàu, ô tô, xây dựng dân dụng và trong đời sống. Nhưng mặt khác vật liệu composite cũng là loại vật liệu có tính dị hướng rất cao. Độ bền và tuổi thọ của các kết cấu làm bằng vật liệu composite phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: Vật liệu thành phần, phương pháp gia công, tải trọng tác dụng, môi trường làm việc và cấp độ chính xác của mô hình tính toán và thiết kế. Ở Việt Nam, nói chung cũng đã có những ứng dụng đáng kể như: Vòm che máy bay, ống phóng các loại đạn phản lực và tên lửa, xuồng cứu sinh, tàu du lịch, cửa chắn nước, ống dẫn chất thải công nghiệp,… mà phần lớn các kết cấu này đều thuộc dạng tấm vỏ composite lớp. Để có thể thiết kế tối ưu vật liệu và các kết cấu composite thì cần thiết phải hiểu rõ được bản chất và những quy luật ứng xử cơ học khá phức tạp của loại vật liệu này. Chính vì vậy mà ta cần phải có những mô hình cơ học sát thực, những phương pháp tính toán hiệu quả, chính xác nhằm phân tích sâu sắc ứng xử cơ học cũng như độ bền của các kết cấu composite lớp khi chịu tác dụng của tải trọng và môi trường. 12
Một số lý thuyết tấm bậc nhất đơn giản và được ứng dụng rộng rãi trong phân tích cơ học vật liệu và kết cấu composite lớp như Kirchhoff, Hencky – Mindlin,… đã cho phép giải quyết phần lớn các bài toán cơ bản của vật liệu và kết cấu composite chịu tác dụng của tải trọng. 1.1. Vật liệu composite. Vật liệu composite là loại vật liệu được tổ hợp từ hai vật liệu có bản chất khác nhau, và vật liệu được tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần khi xét riêng rẽ. Vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên khối, liên tục, đảm bảo cho composite có độ bền nhiệt, bền hoá và khả năng chịu tải cao khi vật liệu có khuyết tật. Vật liệu nền của composite có thể là polyme, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc các bon. Vật liệu cốt đảm bảo cho composite có các mođun đàn hồi và độ bền cơ học cao. Các cốt của composite có thể là các hạt ngắn, bột hoặc các sợi cốt như sợi thuỷ tinh, sợi polyme, sợi gốm, sợi kim loại và sợi các bon,…Về mặt đặt bài toán của cơ học, người ta còn định nghĩa vật liệu composite là vật liệu mà tính chất của nó phụ thuộc vào toạ độ. Ưu điểm lớn nhất của composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân bố và các vật liệu thành phần để tạo ra một vật liệu mới có độ bền theo mong muốn. Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại (như nhẹ, lại chịu được nhiệt lên đến 3000oC,…) chỉ có composite mới đáp ứng nổi. Vì vậy mà vật liệu composite giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới. Thực ra, quá trình tạo nên composite là sự tiến hóa trong ngành vật liệu: Từ vật liệu chỉ có một cấu tử (như kim loại nguyên chất), người ta đã biết tận dụng tính ưu việt của các cấu tử để tạo ra các vật liệu có hai hay nhiều cấu tử (hợp kim), rồi từ 3 nhóm vật liệu đã biết là kim loại, vật liệu vô cơ ceramic và 13
hữu cơ polyme, người ta đã tìm cách tạo ra composite – vật liệu của các vật liệu để kết hợp và sử dụng kim loại-hợp kim, các vật liệu vô cơ và hữu cơ đồng thời, hợp lý. Và mới đây người ta đã nói đến super-composite: composite của composite (khi các vật liệu thành phần cũng là composite). Dựa vào các đặc trưng cơ lý hoá, người ta phân vật liệu ra thành 4 nhóm chính: kim loại và các hợp kim, vật liệu vô cơ-ceramic, vật liệu polyme và gần đây nhất là vật liệu tổ hợp compsite. Vật liệu kim loại (và hợp kim) là những vật liệu dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng, có khả năng biến dạng dẻo cao. Đặc điểm cấu trúc kim loại là sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử, tạo thành mạng tinh thể, trong những điều kiện nhất định có thể chuyển hoàn toàn sang trạng thái không trật tự (vô định hình). Kim loại thông dụng có thể kể ra như thép, đồng, nhôm, tin tan, niken,…và các hợp kim của chúng. Ưu điểm của kim loại là dẫn điện, dẫn nhiệt, mô đun đàn hồi cao, độ bền cơ học cao. Nhược điểm lớn nhất của kim loại là không bền với môi trường kiềm và axit, dễ bị oxi hóa, và nhiều kim loại có độ bền nhiệt không cao. Khối lượng riêng của nhiều kim loại rất lớn nên bị hạn chế khi sử dụng để thiết kế chế tạo các khí cụ bay. Vật liệu vô cơ-ceramic là hợp chất giữa kim loại (Mg, Al, Si,…) và các phi kim loại dưới dạng các oxyt, cacbit, nitrit,… với các liên kết bền vững kiểu ion hoặc đồng hoá trị, tạo thành mạng tinh thể (có trật tự), hoặc trạng thái vô định hình. Các ceramic truyền thống thường thấy là thuỷ tinh, gốm, sứ, gạch,… Ceramic có ưu điểm chung là cách điện, cách nhiệt, bền vững với môi trường kiềm và axít, tuy nhiên gốm lại giòn, không biến dạng dẻo. Vật liệu polyme có hai loại: nhiệt rắn (đông rắn ở nhiệt độ cao, quá trình polyme hoá không có tính thuận nghịch) và nhiệt dẻo (quá trình thuận 14
nghịch, chảy dẻo ở nhiệt độ cao, đông rắn khi nguội và lại có thể chảy dẻo lại được ở nhiệt độ cao). Polyme có thể có nguồn gốc từ thực vật hoặc động vật như xenlulo, cao su, protein, enzym,…hoặc được tổng hợp từ các monome bằng các phản ứng trùng hợp như nhựa phenolphomalđehit, polyamit, polyephin,… Polyme có cấu trúc mạch thẳng (polyetylen, polystyren,…), mạch nhánh, polyme mạng lưới và các polyme cấu trúc không gian (epoxy, phenolphomanđehit,…) và được cấu thành nên bởi hai nguyên tố chủ yếu là cacbon và hyđrô, có chứa thêm oxy, clo, nitơ,…. Polyme có ưu điểm là nhẹ, cách điện, bền vững với các môi trường hoá học, tuy nhiên lại có mô đun đàn hồi thấp và khả năng chịu nhiệt không cao. Trong các vật liệu kể trên, trước đây người ta thường đánh giá cao vai trò của vật liệu nhóm kim loại và cho rằng chúng giữ vị trí quyết định đến sự phát triển xã hội và kỹ thuật. Tuy nhiên như đã phân tích trên đây, chúng ta có thể thấy vật liệu kim loại (hay hợp kim), gốm và polyme, mặc dù mỗi loại vật liệu có những ưu điểm riêng, nhưng cũng có những yếu điểm. Trong khi công nghiệp hiện đại, nhất là công nghiệp quốc phòng yêu cầu những vật liệu mới, đáp ứng được các đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật, như vật liệu chế tạo khí cụ bay phải vừa nhẹ, lại vừa bền nhiệt, …là những tính chất lý tưởng mà không vật liệu tự nhiên nào có được. Từ đó con người đã nảy sinh ý tưởng, và sau đó đã trở thành hiện thực là chế tạo những vật liệu mới, tổ hợp được các ưu điểm của các loại vật liệu nói trên. Vật liệu mới composite, có thể có các chỉ tiêu cơ lý cao hơn kim loại và hợp kim, lại bền với cả môi trường hoá học và rất nhẹ. Ngày nay, composite ngày càng chiếm ưu thế, đã dần thay thế kim loại và hợp kim trong chế tạo máy, trong việc chế tạo các vật thể bay, và đã có mặt trong tất cả mọi ngành, mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Để thấy được quy mô phát triển của ngành vật liệu composite, ta hãy quan sát biểu đồ sử dụng vật liệu composite trong máy bay tàu lượn (Hình 2): 15
năm 1991 composite chiếm có 3% khối lượng, được dùng thay thế dần kim loại và hợp kim, và đến năm 2000 đã chiếm đến 65% khối lượng máy bay. Hình 2. Tỷ lệ composite trong máy bay tàu lượn Ngày nay vật liệu composite đã có mặt ở hầu hết mọi lĩnh vực cũng như trong đời sống hàng ngày. Từ Hình 3 đến Hình 9 thể hiện một số ứng dụng của vật liệu composite trong hầu hết các lĩnh vực như ô tô, xây dựng, máy bay, tên lửa… Hình 3. Ứng dụng trong chế tạo động cơ tên lửa xuyên lục địa 16
Hình 4. Ứng dụng trong chế tạo máy bay Hình 5. Ứng dụng trong công nghiệp ôtô Hình 6. Ứng dụng trong công nghiệp tàu thủy 17
Hình 7. Ứng dụng trong dụng cụ thể thao Hình 8. Ứng dụng trong kết cấu xây dựng 18