Nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit sử dụng trong lĩnh vực
vật liệu ma sát
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MA SÁT- MÒN
1. Các lý thuyết về ma sát.
Còng nh các ngành khoa học khác, khoa học về ma sát phát triển không
ngừng và gắn liền với các ngành công nghiệp có liên quan nh công nghiệp ô
tô, giao thông đường sắt và gia công kim loại. Việc nghiên cứu, tìm hiểu về
bản chất của ma sát là rất cần thiết để trước hết có thể mô hình hoá, tiếp theo
đó là lượng hoá và điều khiển được các quá trình xảy ra khi ma sát. Các kiến
thức về ma sát giúp cho các nhà nghiên cứu định hướng được công việc và
giải quyết được các vấn đề do thực tiễn đặt ra.
Những nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu trong lĩnh vực ma sát là Amoton,
Culong, Leona dơ Vinxi và sau này là M.L.Lomonoxop,….
Ở Nga, khoa học về ma sát, bôi trơn và mài mòn được hình thành từ khi
thành lập Viện hàn lâm khoa học Nga. Nhà khoa học vĩ đại M.L.Lomonoxop
đã thiết kế thiết bị đầu tiên nghiên cứu sự liên kết giữa các phân tử của các vật
thể. Đó là tiền thân cho các thiết bị hiện đại sau này nghiên cứu về độ mài mòn
của vật liệu.
Ma sát đã được nghiên cứu từ lâu nhưng các lý thuyết về ma sát mài mòn
vẫn không ngừng được bổ xung và phát triển cùng với sự phát triển của các
ngành khoa học khác. Bắt đầu từ lý thuyết cổ điển, lý thuyết phân tử, lý thuyết
điện cho đến các lý thuyết hiện đại ngày nay.
1.1 Lý thuyết cổ điển
Nhà bác học đầu tiên nghiên cứu và đề xuất lý thuyết cổ điển về ma sát là
Amoton. Trong tài liệu vào năm 1969, tác giả đưa ra những hiểu biết về ma sát
và mô tả dụng cụ dùng trong thí nghiệm nghiên cứu. Đó là một dụng cụ đơn
giản bao gồm một lò so gắn vào vật thí nghiệm và tất cả được đặt trên một mặt
phẳng. Đầu kia của lò so được gắn với một tải trọng nhờ đó mà vật nghiên cứu
có thể trượt trên mặt phẳng.
Nhiều thí nghiệm đã được thực nghiệm và đi đến kết luận sau:
- Lực ma sát cân bằng với tải trọng mà vật bên trên tác động xuống vật thể
Về mặt gia công thô, trị số A là rất nhỏ có thể bỏ qua được. Khi đó công
thức (1) chuyển thành:
F=
µ
N (2)
Công thức (2) thường đựơc gọi là định luật Culong- Amoton.
Tóm lại, lý thuyết cổ điển về ma sát cho rằng: lực ma sát phụ thuộc vào
hai yếu tố chính là tải trọng đặt lên vật thể ( bao gồm cả trọng lượng của vật
thể và tổng ngoại lực tác dụng lên vật thể) và bản chất của hai vật thể tiếp xúc
với nhau
1.2 Lý thuyết phân tử
Các tác giả thuộc trường phái này mà đại diện là F.P.Bowden, D.Tabor đã
làm nhiều thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của độ ráp bề mặt, diện tích tiếp
xúc, tốc độ trượt và sự chuyển dời của vật liệu từ bề mặt tiếp xúc này sang bề
mặt tiếp xúc khác đến lực ma sát. Về ảnh hưởng của độ ráp bề mặt đến hệ số
ma sát, Athur Morin (1934) cho rằng: lực ma sát khi hai vật thể chuyển động
tương đối với nhau là không đổi khi độ ráp bề mặt thay đổi và hệ số ma sát
giảm đi dẫn đến độ mài mòn thấp.
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của diện tích tiếp xúc, các tác giả đó cho rằng
khi bề mặt hai vật thể rất gần nhau lúc đó số điểm tiếp xúc thực tế sẽ cân bằng
với diện tích tiếp xúc giữa hai bề mặt và khi đó lực ma sát là lớn nhất. Nh vậy
lực ma sát phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc thực tế giữa hai bề mặt.
Mét nhà bác học khác như: H.Shaw (1986), F.P.Bowden (1938- 1942) khi
nghiên cứu về ma sát đã nhận thấy bề mặt của các vật thể thường bị cào xước
và đã nảy sinh việc khảo sát quá trình vận chuyển vật liệu từ bề mặt này đến
bề mặt khác. Các tác giả trên cho rằng bản chất của quá trình là do lực tương
tác giữa các phân tử trên bề mặt của hai vật thể và rót ra nhận xét sau: khối
lượng chuyển dời phụ thuộc vào quãng đường chứ không phụ thuộc vào tải
trọng. Khi một vật thể cứng hơn chuyển động trên bề mặt của vật thể mềm hơn
thì lượng vật liệu chuyển sang vật thể cứng hơn phụ thuộc vào độ ráp bề mặt
trạng thái mềm cao thậm chí bị chảy nhít làm giảm đáng kể hệ số ma sát.
Tóm lại, lý thuyết phân tử về ma sát cho rằng bản chất của lực ma sát là
lực hót giữa các phân tử khi hai bề mặt vật thể tiếp xúc với nhau. Do đó lực
ma sát không phụ thuộc hay nói cách khác là độc lập với tải trọng. Lực ma sát
chỉ phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc thực tế và tốc độ chuyển động tương đối
của hai vật thể.
1. 3 Lý thuyết điện.
Lý thuyết này được đề xuất do trong thực tế khi hai vật thể tiếp xúc với
nhau gây ra sự phát sáng và có khả năng hót các vật thể nhẹ khác. Hiện tượng
này nhận thấy nhiều nhất trong công nghiệp giấy khi giấy được cán qua hai
trục. Các tác giả J.A.Joné (1925), P.Schnurmann (1940), E.Warlow- Davises
(1942) cho rằng điện ma sát (triboeletricity) và ma sát là hai mặt của cùng một
sự kiện: phá huỷ liên kết giữa các nguyên tử của các bề mặt tiếp xúc với nhau.
Theo lý thuyết điện thì ma sát là tổng hợp toàn bộ các liên kết điện giữa
các nguyên tử của hai bề mặt khi chúng tiếp xúc với nhau. Tương tác nguyên
tử- phân tử được coi là chủ yếu còn các tương tác cơ học chỉ là kết quả của
công liên kết nguyên tử- phân tử.
1.4 Lý thuyết hiện đại.
Các lý thuyết trình bày ở trên tuy có thừa hưởng, phát triển những kết quả
đã đạt được của công trình lý thuyết trước đó, nhưng do điều kiện, mức độ
nghiên cứu và theo các xu hướng khác nhau nên đã xuất hiện những quan
điểm không giống nhau về ma sát. Mặt khác, do chưa có những phương tiện
máy móc hiện đại để nghiên cứu một cách chính xác các hiện tượng xảy ra
trong quá trình ma sát nên các kết luận rót ra thường từ trực quan và đã dẫn tới
sự bất đồng về quan điểm.
Nhược điểm lớn nhất của các lý thuyết về ma sát trước đây là chúng đều
dùa trên các hiện tượng cá biệt như cơ học, vật lý hoặc điện mà không xét tới
ảnh hưởng tương hỗ giữa chúng, do đó đã không phân biệt được lực ma sát
với sức cản của các khuyết tật trên bề mặt vật liệu.
Sự phát triển của khoa học về ma sát được gắn liền với sự phát triển chung
α
β
α
α
/
0
11.
−
−−=
Trong đó: F- Lực ma sát.
c- Hệ số phụ thuộc vào góc trượt.
α
S
W- Lượng vật liệu bị mất đi.
P- Tải trọng.
V- Tốc độ.
τ
- Thời gian.
a,b,c- Hằng số phụ thuộc vào từng cặp ma sát.
Ứng dụng các lý thuyết về ma sát đã đem lại lợi Ých to lớn giúp cho
những nhà nghiên cứu, người sản xuất nhận thức và khắc phục được những
hạn chế còn tồn tại của vật liệu. Hạn chế tới mức tối đa ảnh hưởng có hại do
ma sát gây ra.
2. Các loại vật liệu có khả năng làm giảm ma sát
Giảm ma sát và mài mòn có ý nghĩa quan trọng đối với nền kinh tế quốc
dân. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra 3 loại vật liệu chính có khả năng làm giảm
ma sát và mài mòn bao gồm: gốm, hợp kim và polyme.
So với kim loại và polyme, gốm có ưu điểm là hệ số ma sát thấp, độ cứng
bề mặt tương đối cao, Ýt bị mài mòn và không bị ôxy hoá trong quá trình làm
việc. Tuy nhiên, gốm lại bị ảnh hưởng của nhiệt, dao động và đặc biệt dễ bị vỡ
khi va đập.
Kim loại và hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực vật liệu
chống ma sát do những ưu điểm nổi bật như: có độ cứng bề mặt cao, có khả
năng làm việc ở nhiệt độ cao Nhược điểm của chúng là khó gia công, có giá
thành cao và không bền hoá chất.
Việc nghiên cứu sử dụng vật liệu Polyme cho các kết cấu ma sát đã cho
kết quả bất ngờ. So với kim loại, polyme có hệ số ma sát nhỏ hơn, Ýt mòn
hơn, Ýt bị ảnh hưởng của dao động và va đập, có giá thành rẻ, tính công nghệ
cao hơn trong việc chế tạo chi tiết, có khả năng làm việc trong môi trường hoá
chất và bôi trơn bằng nước.
Tuy nhiên sự thay thế kim loại bằng Polyme không phải lúc nào cũng có
lợi. Đối với kết cấu chống ma sát, hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng nhất
chung và cường độ cọ xát. Sự đánh giá độ chịu mài mòn, theo tỷ số trên có
tính chất gần đúng do sự phụ thuộc của sự mài mòn không chỉ vào tính chất
vật liệu mà cả vào điều kiện thử nghiệm.
Cường độ mài mòn có thể đánh giá định lượng theo một đại lượng thông
số đo:
In =
∆
h/
∆
L =
∆
V/(A.
∆
L)
Trong đó:
∆
h- bề dày líp bị mài mòn đi.
∆
V- thể tích líp bị mài mòn đi.
∆
L- quãng đường cọ xát.
A- diện tích chuẩn của bề mặt.
Độ mài mòn cũng có thể đánh giá bằng chỉ tiêu năng lượng
In =
∆
V/W
Trong đó: W- năng lượng cọ xát.
Chương II: Tổng quan vật liệu polyme Compozit- Vật liệu ma
vào bản chất của các thành phần mà có phụ thuộc rất nhiều vào liên kết giữa
các thành phần. Vật liệu có tính chất càng cao khi liên kết giữa các thành phần
càng chặt chẽ. Cơ tính của vật liệu còn phụ thuộc vào hình thái học như hình
dạng, kích thước mật độ phân bố và phương, thứ tự sắp xếp của cốt. Mật độ
của cốt được xác định qua tỷ lệ khối lượng hoặc thể tích. Đây là một thông số
quan trọng trong việc quyết định tính chất cơ học của vật liệu. Khi cốt phân bố
không đồng đều vật liệu sẽ bị phá huỷ trước tại những vị trí mật độ cốt thấp do
đó làm giảm độ bền kết cấu của vật liệu. Đây là một đặc trưng trội nhất của vật
liệu Compozit. Vì vậy với những phương pháp chế tạo khác có thể đưa lại
những vật liệu Compozit có tính chất cơ lý khác mặc dù có cùng thành phần
giống nhau như phương pháp quấn ống và đúc kéo liên tục.
- Trong vật liệu Compozit tỷ lệ hình dáng - kích thước cũng như sự phân
bố của nền, cốt tuân theo các qui định thiết kế trước, nói cách khác với sự lùa
chọn thích hợp chất tăng cường và nhựa nền tính chất của vật liệu Compozit
có thể tính toán trước.
- Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất
chung của Compozit. Tuy vậy, tính chất Compozit không bao hàm tất cả các
tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lùa chọn và
phát huy thêm những tính chất tốt.
- Có nhiều phương pháp gia công cho phép chế tạo nhiều dạng sản phẩm
có đặc tính khác.
Tuy nhiên vật liệu Compozit còn có một số nhược điểm:
- Là vật liệu đa thành phần nên việc đồng thời thoả mãn tất cả các yêu cầu
của vật liệu rất khó khăn. Chỉ có thể lùa chọn các thành phần và phương pháp
chế tạo thích hợp để có thể đáp ứng những yêu cầu quan trọng nhất.
- Mô đun đàn hồi không cao.
- Nhiệt độ làm việc tương đối thấp.
1.3 Phân loại vật liệu Compozit.
Để phân loại vật liệu compozit người ta dùa vào các đặc điểm chung của
chúng:
nhiệt dẻo.
1. Nhựa nhiệt dẻo có cấu trúc mạch thẳng hoặc mạch nhánh, chảy mềm ở
nhiệt độ cao và có thể lấy lại trạng thái rắn khi làm lạnh. Nhựa có thể ở dạng
tinh thể hoặc vô định hình. Khả năng chịu dung môi, chịu nhiệt kém hơn nhựa
nhiệt rắn. Người ta thường tăng độ bền, độ chịu tải và chống rão cho vật liệu
bằng các loại sợi ngắn. Nhựa nhiệt dẻo gia công chủ yếu bằng phương pháp
đúc. Ở nhiệt độ thường, compozit nhựa nhiệt dẻo có tính dai, bền, cứng nhưng
đều bị mất tính bền ở nhiệt độ cao. Có thể khắc phục phần nào nhược điểm
này bằng cách tăng cường chất độn. Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dông:
polyetylen (PE), polypropylene (PP), polystyrene…
2. Nhựa nhiệt rắn được tạo thành từ các polyme cũng chính là compozit
nhiệt rắn, có khả năng tạo được các liên kết ngang (liên kết hoá học). Qúa
trình tạo các liên kết ngang gọi là quá trình đóng rắn. Các phản ứng tạo liên
kết ngang này đã liên kết các phân tử polyme lạ với nhau tạo thành mạng lưới
không gian ba chiều có khối lượng phân tử lớn. Chính điều này khiến cho
nhựa nhiệt rắn sau khi đóng rắn không có khả năng nóng chảy hoặc hoà tan
mà chỉ có thể bị phân huỷ.
Tổ hợp của nhựa phenol – fomandehyt với sợi amiăng bền với axit, kiềm ở
nồng độ nhỏ hơn 40%, bền với axeton ở 50
0
C và bền với axetic ở bất kỳ nhiệt
độ nào.
Vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa phenol – fomandehyt với chất
độn thích hợp như: sợi thuỷ tinh, sợi amiang, có khả năng làm việc ở nhiệt độ
cao tới 250
0
C hoặc trong điều kiện nhiệt độ làm việc thay đổi trong một phạm
vi rộng mà không có nguy cơ bị thay đổi kích thước.
Độ chịu mài mòn của tấm phẳng từ nhựa phenol - fomandehyt có thể so
sánh với nhôm, đồng. Tuy nhiên khả năng này bị suy giảm khi độ Èm của môi
125 40
÷
120
Độ bền
uốn
Mpa 70
÷
140 60
÷
180 45
÷
95 45
÷
95
Độ hót
nước
Mpa 10
÷
30 7
÷
20 15
÷
30 15
÷
30
Tỷ trọng g/cm
3
1,1
÷
1,15 1,15
kích thước nhỏ (<0,1mm) thường là các vật liệu bền cứng, có tính ổn định
nhiệt cao như cacbit, nitrit… Tương tác nền cốt xảy ra ở mức độ vi mô ứng
với kích thước nguyên tử hoặc phân tử.
- Compozit cốt hạt thô: nền có thể là polyme, kim loại hoặc gốm. Cốt
thường được đưa vào để cải thiện độ bền kéo, nén, uốn, độ chống mài mòn, độ
ổn định kích thước, chịu nhiệt… hoặc ra một tính chất mới theo yêu cầu.
Tương tác nền- cốt không xảy ra ở mức nguyên tử, phân tử.
* Compozit cốt sợi ngắn: Độ dài cốt thường nhỏ hơn 5 cm đôi khi được
gọi là ria. Compozit cốt sợi ngắn thường được gia công bằng các phương pháp
gia công nhựa thông thường như đúc, đùn, đúc phun. Khi đùn hoặc đúc phun
vào khuôn, sợi phải có khả năng đi qua được các khe hở nhỏ trong thân thiết
bị. Sợi ngắn thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt rắn
do có khối lượng phân tử lớn khi đóng rắn sẽ không có lợi khi dùng sợi ngắn.
Tất cả compozit cốt sợi ngắn đều thuộc compozit kỹ thuật.
* Compozit cốt sợi có chiều dài trung bình: Độ dài cốt từ 10 đến 100 mm,
thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn có thêm bột đệm với hàm
lượng khá lớn. Phương pháp gia công thường được sử dụng là phương pháp
ướt. Sợi phải được nhựa thấm ướt hoàn toàn để compozit đạt được các tính
chất cao nhất. Compozit này cũng thuộc nhóm compozit kỹ thuật.
* Compozit cốt sợi dài: Sợi dài hay còn gọi là sợi liên tục thường được
dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn, chế tạo compozit chất lượng cao.
Compozit cốt sợi dài có thể được chế tạo với cả nền vô cơ, gốm kim loại.
c. Phân loại theo phạm vi ứng dụng
Polyme compozit được chia thành 2 nhóm. Hai nhóm này khác nhau chủ
yếu ở loại sợi, chiều dài sợi tăng cường và loại nhựa được sử dụng làm nền.
Nhóm thứ nhất được gọi là compozit tiên tiến, được chế tạo từ các loại sợi
dài và có độ bền cao. Nhựa nền cũng là các loại nhựa có đặc tính tốt, chịu
nhiệt, độ bền hoá học. Compozit chất lượng cao thường được ứng dụng trong
ngành hàng không, vũ trụ, cũng như các dụng cụ thể thao cao cấp như vợt
tennis, gậy chơi gôn…
tổng hợp bột ma sát với 4 tỷ lệ khác nhau: fenol - fomandehyt (1: 1,12; 1:
1,13; 1: 1,14; 1: 1,15) được ký hiệu FR
1
, FR
2
, FR
3
, FR
4
tương ứng. Qua một số
thí nghiệm sơ bộ có được tỷ lệ các cấu tử cho vào tổng hợp vật liệu ma sát.
- Phôi liệu của hỗn hợp được trình bày ở bảng sau: (theo % trọng lượng)
Bảng 1.
Cấu tử %
Nhựa 29
Bột amiăng 61
Bét ma sát 9,5
Axit Stearic 0,5
Kết quả đánh giá độ mài mòn được trình bày ở bảng 2.
Bảng 2.
Loại bét ma
sát
Tỷ lệ phenol : Fomandehyt (mol)
Không có
bột ma sát
1:1,2 1:1,3 1:1,4 1;1,5
FR
1
FR
2
2000 0,0358 0,512
3000 0,0362 0,509
4000 0,0360 0,51
5000 0,0364 0,507
2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các cấu tử chính trong tổ hợp vật liệu.
Tính chất cơ lý của vật liệu Polyme- Compozit không chỉ phụ thuộc vào
tính chất của nhựa nền, bột độn mà còn phụ thuộc vào tỷ lệ của chúng trong tổ
hợp. Tỷ lệ của các cấu tử trong tổ hợp có thể thay đổi tùy từng trường hợp cụ
thể. Khi hàm lượng nhựa quá thấp khả năng chế tạo vật liệu trở nên khó khăn
do tổ hợp có độ chảy kém, các tính chất như độ bền va đập, độ bền hoá giảm,
độ hấp thụ nước tăng lên do lượng nhựa quá Ýt không đủ liên kết các chất độn
lại với nhau. Nếu hàm lượng quá cao (>50%) thì việc tạo hình càng khó do tổ
hợp vật liệu có độ nhít thấp. Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa đến tính chất cơ
lý của vật liệu Polyme-Compozit trên cơ sở nhựa phenol fomandehyt với bột
độn thông dụng được trình bày ở bảng sau (Bảng 4)
0 20 40 60 80 100
2
4
6
10
8
12
14
§é bÒn (TÊn/in
2
)
Hµm lîng nhùa theo % träng lîng
Qua hình 4 có thể thấy việc thay đổi hàm lượng của một cấu tử nào đó
trong tổ hợp vật liệu đề đạt mong muốn là tăng một số tính chất cơ lý nào đó
thì lại làm giảm một số tính chất cơ lý khác. Đối với trường hợp vật liệu ma
của nhựa tổng hợp sử dụng cho vật liệu ma sát đồng thời có tính mềm dẻo, có
khả năng phục hồi cao thì việc sử dụng cao su để biến tính nhựa đặc biệt là các
loại nhựa phenol fomandehyt đem lại hiệu quả cao. Cao su dùng để biến tính
là cao su Butadienitil và cao su Clopreu.
Nguyên tắc để biến tính nhựa bằng cao su là trộn hỗn hợp nhựa với cao su
sau đó cho đóng rắn. Trong quá trình đóng rắn cao su phản ứng với nhựa và
cùng tham gia vào quá trình khâu mạch. Cũng có thể nhựa tham gia vào quá
trình lưu hoá cao su và được coi như một mắt xích trong mạng lưới. Tuy vậy
tổ hợp nhựa - cao su được coi như một hệ thống hai pha riêng biệt. Cao su có
Copyright: Tài liệu đại học ©