Phần 9  Định hướng về nhựa gia cố bằng sợi

Nội dung

1. Nhựa gia cố sợi là gì?

2. Định hướng của nhựa gia cố bằng sợi là gì?

3. Tenxơ định hướng là gì?

4. Định dạng kết quả định hướng sợi

5. Tóm tắt

Nhựa gia cố bằng sợi là gì?

Nhựa gia cố bằng sợi là vật liệu có chứa vật liệu gia cố như sợi thủy tinh để cải thiện độ bền cơ học của nhựa và cung cấp chức năng. Có nhiều loại vật liệu gia cố dạng sợi có thể được trộn lẫn, chẳng hạn như sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi aramid và khoáng chất tự nhiên, loại và lượng hỗn hợp được lựa chọn dựa trên mục đích, chi phí và hiệu quả môi trường.

[Ví dụ về vật liệu gia cố bằng sợi]

■ Sợi thủy tinh (GF)

Nhựa chứa GF có độ bền và cường độ nén tuyệt vời cũng như độ ổn định kích thước được cải thiện.
Ví dụ về sử dụng: Tấm cản và tấm cửa ô tô, vỏ tàu, dụng cụ thể thao như gậy đánh gôn và cần câu, v.v.

■ Sợi cacbon (CF)

Nhựa chứa CF có trọng lượng nhẹ, có độ bền cơ học tuyệt vời và mang lại độ cứng cao. Chúng cũng có đặc tính trượt tuyệt vời và khả năng chống mài mòn. Vì chúng có tính dẫn điện nên chúng được sử dụng khi cần có các đặc tính điện.
Ví dụ về sử dụng: Ô tô, hàng không vũ trụ, vật liệu xây dựng, đồ thể thao, v.v.

■ Sợi aramid (AF)

Nhựa có chứa AF có trọng lượng nhẹ, độ bền và độ bền. Chúng có khả năng chống va đập, độ dẻo dai và chống mài mòn cực cao. Chúng cũng có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp. Tuy nhiên, chúng là vật liệu gia cố rất đắt tiền so với GF và các vật liệu khác.
Ví dụ về sử dụng: thiết bị chống đạn như mũ chống đạn và áo giáp xe quân sự, các bộ phận kết cấu ô tô, khung xe đạp, vợt tennis, v.v.

■ Khoáng chất tự nhiên

Khi các khoáng chất tự nhiên như sợi silicat magie ngậm nước (sepiolite) và sợi canxi silicat (wollastonite) được sử dụng làm vật liệu gia cố, nó sẽ trở thành một loại nhựa có khả năng chịu nhiệt, chống mài mòn tuyệt vời, v.v. So với GF, nó có độ ổn định kích thước tuyệt vời do tỷ lệ khung hình nhỏ hơn của nó.
Ví dụ về sử dụng: bộ đồ ăn, thiết bị văn phòng, phụ tùng ô tô, v.v.

Định hướng nhựa gia cố bằng sợi là gì?

Vì vật liệu gia cố có dạng sợi nên sự định hướng xảy ra trong quá trình ép phun, ảnh hưởng đến đặc tính của vật liệu. Định hướng có nghĩa là các sợi được căn chỉnh theo một hướng nhất định. Vật liệu không gia cố có các đặc tính vật liệu không phụ thuộc vào hướng, được gọi là đẳng hướng, trong khi các đặc tính vật liệu thay đổi tùy theo hướng được gọi là dị hướng. Nói chung, nhựa có chứa vật liệu gia cố bằng sợi có xu hướng thể hiện tính dị hướng đáng kể. Một ví dụ đã được biểu diễn ở dưới.

• Độ bền cơ học: độ bền và độ cứng thay đổi đáng kể tùy theo hướng
• Cong vênh: Các sợi bị hạn chế, gây ra sự bất đẳng hướng về độ co ngót và cong vênh.
• Độ dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt của sợi khác với độ dẫn nhiệt của nhựa, do đó độ dẫn nhiệt thay đổi tùy theo hướng.

 

Như vậy, định hướng có ảnh hưởng lớn đến tính chất vật liệu, vì vậy khi sử dụng nhựa gia cố bằng sợi, điều quan trọng là phải hiểu định hướng ngay từ giai đoạn thiết kế.

Trong phân tích ép phun nhựa, có thể phân tích hướng của sợi. Định hướng của sợi bị ảnh hưởng bởi các điều kiện đúc, đặc tính của vật liệu, tỷ lệ và nồng độ của sợi. Nếu hành vi của các sợi trong nhựa không được xem xét đúng cách thì dự đoán hướng sẽ khác xa thực tế, do đó cần kiểm tra các điều kiện đầu vào phân tích.

Tenxơ định hướng là gì?

Tenxơ định hướng là một phân bố xác suất cho biết mức độ định hướng của các sợi trong hệ tọa độ ba chiều. Giá trị của một trục được chỉ định càng gần 1 thì càng có nhiều sợi được căn chỉnh dọc theo trục đó và tổng giá trị của ba trục là 1. Nói cách khác, tenxơ định hướng sợi có thông tin về hướng và tỷ lệ.

Trong một tấm mỏng có hình dạng đơn giản, các sợi được định hướng mạnh theo hướng dòng chảy. Khi tấm trở nên dày hơn, các sợi có xu hướng định hướng theo hướng dòng chảy ở các lớp bề mặt, nhưng ở các lớp giữa, chúng có xu hướng định hướng vuông góc với hướng dòng chảy hoặc ngẫu nhiên, như trong Hình 1. Bằng cách này, phân bố hướng cục bộ có thể được biểu thị bằng cách sử dụng tenxơ định hướng, nhưng điều này đòi hỏi một mô hình luồng chính xác.

Định dạng kết quả định hướng sợi

Định hướng sợi được xuất ra dưới dạng tenxơ định hướng cho từng phần. Như đã đề cập ở trên, cần phải tính đến hướng sợi để dự đoán chính xác độ bền của bộ phận.

■ Ví dụ sử dụng tấm phẳng

Sự so sánh giữa kết quả phân tích và giá trị đo thực tế của một tấm phẳng được thể hiện trong Hình 2. Như minh họa ở hình minh họa phía trên của Hình 2, ở các lớp bề mặt (mặt trước và mặt sau) của tấm, các sợi hầu hết được định hướng. theo hướng dòng chảy (hướng trục X), trong khi ở lớp giữa (trung tâm độ dày tấm), các sợi chủ yếu được định hướng theo hướng vuông góc với dòng chảy (hướng trục Y), dẫn đến sự phân bố hướng sợi khác nhau giữa lớp bề mặt và lớp giữa.
Ngoài ra, việc hiểu mức độ phù hợp giữa sản phẩm đúc thực tế và kết quả phân tích là rất quan trọng để cải thiện độ chính xác của dự đoán. Trong những lần xác minh này, kết quả cũng sẽ thay đổi nếu tỷ lệ khung hình hoặc hàm lượng sợi thay đổi. Điều quan trọng là sử dụng dữ liệu vật liệu để phân tích vật liệu mục tiêu.

Dưới đây là một ví dụ cụ thể về cách sử dụng kết quả định hướng sợi quang:

■ Ví dụ về phân tích cong vênh

Định hướng sợi cũng rất quan trọng trong phân tích cong vênh. Tính dị hướng của độ co ngót của nhựa do định hướng được tính toán cho từng bộ phận và trạng thái cong vênh được tính toán dựa trên kết quả. Chúng được tích hợp sẵn trong phần mềm phân tích ép phun, vì vậy khi sử dụng nhựa gia cố bằng sợi, cần kiểm tra mức độ cong vênh do định hướng sợi và liệu có vấn đề gì về thông số kỹ thuật hay không. Một cách hiệu quả để giải quyết cong vênh là thay đổi kiểu điền bằng cách thay đổi vị trí cổng, v.v.

■ Sử dụng trong phân tích kết cấu

Tùy thuộc vào hướng của sợi, độ bền và độ cứng trở nên dị hướng. Với nhựa được gia cố bằng sợi, hiệu quả gia cố sẽ lớn hơn theo hướng các sợi được căn chỉnh. Do có sự khác biệt về tính chất vật lý giữa hướng dòng chảy của sợi và hướng vuông góc với hướng dòng chảy, nên các đặc tính của sợi gia cố có thể được tận dụng tối đa bằng cách đảm bảo rằng cường độ và độ cứng đạt được theo hướng yêu cầu cường độ đặc biệt tại giai đoạn thiết kế.

Trong sản phẩm đúc thực tế, tenxơ định hướng của từng bộ phận đầu ra bằng phân tích ép phun nhựa được ánh xạ vào mô hình để phân tích cấu trúc và phân tích được thực hiện bằng cách sử dụng dữ liệu vật liệu để phân tích cấu trúc. Cụ thể, như trong Hình 3, các thử nghiệm độ bền được thực hiện trên các mẫu thử được cắt ở các góc khác nhau từ một tấm phẳng thu được bằng phương pháp ép phun và dữ liệu vật liệu để phân tích cấu trúc được tạo ra dựa trên mối tương quan với tenxơ định hướng. Điều này đưa phân tích cấu trúc đến gần hơn với đặc tính của sản phẩm đúc thực tế và được sử dụng trong thiết kế.

Bản tóm tắt

Các tính chất vật lý của nhựa có chứa sợi gia cố thay đổi tùy theo hướng của sợi. Mặc dù việc sử dụng cốt sợi giúp cải thiện độ bền và độ cứng, đồng thời góp phần giảm trọng lượng bằng cách thay thế kim loại, nhưng nó cũng có thể gây ra các vấn đề như cong vênh. Vì lý do này, các nhà thiết kế và người lựa chọn vật liệu cần hiểu các đặc tính của cốt sợi và sử dụng phân tích ép phun nhựa để dự đoán và thực hiện các biện pháp trước, từ đó cải thiện chất lượng thiết kế.

​​