Khảo sát thanh composite gia cường thảm chống lầy Heavy Trackway của Hà Lan

Hóa học và Kỹ thuật môi trường P. Q. Thuần, N. T. Hùng, Đ. Đ. Trung, “Khảo sát thanh Heavy Trackway của Hà Lan.” 22 KHẢO SÁT THANH COMPOSITE GIA CƯỜNG THẢM CHỐNG LẦY HEAVY TRACKWAY CỦA HÀ LAN Phạm Quang Thuần*, Nguyễn Trần Hùng, Đỗ Đình Trung Tóm tắt: Bài báo đề cập tới việc khảo sát thanh composite gia cường của thảm chống lầy của Hà Lan, là bộ phận chính làm nên kết cấu của thảm chống lầy, có ý nghĩa quyết định đến chịu tải trọng của thảm. Các phương pháp nghiên cứu sơ bộ về tính chất nhiệt, cấu trúc tế vi và tính chất cơ lý cơ bản của thanh composite. Từ khóa: Thảm chống lầy; Heavy trackway. 1. MỞ ĐẦU Vật liệu composite có rất nhiều tính năng ưu việt so với vật liệu truyền thống như: độ bền cơ học cao, khối lượng riêng bé; chịu được môi trường ẩm mặn, bức xạ mặt trời, không bị tác động của các sinh vật biển như hàu, hà, các loại vi sinh vật khác; có khả năng kết hợp với các loại vật liệu khác như gỗ, kim loại, để vừa tăng sức bền vừa giảm giá thành; dễ tạo dáng, độ bóng bề mặt cao, kín nước tuyệt đối; dễ thi công, dễ sữa chửa, thiết bị thi công đơn giản; tuổi thọ cao trên 20 năm; chi phí bảo dưỡng thấp. Do vậy, vật liệu composite đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt gần đây đã được ứng dụng trong lĩnh vực chế tạo vũ khí trang bị trong quân sự và các loại vật liệu cao cấp trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao. Thảm chống lầy Heavy trackway của Hà Lan đang được quân đội Nato sử dụng trong tác chiến vùng nền đất yếu và vùng ven biển cho xe công binh và trực thăng loại nhỏ. Bộ phận chính kết cấu lên thảm chống lầy gồm ba phần chính: thanh gia cường, sợi cáp kim loại, sợi polime bện. Trong đó kết cấu chính quyết định nên khả năng chịu tải trọng và làm việc của thảm chống lầy là các thanh composite. Bài báo khảo sát phân tích thanh composite để có phương hướng chế tạo thay thế trong điều kiện Việt Nam. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Kính hiển vi điện tử quét SEM, phổ phân tán năng lượng tia X EDX, phân tích thay đổi khối lượng theo nhiệt độ TGA, phân tích nhiệt vi sai DSC, phổ hồng ngoại, tính chất cơ lý theo ASTM D 4476. 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 3.1. Khảo sát hình dạng và tỷ trọng của thanh composite Thanh composite có dạng màu đen, hình trụ dài theo chiều rộng của thảm chống lầy (thảm chống lầy có chiều rộng 4,2 mét). Đường kính 11,7 mm; khối lượng riêng 14,5 g/cm3. Hình 1. Một phần của thảm chống lầy Heavy trackway. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020 23 3.2. Khảo sát phân tích mẫu thanh composite Phân tích bề mặt ngang và dọc của vật liệu bằng kính hiển vy điện tử quét SEM cho biết được cấu trúc tế vi của bề mặt vật liệu. Hình 2. Chụp SEM mẫu thanh composite theo hai phương khác nhau. Từ hình 2, vật liệu cấu thành gồm các sợi được sắp xếp bố trí dọc theo chiều dài của thanh. Các sợi được sắp xếp đều không bị bó lại, phù hợp với điều kiện chịu lực theo phương ngang của vật liệu (chịu lực cắt ngang của vật liệu). Theo các tài liệu, các loại sợi có thể được sử dụng chế tạo vật liệu như: sợi thủy tinh, sợi kevlar, sợi carbon, sợi gốm, Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DSC, phân tích thay đổi khối lượng theo nhiệt độ TGA xác định được các thành phần cơ bản cấu thành nên vật liệu. Mỗi loại vật liệu có phân hủy nhiệt độ khác nhau, các loại nhựa thường có nhiệt độ phân hủy thấp hơn các loại sợi như nói ở trên. Điều kiện phân huỷ nhiệt: mẫu được phân tích trong môi trường không khí, nhiệt độ tăng từ 0 đến 850 oC, với tốc độ 5 oC/phút. Kết quả: phần rắn không thay đổi trọng lượng chiếm 0.27% KL được phân tích EDX. Từ kết quả cho thấy mẫu chứa khoảng 45% KL là nhựa, 55% KL là sợi. Hóa học và Kỹ thuật môi trường P. Q. Thuần, N. T. Hùng, Đ. Đ. Trung, “Khảo sát thanh Heavy Trackway của Hà Lan.” 24 Quá trình phân huỷ nhiệt cho thấy 3 peak suy giảm KL: Peak 177.14 o C; Peak 357.49 o C; Peak 780.04 o C. Kết quả phân tích phần cặn tro (0,27% khối lượng). Phương pháp phân tích EDX thành phần tro xác định các nguyên tố trong mẫu xác định được sợi được dùng chế tạo thanh. Chụp EDX kết quả được chỉ ra trong hình 3. Furnace temperature /°C0 100 200 300 400 500 600 700 TG/% -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 HeatFlow/µV -30 -10 10 30 dTG/% /min -16 -12 -8 -4 Mass variation: -4.53 % Mass variation: -40.36 % Mass variation: -54.84 % Peak :177.14 °C Peak :357.49 °C Peak :414.20 °C Peak :780.04 °C Peak :512.88 °C Peak :401.76 °C Figure: 21/03/2016 Mass (mg): 14.36 Crucible:PT 100 µl Atmosphere:AirExperiment: Thang48A Procedure: RT ----> 850C (5 C.min-1) (Zone 2)Labsys TG Exo Hình 3. Giản đồ TGA và DSC. Thông qua hình 3 nhận thấy phần tro không phân hủy nhiệt chủ yếu là C ngoài ra còn có Mg, Si, Al, Ca, K dạng oxit, tuy nhiên do thành phần rất nhỏ nên có thể kết luận đây chỉ là tạp chất trong thành phần vật liệu. Từ kết quả trên có thể kết luận thành phần gia cường trong vật liệu là sợi carbon. Điều này phù hợp với nhiều tài liệu cũng như mô tả của nhà sản xuất. Bằng các phương pháp phân tích trên có thể xác định được thành phần khối lượng sợi khoảng 55% và nhựa 45%, sợi được sử dụng là sợi carbon. Title : IMG1 -------------------------- - Instrument : 6610(LA) Volt : 20.00 kV Mag. : x 500 Date : 2016/03/22 Pixel : 512 x 384 Hình 4. Chụp SEM tro. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020 25 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV 001 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 C o u n ts C O Mg Al Si Ca Ca Acquisition Parameter Instrument : 6610(LA) Acc. Voltage : 20.0 kV Probe Current: 1.00000 nA PHA mode : T4 Real Time : 84.68 sec Live Time : 70.00 sec Dead Time : 17 % Counting Rate: 1817 cps Energy Range : 0 - 20 keV Thin Film Standardless Standard Quantitative Analysis Fitting Coefficient : 0.7784 Element (keV) Mass% Counts Error% Atom% C K (Ref.) 0.277 93.34 38361.06 0.01 96.45 O K 0.525 2.43 2629.88 0.27 1.89 Mg K* 1.253 0.50 740.32 2.38 0.25 Al K 1.486 0.78 1115.58 1.74 0.36 Si K 1.739 1.03 1449.70 1.45 0.46 Ca K 3.690 1.92 1728.07 1.35 0.59 Total 100.00 100.00 Hình 5. Chụp EDX thành phần tro còn lại. 3.3. Khảo sát tính chất cơ lý của thanh composite Tính chất cơ lý của thanh composite được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D 4476. Lần đo Đường kính mẫu, mm Lực phá hủy lớn nhất, N Độ biến dạng lớn nhất, mm % biến dạng Độ bền uốn, MPa Modul đàn hồi, MPa 1 11,7 8223,11 0,91 0,95 1053 1234 2 11,7 8170,23 0,93 0,97 1046 1197 3 11,7 8258,45 0,87 0,91 1058 1291 4 11,7 8097,67 0,98 1,02 1037 1131 5 11,7 8199,86 1,07 1,12 1050 1202 Thông qua phân tích tính chất cơ lý của vật liệu composite chế tạo thanh gia cường cho thảm chống lầy nhận thấy các tính chất cơ lý phù hợp với nhiều sản phẩm đã được làm từ vật liệu composite trên cơ sở sợi carbon. Các kết quả phân tích có sai khác không lớn, chứng tỏ độ ổn định của vật liệu. KẾT LUẬN Đã khảo sát bằng các phương pháp vật lý và hóa học để sơ bộ kết luận vật liệu chế tạo thanh gia cường composite để làm kết cấu cho thảm chống lầy. Khảo sát tính chất cơ lý để đánh giá khả năng ứng dụng của thanh composite. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Volume 21 ASM Handbook, “The Volume was prepared under the direction of the ASM international Handbook Committee”, 2001. Hóa học và Kỹ thuật môi trường P. Q. Thuần, N. T. Hùng, Đ. Đ. Trung, “Khảo sát thanh Heavy Trackway của Hà Lan.” 26 [2]. ASTM D 4476, “Standard Test Method for Flexural Properties of Fiber Reinforced Pultruded Plastic Rods”. ABSTRACT STUDY ON THE PHYSICAL AND MECHANCAL PROPERTIES OF REINFORCED COMPOSITE BAR FOR HEAVY TRACKWAY ANTI-BOG MAT In this study, the properties of reinforced composite bar of Heavy Trackway anti- bog mat purchased from Netherland, which is the main framework of anti-bog mat and is the crucial for the load-carrying capacity of the mat, were investigated. The thermal property, microstructure and physical properties of composite bar were investigated and discussed. Keywords: Anti-bog mat; Heavy Trackway. Nhận bài ngày 15 tháng 7 năm 2020 Hoàn thiện ngày 12 tháng 8 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng 8 năm 2020 Địa chỉ: iện Hóa học- ật liệu iện Khoa học - Công nghệ quân sự. * Email: phamquangthuan1982@gmail.com.