Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composit vải cacbon/epoxy trộn hợp ống nano cacbon chế tạo cơ cấu bám phục vụ huấn luyện và chiến đấu cho bộ đội

Hóa học và Kỹ thuật môi trường P. Q. Thuần, , N. M. Tường, “Nghiên cứu ứng dụng và chiến đấu cho bộ đội.” 100 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU COMPOSIT VẢI CACBON/EPOXY TRỘN HỢP ỐNG NANO CACBON CHẾ TẠO CƠ CẤU BÁM PHỤC VỤ HUẤN LUYỆN VÀ CHIẾN ĐẤU CHO BỘ ĐỘI Phạm Quang Thuần1*, Nguyễn Thị Hoà1, Vũ Văn Quyền1, Nguyễn Trác Đáng2, Nguyễn Mạnh Tường1 Tóm tắt: Vật liệu composit trên cơ sở expoxy gia cường vải/sợi/bột có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Ngoài việc gia cường bằng cốt, bổ sung một lượng nhỏ vật liệu nano giúp nâng cao tính năng và độ bền của nhựa nền được nhiều công trình nghiên cứu và triển khai ứng dụng thực tế. Vật liệu composit vải cacbon/epoxy trộn hợp ống nano cacbon đã được nghiên cứu ứng dụng trong chế tạo cơ cấu bám cho bộ đội đặc công trong huấn luyện và chiến đấu. Kết quả cho thấy, khi bổ sung một lượng nhỏ khoảng 1% thì tính năng cơ lý của vật liệu tăng lên rõ rệt, trong đó, độ bền kéo đạt > 1.000 MPa và modun đàn hồi đạt > 80 GPa. Từ khóa: Vật liệu composit; Ống nano cacbon; Cơ cấu bám; Bộ đội đặc công. 1. MỞ ĐẦU Cơ cấu bám là công cụ hỗ trợ rất quan trọng của Bộ đội đặc công, bao gồm đặc công công cạn và đặc công nước. Đối với đặc công cạn thì cơ cấu bám giúp bộ đội tiếp cận mục tiêu, các công trình có kết cấu bằng thép. Đối với đặc công nước, cơ cấu bám giúp bộ đội tiếp cận các tàu vỏ sắt hoặc các công trình trên biển có kết cấu bằng khung sắt. Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất của cơ cấu bám là lực bám trên bề mặt thép. Thông thường đối với bộ cơ cấu bám phải có lực bám đủ lớn để chiến đấu viên mang trang bị cần thiết có leo trên cơ cấu bám đảm bảo an toàn. Bên cạnh lực bám, trọng lượng và mức độ thuận lợi trong thao tác sử dụng là yêu cầu quan trong không kém. Trong quá trình huấn luyện, chiến đấu viên phải mang theo 10-15 cơ cấu bám, do vậy, trọng lượng càng nhẹ càng tốt, hơn nữa, yêu cầu tác chiến của bộ đội đặc công bí mật bất ngờ, tranh tối đa các tiếng động phát ra trong quá trình sử dụng công cụ. Để giảm bởi trọng lượng, hạn chế tiếng động phát ra trong quá trình thao tác và thuận lợi hơn trong tách riêng tưng cơ cấu bám ra khỏi nhau trong khí sử dụng, tấm ốp ngoài được nghiên cứu chế tạo từ vật liệu composit gia cường bằng ống nano cacbon [4 - 6]. Bài báo trình bày một số kết quả khảo sát, đánh giá khả năng sử dụng vật liệu composit gia cường bằng ống nano cacbon làm tấm ốp ngoài cho cơ cấu bám phục vụ huấn luyện và sẵn sàng chiến đấu lực lượng bộ đội đặc công. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Vật tư, hoá chất - Cơ cấu bám công trình đã sử dụng nam châm đất hiếm từ hợp kim Nb2Fe14B có kích thước 11x17x50mm được phủ một lớp sơn bảo vệ màu đen. - Tấm ốp composit chế tạo từ: nhựa epoxy D.E.R 331 của DOW Hàn Quốc; Chất đóng rắn EDTA Hàn Quốc; vải cacbon YC3K Hàn Quốc; ống nano cacbon Việt Nam. 2.2. Chế tạo vật liệu làm tấm ốp - Chuẩn bị hỗn hợp với tỷ lệ định trước được đưa vào khuấy trộn trực tiếp trên máy rung siêu âm để phân tán cacbon nanotube trong nhựa nền epoxy. - Hỗn hợp nhựa và vải cacbon được sử dụng với tỉ lệ vải cacbon/hỗn hợp nhựa bằng 60/40. Điều kiện chế tạo: áp suất - 3,5 kg/cm2; nhiệt độ đóng rắn - 70 oC; thời gian đóng Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020 101 rắn - 1 giờ; thời gian ổn định - 72 giờ. - Sau khi gia công nam châm đất hiếm, vật liệu nano composit để chế tạo tấm ốp ngoài, gia công tấm ốp hông bằng thép CT3, tay nắm được gia công bằng nhôm. Các chi tiết được lắp ghép thành cơ cấu bám như hình: Hình 1. Bản vẽ tấm ốp và tấm ốp. Hình 2. Vật liệu composit và cơ cấu bám. 2.3. Phương pháp kiểm tra đánh giá vật liệu - Thử nghiệm độ bền cơ học vật liệu composit trên thiết bị Instron Bluehill Universal theo các tiêu chuẩn sau: + Thử nghiệm độ bền uốn, modul uốn theo tiêu chuẩn ASTM D790 - 03. + Thử nghiệm độ bền kéo, modul đàn hồi theo tiêu chuẩn ASTM D3090 - 03. + Thử nghiệm độ va đập theo tiêu chuẩn ASTM D252 - 05. + Thử nghiệm độ cứng Rocwell theo tiêu chuẩn ASTM E18 - 20. - Xác định lực bám trên bề mặt tấm thép CT3 dầy 5mm (theo chiều song song và chiều vuông góc với bề mặt thép) xác định thời gian chịu lực bám, các thông số được kiểm tra trên thiết bị thử kéo nén UH500kNI tại Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc trưng tính chất vật liệu composit vải cacbon/epoxy trộn hợp ống nano cacbon Khảo sát ảnh hưởng của vải nền, ảnh hưởng của nano gia cường đến tính năng cơ lý của vật liệu composit chế tạo được. Khi sử dụng 100% vải cacbon siêu bền gia cường với Hóa học và Kỹ thuật môi trường P. Q. Thuần, , N. M. Tường, “Nghiên cứu ứng dụng và chiến đấu cho bộ đội.” 102 cùng một tỉ lệ nhựa/vải là 40/60, kết quả so sánh giữa các mẫu 50% vải thủy tinh + 50% vải cacbon (50C/50TT) và 100 % vải thủy tinh (100TT), kết quả ở bảng 1. Bảng 1. Ảnh hưởng của vải nền đến tính năng cơ lý của vật liệu composit. Tỉ lệ vải cốt nền Tính chất Đơn vị 100C 50C/50TT 100TT Độ bền uốn MPa 492 350 215 Modul uốn GPa 42 28 15 Độ bền kéo MPa 815 570 220 Modul đàn hồi GPa 68 33 17 Độ bền va đập KJ/m2 225 130 90 Độ cứng Rocwell - 218 175 80 Với các mẫu vật liệu có kết cấu vải gia cường đã được thử nghiệm, độ bền cơ học của mẫu vật liệu composit được chế tạo hoàn toàn từ vải sợi cacbon cho độ bền cao nhất, cao hơn rất nhiều so với mẫu composit chế tạo hoàn toàn từ sợi thủy tinh và sợi cacbon+sợi thủy tinh. Đặc biệt là modun đàn hồi và độ bền kéo tăng lên gấp 4 và 3,7 lần so với composit 100 % sợi thủy tinh. Từ kết quả trên đã lựa chọn 100% vải cacbon siêu bền và tỉ lệ nhựa/vải là 40/60 để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo. Hình 3. Đồ thị ảnh hưởng của hàm lượng CNT đến độ bền kéo. Hình 4. Đồ thị ảnh hưởng của hàm lượng CNT đến modun đàn hồi. Ống nano cacbon đóng vai trò bột độn gia cường đã được đề cập trong các nghiên cứu, ống nano cacbon sử dụng có đường kính trong từ 10-25 nm, đường kính ngoài từ 30-40 nm, được sản xuất trong nước. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nano cacbon đến tính năng của composit, các mẫu được khảo sát với hàm lượng cacbon thay đổi từ 0 đến 1,5% so với nhựa nền. Khi có mặt của ống nano cacbon ở hàm lượng 1% thì tính năng cơ lý của vật liệu thay đổi đáng kể. Cụ thể: độ bền kéo, mô đun đàn hồi, tăng từ 815 đến 1002 Mpa và 68 đến Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020 103 83GPa so với mẫu không có ống nano cacbon. Như vậy, có thể khẳng định rằng, ống nano cacbon có khả năng cải thiện được tính năng cơ lý của vật liệu composit. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng hàm lượng nano cacbon lên thì một số tính năng cơ lý của vật liệu composit có chiều hướng giảm đi. 3.2. Khảo sát khả năng ứng dụng vật liệu composit làm cơ cấu bám Với việc sử dụng vải cacbon siêu bền/nhựa epoxy là 60/40 và bổ sung 1% CNT so với nhựa đã chế tạo vật việu composit có tính năng cơ lý cao, hoàn toàn có thể sử dụng để chế tạo tấm ốp ngoài cho cơ cấu bám. Chế tạo tấm ốp ngoài cho cơ cấu bám bằng vật liệu nano composit với thành phần và chế độ công nghệ như đã nêu trên vật liệu có độ dầy 6-6,5mm. Composit chế tạo được có tính năng cơ lý cao: độ bền uốn ~615 MPa; độ bền kéo ~1002 MPa; modun đàn hồi~83 GPa; độ cứng rockwell ~250. Như vậy, vật liệu composit hoàn toàn sử dụng được để chế tạo tấm ốp của cơ cấu bám và gia công tấm ốp theo thiết kế. Sau khi gia công nam châm đất hiếm với kích thước phù hợp, tấm ốp ngoài được chế tạo bằng vật liệu composit, tấm ốp hông, ốp giữa và tay nắm được gia công, công việc tiếp theo là lắp ráp cơ cấu bám. Cơ cấu bám sử dụng 04 nam châm kích thước 11x17x50mm, 02 ốp ngoài, 02 ốp hông, 01 ốp giữa và 01 tay nắm. Lắp ghép nam châm phải tuân theo nguyên lý ghép từ để lực từ không bị triệt tiêu. Cơ cấu bám và các thông số kỹ thuật được trình bày ở bảng sau: Bảng 2. Thông số kỹ thuật của cơ cấu bám. TT Đặc tính kỹ thuật Đơn vị Cơ cấu bám sử dụng vật liệu truyền thống Cơ cấu sử dụng vật liệu composit 1 Trọng lượng kg 1,4 1,14 2 Lực bám theo phương song song Kg/cm 2 2,0 2,61 3 Lực bám theo phương vuông góc Kg/cm 2 2,2 3,8 4 Thời gian chịu lực bám phút 30 42 4. KẾT LUẬN Vật liệu, composit được nghiên cứu trên cơ sở nhựa epoxy gia cường bằng vải cacbon và bổ sung CNT, composit tạo thành có độ bền uốn ~625Mpa, độ bền kéo ~1002 Mpa, modun đàn hồi ~83Gpa, độ cứng rockwell ~250. Cơ cấu bám chế tạo được trên cơ sở nam châm đất hiếm, nano composit và một số vật liệu khác, đáp ứng được yêu cầu đặt ra hoàn toàn có thể phục huấn luyện chiến đấu của bộ đội đặc công. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. S.T. Kim, H.J. Choi and S.M. Hong, ‘Bulk polymerized polystyrene in the presence of multiwalled cacbon nanotubes’, Colloid Polymer Sci., 285, 593 (2007). [2]. M. Grujicic, Y.P. Sun and K.L. Koudela, ‘The effect of covalent functionalization of cacbon nanotube reinforcements on the atomic-level mechanical properties of poly- vinylester-epoxy’, Appl. Surface Sci., 253, 3009 (2007). [3]. G. M. Odegard, S.J.V. Frankland and T.S. Gates, ‘Effect of nanotube functionalization on the elastic properties of polyethylene nanotube compozits’, AIAA J., 43, 1828 (2005). [4]. J. Sandler, M. S. P. Shaffer, T. Prasseetal., ‘Development of a dispersion processfor cacbon nanotubes in an epoxy matrix and the resulting electrical properties’, Polymer, 40, 5967 (1999) Hóa học và Kỹ thuật môi trường P. Q. Thuần, , N. M. Tường, “Nghiên cứu ứng dụng và chiến đấu cho bộ đội.” 104 [5]. Алексашина Е.В., Мищенко С.В., Соцкая Н.В. и др. // “Конденсированные среды и межфазные границы”. 2009. Т. 11. № 2. С. 101–105. ABSTRACT RESEARCH ON APPLICATION OF COMPOSITE MATERIALS ON THE BASIC OF CARBON FABRIC/EPOXY RESIN AND CARBON NANO TUBES TO FABRICATE SUPPORT TOOLS FOR TRAINING OF COMMANDOS Compozite materials from Expoxy resin, carbon fabric and carbon nanotubes reinforced have many practical applications. When addition of a small amount of nanomaterials to improve the properties and durability of the produces, nanocomposite materials have been studied and applied to fabricate of supporting tools for sodier in training and combat. The results showed that when adding a small amount about 1% of carbon nanotubes, the physical properties of the material increased significantly, in which the tensile strength reached > 1000 MPa and the elastic modulus was > 80 GPa. Keywords: Support tool; Nano composite; Carbon fabric; CNT. Nhận bài ngày 14 tháng 7 năm 2020 Hoàn thiện ngày 12 tháng 8 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng 8 năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Hóa học – Vật liệu/Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; 2Bộ Tư lệnh Công binh. * Email: phamquangthuan1982@gmail.com.