Cách điện bằng sứvà thủy tinh là những cách điện được sửdụng phổbiến từ
trước đến nay trong Hệthống điện của Việt Nam. Trên thực tế, khi sửdụng
loại cách điện này thường hay gặp phải một sốvấn đềnhư: trọng lượng quá
nặng, thường xuyên phải bảo dưỡng, tuổi thọrất thấp khi hoạt động trong
môi trường ô nhiễm. Bên cạnh những ưu điểm như độbền cơlý cao, dễdàng
thay đổi chiều dài chuỗi đối với cách điện đường dây, không bịlão hóa dưới
tác động của thời tiết thì cách điện ngoài trời bằng sứvà thủy tinh dễbị
phóng điện dẫn đến phá hủy trong các môi trường khắc nghiệt và có độ
nhiễm bẩn cao. Mặc dù đã có nhiều biện pháp cải tiến nhưtăng thêm chiều
dài chuỗi sứ, vệsinh sứ định kỳhay sửdụng sứcó đường rò dài hơn nhưng
quá trình phóng điện bềmặt gây ra hưhỏng vẫn xảy ra thường xuyên.
Giải pháp tối ưu mới được áp dụng trong vài năm gần đây và tỏra có hiệu
quảlà sửdụng cách điện bằng vật liệu composit đã và đang được sửdụng
ngày càng nhiều trong các thiết bị điện cao áp và siêu cao áp ngoài trời trên
toàn thếgiới. Sựphát triển mạnh mẽcủa cách điện composit là do những ưu
điểm vượt trội của chúng so với cách điện thuỷtinh và cách điện sứthông
thường.
Chuỗi cách điện composit với lớp phủbằng cao su silicon là minh chứng rõ
ràng cho điều đó. Chuỗi cách điện có các đặc tính như:
• Chống được ăn mòn
• Có khảnăng tựlàm sạch bềmặt trong điều kiện không có mưa.
(Thông qua cơchế: Bụi bám trên bềmặt sẽbịgom lại thành từng giọt
nhưhình trên và khi nước bốc hơi sẽmạng bụi bám đi theo)
6
• Không thấm nước
• Chống được sựphá huỷcủa tia cực tím.
• Các tính chất lý hoá không bịthay đổi dưới tác động của nhiệt độtừ
140
o
C đến 320
o
C.
• Hoạt động được trong môi trường ô nhiễm nặng nhưtrong môi trường
sương muối, axit, bụi bẩn công nghiệp.
Cao su silicone là thành phần quan trọng nhất của cách điện composite vì
chúng có nhiệm vụchống lại các hiện tượng phóng điện bềmặt, các tác
động của thời tiết. Tuổi thọcủa cách điện phụthuộc phần lớn vào chất lượng
lớp phủnày. Trong các loại vật liệu phủnày thì lớp phủcao su silicone
được cho là có ưu điểm nhất.
Đây là ưu điểm vượt trội của cao su silicone so với các chất cách điện khác
và cũng chính là nội dung của đềtài này: Nghiên cứu khảnăng phục hồi
cách điện bềmặt của silicon sửdụng trong cách điện cao áp chếtạo
bằng vật liệu composite phủsilicon sau khi chịu các tác động phá huỷbề
mặt (phóng điện, plasma)
Với những đặc trưng nhưtrên, cao su silicon nguyên chất đã được ứng dụng
vào vật liệu cách điện cho đường dây trên không một cách rất hiệu quả. Tuy
nhiên, việc sửdụng vật liệu cách điện composite trong các thiết bịnày dưới
tác động của điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam thì chưa
được quan tâm đúng mức.
Do đó các nghiên cứu vềtuổi thọ, quá trình già hoá và khảnăng phục hồi
của vật liệu cách điện composite còn rất hạn chếhoặc chưa chưa được đề
cập một cách chi tiết và cụthể. Nghiên cứu này sẽ đềcập đến các vấn đềvề
7
cách điện composite phủsilicone, phân tích các tính chất đặc thù của
silicone như đặc tính không dính nước của silicone và đặc biệt là khảnăng
phục hồi tính chất này (chính là khảnăng cách điện) trên bềmặt sau khi chịu
các tác động phá hủy nhưphóng điện bềmặt (vầng quang hay cầu khô),
plasma. Ứng dụng đểcải thiện vật liệu cách điện composite trong quá trình
sản xuất.
Nội dung nghiên cứu bao gồm các phần sau:
o Tổng quan vềcách điện composite
o Phân tích thành phần, tính chất và đặc tính của cách điện composite phủ
silicone.
o Nghiên cứu bản chất tính không dính nước của silicone, năng lượng mặt
ngoài và dòng rò trên bềmặt silicone vai trò của tính chất này trong khả
năng cách điện của silicone và đặc điểm của chất này trong quá trình sử
dụng.
o Nghiên cứu khảnăng phục hồi các tính chất này sau khi lớp phủchịu
những tác động phá hủy nhưphóng điện bềmặt, plasma.
o Nghiên cứu khảnăng ứng dụng trong điều kiện Việt nam, đánh giá tuổi
thọvà tình trạng làm việc trong điều kiện này
118 trang |
Chia sẻ: oanhnt | Lượt xem: 2443 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Đánh giá khả năng phục hồi cách điện bề mặt của silicon sử dụng trong cách điện cao áp chế tạo bằng vật liệu composite phủ silicone sau khi chịu tác động phá huỷ bề mặt (phóng điện/plasma), để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Bé C«ng th−¬ng
tËp ®oµn ®iÖn lùc ViÖt Nam
ViÖn n¨ng l−îng
Báo cáo tổng kết Đề tài cấp bộ
M· sè: I-146
7182
17/3/2009
Hµ néi - 10/2008
Chñ nhiÖm ®Ò tµi: NguyÔn Thanh Hải
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHỤC HỒI CÁCH
ĐIỆN BỀ MẶT CỦA SILICON SỬ DỤNG
TRONG CÁCH ĐIỆN CAO ÁP CHẾ TẠO
BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE PHỦ
SILICONE SAU KHI CHỊU TÁC ĐỘNG PHÁ
HUỶ BỀ MẶT (PHÓNG ĐIỆN/PLASMA)
1
2
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁCH ĐIỆN COMPOSITE 6
1.1. Giới thiệu chung 8
1.2. Vỏ polymer và lớp phủ cao su silicone của cách điện composite 31
1.3. Các phương pháp kiểm tra cách điện composit 35
1.4. Kết quả kiểm tra cách điện composit 38
1.5. Xếp hạng vật liệu đối với cách điện ngoài trời 42
1.6. Hiệu ứng phân cực điện áp khi vận hành 45
1.7. Các đặc tính nhiễm bẩn lên cách điện polime 46
CHƯƠNG II : ĐẶC TÍNH KHÔNG DÍNH NƯỚC CỦA CAO
SU SILICONE
48
2. 1. Những đặc tính của cao su silicone- polydimethylsiloxane 49
2. 2. Cách điện cao áp ngoài trời với thành phần cao su silicone 51
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHỤC HỒI ĐẶC
TÍNH KHÔNG DÍNH NƯỚC CỦA CAO SU SILICONE SAU
KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA VẦNG QUANG/PLASMA
56
3.1. Vật liệu
3.2. Các điều kiện thử nghiệm trong quá trình chịu tác động của các
phóng điện
56
3.3. Các phương tiện, thiết bị sử dụng để đo đạc xác định các đặc tính
của vật thử nghiệm
58
3
3.4. Các kết quả thực nghiệm 59
CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÁCH
ĐIỆN COMPOSITE TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM
70
4.1. So sánh cách điện gốm truyền thống với cách điện composite
(polymer)
70
4.2. Ứng dụng cách điện composite tại hệ thống điện Việt Nam 71
4.3. Một số sản phẩm cách điện composite được chào bán trên thị
trường Việt Nam
72
KẾT LUẬN
78
PHỤ LỤC
TÀI LIỆU THAM KHẢO
81
115
4
Những chữ viết tắt
HTĐ: Hệ thống điện
VLC: Vật liệu composite
Cao su silicone: SIR
Polydimethylsiloxane: PDMS
HTĐ: Hệ thống điện
DDK: Đường dây tải điện trên không
SIR –HTV : Cao su silicone lưu hóa ở nhiệt độ cao
5
MỞ ĐẦU
Cách điện bằng sứ và thủy tinh là những cách điện được sử dụng phổ biến từ
trước đến nay trong Hệ thống điện của Việt Nam. Trên thực tế, khi sử dụng
loại cách điện này thường hay gặp phải một số vấn đề như: trọng lượng quá
nặng, thường xuyên phải bảo dưỡng, tuổi thọ rất thấp khi hoạt động trong
môi trường ô nhiễm. Bên cạnh những ưu điểm như độ bền cơ lý cao, dễ dàng
thay đổi chiều dài chuỗi đối với cách điện đường dây, không bị lão hóa dưới
tác động của thời tiết thì cách điện ngoài trời bằng sứ và thủy tinh dễ bị
phóng điện dẫn đến phá hủy trong các môi trường khắc nghiệt và có độ
nhiễm bẩn cao. Mặc dù đã có nhiều biện pháp cải tiến như tăng thêm chiều
dài chuỗi sứ, vệ sinh sứ định kỳ hay sử dụng sứ có đường rò dài hơn nhưng
quá trình phóng điện bề mặt gây ra hư hỏng vẫn xảy ra thường xuyên.
Giải pháp tối ưu mới được áp dụng trong vài năm gần đây và tỏ ra có hiệu
quả là sử dụng cách điện bằng vật liệu composit đã và đang được sử dụng
ngày càng nhiều trong các thiết bị điện cao áp và siêu cao áp ngoài trời trên
toàn thế giới. Sự phát triển mạnh mẽ của cách điện composit là do những ưu
điểm vượt trội của chúng so với cách điện thuỷ tinh và cách điện sứ thông
thường.
Chuỗi cách điện composit với lớp phủ bằng cao su silicon là minh chứng rõ
ràng cho điều đó. Chuỗi cách điện có các đặc tính như:
• Chống được ăn mòn
• Có khả năng tự làm sạch bề mặt trong điều kiện không có mưa.
(Thông qua cơ chế: Bụi bám trên bề mặt sẽ bị gom lại thành từng giọt
như hình trên và khi nước bốc hơi sẽ mạng bụi bám đi theo)
6
• Không thấm nước
• Chống được sự phá huỷ của tia cực tím.
• Các tính chất lý hoá không bị thay đổi dưới tác động của nhiệt độ từ
140oC đến 320oC.
• Hoạt động được trong môi trường ô nhiễm nặng như trong môi trường
sương muối, axit, bụi bẩn công nghiệp...
Cao su silicone là thành phần quan trọng nhất của cách điện composite vì
chúng có nhiệm vụ chống lại các hiện tượng phóng điện bề mặt, các tác
động của thời tiết. Tuổi thọ của cách điện phụ thuộc phần lớn vào chất lượng
lớp phủ này. Trong các loại vật liệu phủ này thì lớp phủ cao su silicone
được cho là có ưu điểm nhất.
Đây là ưu điểm vượt trội của cao su silicone so với các chất cách điện khác
và cũng chính là nội dung của đề tài này: Nghiên cứu khả năng phục hồi
cách điện bề mặt của silicon sử dụng trong cách điện cao áp chế tạo
bằng vật liệu composite phủ silicon sau khi chịu các tác động phá huỷ bề
mặt (phóng điện, plasma)
Với những đặc trưng như trên, cao su silicon nguyên chất đã được ứng dụng
vào vật liệu cách điện cho đường dây trên không một cách rất hiệu quả. Tuy
nhiên, việc sử dụng vật liệu cách điện composite trong các thiết bị này dưới
tác động của điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam thì chưa
được quan tâm đúng mức.
Do đó các nghiên cứu về tuổi thọ, quá trình già hoá và khả năng phục hồi
của vật liệu cách điện composite còn rất hạn chế hoặc chưa chưa được đề
cập một cách chi tiết và cụ thể. Nghiên cứu này sẽ đề cập đến các vấn đề về
7
cách điện composite phủ silicone, phân tích các tính chất đặc thù của
silicone như đặc tính không dính nước của silicone và đặc biệt là khả năng
phục hồi tính chất này (chính là khả năng cách điện) trên bề mặt sau khi chịu
các tác động phá hủy như phóng điện bề mặt (vầng quang hay cầu khô),
plasma. Ứng dụng để cải thiện vật liệu cách điện composite trong quá trình
sản xuất.
Nội dung nghiên cứu bao gồm các phần sau:
o Tổng quan về cách điện composite
o Phân tích thành phần, tính chất và đặc tính của cách điện composite phủ
silicone.
o Nghiên cứu bản chất tính không dính nước của silicone, năng lượng mặt
ngoài và dòng rò trên bề mặt silicone vai trò của tính chất này trong khả
năng cách điện của silicone và đặc điểm của chất này trong quá trình sử
dụng.
o Nghiên cứu khả năng phục hồi các tính chất này sau khi lớp phủ chịu
những tác động phá hủy như phóng điện bề mặt, plasma.
o Nghiên cứu khả năng ứng dụng trong điều kiện Việt nam, đánh giá tuổi
thọ và tình trạng làm việc trong điều kiện này
8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁCH ĐIỆN COMPOSITE
Cách điện cao áp bằng composit đã được thừa nhận và lắp đặt ở ngoài trời
tại những nơi nguy hiểm ngày càng tăng trên khắp thế giới. Hiện tại chúng
chiếm tới 60 đến 70% trên tổng số cách điện được lắp đặt mới tại Bắc Mỹ.
Sự tăng trưởng khác thường của việc sử dụng nhiều cách điện composit là
do những ưu điểm vượt trội của chúng so với cách điện thuỷ tinh và cách
điện sứ thông thường. Các ưu điểm này bao gồm : khối lượng nhẹ, độ bền cơ
trên tỉ lệ trọng lượng cao hơn, chống lại các hành động phá hoại, có khả
năng tốt hơn trong các môi trường ô nhiễm nặng và trong điều kiện ẩm ướt,
đồng thời chúng có thể chịu được điện áp tương đương hoặc tốt hơn so với
cách điện sứ và thuỷ tinh. Tuy nhiên, do cách điện composit là vật liệu mới,
nên chưa thể đánh giá đánh giá được về tuổi thọ cũng như độ tin cậy trong
thời gian dài, và do đó chưa được người sử dụng quan tâm nhiều. Cộng với
việc chúng có thể chịu đựng được sự xói mòn và không tạo ra các đường dẫn
trong điều kiện nhiễm bẩn lớn và độ ẩm cao. Những điều này dẫn đến việc
phát triển việc phóng điện cầu khô và dưới một tình huống nào đó có thể gây
ra các sự cố đối với cách điện polyme. Trong tài liệu này giới thiệu những
kinh nghiệm thực tế gần đây khi sử dụng cách điện cao áp composit ở ngoài
trời, các phương pháp kiểm tra, sự già hoá, sự xếp hạng vật liệu, vai trò của
các chất độn tăng cường, vai trò của các thành phần khối lượng phân tử thấp
hiện có trong cách điện. Các cơ chế tạo ra việc mất đi và hồi phục lại tính sợ
nước, một trong những đặc tính quan trọng nhất của polime, các cơ chế phá
hỏng, việc xác định các lỗi, các dạng và số lượng nhiễm bẩn tự nhiên, các
hiệu ứng dưới mưa, ảnh hưởng của Hidrocacbon, của không khí và gió, các
phương pháp khác nhau để tối ưu hoá khả năng cách điện và đưa ra một
9
phương pháp mới để đánh giá tình khả năng của cách điện polime trong điện
trường.
Trong các phần tiếp theo của chương, cấu trúc, những đặc điểm cách điện
cùng với khả năng chịu tác động môi trường vận hành của các thành phần
cấu tạo nên cách điện composite như lõi cách điện bằng tổ hợp sợi thủy tinh
epoxy; vỏ cách điện bằng polymer với lớp phủ cao su silicone.
1.1. Giới thiệu chung
Cách điện composite đã được sử dụng ngày càng nhiều trong cả dải điện áp
truyền tải và phân phối đồng thời chiếm được một thị phần rộng hơn. Sự
thúc đẩy chủ yếu mức tăng trưởng thực sự như vậy vì tại những vị trí được
cảnh báo thường gặp thì những ưu điểm lớn của chúng so với các cách điện
vô cơ (chủ yếu là cách điện sứ và thuỷ tinh) được phát huy. Một trong những
ưu điểm chính của cách điện composite đó là năng lượng bề mặt của chúng
thấp cùng với việc duy trì được đặc tính chống đọng nước bề mặt trong các
điều kiện thời tiết ẩm như sương mù, sương muối và mưa.
Các ưu điểm khác bao gồm : do trọng lượng nhẹ nên kinh tế hơn khi thiết kế
cột hoặc có thể lựa chọn việc nâng cấp điện áp của hệ thống hiện có mà
không cần thay đổi kích thước cột. Một ví dụ về điều này là trường hợp của
nước Đức đã tăng điện áp từ 245 đến 420kV và ở Canada, nơi 2 đường dây
115kV dài 50km đã được nâng lên 230 kV bằng cách sử dụng cách điện
composite dạng chữ V nằm ngang trên các cột cũ. Trọng lượng nhẹ của các
chuỗi cách điện composit cũng cho phép tăng khoảng cách giữa dây dẫn và
đất cũng như khoảng cách pha-pha từ đó làm giảm cường độ điện trường và
từ trường, giảm ảnh hưởng của chúng đến môi trường công cộng. Trọng
lượng nhẹ của cách điện composit cũng giúp tránh được việc phải sử dụng
10
các trục nặng khi giữ và lắp đặt cách điện, điều này giúp tiết kiệm chi phí, do
tỉ lệ độ bền cơ trên trọng lượng cao hơn nên có thể xây dựng các cột với
khoảng cách dài hơn, cách điện đầu cột cũng ít xảy ra việc phá hỏng nghiêm
trọng do các hành động phá hoại như là bắn đạn súng săn, đây cũng là
nguyên nhân gây ra việc cách điện sứ bị vỡ và rơi xuống đất, có khả năng tốt
hơn nhiều so với cách điện sứ khi lắp đặt ngoài trời trong các điều kiện bị ô
nhiễm nặng nề cũng như trong các cuộc kiểm tra ngắn hạn kết hợp với
phương pháp quan sát hình dáng của cách điện, có thể chịu đựng điện áp
tương đương hoặc cao hơn so với cách điện sứ và thuỷ tinh. Việc lắp đặt dễ
dàng nên có thể tiết kiệm được chi phí nhân công đồng thời khi sử dụng cách
điện composit làm giảm chi phí bảo trì và chi phí vệ sinh cách điện, mà đối
với cách điện sứ và thuỷ tinh thì việc vệ sinh này đòi hỏi phải được thực
hiện thường xuyên trong các môi trường nhiễm bẩn nặng.
Những nhược điểm chính của cách điện composit như sau : chúng là đối
tượng để diễn ra những thay đổi hoá học trên bề mặt do thời tiết hoặc do
phóng điện cầu khô, khi bị ăn mòn và tạo thành các đường dẫn, đó chính là
những nguyên nhân chính dẫn đến việc phá hỏng cách điện, tuổi thọ trung
bình của cách điện cũng rất khó đánh giá, chưa biết được độ tin cậy lâu dài
đồng thời rất khó xác định được lỗi của cách điện.
Cách điện composite gồm có 3 thành phần và thiết kế của từng thành phần
phải tối ưu hoá để thoả mãn khả năng chịu tác động cơ và điện trong suốt
thời gian vận hành của cách điện, tức là trong khoảng từ 30 đến 40 năm. Các
thành phần bao gồm:
11
a) Lõi cách điện là các thanh polymer gia cường làm bằng sợi thuỷ tinh
(FRP : fiberglass reinforce polymer). Đây là một sự gia cường với polieste,
vinyl este hoặc nhựa epoxy để cung cấp thêm độ bền cơ. Nhựa epoxy FRP là
vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất để làm các thanh gia cường này. Các
đầu cực kim loại thì được làm bằng dạng thép tôi, sắt đúc mềm, sắt mềm
hoặc nhôm và chúng được lựa chọn để làm tăng thêm độ bền cơ đồng thời
chống lại sự ăn mòn. Hình dạng của chúng cũng rất quan trọng vì để hạn chế
khả năng tạo ra phóng điện corona và đây chính là nguyên nhân làm vật liệu
polime trở nên giòn và có thể bị vỡ, dẫn đến việc phá hỏng cách điện do độ
ẩm thấm vào bên trong thanh gia cường bằng sợi thuỷ tinh. Trong nhiều thiết
kế hiện nay, đầu cực kim loại kết hợp với một chất bịt kín bằng silicon và
đều được ép vào thanh gia cường. Trong một thiết kế gồm 2 vòng đai hình 0
để đảm bảo khả năng bịt kín chống lại việc độ ẩm có thể thấm vào thanh
FRP mà kết quả của việc này là xảy ra việc nứt vỡ và ăn mòn cách điện.
b) Vỏ cách điện được làm bằng vật liệu polymer là thành phần cách điện
chính tạo chiều dài cách điện thích hợp với độ dài dòng rò tương ứng với
từng cấp điện áp và chủng loại cách điện. Vỏ được ép chặt vào lõi để đảm
bảo độ bền cơ học.
c) Lớp phủ chống lại tác động của thời tiết có một yêu cầu về độ lớn khe hở
và hiện nay được cung cấp thêm với các loại vật liệu khác nhau, hình dạng,
đường kính, độ dày và khoảng cách khác nhau. Vật liệu tạo ra lớp phủ chống
lại tác động của thời tiết của cách điện cao áp có thể bao gồm :
dimetylpolysiloxane EPDM, EPR, EPM, hợp chất của EPDM và silicon,
etylen vinyl acetate (EVA), cycloaliphatic và nhựa epoxy aromatic. Đối với
các cách điện điện áp thấp đặt ngoài trời hoặc cách điện trong nhà thì dùng
12
thêm polietilen mật độ cao (HDPE), polytetrafluor-etilen (PTFE),
polyurethene (PUR), polyolefin elastomer và các vật liệu khác. Đối với
nghiên cứu này, chủ yếu tập trung nghiên cứu về lớp phủ cao su silicone
dimetylpolysiloxane EPDM hiện tại đang được dùng phổ biến nhất trên thế
giới.
Hình 1.1. Sơ đồ cầu trúc cách điện composite
1.1.1. Tổng quan về lõi composite của cách điện
1.1.1.1. Thành phần
Composite là một loại vật liệu nhân tạo. Nó được hình thành và ứng dụng đã
lâu nhưng trong những thập niên gần đây mới được phát triển mạnh. Vật liệu
Composite so với các loại vật liệu truyền thống nó có nhiều ưu điểm nổi bật
như : chất điện môi tốt (góc tổn hao nhỏ, điện trở suất lớn), tính chất cơ học
13
rất tốt, nhẹ, khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, chịu tác dụng của môi
trường hóa chất tương đối tốt, kích thước và hình dáng đa dạng. Do đó,
chúng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học kỹ thuật
và công nghiệp hiện đại như : hàng không vũ trụ; đóng tàu; kỹ thuật điện; ô
tô cơ khí; dầu khí; xây dựng dân dụng và trong đời sống v.v…
Dưới góc độ kỹ thuật, vật liệu Composite là tổ hợp của 2 hoặc nhiều vật liệu
thành phần có bản chất hoàn toàn khác nhau. Một trong các vật liệu thành
phần làm nhiệm vụ liên kết được gọi là chất liên kết hay nền (matrix). Còn
vật liệu thành phần chính thứ hai có chức năng chính là truyền tải và chịu tải
(điện áp, nhiệt độ …) được gọi là cốt hay chất tăng cường. Nhiệm vụ đầu
tiên của chất tăng cường là phát huy đặc tính riêng của mình, đó là tính bền
và tính cứng, khả năng chịu được điện áp, cách điện, chịu nhiệt cao, chịu
mài mòn.v.v… Các tính chất tổ hợp và trội của vật liệu Composite hoàn toàn
khác với các tính chất của vật liệu thành phần khi để riêng rẽ tuy rằng trong
vật liệu Composite các tính chất riêng của từng vật liệu thành phần không
hoàn toàn bị mất đi.
Đối với vật liệu Composite hiện đại và mới, ngày nay vật liệu nền thường là
vật liệu kim loại, polymer, thủy tinh và gốm sứ. Đối với các chi tiết và kết
cấu làm việc trong môi trường điện áp và nhiệt độ cao, việc chọn vật liệu
nền là kim loại, polymer, thủy tinh và gốm sứ là điều cần thiết. Chất tăng
cường có thể ở dạng hạt, dạng sợi, dạng dây mảnh hoặc ở dạng vải dệt,
chúng được sắp xếp và bố trí theo phương tác dụng của lực. Thông thường
vật liệu tăng cường là pha gián đoạn và nền là pha liên tục. Dạng đơn giản
nhất của vật liệu Composite chỉ bao gồm từ 2 vật liệu thành phần. Tuy nhiên
trong ứng dụng thực tế, khi cần thiết ta thường cho thêm chất phụ gia, ví dụ
14
như chất tăng cường bám dính, chất độn, chất màu, chất đóng rắn, chất làm
mềm. v.v… Vật liệu nền có 3 nhiệm vụ sau :
+ Tạo ra hình dáng và giữ được hình dáng của chi tiết và kết cấu.
+ Giữ cho sợi ổn định trong lòng vật liệu Composite, bảo vệ sợi trước
sự tác dụng bên ngoài của môi trường.
+ Phân bố đều ứng suất và truyền lực cho chất tăng cường.
Mặc dù hầu như toàn bộ đồ bền và độ cứng do chất tăng cường quyết
định nhưng vật liệu nền cũng có thể gây ra phá hủy cho vật liệu Composite
nếu ứng suất quá lớn xuất hiện ở các hướng không được tăng cường bằng
vật liệu cốt. Trong việc thiết kế các kết cấu và chi tiết nếu dùng vật liệu
Composite ta có một ưu điểm lớn là có thể lựa chọn tự do kết cấu của các
lớp, qua đó ta có thể thực hiện được mức độ trực hướng và dị hướng của vật
liệu Composite theo ý muốn chủ quan, có nghĩa là ta có thể điều khiển theo
ý muốn hướng của sợi theo hướng tác dụng của ngoại lực hay đường đi của
lực trong kết cấu. Qua đó ta có thể điều khiển được độ cứng và độ bền theo
từng vị trí và từng vùng của chi tiết cũng như kết cấu. Vì vậy, các kết cấu
cũng như chi tiết có thể được thiết kế có hình thù, kích thước, bề dày ở từng
vùng, từng chỗ phù hợp với độ bền, độ cứng, độ biến dạng.
Vật liệu composite cốt sợi/nhựa hữu cơ (sợi thường dùng là thủy tinh,
cacbon, kevlar ..; nhựa thường dùng là nhựa epoxy, polyeste …) có rất nhiều
ứng dụng trong các ngành công nghiệp hiện đại và đời sống. Tùy thuộc vào
sự phân bố của sợi trong nhựa, người ta phân biệt vật liệu composite ra:
Composite đồng phương (hình 1.2.a), Composite “Mat” (hình 1.2.b),
Composite vải (hình 1.2.c).
15
c)b)a)
Hình 1.2: Lớp vật liệu Composite
Dưới góc độ cơ học, vật liệu Composite được xếp vào 3 nhóm chính:
Composite đẳng hướng (hình 1.3.a), Composite đẳng hướng ngang (hình
1.3.b), và Composite trực hướng (hình 1.3.c).
a) b) c)
Hình 1.3 :Vật liệu Composite lớp
Trong thực tế, ta thường gặp vật liệu composite lớp dưới dạng tấm hoặc vỏ,
chẳng hạn tấm có thể gồm nhiều lớp đồng phương, nhiều lớp vải, nhiều lớp
« Mat », hoặc là tổ hợp của các lớp đồng phương, vải và mat ; vật liệu trong
mỗi lớp có thể khác nhau, phương của cốt trong các lớp cũng khác nhau vv
… Hình 1.4. giới thiệu mô hình của vật liệu composite lớp.
θθ
θ
9000
900
0
00θ
Hình 1.4 : Mô hình của vật liệu composite lớp
16
Vật liệu composite nền nhựa cốt sợi còn có ưu điểm là khả năng dập
tắt dao động của cấu trúc tốt hơn, tính dãn nở nhiệt thấp, tính dẫn nhiệt nhỏ,
khả năng chống ăn mòn cao.
Một số vấn đề cần lưu ý trong kết cấu bằng vật liệu composite : Tuy
vật liệu composite nền nhựa có nhiều ưu điểm nhưng vật liệu composite nền
nhựa có độ bền nhiệt tương đối thấp, rất nhạy cảm với ảnh hưởng của độ ẩm,
của môi trường nước và chất lỏng cũng như áng sáng.
Do cấu trúc của vật liệu composite hoàn toàn khác so với cấu trúc của
các loại vật liệu truyền thống cho nên ứng xử phá hủy của cấu trúc vật liệu
composite cũng khác so với ứng xử phá hủy của các cấu trúc kim loại. Ở
kim loại, sự phá hủy thường được mở đầu bằng việc hình thành các vết nứt
và sau đó là sự phát triển của các vết nứt, còn ở vật liệu composite có thể có
rất nhiều cơ chế phá hủy. Việc phân bố ngẫu nhiên các cơ chế phá hủy dẫn
đến việc xác định các hằng số đặc trưng của vật liệu composite có các giá trị
khá tản mạn.
1.1.1.2. Sử dụng vật liệu composite trong tương lai
Nhờ những ưu việt nổi bật mà vật liệu composite không ngừng được
sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công nghiệp nói chung và kỹ thuật
điện nói riêng. Số lượng vật liệu composite được sử dụng hàng năm ở tất cả
các nước trên thế giới tăng nhanh ví dụ : riêng ở thị trường Châu Âu sau 7
năm (1981-1988), lượng vật liệu composite được sử dụng đã tăng lên trên
500.000 tấn (Hình 1.5).
17
16
12
8
4
14
10
6
2
0
-2
-4
-6
-8
S
ù
t
¨n
g
lª
n
s
o
v
í
i n
¨m
t
ru
í
c
[%
]
10
00
t
Ên
1200
1000
800
600
400
200
0
19881987198619851984198319821981
Hình 1.5 : Số lượng vật liệu composite được sử dụng hàng năm và tốc
độ tiêu thụ vật liệu composite của năm sau so với năm trước trên thị