Chế tạo guốc phanh xe lửa bằng vật liệu Composite

hất cho trước điều quan trọng là phải sử dụng các sơ đồ thử nghiệm hệ số ma sát mô phỏng các điều kiện sử dụng điển hình nhất. Khi nghiên cứu sâu về ma sát và mài mòn đặc biệt là ma sát - mòn trong điều kiện bôi trơn người ta đã dùng đến rô bốt. Trong đa số các trường hợp, các đặc trưng cần đánh giá hơn cả là lực ma sát, các thay đổi cơ lý bề mặt. Lực ma sát thường được đo bằng các phương pháp cân lực kế hoặc theo độ tắt dần của con lắc. Vì tính chất bề mặt cọ sát thường xét theo kết quả đo, tuyến hình bề mặt được đánh giá theo kết quả khối phổ, phổ điện tử và phân tích cấu trúc Rơn ghen. Sự tăng tốc độ, nhiệt độ và tải trọng trong kỹ thuật hiện đại dẫn đến sự gia tăng độ khắc nghiệt của các thử nghiệm về mòn vật liệu. Bên cạnh đó đôi khi phải tính đến các yếu tố ảnh hưởng như chân không sâu, bức xạ và môi trường xâm thực... Hệ số ma sát phụ thuộc rất lớn vào tải trọng vuông góc, tốc độ trượt, nhiệt độ và các yếu tố khác. Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào tải trọng thay đổi theo nhiệt độ. ở nhiệt độ thử nghiệm cố định hệ số ma sát giảm khi tăng tải trọng còn nếu tải trọng cố định, hệ số ma sát tăng khi nhiệt độ tăng. Khi thay đổi nhiệt độ thì cả vận tộc trượt của chất dẻo cũng có thể có các đặc tính khác nhau như một vật thuỷ tinh, vật mềm hoặc vật dẻo. Khi đánh giá độ chịu mài mòn của chất dẻo nên chọn một đặc trưng không thay đổi theo lực ma sát. Ví dụ : chọn tỷ số giữa độ mài mòn và lực ma sát. Sự đánh giá 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. Trong đó : Dh : Bề dày lớp bị mài mòn đi. DV : Thể tích lớp bị mòn đi. DL : Quãng đường cọ sát. A : Diện tích chuẩn của bề mặt. Độ mài mòn có thể đánh giá bằng chỉ tiêu năng lượng : Trong đó : W - năng lượng cọ sát. Theo lý thuyết hiện đại thì lực ma sát không chỉ là hàm của lực pháp tuyến mà còn phụ thuộc vào tổ hợp các yếu tố : tốc độ trượt, vật liệu, điều kiện môi trường... Sự phụ thuộc này có thể biểu diễn bằng công thức tổng quát sau : T(n) =f(n,V,C) Trong đó : T(n) : Lực ma sát ứng với tải pháp tuyến n. V : Tốc độ trượt. C : Các thông số như môi trường, vật liệu. Các khái niệm về ma sát này do Suh và Sin đề xướng (1981). Theo các tác giả thì tính chất về cơ học có ảnh hưởng lớn hơn so với các tính chất hoá học đối với lực ma sát nếu trong quá trình chuyển động không có hiện tượng tăng nhiệt độ. Theo quan điểm này có thể phân chia lực ma sát ra làm 3 phần : - Biến dạng của các nhấp nhô trên bề mặt. - Sự bám dính của các diện tích tiếp xúc. - Sự tróc bề mặt. Đối với vật liệu ma sát trên cơ sở nhựa Phenol - Formandehyt, tác giả S.K.Rhee và các cộng sự (1971) đã đi sâu nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố như áp lực, vận tốc và thời gian tới lượng mài mòn của vật liệu ma sát trên cơ sở nhựa Phenol - Formandehyt độn sợi amiăng và đưa ra công thức sau : (áp dụng cho nhiệt độ bề mặt nhỏ hơn 2200C) DW = K.Pa.Vb.Tc Trong đó : DW : Lượng vật liệu bị mất đi. P : Tải trọng. V : Tốc độ. T : Thời gian. a, b, c : Hằng số phụ thuộc từng cặp ma sát. Các ứng dụng của lý thuyết về ma sát - mòn đã giúp cho các nhà nghiên cứu, người sản xuất và chế tạo nhận thức và khắc phục được nhiều hạn chế còn tồn tại của vật liệu. 2. Các loại vật liệu có khả năng giảm ma sát. Giảm ma sát - 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 masat - mòn : gốm, hợp kim và Polymer. So với kim loại và Polymer, gốm có ưu điểm là hệ số ma sát thấp, độ cứng bề mặt tương đối cao, ít 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 Polymer cho các kết cấu ma sát đã cho kết quả bất ngờ. So với kim loại, Polymer có hệ số ma sát nhỏ hơn, ít mòn hơn, ít 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 nước - hoá chất. Tuy nhiên sự thay thế kim loại bằng Polymer không phải lúc nào cũng có lợi. Đối với kết cấu chống ma sát, hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng nhất là kết hợp giữa Polymer và các vật liệu khác. chương ii Tổng quan về vật liệu Polymer 1. Khái niệm. Trong vài chục năm trở lại đây, ngành công nghệ và vật liệu mới đã phát triển rất nhanh. Nhiều loại vật liệu mới được ra đời nhằm đáp ứng những những yêu cầu khắt khe của công nghệ và dần thay thế một số vật liệu quý hiếm truyền thống. Trong số đó, Composite là loại vật liệu có nhiều ưu việt đang được thế giới rất quan tâm, nó đã có nhiều ứng dụng rất mạnh mẽ. Mục đích chế tạo vật liệu Composite là làm sao phối hợp được các tính chất mà mỗi vật liệu ban đầu không thể có được. Như vậy có thể chế tạo vật liệu Composite từ những cấu tử mà bản thân chúng không thể đáp ứng được các yêu cầu đối với vật liệu. Vật liệu Composite nói chung là loại vật liệu đồng nhất trong thể tích lớn nhận được bằng cách hợp nhất các thể tích nhỏ của các vật liệu khác. Về bản chất vật liệu Composite là hệ thống hai hay nhiều pha khác nhau về bản chất hoá học gần như không tan lẫn trong nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha trong đó pha liên tục hay nền là Polymer, pha phân tán là phụ gia tăng cường. Ngoài ra còn có một số hợp chất khác như: chất tạo màu, chất tăng cường đặc biệt. Vật liệu Composite có thể chế tạo bằng các phương pháp cơ nhiệt từ các thành phần hay bằng phản ứng hoá học mà dẫn đến sự phân chia pha trong hỗn hợp đồng nhất ban đầu. Vật liệu Composite có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như đúc ép, quấn ống... 2. Đặc điểm. Việc đưa chất gia cường vào nền Polymer đưa lại cho vật liệu Composite nhiều ưu điểm nổi bật so với vật liệu truyền thống: độ bền được nâng cao, mô đun đàn hồi cao, tỷ trọng thấp, ổn định tính chất trong nhiều môi trường hoá chất, chống mài mòn tốt... *Những đặc điểm nổi bật của vật liệu Composite là : - Là vật liệu nhiều pha, trong thực tế phổ biến nhất là loại vật liệu Composite hai pha, pha gián đoạn là cốt được bao bọc bởi nhiều pha liên tục là nền Polymer. Các pha tương tác với nhau qua bề mặt phân chia pha nên tính chất của vật liệu không chỉ phụ thuộc 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.... và mật độ phân bố, phương và 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 Composite. Vì vậy với những phương pháp chế tạo khác có thể đưa lại những vật liệu Composite 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 Composite 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 lựa chọn thích hợp chất tăng cường và nhựa nền tính chất của vật liệu Composite có thể tính toán trước. - Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của Composite. Tuy vậy, tính chất Composite không bao hàm tất cả các tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa 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 Composite 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 lựa 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. 3. Phân loại vật liệu Composite. Để phân loại vật liệu Composite người ta dựa vào đặc điểm đặc trưng của nó. Có thể phân loại vật liệu Composite theo những cách sau : Theo bản chất của nhựa nền. - Vật liệu Composite nền nhựa nhiệt dẻo. - Vật liệu Composite nền nhựa nhiệt rắn. Theo bản chất của cốt tăng cường. - Composite chất khoáng : Thuỷ tinh, Cacbon.... - Composite kim loại : Bo, Nhôm... - Composite hữu cơ : Polyamit, Xenlulô... Theo đặc điểm hình học của cốt hoặc đặc điểm của cấu trúc. Đây cũng là phương pháp phân loại phổ biến nhất. Theo phương pháp này vật liệu Composite chia thành 3 nhóm : - Composite cốt hạt : Các phần tử chất độn không có kích thước ưu tiên được phân tán vào cấu trúc của mạng Polymer. Vật liệu Composite cốt hạt thường có tính đẳng hướng. - Composite cốt sợi : Cốt sợi có tỷ lệ chiều dài trên đường kính khá lớn. Vật liệu Composite cốt sợi thường có tính chất dị hướng. - Composite cấu trúc : Khái niệm này thường dùng để chỉ các bán thành phẩm trong đó thông dụng nhất là dạng lớp và dạng tổ ong được cấu thành từ các vật liệu đồng nhất, phối hợp với các Composite khác. Vật liệu Composite cấu trúc có tính chất kết hợp của các nguyên liệu thành phần.Ta có bảng như hình vẽ sau : Hình 1.1. Phân loại cấu trúc Polymer Composite Polymer Composite Cốt hạt Cốt sợi Composite cấu trúc Hạt thô Hạt mịn Liên tục Gián đoạn Lớp Tổ ong Vai trò của các thành phần : a. Nền Polymer. Trong vật liệu Composite, nền Polymer đóng vai trò chủ yếu sau : Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối thống nhất. Tạo khả năng gia công vật liệu Composite thành các chi tiết thiết kế. Che phủ bảo vệ cốt tránh các phá huỷ cơ học và hoá học duy trì tính toàn vẹn và hình dạng của các thành phần. Truyền ứng suất tập trung lên chất độn thường có tính cao hơn nhờ đó làm giảm độ nhạy cảm với quá tải cục bộ do ứng suất tập trung. Như vậy hệ số an toàn sử dụng vật liệu Composite nói chung cao hơn vật liệu truyền thống. Nền có ảnh hưởng lớn tới đặc tính sử dụng của vật liệu Composite như nhiệt độ làm việc, độ bền mỏi tỷ trọng, độ bền riêng, khả năng chống lại tác dụng của môi trường ngoài... Nhựa nền được lựa chọn cho vật liệu phải thoả mãn các yêu cầu nhiều khi là mâu thuẫn nhau. Bởi vậy việc chế tạo, lựa chọn một loại nhựa nền tối ưu luôn phải dung hoà các thông số về độ bền độ mềm dẻo, khả năng gia công và các tính chất khác. * Nhựa nền được lựa chọn trên một số cơ sở sau : Yêu cầu của sản phẩm chủ yếu là các đặc tính kỹ thuật cơ lý độ bền nhiệt ngoài ra độ bền hoá, khả năng chống cháy, đặc tính điện.... Phương pháp gia công. Giá thành. Chất dính kết có thể được dùng là nhựa nhiệt rắn hay nhiệt dẻo ngoài ra còn có elastone được tăng cường bằng các sợi thường được dùng trong công nghiệp ô tô. Nhựa nhiệt dẻo có thể hình thành nhiều lần bằng cách nung nóng làm nguội liên tục và có khả năng tái sinh. Vật liệu trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo có khả năng chịu va đập nhờ khả năng biến dạng dẻo của nhựa, giá thành thấp dễ sản xuất hàng loạt. Những cơ tính và khả năng chịu nhiệt thấp sản xuất đòi hỏi máy móc phức tạp. Trong công nghiệp vật liệu Composite hiện nay nhựa nhiệt dẻo chủ yếu được sử dụng với chất tăng cường dạng bột, sợi ngắn, các dạng sợi liên tục đã được sử dụng để tăng cường cho nhựa nhiệt dẻo trong một số lĩnh vực như ống chịu áp lực, cáp... các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng : PVC, PE, PS, PA... Nhựa nhiệt rắn cho phép tạo hình một lần, nó tạo thành lưới không gian dưới dạng tác dụng của nhiệt độ hoặc xúc tác. Nhựa nhiệt rắn có cơ tính cao và đặc biệt độ bền nhiệt cao hơn hẳn nhựa nhiệt dẻo. Vật liệu trên cơ sở nhựa nhiệt rắn có thể gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao. Phương pháp này cho phép sản xuất những sản phẩm có kích thước lớn và không tốn năng lượng. Các loại nhựa chủ yếu dùng trong công nghiệp vật liệu Composite hiện nay như : nhựa Polyeste không no, nhựa Epoxy, Fenol - Formandehyt.... b. Chất gia cường. Trong vật liệu Composite chất gia cường có tác dụng chịu ứng suất tập trung cho cơ tính cao hơn nhựa nền. Đặc trưng và mức độ ảnh hưởng của chất độn lên tính chất của vật liệu phụ thuộc vào bản chất cấu trúc ban đầu hình thái hình học và phân bố, diện tích bề mặt riêng của chất gia cường trong vật liệu tương tác và độ bền liên kết giữa chất gia cường và nền. Chất gia cường qui định khả năng gia công của vật liệu ngoài ra còn ảnh hưởng đến các tính chất hoá, điên... Đánh giá chất gia cường trên những đặc điểm : Khả năng tăng cường độ bền cơ học. Độ bền nhiệt. Độ bền hoá chất, môi trường. Khả năng thấm ướt bề mặt bởi nhựa nền. Thuận lợi trong quá trình gia công. Giá thành hạ - có sẵn. Chất gia cường làm thay đổi đặc trưng cơ bản của vật liệu gọi là chất gia cường hoạt tính, chất gia cường làm thay đổi đặc trưng cơ bản của vật liệu gọi là chất gia cường trơ. Tuy nhiên chất gia cường hoạt tính hay không hoạt tính phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của nhựa nền. Các chất gia cường trơ chủ yếu nhằm mục đích giảm giá thành vật liệu, cải thiện khả năng gia công. chương iii Nghiên cứu tổng quan về vật liệu ma sát- Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của tổ hợp vật liệu ma sát 1. Nghiên cứu tổng hợp bột ma sát. Với mục đích chế tạo loại bột ma sát có chất lượng cao chúng ta có thể tiến hành tổng hợp Este Acrylborat thay cho việc sử dụng Phenol nguyên thể. Este arylborat là sản phẩm phản ứng của hai hay nhiều Phenol với hợp chất của Bo có khả năng tạo Este như Axit Boric, các Andehyt của Bo.... Bột ma sát được tổng hợp bằng cách cho Este Acrylborat phản ứng với Formandehyt. *Quá trình tổng hợp bột ma sát có thể mô tả như sau : Cho hỗn hợp phenol Cacbanol với tỷ lệ định sẵn vào thiết bị phản ứng nâng dần nhiệt độ đến 90 - 950C. Trộn axit boric vào khuấy đều đến khi tan hết. Thời gian phản ứng của giai đoạn này kéo dài 45 phút. Tiếp tục nâng nhiệt độ tới 140-1450C, cho xúc tác và Formandehyt vào ( xúc tác có thể là kiềm, axit). Hỗn hợp tạo thành được tách nước với thời gian 2 giờ. Sau đó tiếp tục nâng nhiệt của phản ứng lên 1600 C và giữ ở nhiệt độ này trong thời gian 1 giờ 30 phút. Sản phẩm được lấy ra khi đã được làm bay hơi hết nước. Dung môi đóng rắn ở nhiệt độ 2000C đem nghiền mịn với kích thước hạt đạt từ 74 á 104 mm. Tiến hành tổng hợp bột ma sát với 4 tỷ lệ khác nhau : Fenol - Formandehyt (1á1,12 ; 1á1,13 ; 1á1,14 ; 1á1,15) được ký hiệu FR1, FR2, FR3, FR4 tương ứng. Qua một số thí nghiệm sơ bộ có được tỷ lệ các cấu tử cho vào tổng hợp vật liệu ma sát. - Phối liệu của hỗn hợp được trình bày ở bảng sau : (theo % trọng lượng) Bảng 1. Phối liệu của hỗn hợp ép. (theo % trọng lượng) Cấu tử % Nhựa 29 Bột amiăng 61 Bột ma sát 9,5 Axit Stearic 0,5 Kết quả đánh giá độ mài mòn được trình bày ở bảng 2. Bảng 2. ảnh hưởng của các loại bột ma sát đến độ mài mòn và hệ số ma sát của vật liệu. Loại bột ma sát Tỷ lệ Phenol : Formandehyt (mol) Không có bột ma sát 1:1,2 1:1,3 1:1,4 1;1,5 FR1 FR2 FR3 FR4 Độ mài mòn (g/1000 vòng) 0,0165 0,0405 0,0360 0,0370 0,0382 Hệ số ma sát 0,347 0,356 0,512 0,506 0,494 Từ kết quả đánh giá tại bảng 2 cho ta thấy : Việc đưa bột ma sát vào tổ hợp vật liệu làm giảm độ mài mòn của vật liệu ma sát xuống gần 3 lần từ 0,1065 g/1000 vòng đ 0,0405g/ 1000 vòng đồng thời hệ số ma sát tăng lên từ 0,347đ 0,512 (xấp xỉ 1,5 lần). Tổ hợp vật liệu có chứa bột ma sát ký hiệu FR2 sau khi trải qua 1000 vòng mài mòn được tiếp tục cho mài mòn tiếp và đo hệ số ma sát. Kết quả cho ta thấy không có sự sai khác nhiều về kết quả giữa hai lần đo, độ mài mòn sai lệch khoảng 0,8% và hệ số ma sát sai lệch xấp xỉ 1%. Điều này chứng tỏ khi đưa bột ma sát FR2 vào trong vật liệu đã làm cho tính chất của sản phẩm ổn định hơn trong quá trình sử dụng. Kết quả đo độ mài mòn và hệ số ma sát sau vài lần thử nghiệm được trình bày ở bảng 3. Bảng 3. Độ mài mòn, hệ số ma sát với chu kỳ mài mòn khác nhau của tổ hợp VLMS chứa FR2. Số vòng thử mài mòn (vòng) Độ mài mòn (g/1000 vòng) Hệ số ma sát 1000 0,036 0,512 2000 0,0358 0,512 3000 0,0362 0,509 4000 0,0360 0,51 5000 0,0364 0,507 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các cấu tử chính trong tổ hợp vật liệu. Tính chất cơ lý của vật liệu Polymer - Composite 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 ít 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 nhớt thấp. ảnh hưởng của hàm lượng nhựa đến tính chất cơ lý của vật liệu Polymer - Composite trên cơ sở nhựa phenol Formandehyt 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 Độ bền (Tấn/in2) Hàm lượng nhựa theo % trọng lượng Hình1.2. ảnh hưởng của hàm lượng nhựa tới độ bền của vật liệu. 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 sát trên cơ sở nhựa Phenol - Formandehyt để đạt được tính chất cơ lý mong muốn ta cần phải xác định được một tỷ lệ nhất định các thành phần trong tổ hợp đồng thời giữ được một tỷ lệ chất dính kết thấp nhất không làm thay đổi độ mài mòn, hệ số ma sát của sản phẩm. Qua sự tham khảo tài liệu : "Nghiên cứu chế tạo vật liệu Composite sử dụng trong lĩnh vực vật liệu ma sát" của Tiến sĩ Nguyễn Thanh Liêm tác giả đã tìm ra được tỷ lệ tối ưu của các cấu tử như sau : Bảng 4 : Thành phần hỗn hợp ép. Cấu tử % Nhựa 27 Bột amiăng 64 Bột ma sát 8,5 axit Stearic 0,5 Kết quả đo kiểm tra cơ lý được trình bày ở bảng 5. Bảng 5. Tính chất cơ lý của hỗn hợp ép. Thông số kỹ thuật Kết quả đo Hệ số ma sát 0,520 Độ hút nước, % 0,021 Độ hút dầu, % 0,023 Độ mài mòn, (g/1000 v) 0,032 Độ cứng Brinel, HB 36,020 Độ bền va đập, (KJ/m2) 4,000 3. Nghiên cứu vấn đề đưa cao su vào tổ hợp vật liệu ma sát. Để giải quyết vấn đề có được một vật liệu vừa có đầy đủ tính chất cơ lý 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 - Formandehyt đem lại hiệu quả cao. Cao su dùng để biến tính là cao su Butadienitil và cao su Clopren. 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 và cao su được coi như một hệ thống hai pha riêng biệt. Cao su có thể liên kết với nhựa bởi liên kết hoá học (nếu phản ứng hoá học giữa cao su và nhựa xảy ra) hoặc đơn thuần là liên kết vật lý tức là chỉ có sự trộn hợp thông thường. - Cao su sau khi lưu hoá thường có độ chịu mài mòn lớn, hệ số ma sát cao, khả năng biến dạng, phục hồi cao. - Nhựa là một hợp chất sau khi đóng rắn có độ cứng cao, giòn, độ mài mòn lớn và hệ số ma sát nhỏ hơn cao su từ 5 - 6 lần. Sản phẩm biến tính thu được ngoài những tính chất cơ bản của nhựa nền có thêm những tính chất quí giá khác, nổi bật nhất là khả năng chịu va đập tăng lên, độ cứng của sản phẩm giảm xuống rõ rệt. Dựa trên các đề tài nghiên cứu khoa học có thể khái quát và giải thích khả năng tăng cường độ bền va đập của tổ hợp có cao su như sau : Dưới tác động của ngoại lực vật liệu bắt đầu bị biến dạng điểm bị phá hỏng là những chỗ có liên kết yếu nhất. Nếu vật liệu chỉ có nhựa và chất độn thì điểm phá huỷ này có thể ở trên bề mặt phân chia pha và chất độn hoặc trong các liên kết của các phân tử nhựa. Khi có mặt cao su trong tổ hợp thì dưới tác dụng của ngoại lực chất dính kết là nhựa với chức năng là chất chuyển ứng suất tập trung sẽ ngay lập tức chuyển lực tác động này cho các hạt cao su. Do cao su là một thành phần có khả năng phục hồi, hấp thụ và phân tán năng lượng lớn nên năng lượng của ngoại lực sẽ bị tiêu tốn nhiều hơn so với trường hợp không có cao su để kéo đứt phân tử cao su đó hoặc để phá huỷ liên kết giữa cao su và nhựa. Đặc biệt khi nghiên cứu biến tính nhựa Fenol - Formandehyt bằng cao su cho thấy : khi lượng nhựa Fenol - Formandehyt trong tổ hợp càng lớn thì độ liên kết nói chung càng cao nhưng sản phẩm trở nên giòn hơn. Khi hàm lượng cao su tăng dẫn đến độ cứng của sản phẩm giảm xuống. Theo đề tài nghiên cứu của tiến sĩ Nguyễn Thanh Liêm thì vật liệu cao su được sử dụng đưa vào tổ hợp đó là cao su Butadienitil. Loại cao su này sau khi được lưu hoá có khả năng chịu được tác động của môi trường dầu mỡ và các dung môi hữu cơ. Khối lượng riêng của cao su này biến đổi từ 0,95 á 1,02g/cm3 tuỳ theo hàm lượng của nhóm Nitril. Ngoài ra, cao su này có khả năng dẫn nhiệt cao, độ mài mòn thấp khả năng trộn hợp tốt với các Polymer phân cực (đặc biệt nhựa Fenol - Formandehyt là loại là loại nhựa có độ phân cực cao, khả năng trộn hợp tốt). Cho ta được một tổ hợp vật liệu có nhiều ưu điểm như chịu nhiệt cao, độ bền kết dính tốt, chống xé rãnh lớn, phân giải đều điện tích tích tụ khi có ma sát. Trong quá trình chế tạo vật liệu ma sát, chất dính kết là nhựa Fenol - Formandehyt được thay một phần bằng cao su theo tỷ lệ 21:6. Tính theo trọng lượng (tài liệu tham khảo), nhiệt độ gia công là 1400C á 1500C và 1600C với thời gian ép là 10 á 20 á 30 phút với áp lực là 50kg/cm2. Điều kiện gia công ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của vật liệu ma sát được trình bày ở bảng sau : Bảng 6. ảnh hưởng của nhiệt độ gia công đến độ mài mòn và hệ số ma sát. Tính chất cơ lý Nhiệt độ 0C 140 150 160 Thời gian: Phút Thời gian: Phút Thời gian: Phút 10 20 30 10 20 30 10 20 30 Vật liệu chứa cao su Butadiennitril Độ mài mòn (g/1000 vòng) 0,167 0,142 0,094 0,029 0,088 0,182 0,11 0,209 0,285 Hệ số ma sát 0,425 0,461 0,495 0,560 0,513 0,49 0,48 0,461 0,32 Qua bảng 6 chúng ta thấy với tổ hợp chứa cao su Butadiennitil điều kiện gia công tốt nhất là ở nhiệt độ 1500C với khoảng thời gian là 10 phút. - ở nhiệt độ 1500C, độ mài mòn và hệ số ma sát kém. Nếu tăng nhiệt độ hoặc thời gian gia công hệ số ma sát giảm nhưng độ mài mòn tăng lên nhiều. - Vấn đề hàm lượng cao su có trong tổ hợp vật liệu ma sát cũng cần được quan tâm. Theo một số công trình nghiên cứu và đóng góp ý kiến của các chuyên gia thì hàm lượng cao su tối đa đưa vào tổ hợp vật liệu là 15% (tính theo trọng lượng). Ta có bảng đánh giá sau : Khi hàm lượng cao su thay đổi từ 3%-15%. Bảng 7. ảnh hưởng của hàm lượng cao su Butadiennitril đến tính chất cơ lý của vật liệu ma sát. Tỷ lệ cao su (%) Độ mài mòn (g/1000 vòng) Hệ số ma sát Độ cứng HB Độ bền va đập (KJ/m2) Độ hút nước (%) Độ hút dầu (%) 0 0,032 0,520 36,2 4 0,021 0,0230 3 0,031 0,559 26,5 6 0,0246 0,0254 6 0,0298 0,561 23,6 7 0,0249 0,0262 9 0,0319 0,538 19,7 6 0,0355 0,0375 12 0,0339 0,492 16,3 4 0,0434 0,0496 15 0,0381 0,490 14,8 3 0,0516 0,053 Nhận xét : - Khi hàm lượng cao su trong tổ hợp vật liệu ma sát tăng từ 3%-15% thì độ cứng giảm từ 36,2 HB xuống còn 14,8HB. - Với 6% trọng lượng cao su trong tổ hợp độ bền va đập từ 4 -7 KJ/m2. - Nếu tiếp tục tăng hàm cao su trong tổ hợp vật liệu thì mọi tính chất cơ lý đều giảm. 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến tính chất cơ lý của vật liệu ma sát. 4.1. Yếu tố xử lý nhiệt. Để cải thiện tăng cường độ bền vững của cấu trúc, nâng cao đặc tính cơ lý của tổ hợp vật liệu ma sát trên cơ sở của các Polymer thì phương pháp xử lý nhiệt được sử dụng nhiều nhất và đem lại hiệu quả đáng kể. Nó làm giảm nội ứng suất bên trong vật liệu, tăng mật độ mạng lưới không gian của Polymer tạo ra sản phẩm có độ bó kết cao cải thiện được một số tính chất như độ bền nén, chịu mài mòn và độ bền va đập. Cũng cần lưu ý rằng đối với nhựa Fenol - Formandehyt ở nhiệt độ bằng 2200C xảy ra quá trình oxy hoá nhựa, làm yếu các liên kết Metylen, phân huỷ quá trình tạo gốc nếu phải chịu một khoảng thời gian dài. Điều kiện khảo sát ngiên cứu : nhiệt độ 1000C và 1400C, thời gian làm việc 6 giờ. Mẫu vật được chuẩn bị với tỷ lệ tối ưu song khác nhau ở chỗ không có cao su và có 6% cao su Butadielntril. Cuối quá trình các mẫu được xử lý nhiệt trong lò sấy. Kết quả ảnh hưởng của yếu tố xử lý nhiệt được thể hiện ở bảng 8 và 9. Bảng 8: Vật liệu không có cao su. Chế độ xử lý Độ mài mòn g/1000 vòng Hệ số ma sát Độ bền va đập KJ/m2 Độ bền nén MPa Không xử lý 0,0377 0,482 3,2 88,1 1000C trong 6h 0,0365 0,487 3,5 92,4 1400C trong 6h 0,0320 0,520 4,2 99,4 Bảng 9: Vật liệu có 6% cao su Butadielnitril. Chế độ xử lý Độ mài mòn g/1000 vòng Hệ số ma sát Độ bền va đập KJ/m2 Độ bền nén MPa Không xử lý 0,0344 0,532 5,3 92,0 1000C trong 6h 0,0334 0,534 5,7 117,4 1400C trong 6h 0,0298 0,561 7,0 120,0 Nhận xét : - Vật liệu không chứa cao su. Xử lý nhiệt đã làm tăng độ bền va đập, độ bền nén và giảm độ mài mòn. - ở nhiệt độ 1400C, cho kết quả tốt. Đối với vật có chứa 6% cao su Butadien Nitril tăng độ bền va đập từ 5,3KJ/m2 á 7KJ/m2. 4.2. Yếu tố khuếch tán của nước vào vật liệu. Môi trường ảnh hưởng rất nhiều đến ma sát thể hiện ở chất lượng bề mặt thông qua các chỉ tiêu độ mài mòn, hệ số ma sát... Nếu môi trường tác động lên vật liệu trong một thời gian dài có thể ảnh hưởng tới cấu trúc bên trongcủa vật liệu và phá huỷ mối liên kết trên bề mặt, giảm độ bền của vật liệu mà điển hình là độ bền va đập và độ bền nén. Tác động của môi trường rất đa dạng có thể là độ ẩm - nước dầu mỡ hoặc các chất hoạt hoá ăn mòn khác. Nước có thể xâm nhập vào vật liệu ma sát, tác dụng như một chất bôi trơn trên bề mặt làm giảm hệ số ma sát, tăng độ mài mòn hoặc công phá vào liên kết trên bề mặt phân chia pha giữa chất dính kết và các chất độn làm yếu đi khả năng liên kết dẫn tới kéo theo các tính chất cơ lý khác của vật liệu bị suy giảm theo. Để đánh giá khả năng bảo vệ của vật liệu ma sát trên cơ sở Fenol - Formandehyt với môi trường nước thường sử dụng hệ số khuyếch tán. Vật liệu ma sát được coi là có khả năng bảo vệ ít bị ảnh hưởng của độ ẩm, nước nên vật liệu có hệ số khuyếch tán thấp. Mức độ khuyếch tán của nước vào vật liệu Polymer - Composite chủ yếu tập trung vào 3 yếu tố : - Khả năng khuyếch tán qua chất dích kết. - Xâm nhập qua mối liên kết giữa chất dính kết và chất độn. - Khả năng khuyếch tán qua chất độn. Theo kết quả của một số đề tài nghiên cứu cho thấy sự khuyếch tán của nước vào vật liệu không có cao su nhỏ hơn khi vật liệu có 6% cao su Butadielnitril. Đây cũng là mặt hạn chế của vật liệu có cao su vì khi đưa cao su vào trong tổ hợp vật liệu thì hàm lượng nhựa Phenol Cacbanol - Formandehyt giảm đi một cách tương ứng do đó làm giảm đi khả năng liên kết các bột độn với nhau dẫn tới tạo điều kiện cho nước thâm nhập vào vật liệu qua bột độn. Tuy nhiên hạn chế rất nhỏ không đáng kể nếu đem nó so sánh với các mặt tích cực khác mà cao su Butadiennitril đem lại cho tổ hợp vật liệu ma sát. 4.3. ảnh hưởng của các chất hoạt hoá khác đến vật liệu. Ngoài nước ra thì xăng dầu và mỡ bôi trơn là ba yếu tố mà vật liệu thường xuyên tiếp xúc trong quá trình sử dụng. Việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nó đến tính chất cơ lý của vật liệu ma sát là rất cần thiết qua đó đánh giá được thời gian làm việc tối đa của vật liệu trong môi trường đó đồng thời cho phép ta lựa chọn được vật liệu làm việc trong một môi trường xác định. Các tổ hợp vật liệu được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của môi trường hoạt hoá gồm : vật liệu không chứa cao su và vật liệu chứa 0,6% cao su Butadielnitril. Kết quả được phản ánh ở các bảng sau : Bảng 10: ảnh hưởng của dầu đến tính chất cơ lý của vật liệu ma sát. Thời gian Tổn hao Độ suy giảm cơ lý tính % (ngày) khối lượng (%) Độ mài mòn Hệ số ma sát Độ bền va đập Độ bền nén Vật liệu không có cao su 5 – – 4,2 – – 10 – – 7,0 – 3,8 20 0,040 – 17,4 – 4,2 30 0,048 0,023 18,4 6,25 4,6 Vật liệu có 6% cao su Butadielnitril 5 – – 2,1 – – 10 – – 4,2 – – 20 0,018 – 8,6 – 2,4 30 0,025 – 9,6 3,5 3,6 Dấu (-) : Không quan sát thấy. Bảng 11 : ảnh hưởng của xăng đến tính chất cơ lý của vật liệu ma sát. Thời gian Tổn hao Độ suy giảm cơ lý tính % (ngày) khối lượng (%) Độ mài mòn Hệ số ma sát Độ bền va đập Độ bền nén Vật liệu không có cao su 5 4,4 2,6 5,2 – 7,0 10 6,8 9,0 6,0 – 7,7 20 10,5 14,2 8,8 6,3 10,3 30 16,0 19,1 10,5 6,3 15,1 Vật liệu có 6% cao su Butadiennitril 5 1,7 1,9 2,1 – – 10 2,5 5,0 4,7 – – 20 5,3 8,6 5,3 – 6,8 30 8,0 12,2 7,0 – 9,0 Dấu (-) : Không quan sát thấy. Bảng 12: ảnh hưởng của dầu phanh đến tích chất cơ lý của vật liệu ma sát. Thời gian Tổn hao Độ suy giảm cơ lý tính % (ngày) khối lượng (%) Độ mài mòn Hệ số ma sát Độ bền va đập Độ bền nén Vật liệu không có cao su 5 4,4 2,6 5,2 – 7,0 10 6,8 9,0 6,0 – 7,7 20 10,5 14,2 8,8 6,3 10,3 30 16,0 19,1 10,5 6,3 15,1 Vật liệu có 6% cao su Butadiennitril 5 1,7 1,9 2,1 – – 10 2,5 5,0 4,7 – – 20 5,3 8,6 5,3 – 6,8 30 8,0 12,2 7,0 – 9,0 Dấu (-) : Không quan sát thấy. Nhận xét: – Sau 30 ngày chịu môi trường dầu BP, tính chất cơ lý của tất cả các mẫu vật tổn hao khối lượng rất nhỏ từ 0,03 á 0,06%. – Mức suy giảm các tính chất cơ lý thấp, độ mòn tăng 0,03%. Độ bền va đập và độ bền nén suy giảm không đáng kể. Vật liệu có chứa 6% cao su Butadielnitril suy giảm ít hơn. – Trong môi trường xăng các vật liệu bị tổn hao trọng lượng nhiều hơn so với dầu và ._.