Tạp chí Vật liệu và Xây dựng - Bộ Xây dựng
ISSN:
Website: www.jomc.vn
Nghiên cứu vai trò của sợi thủy tinh S-glass đến khả năng chịu mài mòn nhiệt độ cao của vật liệu composite trên nền nhựa phenolic biến tính
Tóm tắt
Hệ thống bảo vệ nhiệt (TPS) trong hàng không – vũ trụ và quốc phòng đặt ra yêu cầu về vật liệu có khả năng chịu mài mòn ở nhiệt độ cao đồng thời duy trì tính toàn vẹn cấu trúc. Trong nghiên cứu này, vật liệu composite nền nhựa phenolic–borat biến tính (PBR) được gia cường bằng sợi thủy tinh S-glass và chế tạo bằng phương pháp ép nóng nhiều giai đoạn với hàm lượng sợi thay đổi từ 65–80% khối lượng. Các tính chất được khảo sát gồm khối lượng riêng, độ rỗng (ASTM D792, ASTM D2734), cơ tính kéo – uốn (ASTM D638, ASTM D790) và khả năng chịu mài mòn nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn ASTM E285 sử dụng nguồn nhiệt oxy–axetylen. Kết quả cho thấy khi hàm lượng sợi tăng từ 65–75%, độ bền kéo và độ bền uốn tăng đáng kể, đạt giá trị cực đại tương ứng 356,24 MPa và 784,35 MPa, với mô đun đàn hồi 31,49 GPa. Mẫu chứa 70–75% sợi thể hiện khả năng chịu mài mòn nhiệt tối ưu, thời gian mài mòn 275,6 giây và tốc độ mài mòn thấp nhất 0,0118 mm/giây. Ảnh SEM sau thử nghiệm cho thấy cấu trúc sợi được bảo toàn, đồng thời hình thành lớp cacbon và phụ phẩm bền nhiệt phủ lên bề mặt sợi, góp phần bảo vệ vật liệu. Kết quả khẳng định vật liệu composite PBR/S-glass có khả năng chịu tải mòn nhiệt tốt trong dải hàm lượng sợi 70–75%, phù hợp ứng dụng cho các hệ thống bảo vệ nhiệt TPS hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao.
Tài liệu tham khảo
- I. Hamerton và J. Kratz, “The use of thermosets in modern aerospace applications,” Thermosets (Second Edition): Structure, Properties, and Applications, pp. 303–340, 2018. DOI: 10.1016/B978-0-08-101021-1.00009-5.
- K. Deng, M. H. U. Khan, S. Park, D. H. Sung và K. Fu, “Additive manufacturing of continuous carbon fiber/epoxy composites with structured core-shell towpreg: Methods, characterization, and mechanics,” Composites Part B: Engineering, vol. 291, p. 112001, 2025.
- R. Ece, F. Ozturk và M. Çobanoğlu, “Recent advancements in thermoplastic composite materials in aerospace industry,” Journal of Thermoplastic Composite Materials, vol. 0, no. 0, pp. 1–33, 2023.
- M. M. Alzahrani, K. A. Alamry và M. A. Hussein, “Recent advances of fiber-reinforced polymer composites for defense innovations,” Results in Chemistry, vol. 15, p. 102199, 2025. DOI: 10.1016/j.rechem.2025.102199.
- V. Kumar và B. Kandasubramanian, “Advances in ablative composites of carbon based materials: A review,” Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 58, no. 51, pp. 22663–22701, 2019.
- L. Kumar, K. M. Usha và C. Pammi, “Advanced ablative composites for aerospace applications,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 360, no. 1, p. 012036, 2018.
- M. Natali, J. M. Kenny và L. Torre, “Thermoset nanocomposites as ablative materials for rocket and military applications,” Thermosets (Second Edition), pp. 477–509, 2018. DOI: 10.1016/B978-0-08-101021-1.00015-0.
- R. Ece, F. Ozturk và M. Çobanoğlu, “Recent advancements in thermoplastic composite materials in aerospace industry,” Journal of Thermoplastic Composite Materials, vol. 0, no. 0, pp. 1–33, 2023.
- V. Kumar, B. Kandasubramanian, “Advances in ablative composites of carbon based materials: A review,” Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 58, no. 51, pp. 22663–22701, 2019. DOI: 10.1021/acs.iecr.9b04625.
- A. Kumar, C. Ranjan, K. Kumar, M. H. Reddy, B. S. Babu và J. K. Katiyar, “State-of-the-art on advancements in carbon-phenolic and carbon-elastomeric ablatives,” Polymers, vol. 16, no. 11, p. 1461, 2024.
- Y. Huang, H. Zhang, Z. Liu, C. Zhou, L. Yan, H. Zou, Y. Chen và M. Liang, “Pre-oxidized mesophase pitch modified phenolic composites with mosaic-structured char layers and excellent ablation resistance,” Composites Part B: Engineering, vol. 257, p. 110691, 2023.
- C. Qiu, L. Yan, Y. Huang, R. Xu, F. Wang, H. Zou, Y. Luo và M. Liang, “Constructing a carborane-hybridized cross-linked network endows phenolic resin with excellent structural thermo-oxidative and ablative resistant,” Polymer Degradation and Stability, vol. 238, p. 111335, 2025.
- A. A. Abraham, A. K. Veettil, R. R. Golla, S. Subramaniam và R. Adusumalli, “Effect of boron modification on characteristics of phenolic resin and its char,” Journal of Applied Polymer Science, 2025. DOI: 10.1002/app.56798.
- A. Yakin, B. Avar, T. Simsek và A. K. Chattopadhyay, “Synthesis of boron-based alloys and compounds by mechanical alloying: A review,” Materials Today Communications, 2023. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2023.106980.
- C. Huber, S. S. Jahromy, F. Birkelbach, J. Weber, C. Jordan, M. Schreiner, M. Harasek và F. Winter, “The multistep decomposition of boric acid,” Energy Science & Engineering, vol. 8, no. 5, pp. 1650–1666, 2020.
- Y. Du, Y. Xia, Z. Luo, W. Yuan, K. Xu, Q. Wang, H. Zhou, Y. Guo, H. Li và T. Zhao, “An addition-curable hybrid phenolic resin containing silicon and boron with improved thermal stability,” Polymer Degradation and Stability, vol. 189, p. 109599, 2021. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2021.109599.
- J. L. Zhou, Y. Q. Yang, S. Wang, S. Zhang, B. Jiang, Q. Li, Q. Wu và S. N. Li, “Enhanced mechanical property and flame resistance of phosphorylated cellulose nanofiber based-aerogel combined with boric acid,” Journal of Applied Polymer Science, 2024. DOI: 10.1002/app.56151.
- Y. Demirhan, R. Yurtseven và N. Usta, “The effect of boric acid on flame retardancy of intumescent flame retardant polypropylene composites including nanoclay,” Journal of Thermoplastic Composite Materials, vol. 36, no. 3, pp. 1187–1214, 2023. DOI: 10.1177/08927057211052327.
- S. Wang, Y. Wang, C. Bian, Y. Zhong và X. Jing, “The thermal stability and pyrolysis mechanism of boron-containing phenolic resins: The effect of phenyl borates on the char formation,” Applied Surface Science, vol. 331, pp. 519–529, 2015. DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.01.062.
- G. Kaur, S. Kainth, R. Kumar, P. Sharma và O. P. Pandey, “Reaction kinetics during non-isothermal solid-state synthesis of boron trioxide via boric acid dehydration,” Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, vol. 134, no. 1, pp. 347–359, 2021. DOI: 10.1007/s11144-021-02084-8.
- X. Zhang, J. Yang, Y. Cheng, S. Zhao và J. Fan, “Strong polyimide/boron oxide composite aerogel with high thermal stability properties,” Materials Letters, vol. 371, 2024. DOI: 10.1016/j.matlet.2024.136933.
- Y. Liu, D. Jiang, M. M. Hessien et al., “Enhanced thermal and mechanical properties of boron-modified phenolic resin composites with multifiller system for aerospace applications,” Advanced Composites and Hybrid Materials, vol. 7, p. 180, 2024. DOI: 10.1007/s42114-024-00961-z.
- Chen Z., Kang G., Liu Y., Wang Y., Wei X.U. Experimental study on uniaxial time-dependent ratcheting of short glass fiber reinforced polyester resin matrix composites. Acta Mater. Compos. Sin. 2009;26:155–160.
- Joseph S., Sreekala M.S., Koshy P., Thomas S. Mechanical properties and water sorption behavior of phenol–formaldehyde hybrid composites reinforced with banana fiber and glass fiber. J. Appl. Polym. Sci. 2010;109:1439–1446.
- Cui Y., Chang J., Wang W. Fabrication of Glass Fiber Reinforced Composites Based on Bio-Oil Phenol Formaldehyde Resin. Materials. 2016;9:886. doi: 10.3390/ma9110886.
- P. Wysmulski and H. Debski, “The effect of eccentricity of load on the behavior of compressed composite columns in critical state,” Polym. Compos., vol. 40, no. 1, pp. 70–77, Jan. 2019, doi: 10.1002/PC.24601.
- V. Sacevičienė et al., “Investigation of the changes in physical properties of PES/PVC fabrics after aging,” J. Appl. Polym. Sci., vol. 136, no. 21, p. 47523, Jun. 2019, doi: 10.1002/APP.47523.
- Patton, Richard & Pittman, Charles & Wang, L. & Day, A. & Hill, J.. (2001). Vapor Grown Carbon Fiber/Phenolic Matrix Composites for Rocket Nozzles and Heat Shields.
- R.D Patton, C.U Pittman, L Wang, J.R Hill, A Day, Ablation, mechanical and thermal conductivity properties of vapor grown carbon fiber/phenolic matrix composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Volume 33, Issue 2, 2002, Pages 243-251, ISSN 1359-835X.
- Li Z, Zhou W, Yang L, Chen P, Yan C, Cai C, Li H, Li L, Shi Y. Glass Fiber-Reinforced Phenol Formaldehyde Resin-Based Electrical Insulating Composites Fabricated by Selective Laser Sintering. Polymers. 2019; 11(1):135.
- Maertens R, Liebig WV, Weidenmann KA, Elsner P. Development of an Injection Molding Process for Long Glass Fiber-Reinforced Phenolic Resins. Polymers. 2022; 14(14):2890.
- Larco, Ciprian & Pahonie, Radu & Adochiei, Ioana. (2015). The Effects of Fibre Volume Fraction on a Glass-Epoxy Composite Material. INCAS BULLETIN. 7. 113-119. 10.13111/2066-8201.2015.7.3.10.
- Volkan Eskizeybek, Ahmet Avci, Ahmet Gülce, The Mode I interlaminar fracture toughness of chemically carbon nanotube grafted glass fabric/epoxy multi-scale composite structures, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Volume 63, 2014, Pages 94-102, ISSN 1359-835X.
- Hull D, Clyne TW. Preface to Second Edition. In: An Introduction to Composite Materials. Cambridge Solid State Science Series. Cambridge University Press; 1996:xiv-xvi.
- Jacob, M., S. Thomas, and K. T. Varughese. 2004. Mechanical properties of sisal/oil palm hybrid fiber reinforced natural rubber composites. Compos. Sci. Technol. 64: 955–965.
- Velmurugan, R., and V. Manikandan. 2007. Mechanical properties of palmyra/glass fiber hybrid composites. Composites A 38: 2216–2226.
- He, Hong-wei & Gao, Feng. (2015). Effect of Fiber Volume Fraction on the Flexural Properties of Unidirectional Carbon Fiber/Epoxy Composites. International Journal of Polymer Analysis and Characterization. 20. 180-189. 10.1080/1023666X.2015.989076.