Nghiên cứu chế tạo thiết bị tạo mẫu composite từ carbon/epoxy dạng băng tẩm

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
51 
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ TẠO MẪU COMPOSITE TỪ 
CARBON/EPOXY DẠNG BĂNG TẨM 
STUDY ON MANUFACTURE OF THE EQUIPMENT FOR THE 
FABRICATION OF CARBON/EPOXY PREPREG COMPOSITES 
Phạm Thanh Nhựt 
Trường Đại học Nha Trang, Việt Nam 
Ngày toà soạn nhận bài 17/1/2018, ngày phản biện đánh giá 03/2/2018, ngày chấp nhận đăng 23/2/2018. 
TÓM TẮT 
Vật liệu composite độ bền cao đã được nghiên cứu và ứng dụng phổ biến trên thế giới 
nhưng vẫn còn khá hạn chế ở Việt nam. Một trong những rào cản lớn nhất chính là giá thành 
của thiết bị chế tạo mẫu vật liệu quá cao. Do đó, việc chế tạo và thử nghiệm thiết bị tạo mẫu 
composite độ bền cao như carbon/epoxy hay glass/epoxy dạng băng tẩm bằng phương pháp 
thủ công (CPME-1) là rất hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu trong các trường đại học liên 
quan đến vật liệu ở Việt Nam. Thiết bị được thiết kế và chế tạo trên cơ sở các yêu cầu kỹ thuật 
của nồi hấp (Autoclave) tạo mẫu tiêu chuẩn. Ưu điểm của CPME-1 là nhỏ gọn, an toàn, dễ sử 
dụng và đặc biệt là giá thành rất thấp, chỉ bằng khoảng 1/8 giá thành của nồi hấp tiêu chuẩn 
tương ứng. Kết quả thử nghiệm kéo, uốn của các mẫu carbon/epoxy được chế tạo từ thiết bị 
này đạt từ 80% đến trên 95% so với mẫu được chế tạo từ nồi hấp tiêu chuẩn. Do đó, thiết bị 
này bước đầu chỉ đáp ứng yêu cầu cho giảng dạy và học tập chuyên ngành vật liệu composite. 
Từ khóa: Vật liệu composite; carbon/epoxy; nồi hấp; thử nghiệm; CPME-1. 
ABSTRACT 
Advanced composite materials have been studied and applied widely in the world but still 
limited in Vietnam. One of the reasons for this problem is the high cost of a machine. Hence, 
the equipment for the manufacture of carbon/epoxy prepreg composites (CPME-1) was 
fabricated and tested. CPME-1 can be used for study and research in the universites of 
Vietnam. Design of CPME-1 was based on the operation principle of the Autoclave machine. 
The advantages of CPME-1 are safe, small and easy to use. Additionally, it’s low cost 
compared to the price of Autoclave (about 1/8 times). The tensile test and flexural test results 
of carbon/epoxy prepreg composites were made by CPME-1 show that these values received 
from 80% to 95% compared to standard values. Therefore, this equipment initially only meets 
the requirements for teaching and study of the composite material field. 
Keywords: Composite materials; carbon/epoxy; autoclave; test; CPME-1.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Vật liệu composite đã du nhập và phát 
triển rất mạnh mẽ ở Việt Nam, được ứng dụng 
nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp và dân 
dụng. Trong những năm gần đây, vật liệu này 
được sử dụng với một tỉ lệ rất lớn trong ngành 
đóng tàu du lịch và đánh cá. Tuy nhiên, đó là 
những vật liệu có đặc tính cơ học tương đối 
thấp, còn các loại siêu nhẹ, siêu bền như 
composite từ sợi carbon và nhựa epoxy vẫn 
chưa được tiếp cận nhiều. Với ưu điểm như 
nhẹ, độ bền cao, hệ số dãn nở nhiệt thấp, rất 
bền vững với nhiều điều kiện khí hậu và các 
phản ứng hóa học thì các sản phẩm từ 
carbon/epoxy được sử chủ yếu trong ngành 
hàng không vũ trụ, quân sự, y tế, thể thao. Ở 
Việt Nam, các sản phẩm từ composite siêu 
nhẹ, siêu bền hầu hết là nhập khẩu từ các 
nước có ngành công nghệ vật liệu phát triển. 
Cho đến nay, có rất ít công trình nghiên cứu 
trong nước về loại vật liệu này. 
52 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Một trong những dạng phổ biến của vật 
liệu composite từ sợi carbon và nhựa epoxy 
là dạng băng tẩm, nghĩa là các sợi carbon 
đồng phương được dệt thành tấm mỏng và 
tẩm sẵn nhựa epoxy (hình 1). Carbon/epoxy 
dạng băng tẩm được lưu giữ ở nhiệt khoảng 
-19
oC đến -22oC. 
Hình 1. Composite carbon/epoxy băng tẩm 
Các sản phẩm hoặc mẫu thử từ các 
composite carbon/epoxy dạng băng tẩm được 
chế tạo nhờ hệ thống nồi hấp tiêu chuẩn như 
hình 2. Trong hệ thống này, mẫu thử được 
hút chân không, sau đó được tạo áp lực và 
gia nhiệt [1]. Hiện nay, giá thành của bộ nồi 
hấp tiêu chuẩn tại Việt Nam có giá thành khá 
cao, một bộ dung tích 30 lít có giá trên 
15.000 usd. Điều này cho thấy chúng chỉ phù 
hợp để trang bị cho các phòng thí nghiệm 
trọng điểm hoặc nghiên cứu chuyên sâu về 
vật liệu composite. Do đó, cần phải nghiên 
cứu thiết kế và chế tạo ra được thiết bị có giá 
thành thấp, có thể trang bị cho các phòng thí 
nghiệm thông thường hoặc không chuyên sâu 
về vật liệu. Thiết bị chế tạo mẫu composite 
carbon/epoxy dạng băng tẩm bằng phương 
pháp thủ công phiên bản 1 (CPME-1) có thể 
đáp ứng được nhu cầu trên. 
Hình 2. Hệ thống nồi hấp tiêu chuẩn 
2. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ 
2.1 Yêu cầu kinh tế, kỹ thuật 
Thiết bị CPME-1 được thiết kế, chế tạo 
dựa trên các yêu cầu kinh tế, kỹ thuật sau: 
 Tuỳ theo loại nhựa epoxy mà mức nhiệt 
độ và áp suất cần để xảy ra quá trình lưu 
hoá là khác nhau. Theo [2], nhiệt độ sử 
dụng cho nồi hấp có thể trên 540oC và áp 
suất đến 85psi (0,586N/mm2). Trong 
nghiên cứu này, nhiệt độ được điều 
chỉnh vô cấp trong dải 0 – 120oC, áp suất 
từ 0 – 0,25N/mm2). 
 Thiết bị đảm bảo chế tạo được tấm mẫu 
có kích thước lớn nhất là 200mm (dài) x 
140mm (rộng) x 15mm (dày), kích thước 
này đủ để cắt thành 5 mẫu thử tiêu chuẩn. 
 Thiết bị phải đảm bảo an toàn, nhỏ gọn. 
 Thiết bị dễ chế tạo, sử dụng, bảo dưỡng, 
sửa chữa. 
 Giá thành thấp 
2.2 Mô hình thiết bị 
Trên cơ sở các yêu cầu kinh tế kỹ thuật 
đặt ra, sơ đồ nguyên lý chung của CPME-1 
được thiết lập như hình 3. 
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý của CPME-1 
Trong sơ đồ hình 3, mẫu carbon/epoxy 
(6) được đặt giữa nửa khuôn trên (3) và nửa 
khuôn dưới (2). Toàn bộ khuôn được đặt trên 
bệ đỡ (1) và được kết nối với nguồn điện 
220V (7) để gia nhiệt cho khuôn. Lực ép lên 
mẫu được thiết kế bằng một cơ cấu tác dụng 
gián tiếp vào khuôn trên và được đỡ bởi 
khung (4), (5). Mẫu được đặt vào và tách ra 
khỏi khuôn nhờ việc tháo lắp nửa khuôn trên. 
Thiết bị 
gia 
Thân nồi hấp 
Van xả 
Van an toàn 
Nắp 
Túi đựng mẫu 
Máy nén 
Máy hút 
chân không 
- + 
Lực 
2 
3 
4 
1 
5 
6 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
53 
2.3 Tính toán, lựa chọn thiết bị 
Lựa chọn vật liệu: 
Vật liệu làm bệ đỡ khuôn và giá đỡ phải 
đảm độ bền tương đối cao, liên kết dễ dàng, 
ở đây chọn thép C45 (giới hạn bền 750MPa, 
giới hạn chảy 360MPa). Vật liệu làm khuôn 
trên và dưới phải đảm bảo độ cứng, độ bền 
nhiệt cao, tính dẫn nhiệt tốt và hệ số dãn nở 
nhiệt thấp, ở đây chọn thép SA516Gr70 (giới 
hạn bền kéo 485-620MPa, độ dãn dài 17%, 
hệ số dãn nở nhiệt 12μm/m-oC, hệ số dẫn 
nhiệt 52 W/m-K). Tấm gia nhiệt cho khuôn 
được làm từ tổ hợp vật liệu Niken-Crom. Để 
đảm bảo tính an toàn, cách nhiệt, cách điện 
giữa khuôn với bệ đỡ, lò xo và người sử 
dụng, sử dụng một tấm lót bằng vật liệu 
composite chịu nhiệt dày 5mm. 
Nguyên lý gia nhiệt: 
Hiện nay, việc gia nhiệt được thực hiện 
theo nhiều phương pháp khác nhau như 
phương pháp cảm ứng, hồ quang, điện trở, 
điện môi, plasma, Với yêu cầu kinh tế, kỹ 
thuật đã đặt ra, khuôn trên và khuôn dưới của 
CPME-1 được gia nhiệt bằng phương pháp 
nung nóng bằng điện trở gián tiếp như hình 
4. Theo phương pháp này, bộ phận biến năng 
lượng điện thành nhiệt được sử dụng là dây 
đốt kín, là loại có phần tử nung nóng đặt 
trong vỏ bọc bằng kim loại để bảo vệ khỏi 
tác động của môi trường được nung nóng, 
phần tử nung nóng được định vị trong chất 
cách điện nhưng dẫn nhiệt (bột MgO). Ở đây, 
vật liệu điện trở là Niken-Crom, điện áp sử 
dụng là 220V, công suất là 400W. 
Hình 4. Sơ đồ phương pháp gia nhiệt 
Lựa chọn cảm biến và điều chỉnh nhiệt: 
Lựa chọn cảm biến nhiệt có sơ đồ 
nguyên lý như hình 5. Trong đó, đầu cảm 
biến (1) được đặt bên trong tấm khuôn (5) 
qua một lỗ khoan. Mút của đầu cảm biến tiếp 
xúc trực tiếp với tấm khuôn. Tín hiệu nhiệt từ 
đầu cảm biến đưa về bộ xử lý (2) và được 
điều chỉnh nhờ núm điều chỉnh nhiệt độ (3). 
Khi vặn núm điều chỉnh nhiệt độ, thông qua 
bộ xử lý và các tiếp điểm (4), nguồn điện cấp 
cho dây điện trở sẽ thay đổi tương ứng. Bộ 
cảm biến nhiệt này có khả năng điều chỉnh 
nhiệt độ vô cấp trong dải từ 0 đến 120oC. 
Hình 5. Sơ đồ nguyên lý cảm biến nhiệt 
Lựa chọn cơ cấu tạo áp lực: 
Cơ cấu tạo áp lực lên khuôn gồm một lò 
xo và bộ phận điều khiển lực nén như hình 6. 
Hình 6. Sơ đồ cơ cấu tạo áp lực 
Lò xo là loại chịu nén bằng vật liệu thép 
carbon trung bình với ứng suất xoắn cho phép 
là 600 - 800 MPa. Lò xo được thử nghiệm để 
xác định lực nén, kết quả cho thấy lực nén tối 
đa là 2500N ứng với khoảng chuyển vị 31mm. 
-
+
1
2
3
4
5
- + 
Dây điện trở 
Vỏ cách nhiệt 
Khuôn 
Chất cách điện, 
dẫn nhiệt 
Lò xo nén 
 Cơ cấu điểm chỉnh lực nén 
2
0
 7
0
6
64 
54 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Với lực nén này cho phép tạo áp lực lên khuôn 
tương đương với áp lực tạo ra trong lò hấp tiêu 
chuẩn (hình 7). Khi cần điều chỉnh áp lực của 
khuôn tác dụng lên mẫu, ta chỉ cần điều chỉnh 
quay cần dịch chuyển đi xuống một đoạn 
tương ứng với khoảng chuyển vị của lò xo đã 
được thử nghiệm. 
Hình 7. Kết quả thử nghiệm nén lò xo 
2.4 Chế tạo thiết bị 
Sau khi tính toán, lựa chọn được các bộ 
phận như đã đề cập ở phần 2.3, tiến hành lắp 
ráp các bộ phận lại với nhau để được một thiết 
bị hoàn chỉnh (CPME-1). Bản vẽ cấu tạo của 
CPME-1 được thể hiện ở hình 8. Toàn bộ thiết 
bị bao gồm các chi tiết sau: 1- chân đế, 2- bệ 
đỡ khuôn, 3- khuôn dưới, 4- khuôn trên, 5- lớp 
cách nhiệt, cách điện, 6- bộ gia nhiệt, 7- lò xo, 
8- chốt định vị lò xo, 9- khung đỡ, 10- đai ốc, 
11- trục vít, 12- tay quay, 13- tấm gia cường, 
14- bộ điều chỉnh nhiệt, 15- vị trí kết nối với 
nguồn điện, 16- tấm mẫu, 17- vị trí đặt cảm 
biến nhiệt. 
Từ bản vẽ cấu tạo, tiến hành chế tạo thiết 
bị theo các bước sau: 
 Chế tạo phần khung và bệ đỡ bằng 
phương pháp hàn. 
 Chế tạo tấm khuôn trên, khuôn dưới và 
và bộ phận gia nhiệt gắn với hai nửa 
khuôn. 
 Chế tạo bộ phận tạo và điều khiển áp lực 
gồm lò xo, cơ cấu định vị, cơ cấu tay 
quay – trục vít. 
 Lắp ráp nửa khuôn dưới, bộ phận tạo áp 
lực vào khung và bệ đỡ. 
 Lắp ráp cảm biến nhiệt vào hai nửa 
khuôn, núm điều chỉnh nhiệt độ vào bệ 
đỡ và kết nối với nguồn điện. 
Sản phẩm CPME-1 đã chế tạo thể hiện ở 
hình 9. Mặt trước của thiết bị (hình 9a) là mặt 
không bị che kín nhằm thao tác đưa mẫu vào 
và lấy ra dễ dàng, đồng thời cũng thuận tiện 
cho việc quan sát mẫu và đo độ dịch chuyển 
của lò xo. Mặt sau (hình 9b) có lắp tấm che cố 
định với khung đỡ nhằm chặn sự dịch chuyển 
của nửa khuôn trên và tấm mẫu, trên tấm che 
lắp hai núm điều chỉnh nhiệt độ cho hai nửa 
khuôn (khác với vị trí thể hiện trên bản vẽ cấu 
tạo ở hình 8). 
Hình 8. Cấu tạo thiết bị CPME-1 
a) Mặt trước b) Mặt sau 
Hình 9. Thiết bị CPME-1 
2000
4000
6000
8000
Force, N
4
Extension, mm
8 12 16 20 24 28 32 36
7
6
5
3
10
11
12
7
02
2
5
3
0
210
260
2
6
20
6
5
30
150
2
1
8
9
13
17
4
0
1
0
4
15
16
14
340
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
55 
3. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 
Về chất lượng sản phẩm, CPME-1 đã chế 
tạo đáp ứng được các yêu cầu kinh tế, kỹ thuật 
đặt ra. Các kích thước đúng với bản vẽ. Giá trị 
áp lực được tạo ra theo giá trị độ nén của lò xo 
nên có thể điều chỉnh vô cấp từ 0 đến 31mm. 
Nhiệt độ được điều chỉnh ở một số giá trị khác 
nhau và kết quả đo kiểm tra nhiệt độ trực tiếp 
trên hai khuôn đúng với chỉ báo ghi trên núm 
điều chỉnh nhiệt độ. Giá thành của toàn bộ 
thiết bị khoảng 8,5 triệu đồng. 
Để đánh giá hiệu quả của thiết bị CPME-1, 
tiến hành chế tạo hai tấm mẫu thử từ vật liệu 
carbon/epoxy dạng băng tẩm (USN-125) ở 
cùng điều kiện nhiệt độ 80oC, áp suất 
0,12N/mm
2
 và thời gian 180 phút. Một tấm sử 
dụng cho thử nghiệm kéo [3] và một tấm sử 
dụng cho thử nghiệm uốn [4] (hình 10). Tấm 
gồm 16 lớp (mỗi lớp có chiều dày 0,125mm), 
tương ứng với chiều dày là 2mm, được ép lại 
với nhau bằng tay ở nhiệt độ thường. 
a) Mẫu đang chế tạo b) Tấm mẫu sau 
trong khuôn khi tách khuôn 
Hình 10. Chế tạo mẫu thử từ CPME-1 
a) Mẫu thử kéo 
b) Mẫu thử uốn 
Hình 11. Mẫu thử tiêu chuẩn 
Mẫu thử nghiệm kéo được chế tạo và xác 
định ứng suất, mô đun đàn hồi theo tiêu chuẩn 
ASTM D – 638, tương ứng đối với thử 
nghiệm uốn là tiêu chuẩn ASTM D – 790 
(hình 11). Mẫu thử sau khi chế tạo được tiến 
hành thử nghiệm trên máy kéo nén vạn năng 
CHT với lực kéo 2000KN tại phòng kiểm 
nghiệm thuộc Viện nghiên cứu chế tạo tàu 
thủy, Trường Đại học Nha Trang (hình 12). 
Điều kiện thử nghiệm uốn: tốc độ uốn là 
2mm/phút, khoảng cách giữa hai gối là 60mm, 
nhiệt độ 28oC, độ ẩm 60% và kéo: tốc độ kéo 
là 1mm/phút, khoảng cách giữa hai ngàm kẹp 
là 60mm, nhiệt độ 28oC, độ ẩm 60%. 
Hình 12. Thử nghiệm mẫu 
Kết quả thử nghiệm uốn được thể hiện ở 
hình 13 và bảng 1. Kết quả thử nghiệm kéo 
được thể hiện ở hình 14 và bảng 2. 
Hình 13. Đồ thị thử nghiệm uốn 
Bảng 1. Kết quả thử nghiệm uốn 
Thông số 
Giá trị 
thử 
nghiệm 
Giá trị 
tham khảo 
[5,6] 
Sai 
số, 
% 
Ứng suất, 
MPa 
1112,74 1300 14,40 
Mô đun đàn 
hồi, GPa 
92,72 110 15,71 
57
2
19
115
165
13
4xR76
12.7
127
2
56 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Hình 14. Đồ thị thử nghiệm kéo 
Bảng 2. Kết quả thử nghiệm kéo 
Thông số 
Giá trị 
thử 
nghiệm 
Giá trị 
tham khảo 
[7] 
Sai số, 
% 
Ứng suất, 
MPa 
594,41 600 0,93 
Mô đun đàn 
hồi, GPa 
55,37 70 20,90 
Kết quả thử nghiệm uốn cho thấy cả giá 
trị ứng suất uốn và mô đun đàn hồi đều đạt khá 
cao, trên 84% so với giá trị tương ứng của 
mẫu chuẩn. Đối với thử nghiệm kéo, giá trị 
ứng suất đạt rất cao, gần bằng với giá trị ứng 
suất tiêu chuẩn (99,07%). Tuy nhiên, mô đun 
đàn hồi đạt giá trị khá thấp so với giá trị tiêu 
chuẩn (chỉ trên 79,1%). Các giá trị ứng suất và 
mô đun đàn hồi của mẫu thử chế tạo bằng 
CPME-1 đều thấp hơn giá trị tiêu chuẩn tương 
ứng là do việc xếp lớp được thực hiện bằng 
tay, phương sợi giữa các lớp không hoàn toàn 
song song với nhau và điều kiện nhiệt độ, độ 
ẩm khi chế tạo giữa mẫu chuẩn và mẫu nghiên 
cứu khác nhau. 
4. KẾT LUẬN 
Thiết bị CPME-1 được thiết kế phù hợp 
yêu cầu thực tế, chủ yếu dựa trên các cơ sở lý 
thuyết về cơ học và nhiệt. Sản phẩm đã chế 
tạo đáp ứng tốt các yêu cầu kinh tế, kỹ thuật 
đặt ra. Thiết bị cũng được đánh giá thông qua 
việc chế tạo và thử nghiệm cơ tính (kéo và 
uốn) của mẫu thử bằng vật liệu carbon/epoxy 
dạng băng tẩm ở điều kiện nhiệt độ 80oC và áp 
suất 0,12/mm2. Kết quả thử nghiệm cho thấy 
hầu hết các giá trị đạt được còn thấp so với 
mẫu chuẩn. Do đó, cần tiếp tục nghiên cứu 
chế tạo thêm các mẫu ở các điều kiện nhiệt độ 
và áp suất khác để có đánh giá chính xác thiết 
bị. Tuy nhiên, với những kết quả đã đạt được, 
CPME-1 hoàn toàn có thể áp dụng cho học tập 
và nghiên cứu ở các phòng thí nghiệm không 
chuyên về vật liệu. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Suong V. Hoa, Principles of the manufacturing of composite materials, Destech 
Publications, Inc., USA, 2009. 
[2] Vasileios M. Drakonakis, James C. Seferis, and Charalambos C. Doumanidis, Curing 
pressure influence of out-of-autoclave processing on structural composites for 
commercial aviation, Advances in Materials Science and Engineering, Volume 2013, pp. 
1-14, 2013. 
[3] ASTM D638-03 – Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics. 
[4] ASTM D790–03 – Standard Test Methods for Flexural Properties of Plastics. 
[5] MatWeb, Overview of materials for Epoxy/Carbon Fiber Composite, MatWeb.com. 
[6] Zhiyuan Yu, Rongchang Li, Zhenghua Peng, Yonglian Tang, Carbon Fiber Reinforced 
Epoxy Resin Matrix Composites, Materials Science: Advanced Composite Materials, 
1(1), pp. 1-6, 2017. 
[7] ACP Composite, “ISO 9001:2008,” Certified I No. 49881, 2009. 
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: 
Phạm Thanh Nhựt 
Khoa Kỹ thuật giao thông, Trường ĐH Nha Trang 
Email: nhutpt@ntu.edu.vn