Nghiên cứu khả năng sử dụng vật liệu kết cầu sandwich inox-Foam-inox trong ngành đóng tàu

32 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2018
THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU KẾT CẦU SANDWICH 
INOX-FOAM-INOX TRONG NGÀNH ĐÓNG TÀU
Nguyễn Văn Hân¹
Ngày nhận bài: 15/1/2018; Ngày phản biện thông qua: 23/6/2018; Ngày duyệt đăng: 23/9/2018
TÓM TẮT
Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu thực nghiệm cơ tính (chỉ xét về khả năng chịu lực uốn và lực 
cắt) của vật liệu sandwich kết cấu inox – foam – inox (I-F-I). Từ kết quả thực nghiệm đó tiến hành phân tích, 
đánh giá khả năng ứng dụng kết cấu I-F-I trong ngành công nghiệp đóng tàu đặc biệt là tàu du lịch.
Từ khóa: Inox, foam.
ABSTRACT
This paper presents an investigation of the mechanical characteristics of the sandwich material in-
cluded stainless steel - foam – stainless steel (I-F-I). Base on the achieved results, the author analyzed and 
evaluated the applicability of structure I-F-I to the shipbuilding industry, especially cruise ships.
 Keywords: Stainless steel, foam
Hình 1. Kết cấu Inox – Foam – Inox
1, 3 –lớp inox (lớp da); 2 – lớp Foam
¹ Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Thực tế hiện nay, việc sử dụng các kết cấu 
dạng Sandwich trong đóng tàu thủy cũng đã 
được nhiều nước tiên tiến trên thế giới nghiên 
cứu và ứng dụng từ khá lâu. Phổ biến nhất là 
kết cấu gồm ba lớp vật liệu nằm sát và liên kết 
bền chặt với nhau, thuật ngữ tiếng Anh là kết 
cấu kiểu Sandwich hiểu theo nghĩa là kết cấu 
gồm 3 lớp, hai lớp ngoài cùng được gọi là lá 
mỏng, gồm nhiều lớp mỏng, có đặc tính chịu 
kéo, chịu nén tốt, bằng vật liệu Composite với 
lá mỏng trong cùng có kích cỡ bằng lớp đầu 
tiên, kết cấu vật liệu như lớp ngoài. Lớp giữa là 
vật liệu độn để tăng độ cứng tấm chiếm không 
gian đáng kể, có đặc tính cơ học đáng quý là là 
khả năng chịu nén cao. Vật liệu độn có tỉ trọng 
riêng nhỏ, độ bền cơ học thấp, khả năng liên 
kết hai lớp da. Lớp vật liệu độn không chịu kéo 
nén nhưng có ưu điểm duy nhất là chuyển tải 
trọng từ lớp ngoài bên này sang lớp bìa bên kia, 
hiểu theo nghĩa cơ học là chịu lực cắt.
Theo [1] ta có Wx = bh²/6, Wx – momen 
chống uốn, b – chiều rộng của mẫu, h – chiều 
dày của mẫu, nếu h càng lớn thì momen chống 
uốn càng lớn, với vật liệu kết cấu IFI chiều dày 
h được tăng lên nhiều lần nhờ lớp foam ở giữa, 
vật liệu foam giá thành rẻ, nhẹ, cách âm cách 
nhiệt và khử rung động tốt. Hơn nữa ứng suất 
lớn nhất lại rơi vào hai lớp da bằng inox, vật 
liệu inox có cơ tính cao, chống ăn mòn tốt phù 
hợp làm việc trong môi trường nước mặn, dễ 
tạo hình, dễ chế tạo, bề mặt trơn nên ma sát 
thấp sức cản thấp. Kết cấu IFI này tận dụng tốt 
được ưu điểm của hai loại vật liệu đó chính là 
lý do lựa chon vật liệu này để nghiên cứu.
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2018
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 33
Bảng 1. So sánh độ bền của inox với vật liệu khác [5]
Hình 2: Biều đồ so sánh độ bền của vật liệu
II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 
NGHIÊN CỨU
1. Vật liệu nghiên cứu: 
1.1. Inox
Thép không gỉ, hay còn gọi là inox (từ 
gốc tiếng Pháp: inoxydable) là một loại thép 
hợp kim có chứa Cr (với hàm lượng Cr tối 
thiếu là 10,5% khối lượng). Nếu các loại thép 
thông thường khi tiếp xúc với các tác nhân 
oxy hóa (như không khí, độ ẩm ...) sẽ tạo 
thành gỉ sắt và ăn mòn vào lớp vật liệu bên 
trong, thì trong thép không gỉ, khi hàm lượng 
Cr đủ cao, trên bề mặt nó sẽ hình thành một 
lớp màng thụ động là oxit crom có tác dụng 
ngăn cản quá trình tạo gỉ và ăn mòn vào lớp 
vật liệu bên trong khiến cho bề mặt nó luôn 
tạo cảm giác sáng bóng.
Nhờ những đặc tính nổi bật, ngày nay, 
thép không gỉ được ứng dụng rộng rãi trong 
công nghiệp, y tế, đời sống ...
Từ số liệu ở Bảng 1 ta vẽ được đồ thị so sánh độ bền uốn của các loại vật liệu
1.2. Foam [4]
Foam là Nhựa tổng hợp dạng bọt cứng, 
được tạo thành từ hai thành phần hóa học 
chính Polyol & Isocyanate gọi tắt là chất A 
và chất B, để đạt được độ cứng cũng như tỉ 
trọng ở mỗi dự án, hai loại hóa chất này phải 
tuân theo tỉ lệ pha trộn nhất định. 
Sử dụng tốt nhất: Công nghiệp đóng tàu, 
công nghiệp lạnh như tấm panel kho lạnh, nhà 
máy bia, các bồn và đường ống lạnh vvv
Tỉ trọng: 22 – 200 (kg/m³)
Khả năng chịu nhiệt: - 60ºC – 80ºC
Chịu nén cao: 180 - 250 kPa
Không thấm nước: < 3%
2. Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề 
tài là kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu 
lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, trên cơ 
sở chế tạo và thử nghiệm xác định cơ tính của 
kết cấu vật liệu đề xuất và ứng dụng các thông 
số vật liệu đã xác định trong tính toán độ bền 
của một mẫu tàu cụ thể nhằm mục đích đánh 
giá khả năng sử dụng kết cấu vật liệu mới này 
trong chế tạo các loại tàu du lịch cỡ nhỏ.
2.1. Chế tạo mẫu thử cơ tính của kết cấu IFI
2.1.1. Các tiêu chuẩn mẫu thử.
Mẫu thử được thiết kế và chế tạo theo các 
TCVN, mẫu thử kéo kim loại theo TCVN 
34 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2018
Hình 3. Mẫu thử
Bảng 2: Các kích thước khảo sát
Bảng 3: Cớ tính của Nhôm
Bảng 4: Cơ tính của hai da Inox
197 – 2002, mẫu thử uốn kim loại theo 
TCVN 198-2008. Để thuận tiện so sánh các 
mẫu thử uốn của nhôm, inox, foam và cả kết 
cấu sandwich inox-foam-inox sẽ cùng kích 
thước chiều rộng và chiều dài với mẫu thử 
inox (Hình 3), chỉ thay đổi kích thước chiều 
cao(bề dày) của mẫu. 
Mẫu thử được chế tạo gồm 3 lớp, Inox-
foam-inox, kích thước các lớp inox và foam 
trong các mẫu được thay đổi theo Bảng 2
2.1.2. Máy thử mẫu: Máy kéo nén Instron model 
3360 do Mỹ sản xuất có công suất 10 kN
2.1.3. Chế tạo mẫu thử: Tiến hành cắt nhôm, 
inox có kích thước theo hình vẽ 3 chiều dài 200 
mm, chiều rộng 15 mm, chiều dày của nhôm là 
2 mm, và 3 mm, chiều dày của inox theo Bảng 
2, số lượng mẫu thử mỗi mẫu thử 4 lần để lấy 
trung bình. Sau khi cắt xong mẫu ta tiến hành 
đúc kết cấu IFI (Hình 1). Tỷ lệ pha trộn Polyol 
& Isocyanate để tạo foam là 1,1:1.
1.2. Cơ tính của hai da Inox
2.2. Thử mẫu và xử lý số liệu thực nghiệm:
Chuẩn bị xong mẫu ta tiên hành đo lực 
cắt lớn nhất của các mẫu, khởi động máy đo, 
đặt khoảng các hai đe là 120 mm, đặt đơn vị 
chiều dài là milimet, đơn vị lực là Niuton.
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO 
LUẬN
1. Các kết quả thử nghiệm
1.1. Cơ tính của Nhôm
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2018
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 35
Bảng 5: Cơ tính của foam
Bảng 6: Lực cắt lớn nhất của kết cấu
1.3. Cơ tính của foam
1.4. Cơ tính của kết cấu
Ứng suất uốn (ϭmax, N/mm²)
Độ bền uốn được xác định theo công thức (theo TCVN 6282 – 2003):
Trong đó: F – Lực uốn lớn nhất lớn nhất (N); l - Chiều dài đo được (mm).
b - Chiều rộng của mẫu thử (mm); t - Chiều dày của mẫu thử (mm).
36 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2018
Hình 4. Biểu đồ cường độ chịu lực cắt lớn nhất của kết cấu vật liệu
1.5. Biểu đồ cường độ chịu lực cắt lớn nhất của kết cấu vật liệu
2. Thảo luận 
Để đành giá khả năng sử dụng kết cấu vật 
liệu ta phải gắn mẫu kết cấu vật liệu đó với 
một mẫu tàu có sẵn, và khí khảo sát độ bền 
thân tàu ta chon một mẫu tàu nhôm đã được 
đăng kiểm cấp phép lưu hành, mẫu được 
chọn là mẫu tàu nhôm dài 4,56 m, rộng 1,55 
m, tải 6 người, chiều dày của lớp nhôm đáy 
là 2 mm, theo bảng 1 độ bền uốn của nhôm 
là 41,5 kg/mm², độ bền uốn của inox là 89,72 
kg/mm² gấp hơn hai lần của nhôm, điều đó 
cho thấy để có sức bền uốn tương đương thì 
chiều dày của nhôm phải gấp 2 lần của inox, 
Từ các đồ thị trên hình 4 có thể rút ra được 
các kết luận sau:
- Lớp foam có ảnh hưởng khá lớn đến 
khả năng chịu uốn của kết cấu IFI, với giá 
trị lực cắt lớn nhất tăng khá nhanh khi tăng 
chiều dày lớp foam. Ví dụ khi thử nghiệm kết 
cấu vật liệu IFI với hai tấm inox dày 1,0 mm 
nhận thấy giá trị lực uốn lớn nhất là 116 N 
(đường vàng trên đồ thị). 
- Khi có lớp foam dày 23 mm, giá trị lực 
cắt lớn nhất tăng lên 270,5 N, có lớp foam 
dày 42 mm thì giá trị lực cắt lớn nhất tăng lên 
379,65 N. Còn nều sử dụng tấm inox chiều 
dày 0,5 mm có lớp foam ở giữa dày 42 mm 
thì giá trị của lực uốn lớn nhất lúc này bằng 
190.46 N gần bằng với trường hợp sử dụng 
hai tâm inox dày 1,2 mm không có lớp foam ở 
giữa với giá trị lực uốn lớn nhất là 197,47 N.
- Trên đồ thị này cũng cho thấy, với các 
tấm inox có chiều dày càng lớn thì khi tăng 
chiều dày lớp foam, cơ tính tăng gần như 
tuyến tính.
- Cơ tính rất ít tăng trong phạm vi chiều 
dày lớp foam từ (23 ÷ 28) mm.
IV. KẾT LUẬN
1. Kết luận: 
Kết quả nghiên cứu thử nghiệm cơ tính 
của vật liệu thấy vật liệu sandwich kết cấu 
inox-foam-inox đủ bền và có khả năng ứng 
dụng trong ngành đóng tàu đặc biết là tàu nhỏ 
phục vụ du lịch với những ưu điểm vượt trội 
như độ chống ăn mòn trong nước mặn cao, 
công nghệ chế tạo không phức tạp, cơ tính 
tốt, giá thành rẻ hơn so với vật liệu nhôm đặc 
biệt là kết cầu này có lớp foam ở giữa nên 
khả năng chống ồn giảm rung động rất tốt.
2. Kiến nghị
Nghiên cứu công nghệ đóng tàu nhỏ phục 
vụ du lịch bằng kết cấu vật liệu mới IFI.
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2018
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 37
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. PGS.TS. Đặng Viết Cương, Sức bền vật liệu, NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2008
2. Tiêu chuân Việt Nam mẫu thử kéo kim loại theo TCVN 197 – 2002, mẫu thử uốn kim loại theo 
TCVN 198-2008, TCVN 6282 – 2003, TCVN 6282 – 2003
3. www.euro-inox.org/pdf/map/Tables_TechnicalProperties_EN.pdf‎
4. 
5.