Sợi Carbon được mệnh danh là “siêu vật liệu”, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống. Không chỉ bền, nhẹ, chúng còn có các đặc tính cơ – lý vượt trội, hiệu suất hấp dẫn. Để hiểu rõ hơn về loại sợi này, hãy cùng Phúc Bền nghiên cứu cặn kẽ qua bài viết sau đây nhé!
Sợi Carbon là gì?
Sợi carbon có đường kính 5 – 10 micromet, nhỏ hơn tơ nhện trong tự nhiên, được tạo thành từ 90% nguyên tử carbon. Đây được xem là vật liệu tiêu biểu của thế kỷ 21 nhờ hội tụ các đặc trưng: nhẹ, nhỏ, khả năng chịu nhiệt tốt, chịu lực gấp 5 lần và cứng gấp 2 lần thép.
Vật liệu này còn được gọi là sợi carbon fiber (CF), tạo thành từ các nguyên liệu khác nhau như: polyacrylonitrile (PAN), xenlulo, graphite, than đá, dầu mỏ… Chúng có thể xoắn lại với nhau thành dạng sợi, nhiều sợi dệt thành dạng vải.
Cấu tạo
Như chúng ta đã biết, sợi carbon được làm từ nhiều nguyên liệu, kết hợp với một số loại khí và chất lỏng để tạo ra phản ứng hóa học, giúp thành phẩm có độ bền đạt chuẩn. Mỗi nguyên liệu thô đầu vào sẽ tạo ra sợi carbon fiber có đặc trưng riêng. Trong đó, polyacrylonitrile chiếm 90%, 10% còn lại thuộc các loại sợi khác. Đặc biệt, graphite có tỉ lệ carbon trên 99%.
Phân loại
Siêu vật liệu này có nhiều cách phân loại, phổ biến nhất là 3 tiêu chí sau đây:
-
- Dựa vào nguyên liệu, ta có 90% sợi carbon được làm từ polyacrylonitrile, 10% được làm từ than đá, dầu mỏ, rayon hoặc các loại sợi khác.
- Dựa vào đặc tính module, ta có: loại UHM module > 450 GPA, loại HM module 350 – 450 GPA, loại IM module 200 – 350 GPA, loại HT module < 100 GPA – độ bền kéo > 3 GPA, loại SHT độ bền kéo > 4.5 GPA.
- Dựa vào nhiệt độ xử lý cuối cùng, ta có: loại I (HTT) sợi được xử lý nhiệt cao > 2000 độ C, loại II (HT) sợi được xử lý nhiệt trung gian từ 1500 độ C và loại III sợi được xử lý nhiệt thấp < 1000 độ C.
Đặc điểm
Sợi carbon là vật liệu công nghệ mới, được ứng dụng ngày càng nhiều nhờ có các đặc tính ưu việt như:
-
- Nhỏ hơn tơ nhện, nhẹ hơn gấp 5 lần so với nguyên tử sắt và có độ bền kéo cùng tỉ lệ đàn hồi cao.
- Ổn định về kích thước, hệ số giãn nở thấp giúp sợi duy trì tính cơ học tuyệt vời , không bị biến dạng khi tiếp xúc với nhiệt độ cao.
- Độ dẫn điện cao nhờ có trở kháng thể tích.
- Có khả năng thấm tia X nên được sử dụng rộng rãi trong các dụng cụ y tế.
- Sợi carbon fiber có các đặc tính khác như: trơ với hóa học và sinh học, khả năng chống ăn mòn, giảm chấn, tự bôi trơn.
Ứng dụng
Trong mọi lĩnh vực đời sống đều có thể ứng dụng sợi carbon, đặc biệt là ngành chế tạo và công nghiệp.
-
- Dùng để làm siêu xe, mang đến độ bền, nhẹ và vận tốc vượt trội. Chẳng hạn như GTA Spano – chiếc xe nhanh nhất Tây Ban Nha được làm từ sợi carbon nguyên khối kết hợp với titan và sợi kevlar.
- Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, loại sợi này được dùng làm tên lửa, máy bay không người lái. Cụ thể là cánh máy bay, chân vịt, trục truyền động, phanh máy bay, kính thiên văn, ống dẫn sóng.
- Nhờ đặc tính giảm rung chấn, sợi carbon được dùng làm các thiết bị âm thanh, cánh tay robot, máy dệt, góp phần mang lại hiệu suất mạnh mẽ.
- Được dùng làm các dụng cụ y tế như: thiết bị chụp X-quang, thiết bị phẫu thuật hoặc những bộ phận giả.
- Làm các dụng cụ thể thao cao cấp như gậy golf, gậy bóng chày.
- Siêu vật liệu còn được ứng dụng làm van, bộ phận máy bơm, thiết bị phóng xạ, máy phát điện trong các nhà máy hóa chất.
- Đóng vai trò là chất gia cường, kết hợp cùng nhựa, bê tông tạo thành vật liệu tổng hợp.
Quy trình sản xuất sợi carbon
Cho đến tận bây giờ, sợi carbon vẫn là một loại vật liệu hết sức kỳ lạ đối với con người. Chúng được tạo ra từ sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa hóa học và cơ học.
Nguyên liệu đầu vào như polyacrylonitrile , xenlulo, graphite, Pitch sẽ được kéo thành sợi và nung ở nhiệt độ cao, trong điều kiện không có oxy để nguyên tử carbon dao động mạnh mẽ, đồng thời loại bỏ các thành tố không phải carbon.
Kế đến là công đoạn xử lý bề mặt, định cỡ giúp sợi có chất lượng cao và đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. Để hiểu rõ hơn về quy trình này, Phúc Bền xin lấy ví dụ về hoạt động sản xuất siêu vật liệu carbon fiber bằng sợi polyacrylonitrile (PAN).
Quay
Polyacrylonitrile sau khi kết hợp với một số thành phần khác theo tỉ lệ nhất định, sẽ được kéo thành sợi mảnh. Chúng được rửa sạch và căng ra để chuẩn bị cho công đoạn ổn định, carbon hóa.
Ổn định
Nguyên liệu thô đầu vào sau khi kéo sợi sẽ trải qua công đoạn biến đổi về mặt hóa học, giúp các liên kết trở nên ổn định. Đây là bước nhỏ, nhưng đóng vai trò quan trọng, góp phần quyết định đến chất lượng thành phẩm.
Carbon hóa
Để các tinh thể carbon được liên kết một cách chặt chẽ, sợi sau khi trải qua công đoạn ổn định sẽ được nung ở nhiệt độ rất cao. Đặc biệt, giai đoạn này không có sự tiếp xúc với oxy nhằm hạn chế hiện tượng sợi bị cháy.
Xử lý bề mặt và định cỡ
Tiến hành oxy hóa bề mặt nhằm cải thiện tính liên kết của sợi carbon. Sau đó, người sản xuất sẽ thực hiện việc bọc lớp phủ, quấn lên các ống rồi đưa vào nhà máy để xoắn sợi. Siêu vật liệu này có thể ở dạng sợi, dệt thành vải, bện thành nguyên liệu gia cố tạo ra composite, hoặc kết hợp với các chất hình thành vật liệu tổng hợp.
Phân biệt sợi carbon và sợi thủy tinh
Sợi carbon và sợi thủy tinh là những vật liệu có nhiều ứng dụng trong đời sống. Chúng đều có tính đa năng và độ bền cao. Tuy nhiên, cần phân biệt 2 loại sợi này để đưa ra lựa chọn phù hợp.
So với sợi thủy tinh, sợi carbon có những thế mạnh nổi trội về độ bền chắc, có thể uốn cong, kéo căng mà không bị nứt vỡ.
Những câu hỏi xoay quanh sợi carbon
Được xem là vật liệu công nghệ cao của thế kỷ 21, loại sợi này nhận được nhiều sự quan tâm của người dùng. Ngoài những thông tin cốt lõi vừa được Phúc Bền cung cấp, còn vô vàn câu hỏi đang chờ được giải đáp, tiêu biểu như:
Sợi carbon có tái chế được không?
Câu trả lời là: “không dễ, nhưng vẫn có thể tái chế”. Các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu và nghĩ ra cách nghiền nát sợi carbon rồi trộn vào bê tông để tăng khả năng thoát nước.
Loại bê tông có chứa carbon này được ứng dụng trong những khu vực ô nhiễm hoặc thường xuyên mưa lũ, giúp thấm và thoát nước nhanh. Tuy nhiên, chất liệu có khả năng chịu lực không cao nên chỉ phù hợp với những điều kiện nhất định.
Sợi carbon có ưu điểm gì so với kim loại?
So với kim loại, sợi carbon có nhiều ưu điểm vượt trội như:
-
- Siêu nhẹ, chỉ bằng 1/4 – 1/5 khối lượng riêng của sắt, bằng 1/2 của sợi thủy tinh, nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu lực tốt.
- Cứng hơn thép gấp 5 lần.
- Tính đàn hồi của carbon fiber cao gấp 7 lần sắt
Nhờ đó, loại sợi này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống, thay thế cho kim loại. Tuy nhiên, sợi carbon có tính giòn và khả năng dẫn điện nên cần có một lớp phủ nhựa bên ngoài.
Tạm kết
Chúng ta đã vừa tìm hiểu nhiều thông tin bổ ích về sợi carbon, biết được đặc điểm cấu tạo, vai trò và ứng dụng của siêu vật liệu này trong đời sống. Thông qua bài viết, Phúc Bền hy vọng đã mang đến cho quý khách hàng những lời giải đáp thỏa đáng, đồng thời trang bị thêm các kiến thức cần thiết để sử dụng hiệu quả.