Sợi carbon được xem là vật liệu khoa học cao của thế kỷ 21. Vật liệu bền và nhẹ, những tính chất cơ – lý nổi bậc như sự ổn định, hiệu suất hấp dẫn… đã liên quan nhu cầu dùng loại vật liệu ngày càng cao. Cùng Đại Dương tìm hiểu rõ hơn về vật liệu này nhé!
Sợi carbon là gì? Nguồn gốc lịch sử
Sợi carbon là sợi có cấu tạo từ ít nhất 90% nguyên tử carbon. Sợi có đường kính 5 tới 10 micromet. Đây là 1 loại sợi vô cùng cứng, hơn cả thép nhưng lại có trọng lượng nhẹ và khá bền giúp sợi phát triển thành vật liệu xuất sắc cho nhiều ứng dụng.
Sợi carbon gồm nhiều chuỗi phân tử dài hợp tác nhau bởi những nguyên từ carbon. Vật liệu dùng để tạo ra sợi carbon có thể dùng nhiều loại sợi khác nhau như sợi polyacrylonitrile PAN, sợi xenlulo, sợi graphite, than đá, dầu mỏ hoặc 1 số sợi khác. Trong đấy sợi graphite có tỉ lệ carbon >99%.
Sợi carbon còn được gọi là carbon fiber (CF) có nhiều dạng thô như sợi, dệt, bện… được ứng dụng hài hòa có vật liệu khác để tạo ra 1 composite tổng hợp thích hợp có nhiều lĩnh vực đời sống và chế tạo.
Cấu tạo – Phân loại
Khoảng 90% sợi carbon được làm cho từ sợi polyacrylonitrile (PAN), 10% còn lại là từ những loại sợi khác. Bên cạnh ra, còn có sự tham dự của 1 số loại khí, chất lỏng khác nhằm giúp tạo ra 1 phản ứng hóa học hoặc ngăn chặn phản ứng nhằm giúp sợi đặt độ bền theo đề nghị.
Từng loại vật tư thô đầu vào khác nhau sẽ tạo ra sợi carbon có đặc biệt khác nhau. Có thể phân loại sợi carbon theo vật tư đầu vào, theo đặc tính module và theo nhiệt độ xử lý cuối cùng.
Phân loại dựa theo đặc tính của sợi carbon:
- Module siêu cao (loại UHM): module >450 Gpa
- Module cao (loại HM): module 350 – 450 Gpa
- Module trung cấp (loại IM): module 200 – 350 Gpa
- Module thấp, độ bền kéo cao (loại HT): module < 100Gpa, độ bền kéo > 3.0Gpa
- Độ bền siêu cao (loại SHT): độ bền kéo > 4.5Gpa
Phân loại dựa theo vật liệu đầu vào của sợi carbon:
- Sợi carbon PAN (polyacrylonitrile)
- Sợi carbon Pitch (than đá, dầu mỏ)
- Sợi carbon Rayon
- Những sợi carbon phát triển thành trong giai đoạn khí
Phân loại dựa theo nhiệt độ xử lý cuối cùng:
- Loại I (HTT) – sợi carbon xử lý nhiệt cao: nhiệt độ xử lý cuối cùng đạt >2000°C, có thể được hài hòa cùng có sợi UHM (module cao).
- Loại II (IHT) – Sợi carbon xử lý nhiệt trung gian: nhiệt độ xử lý cuối cùng đạt khoảng từ 1500°C, có thể được hài hòa cùng có sợi loại có độ bền cao.
- Loại III – Sợi carbon xử lý nhiệt thấp: nhiệt độ xử lý cuối cùng <1000°C. Vật liệu có module và độ bền kéo thấp.
Đặc điểm
Độ bền cao và trọng lượng nhẹ
Lúc dùng sợi carbon như 1 chất gia cố cho nhựa, chúng biểu hiện ưu điểm cơ tính về độ bền kéo và tỉ lệ module đàn hồi cao hơn so có những loại gia cường khác như sợi thủy tinh, sợi thép. Sợi carbon cũng có trọng lượng khối lượng nhẹ hơn so có những vật liệu khác.
Tính ổn định về kích thước – Khả năng chịu nhiệt
Sợi carbon có hệ số giãn nở nhiệt thấp giúp sợi ko bị co giãn và vẫn duy trì tính cơ học tuyệt vời dù đặt trong môi trường nhiệt độ cao.
Tính ổn định về kích thước tương đối cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp giúp sợi ko bị biến dạng co hay giãn dù tiếp xúc có nhiệt độ.
Nên xem: High 10 vật liệu phương pháp nhiệt phổ cập} và ứng dụng của từng loại vật liệu
Dẫn điện
Sợi carbon có trở kháng thể tích, độ dẫn điện cao.
Khả năng thấm tia X
Vật liệu có khả năng thấm tia X nên được ứng dụng nhiều cho những siêu phẩm dụng cụ ngành y tế, góp phần cho hình ảnh và xem được rõ ràng sắc nét.
Bên cạnh ra, sợi carbon còn có những đặc tính như trơ có hóa học, sinh học, chống mỏi, chống ăn mòn, giảm chấn và tự động bôi trơn.
Quy trình chế tạo
Quy trình chế tạo sợi carbon là sự hài hòa giữa hóa học và cơ học. Vật liệu thô đầu vào sẽ được kéo thành sợi dài và nung tại nhiệt độ cao để những nguyên tử carbon dao động 1 phương pháp mạnh mẽ và đồng thời loại bỏ những thành tố ko bắt buộc carbon. Quy trình này ko có tiếp xúc có khí Oxy nhằm đảm bảo sợi ko bị cháy. Sau quy trình carbon hóa, những giai đoạn sau như xử lý bề mặt và định cỡ cũng quan yếu nhằm tạo ra sợi carbon đạt cả về chất lượng và kỹ thuật.
Cụ thể, quy trình chế tạo sợi fiber carbon từ vật tư đầu vào PAN gồm những giai đoạn:
Quay
Vật liệu PAN được trộn có những thành phần khác tại 1 tỉ lệ nhất định. Sau khoản thời gian kéo thành sợi, tiến hành rửa sạch và kéo cho chúng căng ra.
Ổn định
Quá trình diễn ra sự biến đổi về mặt hóa học để những hợp tác trở nên ổn định.
Carbon hóa
Nung sợi đã được ổn định tại nhiệt độ siêu cao để tạo ra những tinh thể carbon được hợp tác 1 phương pháp chặt chẽ có nhau.
Xử lý bề mặt
Thực hành oxy hóa bề mặt để cải thiện tính hợp tác của sợi carbon.
Định cỡ
Sợi được bọc 1 lớp phủ và quấn lên những ống như ống chỉ. Tiếp theo đưa vào máy để xoắn sợi tạo thành sợi có kích thước đường kính khác nhau.
Những sợi này có thể tại dạng sợi, dệt thành vải, bện hoặc làm cho vật tư gia cố để tạo ra composite. Dùng nhiệt độ, áp suất, chân ko để hài hòa sợi carbon có chất nền tạo thành 1 vật liệu tổng hợp new.
Phân biệt sợi carbon và sợi thủy tinh
Trong ngành vật liệu tiên tiến ngày nay, sợi carbon và sợi thủy tinh đều siêu phổ cập}. Độ bền và tính đa dụng của 2 loại sợi này khá cao. Tuy nhiên, cần phân biệt chúng để có thể ứng dụng 1 phương pháp chính xác cũng như có thể dùng vật liệu 1 phương pháp tối ưu nhất.
Sợi carbon Sợi thủy tinh Đặc tính Độ cứng cao
Trọng lượng nhẹ
Kháng hóa chất
Chịu nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt thấp
Dẫn điện
Chống ăn mòn, chống mỏi, có khả năng thấm tia X
Độ cứng cao
Trọng lượng nhẹ
Kháng hóa chất
Chống cháy
Ko dẫn điện, ko dẫn nhiệt, ko thấm nước
Chống ăn mòn
Cường độ kéo 700 MPa 1000 MPa Đàn hồi 72.5 GPa 651.5 GPa Ứng dụng Thân máy bay, thảm cao su chống tĩnh điện, dụng cụ thể thao…
Gia cường cho kết cấu bê tông, nhựa…
Ống dẫn, bể chứa, vật liệu phương pháp điện, phương pháp nhiệt…
Gia cường cho những kết cấu, vd: cho nhựa để tạo thành vật liệu nhựa tổng hợp composite (Siêu phẩm điển hình là Chậu composite)
Nhìn chung, so có sợi thủy tinh, sợi carbon bền và chắc chắn chắn hơn. Trong 1 số ứng dụng, carbon fiber có thể thay thế thế kim loại. Mặt khác, đối có độ đàn hồi, sợi thủy tinh có ưu điểm lúc bị uốn cong hay kéo căng ko bị vỡ.
Ưu điểm nổi bậc của sợi carbon so có kim loại
So có kim loại, sợi carbon có nhiều ưu điểm nổi bậc. Trọng lượng riêng sợi carbon chỉ bằng ¼ so có trọng lượng riêng của sắt, khả năng chịu lực phải chăng. So có thép, sợi carbon có độ cứng gấp 5 lần.
So có nhôm hay sợi thủy tinh (sợi thủy tinh cũng là 1 vật liệu khoa học new), sợi carbon khối lượng nhẹ hơn so có 2 vật liệu này. Trọng lượng riêng fiber carbon là 1.8 trong lúc nhôm là 2.7 và sợi thủy tinh là 2.5
Mô đun đàn hồi của sợi fiber carbon cao gấp 7 lần so có sắt nên dần thay thế thế những kim loại có trọng lượng nặng hơn để ứng dụng cho nhiều siêu phẩm.
Tuy nhiên, sợi carbon cũng có hạn chế là tính giòn. Tính dẫn điện của carbon có thể liên quan quy trình ăn mòn điện hóa kim loại. Do vậy, để hạn chế tình trạng này, 1 lớp phủ nhựa bên bên cạnh có thể giúp hạn chế tình trạng này tại 1 số ứng dụng.
Ứng dụng của sợi carbon
Luôn xứng đáng có tên gọi “vật liệu khoa học new”, fiber carbon có tính ứng dụng và thực tế siêu cao. Hầu như những lĩnh vực trong cuộc sống và công nghiệp đều có sự tham dự của vật liệu này.
Những ưu điểm về độ bền và trọng lượng giúp sợi carbon được ứng dụng trong nhiều ngành chế tạo chế tạo và công nghiệp như:
- Chế tạo siêu xe cho độ bền nổi bậc, siêu nhẹ giúp giảm tải trọng và giúp xe đạt tới vận tốc lớn.
- Hàng ko vũ trụ, tên lửa, máy bay, máy bay ko người lái
- Dùng trong ngành vận tải đường biển, đường bộ và hàng ko
- Nhờ có tính ổn định kích thước, ưu điểm về hệ số giãn nở nhiệt, những phòng ban, động cơ dùng vật liệu sợi carbon như cánh máy bay, chân vịt, trục truyền động của ô tô, phanh của máy bay, ăng ten, kính thiên văn, ống dẫn sóng, vật dụng ô tô, gioăng chịu nhiệt…
- Nhờ có đặc tính giảm rung chấn, những thiết bị về âm thanh, loa, cánh tay robotic, máy dệt… thường dùng sợi carbon để chế tạo mang trong mình lại hiệu suất làm cho việc cao hơn.
- Tính thấm tia X và trơ có sinh học nên carbon fiber được ứng dụng nhiều để làm cho những dụng cụ, thiết bị y tế như thiết bị chụp X-quang, cấy ghép, những phòng ban giả và những dụng cụ, thiết bị phẫu thuật.
- Đồ dùng, dụng cụ thể thao cao cấp như gậy bóng chày, gậy golf…
- Van, phòng ban của máy bơm, thiết bị phóng xạ, máy phát điện… trong nhà máy hóa chất, hạt nhân
- Làm cho chất gia cường lúc hài hòa có những chất nền khác như nhựa, bê tông…để tạo thành vật liệu tổng hợp.
Sợi carbon có tái chế được ko?
Nhu cầu dùng sợi carbon ngày càng nâng cao đặt ra 1 thách thức về khả năng tái chế của vật liệu này. Ko như những vật liệu khác có thể dùng vật tư đã dùng làm cho vật tư đầu vào thì tái chế carbon fiber ko dễ.
Tuy vậy, có sự nghiên cứu và khoa học tiên tiến, ngày nay trên Thế giới có thể tái chế sợi carbon để ứng dụng trong 1 số siêu phẩm.
Sợi carbon đã qua dùng có thể được nghiền nát và trộn vào bê tông để nâng cao khả năng thoát nước của bê tông. Ko giống bê tông thường, bê tông thấm nước có sự tham dự của sợi carbon tái chế là siêu phẩm được ứng dụng tại những nơi ô nhiễm môi trường hay vùng nhiều mưa lũ, giúp thấm và thoát nước nhanh chóng. Tuy nhiên, khả năng chịu lực của vật liệu ko cao nên chỉ được dùng trong những điều kiện thích hợp.
Hiện nay trên Thế giới đã có thêm 1 vài tổ chức nghiên cứu về khả năng tái dùng, tái chế của carbon fiber nhằm mang trong mình lại hiệu suất cao nhất cho vật liệu này và tác động tới môi trường 1 phương pháp hăng hái.
Bài viết liên quan: Thép cacbon là gì? So sánh thép cacbon và thép ko gỉ
Ban biên tập: Đại Dương
