Đặc điểm ứng dụng Sợi Carbon, phân biệt với sợi thủy tinh

Đặc điểm & Ứng dụng sợi carbon - Phân biệt sợi carbon và sợi thủy tinh

Sợi carbon được xem là vật liệu công nghệ cao của thế kỷ 21. Vật liệu bền và nhẹ, các tính chất cơ – lý vượt trội như sự ổn định, hiệu suất hấp dẫn… đã thúc đẩy nhu cầu sử dụng 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 đến 10 micromet. Đây là một loại sợi cực kỳ cứng, hơn cả thép nhưng lại có trọng lượng nhẹ và khá bền giúp sợi trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng.

Sợi carbon là gì?

Sợi carbon gồm nhiều chuỗi phân tử dài liên kết nhau bởi các nguyên từ carbon. Nguyên 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 đó 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 kết hợp với vật liệu khác để tạo ra một composite tổng hợp phù hợp với nhiều lĩnh vực đời sống và sản xuất.

Cấu tạo – Phân loại

Khoảng 90% sợi carbon được làm từ sợi polyacrylonitrile (PAN), 10% còn lại là từ các loại sợi khác. Ngoài ra, còn có sự tham gia của một số loại khí, chất lỏng khác nhằm giúp tạo ra một phản ứng hóa học hoặc ngăn chặn phản ứng nhằm giúp sợi đặt độ bền theo yêu cầu.

Mỗi loại nguyên liệu thô đầu vào khác nhau sẽ tạo ra sợi carbon có đặc trưng khác nhau. Có thể phân loại sợi carbon theo nguyên liệu đầu vào, theo đặc tính module và theo nhiệt độ xử lý cuối cùng.

Phân loại dựa theo đặc tính của sợi carbon:

  • Module rất 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 rất cao (loại SHT): độ bền kéo > 4.5Gpa

Phân loại dựa theo đặc tính của sợi carbon

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
  • Các sợi carbon phát triển 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 kết hợp cùng với 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 kết hợp cùng với 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

Khi sử dụng sợi carbon như một chất gia cố cho nhựa, chúng thể hiện ưu điểm cơ tính về độ bền kéo và tỉ lệ module đàn hồi cao hơn so với các loại gia cường khác như sợi thủy tinh, sợi thép. Sợi carbon cũng có trọng lượng nhẹ hơn so với các vật liệu khác.

Tính ổn định về kích thước – Khả năng chịu nhiệt

Sợi carbon có hệ số giãn nở nhiệt thấp giúp sợi không 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 không bị biến dạng co hay giãn dù tiếp xúc với nhiệt độ.

Nên xem: Top 10 vật liệu cách nhiệt phổ biến và ứng dụng của từng loại vật liệu

Dẫn điện

Sợi carbon có trở kháng thể tích, độ dẫn điện cao.

Sợi carbon có độ dẫn điện cao.

Khả năng thấm tia X

Vật liệu có khả năng thấm tia X nên được ứng dụng nhiều cho các sản phẩm dụng cụ ngành y tế, góp phần cho hình ảnh và quan sát được rõ ràng sắc nét.

Ngoài ra, sợi carbon còn có những đặc tính như trơ với hóa học, sinh học, chống mỏi, chống ăn mòn, giảm chấn và tự bôi trơn.

Quy trình sản xuất

Quá trình sản xuất sợi carbon là sự kết hợp giữa hóa học và cơ học. Nguyên liệu thô đầu vào sẽ được kéo thành sợi dài và nung ở nhiệt độ cao để các nguyên tử carbon dao động một cách mạnh mẽ và đồng thời loại bỏ những thành tố không phải carbon. Quá trình này không có tiếp xúc với khí Oxy nhằm đảm bảo sợi không bị cháy. Sau quá trình carbon hóa, các công đoạn sau như xử lý bề mặt và định cỡ cũng quan trọng nhằm tạo ra sợi carbon đạt cả về chất lượng và kỹ thuật.

Cụ thể, quá trình sản xuất sợi fiber carbon từ nguyên liệu đầu vào PAN gồm những công đoạn:

Quay

Nguyên liệu PAN được trộn với các thành phần khác ở một tỉ lệ nhất định. Sau khi kéo thành sợi, tiến hành rửa sạch và kéo cho chúng căng ra.

Quy trình sản xuất

Ổn định

Công đoạn diễn ra sự biến đổi về mặt hóa học để các liên kết trở nên ổn định.

Carbon hóa

Nung sợi đã được ổn định ở nhiệt độ rất cao để tạo ra các tinh thể carbon được liên kết một cách chặt chẽ với nhau.

Xử lý bề mặt

Thực hiện oxy hóa bề mặt để cải thiện tính liên kết của sợi carbon.

Định cỡ

Sợi được bọc một lớp phủ và quấn lên các ống như ống chỉ. Sau đó đưa vào máy để xoắn sợi tạo thành sợi có kích thước đường kính khác nhau.

Các sợi này có thể ở dạng sợi, dệt thành vải, bện hoặc làm nguyên liệu gia cố để tạo ra composite. Sử dụng nhiệt độ, áp suất, chân không để kết hợp sợi carbon với chất nền tạo thành một vật liệu tổng hợp mới.

Phân biệt sợi carbon và sợi thủy tinh

Trong ngành vật liệu hiện đại ngày nay, sợi carbon và sợi thủy tinh đều rất phổ biến. Độ bền và tính đa dụng của hai loại sợi này khá cao. Tuy nhiên, cần phân biệt chúng để có thể ứng dụng một cách chính xác cũng như có thể sử dụng vật liệu một cách 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

Không dẫn điện, không dẫn nhiệt, không 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 cách điện, cách nhiệt…

Gia cường cho các kết cấu, vd: cho nhựa để tạo thành vật liệu nhựa tổng hợp composite (Sản phẩm điển hình là Chậu composite)

Nhìn chung, so với sợi thủy tinh, sợi carbon bền và chắc chắn hơn. Trong một số ứng dụng, carbon fiber có thể thay thế kim loại. Mặt khác, đối với độ đàn hồi, sợi thủy tinh có ưu điểm khi bị uốn cong hay kéo căng không bị vỡ.

Ưu điểm vượt trội của sợi carbon so với kim loại

So với kim loại, sợi carbon có nhiều ưu điểm vượt trội. Trọng lượng riêng sợi carbon chỉ bằng ¼ so với trọng lượng riêng của sắt, khả năng chịu lực tốt. So với thép, sợi carbon có độ cứng gấp 5 lần.

So với nhôm hay sợi thủy tinh (sợi thủy tinh cũng là một vật liệu công nghệ mới), sợi carbon nhẹ hơn so với 2 vật liệu này. Trọng lượng riêng fiber carbon là 1.8 trong khi nhôm là 2.7 và sợi thủy tinh là 2.5

Ưu điểm vượt trội của sợi carbon so với kim loại

Mô đun đàn hồi của sợi fiber carbon cao gấp 7 lần so với sắt nên dần thay thế các kim loại có trọng lượng nặng hơn để ứng dụng cho nhiều sản phẩm.

Tuy nhiên, sợi carbon cũng có hạn chế là tính giòn. Tính dẫn điện của carbon có thể thúc đẩy quá trình ăn mòn điện hóa kim loại. Do vậy, để tránh tình trạng này, một lớp phủ nhựa bên ngoài có thể giúp tránh tình trạng này ở một số ứng dụng.

Ứng dụng của sợi carbon

Luôn xứng đáng với tên gọi “vật liệu công nghệ mới”, fiber carbon có tính ứng dụng và thực tế rất cao. Hầu như các lĩnh vực trong cuộc sống và công nghiệp đều có sự tham gia của vật liệu này.

Những ưu điểm về độ bền và trọng lượng giúp sợi carbon được ứng dụng trong nhiều ngành sản xuất chế tạo và công nghiệp như:

  • Sản xuất siêu xe cho độ bền vượt trội, siêu nhẹ giúp giảm tải trọng và giúp xe đạt đến vận tốc lớn.
  • Hàng không vũ trụ, tên lửa, máy bay, máy bay không người lái
  • Sử dụng trong ngành vận tải đường biển, đường bộ và hàng không
  • Nhờ tính ổn định kích thước, ưu điểm về hệ số giãn nở nhiệt, các bộ phận, động cơ sử dụng 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, linh kiện ô tô, gioăng chịu nhiệt…
  • Nhờ đặc tính giảm rung chấn, các thiết bị về âm thanh, loa, cánh tay robot, máy dệt… thường sử dụng sợi carbon để chế tạo mang lại hiệu suất làm việc cao hơn.
  • Tính thấm tia X và trơ với sinh học nên carbon fiber được ứng dụng nhiều để làm các dụng cụ, thiết bị y tế như thiết bị chụp X-quang, cấy ghép, các bộ phận giả và các dụng cụ, thiết bị phẫu thuật.
  • Đồ dùng, dụng cụ thể thao cao cấp như gậy bóng chày, gậy golf…
  • Van, bộ phận của máy bơm, thiết bị phóng xạ, máy phát điện… trong nhà máy hóa chất, hạt nhân
  • Làm chất gia cường khi kết hợp với các chất nền khác như nhựa, bê tông…để tạo thành vật liệu tổng hợp.

Ứng dụng của sợi carbon

Sợi carbon có tái chế được không?

Nhu cầu sử dụng sợi carbon ngày càng tăng đặt ra một thách thức về khả năng tái chế của vật liệu này. Không như những vật liệu khác có thể dùng nguyên liệu đã sử dụng làm nguyên liệu đầu vào thì tái chế carbon fiber không dễ.

Tuy vậy, với sự nghiên cứu và công nghệ hiện đại, ngày nay trên Thế giới có thể tái chế sợi carbon để ứng dụng trong một số sản phẩm.

Sợi carbon đã qua sử dụng có thể được nghiền nát và trộn vào bê tông để tăng khả năng thoát nước của bê tông. Không giống bê tông thường, bê tông thấm nước có sự tham gia của sợi carbon tái chế là sản phẩm được ứng dụng ở 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 không cao nên chỉ được dùng trong những điều kiện phù hợp.

Hiện nay trên Thế giới đã có thêm một vài công ty nghiên cứu về khả năng tái sử dụng, tái chế của carbon fiber nhằm mang lại hiệu suất cao nhất cho vật liệu này và tác động đến môi trường một cách tích cực.

Bài viết liên quan: Thép cacbon là gì? So sánh thép cacbon và thép không gỉ

Ban biên tập: Đại Dương

Để lại bình luận của bạn

Email của bạn sẽ được bảo mật. Dấu * là trường bắc buộc