Sợi carbon: Nó là gì, chủng loại, tính chất vật liệu và vật liệu tổng hợp

Sợi carbon là gì?

Sợi carbon là vật liệu hiệu suất cao được tạo thành từ các sợi nguyên tử carbon dài và mỏng - mỗi sợi có đường kính khoảng 5 đến 10 micromet, mỏng hơn sợi tóc người. Những sợi này được liên kết với nhau trong một cấu trúc tinh thể thẳng hàng dọc theo trục của sợi, đây chính xác là điều mang lại cho sợi carbon tỷ lệ độ bền trên trọng lượng vượt trội. Vật liệu này không phải là kim loại, không phải nhựa và không phải gốm. Nó thuộc về một loại vật liệu kỹ thuật tiên tiến được xác định bởi thành phần nguyên tố của nó: hơn 90% carbon tính theo trọng lượng.

Sợi carbon hầu như luôn được sử dụng làm chất gia cố trong vật liệu ma trận - phổ biến nhất là nhựa epoxy - để tạo thành cái gọi là hỗn hợp sợi carbon. Bản thân một sợi carbon rất giòn và khó xử lý. Nhưng khi hàng nghìn sợi tơ được dệt thành vải hoặc đặt song song rồi nhúng vào nhựa liên kết, tấm hoặc cấu trúc composite thu được sẽ trở thành một trong những vật liệu kỹ thuật bền nhất, cứng nhất và nhẹ nhất hiện nay.

Các điều khoản sợi carbon và sợi carbon tham khảo cùng một tài liệu - sự khác biệt về chính tả chỉ đơn giản là tiếng Anh Mỹ và tiếng Anh Anh. Tương tự, "composite sợi carbon" và "polyme gia cố bằng sợi carbon" (CFRP) thường được sử dụng thay thế cho nhau trong bối cảnh kỹ thuật và sản xuất.

Sợi carbon được làm từ gì?

Nguyên liệu thô dùng để sản xuất sợi carbon được gọi là tiền thân . Tiền thân chủ yếu trong sản xuất thương mại là polyacrylonitrile (PAN) , một loại polymer tổng hợp chiếm khoảng 90–95% tổng lượng sợi carbon được sản xuất trên toàn cầu. Phần còn lại được sản xuất từ ​​hắc ín (dẫn xuất từ ​​dầu mỏ hoặc than đá) hoặc, trong các ứng dụng đặc biệt, rayon.

Quy trình sản xuất chuyển đổi tiền chất thành sợi carbon thông qua trình tự các bước được kiểm soát chặt chẽ:

1. Ổn định — Sợi PAN được nung nóng trong không khí ở nhiệt độ 200–300°C để oxy hóa và ổn định cấu trúc, ngăn ngừa sự tan chảy ở giai đoạn tiếp theo.
2. cacbon hóa — Sợi ổn định được làm nóng đến 1.000–1.500°C trong môi trường trơ (không có oxy), loại bỏ hầu hết các nguyên tử không phải cacbon và để lại sợi có trên 90% cacbon.
3. Đồ họa hóa (tùy chọn) - Đối với các loại mô đun cực cao, sợi được gia nhiệt thêm đến 2.500–3.000°C để tăng độ kết tinh và độ cứng nhưng phải trả giá bằng một số độ bền kéo.
4. Xử lý bề mặt và định cỡ — Các sợi được xử lý bề mặt để cải thiện khả năng liên kết với nhựa nền, sau đó phủ một lớp bảo vệ mỏng (định cỡ) trước khi được quấn vào cuộn để vận chuyển.

Quá trình sản xuất tiêu tốn nhiều năng lượng này là một lý do khiến nguyên liệu thô sợi carbon có chi phí cao hơn đáng kể so với kim loại truyền thống. Chuỗi nguyên liệu sợi carbon - từ monome acrylonitrile qua sợi PAN đến sợi carbon thành phẩm - bao gồm nhiều giai đoạn xử lý hóa học trước khi sợi được đưa đến nhà máy chế tạo composite.

Sợi Carbon đến từ đâu?

Sản xuất sợi carbon toàn cầu tập trung ở một số ít các nhà sản xuất lớn. Nhật Bản trong lịch sử đã thống trị ngành công nghiệp này, với Công nghiệp Toray là nhà sản xuất lớn nhất thế giới, cùng với Teijin và Mitsubishi Chemical. Công suất đáng kể cũng tồn tại ở Hoa Kỳ (Hexcel, Solvay) và Đức (SGL Carbon). Sản xuất nội địa của Trung Quốc đã mở rộng nhanh chóng kể từ giữa những năm 2010, với các nhà sản xuất như Zhongfu Shenying và Guanwei Composites đang nổi lên như những nhà cung cấp lớn trên toàn cầu.

Hóa học nguyên liệu còn có dấu vết xa hơn: acrylonitril - monome được sử dụng để sản xuất PAN - có nguồn gốc từ propylene, xuất phát từ quá trình lọc dầu hoặc xử lý khí tự nhiên. Vì vậy, mặc dù bản thân sợi carbon là một vật liệu công nghệ cao tiên tiến nhưng nguồn gốc của nó lại nằm ở hóa học hydrocarbon thông thường. Sợi carbon gốc hắc ín được lấy trực tiếp từ các sản phẩm phụ của nhà máy lọc dầu hoặc nhựa than đá, khiến nó trở thành sản phẩm cuối cùng của quá trình xử lý nhiên liệu hóa thạch.

Tiền chất dựa trên sinh học (chẳng hạn như các chất thay thế PAN có nguồn gốc từ lignin) là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực, nhưng tính đến giữa những năm 2020, PAN có nguồn gốc từ dầu mỏ vẫn là tiêu chuẩn thương mại ở phạm vi rộng.

Các loại sợi carbon: Cấp và phân loại

Không phải tất cả các sợi carbon đều giống nhau. Có một số cách để phân loại các loại sợi carbon khác nhau, cách phổ biến nhất là theo lớp cơ khí và by tiền thân type .

Phân loại theo cấp cơ khí

Phân loại theo loại tiền chất

• Sợi carbon dựa trên PAN - Tiêu chuẩn ngành; cân bằng tốt nhất về độ bền kéo và mô đun. Được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô, đồ thể thao và năng lượng gió.
• Sợi carbon dựa trên sân - Được sản xuất từ dầu mỏ hoặc hắc ín than đá; dễ dàng đạt được các giá trị mô đun cực cao hơn và mang lại độ dẫn nhiệt và điện vượt trội. Được ưa chuộng trong các ứng dụng quản lý không gian và nhiệt.
• Sợi carbon dựa trên Rayon — Một phương pháp sản xuất ban đầu hiện nay phần lớn đã lỗi thời đối với các ứng dụng kết cấu; vẫn được sử dụng trong một số bối cảnh cắt bỏ và cách nhiệt chuyên dụng.

Ngoài các loại lõi này, sợi carbon còn được phân loại theo dạng sợi: kéo liên tục (bó hàng nghìn sợi tóc song song, được chỉ định là 1K, 3K, 6K, 12K, 24K hoặc 48K tùy thuộc vào số lượng sợi tóc), vải dệt (dệt trơn, vải chéo, sa-tanh) và sợi cắt nhỏ hoặc xay để sử dụng trong vật liệu tổng hợp đúc phun.

Tính chất vật liệu của sợi carbon: Nó cứng và bền như thế nào?

Câu hỏi “sợi carbon cứng đến mức nào” đòi hỏi phải có sự phân biệt giữa độ cứng và độ cứng - hai thuộc tính thường bị nhầm lẫn. độ cứng đề cập đến khả năng chống trầy xước hoặc vết lõm bề mặt; độ cứng (mô đun) đề cập đến khả năng chống biến dạng dưới tải. Sợi carbon đạt điểm cao về độ cứng nhưng không đặc biệt cứng theo nghĩa thông thường - bề mặt nhựa của hỗn hợp CFRP có thể bị trầy xước tương đối dễ dàng so với thép cứng hoặc gốm.

Các đặc tính vật liệu xác định của sợi carbon làm cho nó có giá trị như vậy là:

• Độ cứng riêng cực cao — Sợi carbon mô đun tiêu chuẩn có mô đun kéo ~ 230 GPa. Thép kết cấu nằm ở mức ~200 GPa. Sợi carbon đạt được điều này với mật độ chỉ ~1,8 g/cm³ so với 7,85 g/cm³ của thép, mang lại tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng cao hơn thép khoảng bốn lần.
• Độ bền kéo rất cao — Các sợi sợi carbon có thể đạt độ bền kéo 3.500–7.000 MPa tùy theo loại, so với khoảng 400–550 MPa đối với thép kết cấu.
• Mật độ thấp — Ở mức 1,6–1,9 g/cm³, cấu trúc hỗn hợp sợi carbon nhẹ hơn khoảng 70–75% so với các bộ phận thép tương đương.
• Sự giãn nở nhiệt gần như bằng không — Sợi carbon có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) rất thấp, giúp nó ổn định về kích thước trong phạm vi nhiệt độ rộng - rất quan trọng đối với ngành hàng không vũ trụ và quang học chính xác.
• Độ dẫn điện — Không giống như sợi thủy tinh, sợi carbon có tính dẫn điện, đây vừa là một lợi thế (che chắn EMI, chống sét) vừa được cân nhắc trong thiết kế (ăn mòn điện với kim loại).
• Kháng hóa chất — Vật liệu tổng hợp sợi carbon chống lại hầu hết các axit, dung môi và sự suy thoái của môi trường, mặc dù việc tiếp xúc với tia cực tím có thể làm suy giảm nền nhựa theo thời gian nếu không có lớp phủ bảo vệ.

Hạn chế chính là độ giòn dưới tải trọng tác động. Sợi carbon không bị biến dạng dẻo trước khi hư hỏng như kim loại - nó bị gãy đột ngột, điều này có ý nghĩa đối với thiết kế cấu trúc va chạm và khả năng chịu hư hỏng trong các ứng dụng kỹ thuật.

Sợi Carbon có phải là vật liệu tổng hợp không? Chính xác thì sợi carbon là vật liệu gì?

Có - Polymer gia cố bằng sợi carbon (CFRP) là vật liệu tổng hợp. Về mặt kỹ thuật, thuật ngữ "sợi carbon" dùng để chỉ chính sợi (giai đoạn gia cố), trong khi vật liệu mà hầu hết mọi người muốn nói khi nói "sợi carbon" trong bối cảnh công nghiệp hoặc tiêu dùng là hỗn hợp được hình thành bằng cách kết hợp sợi đó với nhựa ma trận. Đây là một sự khác biệt quan trọng:

• Sợi cacbon = sợi sợi nguyên chất, một dạng cacbon
• Sợi cacbon composite = ma trận sợi carbon (thường là epoxy, polyester hoặc PEEK) được tạo thành thành một phần ép hoặc đúc

Theo định nghĩa, vật liệu composite là sự kết hợp của hai hoặc nhiều vật liệu cấu thành với các tính chất vật lý hoặc hóa học khác nhau đáng kể. Trong vật liệu tổng hợp sợi carbon, sợi cung cấp độ bền kéo và độ cứng, trong khi ma trận nhựa liên kết các sợi, phân bổ tải trọng giữa chúng và bảo vệ chúng khỏi tác hại của môi trường. Không thành phần nào có thể đạt được sự kết hợp các đặc tính giống như hỗn hợp.

Các vật liệu ma trận phổ biến nhất trong vật liệu composite sợi carbon là:

• Nhựa epoxy — Tiêu chuẩn cho các ứng dụng kết cấu hàng không và hiệu suất cao; độ bám dính tuyệt vời, độ rỗng thấp, tính chất cơ học tốt.
• Polyester và vinylester — Chi phí thấp hơn, được sử dụng trong các sản phẩm hàng hải, xây dựng và tiêu dùng nơi hiệu suất cơ học tuyệt đối ít quan trọng hơn.
• Ma trận nhựa nhiệt dẻo (PEEK, PPS, nylon) — Được sử dụng ngày càng nhiều trong ô tô và hàng không vũ trụ để cải thiện khả năng chống va đập, khả năng tái chế và thời gian xử lý nhanh hơn.
• Vật liệu tổng hợp ma trận gốm (CMC) — Sợi carbon trong ma trận gốm dành cho môi trường nhiệt độ khắc nghiệt, chẳng hạn như các bộ phận nóng của động cơ phản lực và phương tiện siêu thanh.

Những gì được làm bằng sợi carbon? Các lĩnh vực ứng dụng chính

Phạm vi của các sản phẩm làm từ sợi carbon đã mở rộng đáng kể từ nguồn gốc hàng không vũ trụ ban đầu. Ngày nay, vật liệu tổng hợp sợi carbon xuất hiện trong nhiều ngành công nghiệp mà các nhà thiết kế cần giảm trọng lượng mà không làm giảm hiệu suất kết cấu:

• Hàng không vũ trụ — Các tấm thân máy bay, vỏ cánh, vách ngăn và cấu trúc bên trong máy bay thương mại (Boeing 787 và Airbus A350 đều có trọng lượng khoảng 50% CFRP).
• ô tô — Các tấm thân xe, các bộ phận khung gầm, trục truyền động, cấu trúc va chạm và khung ghế trong các loại xe hiệu suất cao, sang trọng và ngày càng phổ biến.
• Năng lượng gió — Nắp trụ trong các cánh tuabin gió, nơi sự kết hợp giữa độ cứng và trọng lượng nhẹ trực tiếp cải thiện hiệu suất thu năng lượng.
• Đồ thể thao - Khung xe đạp, vợt tennis, cán gậy chơi gôn, gậy khúc côn cầu, mái chèo và cần câu - lĩnh vực tiêu dùng đầu tiên khiến sợi carbon trở nên quen thuộc rộng rãi.
• Y tế — Chân tay giả, nẹp chỉnh hình, dụng cụ phẫu thuật và thiết bị xạ trị (sợi carbon có tính thấu quang, nghĩa là tia X xuyên qua nó).
• Cơ sở hạ tầng dân dụng — Sàn cầu, bọc cột để trang bị thêm chống động đất và cốt thép bê tông (cốt thép sợi carbon không bị ăn mòn).
• Thiết bị điện tử và bình chịu áp lực — Linh kiện khung máy tính xách tay, điện thoại dành cho các thiết bị cao cấp; bình chứa khí nén và hydro cho xe chạy pin nhiên liệu.

Thị trường sợi carbon toàn cầu được định giá khoảng 5,5 tỷ USD vào năm 2023 và được dự đoán sẽ tăng trưởng với tốc độ gộp hàng năm là 9–11% cho đến năm 2030, chủ yếu nhờ mở rộng năng lượng gió và yêu cầu về trọng lượng nhẹ của ô tô gắn liền với các quy định về khí thải.