Sợi carbon là gì? Thuộc tính, quy trình sản xuất & ứng dụng

Sợi carbon là gì

Sợi carbon là vật liệu hiệu suất cao được làm từ các sợi nguyên tử carbon mỏng liên kết với nhau theo cấu trúc tinh thể thẳng hàng song song với trục dài của sợi. Mỗi dây tóc riêng lẻ đo giữa Đường kính 5 và 10 micromet - có chiều rộng gần bằng 1/10 sợi tóc người - tuy nhiên vật liệu này được biết đến là mang lại độ bền kéo và độ cứng đặc biệt với trọng lượng chỉ bằng một phần trọng lượng của kim loại.

Trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp và thương mại, sợi carbon không được sử dụng làm dây tóc trần. Hàng nghìn sợi tơ này được bó thành sợi, sau đó được dệt thành vải hoặc xếp thành tấm và kết hợp với nền nhựa polyme - điển hình là epoxy - để tạo ra polyme gia cố bằng sợi carbon (CFRP). Sợi cung cấp độ bền kéo và độ cứng; nhựa liên kết các sợi lại với nhau và truyền tải giữa chúng. Vật liệu composite thu được sẽ vượt trội hơn hầu hết các kim loại trên cơ sở độ bền theo trọng lượng.

Dây kéo sợi carbon thương mại tiêu chuẩn được phân loại theo số lượng sợi: 1K (1.000 sợi), 3K, 6K, 12K, 24K và lớn hơn. Số lượng kéo thấp hơn được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và thể thao hiệu suất cao; số lượng kéo cao hơn được sử dụng trong bối cảnh công nghiệp và xây dựng, nơi hiệu quả chi phí quan trọng hơn độ hoàn thiện bề mặt.

Giải thích đặc tính sợi carbon

Các đặc tính của sợi carbon phụ thuộc đáng kể vào vật liệu tiền thân và quy trình sản xuất, nhưng sợi carbon dựa trên PAN tiêu chuẩn (xem bên dưới) thể hiện một tập hợp các đặc tính nhất quán xác định sự hấp dẫn của nó:

• Độ bền kéo cao: Sợi carbon mô đun tiêu chuẩn đạt được độ bền kéo 3.500–7.000 MPa, cao hơn đáng kể so với thép kết cấu (thường là 400–550 MPa).
• Độ cứng cao (mô đun đàn hồi): Sợi carbon mô đun tiêu chuẩn có mô đun đàn hồi khoảng 230 GPa; cấp mô đun cực cao đạt 600–900 GPa, vượt xa thép (200 GPa) và nhôm (70 GPa).
• Mật độ thấp: Sợi carbon có mật độ khoảng 1,75–1,85 g/cm³, so với 7,85 g/cm³ đối với thép và 2,7 g/cm³ đối với nhôm. Vật liệu tổng hợp CFRP thường là 1,5–1,6 g/cm³.
• Độ ổn định nhiệt: Sợi carbon vẫn giữ được các đặc tính cơ học ở nhiệt độ trên 2.000°C trong môi trường trơ. Trong môi trường oxy hóa, sự phân hủy bề mặt bắt đầu ở nhiệt độ trên 400–500°C.
• Độ giãn nở nhiệt thấp: Hệ số giãn nở nhiệt của sợi carbon gần bằng 0 hoặc hơi âm dọc theo trục sợi, làm cho CFRP ổn định về kích thước trong các phạm vi nhiệt độ - một đặc tính quan trọng trong ngành hàng không vũ trụ và thiết bị đo chính xác.
• Độ dẫn điện: Không giống như sợi thủy tinh, sợi carbon dẫn điện. Đây là lợi thế trong một số ứng dụng (che chắn EMI, chống sét đánh) và được xem xét trong thiết kế trong các ứng dụng khác (ăn mòn điện khi tiếp xúc với kim loại như nhôm).
• Độ nhạy cảm mỏi thấp: Vật liệu tổng hợp CFRP cho thấy khả năng chống chịu tải theo chu kỳ tuyệt vời so với kim loại, khiến chúng rất phù hợp cho các bộ phận chịu áp lực lặp đi lặp lại.

Hạn chế chính là độ giòn: sợi carbon có độ biến dạng dẫn đến hư hỏng thấp (thường là 1,5–2%) và khả năng chống va đập vuông góc với hướng sợi kém. Không giống như kim loại, CFRP không bị biến dạng dẻo trước khi hỏng - nó bị gãy và thường không có dấu hiệu cảnh báo rõ ràng trên bề mặt vật liệu.

Sợi carbon được tạo ra như thế nào: Quá trình sản xuất

Sản xuất sợi carbon là một quá trình chuyển đổi nhiệt và hóa học nhiều giai đoạn, biến đổi tiền chất polymer thành sợi carbon gần như tinh khiết. Tiền chất chủ yếu là polyacrylonitrile (PAN), chiếm hơn 90% sản lượng sợi carbon toàn cầu . Phần sản xuất còn lại sử dụng hắc ín (dẫn xuất từ ​​dầu mỏ hoặc nhựa than đá) hoặc, trong các ứng dụng chuyên dụng, rayon.

Quá trình chuyển đổi từ sợi tiền thân PAN sang sợi carbon thành phẩm trải qua năm giai đoạn liên tiếp: ổn định, cacbon hóa, than chì hóa (đối với các loại mô đun cao), xử lý bề mặt và định cỡ.

Giải thích quá trình ổn định

Ổn định là bước chuyển đổi nhiệt đầu tiên và là giai đoạn tốn nhiều thời gian nhất trong quy trình. Sợi tiền thân PAN được đưa qua một loạt lò oxy hóa ở nhiệt độ từ 200°C và 300°C trong bầu không khí không khí. Quá trình này mất từ ​​30 đến 120 phút tùy thuộc vào loại sợi và thiết kế lò.

Trong quá trình ổn định, chuỗi polymer tuyến tính trong PAN trải qua các phản ứng tạo vòng và liên kết ngang, chuyển cấu trúc nhựa nhiệt dẻo thành polyme bậc thang ổn định nhiệt. Sự thay đổi cấu trúc này là cần thiết: nếu không có sự ổn định, sợi sẽ tan chảy hoặc cháy trong bước cacbon hóa ở nhiệt độ cao sau đó. Sợi chuyển từ màu trắng sang màu nâu vàng sang màu đen khi quá trình ổn định diễn ra. Lực căng được duy trì xuyên suốt để ngăn chặn sự co rút của sợi và duy trì định hướng phân tử.

Giải thích quá trình cacbon hóa

Sau khi ổn định, sợi đi vào lò cacbon hóa hoạt động ở nhiệt độ 1.000°C đến 1.500°C trong môi trường nitơ trơ. Ở nhiệt độ này, các nguyên tử không phải carbon - chủ yếu là hydro, nitơ và oxy - bị tách ra dưới dạng khí (HCN, CO₂, H₂O, NH₃ và các loại khác). Hàm lượng carbon của chất xơ tăng từ khoảng 65% trong PAN ổn định lên hơn 92–95% trong sản phẩm được cacbon hóa.

Giai đoạn cacbon hóa thường được chia thành hai vùng: vùng nhiệt độ thấp (lên tới 700°C) nơi hầu hết các sản phẩm phụ dễ bay hơi được giải phóng và vùng nhiệt độ cao (trên 1.000°C) nơi cấu trúc than chì phản lực bắt đầu phát triển. Sự liên kết tinh thể đạt được ở giai đoạn này phần lớn quyết định các tính chất cơ học cuối cùng. Quá trình cacbon hóa được tiến hành dưới sức căng để duy trì sự liên kết của sợi và tối đa hóa sự phát triển định hướng tinh thể ưu tiên dọc theo trục sợi.

Giải thích quá trình đồ họa hóa

Than chì hóa là một bước nhiệt độ cao tùy chọn được sử dụng để tạo ra các loại sợi carbon có mô đun cao và mô đun cực cao. Sợi cacbon hóa được nung nóng đến nhiệt độ giữa 2.500°C và 3.000°C trong môi trường khí argon trơ. Ở nhiệt độ cực cao này, cấu trúc cacbon phản lực (có trật tự một phần) tổ chức lại thành cấu trúc tinh thể giống than chì có trật tự hơn, với các mặt phẳng cacbon hình lục giác trở nên lớn hơn và thẳng hàng hoàn hảo hơn với trục sợi.

Kết quả là mô đun đàn hồi tăng đáng kể - từ khoảng 230 GPa đối với sợi mô đun tiêu chuẩn lên 400–900 GPa đối với các loại mô đun cực cao. Tuy nhiên, sự gia tăng độ cứng này phải trả giá bằng độ bền kéo và khả năng bị đứt: sợi than chì cứng hơn nhưng giòn hơn. Không phải tất cả các ứng dụng đều yêu cầu đồ họa hóa; sợi mô đun tiêu chuẩn và trung gian được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng kết cấu hàng không vũ trụ không được đồ họa hóa.

Xử lý bề mặt bằng sợi carbon

Sợi carbon được sản xuất có bề mặt trơ về mặt hóa học, liên kết kém với nhựa polymer. Xử lý bề mặt - điển hình là quá trình oxy hóa điện phân - khắc phục điều này bằng cách đưa các nhóm chức có chứa oxy (carboxyl, hydroxyl, carbonyl) lên bề mặt sợi. Quá trình này đưa sợi qua bể điện phân trong khi cung cấp dòng điện được kiểm soát.

Kết quả là tạo ra một bề mặt nhám, hoạt động hóa học với cải thiện đáng kể độ bám dính với epoxy và các hệ thống nhựa khác . Độ bền cắt giữa các lớp - khả năng chống phân tách giữa các lớp của hỗn hợp - là đặc tính chính được cải thiện bằng cách xử lý bề mặt. Nếu không có nó, vật liệu tổng hợp làm từ sợi carbon sẽ có độ bám dính ma trận sợi kém và giảm hiệu suất cơ học, đặc biệt là dưới tải trọng cắt.

Quy trình định cỡ sợi carbon

Định cỡ là bước cuối cùng trước khi sợi được quấn vào suốt chỉ hoặc được xử lý thêm. Một lớp phủ mỏng - thường là 0,5–5% trọng lượng - của chất hồ (thường là polyme tương thích với epoxy) được phủ lên bề mặt sợi từ dung dịch nhũ tương gốc nước.

Việc định cỡ có nhiều chức năng: nó bảo vệ sợi khỏi bị mài mòn trong quá trình xử lý và dệt tiếp theo, bó các sợi nhỏ lại với nhau để dễ xử lý hơn và tăng cường hơn nữa khả năng tương thích với hệ thống nhựa được sử dụng trong hỗn hợp cuối cùng. Công thức định cỡ thường phù hợp với loại nhựa dự định - định cỡ epoxy cho vật liệu tổng hợp epoxy, định cỡ tương thích với nhựa nhiệt dẻo cho vật liệu tổng hợp ma trận nhựa nhiệt dẻo. Kích thước không khớp có thể làm giảm hiệu suất cơ học tổng hợp bằng cách cản trở liên kết ma trận sợi.

PAN vs sợi carbon cao cấp

Hai vật liệu tiền thân chính của sợi carbon - PAN (polyacrylonitrile) và hắc ín - tạo ra sợi có cấu hình đặc tính riêng biệt phù hợp với các ứng dụng khác nhau.

Sợi carbon dựa trên PAN chiếm lĩnh thị trường vì quy trình sản xuất được thiết lập tốt, mang lại chất lượng sợi ổn định và tạo ra sản phẩm chắc chắn, đa năng. Sợi PAN đạt được sự kết hợp tốt nhất giữa độ bền kéo và độ cứng cho các ứng dụng kết cấu. Sợi PAN mô đun tiêu chuẩn (ví dụ: loại Toray T300) là đặc trưng của ngành hàng không vũ trụ, ô tô và hàng thể thao.

Sợi carbon dựa trên sân được sản xuất từ hắc ín đẳng hướng hoặc trung pha - một sản phẩm phụ của quá trình chế biến nhựa dầu hoặc than đá. Sợi hắc ín có thể được đồ họa hóa để đạt được mô đun đàn hồi cực cao (lên tới 900 GPa) và độ dẫn nhiệt đặc biệt (lên tới 1.000 W/m·K, so với khoảng 10 W/m·K của sợi dựa trên PAN). Những đặc tính này làm cho sợi dựa trên cao độ có giá trị trong các cấu trúc vệ tinh, các bộ phận quản lý nhiệt và hệ thống quang học chính xác trong đó độ cứng và độ ổn định kích thước ở nhiệt độ quan trọng hơn độ bền kéo.

Sợi carbon và sợi thủy tinh

Sợi carbon và sợi thủy tinh (polyme gia cố bằng sợi thủy tinh hoặc GFRP) là hai vật liệu gia cố composite được sử dụng rộng rãi nhất và chúng thường được so sánh vì chúng phục vụ các ứng dụng chồng chéo ở các mức giá rất khác nhau.

Sợi thủy tinh có mô đun kéo xấp xỉ 70–85 GPa - khoảng một phần ba sợi carbon tiêu chuẩn. Nó ít cứng hơn đáng kể, có nghĩa là các thành phần GFRP bị lệch nhiều hơn dưới tải trọng tương đương. Tuy nhiên, sợi thủy tinh có độ biến dạng dẫn đến hư hỏng cao hơn (khoảng 3–4%) và khả năng chống va đập tốt hơn CFRP và giá thành giảm 5 đến 10 lần mỗi kg ở mức hiệu suất tương đương cho các ứng dụng ít đòi hỏi hơn.

Sợi thủy tinh cũng không dẫn điện và trong suốt đối với các tần số radar và vô tuyến - những đặc tính khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên cho mái vòm, vỏ tàu biển, cánh tuabin gió và thiết bị thể thao dưới nước tiêu dùng. Tính dẫn điện của sợi carbon loại trừ nó khỏi các ứng dụng yêu cầu độ trong suốt của RF.

Quyết định giữa sợi carbon và sợi thủy tinh thường phụ thuộc vào yêu cầu về trọng lượng và độ cứng so với ngân sách. Trong trường hợp trọng lượng tối thiểu và độ cứng tối đa là rất quan trọng - như trong các môn thể thao đua xe cạnh tranh, cấu trúc máy bay hiệu suất cao và xe đạp đua - sợi carbon là sự lựa chọn rõ ràng. Khi chi phí, khả năng chịu va đập hoặc độ trong suốt của RF quan trọng hơn, sợi thủy tinh vẫn là vật liệu chủ đạo.

Sợi carbon và thép

Việc so sánh giữa vật liệu tổng hợp sợi carbon và thép có ý nghĩa nhất trên cơ sở cường độ riêng (cường độ trên một đơn vị trọng lượng) và độ cứng cụ thể. Về các biện pháp này, CFRP vượt trội hơn đáng kể so với thép kết cấu: sợi carbon có Độ bền kéo cụ thể cao hơn khoảng 5 đến 10 lần so với thép và độ cứng cụ thể cao hơn từ 3 đến 4 lần.

Nói một cách tuyệt đối, thép cường độ cao có thể đạt được độ bền kéo trên 2.000 MPa - cạnh tranh với một số loại sợi carbon - nhưng ở mật độ cao hơn bốn lần. Đối với các ứng dụng quan trọng về trọng lượng, việc thay thế thành phần thép bằng thiết kế CFRP tương đương thường đạt được Giảm 40–60% trọng lượng .

Thép vẫn giữ được những lợi thế quan trọng. Nó dẻo - nó biến dạng rõ ràng trước khi gãy, đưa ra cảnh báo và hấp thụ năng lượng. CFRP giòn và có thể bị hư hỏng nghiêm trọng nếu không có biến dạng bề mặt rõ ràng. Thép cũng rẻ hơn nhiều, dễ hàn và sửa chữa, đồng thời được hiểu rõ về thực hành kỹ thuật kết cấu. Đối với các ứng dụng mà khả năng hấp thụ năng lượng do va chạm, khả năng sửa chữa hoặc chi phí là yếu tố thiết kế chính, thép vẫn khó thay thế. Ưu điểm của sợi carbon là rõ ràng nhất trong các ứng dụng mà trọng lượng trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu suất hoặc chi phí vận hành - máy bay, vệ tinh, phương tiện hiệu suất cao và thiết bị thể thao cạnh tranh.

Sợi carbon trong hàng không vũ trụ

Hàng không vũ trụ là ngành công nghiệp mà sự kết hợp giữa tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao, độ cứng, khả năng chống mỏi và độ ổn định nhiệt của sợi carbon mang lại giá trị rõ ràng nhất. Mỗi kg được loại bỏ khỏi cấu trúc máy bay sẽ trực tiếp chuyển thành tiết kiệm nhiên liệu, khả năng tải trọng hoặc phạm vi hoạt động - về mặt kinh tế ưu tiên các vật liệu cao cấp theo cách mà các ứng dụng trên mặt đất hiếm khi làm được.

Boeing 787 Dreamliner, được giới thiệu vào năm 2011, là máy bay thương mại đầu tiên có cấu trúc chính bằng vật liệu tổng hợp: khoảng 50% trọng lượng của khung máy bay là CFRP , bao gồm thân, cánh và đuôi. So với thiết kế chủ đạo bằng nhôm thông thường, 787 đạt hiệu suất sử dụng nhiên liệu tốt hơn khoảng 20%. Airbus A350 XWB sử dụng thiết kế tổng hợp chiếm ưu thế tương tự, với CFRP chiếm khoảng 53% trọng lượng cấu trúc.

Trong ngành hàng không quân sự, sợi carbon đã trở thành tiêu chuẩn trong cấu trúc máy bay chiến đấu kể từ F-16 và F/A-18 vào những năm 1970 và 1980. Các máy bay chiến đấu hiện đại như F-22 và F-35 sử dụng CFRP cho phần lớn cấu trúc khung máy bay của chúng. Các ứng dụng trong không gian sử dụng sợi carbon cho các tấm cấu trúc vệ tinh, tấm nền năng lượng mặt trời và vỏ động cơ tên lửa, trong đó sự kết hợp giữa trọng lượng nhẹ, độ cứng cao và độ giãn nở nhiệt gần như bằng 0 là không thể thay thế.

Sợi carbon trong ô tô

Việc sử dụng sợi carbon trong ô tô đã đi theo một quỹ đạo rõ ràng: từ giải đua Công thức 1 vào đầu những năm 1980, cho đến sản xuất siêu xe trong những năm 1990 và 2000, hướng tới việc sử dụng rộng rãi hơn trong sản xuất số lượng lớn trong những năm 2010 và hơn thế nữa.

McLaren đã giới thiệu khung gầm liền khối bằng sợi carbon đầu tiên trong Công thức 1 vào năm 1981. Sự cải thiện hiệu suất va chạm là ngay lập tức và đáng kể - sự kết hợp giữa khả năng hấp thụ năng lượng cao (thông qua hỏng hóc được kiểm soát) và độ cứng của bồn giúp mang lại khả năng bảo vệ cho người lái mà khung gầm liền khối bằng nhôm không thể sánh được. Ngày nay, mọi khung gầm, thân xe, sàn và cánh xe Công thức 1 đều được làm từ CFRP.

Trong ô tô đường trường, các mẫu i3 và i8 của BMW (ra mắt từ 2013–2014) đại diện cho những chiếc xe được sản xuất hàng loạt đầu tiên có khoang hành khách bằng polyme gia cố bằng sợi carbon, được sản xuất bằng quy trình đúc chuyển nhựa khối lượng lớn. Mô-đun CFRP Life của BMW i3 nặng khoảng Nhẹ hơn 130 kg so với kết cấu thép tương đương , bù đắp một phần đáng kể trọng lượng pin bị phạt.

Chi phí vẫn là rào cản chính cho việc áp dụng ô tô rộng rãi hơn. Nguyên liệu sợi carbon thô có giá khoảng 20–30 USD/kg (đối với loại tiêu chuẩn), trong khi thép dùng cho ô tô có giá dưới 1 USD/kg. Thời gian chu kỳ đối với các bộ phận CFRP được xử lý bằng nồi hấp — số giờ trên mỗi bộ phận — không tương thích với việc sản xuất khối lượng lớn mà không có đầu tư quy trình đáng kể. Quá trình ép nén sợi carbon cắt nhỏ và các quy trình ngoài nồi hấp đang làm giảm các rào cản này và hàm lượng sợi carbon trong các loại xe hiệu suất tầm trung đang tăng đều đặn.

Sợi carbon trong thiết bị thể thao

Thiết bị thể thao là một trong những thị trường thương mại sớm nhất dành cho sợi carbon ngoài ngành hàng không vũ trụ, được thúc đẩy bởi các vận động viên và nhà sản xuất sẵn sàng trả giá cao để đạt được hiệu suất. Người sử dụng có thể cảm nhận trực tiếp lợi thế về độ cứng trên trọng lượng của vật liệu theo những cách mà bất kỳ vật liệu thay thế nào khó đạt được.

Trong môn đua xe đạp thi đấu, khung bằng sợi carbon đã thống trị môn thể thao chuyên nghiệp kể từ những năm 1990. Khung đua đường trường cấp cao nhất hiện có trọng lượng dưới 700 gram — so với 1,2–1,5 kg đối với loại nhôm tương đương — đồng thời mang lại độ cứng vượt trội để truyền lực và có thể điều chỉnh theo các hướng cụ thể để tạo sự thoải mái cho người lái. Bánh xe, ghi đông, cột an toàn và tay quay bằng sợi carbon giúp tiết kiệm trọng lượng hơn nữa.

Trong quần vợt, khung vợt bằng sợi carbon mang lại độ cứng cao hơn để truyền lực với trọng lượng thấp hơn so với các lựa chọn thay thế bằng nhôm hoặc composite. Trục golf bằng sợi carbon mang lại cấu hình uốn cong ổn định hơn và giảm rung tốt hơn so với trục thép đồng thời giảm trọng lượng của người lái. Trong môn chèo thuyền, mái chèo và vỏ bằng sợi carbon đã thay thế các thiết bị bằng gỗ và sợi thủy tinh ở cấp độ ưu tú.

Sợi carbon cũng là trọng tâm của chân tay giả và thiết bị thể thao thích ứng. Lưỡi chạy Össur Cheetah — chân giả bằng sợi carbon được các vận động viên chạy nước rút Paralympic sử dụng — sử dụng khả năng dự trữ năng lượng đàn hồi của vật liệu để tái tạo chức năng của gân Achilles, cho phép tốc độ chạy nước rút tương đương với các vận động viên khỏe mạnh. Lưỡi dự trữ năng lượng khi chạm chân và giải phóng năng lượng khi nhấc ngón chân, một chức năng đòi hỏi sự kết hợp chính xác giữa độ cứng, độ uốn và độ bền mà vật liệu tổng hợp sợi carbon cung cấp độc đáo.