Sợi Carbon là gì? Phân loại & Ứng dụng của sợi Carbon

Sợi Carbon – Vật Liệu Kỳ Diệu Của Thế Kỷ 21

Bạn đã bao giờ tự hỏi tại sao các vận động viên chuyên nghiệp lại có thể đạt được những kỷ lục đáng kinh ngạc không? Hay tại sao các phi cơ hiện đại lại có thể bay xa và tiết kiệm nhiên liệu hơn so với các loại máy bay thời xưa? Đáp án có thể nằm ở loại vật liệu vô cùng kỳ diệu: Sợi carbon. Hãy cùng bàn ghế Bảo Phát khám phá khả năng ứng dụng tương lai đầy hứa hẹn của loại vật liệu này nhé!

1. Sợi Carbon là gì?

Sợi carbon (Carbon Fiber) là một loại vật liệu tiên tiến được tạo thành chủ yếu từ các nguyên tử carbon, có dạng sợi cực mỏng và được dệt thành dạng tấm vải. Tuy nhiên, các bạn đừng để kích thước nhỏ bé của nó đánh lừa nhé, vì thực sự sợi carbon sở hữu nguồn sức mạnh đáng kinh ngạc!

2. Tổng quan về sợi carbon

2.1. Cấu tạo sợi carbon

• Sợi carbon được tạo thành từ nhiều loại nguyên liệu khác nhau như: Polyacrylonitrile (PAN), xenlulo, graphite, than đá, dầu mỏ,… Trong đó thì polyacrylonitrile chiếm 90% và các thành phần còn lại (đặc biệt là graphite vốn có tỉ lệ carbon trên 99%) chiếm 10%.
• Kết hợp các nguyên liệu với một số loại khí và chất lỏng sẽ giúp tạo ra phản ứng hóa học cho ra thành phẩm dạng sợi có độ bền đạt chuẩn. Tùy theo mỗi nguyên liệu thô đầu vào sẽ tạo ra sợi carbon fiber có đặc trưng riêng. 
• Tưởng tượng một sợi tóc của bạn, nhưng mỏng hơn gấp 5 – 10 lần. Đó chính là kích thước của một sợi carbon đơn lẻ!
• Và các sợi này được tạo thành từ hàng ngàn sợi nhỏ hơn nữa, gọi là filament. Mỗi sợi filament chỉ có đường kính khoảng 5 – 10 micromet.
• Tất cả chúng sẽ được xoắn sợi lại với nhau và khi được dệt sẽ tạo thành một tấm vải sợi carbon.

2.2. Phân loại sợi carbon

Siêu vật liệu sợi carbon có nhiều cách phân loại và thường dựa trên độ cứng và độ đàn hồi. Phổ biến nhất là 3 tiêu chí sau:

Dựa vào nguyên liệu: Thông thường thì90% sợi carbon được làm từ polyacrylonitrile còn 10% được làm từ các nguyên liệu còn lại (than đá, dầu mỏ, rayon hoặc các loại sợi khác).

Dựa vào đặc tính module: 

• UHM module > 450 GPA.
• HM module 350 – 450 GPA.
• IM module 200 – 350 GPA.
• HT module < 100 GPA – độ bền kéo > 3 GPA.
• SHT độ bền kéo > 4.5 GPA.

Dựa vào mức nhiệt độ xử lý cuối cùng:

• 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.
• Loại III sợi được xử lý nhiệt thấp < 1000 độ C.

2.3. Đặc điểm sợi carbon

Sợi carbon có những đặc điểm vượt trội như:

• Nhỏ hơn sợi tơ nhện và chỉ nặng khoảng 1/5 nguyên tử sắt nhưng lại cực kỳ chắc chắn với có độ bền kéo cùng tỉ lệ đàn hồi ngang ngửa!
• Có khả năng thấm tia X nên sợi carbon được ứng dụng rộng rãi vào sản xuất dụng cụ y tế.
• Khả năng chịu nhiệt, giảm chấn, tự bôi trơn và chống ăn mòn tuyệt vời.
• Dẫn điện tốt nhờ trở kháng thể tích.
• Kích thước ổn định cùng hệ số giãn nở thấp giúp duy trì khả năng cơ học tuyệt vời và chống biến dạng khi tiếp xúc nhiệt độ cao.

2.3. Ứng dụng sợi carbon

Với những đặc tính ưu việt, sợi carbon được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

• Hàng không vũ trụ: Tên lửa, thân máy bay không người lái, cánh quạt máy bay, trục truyền động, phanh máy bay, kính thiên văn, ống dẫn sóng,…
• Ô tô: Khung xe, bộ phận động cơ giúp mang đến độ bền, nhẹ và vận tốc vượt trội.
• Thể thao: Vợt tennis, gậy golf, gậy bóng chày, xe đạp,…
• Xây dựng: Gia cố cầu, nhà cao tầng.
• Y tế: Bộ phận giả, xe lăn, thiết bị chụp X-quang, thiết bị phẫu thuật,…
• Thiết bị máy móc: Với đặc tính giảm rung chấn nên sợi carbon được dùng làm các thiết bị âm thanh, cánh tay robot, máy dệt,… giúp mang đến hiệu suất mạnh mẽ.
• Thiết bị công nghiệp: Dùng làm van, bộ phận máy bơm, máy phát điện và các thiết bị phóng xạ trong các nhà máy.
• Chất gia cường: Khi kết hợp cùng nhựa hoặc bê tông sẽ giúp tạo thành một loại vật liệu tổng hợp tốt hơn ban đầu rất nhiều.

3. Quy trình sản xuất sợi carbon chi tiết

Bạn có tò mò về cách tạo ra những sợi carbon kỳ diệu này không? Hãy cùng tìm hiểu quy trình sản xuất gồm 4 bước chính như sau:

Quay: Bước đầu tiên, người ta sẽ “quay” các sợi polyme (thường là polyacrylonitrile – PAN) thành những sợi dài. Quá trình này giống như việc kéo kẹo bông gòn nhưng ở quy mô phân tử vậy!

Ổn định: Tiếp theo, các sợi này sẽ được ổn định bằng cách nung nóng trong không khí ở nhiệt độ 200 – 300°C. Bước này giúp các sợi không bị nóng chảy trong các giai đoạn tiếp theo.

Carbon hóa: Đây là bước quan trọng nhất! Sợi được nung nóng đến 1000 – 3000°C trong môi trường không có oxy. Quá trình này giúp loại bỏ hầu hết các nguyên tố không phải carbon và tạo ra sợi carbon tinh khiết.

Xử lý bề mặt và định cỡ: Cuối cùng, sợi carbon sẽ được xử lý bề mặt để tăng khả năng bám dính với nhựa epoxy và được quấn thành các cuộn có kích thước phù hợp tùy theo nhu cầu sử dụng.

4. Phân biệt sợi carbon và sợi thủy tinh

Nhiều người thường nhầm lẫn giữa sợi carbon và sợi thủy tinh bởi chúng có các đặc tính khá tương đồng (như độ cứng tốt, trọng lượng thấp, kháng được hóa chất và chống ăn mòn). Dưới đây là một số điểm khác biệt chính:

• Đặc tính riêng:
  • Sợi carbon: Chịu nhiệt tốt, hệ số giãn nở thấp, có khả năng thấm tia X, dẫn điện.
  • Sợi thủy tinh: Chống cháy, không thấm nước, không dẫn nhiệt và không dẫn điện.
• Cường độ chịu kéo:
  • Sợi carbon: 1000MPa.
  • Sợi thủy tinh: 700MPa.
• Module đàn hồi:
  • Sợi carbon: 651.5 GPa.
  • Sợi thủy tinh: 72.5 GPa.
• Ứng dụng:
  • Sợi carbon: Thân máy bay, dụng cụ thể thao, làm chất gia cường cho kết cấu bê tông, thảm cao su chống tĩnh điện,…
  • Sợi thủy tinh: Ống sợi thủy tinh, làm chất gia cường cho các kết cấu composite tổng hợp, vật liệu cách nhiệt, cách điện,…
• Trọng lượng: Sợi carbon nhẹ hơn sợi thủy tinh khoảng 40%.
• Độ bền: Sợi carbon có độ bền cao hơn gấp 2 – 3 lần.
• Giá thành: Sợi carbon có giá đắt hơn hẳn so với sợi thủy tinh.
• Màu sắc: Sợi carbon thường chỉ có màu đen, trong khi sợi thủy tinh lại có nhiều màu sắc khác nhau

5. Những câu hỏi xoay quanh sợi carbon

1. Sợi carbon có tái chế được không?

• Câu trả lời là có! Tuy nhiên, quá trình này khá phức tạp và tốn kém. Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm ra phương pháp giúp tái chế sợi carbon hiệu quả hơn nhằm góp phần bảo vệ môi trường.

2. Sợi carbon có ưu điểm gì so với kim loại?

• So với kim loại, sợi carbon có những ưu điểm vượt trội hơn hẳn như:
  • Nhẹ hơn nhưng vẫn đảm bảo độ bền.
  • Khả năng chống ăn mòn tốt hơn.
  • Độ giãn nở nhiệt thấp hơn.
  • Linh hoạt trong thiết kế và gia công.

Với những đặc tính ưu việt nêu trên, sợi carbon đang dần thay thế kim loại trong nhiều ứng dụng sản xuất khác nhau, đặc biệt trong các ngành công nghiệp đòi hỏi vật liệu nhẹ và bền.

6. Kết luận

Sợi carbon thực sự là một loại vật liệu kỳ diệu của thế kỷ 21! Với những đặc tính vượt trội và ứng dụng đa dạng, nó đang mở ra những cơ hội mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ hàng không vũ trụ đến y tế. Mặc dù vẫn đang còn một số thách thức như giá thành cao và khó tái chế, nhưng tiềm năng của sợi carbon là không thể phủ nhận. Hãy cùng Bảo Phát chờ đợi những đột phá mới từ loại vật liệu đầy hứa hẹn này trong tương lai không xa nhé! Cảm ơn đã theo dõi bài viết này của chúng tôi!