Da vân carbon là gì

Trong những thập kỉ gần đây, sợi carbon ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ đặc tính siêu việc của mình. Sợi carbon có thể xem là siêu vật liệu trong ngành chế tạo máy nhờ có đặc tính nhẹ, bền, cứng hơn thép và chi phí sản xuất khá đắt.

>> Xem thêm: Top 10 siêu xe có vỏ được làm hoàn toàn bằng sợi carbon

Trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô, sợi carbon là 1 trong những vật liệu khá quen thuộc. Trước đây, vật liệu này được sử dụng chủ yếu trong ngành hàng không vũ trụ, xây dựng, dầu khí. Sở dĩ sợi carbon được ưa chuộng là nhờ vào đặc tính nhẹ, siêu bền [cứng gấp 2 lần và chịu tải gấp 5 lần thép], chịu lực hay nhiệt đều vượt trội, dù chi phí sản xuất khá đắt đỏ và phức tạp.

Sợi carbon là gì?

Sợi carbon là những sợi có đường kính khoảng 5-10 micrômet và có thành phần chủ yếu là các nguyên tử carbon. Sợi carbon có một số lợi thế bao gồm độ cứng cao, độ bền kéo cao, trọng lượng thấp, kháng hóa chất cao, chịu được nhiệt độ cao và giãn nở nhiệt thấp. Những đặc tính này đã làm cho sợi carbon rất phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ, kỹ thuật dân dụng, quân sự và thể thao cạnh tranh. Tuy nhiên, chúng tương đối đắt tiền khi so sánh với các loại sợi tương tự, chẳng hạn như sợi thủy tinh hoặc sợi nhựa.

Để tạo ra sợi carbon, các nguyên tử carbon được liên kết với nhau trong các tinh thể ít nhiều liên kết song song với trục dài của sợi vì sự liên kết tinh thể mang lại tỷ lệ cường độ trên thể tích cao của sợi [làm cho nó mạnh về kích thước của nó]. Vài ngàn sợi carbon được bó lại với nhau để tạo thành một cuộn, có thể tự sử dụng hoặc dệt thành vải.

Hình ảnh sợi carbon đã được dệt thành tấm

Sợi carbon thường được kết hợp với các vật liệu khác để tạo thành một vật liệu hỗn hợp. Khi được ngâm tẩm với nhựa dẻo và nung, nó tạo thành polymer gia cố bằng sợi carbon [thường được gọi là sợi carbon] có tỷ lệ sức bền trên trọng lượng rất cao và cực kỳ cứng mặc dù hơi giòn. Sợi carbon cũng được kết hợp với các vật liệu khác, chẳng hạn như than chì, để tạo thành vật liệu tổng hợp carbon-carbon gia cố, có khả năng chịu nhiệt rất cao.

Những dấu mốc lịch sử

Ít ai nghĩ sợi carbon [Carbon fiber CF] được sáng chế vào năm 1879 bởi Thomas Edison và được coi là loại sợi tổng hợp cổ nhất của loài người, lại có giá trị lớn lao đến thế đối với sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện đại. Ban đầu, nhà phát minh này đã sử dụng sợi carbon làm dây tóc của bóng đèn. Mặc dù lúc đó sợi sợi carbon không giống như sợi carbon ngày nay, nhưng chúng lại có sức chịu đựng đáng kể với nhiệt độ, điều này khiến cho sợi carbon trở thành ý tưởng không tồi cho các loại sợi dẫn điện.

Edison chế tạo sợi carbon dựa trên chất xenluloza gồm có cotton hoặc tre, hoàn toàn không giống như sợi carbon ngày nay làm từ dầu mỏ. Sự carbon hoá được tiến hành từ việc đốt cháy các sợi tre ở nhiệt độ cao trong môi trường tiêu chuẩn dưới sự kiểm soát chặt chẽ. Thomas Edison đã mất 40 giờ đốt cháy liên tục vật chất trên nhằm loại bỏ oxy, nitơ, hydro và chỉ giữ lại carbon để tạo ra những sợi carbon đầu tiên trên thế giới.

Mô phỏng sợi carbon phóng to

Phương pháp chế tạo trên được gọi là nhiệt phân và vẫn được dùng trong thời đại ngày nay. Kết quả là những sợi tre được carbon hoá có khả năng chịu lửa và nhiệt độ cao điều kiện cần thiết cho sự cháy sáng của dây tóc bóng đèn.

Tổng hợp sợi carbon từ polyacrylonitrile [PAN]

Về sau, đến tận những năm 1950 khả năng kéo giãn của sợi carbon mới được khám phá. Người đầu tiên được cho là tạo ra sợi carbon ngày nay có tên là Rayon. Ngày nay, sợi carbon hiện đại được sản xuất bởi một vật liệu có tên là polyacrylonitrile [PAN], đây cũng là nguyên liệu được sử dụng để sản xuất hầu hết khối lượng sợi carbon hiện tại.

Cấu trúc và tính chất. Tại sao sợi carbon nhẹ và bền?

Sợi carbon được cấu tạo từ 90% là nguyên tử carbon C có khối lượng nguyên tử là 12g/mol nhẹ hơn gần 5 lần so với nguyên tử kim loại [sắt Fe = 56g/mol]. Giống như kim cương và than chì cùng được cấu tạo từ 100% là nguyên tố C nhưng cấu trúc mạng tinh thể [cách sắp xếp của các nguyên tử C] khác nhau sẽ dẫn đến tính chất vật lý khác nhau.

Mạng tinh thể C của than chì sắp xếp theo hàng dọc => nếu tác dụng theo phương vuông góc sẽ khó phá vỡ hơn tác dụng lực theo phương song song với mạng tinh thể [giống như chặt ngang thân một cây gỗ thì khó hơn là trẻ đôi nó ra]. Mạng tinh thể C của kim cương sắp xếp theo cấu trục mạng không gian nên về mọi phương nó đều có tính chất vật lý chịu lực như nhau nên kim cương cứng hơn.

Tương tự như vậy, bằng các kỹ thuật của công nghệ cao, các kỹ sư vật liệu đã xây dựng nên cấu trúc riêng cho sợi carbon khiến nó có tính chất vật lý bền, chịu lực, chịu nhiệt tốt.

Mỗi sợi có kích thước tính bằng đơn vị micro mét [bằng 1 phần 1 triệu mét] nhỏ hơn cả một sợi tơ nhện trong tự nhiên. Sợi carbon lần đầu tiên được sử dụng trong tên lửa, xe tăng vào đầu những năm 1960 khi đó chúng ta nhận ra rằng đó chính là loại nguyên liệu của tương lai.

Sở hữu tính chất vượt trội so với kim loại

Những lợi ích mang lại từ loại sợi carbon là quá rõ ràng: nó có trọng lượng nhẹ hơn nhiều so với thép nhưng lại có độ bền lớn hơn nhiều so với thép. Ngoài ra, những lợi ích quan trọng của sợi carbon còn phải kể đến như sức khả năng chịu kéo giãn lớn, tính đàn hồi thấp. Chính những yếu tố này đã đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ cứng cho kết cấu hình nón ở mũi máy bay siêu âm.

Sợi carbon trên thị trường thường có đường kính 7 10 μm được cấu tạo từ khoảng 30.000 sợi đơn. Các sợi đơn gồm những tấm graphite mỏng thẳng, xoắn hoặc cuộn vào nhau. Tính chất của sợi phụ thuộc vào sự định hướng của các tấm graphite đó.

Tính linh hoạt của vải dựa trên carbon rayon

Nói vậy không có nghĩa sợi carbon không có nhược điểm, sợi carbon dòn và có thể dẫn điện và tạo điều kiện cho quá trình ăn mòn điện hoá kim loại. Vì vậy, các các chi tiết làm từ sợi carbon thường có lớp vật liệu khác như nhựa tráng phủ bên ngoài.

Chế tạo, sản xuất sợi carbon như thế nào?

Sợi carbon trở thành vật liệu trên những mẫu xe hiệu năng cao nhờ vào đặc tính nhẹ, siêu bền, chịu lực và nhiệt vượt trội. Chi phí sản xuất sợi carbon không nhỏ và trải qua nhiều công đoạn phức tạp.

Có 5 công đoạn chính trong sản xuất sợi carbon:

* Hoà trộn PAN với các thành phần khác và kéo thành sợi, sau đó làm sạch và tiếp tục kéo dài.

* Biến đổi các thành phần hóa học để ổn định liên kết trong sợi carbon.

* Các sợi carbon sau khi ổn định được nung ở nhiệt độ rất cao tạo thành các tinh thể carbon liên kết chặt chẽ. Quá trình này gọi là carbon hóa.

* Xử lý bề mặt bằng cách oxy hóa nhằm tăng thêm tính liên kết của sợi carbon.

* Sợi carbon bện với nhau thành những cuộn lớn. Các máy quay sợi xoắn có nhiệm vụ tạo ra những sợi carbon với kích thước khác nhau. Sau đó, sợi carbon tiếp tục được xử lý trong môi trường chân không, nhiệt độ, áp suất thích hợp để tạo thành dạng vật liệu tổng hợp.

Để có thể tạo ra loại carbon dùng để sản xuất sợi carbon, cần phải tiêu hao một nửa lượng nguyên liệu ban đầu do nhiệt dẫn đến sản phẩm cuối cùng theo đó sẽ có giá gấp đôi so với nguyên liệu. Ngoài ra chi phí sản xuất, khấu hao máy móc, nhân công cũng góp phần vào làm cho giá thành của sợi carbon khá cao. Chính vì vậy việc bình dân hóa loại nguyên liệu này cũng cần phải một khoảng thời gian dài dài dài nữa.

Ngày càng được ứng dụng rộng rãi

Tuy đã hơn 50 năm trôi qua, sợi carbon vẫn là một loại vật liệu hết sức lạ lẫm với đời sống của con người bởi một lý do rất đơn giản: giá thành của nó quá đắt.

Sợi carbon thường ứng dụng trên các siêu xe hoặc xe hiệu năng cao trong chế tác khung sườn

Ngày nay, Mỹ là thị trường lớn nhất thế giới chiếm 60% tổng sản lượng sợi carbon trong khi Nhật Bản là quốc gia sản xuất tới 50% tổng sản lượng toàn cầu. Toàn bộ lượng sợi carbon chưa thành phẩm [sợi đơn] hầu như đều được sản xuất tại Nhật Bản. Theo tính toán, thị trường sợi carbon chiếm giá trị là 90 triệu USD vào năm 2005, đã tăng lên 2 tỷ USD trong 2015 và tiếp tục mở rộng.

Video cận cảnh chiếc siêu xe Pagani Huayra được phủ toàn bộ thân vỏ bằng sợi carbon

Nhờ những ưu điểm về trọng lượng và độ bền, sợi carbon ngày càng ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Trong đó có chế tạo ôtô, đặc biệt các siêu xe nhờ đặc tính nhẹ, giúp giảm trọng lượng xe, đạt đến những vận tốc lớn hơn.

Sợi carbon còn ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ, máy bay thương mại, máy bay không người lái.

Trong các ngành công nghiệp chế tạo máy như ô tô, máy bay, khi động cơ không thể cải tiến hơn nữa đó là lúc ứng dụng các loại vật liệu như sợi carbon vào trong sản xuất nhằm nâng cao hiệu suất của động cơ, giảm nhiên liệu tiêu hao, tăng độ bền

Porsche công ty sản xuất ô tô thể thao hạng sang của Đức, sáng lập bởi Louise Piëch và Ferdinand Porsche. Mới đây đã công bố về một cỗ máy kéo sợi carbon dùng để chế tạo bánh cho những chiếc xe Porsche 911 Turbo S Loại bánh xe sử dụng sợi carbon thay thế hợp kim thông thường giúp tăng động năng và độ thoải mái khi lái xe.

Siêu xe Porsche 911 Turbo S có khả năng tăng tốc từ 0-100km/h chỉ trong vòng 2,9 giây, đạt tốc độ tối đa 330 km/h. Mức khí thải chỉ khoảng 212 gram/km và mức độ tiêu tốn nhiên liệu 9,1 lít/100km. Dự tính sẽ có khoảng 500 chiếc Porche 911 Turbo S được bán ra trên toàn cầu trong thời gian tới.

Loại bánh xe sợi carbon trên chỉ là một lựa chọn cho người mua, và những chiếc xe đầu tiên trang bị loại bánh này có thể phải chờ tới 2018. Để sở hữu lựa chọn này, bạn sẽ phải trả thêm khoảng 18 ngàn USD.

Video quy trình sản xuất bánh xe dùng sợi carbon của Porsche

Chiếc siêu xe Aston Martin DB9 được Mansory độ toàn bộ phần thân vỏ bằng sợi carbon

Trong tương lai, chắc hẳn sợi carbon vẫn là một loại vật liệu nhẹ đáng tin cậy cho rất nhiều hãng sản xuất trên thế giới. Vấn đề bây giờ cần giải quyết là giá cả cho loại vật liệu ưu việt này vẫn ở mức quá cao khiến nó chưa được áp dụng thực sự phổ biến trong nhiều lĩnh vực.

>> Xem thêm: Koenigsegg Regera Secondhand phủ full carbon tím giá chỉ 70 tỷ đồng

Tham khảo: ScienceDaily, Wonderfulengineering

• Nổi khổ của đại gia mê xe: Có tiền, lý lịch sạch sẽ cũng chưa chắc đã mua được siêu xe ưng ý
• Điểm mặt những tùy chọn cá nhân trên siêu xe có giá trên trời của giới nhà giàu