Sợi Carbon Là Gì? Tìm Hiểu Quy Trình Sản Xuất Và Tính Ứng Dụng Trong Đời Sống

Sợi carbon được ứng dụng nhiều trong cuộc sống và sản xuất công nghiệp. Chúng ta có thể bắt gặp bất kỳ chúng ở đâu trong cuộc sống. Vậy sợi carbon là gì? Quy trình sản xuất và ưu nhược điểm của loại vật liệu này ra sao? Cùng Phụ kiện xe tải Uyên Hải tìm hiểu với các thông tin dưới đây.

1. Sợi Carbon Là Gì? Nguồn Gốc Sợi Carbon

Sợi carbon được xem là vật liệu công nghệ cao của thế kỷ 21. Vậy sợi carbon là gì và nguồn gốc loại vật liệu này đến từ đâu?

1.1. Sợi carbon là gì?

Vải sợi carbon là loại sợi có cấu tạo ít nhất 90% nguyên tử carbon. Đường kính từ 5 đến 10 micromet. Sợi carbon có độ cứng hơn cả thép nhưng trọng lượng nhẹ, độ bền tầm trung và là vật liệu lý tưởng trong sản xuất.

Sợi carbon là gì? Chúng được cấu tạo từ ít nhất 90% nguyên tử carbon

Sợi carbon bao gồm nhiều chuỗi phân tử dài được liên kết với nhau bởi các nguyên tử carbon. Nguyên liệu để tạo lên sợi carbon có thể đến từ nhiều loại sợi khác nhau như: Sợi polyacrylonitrile PAN, sợi graphite, sợi xenlulo, than đá, dầu mỏ,… Trong đó, sợi graphite có tỉ lệ carbon lên tới >99%.

Carbon fiber (CF) là một tên gọi khác của sợi carbon, nó có nhiều dạng thô như sợi, dệt, bện,… Chúng được ứng dụng kết hợp cùng với các vật liệu khác để tạo ra composite tổng hợp, ứng dụng trong lĩnh vực đời sống và sản xuất.

1.2. Cấu tạo và phân loại sợi carbon

Sau khi đã tìm hiểu sợi carbon là gì, chúng ta cùng tham khảo các thông tin về cấu tạo của loại vật liệu này và phân loại.

Khoảng 90% các sợi carbon được làm từ sợi polyacrylonitrile (PAN), 10% còn lại được làm từ những loại sợi khác. Bên cạnh đó, vật liệu này còn được cấu tạo từ một số loại khí, chất lỏng khác để giúp tạo nên những phản ứng hoá học hoặc ngăn chặn những phản ứng để giúp cho sợi đạt được độ bền nhất định.

Tuỳ thuộc vào mỗi loại nguyên liệu thô đầu vào khác nhau mà sẽ tạo ra những sợi carbon có đặc trưng khác nhau. Có thể phân loại dựa trên nguyên liệu đầu vào, đặc tính module và theo nhiệt độ xử lý cuối cùng.

Sợi carbon phân loại dựa trên đặc tính:

• 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 với độ bền kéo cao (loại HT): Module < 100 Gpa, độ bền kéo > 3.0 Gpa
• Độ bền rất cao (loại SHT): Độ bền kéo > 4.5 Gpa

Sợi carbon phân loại theo vật liệu đầu vào:

• PAN (polyacrylonitrile)
• Pitch (than đá, dầu mỏ)
• Rayon
• Các sợi phát triển trong giai đoạn khí

Sợi carbon phân loại dựa theo nhiệt độ xử lý cuối cùng:

• Loại I (HTT) – sợi carbon được xử lý nhiệt cao: Nhiệt độ cuối cùng đạt > 2000 độ C, có thể được kết hợp với sợi UHM (module cao).
• Loại II (IHT) – sợi carbon xử lý nhiệt trung gian: Nhiệt độ cuối cùng đạt khoảng 1500 độ C, có thể kết hợp cùng với các loại sợi có độ bền cao.
• Loại III – sợi carbon xử lý nhiệt thấp: Nhiệt độ xử lý cuối cùng < 1000 độ C.

Sợi carbon được chia thành nhiều loại dựa vào đặc tính, vật liệu đầu vào, nhiệt độ xử lý cuối cùng.

1.3. Nguồn gốc sợi carbon là gì?

Sợi carbon lần đầu xuất hiện vào năm 1860 khi Joseph Swan lần đầu tiên sản xuất được sợi carbon để sử dụng trong bóng đèn. Đến năm 1879, Thomas Edison đã nước các sợi bông hoặc than tre ở nhiệt độ cao để carbon hóa chúng thành một sợi hoàn toàn bằng sợi carbon được sử dụng trong những bóng đèn sợi đốt đầu tiên được đốt nóng bằng điện.

Năm 1958, Roger Bacon đã tạo ra những sợi carbon có hiệu suất cao. Chúng được sản xuất bằng cách đốt nóng các sợi rayon cho đến khi chúng được cacbon hoá. Từ đây, quá trình sản xuất sợi carbon tiếp tục được cải tiến để tạo ra những sản phẩm tốt như hiện nay.

2. Quy Trình Sản Xuất Sợi Carbon

Câu hỏi carbon là gì đã được giải quyết, vậy quy trình sản xuất sợi carbon được thực hiện như thế nào?

Để có thể tạo ra sợi carbon, phải tiêu hao một nửa nguyên liệu ban đầu do nhiệt dẫn để dẫn tới sản phẩm cuối cùng. Vì thế, giá thành sản phẩm luôn cao gấp đôi so với nguyên liệu.

Quy trình sản xuất sợi carbon phức tạp và phải trải qua nhiều bước

Quy trình sản xuất sợi carbon như sau:

• Bước 1: Hòa trộn PA (polyacrylonitrile – đây là một chuỗi các phân tử được liên kết với nhau bằng nguyên tử carbon với các thành phần khác và kéo thành sợi). Sau đó làm sạch và tiếp tục kéo dài.
• Bước 2: Tiến hành biến đổi các thành phần hoá học để ổn định liên kết trong sợi carbon.
• Bước 3: Sau khi ổn định, sợi carbon sẽ được nung ở nhiệt độ rất cao để tạo thành các tinh thể carbon liên kết chặt chẽ. Đây được gọi là quá trình carbon hoá.
• Bước 4: Xử lý bề mặt bằng cách oxy hoá để tăng thêm tính liên kết của các sợi carbon.
• Bước 5: Bên sợi carbon thành những cuộn lớn. Sau đó, máy quay sợi xoắn sẽ có nhiệm vụ tạo ra những sợi carbon có kích thước khác nhau. Cuối cùng, xử lý chúng trong môi trường chân không với nhiệt độ, áp suất thích hợp để tạo nên những dạng vật liệu tổng hợp.

3. Ưu Và Nhược Điểm Của Sợi Carbon Là Gì?

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

Sợi carbon cũng nhẹ hơn sợi nhôm và sợi thuỷ tinh. Trọng lượng riêng của fiber carbon là 1.8 trong khi của nhôm là 2.7 và sợi thuỷ tinh là 2.5.

Bên cạnh đó, Modun đàn hồi của sợi fiber carbon cao cấp gấp 7 lần so với sắt nên có thể thay thế được các kim loại có trọng lượng nặng để ứng dụng cho nhiều sản phẩm khác nhau.

Ngoài ra, sợi carbon fiber trong suốt đối với bức xạ và không nhìn thấy được trong tia X, vì thế nó có giá trị sử dụng trong các thiết bị và cơ sở y tế.

Sợi carbon sở hữu những ưu điểm vượt trội so với kim loại

Tuy nhiên, sợi carbon có mặt hạn chế là tính giòn. Tính dẫn điện của carbon cũng sẽ thúc đẩy quá trình ăn mòn điện hoá kim loại. Vì vậy, bạn nên sử dụng một lớp nhựa bên ngoài để giúp tránh tình trạng này ở một số ứng dụng.

Một nhược điểm khác kiến sợi carbon chưa được ứng dụng phổ biến bởi nó có giá thành cao. Dù hiện nay mức giá đã giảm đáng kể nhưng nhu cầu vẫn chưa đủ tăng để làm tăng nguồn cung cơ bản.

4. Ứng Dụng Của Sợi Carbon Trong Đời Sống

Sợi carbon được ứng dụng nhiều trong đời sống, có thể kể đến như:

4.1. Bọc vô lăng carbon cho xe tải ô tô

Sợi carbon được ứng dụng khá nhiều trong bọc vô lăng trên ô tô. Điều này sẽ giúp những chiếc vô lăng thông thường thành vô lăng siêu xe với độ bền cao, đẹp mắt. Ví dụ điển hình là sản phẩm bọc vô lăng Moco Carbon nổi tiếng, được rất nhiều bác tài sử dụng.

Bọc vô lăng Moco Carbon được sản xuất độc quyền tại Nhật Bản với quy trình sản xuất khép kín. Dòng bọc vô lăng này nổi tiếng trên toàn thế giới với độ bền cao, chất lượng mang đến cảm giác cầm nắm vô lăng cực kỳ tốt. Ngoài bọc vô lăng Carbon, hãng JET Inoue còn cho ra đời nhiều mẫu bọc vô lăng khác với chất lượng cao.

Xem thêm các mẫu bọc vô lăng Nhật Bản: https://phukienxetai.com/boc-vo-lang/ 

4.2. Ốp nội thất ô tô

Bên cạnh vô lăng, sợi carbon còn có thể ốp tất cả các chi tiết trong nội thất xe, bao gồm:

• Bọc cần số carbon

• Taplo
• Tay vịn cửa
• Vô lăng carbon
• …

Những loại sợi carbon cao cấp, chất lượng cao luôn được các dân chơi độ xe ưa chuộng, tuy nhiên giá thành vẫn ở mức khá cao.

4.3. Ứng dụng trong y tế

Sợi carbon có tính thấm tia X và trơ với sinh học, vì thế carbon fiber được ứng dụng nhiều để làm các dụng cụ, thiết bị y tế như máy chụp X-quang, cấy ghép, dụng cụ thiết bị phẫu thuật,…

Ngoài ra, sợi carbon còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như: Hàng không vũ trụ, tên lửa, máy bay, vận tải biển, đồ dùng, nhà máy hoá chất, vật liệu tổng hợp, vải sợi carbon,…

Trên đây là các thông tin Uyên Hải đã giải đáp sợi carbon là gì, quy trình sản xuất sợi carbon và những ứng dụng của nó trong đời sống. Hiện nay, nhu cầu sử dụng loại vật liệu này ngày càng tăng cũng đã phần nào giúp giảm thiểu chi phí cần bỏ ra của người tiêu dùng. Với tính ứng dụng cao, sợi carbon có tiềm năng thay thế thép trong tương lai.