Sợi carbon fiber là gì? Đặc điểm tính chất và phân loại sợi carbon fiber

Nếu yêu thích ngành hàng không vũ trụ, máy bay hay siêu xe thì chắc hẳn bạn đã nghe đến sợi carbon fiber. Đây là vật liệu nhẹ, không bị oxy hóa trong môi trường thực tế. Ngoài ra chúng còn sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội khác. Tìm hiểu cụ thể hơn xem sợi carbon fiber được phân loại như thế nào, mức giá ra sao nhé.

Sợi carbon fiber là gì?

Sợi carbon là những sợi có đường kính khoảng 5 – 10 micromet, nghĩa là cực kỳ nhỏ. Thành phần chủ yếu của chúng từ 90% nguyên tử carbon © liên kết với nhau và 10% hợp chất khác. Hiện nay người ta đã có thể chế tạo sợi carbon fiber với tỉ lệ 99% carbon khiến nó có độ bền cực cao.

Nguyên liệu thô được sử dụng để tạo ra sợi carbon được gọi là tiền chất. Những loại tiền chất thường dùng là sợi nhựa tổng hợp Polyacrylonitrile (hay PAN), sợi vải tổng hợp Rayon và Pitch (dầu mỏ, than đá).

Ngoài ra, sợi carbon thường kết hợp với các vật liệu khác để tạo thành một vật liệu tổng hợp được cấu thành từ sợi carbon. Khi ngâm cùng với nhựa dẻo và nung nóng, chúng tạo thành nhựa polyme gia cố bằng sợi carbon có độ bền cao và cực kỳ cứng. Còn khi sợi carbon kết hợp với than chì chẳng hạn, chúng tạo ra liệu tổng hợp carbon – carbon gia cố, có khả năng chịu nhiệt rất tốt.

Sợi carbon sở hữu nhiều lợi thế như độ cứng cao, độ bền kéo cao, trọng lượng thấp, chịu được nhiệt độ cao, giãn nở nhiệt thấp. Nhờ đó chúng được đánh giá vượt trội hơn hẳn so với các loại sợi khác.

Trước đây, sợi carbon sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, hàng không quân sự, thể thao. Hiện nay, chúng được ứng dụng nhiều hơn trong các sản phẩm chuyên dụng như máy bay, ô tô, thiết bị thể thao,… Hoặc sợi carbon được cuộn lại với nhau để dệt thành vải, đúc thành dạng cụ thể cho khung xe đạp, cần câu cá, thân xe đua, gậy chơi golf hay cột thuyền buồm.

Điểm qua lịch sử phát triển của sợi carbon fiber

• Năm 1860: Sợi carbon được Joseph Swan ứng dụng làm dây tóc bóng đèn.
• Năm 1879: Thomas Edison đã đốt các sợi bông và các thanh tre ở nhiệt độ cao để carbon hóa chúng thành sợi carbon ứng dụng làm dây tóc bóng đèn được đốt nóng bằng điện. Từ đó sợi carbon được ứng dụng phổ biến và rộng rãi trong công nghiệp bóng đèn và chiếu sáng.
• Năm 1880: Lewis Latimer phát triển dây tóc carbon cho bóng đèn sợi đốt bằng điện.
• Năm 1958: Roger Bacon tạo ra các sợi carbon hiệu suất cao tại Trung tâm Kỹ thuật Union carbide Parma.
• Năm 1960: Tiến sĩ Akio Shindo tại Cơ quan Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Nhật Bản tạo ra một sợi carbon chứa khoảng 55% carbon. Cùng năm đó Richard Millington của HI Thompson Fiberglas Co. đã sản xuất sợi có hàm lượng carbon cao (99%).
• Năm 1963: Áp dụng chế tạo máy bay hoàng gia tại Farnborough, Hampshire.
• Năm 1968: Sợi carbon Hyfil được sử dụng trong động cơ phản lực Rolls-Royce Conway của máy bay Vickers VC10. Tuy nhiên, cánh quạt này lại gây tổn thương cho chim nên việc áp dụng này bị thất bại.
• Từ những năm 1970: Chính phủ Nhật Bản đã hỗ trợ rất nhiều cho sự phát triển sợi carbon ở một số công ty như Toray, Nippon Carbon, Misubishi,… Sau đó các sợi carbon tiếp tục gia nhập thị trường toàn cầu, mang lại độ bền kéo cao hơn, mô đun đàn hồi cao.

Đặc điểm tính chất của sợi carbon fiber

• Ưu điểm của sợi carbon fiber

Không phải ngẫu nhiên mà sợi carbon fiber ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tìm hiểu ngay những ưu điểm vượt trội dưới đây nhé.

– Nhẹ: Sợi carbon fiber được cấu tạo từ 90% nguyên tố C. Trong đó C cũng nhẹ hơn nhiều so với nguyên tố kim loại khác. Như bạn đã biết, kim cương cũng được cấu tạo từ nguyên tố C sắp xếp trong 1 mạng tinh thể cứng hàng đầu. Do vậy nên sợi carbon cứng, chắc và nhẹ không có gì ngạc nhiên.

– Độ bền kéo cao: Theo nghiên cứu, sợi carbon chịu lực kéo gấp 5 lần và cứng gấp 2 lần so với thép. Đây cũng là một trong những loại sợi rất khó kéo căng hoặc uốn cong.

– Độ giãn nở nhiệt thấp: Sợi carbon fiber sẽ giãn nở hoặc co lại ít hơn nhiều trong điều kiện nóng hoặc lạnh so với vật liệu như thép hay nhôm. Cũng bởi tính chất quan trọng này nên chúng được chọn ứng dụng trong môi trường đặc biệt như tàu vũ trụ, chi tiết xe ô tô, thiết bị quân sự.

– Độ bền cao: Một đặc tính quan trọng khác của sợi carbon fiber là khả năng chống ăn mòn vượt trội hơn so với kim loại. Nghĩa là các thành phần làm bằng sợi carbon sẽ không bị mài mòn nhanh chóng dưới áp lực của việc sử dụng liên tục.

– Tính phóng xạ: Sợi carbon fiber trong suốt đối với bức xạ và không nhìn thấy được trong tia X. Do vậy chúng còn được ứng dụng rộng rãi khi chế tạo các thiết bị.

– Tính dẫn điện: Sợi carbon là chất dẫn điện vô cùng tuyệt vời.

– Chống tia cực tím: Sợi carbon fiber có thể chống tia cực tím với việc sử dụng các loại nhựa thích hợp.

* Ứng dụng ưu điểm của sợi carbon fiber trong các ngành nghề

Ưu điểm của sợi carbon fiber	Ngành nghề & Sản phẩm
1. Độ dẻo dai, trọng lượng nhẹ	Hàng không vũ trụ, vận tải đường bộ, đường biển, hàng thể thao,…
2. Độ ổn định, kích thước cao, hệ số giãn nở và mài mòn thấp	Tên lửa, phanh máy bay, kính thiên văn, băng ghế quang học, ống dẫn sóng cho khung đo tần số cao,…
3. Giảm rung tốt, độ dẻo dai	Thiết bị âm thanh, loa, cánh tay robot,…
4. Độ dẫn điện	Mũ trùm ô tô, tấm chắn EMI và RF, bàn chải,…
5. Tính trơ sinh học, tính thấm tia X	Dụng cụ y tế trong các bộ phận giả, phẫu thuật và thiết bị chụp X-quang, cấy ghép, sửa chữa gân, dây chằng,…
6. Chống mỏi, tự bôi trơn	Máy dệt, kỹ thuật chi
7. Tính trơ hóa học, chống ăn mòn cao	Công nghệ hóa chất, van, con dấu,…

• Nhược điểm

– Giá thành tương đối cao

Vì sợi carbon fiber được chế tạo từ những nguyên liệu chất lượng cao nên giá thành của chúng cũng khá cao. Điều này là bình thường. Dù giá đã giảm đáng kể trong vài năm qua nhưng vì nhu cầu chưa tăng mạnh để làm tăng nguồn cung. Do đó, giá có thể không có nhiều biến động.

Phân loại vải sợi carbon

Sợi carbon được phân loại theo mô đun kéo của sợi. Thực chất mô đun kéo là thước đo lực kéo của một sợi có đường kính nhất định khi tác động vào không bị đứt. Đơn vị đo lường tiếng Anh là Pound lực trên inch vuông của diện tích mặt cắt ngang, hay psi.

Sợi carbon được phân loại là “mô đun thấp” với mô đun kéo dưới 34,8 triệu psi (240 triệu kPa). Theo thứ tự tăng dần của mô đun kéo sẽ có: “mô đun tiêu chuẩn”, “mô đun trung gian”, “mô đun cao” và “mô đun siêu cao”.

Sợi carbon mô đun siêu cao có mô đun kéo từ 72,5 – 145,0 triệu psi (500 triệu – 1,0 tỷ kPa). Trong khi đó thép có mô đun kéo khoảng khoảng 29 triệu psi (200 triệu kPa).

Vải sợi carbon gồm các kiểu dệt Plain, Twill, Hybrid, dệt thông thường,… Vải sợi carbon được phân ra thành loại khác nhau như: 1k (1000 filaments), 3K, 6K, 12K, 24K, 40K. Hiểu đơn giản 1k = 1000 sợi carbon cuộn lại. Các loại khác thì tương tự.

• Vải sợi carbon 3k

Vải sợi carbon 3k là loại vải thông dụng nhất, được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, thiết bị gia dụng, công nghiệp kỹ thuật cao như hàng không vũ trụ, chế tạo robot,… Vải sợi carbon 3K thường có 4 mẫu dệt phổ biến: Dệt thông thường, tự nhiên, 4HS satin và 8HS satin.

• Vải sợi carbon 6k

Vải sợi carbon 6k có độ bền bỉ cao hơn nhưng vẫn đảm bảo được sự gọn nhẹ, dễ dàng tạo thành đường nét cho hình dáng. Ngoài ra, chúng còn khắc phục được các vấn đề khác, phù hợp với các chi tiết nhỏ trong động cơ. Các kiểu dệt phổ biến là dệt tự nhiên và 4HS Satin.

• Vải sợi carbon 12k

Vải sợi carbon 12k có ưu điểm vượt trội là hạt trong, mịn, sáng bóng, chống lão hóa, chống ăn mòn quá tốt. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong ngành phòng cháy chữa cháy, kiến trúc, công nghiệp,… Các kiểu dệt gồm Plain, Twill và 8HS.

• Vải sợi carbon 24k

Vải sợi carbon 24k có trọng lượng nhẹ, độ cứng cao, chắc chắn và độ bền cũng cao hơn. Chúng được yêu thích trong lĩnh vực sản xuất mô hình, sản xuất ô tô, xe thể thao, đóng tàu thuyền, chế tạo máy bay,… Các kiểu dệt gồm Plain, Twill và Hybrid.

Sợi carbon fiber giá bao nhiêu?

Sau khi tham khảo đầy đủ thông tin ở trên, chắc hẳn bạn cũng băn khoăn không biết sợi carbon fiber có mức giá bao nhiêu. Thực chất điều này còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

• Sản phẩm làm từ sợi nào: 1k, 3k, 6k, 12k hay 24k,…
• Mỗi đơn vị phân phối sẽ có mức giá khác nhau.
• Chất lượng, nguồn gốc của sợi carbon fiber

Dựa theo thông tin tham khảo trên thị trường hiện nay, giá của sợi carbon fiber cụ thể như sau:

• Loại da 3k chất lượng tốt kiểu dệt Plain, Twill giao động từ 600 – 700k/m2
• Loại da 6k chất lượng tốt kiểu dệt Plain, Twill giao động từ 650 – 750k/m2
• Loại da 12k chất lượng tốt kiểu dệt Plain, Twill giao động từ 550 – 580k/m2

Quá trình sản xuất sợi carbon fiber

Nếu muốn tìm hiểu cụ thể hơn về quá trình sản xuất sợi carbon fiber ra sao, bạn đừng bỏ qua thông tin dưới đây nhé.

Sợi carbon fiber được sản xuất bằng cách nhiệt phân có kiểm soát các sợi hữu cơ đã chọn trên nhằm loại bỏ các thành phần như Oxy, Nitơ, Hydro để tạo thành sợi cacbon. Những đặc tính tốt của sợi carbon càng cao khi tăng cấu trúc tinh thể và mức độ định hướng sợi, cũng như giảm các khuyết tật trên sợi.

Cách tốt nhất để có được sợi cacbon chất lượng tốt là chọn sợi nguyên liệu định hướng cao. Sau đó duy trì mức độ định hướng này trong quá trình ổn định và cacbon hóa.

Hiện nay khoảng 90% sợi carbon được sản xuất được làm từ polyacrylonitrile. 10% còn lại được làm từ rayon hoặc dầu mỏ. Các vật liệu này đều là các polyme hữu cơ, đặc trưng bởi các chuỗi phân tử dài liên kết với nhau bằng các nguyên tử cacbon. Thành phần chính xác của mỗi tiền chất sẽ khác nhau giữa các công ty. Đây được coi là một bí mật thương mại.

Trong quá trình sản xuất, có nhiều loại khí, chất lỏng được sử dụng. Một số vật liệu được thiết kế kết hợp với sợi tạo thành hiệu ứng cụ thể. Các vật liệu khác được thiết kế để không phản ứng hoặc ngăn chặn các phản ứng nhất định với sợi. Cũng như tiền chất, thành phần chính xác của nhiều nguyên liệu chế biến này được coi là bí mật thương mại.

Với đầy đủ thông tin ở trên, tin rằng bạn đã hiểu rõ hơn về sợi carbon fiber là gì, đặc điểm tính chất và phân loại sợi carbon fiber khác nhau. Nguyên liệu này ngày càng được ứng dụng rộng rãi, nhất là trong ngành sản xuất ô tô.

• Bạn quan tâm thêm: Da nappa là gì?

Tìm kiếm Auto48.vn qua:

• • Facebook: https://www.facebook.com/auto48.vn/
  • Youtube: