Sợi Carbon - Vai trò và ứng dụng trong công nghệ Composite

   Sợi cacbon đã được thương mại từ 1960 trong hàng không, không quân và các yêu cầu ứng dụng vật liệu nhẹ. Hiện nay, sợi cacbon được ứng dụng rộng rãi trong hàng không, giải trí, công nghiệp và giao thông, composite. Composite sợi cacbon là tối ưu về độ bền, độ cứng, nhẹ và kháng nứt, nhiệt độ cao, trơ hóa chất, giảm xóc.

1. Lượng sợi cacbon dùng trong composite
 

   Hiện nay, Mỹ sử dụng gần 60% sản lượng sợi cacbon và Nhật sản xuất ra gần 50% sản lượng sợi cacbon trên toàn thế giới, lớn nhất là Toray Industries, trong đó sợi cacbon Pitch hầu như sản xuất ở Nhật.

2. Sản xuất

   Sợi cacbon được sản xuất bằng cách nhiệt phân có kiểm soát các sợi hữu cơ đã chọn trên nhằm loại oxy, nitơ, hydro để tạo thành sợi cacbon. Cơ tính sợi cacbon 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 định hướng cao 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.


3. Phân loại sợi cacbon

   Dựa vào nguyên liệu sợi ban đầu:

-   Sợi cacbon PAN

-   Sợi cabon Pitch

-   Sợi cabon Rayon

   a. Sợi cacbon PAN: việc chuyển từ sợi PAN thành sợi cacbon qua 3 giai đoạn chính:

   •   Ổn định oxy hóa: sợi PAN được kéo căng và oxy hóa đồng thời ở nhiệt độ 200 - 300°C, chuyển sợi PAN nhựa nhiệt dẻo sang dạng có cấu trúc lặp lại nhưng không còn tính chất nhựa nhiệt dẻo.

   •   Cacbon hóa: sau khi oxy hóa, sợi được cacbon hóa ở 1000°C, không cần kéo căng trong môi trường khí trơ vài giờ. Trong quá trình này, những nguyên tố không phải cacbon bị tách ra và bay hơi để hình thành sợi cacbon, lúc này khối lượng chỉ còn 50% so với khối lượng sợi PAN ban đầu.

   •   Graphite hóa: sợi được xử lý nhiệt 1500 - 3000°C sẽ cải thiện trật tự, mức độ định hướng của tinh thể.

   b. Sợi cacbon Rayon

   •   Ổn định: là một quá trình oxy hóa xảy ra theo các bước:

       ♦   Nhiệt độ 25 - 150°C: khử vật lý nước .

       ♦   Nhiệt độ 150 - 240°C: khử nước trong phân tư xenlulo

       ♦   Nhiệt độ 240 - 400°C: tách liên kết vòng thơm, cắt các liên kết eter và một số liên kết C-C theo cơ chế gốc tự do.

   •   Cácbon hóa: nhiệt độ 400 - 700°C, lượng cacbon còn lại sẽ chuyển thành lớp giống graphite.

   •   Graphite hóa: nhiệt độ 700 - 2700°C, kéo căng tạo ra sợi có mođun cao do định hướng tốt theo chiều dọc.

   c. Sợi cacbon Pitch (từ dầu mỏ, than đá)

   •   Chuẩn bị nguyên liệu: điều chỉnh khối lượng phân tử, độ nhớt, định hướng kết.

   •   Kéo sợi và xe sơi: pitch được chuyển thành sợi, một số đã có đã có sắp xếp thẳng hàng, định hướng.

   •   Ổn định: duy trì hình dáng sợi khi nhiệt phân, nhiệt độ 250 - 400°C.

   •   Cacbon hóa: nhiệt độ cacbon hóa 1000 - 1500°C

4. Tại sao sợi cacbon nhẹ và bền?

    Sợi cacbon được tạo thành từ những nguyên tố cacbon (hơn 90%) và các nguyên tố cacbon này nhẹ hơn nguyên tố kim loại.

    Kim cương, than củi, than hoạt tính và graphite (than chì) đều được cấu thành từ những nguyên tử cacbon và sợi cacbon cũng thuộc nhóm này và có tính chất giống kim cương. Kim cương là vật liệu cứng và bền nhất trong khi graphite mềm và trơn. Sự khác nhau này là do cấu trúc tinh thể khác nhau. Than củi mềm là do cấu trúc tinh thể sắp xếp không theo trật tự trong khi cấu trúc tinh thể kim cương rất trật tự và đồng đều nên rất bền. Kim cương có cấu trúc cacbon 3 chiều, sợi cacbon có cấu trúc mạng lưới 2 chiều với các nguyên tố cacbon sắp xếp trật tự thẳng hàng và quấn lấy nhau.

    Tóm lại, sợi cacbon bền khi nó ít lẫn các nguyên tố khác và sắp xếp trật tự.

5. Sự khác nhau giữa cacbon và các vật liệu cacbon khác

    Cả sợi cacbon và than củi đều thuộc nhóm vật liệu cacbon. cả hai có cấu trúc tinh thể của graphite nhưng trật tự sắp xếp và cách sắp xếp thẳng hàng khá khác nhau. Với sợi cacbon, nguyên tử cacbon sắp xếp thẳng hàng và trật tự, tạo thành cấu trúc mặt lưới, các lớp xếp chồng và quấn vào nhau. trong khi than củi, lớp cấu trúc này vô định hình, không trật tự và không quấn lấy nhau nên vật liệu này có độ bền thấp hơn.

    Graphite cũng có cấu trúc giống than củi nhưng sắp xếp có trật tự hơn. Graphite tự nhiên chủ yếu được sản xuất ở Trung Quốc. Ấn Độ.

6. Tính chất và ứng dụng của sợi cacbon PAN và sợi PITCH

Máy dệt sợi cacbon trong siêu xe Lexus LFA của Toyota

    Sợi cacbon PAN là một khối tập hợp của sợi liên tục (sợi đơn), đường kính 5 - 7 micron và tỷ trọng 1.74 - 1.95 g/cm3. Sản phẩm tập hợp nhiều loại sợi đơn khác nhau tạo thành bó sợi như 1K (1000 filaments), 3K (3000 filaments), 6K (6000 filaments), 12K (12000 filaments) and 24K (24000 filaments được ứng dụng chính trong ngành hàng không, thể thao do tỷ trọng thấp, độ bền kéo và mođul đàn hồi cực cao. Sợi cacbon PAN đóng vai trò chính sợi cacbon trên thị trường, loại bó sợi dày (trên 40K) hoặc loại có độ bền kéo thấp hơn chủ yếu ứng dụng trong công nghiệp. Sợi cacbon PAN phân loại theo mođun đàn hồi: mođun đàn hồi tiêu chuẩn (-240 MPa), mođun đàn hồi trung gian (-300MPa) và mođun đàn hồi cao (-350MPa)

    Sợi carbon PITCH  có hai loại: sợi liên tục và không liên tục tương ứng quá trình xe sợi. Sợi cacbon PITCH cũng được phân loại thành loại đẳng hướng (graphite hóa nghiêm ngặt) và loại bất đẳng hướng (graphite hóa dễ dàng). Loại sợi cacbon PITCH đẳng hướng thường là sợi không liên tục, đường kính 12-18 micron, tỷ trọng 1.6 g/cm3 và có mođun thấp (-40 GPa), độ bền và tính dẫn nhiệt thấp do sự định hướng và kết tinh thấp của các nguyên tố cacbon. Với giá thành cạnh tranh, sợi cacbon PITCH đẳng hướng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp khối lượng nhẹ, ổn định hóa chất. kháng nhiệt và kháng mài mòn.

    Mặt khác, sợi cacbon PITCH không đẳng hướng được xem như sợi cacbon PITCH pha trung gian, thường là sợi liên tục, đường kính 7- 10 micron. tỷ trọng 1.7 - 2.2 g/cm3. Các chuẩn sợi này là 1K. 2K. 3K. 6K và 12K. mođun đàn hồi thấp từ 6 GPa tới 953 GPa trong khi sợi cacbon PAN không thể đạt được giá trị này. Loại có mođun đàn hồi cao (trên 350 MPa) có khả năng gia công rất tốt do độ bền kéo cao (hơn 2.5 GPa) và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, thể thao do độ cứng cao hơn sắt và khối lượng nhẹ (nhẹ hơn 50% so với sắt). Loại sợi cacbon có mođun đàn hồi cực cao ( trên 600 GPa) có độ cứng rất cao. dẫn nhiệt tương đương hoặc cao hơn kim loại và nhẹ.

7. Sợi carbon có tái chế được không?

    Hiện nay xay sản phẩm composite sợi carbon thành bột độn vào sản phẩm mới nhằm giảm giá thành và giảm hiện tượng oxy hóa. Ngoài ra, phương pháp nhiệt phân sản phẩm composite sợi cacbon cũng đang nghiên cứu.