Sợi carbon trong composite: Quy trình sản xuất, tính chất và ứng dụng 

1.4/5 - (5 bình chọn)

Composite là loại vật liệu không còn xa lạ trong các ngành sản xuất. Nó còn được biết đến với khả năng kết hợp nhiều chất khác nhau để tạo thành loại vật liệu bền và chắc chắn hơn. Các loại sợi điển hình tạo thành composite là sợi thuỷ tinh, sợi nhựa và sợi carbon. Bài viết sau sẽ Hàn Việt Group giới thiệu tổng quát về sợi carbon trong composite.

Sợi carbon trong composite là gì?

soi carbon duoc che tao trong khong khi
Sợi carbon được chế tạo trong không khí

Sợi carbon là những sợi có đường kính khoảng 5–10 micromet. Những gì được gọi là sợi carbon là một vật liệu bao gồm các sợi rất mỏng của các nguyên tử carbon. Khi liên kết với nhau với nhựa polyme dẻo bằng nhiệt, áp suất hoặc trong chân không, một vật liệu composite được hình thành vừa bền vừa nhẹ.

Sợi carbon trong composite có rất nhiều ưu điểm. Bao gồm độ cứng cao, độ bền cao, trọng lượng thấp, chịu nhiệt cao và giãn nở nhiệt thấp. Những đặc tính này đã làm cho sợi carbon trở nên rất phổ biến trong hàng không vũ trụ, công trình dân dụng…Tuy nhiên, chúng tương đối đắt khi so sánh với các loại sợi thủy tinh và sợi nhựa.

Phân loại sợi carbon trong composite

Dựa trên các đặc tính của sợi carbon trong composite

  • Mô-đun cực cao, loại UHM (mô-đun > 450 Gpa)
  • Mô-đun cao, loại HM (mô-đun từ 350 – 450 Gpa)
  • Mô-đun trung gian, loại IM (mô-đun từ 200 – 350 Gpa)
  • Mô đun thấp và độ bền cao, loại HT (mô đun < 100 Gpa, độ bền kéo căng > 3.0 Gpa)
  • Độ bền siêu cao, loại SHT (độ bền kéo > 4.5 Gpa)

Dựa trên tiền chất của vật liệu sợi 

  • Sợi carbon dựa trên PAN
  • Sợi carbon dựa trên cường độ
  • Các sợi carbon phát triển trong giai đoạn khí…

Dựa trên nhiệt độ xử lý nhiệt cuối cùng

  • Loại I: Sợi carbon xử lý nhiệt cao (HTT). Trong đó nhiệt độ xử lý nhiệt cuối cùng phải trên 2000°C và có thể được kết hợp với sợi loại mô đun cao.
  • Loại II: Sợi xử lý nhiệt trung gian (IHT). Trong đó nhiệt độ xử lý nhiệt cuối cùng phải ở khoảng hoặc trên 1500°C và có thể được kết hợp với sợi có độ bền cao.
  • Loại III: Sợi xử lý nhiệt thấp. Ở đó nhiệt độ xử lý nhiệt cuối cùng không lớn hơn 1000°C. Đây là những vật liệu có mô đun thấp và độ bền thấp.

Sợi carbon trong composite được sản xuất như thế nào? 

Nguyên liệu thô được sử dụng trong sản xuất sợi carbon

tien chat polyacrylonitrile
Tiền chất polyacrylonitrile

Nguyên liệu thô được sử dụng để tạo ra sợi carbon được gọi là tiền chất. Khoảng 90% sợi carbon được sản xuất được làm từ polyacrylonitrile. 10% còn lại được làm từ rayon hoặc dầu mỏ. Tất cả các vật liệu này đều là các polyme hữu cơ. Chúng có đặc điểm là các chuỗi phân tử dài liên kết với nhau bằng các nguyên tử cacbon. 

Quy trình sản xuất sợi carbon từ polyacrylonitrile (PAN)

Quay tròn

Bột nhựa acrylonitrile được trộn với một loại nhựa khác như metyl acrylat hoặc metyl metacrylat. Chúng được phản ứng với chất xúc tác trong quá trình polyme hóa dung dịch hoặc huyền phù để tạo thành nhựa polyacrylonitrile.

Sau đó, nhựa được kéo thành sợi bằng các phương pháp khác nhau. Trong đó, nhựa được trộn với một số hóa chất nhất định và được bơm qua các vòi phun cực nhỏ vào bể hóa chất hoặc buồng làm nguội, nơi nhựa đông lại và đông đặc thành sợi. Điều này tương tự như quy trình để tạo thành sợi dệt polyacrylic. Bước kéo sợi rất quan trọng vì cấu trúc nguyên tử bên trong của sợi được hình thành trong quá trình này.

Sau đó, các sợi được rửa sạch và kéo dài thành đường kính sợi mong muốn. Việc kéo căng giúp sắp xếp các phân tử bên trong sợi. Đồng thời tạo cơ sở cho việc hình thành các tinh thể carbon liên kết chặt chẽ sau khi carbon hóa.

Ổn định 

Trước khi sợi được cacbon hóa, chúng cần được thay đổi về mặt hóa học để chuyển đổi liên kết nguyên tử tuyến tính của chúng thành liên kết bậc thang bền nhiệt hơn. Điều này được thực hiện bằng cách làm nóng các sợi trong không khí đến khoảng 200-300°C trong 30-120 phút. Nó giúp các sợi lấy các phân tử oxy từ không khí và sắp xếp lại kiểu liên kết nguyên tử của chúng.

Các phản ứng hóa học ổn định rất phức tạp và bao gồm một số bước. Và một số bước trong đó xảy ra đồng thời. Chúng cũng tạo ra nhiệt riêng và được kiểm soát để tránh làm quá nóng sợi. 

Về mặt thương mại, quá trình ổn định hóa sử dụng nhiều thiết bị và kỹ thuật khác nhau. Trong một số quy trình, các sợi được kéo qua một loạt các buồng nung nóng. Trong một số trường hợp khác, các sợi đi qua các trục cán nóng và các lớp vật liệu rời được giữ ở trạng thái lơ lửng bởi một luồng khí nóng.

Cacbon hóa

quy trinh carbon hoa soi carbon tron composite
Quy trình carbon hoá sợi carbon trong composite

Khi các sợi đã ổn định, chúng được nung đến nhiệt độ khoảng 1.000-3.000°C trong vài phút trong lò chứa đầy hỗn hợp khí không chứa oxy. Việc thiếu oxy ngăn cản các sợi đốt cháy ở nhiệt độ rất cao. Áp suất khí bên trong lò được giữ cao hơn áp suất không khí bên ngoài. Và các điểm mà các sợi ra vào lò được bịt kín để không cho oxy vào. 

Khi các sợi được đốt nóng, chúng bắt đầu mất đi các nguyên tử không phải cacbon. Cộng với một số nguyên tử cacbon, dưới dạng các khí khác nhau bao gồm hơi nước, amoniac, carbon monoxide, cacbon đioxit, hydro, nitơ…Khi các nguyên tử không phải cacbon bị loại bỏ, các nguyên tử cacbon còn lại tạo thành các tinh thể cacbon liên kết chặt chẽ được sắp xếp song song với trục dài của sợi. 

Xử lý bề mặt

Sau khi cacbon hóa, các sợi có bề mặt không liên kết tốt với nhựa epoxy và các vật liệu khác được sử dụng trong vật liệu composite. Để các sợi có tính chất liên kết tốt hơn, bề mặt của chúng được oxy hóa nhẹ. Việc bổ sung các nguyên tử oxy lên bề mặt cung cấp các đặc tính liên kết hóa học tốt hơn. Và cũng có thể khắc và làm nhám bề mặt để có các đặc tính liên kết cơ học tốt hơn.

Quá trình oxy hóa có thể đạt được bằng cách nhúng các sợi trong không khí, carbon dioxide hoặc ozone. Hoặc trong các chất lỏng khác nhau như natri hypoclorit hoặc axit nitric. 

Quá trình xử lý bề mặt phải được kiểm soát cẩn thận để tránh hình thành các khuyết điểm nhỏ trên bề mặt. Chẳng hạn như vết rỗ, có thể gây hỏng sợi.

Định cỡ

Sau khi xử lý bề mặt, các sợi được phủ để tránh bị hư hại trong quá trình quấn hoặc dệt. Quá trình này được gọi là định cỡ. Vật liệu phủ được chọn để tương thích với chất kết dính được sử dụng để tạo thành vật liệu composite. Các vật liệu phủ điển hình bao gồm epoxy, polyester, nylon, urethane, và các loại khác.

Các sợi tráng được quấn vào hình trụ gọi là suốt chỉ. Các suốt chỉ được đưa vào máy kéo sợi và các sợi được xoắn lại thành nhiều kích cỡ khác nhau.

Một số ưu điểm của sợi carbon trong composite

Sợi carbon trong composite rất cứng

Nhựa gia cường sợi carbon cứng hơn 4 lần so với nhựa gia cường thủy tinh. Gần 20 lần so với gỗ thông, gấp 2.5 lần so với nhôm. 

Chống cháy và không bắt lửa

Tùy thuộc vào quy trình sản xuất và vật liệu tiền chất. Sợi carbon có thể khá mềm và có thể được chế tạo hoặc tích hợp vào quần áo bảo hộ chữa cháy. Bởi vì sợi carbon cũng rất trơ về mặt hóa học. Nên nó có thể được sử dụng ở những nơi có lửa kết hợp với các chất ăn mòn. 

Không độc, trơ về mặt sinh học và thấm tia X

Những ưu điểm này làm cho sợi carbon trở nên hữu ích trong các ứng dụng y tế. Bao gồm các bộ phận giả, dụng cụ phẫu thuật phụ kiện X-quang…Mặc dù không độc nhưng các sợi carbon có thể khá kích ứng. Và cần hạn chế tiếp xúc lâu dài. Tuy nhiên, chất nền là epoxy hoặc polyester có thể độc hại và cần phải thực hiện các biện pháp bảo hộ thích hợp.

Các ứng dụng dựa trên đặc điểm của sợi carbon

nap ho ga composite chua soi carbon
Nắp hố ga composite chứa sợi carbon

Độ bền, độ dẻo cụ thể và trọng lượng nhẹ: Hàng không vũ trụ, vận tải đường bộ (ví dụ như nắp hố ga composite) và đường biển, hàng tiêu dùng thể thao.

>>> Xem thêm: Nắp composite – Giải pháp giúp kiểm soát chi phí ăn mòn

Độ ổn định về kích thước cao, hệ số giãn nở nhiệt và mài mòn thấp: Kính thiên văn, ống dẫn sóng, phanh máy bay…

Giảm rung tốt: Thiết bị âm thanh, loa cho thiết bị…

Độ dẫn điện: Vỏ ô tô, tấm chắn EMI và RF…

Tính trơ sinh học và tính thấm tia X: Các ứng dụng y tế trong các bộ phận giả, thiết bị chụp X-quang…

Tính trơ quang học, chống ăn mòn cao: Công nghiệp hoá chất, các bộ phận máy bơm trong nhà máy chế biến…

Nên cân nhắc lựa chọn mua sản phẩm có sợi carbon trong composite ở đâu?

Bạn cần xem xét các sản phẩm và lựa chọn vật liệu cẩn thận. Mỗi loại vật liệu đều có ưu, nhược điểm khác nhau. Nếu tận dụng đúng lợi thế thì dự án của bạn sẽ đạt được hiệu quả cao.

Hãy đến với Hàn Việt – đơn vị đã có hơn chục năm kinh nghiệm trong ngành sản xuất cơ giới. Đến với chúng tôi, các bạn sẽ được tư vấn tận tình về sản phẩm, giá cả, bảo hành. Chúng tôi cung cấp các sản phẩm composite chứa sợi carbon như nắp hố ga composite, song chắn rác composite

Liên hệ mua sản phẩm composite chứa sợi carbon tại Hàn Việt Group

Địa chỉ: Khu công nghiệp Quất Động, Thường Tín, Hà Nội

Hotline: 0915 15 3358

Email: ducganghanviet@gmail.com

Website: https://hanvietgroup.com.vn/

Facebook: Hàn Việt Group

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *