“ Siêu vật liệu ” sợi cacbon

“Siêu vật liệu”sợi cacbon

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM



BÀI TIỂU LUẬN

VẬT LIỆU HỌC NGHÀNH HÓA

§Ò Tµi:

“SIÊU VẬT LIỆU” SỢI CACBON

GVHD : ThS Nguyễn Thị Phương Anh

SVTH : Đặng Hữu Phú

LỚP : DHHD7QN

Mssv : 11008835

Mục Lục

Chương 1.giới thiệu các “siêu vật liệu”.

Chương 2.giới thiệu “siêu vật liệu”sợi cacbon.

Chương 3.quá trình sản xuất sợi cacbon.

Chương 4.ứng dụng sợi cacbon.

Chương 5.kết luận

Chương 1.giới thiệu các “siêu vật liệu”.

Nhờ công nghệ tiên tiến, các nhà khoa học đã cho ra đời những "siêu vật liệu" nhân tạo có độ cứng vượt trội hơn nhiều

Dưới đây là tóm tắt về 10 siêu vật liệu cứng nhất trên thế giới hiện nay, theo thứ thự tăng dần:

10 Tơ nhện: Tơ của loài nhện Darwin's Bark được coi là vật liệu sinh học

cứng chắc nhất từng được biết đến từ trươc tới nay Chúng thậm chí còn dai

chắc hơn gấp 10 lần sợi Kevlar - loại vật liệu đang được con người sử dụng để làm áo chống đạn

9 Silicon cacbua (SiC): Loại vật liệu này có độ cứng chắc rất cao và đã được

sử dụng để tạo nên lớp giáp sắt Chobham của các xe tăng chiến đấu

8 Nanospheres/Nano-Kevlar: Các hạt nano tí hon có khả năng tự tập hợp

này là vật liệu hữu cơ cứng nhất mà con người từng tạo ra được Chúng có thể dẫn tới việc phát triển lớp áo giáp bọc cơ thể in ấn được

7 Kim cương: Loại vật liệu tự nhiên cứng nhất trên thế giới này có khả năng

chống trầy xước vô địch

6 Wurtzite boron nitride: Đây là vật liệu được tạo ra trong các vụ phun trào

núi lửa và về lí thuyết cứng hơn kim cương 18% Tuy nhiên, trong thực tế, con người chưa từng thu được số lượng vật liệu này đủ lớn để phục vụ việc kiểm nghiệm giả thiết này

5 Lonsdaleite: Loại vật liệu này được hình thành khi các thiên thạch chứa

than chì va chạm với vào Trái đất Kết quả mô phỏng cho thấy, lonsdaleite có thể cứng hơn kim cương 58%, nhưng các nhà nghiên cứu cũng chưa kiểm nghiệm được điều này trong thực tế vì chúng quá hiếm

4 Dyneema: Loại chất dẻo tổng hợp polythen này được quảng cáo là loại sợi

cứng nhất trên thế giới Với đặc điểm là nhẹ hơn nước nhưng cứng hơn thép gấp 15 lần, dyneema có thể chặn được đạn bay

3 Thủy tinh kim loại: Loại thủy tinh hợp kim này là sản phẩm kết hợp giữa độ

cứng và sức bền Nó được coi là vật liệu bền nhất trên Trái đất hiện nay

2 Buckypaper: Vật liệu nano này ra đời từ các phân tử carbon hình ống,

mỏng hơn 1 sợi tóc người tới 50.000 lần So với thép, buckypaper cứng hơn

500 lần, nhưng nhẹ hơn 10 lần

1 Graphene: Đây là một lớp carbon có độ dày 1 phân tử, cứng gấp 200 lần

thép Để chọc thủng một tấm graphene mỏng như giấy nhựa saran, bạn cần áp lực tạo bởi một con voi đứng cân bằng trên một cái bút chì

Chương 2.giới thiệu “siêu vật liệu”sợi cacbon.

Lịch sử của sợi carbon ngày nay đã được bắt đầu từ năm 1800 Khi đó nhà phát minh nổi tiếng Thomas Edison dùng sợi carbon như dây đốt các bóng đèn thời sơ khai Mặc dù những sợi này không có độ bền kéo của sợi carbon ngày nay, sự chịu đựng đáng kể của sợi carbon đã được thể hiện qua việc làm nóng sợi bằng điện

Sợi carbon của Edison đã được thực hiện từ các vật liệu dựa trên cellulose, chẳng hạn như bông hoặc tre, không giống như các tiền chất dầu khí được sử dụng ngày nay Cacbon hóa đã diễn ra bởi các sợi tre nướng ở nhiệt độ cao trong môi trường không khí có kiểm soát Đây là một phương pháp được gọi là

"nhiệt phân", mà vẫn còn sử dụng ngày nay Kết quả là sợi carbon tre chịu lửa

và có khả năng chịu đựng nhiệt độ cao cần thiết cho sự cháy sáng

Cho đến cuối những năm 1950, sợi carbon cường độ cao đã được phát hiện Sợi tổng hợp đã trở thành tiền thân đầu tiên được sử dụng để tạo ra các sợi carbon hiện đại Cuối cùng, nó được thay thế bằng vật liệu có hiệu quả như polyacrylonitrile (PAN)

Những lợi ích của các loại sợi có độ bền cao đã được rõ ràng Với trọng lượng chỉ bằng một phần nhỏ so với trọng lượng của thép sợi carbon có độ bền kéo lớn hơn nhiều so với thép Một lợi ích quan trọng của sợi carbon modulus cao, sức kháng để kéo lớn Cường độ này đóng một vai trò quan trọng trong việc gia cố cấu trúc, vững chắc như cấu trúc phân tử hình nón, hoặc mũi máy bay siêu thanh

Mô phỏng sợi carbon phóng to.

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

*Các tính năng vượt trội của sợi cacbon.

1.sợi carbon nhẹ và bền.

Có tới hơn 90% sợi carbon được tạo thành từ những nguyên tố carbon, tất nhiên khối lượng nguyên tử của nguyên tố carbon nhẹ hơn nguyên tố kim loại

Chúng ta đều biết các vật chất có cấu tạo từ nguyên tử carbon đều rất nhẹ Ví dụ như kim cương, than củi, than hoạt tính và than chì đều được cấu thành từ những nguyên tử carbon Với cấu tạo của mình, sợi carbon cũng thuộc nhóm này và có tính chất tương đồng kim cương Kim cương là vật liệu cứng và bền nhất trong khi than chì mềm và trơn Sự khác nhau giữa chúng xuất phát từ nguyên nhân cấu trúc tinh thể khác nhau

Có thể hiểu đơn giản than củi mềm do cấu trúc tinh thể sắp xếp không theo trật tự, không bền vững trong khi cấu trúc tinh thể kim cương rất trật tự và đồng đều nên rất bền Kim cương có cấu trúc tinh thể carbon ba chiều trong khi sợi carbon có cấu trúc

mạng lưới hai chiều với các nguyên tố carbon sắp xếp trật tự thẳng hàng và quấn lấy nhau

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

2.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

Hình ảnh quen thuộc của sợi carbon

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 graphit mỏng thẳng, xoắn hoặc cuộn vào nhau Tính chất của sợi phụ thuộc vào sự định hướng của các tấm graphit đó

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 hóa kim loại Vì vậy, các các chi tiết làm từ sợi carbon thường có lớp vật liệu khác như nhựa tráng phủ bên ngoài

3.Ngày càng được ứng dụng rộng rãi.

Trong những thập kỉ gần đây, sợi carbon bắt đầu được ứng dụng rộng rãi tới lĩnh vực thương mại, máy bay dân dụng, công nghiệp, giao thông vận tải Nó cũng được sử dụng

ở những môi trường mà khắc nghiệt: nhiệt độ cao, hóa chất trơ, nhiều rung động đóng vai trò quan trọng

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 Nhà máy sản xuất sợi carbon lớn nhất thế giới được đặt tại Nhật Bản với tên gọi Toray Industries of Japan Toàn bộ lượng sợi carbon chưa thành phẩm (sợi đơn) hầu như đều được sản xuất tại Nhật Bản

Theo Công ty TNHH Mitsubishi Rayon (Tokyo, Nhật Bản), một công ty chuyên sản xuất sợi carbon, lượng sợi carbon ứng dụng trong các mặt hàng liên quan tới thể thao trên toàn thế giới đã đạt ngưỡng 5.000 mặt hàng.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

Chương 3.quá trình sản xuất sợi cacbon.

Sợi carbon được mệnh danh là "siêu vật liệu" trong ngành công nghệ chế tạo máy móc.

Khi lần đầu tiên sợi carbon được mang ra dùng trong tên lửa, xe tăng và những năm

1960, người ta đã nhìn thấy rằng trong một tương lai không xa, đây chính là loại vật liệu không chỉ thay thế cho sợi thủy tinh mà còn rất nhiều loại vật liệu khác

50 năm trôi qua kể từ ngày đó, sợi carbon vẫn là một loại vật liệu hết sức kỳ lạ Nhiều người cũng rất chắc chắn rằng ngay cả Batman cũng phải cần đến loại sợi này cho bộ giáp của mình, hay cho những bộ phận xe đắt tiền khác Tuy nhiên, với cái giá ít nhất là

10 USD cho khoảng nửa ký, loại vật liệu này vẫn quá đắt đỏ cho việc sử dụng một cách rộng rãi Chúng ta đã biết đến sợi carbon từ nhiều thập kỷ trước, vậy tại sao giá thành của loại vật liệu này không giảm theo định luật Moore? Với những gì mà các nhà khoa học đã chứng minh, chúng ta có thể tự hiểu rằng, cho dù có chờ đến 50 năm nữa cũng không thể biến sợi carbon thành một loại vật liệu bình dân được

Để lý giải cho vấn để này, cần phải xét lại quá trình hình thành sợi carbon Khởi đầu với một loại vật liệu cơ sở, thường là polyme hữu cơ với các nguyên tử carbon liên kết với nhau tạo thành một chuỗi dài các phân tử được gọi là polyacrylonitrile Đó là một thứ tương tự như acrylic trong áo len và thảm, tuy nhiên điểm khác biệt nằm ở chỗ loại giá dành cho thứ sẽ tạo thành loại vật liệu chắc và nhẹ hơn thép “chát” hơn rất nhiều Con số 3 USD cho khoảng nửa ký nghe có vẻ hoàn toàn chấp nhận được, nhưng điều lưu ý là khối lượng cần trong quá trình sản xuất lớn hơn rất nhiều

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 Sản phẩm cuối cùng theo đó sẽ có giá gấp đôi so với nguyên liệu Theo lời của ông Bob Norries của Viện nghiên cứu Quốc gia Oak Ridge: “Chưa kể đến chi phí dành năng lượng tiêu hao cũng như trang thiết bị, giá của sản phẩm sau quá trình này cũng đã nằm ở khoảng 5 USD cho nửa ký”

Cái giá 5 USD đó cũng đã khiến cho việc ứng dụng sợi carbon vào sản xuất ô tô là một việc không tưởng Nhưng đúng như những gì ông Bob Norris đã nói, để tách carbon ra khỏi nguyên liệu ban đầu cần những hệ thống lớn và rất nhiều nhiệt Một trong những

bước quan trọng của quá trình này chính là oxi hóa ổn định Những sợi carbon khi đó phải được đưa qua những lò dài từ 15 đến 30m trong nhiệt độ lên đến hàng trăm oC và quá trình này kéo dài hàng giờ đồng hồ nên bạn cũng có thể thấy năng lượng tiêu hao lớn đến mức nào

Chưa hết, vật liệu này còn phải trải qua một quá trình carbon hóa Những lò được dùng trong quá trình này không lớn và thời gian cũng không dài, nhưng nhiệt độ đòi hỏi lại rất cao – vào khoảng 1000oC cho bước đầu và thậm chí còn cao hơn cho những bước sau đó Những nhà máy sản xuất còn phải đối mặt với những vấn đề về môi trường Các chất khí thải ra nếu không được xử lý một cách cẩn thận nhất sẽ gây ô nhiễm môi

trường rất nặng, và số tiền để thực hiện việc xử lý đó chắc chắn cũng là một con số khổng lồ

Tất cả những quá trình trên vẫn chưa tạo ra loại vật liệu sáng bóng, nhẹ và cực kỳ bền chắc mà bạn đã biết Những gì bạn thu được chỉ mới là những sợi đơn lẻ, cần phải sắp xếp những sợi này thành một mạng tinh thể để lợi dụng độ bền và liên kết chúng với nhau Quá trình này đòi hỏi sự cẩn thận và chính xác tuyệt đối, tất cả các sợi phải được đảm bảo kéo ra đồng đều và đủ căng Chỉ cần một sợi trong mạng bị chùng, chúng sẽ gây áp lực lên những sợi khác và sẽ làm hỏng toàn bộ mạng tinh thể đó Nhằm bù đắp cho những rủi ro có thể xảy ra, các nhà sản xuất phải đưa ra cái giá đắt hơn khoảng 10%

so với mức giá gốc

Nhưng chỉ có mỗi sợi carbon không vẫn chưa phải là thứ mà những nhà sản xuất cần Cũng như thép được dùng trong bê tông, những sợi carbon đó cần phải kết hợp với một loại nhựa được làm rắn lại bằng nhiệt hóa để tạo ra một loại hỗn hợp có thể được gia

công để tạo ra những hình dạng nhất định Vấn đề xảy ra ở đây là sau khi đã được định hình và lưu hóa trong một lò hấp, hình dạng đó không thể thay đổi được nữa Một lỗi nhỏ xảy ra sẽ lãng phí rất nhiều nguyên liệu Quá trình này kéo dài khoảng một giờ, đó

là một khoảng thời gian dài nếu so với thời gian tạo ra thân xe trong các xưởng lắp ráp

xe hơi

Những điều trên cho thấy, để có thể giảm giá thành của sợi carbon, không chỉ cần một chuyên gia kinh tế, mà cần đại tu cả một hệ thống, như nguyên vật liệu, các quá trình chuyển hóa… Chẳng hạn như loại acrylic trong áo len có thể được dùng để thay thế cho loại được các nhà sản xuất sử dụng hiện tại, từ đó giảm thiểu các thiết bị chuyên dụng

và giảm giá thành khoảng 20 đến 30% Ngoài ra chúng ta cũng có thể xem xét đến một loại sợi carbon có thể tái tạo như lignin, một loại sợi có nguồn gốc từ gỗ thay vì loại sợi

có nguồn gốc từ dầu mỏ như hiện nay

Ngoài ra, có thể dùng những quá trình chuyển đổi thay thế khác, cụ thể như thay vì nhiệt hóa theo cách thông thường, có thể dùng tia plasma để giảm chi phí điện Cách này đồng thời cũng tiết kiệm được thời gian vì không phải làm nóng toàn bộ lò, những tia plasma có thể bao bọc và làm nóng riêng từng sợi carbon

Một quá trình khác có thể cắt giảm được chi phí chính là quá trình kết hợp sợi carbon với nhựa nhiệt rắn Thay thế loại nhựa đó bằng một loại nhựa nhiệt dẻo có thể giảm chi phí đến 70% Hơn nữa, loại nhựa này có thể nấu chảy lại được nếu có xảy ra sai sót trong quá trình tạo hình, làm hạn chế sự lãng phí cũng như chất thải

Các giải pháp sợi carbon mới vẫn đang được phát triển mỗi ngày để cải thiện chất lượng cuộc sống của chúng ta Với một mảng gần như vô tận của các ứng dụng, nó trở nên khá rõ ràng lý do tại sao sợi carbon được coi là một trong những thành tựu kỹ thuật lớn nhất của thế kỷ 20, theo bình chọn của Viện Hàn lâm Kỹ thuật Quốc gia Mỹ

Chương 4.ứng dụng sợi cacbon.

Sợi cacbon có tính hoàn thiện cao đã được sản xuất vào những năm sáu mươi của thế kỷ trước, vài năm sau khi sản xuất sợi bo Nó đã được chấp nhận rộng rãi làm sợi gia cường và được dùng thay thế sợi bo trong rất nhiều ứng dụng quan trọng, nhất là với các composit nên hữu cơ Sợi cacbon có tất cả các tính chất đặc biệt của sợi bo nhưng rẻ hơn và mảnh hơn.Có thể nói chắc chắn rằng sợi cacbon là sợi tổng hợp cổ nhất, bởi vì các sợi trong bóng đèn đíện của Edison được làm từ cacbon bằng cách than hóa, sợi bông Các loại sợi cacbon hiện đại được sản xuất từ sợi polylcrylonitril (PAN), sợi này cũng giống như các loại sợi hữu cơ khác có cấu trúc mạch nguyên tử cacbon nhưng không bị nóng chảy khi đun nóng Tơ nhân tạo cũng đươc sử dụng để sản xuất thương mại sợi cacbon, nhưng chất lượng không bằng sợi cacbon từ PAN mà giá cả lại cao hơn Việc nhiệt phân các sợi hữu cơ khác cũng có khả năng và ta có thể tìm thấy trong tài liệu một bản danh sách dài các tiền chất có thể dùng để chế tạo sợi cacbon như: polybenzimdazol (PBIA), polybutađien, polyetylen, poiyvinylalcol, xenluloza và ngay

cả các loại sợi protein thiên nhiên gốc động vật Tuy nhiên, hiện tại PAN vẫn là nguyên liệu đầu được sử dụng để sản xuất hầu hết khối lượng sợi cacbon

Cấu trúc của polyacrilonitril là vô trật tự và do đó không thể kết tinh được, nhưng các phân tử dài có thể được sắp xếp trật tự bằng cách kéo sợi Việc đun nóng nó trên

200oC trong khí quyển đưa đến sự thay đổi cấu trúc phân tử như sau:

Vì phân tử PAN tự chuyển cấu trúc mạch thẳng thành môt chuỗi vòng và sau đó sự oxy hóa cấu trúc bảo đảm cho sự tạo mạng lưới và tạo ra mạng lưới ba chiều Sự khử cấu trúc đó trong khí trơ giữa 300 - 500oC cho mạng nguyên tử cacbon; còn các nguyên

tử oxy, hyđro và nitơ bị đẩy ra ngoài Việc graphit hóa cấu trúc xẩy ra ở nhiệt độ cao hơn, thường là trên 1000oC

Có thể thu được một họ sợi cacbon có tính bền kéo khác nhau Kỹ thuât sản xuất sợi cacbon cũng như phẩm chất các tiền chất đã liên tục được hoàn thiện.Có những con đường khác sản xuất sợi cacbon: các sợi ngắn có thể được sản xuất theo phương