CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.2. Tổng quan về sợi Carbon
1.2.1. Khái niệm:
Sợi cacbon là vật liệu có độ bền rất cao, là loại sợi chứa ít nhất 90% nguyên tử cacbon được kiểm sốt chặt chẽ trong q trình nhiệt phân sợi nguyên liệu ban đầu. Cịn sợi graphite là sợi có trên 99% nguyên tố cacbon. Có nhiều loại sợi khác nhau dùng làm nguyên liệu sản xuất sợi cacbon như sợi polyacrylonitrile (PAN), sợi xenlulo (viscose rayon, cotton), dầu mỏ, than đá hoặc một số loại sợi phenolic.
1.2.2. Quá trình hình thành và phát triển:
Sợi carbon (Carbon fiber – CF) được sáng chế vào năm 1879 bởi Thomas Edison và được coi là loại sợi tổng hợp cổ nhất của lồi người, lại có giá trị lớn lao đến thế đối với sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện đại. Ban đầu, nhà phát minh này đã sử dụng sợi carbon làm dây tóc của bóng đèn. Mặc dù lúc đó sợi carbon khơng giống như sợi carbon ngày nay, nhưng chúng lại có sức chịu đựng đáng kể với nhiệt độ, điều này khiến cho sợi carbon trở thành ý tưởng không tồi cho các loại sợi dẫn điện.
Edison chế tạo sợi carbon dựa trên chất xenluloza gồm có cotton hoặc tre, hồn tồn khơng giống như sợi carbon ngày nay làm từ dầu mỏ. Sự carbon hóa được tiến hành từ việc đốt cháy các sợi tre ở nhiệt độ cao trong môi trường tiêu chuẩn dưới sự kiểm soát chặt chẽ. Thomas Edison đã mất 40 giờ đốt cháy liên tục vật chất trên nhằm loại bỏ oxy, nitơ, hydro và chỉ giữ lại carbon để tạo ra những sợi carbon đầu tiên trên thế giới. Phương pháp chế tạo trên được gọi là “nhiệt phân” và vẫn được dùng trong thời đại ngày nay. Kết quả là những sợi tre được “carbon hóa” có khả năng chịu lửa và nhiệt độ cao – điều kiện cần thiết cho sự cháy sáng của dây tóc bóng đèn.
Trang 31
Hình 1.6. Hình ảnh mơ phỏng sợi Carbon phóng to [1]
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.
1.2.3. Ưu điểm của sợi Carbon.
Sợi carbon được tạo thành từ những nguyên tố carbon (hơn 90%) và các nguyên tố carbon này nhẹ hơn nguyên tố kim loại.
Sợi carbon có trọng lượng nhẹ hơn nhiều so với thép nhưng lại có độ bền lớn hơn nhiều so với thép. Ngồi ra, những lợi ích quan trọng của sợi carbon cịn phải kể đến như sức khả năng chịu kéo giãn lớn, tính đàn hồi thấp. Chính những yếu tố này đã đóng vai trị quan trọng trong việc tăng cường độ cứng cho kết cấu hình nón ở mũi máy bay siêu âm.
1.2.4. Nhược điểm của sợi Carbon.
Sợi carbon giịn và có thể dẫn điện và tạo điều kiện cho q trình ăn mịn 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.
Đây là nguồn vật liệu từ thị trường nước ngồi, Việt Nam chưa có cơng ty sản xuất.
1.2.5. Phân loại sợi Carbon.
Dựa vào nguyên liệu sợi ban đầu để chế tạo, ta chia sợi carbon làm 3 loại chính:
Sợi carbon PAN:
Trang 32
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 khơng cịn tính chất nhựa nhiệt dẻo.
Cacbon hóa: sau khi oxy hóa, sợi được cacbon hóa ở 1000°C, khơng cần kéo căng trong mơi trường khí trơ vài giờ. Trong q 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.
Sợi carbon Rayon:
Ổn định 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.
- Carbon 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.
Sợi carbon Pitch (từ dầu mỏ, than đá):
Kéo sợi và xe sợi: Pitch được chuyển thành sợi, các sợi được sắp xếp thẳng hàng, định hướng.
Ổn định oxy hóa: duy trì hình dáng sợi khi nhiệt phân, nhiệt độ 250 - 400°C. Cacbon hóa: nhiệt độ cacbon hóa 1000 - 1500°C.
1.2.6. Tính chất và ứng dụng của sợi Carbon. 1.2.6.1. Tính chất của sợi Carbon. 1.2.6.1. Tính chất của sợi Carbon.
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. Sợi carbon PAN có tỷ trọng thấp, độ bền kéo và mođul đàn hồi cực cao. Loại bó sợi dày (trên 40K) hoặc loại có độ bền kéo thấp hơn chủ yếu ứng dụng trong công nghiệp. Sợi cacbon PAN
Trang 33
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 khơng liên tục tương ứng với 2 quá trình xe sợi. Sợi cacbon PITCH cũng được phân 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 khơng 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 đẳng hướng và kết tinh thấp của các nguyên tố carbon.
1.2.6.2. Ứng dụng của sợi Carbon.
Trong những thập kỉ gần đây, sợi carbon bắt đầu được ứng dụng rộng rãi tới lĩnh vực thương mại, máy bay dân dụng, cơng nghiệp, giao thơng 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 trị 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.