7.5.1. Vật liệu cacbon và sợi cacbon
Cacbon là vật liệu đơn nguyên tố quan trọng nhất ở dạng cấu trúc (thù hình) kim cương, grafit. Kim cương nhân tạo được dùng làm vật liệu cắt, mài,
được chế tạo bằng cách nén grafit ở áp suất và nhiệt độ rất cao mà ứng dụng của nó đ∙ được trình bày ở chương trước (mục 6.4.2b). ở đây chỉ nói về vật liệu cacbon kết cấu. Ngoài sử dụng như chất dẫn điện để làm điện cực grafit trong các lò hồ quang nấu thép hay như vật liệu chịu lửa ở dạng gạch, nồi nấu..., người ta còn tạo ra các vật liệu cacbon có cơ tính tốt được dùng ngày một nhiều trong kỹ thuật, chúng được tạo nên từ pha khí bằng cách nhiệt phân tạo ra cacbon nguyên tử rồi kết tinh trên một đế có cấu trúc như grafit hay tương tự. Người ta chia vật liệu cacbon thành ba nhóm: nhiệt phân, thủy tinh và sợi.
Cacbon nhiệt phân được tạo thành từ nhiệt phân hyđrôcacbon như êtan, mêtan...rồi cho ngưng tụ, kết tinh trên vật liệu đế ở 1500oC. Loại này có cấu trúc tinh thể rất mịn và kết tinh hoàn toàn có hướng nên có cơ tính cao hơn (σb = 200 ữ 500MPa trong khi grafit chỉ là 7 ữ 30MPa).
Cacbon thủy tinh được chế tạo từ quá trình nhiệt phân một chất hữu cơ
thích hợp để phân hóa thành polyme và cacbon, bằng nung nóng rất lâu (hàng tuần) để pha khí (polyme) khuếch tán khỏi vật liệu. Sau xử lý như vậy thể tích giảm khoảng 50% và tinh thể nhỏ mịn với độ bền tương đối cao (σb = 70 ữ 200MPa).
Sợi cacbon (carbon fibers) là loại vật liệu quan trọng nhất có vai trò ngày càng lớn trong kỹ thuật do khối lượng riêng nhỏ (< 2g/cm3) mà độ bền lại rất cao
302
(σb = 2000 ữ 3000MPa). Người ta chế tạo sợi cacbon từ sợi tơ nhân tạo hay polyacrylonitrile (hình 7.16). Ban đầu sợi chưa có mạch vòng (hình a), ở nhiệt độ 200oC nó bị nhiệt phân và tạo ra mạch vòng (hình b), nếu sự nhiệt phân xảy ra trong môi trường ôxy hóa sẽ tạo được một lượng nhóm xêtôn (C =O) trong polyme mạch vòng (hình c).
H×nh 7.16. ChuyÓn biÕn hóa học trong sợi polyacrylonitrile:
a. sợi ban đầu,
b. sợi được tạo mạch vòng, c. sự ôxy hóa của sợi mạch vòng
Phương pháp chế tạo sợi cacbon được giới thiệu trên hình 7.17. Bằng cách nung nóng polyme mạch vòng ở nhiệt độ cao 1500 ữ 2000oC trong khí trơ sẽ tạo ra nước và axit xyanhyđrit (HCN) làm cho O, N và H thoát ra khỏi sợi. Trong sợi chỉ còn các nguyên tử cacbon mạch vòng và có dạng mặt lục giác đáy của mạng grafit
định hướng theo chiều trục sợi. Sợi cacbon được tạo thành chỉ với các liên kết
đồng hóa trị (không còn liên kết yếu Van der Waals) nên có độ bền rất cao theo chiều trục. Hiện compozit cốt sợi cacbon được phát triển rất mạnh và được coi là vật liệu kết cấu cao cấp với giá có thể chấp nhận (> 10USD / kg sợi cacbon).
Hình 7.17. Sơ đồ chế tạo sợi cacbon từ chất ban ®Çu polyme:
a. cuộn sợi polyme, b. sợi polyme, c. grafit hóa dưới sức căng (sợi cacbon).
303
303
7.5.2. Sợi bo và các sợi khác
ở trạng thái liền khối, bo rất cứng và giòn không thể trực tiếp kéo thành sợi
được, do vậy phải chế tạo nó theo cách khác: bằng cách hoàn nguyên một halogenua bo (ví dụ BCl3) bằng hyđrô ở nhiệt độ cao để tạo ra bo nguyên tử rồi hình thành các tinh thể vô cùng nhỏ mịn (2 ữ 3nm) trên bề mặt sợi dây vonfram rất mảnh (đường kính 10 ữ 15 cho đến 100 ữ 200àm). Cuối cùng được sợi bo (thực chất là sợi vonfram bề mặt có phủ bo) có độ bền còn cao hơn cả sợi cacbon (σb = 3000 ữ 3500MPa) nhưng nhiệt độ làm việc thấp hơn (< 500oC so với 2000 ữ 2500oC của sợi cacbon) với giá cao hơn, hàng chục USD/kg.
Cũng bằng cách tương tự như bo, có thể tạo ra các sợi cacbit silic có σb = 2000 ữ 2500MPa với nhiệt độ làm việc đến 900oC. Khác với hai loại sợi trên có lõi là sợi vonfram, sợi ôxyt nhôm là sợi đơn tinh thể Al2O3 khá mảnh (~ 250àm) có σb
= 2000MPa và nhiệt độ làm việc đến 800oC.
7.5.3. Râu đơn tinh thể(whiskers)
Các đơn tinh thể rất nhỏ (dài vài mm, đường kính ~ 1àm) hầu như không có sai lệch mạng (đúng ra chỉ có một lệch xoắn), được chế tạo theo phương pháp
đặc biệt được gọi là râu đơn tinh thể. Loại có đường kính càng nhỏ, chiều dài càng lớn được coi là cốt sợi lý tưởng cho compozit với độ bền thực tế gần đạt đến độ bền lý thuyết, nhưng rất đắt. Râu đơn tinh thể hợp chất vô cơ SiC, Al2O3, BeO
được ưa chuộng hơn kim loại nguyên chất do ít phản ứng với nền. Râu đơn tinh thể SiC cã σb = 20000MPa, BeO - 6900MPa.
304