Sợi carbon là gì?

Sợi carbon là gì? Sợi carbon là sợi có đường kính khoảng 5-10 micromet. Chúng có thành phần chủ yếu là các nguyên tử carbon. Sợi có độ cứng cao, độ bền kéo cao, trong lượng thấp, kháng hoá chất tốt, chịu được nhiều môi trường. Những đặc tính này đã làm cho sợi carbon rất phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ, kỹ thuật dân dụng, quân sự và thể thao cạnh tranh. Tuy nhiên, chúng tương đối đắt tiền khi so sánh với các loại sợi tương tự, chẳng hạn như sợi thủy tinh hoặc sợi nhựa.

Cấu trúc và tính chất của sợi carbon

Xem thêm: Trục các đăng oto

Cấu trúc

Sợi carbon thường được cung cấp dưới dạng sợi kéo liên tục thành một cuộn. Bó là một tập hợp gồm hàng ngàn sợi carbon riêng lẻ liên tục được giữ với nhau và được bảo vệ bởi một lớp phủ hữu cơ, chẳng hạn như polyethylen (PEO) hoặc rượu polyvinyl (PVA).

Việc cuộn sợi để có thể thuận tiện mở ra để sử dụng. Mỗi dây tóc carbon trong một cuộn là một hình trụ liên tục với đường kính 5-10 micromet và hầu như chỉ bao gồm carbon. Thế hệ sớm nhất (vd T300, HTA và AS4) có đường kính 16-22 micromet. Sợi sau (ví dụ IM6 hoặc IM600) có đường kính khoảng 5 micromet.

Cấu trúc nguyên tử của sợi carbon tương tự như than chì, bao gồm các tấm nguyên tử carbon được sắp xếp theo mô hình lục giác đều (tấm graphen), sự khác biệt nằm ở cách các tấm này lồng vào nhau. Than chì là một vật liệu tinh thể trong đó các tấm được xếp song song với nhau theo cách thông thường. Các lực liên phân tử giữa các tấm là lực Van der Waals tương đối yếu, khiến than chì có các đặc tính mềm và giòn.

Tính chất của sợi carbon

Tùy thuộc vào tiền chất để tạo ra sợi, sợi carbon có thể là động lực học – turbostratic – hoặc graphit, hoặc có cấu trúc lai với cả hai phần graphit và động lực học. Trong sợi carbon phản lực, các tấm nguyên tử carbon được gấp lại một cách ngẫu nhiên, hoặc nhàu nát, cùng nhau.

Sợi carbon có nguồn gốc từ polyacrylonitrile (PAN) là turbostratic, trong khi sợi carbon có nguồn gốc từ mesophase sân là graphitic sau khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ vượt quá 2200°C. Sợi carbon turbostratic có xu hướng có độ bền kéo cao, trong khi sợi carbon có nguồn gốc mesophase được xử lý nhiệt có mô đun Young cao (nghĩa là độ cứng cao hoặc khả năng mở rộng dưới tải) và độ dẫn nhiệt cao.

Phân loại sợi cacbon

Xem thêm: Hộp số tự động vô cấp

Dựa vào nguyên liệu sợi ban đầu:

• Sợi cacbon PAN
• Sợi cabon Pitch
• Sợi cabon Rayon

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.

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.

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

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.

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.

Ứng dụng của sợi carbon

Vật liệu composite

Sợi carbon được sử dụng đáng chú ý nhất để gia cố vật liệu composite, đặc biệt là loại vật liệu được gọi là polymer gia cố bằng than chì hoặc sợi carbon. Vật liệu phi polymer cũng có thể được sử dụng làm ma trận cho sợi carbon. Do sự hình thành của cacbua kim loại và cân nhắc đến ăn mòn, carbon đã chỉ thành công hạn chế trong các ứng dụng hỗn hợp ma trận kim loại. Carbon-carbon gia cố (RCC) bao gồm than chì được gia cố bằng sợi carbon và được sử dụng cấu trúc trong các ứng dụng nhiệt độ cao.

Sợi cũng được sử dụng để lọc các loại khí có nhiệt độ cao. Như một điện cực có diện tích bề mặt cao và khả năng chống ăn mòn hoàn hảo. Và như một thành phần chống tĩnh điện. Đúc một lớp sợi carbon mỏng giúp cải thiện đáng kể khả năng chống cháy của polyme hoặc vật liệu tổng hợp nhiệt vì lớp sợi carbon dày đặc, nhỏ gọn phản xạ nhiệt hiệu quả.

Việc sử dụng vật liệu tổng hợp sợi carbon ngày càng tăng đang thay thế nhôm trong các ứng dụng hàng không vũ trụ. Thay bằng các kim loại khác vì các vấn đề ăn mòn điện.

Dệt may

Tiền chất cho sợi carbon là polyacrylonitrile (PAN), rayon và pitch. Sợi sợi carbon được sử dụng trong một số kỹ thuật xử lý: sử dụng trực tiếp là để chuẩn bị, cuộn dây tóc, pultrusion, dệt, bện, vv Sợi sợi carbon được đánh giá theo mật độ tuyến tính (trọng lượng trên một đơn vị chiều dài; nghĩa là, 1   g / 1000   m = 1   tex). Hoặc theo số lượng sợi trên mỗi sợi, tính bằng nghìn.

Ví dụ: 200 tex cho cuộn 3.000 sợi của sợi carbon mạnh gấp ba lần cuộn 1.000 sợi carbon, nhưng cũng nặng gấp ba lần. Cuộn sợi này sau đó có thể được sử dụng để dệt một tấm vải sợi carbon. Sự xuất hiện của loại vải này thường phụ thuộc vào mật độ tuyến tính của sợi và kiểu dệt được chọn. Một số loại dệt thường được sử dụng là twill, satin và plain. Sợi carbon sợi cũng có thể được dệt kim hoặc bện.

Vi điện cực

Sợi carbon được sử dụng để chế tạo các vi điện cực bằng sợi carbon. Trong ứng dụng này thường là một sợi carbon duy nhất có đường kính 5-7 μm được niêm phong trong mao quản thủy tinh. Ở phần đầu, mao quản được hàn kín bằng epoxy. Và được đánh bóng để tạo ra vi điện cực đĩa sợi carbon hoặc sợi được cắt theo chiều dài 75. Các vi điện cực bằng sợi carbon được sử dụng. Hoặc trong phép đo ampe kế hoặc quét nhanh theo chu kỳ để phát hiện tín hiệu sinh hóa.

Sưởi ấm linh hoạt

Được biết đến với độ dẫn điện của chúng, sợi carbon có thể tự mang dòng điện rất thấp. Khi được dệt thành các loại vải lớn hơn. Chúng có thể được sử dụng để cung cấp nhiệt hồng ngoại một cách đáng tin cậy. Trong các ứng dụng đòi hỏi các yếu tố làm nóng linh hoạt. Và có thể dễ dàng duy trì nhiệt độ trên 100°C do tính chất vật lý của chúng.

Nhiều ví dụ về loại ứng dụng này có thể được nhìn thấy trong ‘DIY’ hoặc Do it Yourself các sản phẩm được làm nóng của quần áo và chăn. Do tính trơ hóa học của nó, nó có thể được sử dụng tương đối an toàn giữa hầu hết các loại vải và vật liệu. Tuy nhiên, quần short gây ra bởi vật liệu gấp lại chính nó sẽ dẫn đến tăng lượng nhiệt tạo ra và có thể dẫn đến hỏa hoạn.

Sợi carbon giá bao nhiêu

Sợi carbon hiện nay có giá giao động:

• 10-40 mét vuông giá khoảng 13.00 US$
• 50-199 mét vuông giá khoảng 12.50 US$
• >=200 mét vuông giá khoảng 12.00 US$

Sợ carbon có dẫn điện không?

Ít ai nghĩ 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 loài 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 sợi carbon không 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.

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.