Nhiều công dụng và ứng dụng thú vị của vật liệu tổng hợp sợi carbon

 

Vật liệu tổng hợp sợi carbon là gì?

Vật liệu composite bao gồm một sợi gia cố được bọc trong nhựa polymer. Có một số công thức nhựa và loại sợi được sử dụng trong vật liệu tổng hợp, nhưng sợi carbon nổi bật là một thành phần có trong nhiều sản phẩm-hiệu suất cao. Trong các ứng dụng ưu tiên giảm trọng lượng đồng thời tạo độ bền cao, sợi carbon là lựa chọn gia cố trong nhiều cấu trúc vật liệu tổng hợp tiên tiến.

 

Sợi carbon được tìm thấy trong các cấu trúc vật liệu tổng hợp ở những nơi có độ bền và trọng lượng nhẹ; nó có thể được tìm thấy trong-xe thể thao cao cấp, xe đua, thuyền hiệu suất-cao, máy bay và phương tiện hàng không vũ trụ, thiết bị y tế và dụng cụ thể thao bao gồm ván trượt, ván trượt tuyết, vợt tennis, gậy chơi gôn và hàng trăm sản phẩm khác.

 

Các ứng dụng cho vật liệu tổng hợp sợi carbon đang phát triển với tốc độ nhanh hơn so với nền kinh tế nói chung khi nhu cầu về cấu trúc vật liệu tổng hợp nhẹ tiên tiến tăng lên. Các nhà kinh tế dự đoán cơ hội của ngành sẽ tăng lên đáng kể khi công nghệ tiến bộ và ứng dụng phát triển. Bạn quan tâm đến cách vật liệu tổng hợp sợi carbon tạo ra các sản phẩm-hiệu suất cao hay vai trò của nó trong việc tiết kiệm năng lượng thông qua việc giảm-trọng lượng? Tìm hiểu thêm về việc sử dụng sợi carbon và cách tham gia vào tương lai của công nghệ composite.

 

Sợi Carbon là gì?

Sợi carbon, còn được gọi là sợi than chì, là một vật liệu bền, nhẹ được làm từ hàng trăm sợi carbon riêng lẻ mỏng hơn tám lần so với sợi tóc người. Các sợi này bao gồm các nguyên tử carbon liên kết với nhau thành chuỗi dài. Tính theo trọng lượng, hỗn hợp sợi carbon bền hơn thép gấp 5 lần và cứng gấp đôi nhờ độ bền kéo cao.

Sợi Carbon được tạo ra như thế nào?

Sợi carbon bắt đầu bằng nhựa gốc acrylic-được gọi là polyacrylonitrile (PAN). Một quy trình gồm-bước bắt đầu bằng cách nung nóng và kéo sợi polyacrylonitrile (PAN) thành sợi. Sau đó, những sợi này được nung nóng đến nhiệt độ cao hơn nữa, khoảng 3.000 F, trải qua quá trình oxy hóa và cacbon hóa để loại bỏ các nguyên tố không{6}cacbon và sắp xếp các nguyên tử cacbon thành các tinh thể-đóng gói chặt chẽ. Các sợi carbon thu được sau đó được xử lý bề mặt, được tập hợp thành bó và quấn thành cuộn. Những sợi này sau đó được nhóm lại thành các bó lớn hơn được gọi là sợi carbon hoặc được dệt thành vải.

 

Sợi Carbon được sử dụng như thế nào?

Các sợi kéo sợi carbon hoặc vải dệt được bão hòa bằng nhựa polymer, chẳng hạn như epoxy và được tạo hình thành khuôn. Nhựa được xử lý sẽ bao bọc các sợi carbon và tạo ra một ma trận cứng theo hình dạng mong muốn của sản phẩm. Sự kết hợp giữa nền nhựa (epoxy) và sợi gia cường (cacbon) tạo ra vật liệu composite. Đặc điểm nổi bật của vật liệu tổng hợp được gia cố bằng sợi carbon là trọng lượng nhẹ, độ cứng và độ bền kéo cao.

 

Bình minh của sợi carbon

Lịch sử của sợi carbon bắt đầu từ cuối thế kỷ 19 khi Thomas Edison sử dụng sợi carbon làm dây tóc cho các thí nghiệm bóng đèn đầu tiên. Tuy nhiên, phải đến những năm 1950, sợi carbon mới được sản xuất dưới dạng vật liệu có độ bền-cao.

Việc sử dụng sợi carbon làm thành phần vật liệu tổng hợp bắt đầu vào năm 1958. Tiến sĩ Roger Bacon, Union Carbide, đã tạo ra sợi carbon có thể sử dụng được bằng cách nung nóng các sợi rayon đến khoảng 3.000 độ F cho đến khi chúng cacbon hóa. Quá trình này là tiền thân của phương pháp sản xuất sợi carbon hiện đại. Những năm 1960 chứng kiến ​​việc sản xuất sợi carbon thương mại đầu tiên sử dụng quy trình do Union Carbide phát triển. Tiềm năng của sợi carbon như một vật liệu gia cố tổng hợp đã được công nhận và Rolls Royce bắt đầu kết hợp chúng vào các bộ phận của động cơ phản lực.

Vào những năm 1970, ngành công nghiệp hàng không vũ trụ đã thúc đẩy những tiến bộ về công nghệ vật liệu tổng hợp và các ứng dụng của sợi carbon đã được ghi chép và cải tiến tốt hơn. Cuộc đua đang diễn ra để áp dụng công nghệ này vào các công trình mà việc giảm trọng lượng và tăng độ bền là quan trọng. Bởi vì sợi carbon thô có giá cao hơn các loại sợi gia cố khác nên nó trở nên thích ứng với các ứng dụng quan trọng trong đó chi phí chỉ là thứ yếu so với hiệu suất.

Vào những năm 1980, sự gia tăng đáng kể về vật liệu tổng hợp sợi carbon đã xảy ra khi những vật liệu này bắt đầu xâm nhập vào ngành công nghiệp đồ thể thao. Ván trượt tuyết, ván trượt tuyết, vợt tennis, gậy chơi gôn, cần câu cá và khung xe đạp bắt đầu có các thành phần bằng sợi carbon nhờ đặc tính nhẹ và độ bền{2}}cao. Trong lĩnh vực thương mại, ngành ô tô, đua xe và hàng hải bắt đầu thử nghiệm sợi carbon để giảm trọng lượng xe và cải thiện hiệu suất. Đồng thời, các ứng dụng hàng không vũ trụ và quốc phòng đang thúc đẩy bí quyết kỹ thuật-để ứng dụng vật liệu tổng hợp sợi carbon vào các ứng dụng có hiệu suất cao nhất.

Đến những năm 1990, việc sử dụng vật liệu tổng hợp sợi carbon ngày càng tăng khi các nhà sản xuất tìm ra cách giảm chi phí và cải thiện chất lượng sợi carbon. Điều này dẫn đến các ứng dụng rộng hơn, bao gồm cả trong lĩnh vực xây dựng và năng lượng gió.

Sợi carbon, như một vật liệu tổng hợp chủ yếu, đã trở thành xu hướng chủ đạo vào những năm 2000. Tài liệu này không còn bị giới hạn ở các ứng dụng cao cấp-mà đã được sử dụng trong nhiều ngành khác nhau, từ điện tử tiêu dùng đến cơ sở hạ tầng. Trong hai thập kỷ tiếp theo, vật liệu tổng hợp tiên tiến đã được sử dụng trong các ứng dụng-có cấu hình ngày càng cao cấp như máy bay Boeing 787 và máy bay chở khách Airbus A350. Ngành công nghiệp ô tô đã áp dụng công nghệ vật liệu tổng hợp-lấy cảm hứng từ đua xe mô tô và-thuyền cao cấp thuộc mọi loại đều sử dụng vật liệu tổng hợp cacbon làm cấu trúc chính. Sự ra đời của các công cụ kỹ thuật như phân tích phần tử hữu hạn và động lực học chất lỏng tính toán đang thúc đẩy hiệu suất và ứng dụng ngày càng tăng đối với các vật liệu tổng hợp này.

 

Một số ứng dụng thực sự thú vị của sợi carbon

Ngày nay, các ứng dụng về vật liệu tổng hợp sợi carbon xuất hiện thường xuyên. Trước đây, sợi carbon rất xa lạ và đắt tiền, nhưng giờ đây bạn có thể tìm thấy sợi carbon trong rất nhiều ngành công nghiệp và sản phẩm như:

 

Hàng hải

Vật liệu tổng hợp bằng sợi carbon đã trở thành vật liệu chủ đạo-của xe đua hiệu suất cao trong nhiều thập kỷ. Những chiếc thuyền Cup của Mỹ là những ví dụ về việc đưa công nghệ đến giới hạn, với cấu trúc sợi carbon sánh ngang với ngành xây dựng hàng không vũ trụ. Các tàu sản xuất đang ngày càng tích hợp sợi carbon vào quá trình xử lý truyền chân không với mục tiêu tạo ra một loại tàu nhẹ hơn và nhanh hơn.

 

ô tô

Sợi carbon ngày càng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất ô tô. Những vật liệu này lần đầu tiên được sử dụng trong xe Công thức 1 và xe Indy, những loại xe đầu tiên áp dụng công nghệ hàng không vũ trụ. Sau đó, nó lan sang những chiếc xe thể thao-cao cấp mới lạ và hiện đang tiến vào những chiếc xe sản xuất. "Trọng lượng nhẹ" là mục tiêu chính của thiết kế ô tô nhằm cải thiện hiệu suất và giảm tác động đến môi trường. NASCAR gần đây đã chuyển sang sử dụng thân xe bằng vật liệu tổng hợp cho những chiếc xe Cup Series. Những thân xe mới này đã được chứng minh là bền đến mức nó đã thay đổi phong cách đua xe vì những chiếc xe có thể chịu đựng được sự lạm dụng nhiều hơn.

 

Vận tải

Ngành công nghiệp vận tải đường bộ đã sử dụng các thành phần vật liệu tổng hợp trong nhiều thập kỷ để cải thiện tính khí động học và tiết kiệm nhiên liệu. Có một cuộc cách mạng đang chờ xử lý trong thiết kế xe tải hạng nặng sẽ kết hợp tính khí động học được cải thiện đáng kể và giảm trọng lượng. Những cải tiến này dựa trên các thành phần và thiết kế tổng hợp để giảm lực cản khí động học. Người ta ước tính rằng các thiết kế mới được làm bằng các thành phần vật liệu tổng hợp nhẹ, đẹp mắt có thể giúp tiết kiệm nhiên liệu lên tới 50 tỷ USD mỗi năm.

 

Máy bay, Hàng không vũ trụ và Quốc phòng

Nhìn xuyên suốt từ máy bay thương mại, máy bay quân sự, phương tiện phóng và tàu vũ trụ trên quỹ đạo, vật liệu tổng hợp sợi carbon đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc đáp ứng các mục tiêu về hiệu suất. Kỹ thuật vật liệu tổng hợp đã được phát triển tốt trong các lĩnh vực này và những đổi mới đang diễn ra thường xuyên được công bố. Một lượng lớn sợi carbon đã được phân bổ cho các dự án công nghệ tiên tiến về quân sự và quốc phòng. Trong lĩnh vực thương mại, hàng chục máy bay điện cất cánh thẳng đứng (VTOL) hiện đã được chứng nhận hoặc đang được phát triển. Tất cả những chiếc máy bay mới này đều sử dụng vật liệu tổng hợp carbon làm vật liệu cấu trúc chính.

 

Đồ thể thao

Vật liệu tổng hợp sợi carbon được tìm thấy trên khắp thế giới đồ thể thao do độ bền và trọng lượng nhẹ của nó. Điều này bao gồm: gậy khúc côn cầu, vợt tennis, cung bắn cung, gậy đánh gôn và cần câu cá, ván trượt, ván trượt tuyết, ván lướt sóng, ván diều và ván giấy bạc. Tất cả đều sử dụng sợi carbon cùng với vỏ chèo và xe đạp.

 

Thuốc

Lĩnh vực y tế là một ngành khác mà sợi carbon đã có tác động đáng kể trong những năm gần đây. Sợi carbon trong suốt trong hình ảnh tia X, điều này đã dẫn đến việc sử dụng nó trong nhiều loại thiết bị chụp ảnh và tia X. Sợi carbon cũng được sử dụng trong các chi giả, chúng chắc chắn, nhẹ và thoải mái khi đeo và sử dụng.