Giới thiệu về sợi carbon

1. Định nghĩa và bố cục

Sợi carbon là một vật liệu hiệu suất cao bao gồm chủ yếu là các nguyên tử carbon. Các nguyên tử carbon này được liên kết với nhau trong các tinh thể siêu nhỏ được liên kết ít nhiều song song với trục dài của sợi. Hàm lượng carbon trong sợi carbon thường trên 90%. Nó thường được làm từ tiền chất polymer giàu carbon, chẳng hạn như polyacrylonitril (PAN), rayon hoặc cao độ. Thông qua một loạt các quá trình phức tạp, tiền chất được chuyển thành sợi carbon, với hầu hết các yếu tố không carbon được loại bỏ.

 

2. Thuộc tính và lợi thế

Sợi carbon tự hào có một loạt các tính chất đáng chú ý. Thứ nhất, nó có tỷ lệ trọng lượng cực kỳ cao - so với trọng lượng. Nó nhẹ hơn nhiều so với thép nhưng có thể mạnh hơn nhiều lần, làm cho nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng mà việc giảm cân là rất quan trọng mà không phải hy sinh sức mạnh. Thứ hai, sợi carbon có độ cứng tuyệt vời, có nghĩa là nó có thể chống lại biến dạng dưới tải. Khách sạn này được đánh giá cao trong các cấu trúc kỹ thuật.

Ngoài ra, sợi carbon thể hiện khả năng kháng hóa chất tốt, có thể chịu được tiếp xúc với nhiều chất ăn mòn. Nó cũng có sự giãn nở nhiệt thấp, duy trì hình dạng và kích thước của nó ngay cả khi thay đổi nhiệt độ đáng kể.

Những lợi thế của sợi carbon chuyển thành nhiều lợi ích trong các ngành công nghiệp khác nhau. Trong ngành hàng không vũ trụ, trọng lượng nhẹ của nó giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và tăng khả năng tải trọng. Trong lĩnh vực ô tô, nó có thể tăng cường hiệu suất của xe và hiệu quả nhiên liệu trong khi cải thiện sự an toàn. Trong các thiết bị thể thao, sợi carbon cho phép tạo ra các thiết bị nhẹ hơn và phản ứng nhanh hơn, chẳng hạn như vợt tennis và xe đạp.

 

Quy trình sản xuất sợi carbon

3. Lựa chọn tiền thân

Bước đầu tiên trong sản xuất sợi carbon là lựa chọn tiền chất phù hợp. Như đã đề cập trước đó, các tiền chất phổ biến bao gồm polyacrylonitrile (PAN), rayon và cao độ. PAN là tiền chất được sử dụng rộng rãi nhất do năng suất carbon cao và khả năng tạo ra các sợi carbon cường độ cao. Rayon, mặt khác, là một trong những tiền thân sớm nhất được sử dụng, nhưng nó có năng suất carbon thấp hơn. Sân là sản phẩm phụ của chế biến dầu hoặc than và có thể được sử dụng để sản xuất các sợi carbon với các tính chất khác nhau, chẳng hạn như sợi mô-đun cao. Việc lựa chọn tiền thân phụ thuộc vào các tính chất mong muốn của sản phẩm sợi carbon cuối cùng, bao gồm sức mạnh, mô đun và chi phí.

 

4. Quá trình oxy hóa trước

Khi tiền thân được chọn, nó trải qua quá trình oxy hóa trước. Quá trình này là rất quan trọng vì nó ổn định các sợi tiền thân và chuẩn bị chúng cho bước cacbon hóa tiếp theo. Trong quá trình oxy hóa trước, các sợi tiền chất được làm nóng trong môi trường giàu oxy, thường ở nhiệt độ từ 200 đến 300 độ. Điều này gây ra các phản ứng hóa học trong các sợi, chẳng hạn như sự hình thành các liên kết chéo giữa các chuỗi polymer. Các liên kết chéo này ngăn các sợi nóng chảy hoặc hợp nhất trong quá trình cacbon hóa và giúp duy trì cấu trúc sợi. Quá trình oxy hóa trước có thể mất vài giờ và các điều kiện chính xác được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo xử lý đồng đều các sợi.

 

5. Cacbon hóa

Sau khi oxy hóa trước, các sợi phải chịu cacbon hóa. Trong bước này, các sợi được oxy hóa trước được làm nóng đến nhiệt độ cao, thường là từ 1000 độ đến 2000 độ, trong một bầu không khí trơ, như nitơ. Ở những nhiệt độ cao này, hầu hết các nguyên tố không carbon trong các sợi, chẳng hạn như hydro, oxy và nitơ, được loại bỏ dưới dạng khí dễ bay hơi. Các nguyên tử carbon còn lại tự sắp xếp lại thành một cấu trúc có thứ tự hơn, tạo thành các lớp sợi carbon giống như than chì đặc trưng. Quá trình cacbon hóa làm tăng thêm hàm lượng carbon của các sợi lên hơn 90% và tăng cường đáng kể sức mạnh và độ cứng của chúng.

 

6. Graphitization (tùy chọn)

Graphitization là một bước tùy chọn trong quy trình sản xuất sợi carbon. Nó liên quan đến việc làm nóng các sợi cacbon hóa đến nhiệt độ thậm chí cao hơn, thường là trên 2000 độ, trong một bầu không khí trơ. Ở những nhiệt độ khắc nghiệt này, các nguyên tử carbon trong các sợi trở nên có thứ tự cao hơn, tạo thành một cấu trúc than chì hoàn hảo hơn. Sợi carbon graphitized có mô đun đàn hồi cao hơn, có nghĩa là chúng cứng hơn và có thể chống biến dạng tốt hơn. Tuy nhiên, đồ họa cũng làm giảm sức mạnh của các sợi ở một mức độ nào đó. Bước này thường được dành riêng cho các ứng dụng cần độ cứng cao, chẳng hạn như trong các thành phần hàng không vũ trụ và thiết bị thể thao hiệu suất cao.

 

Phương pháp hình thành các bộ phận sợi carbon

7. Pultrusion

Pultrusion là một quy trình sản xuất liên tục được sử dụng để tạo ra các bộ phận sợi carbon với mặt cắt liên tục. Trong phương pháp này, các loại sợi carbon được kéo qua bồn tắm nhựa để tẩm chúng bằng nhựa. Sau đó, các sợi tẩm truyền đi qua một cái chết nóng, trong đó nhựa chữa bệnh và bộ phận có hình dạng cuối cùng của nó. Quá trình này có hiệu quả cao và có thể tạo ra các phần dài, thẳng như que, ống và dầm. Nó thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp xây dựng và cơ sở hạ tầng do khả năng tạo ra các thành phần cấu trúc mạnh mẽ và nhẹ.

 

8. Đúc dây tóc

Dòng sợi - Đúc cuộn dây liên quan đến việc gói sợi bằng sợi carbon liên tục xung quanh một trục gá xoay trong một mô hình cụ thể. Các sợi thường được tẩm nhựa hoặc nhựa được áp dụng trong quá trình cuộn dây. Khi số lượng lớp mong muốn là vết thương, phần được chữa khỏi và trục gá được loại bỏ. Phương pháp này là lý tưởng để tạo ra các bộ phận hình trụ hoặc hình cầu, chẳng hạn như tàu áp lực, vỏ động cơ tên lửa và đường ống. Nó cho phép kiểm soát chính xác định hướng sợi, có thể tối ưu hóa các tính chất cơ học của bộ phận.

 

9. RTM (đúc chuyển nhựa)

Đạo đúc chuyển nhựa (RTM) là một quá trình đúc kín. Đầu tiên, một hình dạng sợi carbon khô được đặt bên trong khoang khuôn. Khuôn sau đó được đóng lại, và nhựa được tiêm dưới áp lực vào khoang, lấp đầy các khoảng trống giữa các sợi. Sau khi các phương pháp chữa bệnh, khuôn được mở và phần hoàn thành được loại bỏ. RTM có thể tạo ra các bộ phận hình phức tạp với chất lượng bề mặt cao và độ chính xác kích thước. Nó thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ để sản xuất các tấm thân, các thành phần nội thất và cánh máy bay.

 

10. Đúc nén

Đúc nén là một quá trình trong đó một lượng sợi carbon được đo trước bằng nhựa (prepreg) được đặt trong khoang khuôn nóng. Khuôn sau đó được đóng lại, và áp suất được áp dụng để nén vật liệu, buộc nó phải lấp đầy khuôn và đảm bảo hợp nhất đúng. Khi khuôn được làm nóng, nhựa chữa bệnh và phần có hình dạng của khuôn. Phương pháp này phù hợp để sản xuất các bộ phận có khối lượng lớn, có độ bền cao với hình học tương đối đơn giản đến vừa phải, như các bộ phận cơ thể ô tô, các thành phần cấu trúc máy bay và khung thiết bị thể thao. Ví dụ, trong ngành công nghiệp ô tô, các bộ phận sợi carbon được đúc nén được sử dụng trong mũ trùm đầu, spoiler và tấm cửa để giảm cân và cải thiện hiệu suất. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, nó được áp dụng để làm xương sườn và thân máy bay.

 

11. Đúc phun

Việc phun các bộ phận sợi carbon liên quan đến việc làm tan chảy nhựa nhiệt dẻo trộn với sợi carbon ngắn và tiêm nó vào khoang khuôn dưới áp suất cao. Phương pháp này được đặc trưng bởi tốc độ sản xuất cao, độ chính xác cao và khả năng tạo ra các hình dạng phức tạp với các chi tiết tốt. Quá trình này đòi hỏi một máy ép phun chuyên dụng có khả năng xử lý bản chất mài mòn của sợi carbon. Nó phù hợp để sản xuất các bộ phận nhỏ đến trung bình, chẳng hạn như vỏ thiết bị điện tử, các bộ phận nội thất ô tô và các bộ phận sản phẩm tiêu dùng. So với các phương pháp khác như đúc nén, đúc phun có thể đạt được thời gian chu kỳ nhanh hơn nhưng có thể có những hạn chế về chiều dài và hướng sợi, có thể ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của bộ phận.

 

Xử lý hậu kỳ của các bộ phận sợi carbon

12. Cắt tỉa và gia công

Cắt tỉa và gia công các bộ phận sợi carbon hình thành phục vụ nhiều mục đích. Mục tiêu chính là đạt được các kích thước mong muốn và loại bỏ bất kỳ vật liệu dư thừa nào còn lại từ quá trình đúc. Điều này giúp tăng cường sự phù hợp của bộ phận trong các hội đồng. Các phương pháp bao gồm sử dụng cưa chính xác để cắt tỉa và gia công CNC cho các hoạt động phức tạp hơn. Khi thực hiện các nhiệm vụ này, điều quan trọng là sử dụng các công cụ sắc nét để ngăn chặn sự sờn của sợi carbon. Ngoài ra, việc thu thập bụi thích hợp là cần thiết vì bụi sợi carbon có thể gây hại. Gia công có độ chính xác cao thường được yêu cầu, đôi khi dung sai chặt chẽ như vài nghìn inch, để đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ và ô tô.

 

13. Xử lý bề mặt

Phương pháp xử lý bề mặt phổ biến cho các bộ phận sợi carbon bao gồm lớp phủ, sơn và đánh bóng. Lớp phủ có thể cung cấp một lớp bảo vệ giúp tăng cường khả năng chống lại các yếu tố môi trường như độ ẩm, bức xạ UV và ăn mòn hóa học. Vẽ tranh không chỉ cải thiện vẻ ngoài của bộ phận mà còn có thể thêm một lớp bảo vệ. Đánh bóng có thể cung cấp cho phần một kết thúc mượt mà, có độ bóng cao. Xử lý bề mặt có thể cải thiện đáng kể độ bền của bộ phận và sự hấp dẫn thẩm mỹ. Ví dụ, trong ngành công nghiệp ô tô, một bộ phận bằng sợi carbon được phủ tốt có thể duy trì tính toàn vẹn cấu trúc và ánh sáng của nó trong một thời gian dài hơn, trong khi trong hàng không vũ trụ, nó có thể góp phần vào hiệu suất tổng thể và tuổi thọ của thành phần.

 

Các ứng dụng và xu hướng trong tương lai

14. Ứng dụng hiện tại

Các bộ phận sợi carbon đã tìm thấy sử dụng rộng rãi trên các ngành công nghiệp khác nhau. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, chúng được sử dụng trong cánh máy bay, phần thân máy bay và các thành phần động cơ, giảm cân và cải thiện hiệu quả nhiên liệu. Ngành công nghiệp ô tô sử dụng sợi carbon cho các tấm cơ thể, các bộ phận nội thất và các thành phần tăng cường hiệu suất, tăng cường tốc độ và xử lý xe. Các nhà sản xuất thiết bị thể thao sử dụng nó để tạo ra vợt tennis hiệu suất cao, câu lạc bộ golf và xe đạp. Ngoài ra, các bộ phận sợi carbon được sử dụng trong ngành công nghiệp biển cho thân tàu và cột buồm, và trong lĩnh vực năng lượng cho lưỡi tuabin gió.

 

15. Xu hướng tương lai

Tương lai của công nghệ đúc bộ phận sợi carbon rất hứa hẹn, với một số xu hướng chính đang nổi lên. Theo nghiên cứu của ngành, đến năm 2030, thị trường sợi carbon toàn cầu dự kiến ​​sẽ tăng trưởng với tốc độ CAGR trên 10%. Một xu hướng quan trọng là cải tiến quy trình. Tự động hóa nâng cao và robot sẽ ngày càng được tích hợp vào các quy trình đúc, giảm lỗi của con người và cải thiện hiệu quả sản xuất. Ví dụ, vị trí sợi tự động có thể định vị chính xác các sợi, tăng cường các tính chất cơ học của các bộ phận.

Giảm chi phí là một xu hướng quan trọng khác. Khi khối lượng sản xuất tăng và các kỹ thuật sản xuất mới được phát triển, chi phí của các bộ phận sợi carbon dự kiến ​​sẽ giảm. Điều này sẽ làm cho họ dễ tiếp cận hơn với một loạt các ngành công nghiệp.

Cuối cùng, sẽ có một sự mở rộng của các khu vực ứng dụng. Các bộ phận bằng sợi carbon có khả năng thâm nhập vào các ngành công nghiệp như thiết bị điện tử tiêu dùng, trong đó các tính chất nhẹ và có độ bền cao của chúng có thể được sử dụng trong vỏ thiết bị. Trong lĩnh vực y tế, chúng có thể được sử dụng trong các dụng cụ giả và dụng cụ phẫu thuật, mang lại hiệu suất tốt hơn và sự thoải mái của bệnh nhân.