Sợi Carbon được tạo ra như thế nào?

[Khánh Phạm]

Còn được gọi là sợi graphite hoặc carbon graphite, sợi carbon bao gồm các sợi rất mỏng của nguyên tố carbon. Những sợi này có độ bền kéo cao và cực kỳ chắc so với kích thước của chúng. Trên thực tế, một dạng sợi carbon— ống nano carbon —được coi là vật liệu bền nhất hiện có.

Các ứng dụng của sợi carbon bao gồm xây dựng, kỹ thuật, hàng không vũ trụ, xe hiệu suất cao, thiết bị thể thao và nhạc cụ. Trong lĩnh vực năng lượng, sợi carbon được sử dụng trong sản xuất cánh quạt gió, lưu trữ khí đốt tự nhiên và pin nhiên liệu để vận chuyển. Trong ngành công nghiệp máy bay, nó có ứng dụng trong cả máy bay quân sự và thương mại, cũng như máy bay không người lái. Đối với hoạt động thăm dò dầu khí, nó được sử dụng trong sản xuất giàn khoan và đường ống nước sâu.

Sự thật nhanh về sợi carbon​

Mỗi sợi carbon có đường kính từ năm đến 10 micron. Để bạn hình dung được độ nhỏ của nó, một micron (um) bằng 0,000039 inch. Một sợi tơ nhện thường có đường kính từ ba đến tám micron.

Sợi carbon cứng gấp đôi thép và bền gấp năm lần thép (trên một đơn vị trọng lượng). Chúng cũng có khả năng chống hóa chất cao và chịu được nhiệt độ cao với độ giãn nở nhiệt thấp.

Nguyên liệu thô​

Sợi carbon được làm từ polyme hữu cơ, bao gồm các chuỗi phân tử dài được giữ lại với nhau bằng các nguyên tử carbon. Hầu hết các sợi carbon (khoảng 90%) được làm từ quy trình polyacrylonitrile (PAN). Một lượng nhỏ (khoảng 10%) được sản xuất từ rayon hoặc quy trình nhựa dầu mỏ.

Khí, chất lỏng và các vật liệu khác được sử dụng trong quá trình sản xuất tạo ra các hiệu ứng, chất lượng và cấp độ cụ thể của sợi carbon. Các nhà sản xuất sợi carbon sử dụng các công thức độc quyền và kết hợp nguyên liệu thô cho các vật liệu mà họ sản xuất và nói chung, họ coi các công thức cụ thể này là bí mật thương mại.

Sợi carbon chất lượng cao nhất có mô đun hiệu quả nhất (hằng số hoặc hệ số dùng để thể hiện mức độ số mà một chất sở hữu một đặc tính cụ thể, chẳng hạn như độ đàn hồi) được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe như hàng không vũ trụ.

Quy trình sản xuất​

Việc tạo ra sợi carbon bao gồm cả quá trình hóa học và cơ học. Nguyên liệu thô, được gọi là tiền chất, được kéo thành các sợi dài và sau đó được nung nóng đến nhiệt độ cao trong môi trường kỵ khí (không có oxy). Thay vì đốt cháy, nhiệt độ cực cao khiến các nguyên tử sợi rung động dữ dội đến mức hầu như tất cả các nguyên tử không phải carbon đều bị đẩy ra ngoài.

Sau khi quá trình cacbon hóa hoàn tất, sợi còn lại được tạo thành từ các chuỗi nguyên tử cacbon dài, liên kết chặt chẽ với ít hoặc không có nguyên tử phi cacbon còn lại. Các sợi này sau đó được dệt thành vải hoặc kết hợp với các vật liệu khác sau đó được quấn thành sợi hoặc đúc thành hình dạng và kích thước mong muốn.

Năm phân đoạn sau đây là điển hình trong quy trình PAN để sản xuất sợi carbon:

1. Kéo sợi. PAN được trộn với các thành phần khác và kéo thành sợi, sau đó được giặt và kéo căng.
2. Ổn định. Các sợi trải qua quá trình biến đổi hóa học để ổn định liên kết.
3. Carbon hóa. Sợi ổn định được nung ở nhiệt độ rất cao để tạo thành các tinh thể carbon liên kết chặt chẽ.
4. Xử lý bề mặt. Bề mặt của sợi được oxy hóa để cải thiện tính chất liên kết.
5. Định cỡ. Sợi được phủ và quấn vào ống chỉ, được đưa vào máy kéo sợi để xoắn sợi thành các sợi có kích thước khác nhau. Thay vì được dệt thành vải , sợi cũng có thể được tạo thành vật liệu tổng hợp , sử dụng nhiệt, áp suất hoặc chân không để liên kết các sợi với nhau bằng polyme nhựa.

Ống nano carbon được sản xuất thông qua một quy trình khác so với sợi carbon thông thường. Được ước tính là mạnh hơn 20 lần so với các loại tiền thân của chúng, ống nano được rèn trong lò sử dụng tia laser để làm bay hơi các hạt carbon.

Thách thức sản xuất sợi carbon​

Việc sản xuất sợi carbon gặp phải một số thách thức, bao gồm:

• Nhu cầu phục hồi và sửa chữa hiệu quả hơn về mặt chi phí
• Chi phí sản xuất không bền vững cho một số ứng dụng: Ví dụ, mặc dù công nghệ mới đang được phát triển nhưng do chi phí quá cao nên việc sử dụng sợi carbon trong ngành công nghiệp ô tô hiện chỉ giới hạn ở các loại xe hiệu suất cao và xe sang trọng.
• Quá trình xử lý bề mặt phải được điều chỉnh cẩn thận để tránh tạo ra các lỗ rỗ làm sợi bị lỗi.
• Cần kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng đồng nhất
• Các vấn đề về sức khỏe và an toàn bao gồm kích ứng da và hô hấp
• Hồ quang và đoản mạch trong thiết bị điện do sợi carbon có tính dẫn điện mạnh

Tương lai của sợi carbon​

Khi công nghệ sợi carbon tiếp tục phát triển, khả năng của sợi carbon sẽ chỉ đa dạng hóa và tăng lên. Tại Viện Công nghệ Massachusetts, một số nghiên cứu tập trung vào sợi carbon đã cho thấy rất nhiều hứa hẹn trong việc tạo ra công nghệ sản xuất và thiết kế mới để đáp ứng nhu cầu mới nổi của ngành công nghiệp.

Phó giáo sư Kỹ thuật cơ khí của MIT John Hart, một người tiên phong trong lĩnh vực ống nano, đã làm việc với các sinh viên của mình để chuyển đổi công nghệ sản xuất, bao gồm cả việc xem xét các vật liệu mới để sử dụng kết hợp với máy in 3D thương mại. "Tôi yêu cầu họ suy nghĩ hoàn toàn khác biệt; nếu họ có thể hình dung ra một máy in 3D chưa từng được sản xuất trước đây hoặc một vật liệu hữu ích mà không thể in bằng máy in hiện tại", Hart giải thích.

Kết quả là các máy nguyên mẫu in thủy tinh nóng chảy, kem mềm và vật liệu composite sợi carbon. Theo Hart, các nhóm sinh viên cũng tạo ra các máy có thể xử lý "đùn song song diện tích lớn các polyme" và thực hiện "quét quang học tại chỗ" của quy trình in.

Ngoài ra, Hart còn hợp tác với Phó Giáo sư Hóa học Mircea Dinca của MIT trong dự án hợp tác ba năm mới kết thúc gần đây với Automobili Lamborghini để nghiên cứu khả năng của vật liệu sợi carbon và vật liệu tổng hợp mới, một ngày nào đó có thể không chỉ "cho phép toàn bộ thân xe được sử dụng như một hệ thống pin" mà còn tạo ra "thân xe nhẹ hơn, chắc hơn, bộ chuyển đổi xúc tác hiệu quả hơn, sơn mỏng hơn và cải thiện khả năng truyền nhiệt của hệ thống truyền động [nói chung]".

Với những đột phá đáng kinh ngạc như vậy sắp diễn ra, không có gì ngạc nhiên khi thị trường sợi carbon được dự đoán sẽ tăng trưởng từ 4,7 tỷ đô la vào năm 2019 lên 13,3 tỷ đô la vào năm 2029, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 11,0% (hoặc cao hơn một chút) trong cùng kỳ.