Sợi carbon là loại vật liệu gì mà được ứng dụng từ lĩnh vực hàng không vũ trụ cho đến xây dựng, thể thao...

[Nguyễn Quốc Hòa]

Cuối tháng Sáu vừa qua, Trung Quốc đã chính thức cho vận hành đoàn tàu điện ngầm bằng sợi carbon đầu tiên trên thế giới mang tên "CETROVO 1.0 Carbon Star Express" tại Thanh Đảo. Báo chí địa phương đưa tin phương tiện này nhẹ hơn 11% so với các phương tiện tàu điện ngầm truyền thống và sẽ dẫn đầu các đoàn tàu điện ngầm đạt được bản nâng cấp xanh mới.

Việc ứng dụng vật liệu sợi carbon trong ngành vận tải đặc biệt đáng chú ý. Nó không chỉ mang lại ưu điểm về trọng lượng nhẹ và độ bền cao mà còn thúc đẩy sự phát triển xanh và bền vững của ngành vận tải đường sắt và hướng tới tương lai phát triển giao thông đường sắt đô thị. Tại sao lại nói như vậy? Trước hết, chúng ta hãy cùng bước vào thế giới của tàu điện ngầm bằng sợi carbon và khám phá bí ẩn và sự quyến rũ đằng sau công nghệ tiên tiến này!

Sợi carbon là gì?​

Sợi carbon nghe có vẻ bí ẩn và mang tính công nghệ cao nhưng thực tế nó đang đóng vai trò ngày càng quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Nói một cách đơn giản, sợi carbon là một loại vật liệu sợi mới chứa hơn 90% carbon.

Sợi carbon giống như một “sợi chỉ” siêu bền nhưng nó không phải là một sợi chỉ thông thường mà được cấu tạo từ những chùm nguyên tử carbon cực mỏng. Hãy tưởng tượng một sợi tóc được phóng đại lên hàng nghìn lần. Nếu được làm từ carbon nguyên chất, nó sẽ giống sợi carbon.

Sợi carbon được tạo ra như thế nào?​

Là một vật liệu tổng hợp, sợi carbon có được độ cứng và độ nhẹ từ hai thứ: thứ nhất là các thành phần, là các sợi carbon được kéo thành sợi, mỏng hơn sợi tóc người, và một số dạng keo hoặc epoxy để liên kết carbon thành một hình dạng. Thứ hai tạo nên độ bền cho vật liệu tổng hợp là sự thay đổi về mặt hóa học được tạo ra bằng cách kết hợp hai vật liệu và sau đó để chúng hòa trộn, hay nói đúng hơn là để epoxy "đông cứng". Các quy trình sản xuất sợi carbon khác nhau tùy thuộc vào loại hình dạng hoặc bộ phận bạn đang tạo ra, nhưng tất cả các phương pháp sản xuất đều có điểm chung là "sợi và keo".

Để tạo ra một bộ phận từ sợi carbon, thông thường cần có khuôn, trên đó sợi carbon được áp dụng (hoặc "dán lên", vì phần này của quy trình được gọi là "dán lên"). Ở các nhà máy công nghiệp, robot được sử dụng để xếp các dải sợi carbon dọc theo bề mặt của một khuôn xốp lớn. Trên thực tế, trong khi các bộ phận sợi carbon đối xứng đơn giản có thể dễ dàng được tạo ra bằng phương tiện cơ học, thì không có gì lạ khi có các bộ phận sợi carbon không đối xứng lớn và phức tạp được xếp bằng tay.

Nhưng sợi carbon không phải là sợi carbon nếu không có keo. Các phương pháp đưa vật liệu epoxy dùng để liên kết các sợi thành hình dạng khác nhau ví dụ robot đặt sợi tự động đã sử dụng sợi carbon được tẩm epoxy trước. Các sợi này đến từ các cuộn dài phải được giữ lạnh để ngăn epoxy đông cứng, và khi chúng được robot áp dụng vào bề mặt khuôn, bản thân đầu robot đã làm nóng các sợi để đông cứng tại chỗ.

Có rất nhiều phương pháp khác để đưa keo vào sản phẩm. Đối với các bộ phận có độ bền cực cao như bạn thấy trong xe đua, các tấm vải carbon cắt được đặt vào khuôn và sau đó epoxy được tiêm vào chúng. Những lần khác, một bộ phận sợi carbon thực sự được sơn (giống như cọ thực tế) bằng epoxy sau khi được đặt lên khuôn.

Bất kể ứng dụng epoxy nào, phần sợi carbon không thực sự trở thành một phần composite thực sự cho đến khi nó được xử lý. Đó là một quá trình hóa học được thực hiện theo một số cách - thường là bằng nhiệt, mặc dù có những loại epoxy xử lý tốt nhất trong chân không hoặc dưới áp suất hoặc thậm chí chỉ cần để yên ở nhiệt độ phòng. Kết quả giống như quá trình làm cứng keo thông thường, ngoại trừ ở đây nhựa cung cấp một ma trận liên kết chéo, làm cứng các sợi carbon. Ngoài ra, bản thân các sợi carbon trải qua những thay đổi về mặt hóa học trong quá trình xử lý, đẩy ra các phân tử không phải carbon có trong vật liệu trước khi tạo sợi và tạo ra các liên kết mạnh hơn giữa các nguyên tử carbon thực tế. Vật liệu composite thu được là thứ mà chúng ta thường gọi là "sợi carbon" - một vật liệu cứng màu tối với vẻ ngoài giống như vải. Vải đó chính là các sợi carbon dệt.

Ưu điểm của sợi carbon là gì?​

Sợi carbon không chỉ có các đặc tính cơ bản của vật liệu carbon mà còn có các tính chất cơ học tuyệt vời của vật liệu sợi.

Đầu tiên, sợi carbon rất nhẹ, chỉ bằng 1/4 mật độ của thép. Tuy nhiên, đặc tính kéo của sợi carbon rất tuyệt vời. Độ bền kéo của sợi carbon mô đun cao cao hơn thép hơn 6 lần và mô đun đàn hồi cũng có thể đạt gấp 2 lần so với thép. Hơn nữa, sợi carbon còn có khả năng chịu nhiệt độ cao đặc biệt và không bị biến dạng ngay cả trong môi trường nhiệt độ cao.

Ngoài ra, sợi carbon có khả năng chống ăn mòn và dẫn điện tuyệt vời. Vì vậy, nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xây dựng và hàng không vũ trụ.

Tàu điện ngầm sợi carbon​

Vào ngày 26 tháng 6 năm 2024, tàu điện ngầm thương mại bằng sợi carbon do CRRC Sifang Locomotive Co., Ltd. và Tập đoàn tàu điện ngầm Thanh Đảo phát triển đã chính thức ra mắt!

Cấu trúc chịu lực chính của xe, bao gồm thân xe và khung chuyển hướng, được làm bằng vật liệu composite sợi carbon. Bởi vì vật liệu sợi carbon có mật độ thấp và trọng lượng nhẹ. Do đó, so với các phương tiện tàu điện ngầm làm bằng vật liệu kim loại truyền thống, các đoàn tàu điện ngầm được sản xuất có trọng lượng thân giảm khoảng 25%, trọng lượng khung chuyển hướng giảm khoảng 50% và trọng lượng phương tiện giảm 11%. Trọng lượng nhẹ của tàu điện ngầm giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng khi vận hành.

Người ta tính toán rằng so với các phương tiện tàu điện ngầm truyền thống, mức tiêu thụ năng lượng vận hành của tàu điện ngầm bằng sợi carbon đã giảm 7%. Mỗi đoàn tàu có thể giảm lượng khí thải carbon dioxide khoảng 130 tấn mỗi năm, góp phần to lớn vào việc bảo tồn năng lượng và giảm phát thải. Ngoài ra, vật liệu sợi carbon cường độ cao còn cải thiện độ bền kết cấu và độ an toàn của tàu .

Lĩnh vực hàng không vũ trụ​

Ưu điểm của sợi carbon khiến nó tỏa sáng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Máy bay làm bằng vật liệu composite sợi carbon có tổng thể nhẹ hơn nên có khả năng chịu tải cao hơn, tiết kiệm nhiên liệu cao hơn và khoảng cách bay dài hơn.

Ngoài ra, vật liệu sợi carbon còn được sử dụng để chế tạo các bộ phận của động cơ máy bay. Khả năng chịu nhiệt độ cao và chống ăn mòn tốt đảm bảo động cơ hoạt động ổn định trong các môi trường khắc nghiệt như xuyên qua bầu khí quyển.

Ngành xây dựng​

Vật liệu composite sợi carbon được sử dụng rộng rãi trong các dự án gia cố cầu và đường do tính chất cơ học và độ bền tuyệt vời. Bằng cách dán các lớp vật liệu composite sợi carbon, khả năng chịu tải và tuổi thọ của cầu đường có thể được cải thiện một cách hiệu quả, đồng thời có thể giảm tần suất sửa chữa và xây dựng lại.

Ngoài ra, vật liệu composite sợi carbon còn được sử dụng để làm vỏ bảo vệ và vật liệu trang trí xây dựng. Đặc tính nhẹ và độ bền cao của nó làm cho lớp vỏ bảo vệ nhẹ hơn và chắc chắn hơn, đồng thời có thể bảo vệ hiệu quả các tòa nhà và di tích văn hóa khỏi thiên tai và thiệt hại do con người gây ra.

Thiết bị thể thao​

Vật liệu sợi carbon được sử dụng rộng rãi trong sản xuất thiết bị thể thao nhờ trọng lượng nhẹ, độ bền cao và khả năng chống va đập tốt, mang đến cho chúng ta trải nghiệm thể thao an toàn hơn, thoải mái hơn và hiệu quả hơn. Nó có thể được tìm thấy trong xe đạp, câu lạc bộ chơi gôn, ván trượt tuyết, v.v.

Sợi carbon là vật liệu được ưa chuộng trong lĩnh vực xe đạp cao cấp. So với vật liệu kim loại truyền thống, trọng lượng của khung sợi carbon có thể giảm khoảng 30%. Ngoài ra, xe đạp sợi carbon còn có hiệu suất hấp thụ sốc và độ ổn định tuyệt vời, có thể làm giảm trọng lượng của xe đạp một cách hiệu quả trong thời gian dài. Ngoài ra, ván trượt sợi carbon có khả năng chống va đập tốt, có thể giảm nguy cơ chấn thương do tác động vô tình trong quá trình trượt tuyết.