Carbon Fiber: sợi vật liệu siêu nhẹ với độ bền cao

Carbon Fiber, với các tên gọi khác như sợi Carbon Fiber, CF, graphite fiber hay Carbon Fibres, là một vật liệu cứng, nhẹ và có độ bền rất cao. Loại vật liệu này có thể được dùng để thay thế thép và được ứng dụng phổ biến trong các sản phẩm chuyên dụng có hiệu suất cao như máy bay, ô tô, thiết bị thể thao.

Carbon Fiber là gì?

Carbon Fiber có thành phần chủ yếu gồm 90% là nguyên tử Cacbon (C) liên kết với nhau và 10% các hợp chất khác. Hiện nay, người ta đã chế tạo được Carbon Fiber với tỷ lệ Carbon lên đến 99%, khiến loại vật liệu này có độ bền cực cao.

Nguyên liệu thô được sử dụng để tạo ra Carbon Fiber được gọi là tiền chất. Một số loại tiền chất thường được dùng là Polyacrylonitrile (PAN), sợi vải tổng hợp Rayon và Pitch (dầu mỏ, than đá).

Carbon Fiber thường được cuộn lại với nhau để dệt thành vải hoặc đúc thành những hình dạng cụ thể. Vật liệu này được sử dụng phổ biến làm khung xe đạp, cần câu cá, thân xe đua, gây chơi golf, cột thuyền buồm, thậm chí là cánh máy bay.

10 Đặc tính của Carbon Fiber

1. Sức chịu lực căng cứng cao

Sức căng của Carbon Fiber được đo bằng đơn vị Young’s Modulus. Nhựa gia cố Carbon Fiber bền hơn 4 lần so với nhựa gia cố sợi thủy tinh, cứng hơn gần 20 lần so với gỗ thông và cứng hơn 2.5 lần so với nhôm.

Loại vật liệu này có khả năng chống ăn mòn và ổn định về mặt hóa học. Mặc dù bản thân vật liệu này không bị hư hỏng, nhưng lớp Epoxy thường được phủ lên bề mặt Carbon Fiber lại rất nhạy cảm với ánh sáng mặt trời.

2. Nhẹ

Carbon Fiber có cấu tạo từ 90% Carbon, rất nhẹ so với các loại nguyên vật liệu khác.

Sợi Carbon cũng giống như kim cương, đều là một trong những chất tự nhiên cứng và bền nhất được cấu tạo từ các nguyên tử Cacbon với các sắp sếp nguyên tử đặc trưng.

3. Tính dẫn điện

Với đặc tính này của Carbon Fiber có thể là hữu ích hoặc gây phiền toái. Trong ngành đóng thuyền, loại vật liệu này cũng được sử dụng làm vật dẫn điện thay thế cho nhôm.

Đặc tính dẫn điện của loại vật liệu này có thể gây ra tình trạng ăn mòn mạ điện trong các phụ kiện. Nếu được lắp đặt cẩn thận bởi người có chuyên môn, tình trạng ăn mòn này có thể giảm đáng kể.

4. Tính dẫn nhiệt

Carbon Fiber có nhiều biến thể nên cũng có những tính chất dẫn nhiệt khác nhau. Có những loại sợi Carbon đặc biệt, được thiết kế riêng cho việc dẫn nhiệt cao hoặc thấp, tùy theo mục đích sử dụng. Các viện nghiên cứu lớn vẫn đang cố gắng tăng cường khả năng dẫn nhiệt của loại vật liệu này.

5. Độ bền kéo tốt

Carbon Fiber là một trong những loại vật liệu rất khó kéo căng hoặc uốn cong. Loại vật liệu này chịu lực kéo gấp 5 lần và cứng gấp 2 lần so với thép.

6. Chống cháy

Tùy thuộc vào tiền chất và quy trình sản xuất, Carbon Fiber có thể khá mềm. Khi đó, sợi Carbon sẽ được dệt thành quần áo và phủ thêm lớp Niken chống cháy để làm trang phục cho lính cứu hỏa.

Carbon Fiber ít bị ảnh hưởng bởi các tác động hóa nhiệt nên được sử dụng ở những nơi có lửa kết hợp với các chất ăn mòn. Vật liệu này có thể làm ra những chiếc chăn chống cháy được sử dụng trong các trường hợp bị hỏa hoạn.

7. Độ giãn nở nhiệt thấp

So với các vật liệu như thép và nhôm, Carbon Fiber sẽ giãn nở hoặc co lại ít hơn nhiều trong điều kiện nóng hoặc lạnh. Đây là tính chất quan trọng cho những phụ kiện cần độ bền cao ở những lĩnh vực đặc biệt như tàu vũ trụ, xe ô tô, thiết bị quân sự.

8. Tính trơ về mặt sinh học, không độc hại, chống tia bức xạ

Carbon Fiber không độc hại, có độ trơ về mặt hóa học và chống tia bức xạ tốt nên được ứng dụng trong y tế, làm các bộ phận giả, cấy ghép và sửa chữa gân, dụng cụ phẫu thuật, phụ kiện của máy tia X - quang.

Mặc dù không độc hại nhưng Carbon Fiber vẫn có thể gây kích ứng và cần hạn chế tiếp xúc lâu dài nếu không được bảo vệ đúng cách. Ngoài ra, chất nền là Epoxy hoặc Polyester có thể gây độc hại và cần phải thực hiện các biện pháp chăm sóc thích hợp.

9. Giòn khi bị uốn cong

Các lớp trong vật liệu này được hình thành bởi các liên kết cộng hóa trị mạnh. Các tập hợp dạng tấm dễ dàng cho phép lan truyền các vết nứt. Khi uốn cong, Carbon Fiber sẽ dễ dàng bị hỏng ở độ căng rất thấp.

10. Chống tia cực tím

Sợi Carbon khi được kết hợp với loại vật liệu nhựa thích hợp có thể tạo ra được vật liệu hiệu quả chống lại tia cực tím.

Ưu điểm và nhược điểm của Carbon Fiber

Ưu điểm

• Carbon Fiber có độ bền và độ cứng cao nhưng lại rất nhẹ nên được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: hàng không, công trình quân sự, robot, tuabin gió, thiết bị sản xuất, thiết bị thể thao và nhiều thứ khác.
• Loại vật liệu này có độ bền cao khi được kết hợp với các vật liệu khác.
• Có tính dẫn điện và độ dẫn nhiệt cao nên loại vật liệu này đang được khai thác để ứng dụng vào một số lĩnh vực.
• Ngoài các đặc tính cơ học cơ bản, loại vật liệu này tạo ra một lớp bề mặt hoàn thiện độc đáo và đẹp mắt.

Nhược điểm

• Vật liệu này đắt hơn nhiều so với vật liệu truyền thống.
• Khi ứng dụng Carbon Fiber đòi hỏi trình độ kỹ năng cao và nhiều quy trình phức tạp.
• Khi sức bền tối đa của vật liệu bị vượt quá, Carbon Fiber sẽ bị hỏng đột ngột chứ không như hầu hết các vật liệu khác bị hỏng từ từ.

8 ứng dụng phổ biến của Carbon Fiber

• Carbon Fiber được ứng dụng khá nhiều trong việc đúc vô lăng cho ô tô. Ngoài độ vô lăng, loại vật liệu này còn được sử dụng để làm một số chi tiết nội thất ô tô như: cần số, Taplo, tay vịn cửa và tấm ốp.
• Tiền chất của loại vật liệu này là PAN, Rayon và Pitch. Sợi Carbon Fiber được tính 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 Carbon Fiber, được tính bằng nghìn. Cuộn vật liệu này sau đó có thể sử dụng để dệt một tấm vải Carbon Fiber. Loại vải này được tạo ra thường phụ thuộc vào mật độ tuyến tính của sợi và kiểu dệt được chọn. Một số loại dệt thường được sử dụng là Plain, Twill và Satin.
• Với đồ bền cao, độ dẻo dai và trọng lượng nhẹ nên loại vật liệu này được áp dụng trong các lĩnh vực hàng không, đường bộ, đường biển và hàng thể thao.
• Carbon Fiber có độ ổn định kích thước cao, hệ số giãn nở nhiệt và mài mòn thấp nên thích hợp dùng trong các ngành sản xuất như: tên lửa, phanh máy bay, ăngten hàng không vũ trụ, kính thiên văn lớn, băng ghế quang học, ống dẫn sóng cho khung đo chính xác tần số cao ổn định.
• Loại vật liệu này có thể giảm rung, có sức mạnh và độ dẻo dai tốt nên thích hợp sử dụng để làm thiết bị âm thanh, loa cho thiết bị Hifi, cánh tay robot.
• Với tính trơ sinh học và tính chống tia X - quang của mình, loại vật liệu này được ứng dụng trong y tế trong phẫu thuật, thiết bị chụp X - quang, cấy ghép và sửa chữa gân/ dây chằng.
• Carbon Fiber có tính trơ hóa học và chống mòn cao nên thích hợp trong lĩnh vực công nghiệp hóa chất, lĩnh vực hạt nhân, vân, con dấu và các bộ phận máy bơm trong các nhà máy chế biến.
• Ngoài ra, Carbon Fiber còn được ứng dụng để làm vòng giữ máy phát điện lớn, thiết bị phóng xạ, bàn chải đánh răng, mũ trùm ô tô, làm vỏ và đế cho thiết bị điện tử, tấm chắn EMI và RF.

Phân loại Carbon Fiber

Để phân loại Carbon Fiber có thể dựa trên chỉ số Young’s Modulus, độ bền và nhiệt độ xử lý nhiệt cuối cùng.

Dựa trên đặc tính sợi Carbon Fiber

• Young’s Modulus cực cao, được gọi là loại UHM (Young’s Modulus > 450 GPA).
• Young’s Modulus cao, được gọi là loại HM (Young’s Modulus từ 350 - 450 GPA).
• Young’s Modulus trung gian, được gọi là loại IM (Young’s Modulus từ 200 - 350 GPA).
• Young’s Modulus thấp và độ bền cao, được gọi là loại HT Young’s Modulus < 100 Gpa, có độ bền kéo > 3.0 GPA).
• Độ bền siêu cao, được gọi là loại SHT ( có độ bền kéo > 4.5 GPA).

Dựa trên vật liệu sợi tiền thân của Carbon Fiber

• Carbon Fiber được làm từ PAN (Polyacrylonitrile).
• Carbon Fiber được làm từ Pitch ( gốc dầu mỏ, than đá).
• Carbon Fiber được làm từ Mesophase.
• Carbon Fiber được làm từ Rayon.
• Carbon Fiber được phát triển trong giai đoạn khí.

Dựa trên nhiệt độ xử lý cuối cùng

• Loại I được xử lý ở nhiệt độ cao (được gọi là HTT), trong đó nhiệt độ xử lý cuối cùng phải trên 2000 độ C và có thể được kết hợp với loại sợi có chỉ số Young’s Modulus cao.
• Loại II, loại vật liệu này được xử lý nhiệt trung gian (được gọi là IHT), trong đó nhiệt độ xử lý cuối cùng phải ở khoảng hoặc trên 1500 độ C và có thể kết hợp với loại sợi có độ bền cao.
• Loại III, loại vật liệu này được xử lý nhiệt thấp, trong đó nhiệt độ xử lý cuối cùng sẽ không lớn hơn 1000 độ C. Đây là loại vật liệu có mô đun thấp và độ bền thấp.

Các loại vải sợi Carbon Fiber

Vải sợi Carbon Fiber được phân loại theo chỉ số mô đun đàn hồi (Elastic Modulus). Chỉ số mô đun đàn hồi là thước đo chịu lực kéo mà một vật với số đo đường kính nhất định có thể chịu lực tác dụng mà không bị đứt. Đơn vị đo lường của mô đun đàn hồi là Pound lực trên inch vuông của diện tích mặt ngang hay psi.

Sức chịu lực kéo được xem là thấp thấp nếu mô đun đàn hồi đo dưới 34.8 triệu psi (240 triệu kPa). Một số phân loại khác của Carbon Fiber bao gồm sức chịu lực kéo tiêu chuẩn, trung gian, cao hoặc siêu cao. Loại có sức chịu lực kéo siêu cao sẽ có chỉ số mô đun đàn hồi từ 72.45 - 145.0 triệu psi (500 triệu - 1.0 tỷ kPa).

Carbon Fiber có các kiểu dệt bao gồm Plain, Twill, Hybrid, dệt thông thường,… Vải sợi Carbon Fiber được phân ra thành các loại khác nhau như: 1K, 3K, 6K, 12K, 24K.

Vải sợi Carbon Fiber 3K

Đây là loại vải sợi được sử dụng thông dụng nhất và được ưa chuộng trong các ngành công nghiệp, thiết bị gia dụng, robot và ngành công nghiệp kỹ thuật cao khác bao gồm cả hàng không.

Vải sợi Carbon Fiber thường có 4 mẫu dệt phổ biến là: dệt thông thường, tự nhiên, 4HS Satin và 8HS Satin.

Vải sợi Carbon Fiber 6K

Đây là loại vải gọn nhẹ nhưng có bền cao, có thể tạo đường nét cho hình dạng và góc phức tạp, giúp khắc phục được nhiều vấn đề về dệt lỗi. Carbon Fiber 6K phù hợp để làm các chi tiết nhỏ trong động cơ.

Các kiểu dệt phổ biến của loại vải sợi này là dệt tự nhiên và 4HS Satin.

Vải sợi Carbon Fiber 12K

Loại vải này có đặc điểm hạt trong, mịn, sáng bóng, chống oxy hóa và chống ăn mòn. Carbon Fiber 12K được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp, phòng cháy chữa cháy, kiến trúc và không gian,…

Các kiểu dệt của loại vải sợi này bao gồm Plain, Twill và 8HS.

Vải sợi Carbon Fiber 24K

Loại vải này có trọng lượng nhẹ, độ bền, độ cứng cao và rất chắc chắn. Carbon Fiber 24k thường được sử dụng trong các loại mô hình, xe thể thao, chế tạo máy bay, đóng tàu thuyền, thiết bị thể thao và sản xuất ô tô.

Các kiểu dệt của loại vải sợi này là Plain, Twill và Hybrid.

Quy trình sản xuất Carbon Fiber

Carbon Fiber được tạo ra bằng cách nhiệt phân có kiểm soát các sợi Carbon hữu cơ đã qua chọn lọc nhằm loại bỏ Oxy, Nitơ, Hydro. Độ bền của vật liệu này sẽ càng cao khi tăng cấu trúc tinh thể, mức độ định hướng sợi và giảm các lỗi trên sợi.

Trong sản xuất, khoảng 90% Carbon Fiber được làm từ Polyacrylonitrile và 10% còn lại được làm từ Rayon hoặc dầu mỏ. Tất cả các vật liệu này đều là Polyme hữu cơ, đặc trưng bởi các chuỗi phân tử dài liên kết với nhau bằng các nguyên tử Cacbon. Thành phần chính xác của mỗi tiền chất để tạo nên Carbon Fiber được coi là bí mật thương mại của các công ty.

Các loại Carbon Fiber sau khi được sản xuất thường chế tạo thành các tấm Composite thuận tiện đưa vào ứng dụng thực tiễn.

Trong quá trình sản xuất, nhiều loại khí và chất lỏng sẽ được sử dụng để phản ứng với Carbon Fiber nhằm đạt được một hiệu ứng cụ thể. Ngoài ra, các vật liệu khác được thiết kế để không phản ứng hoặc ngăn chặn các phản ứng nhất định với Carbon Fiber. Cũng giống như tiền chất, thành phần chính xác của các nguyên liệu chế biến này được coi là bí mật thương mại của công ty.

So sánh độ bền, độ cứng của Carbon Fiber với các vật liệu khác

Carbon Fiber cực kỳ chắc chắn. Tiêu biểu là trong kỹ thuật đo lường lợi ích của vật liệu theo tỷ lệ độ bền trên trọng lượng và tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng, đặc biệt trong thiết kế kết cấu, trong đó trọng lượng tăng thêm có thể dẫn đến tăng chi phí vòng đời hoặc hiệu suất không đạt yêu cầu.

Độ cứng của Carbon Fiber được đo bằng mô đun đàn hồi của vật liệu. Mô đun của loại vật liệu này thường là 33 msi (228 GPa) và độ bền kéo cuối cùng là 500 ksi (3.5 GPa). So sánh với Nhôm 2024 - T3 có mô đun chỉ 10 msi, độ bền kéo cuối cùng là 65 ksi và khi so sánh với thép 4130 có mô đun là 30 msi, độ bền kéo cuối cùng là 125 ksi, Carbon Fiber có độ cứng và độ bền cao thông qua các quy trình xử lý nhiệt chuyên biệt và có giá trị cao hơn nhiều.

Một tấm Laminate được gia cố bằng Carbon Fiber dệt trơn có chỉ số mô đun đàn hồi khoảng 6 msi và mật độ thể tích khoảng 83 lbs/ ft3. Do đó, độ cứng so với trọng lượng của vật liệu này là 107 ft. Để so sánh, mật độ của nhôm là 169 lbs/ ft3, mang lại độ cứng với trọng lượng là 8.5 x 106 ft và mật độ của thép 4130 là 489 lbs / ft3, mang lại độ cứng so với trọng lượng là 8.8 x 106 ft.

Trên thực tế, ngay cả một bảng điều khiển bằng Carbon Fiber dệt trơn cơ bản cũng có tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng lớn hơn 18% so với nhôm và 14% so với thép.

Carbon Fiber bao nhiêu một m2?

Mỗi một loại Carbon Fiber sẽ có một giá trị khác nhau và còn phụ thuộc vào những yếu tố sau:

• Thuộc loại sợi nào 1K, 3K, 6K, 12K hay 24K.
• Mỗi một đơn vị phân phối loại vật liệu này sẽ mức chênh lệch giá khác nhau.
• Chất lượng, nguồn gốc của Carbon Fiber cũng là một trong những yếu tố quan trọng để quyết định giá.

Sau đây sẽ là giá của một số loại Carbon Fiber:

• Loại vải sợi 3K được dệt theo kiểu dệt Plain và Twill có chất lượng tốt, giá sẽ giao động từ 600.000 - 700.000 đồng/ m2.
• Loại vải sợi 6K được dệt theo kiểu dệt Plain và Twill có chất lượng tốt, giá sẽ giao động từ 650.000 - 750.000 đồng/ m2.
• Loại vải sợi 12K được dệt theo kiểu dệt Plain và Twill có chất lượng tốt, sẽ có giá giao động từ 550.000 - 580.000 đồng/ m2.

Trang sức được làm từ Carbon Fider

Carbon Fider thường được kết hợp với các kim loại khác để tạo ra các loại trang sức mang vẻ đẹp độc lạ.

Loại vật liệu này thường sẽ kết hợp với Titanium để làm ra các trang sức như nhẫn và vòng đeo tay. Thiết kế này vừa không gây kích, dị ứng ứng da, vừa thể hiện được sự mạnh mẽ, khỏe khoắn. Phổ biến nhất là các món trang sức Tungsten được phủ thêm lớp Carbon Fiber lên trên, trông vừa hiện đại, trẻ trung lại vừa bền.

Ngoài ra, vật liệu này còn được sử dụng để làm những chiếc đồng hồ thể thao cứng cáp, bền chắc và cực kỳ nhẹ, đem lại sự thoải mái cho người sử dụng.