Vải sợi carbon: Nó được sản xuất, dệt và sử dụng như thế nào

Vải sợi carbon là gì?

Vải sợi carbon là một loại vải dệt hiệu suất cao được dệt từ các sợi carbon - mỗi sợi có đường kính khoảng 5–10 micron, mỏng hơn khoảng 10 lần so với sợi tóc người. Kết quả là một vật liệu được Mạnh hơn thép gấp 5 lần nhưng nặng khoảng Giảm 40% . Nó kết hợp độ cứng cực cao, trọng lượng thấp và khả năng chịu nhiệt và ăn mòn tuyệt vời, khiến nó trở thành một trong những vật liệu được thiết kế tốt nhất hiện nay.

Vải sợi carbon được sản xuất như thế nào?

Quá trình sản xuất bắt đầu với nguyên liệu tiền thân, phổ biến nhất là polyacrylonitrile (PAN) , chiếm hơn 90% sản lượng sợi carbon thương mại. Quá trình này bao gồm một số giai đoạn được kiểm soát chính xác:

1. Quay: PAN được hòa tan và ép thành các sợi mịn thông qua máy trộn, tương tự như cách sản xuất vải tổng hợp.
2. Ổn định (oxy hóa): Các sợi được kéo căng và nung nóng trong không khí ở nhiệt độ 200–300°C trong 30–120 phút. Bước này liên kết chéo các chuỗi polyme, chuẩn bị cho quá trình cacbon hóa chúng.
3. Cacbon hóa: Các sợi ổn định được nung nóng trong môi trường nitơ trơ ở nhiệt độ từ 1.000°C đến 1.500°C. Ở giai đoạn này, các nguyên tử không phải carbon (hydro, nitơ, oxy) bị trục xuất, để lại sợi có hơn 92% carbon nguyên chất.
4. Đồ họa hóa (tùy chọn): Đối với sợi mô đun cực cao, nhiệt độ có thể đạt tới 2.000–3.000°C, sắp xếp các nguyên tử carbon thành một mạng giống than chì có trật tự hơn để có độ cứng cao hơn.
5. Xử lý bề mặt: Bề mặt được khắc hóa học và phủ một chất hồ (thường tương thích với epoxy) để cải thiện độ bám dính khi sử dụng trong vật liệu tổng hợp.
6. Cuộn và dệt: Các bó sợi đã hoàn thiện (ví dụ: 3K = 3.000 sợi, 12K = 12.000 sợi) được quấn vào suốt chỉ và đưa vào khung dệt để dệt.

Toàn bộ quá trình từ PAN thô đến vải sợi carbon thành phẩm thường mất vài giờ mỗi mẻ và yêu cầu thiết bị công nghiệp được kiểm soát chặt chẽ.

Sợi carbon được dệt như thế nào?

Giống như hàng dệt thông thường, vải sợi carbon được sản xuất trên khung dệt công nghiệp. Kiểu dệt ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học, độ rủ và hình thức bên ngoài của vải cuối cùng. Các kiểu dệt phổ biến nhất là:

các Vải chéo 2×2 là dễ nhận biết nhất - nó tạo ra họa tiết xương cá chéo mang tính biểu tượng gắn liền với những chiếc xe thể thao hiệu suất cao và hàng tiêu dùng cao cấp. Vải dệt thoi thường được bán theo trọng lượng tính bằng gam trên mét vuông (gsm); trọng lượng phổ biến dao động từ 100 gsm (nhẹ, độ rủ tốt) đến 600 gsm (sử dụng kết cấu nặng) .

Vải sợi carbon có chống thấm nước không?

Vải sợi carbon trần là vốn dĩ không thấm nước . Vải dệt thô có tính xốp và sẽ hút nước. Tuy nhiên, vật liệu tổng hợp sợi carbon - nơi vải được truyền hoặc ép bằng hệ thống nhựa (epoxy, vinyl ester hoặc polyester) - trở nên chống thấm hiệu quả sau khi được xử lý.

Những điểm chính về hành vi độ ẩm:

• Vải sợi carbon khô dễ dàng hấp thụ nước và cần được bảo quản trong bao bì kín để tránh nhiễm bẩn trước khi xếp chồng lên nhau.
• Vật liệu tổng hợp sợi carbon/epoxy đã được xử lý có khả năng hấp thụ nước rất thấp - thường ít hơn 1% trọng lượng ngay cả sau khi ngâm lâu, vẫn tốt hơn nhiều so với sợi thủy tinh.
• Ăn mòn điện là một mối lo ngại: sợi carbon có tính dẫn điện và có thể tăng tốc độ ăn mòn ở các ốc vít bằng nhôm hoặc thép khi có hơi ẩm. Cách ly thích hợp là rất quan trọng trong các ứng dụng hàng hải và hàng không vũ trụ.
• Tiếp xúc với tia cực tím kéo dài có thể làm suy giảm chất nền nhựa (không phải sợi carbon), gây ra vết phấn trên bề mặt. Lớp phủ ngoài hoặc lớp gel chống tia cực tím sẽ giải quyết vấn đề này khi sử dụng ngoài trời.

Để sử dụng trên biển, các bộ phận bằng composite bằng sợi carbon rất phổ biến trong thân tàu, cột buồm và bánh lái của du thuyền đua chính vì sự kết hợp giữa trọng lượng nhẹ và khả năng hấp thụ nước thấp.

Vải sợi carbon được sử dụng để làm gì?

các global carbon fiber market was valued at approximately 4,7 tỷ USD vào năm 2023 và dự kiến sẽ vượt quá 9 tỷ USD vào năm 2030 , được thúc đẩy bởi nhu cầu trên nhiều ngành công nghiệp.

Hàng không vũ trụ & Quốc phòng

Đây vẫn là ứng dụng lớn nhất và đòi hỏi khắt khe nhất. Máy bay 787 Dreamliner của Boeing sử dụng vật liệu tổng hợp sợi carbon trong khoảng 50% trọng lượng cấu trúc của nó , bao gồm cả thân và cánh. Tương tự, Airbus A350 sử dụng sợi carbon cho hơn 50% khung máy bay. Vật liệu này cho phép tiết kiệm nhiên liệu tới 20% so với máy bay bằng nhôm truyền thống.

ô tô

Sợi carbon là tiêu chuẩn trong kết cấu khung xe Công thức 1, trong đó toàn bộ khung xe liền khối là hỗn hợp sợi carbon. Trong các xe sản xuất, nó xuất hiện trên các tấm mui, mui xe, cản va và các chi tiết trang trí nội thất. BMW i3 và i8 sử dụng khoang hành khách bằng nhựa gia cố bằng sợi carbon (CFRP) - một cột mốc quan trọng trong việc áp dụng ô tô phổ thông. Những siêu xe như Ferrari SF90 và McLaren Senna sử dụng thân xe rộng rãi bằng sợi carbon để giữ trọng lượng dưới 1.500 kg dù sử dụng hệ dẫn động hybrid mạnh mẽ.

Năng lượng gió

Các cánh tuabin gió dài hơn 60 mét cần có nắp cột bằng sợi carbon để duy trì độ cứng kết cấu khi chịu tải theo chu kỳ. Một lưỡi tuabin ngoài khơi có thể chứa hơn 1 tấn sợi carbon . Ngành năng lượng gió tiêu thụ khoảng 30.000 tấn sợi carbon vào năm 2022.

Hàng thể thao

Sợi carbon có mặt khắp nơi trong các thiết bị thể thao hiệu suất cao:

• Khung xe đạp đường trường (trọng lượng thông thường: 700–900g cho một bộ khung đầy đủ)
• Vợt tennis, cán gậy golf, gậy khúc côn cầu
• Mái chèo và mái chèo kayak
• Chân giả thi đấu (ví dụ: lưỡi chạy)

Kỹ thuật Xây dựng & Xây dựng

Các tấm và dải polymer gia cố bằng sợi carbon (CFRP) được sử dụng để tăng cường các kết cấu bê tông lão hóa - cầu, cột và nhà để xe - bằng cách liên kết chúng với bề mặt bên ngoài. Phương pháp này làm tăng khả năng chịu tải mà không cần tăng thêm trọng lượng đáng kể hoặc yêu cầu phá dỡ kết cấu.

Thiết bị y tế

Khả năng thấu quang của sợi carbon (nó không chặn tia X) khiến nó trở nên lý tưởng cho bàn phẫu thuật, bộ phận cấy ghép chỉnh hình và thiết bị chụp ảnh. Nó cũng xuất hiện ở các chi giả, nơi tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng của nó gần giống với các đặc tính cơ học của xương.

Vải so với Prereg: Chọn đúng mẫu

Sợi carbon được bán ở hai dạng chính để chế tạo composite:

• Vải khô: Vải dệt trơn yêu cầu truyền nhựa riêng biệt (làm ướt hoặc truyền chân không). Chi phí thấp hơn, thời hạn sử dụng lâu hơn ở nhiệt độ phòng, được ưa chuộng cho các bộ phận lớn và cửa hàng tùy chỉnh.
• Chuẩn bị trước: Vải được ngâm tẩm trước bằng nhựa đã xử lý một phần. Yêu cầu bảo quản trong tủ lạnh (thường ở −18°C), nhưng mang lại tỷ lệ sợi trên nhựa ổn định hơn và là tiêu chuẩn trong sản xuất hàng không vũ trụ.

Đối với các ứng dụng kết cấu đòi hỏi phải chứng nhận các đặc tính cơ học chính xác, prereg với xử lý bằng nồi hấp là tiêu chuẩn công nghiệp. Đối với các bộ phận mỹ phẩm và chế tạo theo yêu cầu, vải khô được xếp bằng tay hoặc truyền chân không dễ tiếp cận hơn và tiết kiệm chi phí hơn.