Kết cấu vải sợi carbon

Kết cấu của vải sợi carbon không xuất hiện tự nhiên, mà được tạo thành thông qua quá trình then chốt là "dệt". Nguyên liệu thô là các sợi tows sợi carbon có đường kính chỉ vài micromet (khoảng 1/10 sợi tóc), trước tiên được xử lý sơ bộ (ví dụ như dán keo và định hình), sau đó được dệt chéo với nhau bằng thiết bị dệt chuyên dụng theo một họa tiết cụ thể, cuối cùng tạo thành các loại vải có kết cấu khác nhau.
Về nguyên tắc dệt, kết cấu của vải sợi carbon chủ yếu được xác định bởi cách các sợi "dọc" (các bó sợi được sắp xếp theo hướng dọc) và sợi "ngang" (các bó sợi được sắp xếp theo hướng ngang) đan xen vào nhau. Các thông số dệt khác nhau — như độ dày của các bó sợi, mật độ sợi dọc và sợi ngang, cũng như góc độ và tần suất đan xen — ảnh hưởng trực tiếp đến hình thái của kết cấu. Ví dụ, khi các sợi dọc và ngang đan chéo vuông góc với tỷ lệ 1:1, sẽ tạo thành kết cấu cơ bản nhất gọi là "trơn"; nếu nhiều sợi dọc hoặc sợi ngang được đan thành nhóm, sẽ tạo ra các kết cấu phức tạp hơn như "chéo" hoặc "lụa". Nguyên lý dệt này bảo tồn các đặc tính độ bền cao vốn có của bó sợi carbon, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất tổng thể của vải thông qua cấu trúc kết cấu của nó.

Trơn: "cân bằng và chắc chắn"

Kết cấu vải sợi carbon dệt chéo là kết cấu phổ biến và cơ bản nhất, được đặc trưng bởi sự đan xen của các sợi dọc và sợi ngang theo kiểu xen kẽ từng sợi một, tạo thành một hoa văn đều đặn tương tự như "lưới ô vuông". Về mặt hình thức, vải dệt chéo có bề mặt đồng đều và tinh tế, gần như không có sự khác biệt giữa mặt trước và mặt sau, mang lại cảm nhận thị giác đơn giản và sắc nét; về mặt hiệu năng, do các sợi ngang và dọc đan chặt tại nhiều điểm, độ ổn định cấu trúc của loại vải này rất cao, khó bị biến dạng, đồng thời có khả năng phân bổ lực tải đều đến từng bó sợi chịu lực, do đó được sử dụng rộng rãi trong những ứng dụng yêu cầu độ bền cấu trúc cao – chẳng hạn như vỏ thân máy bay trong ngành hàng không vũ trụ và các bộ phận giá đỡ trong thiết bị y tế. Đây chính là lý do vì sao chúng được dùng phổ biến trong nhiều ứng dụng đòi hỏi độ bền cấu trúc lớn.
Tuy nhiên, các họa tiết trơn cũng có những hạn chế của nó: các điểm dệt chéo dày đặc có thể dẫn đến vải kém co giãn hơn và dễ bị "nhăn" khi uốn cong, làm cho chúng kém phù hợp với sẢN PHẨM những ứng dụng yêu cầu uốn cong thường xuyên.

Twill: "Tiện ích Cân bằng"

Các họa tiết twill linh hoạt hơn so với họa tiết phẳng: sợi dọc được dệt chéo qua hai hoặc nhiều sợi ngang trở lên, sau đó đan xen với các sợi ngang để tạo thành một họa tiết twill liên tục (thường là 30°, 45°, 60°, v.v.). Đặc điểm trực quan nhất của họa tiết này là tính định hướng rõ rệt về mặt hình ảnh. Họa tiết twill sẽ mang lại cảm giác chuyển động cho bề mặt vải, có xu hướng thiết kế cao hơn so với họa tiết trơn – ví dụ như thân xe bằng sợi carbon của một chiếc xe thể thao cao cấp, hay các tấm ốp trang trí của vali sang trọng, nhiều sản phẩm trong số đó chọn họa tiết twill để tăng cường vẻ ngoài của kết cấu.
Về hiệu suất, ưu điểm của vải dệt chéo nằm ở sự "cân bằng": so với dệt chéo đều, số điểm liên kết ít hơn và các bó sợi có độ tự do cao hơn, do đó độ linh hoạt được cải thiện đáng kể và khó bị gãy khi uốn cong; đồng thời, cấu trúc vải dệt chéo đảm bảo độ bền của vải theo nhiều hướng, đặc biệt là về khả năng chống giãn và chịu va chạm, điều này làm cho nó phù hợp hơn với những tình huống cần cân nhắc cả độ bền và độ dẻo dai, ví dụ như khung xe đạp và ván trượt tuyết trong thiết bị thể thao.

Vải dệt satin: "Miếng cường độ cao"

Satin là quy trình phức tạp nhất và có giá trị cao nhất trong các loại vải sợi carbon về kết cấu. Nguyên lý dệt của nó là: các sợi dọc hoặc sợi ngang sẽ vượt qua nhiều sợi hơn (thường là 3-5 sợi) rồi mới đan chéo vào nhau, tạo thành những điểm đan thưa nhưng đều đặn, cuối cùng cho bề mặt trơn láng tương tự như "satin", với các dấu vết đan gần như không nhìn thấy trên kết cấu, chỉ quan sát được những thay đổi tinh tế về độ bóng.
Về mặt ngoại hình, vải satin có độ phẳng bề mặt cao và ánh sáng mờ mềm mại khi tiếp xúc với ánh sáng, mang lại cảm giác sang trọng, do đó thường được sử dụng trong các sản phẩm cao cấp có yêu cầu khắt khe về thẩm mỹ – ví dụ như các tấm ốp nội thất của du thuyền sang trọng, vỏ đồng hồ cao cấp và các tác phẩm nghệ thuật sợi carbon tùy chỉnh. Xét về hiệu năng, do số điểm liên kết đan chéo rất ít, các sợi vải satin gần như ở trạng thái "sắp xếp song song", từ đó tối đa hóa được đặc tính cường độ cao vốn có của các sợi carbon, đặc biệt là độ bền kéo theo một hướng đơn, vượt trội hơn so với kiểu dệt cơ bản và dệt chéo; đồng thời, bề mặt nhẵn mịn cũng giảm ma sát giữa vải và các bộ phận khác, phù hợp làm lớp bề mặt cho các bộ phận chuyển động của máy móc chính xác.
Tuy nhiên, nhược điểm của vải satin cũng rất rõ ràng: các điểm liên kết thưa dẫn đến độ ổn định cấu trúc kém hơn, độ bền thấp theo hướng vuông góc với các bó sợi filament, và quá trình sản xuất phức tạp, chi phí cao hơn nhiều so với dệt chéo (plain weave) và dệt bố (twill).

Vải một chiều (UD): "Bánh Cường độ Cao Định hướng"

Vải một chiều được dệt theo cách rất khác biệt so với cấu trúc "dọc và ngang" của vải dệt bố, cốt lõi của nó nằm ở việc "sắp xếp một chiều rõ ràng": hơn 90% các sợi carbon được sắp xếp song song với nhau theo một hướng duy nhất là 0°, chỉ có một số lượng nhỏ các sợi to nhỏ hơn được neo nhẹ theo hướng ngang để ngăn tình trạng tuột sợi mà không đảm nhận vai trò chịu lực chính. Cấu trúc này không phải là kiểu dệt truyền thống, mà gần giống hơn với "một mảng các bó sợi được cố định đơn giản".
Kết cấu rất đều, bề mặt thể hiện rõ các vân song song theo một hướng, và hướng ngang của các bó sợi rất mảnh, khó phát hiện, tổng thể đơn giản về thị giác nhưng sắc nét, giàu chất liệu công nghiệp. Về hiệu năng, ưu điểm của vải một chiều tập trung vào "cực hạn định hướng" - độ bền kéo được tập trung hoàn toàn theo hướng 0°, có thể cao hơn từ 1,5 đến 2 lần so với vải dệt chéo, và có khả năng truyền tải ứng suất dọc trục mà không bị hao hụt. Đồng thời, do có ít điểm đan chéo hơn nên nhẹ hơn và mỏng hơn từ 15-20% so với vải dệt chéo cùng cấp độ bền.
Đặc tính này làm cho nó đặc biệt phù hợp với các kết cấu chịu lực theo một hướng, chẳng hạn như dầm chính của cánh quạt tuabin gió, gia cố mũi tên tên lửa hoặc khung máy bay không người lái, nơi mà nó có thể chịu được tải trọng định hướng đồng thời đạt được giảm trọng lượng đáng kể.

Vải dệt kim cuộn nhiều trục (NCF): "Các bộ cân bằng đa hướng"

Vải nhiều trục phức tạp hơn nhiều so với vải dệt chéo, cốt lõi của nó là "lớp đặt theo nhiều hướng + khâu định hình toàn bộ": đầu tiên, các sợi carbon được xếp lớp song song theo các hướng 0°, +45°, -45°, 90° và các hướng khác (thông thường từ 3 đến 5 hướng), và các sợi theo mỗi hướng được bố trí độc lập, không đan xen vào nhau; sau đó tất cả các lớp này được khâu cố định lại với nhau bằng chỉ khâu có độ bền cao. Sau đó, tất cả các lớp được khâu lại với nhau bằng chỉ may cường độ cao để tạo thành một tấm vải hoàn chỉnh, nhờ đó hoàn toàn vượt qua giới hạn của vải dệt chéo với kiểu "đan chéo theo hai hướng".
Đặc điểm hình ảnh của loại vải này rất nổi bật: bề mặt không có kết cấu đường chéo như vải twill, mà thay vào đó thể hiện một kết cấu lớp mỏng tinh tế, với các bó tơ tằm theo hướng khác nhau chồng lên nhau một cách hơi thô nhưng đều đặn, và các sợi chỉ khâu được phân bố trên bề mặt dưới dạng một mạng lưới mịn, đây là điểm nhận diện đặc trưng.
Về hiệu suất, vải Multi-Axial có ưu điểm về "cân bằng đa hướng": độ bền vượt trội theo các hướng 0°, 90°, ±45°, v.v. Đặc biệt, khả năng chịu cắt của nó cao hơn vải twill từ 30% đến 50%, đồng thời có thể chịu được nhiều loại tải trọng phức tạp như kéo, uốn và cắt cùng lúc. Sản phẩm cũng cho phép điều chỉnh tỷ lệ các bó sợi theo từng hướng tùy theo nhu cầu, phù hợp với các kết cấu chịu lực đa hướng phức tạp như khung gầm ô tô, thân tàu, đế gắn ván trượt tuyết, khung xe đạp, v.v. Không những phù hợp với các bề mặt cong phức tạp, mà còn sở hữu tính chất cơ học đa hướng tuyệt vời.

Hình xăm bóng đá: Thẩm mỹ

Họa tiết bóng đá áp dụng một kiểu dệt "sinh học hình học" độc đáo, trong đó các sợi carbon được dệt thành sự kết hợp liên tục dạng lục giác hoặc ngũ giác của cấu trúc tổ ong thông qua thiết bị đặc biệt, và các đơn vị này khớp nối chặt chẽ với nhau, hoàn toàn khác biệt so với nguyên lý dệt chéo "sợi dọc và sợi ngang đan xen" của vải dệt chéo. Nhận diện bằng mắt của nó cực kỳ cao: bề mặt phủ đầy các hình lục giác đều, các cạnh sắc nét, cảm giác ba chiều mạnh mẽ, và khi ánh sáng chiếu vào, các góc cạnh hiện rõ ràng, tạo ra sự tương phản mạnh mẽ giữa sáng và tối, mang lại cảm giác căng mướt về thiết kế và tính công nghệ cao hơn hẳn so với vải dệt chéo.
Về hiệu suất, họa tiết bóng đá kết hợp cả giá trị và hiệu suất cơ bản: cấu trúc lục giác có thể phân tán lực căng đều, khả năng chống biến dạng tốt hơn so với họa tiết trơn; mật độ dệt cao khiến khoảng cách giữa các sợi filament nhỏ, độ chống mài mòn tốt hơn so với vải bố và có khả năng chống xước nhẹ. Do đó, họa tiết này đặc biệt phù hợp với các sản phẩm ưu tiên về ngoại hình và yêu cầu độ bền hàng ngày, như vỏ điện thoại cao cấp, dụng cụ thể thao, mặt túi cao cấp và vỏ thiết bị thông minh, v.v. Họa tiết không chỉ tăng tính thời trang mà còn đáp ứng nhu cầu về độ bền ở cấp độ người tiêu dùng.