Sợi carbon là gì? Điều gì làm cho loại "vật liệu ngôi sao" này lại tốt đến vậy?

Khi nhắc đến sợi carbon, bạn có thể đã từng nghe thấy nó trong tin tức - tên lửa mũi tên, thân tàu cao tốc, thiết bị bay không người lái, vỏ xe đua và thậm chí cả những cây vợt cầu lông cao cấp đều có sự hiện diện của nó. Loại vật liệu nghe như "công nghệ đen" này rốt cuộc là gì? Hôm nay, bằng những từ ngữ phổ biến nhất, hãy cùng bạn tìm hiểu về "ngôi sao thế giới vật liệu".

Sợi carbon, về bản chất là "sợi carbon siêu bền"

Nói một cách đơn giản, sợi cacbon là một sợi polymer vô cơ có chứa tới 90% hoặc nhiều hơn cacbon. Nó không phải là kim loại hay nhựa, nhưng là một "băng đá carbon" - một sợi đen được hình thành bởi một quá trình đặc biệt của carbon hóa các sợi hữu cơ (như polyacrylonitrile và nhựa) ở nhiệt độ cao để loại bỏ tạp chất.

Hình thức: chỉ khoảng 5-10 micromét đường kính (khoảng 1/10 sợi tóc), nhìn bằng mắt thường giống như sợi chỉ cotton hay len màu đen, nhưng khi chạm vào lại cứng hơn dây sắt.

Đặc điểm: "Nhẹ, bền, chịu lực, ổn định."

(1) Độ bền gấp 7-9 lần thép, độ dẻo dai vượt xa sợi thủy tinh;
(2) Mật độ chỉ 1,7g/cm³, nhẹ hơn nhôm (mật độ nhôm 2,7g/cm³)
(3) Chịu được nhiệt độ cao (không nóng chảy ở trên 2000℃), chống ăn mòn (không sợ axit và kiềm), không dẫn điện (có thể dẫn điện nếu xử lý đặc biệt).

Hiệu suất "vượt trội": nhẹ một cách phi lý mà lại cứng một cách đáng kinh ngạc

Sự ưu việt của sợi carbon hoàn toàn được "hậu thuẫn" bởi ba lợi thế cốt lõi:

（1）Nhẹ tựa lông vũ, nhưng chắc hơn thép：

Mật độ chỉ 1,7-2,0g/cm³ (bằng 1/4 thép, 2/3 hợp kim nhôm), nhưng độ bền kéo có thể đạt 3000-7000MPa (cao hơn thép hơn 10 lần), một sợi dây bằng sợi carbon dày bằng ngón tay có thể nâng được ô tô nặng vài tấn.

（2）Độ cứng bùng nổ, ổn định như đá tảng:

Mô đun đàn hồi (đơn vị đo độ cứng) đạt 200-600GPa, gần như không biến dạng khi chịu lực, dùng làm giá đỡ vệ tinh có thể duy trì tư thế chính xác trong không gian.

（3）Các tính năng "chống phá hủy" được phát huy tối đa:

Chống nhiệt độ cao (môi trường trơ để mang 2000 ° C), chống axit và kiềm (biển với nhiều thập kỷ không ăn mòn), chống mệt mỏi (lực lặp đi lặp lại không dễ vỡ), kim loại phía trước nó phải "chỉ nhượng thất bại".

Tại sao sợi carbon là một "vật liệu chiến lược quốc gia"?

Sợi cacbon cực kỳ khó sản xuất, và chỉ có một vài quốc gia trên thế giới có thể sản xuất hàng loạt sợi cacbon cao cấp (chủ yếu là Trung Quốc, Nhật Bản và Hoa Kỳ). Nó không chỉ là "đá treo" của sản xuất cao cấp, mà còn liên quan đến các lĩnh vực cốt lõi như an ninh hàng không vũ trụ và quốc phòng.

Ví dụ, trong quân đội, sợi cacbon có thể được sử dụng để sản xuất thân máy bay chiến đấu tàng hình (thâm nhập sóng), thân tên lửa (dễ để tăng tầm bắn); trong lĩnh vực năng lượng mới, lưỡi máy gió càng dài, hiệu quả sản xuất điện càng cao, và chỉ có sợi cacbon có thể hỗ trợ
Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp sợi carbon của Trung Quốc đã có bước đột phá nhanh chóng, từ chỗ phụ thuộc vào nhập khẩu đã đạt được sản xuất hàng loạt độc lập, và thậm chí ở một số lĩnh vực (như điện gió, dụng cụ thể thao) đã chiếm vị trí thống trị trên thị trường toàn cầu.

Sợi carbon được "sản xuất" như thế nào?

Sự ưu việt của sợi carbon hoàn toàn được "hậu thuẫn" bởi ba lợi thế cốt lõi:

（1）Chuẩn bị sợi sơ cấp

Polyacrylonitrile (PAN), nhựa than đá và các nguyên liệu khác, thông qua quá trình kéo sợi để tạo ra "sợi thô" (tương tự như sợi hóa học). Bước này là nền tảng, chất lượng của sợi thô trực tiếp quyết định hiệu suất của sợi carbon (Trung Quốc từng bị "mắc kẹt" ở bước này trong thời gian dài).

（2）Cacbon hóa

Sợi thô được gia nhiệt dần lên mức 1.000-3.000 độ C trong môi trường khí trơ (để tránh cháy), loại bỏ các nguyên tố như hydro và oxy, chỉ còn lại các phân tử carbon. Sau bước này, hàm lượng carbon trong sợi tăng từ 50% lên hơn 90%, làm tăng đáng kể độ bền và độ cứng.

（3）Xử lý hậu kỳ

Tùy thuộc vào ứng dụng , sợi carbon được dệt thành vải, cuốn thành ống hoặc kết hợp với nhựa, kim loại, v.v., để tạo thành "vật liệu composite sợi carbon" (như những gì chúng ta thường gọi là "tấm sợi carbon" và "ống sợi carbon").

【Kiến Thức Lạnh Về Sợi Carbon】

Hỏi: Vì sao nó có màu đen?
Đáp: Cấu trúc graphite hấp thụ gần như toàn bộ ánh sáng khả kiến.

Hỏi: Sợ lửa không?
Đáp: Oxy hóa bắt đầu ở 400°C trong không khí, nhưng khoang chứa sử dụng nó như một lớp chắn nhiệt.

Q: Có thể tái chế không?
Đáp: BMW đã thực hiện việc tái chế các bộ phận ô tô từ phế liệu sợi carbon.