Sợi carbon – những điều ít ai biết

Những dấu son lịch sử

Ít ai nghĩ sợi carbon (Carbon fiber – CF) được sáng chế vào năm 1879 bởi Thomas Edison và được coi là loại sợi tổng hợp cổ nhất của loài người, lại có giá trị lớn lao đến thế đối với sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện đại. Ban đầu, nhà phát minh này đã sử dụng sợi carbon làm dây tóc của bóng đèn. Mặc dù lúc đó sợi sợi carbon không giống như sợi carbon ngày nay, nhưng chúng lại có sức chịu đựng đáng kể với nhiệt độ, điều này khiến cho sợi carbon trở thành ý tưởng không tồi cho các loại sợi dẫn điện.

Edison chế tạo sợi carbon dựa trên chất xenluloza gồm có cotton hoặc tre, hoàn toàn không giống như sợi carbon ngày nay làm từ dầu mỏ. Sự carbon hóa được tiến hành từ việc đốt cháy các sợi tre ở nhiệt độ cao trong môi trường tiêu chuẩn dưới sự kiểm soát chặt chẽ. Thomas Edison đã mất 40 giờ đốt cháy liên tục vật chất trên nhằm loại bỏ oxy, nitơ, hydro và chỉ giữ lại carbon để tạo ra những sợi carbon đầu tiên trên thế giới. Phương pháp chế tạo trên được gọi là “nhiệt phân” và vẫn được dùng trong thời đại ngày nay. Kết quả là những sợi tre được “carbon hóa” có khả năng chịu lửa và nhiệt độ cao – điều kiện cần thiết cho sự cháy sáng của dây tóc bóng đèn.

Mô phỏng sợi carbon phóng to

Về sau, đến tận những năm 1950 khả năng kéo giãn của sợi carbon mới được khám phá. Người đầu tiên được cho là tạo ra sợi carbon ngày nay có tên là Rayon. Ngày nay, sợi carbon hiện đại được sản xuất bởi một vật liệu có tên là polyacrylonitrile (PAN), đây cũng là nguyên liệu được sử dụng để sản xuất hầu hết khối lượng sợi carbon hiện tại.

Tại sao sợi carbon nhẹ và bền?

Có tới hơn 90% sợi carbon được tạo thành từ những nguyên tố carbon, tất nhiên khối lượng nguyên tử của nguyên tố carbon nhẹ hơn nguyên tố kim loại.

Chúng ta đều biết các vật chất có cấu tạo từ nguyên tử carbon đều rất nhẹ. Ví dụ như kim cương, than củi, than hoạt tính và than chì đều được cấu thành từ những nguyên tử carbon. Với cấu tạo của mình, sợi carbon cũng thuộc nhóm này và có tính chất tương đồng kim cương. Kim cương là vật liệu cứng và bền nhất trong khi than chì mềm và trơn. Sự khác nhau giữa chúng xuất phát từ nguyên nhân cấu trúc tinh thể khác nhau. Có thể hiểu đơn giản than củi mềm do cấu trúc tinh thể sắp xếp không theo trật tự, không bền vững trong khi cấu trúc tinh thể kim cương rất trật tự và đồng đều nên rất bền. Kim cương có cấu trúc tinh thể carbon ba chiều trong khi sợi carbon có cấu trúc mạng lưới hai chiều với các nguyên tố carbon sắp xếp trật tự thẳng hàng và quấn lấy nhau.

Tóm lại, sợi carbon bền khi nó ít lẫn các nguyên tố khác và sắp xếp trật tự.

Sở hữu tính chất vượt trội so với kim loại

Những lợi ích mang lại từ loại sợi carbon là quá rõ ràng: nó có trọng lượng nhẹ hơn nhiều so với thép nhưng lại có độ bền lớn hơn nhiều so với thép. Ngoài ra, những lợi ích quan trọng của sợi carbon còn phải kể đến như sức khả năng chịu kéo giãn lớn, tính đàn hồi thấp. Chính những yếu tố này đã đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ cứng cho kết cấu hình nón ở mũi máy bay siêu âm.

Hình ảnh quen thuộc của sợi carbon

Sợi carbon trên thị trường thường có đường kính 7 - 10 μm được cấu tạo từ khoảng 30.000 sợi đơn. Các sợi đơn gồm những tấm graphit mỏng thẳng, xoắn hoặc cuộn vào nhau. Tính chất của sợi phụ thuộc vào sự định hướng của các tấm graphit đó.

Nói vậy không có nghĩa sợi carbon không có nhược điểm, sợi carbon dòn và có thể dẫn điện và tạo điều kiện cho quá trình ăn mòn điện hóa kim loại. Vì vậy, các các chi tiết làm từ sợi carbon thường có lớp vật liệu khác như nhựa tráng phủ bên ngoài.

Ngày càng được ứng dụng rộng rãi

Trong những thập kỉ gần đây, sợi carbon bắt đầu được ứng dụng rộng rãi tới lĩnh vực thương mại, máy bay dân dụng, công nghiệp, giao thông vận tải. Nó cũng được sử dụng ở những môi trường mà khắc nghiệt: nhiệt độ cao, hóa chất trơ, nhiều rung động đóng vai trò quan trọng.

Ngày nay, Mỹ là thị trường lớn nhất thế giới chiếm 60% tổng sản lượng sợi carbon trong khi Nhật Bản là quốc gia sản xuất tới 50% tổng sản lượng toàn cầu. Nhà máy sản xuất sợi carbon lớn nhất thế giới được đặt tại Nhật Bản với tên gọi Toray Industries of Japan. Toàn bộ lượng sợi carbon chưa thành phẩm (sợi đơn) hầu như đều được sản xuất tại Nhật Bản.

Theo Công ty TNHH Mitsubishi Rayon (Tokyo, Nhật Bản), một công ty chuyên sản xuất sợi carbon, lượng sợi carbon ứng dụng trong các mặt hàng liên quan tới thể thao trên toàn thế giới đã đạt ngưỡng 5.000 mặt hàng.

Một chiếc Aston Martin độ toàn bộ phần thân vỏ bằng sợi carbon

Trong tương lai, chắc hẳn sợi carbon vẫn là một loại vật liệu nhẹ đáng tin cậy cho rất nhiều hãng sản xuất trên thế giới. Vấn đề bây giờ cần giải quyết là giá cả cho loại vật liệu ưu việt này vẫn ở mức quá cao khiến nó chưa được áp dụng thực sự phổ biến trong nhiều lĩnh vực.

Thảo Đỗ