Sợi carbon – 'bảo bối' trên siêu xe

Sợi carbon (carbon fiber) lần đầu tiên được Joseph Wilson Swan sản xuất và sử dụng trong bóng đèn sợi đốt từ những năm 1850. Sau 19 năm, Thomas Edison sử dụng dây tóc sợi carbon dựa trên sợi xenlulose trong một số bóng đèn. Khả năng chịu nhiệt cao khiến sợi carbon trở thành vật dẫn điện lý tưởng. Những sợi carbon được làm bằng bông hoặc tre, và được nung ở nhiệt độ cao để tạo ra quá trình carbon hóa, trái ngược với nguyên liệu thô dựa trên dầu mỏ ngày nay. Tu🌠y nhiên khi sợi volfram trở thành lựa chọn chính làm dây tóc bóng đèn vào đầu những năm🐟 1900, sợi carbon trở nên lỗi thời trong khoảng nửa thế kỷ.

Năm 1958, tại Trung tâm Kỹ thuật Union Carbide Parma ở Cleveland, Ohio, Mỹ, Roger Bacon tình cờ tạo ra sợi carbon đầu tiên từ dầu mỏ khi ông nung nóng sợi rayon cho đến khi bị carbon hóa. Ông nhận thấy các sợi tóc mọc trên điện cực âm của lò điện quang, nhưng các sợi tạo thành chỉ có khoảng 20% carbon và gần như không có đặc tính về độ cứng và độ bền, làm cho quy trình của Bacon kém hiệu quả và tốn kém. Tuy nhiên đây là sợi carbon hiệu suất cao (high-performan𓂃ce carbon) đầu tiên được phát hiện.

Cho đến những năm 1960, tiến sĩ Akio Shindo, thuộc cơ quan Khoa học và Công nghệ Công nghiệp ở Nhật Bản, đã sử dụng polyacrylonitrile (PAN) – một chất nhựa polyme hữu cơ ๊tổng hợp - làm nguyên liệu thô. PAN cho phép ông tạo ra các sợi carbon có hàm lượng 55% carbon bằng cách sử dụng phương pháp sản xuất hiệu quả với chi phí thấp.

Năm 1963, các nhà khoa học W.Watt, L🌄N Phillips và W.Johnson thuộc Bộ Quốc phòng Anh, đã được cấp bằng sáng chế cho một quy trình sản xuất sợi carbon mới, tạo ra sản phẩm sợi carbon cứng và bền hơn nhiều so với các quy trình trước đó.

Trong suốt những năm 1960, công việc thử nghiệm nhằm tìm ra các nguyên liệu thô thay thế đã dẫn đến sự ra đời của sợi carbon trong quá trình chế biến dầu mỏ. Những sợi carbon ở thời điểm này chứa khoảng 85% carbon và có độ bền và khả năng uốn nắn. Ngoài ra, Chính phủ Nhật Bản đã hỗ trợ rất nhiều trong việc phát triển sọi carbon trong nước và một số công ty Nhật Bản như Mitsubishi, Nippon Carbon đã phát triển và tự sản xuất riêng. Kể từ cuối những năm 1970, các loại sợi carඣbon đã gia nhập thị trường toàn cầu, cung cấp độ bền và khả năng đàn hồi cao hơn.

Sợi carbon thường được cung cấp dưới dạng một cuộn dây kéo liên tục vào trục quay. Một bó hàng nghìn sợi carbon riêng lẻ liên tục được kéo và giữ lại với nhau bằng một lớp phủ hữu cơ như polyethyle🌸ne oxide (PEO) hoặc polyvinyl alcohol (PVA). Mỗi sợi dây kéo là một hình trụ liên tục có đường kính từ 5-10 microme💎t và hầu như đều là nguyên tố carbon.

Tùy thuộc vào tiền chất để tạo ra sợi, sợi carbon có thể là cấu trúc tinh thể turbostratic hoặc graphitic, hoặc có cấu trúc lai với cả hai. Trong sợi carbon turbostratic, các nguyên tử carbon được gấp lại và xáo trộn với nhau. Sợi carbon có nguồn gốc từ PAN là turbostratic có xu hướng độ bền cao, trong khi sợi carbon có nguồn gốc từ mesophase (trạng thái vật chất trung gian giữa chất lỏng và rắn) là graphitic sau khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ vượt quá 2.200 độ C, có độ cứng, khả nă♕ng chống giãn khi chịu tải và độ dẫn nhiệt cao.

Nhu cầu sợi carbon mạnh nhất ở thời điểm hiện tại đến từ ngành hàng không 𒅌vũ trụ, năng lượng gió và ngành công nghiệp ôtô với loại nhựa epoxy cũng được tối ưu hóa.

Ngành công nghiệp ôtô sử dụng sợi carbon với lớp nhựaꦍ epoxy, giữ các sợi không chuyển động theo mọi hướng và tạo nên bộ phận rắn chắc. Đi kèm theo một lớp phủ trên cùng, tạo độ bóng mang giá trị thẩm mĩ. Sợi carbon chủ yếu được sử dụng trên những chiếc xe đua, xe thể thao nhằm giảm trọng lượng do sợi carbon có trọng lượng nhẹ, ngoài ra có độ bền lớ♑n hơn so với các chất liệu khác.

Sợi♐ carbon có nhiều kiểu dệt với nhiều mục tiêu khác nhau như dệt đơn hướng, đan chéo🐓, trơn.

Ngoài ra, có vật liệu từ carbon khác là composite gia cố sợi🅰 carbon, được Lamborghini đăng ký sử dụng từ năm 2018. Khác với sợi carbon thông thường, composite gia cố sợi carbon được chế tạo từ hỗn♒ hợp các sợi hoặc sợi carbon cắt nhỏ, được ép dưới áp lực cao thành dạng như nhựa ở thể rắn. Kiểu dáng của fordged composite có màu sắc cẩm thạch, hoàn toàn ngẫu nhiên khi xuất xưởng và dễ ứng dụng về mặt thẩm mỹ.

Forged composite cho phép tạo ra các hình dạng với độ chính xác cao hơn so với sợi carbon truyền thống, đồng 𝔍thời làm tăng độ bền trung bình và giảm sự biến đổi nhờ chứa làm lượng sợi carbon cao hơn. Ước tính composite gia cố sợi carbon sử dụng khoảng 500.000 sợi đan xen trên mỗi inch vuông, các sợi chứa nguyên tử carbon đan xen và gấp khúc căn chỉnh theo chiều dài của sợi, việc đan xen đã cải thiện độ bền.

Do có tính chất cắt nhỏ, composite gia cố sợi carbon có thể đúc thành các hình 🌳học phức tạp so với sợi carbon truyꦕền thống, thích hợp để chế tạo các bộ phận ba chiều và các bộ phận có chi tiết phức tạp như chuyển độ dày, độ cong phức hợp.

Ngoài Lamborghini, nhiều hãng xe khác cũng áp dụng sợ𓆏i carbon này trên mẫu xe của mình, như nắp sau của Toyota Prius Prime, bảng điều khiển Aston Martin DB11, cửa Maserati MC20.

Tuy nhiên, sợi carbon cũng có những khuyết điểm riêng như dễ bị vỡ khi vượt༺ quá khả năng chịu lực hoặc chịu tác động mạnh. Không như các chất liệu khác, có thể dễ dàng tái sử dụng, sợi carbon khi bị vỡ khó tái tạo lại mà phải thay thế mới. Mức giá vào khoảng 7-9 USD/0,45 kg, đắt hơn so với sợi thủy tinh hoặc sợi nhựa. Do đó nhiều hãng xe ưu tiên sử dụng sợi nhựa, nhôm hoặc thép để sản xuất nhằm giảm giá thành.

Minh Quân