Còn được gọi là sợi than chì hoặc than chì carbon, sợi carbon bao gồm các sợi rất mỏng của nguyên tố carbon. Những sợi này có độ bền kéo cao và cực kỳ bền so với kích thước của chúng. Trên thực tế, một dạng sợi carbon—ống nano carbon—được coi là vật liệu bền nhất hiện có. Các ứng dụng sợi carbon bao gồm xây dựng, kỹ thuật, hàng không vũ trụ, phương tiện hiệu suất cao, thiết bị thể thao và nhạc cụ. Trong lĩnh vực năng lượng, sợi carbon được sử dụng trong sản xuất cánh cối xay gió, dự trữ khí đốt tự nhiên và pin nhiên liệu cho giao thông vận tải. Trong ngành công nghiệp máy bay, nó có ứng dụng trong cả máy bay quân sự và thương mại, cũng như máy bay không người lái. Để thăm dò dầu, nó được sử dụng trong sản xuất các giàn khoan và đường ống nước sâu
Thông tin nhanh. Thống kê sợi carbon
- Mỗi sợi carbon có đường kính từ 5 đến 10 micron. Để cho bạn biết nó nhỏ như thế nào, một micron [um] bằng 0. 000039 inch. Một sợi tơ mạng nhện thường có kích thước từ 3 đến 8 micron
- Sợi carbon cứng gấp đôi thép và bền gấp 5 lần thép, [trên một đơn vị trọng lượng]. Chúng cũng có khả năng kháng hóa chất cao và có khả năng chịu nhiệt độ cao với độ giãn nở nhiệt thấp
nguyên liệu
Sợi carbon được làm từ polyme hữu cơ, bao gồm các chuỗi phân tử dài được liên kết với nhau bằng các nguyên tử carbon. Hầu hết các sợi carbon [khoảng 90%] được làm từ quy trình polyacrylonitrile [PAN]. Một lượng nhỏ [khoảng 10%] được sản xuất từ tơ nhân tạo hoặc quá trình chiết xuất từ dầu mỏ.
Khí, chất lỏng và các vật liệu khác được sử dụng trong quy trình sản xuất tạo ra các hiệu ứng, chất lượng và cấp độ cụ thể của sợi carbon. Các nhà sản xuất sợi carbon sử dụng các công thức độc quyền và sự kết hợp các nguyên liệu thô cho các vật liệu mà họ sản xuất và nói chung, họ coi các công thức cụ thể này là bí mật thương mại
Sợi carbon cấp cao nhất với mô đun hiệu quả nhất [hằng số hoặc hệ số được sử dụng để biểu thị mức độ bằng số mà một chất sở hữu một tính chất cụ thể, chẳng hạn như tính đàn hồi] được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe như hàng không vũ trụ
Quy trình sản xuất
Tạo sợi carbon liên quan đến cả quá trình hóa học và cơ học. Nguyên liệu thô, được gọi là tiền chất, được kéo thành sợi dài và sau đó được nung ở nhiệt độ cao trong môi trường kỵ khí [không có oxy]. Thay vì đốt cháy, nhiệt độ cực cao khiến các nguyên tử sợi rung động dữ dội đến mức gần như tất cả các nguyên tử phi carbon đều bị trục xuất
Sau khi quá trình cacbon hóa hoàn tất, sợi còn lại được tạo thành từ các chuỗi nguyên tử cacbon dài, lồng vào nhau chặt chẽ với ít hoặc không còn nguyên tử phi cacbon nào. Những sợi này sau đó được dệt thành vải hoặc kết hợp với các vật liệu khác sau đó được quấn thành sợi hoặc đúc thành các hình dạng và kích cỡ mong muốn
Năm phân đoạn sau đây là điển hình trong quy trình PAN để sản xuất sợi carbon
- kéo sợi. PAN được trộn với các nguyên liệu khác và xe thành sợi, sau đó được rửa sạch và kéo căng
- ổn định. Các sợi trải qua thay đổi hóa học để ổn định liên kết
- cacbon hóa. Các sợi ổn định được nung ở nhiệt độ rất cao tạo thành các tinh thể carbon liên kết chặt chẽ
- xử lý bề mặt. Bề mặt của sợi được oxy hóa để cải thiện đặc tính liên kết
- định cỡ. Xơ được tráng và quấn trên suốt chỉ, được đưa vào máy kéo sợi để xoắn xơ thành các sợi có kích thước khác nhau. Thay vì được dệt thành vải, sợi cũng có thể được tạo thành vật liệu composite, sử dụng nhiệt, áp suất hoặc chân không để liên kết các sợi với nhau bằng polyme nhựa
Các ống nano carbon được sản xuất thông qua một quy trình khác với sợi carbon tiêu chuẩn. Được ước tính mạnh hơn 20 lần so với tiền thân của chúng, các ống nano được rèn trong các lò sử dụng tia laze để làm bay hơi các hạt carbon
Thách thức sản xuất
Việc sản xuất sợi carbon mang một số thách thức, bao gồm
- Nhu cầu phục hồi và sửa chữa hiệu quả hơn về chi phí
- Chi phí sản xuất không bền vững cho một số ứng dụng. Ví dụ, mặc dù công nghệ mới đang được phát triển, do chi phí cao, việc sử dụng sợi carbon trong ngành công nghiệp ô tô hiện chỉ giới hạn ở các loại xe hiệu suất cao và sang trọng.
- Quá trình xử lý bề mặt phải được điều chỉnh cẩn thận để tránh tạo ra các vết rỗ dẫn đến các sợi bị lỗi
- Kiểm soát chặt chẽ cần thiết để đảm bảo chất lượng phù hợp
- Các vấn đề về sức khỏe và an toàn bao gồm kích ứng da và hô hấp
- Hồ quang và đoản mạch trong thiết bị điện do tính dẫn điện mạnh của sợi carbon
Tương lai của sợi carbon
Khi công nghệ sợi carbon tiếp tục phát triển, khả năng của sợi carbon sẽ chỉ đa dạng hóa và tăng lên. Tại Viện Công nghệ Massachusetts, một số nghiên cứu tập trung vào sợi carbon đã cho thấy rất nhiều hứa hẹn về việc tạo ra công nghệ và thiết kế sản xuất mới để đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp mới nổi
Phó Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí của MIT John Hart, người tiên phong sử dụng ống nano, đã làm việc với các sinh viên của mình để chuyển đổi công nghệ cho sản xuất, bao gồm cả việc xem xét các vật liệu mới sẽ được sử dụng cùng với máy in 3D cấp thương mại. Hart giải thích: “Tôi đã yêu cầu họ suy nghĩ hoàn toàn ngoài đường ray; liệu họ có thể hình dung ra một máy in 3D chưa từng được sản xuất trước đây hoặc một vật liệu hữu ích không thể in bằng máy in hiện tại hay không”.
Kết quả là những chiếc máy nguyên mẫu in thủy tinh nóng chảy, kem mềm — và vật liệu tổng hợp sợi carbon. Theo Hart, các nhóm sinh viên cũng đã tạo ra những cỗ máy có thể xử lý “đùn polyme song song trên diện rộng” và thực hiện “quét quang học tại chỗ” của quy trình in
Ngoài ra, Hart đã làm việc với Phó Giáo sư Hóa học Mircea Dinca của MIT trong một sự hợp tác kéo dài ba năm gần đây với Automobili Lamborghini để điều tra các khả năng của sợi carbon và vật liệu composite mới mà một ngày nào đó có thể không chỉ "cho phép thân xe hoàn chỉnh được . "
Với những bước đột phá tuyệt vời như vậy, không có gì ngạc nhiên khi thị trường sợi carbon được dự đoán sẽ tăng từ 4 đô la. 7 tỷ vào năm 2019 đến 13 đô la. 3 tỷ vào năm 2029, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm [CAGR] là 11. 0% [hoặc cao hơn một chút] trong cùng khoảng thời gian
nguồn
- McConnell, Vicki. "Việc tạo ra sợi carbon. " Thế giới vật liệu tổng hợp. Ngày 19 tháng 12 năm 2008
- Sherman, Đôn. "Vượt ra ngoài sợi carbon. Vật liệu đột phá tiếp theo mạnh hơn gấp 20 lần. "Xe và tài xế. 18 Tháng Ba, 2015
- Randall, Danielle. “Các nhà nghiên cứu của MIT hợp tác với Lamborghini để phát triển một chiếc ô tô điện của tương lai. ” MITMECHE/Trong Tin tức. khoa hóa học. 16 Tháng Mười Một, 2017
- "Thị trường sợi carbon theo Nguyên liệu thô [PAN, Pitch, Rayon], Loại sợi [Virgin, Tái chế], Loại sản phẩm, Modulus, Ứng dụng [Composite, Non-composite], Công nghiệp sử dụng cuối [A & D, Ô tô, Năng lượng gió . " MarketsandMarkets™. tháng 9 năm 2019
Trích dẫn bài viết này
Định dạng
trích dẫn của bạn
Johnson, Todd. "Sợi carbon được tạo ra như thế nào?" . https. //www. suy nghĩ. com/how-is-carbon-fiber-made-820391 [truy cập ngày 6 tháng 2 năm 2023]