Tabla de Contenidos
Polyme được gia cố bằng sợi carbon, hay CFRP , là một loại vật liệu composite có mật độ rất thấp, độ bền cao, có ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm từ thiết bị cho các môn thể thao có tính cạnh tranh cao đến ngành hàng không vũ trụ. Mặc dù tên kỹ thuật của nó là vật liệu tổng hợp polymer được gia cố bằng sợi carbon, nhưng hầu hết mọi người gọi loại vật liệu này đơn giản là sợi carbon .
Như tên gọi của chúng, các hợp chất này được hình thành bởi một ma trận polyme hoặc nhựa được gia cố bằng vải sợi carbon có độ bền cao. Các tính chất cuối cùng của hỗn hợp phụ thuộc vào cả loại nhựa được sử dụng và các đặc tính cụ thể của sợi, cũng như cách các sợi được đan xen trong ma trận và hướng của chúng trong vật liệu. Mặt khác, các chất phụ gia khác nhau thường được thêm vào để sửa đổi thêm các thuộc tính của phần kết quả.
ma trận polyme
Ma trận polymer hoàn thành chức năng giữ các sợi carbon lại với nhau và ở một vị trí cố định; nó cũng định hình phần được thực hiện.Điều này hầu như luôn bao gồm nhựa epoxy được xử lý bằng nhiệt, mặc dù có những trường hợp nhựa được xử lý bằng không khí hoặc một số loại nhựa nhiệt dẻo hoặc polyme khác được sử dụng thay thế.
Trong quy trình sản xuất chi tiết, nhựa epoxy có thể được đưa vào theo nhiều cách khác nhau. Trong một số trường hợp, các tấm sợi carbon đã được ngâm trong nhựa trước khi chúng được xếp chồng lên nhau; trong các trường hợp khác, các lớp nhựa chưa xử lý được đặt, tiếp theo là một tấm sợi carbon, sau đó là một lớp nhựa khác, v.v.
sợi carbon
Quy trình sản xuất sợi carbon
Quy trình sản xuất sợi carbon rất khéo léo. Về bản chất, nó bao gồm bước đầu tiên là sản xuất và kéo sợi một loại sợi polyme tổng hợp, tức là một loại nhựa. Điều này có thể được điều chế ở dạng sợi, bằng cách nấu chảy một loại nhựa tổng hợp đã được tổng hợp và sau đó kéo căng nó khi nó vẫn còn nóng, hoặc bằng cách kéo nó khi nó polyme hóa. Trong mọi trường hợp, kết quả cuối cùng là một sợi polyme được tạo thành từ các chuỗi có hàng nghìn nguyên tử carbon, cộng với hydro, oxy và có thể là một số nguyên tố khác.
Sau khi có được cấu trúc cơ bản của sợi, bước tiếp theo là quá trình cacbon hóa vật liệu, nghĩa là tất cả các nguyên tử khác của cấu trúc đều bị loại bỏ. Điều này thường đạt được bằng cách làm nóng các suốt chỉ sợi tổng hợp đến nhiệt độ cao, trong điều kiện chân không hoặc trong môi trường trơ (nghĩa là không có oxy).
Quy trình sản xuất các loại sợi này rất khác nhau giữa các nhà sản xuất. Chất lượng và các tính chất hóa học và cơ học phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp tổng hợp và sản xuất, bên cạnh cách các sợi được đan xen khi chuẩn bị các tấm mà sau này sẽ tạo thành hỗn hợp. Vì lý do này, vật liệu tổng hợp sợi carbon có thể được tìm thấy trong các bài thuyết trình khác nhau và với các mức giá rất đa dạng.
Laminate sợi carbon
Sợi carbon có thể được đưa vào ma trận nhựa ở dạng tấm chứa sợi đơn hướng, được định hướng chiến lược để gia cố mảnh cuối cùng theo các hướng nhất định. Độ bền cơ học của sợi về cơ bản xảy ra dọc theo trục của nó, vì vậy nếu bạn muốn sản xuất một bộ phận có khả năng chống uốn theo các hướng khác nhau, thì các sợi chạy qua bộ phận theo các hướng nói trên nhất thiết phải được đưa vào vật liệu. .
Cái sau thường được thực hiện theo một trong hai cách. Cách thứ nhất, ít tốn kém nhất, là lấy các tấm trong đó tất cả các sợi được định hướng theo cùng một hướng và xếp chúng theo các hướng khác nhau. Một lựa chọn rất phổ biến và hiệu quả là xếp chồng ba tờ được đặt ở các góc 0°, +60° và -60° với nhau. Thiết lập này cho phép độ bền tương đối đồng đều theo mọi hướng với lượng sợi carbon xếp chồng lên nhau ở mức tối thiểu.
Một lựa chọn rất phổ biến khác, mặc dù đắt hơn nhiều, là sử dụng các tấm sợi carbon được dệt vuông góc, nghĩa là giống như cách các sợi được dệt để tạo ra vải. Chứa các sợi theo hai hướng vuông góc đã tăng cường độ bền cho vật liệu theo hai hướng, nhưng kiểu dệt có thêm lợi ích lớn là giảm đáng kể xu hướng các tấm vải tách ra khỏi nhau khi vật liệu chịu lực căng và uốn, đây là một kiểu rất phổ biến thất bại trong loại vật liệu nhiều lớp này.
Sản xuất các bộ phận bằng hợp chất CFRP có tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao ;
Như đã đề cập trước đó, các bộ phận được tạo ra bằng cách ép các sợi carbon xen kẽ với một số loại nhựa, nhưng hình dạng chung của bộ phận được tạo ra bằng cách sử dụng khuôn. Thật vậy, quy trình sản xuất bao gồm bắt đầu với một lớp nhựa trên bề mặt bên trong của khuôn, sau đó đặt một tấm sợi carbon có thể nhìn thấy từ bên ngoài, sau đó là một lớp nhựa khác và quá trình này được lặp lại.
Trong trường hợp sản xuất các bộ phận không yêu cầu lực đặc biệt cao, chỉ cần ép khuôn trong khi nhựa đông cứng là đủ, và trong một số trường hợp, nó cũng thường được làm nóng. Tuy nhiên, khi nói đến các bộ phận quan trọng phải có lực cản tối đa có thể, chẳng hạn như các bộ phận của thân máy bay hoặc cánh của xe Công thức 1, các bộ phận đó cần phải được hút chân không để loại bỏ bất kỳ bong bóng nào có thể có trong cấu trúc .điều đó có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của nó.
Ngoài ra, trong những trường hợp này, các mảnh cũng thường được ủ trong nồi hấp để xử lý nhựa nhanh hơn. Yêu cầu này làm cho việc sản xuất các bộ phận bằng sợi carbon trở nên rất tốn kém; Đó là chưa kể các tấm sợi carbon vốn đã đắt đỏ đáng kể.
Nhược điểm này, cũng như một số nhược điểm khác liên quan đến độ dẫn điện của vật liệu và nhiều chế độ hỏng hóc khó mô hình hóa trong các giai đoạn thiết kế bộ phận, có nghĩa là vật liệu tổng hợp CFRP không thể được sử dụng hết tiềm năng của chúng trong nhiều ứng dụng chính. Một ví dụ về điều này đã được thấy khi SpaceX từ bỏ ý định chế tạo tàu vũ trụ hàng đầu tiếp theo của mình, Starship, bằng sợi carbon. Đơn giản là quá đắt và không thực tế để chế tạo một nồi hấp đủ lớn để chế tạo các bộ phận khác nhau của tàu vũ trụ, vì vậy họ quyết định sử dụng thép không gỉ thay thế, đây là một lựa chọn không chính thống trong ngành hàng không vũ trụ.
Thuộc tính của vật liệu tổng hợp CFRP
Có nhiều thuộc tính độc đáo của vật liệu tổng hợp CFRP được khai thác trong nhiều ứng dụng. Một số trong số họ là:
- Nó là một vật liệu rất nhẹ và rất bền. Nó có tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao hơn nhiều so với thép và thậm chí cả titan.
- Chúng có tỷ lệ mô đun đàn hồi trên trọng lượng rất cao, cũng cao hơn bất kỳ kim loại nào.
- Nó là một vật liệu có khả năng chống mỏi cao.
- Cả ma trận polyme và sợi cacbon chứa trong nó đều trơ về mặt hóa học, giúp vật liệu tổng hợp CFRP có khả năng chống ăn mòn rất tốt.
- Hệ số giãn nở nhiệt của nó rất thấp, điều đó có nghĩa là các bộ phận làm bằng vật liệu tổng hợp CFRP chịu rất ít biến dạng khi nung nóng hoặc làm mát.
- Chúng có tính dẫn điện. Than chì là một chất dẫn điện rất tốt và các sợi carbon về cơ bản là than chì, vì vậy các hợp chất chứa chúng dẫn điện, đặc biệt là theo hướng của các sợi. Tùy thuộc vào ứng dụng, điều này có thể tốt và xấu.
Ngoài các thuộc tính này, vật liệu tổng hợp CFRP còn có một số thuộc tính bổ sung có thể bất lợi tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể:
- Chúng nhạy cảm với tia cực tím (UV). Tia UV có khả năng thúc đẩy nhiều loại phản ứng hóa học bởi các gốc tự do làm suy giảm hầu hết các loại nhựa polymer và sợi carbon, phá hủy các tính chất cơ học của chúng. Điều này thường được giải quyết bằng một lớp sơn hấp thụ bức xạ trước khi nó chạm tới hợp chất.
- Nói chung, vật liệu tổng hợp CFRP có khả năng chống va đập thấp.
- Xét về sự hư hỏng của vật liệu, khi vật liệu tổng hợp CFRP được đẩy đến giới hạn độ bền của chúng, sự hư hỏng thường rất nghiêm trọng vì các sợi carbon giòn. Các dạng lỗi bao gồm tách lớp (khi các tấm sợi tách rời nhau) và đứt sợi.
Các tính chất của vật liệu tổng hợp CFRP là dị hướng.
Cần lưu ý rằng hầu hết các tính chất đã nói ở trên của vật liệu tổng hợp CFRP là không đẳng hướng, có nghĩa là chúng không đồng nhất trong toàn bộ vật liệu và chúng phụ thuộc vào hướng mà chúng được đo. Đây là hệ quả của việc chúng được tạo thành từ các sợi có trật tự tuân theo các hướng xác định rõ ràng. Do đó, các đặc tính của vật liệu dọc theo các hướng này rất khác so với các đặc tính dọc theo các hướng khác nhau.
Ví dụ, mô đun kéo của hỗn hợp CFRP với 70% sợi carbon trong nhựa epoxy chỉ có giá trị 10,3 GPa theo hướng vuông góc với sợi, trong khi theo hướng dọc trục hoặc dọc của mô đun tương tự có giá trị 181 GPa. Sự khác biệt về độ bền kéo hoặc độ bền kéo thậm chí còn ấn tượng hơn, thể hiện giá trị 40 MPa theo hướng vuông góc với sợi trong khi theo hướng dọc là 1.500 MPa, cao hơn gần 40 lần. Cuối cùng, hệ số giãn nở của hợp chất này dọc theo sợi thấp hơn 112,5 lần so với theo hướng vuông góc.
Các ứng dụng phổ biến của Vật liệu tổng hợp CFRP
Mặc dù vật liệu tổng hợp CFRP được sử dụng trong một loạt các sản phẩm cao cấp (vì nó là vật liệu đắt hơn nhiều so với hầu hết các tùy chọn khác), vật liệu tổng hợp CFRP được sử dụng chủ yếu trong bốn ngành công nghiệp:
trong ngành hàng không vũ trụ
Lần đầu tiên các hợp chất này được sử dụng trong sản xuất máy bay là vào những năm 1950 và việc sử dụng chúng trong công nghiệp chỉ tăng lên. Các mẫu máy bay 767 và 777 của Boeing lần lượt chứa 3% và 7% hợp chất CFRP. Trong những trường hợp đó, chúng được sử dụng trong một số thành phần cấu trúc. Mặt khác, đối với mẫu Boeing 787 Dreamliner mới, toàn bộ thân và cánh được làm bằng sợi carbon và vật liệu này chiếm 50% trọng lượng và 80% thể tích của chiếc máy bay nói trên; xu hướng này cũng được quan sát thấy với các nhà sản xuất máy bay khác.
Mặt khác, mặc dù SpaceX đã từ bỏ sợi carbon cho Starship của mình, một công ty hàng không vũ trụ tư nhân khác có tên Rocket Lab vừa công bố việc chế tạo tên lửa mới của mình, Neutron, đây sẽ là một tên lửa có thể tái sử dụng được làm hoàn toàn bằng sợi carbon.
Trong ngành ô tô
Trong nhiều năm, những chiếc xe đua nhanh nhất thế giới đã được chế tạo bằng sợi carbon. Đây không chỉ là một phần của ngoại thất, là vật liệu chính tạo thành thân xe và cánh giữ cho xe bám chặt vào mặt đất khi tăng tốc mà còn ở khung xe. Trên thực tế, từ 60% đến 70% trọng lượng cấu trúc của một chiếc xe Công thức 1 của McLaren được tạo thành từ sợi carbon (chưa tính động cơ, bánh xe và hộp số).
Đối với ô tô sử dụng cá nhân, chỉ những chiếc ô tô cao cấp nhất như ô tô thể thao hạng sang mới sử dụng sợi carbon ở một số bộ phận thân xe hoặc cấu trúc của chúng.
ngành hải quân
Trọng lượng thấp và khả năng chống ăn mòn cao làm cho vật liệu tổng hợp CFRP trở nên lý tưởng để chế tạo thuyền hạng nhẹ và thuyền siêu tốc. Tuy nhiên, ngày nay chúng được sử dụng ngày càng nhiều trong việc đóng các tàu lớn hơn, bao gồm cả du thuyền và tàu chuyên dụng.
Ngoài khả năng kháng hóa chất cần ít bảo trì hơn, tiết kiệm trọng lượng là một trong những lý do chính khiến vật liệu này thâm nhập vào ngành công nghiệp này, thay thế các lựa chọn khác như nhôm, thép và thậm chí cả các hợp chất polyme khác như sợi thủy tinh.
Trong các môn thể thao có tính cạnh tranh cao
Một trong những ứng dụng phổ biến và dễ thấy nhất của sợi carbon trong thể thao là chế tạo khung của xe đạp hiệu suất cao. Bất kể đó là nhánh đạp xe nào, dù là xe đạp leo núi, đổ đèo hay xe đạp đường trường cho Tour de France, những chiếc xe đạp tốt nhất đều được làm gần như hoàn toàn bằng sợi carbon.
Mặt khác, sợi carbon cũng có mặt khắp nơi trong các yếu tố cấu trúc mỏng phải có khả năng chịu lực rất cao chẳng hạn như gậy chơi gôn cao cấp, cần câu thi đấu, vợt tennis và thậm chí cả vợt bóng bàn hoặc bóng bàn.
Người giới thiệu
Boeing 787 Dreamliner – tổng quan . (nd). khoa học trực tiếp. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/boeing-787-dreamliner
Barta, C. (2018, ngày 15 tháng 10). Sợi Carbon: Thông tin, Cấu trúc và Tính chất . Hệ thống Carbo https://carbosystem.com/fibra-de-carbono-2/
Gardiner, G. (2010, 30 tháng 11). Tại sao lại là CFRP? CompositesWorld. https://www.compositesworld.com/articles/why-cfrp
Giurgiutiu, V. (2016, ngày 1 tháng 1). Theo dõi sức khỏe cấu trúc của vật liệu tổng hợp hàng không vũ trụ . khoa học trực tiếp. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780124096059000015
Kopeliovich, D. (2012a, ngày 2 tháng 6). Vật liệu tổng hợp polyme cốt sợi carbon [SubsTech] . SubTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=carbon_fiber_reinforced_polymer_composites
Gomez, JL (2021, ngày 23 tháng 9). Sợi carbon là gì, vật liệu đó tự nó là vô giá trị và với nhựa thì có giá trị mọi thứ . Diariomotor.com. https://www.diariomotor.com/que-es/tecnologia/fibra-de-carbono/
Kopeliovich, D. (2012b, ngày 3 tháng 6). Epoxy Matrix Composite được gia cố bằng 70% sợi carbon [SubsTech] . SubTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=epoxy_matrix_composite_reinforced_by_70_carbon_fibers
Mclaren. (2020, ngày 5 tháng 6). Một câu chuyện hấp dẫn về sợi carbon . Cuộc đua McLaren. https://www.mclaren.com/racing/car/fascinating-story-carbon-fibre-1654987/
López, JC (2019, ngày 30 tháng 6). Sợi carbon: nó là gì và tại sao nó lại hấp dẫn đối với thiết bị điện tử tiêu dùng cũng như đối với hàng không hoặc hàng không. . . Xataka. https://www.xataka.com/investigacion/fibra-carbono-que-que-atractiva-para-electronica-consumo-como-para-aeronautica-automocion
Zhao, Q., Zhang, K., Zhu, S., Xu, H., Cao, D., Zhao, L., Zhang, R., & Yin, W. (2019). Đánh giá về Điện trở/Độ dẫn điện của Polyme cốt sợi carbon. Khoa học Ứng dụng , 9 (11), 2390. https://www.mdpi.com/2076-3417/9/11/2390/htm
.){kind=link}