LỜI NÓI ĐẦU

Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo từ hai hay nhiều thành phần khác

nhau. Mỗi thành phần cơ – lý – hoá…riêng biệt, khi tổng hợp chúng lại, sẽ là một loại

vật liệu mới, khác so với vật liệu ban đầu. Vật liệu mới đó là vật liệu Composite.

Mặc dù composite đã được con người sáng tạo và sử dụng từ rất lâu nhưng

ngành khoa học về vật liệu composite thì lại rất non trẻ. Ngành công nghệ composite

mới được hình thành gắn với sự suất hiện đầu tiên của chúng trong công nghệ tên lửa

ở mỹ từ những năm 50 của thế kỷ XX. Kể rừ đó cho đến nay, khoa học công nghệ

composite đã phát triển vượt bậc, cho đến ngày nay, compo site có mặt trong hầu hết

mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Đặc biệt trong ngành hàng không vũ trụ, trong

việc cải tạo, và thiết kế chế tạo vật thể bay.

Trong bài này chúng em tìm hiểu xây dưng trên cơ sở hiện có của các tài liệu liên

quan về mảng tư liệu sợi cacbon trong vật liệu composite. Đây là một trong những yếu

tố quan trọng trong việc ứng dụng tạo ra những vật liệu mới trong tương lai. Nhằm mục

đích thay thế những vật liệu truyền thống, phục vụ cho công nghệ cao. Trong bài làm

không tránh khỏi những thiếu sót rất mong được sự đánh giá nhận xét của quý thầy cô

và bạn đọc, để bài làm của chúng em ngày càng hoàn thiện hơn.

Trang - 1 -

Chương 1

KHÁI NIỆM VẬT LIỆU COMPOSITE

1.1 Khái niệm

Vật liệu composite hay còn gọi là vật liệu tổ hợp là loại vật liệu đa pha, mà

các thành phần hầu như không tan vào nhau và ó có tính chất kết hợp của các

pha. Thông thường nó có hai pha là nền và cốt.

Pha nền: là pha liên tục.

Pha cốt: là pha gián đoạn.

Ưu điểm chủ yếu của vật liệu composite đó là nhẹ - chắc - bền – không

gỉ - chịu hoá chất - chịu thời tiết… sự ra đời của vật liệu composite là một cuộc

cách mạng về vật liệu nhằm thay thế vật liệu truyền thống ở những mục đích

thích hợp trong công nghiệp cũng như trong đời sống. Vật liệu composite đã

khắc phục được những nhược điểm của vật truyền thống. Nên những ưu điểm

của nó được phát huy một cách có hiệu quả, thoả mãn được yêu cầu trong sử

dụng như: vật dụng gia đình, trang trí nội thất, ngoại thất, tượng đài cầu trượt, bể

bơi, nhà cửa, tấm lợp, vách ngăn, ống dẫn bồn chứa, vỏ ôtô, tàu thuỷ, xe lửa,

máy bay, cấu kiện điện tử và cấu kiện cho ngành hàng không vũ trụ….

1.2 Phân loại

Composite có nhiều loại, được tạo ra tuỳ theo chất liệu thành phần và mục

đích sử dụng. Có 3 cách phân loại:

Phân loại theo nền

- Polymer.

- Kim loại.

- Vô cơ.

Phân loại theo cốt

Trang - 2 -

- Hạt.

- Sợi.

Phân loại theo cấu trúc

- Lớp tấm.

- Sanwich.

- Tổ ong

Vật liệu composite được phân loại dựa trên những đặc trưng về nền và

cốt là 2 thành phần chính trên vật liêu. Composite cấu tạo từ loại sợi nào thì

mang tên loại sợi đó.

Ví dụ: composite cacbon (sợi cacbon), composite thuỷ tinh (sợi thuỷ tinh),

1.3 Đặc điểm của vật liệu composite

Bao gồm có 3 đặc điểm chính:

Composite là vật liệu đa pha mà các pha có thành phần và cấu tại hoá học

khác nhau. Các pha không tan lẫn nhau và phân cách nhau bởi bề mặt

phân chia pha. Phổ biến là pha nền và pha cốt.

Trong vật liệu composite nền có tỷ lệ kích thước, hình dạng và sự phân bố

tuân theo quy định thiết kế nhằm đạt được những tính chấ sử dụng như

mong muốn. Hay có thể nói rằng tính chất của composite có thể xác định

trước được.

Trong vật liệu composite tính chất của các pha thành phần được kết hợp

với nhau để tạo nên tính chất chung của vật liệu. Tuy nhiên chỉ lựa chon

những tính chất tốt và đuợc phát huy thêm.

Ví dụ: Vật liệu composite nền polymer với những ưu điểm sau:

- Nhẹ nhưng cứng, chịu va đập, uốn kéo tốt…

Trang - 3 -

- Chịu được hoá chất, không gỉ sét, chống ăn mòn. Thích hợp sử dụng

đường biển (tàu thuyền, bể chứa hoá chất, hố gas công cộng, ống nước

thải …).

- Chịu được thời tiết, khí hậu cũng như khả năng chống lão hoá rất tốt, chịu

được tia tử ngoại mặt trời.

- Cách điện cách nhiệt tốt ( vỏ bọc dây điện, áo lính cứu hoả..)

- Có khả năng hấp thụ sóng rada.

- Dể bảo quản, bảo trì, sữa chửa và chi phí không cao.

Trang - 4 -

Chương 2

SỢI CACBON VÀ SỢI CACBON TRONG COMPOSITE

2.1 Giới thiệu về sợi cacbon

Từ vài thập niên gần đây một loại sợi mới, có cường độ chịu kéo, môđun

đàn hồi rất cao đã được phát triển, đó là sợi cacbon. Chính xác hơn đây là sợi

graphit hay sợi cacbon ít nhiều được graphit hoá. Sự phát triển của nó trước

hết là để phục vụ ngành vũ trụ. Ngoài ra ngày nay sợi cacbon được sử dụng

rộng rãi để chế tạo vật liệu composite ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của nền

kinh tế quốc dân. Với ưu điểm như rất nhẹ ( khối lượng riêng 2g/cm3), chịu

được nhiệt độ vài ngàn độ trong môi trường trơ, hệ số ma sát và giản nở

nhiệt thấp, rất bền vững với nhiều điều kiện khí hậu và các phản ứng hoá học,

có những tính chất điện vật lí đa dạng ( từ bán dẫn đến dẫn) đặc biệt có độ

cứng rất cao. Mấu chốt là sợi cacbon có độ bền và có môđun đàn hối cao hơn

so với các vật liệu khác ( hình 1). Với độ bền từ 2000-4000 Mpa, môđun đàn

hồi 200-700Gpa, composite cốt sợi cacbon cạnh tranh vượt trội, cứng hơn cả

sắt thép. Có thể nói việc phát hiện ra sởi cacbon và đưa chúng vào sử dụng

như thành phần composite, đã làm nên cuộc cách mạng về vật liệu.

Đến nay, sợi cacbon được chế tạo chủ yếu từ 3 nguồn nguyên liệu chính:

Polyacrilonitril (PAN), từ Pec dầu mỏ, than đá và từ hidratxenlulose.

Trang - 5 -

Hình 1 So sánh định tính một vài vật liệu Composite

Nếu sắp xếp tinh thể graphit một cách hoàn hảo thì sợi cacbon về lí thuyết

có thể đạt được môđun đàn hồi E và cường độ chịu kéo R rất cao .

E= 1.200.000 MPa, R= 10.000 MPa, Tỷ trọng . Nhưng thực tế khó có thể

đạt được cấu trúc tinh thể graphit lý như lý thuyết. Tuy nhiên theo công nghệ

như hiện nay, tuy có môdun đàn hồi và cường độ chịu kéo thấp hơn lý thuyết

nhưng vẫn là rất cao: e= 650000MPa; R<4.000MPa.

Các loại sợi được sản xuất với các đặc tính khác nhau:

Sợi cacbon kí hiệu:

LM (low modulus) - Môdun đàn hồi thấp.

Trang - 6 -

Polymer sợi Cacbon

Polymer sợi thuỷ tinh

Gỗ Nhôm Thép

5

10

Môd

un đ

àn h

ồi r

iêng

HR (High resistance ) - Cường độ cao.

HM ( Hight modulus) - Môdun đàn hồi cao.

THM (Top high modulus) - Môdun đàn hồi rất cao.

Trang - 7 -

2.2 Đặc điểm cấu tạo sợi cacbon

Việc sử dụng sợi cacbon thực tế đã được đưa vào sử dụng những năm 60

với những lớp sợi đầu tiên được chế tạo từ sợi Visco nhân tạo có môđun

đàn hồi kém hơn so với sợi bor. Việc tạo ra sợi cacbon từ polyacrilonitril đã

thay thế sợi visco nhân tạo. chúng chia làm 2 loại:

- Loại sợi có độ bền cao ( khi môđun E= 200 250 GPa, độ bền

hoặc hơn)

- Loại sợi có môđun đan hồi cao (E= 300 700Gpa , độ bền )

Sở dĩ sợi cacbon có môđun đàn hồi cao vì năng lượng liên kiết của các

nguyên tử cacbon trong mặt phẳng cơ bản rất cao. Cấu trúc graphit dã được

tìm thấy khoảng 70-80 năm trước đây có cấu trúc như sau (hinh 1)

Sợi cacbon có giá thành khá cao, trung bình khoảng 100$-150$/kg. Để hạ

giá thành sản phẩm, giữa những năm 70 các nhà khoa học mỹ đã tổng hợp

được sợi cacbon từ pec dầu mỏ. Mặc dù giá pec rất rẻ, nhưng quá trình sản xuất

sợi lại rất tốn kém, nên đến nay giá thành sợi pec cacbon khoảng 20-30$/kg. Cho

đến nay những sợi pec cabon nhận được vẫn là những sợi cacbon có modun

đàn hồi cao, thu được trong quá trình xử lí nhiệt từ 1400-18000C, thậm chí đến

28000C. Sợi pec cacbon có độ bền cao vẫn chưa tổng hợp được như mong

muốn. Vì vậy, sợi pec cacbon ngày nay nhận được từ pec dầu mỏ và nhựa than

đá mới chủ yếu được dùng làm cốt cho vật liệu polyme để làm ra các sản phẩm

cách nhiệt, cách điện….Hoặc được tán nhỏ làm phụ gia cho vật liệu nền

polyme.sợi pec cacbon thường được dùng phổ biến khi làm cốt vật liệu

composite có nền cũng là cacbon, khi đó chúng ta nhận được vật liệu mới

cacbon-cacbon có độ cứng và đọ bền nhiệt cao.

Trang - 8 -

2.2.19

có cấu trúc phân tử sau:

Quá trình công nghệ để nhận được sợi cacbon từ xelulozohidrat có bốn

công đoạn: chuẩn bị vật liệu xenlulozo, oxi hoá, cacbon hoá và graphit hoá.

Quá trình chuẩn bị vật liệu xenlulozo thực chất là quá trình loại bỏ độ ẩm

và các tạp chất hữu cơ, bằng cách ngâm vào các dung môi hoặc xử lí bề mặt

bằng các hoạt chất, sau đó sấy khô ở nhiệt độ không dưới 1000C trong vòng

khoảng 15 giờ.

Quá trình oxi hoá xenlulozo được xử lí ở nhiệt dộ 350-4000C. Ở giai đoạn

này xảy ra các phản ứng hoá học cơ bản nhất và trọng lượng xenlulozo bị mất đi

nhiều nhất, phần còn lại của quá trình nhiệt phân chứa khoảng 60-70% cacbon.

Sau đó, chúng được xử lí nhiệt tiến ở giai đoạn cacbon hoá với nhiệt độ ừ 9000-

15000C. Đây tiếp tục diễn ra các phản ứng hoá học, làm giàu lên nồng độ cacbon

và tăng tính năng cơ lí của sợi. Quá trình cacbon hoá được diễn ra khoảng 10-

250 giờ.Những yếu tố công nghệ quan trọng của quá trình này là đặt tính môi

trường trong lò nung, nhiệt độ thời gian, chế độ lực (vuốt sợi) và các chất xúc tác

bổ sung.Các chất xúc tác bổ sung được bỏ vào lò nung, thường là muối phốt

phát, clorua, sunfat, nhằm làm tăng nồng độ cacbon và giảm thời gian cacbon

hoá.Qúa trình cacbon hoá được tiến hành trong môi trường noto trung tính hoặc

agon nhằm ngăn ngừa sự tác động của oxi không khí lên xenlulozo.

Trang - 9 -

Lưu ý: Một trong những giai đoạn quan trọng trong quá trình chuyển hoá

từ sợi xenlulozo thành sợi cacbon là quá trình “vuốt" sợi. Qúa trình này làm nâng

cao modun đàn hồi của sợi cacbon.

Có thể xem quá trình cacbon hoá xenlulozo lại có ba giai đoạn:

Giai đoạn 1200-3000C, vật liệu bị ngót lạnh, rất kém bền vững và thục

tế là không thể kéo thành sợi được; sau khoảng 30 phút, nồng độ cacbon sẽ lên

tới 50-60%.

Giai đoạn 2 ở nhiệt độ 500-10000C, nồng độ cacbon lên đến 70-85% và

kéo được thành sợi.

Giai đoạn 3 kéo sợi ở nhiệt độ đến 15000C, nồng độ cacbon lên đến

hơn 90%.Tải trọng xử lí ở giai đoạn 2 vào khoảng 0,05-1,5N/sợi(11-13tex) ở giai

đoạn 3: 0,05-2N/sợi (72-94 tex).

Qúa trình graphit hoá sợi được xử lí ở nhiệt độ rất cao: 1800-28000C, trong

quá trình này nhận được sợi cacbon gần như tinh khiết (trên 99%).

Môđun đàn hồi của sợi cacbon trên cơ sở xenlulosezohidrat phụ thuộc vào

nhiệt độ cao nhất trong quá trình graphit hoá, vào thời gian, nhiệt độ xử lí của

mỗi giai đoạn khối lượng riêng của sợi cacbon chế tạo trên cơ sở

xenlulosezohidrat đạt từ 1300 – 1900 kg/m3, độ bền có thể đạt 3500 Mpa, môđun

đàn hồi 760 GPa và độ biến dạng khi đứt là 0.5-1%.

2.2.2 Polyacrylonitril (PAN) để chế tạo sợi cacbon có công thức hoá học

như sau:

Trang - 10 -

Đặc tính của poliacrilonitril quyết định rất lớn đến chất lượng của sợi

cacbon. Nếu poliacrilonitril bị bẩn, lẫn tạp chất, thì trong quá trình cacbon hoá và

graphit hoá nhận được sợi cacbon sẽ có những khuyết tật làm giảm độ bền của

sợi. Vì vậy quá, trình chuyển bị, làm sạch nguyên liệu phải được chú trọng. Công

nghệ sản xuất sợi cacbon từ poliacrilonitril cũng tương tự như từ hidratxenlulose,

lưu ý là quá trình graphit hoá có thể lên tới 30000C.Môđun đàn hồi của sợi

cacbon phụ thộc tỷ lệ thuận vào nhiệt độ. Môđun đàn hồi bắt đầu tăng trong quá

trình nhiệt phân oxi-hoá, sau đó tăng dần dần ở quá trình cacbon hoá, và tăng

mạnh ở giai đoạn graphit hoá tiếp theo. Độ bền của sợi cacbon, trái lại, đạt giá trị

lớn nhất trong quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ khoảng 1200-15000C, khi tăng

nhiệt độ lên quá 15000C, môđun đàn hồi sẽ tăng lên, nhưng độ bền lại giảmđi.

Biến dạnh đứt trong sợi cacbon có môđun thấp ( 200GPa) và độ bền

cao ( ), khoảng 1.5-1.6%. Đối với sợi cacbon có môđun đàn hồi cao (

300GPa) và độ bền thấp hơn ( ), thì biến dạng đứt không quá

0.36%.

2.2.3 Sợi cacbon trên cơ sở nguyên liệu Pec

Hiện nay người ta đã sản xuất được sợi cacbon có môđun đàn hồi cao từ

đầu mỏ và pec nhựa than đá. Dùng pec làm nguyên liệu có ưu điểm là rẻ, hàm

lượng cacbon trong pec khá cao, phần cốc thừa được thoát ra lớn, về nhược

điểm có thể kể ra là trong pec có một lượng đáng kể chất độc hại, cho nên đòi

hỏi trong sản xuất phải có những biện pháp đảm bảo an toàn bổ xung.

Về mặt cấu trúc, pec được chia làm hai loại:

Đẳng hướng và mezopha (tinh thể lỏng).Pec đẳng hướng là một hỗn

hợp những chất hữu cơ có thành phần và cấu trúc khác nhau. Pec tinh thể

lỏng có cấu trúc trật tự và chứa ít chất dễ bay hơi. Trên thực tế những sợi

cacbon được chế tạo từ pec tinh thể lỏng có chất lượng cao hơn pec đẳng

hướng.

Trang - 11 -

Để nhận được sợi cacbon từ pec phải qua các công đoạn sau :

Chuẩn bị pec mezopha, kéo sợi từ thể nóng chảy, cacbon hoá và sau là thành

phần và đặc tính của pec phụ thuộc nhiều vào nguồn gốc của nó, và có thể

dao độnh trong một khoảng rất lớn. Vì thế, trong mỗi trường hợp pec cụ thể,

đòi hỏi điều kiện xử lý, chuẩn bị pec cũng khác nhau.

Để kéo sợi từ pec mezopha, người ta dùng nguồn nguyên liệu ban đầu

thường chứa 50%-90% mezopha. Dưới tác động của nhiệt độ khoảng 93-

3470K. Tinh thể lỏng nóng chảy và ép qua khuân kéo sợi bằng áp lực khí trơ

(kéo sợi khô). Thông thường khuôn có khoảng 2000 rãnh với đường kính

0.3mm. Vận tốc kéo sợi trung bình khoảng 125-130m/phut, mức độ vuốt

1000:1, sẽ thu được sợi cacbon có đường kính (5-15)103nm.

2.3 Yếu tố ảnh hưởng

Sự phụ thuộc của Môđun đàn hồi sợi cacbon vào nhiệt độ xử lí

Ảnh hưởng củanhiệt độ trong quá trình xử lí nhiệt lên độ bền của sợi

cacbon Roze và Vatta

Trang - 12 -

Trang - 13 -

2.4 Phương pháp gia công

2.4.1 Phương pháp ướt và khô

Một trong những ưu điểm khi chế tạo sợi cacbon là quá trình oxi hoá

nhanh và sợi được kéo từ dung dịch nóng chảy. Quá trình oxi hoá với sợi

poliacrilonitril thường kéo dài khoảng một giờ, sợi sẽ không bị nóng chảy,

không thay đổi hình dáng khi gia tăng nhiệt trong suốt quá trình cacbon hoá .

Ngoài phương pháp keo sợi theo phương pháp” khô” ( dùng áp lực khí)

như trên, còn dùng phương pháp kéo sợi “ướt”. Sợi dược kéo qua bể đông tụ,

khuôn kéo trong trường hợp này hay dùng là platin có khoảng 32000 rảnh,

cho phép nhận được những tấm sợi cacbon với số lượng cơ bản rất lớn.

Trang - 14 -

Dun

g di

ch

Po

lym

er

Khuôn kéo sợi O 60

Thùng lắng

Kéo nóngkhuôn

Khí nóng

Buồng tạo sợi

a)

b)

Hình 3 Sơ đồ kéo sợi theo phương pháp ướt và khôphương pháp kéo dợi hiện đại (320000 sọi cơ bản)phương pháp kép sợi khô

Chính qúa trình kéo thành sợi này là một trong những công doạn chi phí cao

khi sản xuất sợi cacbon từ pec, dẫn đến giá thành sợi pec cacbon còn chưa

được tháp như mong muốn, mặc dù nguyên liệu nguồn rất rẻ.

Ở đây lưu ý là mức độ vuốt sợi giử vai trò quan trọng, không những để đạt

được những sợi có đường kính mong muốn mà còn làm tăng mức độ định

hướng phân tử. Với mức độ vuốt sợi nhỏ(tiết diện sợi bàng diện tích tiết diện

làm việc của khuôn) mức độ định hướng phân tử nhỏ. Khi mức độ vuốt tăng

lên tương ứng sẽ hình thành cấu trúc sợi-vỏ(màng-nhân), dẫn dến sự phân

bố lại ứng suất trượt phát sinh khi có tương tác giữa luồng pec với thành

khuôn theo tiết diện ngang của sợi có nghĩa là định hướng phân tử không

đồng nhất và giảm dần đến tâm của sợi.

Trang - 15 -

2.4.2 Phương pháp kéo sợi

Hình 4 Sơ đồ kéo sợi cacbon từ sợi Pan và pec dầu mỏ

Quá trình cacbon hoá và graphit hoá cũng tương tự như với các sợi có

nguồn nguyên liệu khác. Quá trình cacbon hoá pec ở nhiệt độ khoảng 900-

12000C, sau đó xử lí ở nhiệt độ cao khoảng 2800-30000C và chính khoảng xử lí

nhiệt độ cuối cùng này quyết định tính chất cơ lí của sợi.

Sợi cacbon sản xuất bằng cách xử lí nhiệt, sợi poly acrilonitrile ( PAN ),

những loại khác như cenlulosezo cũng đã được sử dụng. Sợi PAN đầu tiên được

sử lí oxy hóa trong không khí 200-250 0 C. Sau đó chúng được căng để tạo ra sự

thẳng hàng các phân tử của chúng được cacbon hóa pở 1000-1500 0C trong tình

Trang - 16 -

Ổn Nhiệt

Kéo Cacbon Hoá Graphit hoá

Pec dầu mỏ

Kéo từ dung dịch nóng chảy

Ổn Nhiệt

Cacbon Hoá Graphit hoá

Ống cuốn sợiHồ bằng polimer epoxy Xử lý bề mặt

a)

b)

Sợi PAN

trạng căng thẳng không có oxi. Cuối giai đọan này chúng là những sợi cacbon

kết tinh và xốp do tình trạng bay hơi giai đọan cuối là giai đọan graphit hóa, bao

gồm việc xử lí nhiệt ở 28000C không có oxi trong thời gian này cấu trúc của nó

giống như cấu trúc graphit ( than chì ). Vì có những khó khăn khi dệt sợi đã

graphit hóa người ta đã dệt sợi oxi hóa, sau đó cacbon hóa và graphit hóa

chúng. Sự cacbon hóa sợi tạo ra những đặc tính tốt .

Cường độ sợi đựơc gia tăng trong quá trình cacbon hóa và trong quá trình

graphit hóa môđun của sợi tăng lên. Điều này dẫn tới 2 loại sợi. Loại sợi môđun

cao (HM) là loại 1 loại có cường độ cao (HS) là loại thứ hai. Bằng sự kiểm soát

nhiệt độ thích hợp trong quá trình cacbon hóa và graphit hóa, môđun và cường

độ có thể được kiểm soát tạo ra các loại sợi có đặ tính trung gian về cường độ và

môđun. Đây được gọi là sợi IM.

Những loại sợi đầu tiên sản xuất theo quá trình trên có nguồn gốc sợi

Acrylic dùng để dệt. Những loại sợi này không phỉa sợi PAN hòan tòan nhưng là

những đồng trùng hợp chứa 10% những chất trùng hợp loại khác để dễ nhuộm.

Sơi cacbon tạo ra từ loại này do đó không hòan chỉnh so với sơị tạo ra từ PAN.

Việc dùng những tiền chất tốt hơn và căng trước khi oxi hóa để tăng định hướng

sợi cải thiện cường độ và Môđun bằng những bổ sung trong quá trình công

nghệ đã dẫn tới việc giảm đường kính sợi từ 8 xuống 5 và tăng được biến

dạng đứt từ 1.2- 2%.

Sợi thuờng được hồ để cải thiện tính bám giữa sợi và nhựa. Việc xử lí bao

gồm sử dụng hypochlorite và những acid khác nhau ( Sulphuric, nitric, acetic ) để

làm sạch và làm nhám bề mặt. tiếp theo phủ lên lớp áo thích hợp như Epoxy

lỏng.

Trang - 17 -

Cacbon tạo thành từ quá trình này có 2 thế hệ:

Bảng 1 Tính chất sợi

Sợi

Cường độ Mật độ

(g/cm3)Độ chịu

lực (Gpa)

Môđun

(Gpa)

Thế hệ 1 HS 3.55 235 1.81

IM 3.3 300 1.8

HM 2.5 358 1.85

Thế hệ 2 HS 10 295 -

IM 5.58 294 1.8

HM 3.8 400 1.75

Hiện nay, độ bền của sợi cacbon từ pec dao động khoảng 1000-2205Mpa

phụ thuộc vào nhiệt độ trong quá trình xử lí nhiệt (1000-30000C) và môđun đàn

hồi từ 90GPa (10000C) , tăng dần lên 600GPa. Việc nghiên cứu và sản xuất sợi

cacbon từ phế thải lọc dầu là vấn đề cần thiết.

Composite trên cơ sở cacbon được ứng dụng để sản xuất các tấm chịu lực

của cánh máy bay; thân vỏ ôtô; máy bay; tên lửa; tàu vũ trụ; cánh tuabin; các

khuôn dậ; vòng lót; đệm; các thiết bị thể thao;; y tế; … các chi tiết đòi hỏi có độ

bền cao và siêu bền khi chịu nhiệt…

Trang - 18 -

Bảng 2 Đặc trưng của sợi cacbon theo nguyên liệu ban đầu

Đặc trưng

Sợi cacbon trên cơ sở PAN Sợi cacbon

trên cơ sở

Pec tinh thể

lỏngĐộ bền cao Độ dãn dài

cao

Môđun

cao

Đường kính mm (10-9m) (7-8)103 (6-7) 103 (6-7) 103 1.105

Môđun đàn hồi kéo E1,

GPa

230 - 240 230-250 350-450 380-690

Độ bền khi kéo , GPa 3,0 – 3,5 4,0 – 4,5 2,0 – 2,5 2,1 – 2,4

Độ dãn dài đứt % 1,3 – 1,4 1,7 – 1,8 0,5 -0,6 -

Khối lượng riêng, kg/m3 1740-1780 1740-1780 1740-1780 2000

Sợi cabon tương đối nhẹ nhưng có độ bền cơ học cao và rất cao. Nên nó là loại

sợi ưu việt trong các loại sợi gia cường. Tuy nhiên, công nghệ chế tạo sợi

cacbon lại rất đắt tiền, vì thế sản lượng trên thế giới còn rất khiêm tốn.

Trang - 19 -

Bảng 3

Đặc trưngSợi

Cacbon hoá Graphit

Khối lượng riêng, kg/m3 1300 - 1650 1700 - 1900

Bề mặt riêng, m2/T 0.3 - 1000 0.15 – 3.0

Hệ số dãn nở nhiệt, 106/K 4 2

Nhiệt dung riêng KJ/ (kg.k) 0.66 0.66

Độ dẫn nhiệt, W/mK 0.84 – 20.9 83.7 – 125.6

Điện trở riêng, 0.7 – 70 0.003 – 0.6

Nhiệt độ thăng hoa, 0C 3000 3600

Độ hút ẩm, % 0.1 – 10 1.0

Bảng 4

Mác, nước

sản xuất

khối lượng

riêng,

103kg/m3

Đường kính

d, Micromet

Môđun đàn

hồi E1, Mpa

Độ bền

trung bình,

, GPa

Biến

dạng

tới

hạ, %

BMH-3 (Nga) 1.71 7.0 250 1.43 0.6

BMH-4 (Nga) 1.71 6.0 270 2.21 0.8

BEH-210 - 9.9 343 1.47 0.4

Trang - 20 -

Culon(Nga) 1.90 - 400 – 600 2.0 0.4

LY-2 (Nga) 1.70 - 230 2.0 – 2.5 1.0

LY-3 (Nga) 1.70 - 250 2.5 – 3.0 1.1

LY-4 (Nga) 1.70 - 250 3.0 – 3.5 1.3

Ural-15 (Nga) 1.5 – 1.6 - 70 – 80 1.5 – 1.7 2.1

Ural-24 (Nga) 1.7 – 1.8 - 150 – 200 1.7 – 2.0 1.1

Elur (Nga) 1.6 - 150 2.0 1.3

YKM-500

(Nga)

1.75 - 180 – 230 3.0 – 3.5 0.9

Tornel-800

(Mỹ)

1.80 0.6 273 5.46 2.0

Khitecx-

46H(Mỹ)

1.80 5.0 322 5.6 1.7

Toreika T-300

(Nhật)

1.76 8.4 235 3.53 1.5

M-50 (Nhật) 1.90 - 500 2.35 0.5

Trang - 21 -

2.5 Chất liệu nền cacbon

Nền cacbon có tính chất cơ lý tương tự như sợi cacbon, đảm bảo tính chịu

nhiệt cao cho composite cacbon-cacbon và khai hác triệt để ưu điểm của các cốt

sợi cacbon trong vật liệu composite .

Cho đến nay, nền cacbon có ba loại pirocacbon (được kết lắng từ luồng

khí, ga), thủy tinh cacbon nhận được xử lý ở nhiệt độ cực cao các xenlulozơ

hoặc các nhựa polyme nhiệt rắn và nền cacbon – cốc của pec than đá và dầu

mỏ.

Pirocacbon: là loại vật kiệu đồng nhất đa tinh thể co độ bền nhiệt và bền

hoá rất tốt, một dạng cấu trúc chuyển tiếp của cacbon.

Quá trình tạo thành pirocacbon có thể xem như là sự kết tinh từ luồn khí

ga( khí metan, …) được thổi liên tục lên bề mặc của các cốt sợi caacbon được

đốt nóng. Trong quá trính nhiệt phân luồng khí, hidro cacbon sẽ bị phân huỷ và

pirocacbon xốp được kết lắng bám lên bề mặc của sợi cốt. Dần dần số lượng

pirocacbon ngày càng tăng lên, lắp đầy khoảng cách cac cốt và tạo thành

composite cacbon-cacbon. Quá trình kết tinh và cấu trúc của pirocacbon phụ

thuộc vào nhiệt độ, tốc độ luồng khí, áp suất, khối lượng phản ứng,…

Sự kết tinh tao ra pirocacbon từ luồng khí ga được thực hiện trong dải nhiệt

độ khác nhau sẽ có tính chất cơ lý khác nhau. Chúng chỉ giống nhau ở một điểm

đều là các cấu trúc đẳng hướng. Về cơ bản việc ke61ttua3 pirocacbon được thục

hiện ở ba khoảng nhiệt độ: 800-12000C; 14000C và 2000-30000C.

Một số trưng của pirocacbon, nhận được ở dải nhiệt độ từ 900-10300, như

sau:

- Môđun đàn hồi E , GPa 14

- Hệ số Poatxong, V 0.33

- Hệ số dẫn nhiệt , BT (M.K) 40

Trang - 22 -

- Hệ số dãn nở vì nhiệt 7.10-6

Đặc trưng của nền cacbon khi xử lý ở nhiệt độ T 21000C như sau:

- Môđun đàn hồi E , GPa 50

- Hệ số Poatxong, V 0.33

- Hệ số dẫn nhiệt , BT (M.K) 110

- Hệ số dãn nở vì nhiệt 3,5.10-6

- Độ bền kéo , Mpa 34

- Độ bền nén , Mpa 6

Thỷ tinh sợi cacbon: là sản phẩm của quá trình xử lí nhiệt các polymer

dang lưới, có sự đóng rắn không thuận nghịch khi nung nóng thủy tinh cacbon co

rất nhiều ưu điểm: đẳng hướng, có tính không thấm khí, cứng, bền cơ lí hóa.

Nguyên liệu ban đầu để nhận được thủy tinh cacbon có thể là xenlulose và

bằng cách tổng hợp từ các nhựa có khả năng tạo gia các polimer dạng lưới và

có hàm lượng cốc cao khi nung nóng như phenolfomandehit và nhựa furan,….

Việc tạo ra các polimer dạng (rezit) từ nhựa phenolic dạng novolac được

thực hiện nhờ sử dụng một số chất đóng rắn, còn từ dạng rezol là do phản ứng

của nhóm metylol. Thông thường để nhận được polime dạng lưới hay sử dụng

dung dịch nhựa phenolfomandehit dạng novolactrong furfurl có các chất làm

đóng rắn chứa nhóm amin và phenolformandehit. Trong đó các chất khác để tạo

gia thủy tinh cacbon có thể dùng rượu furfuryl, furfurol, các hydro cacbon thơm

nhiều nhân.

Qúa trình công nghệ chủ yếu nhận được thủy tinh cacbon từ polime ban

đầu là: quá trình hóa rắn, nhiệt phân và sử lý ở nhiệt độ cao.

Qúa trình hóa rắn xảy ra ở nhiệt độ 150-2000C, lưu ý là tốc độ thay đổi

nhiệt độ cũng ảnh hưởng tới quá trình này.

Trang - 23 -

Sự nhiệt phân xảy ra ở nhiệt độ từ 300-15000C và trong quá trình này liên tục

xaye ra sự bay hơi của các chất không phải là cacbon. Quá trình nhiệt phân lại

chia ra làm ba giai đoạn:

Trước kết tinh (nhiệt độ từ 300-4000C:có sự sắp xếp lại phân tử do xảy ra

những phản ứng đầu tiên của sự ngưng tụ.

Giai đoạn trung gian (600-6500C): xảy ra quá trình hoạt tính phân hủy, và

xảy ra các phản ứng nhiệt phân trong hệ thống khí hoặc ngưng tụ.

Giai đoạn cuối ( ở nhiệt độ 15000C): tạo gia sản phẩm chỉ gồm toàn các

nguyên tử cacbon.

Sự giảm trọng lượng trong quá trình nhiệt phân xảy ra mạnh nhất trong

khoảng 450-6000C và càng giảm khi nhiệt độ càng cao.

Sau quá trình nhiệt phân là quá trình xử lí nhiệt độ cao lên đến 27000C.

Thuỷ tinh cacbon nhận được có tính không thấm khí rất cao.

Một vài đặc tính của thuỷ tinh cacbon như sau:

Khối lượng riêng, Kg/m3 1377 – 1500

Độ bền, Mpa:

- Khi kéo 40 – 50

- Khi uốn 100 – 250

-Khi nén 260

Môđun đàn hồi E, GPa 15 – 27

Độ dẫn nhiệt , (W/(mK)) 4 – 16

Độ rỗng , % 0.2 – 5.0

Độ vi cứng, Mpa 1000 – 2000

Trang - 24 -

Nền cacbon trên cơ sở nhựa pec: Nhờ ưu điểm là giá thành rẻ, nguồn

nguyên liệu có sẵn, có hàm lượng cacbon cao, nên cacbon trên cơ sở pec

than đá hoặc dầu mỏ được dùng làm vật liệu nền cho composite cacbon-

cacbon đã trở thành khá phổ biến.

Đặc trưng của pec phụ thuộc vào nguồn gốc xuất xứ nguyên liệu, và do

đó có thành phần hoá học khác nhau. Vì vậy việc dùng chúng và áp dụng các

phương pháp công nghệ cũng khác nhau.

Ví dụ: Pec dầu mỏ ó mức độ thơm hoá thấp, nên việc kết dính chúnngvới cá

sợi cốt cũng kém hơn pec than đá. Nên trong công nghiệp khi sử dụng pec

dầu mỏ phải tăng thêm chu trình cacbon hoá so với pecthan đá. Pec dầu mỏ

có giới hạn áp lực khi kết dính là 100Mpa, cao hơn nhiều so với pec than đá

là 13.3MPa.

Những đặc trưng quan trọng của pec là khối lượng riêng, độ nhớt sức

tăng bề mặt, độ kết dính, độ bền nhiệt, tính thêu kết được, cũng như khả năng

cho cốc dư. Những đặc trưng này phụ thuộc vào những mức độ xử lí nhiệt

khác nhau, chất lượng nguyên liệu và những điều kiện để thu được pec. Do

đó cốc thu được cũng có cấu trúc khác nhau. Cốc có hai cấu trúc :

Cốc đẳng hướng: có môđun đàn hồi khá cao (đến 80Mpa khi nén có

môđun đàn hồi đến 500MPa) và hệ số dãn nở cao (5.10-6).

Cốc bất đẳng hướng có cấu trúc tinh thể hoàn toàn,có hệ số dãn nở

nhiệt thấp hơn, và độ bền khi nén thấp hơn (vào khoảng hai lần ).

Trong trường hợp kéo chúng không khác nhau nhiều: môđun đàn hồi

chênh lệch 1-2MPa, giới hạn bền kéo chênh lệch 10-15MPa.

Cấu trúc và tính chất của cacbon thu được phụ thuộc vào điều kiện sử

lý nhiệt có thể chia ra làm ba giai đoạn chính:

Cacbon hoá (900-14000C): phân huỷ các hợp chất hữu cơ và hình

thành cấu trúc phân tử cacbon có trật tự.

Trang - 25 -

Trước tinh thể hoá (1400-20000C ): hoàn thiện cấu trúc cùng với việc

tạo ra các dạng cabon trung gian, có cấu trúc hai chiều đẳng hướng.

Dạng nềnKhối lượng

riêng ,kg/m3

Độ bền

uốn,

MPa

Mô đun đàn

hồi khi

uốn,MPa

Độ bền

khi nén,

MPa

Mô đun

đàn hồi

khi uốn,

MPa

Cốc trên cơ sở pec 1800-2000 156 3300 78 1000

Pirocacbon 2000-2200 110 2150 74 700

Thuỷ tinh cacbon 1500 91 2800 58 700

Trước tinh thể hoá (2000-30000C): các cấu trúc cacbon trung gian hai

chiều chuyển sang cấu trúc tinh thể graphit ba chiều bất đẳng hướng.

Bảng 5 Tính chất cơ lý của một số nền cacbon

2.6 Ứng dụng sợi cabon trong composite

Ống chân, khớp nối chân giả và các sản phẩm làm bằng composite cacbon.

Trang - 26 -

Màng nano cacbon

Băng cacbon không dính da ACN do Viện Ứng dụng Công nghệ sản xuất.

Điểm đặc biệt là băng không dính da, hút dịch tốt và có thể dùng lại 5-7 lần bằng

cách rửa sạch hoặc luộc trong nước sôi. Giá thành của một tấm băng là

24.000VNĐ so với băng cùng loại của Mỹ và Đức (chừng 150.000 VNĐ). Việt

Nam, Mỹ và Đức là ba quốc gia sản xuất được băng cacbon không dính da.

Trang - 27 -

Trong khi ghép mảnh cacbon.

Sử dụng nhựa gia cường sợi cacbon (Carbon Fibre Reinforced Plastic - CFP)

trong hầu hết các chi tiết thân xe, từ ba-đờ-sốc, khung đỡ động cơ, cửa và mui

xe nên EcoRacer chỉ nặng 850 kg.

Trang - 28 -

Màng lọc sợi cacbon trong nón bảo hiểm thiết bị an toàn cao nhất của F1

Tại Việt Nam hiện nay đã đưa sợi cacbon vào trong ứng dụng để phục vụ

một số ngành khoa học kĩ thuật cao. Đặc biệt việc xây dựng khu công nghệ cao

thành phố Hồ Chí Minh thì việc phát triển vật liệu mới trong đó có vật liệu sợi

cacbon trong composite, cacbon –cacbon, cacbon nano,…Ngoài ra còn ứng

dụng trong ngành xây dựng, y tế, …. Là một trong những tiềm năng to lớn mà

Việt Nam cần chú trọng vì chúng ta có trữ lượng than đá và dầu mỏ tương đối

lớn. vì đây là nguồn nguyên liệu chủ yếu hiện nay sản xuất sợi cacbon.

KẾT LUẬN

Như vậy, với những tính năng đặc biệt với vai trò và vị trí quan trọng của sợi

cacbon về độ bền khả năng chịu nhiệt, độ đàn hồi cao, tồn tại được trong nhiều

môi trường khac nhau, độ bền cơ lí vật lí cao. Khai thác trong những nguồn

nguyên liệu lớn như than đá và dầu mỏ thì sợi cacbon ứng dụng vào vật liệu

composite được xem như vật liệu của tương lai. ứng dụng của nó khá phổ biến

trong các lĩnh vực của nèn kinh tế quốc dân. Ngoài ra còn sử dung nhiều trong

một số ngành nghiên cứu vũ trụ, dùng trong môi trường làm việc có sức ma sát

và khắc nghiệt. Việc tìm ra sợi cacbon và đưa vào trong thành phần của vật liệu

composite xem như một bước tiến mạnh mẽ trong cuộc tìm ra vật liệu mới.

Trang - 29 -

Chương 1.......................................................................................................................................2

1.1 Khái niệm.......................................................................................................................2

1.2 Phân loại........................................................................................................................2

1.3 Đặc điểm của vật liệu composite............................................................................3

Chương 2.......................................................................................................................................5

2.1 Giới thiệu về sợi cacbon.................................................................................................5

2.2 Đặc điểm cấu tạo sợi cacbon........................................................................................7

2.2.19.......................................................................................................................................9

Trang - 30 -