Thời của Carbon - Vật liệu của thế kỷ 21 và những ứng dụng mới

Sự tiến hóa của loài người được đánh dấu bởi sự thay đổi của vật liệu ngay từ thời kỳ tiền sử. Con người luôn tìm kiếm những vật liệu mới để cải tạo xã hội và chính bản thân mình. Đó là một quy luật khách quan. Thế kỷ 20 đánh dấu sự phát triển vượt bậc của polime cao phân tử, tổng hợp từ những chuỗi hydrocarbon đã mở ra một thế giới mới đầy ngạc nhiên. Các sản phẩm trở nên nhẹ hơn, đẹp hơn và phong phú hơn.

Tiếp đó là vật liệu composite như sợi thủy tinh, ceramic... Tuy nhiên đối với những ứng dụng đặc biệt đòi hỏi những yêu cầu khắt khe về độ bền, trọng lượng cũng như khả năng chịu nhiệt độ, ăn mòn... thì các loại vật liệu trên vẫn chưa thể đáp ứng được.

Sự ra đời của sợi carbon đã trở thành một chìa khóa về công nghệ và sự lựa chọn số một để giải quyết vấn đề trên đối với rất nhiều ngành.

Những “tấm vải” siêu cứng

Sợi carbon hiện nay được sử dụng dưới dạng plastic gia cường sợi carbon CFRP (Carbon Fiber-Reinforced Plastic) có cốt dạng sợi mảnh hoặc dạng tấm dệt bằng sợi carbon hay còn được gọi là plastic gia cường graphit GRP (Graphite-Reinforced Plastic). Đây là loại vật liệu có những tính năng tuyệt vời nhất và cũng rất đắt tiền. Giá thành của chúng cao như vậy một phần là do sợi carbon còn là loại vật liệu mới và công nghệ sản xuất còn tương đối phức tạp, với số lượng hạn chế.

Để có được CFRP hoặc GRP trước tiên cần sản xuất được sợi carbon. Một phương pháp phổ biến nhất hiện nay đó là dùng phản ứng oxi hóa và nhiệt phân Polyacrylonitrile theo những quy trình kỹ thuật nhất định để kéo chúng thành sợi và tạo được độ cứng cần thiết. Các sợi carbon thu được chính là những sợi cơ bản để tạo thành vật liệu carbon. Sau đó chúng được tết lại thành các bó sợi để đảm bảo có độ cứng cao hơn và chắc hơn. Số lượng sợi trong một bó cũng lên đến hàng nghìn và phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật của từng sản phẩm. Chỉ số đánh giá chất lượng của bó sợi theo 1K, 2K, 3K... (1K=1.000sợi/bó).

Sau khi sản xuất được các bó sợi, chúng sẽ được dệt thành các "tấm vải" carbon. Hoa văn (cách dệt) và các bó sợi sử dụng sẽ mang tính quyết định đến độ cứng của sản phẩm thu được. Các tấm vải carbon này sẽ được dùng làm cốt cho các chi tiết cần gia công. Có thể sử dụng từ một đến vài lớp vải để ép lại với nhau tùy theo yêu cầu.

Cuộc cách mạng vật liệu

Các tấm vải carbon này được đặt vào khuôn ép và đổ đầy chất dẻo nóng để làm chất phụ gia và liên kết cũng như tạo bề mặt bóng cần thiết. Đối với các yêu cầu cao về độ cứng thì việc tạo khuôn được thực hiện trong môi trường chân không và tuyệt đối sạch. Tuy nhiên với những ứng dụng thông thường khi yếu tố giá cả quan trọng hơn thì khâu này được bỏ qua. Kết quả cuối cùng thu được là các tấm vật liệu không bị ăn mòn trong nước và có độ cứng cao và đặc biệt là trọng lượng nhẹ. Nếu trong khuôn vẫn còn không khí, các bong bóng khí bên trong vật liệu sẽ làm giảm độ cứng của thành phẩm.

Sự ra đời của sợi carbon đã giải quyết được rất nhiều những ứng dụng đòi hỏi cao về độ cứng và trọng lượng. Mang đến cho con người nhiều tiện lợi mới bằng những sản phẩm chất lượng. Tuổi thọ của sợi carbon có thể kéo dài vô hạn. Một trong những lĩnh vực quan trọng đó là hàng không vũ trụ, sợi carbon đã được ứng dụng rất sớm trên những con tàu vũ trụ, máy bay chiến đấu và hành khách để làm vỏ, khung dầm và nhiều kết cấu chịu lực khác. Boeing đã đưa ra chiếc chiến đấu cơ hiện đại nhất thế giới X32 với kết cấu cánh tam giác làm bằng plastic gia cường sợi carbon, nhưng do những phức tạp trong công nghệ sản xuất nên cuối cùng X32 đã thua chiếc F35 của Lockheed Martin trong cuộc đua giành hợp đồng "Joint Strike Fighter" của Lầu Năm Góc trị giá hàng tỷ USD. Sợi carbon đã có mặt trên các máy bay vận tải hành khách thế hệ mới nhất hiện nay như Airbus A380, A350, Boeing 787...

Trong sản xuất xe hơi, CFRP được sử dụng rộng rãi đặc biệt trên các xe đua công thức 1 và nhiều giải đua danh tiếng khác. Chúng được dùng làm chassis, thân xe đơn khối, các kết cấu khí động và chịu lực của xe đua. Giá thành cao của sợi carbon không phải là vấn đề đối với những chiếc xe đua đắt tiền kia. Bù lại nó giảm được khối lượng của xe trong khi vẫn đảm bảo được độ cứng và chắc chắn của thân xe và tất nhiên làm chiếc xe có tốc độ nhanh hơn một cách đáng kể. Ferrari là một trong những đội đua thành công nhất với việc ứng dụng carbon trên những chiếc F1 của mình với nhiều lần liên tiếp vô địch thế giới của tay đua Michael Schumacher.

Sợi carbon cũng là chìa khóa công nghệ để chế tạo những chiếc siêu xe thể thao đắt tiền có tốc độ cao như McLaren F1, Koenigsegg CCX, Mercedes-Benz SLR McLaren, Bugatti Veyron hay Pagani Zonda. Chúng chủ yếu được làm thân xe đơn khối có độ cứng cao và nhẹ và các chi tiết trang trí khác. Làm cho những chiếc xe này trở lên đẹp và ấn tượng hơn cũng như giá thành nâng lên đáng kể.

Ở đâu cũng... carbon

Cho đến gần đây, sợi carbon đã được sử dụng nhiều hơn trên các xe hơi thông thường nhưng do giá thành của chúng còn tương đối cao cho nên vẫn chỉ có mặt trên những model cao cấp và đắt tiền. Một số hãng chế tạo xe hơi dùng nhiều carbon như BMW, Ford, GM và Mercedes Benz. Chiếc xe thể thao Corvette Z06 mới nhất của Chevrolet dùng carbon làm thân xe. TVR hãng xe nhỏ của Anh Quốc cũng dùng carbon để làm thân cho những chiếc xe thể thao của mình như Tuscan và Sagaris để thay thế cho nhựa và sợi thủy tinh vẫn được hãng sử dụng trước đây. Đối với những hãng nâng cấp xe hơi ở Đức, Nhật, Italia, Mỹ... thì vật liệu carbon đã trở thành thông dụng để chế tạo ra các chi tiết trang trí độc đáo cho những sản phẩm "độ" của họ như: các tấm ốp thân xe, cánh khí động, lazang, phanh và vỏ động cơ. Những chiếc xe đạp đặc biệt là những chiếc xe đua đã được làm bằng sợi carbon. Với đặc tính hấp thụ được rung xóc, xe đạp carbon rất tốt khi sử dụng trong các điều kiện địa hình khắc nghiệt, thêm vào đó là trọng lượng nhẹ đáng chú ý so với các khung xe đạp thông thường làm bằng thép và nhôm. Profile của khung xe dễ dàng điều chỉnh về độ cứng và hình dạng để tăng đặc tính khí động. Mercedes vừa giới thiệu chiếc Carbon Bike high-end nhất thế giới với trọng lượng chỉ 8,3kg. Ngoài ra carbon còn làm khung và thân các du thuyền sang trọng hiện đại. 118 WallyPower chiếc siêu du thuyền chạy bằng động cơ tuabin khí trị giá 25 triệu USD có vỏ làm bằng sợi carbon.

Sợi carbon cũng đã được sử dụng trên các phương tiện điện tử mobile như máy tính xách tay. Acer Ferrari 4000 là chiếc laptop đầu tiên có vỏ làm bằng sợi carbon dùng cho đội đua Formula 1 của Ferrari. Rất nhiều dụng cụ thể thao như vợt tennis, cầu lông, cần câu cá, nhạc cụ cũng dần được làm từ sợi carbon.

Lĩnh vực xây dựng dân dụng đã dần để ý đến những đặc tính của sợi carbon nhất là những ngành liên quan đến kết cấu như cầu, sân vận động, nhà thi đấu... Carbon đang là những giải pháp để thay thế cho các loại vật liệu xây dựng thông thường. Westage Brigde ởMelbournelà chiếc cầu lớn nhất thế giới hiện nay được gia cố bằng những tấm sợi carbon mỏng. Carbon có nhiều ưu điểm hơn là sắt thép thông thường, quan trọng nhất đó là có độ cứng lớn hơn và không bị ăn mòn, hứa hẹn sẽ có nhiều ứng dụng hơn nữa trong xây dựng một khi giá thành của nó được hạ xuống đáng kể. Loài người đang sống trong thời đại của sợi carbon đó là một sự thật. Sự có mặt ngày càng nhiều của sợi carbon mang đến những sản phẩm chất lượng cao và mở ra những ứng dụng mới cho con người.