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 -
Môdun đàn hồi riêng
10
5
Polymer sợi
Cacbon
Polymer sợi
thuỷ tinh
Gỗ
Nhôm
Thép
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 γ
=2.
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 -
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
σ 1 = 2.5 ÷ 4GPa hoặc hơn)
-
Loại sợi có môđun đan hồi cao (E= 300 ÷ 700Gpa , độ bền σ 1 = 2 ÷ 2.5GPa )
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 1400-1800 0C, 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:
H
O
OH
H
CH2OH
OH
H
O
CH2OH
H
H
O
H
O
OH
H
H
OH
O
n
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 900015000C. 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 10250 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:
CH2
CH2
CH
CH
C
CH2
N
C
CH
CH
N
C
N
C
N
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 3000 0C.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 1200-1500 0C, 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 ( E B ≤ 200GPa) và độ bền
cao ( σ B ≥ 2500 MPa ), khoảng 1.5-1.6%. Đối với sợi cacbon có môđun đàn hồi cao
( E B ≥ 300GPa) và độ bền thấp hơn ( σ B ≤ 1600 MPa ), 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 933470K. 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
E, GPa
400
300
200
100
0
•
400
1200
2000
T, 0C
Ảnh hưởng củanhiệt độ trong quá trình xử lí nhiệt lên độ bền của sợi
cacbon Roze và Vatta
Trang - 12 -
M
Pa
5000
4000
3000
2000
1000
500
1000
1500
2000
2500
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 .
Dung dich
Polymer
Khuôn kéo sợi
O 60
khuôn
Kéo nóng
Khí
nóng
Buồng tạo
sợi
Thùng lắng
a)
b)
Hình 3 Sơ đồ kéo sợi theo phương pháp ướt và khô
phương pháp kéo dợi hiện đại (320000 sọi cơ bản)
phương pháp kép sợi khô
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 -
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
Sợi PAN
Ổn Nhiệt
Kéo
Graphit hoá
Cacbon Hoá
a)
b)
Pec dầu
mỏ
Kéo từ dung
dịch nóng
chảy
Cacbon Hoá
Graphit hoá
Ổn Nhiệt
Ống cuốn sợi
Hồ bằng polimer epoxy
Xử lý bề mặt
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 90012000C, 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 -
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 µm 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
Cường độ
Thế hệ 2
(g/cm3)
Độ chịu
Môđun
lực (Gpa)
(Gpa)
HS
3.55
235
1.81
IM
3.3
300
1.8
HM
2.5
358
1.85
HS
10
295
-
IM
5.58
294
1.8
HM
3.8
400
1.75
Sợi
Thế hệ 1
Mật độ
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…
Bảng 2 Đặc trưng của sợi cacbon theo nguyên liệu ban đầu
Trang - 18 -
Sợi cacbon trên cơ sở PAN
Sợi cacbon
trên cơ sở
Đặc trưng
Pec tinh thể
Độ bền cao
Độ dãn dài
Môđun
cao
cao
lỏng
Đường kính mm (10-9m)
(7-8)103
(6-7) 103
(6-7) 103
1.105
Môđun đàn hồi kéo E1,
230 - 240
230-250
350-450
380-690
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
GPa
Độ bền khi kéo σB ,
GPa
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
Sợi
Đặc trưng
Cacbon hoá
Graphit
1300 - 1650
1700 - 1900
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
0.84 – 20.9
83.7 – 125.6
Điện trở riêng, 10 −5 Ωm
0.7 – 70
0.003 – 0.6
Nhiệt độ thăng hoa, 0C
3000
3600
0.1 – 10
1.0
Khối lượng riêng, kg/m3
Bề mặt riêng, m2/T
Độ dẫn nhiệt, W/mK
Độ hút ẩm, %
Bảng 4
Mác, nước
khối lượng
Đường kính Môđun đàn
Độ bền
Biến
sản xuất
riêng,
d, Micromet hồi E1, Mpa
trung bình,
dạng
σ1 , GPa
tới hạ,
103kg/m3
%
BMH-3 (Nga)
1.71
7.0
250
1.43
0.6
BMH-4 (Nga)
1.71
6.0
270
2.21
0.8
-
9.9
343
1.47
0.4
Culon(Nga)
1.90
-
400 – 600
2.0
0.4
LY-2 (Nga)
1.70
-
230
2.0 – 2.5
1.0
BEH-210
Trang - 20 -
- Xem thêm -