So sánh sự khác nhau giữa sợi thủy tinh và sợi carbon

Sợi carbon và sợi thủy tinh là những vật liệu đa năng hiện được sử dụng rộng rãi, và đang dần thay thế kim loại trong nhiều lĩnh vực của ngành công nghiệp, bởi hiệu quả kinh tế mà nó mang lại. Cùng Tân Trường Thịnh tìm hiểu về đặc điểm, cấu tạo và so sánh sự khác nhau giữa sợi thủy tinh và sợi carbon qua bài viết dưới đây.

Sợi carbon là gì? Những điều cần biết về sợi carbon

Sợi carbon (cacbon) là loại vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng, bởi có sợi cực kỳ cứng nhưng lại có trọng lượng nhẹ và khá bền. Vật liệu này gồm nhiều chuỗi phân tử dài, liên kết với nhau bởi các nguyên tử carbon. Cấu tạo của sợi carbon chứa ít nhất 90% nguyên tử carbon và đường kính từ 5 đến 10 micromet. Nó được tạo bởi nhiều loại sợi khác nhau như sợi polyacrylonitrile PAN, sợi xenlulo, sợi graphite (tỉ lệ carbon > 99%), than đá, dầu mỏ hoặc 1 số sợi khác… Vật liệu carbon thường sản xuất với nhiều dạng thô như sợi, bện, dệt… và được kết hợp với các vật liệu khác (cụ thể như sự kết hợp giữa sợi thủy tinh và sợi carbon) để tạo ra 1 vật liệu tổng hợp phù hợp với nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống.

Cấu tạo – Phân loại của sợi Carbon

Sợi carbon được làm từ 90% sợi polyacrylonitrile, còn 10% là từ các loại sợi khác. Ngoài ra, còn có sự tham gia của một số loại khí và chất lỏng khác nhằm tạo ra phản ứng hóa học giúp sợi đạt được độ bền theo yêu cầu. Có thể phân loại sợi carbon theo các đặc điểm sau đây:

Phân loại dựa theo đặc tính module

• Module rất cao (loại UHM): module >450 Gpa
• Module cao (loại HM): module 350 – 450 Gpa
• Module trung cấp (loại IM): module 200 – 350 Gpa
• Module thấp, độ bền kéo cao (loại HT): module < 100Gpa, độ bền kéo > 3.0Gpa
• Độ bền rất cao (loại SHT): độ bền kéo > 4.5Gpa

Phân loại theo vật liệu đầu vào

• Sợi carbon polyacrylonitrile (PAN) 
• Sợi carbon Pitch như than đá, dầu mỏ
• Sợi carbon Rayon

Phân loại theo nhiệt độ xử lý cuối cùng

• Loại I sợi carbon xử lý nhiệt cao: nhiệt độ xử lý cuối cùng đạt >2000°C, có thể được kết hợp cùng với sợi UHM (module cao).
• Loại II sợi carbon xử lý nhiệt trung gian: nhiệt độ xử lý cuối cùng đạt khoảng từ 1500°C, có thể được kết hợp cùng với sợi loại có độ bền cao.
• Loại III sợi carbon xử lý nhiệt thấp: nhiệt độ xử lý cuối cùng <1000°C. Vật liệu có module và độ bền tương đối thấp.

Các đặc điểm nổi bật của sợi Carbon

Sợi carbon có kích thước rất mỏng. Các sợi có thể được xoắn hoặc cũng có thể được dệt lại với nhau bằng cách sử dụng nhiệt kết hợp với một loại nhựa hoặc một polymer phù hợp, nhằm tạo ra nhiều hình dạng theo mong muốn. Đặc tính nổi bật:

• Độ bền cao và cường độ chịu kéo tốt: Sợi carbon có ưu điểm về độ bền kéo và tỉ lệ modul đàn hồi cao hơn so với các loại gia cường như sợi thủy tinh, thép.
• Độ cứng cao và trọng lượng nhẹ: Carbon là một loại sợi rất cứng và có trọng lượng nhẹ hơn so với các vật liệu khác. Cụ thể như cứng gấp đôi so với thép và mạnh gấp 5 lần thép nhưng chỉ nặng khoảng 2/3 so với trọng lượng thép.
• Tính ổn định về kích thước và khả năng chịu nhiệt: Hệ số giãn nở của sợi carbon thấp, điều này giúp sợi không bị co giãn mà vẫn duy trì tính cơ học tuyệt đối dù đặt trong môi trường có nhiệt độ cao.
• Tính dẫn điện: Sợi carbon có tính dẫn điện cao.
• Khả năng thấm tia X: Nhờ có khả năng thấm tia X mà vật liệu được ứng dụng nhiều cho các sản phẩm dụng cụ ngành y tế như: góp phần cho hình ảnh và quan sát được rõ ràng sắc nét.
• Ngoài ra, sợi carbon còn có những đặc tính như trơ với hóa học, sinh học, giảm chấn và tự bôi trơn, chống mỏi, chống ăn mòn, kháng hóa chất…

So với sợi thủy tinh, sợi carbon có tính dẫn điện cao hơn

Quy trình sản xuất của sợi Carbon

Quy trình sản xuất sợi carbon có sự kết hợp giữa hóa học và cơ học. Nguyên liệu đầu vào sẽ được kéo thành sợi dài và nung ở nhiệt độ cao để các nguyên tử cacbon dao động mạnh mẽ và đồng thời loại bỏ những tạp chất. Cụ thể, quá trình sản xuất sợi fiber carbon từ nguyên liệu đầu vào PAN gồm những công đoạn sau:

– Quay: Nguyên liệu được trộn với nhiều thành phần khác ở một tỉ lệ nhất định. Sau đó, kéo thành sợi thì tiến hành rửa sạch sau đó kéo cho chúng căng ra.

Quy trình kéo căng sợi Carbon

– Ổn định: Ở công đoạn này diễn ra sự biến đổi về mặt hóa học để các liên kết trở nên ổn định hơn.

– Carbon hóa: Nung sợi ở nhiệt độ rất cao để tạo ra các tinh thể carbon liên kết với nhau một cách chặt chẽ.

– Xử lý bề mặt: Thực hiện oxy hóa bề mặt để cho các sợi carbon liên kết với nhau chặt hơn.

– Định cỡ: Sợi được bọc một lớp phủ và quấn lên các ống định cỡ. Sau đó đưa vào máy để xoắn sợi để tạo ra các sợi có kích thước và đường kính khác nhau.

Các sợi có kích thước và đường kính khác nhau

Sau khi thành phẩm các sợi này có thể ở dạng sợi, dệt thành vải, bện hoặc làm nguyên liệu gia cố để tạo ra nhựa composite tổng hợp. 

>>> Xem ngay: Bảng giá tấm sợi thủy tinh cách nhiệt chính hãng tốt nhất thị trường

Ứng dụng của sợi carbon

Fiber carbon ứng dụng vào thực tế rất cao. Hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống và công nghiệp đều cần có vật liệu này. Cụ thể:

– Sản xuất siêu xe có độ bền vượt trội và trọng lượng siêu nhẹ giúp giảm tải trọng và giúp xe đạt đến vận tốc lớn.

Siêu xe được sản xuất từ vật liệu Carbon

– Sử dụng trong các bộ phận, động cơ như: cánh máy bay, phanh của máy bay, ăng ten, kính thiên văn, ống dẫn sóng, linh kiện ô tô, máy phát điện…

Sợi Carbon được ứng dụng trong sản xuất máy bay

– Nhờ đặc tính giảm rung chấn mà các thiết bị âm thanh như: loa, cánh tay robot, máy dệt… thường sử dụng vật liệu là sợi carbon để mang lại hiệu suất làm việc cao hơn.

Cánh tay robot sợi Carbon có  trọng lượng nhẹ

– Nhờ vào khả năng thấm tia X mà carbon fiber được ứng dụng để làm các dụng cụ, thiết bị y tế như thiết bị chụp X-quang, thiết bị phẫu thuật, cấy ghép, các bộ phận giả,…

Tia X sợi carbon ống cho thiết bị y tế

– Kết hợp với các chất nền như nhựa, bê tông,… để tạo thành vật liệu tổng hợp.

Bê tông nhẹ nhờ kết hợp carbon

Sợi carbon có tái chế hay tái sử dụng được không?

Sử dụng sản phẩm từ carbon làm nguyên liệu để tái chế là không đơn giản. Tuy nhiên, với công nghệ ngày một hiện đại, các kỹ sư đã nghiên cứu và tái chế được sợi carbon nhưng chỉ  ứng dụng trong một số sản phẩm.

Cụ thể như: Sợi carbon đã qua sử dụng có thể được nghiền nát và trộn vào bê tông để làm tăng khả năng thoát nước. Tuy nhiên vì khả năng chịu lực của vật liệu không cao nên chỉ được dùng trong những điều kiện phù hợp.

Những điều cần biết về sợi thủy tinh

Sợi thủy tinh là vật liệu được cấu tạo từ thủy tinh nóng chảy đã được đúc ép và tạo ra một chuỗi như vật liệu. Chuỗi này được dệt thành sợi và sau đó là thành vải. Sợi thủy tinh có độ bền và trọng lượng tương tự như sợi carbon nhưng có tính linh hoạt cao hơn. Các đặc tính nổi bật của sợi Carbon:

• Không cháy
• Không mục nát
• Không thấm nước
• Bền với các axit
• Ít đàn hồi hay giãn rộng,
• Không dẫn nhiệt, dẫn điện và không hút ẩm.

Hướng dẫn chi tiết cách chế tạo sợi thủy tinh và sợi carbon

Cách chế tạo sợi thủy tinh

Sợi thủy tinh được chế tạo làm bằng cách nấu chảy silica để loại bỏ tạp chất. Thủy tinh ở dạng lỏng được nung nóng và đùn qua một tấm kim loại, trên đó có các lỗ nhỏ được gọi là ống lót. Lúc này các dây thủy tinh sẽ được làm mát khoảng 1.200°C với nước và không khí. Cuối cùng, chúng được kéo dài thành các sợi mỏng rồi quấn thành các cuộn thủy tinh.

Công đoạn kéo sợi thủy tinh

Cách chế tạo sợi carbon

Quá trình chế tạo carbon cần có polyacrylonitril lỏng, hỗn hợp xơ của các nguyên tử carbon. Tất cả được oxy hóa ở nhiệt độ khoảng 300°C nhằm ngăn chặn các sợi dính lại với nhau. Sau đó, sẽ cacbon hóa các nguyên liệu trong lò yếm khí ở nhiệt độ 1000°C. Quá trình này làm cho các nguyên tử hợp nhất và loại bỏ các tạp chất lẫn vào để tạo ra các nguyên tử carbon tinh khiết.

Quy trình sản xuất sợi carbon

Phân biệt sợi thủy tinh và sợi carbon 

So sánh sợi thủy tinh và sợi carbon

Hai vật liệu sợi thủy tinh và sợi carbon đều rất phổ biến và có những đặc tính tương tự nhau trên nhiều phương diện, cụ thể như: độ cứng cao, trọng lượng nhẹ, kháng hóa chất và chống ăn mòn. Tuy nhiên, cũng có sự khác nhau giữa sợi thủy tinh và sợi carbon:

• Sợi carbon có các đặc tính riêng như chịu nhiệt, hệ số giản nở nhiệt thấp, khả năng thấm tia X, dẫn điện, chống mỏi
• Sợi thủy tinh có các đặc tính riêng như chống cháy, không thấm nước, không dẫn điện và không dẫn nhiệt.
• Cường độ chịu kéo của sợi carbon là 1000MPa cao hơn sợi thủy tinh (700MPa)
• Mô đun đàn hồi của sợi carbon là 651.5 GPa cao hơn đáng kể so với sợi thủy tinh (72.5 GPa)
• Ứng dụng của sợi carbon là thân máy bay, dụng cụ thể thao, gia cường cho kết cấu bê tông, thảm cao su chống tĩnh điện…
• Ứng dụng của sợi thủy tinh là ống sợi thủy tinh, gia cường cho các kết cấu composite tổng hợp, vật liệu cách nhiệt, cách điện…

Nhìn chung, sợi carbon bền và chắc chắn hơn so với sợi thủy tinh và có thể thay thế các kim loại khác trong một số ứng dụng.

Chất gia cường sợi thủy tinh và sợi carbon nào tốt hơn khi in 3D?

Vật liệu composite có 2 loại gia cường chủ yếu đó là sợi thủy tinh và sợi carbon. Hai loại này có nhiều ưu điểm về độ dai bền, độ cứng, nên các kỹ sư đã tìm cách pha chế sợi thủy tinh hoặc carbon vào vật liệu in 3D truyền thống. Sản phẩm gia công bằng kỹ thuật tạo mẫu 3D, cần phải:

• Chuẩn kích thước hình học
• Có thể tối ưu thiết kế tùy ý
• Giảm khối lượng
• Hợp nhất các chi tiết lắp ghép
• Kiểm tra tính khả thi trước khi đưa vào đúc ép nhựa

Với kỹ thuật in 3D, có thể “đúc” ra những vật thể, chi tiết cơ khí có độ bền nhưng thời gian và chi phí lại giảm đáng kể.

Ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất siêu xe

Cả hai loại nhựa in 3D từ thủy tinh và sợi carbon đều có những tính chất kỹ thuật tương đối giống nhau. Tuy nhiên, cũng có một vài yếu tố khác biệt sau đây:

• Chất liệu nền polymer (ABS, nylon, polycarbonate)
• Chất liệu nền kiểu phối trộn 
• Phần trăm (%) lượng filber pha vào
• Thông số trên phần mềm điều khiển máy in 3D
• Chất lượng cơ khí của các máy in 3D

Sản phẩm từ bê tông cốt từ thủy tinh được in 3D

Bảng thống kê sau đây sẽ giúp bạn có sự lựa chọn phù hợp giữa 2 chất liệu in 3D sợi thủy tinh và sợi carbon:

Yêu cầu	Lựa chọn
Giá cả phải chăng	Glass fiber
Độ bền kéo	Carbon fiber
Độ cứng	Carbon fiber
Tuổi thọ cao	Glass fiber
Độ dẻo	Glass fiber
Trọng lượng nhẹ	Carbon fiber
Khả năng chịu nhiệt	Cả 2
Kháng chịu ăn mòn hóa học	Cả 2
Độ bền mỏi	Carbon fiber
Kháng chịu tia UV	Cả 2
Khả năng chống tĩnh điện	Carbon fiber
Tiềm năng về dẫn điện	Carbon fiber
Cho phép vi sóng xuyên qua	Glass fiber
Pha trộn đa màu sắc	Glass fiber

Bài viết trên đã cung cấp toàn bộ thông tin và cách phân biệt sợi thủy tinh và sợi carbon, hy vọng bạn đã có thêm thông tin để lựa chọn được loại vật liệu phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình.  

Nếu bạn có nhu cầu mua sợi thủy tinh, nhựa composite, tàu thuyền composite,…  thì liên hệ ngay với Tân Trường Thịnh qua địa chỉ: Số 23, Phố Thanh Lân, P. Thanh Trì, Q. Hoàng Mai, Tp. Hà Nội (TPHN). Hotline 0907 811 577– 0378 478 494 hoặc website tantruongthinh.vn để được giải đáp thắc mắt nhanh nhất.