Sợi carbon được tạo ra như thế nào

Nguyên liệu thô chính của sợi carbon là polyacrylonitrile, một loại sợi tổng hợp.

Một số nguyên liệu thô khác như hắc ín, sợi tự nhiên cũng có thể dùng để chế tạo sợi carbon.

    Chất tiền thân được trộn với các vật liệu khác rồi kéo thành sợi.

Các sợi sau đó được rửa sạch và kéo dài.

    Sợi carbon phải được biến đổi hóa học trước khi cacbon hóa để làm cho nó ổn định nhiệt hơn bằng cách thay đổi liên kết nguyên tử tuyến tính thành liên kết bậc thang. Làm nóng chất xơ trong không khí đến 200-300 độ trong khoảng 30 phút đến 2 giờ. Quá trình gia nhiệt này buộc các nguyên tử carbon hấp thụ các nguyên tử oxy từ không khí và sắp xếp lại các phân tử thành các kiểu liên kết ổn định nhiệt hơn.

Quá trình tỏa nhiệt này phải được kiểm soát cẩn thận để tránh sợi bị quá nhiệt. Có một số phương pháp được sử dụng để ổn định sợi carbon.

Sau khi sợi được ổn định nhiệt, nó được nung nóng đến 1,000-3,000 độ trong điều kiện không có oxy trong vài phút.

Việc thiếu oxy khiến các sợi không thể cháy ở nhiệt độ cao như vậy. Trong quá trình này, điều quan trọng là phải giữ cho áp suất không khí bên trong lò cao hơn áp suất không khí bên ngoài lò, đồng thời phải giữ kín đầu vào và đầu ra của sợi để ngăn oxy vào lò.

Ở nhiệt độ cao này, sợi trục xuất các nguyên tử không phải cacbon và các nguyên tử cacbon còn lại tạo thành các tinh thể cacbon liên kết chặt chẽ.

Những tinh thể cacbon này được xếp song song với trục dài của sợi cacbon.

    Quá trình cacbon hóa tạo cho sợi một bề mặt nhẵn không thể liên kết tốt với nhựa epoxy và các vật liệu khác được sử dụng để tạo ra sản phẩm composite.

Do đó, bề mặt bị oxy hóa nhẹ. Quá trình oxy hóa giúp bề mặt có tính chất liên kết hóa học tốt hơn đồng thời khắc bề mặt để hóa chất bám dính tốt hơn vào bề mặt.

Sợi đôi khi bị oxy hóa bằng cách ngâm chúng trong các loại khí như carbon dioxide, không khí hoặc ozon hoặc trong các chất lỏng như axit nitric hoặc natri hypoclorit. Những trường hợp khác, quá trình oxy hóa đạt được thông qua quá trình điện phân bằng cách nhúng các sợi tích điện dương vào bể vật liệu dẫn điện.

Bất kể sử dụng phương pháp chuẩn bị bề mặt nào, điều quan trọng là phải thực hiện dưới sự giám sát cẩn thận của các chuyên gia để tránh tạo ra các khuyết tật bề mặt có thể dẫn đến hỏng vật liệu.

Sau khi bị oxy hóa, các sợi được quấn lại để tránh bị hư hỏng khi cuộn thành cuộn hoặc dệt thành vải.

Quá trình phủ được gọi là định cỡ và vật liệu định cỡ được lựa chọn cẩn thận để tương thích với chất kết dính được sử dụng để tạo thành cấu trúc hỗn hợp.

Vật liệu phủ có thể bao gồm polyester, nylon, urethane hoặc epoxy.