composite sợi cacbon

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.
Trang - 2 -
• Phân loại theo cốt
- 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/cm
3
), 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
2=
γ
. 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

Môdun đàn hồi riêng
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
GPa45.2
1
÷=
σ
hoặc hơn)
- Loại sợi có môđun đan hồi cao (E= 300
÷
700Gpa , độ bền
GPa5.22
1
÷=
σ
)
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
0
C, thậm chí đến
2800
0
C. 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:
OH
H
H
H
OH
H
O
HH
O
CH
2

OH
OH
H
O
O
H
OH
CH
2
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 100
0
C trong vòng
khoảng 15 giờ.
Quá trình oxi hoá xenlulozo được xử lí ở nhiệt dộ 350-400
0
C. 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 900
0
-
1500

0
C. 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 1200-300
0
C, 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 500-1000
0
C, nồng độ cacbon lên đến 70-85% và
kéo được thành sợi.
Giai đoạn 3 kéo sợi ở nhiệt độ đến 1500
0
C, 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: 1800-2800
0

C, 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/m
3
, 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:
CH
C
N
CH
C
N
CH
C
N
CH
C
N
CH
2
CH
2
CH
2
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
0
C.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
0
C, khi tăng
nhiệt độ lên quá 1500
0
C, môđun đàn hồi sẽ tăng lên, nhưng độ bền lại giảmđi.
Biến dạnh đứt trong sợi cacbon có môđun thấp (
≤
B
E
200GPa) và độ bền
cao (
MPa
B
2500≥
σ
), khoảng 1.5-1.6%. Đối với sợi cacbon có môđun đàn hồi cao
(
≥

B
E
300GPa) và độ bền thấp hơn (
MPa
B
1600≤
σ
), 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-
347

0
K. 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)10
3
nm.
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 -
Dung dich
Polymer
Khuôn kéo sợi
O 60
Thùng lắng
Kéo nóng

khuôn
Khí
nóng
Buồng tạo
sợi
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
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-
1200
0
C, sau đó xử lí ở nhiệt độ cao khoảng 2800-3000
0

C 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
0
C 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 sợi
Hồ 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 2800

0
C 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
m
µ
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/cm
3
)
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 (1000-3000
0
C) và môđun đàn
hồi từ 90GPa (1000
0
C) , 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 -
Đặc trưng
Sợi cacbon trên cơ sở PAN Sợi cacbon

trên cơ sở
Pec tinh thể
lỏng
Độ bền cao Độ dãn dài
cao
Môđun
cao
Đường kính mm (10
-9
m) (7-8)10
3
(6-7) 10
3
(6-7) 10
3
1.10
5
Môđun đàn hồi kéo E
1
,
GPa
230 - 240 230-250 350-450 380-690
Độ bền khi kéo
B
σ
, 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/m
3

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 trưng
Sợi
Cacbon hoá Graphit
Khối lượng riêng, kg/m
3
1300 - 1650 1700 - 1900
Bề mặt riêng, m
2
/T 0.3 - 1000 0.15 – 3.0
Hệ số dãn nở nhiệt, 10
6
/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,
mΩ
−5
10
0.7 – 70 0.003 – 0.6
Nhiệt độ thăng hoa,
0
C 3000 3600
Độ hút ẩm, % 0.1 – 10 1.0

Bảng 4
Mác, nước
sản xuất
khối lượng
riêng,
10
3
kg/m
3
Đường kính
d, Micromet
Môđun đàn
hồi E
1
, Mpa
Độ bền
trung bình,
1
σ
, 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
Culon(Nga) 1.90 - 400 – 600 2.0 0.4
LY-2 (Nga) 1.70 - 230 2.0 – 2.5 1.0
Trang - 20 -

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: 800-1200
0
C; 1400
0
C và 2000-3000
0
C.
Một số trưng của pirocacbon, nhận được ở dải nhiệt độ từ 900-1030
0
, như
sau:
- Môđun đàn hồi E
+
1
, GPa 14
- Hệ số Poatxong, V 0.33
- Hệ số dẫn nhiệt
λ
, BT (M.K) 40
Trang - 22 -
- Hệ số dãn nở vì nhiệt

1
,
−
K
α
7.10
-6
Đặc trưng của nền cacbon khi xử lý ở nhiệt độ T
≥
2100
0
C như sau:
- Môđun đàn hồi E
+
1
, GPa 50
- Hệ số Poatxong, V 0.33
- Hệ số dẫn nhiệt
λ
, BT (M.K) 110
- Hệ số dãn nở vì nhiệt
1
,
−
K
α
3,5.10
-6
- Độ bền kéo
+

1
σ
, Mpa 34
- Độ bền nén
−
1
σ
, 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 150-200
0
C, 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 300-1500
0

C 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 300-400
0
C:có sự sắp xếp lại phân tử do xảy ra
những phản ứng đầu tiên của sự ngưng tụ.
• Giai đoạn trung gian (600-650
0
C): 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 1500
0
C): 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 450-600
0
C và càng giảm khi nhiệt độ càng cao.
• Sau quá trình nhiệt phân là quá trình xử lí nhiệt độ cao lên đến 2700
0
C.
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/m
3
1377 – 1500
Độ bền, Mpa:
- Khi kéo
+

1
σ
40 – 50
- Khi uốn
+
τ
σ
100 – 250
-Khi nén
−
1
σ
260
Môđun đàn hồi E, GPa 15 – 27
Độ dẫn nhiệt
λ
, (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 (900-1400
0
C): phân huỷ các hợp chất hữu cơ và hình
thành cấu trúc phân tử cacbon có trật tự.
Trang - 25 -