Sợi carbon là gì? tại sao sợi carbon nhẹ nhưng bền, vật lý khám phá

Vật lý khám phá T.Trường 29/8/17 20,745 0
  1. Sợi carbon là gì?
    Sợi carbon là loại sợi công nghiệp chứa 90% là carbon (C). Tính chất vật lý đặc trưng của sợi carbon: nhỏ, nhẹ, chịu lực và chịu nhiệt tốt, cứng gấp 2 và chịu tải gấp 5 lần thép.
    [​IMG]
    Hình ảnh sợi carbon đã được dệt thành tấm.

    Tại sao sợi carbon lại nhẹ và bền?
    Sợi carbon được cấu tạo từ 90% là nguyên tử carbon C có khối lượng nguyên tử là 12g/mol nhẹ hơn gần 5 lần so với nguyên tử kim loại (sắt Fe = 56g/mol).
    Giống như kim cương và than chì cùng được cấu tạo từ 100% là nguyên tố C nhưng cấu trúc mạng tinh thể (cách sắp xếp của các nguyên tử C) khác nhau sẽ dẫn đến tính chất vật lý khác nhau.
    xem thêm: Chất rắn là gì, chất rắn kết tinh và chất rắn vô định hình?
    [​IMG]
    Mạng tinh thể C của than chì sắp xếp theo hàng dọc => nếu tác dụng theo phương vuông góc sẽ khó phá vỡ hơn tác dụng lực theo phương song song với mạng tinh thể (giống như chặt ngang thân một cây gỗ thì khó hơn là trẻ đôi nó ra)

    Mạng tinh thể C của kim cương sắp xếp theo cấu trục mạng không gian nên về mọi phương nó đều có tính chất vật lý chịu lực như nhau nên kim cương cứng hơn.

    Tương tự như vậy, bằng các kỹ thuật của công nghệ cao, các kỹ sư vật liệu đã xây dựng nên cấu trúc riêng cho sợi carbon khiến nó có tính chất vật lý bền, chịu lực, chịu nhiệt tốt
    [​IMG]
    Cấu trúc bên trong của sợi carbon. Mỗi sợi có kích thước tính bằng đơn vị micro mét (bằng 1 phần 1 triệu mét) nhỏ hơn cả một sợi tơ nhện trong tự nhiên. Sợi carbon lần đầu tiên được sử dụng trong tên lửa, xe tăng vào đầu những năm 1960 khi đó chúng ta nhận ra rằng đó chính là loại nguyên liệu của tương lai.

    Tuy nhiên đã hơn 50 năm trôi qua, sợi carbon vẫn là một loại vật liệu hết sức lạ lẫm với đời sống của con người bởi một lý do rất đơn giản: giá thành của nó quá đắt.
    Nếu bạn được quảng cáo: dán điện thoại, bảo vệ laptop … bằng sợi carbon với giá thành rẻ thì nên xem lại chắc chắn là made in china.

    Để có thể tạo ra loại carbon dùng để sản xuất sợi carbon, cần phải tiêu hao một nửa lượng nguyên liệu ban đầu do nhiệt dẫn đến sản phẩm cuối cùng theo đó sẽ có giá gấp đôi so với nguyên liệu. Ngoài ra chi phí sản xuất, khấu hao máy móc, nhân công cũng góp phần vào làm cho giá thành của sợi carbon khá cao. Chính vì vậy việc "bình dân hóa" loại nguyên liệu này cũng cần phải một khoảng thời gian dài dài dài nữa.

    Trong các ngành công nghiệp chế tạo máy như ô tô, máy bay, khi động cơ không thể cải tiến hơn nữa đó là lúc ứng dụng các loại vật liệu như sợi carbon vào trong sản xuất nhằm nâng cao hiệu suất của động cơ, giảm nhiên liệu tiêu hao, tăng độ bền …

    Porche công ty sản xuất ô tô thể thao hạng sang của Đức, sáng lập bởi Louise Piëch và Ferdinand Porsche. Mới đây đã công bố về một cỗ máy kéo sợi carbon dùng để chế tạo bánh cho những chiếc xe Porsche 911 Turbo S Loại bánh xe sử dụng sợi carbon thay thế hợp kim thông thường giúp tăng động năng và độ thoải mái khi lái xe.
    [​IMG]
    Siêu xe Porsche 911 Turbo S có khả năng tăng tốc từ 0-100km/h chỉ trong vòng 2,9 giây, đạt tốc độ tối đa 330 km/h. Mức khí thải chỉ khoảng 212 gram/km và mức độ tiêu tốn nhiên liệu 9,1 lít/100km. Dự tính sẽ có khoảng 500 chiếc Porche 911 Turbo S được bán ra trên toàn cầu trong thời gian tới.
    [​IMG]
    Loại bánh xe sợi carbon trên chỉ là một lựa chọn cho người mua, và những chiếc xe đầu tiên trang bị loại bánh này có thể phải chờ tới 2018. Để sở hữu lựa chọn này, bạn sẽ phải trả thêm khoảng 18 ngàn USD.
    Video quy trình sản xuất bánh xe dùng sợi carbon của Porsche

    tham khảo: wonderfulengineering, vật lý phổ thông, vật lý khám phá
Share Share