Vàng đen mang tên sợi carbon trong công nghiệp xe hơi (P1)

Sợi carbon (carbon fiber) là một trong những vật liệu được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp xe hơi.

Vậy sợi carbon là gì? Nó được tạo ra như thế nào? Và vật liệu này mang lại ưu điểm gì? Cùng Otoman tìm hiểu trong bài viết sau đây.

1. Sợi Carbon là gì?

Carbon là một trong những vật liệu công nghệ cao được sử dụng trong ngành công nghiệp xe hơi. Với nhiều ưu điểm vượt trội, tầm quan trọng và giá trị mà carbon mang lại đang ngày một tăng lên trong thời gian gần đây.

Carbon được các nhà thiết kế tận dụng ở mọi nơi trên xe: từ nội thất, phụ tùng, cho đến bọc ngoại thất cho xe hơi. Về hình thức, vật liệu này mang lại tính thể thao và sang trọng. Những giá trị này đã biến carbon trở thành “vàng đen” trong ngành công nghiệp xe hơi.

Sợi carbon hay còn gọi là polyme cốt carbon (carbon fiber reinforced polymer, CFRP) là một vật liệu tổng hợp giữa carbon và nhựa polyme. Vật liệu này mang cả hai đặc tính nhẹ và cứng cáp (mà ngành công nghiệp xe hơi đang hướng đến).

2. Sợi Carbon được tạo ra như thế nào?

Ví dụ đối với BMW, sợi carbon được dùng trong trong các phụ tùng của BMW M Performance Parts hoặc các bộ phận chính như khung xe. Các thành phần để sản xuất vật liệu carbon bao gồm sợi carbon và một cấu trúc hợp chất làm từ nhựa nhiệt rắn (thermosetting plastics) được gọi là ma trận (matrix).

Cấu trúc này lại có thể được hình thành từ những vật liệu khác nhau, ví dụ như nhựa cây tổng hợp (synthetic resin). Những cấu trúc ma trận có nhiệm vụ kết nối các sợi carbon với nhau và lấp đầy khoảng trống giữa chúng.

Các phân tử nhựa cây tổng hợp sẽ bắt đầu liên kết chéo (crosslink) với nhau sau một thời gian đủ dài ở nhiệt độ phòng. Do đó, nó cần được bảo quản bằng cách quấn quanh một cuộn ở nhiệt độ -18 độ C. Nhựa cây tổng hợp được làm nóng lên nhiệt độ phòng khoảng một ngày trước khi thực hiện khâu xử lý tiếp theo.

Bản thân sợi carbon cực kỳ mỏng (chỉ bằng 1/10 đường kính tóc người) nên hướng đặt sợi là yếu tố quan trọng để tạo nên sự ổn định. Cụ thể, cấu trúc carbon trở nên cực kỳ cứng chỉ khi được xếp theo hướng của sợi.

Ở bước xử lý tiếp theo, khoảng 50,000 sợi carbon riêng lẻ sẽ được kết lại với nhau thành một bó sợi (fiber bundle), được gọi là sợi thô (roving) và được cuộn tròn (roll up).

Sau đó, các sợi thô sẽ được sử dụng để dệt thành một tấm carbon phẳng (flat textile) với nhiều hướng đặt sợi khác nhau nhằm đạt được độ cứng ở mọi hướng. Khi đặt chồng lên nhau, các tấm carbon này tạo thành các lớp (stack).

Những lớp carbon này sau đó được đặt vào khuôn và mang đi “nướng” (baked). Quá trình này là một bước hấp tiệt trùng (autoclave), trong đó ma trận được làm cứng ở nhiệt độ 120 độ C trong môi trường áp suất cao trong khoảng hai giờ.

Lúc này, nhựa cây tổng hợp sẽ được liên kết chéo với nhau để tạo ra hình dạng cuối cùng của chi tiết. Sau bước này, ta thu được các chi tiết carbon có thể ghép với nhau thành một chi tiết lớn hơn (như thân xe chẳng hạn).

Ở bề mặt chi tiết, người ta phủ một lớp sơn mài trong suốt để bảo vệ bề mặt carbon. Qua đó, ta cũng có thể nhìn thấy cấu trúc đặc trưng của sợi carbon bằng mắt thường.

Ngoài hình thức gia công bằng máy móc hiện đại, hầu hết các chi tiết trên xe được sản xuất bằng tay. Để sản xuất một bộ phận nào đó, người thợ có thể phải mất cả ngày.

Tất cả các khâu từ chuẩn bị, cắt, hấp tiệt trùng, đổ khuôn, nghiền, sơn đều là thủ công và cần rất nhiều thời gian. Đổi lại, chất lượng là cực kỳ cao.

Với quá trình chế tạo phức tạp như trên, sợi carbon mang lại những gì cho ngành công nghiệp xe hơi? Mời bạn đọc để lại ý kiến của mình bên dưới và đọc tiếp phần 2 trên Otoman.