Khám phá bí mật công nghệ sợi carbon - Loại vật liệu hoàn hảo?

Sợi carbon được mệnh danh là "siêu vật liệu" trong ngành công nghệ chế tạo máy móc.

Khi lần đầu tiên sợi carbon được mang ra dùng trong tên lửa, xe tăng và những năm 1960, người ta đã nhìn thấy rằng trong một tương lai không xa, đây chính là loại vật liệu không chỉ thay thế cho sợi thủy tinh mà còn rất nhiều loại vật liệu khác.

50 năm trôi qua kể từ ngày đó, sợi carbon vẫn là một loại vật liệu hết sức kỳ lạ. Nhiều người cũng rất chắc chắn rằng ngay cả Batman cũng phải cần đến loại sợi này cho bộ giáp của mình, hay cho những bộ phận xe đắt tiền khác. Tuy nhiên, với cái giá ít nhất là 10 USD cho khoảng nửa ký, loại vật liệu này vẫn quá đắt đỏ cho việc sử dụng một cách rộng rãi. Chúng ta đã biết đến sợi carbon từ nhiều thập kỷ trước, vậy tại sao giá thành của loại vật liệu này không giảm theo định luật Moore? Với những gì mà các nhà khoa học đã chứng minh, chúng ta có thể tự hiểu rằng, cho dù có chờ đến 50 năm nữa cũng không thể biến sợi carbon thành một loại vật liệu bình dân được.

Để lý giải cho vấn để này, cần phải xét lại quá trình hình thành sợi carbon. Khởi đầu với một loại vật liệu cơ sở, thường là polyme hữu cơ với các nguyên tử carbon liên kết với nhau tạo thành một chuỗi dài các phân tử được gọi là polyacrylonitrile. Đó là một thứ tương tự như acrylic trong áo len và thảm, tuy nhiên điểm khác biệt nằm ở chỗ loại giá dành cho thứ sẽ tạo thành loại vật liệu chắc và nhẹ hơn thép “chát” hơn rất nhiều. Con số 3 USD cho khoảng nửa ký nghe có vẻ hoàn toàn chấp nhận được, nhưng điều lưu ý là khối lượng cần trong quá trình sản xuất lớn hơn rất nhiều.

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. Sản phẩm cuối cùng theo đó sẽ có giá gấp đôi so với nguyên liệu. Theo lời của ông Bob Norries của Viện nghiên cứu Quốc gia Oak Ridge: “Chưa kể đến chi phí dành năng lượng tiêu hao cũng như trang thiết bị, giá của sản phẩm sau quá trình này cũng đã nằm ở khoảng 5 USD cho nửa ký”.

Cái giá 5 USD đó cũng đã khiến cho việc ứng dụng sợi carbon vào sản xuất ô tô là một việc không tưởng. Nhưng đúng như những gì ông Bob Norris đã nói, để tách carbon ra khỏi nguyên liệu ban đầu cần những hệ thống lớn và rất nhiều nhiệt. Một trong những bước quan trọng của quá trình này chính là oxi hóa ổn định. Những sợi carbon khi đó phải được đưa qua những lò dài từ 15 đến 30m trong nhiệt độ lên đến hàng trăm ^oC và quá trình này kéo dài hàng giờ đồng hồ nên bạn cũng có thể thấy năng lượng tiêu hao lớn đến mức nào.

Chưa hết, vật liệu này còn phải trải qua một quá trình carbon hóa. Những lò được dùng trong quá trình này không lớn và thời gian cũng không dài, nhưng nhiệt độ đòi hỏi lại rất cao – vào khoảng 1000^oC cho bước đầu và thậm chí còn cao hơn cho những bước sau đó. Những nhà máy sản xuất còn phải đối mặt với những vấn đề về môi trường. Các chất khí thải ra nếu không được xử lý một cách cẩn thận nhất sẽ gây ô nhiễm môi trường rất nặng, và số tiền để thực hiện việc xử lý đó chắc chắn cũng là một con số khổng lồ.

Tất cả những quá trình trên vẫn chưa tạo ra loại vật liệu sáng bóng, nhẹ và cực kỳ bền chắc mà bạn đã biết. Những gì bạn thu được chỉ mới là những sợi đơn lẻ, cần phải sắp xếp những sợi này thành một mạng tinh thể để lợi dụng độ bền và liên kết chúng với nhau. Quá trình này đòi hỏi sự cẩn thận và chính xác tuyệt đối, tất cả các sợi phải được đảm bảo kéo ra đồng đều và đủ căng. Chỉ cần một sợi trong mạng bị chùng, chúng sẽ gây áp lực lên những sợi khác và sẽ làm hỏng toàn bộ mạng tinh thể đó. Nhằm bù đắp cho những rủi ro có thể xảy ra, các nhà sản xuất phải đưa ra cái giá đắt hơn khoảng 10% so với mức giá gốc.

Nhưng chỉ có mỗi sợi carbon không vẫn chưa phải là thứ mà những nhà sản xuất cần. Cũng như thép được dùng trong bê tông, những sợi carbon đó cần phải kết hợp với một loại nhựa được làm rắn lại bằng nhiệt hóa để tạo ra một loại hỗn hợp có thể được gia công để tạo ra những hình dạng nhất định. Vấn đề xảy ra ở đây là sau khi đã được định hình và lưu hóa trong một lò hấp, hình dạng đó không thể thay đổi được nữa. Một lỗi nhỏ xảy ra sẽ lãng phí rất nhiều nguyên liệu. Quá trình này kéo dài khoảng một giờ, đó là một khoảng thời gian dài nếu so với thời gian tạo ra thân xe trong các xưởng lắp ráp xe hơi.

Những điều trên cho thấy, để có thể giảm giá thành của sợi carbon, không chỉ cần một chuyên gia kinh tế, mà cần đại tu cả một hệ thống, như nguyên vật liệu, các quá trình chuyển hóa… Chẳng hạn như loại acrylic trong áo len có thể được dùng để thay thế cho loại được các nhà sản xuất sử dụng hiện tại, từ đó giảm thiểu các thiết bị chuyên dụng và giảm giá thành khoảng 20 đến 30%. Ngoài ra chúng ta cũng có thể xem xét đến một loại sợi carbon có thể tái tạo như lignin, một loại sợi có nguồn gốc từ gỗ thay vì loại sợi có nguồn gốc từ dầu mỏ như hiện nay.

Ngoài ra, có thể dùng những quá trình chuyển đổi thay thế khác, cụ thể như thay vì nhiệt hóa theo cách thông thường, có thể dùng tia plasma để giảm chi phí điện. Cách này đồng thời cũng tiết kiệm được thời gian vì không phải làm nóng toàn bộ lò, những tia plasma có thể bao bọc và làm nóng riêng từng sợi carbon.

Một quá trình khác có thể cắt giảm được chi phí chính là quá trình kết hợp sợi carbon với nhựa nhiệt rắn. Thay thế loại nhựa đó bằng một loại nhựa nhiệt dẻo có thể giảm chi phí đến 70%. Hơn nữa, loại nhựa này có thể nấu chảy lại được nếu có xảy ra sai sót trong quá trình tạo hình, làm hạn chế sự lãng phí cũng như chất thải.

Tất nhiên, những thay đổi trên cần thời gian dài để có thể được đưa và áp dụng thực tế. Hiện nay, sợi carbon được được dùng thay cho nhôm trong những máy bay thương mại mới như Airbus A380, chứng tỏ loại vật liệu đắt đỏ này đang dần được đưa vào những dây chuyển sản xuất, tất nhiên là chỉ dành cho những ngành công nghiệp có khả năng chi trả. Tuy nhiên, hãy trông chờ vào một tương lai không xa khi định luật Moore có thể được áp dụng cho sợi carbon và con người có thể được dùng những sản phẩm từ loại sợi bền chắc hơn, nhẹ hơn và tất nhiên là… rẻ hơn thép.

Tham khảo Gizmodo