Sợi carbon
Lịch sử

Năm 1860, Joseph Swan lần đầu tiên sản xuất sợi carbon, để sử dụng trong bóng đèn. Vào năm 1879, Thomas Edison đã nướng các sợi bông hoặc các thanh tre ở nhiệt độ cao để carbon hóa chúng thành một sợi hoàn toàn bằng sợi carbon được sử dụng trong một trong những bóng đèn sợi đốt đầu tiên được đốt nóng bằng điện. Năm 1880, Lewis Latimer đã phát triển dây tóc carbon đáng tin cậy cho bóng đèn sợi đốt, được đốt nóng bằng điện.
Năm 1958, Roger Bacon đã tạo ra các sợi carbon hiệu suất cao tại Trung tâm Kỹ thuật Union carbide Parma nằm bên ngoài Cleveland, Ohio. Những sợi này được sản xuất bằng cách đốt nóng các sợi rayon cho đến khi chúng được cacbon hóa. Quá trình này tỏ ra không hiệu quả, vì các sợi thu được chỉ chứa khoảng 20% carbon và có đặc tính độ cứng và độ cứng thấp. Đầu những năm 1960, một quá trình được phát triển bởi Tiến sĩ Akio Shindo tại Cơ quan Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Nhật Bản, sử dụng polyacrylonitrile (PAN) làm nguyên liệu thô. Điều này đã tạo ra một sợi carbon chứa khoảng 55% carbon. Năm 1960 Richard Millington của HI Thompson Fiberglas Co. đã phát triển một quy trình (Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 3.294.489) để sản xuất sợi có hàm lượng carbon cao (99%) sử dụng rayon làm tiền chất. Các sợi carbon này có đủ cường độ (mô đun đàn hồi và độ bền kéo) để làm cốt thép cho vật liệu tổng hợp có cường độ cao đến các đặc tính trọng lượng và cho các ứng dụng chịu nhiệt độ cao.
Sức mạnh tiềm năng cao của sợi carbon đã được hiện thực hóa vào năm 1963 trong một quy trình được phát triển bởi W. Watt, LN Phillips và W. Johnson tại Cơ sở chế tạo máy bay Hoàng gia tại Farnborough, Hampshire. Quá trình này được Bộ Quốc phòng Anh cấp bằng sáng chế, sau đó được Tập đoàn Phát triển Nghiên cứu Quốc gia Anh cấp phép cho ba công ty: Rolls-Royce, người đã sản xuất sợi carbon; Morganit; và Courtaulds. Trong một vài năm, sau khi sử dụng thành công năm 1968 một tổ hợp quạt bằng sợi carbon Hyfil trong động cơ phản lực Rolls-Royce Conway của máy bay Vickers VC10, Rolls-Royce đã tận dụng các đặc tính của vật liệu mới để xâm nhập thị trường Mỹ với động cơ aero RB-211 với lá máy nén bằng sợi carbon. Thật không may, lá thép tỏ ra dễ bị tổn thương do va chạm với chim. Vấn đề này và những vấn đề khác đã khiến Rolls-Royce thất bại đến mức công ty bị quốc hữu hóa vào năm 1971. Nhà máy sản xuất sợi carbon đã được bán đi để tạo thành công ty Bristol Composites.
Vào cuối những năm 1960, người Nhật đã đi đầu trong việc sản xuất sợi carbon dựa trên PAN. Một thỏa thuận công nghệ chung năm 1970 cho phép Union carbide sản xuất sản phẩm Toray Industries của Nhật Bản. Morganite quyết định rằng việc sản xuất sợi carbon là phần ngoại vi của hoạt động kinh doanh cốt lõi của mình, khiến cho Courtaulds trở thành nhà sản xuất sợi carbon lớn duy nhất của Anh. Quá trình sản xuất vô cơ dựa trên nước của Courtelle làm cho sản phẩm dễ bị tạp chất, không như các sản phẩm được làm từ quá trình hữu cơ được các nhà sản xuất sợi carbon khác áp dụng, dẫn đến việc Courtaulds ngừng sản xuất sợi carbon vào năm 1991.
Trong những năm 1960, công việc thử nghiệm để tìm ra các nguyên liệu thô thay thế đã dẫn đến sự ra đời của các sợi carbon được làm từ một mỏ dầu có nguồn gốc từ chế biến dầu. Những sợi này chứa khoảng 85% carbon và có độ bền uốn tuyệt vời. Ngoài ra, trong giai đoạn này, Chính phủ Nhật Bản đã hỗ trợ rất nhiều cho việc phát triển sợi carbon tại nhà và một số công ty Nhật Bản như Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon và Mitsubishi đã bắt đầu phát triển và sản xuất. Kể từ cuối những năm 1970, các loại sợi carbon tiếp tục gia nhập thị trường toàn cầu, mang lại độ bền kéo cao hơn và mô đun đàn hồi cao hơn. Ví dụ, T400 từ Toray với độ bền kéo 4.000 MPa và M40, mô-đun 400 GPa. Sợi carbon trung gian, chẳng hạn như IM 600 từ Toho Rayon với tối đa 6.000 MPa đã được phát triển. Sợi carbon từ Toray, Celan và Akzo tìm đường đến ứng dụng hàng không vũ trụ từ phụ đến sơ cấp trong quân đội và sau đó là máy bay dân dụng như trong các máy bay của McDonnell Douglas, Boeing, Airbus và United Airplane Corporation.