Phiên bản Video do AI trình bày
Phiên bản Bản Trình bày bằng AI
Phiên bản Podcast do AI đối thoại
Phiên bản Đọc
GIỚI THIỆU
Graphite, Titanium và Vật liệu Áp điện (Piezoelectric)
Bởi Crawford Lindsey
GRAPHITE (THAN CHÌ / CACBON COMPOSITE)
Các chiến dịch tiếp thị thường thổi phồng rất nhiều về những vật liệu được dùng để chế tạo vợt. Trong những ngày xưa cũ, đó là gỗ. Tiếp theo là sự lên ngôi của nhôm và sợi thủy tinh (fiberglass). Thế nhưng, tất cả những bước tiến công nghệ gần đây trong kỹ nghệ chế tạo vợt tennis đều bắt nguồn từ một yếu tố duy nhất — cấu trúc vật liệu composite nền polyme gia cường sợi cacbon (gọi tắt là graphite composite). Nếu không có graphite, chúng ta sẽ không bao giờ có được các loại vợt có mặt vợt kích cỡ lớn (oversize), siêu lớn (superoversize), vợt thân rộng (widebody), hay vợt siêu nhẹ (superlight). Bản thân vật liệu graphite cũng có rất nhiều chủng loại khác nhau. Các nhà sản xuất cũng không ngớt lời ca ngợi về việc vợt của họ được chế tạo từ graphite có “mô-đun cao” (high modulus), “mô-đun siêu cao” (ultra-high modulus) hay “mô-đun cực cao” (hyper-high modulus). Vậy rốt cuộc graphite là gì? Mô-đun (modulus) là gì? Graphite được ứng dụng như thế nào trong cấu trúc của một cây vợt? Tại sao graphite có mô-đun cao hơn lại có giá thành đắt đỏ đến vậy? Làm thế nào để bạn đạt được độ cứng (stiffness) và độ bền cơ học (strength) tối ưu với những vật liệu này?
Công thức cơ bản để chế tạo vật liệu graphite cho vợt tennis là kết hợp các sợi cacbon (carbon fibers) với một loại nhựa polyme (polymer resin) để cấu thành một dạng vật liệu tổng hợp (composite). Vật liệu composite này sau đó được xếp lớp, định hình và đúc khuôn thành một cây vợt với các đặc tính cơ lý đa dạng, bao gồm trọng lượng, độ bền cơ học và độ cứng. Tuy nhiên, trong suốt quá trình đó, các nhà sản xuất có khả năng thay đổi các biến số khác nhau nhằm điều chỉnh đặc tính đóng góp cuối cùng của vật liệu vào thuộc tính tổng thể của sản phẩm. Mỗi điểm khác biệt kỹ thuật này đều có khả năng trở thành một luận điểm tiếp thị khác biệt ở một nơi nào đó, vào một ngày nào đó.
MÔ-ĐUN VÀ ĐỘ BỀN CƠ HỌC (MODULUS AND STRENGTH)
Mô-đun (Modulus), theo cách hiểu phổ biến nhất trong cơ học, mô tả mối quan hệ giữa ứng suất (stress) và biến dạng tương đối (strain) của một vật thể khi chịu một lực kéo nhất định dọc theo chiều dài của nó (Hình Pal / Hình 2.1).
Cụ thể hơn:
Trong các điều kiện tải trọng thông thường, ứng suất và biến dạng luôn thay đổi theo cùng một tỷ lệ thuận, do đó mô-đun (ứng suất chia cho biến dạng) luôn là một hằng số không đổi, và đó chính là lý do tại sao “mô-đun” được coi là một thuộc tính cơ lý đặc trưng của bản thân vật liệu. Nếu bạn tăng gấp đôi ứng suất, biến dạng tương đối cũng sẽ tăng lên gấp đôi.
Các nhà sản xuất thường có xu hướng quảng cáo vật liệu graphite trong vợt của họ là loại graphite có mô-đun trung bình (intermediate modulus) hoặc mô-đun cao (high modulus). Sau đó, thuật ngữ mô-đun “siêu cao” (ultra-high) bắt đầu len lỏi vào các tài liệu quảng cáo. Và gần đây nhất, Wilson đã tung ra thị trường một loại graphite có tên gọi là Hyper Carbon. Sự kiện này đã tạo nên một làn sóng dư luận khá lớn vì chiến dịch tiếp thị rầm rộ của họ thực sự đã buộc các đấu thủ tennis phải tự tìm hiểu và trang bị kiến thức về các cấp độ graphite khác nhau, nếu họ muốn hiểu thấu đáo và phân biệt được giữa muôn vàn các tuyên bố cạnh tranh lẫn nhau từ các thương hiệu.
Điều đầu tiên cần phải thấu hiểu là “hyper” không phải là một danh mục phân loại kỹ thuật mới nằm trên phân cấp siêu cao (ultra-high). Ngành công nghiệp vật liệu trên thực tế chỉ sử dụng bốn danh mục phân loại mô-đun đàn hồi (Mô-đun Young) chính thức như sau:
- Tiêu chuẩn (Standard) = 30-39 Msi (triệu pao trên mỗi inch vuông)
- Trung bình (Intermediate) = 40-49 Msi
- Cao (High) = 50-58 Msi
- Siêu cao (Ultra-high) = > 58 Msi.
“Hyper” thực chất chỉ là một tên thương mại (brand name) cho một sản phẩm thuộc phân cấp siêu cao (ultra-high) cụ thể đến từ một nhà sản xuất vợt nhất định. Điều này hoàn toàn tương tự đối với dòng vật liệu GraphitExtreme của hãng Prince hoặc bất kỳ cách đặt tên vật liệu nào của các thương hiệu khác. Vật liệu Hyper Carbon có mô-đun đàn hồi là 63,3 triệu pao trên mỗi inch vuông (Msi) và giới hạn bền kéo khi đứt (breaking strength) là 612 nghìn pao trên mỗi inch vuông (ksi). Như vậy, “Hyper” là nhãn mác tiếp thị thương mại, còn “ultra-high” mới là cấp độ phân loại mô-đun kỹ thuật. Hình 2.2 hiển thị đồ thị biểu diễn một số sản phẩm sợi cacbon thương mại phổ biến trên thị trường hiện nay được ứng dụng trong chế tạo vợt.
Bạn sẽ nhận thấy rằng mỗi danh mục phân loại là một khoảng giá trị (range). Do đó, nếu bạn thực sự muốn biết cây vợt nào sở hữu vật liệu graphite có mô-đun cao nhất, bạn sẽ cần phải biết các thông số kỹ thuật thực tế (specs) của nguồn nguyên liệu thô. Việc định lượng mô-đun bằng các con số cụ thể, hiển nhiên, sẽ cung cấp cho người tiêu dùng một tiêu chí đối chiếu mang tính so sánh tốt hơn nhiều so với việc chỉ sử dụng các tên gọi danh mục phân loại, đặc biệt là khi các tên gọi thương mại tiếp thị được các hãng gán ghép vào từng danh mục đó. Tuy nhiên, ngay cả khi bạn biết chính xác thông số mô-đun của vật liệu cấu thành nên cây vợt, làm thế nào để bạn biết được điều đó là tốt hay xấu đối với sản phẩm kỳ vọng, và liệu nó có tạo ra sự khác biệt nào cho hiệu suất vận hành của cây vợt hay không? Câu hỏi đó phức tạp hơn nhiều. Để trả lời điều đó, trước tiên chúng ta phải xem xét cách thức graphite được chế tạo và cách thức nó được ứng dụng cụ thể trong các cấu trúc cấu thành một cây vợt.
CHẾ TẠO CACBON MÔ-ĐUN CAO (MAKING HIGH MODULES CARBON)
Giai đoạn 1 — Vật liệu tiền thân (Phase 1 — The Precursor Material):
Sợi cacbon được làm từ một trong ba loại vật liệu khởi đầu giàu cacbon — rayon (tơ nhân tạo) và polyacrylonitrile (PAN), cả hai đều là sợi polyme đã qua xử lý, và hắc ín (pitch), một chất cặn từ quá trình lọc dầu và luyện than đá. Cả ba loại này đều được nung nóng thành chất lỏng và ép đùn qua một chiếc đĩa có kích thước xấp xỉ đồng xu 5 xu (nickel) với hàng ngàn lỗ vi mô để định hình chất lỏng thành các sợi mảnh (filaments). Các sợi mảnh này được làm nguội, đông kết và gom thành các bọc sợi (fiber-yarns) chứa hàng ngàn sợi mảnh. Các sợi này sau đó được cuộn vào các ống chỉ (bobbins) lớn. Sợi có nguồn gốc từ hắc ín là tiền chất để tạo ra các loại sợi có mô-đun đàn hồi rất cao, trên 75 triệu pound trên mỗi inch vuông (Msi). Rayon và PAN được sử dụng trong may mặc hoặc được xử lý sâu hơn để trở thành sợi cacbon. PAN là vật liệu tiền thân cho hầu hết các loại cacbon dùng làm vợt.
Giai đoạn 2 — Sợi cacbon (Phase 2 — The Carbon Fiber):
Các sợi PAN (theo nghĩa đen là “sợi len acrylic dùng dệt áo len”) được kéo qua hai lò nung có nhiệt độ cao khác nhau và trong môi trường không có oxy để đốt cháy tất cả các nguyên tố không phải cacbon (quá trình cacbon hóa). Các sợi luôn được giữ trong trạng thái căng (tensioned) suốt quá trình này để định hình các phân tử cacbon thành các tấm tinh thể hình lục giác dọc theo sợi. Ở giai đoạn này, mô-đun đàn hồi bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, thời gian duy trì nhiệt độ, và mức độ định hướng đạt được trong quá trình kéo căng. Thời gian tiếp xúc với nhiệt độ dao động từ 1-3 giờ. Nhiệt độ cao hơn sẽ tạo ra sợi cacbon tinh khiết hơn. Các cấp độ (mác) cacbon thường có hàm lượng cacbon từ 90-99%. Mặc dù thuật ngữ “cacbon” và “graphite” (than chì) đã được sử dụng thay thế cho nhau trong nhiều năm qua, graphite được định nghĩa là có độ tinh khiết cacbon lớn hơn 95% hoặc có mô-đun đàn hồi lớn hơn 50 Msi.
Mô-đun đàn hồi cao hơn được tạo ra bởi nhiệt độ cao hơn. Nhiệt độ để có sợi cacbon tốt có thể từ 1.200-1.400 độ C và đối với graphite tốt là từ 2.000 đến 3.000 độ C. Chi phí năng lượng và việc kiểm soát chất lượng để đạt được mô-đun cao hơn là rất lớn. Ngoài ra, các sợi có mô-đun cao hơn thì giòn hơn và khó xử lý hơn, do đó chúng phải được xử lý chậm hơn, và điều đó cũng tốn kém chi phí hơn.
Bước ra khỏi lò nung, các sợi đi qua một bể làm sạch và được phủ một lớp dung dịch epoxy một phần trăm được gọi là “sizing” (chất định lượng/hồ sợi). Điều này giúp cho việc xử lý sợi dễ dàng hơn. Nếu không có chất định lượng này, các sợi sẽ giống như những sợi lông vi mô mỏng manh lơ lửng trong không khí. Các sợi được gom lại thành các bó (tows) 1K, 3K, 6K hoặc 12K để cấu thành một sợi sợi cacbon (carbon fiber yarn) rồi sau đó được cuộn vào các ống con (spools). Các nhà sản xuất vợt thường sử dụng các bó sợi 12K vì chúng có giá thành thấp hơn và dễ xử lý hơn trong bước tiếp theo — prepregging (tiền thấm). Các thông số kỹ thuật về độ bền sợi và mô-đun đàn hồi là tính cho các sợi này trước khi chúng được kết hợp thành một vật liệu composite (vật liệu hỗn hợp). Đây là một điểm quan trọng cần lưu ý, bởi vì, như chúng ta sẽ thấy, các đặc tính của vật liệu composite sẽ phụ thuộc vào cả độ bền và mô-đun đàn hồi của cấu phần graphite và nhựa (resin), đồng thời phụ thuộc vào tỷ lệ tương đối của từng loại vật liệu trong composite đó.
Nhựa (Resin) là gì? (What Is Resin?)
Nhựa liên kết các sợi lại với nhau. Trên thực tế, một vật liệu composite thường được gọi là “ma trận gia cường bằng sợi” (fiber reinforced matrix), điều này ngụ ý rằng pha nền (matrix) đóng vai trò chủ đạo trong mối quan hệ này. Đằng sau mỗi sợi tóc luôn có một pha nền. Nhựa là các polyme (các chuỗi phân tử dài) và gồm hai loại — nhựa nhiệt dẻo (thermoplastic) và nhựa nhiệt rắn (thermosetting). Bản thân các loại nhựa cũng có các đặc tính về độ bền và độ đàn hồi riêng của chúng.
Nhựa nhiệt dẻo mềm đi dưới tác động của nhiệt độ. Những loại nhựa này có tính đàn hồi vì các phân tử riêng lẻ không liên kết với các phân tử lân cận và có thể trượt qua nhau khi bị kéo giãn. Do đó, nhựa nhiệt dẻo là những ứng viên tốt để làm dây vợt.
Nhựa nhiệt rắn được sử dụng trong sản xuất vợt. Có hai loại nhựa nhiệt rắn — polyester và epoxy — trong đó epoxy chiếm ưu thế trong các cây vợt. Nhựa nhiệt rắn cứng lại, hoặc được lưu hóa (cured), dưới nhiệt độ cao. Đặc điểm phân biệt của nhựa nhiệt rắn là các phân tử liên kết chéo với nhau, tạo thành một cấu trúc nâng đỡ liên kết mạng không gian (cross-linked). Điều này giúp tăng cường thêm độ bền và độ cứng. Vì các phân tử trong pha nền không được định hướng theo bất kỳ một hướng cụ thể nào, nên các đặc tính về độ bền và độ cứng là như nhau theo mọi hướng — chúng có tính đẳng hướng (isotropic). Ngược lại, các sợi có tính dị hướng (anisotropic), nghĩa là các đặc tính thay đổi tùy thuộc vào hướng của ứng suất tác động so với trục dọc của sợi. Trong nhiều tình huống chịu ứng suất, pha nền thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn sợi. Nhưng bản thân nó không đủ mạnh để gánh vác tất cả, vì vậy các sợi được đặt ở nhiều góc độ khác nhau để xử lý mọi điều kiện tải trọng có thể xảy ra.
Giai đoạn 3 — Vật liệu tiền thấm (Phase 3 — Prepreg):
Đây là nơi một “composite” được tạo ra. Hàng trăm, hoặc thậm chí hàng ngàn ống sợi gom được đặt ở một đầu của dây chuyền tiền thấm (prepreg line), và các đầu sợi được kéo qua một chiếc lược để trải rộng và căn chỉnh tất cả các sợi thành các “tấm” (sheets) có chiều rộng từ 12 inch đến 48 inch. Tấm sợi được kéo qua một bể nhựa epoxy. Lượng nhựa thừa được gạt bỏ bằng một thiết bị gạt dung dịch (squeegee) và tấm sợi được cuộn vào một trục lô với một lớp giấy lót có thể bóc rời ở mặt sau. Bởi vì tất cả các sợi graphite được sắp xếp song song với nhau, nên vật liệu này được gọi là vật liệu tiền thấm graphite đơn hướng (unidirectional graphite prepreg). Thuật ngữ “prepreg” (tiền thấm) ám chỉ việc các sợi đã được tẩm đẫm nhựa trước khi quá trình định hình (molding) thực tế diễn ra. Sự kết hợp giữa nhựa và sợi được gọi là composite. Nhựa cũng chứa một chất lưu hóa hoặc chất làm cứng (chất xúc tác) và một chất liên kết, chúng cùng nhau làm cho các phân tử nhựa liên kết với nhau trong một mạng lưới liên kết chéo nâng đỡ và bám dính vào sợi cacbon. Quá trình này diễn ra dưới tác động của nhiệt độ và áp suất trong quy trình dập khuôn định hình vợt.
Nhựa epoxy còn được gọi là pha nền (matrix). Cả sợi và pha nền đều không có nhiều giá trị nếu thiếu đi thành phần còn lại. Bản thân các sợi rời rạc không thể truyền tải trọng cho nhau, và pha nền thì không thể cứng hoặc mạnh bằng các sợi. Vì vậy, pha nền phục vụ ba mục đích: liên kết các sợi với nhau, truyền tải trọng đến từng sợi, và bảo vệ các sợi. Độ bền và độ cứng của composite nằm ở khoảng giữa độ bền, độ cứng của sợi và của pha nền. Nói cách khác, độ bền và mô-đun đàn hồi của composite thấp hơn so với các thông số kỹ thuật của riêng sợi cacbon đứng độc lập.
Các đặc tính về độ bền và mô-đun đàn hồi của composite phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích của sợi so với pha nền. Trên thực tế, mô-đun của toàn bộ composite bằng mô-đun của sợi nhân với phần trăm thể tích của nó trong composite cộng với kết quả tương tự của pha nền. Tỷ lệ sợi/pha nền thường dao động trong khoảng từ 50/50 đến 60/40. Nhưng có một giới hạn lý thuyết về việc tỷ lệ này có thể cao đến mức nào mà vẫn cho phép nhựa epoxy thực hiện được mục đích của nó. Giới hạn đó là khoảng 90%, nhưng không thể tiếp cận được trong bất kỳ ứng dụng sản xuất thực tế nào. Mức từ 70% đến dưới 80% có thể khả thi trong một số ứng dụng hàng không vũ trụ cao cấp, nhưng giới hạn thực tế được chấp nhận rộng rãi là khoảng 60/40 đối với tỷ lệ sợi-trên-pha nền. Giới hạn lý thuyết được xác định bởi hình học của các sợi và lượng không gian còn trống khi chúng được xếp chặt vào nhau nhất có thể. Nếu việc xếp các sợi quá khít, nhựa được nung nóng không thể chảy vào các khoảng trống giữa các sợi trong quá trình dập khuôn. Kết quả là bạn sẽ kết thúc với các khoảng trống (voids) gây ra sự yếu kém về kết cấu.
Các tấm prepreg sau đó sẽ được lưu trữ hoặc được cắt trước thành các hình dạng phục vụ cho việc xếp lớp (lay-up) sau này, được phân loại theo hình dạng hoặc sản phẩm, rồi đem đi bảo quản. Prepreg thường được giữ lạnh để ổn định, ngăn chặn bất kỳ quá trình lưu hóa (làm cứng) nào xảy ra ở nhiệt độ phòng, mặc dù nó có thể để được vài tháng mà không cần làm lạnh. Một công ty sản xuất prepreg thậm chí còn tuyên bố sản phẩm của họ có thể để được một năm.
Nhựa: Mắt xích yếu nhất (Resin: The Weakest Link)
Nếu pha nền là mắt xích yếu nhất, tại sao đó không phải là giới hạn độ bền của toàn bộ composite? Nhựa epoxy có chỉ số độ bền lên tới khoảng 20.000 lb/in² (20 ksi) và mô-đun đàn hồi là 600.000 lb/in² (0.6 Msi). Trong trường hợp của vật liệu Hyper Carbon, độ bền là 612 ksi và mô-đun đàn hồi là 63.3 Msi. Vậy tại sao composite không bị gãy khi ứng suất vượt quá giới hạn của pha nền? Câu trả lời là nhựa không chia sẻ tải trọng một cách đồng đều với các sợi vì nó có tính đàn hồi cao hơn. Độ đàn hồi là thước đo mức độ bạn có thể kéo giãn một vật liệu trước khi các liên kết giữa các nguyên tử và phân tử tích tụ đủ lực để cân bằng và triệt tiêu ứng suất — giống như khi căng một sợi dây ở mức 50 pound và nó giãn ra cho đến khi tạo ra đủ 50 pound lực cản.
Mối quan hệ giữa pha nền và sợi rất giống với việc dán một sợi dây Kevlar và một sợi dây nylon lại với nhau bằng keo. Nếu bạn kéo căng sự kết hợp này trên một máy căng vợt, mỗi sợi sẽ giãn ra một lượng bằng nhau (vì chúng được dán chặt với nhau), nhưng lượng giãn đó sẽ không tích tụ nhiều ứng suất trong sợi nylon. Thay vào thế, hầu hết ứng suất sẽ được chuyển sang sợi Kevlar, sợi này sẽ chịu phần lớn tải trọng. Nếu sợi Kevlar cứng gấp 10 lần sợi nylon, nó sẽ chịu tải trọng gấp 10 lần. Đó chính là cách mà sợi và pha nền hoạt động cùng nhau.
Vật liệu tiền thấm mỏng (Thin Prepreg)
Độ bền và độ cứng có thể được tăng lên bằng cách sử dụng các prepreg mỏng — còn được gọi là prepreg có FAW (trọng lượng trung bình của sợi trên một đơn vị diện tích) thấp. Quy trình này bao gồm một bước bổ sung trong quá trình sản xuất prepreg. Trước khi các sợi được phủ nhựa và cuộn vào các trục lô có lót giấy ở mặt sau, chúng đi qua một chuỗi các con lăn để trải rộng các sợi ra nhiều nhất có thể. Mục tiêu là giảm thiểu số lượng sợi trên mỗi inch nhưng lại không để lại bất kỳ khoảng trống nào giữa các sợi. Nói cách khác, càng ít sự chồng chéo lên nhau càng tốt. Các prepreg mỏng hơn có trọng lượng trên mỗi mét vuông vật liệu thấp hơn. Mức FAW mỏng nhất hiện có là từ 60-70 gam trên mỗi mét vuông. Chỉ mới mười năm trước, loại prepreg nhẹ nhất là 115 gam trên mỗi mét vuông.
Prepreg mỏng mang lại một vài lợi thế. Các lớp mỏng hơn cho phép nhà sản xuất sử dụng nhiều lớp hơn trong khi vẫn duy trì cùng một trọng lượng và độ dày. Nhiều lớp hơn cho phép tạo ra nhiều sự kết hợp của các góc sợi hơn, cho phép tùy biến và tối ưu hóa tốt hơn các đặc tính về độ bền và độ cứng. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng ít vật liệu hơn về tổng thể, dẫn đến thành vách khung vợt mỏng hơn và trọng lượng cây vợt thấp hơn.
Prepreg có FAW thấp có giá thành cao hơn vì nó đòi hỏi nhiều thời gian vận hành máy móc và thiết bị hơn. Nhiều công nghệ đã được phát triển, nhưng luôn có một mức chi phí đi kèm với mỗi công nghệ đó. Nếu bạn muốn có một cây vợt trọng lượng nhẹ, bạn phải bắt đầu với vật liệu đắt tiền hơn, quá trình xử lý mất nhiều thời gian hơn, và các tiêu chuẩn chất lượng cao hơn. Tất cả những điều này đều làm gia tăng chi phí cấu thành.
CHẾ TẠO MỘT CÂY VỢT (MAKING A RACQUET)
Giờ đây chúng ta muốn chế tạo một cây vợt. Đây là lúc mọi thứ trở nên thú vị. Có một số yếu tố kỹ thuật cần phải lưu ý cân nhắc:
1. Các sợi cacbon có độ cứng rất cao dọc theo trục chiều dài, nhưng không đạt được như vậy ở bất kỳ góc sợi nào lệch khỏi trục đó. Nếu tải trọng tác dụng chỉ cần lệch trục 15 độ, mô-đun đàn hồi (độ cứng vật liệu) có thể giảm xuống còn 60% mức tối đa. Tại góc 45 độ, nó có thể thấp ở mức 20% và tiếp tục giảm dần về 0 tại góc 90 độ (Hình 2.3).
2. Khi mô-đun đàn hồi tăng lên, độ bền liên kết (độ chịu lực) sẽ giảm xuống (xem Hình 2.2). Tại sao lại như vậy? Điều này liên quan đến số lượng khiếm khuyết trên bề mặt sợi tính trên một đơn vị chiều dài. Các khiếm khuyết này vừa bị lộ ra, vừa được tạo thêm trong quá trình xử lý nhiệt. Thực nghiệm đã chứng minh rằng các đoạn sợi ngắn ở cấp độ hiển vi có mô-đun đàn hồi khác nhau thì có độ bền gần như tương đương. Tuy nhiên, một đoạn sợi dài 1 inch có mô-đun cao sẽ chứa nhiều khiếm khuyết hơn một inch sợi có mô-đun thấp hơn nhưng độ bền cao hơn.
3. Khi mô-đun đàn hồi tăng lên, sợi trở nên giòn hơn. Khi các nguyên tử và phân tử của vật liệu được định hướng hoàn toàn đồng nhất đến mức không còn không gian cho sự dịch chuyển, vật liệu sẽ không có độ giãn dài hoặc biến dạng trước khi đứt gãy. Khi đó sẽ chỉ xảy ra hiện tượng đứt gãy tức thì — đặc biệt là nếu bị va đập ở một góc lệch trục so với hướng chịu lực mạnh nhất của sợi. Độ giòn là một hiện tượng xảy ra do va đập (xung lực).
4. Khi mô-đun tăng lên, mật độ khối lượng của sợi tăng lên vì các nguyên tố nhẹ hơn đều đã bị thiêu đốt hoàn toàn. Vật liệu có mô-đun cao hơn sẽ nặng hơn trên mỗi foot chiều dài hoặc trên mỗi đơn vị thể tích.
5. Vật liệu có mô-đun cao hơn thì giá thành đắt hơn. Do chi phí năng lượng vận hành, kiểm soát chất lượng và quy trình xử lý cao hơn.
6. Vợt càng nhẹ thì càng đòi hỏi độ bền và độ cứng cao hơn để bù đắp cho lượng vật liệu bị bớt đi. Thế nhưng độ cứng và độ bền lại dịch chuyển theo hai hướng ngược nhau. Những yếu tố này giới hạn khối lượng vật liệu mà bạn có thể sử dụng và mục đích sử dụng chúng. Mỗi cây vợt phải kết hợp một hỗn hợp các vật liệu có mô-đun đàn hồi khác nhau nhằm cân bằng các yếu tố: độ bền, độ bền bỉ lâu dài, độ cứng và hiệu quả kinh tế. Điều này được thực hiện thông qua quy trình cấu trúc lớp (lay-up) của vợt.
CẤU TRÚC LỚP CỦA VỢT (RACQUET LAY-UP)
Hầu hết các cây vợt được làm từ nhiều lớp (lớp cán mỏng hoặc các lớp xếp vững chắc) vật liệu tiền tẩm thấm đơn hướng (unidirectional prepreg). Một lớp đơn lẻ sẽ không thể tạo nên cấu trúc. Do đó, bất kể thông số kỹ thuật của sợi hay vật liệu composite là gì, độ cứng và độ bền của vợt đều phụ thuộc hoàn toàn vào các lớp tiền tẩm thấm này. Nghệ thuật của quy trình cấu trúc lớp (lay-up) nằm ở việc xác định các góc độ mà tại đó các lớp tiền tẩm thấm đơn hướng khác nhau — mỗi lớp có thể có các đặc tính mô-đun và độ bền khác nhau — sẽ được định hướng xếp chồng chéo lên nhau.
Việc sử dụng từ năm đến mười lớp xếp là phổ biến đối với vợt tennis, do đó có thể tạo ra vài tổ hợp góc độ khác nhau. Nếu chúng ta coi chiều dài của cây vợt là trục tham chiếu, thì góc 0 độ sẽ song song với trục đó. Sợi có mô-đun cao đặt ở góc 0 độ sẽ giúp cây vợt có khả năng chống uốn cong (tăng độ cứng chịu uốn). Lớp tiền tẩm thấm góc 90 độ được sử dụng để làm cứng phần vành vợt (hoop) theo hướng chịu lực kéo của dây xỏ qua, và mọi góc độ nằm ở khoảng giữa sẽ giúp tăng cường độ cứng chống xoắn. Các nhà sản xuất thường tính toán cấu trúc theo các bước tăng góc khoảng 7.5 hoặc 15 độ. Bí quyết cốt lõi là xếp chồng tất cả các lớp sao cho độ bền và độ cứng được tối ưu hóa tối đa nhằm phù hợp với đối tượng người chơi mục tiêu của cây vợt đó (xem phần tư liệu bổ sung về prepreg mỏng ở thanh lề).
Bản thân các phân loại mô-đun đàn hồi không mang tính chất tốt hay xấu. Sợi cacbon có mô-đun cao không tốt hơn sợi cacbon có mô-đun trung bình hay mô-đun thấp. Điều đó phụ thuộc hoàn toàn vào cách chúng được sử dụng và mục đích sử dụng cuối cùng là gì. Chìa khóa then chốt là phải áp dụng vật liệu vào một thiết kế sao cho tối ưu hóa được các đặc tính vật lý của vật liệu đó. Nếu không có thiết kế phù hợp, các đặc tính của vật liệu có thể bị lãng phí. Ngược lại, nếu không có vật liệu tương ứng, thiết kế lý tưởng cũng là bất khả thi.
TITAN (TITANIUM)
Titan là nguyên tố dồi dào thứ chín trên bề mặt vỏ trái đất và là kim loại được sử dụng nhiều thứ tư trong các ứng dụng công nghiệp — đứng sau nhôm, sắt và magie. Nó là kim loại bền nhất và nhẹ nhất. Nó có độ cứng chống xoắn vô cùng tốt, và giống như hầu hết các kim loại khác, nó mang tính đẳng hướng (isotropic), nghĩa là có độ bền chịu lực đồng đều theo mọi hướng.
Ngược lại, graphite (vật liệu than chì/cacbon) là chất dị hướng (anisotropic). Độ bền và độ cứng của nó được định hướng tập trung dọc theo chiều của các sợi chứ không phân bổ, ví dụ như, ở các góc vuông với chúng. Tuy nhiên, titan nặng hơn khoảng hai lần rưỡi và có độ cứng kém hơn ba lần so với graphite mô-đun cao (xem Bảng 2.1). Như cột tỷ lệ độ cứng/trọng lượng hiển thị, về mặt lý thuyết cần phải tốn lượng titan gấp 3.15 lần (5.235/1.66) mới đạt được độ cứng tương đương với graphite.
Bảng 2.1
So sánh Đặc tính Cơ học
| Vật liệu(Material) | Độ bền kéo(Tensile Strength)(lb/in²) | Mật độ khối lượng(Density)(lb/in³) | Mô-đun đàn hồi(Modulus)(lb/in²) | Tỷ lệ Mô-đun/Trọng lượng(Modulus/Wt)(in²) |
| Aluminium (Nhôm) | 48,000 | 0.09548 | 10,100,000 | 1.057 |
| Titanium (Titan) | 130,000 | 0.16257 | 27,000,000 | 1.660 |
| Kevlar | 203,052 | 0.052745 | 11,020,000 | 2.089 |
| Graphite (Cacbon/Than chì) | 217,000 | 0.057803 | 26,251,830 | 4.541 |
| HM Graphite (Graphite mô-đun cao) | 638,166 | 0.066470 | 34,800,000 | 5.235 |
Câu hỏi đặt ra là, tại sao những cây vợt chứa một lượng nhỏ titan lại có trọng lượng siêu nhẹ đến vậy? Các nhà sản xuất cho chúng tôi biết rằng chính phương thức kết hợp giữa titan và graphite đã tạo nên sự khác biệt này. Mặc dù các đặc tính riêng biệt của nó không thể sánh bằng graphite về trọng lượng và độ cứng, việc sử dụng chúng cùng nhau cho phép các đặc tính của chúng bổ trợ lẫn nhau – một dạng lập luận cho rằng tổng thể lớn hơn tổng của các bộ phận cấu thành đơn lẻ.
Lý thuyết rút ra là trong một cây vợt graphite, các lớp sợi graphite riêng biệt phải được định hướng theo nhiều hướng khác nhau để đạt được độ bền cần thiết. Nhưng bằng cách thêm các sợi titan đẳng hướng vào một lớp graphite đơn hướng duy nhất, lượng graphite góc vuông cần bổ sung sẽ giảm đi. Từ đó, nó trở thành một bài toán cân bằng cơ học/toán học phức tạp giữa những lợi ích về độ bền đẳng hướng và độ ổn định chống xoắn nhưng trọng lượng lại nặng hơn của titan, với việc tiết kiệm trọng lượng bằng cách loại bỏ bớt một phần graphite mô-đun cao.
Hơn thế nữa, titan chỉ được sử dụng hạn chế ở các vùng chịu lực chiến lược cụ thể như vùng cổ vợt (throat) và vùng vai vợt (shoulder) nơi có các ứng suất uốn và ứng suất xoắn gia tăng. Nó cũng thường được sử dụng với tỷ lệ phần trăm rất nhỏ. Liệu phương pháp này có hiệu quả không? Khái niệm này thực sự hiệu quả trong bộ môn golf.
Tuy nhiên, titan được sử dụng hoàn toàn khác nhau trong môn golf và môn tennis. Trong chế tạo đầu gậy golf, kim loại được sử dụng làm thành phần cấu trúc chủ đạo. Chất liệu titan, thay vì graphite, được sử dụng ở đây vì ba lý do chính: Nó có khả năng chống mài mòn và chịu va đập tốt hơn nhiều so với graphite; nó có độ đàn hồi phản hồi cao hơn khi va đập, từ đó làm tăng vận tốc của bóng; và các đặc tính đẳng hướng của nó là lý tưởng để nâng đỡ, chịu đựng tải trọng va đập mạnh từ quả bóng golf.
Việc sắp xếp đủ số lượng sợi graphite trọng lượng nhẹ theo các hướng cần thiết để chống lại lực tác động của bóng golf có thể khiến đầu gậy bằng graphite trở nên nặng gần bằng đầu gậy bằng titan, mà lại thiếu đi những ưu điểm vượt trội khác của titan. Vì vậy, đôi khi trọng lượng nhẹ lại có thể hóa ra nặng (trong môn golf) và đôi khi chất liệu nặng lại có thể giúp tối ưu hóa trọng lượng nhẹ (trong môn tennis).
Vì những lý do này, titan được sử dụng làm vật liệu chủ đạo trong môn golf nhưng chỉ đóng vai trò hỗ trợ phụ trợ trong môn tennis. Các cây vợt trở nên siêu nhẹ ngay tại thời điểm titan được đưa vào tiếp thị thương mại. Nhưng thực tế titan không phải là lý do khiến vợt có trọng lượng nhẹ. Do đó, bất chấp những chiêu trò quảng cáo thổi phồng của truyền thông tiếp thị, titan chỉ đóng một vai trò hỗ trợ trong cấu trúc chế tạo vợt. Graphite mới chính là “con ngựa thồ” – vật liệu nền tảng chủ lực làm nên mọi điều khả thi.
Dù vậy, các nhà sản xuất vẫn đang liên tục bứt phá để mở rộng giới hạn của vật liệu. Head là công ty sản xuất vợt đầu tiên đưa các loại vật liệu “thông minh” (smart materials) vào trong cấu trúc các cây vợt của họ.
VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN (PIEZOELECTRIC MATERIALS)
Hãng Head Sports gần đây đã phát triển một công nghệ vợt biến khoa học viễn tưởng thành hiện thực — một hệ thống tự cấp nguồn, tự động điều khiển bằng máy tính có khả năng giảm chấn và làm tăng độ cứng áp điện. Thứ công nghệ quái lạ đó chính xác là gì?
Nói một cách ngắn gọn, vật liệu áp điện sẽ tạo ra điện tích khi có một lực làm biến dạng nó. Lượng điện tích sinh ra tỷ lệ thuận với lực tác động — lực càng lớn, điện tích càng nhiều. Điều ngược lại cũng hoàn toàn đúng. Vật liệu áp điện sẽ bị biến dạng khi nó chịu tác động của một điện tích. Trong trường hợp này, mức độ biến dạng tỷ lệ thuận với lượng điện tích. Đây là hai quá trình nghịch đảo của nhau. Quá trình này sẽ triệt tiêu hoàn toàn tác động của quá trình kia.
Cơ năng được chuyển hóa thành điện năng và điện năng được chuyển hóa ngược lại thành cơ năng. Tất cả điều này xảy ra nhờ hiện tượng kỳ diệu của các hạt điện tích dương và điện tích âm đẩy nhau xung quanh khi vật liệu bị nén, uốn cong và kích điện. Nếu bạn tạo ra được các lực đẩy và lực kéo chính xác, phần thưởng bạn nhận được sẽ là một dòng điện (Hình 2.5).
Điều này mang lại hai lợi ích. Thứ nhất, năng lượng đã chuyển hóa thành điện năng sẽ không đi vào việc làm rung cây vợt. Đó chính là hiệu ứng giảm chấn (triệt tiêu dao động). Thứ hai, có một phản lực phục hồi tự kích hoạt, hoạt động để làm cứng cây vợt khi nó càng bị uốn cong nhiều.
Các cây vợt sở hữu vật liệu áp điện được coi là thông minh ở mức độ chúng có thể phản ứng linh hoạt và thích ứng với môi trường xung quanh. Chúng cảm nhận được lực tác động và phân tán lực đó thành điện năng tỷ lệ thuận với độ lớn của lực. Đồng thời, chúng tạo ra một độ cứng nội tại cũng tỷ lệ thuận với lực đó. Nhưng dù những cây vợt này có thông minh đến đâu, chúng vẫn là những hệ thống thụ động.
Hãng Head cũng đã phát triển một cây vợt đóng vai trò như một thực thể chủ động trong môi trường của nó. Nó sở hữu một trí tuệ cao hơn dưới dạng một bộ não điện tử nằm bên trong cán vợt và được kết nối với hệ thống vận hành của nó bằng một hệ thần kinh điện tử. Bộ não này tiếp nhận tín hiệu điện, đo lường, tính toán thời gian, xử lý và định hướng dòng tín hiệu đó quay trở lại nơi nó xuất phát để thực hiện công năng. Tín hiệu phản hồi sẽ ra lệnh cho vật liệu áp điện (gọi là các sợi thông minh “intellifibers”) biết cần phải co lại bao nhiêu để chống lại lực va đập, và thời điểm thực hiện để tạo ra một dao động triệt tiêu hoàn toàn dao động do va đập gây ra.
Vì vậy, chúng ta có được độ cứng và khả năng giảm chấn được tính toán chính xác bởi bộ não điện tử. Ngay khi xảy ra va đập, vật liệu áp điện hoạt động như một thiết bị cảm biến (gọi là “bộ phát” theo thuật ngữ áp điện), gửi dữ liệu đến một thiết bị điều khiển, và sau đó thực hiện một cách chủ động chức năng của một bộ phận vận hành (gọi là “bộ kích động/phần tử chấp hành”). Trong trường hợp này, đó sẽ là “phản lực chủ động” hoạt động trong vòng một phần nghìn giây để giới hạn biên độ của biến dạng uốn do va đập gây ra. Tiếp theo, hiện tượng “uốn ngược” này, nếu có thể gọi như vậy, sẽ tạo ra các dao động giúp triệt tiêu các dao động va đập còn sót lại, bởi vì nó được tính toán thời gian để hoàn toàn “lệch pha” (out of phase) với các dao động va đập đó. Sự triệt tiêu dư chấn này bản chất chỉ là phần dư — phần còn lại — bởi vì các dao động cơ học truyền qua cây vợt với tốc độ âm thanh, trong khi các tín hiệu điện truyền đi với tốc độ ánh sáng.
Vật liệu áp điện thuộc một nhóm vật liệu được gọi là “vật liệu thông minh” (smart materials). Bên cạnh vật liệu áp điện, còn có các hợp kim ghi nhớ hình dạng, vật liệu từ giảo (vật liệu biến dạng do từ trường) và các chất keo polyelectrolytic (chất keo điện ly). Về cơ bản, tất cả những vật liệu này đều đồng bộ hóa sự thay đổi về hình dạng với sự thay đổi của một trong các biến số sau: điện tích, từ trường, hoặc nhiệt độ. Và nó hoạt động theo cả hai chiều — sự thay đổi hình dạng (như uốn cong) do một lực tác động sẽ dẫn đến việc tạo ra điện tích, từ trường, hoặc thay đổi nhiệt độ.
Và trong những phạm vi hành vi nhất định, những thay đổi này vô cùng chính xác, nhất quán, tỷ lệ thuận, và có thể tính toán được bằng đơn vị nanômét. (Trên thực tế, chính vì sự chính xác tuyệt đối này mà các ứng dụng áp điện xuất hiện cực kỳ phong phú trong các lĩnh vực công nghệ cao như định vị đầu quét, dụng cụ gia công chính xác, và các thiết bị đo lường cực kỳ nghiêm ngặt.) Do đó, một sự thay đổi về hình dạng có thể được sử dụng để đo lường sự thay đổi về điện tích hoặc nhiệt độ, giống như một sự thay đổi về điện tích có thể được sử dụng để đo lường sự thay đổi về hình dạng. Hoặc, tư duy một cách chủ động hơn, một sự thay đổi về hình dạng có thể được sử dụng để tạo ra điện tích, rồi điện tích đó quay ngược lại tạo ra một sự thay đổi về hình dạng. Nói cách khác, bạn có thể sử dụng những thay đổi này để vận hành các tính năng kỹ thuật, chính xác như những gì dòng vợt Intelligence (Vợt Thông minh) đang thực hiện.
Hình 2.5 (Toàn bộ ảnh bên dưới) Cách thức hoạt động của hiện tượng áp điện và các vi mạch máy tính bên trong một cây vợt.
1. Tạo ra các phân tử gốm có các đầu tích điện
Các nguyên tử vốn trung hòa về điện. Chúng có số lượng proton tích điện dương trong hạt nhân bằng với số lượng electron tích điện âm bay xung quanh hạt nhân.
Các nguyên tử kết hợp với nhau để tạo thành vật liệu gốm (vật liệu được sử dụng trong dòng vợt Intelligence Series là chì zirconium titanate [PZT]) thông qua quá trình cho và nhận các electron. Các nguyên tử luôn tìm cách cấu hình để có đủ 8 electron ở lớp vỏ ngoài cùng bằng cách kết hợp với các nguyên tử khác có số lượng electron cần thiết để hoàn chỉnh lớp vỏ đó.
Khi điều này xảy ra, một nguyên tử sẽ trở nên tích điện âm và nguyên tử còn lại sẽ tích điện dương. Sau đó, chúng hút nhau bằng lực hút tĩnh điện (các điện tích trái dấu thì hút nhau) và hình thành một liên kết để hợp nhất chúng lại thành một phân tử của loại vật liệu mới.
Một đầu của tổ hợp liên kết này sẽ mang điện tích âm và đầu còn lại mang điện tích dương. Cấu trúc này được gọi là một lưỡng cực điện (dipole).
2. Trộn lẫn các phân tử để tạo thành vật liệu gốm
Hàng tỷ tỷ các phân tử của hợp chất sẽ tập hợp lại với nhau để cấu thành nên vật liệu. (Trên thực tế, một hỗn hợp bột sẽ được đem đi trộn, nghiền, tạo hình và nung nhiệt.) Ở giai đoạn này, các lưỡng cực điện hướng về mọi phía hỗn loạn, và toàn bộ vật liệu ở trạng thái trung hòa do các lưỡng cực tự sắp xếp sao cho chúng đều ổn định trong trạng thái cân bằng điện.
3. Phân cực vật liệu — làm cho vật liệu mang đặc tính áp điện
Chìa khóa tạo nên hiệu ứng áp điện độc nhất vô nhị chính là khả năng định hướng và đóng băng các lưỡng cực điện theo một cấu trúc sắp hàng thẳng lối.
Để làm cho vật liệu có đặc tính áp điện, người ta tiến hành phân cực nó bằng cách đặt nó vào một điện trường. Các đầu tích điện của mỗi lưỡng cực sẽ tự sắp xếp hướng về phía các điện cực mang điện tích trái dấu đang áp đặt điện trường đó. Sau đó, điện trường và nhiệt độ được ngắt bỏ, và các lưỡng cực điện sẽ “đóng băng” vĩnh viễn theo cấu trúc sắp hàng này.
Kết quả tạo ra một vật liệu trung hòa về điện ở cấu trúc bên trong (tất cả các điện tích tự triệt tiêu và cân bằng lẫn nhau), nhưng bề mặt phía trên lại mang điện tích dương và bề mặt phía dưới mang điện tích âm. Các bề mặt tích điện này sẽ hút các điện tích trái dấu từ môi trường khí quyển xung quanh chúng để cân bằng điện tích, khiến cho bề mặt cũng trở nên trung hòa, nhưng cấu trúc nền tảng lúc này đã được thiết lập sẵn sàng để các sợi thông minh (intellifibers) thực hiện chức năng của chúng.
Các điện tích âm hút các đầu tích điện dương
4. Tạo ra các sợi và gắn các điện cực
Các lưỡng cực điện bên trong mỗi sợi được sắp xếp thẳng hàng từ trên xuống dưới. Trước khi xảy ra va chạm, cả các điện cực lẫn các sợi đều không mang điện tích. Mọi thứ đều ở trạng thái trung hòa.
Các điện cực là các chất dẫn điện bằng kim loại chứa các electron “liên kết lỏng lẻo” (electron tự do), chúng có xu hướng nhảy từ nguyên tử này sang nguyên tử khác để dịch chuyển ra xa khỏi một điện trường mang điện tích âm… hoặc dịch chuyển về phía một điện trường mang điện tích dương. Khi chúng thực hiện quá trình này, chúng đẩy các electron khác trên đường đi của mình, tạo ra một hiệu ứng domino gọi là dòng điện.
5. Kéo giãn các sợi để tạo ra điện tích
Khung vợt bị uốn cong khi va chạm, làm kéo giãn các sợi thông minh (intellifibers)
Khi vật liệu áp điện bị kéo giãn hoặc nén lại, các lưỡng cực đã phân cực cũng bị kéo giãn theo (trong trường hợp này) và bị dịch chuyển khỏi vị trí trung hòa của chúng; khi đó các lưỡng cực càng trở nên phân cực mạnh mẽ hơn do các điện tích bị tách xa nhau ra. Hiện tượng này sẽ đẩy các điện tích cùng dấu trên các điện cực bề mặt ra xa, đồng thời hút các điện tích trái dấu lại gần, từ đó sinh ra một dòng điện.
Các electron di chuyển nhanh qua dây dẫn xuống vi mạch (chip) xử lý
Điện cực 1: Đầu lưỡng cực âm đẩy các electron rời đi, để lại một điện cực tích điện dương (tức là trạng thái thiếu hụt electron).
Điện cực 2: Đầu lưỡng cực dương hút các electron đến, tạo ra điện tích âm (tức là trạng thái dư thừa electron).
6. Đảo ngược điện tích để đảo ngược quá trình kéo giãn (Co rút ngược)
Dòng điện được tạo ra ở bước 5 truyền đến vi mạch (chip), kích hoạt nó hoạt động, và sau đó được gửi ngược trở lại các điện cực của sợi theo một khoảng thời gian được tính toán chính xác; dòng điện này sẽ làm co rút các sợi ở tần số đối nghịch với tần số mà chúng đã bị kéo giãn, từ đó giảm thiểu tối đa dư chấn rung động bằng cơ chế triệt tiêu. Dòng điện từ vi mạch truyền các electron vào điện cực dương, đảo ngược điện tích của điện cực này để đẩy đầu mang điện tích âm của lưỡng cực. Trong khi đó, các electron rời khỏi điện cực 2 để di chuyển về phía vi mạch lúc này đang mang điện tích dương.
Lặp lại toàn bộ quá trình quay trở lại bước 5, và tiếp tục diễn ra như vậy cho đến khi quá trình giảm chấn (triệt tiêu dao động) hoàn tất.
Dòng điện từ vi mạch tích điện âm cho điện cực
Điện cực 1: Khi các electron tràn ngập điện cực và đẩy đầu mang điện tích âm của lưỡng cực, khiến cho lưỡng cực bị rút ngắn lại.
Điện cực 2: Các electron di chuyển về phía vi mạch để cân bằng lại sự thiếu hụt do vi mạch đã gửi các electron sang điện cực 1. Điều này để lại điện tích dương trên điện cực, đẩy và làm rút ngắn đầu mang điện tích dương của lưỡng cực.
