Sợi carbon fiber – Vật liệu xây dựng mới có khả năng thay thế thép

Không chỉ ứng dụng trong việc gia cố kết cấu, vật liệu carbon fiber còn được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các chi tiết cần độ mảnh và chịu lực cao hoặc tạo ra các chi tiết kiến trúc vượt nhịp lớn.

Được coi là tòa nhà chọc trời đầu tiên trên thế giới, Tòa nhà Home Insurance đã chứng minh rằng thép là vật liệu xây dựng khả thi và xây dựng khung thép là kĩ thuật khả thi. Dù chỉ cao 10 tầng (138 feet), nhưng nó là tiền thân của mọi tòa nhà cao tầng được xây dựng kể từ đó.

Hơn 130 năm sau, thép và khung thép trở thành vua trong ngành xây dựng. Thế nhưng trong thời đại khoa học công nghệ mới, thép có thể trở bị soán ngôi vương. Một trong những vật liệu tổng hợp hứa hẹn nhất cho tương lai là sợi carbon. Một sợi tổng hợp bao gồm các nguyên tử carbon dài và mỏng kết dính với nhau thành mạng tinh thể – mỗi sợi mỏng hơn một sợi tóc người, nhẹ hơn thép nhưng mạnh hơn năm lần và cứng gấp hai lần.

Với những nhà sản xuất, loại vật liệu này thường được làm bằng cách xoắn các sợi này lại để dệt thành vải hoặc đúc thành hình dạng cụ thể được sử dụng phổ biến cho khung xe đạp, cần câu cá, cánh máy bay cho đến thân xe đua, gậy chơi golf hay cột thuyền buồm.

“Sợi carbon và các vật liệu composite khác có hiệu suất cao, có nghĩa là chúng có trọng lượng rất nhỏ nhưng có tải rất lớn”, theo lời của kiến trúc sư Simon Kim, một thành viên của BUILD Space.

Bởi vì sợi carbon có đặc tính độc đáo như vậy, Kim và những người khác tin rằng nó có thể là vật liệu xây dựng lý tưởng. Kim cho biết, “vật liệu tổng hợp là một cơ hội rất thú vị để chế tạo và tùy biến nhanh chóng”, ông Kim nói thêm rằng sẽ mất vài tuần để xây dựng vỏ bọc cho một căn nhà nhỏ bằng sợi carbon, so với vài tháng bằng vật liệu thông thường.

“Cấu trúc tổng hợp có thể được xây dựng lên khá nhanh và không yêu cầu nhiều về lao động và quy trình công việc chuyên biệt – từ các nhà thầu nói chung và nhà thầu phụ, đến nhà cung cấp vật liệu. Do đó chúng tôi có thể đi nhanh hơn, chuỗi phân phối ngắn hơn, lượng vật liệu được giảm xuống và rẻ hơn.”

Nhờ vào trọng lượng nhẹ và sự linh hoạt, sợi carbon có thể được di chuyển dễ dàng. Các Modul có thể được chọn, lấy từ nhiều nơi khác, kết hợp cùng nhau để tạo thành một nhóm lớn hơn phù hợp theo yêu cầu. Điều đó làm cho cấu trúc composite vượt xa so với các công trình truyền thống.

Kiến tạo tương lai

Sự ra đời của vật liệu thép không tạo ra các tòa nhà chọc trời, các kiến trúc đã lợi dụng những tính năng của thép để tạo ra khung thép. Đây có thể là bài học cho cho trường hợp của sợi carbon, mấu chốt tiềm năng của nó là về sự phát triển các phương pháp chế tạo tiên tiến để thu hẹp khoảng cách giữa các phòng thí nghiệm và nơi làm việc.

Từ điêu khắc đến kết cấu

Kim bắt đầu cư trú tại Boston vào tháng 6 năm 2017. Mục tiêu của ông là chứng minh rằng việc xây dựng sợi carbon có thể tạo ra không chỉ là chức năng vượt trội mà còn tạo ra hình thức vượt trội. Các thí nghiệm của ông – đánh giá tính chất sức mạnh của các loại nhựa khác nhau để tạo ra vật liệu tổng hợp polyme gia cố bằng sợi carbon (CFRP).

Chúng tôi đang sử dụng những công trình mang tính tạm thời để không chỉ giới thiệu những cái mà sợi carbon có thể làm rất hiệu quả mà còn thể hiện rằng nó có vẻ đẹp văn minh. Kim đã nhấn mạnh chất lượng hình ảnh và xúc giác của cấu trúc CFRP trong tác phẩm “The Forest of Sound”, ông đã hoàn thành cùng với một nhà soạn nhạc opera Lembit Beecher cho vở opera thế giới của mình – Sophia’s Forest, ra mắt vào tháng 9 năm 2017. Vở opera có 9 tác phẩm điêu khắc âm thanh được tạo ra bởi Kim và nhóm của ông tại BUILD Space.

Mặc dù chỉ áp dụng trên một tỉ lệ nhỏ, những điêu khắc di động này có thể gợi ra được những tiềm năng kiến trúc của sợi carbon. Ông hình dung ra một tương lai trong đó các cấu trúc đang tồn tại, chẳng hạn như nhà kho kiểm soát khí hậu được thêm một lớp vỏ sợi carbon. Về cơ bản, bên ngoài công trình vẫn ổn định, nhưng bên trong có thể tùy chỉnh thành những modul văn phòng hoặc nhà ở.

Chúng ta có thể xây dựng các cơ sở mới, nhưng chúng ta sẽ đối mặt với sự thật rằng chúng ta có nền xây dựng đang tồn tại hàng trăm năm mà không cần có sự chuyển dịch nào. “Để gỡ bỏ những công trình bê tông, gạch và tấm đá xuống và tái xây dựng lại chúng rất khó khăn trong việc bù đắp năng lượng và những dấu ấn nhất định. Tại sao không sử dụng lại chúng và hiện đại hóa chức năng bằng cách chèn thêm những chế tác tốt, trọng lượng nhẹ và giá cả phải chăng?

Định hình tương lai ngành chế tạo

Thế giới tự nhiên có đầy đủ hình học thú vị, từ hình xoắn ốc và hình cầu đến hình cong và hình nón. Thế nhưng, thế giới xây dựng chỉ quanh quẩn những hình tam giác, hình tròn, hình vuông. Để tìm kiếm và mở rộng danh mục các hình dạng khả thi cho ngành xây dựng, Lharchi và Lu đã dành chỗ ở BUILD Space của họ để khám phá tiềm năng hình học của vật liệu tổng hợp cốt sợi (FRCs).

“Tạo ra hình học mới với FRCs – bao gồm carbon, thủy tinh và sợi aramid – đòi hỏi một phương pháp chế tạo hiệu quả, theo Lharchi. “Cách sử dụng tốt nhất với sợi tổng hợp là dùng cho các cấu trúc nhịp lớn – chẳng hạn như khi bạn muốn che mái nhà của một sân vận động mà bạn không muốn có các cột ở không gian bên dưới,” ông nói.

Nếu bạn muốn xây một công trình như vậy, bạn có thể sử dụng một cỗ máy lớn như loại máy đã được sử dụng để tạo ra những ngôi nhà in 3D, hoặc một cánh tay robot nhưng bị giới hạn bởi việc nó sẽ vươn được bao xa. Những gì chúng tôi đang cố gắng làm là tìm phương pháp chế tạo thực tế để xây dựng một cấu trúc [FRC] quy mô lớn liên tục.”

Một phương pháp chế tạo đầy hứa hẹn sử dụng robot cáp, Lharchi nói. Nhóm của ông đã chứng minh triển vọng của các robot cáp tại BUILD Space, ông đã sử dụng sợi dây thừng để bắt chước các đặc tính hành vi của sợi carbon. Với phương pháp này, các robot sẽ di chuyển trên những sợi cáp, một con robot sẽ ở phía trên con còn lại, chúng sẽ trao đổi các sợi qua lại, dệt thành những hình học độc đáo.

“Bất cứ lúc nào bạn cần tạo ra một cấu trúc lớn, nhẹ, sợi là một lựa chọn tốt. Bằng cách nghiên cứu các phương pháp chế tạo rẻ và dễ tiếp cận, tôi hy vọng rằng chúng tôi có thể tạo ra các công trình xây dựng sợi tại chỗ.”

Theo ximang.vn