[Tiếp theo: Sự phát triển và xu hướng của vật liệu tổng hợp sợi carbon trong thể thao và giải trí (Phần I) (1)]
3.1 Đúc bằng nồi hấp: “Tiêu chuẩn vàng” cho thiết bị cạnh tranh hàng đầu
Đúc bằng nồi hấp mang lại chất lượng cao nhất - và chi phí cao nhất - trong số các quy trình đúc bằng sợi carbon, với độ xốp của sản phẩm dưới 1% và các đặc tính cơ học gần với giới hạn lý thuyết. Trong lĩnh vực dụng cụ thể thao, gần như tất cả các thiết bị thi đấu cấp cao nhất đều sử dụng nó: khung xe đạp đường trường hàng đầu như Trek Madone và Special S-Works Tarmac sử dụng prereg cấp Toray T800/T1000 được xử lý ở nhiệt độ 120–180 độ và 5–7 bar trong 2–4 giờ, với trọng lượng khung chỉ 700–800 g; trục golf cao cấp của Fujikura và Graphite Design sử dụng prereg sợi carbon Toray T1100G với xử lý bằng nồi hấp để cân bằng độ cứng cực cao và trọng lượng nhẹ; Các bộ phận của thuyền buồm America's Cup cũng được đúc bằng nồi hấp để có độ tin cậy tối đa. Đầu tư thiết bị thường tiêu tốn 20–50 triệu RMB và đơn giá rất cao, hạn chế quy trình đối với các sản phẩm cạnh tranh hàng đầu.
3.2 Cuộn dây tóc: “Quy trình linh hồn” cho cần câu và trục chơi gôn
Cuộn dây tóc là một trong những quy trình đúc được sử dụng nhiều nhất cho các mặt hàng thể thao bằng sợi carbon và không thể thay thế được trong cần câu và trục chơi gôn. Các sợi carbon tẩm nhựa được quấn vào trục gá theo các góc chính xác - các lớp bên trong ở góc nhỏ (15 độ –25 độ) mang lại độ cứng khi uốn, các lớp bên ngoài ở góc lớn (45 độ –60 độ) mang lại độ cứng xoắn - nhờ đó thiết kế bố trí nhiều góc sẽ tối ưu hóa hiệu suất cơ học dị hướng của sản phẩm.
Uy Hải Quảng Vệ Composites bắt đầu chính xác ở đây, với việc cuộn dây cần câu. Năm 1998, công ty nhập khẩu dây chuyền prepreg sợi carbon chiều rộng đầu tiên của Trung Quốc để phục vụ sản xuất que, sau đó mở rộng sang sản xuất vật liệu sợi carbon, cuối cùng trở thành công ty dẫn đầu toàn chuỗi trong ngành công nghiệp sợi carbon của Trung Quốc. Prereg sợi carbon của nó vẫn là nguyên liệu thô cốt lõi của cụm đồ câu cá Uy Hải. Uy Hải, trung tâm sản xuất cần câu lớn nhất thế giới, sở hữu một dây chuyền hoàn chỉnh chạy từ prereg sợi carbon → cuộn dây tóc → sản xuất cần câu → xử lý linh kiện → tiếp thị thương hiệu và chiếm khoảng 60% sản lượng cần câu toàn cầu.
3.3 Đúc nén: "Công cụ sản xuất hàng loạt" cho vợt và đế giày carbon
Đúc nén đặt prereg vào khuôn kim loại và xử lý nó dưới nhiệt và áp suất, mang lại hiệu quả cao, độ chính xác tốt và phù hợp cho sản xuất hàng loạt lớn. Trong các sản phẩm thể thao, khung vợt tennis và cầu lông hầu như được làm hoàn toàn bằng phương pháp đúc nén prereg - góc sắp xếp bằng sợi carbon (0 độ /±45 độ /90 độ ) kiểm soát độ uốn cong và độ cứng xoắn của vợt, tối ưu hóa "điểm ngọt". Các loại vợt cao cấp của Yonex, Li-Ning, Wilson và Babolat đều sử dụng prereg sợi carbon Toray với khuôn nén.
Các tấm carbon cho giày thể thao cũng được đúc nén theo lô từ trung bình đến lớn - một số lớp prepreg sợi carbon được xử lý dưới nhiệt và áp suất trong khuôn rồi cắt thành các hình dạng tấm đế. Giày chạy bộ mạ carbon của Nike, Li-Ning, Xtep và Anta đều sử dụng quy trình này. Các bộ phận của xe đạp (thân, trụ yên, tay quay), dây buộc trượt tuyết và vỏ thiết bị bảo hộ cũng được đúc nén rộng rãi; các thương hiệu như Giant và Merida sử dụng số lượng lớn các bộ phận bằng carbon đúc nén.
3.4 RTM và VARI: Từ vành xe đạp đến thân thuyền đua
RTM (Đúc chuyển nhựa) sử dụng khuôn kín có phun nhựa điều áp để đạt được bề mặt nhẵn ở cả hai mặt và sản xuất gần dạng lưới. Trong đồ thể thao, RTM chủ yếu được sử dụng cho vành xe đạp bằng sợi carbon (đúc nguyên khối giúp giảm số lượng khớp), đầu gậy chơi gôn (tạo hình có độ chính xác cao cho các hình học phức tạp) và trục gậy khúc côn cầu trên băng (độ dày thành thay đổi để có trọng lượng nhẹ). So với quy trình prereg-nồi hấp, RTM tăng hiệu quả sản xuất lên 3–5 lần.
VARI (Truyền nhựa được hỗ trợ chân không) sử dụng áp suất âm chân không để đẩy nhựa vào sợi khô; đầu tư thiết bị thấp và quy trình phù hợp với các bộ phận lớn. Trong dụng cụ thể thao, VARI chủ yếu được sử dụng cho vỏ thuyền chèo, thuyền kayak và thân thuyền buồm (kích thước 3–10 m, quá lớn đối với nồi hấp). Một thương hiệu thuyền kayak nổi tiếng ở Châu Âu sử dụng VARI để sản xuất thuyền kayak bằng sợi carbon cấp độ cạnh tranh, cắt giảm thời gian chu kỳ trên mỗi chiếc từ 40 giờ khi thao tác thủ công xuống còn 12 giờ và đạt tỷ lệ thể tích sợi là 58%. Ván lướt sóng bằng sợi carbon và ván chèo đứng (SUP) cũng sử dụng VARI; quá trình tạo hình áp suất thấp của nó tích hợp thành công lõi xốp EPS với lớp vỏ bằng sợi carbon, giúp sản phẩm nhẹ hơn 30% so với ván lướt sóng bằng sợi thủy tinh thông thường.
3.5 Prereg: "Vật liệu trung gian cốt lõi" của sản xuất đồ thể thao
Prereg là vật liệu trung gian quan trọng nhất trong sản xuất CFRP - một tấm bán cứng được sản xuất bằng cách ngâm tẩm trước sợi carbon với nhựa. Trong đồ thể thao, prepreg nhiệt rắn (chủ yếu là epoxy) chiếm khoảng 80% và được sử dụng rộng rãi trong khung xe đạp, trục chơi gôn, vợt tennis và cần câu; prereg nhựa nhiệt dẻo (PEEK, PPS, PA6 và các loại khác) chiếm khoảng 20% và đang tăng nhanh - khả năng tái chế, khả năng tái xử lý và chu kỳ đúc khuôn ngắn (phút so với giờ) đặc biệt phù hợp với ván trượt, thiết bị bảo hộ và tấm lót giày carbon, nơi độ dẻo dai và năng suất quan trọng nhất. Teijin vận hành một nhà máy sản xuất băng nhựa nhiệt dẻo một chiều ở Đức chuyên sản xuất sợi carbon/PEEK và prepreg sợi carbon/PPS cho đồ thể thao.
4. So sánh chất liệu: Tại sao sợi carbon trở thành lựa chọn hàng đầu cho đồ thể thao?
Nhu cầu cốt lõi trong việc lựa chọn chất liệu cho đồ thể thao là “nhẹ hơn, chắc hơn, đàn hồi hơn, bền hơn”. Sợi carbon cho thấy những lợi thế vượt trội trên cả bốn khía cạnh:
Độ bền riêng (cường độ/mật độ) của sợi carbon gấp 10 lần thép, gấp 8 lần hợp kim nhôm và gấp 5 lần hợp kim titan - chính xác là sự kết hợp giữa trọng lượng nhẹ và độ bền cao mà đồ thể thao theo đuổi. Nhưng sợi carbon không phải là một câu trả lời phổ biến: tính giòn của nó có nghĩa là sự hư hỏng nghiêm trọng có thể xảy ra dưới tác động nghiêm trọng, do đó, trong gậy khúc côn cầu trên băng, gậy trượt tuyết và các ứng dụng khác đòi hỏi độ dẻo dai cao, kiểu dệt lai carbon/aramid thường được áp dụng, sử dụng khả năng chống va đập tuyệt vời của aramid để bù đắp độ giòn của sợi carbon. Dòng thanh EXSENS cao cấp của Shimano sử dụng sợi carbon kết hợp với aramid, cải thiện đáng kể độ bền va đập trong khi vẫn giảm trọng lượng.
Về chi phí, sợi carbon kéo lớn (48K/50K) đã giảm xuống còn 80–100 RMB/kg, liên tục thu hẹp khoảng cách với sợi thủy tinh (8–15 RMB/kg). Việc Tập đoàn sợi hóa học Jilin nhanh chóng giải phóng công suất sợi carbon kéo lớn đang đẩy nhanh quá trình sợi carbon chuyển từ cạnh tranh chuyên nghiệp sang thị trường tiêu dùng đại chúng. Lấy xe đạp bằng sợi carbon làm ví dụ, việc sử dụng sợi carbon kéo lớn có thể cắt giảm khoảng 40% chi phí vật liệu khung, đưa giá xe đạp carbon ở mức đầu vào giảm từ 8.000 RMB xuống còn 5.000 RMB.
5. Các ứng dụng cốt lõi: Sợi carbon đang định hình lại bối cảnh đồ thể thao như thế nào
5.1 Gậy Golf: “Chiến trường đầu tiên” của Carbon Fiber
Câu lạc bộ chơi gôn là thị trường ứng dụng thể thao lớn nhất cho sợi carbon. Khi sợi carbon được thương mại hóa vào những năm 1970, gậy đánh gôn và cần câu là một trong những mặt hàng thể thao đầu tiên áp dụng nó. Theo QYResearch, doanh số toàn cầu của các câu lạc bộ chơi gôn bằng sợi carbon dự kiến sẽ đạt 5,854 tỷ RMB vào năm 2031, tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 7,0%.
Về mặt công nghệ, gậy driver TaylorMade Qi10 LS sử dụng thiết kế “Infinity Carbon Crown” với 60 lớp sợi carbon và mặt cong đôi, với carbon bao phủ 97% diện tích vương miện để đạt được hiệu quả truyền năng lượng tuyệt vời. Các trục dòng Tour AD của Graphite Design sử dụng công nghệ hợp kim nano và sợi carbon Toray T1100G, giúp tăng đáng kể độ cứng cấu trúc mà không tăng thêm trọng lượng. Callaway (doanh thu hàng năm khoảng 1,8 tỷ USD) và TaylorMade (khoảng 1,5 tỷ USD) là hai thương hiệu hàng đầu thế giới về gậy golf sợi carbon và cả hai đều có nguồn nguyên liệu sợi carbon cốt lõi độc quyền từ Toray của Nhật Bản.
Điều đáng chú ý là vật liệu sợi carbon cho các câu lạc bộ golf sợi carbon cao cấp của Trung Quốc phụ thuộc tới 87% vào nhập khẩu, để lại rất nhiều cơ hội cho việc thay thế trong nước. Con đường phát triển của Quang Vệ Composites - bắt đầu từ dụng cụ câu cá Uy Hải và dần dần mở rộng sang vật liệu sợi carbon - mang đến một mô hình có thể nhân rộng cho ngành: bắt đầu từ nhu cầu hàng thể thao của thị trường cuối cùng, tích hợp ngược lại các vật liệu thượng nguồn và đóng vòng lặp của chuỗi ngành.
[Còn tiếp: Sự phát triển và xu hướng của vật liệu tổng hợp sợi carbon trong thể thao và giải trí (Phần I) (3)]
[Nguồn] Hiệp hội Công nghiệp Vật liệu Composite Trung Quốc (CCIA), trang web chính thức
[Link gốc] https://ccia.xin/xingyebaogao/3618.html