Phát hiện vật liệu chịu nhiệt tới 500 độ C, hiệu suất tương đương thép nhưng nhẹ bằng 1/3, hứa hẹn thay đổi tương lai công nghệ

Vật liệu composite mới được tạo từ nhiều hợp kim kim loại và các kết tủa ở cấp độ nano. Cấu trúc của nó mô phỏng bê tông cốt thép nhưng ở cấp độ vi mô. Nhóm nghiên cứu thuộc Khoa Kỹ thuật Đại học Toronto cho biết vật liệu có thể chịu được nhiệt độ lên tới 500 độ C.

Giáo sư Yu Zou, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Thép là vật liệu phổ biến trong ngành xây dựng để tăng độ bền kết cấu của bê tông trong các công trình. Các kỹ thuật mới như sản xuất bồi đắp, còn gọi là in kim loại 3D, cho phép chúng tôi mô phỏng cấu trúc này dưới dạng vật liệu composite nền kim loại. Cách tiếp cận này mang lại những vật liệu có đặc tính mà chúng ta chưa từng thấy”.

Các nhà nghiên cứu cho biết thép vẫn là vật liệu kết cấu chủ đạo trong tàu hỏa và ô tô. Nhưng nhôm có lợi thế trong hàng không nhờ trọng lượng nhẹ. Việc giảm trọng lượng linh kiện mà vẫn giữ độ bền giúp tiêu thụ ít năng lượng hơn và tăng hiệu quả nhiên liệu. Yếu tố này đặc biệt quan trọng trong hàng không, nơi từng gram đều quan trọng.

Tuy nhiên, hợp kim nhôm cũng có hạn chế như bị suy giảm hiệu suất ở nhiệt độ cao. Nói đơn giản, càng nóng thì chúng càng mềm, khiến chúng không phù hợp với nhiều ứng dụng.

Để giải quyết vấn đề, nhóm đặt mục tiêu tạo ra một composite kim loại có cấu trúc giống bê tông cốt thép. Lưới thép đóng vai trò khung, còn xi măng, cát và cốt liệu tạo thành phần nền.

Nghiên cứu sinh Chenwei Shao tại phòng nghiên cứu của Giáo sư Yu cho biết: “Trong vật liệu của chúng tôi, phần ‘cốt thép’ là một lưới được tạo từ các thanh hợp kim titan. Vì chúng tôi dùng dạng sản xuất bồi đắp bằng tia laser để nung bột kim loại thành dạng rắn, chúng tôi có thể tạo lưới với bất kỳ kích thước nào. Các thanh này có thể nhỏ tới 0,2 mm”.

Để lấp đầy khoảng trống giữa các thanh titan, nhóm áp dụng kỹ thuật vi đúc (micro-casting) để tạo nền gồm các nguyên tố như nhôm, silicon và magie. Phần nền này đóng vai trò như xi măng liên kết cấu trúc. Độ bền bổ sung đến từ các hạt alumina kích thước micromet và các kết tủa nano silicon nằm trong nền composite.

Những hạt này tương tự cốt liệu trong bê tông. Nhóm nghiên cứu sau đó thử nghiệm vật liệu mới qua nhiều bài kiểm tra sức bền.

“Ở nhiệt độ phòng, giới hạn chảy cao nhất mà chúng tôi đạt được là khoảng 700 megapascals. Một nền nhôm thông thường chỉ đạt khoảng 100 - 150 megapascals”, Shao nói.

Shao nói thêm: “Điểm vượt trội là ở nhiệt độ cao. Ở 500 độ C, vật liệu này có giới hạn chảy 300 - 400 megapascals, trong khi nền nhôm truyền thống chỉ đạt khoảng 5 megapascals. Thực tế, composite kim loại mới có hiệu suất tương đương thép tầm trung nhưng trọng lượng chỉ bằng khoảng 1/3”.