Phát minh có thể thay đổi ngành vận tải và quốc phòng mãi mãi: Một kim loại chưa từng có ‘ra đời’, toa tàu 136 tấn đầu bọc thép cũng không thể xuyên thủng

Một nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại Đại học Bang Bắc Carolina (North Carolina State University, Mỹ) vừa chứng minh rằng Composite Metal Foam (CMF) - một loại vật liệu kim loại xốp siêu nhẹ, có khả năng chống va đập và xuyên thủng vượt trội, đến mức có thể ngăn cản những lực đủ mạnh để xuyên thủng một toa tàu chở hóa chất. Phát hiện này mở ra triển vọng nâng cao đáng kể mức độ an toàn trong vận chuyển các vật liệu nguy hiểm, đặc biệt trong lĩnh vực đường sắt.

Theo nhóm nghiên cứu, CMF được tạo thành từ một khung kim loại chứa đầy các vi cầu rỗng bằng thép không gỉ hoặc niken, kết hợp với một “ma trận” kim loại nền. Cấu trúc độc đáo này giúp vật liệu có khối lượng rất nhẹ nhưng chịu nén cực cao, đồng thời có khả năng chống nhiệt và cách nhiệt tốt hơn thép thông thường. Khác với kim loại đặc, CMF không bị mất độ bền khi nhiệt độ tăng, khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho những môi trường khắc nghiệt - từ động cơ, lò phản ứng hạt nhân cho tới vỏ bọc bảo vệ thiết bị quân sự.

Tiến sĩ Afsaneh Rabiei, giáo sư cơ khí và hàng không vũ trụ, người dẫn đầu nghiên cứu, cho biết CMF đã từng vượt qua nhiều bài thử nghiệm an toàn do Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ (DOT) đặt ra, vốn dùng để đánh giá vật liệu chế tạo toa tàu chở axit, hóa chất, dầu mỏ hoặc khí tự nhiên hóa lỏng (LNG). Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu muốn tiến thêm một bước đó là kiểm tra khả năng chống xuyên thủng của vật liệu này trong điều kiện mô phỏng thực tế.

Trong thí nghiệm, họ sử dụng một toa tàu nặng hơn 136 tấn được tăng tốc đến 8,3 km/h, với đầu ram gắn mũi thép hình vuông có cạnh 15 cm. Khi va chạm, năng lượng tác động tương đương 368 kilojoule tập trung vào diện tích nhỏ của mũi đâm. Kết quả cho thấy tấm thép tiêu chuẩn dùng cho toa tàu bị xuyên thủng hoàn toàn, tạo ra một lỗ hổng lớn. Nhưng khi nhóm nghiên cứu lót thêm một lớp CMF dày chỉ 30,5 mm (xấp xỉ 1,2 inch) giữa mũi đâm và tấm thép, toàn bộ kết quả đảo ngược.

Lực va chạm mạnh đến mức khiến toa ram bật ngược lại, trong khi tấm thép chỉ bị biến dạng nhẹ. Lớp kim loại xốp đã hấp thụ gần như toàn bộ năng lượng va chạm, chứng minh khả năng phân tán lực và tự “hi sinh” để bảo vệ kết cấu thép bên dưới.

“Kết luận rõ ràng là CMF hấp thụ năng lượng va đập hiệu quả hơn nhiều so với thép đặc,” giáo sư Rabiei nhận định.

Điều đáng chú ý là nhóm nghiên cứu không dừng lại ở việc thử nghiệm vật lý. Họ còn phát triển một mô hình tính toán, cho phép xác định chính xác độ dày CMF cần thiết để đạt được mức bảo vệ mong muốn. Các tính toán cho thấy chỉ cần lớp CMF mỏng hơn nữa cũng đủ ngăn chặn va đập, giúp tiết kiệm vật liệu mà vẫn đảm bảo an toàn.

Nhờ kết hợp độ nhẹ, khả năng chịu lực và cách nhiệt vượt trội, CMF được kỳ vọng sẽ cách mạng hóa ngành vận tải và quốc phòng. Vật liệu này có thể được ứng dụng trong thiết kế cánh máy bay, áo giáp xe bọc thép, kho lưu trữ chất nổ và nhiên liệu hạt nhân, hay thậm chí là thiết bị bảo hộ cá nhân trong môi trường cực đoan.

Tham khảo Interesting Engineering