Vật liệu siêu bền giúp bảo vệ máy bay siêu thanh

Vật liệu gốm rỗng do nhóm nghiên cứu Trung Quốc thiết kế vẫn giữ được độ bền ở nhiệt độ 2.000 độ C, rất phù hợp để sản xuất tấm chắn bảo vệ trong hàng không vũ trụ.

Các nhà khoa học Trung Quốc phát triển một vật liệu gốm rỗng với độ bền cơ học cao và tính cách nhiệt cần thiết đối với ứng dụng trong hàng không vũ trụ, Interesting Engineering hôm 23/1 đưa tin. Loại gốm này thậm chí có thể đóng vai trò chủ chốt như vật liệu cách nhiệt ở thế hệ máy bay siêu thanh tiếp theo, theo Chu Yanhui, nhà khoa học ở Đại học Công nghệ Nam Trung Quốc.

Vật liệu gốm rỗng mới có thể bảo vệ máy bay siêu thanh ở tốc độ cao. (Ảnh: Dall-E).

Vật liệu gốm rỗng ngày càng được ưa chuộng do khả năng cách nhiệt tốt, kết hợp với đặc điểm siêu nhẹ, tính trơ hóa học và độ dẫn nhiệt thấp. Nhưng đạt đồng thời cả độ bền cơ học và tính cách nhiệt cao ở gốm rỗng là một thách thức do vật liệu càng có nhiều lỗ rỗng để tăng tính cách nhiệt, độ bền cơ học càng giảm mạnh. Hiện tượng co rút và giảm độ bền cũng xảy ra khi vật liệu rỗng thông thường chịu nhiệt độ cao, có nghĩa chúng không thích hợp cho các ứng dụng hàng không vũ trụ.

Tuy nhiên, loại gốm mới phát triển bởi nhóm nghiên cứu ở Trường Khoa học vật liệu và Kỹ thuật thuộc Đại học Quảng Châu, có thiết kế cấu trúc đa cỡ giúp vượt qua những hạn chế trên. Trong nghiên cứu công bố trên tạp chí Advanced Materials, Chu cho biết loại gốm tên 9PHEB thể hiện khả năng duy trì độ bền và kích thước xuất sắc dưới nhiệt độ lên tới 2.000 độ C, khiến nó rất phù hợp để sử dụng trong điều kiện cực hạn. Vật liệu dựa trên bao gồm 9 thành phần, tất cả đều là ion tích điện dương. Theo Chu, 9PHEB có độ rỗng 50%, nhưng độ bền nén của nó cực cao, ở mức khoảng 337 triệu pascal (Mpa) ở nhiệt độ phòng, lớn hơn đáng kể so với những loại gốm rỗng trước đây.

Loại gốm mới cũng cho kết quả tốt trong thử nghiệm độ ổn định nhiệt và cách nhiệt, giữ được 98,5% độ bền thậm chí ở 1.500 độ C. Khác với một số loại gốm truyền thống thường bị nứt vỡ ở nhiệt độ cao, 9HPEB cũng thể hiện biến dạng dẻo khi bị nén ở 2.000 độ C. Khi vật liệu biến dạng ở nhiệt độ cao, nó chịu lực căng 49%. Điều đó khiến độ bền của nó tăng lên 690 Mpa, lớn hơn gấp đôi so với trước đó. Đặc biệt, nhiệt độ cao không có bất kỳ tác động lớn nào tới thể tích hoặc kích thước vật liệu, nó chỉ có khoảng 2,4% sau khi bị nung ở 2.000 độ C.

Chu giải thích các đặc điểm cơ học và nhiệt trên là kết quả từ thiết kế đa cỡ của gốm. Thiết kế này bao gồm những lỗ li ti ở quy mô nhỏ, bề mặt chất lượng cao ở quy mô nano và biến dạng mạng ở quy mô nguyên tử. Cấu trúc vi mô của các lỗ gốm, cả về mặt kích thước và phân bố, đều đóng vai trò quan trọng đối với thiết kế. Khoảng 92% lỗ rỗng chỉ lớn cỡ 0,8 - 1,2 micromet. Ở cấp nano, gốm có những liên kết chắc chắn không khiếm khuyết giúp tăng cường độ bền cơ học. Ở cấp nguyên tử, biến dạng mạng từ thiết kế giúp cải thiện độ cứng và giảm dẫn nhiệt. Kết hợp với nhau, các đặc điểm này tăng độ bền cơ học và tính cách nhiệt của vật liệu, khiến nó phù hợp để dùng làm lá chắn cho máy bay siêu thanh.