Các nhà khoa học tạo ra loại gốm siêu bền có thể dùng cho máy bay siêu thanh thế hệ mới

Loại gốm này mang tên 9PHEB, có thể đóng vai trò quan trọng như một vật liệu cách nhiệt trong máy bay siêu thanh thế hệ tiếp theo, chuyên gia Chu Yanhui từ Đại học Công nghệ Nam Trung Quốc nói với Nhật báo Khoa học Trung Quốc do nhà nước điều hành.

Gốm có kết cấu rỗng ngày càng được ưa chuộng để cách nhiệt nhờ sự kết hợp giữa trọng lượng nhẹ, trơ về mặt hóa học và độ dẫn nhiệt thấp, đồng nghĩa chúng là chất cách nhiệt tốt.

Thế nhưng, việc đạt được cả độ bền cơ học cao và khả năng cách nhiệt trong gốm có kết cấu rỗng là một thách thức. Lý do vì khi đưa nhiều lỗ rỗng vào vật liệu để tăng khả năng cách nhiệt thì thường dẫn đến giảm đáng kể độ bền cơ học.

Có thể xảy ra sự co rút và giảm độ cứng khi vật liệu gốm có cấu trúc rỗng thông thường được đặt dưới nhiệt độ cao, nghĩa là chúng sẽ không phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.

Loại gốm mới được phát triển bởi một nhóm tại trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của Đại học Quảng Châu (Trung Quốc), có thiết kế cấu trúc đa tầng mà họ cho rằng sẽ khắc phục được những hạn chế này. Họ đã báo cáo nghiên cứu của mình trên tạp chí Advanced Materials được bình duyệt.

“

Tạp chí bình duyệt là một loại tạp chí nghiên cứu khoa học, trong đó bài báo được chấp nhận xuất bản sau khi trải qua đánh giá và kiểm tra chất lượng bởi các chuyên gia đồng nghiệp. Đây là những chuyên gia có kiến thức và kinh nghiệm trong lĩnh vực tương ứng với nội dung bài báo.

Quá trình bình duyệt giúp đảm bảo rằng các nghiên cứu được công bố trong tạp chí đều trải qua quá trình kiểm tra chất lượng và tính khoa học cao. Bài báo sẽ được gửi đến một hoặc nhiều chuyên gia đồng nghiệp, những người sẽ xem xét kỹ lưỡng nội dung, phê duyệt hoặc từ chối dựa trên các tiêu chí như phương pháp nghiên cứu, dữ liệu, kết quả và đánh giá hợp lý.

Các tạp chí bình duyệt thường được xem là nguồn thông tin chính xác, đáng tin cậy trong cộng đồng nghiên cứu và giáo dục.

Chu Yanhui, người đứng đầu nghiên cứu, viết trong bài báo: “Gốm có tên 9PHEB thể hiện khả năng giữ kích thước và duy trì độ bền đặc biệt lên tới 2.000 độ C, khiến nó phù hợp để sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt”.

Chu Yanhui cho biết 9PHEB có độ rỗng khoảng 50% nhưng cường độ nén của nó lại cực cao, khoảng 337 triệu pascal (MPa) ở nhiệt độ phòng, mạnh hơn đáng kể so với gốm có kết cấu rỗng được báo cáo trước đây.

Theo bài báo, 9PHEB cũng hoạt động tốt trong các bài kiểm tra cách nhiệt và ổn định nhiệt, giữ được 98,5% độ bền ở nhiệt độ phòng ngay cả ở nhiệt độ 1.500 độ C.

Không giống như một số gốm truyền thống có xu hướng bị gãy giòn ở nhiệt độ cao, 9HPEB biểu hiện biến dạng dẻo khi bị nén ở nhiệt độ 2.000 độ C. Khi 9HPEB bị biến dạng ở nhiệt độ cao, nó trải qua sự co giãn 49%. Điều này đưa độ cứng của 9HPEB lên 690 Mpa, hơn gấp đôi so với lúc ban đầu

Điều quan trọng là nhiệt độ cao không có bất kỳ tác động đáng kể nào đến thể tích hoặc kích thước của 9HPEB. Nó chỉ co lại khoảng 2,4% sau khi được ủ ở nhiệt độ 2.000 độ C.

Chu Yanhui cho rằng các đặc tính cơ học và nhiệt là do thiết kế “đa tầng” của 9HPEB.

Ông nói: “Thiết kế 9HPEB có các đặc điểm là lỗ siêu nhỏ ở cấp độ vi mô, giao diện chất lượng cao ở cấp độ nano và độ biến dạng mạng tinh thể nghiêm trọng ở cấp độ nguyên tử”.

Khoảng 92% các lỗ rỗng có kích thước siêu nhỏ, chỉ từ 0,8 đến 1,2 micromet, mà các nhà khoa học cho rằng khiến chúng có đặc tính cách nhiệt không gì sánh được.

Ở cấp độ nano, 9HPEB có các kết nối chắc chắn, không có khuyết điểm giúp tăng cường độ bền cơ học.

Ở cấp độ nguyên tử, sự biến dạng mạng tinh thể do thiết kế entropy cao của nó giúp cải thiện độ cứng và giảm độ dẫn nhiệt.

“

Entropy cao là khái niệm trong nguyên lý vật liệu và hóa học vật liệu, mô tả sự đa dạng cao về thành phần hóa học trong một vật liệu. Thay vì sử dụng một hoặc hai nguyên tố chủ yếu như trong các hợp kim truyền thống, vật liệu entropy cao sử dụng 5 hoặc nhiều hơn 5 nguyên tố với tỉ lệ tương đối nhau cao.

Sự đa dạng cao về thành phần giúp tạo ra cấu trúc phức tạp, đa dạng và không đồng nhất trong vật liệu, mang lại các tính chất đặc biệt và hiệu suất không thể đạt được bằng cách sử dụng các hợp kim truyền thống. Trong trường hợp vật liệu entropy cao, cấu trúc và tính chất của vật liệu được tối ưu hóa thông qua sự đa dạng cao về thành phần hóa học.

Các nhà nghiên cứu kết luận rằng những đặc điểm này làm tăng độ bền cơ học và khả năng cách nhiệt của vật liệu, khiến 9PHEB phù hợp để sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt.

Zhuang Lei, phó giáo sư tại trường trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của Đại học Quảng Châu và là đồng tác giả, nói với Nhật báo Khoa học Trung Quốc rằng vật liệu này có thể có ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, năng lượng và kỹ thuật hóa học.