Buzz
Các phi thuyền vũ trụ của Trung Quốc trong tương lai sẽ được làm từ hợp kim gốm xốp cao cấp có khả năng chịu nhiệt lên đến 2.000 độ C.
Chia sẻ với Nhật báo Khoa học Trung Quốc, nhà khoa học Chu Yanhui từ Đại học Công nghệ Nam Trung Quốc cho biết gốm có thể được sử dụng như một vật liệu cách nhiệt quan trọng trong các thế hệ máy bay siêu thanh tiếp theo.
Vật liệu gốm xốp đang trở nên phổ biến hơn trong việc cách nhiệt nhờ vào những tính chất như trọng lượng nhẹ, bền vững hóa học và khả năng dẫn nhiệt thấp. Tuy nhiên, để đảm bảo độ bền cơ học và khả năng cách nhiệt, đó là một thách thức lớn.
Nguyên nhân chính là việc để tăng khả năng cách nhiệt, các tấm gốm xốp thường cần phải có nhiều lỗ hơn - điều này thường làm giảm đáng kể độ bền của vật liệu. Hơn nữa, vật liệu xốp thường bị suy giảm độ bền và co lại khi tiếp xúc với nhiệt độ cao.
Nhóm nghiên cứu tại Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, thuộc trường Đại học Quảng Châu, tác giả của loại gốm mới, cho biết thiết kế cấu trúc đa quy mô của vật liệu sẽ giải quyết được những hạn chế truyền thống như đã được nêu ở trên. Báo cáo nghiên cứu của nhóm đã được xuất bản trên tạp chí Advanced Materials.
“Gốm có tên 9PHEB hiện ra với đặc tính đặc biệt và khả năng duy trì độ bền đến 2.000 độ C, làm cho nó phù hợp cho việc sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt,” đồng thời người đứng đầu nghiên cứu ghi nhận trong bài báo.
Vật liệu này dựa trên khái niệm của hợp kim entropy cao (sự kết hợp của ít nhất năm nguyên tố). Đối với 9PHEB, nó là sự kết hợp của chín thành phần ion xốp tích điện dương.
Theo tác giả, 9PHEB có độ xốp khoảng 50% nhưng cường độ nén cực cao, khoảng 337 triệu pascal (MPa) ở nhiệt độ phòng - mạnh mẽ hơn rất nhiều so với các loại gốm xốp trước đây được biết đến. Đồng thời, vật liệu mới này cũng thể hiện sự ổn định tốt trong các thử nghiệm cách nhiệt và ổn định nhiệt, giữ được 98,5% độ bền ở nhiệt độ phòng và ngay cả ở nhiệt độ 1.500 độ C.
Khi bị nén ở nhiệt độ 2.000 độ C, khác biệt với các loại gốm truyền thống có khuynh hướng gãy vỡ, 9HPEB biểu hiện sự biến dạng dẻo. Ở mức này, vật liệu gốm xốp mới này chịu biến dạng 49%, tương đương với độ nén 690 Mpa, gấp đôi so với trạng thái ban đầu.
Quan trọng hơn, nhiệt độ cao không gây ra bất kỳ ảnh hưởng đáng kể nào đến thể tích hoặc kích thước của vật liệu. 9HPEB chỉ co lại khoảng 2,4% sau khi ủ ở nhiệt độ 2.000 độ C.
Chu cho rằng các đặc tính cơ học và nhiệt là do thiết kế 'đa tầng' của gốm: “Các lỗ siêu mịn ở cấp độ vi mô, các giao diện chất lượng cao ở cấp độ nano và độ biến dạng mạng tinh thể ở cấp độ nguyên tử.”
Các cấu trúc vi mô của lỗ xốp gốm, cả về kích thước và phân bố của chúng, đều có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế. Khoảng 92% lỗ là siêu mịn, có kích thước chỉ từ 0,8 đến 1,2 micromet - một đặc điểm mà các nhà nghiên cứu tin rằng làm cho chúng có tính chất cách nhiệt không thể sánh kịp.
Ở mức nano, gốm có các liên kết vững chắc, không có lỗ hỏng giúp tăng cường độ bền cơ học. Và ở mức nguyên tử, cấu trúc entropy cao của nó giúp cải thiện tính cứng và giảm dẫn nhiệt.
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, làm cho nó phù hợp để sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt nhất.
Zhuang Lei, phó giáo sư tại trường khoa học và kỹ thuật vật liệu và cũng là một trong các tác giả, cho biết vật liệu này có thể áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, năng lượng và công nghệ hóa học khi nói với China Science Daily.
