Phát minh làm rung chuyển ngành vật liệu: Chất ‘phụ gia’ giúp máy bay, tuabin bền 500 năm, biết ‘tự chữa lành’ tới 1.000 lần

Công nghệ do nhóm nghiên cứu tại Đại học Bang North Carolina phát triển. Vật liệu mới có thể kéo dài tuổi thọ của các cấu kiện kỹ thuật quan trọng từ vài chục năm lên hàng trăm năm.

Nhờ khả năng tự phục hồi, các bộ phận như cánh máy bay, cánh tuabin gió và bộ phận của tàu vũ trụ có thể vận hành lâu hơn. Các hệ thống này sẽ ít phải thay thế hoặc sửa chữa định kỳ.

Hiện nay, vật liệu composite polymer gia cường sợi (FRP) thường có tuổi thọ khoảng 40 năm. Với vật liệu mới, tuổi thọ có thể đạt 125 năm nếu bảo dưỡng theo quý và có thể lên tới 500 năm nếu sửa chữa mỗi năm một lần.

Ông Jason Patrick, phó giáo sư Đại học Bang North Carolina, cho biết công nghệ này giúp giảm đáng kể chi phí và nhân lực cho việc thay thế các bộ phận composite bị hư hỏng. Công nghệ cũng góp phần giảm tiêu thụ năng lượng và lượng chất thải trong nhiều ngành công nghiệp.

Phát minh mới tập trung xử lý điểm yếu lớn nhất của vật liệu composite là hiện tượng tách lớp bên trong cấu trúc vật liệu.

Hiện tượng này đã tồn tại từ những năm 1930. Đây là nguyên nhân chính làm suy giảm độ bền và rút ngắn tuổi thọ của vật liệu composite polymer gia cường sợi.

Loại vật liệu này là nền tảng của ngành hàng không, ô tô và năng lượng gió do có tỷ lệ độ bền trên khối lượng rất cao. Cấu trúc vật liệu gồm nhiều lớp sợi carbon hoặc sợi thủy tinh liên kết bằng chất kết dính polymer.

Trong quá trình sử dụng, các lớp sợi có thể bị tách rời bên trong mà khó phát hiện. Hiện tượng này làm giảm khả năng chịu lực và có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng.

Để khắc phục, nhóm nghiên cứu bổ sung hai thành phần kỹ thuật vào vật liệu composite thông thường.

Thứ nhất là một tác nhân tự phục hồi dạng nhựa nhiệt dẻo được in 3D trực tiếp lên lớp sợi gia cường. Lớp trung gian này giúp khả năng chống tách lớp tăng từ 2 đến 4 lần ngay từ ban đầu

Thứ hai là các lớp gia nhiệt mỏng làm từ vật liệu carbon được tích hợp vào cấu trúc. Khi có dòng điện, các lớp này tạo nhiệt và làm chảy tác nhân tự phục hồi. Polymer nóng chảy sẽ lấp đầy các vết nứt và tái liên kết các bề mặt bị tách lớp, qua đó khôi phục độ bền kết cấu.

Để kiểm chứng, vật liệu mới đã trải qua thử nghiệm khắc nghiệt. Một hệ thống tự động liên tục tạo vết tách lớp dài 50 mm rồi kích hoạt quá trình tự phục hồi bằng nhiệt. Chu trình này được lặp lại 1.000 lần trong 40 ngày.

Kết quả cho thấy khả năng chống nứt của vật liệu mới vượt trội so với vật liệu composite truyền thống. Độ bền giữa các lớp có suy giảm sau nhiều chu kỳ nhưng ở tốc độ chậm.

Công nghệ này đặc biệt phù hợp với các hệ thống quy mô lớn và chi phí cao như máy bay, tuabin gió và các sứ mệnh không gian dài hạn. Công nghệ hiện đã được cấp bằng sáng chế thông qua công ty Structeryx Inc.

Theo IE