Phát hiện hợp kim gốm xốp mới có khả năng chịu nhiệt lên đến 2.000 độ C

Các nhà khoa học Trung Quốc vừa tạo ra loại gốm xốp mới có độ bền cơ học cao và khả năng cách nhiệt đáp ứng cho những ứng dụng hàng không vũ trụ.

Ông Chu Yanhui, từ Đại học Công nghệ Nam Trung Quốc, nói với Nhật báo Khoa học Trung Quốc, gốm có thể đóng vai trò là vật liệu cách nhiệt quan trọng trong các thế hệ máy bay siêu thanh tiếp theo.

Vật liệu gốm xốp ngày càng được ưa chuộng để cách nhiệt nhờ những thuộc tính tốt như trọng lượng nhẹ, trơ về mặt hóa học và độ dẫn nhiệt thấp. Song, để đạt độ bền cơ học nhưng vẫn duy trì khả năng cách nhiệt là một thách thức. Nguyên nhân là do để tăng khả năng cách nhiệt, các tấm gốm xốp thường phải đục nhiều lỗ hơn - điều này thường làm giảm đáng kể độ bền của vật liệu. Bên cạnh đó, vật liệu xốp thường bị suy giảm độ bền và co ngót khi gặp 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 khắc phục được những hạn chế cố hữu nêu trên. Hiện báo cáo nghiên cứu của nhóm đã được đăng trên tạp chí Advanced Materials.

“Gốm có tên 9PHEB, cho thấy đặc tính đặc biệt và khả năng duy trì độ bền ở nhiệt độ lên tới 2.000 độ C, khiến nó phù hợp để sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt”, ông Chu, người đứng đầu nghiên cứu viết trong bài báo.

Vật liệu này dựa trên khái niệm hợp kim entropy cao (hợp kim có sự kết hợp từ năm nguyên tố trở lên). 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 hơn đáng kể so với các loại gốm xốp được biết đến trước đây. Trong khi đó, vật liệu mới cũng hoạt động tốt trong các bài kiểm tra cách nhiệt và độ ổn định nhiệt, giữ được 98,5% độ bền ở nhiệt độ phòng ngay cả ở nhiệt độ 1.500 độ.

Khi bị nén ở nhiệt độ 2.000 độ C, không giống các loại gốm truyền thống có xu hướng bị gãy giòn, 9HPEB có biểu hiện biến dạng dẻo. Ở cột mốc này, gốm xốp mới chịu biến dạng 49%, tương đương độ nén 690 Mpa, 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 vật liệu. 9HPEB chỉ co lại khoảng 2,4% sau khi ủ ở nhiệt độ 2.000 độ.

Ông 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 sự phân bố của chúng, đều có ý nghĩa quan trọng đối với thiết kế. Khoảng 92% lỗ là siêu mịn, có kích thước chỉ từ 0,8 đến 1,2 micromet – một thông số mà các nhà khoa học cho rằng khiến chúng có đặc tính cách nhiệt không gì sánh được. Ở cấp độ nano, gốm có các kết nối chắc chắn, không có khuyết tật giúp tăng cường độ bền cơ học. Và ở quy mô nguyên tử, sự biến dạng mạng do thiết kế entropy cao của nó giúp cải thiện độ cứng và giảm độ 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, khiến 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 là đồng tác giả, nói với China Science Daily 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.