Tantalum: Hợp kim mới của Trung Quốc chịu được nhiệt độ 2.400°C

Các hợp kim hiệu năng cao thông thường, bao gồm cả siêu hợp kim gốc niken, được sử dụng rộng rãi trong động cơ phản lực. Hình ảnh minh họa: Kepinator.

Trung Quốc công bố hợp kim chịu nhiệt tới 2.400°C

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa công bố một hợp kim gốc tantalum có khả năng duy trì độ bền cơ học ở nhiệt độ lên tới 2.400°C, cao hơn đáng kể so với nhiều vật liệu kết cấu chịu nhiệt đang được sử dụng hiện nay. Kết quả nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature, thu hút sự quan tâm của giới khoa học vật liệu và ngành hàng không vũ trụ.

Theo nhóm nghiên cứu do Đại học Xi'an Jiaotong dẫn đầu, mục tiêu của công trình là giải quyết bài toán lâu nay trong khoa học vật liệu, làm thế nào để kim loại vẫn giữ được khả năng chịu tải khi hoạt động trong môi trường nhiệt độ cực cao.

Vì sao hợp kim mới được chú ý?

Tantali (tantalum) vốn được biết đến là một trong những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nhất hiện nay, gần 3.000°C. Tuy nhiên, cũng giống nhiều kim loại khác, các hợp kim tantalum truyền thống vẫn suy giảm độ bền khi làm việc trong điều kiện nhiệt độ cực cao.

Nhóm nghiên cứu cho biết họ đã thiết kế lại cấu trúc vi mô của hợp kim nhằm hạn chế sự dịch chuyển của các nguyên tử khi nhiệt độ tăng. Nhờ đó, vật liệu có thể chống biến dạng tốt hơn và duy trì khả năng chịu tải ngay cả khi nhiệt độ đạt khoảng 2.400°C.

Theo nguyên lý vật liệu học, khi nhiệt độ vượt khoảng 60% nhiệt độ nóng chảy của kim loại, mạng tinh thể bắt đầu mất ổn định, khiến vật liệu mềm đi và dễ biến dạng dưới tác động của lực cơ học. Hợp kim mới được cho là đã làm chậm đáng kể quá trình này bằng việc kiểm soát chặt cấu trúc bên trong của vật liệu.

Nếu kết quả trong phòng thí nghiệm được tái hiện trong điều kiện vận hành thực tế, hợp kim mới có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực đòi hỏi khả năng chịu nhiệt cực cao.

Các ứng dụng tiềm năng gồm:

Tên lửa siêu thanh và phương tiện bay tốc độ cao, nơi bề mặt và động cơ phải chịu nhiệt độ rất lớn do ma sát với không khí.

Động cơ tên lửa, đặc biệt là vòi phun và buồng đốt, vốn thường hoạt động trong môi trường hàng nghìn độ C.

Hệ thống bảo vệ nhiệt cho tàu vũ trụ tái sử dụng.

Tua bin khí hiệu suất cao.

Lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới, nơi các vật liệu kết cấu phải duy trì độ bền trong thời gian dài dưới điều kiện nhiệt độ và bức xạ cao.

Nếu được ứng dụng thành công, vật liệu mới có thể giúp giảm yêu cầu làm mát, kéo dài tuổi thọ linh kiện và nâng cao hiệu suất của các hệ thống năng lượng cũng như hàng không vũ trụ.

Dù kết quả ban đầu được đánh giá tích cực, con đường thương mại hóa vẫn còn nhiều rào cản.

Các nhà khoa học cần chứng minh hợp kim này có thể được sản xuất với chi phí hợp lý, chống oxy hóa và ăn mòn trong thời gian dài, đồng thời chịu được nhiều chu kỳ gia nhiệt và làm nguội liên tục mà không làm suy giảm tính chất cơ học.

Một thách thức khác là giá thành của tantalum vẫn ở mức cao. Điều này khiến khả năng ứng dụng quy mô lớn phụ thuộc vào việc tối ưu quy trình sản xuất cũng như giảm chi phí chế tạo mà vẫn giữ được hiệu năng vật liệu.

Cuộc đua vật liệu chịu nhiệt đang tăng tốc

Sự xuất hiện của hợp kim mới phản ánh xu hướng cạnh tranh ngày càng mạnh giữa các quốc gia trong lĩnh vực vật liệu tiên tiến.

Máy bay siêu thanh, động cơ phản lực thế hệ mới, tàu vũ trụ tái sử dụng và lò phản ứng hạt nhân đều đặt ra yêu cầu vượt xa khả năng của các siêu hợp kim gốc niken đang được sử dụng phổ biến hiện nay. Đây cũng là lý do nhiều quốc gia liên tục đầu tư vào các vật liệu chịu nhiệt mới nhằm nâng giới hạn hoạt động của các hệ thống kỹ thuật.

Nếu hợp kim gốc tantalum của Trung Quốc vượt qua các giai đoạn thử nghiệm và được thương mại hóa, đây có thể trở thành một trong những vật liệu quan trọng phục vụ thế hệ động cơ, phương tiện hàng không vũ trụ và công nghệ năng lượng trong tương lai. Tuy nhiên, hiệu quả thực tế của vật liệu vẫn cần được kiểm chứng qua các thử nghiệm quy mô công nghiệp trước khi có thể thay thế các hợp kim chịu nhiệt đang được sử dụng hiện nay.

Thế Kiên