Một nhóm nhà khoa học Trung Quốc vừa công bố chế tạo thành công một loại vật liệu mới có khả năng chịu được nhiệt độ lên tới 3.600 độ C trong môi trường oxy hóa – mức nhiệt vượt xa giới hạn chịu nhiệt của các vật liệu hiện có trong lĩnh vực bay siêu vượt âm, theo SCMP.
Đây là một bước đột phá trong ngành hàng không vũ trụ, nơi các thiết bị bay siêu vượt âm yêu cầu vật liệu vẫn giữ được độ bền kết cấu ở điều kiện khắc nghiệt.
Hầu hết vật liệu hiện nay bắt đầu rạn nứt ở mức dưới 3.000 độ C; hợp kim kim loại thường suy yếu từ ngưỡng 2.000 độ C.
Ví dụ, tàu Starship của SpaceX chỉ trang bị các tấm chắn nhiệt có thể chịu khoảng 1.371 độ C (2.500 độ F).
Vật liệu carbide chịu nhiệt cực hạn lần đầu tiên trên thế giới
Theo báo cáo, nhóm nghiên cứu do giáo sư Chu Yanhui tại Đại học Công nghệ Hoa Nam đứng đầu đã lần đầu tiên trên thế giới vượt qua giới hạn chịu nhiệt lâu nay nhờ sử dụng thiết kế vật liệu gồm nhiều nguyên tố khác nhau theo nguyên lý entropy cao.
“Gốm carbide do nhóm chúng tôi phát triển, gồm các nguyên tố như hafni, tantali, zirconi và vonfram, có tốc độ oxy hóa cực thấp ở mức 3.600 độ C khi chiếu xạ bằng laser – thấp hơn bất kỳ vật liệu nào được công bố trước đó,” ông Chu nói với SCMP.
Hiệu suất đặc biệt của vật liệu đến từ cấu trúc lớp oxit độc đáo. Cốt lõi là khung vonfram được lấp đầy bằng oxit của các nguyên tố còn lại, giúp bảo vệ vonfram khỏi bị oxy hóa tiếp và tạo thành hàng rào ngăn oxy xâm nhập.
Để đẩy nhanh quá trình phát triển, nhóm đã sử dụng nền tảng thử nghiệm laser công suất cao thay cho quy trình hầm gió kéo dài. Phương pháp này cho phép họ quan sát trực tiếp vật liệu khi nhiệt độ tăng tới khoảng 3.800 độ C.
Theo giáo sư Chu, vật liệu mới này “có thể được sử dụng trực tiếp làm lớp bảo vệ ngoài cho tàu vũ trụ hoặc trong các hệ thống năng lượng chịu nhiệt cao.”
“Đây là lần đầu tiên trên thế giới một vật liệu nền đạt ngưỡng phục vụ ở mức 3.600 độ C, phá vỡ giới hạn 3.000 độ C vốn là thách thức nhiều năm qua của ngành,” ông khẳng định.
Là vật liệu nền, loại gốm này có thể chế tạo thành vật liệu tổng hợp hoặc sử dụng làm lớp phủ. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm linh kiện hàng không vũ trụ, hệ thống bảo vệ vũ khí, và cả công nghệ khắc quang bán dẫn – nơi cần vật liệu chống bức xạ plasma.
Hiện nhóm nghiên cứu đang hợp tác với các đối tác công nghiệp để tìm cách giảm chi phí sản xuất, đồng thời ứng dụng AI nhằm tối ưu hóa và nâng cao hiệu năng vật liệu.
