Một siêu vật liệu Titan đột phá với độ bền và tính linh hoạt chưa từng có sẽ cách mạng hóa ngành sản xuất và hàng không tốc độ cao.
Siêu vật liệu Titan
Một loại vật liệu titan nhẹ với độ bền cao đã được thiết kế có thể tạo ra các thiết bị y tế mạnh mẽ hơn cũng như các thiết kế phương tiện và tàu vũ trụ mang tính đổi mới. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một hợp kim titan phổ biến, Ti-6Al-4V, để tạo ra “ siêu vật liệu ”, một thuật ngữ dùng để mô tả một vật liệu nhân tạo sở hữu những đặc tính độc đáo không có trong tự nhiên - meta có nghĩa là “vượt xa hơn” trong tiếng Hy Lạp.
Nhiều cấu trúc phức tạp và vững chắc đáng kinh ngạc như vậy tồn tại trong tự nhiên, giống như cấu trúc của hoa súng Victoria. Có nguồn gốc từ Nam Mỹ, chiếc lá nổi khổng lồ này đủ khỏe để hỗ trợ một người trưởng thành nhờ có cấu trúc lưới độc đáo của các gân lá.
Cấu trúc của vật liệu nhân tạo có thể được thiết kế để mô phỏng các loài thực vật này và các vật liệu xốp tự nhiên khác như san hô, với các lưới khác nhau từ hình khối đơn giản đến khối mười hai mặt phức tạp. Các lỗ trong các cấu trúc lưới này nối liền với nhau, tạo thành các kênh. Theo các nhà nghiên cứu của RMIT, được biết như là vật liệu “tế bào”, những vật liệu dạng lưới này thường có sự đánh đổi về độ bền nếu không được thiết kế phù hợp.
Ông Jordan Noronha và siêu vật liệu mới (RMIT)
Jordan Noronha, một ứng viên Tiến sĩ đã làm việc trong dự án tại RMIT cho biết: “Tuy nhiên, in 3D kim loại là thứ thay đổi cuộc chơi, cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế và chế tạo các kim loại tế bào có tính sáng tạo cao, bền và nhẹ”.
Trong vật liệu tế bào, các mạng lưới được kết nối theo 3 chiều bằng các que mảnh, chắc hoặc các dầm gọi là thanh chống. Thay vào đó, bằng cách sử dụng các thanh chống rỗng, các nhà nghiên cứu hướng đến việc tạo ra vật liệu tế bào mật độ thấp có độ bền tương đương với hợp kim kim loại rắn có mật độ tương tự như hợp kim magie độ bền cao.
In siêu vật liệu
Nhóm nghiên cứu được dẫn dắt bởi Ma Qian, Giáo sư tại RMIT’s Center for Additive Manufacturing, đã sử dụng quy trình in 3D được gọi là “Phản ứng tổng hợp lớp bột laser (Laser powder bed fusion)” để tạo siêu vật liệu Titan. Kỹ thuật này tạo ra từng lớp vật liệu bằng chùm tia laser công suất cao, thường được sử dụng để chuẩn bị các bộ phận sản xuất phức tạp có kích thước từ dưới 1mm đến gần 2m.
Qian đã giải thích cách tiếp cận của nhóm. “Đầu tiên, toàn bộ mẫu siêu vật liệu lưới được thiết kế dưới dạng mô hình kỹ thuật số. Sau đó, mô hình này được cắt kỹ thuật số thành nhiều lớp mỏng bằng công cụ của phần mềm.”
Ông giải thích thêm: “Quy trình chế tạo dựa trên các lớp bao gồm việc nấu chảy bột kim loại bằng laser, sự đông đặc nhanh chóng của kim loại lỏng (bột kim loại nóng chảy) và các quá trình đun nóng và làm lạnh lặp đi lặp lại của kim loại đã đông đặc”.
Qian cho biết toàn bộ quá trình hiện mất khoảng 18 tiếng, nhưng qua quá trình tối ưu hóa, ông và nhóm của mình có kế hoạch rút ngắn khung thời gian trong tương lai.
Điều gì làm cho vật liệu đó bền vững như vậy?
Thanh chống rỗng và tấm mỏng là hai cấu trúc liên kết chịu trách nhiệm cho độ bền cao của siêu vật liệu. Không giống như hầu hết các vật liệu dạng tế bào, chứa các điểm yếu nơi tập trung ứng suất, hai mạng lưới bổ sung này phân bổ đều ứng suất trong khi cung cấp sự hỗ trợ.
Mô hình thiết kế cấu trúc siêu vật liệu
“Lý tưởng nhất là ứng suất trong tất cả các vật liệu dạng tế bào nên được trải đều,” Qian giải thích. “Tuy nhiên, đối với hầu hết các cấu trúc liên kết, nó thường ít hơn một nửa vật liệu để chủ yếu chịu tải trọng nén, trong khi khối lượng vật liệu lớn hơn thì không quan trọng về mặt cấu trúc.”
“Thiết kế đa cấu trúc liên kết này cũng thúc đẩy độ lệch của đường nứt để tăng độ bền vững,” ông cho biết thêm. “Thay vì các vết nứt xảy ra trực tiếp qua mạng lưới, nó xảy ra chủ yếu ở các vật liệu dạng tế bào, trong cấu trúc liên kết mạng lưới thanh chống rỗng tấm mỏng của chúng tôi, các thanh chống và tấm phối hợp với nhau để làm lệch hướng các vết nứt dọc theo một đường dài hơn.”
Hợp kim Magie hiện đang được sử dụng trong các ứng dụng thương mại đòi hỏi độ bền cao và trọng lượng nhẹ. So với hợp kim Magie đúc bền nhất hiện có (WE54), mẫu siêu vật liệu Titan có mật độ tương đương sẽ bền hơn nhiều. Hợp kim Magie cũng không phù hợp với phản ứng tổng hợp lớp bột bằng laser hoặc in 3D do sự bay hơi của bột, mang lại lợi thế sản xuất cho hợp kim Titan.
Các bước tiếp theo và các ứng dụng tiềm năng
Trước khi vật liệu được thương mại hóa, Qian và nhóm của ông trước tiên muốn đảm bảo rằng vật liệu này hoạt động ở hiệu suất tối đa.
Để làm được điều này, họ có kế hoạch cải tiến thiết kế hiện tại để tăng độ bền và làm nhẹ hơn nữa siêu vật liệu Titan của họ. Ví dụ, dựa trên mô phỏng số, họ sẽ điều chỉnh tỷ lệ các tấm mỏng với các thanh chống rỗng để cho phép phân bổ ứng suất đồng đều hơn trên toàn bộ cấu trúc.
Theo các nhà nghiên cứu, nếu siêu vật liệu được chế tạo từ hợp kim Titan nhiệt độ cao thì nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ lên tới 600°C. Đặc điểm này, cùng với khả năng chống ăn mòn của nó, làm cho vật liệu phù hợp để sử dụng trong máy bay hoặc tên lửa bay tốc độ cao, những loại vật liệu này phải có khả năng chịu được nhiệt độ cao được tạo ra do tốc độ cao. Máy bay không người lái bằng Titan được sử dụng để theo dõi chặt chẽ hoặc chống cháy rừng cũng sẽ được hưởng lợi từ trọng lượng nhẹ, độ bền và khả năng chịu nhiệt của siêu vật liệu.
Ứng dụng trong hàng không (SLM Solutions)
Vì siêu vật liệu này cũng tương thích sinh học nên nó cũng có thể được sử dụng trong các thiết bị y tế như cấy ghép xương. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn chưa được phổ biến rộng rãi ở giai đoạn này nên việc áp dụng nó trong ngành có thể mất một thời gian. Qian đã tuyên bố: “Hạn chế quan trọng nhất của chúng tôi là tính độc quyền của công nghệ và chi phí chế tạo có thể là một mối quan tâm quan trọng khác”.
“Các quy trình sản xuất truyền thống không hữu dụng để chế tạo các siêu vật liệu kim loại phức tạp này và không phải ai cũng có máy tổng hợp lớp bột bằng laser trong kho của mình,” ông nói thêm. “Tuy nhiên, khi công nghệ phát triển, nó sẽ trở nên dễ tiếp cận hơn, cho phép lượng đối tượng lớn hơn triển khai các siêu vật liệu đa cấu trúc liên kết có độ bền cao của chúng tôi trong các thành phần của họ.”
Tài liệu tham khảo: Ma Qian, et al., Titanium Multi-Topology Metamaterials with Exceptional Strength, Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202308715
Chi tiết bài báo: Titanium-based metamaterial unlocks strength beyond nature
