Phát minh mới của Nga làm rung chuyển ngành vật liệu: tạo ra kim loại tự phục hồi, tự vá vết nứt, giảm chi phí sửa chữa và thay thế

Các nhà khoa học Nga đang nghiên cứu một loại hợp kim có khả năng tự lấp đầy những vết nứt và khuyết tật siêu nhỏ bên trong, qua đó mở ra hướng tiếp cận mới nhằm kéo dài tuổi thọ của các chi tiết kim loại và hạn chế nguy cơ hư hỏng trong quá trình sử dụng.

Theo thông tin được Đại học Quốc gia Nam Ural công bố và đài truyền hình BRICS đưa tin, nghiên cứu do Ksenia Ribaltchenko thuộc Khoa Khoa học Vật liệu và Hóa lý Vật liệu dẫn dắt. Nhóm nghiên cứu hướng tới phát triển vật liệu có khả năng khắc phục những hư hỏng nhỏ phát sinh do ứng suất cơ học, vốn có thể tích tụ theo thời gian và dẫn đến sự cố nghiêm trọng hơn.

Điểm đáng chú ý của công nghệ nằm ở cách thiết kế thành phần hợp kim. Thay vì sử dụng một vật liệu đồng nhất, các nhà khoa học đề xuất bổ sung những thành phần có nhiệt độ nóng chảy thấp vào nền hợp kim entropy cao, loại vật liệu được tạo thành từ ít nhất năm nguyên tố chính với tỷ lệ tương đương hoặc gần tương đương nhau.

Cơ chế tự sửa chữa dựa trên sự khác biệt về nhiệt độ nóng chảy giữa phần nền và các thành phần được bổ sung. Khi xuất hiện vết nứt hoặc lỗ rỗng, vật liệu sẽ được gia nhiệt đến một mức nhiệt đủ để làm nóng chảy các thành phần có nhiệt độ nóng chảy thấp, trong khi cấu trúc nền vẫn duy trì trạng thái rắn.

Phần vật liệu nóng chảy sau đó có thể di chuyển vào các khoảng trống, lấp đầy khuyết tật. Khi nhiệt độ giảm xuống, phần vật liệu này đông đặc trở lại, giúp xử lý những hư hỏng nhỏ mà không cần can thiệp trực tiếp vào vị trí vết nứt.

Tuy nhiên, cơ chế này không đồng nghĩa kim loại có thể tự phục hồi trong mọi điều kiện. Quá trình sửa chữa phụ thuộc vào việc vật liệu được làm nóng đến nhiệt độ thích hợp. Với những chi tiết vốn hoạt động ở mức nhiệt đáp ứng yêu cầu, quá trình gia nhiệt có thể được tích hợp vào điều kiện vận hành. Trong các ứng dụng khác, linh kiện có thể cần trải qua một chu kỳ gia nhiệt riêng.

Vật liệu nền được lựa chọn cũng là một điểm đáng chú ý. Khác với các hợp kim truyền thống thường có một nguyên tố chiếm ưu thế, hợp kim entropy cao kết hợp nhiều nguyên tố chính với tỷ lệ tương đối cân bằng. Cấu trúc này có thể tạo ra những đặc tính như độ bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt và độ ổn định tốt, khiến chúng trở thành đối tượng nghiên cứu cho các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt.

Nếu được chứng minh hiệu quả, phát minh mới có thể góp phần giải quyết một vấn đề phổ biến trong công nghiệp: các chi tiết kim loại chịu tải trọng lớn thường xuất hiện những điểm khuyết nhỏ sau thời gian dài hoạt động. Khi không được xử lý, các vết nứt có thể phát triển, làm suy giảm độ bền và cuối cùng khiến bộ phận hư hỏng.

Khả năng tự lấp đầy có thể giúp giảm tần suất sửa chữa, thay thế linh kiện và thời gian dừng máy. Dù vậy, hiệu quả thực tế còn phụ thuộc vào việc phần vật liệu được bổ sung có lấp đầy hoàn toàn vết nứt hay không, cũng như độ bền của khu vực sau sửa chữa và khả năng lặp lại quá trình nhiều lần.

Hiện dự án vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và mô hình hóa tính toán. Nhóm nghiên cứu đang chuẩn bị tiến tới chế tạo mẫu thử nghiệm.

Vật liệu tự phục hồi vốn là một hướng nghiên cứu trong khoa học vật liệu, đã được phát triển theo nhiều phương pháp khác nhau đối với polymer và bê tông. Với kim loại kết cấu, thách thức lớn hơn do yêu cầu về độ bền, khả năng chịu tải và điều kiện nhiệt độ trong quá trình vận hành.

Vì vậy, nghiên cứu của các nhà khoa học Nga hiện mới cho thấy một hướng tiếp cận tiềm năng. Để tiến tới ứng dụng công nghiệp, công nghệ này vẫn cần vượt qua các bước thử nghiệm nhằm chứng minh khả năng lấp đầy vết nứt, duy trì tính chất cơ học và đáp ứng yêu cầu về độ tin cậy trong điều kiện sử dụng thực tế.