Phát minh ra hợp kim đồng cứng hơn thép, chịu nhiệt tới 800°C

Các nhà khoa học Mỹ vừa phát triển một hợp kim đồng hoàn toàn mới, không chỉ mạnh hơn thép mà còn chịu được nhiệt độ lên tới 800 độ C và giữ được khả năng dẫn điện vượt trội.

Theo Science, nhóm nghiên cứu tại Đại học Lehigh (Pennsylvania, Mỹ) và Đại học Bang Arizona đã tạo ra một hợp kim đồng mới kết hợp tantalum và lithium, có độ bền cơ học cao hơn thép thông thường, nhưng vẫn duy trì tính dẫn điện ưu việt, điều mà các siêu hợp kim hiện nay chưa thể đạt được.

Điểm đặc biệt của hợp kim này nằm ở cấu trúc nano ba lớp: các kết tủa đồng lithium có hình khối ổn định, được ép giữa hai lớp tantalum là kim loại nổi tiếng có khả năng chống ăn mòn và bền nhiệt. Chính cấu trúc vi mô này giúp vật liệu có thể chịu được nhiệt độ lên tới 800°C (1.472°F) và ứng suất tối đa 1.120 MPa ở nhiệt độ phòng, cao hơn khoảng 50% so với thép tiêu chuẩn.

Trước đây, các sản phẩm chế tạo trong ngành vật liệu thường chỉ có một trong hai tính năng là bền hoặc dẫn điện tốt. Sản phẩm có độ bền cao thì phải giảm hoặc bỏ đi khả năng dẫn điện, và ngược lại. Sáng chế hợp kim mới đã phá vỡ giới hạn đó, mở ra một kỷ nguyên mới cho vật liệu "đa năng": dẫn điện tốt như đồng, bền như thép, chống nhiệt như niken, trong một cấu trúc nano duy nhất.

"Đây là một nền tảng vững chắc để ngành công nghiệp và quốc phòng phát triển thế hệ vật liệu mới, phục vụ các thiết bị đòi hỏi hiệu suất và độ tin cậy cực cao", GS Harmer, thành viên nhóm nghiên cứu, nhận định.

Trong ngành hàng không vũ trụ, năng lượng và quốc phòng, yêu cầu đặt ra là một loại vật liệu vừa dẫn điện tốt, vừa chịu nhiệt chịu lực cao, lại ổn định trong thời gian dài. Hiện nay vật liệu được sử dụng phổ biến là siêu hợp kim nền niken, vốn có khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn tốt, nhưng khả năng dẫn điện rất thấp, khiến chúng không phù hợp với các thiết bị đòi hỏi truyền tải điện năng cao.

Cấu trúc vi mô của hợp kim mới có thể ví như "vân tay" của vật liệu, quyết định cách nó phản ứng trước các yếu tố như nhiệt, bức xạ, hay va chạm cơ học. Nhờ sự có mặt của lithium với vai trò ổn định hóa cấu trúc, hợp kim duy trì độ bền và tránh nứt vỡ dù chịu tác động liên tục ở nhiệt độ cao.

Với khả năng chịu nhiệt cao và không mất tính dẫn điện, hợp kim này có thể dùng làm cánh turbine hoặc buồng đốt trong các động cơ phản lực siêu vượt âm (hypersonics). Đây cũng là lĩnh vực đang được Mỹ, Trung Quốc và Nga đầu tư phát triển.

Không chỉ trong động cơ tên lửa, hợp kim này còn có thể được ứng dụng vào vỏ giáp, vũ khí điện từ, cảm biến quân sự, những nơi yêu cầu vật liệu siêu nhẹ, siêu bền và dẫn điện tốt.

Ngoài ra, cả trong ngành nhiệt điện, hạt nhân, khai thác dầu khí... đều cần các thiết bị vận hành ở điều kiện cực đoan. Với khả năng chống ăn mòn và bền cơ học, hợp kim đồng tantalum lithium có thể làm vỏ thiết bị, bộ trao đổi nhiệt hoặc đường ống dẫn chịu áp.

Dù còn đang ở giai đoạn phòng thí nghiệm, giới chuyên gia đánh giá hợp kim mới này có tiềm năng thay đổi cách con người chế tạo máy bay, tàu vũ trụ, vũ khí và hệ thống điện trong thập kỷ tới.

Việc kết hợp tinh vi giữa thiết kế vi cấu trúc, vật liệu quý và công nghệ nano giúp hợp kim này không chỉ là một phát minh khoa học mà là một bước tiến công nghệ mang tầm ảnh hưởng toàn cầu.