Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Đột phá có thể tạo ra hợp kim siêu cấp (18/10/2018)

Nhiều công nghệ hiện tại và tương lai đòi hỏi các hợp kim có thể chịu được nhiệt độ cao mà không bị ăn mòn. Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển, đã khơi mào cho một bước đột phá lớn trong việc tìm hiểu cách hợp kim hoạt động ở nhiệt độ cao, chỉ ra cách cải thiện đáng kể trong nhiều công nghệ.

Ảnh: Chùm ion hội tụ (a focus ion beam-FIB) được sử dụng để tạo các lá mỏng cho nghiên cứu kính hiển vi điện tử (Transmission electron microscopy-TEM).

Nhiều công nghệ hiện tại và tương lai đòi hỏi các hợp kim có thể chịu được nhiệt độ cao mà không bị ăn mòn. Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển, đã khơi mào cho một bước đột phá lớn trong việc tìm hiểu cách hợp kim hoạt động ở nhiệt độ cao, chỉ ra cách cải thiện đáng kể trong nhiều công nghệ. 

Phát triển các hợp kim có thể chịu được nhiệt độ cao mà không bị ăn mòn là một thách thức quan trọng đối với nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như công nghệ năng lượng tái tạo và bền vững như năng lượng mặt trời tập trung và các tế bào nhiên liệu oxit rắn, cũng như hàng không, chế biến nguyên liệu và hóa dầu.

Ở nhiệt độ cao, các hợp kim có thể phản ứng dữ dội với môi trường xung quanh, nhanh chóng khiến các vật liệu này bị ăn mòn. Để ngăn quá trình ăn mòn, tất cả các hợp kim nhiệt độ cao được phủ lớp oxit bảo vệ, thường là oxit nhôm hoặc oxit crom. Lớp oxit này đóng một vai trò quyết định trong việc ngăn chặn các kim loại khỏi bị ăn mòn. Do đó, nghiên cứu về ăn mòn ở nhiệt độ cao rất tập trung vào các lớp vảy oxit này - chúng được hình thành như thế nào, chúng hoạt động như thế nào ở nhiệt độ cao và tại sao chúng bị phá vỡ.

Nghiên cứu này trả lời hai vấn đề cơ bản trong lĩnh vực vật liệu này. Vấn đề đầu tiên liên quan đến một loại phụ gia được gọi là 'nguyên tố phản ứng' - thường là yttrium và zirconi - được tìm thấy trong tất cả các hợp kim có nhiệt độ cao. Vấn đề thứ hai là về vai trò của hơi nước.

Nooshin Mortazavi là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: “Việc thêm các nguyên tố phản ứng vào hợp kim giúp cải thiện tính chất của chúng - nhưng không ai có thể cung cấp bằng chứng thực nghiệm mạnh mẽ vì sao lại có thể cải thiện tính chất. Tương tự như vậy, vai trò của nước, luôn luôn hiện diện trong môi trường nhiệt độ cao, dưới dạng hơi nước, không được hiểu rõ. Bài báo cáo của chúng tôi sẽ giúp giải quyết những bí ẩn này”.

Trong bài báo cáo này, các nhà nghiên cứu Chalmers cho thấy hai yếu tố này được liên kết như thế nào. Họ chứng minh làm thế nào các yếu tố phản ứng trong hợp kim thúc đẩy sự phát triển của lớp vẩy oxit nhôm. Sự hiện diện của các hạt phần tử phản ứng này làm cho lớp oxit phát triển vào bên trong, chứ không phải ở bên ngoài, do đó tạo thuận lợi cho sự di chuyển của nước ở ngoài môi trường, về phía chất nền hợp kim. Các yếu tố phản ứng và nước kết hợp để tạo ra một lớp tinh thể nano, oxit phát triển nhanh.

“Bài báo này thách thức một số “chân lý” được chấp nhận trong khoa học về ăn mòn ở nhiệt độ cao và mở ra những con đường mới của nghiên cứu và phát triển hợp kim mới”, Lars Gunnar Johansson, Giáo sư Hóa học vô cơ tại Chalmers và đồng tác giả của bài báo.

“Mọi người trong ngành đã chờ đợi phát hiện này. Đây là một sự thay đổi mô hình trong lĩnh vực oxy hóa ở nhiệt độ cao”, Nooshin Mortazavi nói. "Chúng tôi hiện đang thiết lập các nguyên tắc mới để hiểu các cơ chế suy thoái trong lớp vật liệu này ở nhiệt độ rất cao".

Xa hơn các khám phá này, các nhà nghiên cứu Chalmers đề xuất một phương pháp thực tế để tạo ra nhiều hợp kim kháng. Họ chứng minh rằng kích thước của các hạt phần tử phản ứng thực sự rất quan trong. Trên một kích thước nhất định, các hạt phần tử phản ứng gây ra các vết nứt ở các vảy ôxít, tạo ra những tuyến đường dễ dàng cho các khí ăn mòn phản ứng với chất nền hợp kim, gây ăn mòn nhanh chóng. Điều này có nghĩa là một lớp vảy oxit tốt hơn, bảo vệ hơn có thể hình thành bằng cách kiểm soát sự phân bố kích thước của các hạt phần tử phản ứng trong hợp kim.

Nghiên cứu đột phá này từ Đại học Công nghệ Chalmers đã chỉ ra cách để các hợp kim bền hơn, an toàn hơn, bền hơn trong tương lai.

Thông tin thêm: Tiềm năng của đột phá nghiên cứu này

Hợp kim nhiệt độ cao được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, và rất cần thiết cho nhiều công nghệ hỗ trợ nền văn minh của con người. Chúng rất quan trọng cho cả công nghệ năng lượng tái tạo mới và truyền thống, như điện “xanh” từ sinh khối, khí hóa sinh khối, năng lượng sinh học với thu giữ và lưu giữ cacbon (io-energy with carbon capture and storage - BECCS), năng lượng mặt trời tập trung và các tế bào nhiên liệu ôxít rắn. Chúng cũng rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghệ quan trọng khác như động cơ phản lực, hóa dầu và xử lý vật liệu.

Tất cả các ngành công nghiệp và công nghệ này hoàn toàn phụ thuộc vào các vật liệu có thể chịu được nhiệt độ cao - 600 độ C và hơn thế nữa - mà không bị thất bại do ăn mòn. Nhu cầu về vật liệu có khả năng chịu nhiệt được cải thiện, cả về phát triển các công nghệ nhiệt độ cao mới, và để nâng cao hiệu quả quy trình của các công nghệ hiện có.

Ví dụ, nếu các cánh tuabin trong động cơ phản lực của máy bay có thể chịu được nhiệt độ cao hơn, động cơ có thể hoạt động hiệu quả hơn, dẫn đến tiết kiệm nhiên liệu cho ngành hàng không. Hoặc, nếu bạn có thể sản xuất các đường ống hơi có tính năng chịu nhiệt độ cao tốt hơn, các nhà máy điện sinh khối có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn cho mỗi kg nhiên liệu.

Ăn mòn là một trong những trở ngại chính cho sự phát triển vật liệu trong các lĩnh vực này. Nghiên cứu của các nhà khoa học Chalmers cung cấp các công cụ mới cho các nhà nghiên cứu và ngành công nghiệp để phát triển các hợp kim chịu được nhiệt độ cao hơn mà không bị ăn mòn nhanh chóng.

Nguồn: Đ.T.N (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 15/10/2018