Nhựa tự vá bền hơn thép

[june04]

Các nhà khoa học Mỹ thiết kế vật liệu composite từ sợi carbon không chỉ tự lành giống da người mà còn khôi phục hình dạng ban đầu dưới tác động của nhiệt và có độ bền vượt trội so với thép.


Giáo sư Mohammad Naraghi cầm mẫu vật nhựa ATSP. Ảnh: Texas A&M

Vật liệu tái chế mới là một loại composite sợi carbon tiên tiến mang tên Aromatic Thermosetting Copolyester (ATSP) do các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas A&M và Đại học Tulsa phát triển. Nghiên cứu được dẫn dắt bởi tiến sĩ Mohammad Naraghi, giám đốc phòng thí nghiệm vật liệu cấu trúc nano kiêm giáo sư kỹ thuật hàng không vũ trụ tại Đại học Texas A&M, mở ra nhiều ứng dụng đột phá trong ngành công nghiệp quốc phòng, vũ trụ và ôtô. Kết quả được thông báo hôm 11/8 trên trang web của trường đại học.

Tính chất trao đổi liên kết độc đáo của ATSP cho phép các thành phần tự sửa chữa vết nứt và biến dạng bằng cách áp dụng nhiệt, từ đó khôi phục độ bền gần như ban đầu, thậm chí còn cải thiện. Theo Naraghi, áp lực cực hạn và nhiệt độ cao có thể gây ra hư hại nguy hiểm ở vật liệu trong ứng dụng hàng không vũ trụ. Khi hư hại này ảnh hưởng đến bộ phận quan trọng trên máy bay, khả năng tự phục hồi theo yêu cầu có thể giúp khôi phục chức năng của nó. ATSP cũng hứa hẹn cải thiện thiết kế an toàn ở ôtô. Nó có thể khôi phục hình dạng của xe sau va chạm và bảo vệ hành khách.

Nhờ khả năng tái chế, ATSP bền vững hơn so với nhựa thông thường. Tính chất hóa học của nó vẫn ổn định qua nhiều chu kỳ tái định hình, giúp giảm thiểu rác thải mà không ảnh hưởng tới độ tin cậy. Khi được gia cố bằng sợi không liên tục vitrimer, ATSP có thể tái định hình nhiều lần, nghiền và đúc thành hình dạng mới mà không làm cấu trúc hóa học của nó xuống cấp.

Để tìm hiểu khả năng tự phục hồi và thay đổi hình dạng của ATSP, các nhà nghiên cứu độ dão bằng cách kéo giãn và giải phóng vật liệu nhiều lần trong khi đo cách nó lưu trữ và giải phóng năng lượng. Họ xác định hai nhiệt độ quan trọng gồm nhiệt độ biến đổi thủy tinh (tại đó chuỗi polymer di chuyển tự do) và nhiệt độ thủy tinh hóa (khi các liên kết hoạt động đủ để phục hồi, tái định hình và khôi phục).

Trong một thử nghiệm, nhóm nghiên cứu làm nóng vật liệu composite lên khoảng 160 độ C để kích hoạt phục hồi hình dạng. Kết quả cho thấy các mẫu ATSP chịu đựng hàng trăm chu kỳ kéo căng và nhiệt mà không bị hỏng, trở nên bền hơn trong quá trình phục hồi. Ở thí nghiệm khác, họ cho mẫu vật bị hư hại chịu mức nhiệt 280 độ C sau thử nghiệm áp lực. Sau hai chu kỳ hư hỏng - phục hồi, vật liệu gần như trở lại độ bền ban đầu. Đến chu kỳ thứ 5, hiệu quả phục hồi giảm còn khoảng 80% do độ mỏi cơ học từ khiếm khuyết do sản xuất nhưng độ ổn định hóa học không bị ảnh hưởng.

Naraghi và cộng sự sẽ tiếp tục khám phá và hoàn thiện ATSP để tăng cường độ bền, tính bền vững và khả năng thích ứng của vật liệu trước khi ứng dụng trong công nghiệp.