CHẾ TẠO THÀNH CÔNG VẬT LIỆU COMPOZIT MỚI TÍNH NĂNG CAO PHỤC VỤ NGÀNH HÀNG KHÔNG

Vật liệu nhẹ nhưng vẫn đảm bảo độ bền cao đang trở thành xu hướng tất yếu của ngành hàng không hiện đại. Nghiên cứu mới đây đã bước đầu chế tạo thành công vật liệu polymer compozit tính năng cao, mở ra triển vọng ứng dụng trong chế tạo máy bay không người lái và các lĩnh vực công nghệ cao.

Trong lĩnh vực hàng không, vật liệu đóng vai trò quyết định đến hiệu suất, độ an toàn và chi phí vận hành. Kết cấu máy bay đòi hỏi vật liệu có độ bền cơ học cao, khả năng chịu va đập, chống ăn mòn và làm việc ổn định trong điều kiện khắc nghiệt, đồng thời có khối lượng thấp để tối ưu nhiên liệu. Thực tế, nhiều dòng máy bay hiện đại như Boeing 787 đã sử dụng tỷ lệ vật liệu polymer compozit chiếm tới 50% trong cấu trúc nhằm đáp ứng các yêu cầu này.

Tại Việt Nam, việc nghiên cứu và làm chủ các vật liệu polymer compozit tính năng cao vẫn còn nhiều hạn chế, đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi tiêu chuẩn khắt khe như hàng không và quốc phòng. Phần lớn vật liệu tiên tiến vẫn phụ thuộc vào nhập khẩu, kéo theo chi phí cao và rủi ro về công nghệ. Trong bối cảnh đó, nhu cầu phát triển các vật liệu nhẹ, bền, có thể sản xuất trong nước không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn là yêu cầu cấp thiết để nâng cao năng lực tự chủ công nghệ.

Xuất phát từ bài toán này, PGS.TS. Ngô Trịnh Tùng và nhóm nghiên cứu Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã thực hiện nhiệm vụ: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu polymer nanocompozit trên nền epoxy tính năng cao định hướng ứng dụng trong ngành hàng không” (mã số: NĐT/AT/22/22), trong khuôn khổ nhiệm vụ khoa học và công nghệ cấp Nhà nước theo Nghị định thư giữa Việt Nam và Cộng hòa Áo. Nghiên cứu hướng tới phát triển vật liệu compozit thế hệ mới với độ bền cao, chịu va đập tốt và ổn định hơn trong quá trình sử dụng.

𝐓𝐚̣𝐨 đ𝐨̣̂𝐭 𝐩𝐡𝐚́ 𝐭𝐮̛̀ 𝐜𝐚̂́𝐮 𝐭𝐫𝐮́𝐜 𝐧𝐚𝐧𝐨 𝐯𝐚̀ 𝐯𝐚̣̂𝐭 𝐥𝐢𝐞̣̂𝐮 𝐥𝐚𝐢

Để cải thiện chất lượng vật liệu, nhóm nghiên cứu đã áp dụng đồng thời nhiều giải pháp. Trước hết, nền epoxy - loại nhựa kỹ thuật có độ bền cao, được gia cường bằng các vật liệu kích thước nano như ống nano cacbon, giúp vật liệu cứng hơn và chịu lực tốt hơn. Tiếp theo, nhóm đã sử dụng các hợp chất silane có khả năng tạo liên kết giữa các thành phần khác nhau trong vật liệu để xử lý bề mặt, giúp vật liệu liên kết chặt chẽ hơn, hạn chế hiện tượng tách lớp khi chịu tải. Ngoài ra, bề mặt các lớp vải sợi gia cường, đặc biệt là sợi aramid - loại sợi tổng hợp có độ bền rất cao, nhẹ và dai, được xử lý tạo độ nhám nhằm tăng độ bám dính với lớp nhựa nền.

Một điểm nổi bật của nghiên cứu là thiết kế vật liệu lai bằng cách kết hợp các loại sợi gia cường có tính chất khác nhau. Sợi cacbon có độ bền kéo đứt và độ cứng cao nhưng chịu va đập kém, trong khi sợi aramid có khả năng chịu va đập tốt. Việc bố trí các lớp sợi này theo cấu trúc phù hợp giúp tận dụng ưu điểm của từng loại, qua đó nâng cao đồng thời độ bền và khả năng chống va đập của vật liệu.

Nhờ các giải pháp trên, vật liệu mới đạt các thông số đáng chú ý như độ bền kéo 534,18 MPa, độ bền uốn 327,32 MPa, mô đun đàn hồi 72,38 GPa và độ bền va đập 127,73 kJ/m². Đặc biệt, vật liệu có khả năng chịu mỏi động vượt trên 10⁶ chu kỳ ở mức 70% độ bền kéo và vẫn duy trì 96,25% tính chất sau 52 chu kỳ thử nghiệm lão hóa theo tiêu chuẩn ASTM G154 (tiêu chuẩn kỹ thuật dùng để kiểm tra và đánh giá vật liệu). Những kết quả này cho thấy vật liệu đáp ứng tốt yêu cầu làm việc trong điều kiện tải trọng lặp và môi trường khắc nghiệt của ngành hàng không.

Đáng chú ý, vật liệu có tỷ trọng 1,523 g/cm³, thấp hơn đáng kể so với các kim loại thường dùng trong kết cấu máy bay, góp phần giảm khối lượng mà vẫn đảm bảo độ bền cần thiết. Trên cơ sở đó, vật liệu đã được ứng dụng thử nghiệm để chế tạo thân vỏ máy bay không người lái PELICAN VB01 với khối lượng nhỏ hơn 2 kg nhưng vẫn đáp ứng các yêu cầu cơ lý.

Theo PGS.TS. Ngô Trịnh Tùng: Việc phát triển vật liệu polymer compozit tính năng cao không chỉ nhằm tạo ra sản phẩm mới mà quan trọng hơn là việc xây dựng nền tảng công nghệ vật liệu tiên tiến tại Việt Nam.

Ông tin tưởng rằng: Nếu tiếp tục đầu tư đúng hướng, Việt Nam hoàn toàn có thể làm chủ các vật liệu chiến lược, phục vụ cho ngành hàng không cũng như các lĩnh vực công nghệ cao, giảm phụ thuộc vào nhập khẩu và nâng cao năng lực cạnh tranh quốc gia. Trong quá trình thực hiện, hợp tác với đối tác Cộng hòa Áo, do GS.TS. Tùng Phạm (Viện Nghiên cứu hóa lý vải sợi, Đại học Innsbruck) đồng chủ trì, đã giúp nhóm nghiên cứu tiếp cận và làm chủ một số kỹ thuật quan trọng như đánh giá độ bền mỏi động và công nghệ gia cường cấu trúc 3D. Những kết quả này góp phần đặt nền móng cho việc phát triển các vật liệu polymer tiên tiến, hướng tới ứng dụng trong an ninh, quốc phòng và các lĩnh vực công nghệ cao.

Nghiên cứu cho thấy khả năng tạo vật liệu compozit tính năng cao ngay trong nước, đáp ứng các yêu cầu khắt khe về độ bền, độ ổn định và khối lượng nhẹ cho ứng dụng hàng không. Đây là minh chứng rõ nét cho năng lực làm chủ công nghệ vật liệu tiên tiến của các nhà khoa học Viện, mở ra cơ hội giảm phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu và thúc đẩy phát triển các lĩnh vực công nghệ cao tại Việt Nam.

Thực hiện: Nguyễn Thị Vân Nga, Trung tâm Dữ liệu và Thông tin khoa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam