Vietnamese 
English 
Trong cuộc đua phát triển vệ tinh cỡ nhỏ, bài toán vật liệu “nhẹ nhưng vẫn phải bền” luôn đặt ra nhiều thách thức. Nghiên cứu gần đây đã chọn cách tiếp cận mới bắt đầu từ một chi tiết rất nhỏ bên trong vật liệu - lớp “keo” kết dính các cấu trúc. Từ thay đổi ở cấp độ nano, hướng giải mới dần hình thành, giúp vật liệu nhẹ hơn, bền hơn và tiến gần hơn tới ứng dụng thực tế.
Trên thế giới, xu hướng phát triển vệ tinh cỡ nhỏ đang diễn ra mạnh mẽ nhờ ưu thế về chi phí và thời gian chế tạo, trong khi vẫn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng tương đương các vệ tinh lớn. Tuy nhiên, để đạt được điều đó, các kỹ sư buộc phải tối ưu từng chi tiết thiết kế, khi các yếu tố như khối lượng, không gian và năng lượng đều bị giới hạn chặt chẽ.
Trong bối cảnh đó, vật liệu trở thành yếu tố then chốt. Hướng tiếp cận phổ biến hiện nay là sử dụng vật liệu tổng hợp sợi cacbon thay cho hợp kim nhôm truyền thống. Loại vật liệu này nhẹ hơn đáng kể nhưng vẫn duy trì độ bền, độ cứng cao và cho phép thiết kế linh hoạt theo yêu cầu. Nhờ vậy, chúng không chỉ phù hợp cho các kết cấu chính mà còn đặc biệt tiềm năng trong chế tạo hộp bảo vệ linh kiện, nơi chứa các thiết bị điện tử nhạy cảm, phải chịu rung động khắc nghiệt trong quá trình phóng vệ tinh. Tuy nhiên, hạn chế của vật liệu lại nằm ở lớp keo epoxy - phần “kết dính” các lớp cấu trúc, vốn có xu hướng giòn và dễ nứt khi chịu tải động.
Chính từ “nút thắt” này, TS. Tô Anh Đức và nhóm nghiên cứu Trung tâm Vũ trụ Việt Nam đã đề xuất và được Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phê duyệt đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm ứng dụng vật liệu CFRP/CNMs trong hộp bảo vệ linh kiện của vệ tinh” (mã số: VAST01.03/24-25). Nghiên cứu nhằm trả lời câu hỏi cốt lõi: làm sao để vật liệu không chỉ nhẹ mà còn bền và “dai” hơn từ bên trong?
a) TS. Tô Anh Đức đang thực hiện nghiên cứu; b) TS. Tô Anh Đức trong chuyến công tác tại Belarus tháng 7/2024 cùng các đồng nghiệp tại Viện Khoa học vật liệu (Đơn vị phối hợp)
Từ cải tiến nano đến sản phẩm thực tế
Thay vì phải làm mới toàn bộ vật liệu, nhóm nghiên cứu lựa chọn hướng đi hiệu quả hơn bằng việc cải thiện chính phần yếu nhất là keo epoxy - loại nhựa đóng rắn có vai trò như “chất keo” liên kết các lớp sợi với nhau, bằng cách bổ sung ống nanocacbon. Đây là vật liệu có độ bền rất cao nhưng lại có nhược điểm lớn là dễ kết tụ thành từng cụm, làm giảm hiệu quả gia cường.
Chia sẻ về hướng tiếp cận trong nghiên cứu, TS. Tô Anh Đức cho biết: Điểm mấu chốt nằm ở việc xử lý chính phần “yếu” nhất của vật liệu. Nhóm đã thực hiện biến tính bề mặt ống nanocacbon bằng cách gắn thêm các nhóm chức hóa học (-COOH), để chúng có thể “hòa nhập” tốt hơn với lớp keo epoxy. Kết quả là các ống nano không còn tụ lại thành từng cụm mà phân tán đều trong vật liệu. Sự thay đổi này diễn ra ở cấp độ rất nhỏ nhưng lại tạo ra khác biệt lớn: vật liệu trở nên ổn định hơn, lực được truyền và phân bố đều hơn, nhờ đó hạn chế nứt gãy.
Ảnh SEM của ống nanocacbon: a) trước; b) sau khi biến tính
a) Ống nanocacbon chưa biến tính tụ đám trong epoxy
b) Ống nanocacbon đã biến tính phân tán đồng đều trong epoxy
Từ nền tảng đó, nhóm tiếp tục hoàn thiện toàn bộ quy trình từ phân tán vật liệu nano, chế tạo keo epoxy gia cường, đến tích hợp với sợi carbon để tạo thành vật liệu tổng hợp sợi cacbon hoàn chỉnh. Tiến xa hơn, nhóm đã chế tạo hộp bảo vệ linh kiện vệ tinh thực tế và tiến hành thử nghiệm rung động mô phỏng điều kiện phóng, bước kiểm chứng mang tính quyết định.
a) Quy trình gắn nhóm chức cho ống nanocacbon;
b) Các bước chế tạo vật liệu epoxy gia cường ống nanocacbon
Nhẹ hơn một nửa, bền hơn rõ rệt và sẵn sàng cho ứng dụng
Kết quả cho thấy sự khác biệt rất rõ ràng. Khi sử dụng ống nanocacbon chưa xử lý, vật liệu gần như không được cải thiện do hiện tượng kết tụ, thậm chí có thể làm suy giảm cơ tính. Ngược lại, với ống nanocacbon, đặc biệt ở hàm lượng tối ưu khoảng 0,2%, vật liệu đạt được sự cân bằng ấn tượng giữa độ bền và độ dẻo, vừa chịu lực tốt hơn, vừa tăng khả năng biến dạng trước khi gãy.
Khi ứng dụng vào vật liệu tổng hợp sợi cacbon vào chế tạo hộp bảo vệ linh kiện, hộp này chỉ nặng khoảng 65 gram, tương đương khoảng 70% so với khối lượng của hộp nhôm cùng kích thước nhưng vẫn đảm bảo độ cứng và độ kín cần thiết. Khi thử nghiệm rung động mô phỏng quá trình phóng, các thông số dao động của hộp thay đổi rất nhỏ (đều nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn quốc tế), cho thấy cấu trúc gần như không bị ảnh hưởng sau thử nghiệm. Điều này khẳng định vật liệu đủ độ tin cậy để hướng tới ứng dụng thực tế.
Máy rung LDS V830-335 và hộp bảo vệ được gắn trên máy rung
Mô hình hóa hộp vật liệu tổng hợp sợi cacbon để mô phỏng quá trình thử nghiệm rung động
Một điểm đáng chú ý là khi xét trên cùng đơn vị khối lượng, hộp vật liệu tổng hợp sợi cacbon cho hiệu quả chịu tải và độ cứng cao hơn so với nhôm, đặc biệt ở phương chịu rung chính. Nói cách khác, vật liệu mới không chỉ nhẹ hơn mà còn “làm việc hiệu quả hơn” - lợi thế quan trọng trong thiết kế vệ tinh hiện đại.
Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đánh giá cao kết quả nghiên cứu của nhóm với hướng tiếp cận mang tính hệ thống trong lĩnh vực công nghệ vật liệu cho vệ tinh. Việc làm chủ vật liệu ở quy mô nano được xem là nền tảng quan trọng, tạo tiền đề tiến tới làm chủ các cấu trúc then chốt của vệ tinh trong tương lai.
Hội đồng cũng ghi nhận, đề tài đã triển khai trọn vẹn chuỗi giá trị từ nghiên cứu vật liệu, phát triển công nghệ đến chế tạo sản phẩm và thử nghiệm trong điều kiện mô phỏng thực tế. Đáng chú ý, việc cải tiến ở cấp độ vật liệu với lớp keo epoxy, đề tài đã từng bước góp phần hình thành giải pháp cho bài toán công nghệ vệ tinh theo hướng nhẹ hơn, bền hơn và phù hợp với điều kiện triển khai thực tế tại Việt Nam.
Nguồn: Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
