Vật liệu thủy tinh kim loại dẻo dai hơn kim loại - Bản có dấu.
Vat lieu thuy tinh kim loai deo dai hon kim loai - Bản không dấu.

Các vật liệu thủy tinh kim loại khối đã chứng tỏnhiều hứa hẹn trong kỹ thuật  hơn 15 năm nhưng thông thường có tính uốndẻo và độ dẻo dai rất kém, và khiến cho chúng giòn và có thiên hướng dễvỡ. Nhưng mới đây, Douglas Hofmann, William  Johnson cùng các cộng sự ởViện Công nghệ  California (Caltech, Pasadena, California) đã tìm racách để biến đổi cấu trúc của vật liệu thủy tinh kim loại khối khiếncho độ dẻo dai của chúng được cải thiện một cách đáng kể.

Cácvật liệu thủy tinh kim loại khối (Bulk Metallic Glassy – BMGs) giốngnhư kim loại ở chỗ chúng chứa các liên kết kim loại và có tính dẫn,nhưng các nguyên tử lại có tính chất bất trật tự như thủy tinh. Một cấutrúc bất trật tự không thể chứa các sai hỏng, có nghĩa là BMGs chốngchịu lại các trọng tải nặng trước khi bị đứt gãy. Điều này ít nhất đúngkhi chúng bị bẻ cong hay bị ép, nhưng khi chúng bị kéo dãn, độ dẻo daikém của chúng lại không đủ khiến cho chúng nhanh chóng bị đứt gãy. Mộtcách để cải thiện độ dẻo dai và chống đứt gãy theo các kết quả của nhómnghiên cứu ở Caltech là bổ sung thêm một số nguyên tố trongquá trình tạo hợp kim thủy tinh kim loại ban đầu, chúng sẽ tạo ra cáchạt tinh thể phân tán hay các “nhánh cây” khi chúng bị làm lạnh. Các “nhánh cây” này sẽ đóng vai trò như các rào cản sự phát triển của các dải trượt và hạn chế chúng khỏi mọi sự phát triển dẫn đến đứt gãy.

Ý tưởng về việc phối hợp các “tinh thể nhánh cây”lần đầu tiên đã được thử nghiệm  bởi Johnson với các thành viên  của nhómnghiên cứu khác, những người đã tạo ra các hợp kim BMGs từ trạng tháinóng chảy. Quá trình này tạo ra các tinh thể nhánh cây khá là nhỏ vàchỉ làm tăng độ dẻo dai ở ngoài mép. Tuy nhiên, cũng từ các kết quảnày, Hofmann, Johnson cùng các cộng sự đã tìm ra 2 thuộc tínhcủa các tinh thể nhánh cây có thể làm tối ưu hóa độ dẻo dai: chúng phảicó độ rộng ngang với chiều dài của các dải trượt, và phải mềm hơn bảnthân các BMGs.

Hình 1. Cấu trúc của vật liệu quan sát trên ảnh hiển vi điện tử  truyền qua phân giải cao (Nature, 451 1085).

Để tạo ra tính chất này, nhóm đã bắt đầu từ hợp kimcủa Titan (Ti), Zirconium (Zr), Niobium (Nb), đồng (Cu) và Beryllium(Be). Bằng cách giữ hợp kim nóng chảy ở nhiệt độ giữa 800^oC và 900^oC,các tinh thể nhánh cây của Ti, Zr và Nb bắt đầu mọc ra tới kích thướclớn. Trong quá trình mọc, một tỉ lệ của Be và Cu trong phần khối cònlại không hình thành cá tinh thể sẽ tăng dần. Và nhóm của Caltech đãtìm ra rằng khi tỉ phần của Be trong khối đạt khoảng 1/3, tính chất tổhợp sẽ đạt cân bằng và các tinh thể nhánh cây sẽ không thể lớn hơn đượcnữa. Và bằng cách bổ sung ít hơn Be vào hợp kim ban đầu, họ có thể tạora tỉ lệ pha thủy tinh thấp hơn và lượng lớn hơn các tinh thể nhánhcây. “Điều mà chúng tôi  tìm ra rất đáng chú ý” – Hofmann nói.

Với ba mẫu BMGs được làm lạnh với các tỉ lệ tinh thểnhánh cây khác nhau, nhóm đã tìm thấy mẫu với tỉ lệ lớn nhất của cáctinh thể nhánh cây (67%) cho độ dẻo dai tốt nhất, K = 173 MPa m1/2 – cóthể so sánh với các hợp kim Ti, sắt và thép tốt nhất hiện nay. Tuynhiên, giá trị  của sức bền – được định nghĩa bởi ứng suất trượt lớnnhất, G lại lập một kỷ lục mới. “Chúng tôi đã đưa các hợp kim này từ chỗ thuộc nhóm các kim loại dễ vỡ nhất thành loại dẻo dai nhất”– Hofmann nói. Hofmann giải thích rằng mặc dù đã được sử dụng trong mộtsố ứng dụng, nhưng nhóm của ông muốn khai thác tính chất dẻo dai mớitìm được trong các ứng dụng cấu trúc, ví dụ như trong công nghiệp  hangkhông. “Chúng tôi hi vọng có thể đưa chúng vào thị trường  của hợp kim Ti có phẩm chất cao” – Hofmann bổ sung.

Hình 2. So sánh các loại hợp kim dẻo dai với hợp kim mới (Nature, 451 1085).

Hiện tại chưa có bình luận nào về bài viết Vật liệu thủy tinh kim loại dẻo dai hơn kim loại!

Bạn có ý kiến gì về bài viết Vật liệu thủy tinh kim loại dẻo dai hơn kim loại này? Hãy gởi suy nghĩ, bình luận, đánh giá, lời khuyên ... của bạn về bài viết Vật liệu thủy tinh kim loại dẻo dai hơn kim loại bạn tại đây.