Giải pháp đột phá sản xuất polymer sợi carbon không cần lò gia nhiệt

Kỹ thuật ép dính ngoài lò nướng

Nhưng các thành phần cấu thành càng lớn thì công cụ sản xuất cũng phải có kích thước lớn hơn, mở rộng đến các buồng gia nhiệt hoặc bình áp suất, thường được gọi là nồi áp suất. Ví dụ, một mảnh cánh máy bay được chế tạo từ nhiều lớp vật liệu composite khác nhau, xếp chồng lên nhau và ép thành hình dạng mong muốn. Các buồng gia nhiệt lớn hoặc nồi áp suất tương ứng kết gắn chặt các lớp lại với nhau tạo ra một mảnh cánh bền vững khí động học, nhẹ và đàn hồi.

Những bộ phận và chi tiết của máy bay, được sản xuất bằng vật liệu carbon nhiệt rắn.

Do nhu cầu các phương tiện bay ngày càng tăng lên, những thách thức kỹ thuật đã trở nên khó giải quyết với các buồng gia nhiệt, nồi áp suất khổng lồ, các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) tuyên bố, đã có giải pháp khắc phục nhu cầu cần có lò gia nhiệt kích thước lớn và nồi áp suất bằng cách sử dụng một phương pháp mới để tạo ra các cấu trúc composite hiệu suất cao, kích thước lớn.

Brian Wardle, giáo sư ngành hàng không và du hành vũ trụ, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Jeonyoon Lee, Seth Kessler thuộc tập đoàn Metis Design Corporation phối hợp nghiên cứu quy trình sản xuất mới nhằm giải quyết thách thức, tăng tốc độ sản xuất.

Năm 2015, nhóm nghiên cứu phát hiện ra phương pháp ép dính các lớp composite lại mà không cần lò gia nhiệt. Để thực hiện được kỹ thuật đột phá này, các nhà nghiên cứu bọc các tấm vật liệu tổng hợp trong một màng siêu mỏng ống nano carbon, sau đó sử dụng dòng điện tạo ra nhiệt, khiến các vật liệu được hấp nóng lên, xử lý bề mặt và kết dính chặt với nhau. Nhóm nghiên cứu gọi đây là kỹ thuật ép dính ngoài lò nướng.

Bằng kỹ thuật này, nhóm nghiên cứu sản xuất được vật liệu tổng hợp vững chắc như các composites thông thường cho ngành chế tạo máy bay, nhưng chỉ cần 1% năng lượng so với kỹ thuật trước đây.

Như đã biết, mỗi bề mặt đều có một độ nhám cụ thể, ngay cả trên các bề mặt rất mịn. Khi hai lớp vật liệu được đặt lại với nhau, giữa 2 lớp có một lượng không khí nhỏ, đây là nguồn gốc của những khoảng lỗ rỗng và điểm yếu trong composite, kết gắn các lớp vật liệu khác nhau.

Trong quá trình gia nhiệt, áp lực sẽ tác động đều lên bề mặt để loại bỏ các khoảng trống không khí, khiến cho bề mặt vật liệu tiếp xúc tuyệt đối với nhau. Vấn đề đặt ra là làm thế nào loại bỏ được quá trình này?

Màng sợi nano carbon tạo hiệu ứng mao dẫn

Các nhà nghiên cứu đưa ra ý tưởng sử dụng một màng mỏng các ống nano carbon giữa hai vật liệu để triệt tiêu những khoảng trống.

Jeonyoon Lee nhận thấy, khi các vật liệu được gia nhiệt và làm mềm, hiệu ứng mao dẫn các ống nano sẽ kéo các lớp vật liệu lại với nhau.

Khai thác tính chất này, các nhà nghiên cứu bọc các lớp vật liệu bằng màng nano carbon, sử dụng một dòng điện làm nóng vật liệu dưới áp lực cần thiết để tạo lên vật liệu tổng hợp cần thiết.

Nhóm nghiên cứu của MIT cho biết, kết quả là vật liệu tổng hợp thu được không có khoang rỗng và chất lượng sản phẩm tương đương với vật liệu tổng hợp hiệu suất cao được sản xuất trong nồi hấp gia nhiệt thông thường.

Wardle tuyên bố, kỹ thuật mới được thực hiện ngoài lò hấp gia nhiệt, có thể hoạt động với nhiệt độ xử lý gần 400°C, cần thiết để chế tạo các loại nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt rắn chỉ cần đến 180°C. 

Trong các thí nghiệm được thực hiện, nhóm nghiên cứu làm với các mẫu nhỏ. Nhưng những vật liệu chế tạo được đủ lớn để cho thấy rằng, các màng ống nano có thể làm nóng và tạo áp lực khiến các lớp vật liệu của composite gắn chặt lại với nhau mà không có khoang rỗng.

GS Wardle nói: “Chúng tôi đang trong quá trình mở rộng công nghệ. Để làm cho kỹ thuật này trở thành khả thi cho việc chế tạo cánh máy bay và những bộ phận, chi tiết và thành phần khác của hàng không và vũ trụ, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các đối tác để sản xuất lớp màng sợi nano carbon trên quy mô lớn, đáp ứng yêu cầu diện tích bề mặt của các phương tiện hiện tại và tương lai”.