Nghiên cứu phát triển vật liệu tự phục hồi

Khi vết nứt lan truyền trong vật liệu thì ứng suất sẽ làm cho vi hạt ở gần đó vỡ ra và giải phóng tác nhân phục hồi để tiếp xúc với chất xúc tác, tạo ra phản ứng hoá học cho phép pô-ly-me hoá những chỗ bị nứt. Quá trình này vô cùng quan trọng đối với các ứng dụng trong vi điện tử cũng như hàng không vũ trụ, cả dân dụng cũng như quân sự. Hàng năm, có tới 20 triệu tấn vật liệu composit được sử dụng trong công nghiệp quân sự, công nghiệp điện tử, từ cánh máy bay đến các chỗ nối của bảng mạch, biển chỉ đường...
Vật liệu composit pô-ly-me được sử dụng trong các sản phẩm hằng ngày thường gồm hai thành phần: các sợi gia cường như sợi các-bon hoặc sợi thuỷ tinh và phần nhựa dẻo như ê-pô-xy, pô-ly-e-xte không bão hoà, vy-nin e-xte hoặc u-rê-tan. Sau khi đặt các sợi gia cường vào khuôn và phun nhựa dẻo vào để tạo vật liệu composit, ta có thể đưa các phần tử tự phục hồi vào vật liệu. Khi nghiên cứu chế tạo các vi hạt cần lưu ý là chúng cần phải đủ bền để có thể qua được tất cả các bước công nghệ sản xuất tiếp theo, như trộn lẫn với các chất khác, rót vào khuôn, ủ nhiệt... Mặt khác, các vi hạt này lại phải dễ vỡ ra khi vết nứt lan đến gần. Kết quả thực nghiệm cho thấy, vật liệu sau khi được tạo ra có thể phục hồi được 75% sức bền ban đầu.
Ứng dụng của công nghệ tự phục hồi rất rộng rãi, từ các sản phẩm composit và nhựa thông thường đến bất kỳ sản phẩm nào có sử dụng các vật liệu pô-ly-me, từ thiết bị vi điện tử đến máy bay, tàu vũ trụ. Trong chế tạo máy bay, vật liệu composit ngày càng được sử dụng nhiều hơn nhờ các đặc tính rất nhẹ nhưng lại rất cứng của chúng. Có thể đưa các vi hạt trên vào vật liệu làm cánh máy bay nhằm làm tăng tuổi thọ của chúng lên rất nhiều. Cơ quan hàng không và vũ trụ Mỹ (NASA) đang xem xét việc áp dụng công nghệ này trong việc duy trì hoạt động của các hệ thống máy tính và điện tử trên tàu vũ trụ. NASA cũng đang phát triển một hệ thống kiểu mới có thể mở rộng khả năng tự phục hồi cho các đường cáp điện để bảo vệ các hệ thống điện tử quan trọng trên tàu vũ trụ.
Phản ứng hoá học giữa các vi hạt với chất xúc tác diễn ra khác nhau ở những nhiệt độ khác nhau, do đó có thể chữa các vết nứt trong hệ thống này nhưng lại không thể làm được trong hệ thống khác. Chính vì vậy, cần phải tiến hành các công trình nghiên cứu trong các điều kiện khác nhau. Kết quả nghiên cứu cho thấy, các chất xúc tác và các tác nhân tự phục hồi trong vi hạt bị suy biến ở nhiệt độ cao và phản ứng hoá học giữa chúng sẽ giảm ở các nhiệt độ cực thấp. Một điểm cần lưu ý khi sử dụng các vi hạt cho các vật liệu tự phục hồi là sau khi các vi hạt vỡ ra để chữa các vết nứt lần đầu thì khi xuất hiện các vết nứt tiếp theo sẽ không còn vi hạt để chữa nữa. Giải pháp cho vấn đề này là thay cho việc sử dụng các vi hạt, người ta sẽ sử dụng các vi kênh có chứa các tác nhân tự phục hồi. Các vi kênh này có thể là 2 hoặc 3 chiều chạy khắp vật liệu. Tuy hệ thống này phức tạp hơn hệ thống với các vi hạt, nhưng quá trình phục hồi vật liệu có thể được thực hiện bất kỳ khi nào và bất kỳ chỗ nào cần vì nguồn các tác nhân phục hồi có trong cả một hệ thống vi kênh trải khắp vật liệu.
Trong tương lai, người ta sẽ mở rộng việc áp dụng các hệ thống trên sang các loại vật liệu như composit sợi gia cường. Nếu hiện nay các hệ thống đang sử dụng các vi hạt với kích thước cỡ micron (1 phần triệu mét) thì trong tương lai sẽ là các kích thước cỡ nano (1 phần tỷ mét). Người ta cũng hy vọng một ngày nào đó, công nghệ vật liệu tự phục hồi sẽ phát triển vượt ra ngoài tầm của các phương pháp hiện thời, sử dụng cả hệ thống sinh học, trong đó có thể có một hệ thống tuần hoàn liên tục làm lưu thông các tác nhân cần thiết để phục hồi những chỗ bị hỏng.

Nguồn: quandoinhandan.org.vn