Các nhà khoa học phát triển hợp kim đồng siêu bền, cứng hơn thép, chịu được nhiệt độ 1.500 độ F

Hợp kim siêu bền mới được cấu thành từ ba nguyên tố chính: đồng, tantalum và lithium. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế hợp kim ở quy mô nano, cho phép vật liệu này chịu được cả nhiệt độ và ứng suất khắc nghiệt. Đồng thời, vật liệu cũng giữ được khả năng dẫn điện ưu việt vốn là đặc trưng nổi bật của đồng, điều mà các siêu hợp kim gốc niken hiện nay vẫn còn hạn chế.

Giáo sư danh dự Martin Harmer thuộc Khoa Kỹ thuật, Đại học Lehigh (Bethlehem, Pennsylvania), đồng tác giả nghiên cứu, cho biết: “Đây là một bước tiến vượt bậc trong khoa học vật liệu – chúng tôi đã phát triển một loại vật liệu mới kết hợp độc đáo giữa độ dẫn điện tuyệt vời của đồng với độ bền và độ cứng ngang ngửa các siêu hợp kim gốc niken.”

Hiện nay, các siêu hợp kim gốc niken được sử dụng rộng rãi trong môi trường chịu ứng suất cao như động cơ tua-bin khí và thiết bị xử lý hóa chất nhờ khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt tốt. Tuy nhiên, điểm yếu lớn nhất của các hợp kim này là dẫn điện kém, hạn chế đáng kể tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi tính dẫn điện cao.

Mặt cắt ngang của hợp kim đồng mới, với các chấm màu cam tượng trưng cho các nguyên tử đồng, các nguyên tử tantalum màu vàng và các nguyên tử lithium màu xanh. Ảnh: Đại học Lehigh

Để khắc phục điểm yếu đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển một cấu trúc đặc biệt: các chất kết tủa đồng-lithium được kẹp giữa hai lớp tantalum – nguyên tố có tính chống ăn mòn cao. Sau đó, họ bổ sung một lượng nhỏ lithium để thay đổi cấu trúc chất kết tủa thành dạng khối lập phương ổn định, giúp tăng độ bền và khả năng chịu nhiệt của vật liệu.

Giáo sư Kiran Solanki từ Đại học Bang Arizona, đồng tác giả nghiên cứu, giải thích: “Cũng giống như việc chúng ta tìm dấu vân tay của đột biến tế bào để hiểu về ung thư, các vật liệu cũng có ‘dấu vân tay’ riêng khi chịu ảnh hưởng từ nhiệt độ hoặc bức xạ. Trong nghiên cứu này, chất kết tủa đồng-lithium với lớp kép tantalum chính là ‘dấu vân tay nhiệt độ cao’ cho phép chúng tôi kiểm soát và ngăn ngừa hỏng hóc.”

Kết quả thu được là một vật liệu có tổ hợp tính chất hết sức ấn tượng. Không chỉ dẫn điện tốt, hợp kim này còn có thể hoạt động ở nhiệt độ lên đến 1.472 độ F (800 độ C) và chịu được ứng suất tối đa 1.120 megapascal ở nhiệt độ phòng – cao gấp hơn một lần rưỡi áp suất tối đa mà thép có thể chịu đựng.

Với những đặc điểm vượt trội này, nhóm nghiên cứu tin rằng hợp kim mới có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong tương lai.

“Nó mở ra nền tảng cho ngành công nghiệp và quốc phòng phát triển các vật liệu mới dành cho động cơ tua-bin siêu thanh và hiệu suất cao,” giáo sư Harmer nhấn mạnh.