Chiến tranh và thương chiến khiến thế giới khát kim loại hiếm

Lớp phủ bên trong thân súng

Khi thuốc súng phát nổ, nhiên liệu tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ 2.500 ~ 3.500K (độ - = 273.15) và áp suất 300 ~ 800MPa. Ngọn lửa chứa các thành phần ăn mòn như H2S, CO, O2, H2, H2O, N2 và các hạt phun thuốc súng. Do đó, nòng súng sẽ gánh chịu các tác động vật lý và hóa học của khí súng nhiệt độ cao và ứng dụng năng lượng cao. Trong điều kiện làm việc này, nòng súng sẽ bị mài mòn nghiêm trọng, dẫn đến việc thay đổi hình dạng và kích thước, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác khi bắn súng và tuổi thọ của nòng súng.

Do đó, nghiên cứu về quá trình ăn mòn và bảo vệ nòng súng đã nhận được sự quan tâm rộng rãi của các nước từ lâu. Những cân nhắc chính về vật liệu chế tạo nòng súng là các đặc tính nhiệt, bao gồm khả năng chịu nhiệt, giãn nở nhiệt, độ dẫn nhiệt và khả năng chống sốc nhiệt; các đặc tính cơ học, bao gồm mô đun đàn hồi, độ bền cơ học và độ cứng; độ ổn định hóa học, tức là độ ổn định hóa học của vật liệu trong môi trường nhiệt độ cao và có tính ăn mòn.

Nguyên liệu Tantalum thường được dùng chế tạo nòng súng. Ảnh: strongtantalum.

Tantalum có các đặc tính vật lý và hóa học tốt. Đây là kim loại chịu lửa có điểm nóng chảy cao (2996), có độ dẫn nhiệt thấp (57W/m), khả năng chống ăn mòn hóa học tốt (chống ăn mòn axit, muối và hóa chất hữu cơ ở nhiệt độ cao) và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, cũng như độ dẻo và độ bền tốt. Lớp phủ tantalum hoặc hợp kim tantalum được coi là hệ thống lớp phủ lý tưởng để thay thế lớp phủ Cr mạ điện để chống ăn mòn và mài mòn. Nếu lớp tantalum được sử dụng trong nòng súng để loại bỏ khí chống cháy trong thời gian dài, lớp Ta được phun phải chủ yếu bao gồm alpha-ta có độ dày ít nhất 75 micron. Lớp phủ phải có đủ lực liên kết với chất nền theo mọi hướng để chống lại sốc nhiệt và ứng suất cắt cao trong quá trình bắn súng.

Công nghệ phun tantalum magnetron hình trụ được Phòng thí nghiệm Benet của quân đội Hoa Kỳ đề xuất cho các đặc điểm kích thước của nòng súng; Ngoài ra, sản xuất thử nghiệm nền tảng công nghệ phun magnetron hình trụ cho ống súng cỡ lớn toàn chiều dài 120mm, 155mm và 105mm đã được chế tạo tại Waterfleet Arsenal, được sử dụng để phủ tantalum toàn nòng phun magnetron cho xe tăng Abrams, Crusader và các hệ thống chiến đấu trong tương lai.

Trong thí nghiệm Bennett của quân đội Hoa Kỳ, Vigilante và lớp chống ăn mòn tantalum tinh khiết được chuẩn bị trong nòng súng có rãnh xoắn 25mm và nòng súng có rãnh xoắn trơn 120mm bằng công nghệ phun thuốc nổ. Chuyên gia thấy rằng liên kết giữa lớp tantalum và kim loại cơ bản là tốt, nhưng dải cắt đoạn nhiệt sẽ xuất hiện trong thép cơ bản của ống thân và một pha hợp chất liên kim loại giòn Ta-Fe sẽ được hình thành.

Đạn xuyên giáp

Vào những năm 1980, một loại đầu đạn mới, đầu đạn xuyên giáp được hình thành mang theo thuốc nổ, đã được phát triển thành công, chủ yếu sử dụng tantalum trên ống lót bướm bên cạnh thuốc nổ mạnh. Khi thuốc nổ được kích nổ, đĩa bướm biến thành một mảnh dài, ổn định của đầu đạn xuyên giáp, tăng tốc về phía mục tiêu.

Với sự phát triển của vật liệu giáp, đầu đạn chống giáp hiện đại có yêu cầu ngày càng cao hơn về vật liệu của loại mũ trùm đầu đạn tạo thành thuốc nổ. Việc hình thành một luồng phản lực dài hơn và ổn định hơn đòi hỏi mật độ, vận tốc âm thanh cao, độ dẫn nhiệt tốt và độ giãn dài gãy động cao. Ngoài ra, vật liệu phải có hạt mịn, nhiệt độ kết tinh lại thấp, kết cấu nhất định và các cấu trúc vi mô khác. Tantalum và urani nghèo có mật độ phân tử cao, độ giãn dài động cao và gây cháy. Đặc biệt, tantalum có mật độ phân tử cao (16,6g/cm3) và đặc tính động tốt, là loại vật liệu chủ yếu được sử dụng trong nghiên cứu các loại đạn tạo hình nổ. Là vật liệu của đạn tạo hình nổ, tantalum được sử dụng rộng rãi trong các tên lửa TOW-2B, TOW-NG và các tên lửa khác của Hoa Kỳ. Các thí nghiệm đạn đạo cho thấy độ chịu áp lực của tantalum cao hơn đồng từ 30%~35% và có thể đạt tới 150mm.

Hiện nay, nghiên cứu sử dụng tantalum làm vật liệu phủ chủ yếu tập trung vào việc cải tiến công nghệ xử lý và tiết kiệm chi phí. Trong số đó, Trung tâm nghiên cứu và phát triển trang thiết bị của Quân đội Hoa Kỳ (ARDEC) sử dụng phương pháp P/M để phát triển vỏ hộp đạn tantalum tạo hình nổ; Hai loại bột tantalum, PM2 và PM4, được nén bằng áp suất tĩnh, thiêu kết, và công nghệ đùn và chế biến thành vật liệu trống, sau đó ủ và rèn bằng phương pháp rèn quay, hộp đạn tantalum được chế tạo theo cách này có thể được áp dụng thành công cho một đầu đạn nổ định hình tốt; Đạn đầu nhạy cảm Smart-155mm của Đức là một trong những đầu đạn nhạy cảm tiên tiến nhất trên thế giới hiện nay. Tên lửa được chế tạo bằng cấu trúc thành mỏng và thiết bị nhạy cảm của nó có khả năng chống nhiễu cao, có thể hoạt động bình thường trong sương mù hoặc môi trường xấu; đạn thông minh BONUS-155mm, do Công ty Bofors của Thụy Điển và nhóm vũ khí mặt đất của nước này cùng phát triển, đã được sản xuất hàng loạt và phù hợp với pháo cỡ nòng 45.

Vật liệu có độ tinh khiết cao là cần thiết cho lớp phủ điện hóa của quá trình tạo hình thuốc nổ. Các nguyên tố vi lượng có ảnh hưởng lớn đến các tính chất vật lý của vật liệu phủ và cuối cùng ảnh hưởng đến độ sâu xuyên thấu của đầu đạn. Độ tinh khiết của tantalum có ảnh hưởng đến độ bền, cấu trúc tinh thể và chiều dài của đầu đạn tạo hình thuốc nổ (EFP). Do đó, độ tinh khiết của tantalum phải được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình chế tạo.

Vật liệu hút chân không cực cao

Vật liệu hút chân không cực cao (hợp kim tantalum) được sử dụng trong thiết bị nhìn ban đêm trong vũ khí phòng thủ thông thường. Sử dụng 15% tantalum làm khung và titan làm chất hấp thụ hydro, oxy, nitơ, carbon monoxide, carbon dioxide, hơi nước, mêtan, neon và các loại khí khác có thể cải thiện tuổi thọ của vật liệu. Vật liệu này có thể được áp dụng cho ống camera hồng ngoại trong thiết bị nhìn ban đêm hồng ngoại chủ động và ống ánh sáng yếu trong thiết bị nhìn đêm thụ động, để đảm bảo độ chân không cao trong thời gian dài trong ống chân không, để đạt được hiệu suất cao, tuổi thọ cao và cải thiện độ nét của thiết bị nhìn đêm.

Trung Quốc giảm xuất khẩu, đe dọa quốc phòng Mỹ

Các vật liệu quan trọng như titan, tantalum và vonfram là những khối xây dựng chính trong nhiều hệ thống vũ khí quân sự của Hoa Kỳ và các nước. Các vật liệu cho phép khả năng chiến đấu hiệu suất cao, độc đáo. Ví như titan là một kim loại bền, nhẹ giúp ngăn ngừa ăn mòn trên vũ khí được sử dụng trong nhiều điều kiện khí hậu khác nhau.

Tantalum có các đặc tính vật lý và hóa học tốt. Ảnh: strongtantalum.

Mặc dù những vật liệu này rất quan trọng đối với ngành quốc phòng, nhưng trong nhiều trường hợp, nguồn cung cấp của chúng (các mỏ) lại do các quốc gia mà quân đội Hoa Kỳ đang cạnh tranh kiểm soát. Điều này gây nguy hiểm cho an ninh quốc gia của Mỹ. Nghiên cứu mới với nỗ lực của Bộ Quốc phòng Mỹ nhằm giảm thiểu rủi ro có thể ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận chuỗi cung ứng đối với các vật liệu này.

Chuyên gia đang xem xét một báo cáo mới khác đánh giá cách Bộ Quốc phòng Mỹ duy trì kho dự trữ các vật liệu quan trọng này. Điểm chung giữa điện thoại thông minh, ô tô, tấm pin mặt trời và các chương trình quốc phòng là gì? Tất cả đều phụ thuộc vào các vật liệu quan trọng không được tìm thấy hoặc sản xuất với số lượng đủ lớn tại Hoa Kỳ. Chuỗi cung ứng cho các vật liệu quan trọng này trải rộng trên toàn cầu.

Nhưng Trung Quốc thống trị hoạt động khai thác và chế biến các vật liệu này. Ví như Trung Quốc khai thác gần 70% nguồn cung cấp nguyên tố đất hiếm toàn cầu. Đất hiếm là vật liệu quan trọng có đặc tính từ tính và chịu nhiệt độc đáo, hữu ích cho các hệ thống vũ khí của Bộ Quốc phòng Mỹ. Một nguyên tố đất hiếm có tên là neodymium được sử dụng để tạo ra nam châm cực kỳ mạnh, giữ được cường độ từ tính ở nhiệt độ cao và hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như trong chiến đấu.

Các quốc gia hàng đầu tham gia khai thác đất hiếm

Tại Hoa Kỳ, năng lực khai thác đất hiếm đã suy yếu trong 40 năm qua. Sự suy giảm này là do sự xuất hiện của các nhà cung cấp chi phí thấp hơn ở các quốc gia khác, chẳng hạn như Trung Quốc, và tác động đáng kể mà hoạt động khai thác gây ra cho môi trường. Theo các quan chức của Bộ Quốc phòng, Hoa Kỳ có các quy định về môi trường nghiêm ngặt hơn Trung Quốc. Điều này cho phép Trung Quốc khai thác và chế biến đất hiếm và một số vật liệu quan trọng khác với chi phí thấp hơn.

Sự phụ thuộc vào Trung Quốc chỉ là một thách thức. Trong giai đoạn từ năm 2020 đến năm 2023, Hoa Kỳ đã nhập khẩu hơn 95% tổng lượng đất hiếm mà nước này tiêu thụ. Phần lớn là từ Trung Quốc. Thương chiến giữa hai cường quốc càng gây khó khăn cho Mỹ. Nếu Trung Quốc quyết định không bán cho Hoa Kỳ, nước Mỹ sẽ mất quyền tiếp cận nguồn cung này và cần tìm kiếm các giải pháp thay thế. Thật không may, Hoa Kỳ không có sản phẩm thay thế tương đương cho những vật liệu này để có hiệu suất tương đương. Theo Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, sản phẩm thay thế không phải lúc nào cũng có hiệu suất tốt và có thể tốn kém hơn để sản xuất.

Xe tăng Abrams có sử dụng công nghệ phun tantalum magnetron. Ảnh: Breaking Defense.

Mối quan ngại về nguồn cung toàn cầu

Trung tâm nghiên cứu quốc tế về tantalum-niobium (T.I.C.) đã nêu lên mối quan ngại nghiêm trọng về tương lai của nguồn cung tantalum từ Cộng hòa Dân chủ Congo (DRC). Là hiệp hội công nghiệp toàn cầu về tantalum-niobium, cảnh báo của T.I.C. nêu bật những rủi ro ngày càng tăng đối với chuỗi cung ứng, tác động trực tiếp đến các công ty như Capacitor Metals Corp., một thành viên của T.I.C.DRC đã là nguồn cung cấp tantalum chủ yếu trên toàn thế giới trong nhiều năm. Tuy nhiên, tình trạng bất ổn chính trị của khu vực, đặc biệt là do nhóm vũ trang M23 kiểm soát các địa điểm khai thác và tuyến đường thương mại, đang đe dọa nguồn cung cấp tantalum toàn cầu. Theo Chủ tịch T.I.C., bà Silvana Fehling.

Tình hình ở DRC đang gây lo ngại và đáng lo ngại cả về mặt an toàn và sinh kế của những người dân địa phương bị ảnh hưởng cũng như về mặt thương mại. Các cuộc xâm nhập liên tục của M23, khiến họ kiểm soát các mỏ và tuyến đường thương mại, kết hợp với cách tiếp cận thiếu kỷ luật của chính quyền DRC, không báo hiệu điều tốt lành cho kỳ vọng về một giải pháp hợp lý trong thời gian tới. Do đó, việc tìm nguồn cung ứng có trách nhiệm từ khu vực này sẽ chỉ trở nên khó khăn và phức tạp hơn trong tương lai. T.I.C. đang tích cực giải quyết những lo ngại này.

Để chống lại việc tìm nguồn cung ứng phi đạo đức và cải thiện tính minh bạch, tổ chức đã hợp tác với các đơn vị để xây dựng Hướng dẫn thẩm định nâng cao (EHDD) nhằm cụ thể vào chuỗi cung ứng tantalum. Các hướng dẫn này sẽ giúp các kiểm toán viên và công ty xác định nguồn gốc của khoáng sản có nguồn gốc từ các khu vực có rủi ro cao và cải thiện các hoạt động thẩm định của họ.

Long Nguyễn