Nga phát triển vật liệu gốm chịu nhiệt 2.000 độ C cho động cơ máy bay thế hệ mới

Các nhà khoa học Nga vừa công bố việc phát triển thành công một loại vật liệu gốm tiên tiến có khả năng chịu được mức nhiệt độ cực hạn lên tới 2.000 độ C. Thành tựu này được kỳ vọng sẽ tạo ra bước đột phá trong việc chế tạo các lớp phủ chắn nhiệt cho động cơ máy bay và turbine khí hiện đại.

Các nhà khoa học Nga đã phát triển một loại vật liệu gốm có thể chịu được nhiệt độ cực cao lên đến 2.000 độ C. Vật liệu này được gọi là Ba2YNbO6, có thể được sử dụng phủ trên cùng trong các lớp phủ chắn nhiệt cho động cơ máy bay và turbine khí.

Đặc tính kỹ thuật của vật liệu gốm Ba2YNbO6

Vật liệu mới mang tên Ba2YNbO6 được thiết kế đặc biệt để ứng dụng làm lớp bảo vệ cho các linh kiện phải hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao. Theo kết quả nghiên cứu đăng tải trên tạp chí Ceramics International, loại vật liệu này đã thu hút sự quan tâm lớn từ giới chuyên môn nhờ khả năng duy trì tính ổn định vượt trội.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Ceramics International và đã thu hút sự quan tâm sâu sắc từ cả giới chuyên môn cũng như những người ngoài ngành.

Trong ngành hàng không, các động cơ hiện đại đòi hỏi vật liệu phải hoạt động ổn định ở mức nhiệt trên 1.200 độ C. Các lớp phủ zirconium dioxide truyền thống hiện nay thường bị biến đổi đặc tính khi quá nhiệt, dẫn đến việc làm giảm tuổi thọ và độ an toàn của động cơ máy bay.

Máy bay và động cơ hiện đại đòi hỏi vật liệu có khả năng hoạt động ở nhiệt độ trên 1.200 độ C. Lớp phủ zirconium dioxide hiện nay bị mất đi các đặc tính khi quá nhiệt, dẫn đến làm giảm tuổi thọ động cơ.

Ứng dụng siêu máy tính và trí tuệ nhân tạo trong nghiên cứu

Quá trình phát triển Ba2YNbO6 là sự phối hợp giữa Skoltech và Viện Hóa học Vô cơ A.V. Nikolaev thuộc Chi nhánh Siberia của Viện Hàn lâm Khoa học Nga. Nhóm nghiên cứu đã áp dụng phương pháp tiếp cận toàn diện, kết hợp giữa mô phỏng trên siêu máy tính và các thí nghiệm thực tế để tối ưu hóa vật liệu.

Các nhà khoa học từ Skoltech và Viện Hóa học Vô cơ A.V. Nikolaev thuộc Chi nhánh Siberia của Viện Hàn lâm Khoa học Nga đã áp dụng một phương pháp toàn diện khi kết hợp mô hình hóa bằng siêu máy tính và các thí nghiệm thực tế.

Bằng cách sử dụng máy học và động lực học phân tử, các chuyên gia đã tính toán chính xác độ dẫn nhiệt cũng như hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu. Sau các bước tính toán, đội ngũ kỹ thuật đã tiến hành tổng hợp bột và sản xuất các mẫu gốm có mật độ cao để phục vụ thử nghiệm.

Sử dụng máy học và động lực học phân tử, các nhà nghiên cứu đã tính toán độ dẫn nhiệt và hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu. Sau đó, các chuyên gia đã tổng hợp bột và sản xuất mẫu gốm có mật độ cao.

Kết quả thử nghiệm và tiềm năng thực tế

Trong các cuộc thí nghiệm cường độ cao, mẫu gốm này không bị nóng chảy ngay cả khi nung nóng đến 2.000 độ C. Kết quả này chứng minh tính ổn định nhiệt ở mức rất cao, vượt xa khả năng của nhiều loại vật liệu gốm chịu nhiệt đang được sử dụng rộng rãi hiện nay.

Trong những cuộc thí nghiệm, gốm không bị nóng chảy ngay cả khi được nung nóng đến 2.000 độ C, chứng tỏ tính ổn định nhiệt của vật liệu mới ở mức rất cao.

Đáng chú ý, độ dẫn nhiệt của Ba2YNbO6 ở nhiệt độ hoạt động 1.000 độ C chỉ đạt xấp xỉ 1,9 W/(mK), thấp hơn đáng kể so với các tiêu chuẩn hiện hành. Đặc tính này giúp bảo vệ các linh kiện kim loại bên trong động cơ hiệu quả hơn trước sức nóng từ buồng đốt.

Độ dẫn nhiệt của vật liệu ở nhiệt độ hoạt động 1.000 độ C chỉ xấp xỉ 1,9 W/(mK), thấp hơn tiêu chuẩn hiện hành.

Ngoài ra, hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu mới được ghi nhận là gần tương đương với độ giãn nở của kim loại chế tạo cánh turbine. Sự tương đồng này đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa nứt vỡ hoặc bong tróc lớp phủ trong suốt chu kỳ gia nhiệt và làm nguội của động cơ.

Hệ số giãn nở nhiệt gần bằng độ giãn nở của kim loại cánh turbine, giúp ngăn ngừa nứt vỡ trong chu kỳ gia nhiệt và làm nguội. Các tính chất cơ học bao gồm độ cứng và độ cứng nano đều tương đương với các vật liệu hiện có.

Theo đại diện của Skoltech, sự thành công của vật liệu Ba2YNbO6 sẽ mở ra triển vọng phát triển các dòng động cơ phản lực thế hệ tiếp theo. Những hệ thống này sẽ đạt hiệu suất cao hơn, tiết kiệm nhiên liệu và có tuổi thọ vận hành bền bỉ hơn trong các điều kiện khắc nghiệt nhất.

Nhờ sự phát triển này, các thế hệ động cơ tiếp theo có thể đạt hiệu suất cao, tiêu thụ nhiên liệu ít và tuổi thọ dài hơn.

Tuệ Nhân