Kim loại siêu nhẹ nhưng toa tàu bọc thép 136 tấn cũng không xuyên thủng nổi, khiến ngành quốc phòng chấn động

Các nhà khoa học tại Đại học Bắc Carolina (Mỹ) vừa công bố một nghiên cứu có thể mở ra bước ngoặt trong lĩnh vực vật liệu. Họ đã thành công chứng minh rằng Composite Metal Foam (CMF) – một loại vật liệu kim loại xốp siêu nhẹ nhưng gần như “bất khả xâm phạm” - có thể chịu được lực va đập đủ mạnh để xuyên thủng cả toa tàu chở hóa chất nặng hơn 100 tấn.

Khác với thép hay hợp kim đặc thông thường, CMF được cấu tạo từ khung kim loại chứa hàng nghìn vi cầu rỗng bằng thép không gỉ hoặc niken, được bao bọc trong một lớp “ma trận” kim loại nền. Cấu trúc tổ ong đặc biệt này giúp vật liệu vừa nhẹ, vừa có khả năng chịu nén và chống nhiệt vượt trội.

Theo nhóm nghiên cứu, ngay cả trong điều kiện nhiệt độ cao – vốn khiến hầu hết kim loại mất độ bền – CMF vẫn giữ được đặc tính cơ học ổn định, biến nó thành vật liệu lý tưởng cho các môi trường khắc nghiệt như động cơ, lò phản ứng hạt nhân hay lớp giáp bảo vệ thiết bị quân sự.

Tiến sĩ Afsaneh Rabiei, giáo sư cơ khí và hàng không vũ trụ, (cũng là người đứng đầu nhóm nghiên cứu) tuyên bố CMF đã vượt qua hầu hết các bài kiểm tra an toàn do Bộ Giao thông Vận tải Mỹ (DOT) đưa ra đối với vật liệu chế tạo toa tàu chở hóa chất, dầu mỏ và khí tự nhiên hóa lỏng (LNG). Tuy nhiên, nhóm muốn tiến xa hơn – kiểm tra khả năng chống xuyên thủng trong điều kiện mô phỏng thực tế.

Trong thí nghiệm, một toa tàu nặng 136 tấn được tăng tốc tới 8,3 km/h, phần đầu gắn mũi thép vuông cạnh 15cm. Lực va chạm tương đương 368 kilojoule được tập trung vào một điểm nhỏ trên bề mặt thép. Kết quả cho thấy tấm thép thông thường bị xuyên thủng hoàn toàn, tạo ra một lỗ hổng lớn.

Còn khi nhóm nghiên cứu thêm một lớp CMF dày 30,5mm giữa mũi đâm và tấm thép, kết quả đảo ngược hoàn toàn. Toa tàu bật ngược trở lại, còn tấm thép chỉ móp nhẹ. Lớp kim loại xốp hấp thụ gần như toàn bộ năng lượng va chạm, phân tán lực tác động và bảo vệ phần kết cấu phía sau.

“CMF cho thấy khả năng hấp thụ năng lượng va đập vượt xa thép rắn”, giáo sư Rabiei nhấn mạnh.

Không chỉ dừng ở thử nghiệm, nhóm còn phát triển mô hình mô phỏng số để xác định chính xác độ dày cần thiết của lớp CMF trong từng kịch bản va chạm. Các tính toán cho thấy chỉ cần lớp vật liệu mỏng hơn cũng vẫn đủ tạo lớp bảo vệ hiệu quả, giúp tiết kiệm chi phí và khối lượng.

Nhờ sự kết hợp giữa độ nhẹ, khả năng chịu lực và cách nhiệt, CMF được kỳ vọng sẽ tạo ra cuộc cách mạng trong nhiều lĩnh vực - từ vận tải đường sắt, hàng không, đến quốc phòng. Ứng dụng tiềm năng trải dài từ cánh máy bay, giáp xe bọc thép, kho chứa nhiên liệu hạt nhân cho đến thiết bị bảo hộ trong môi trường cực đoan.

Theo Interesting Engineering