Việc theo đuổi tốc độ của nhân loại chưa bao giờ ngừng nghỉ. Từ những chiếc xe ngựa cổ xưa đến máy bay hiện đại, chúng tôi liên tục vượt qua các ranh giới vật lý để giảm khoảng cách và nâng cao hiệu quả. Chuyến bay siêu thanh, đại diện cho đỉnh cao của tốc độ, vẫn là mục tiêu đáng mơ ước trong kỹ thuật hàng không vũ trụ.
Hãy tưởng tượng bạn đi từ London đến Sydney không phải trong hơn 20 giờ mà chỉ trong 50 phút. Đây không phải là khoa học viễn tưởng mà là một tương lai hữu hình có thể thực hiện được nhờ những tiến bộ trong công nghệ siêu thanh. Tuy nhiên, việc đạt được tầm nhìn này đặt ra những thách thức đáng kể. Nhiệt độ cực cao do ma sát không khí tạo ra trong chuyến bay siêu thanh đòi hỏi những vật liệu có khả năng chịu nhiệt chưa từng có, tạo ra một nút thắt nghiêm trọng trong quá trình phát triển.
Giải pháp nằm ở những vật liệu mang tính cách mạng: cacbua tantalum (TaC) và cacbua hafnium (HfC). Những loại gốm chịu lửa này đang xác định lại ranh giới khoa học vật liệu với hiệu suất nhiệt độ cao đặc biệt của chúng, tạo nền tảng cho các phương tiện siêu thanh thế hệ tiếp theo.
Gốm chịu lửa là một loại vật liệu được thiết kế để chịu được nhiệt độ khắc nghiệt. Đặc trưng bởi điểm nóng chảy đặc biệt cao, độ ổn định hóa học và khả năng chống sốc nhiệt, những vật liệu này đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp nhiệt độ cao, hàng không vũ trụ và ứng dụng hạt nhân.
Những loại gốm sứ nhiệt độ cực cao (UHTC) này đại diện cho tính tiên tiến của vật liệu chịu lửa, tự hào với điểm nóng chảy kỷ lục và các đặc tính cơ học đặc biệt.
| Tài sản | TaC | HfC |
|---|---|---|
| điểm nóng chảy | 3768°C | 3958°C |
| Tỉ trọng | 14,5 g/cm³ | 12,7 g/cm³ |
| Độ dẫn nhiệt | 23 W/m·K | 21 W/m·K |
| Chống oxy hóa | Tốt | Xuất sắc |
Trong nhiều thập kỷ, việc đo chính xác điểm nóng chảy của những vật liệu này là không thể do những hạn chế về công nghệ. Các phương pháp truyền thống không thể đạt được nhiệt độ cần thiết nếu không đưa ra các hiện tượng đo lường.
Các nhà nghiên cứu của Đại học Hoàng gia Luân Đôn đã đi tiên phong trong kỹ thuật làm nóng dựa trên tia laser mà cuối cùng đã cho phép đo lường chính xác. Nghiên cứu năm 2020 của họ được công bố trên Báo cáo khoa học tiết lộ:
Bước đột phá này đã khẳng định HfC là vật liệu có điểm nóng chảy cao nhất từng được ghi nhận, mở ra những khả năng mới cho các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt.
Chuyến bay siêu thanh (vượt quá Mach 5) đặt ra ba thách thức chính:
TaC và HfC giải quyết thách thức quản lý nhiệt quan trọng nhất. Là ứng cử viên hàng đầu cho hệ thống bảo vệ nhiệt (TPS), những vật liệu này cho phép:
Các ứng dụng tiềm năng còn vượt xa các phương tiện siêu thanh:
Khi kỹ thuật tổng hợp vật liệu tiến bộ, những loại gốm sứ siêu chịu lửa này hứa hẹn sẽ tạo ra những công nghệ mà trước đây được coi là không thể thực hiện được. Nghiên cứu đang tiến hành tập trung vào:
Sự kết hợp giữa khoa học vật liệu và kỹ thuật hàng không vũ trụ thông qua TaC và HfC thể hiện sự thay đổi mô hình về khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt của chúng ta, đưa giấc mơ du hành siêu thanh thông thường đến gần hơn với thực tế.
