Không chỉ thép và titan, Mỹ cần gốm để chế tạo vũ khí mới

một giờ trướcBài gốc

Khác với gốm thông thường trong đời sống, gốm kỹ thuật được thiết kế để chịu nhiệt cao, chống mài mòn, nhẹ hơn kim loại trong nhiều ứng dụng và hoạt động được trong môi trường khắc nghiệt. Đây là lý do loại vật liệu này ngày càng được quan tâm trong hàng không, vũ trụ và quốc phòng.

Theo Interesting Engineering, công ty quốc phòng AeroVironment đã nhận hợp đồng trị giá 20 triệu USD từ Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân Mỹ (AFRL), thuộc bộ phận vật liệu và sản xuất. Mục tiêu là phát triển gốm tiên tiến và vật liệu composite nền gốm cho các ứng dụng khắc nghiệt của Không quân và Lực lượng Không gian Mỹ.

Hợp đồng này thuộc chương trình CAMP. Trong 39 tháng, các chuyên gia của AeroVironment sẽ phối hợp với các nhà khoa học và kỹ sư tại căn cứ Wright-Patterson ở bang Ohio để nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm vật liệu mới.

Không chỉ AI, drone hay tên lửa siêu vượt âm, quân đội Mỹ đang đầu tư vào một lĩnh vực ít gây chú ý hơn nhưng có thể quyết định năng lực vũ khí tương lai. Ảnh: Interesting Engineering

Vì sao gốm có thể trở thành vật liệu chiến lược?

Trong chiến tranh hiện đại, vật liệu không chỉ là lớp vỏ của vũ khí mà còn quyết định hiệu suất hoạt động. Một hệ thống có thể bay xa hơn, chịu nhiệt tốt hơn, nhẹ hơn và bền hơn hay không phụ thuộc rất lớn vào vật liệu cấu thành.

Các phương tiện hàng không và vũ trụ phải làm việc trong môi trường khắc nghiệt. Máy bay tốc độ cao chịu nhiệt do ma sát với không khí, động cơ turbine vận hành ở nhiệt độ lớn, hệ thống đẩy tên lửa phải chịu áp suất và sức nóng dữ dội, trong khi vệ tinh và cảm biến cần cấu trúc nhẹ, ổn định ngoài không gian.

Kim loại truyền thống vẫn quan trọng, nhưng không phải lúc nào cũng đáp ứng tốt các yêu cầu mới. Một số loại kim loại nặng, dễ xuống cấp khi hoạt động lâu ở nhiệt độ cao hoặc cần bảo dưỡng phức tạp.

Đây là lý do gốm kỹ thuật và composite nền gốm được quan tâm. Chúng có khả năng chịu nhiệt, chống mài mòn và giữ ổn định trong điều kiện khắc nghiệt. Nếu được ứng dụng hiệu quả, loại vật liệu này có thể giúp vũ khí và phương tiện quân sự nhẹ hơn, bền hơn, đáng tin cậy hơn và giảm chi phí vận hành lâu dài.

CAMP sẽ phát triển những gì?

Theo AeroVironment, chương trình CAMP tập trung vào gốm thế hệ mới và vật liệu composite nền gốm. Nhóm nghiên cứu sẽ ứng dụng các kỹ thuật sản xuất tiên tiến, trong đó có sản xuất bồi đắp, in 3D và tích hợp cảm biến.

AeroVironment tham gia chương trình Vật liệu và Quy trình Gốm Tiên tiến (CAMP) của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân Mỹ (AFRL). Ảnh: AeroVironment

Mục tiêu của CAMP không chỉ là tạo ra vật liệu tốt hơn trong phòng thí nghiệm. Chương trình hướng tới các cấu trúc nhẹ, chịu nhiệt cao và có thể dùng trong môi trường cực đoan. Những ứng dụng được nhắc đến gồm phương tiện bay tốc độ cao, động cơ turbine, hệ thống đẩy tên lửa, giáp trong suốt, gạch bảo vệ nhiệt và phần mở rộng vòi phun.

Điểm đáng chú ý là CAMP bao phủ cả quá trình phát triển vật liệu, từ thiết kế, chế tạo, đánh giá cấu trúc, mô phỏng hiệu suất đến dự đoán độ bền khi sử dụng. Đây là yếu tố rất quan trọng trong lĩnh vực quân sự. Một vật liệu mới không thể chỉ mạnh trên lý thuyết, mà phải chứng minh được khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện thật, bao gồm chịu nhiệt, chịu rung, chịu áp lực, chịu va đập và duy trì hiệu suất trong thời gian dài.

In 3D mở đường cho linh kiện gốm phức tạp

Một điểm quan trọng trong chương trình CAMP là việc sử dụng sản xuất bồi đắp và in 3D. Trước đây, gốm thường khó gia công thành hình dạng phức tạp vì vật liệu này cứng nhưng giòn. Việc chế tạo các chi tiết có khe rãnh nhỏ, hình học đặc biệt hoặc cấu trúc bên trong phức tạp thường tốn nhiều thời gian và chi phí.

In 3D có thể thay đổi cách sản xuất vật liệu gốm. Thay vì chỉ tạo ra các hình dạng đơn giản, kỹ thuật này cho phép thiết kế những chi tiết phức tạp hơn và tối ưu theo từng nhiệm vụ cụ thể. Ví dụ, một bộ phận trong động cơ hoặc hệ thống đẩy có thể cần vừa nhẹ, vừa chịu nhiệt, vừa có đường dẫn khí hoặc cấu trúc làm mát bên trong. Những yêu cầu như vậy rất khó thực hiện bằng phương pháp truyền thống, nhưng phù hợp hơn với sản xuất bồi đắp.

Với quân đội Mỹ, lợi ích không chỉ nằm ở việc có vật liệu tốt hơn. Nếu các bộ phận chịu nhiệt cao có thể được thiết kế, in thử, kiểm tra và cải tiến nhanh hơn, quá trình phát triển vũ khí hoặc phương tiện mới cũng có thể được rút ngắn. AeroVironment cho biết chương trình sẽ giúp tăng tốc phát triển năng lực mới, cải thiện khả năng sẵn sàng thực hiện nhiệm vụ và giảm chi phí vòng đời.

Khi vật liệu có thể tự “báo sức khỏe”

Một hướng phát triển khác của CAMP là tích hợp cảm biến vào vật liệu. Cách làm này có thể giúp các bộ phận tự theo dõi tình trạng hoạt động trong quá trình vận hành. Trong hàng không và vũ trụ, phát hiện sớm hư hỏng là yêu cầu sống còn. Một vết nứt nhỏ, một vùng quá nhiệt hoặc một thay đổi bất thường trong cấu trúc vật liệu có thể dẫn đến rủi ro lớn nếu không được phát hiện kịp thời.

Nếu cảm biến được tích hợp trực tiếp vào vật liệu hoặc cấu trúc, hệ thống có thể theo dõi tình trạng theo thời gian thực. Kỹ sư sẽ biết bộ phận nào đang chịu tải quá mức, khu vực nào nóng bất thường hoặc khi nào cần bảo trì trước khi sự cố xảy ra.

Trong môi trường quân sự, lợi ích này càng rõ ràng. Máy bay, vệ tinh, tên lửa hoặc phương tiện tốc độ cao không phải lúc nào cũng có điều kiện kiểm tra thường xuyên. Một cấu trúc có khả năng giám sát tình trạng của chính nó sẽ giúp tăng độ tin cậy, giảm rủi ro và hỗ trợ duy trì năng lực tác chiến.

Từ giáp trong suốt đến động cơ tên lửa

Gốm tiên tiến có phạm vi ứng dụng rất rộng. Theo AeroVironment, các vật liệu trong chương trình CAMP có thể phục vụ nhiều lĩnh vực, từ hàng không, không gian, năng lượng đến quốc phòng.

Trong phòng thủ, gốm có thể được dùng cho giáp trong suốt hoặc lớp bảo vệ phương tiện. Giáp trong suốt là loại vật liệu đặc biệt vì vừa phải cho phép quan sát, vừa phải chịu va đập và bảo vệ trước mảnh văng hoặc đạn. Đây là yêu cầu khó hơn nhiều so với kính thông thường.

Trong lĩnh vực không gian, gốm và composite nền gốm có thể được dùng cho hệ thống đẩy vệ tinh hoặc các bộ phận phải chịu nhiệt, áp lực và môi trường khắc nghiệt. Với tên lửa và động cơ, vật liệu chịu nhiệt có thể giúp các bộ phận như vòi phun hoặc lớp bảo vệ nhiệt hoạt động bền hơn.

Trong hàng không, động cơ turbine cũng là khu vực cần vật liệu tiên tiến. Nhiệt độ vận hành càng cao, động cơ càng có cơ hội đạt hiệu suất tốt hơn. Tuy nhiên, điều đó cũng đặt ra yêu cầu khắt khe hơn với vật liệu. Gốm thế hệ mới có thể giúp mở rộng giới hạn này, dù việc đưa vào ứng dụng thực tế vẫn cần nhiều thử nghiệm và chứng nhận.

20 triệu USD và cuộc đua vật liệu ít được chú ý

So với các chương trình vũ khí lớn của Mỹ, hợp đồng 20 triệu USD không phải khoản đầu tư quá lớn. Tuy nhiên, giá trị của nó nằm ở nền tảng công nghệ. Trước khi có máy bay nhanh hơn, vệ tinh bền hơn hay động cơ hiệu quả hơn, quân đội cần những vật liệu đủ sức chịu nhiệt, chịu áp lực và hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt.

CAMP vì thế là một phần trong cuộc đua vật liệu của quốc phòng Mỹ. Bên cạnh AI, drone, vũ khí siêu vượt âm và vệ tinh quân sự, vật liệu mới cũng có thể quyết định sức mạnh chiến đấu trong tương lai.

Khi chiến trường ngày càng phụ thuộc vào phương tiện tốc độ cao, cảm biến tinh vi, hệ thống không gian và động cơ hiệu suất lớn, những vật liệu nhẹ hơn, bền hơn và chịu nhiệt tốt hơn có thể trở thành lợi thế chiến lược. Gốm kỹ thuật thế hệ mới vì vậy không chỉ là sản phẩm trong phòng thí nghiệm, mà có thể trở thành nền móng cho nhiều vũ khí và phương tiện quân sự thế hệ tiếp theo.

Hoàng Vũ

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/khong-chi-thep-va-titan-my-can-gom-de-che-tao-vu-khi-moi-252557.html