Kim loại xốp là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về kim loại xốp

Kim loại xốp là vật liệu kim loại có cấu trúc đa rỗng, trong đó các ô rỗng chiếm phần lớn thể tích tổng thể, mang lại tỉ trọng thấp và khả năng hấp thụ năng lượng va đập cao. Phần khung kim loại liên kết giữa các ô rỗng tạo nên độ cứng và độ bền cơ học nhất định, đồng thời giảm khối lượng so với kim loại đặc truyền thống.

Các ô rỗng trong kim loại xốp có thể liên thông hoặc đóng kín, ảnh hưởng trực tiếp đến tính dẫn nhiệt, dẫn âm và tính năng hấp thụ rung động. Khả năng điều chỉnh độ xốp, kích thước lỗ và hình dạng ô rỗng cho phép tối ưu hóa hiệu năng cho từng ứng dụng cụ thể như hấp thụ va đập, cách nhiệt, lọc chất lỏng và cấu kiện nhẹ.

Ứng dụng chính của kim loại xốp bao gồm:

• Hấp thụ năng lượng va đập trong cấu trúc bảo vệ ô tô và hàng không
• Cách nhiệt, tản nhiệt trong các thiết bị công nghiệp và xây dựng
• Vật liệu lọc và phân tách trong công nghệ xử lý chất lỏng

Khái niệm và thông số cơ bản

Độ xốp (porosity) φ định nghĩa tỷ lệ thể tích rỗng so với thể tích tổng thể của mẫu, được tính theo công thức $\phi = \frac{V_\text{void}}{V_\text{total}}$ trong đó Vvoid là tổng thể tích rỗng và Vtotal là thể tích toàn phần của vật liệu.

Mật độ tương đối (relative density) xác định bằng tỉ số giữa mật độ mẫu ρ* và mật độ vật liệu đặc ρs, liên quan chặt chẽ đến tính năng cơ học và nhiệt. Mối quan hệ đơn giản: $\frac{\rho^*}{\rho_s} = 1 - \phi$.

Kích thước ô rỗng d và hình dạng lỗ rỗng (hình tròn, đa giác, bất định hình) ảnh hưởng rõ đến mô đun đàn hồi và độ bền uốn. Đặc tính truyền nhiệt và âm học phụ thuộc vào cấu trúc liên thông của các ô rỗng và thành phần kim loại nền.

Phân loại kim loại xốp

Căn cứ vào kết nối giữa các ô rỗng, kim loại xốp chia thành hai loại cơ bản: open-cell (ô mở) và closed-cell (ô đóng). Kim loại xốp ô mở có các lỗ rỗng liên thông, cho phép lưu thông chất lỏng và khí, mang lại khả năng lọc và hấp thụ tốt hơn. Kim loại xốp ô đóng có các ô rỗng khép kín, giữ khí bên trong, giúp cải thiện tính năng cách nhiệt và giảm hấp thụ nước.

Bên cạnh đó, kim loại xốp sandwich core là vật liệu tổ hợp, kết hợp kim loại xốp làm lõi và hai lớp kim loại đặc hai mặt. Cấu trúc sandwich giảm trọng lượng trong khi tăng mô đun uốn và độ cứng tấm.

• Open-cell foam: Ô mở liên thông, ứng dụng trong lọc và trao đổi nhiệt.
• Closed-cell foam: Ô kín, ứng dụng trong chịu nhiệt, cách âm.
• Sandwich core foam: Tấm lõi xốp kẹp giữa hai lớp vỏ đặc, ứng dụng kết cấu nhẹ.

Phương pháp chế tạo chính

Đúc bọt (replication casting) sử dụng khuôn xốp polymer làm khuôn mẫu, sau đó mạ kim loại lên bề mặt và loại bỏ polymer bằng phương pháp nhiệt phân hay hoá học. Phương pháp này tạo ra kim loại xốp có cấu trúc tương đồng với khuôn mẫu ban đầu, kiểm soát tốt kích thước ô rỗng và độ đồng nhất. Tham khảo chi tiết: cambridge.org.

Nén bột kết hợp chất tạo bọt (powder compaction & foaming agent) là quy trình trộn bột kim loại với chất tạo bọt hóa học hoặc kim loại dễ bay hơi, ép phun thành hình, sau đó nung để tạo rỗng. Phương pháp này phù hợp với sản xuất hàng loạt nhưng yêu cầu kiểm soát nhiệt độ và thời gian nung chặt chẽ để tránh kết tủa không đều.

Phun bọt bằng khí (gas injection foaming) trực tiếp đưa khí (thường là khí CO₂ hoặc N₂) vào kim loại nóng chảy dưới áp suất cao. Khi giảm áp suất, khí giải phóng thành bọt, tạo ô rỗng trong khối kim loại. Phương pháp này cho phép điều chỉnh độ xốp nhanh chóng nhưng đòi hỏi thiết bị chứa kim loại nóng và kiểm soát áp suất chính xác.

Cấu trúc vi mô và đặc tính cơ học

Cấu trúc vi mô của kim loại xốp bao gồm các khung tế bào mỏng định hình từ kim loại nền, gắn kết các ô rỗng theo hình lưới. Độ dày thành tế bào, kích thước và độ giãn không đều của ô rỗng ảnh hưởng trực tiếp đến mô-đun đàn hồi (E*) và độ bền chịu nén (σ*). Cấu trúc ô đóng thường cho mô-đun cao hơn so với ô mở khi cùng mật độ tương đối.

Theo Gibson–Ashby, mối quan hệ giữa mô-đun đàn hồi của kim loại xốp và kim loại rắn được mô tả bằng công thức:

$E^* = E_s\,C\left(\frac{\rho^*}{\rho_s}\right)^2$

trong đó Es và ρs lần lượt là mô-đun và mật độ của kim loại nền, ρ* mật độ tương đối của xốp, và C hằng số liên quan đến hình thái tế bào (tham khảo: Cambridge Materials Science, cambridge.org).

Thử nén trục thẳng và uốn ba điểm là hai phương pháp phổ biến để xác định đường cong ứng suất-biến dạng và độ hấp thụ năng lượng (energy absorption) của kim loại xốp. Đường cong ứng suất-biến dạng đặc trưng giai đoạn đàn hồi, giai đoạn nén cục bộ của thành tế bào và giai đoạn đóng vỡ cấp tính, thể hiện khả năng giảm xung động va đập hiệu quả.

Đặc tính truyền nhiệt và âm học

Hệ số dẫn nhiệt của kim loại xốp giảm đáng kể so với kim loại rắn do hiệu ứng bẫy khí và giảm diện tích dẫn nhiệt. Bề mặt lỗ rỗng lớn giúp truyền nhiệt bức xạ hiệu quả, nhưng gián đoạn dẫn truyền nhiệt dẫn đến giảm hệ số k. Đặc tính này giúp kim loại xốp được ứng dụng làm vật liệu cách nhiệt hiệu quả trong thiết bị điện tử công nghiệp (National Physical Laboratory, npl.co.uk).

Về âm học, kim loại xốp open-cell cho khả năng giảm âm tốt nhờ cơ chế hấp thụ năng lượng cơ học của sóng âm khi đi qua mạng lưới ô rỗng. Các thông số quan trọng bao gồm hệ số hấp thụ âm α và tần số cộng hưởng, được xác định bằng thử nghiệm buồng hấp thụ âm Kubelka–Munk hoặc Walker Tube.

Ứng dụng giảm ồn trong ngành ô tô và xây dựng sử dụng các tấm kim loại xốp ghép cùng lớp bọt polymer để tối ưu hóa phổ hấp thụ âm dải tần trung-cao, tạo môi trường làm việc và sinh sống êm dịu hơn.

Ứng dụng thực tiễn

Trong công nghiệp ô tô, kim loại xốp được dùng làm lớp hấp thụ năng lượng va đập ở cản trước và khung gầm, giảm thiểu lực va chạm truyền vào khoang hành khách. Thử nghiệm theo tiêu chuẩn FMVSS đánh giá khả năng hấp thụ lực va đập của tấm xốp đạt tới 50–60 kJ/kg, giúp cải thiện an toàn.

Trong hàng không, lõi sandwich kim loại xốp kết hợp với lớp vỏ composite và hợp kim nhôm cho tấm cấu kiện thân nhẹ nhưng có mô-đun uốn cao, tiết kiệm nhiên liệu. Airbus và Boeing đã nghiên cứu ứng dụng lõi nhôm xốp trong cánh phụ trợ và vách ngăn khoang, giảm trọng lượng tối đa 20 % so với cấu kiện đặc.

• Lõi tản nhiệt cho tụ điện công suất cao trong trạm biến áp
• Lõi lọc bụi và tách dầu trong hệ thống bôi trơn công nghiệp
• Chế tạo thiết bị gia tốc hạt và buồng hấp thụ chấn động

Một số thử nghiệm tại TWI (The Welding Institute, twi-global.com) cho thấy kim loại xốp đồng có thể dùng làm màng lọc vi lỗ cho ngành dược và thực phẩm, nhờ tính kháng ăn mòn và ổn định kích thước ô rỗng.

Kỹ thuật đặc trưng và đánh giá

Chụp ảnh vi cấu trúc bằng X-ray micro-CT cho phép phân tích 3D mạng ô rỗng, đo lường phân bố kích thước lỗ, kết nối tế bào và độ dày thành tế bào với độ phân giải micromet. Dữ liệu này làm đầu vào cho mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) nhằm dự đoán ứng xử cơ học và truyền nhiệt.

Thử nghiệm cơ học bao gồm:

1. Thử nén trục thẳng để xác định ứng suất giới hạn và biến dạng lực cản.
2. Thử uốn ba điểm đánh giá mô-đun uốn và độ bền uốn.
3. Thử va đập tốc độ cao mô phỏng va chạm thực tế (drop-weight test).

Tích hợp dữ liệu thử nghiệm với mô hình FEA (COMSOL, ANSYS) giúp tối ưu thiết kế cấu trúc ô rỗng cho từng ứng dụng cụ thể, đồng thời giảm thiểu chu kỳ thử nghiệm thực tế và chi phí phát triển.

Thách thức và hướng nghiên cứu

Kiểm soát đồng nhất cấu trúc ô rỗng trên quy mô công nghiệp vẫn là thách thức khi phương pháp đúc bọt và phun khí gặp biến động về áp suất và nhiệt độ. Sai lệch nhỏ dẫn đến biến đổi mật độ tương đối từ 10–15 %, ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính cơ học.

Biến đổi khí hậu và nhu cầu năng lượng sạch thúc đẩy nghiên cứu tích hợp chức năng mới vào kim loại xốp, như hiệu ứng magnetocaloric để làm lạnh không dùng gas, hoặc phủ piezoelectric để thu hồi năng lượng rung từ môi trường. Công trình gần đây tại MIT đánh giá tiềm năng lõi nhôm xốp phủ lớp mangan ferrite cho ứng dụng làm pin lạnh rắn (solid-state cooling).

Những hướng nghiên cứu tiếp theo gồm phát triển quy trình additive manufacturing (3D printing) kim loại xốp với khả năng thiết kế cấu trúc ô rỗng theo thuật toán topology optimization, nhằm tối ưu hóa hiệu năng và giảm khối lượng đồng thời.

Tài liệu tham khảo

• Gibson, L. J., & Ashby, M. F. (1997). Cellular Solids: Structure and Properties. Cambridge University Press.
• Banhart, J. (2001). Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams. Progress in Materials Science, 46(6), 559–632. doi:10.1016/S0079-6425(00)00002-7
• National Physical Laboratory. Thermal properties of aluminium foams. Truy cập tại: https://www.npl.co.uk
• The Welding Institute (TWI). Applications of metal foams in energy absorption. Truy cập tại: https://www.twi-global.com
• Joint European Torus – Research on additive manufacturing of metal foams. Truy cập tại: euro-fusion.org