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

Kim loại xốp là vật liệu kim loại có cấu trúc ô rỗng liên thông hoặc kín, cho tỉ trọng thấp, độ bền cơ học và khả năng hấp thụ năng lượng va đập cao. Chúng được chia thành open-cell và closed-cell tùy cấu trúc ô rỗng, quyết định tính dẫn nhiệt, cách âm và ứng dụng trong bảo ôn, lọc.

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 ϕ=VvoidVtotal\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: ρρs=1ϕ\frac{\rho^*}{\rho_s} = 1 - \phi.

Thông sốKý hiệuĐơn vị
Độ xốpφ– (không có đơn vị)
Mật độ tương đốiρ*/ρs
Kích thước ô rỗngdmm
Độ dẫn nhiệtkW/m·K
Mô đun đàn hồiE*GPa

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.

Phương phápƯu điểmNhược điểm
Replication castingKiểm soát ô rỗng chính xác, độ đồng nhất caoChi phí khuôn cao, quy trình phức tạp
Powder compactionPhù hợp sản xuất hàng loạt, thiết bị đơn giảnĐòi hỏi kiểm soát nung khắt khe, dễ sai lệch cấu trúc
Gas injectionĐiều chỉnh độ xốp linh hoạt, tốc độ nhanhThiết bị chịu nhiệt và áp suất cao, chi phí đầu tư lớn

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

trong đó Esρs 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

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề kim loại xốp:

Những tiến bộ gần đây trong vật liệu khung hữu cơ kim loại dựa trên polyoxometalate xốp Dịch bởi AI
Chemical Society Reviews - Tập 43 Số 13 - Trang 4615-4632

Các vật liệu MOF dựa trên POM, kết hợp những ưu điểm của cả POM và MOF, đã nhận được sự chú ý ngày càng tăng. Trong bài đánh giá này, chúng tôi trình bày các phát triển gần đây trong các vật liệu MOF xốp dựa trên POM lần đầu tiên, bao gồm phân loại, chiến lược tổng hợp và ứng dụng của chúng, đặc biệt trong lĩnh vực xúc tác.

Kim Loại Xốp và Bọt Kim Loại: Tình Trạng Hiện Tại và Những Phát Triển Gần Đây Dịch bởi AI
Advanced Engineering Materials - Tập 10 Số 9 - Trang 775-787 - 2008
Tóm tắtCác kim loại xốp và bọt kim loại hiện đang là chủ đề của những nghiên cứu và phát triển rất sôi nổi. Hiện có khoảng 150 tổ chức đang làm việc với bọt kim loại trên toàn thế giới, trong đó hầu hết tập trung vào việc sản xuất và đặc trưng hóa chúng. Nhiều công ty đang phát triển và sản xuất các vật liệu này, ngày nay đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng công...... hiện toàn bộ
Vật liệu kim loại, tính chất và phương pháp thiết kế của các khung sinh học xốp cho chế tạo bổ sung: Một bài tổng quan Dịch bởi AI
Frontiers in Bioengineering and Biotechnology - Tập 9
Thiết kế một implant tương tự như xương người là một trong những vấn đề quan trọng trong kỹ thuật mô xương. Các khung xốp kim loại có triển vọng tốt trong việc thay thế mô xương nhờ vào việc chúng có độ bền đàn hồi phù hợp, sức mạnh tốt hơn và khả năng tương thích sinh học. Tuy nhiên, các phương pháp chế biến truyền thống gặp khó khăn trong việc chế tạo các khung có cấu trúc xốp, giới hạn ...... hiện toàn bộ
Nghiên cứu khả năng tách kim loại nặng trong dung dịch nước bằng vật liệu Aluminosilicat xốp
Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ - Tập 26 Số 3 - 2010
Abstract
Độ kim loại của các sao G giống Mặt Trời có hành tinh ngoại Dịch bởi AI
Journal of Astrophysics and Astronomy - Tập 38 - Trang 1-17 - 2017
Bằng cách xem xét các đặc điểm vật lý và quỹ đạo của các sao loại G và các hành tinh ngoại của chúng, chúng tôi khảo sát mối liên hệ giữa khối lượng sao và độ kim loại của nó tuân theo một định luật lũy thừa. Mối quan hệ tương tự cũng được tìm thấy ở các hệ sao đơn và đa hành tinh, gợi ý rằng khối lượng hiện tại của Mặt Trời cao hơn khoảng 1% so với giá trị ước tính cho độ kim loại của nó. Hơn nữa...... hiện toàn bộ
#sao G #độ kim loại #hành tinh ngoại #hệ sao đơn #hệ sao đa hành tinh #khối lượng hành tinh
Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích SiCp đến cấu trúc vi mô và tính chất kéo của các hợp chất SiCp/2024 Al được chuẩn bị bằng phương pháp tạo hình thixophun bột Dịch bởi AI
Journal of Materials Research - Tập 31 - Trang 2850-2862 - 2016
Một công nghệ mới để chuẩn bị và tạo hình các hợp chất ma trận kim loại gia cường bằng hạt gốm, thixoforming bột, đã được đề xuất. Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích SiCp đến cấu trúc vi mô và tính chất kéo của các hợp chất SiCp/2024 Al đã được nghiên cứu. Các kết quả cho thấy rằng tỷ lệ thể tích ảnh hưởng đến tỷ lệ thể lỏng hiệu quả, kích thước và hình dạng của các hạt sơ cấp, cũng như độ đặc chắc của ...... hiện toàn bộ
#SiCp; tỷ lệ thể tích; hợp chất ma trận kim loại; thixoforming; tính chất kéo
Tính đồng nhất của cấu trúc xốp của các vật liệu bột kim loại thấm Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 25 - Trang 395-398 - 1986
Khi tỷ lệ giữa đường kính khuôn và đường kính trung bình của hạt bột không nhỏ hơn 22 và tỷ lệ giữa độ dày sản phẩm và đường kính khuôn không lớn hơn 1∶1, thì tính đồng nhất của cấu trúc xốp của vật liệu không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng tường hay bởi sự không đồng nhất của phân bố ứng suất trong suốt độ dày trong quá trình ép khuôn. Khi độ dày của lớp vật liệu tăng lên, cấu trúc xốp của nó trở nên ...... hiện toàn bộ
#cấu trúc xốp #vật liệu bột kim loại #tỷ lệ đường kính #hiệu ứng tường #phân bố ứng suất
Hình thái và hành vi cơ học do điện thế gây ra của cấu trúc nano xốp kim loại Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - - 2019
Việc hiểu biết về các hành vi cơ học chịu ảnh hưởng của điện thế và các tiếp xúc mài mòn là rất quan trọng để xác thực độ bền và độ tin cậy của các ứng dụng dựa trên các cấu trúc nano xốp kim loại trong các kích thích điện. Trong nghiên cứu này, các cấu trúc nano xốp kim loại dựa trên niken đã được khảo sát để xác định các tính chất cơ học và các khu vực tiếp xúc phụ thuộc vào hình thái trong quá ...... hiện toàn bộ
#cấu trúc nano xốp kim loại #hành vi cơ học #điện thế #tiếp xúc mài mòn #diện tích tiếp xúc
Oxit vanadi với cấu trúc xếp lớp từ khung hữu cơ kim loại dành cho ứng dụng pin ion natri Dịch bởi AI
Nano Research - Tập 11 - Trang 449-463 - 2017
Oxit vanadi với cấu trúc xếp lớp là các ứng viên tiềm năng cho cả pin lithium-ion và pin natri-ion (SIBs). Phương pháp tự tạo mẫu, bao gồm việc chuyển đổi từ các khung hữu cơ kim loại (MOFs) thành các oxit kim loại xốp, là một cách tiếp cận mới và hiệu quả để đạt được hiệu suất điện hóa mong muốn. Trong nghiên cứu này, các oxit vanadi dạng xốp giống như shuttle (tức là, V2O5, V2O3/C) đã được chuẩn...... hiện toàn bộ
#Oxit vanadi #pin natri-ion #khung hữu cơ kim loại #vật liệu xốp #hiệu suất điện hóa.
Ảnh hưởng của Tham số Quy trình đến Cấu trúc Vi mô, Ứng suất Dư, Độ cứng Vi mô và Độ xốp của AA-6063 Đúc Bằng Microwave Dịch bởi AI
International Journal of Metalcasting - Tập 16 - Trang 826-841 - 2021
Khác với phương pháp đúc truyền thống, phương pháp đúc sử dụng sóng vi ba tại chỗ là một kỹ thuật tiên tiến và hứa hẹn cho việc đúc kim loại khối, trong đó kim loại khối được gia nhiệt và chảy trong bức xạ vi ba ở tần số 2.45 GHz. Trong nghiên cứu này, AA-6063 được sử dụng làm nguyên liệu nạp ở ba mức công suất vi ba là 600 W, 750 W và 900 W. Quy trình này sử dụng ba loại vật liệu tiếp xúc—than đá...... hiện toàn bộ
#quy trình đúc #sóng vi ba #AA-6063 #cấu trúc vi mô #độ cứng vi mô #pha liên kim loại #đông đặc nhanh.
Tổng số: 15   
  • 1
  • 2