Vật liệu đàn hồi là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm và định nghĩa vật liệu đàn hồi

Vật liệu đàn hồi là những vật liệu có khả năng chịu biến dạng dưới tác dụng lực và phục hồi hình dạng ban đầu khi lực tác động được gỡ bỏ. Hiện tượng đàn hồi không tạo ra biến dạng dư vĩnh viễn mà dựa trên các liên kết phân tử hoặc mạng lưới tinh thể có tính đàn hồi. Khả năng này thể hiện thông qua mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng trong phạm vi giới hạn đàn hồi.

Giới hạn đàn hồi của vật liệu được xác định bởi điểm mà ứng suất không còn tỉ lệ thuận với biến dạng. Vượt quá giới hạn này, vật liệu chuyển sang pha biến dạng dẻo và bắt đầu tích tụ hư hỏng. Việc xác định phạm vi đàn hồi là bước đầu tiên trong thiết kế và phân tích kết cấu kỹ thuật.

Công thức cơ bản mô tả tính đàn hồi tuyến tính của vật liệu là định luật Hooke:

$\sigma = E\,\varepsilon$

trong đó σ là ứng suất (Pa), ε là biến dạng (đơn vị vô hướng), và E là mô-đun đàn hồi (Pa). Định luật này áp dụng tốt cho các biến dạng nhỏ, thường ≤1% đối với kim loại và ≤10% đối với cao su.

Phân loại vật liệu đàn hồi

Phân loại vật liệu đàn hồi thường dựa vào thành phần hóa học và cơ chế đàn hồi:

• Polyme đàn hồi: cao su tự nhiên, silicone, polyurethane có cấu trúc chuỗi macromolecule linh hoạt, liên kết chéo bền vững.
• Kim loại đàn hồi (Shape Memory Alloys): hợp kim nitinol (NiTi), Cu–Al–Ni chịu được biến dạng lớn rồi hồi phục hình dạng ban đầu qua pha chuyển martensite–austenite.
• Vật liệu siêu đàn hồi: composite polyme–sợi hoặc vật liệu thông minh chứa nanoparticle, kết hợp tính đàn hồi và dẫn điện.

Mỗi nhóm vật liệu có ưu nhược điểm khác nhau về:

1. Khả năng chịu nhiệt và bền cơ học.
2. Khả năng tích hợp vào hệ thống linh kiện phức tạp.
3. Giá thành và khả năng tái chế.

Ví dụ, cao su tự nhiên có χị phí thấp và tính đàn hồi cao nhưng dễ chịu biến tính bởi ozone, trong khi nitinol cho độ chính xác hình dạng đáng kể và độ bền chu kỳ cao nhưng giá thành nguyên liệu cao hơn.

Cấu trúc vi mô và cơ chế đàn hồi

Ở cấp độ phân tử, vật liệu polyme đàn hồi gồm các chuỗi macromolecule liên kết chéo (crosslink) tạo mạng lưới ba chiều. Khi bị kéo giãn, các đoạn chuỗi duỗi thẳng và mô men xoắn nội tại được giải phóng, giúp vật liệu hồi phục khi lực được gỡ bỏ.

Hợp kim shape memory alloys tận dụng pha chuyển martensite–austenite: ở nhiệt độ thấp, pha martensite dễ biến dạng và tồn tại nhiều biến thể tinh thể, khi gia nhiệt hoặc tăng ứng suất, chuyển pha sang austenite với cấu trúc tinh thể bền, phục hồi hình dạng ban đầu.

Cơ chế đàn hồi tổng quát gồm hai thành phần chính:

• Biến dạng đàn hồi tuyến tính: các liên kết phân tử hoặc tinh thể biến dạng đàn hồi nhưng không đứt gãy.
• Năng lượng đàn hồi lưu trữ: nội năng trong cấu trúc vật liệu được giải phóng khi chuyển từ trạng thái biến dạng về trạng thái ban đầu.

Đặc tính cơ học chính

Một số thông số cơ bản dùng để mô tả tính đàn hồi:

• Mô-đun đàn hồi (Young’s modulus, E): thể hiện độ cứng của vật liệu.
• Giới hạn đàn hồi (σ_y, ε_y): ứng suất và biến dạng tối đa trước khi chuyển sang biến dạng dẻo.
• Độ bền kéo (UTS): ứng suất tối đa trước khi vật liệu đứt gãy.
• Độ giãn dài tại đứt gãy: tỉ lệ biến dạng lớn nhất trước khi gãy.

Vật liệu	Mô-đun E (GPa)	Giới hạn đàn hồi σy (MPa)	Biến dạng y (%)
Cao su tự nhiên	0.01–0.1	5–10	200–800
Nitinol (NiTi)	30–75	200–300	6–8
Thép đàn hồi	200	250–400	0.2–0.5

Nhờ các thông số này, kỹ sư có thể lựa chọn vật liệu phù hợp cho ứng dụng giảm chấn, gioăng, lốp xe hay thiết bị y sinh, đảm bảo hiệu suất và độ bền theo yêu cầu kỹ thuật.

Mô hình lý thuyết và phương trình ứng xử

Các mô hình lý thuyết mô phỏng ứng xử đàn hồi của vật liệu thường khởi nguồn từ định luật Hooke và được mở rộng để mô tả biến dạng lớn. Đối với biến dạng nhỏ, quan hệ tuyến tính giữa ứng suất σ và biến dạng ε được xác định bởi:

$\sigma = E\,\varepsilon$

Trong đó E là mô-đun đàn hồi, phù hợp với biến dạng ε ≤1 % đối với kim loại và ε ≤10 % đối với polyme đàn hồi.

Đối với biến dạng lớn, các mô hình phi tuyến như Mooney–Rivlin, Neo–Hooke và Ogden được áp dụng. Ví dụ, mô hình Mooney–Rivlin biểu diễn năng lượng biến dạng W dưới dạng hai hằng số C₁, C₂:

$W = C_{1}(I_{1} - 3) + C_{2}(I_{2} - 3)$

trong đó I₁, I₂ là invariants của tensor biến dạng. Mô hình Ogden mở rộng với biểu thức:

$W = \sum_{p=1}^{N}\frac{\mu_{p}}{\alpha_{p}}\bigl(\lambda_{1}^{\alpha_{p}} + \lambda_{2}^{\alpha_{p}} + \lambda_{3}^{\alpha_{p}} - 3\bigr)$

Quy trình kiểm tra và đo lường

Kiểm tra tính đàn hồi của vật liệu tuân theo tiêu chuẩn quốc tế:

• ASTM D412: Thử kéo cao su và elastomer, xác định mô-đun đàn hồi, giới hạn đàn hồi và độ giãn dài tại đứt gãy.
• ASTM E8/E8M: Thử kéo kim loại, đo ứng suất—biến dạng và đồ thị UTS (Ultimate Tensile Strength).
• Nanoindentation: Sử dụng đầu kim cương Berkovich để đo mô-đun đàn hồi cục bộ, phân tích độ cứng và năng lượng đàn hồi tại kích thước vi mô.

Quy trình thử kéo bao gồm gắn mẫu chuẩn vào máy kéo vạn năng, nạp tải trọng tăng dần với tốc độ không đổi (ví dụ 50 mm/phút). Dữ liệu lực và độ giãn được ghi lại liên tục để vẽ đồ thị ứng suất—biến dạng, xác định:

1. Giới hạn đàn hồi (σ_y): điểm đầu tiên xuất hiện độ lệch khỏi đường tuyến tính.
2. Ultimate Tensile Strength (UTS): ứng suất tối đa trước khi gãy.
3. Biến dạng tại gãy: tỉ lệ giãn dài cuối cùng so với chiều dài ban đầu.

Ứng dụng thực tiễn

Vật liệu đàn hồi được triển khai rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng chịu biến dạng lớn và hồi phục nhanh:

• Công nghiệp ô tô: lốp xe sử dụng cao su tổng hợp mang lại khả năng bám đường, giảm chấn và độ bền chu kỳ cao.
• Cơ khí chính xác: đệm cao su, gioăng phớt, bộ giảm chấn sử dụng polyurethane để cách ly rung động và giảm tiếng ồn.
• Công nghệ y sinh: miếng đệm mô phỏng (scaffold) bằng polyurethan cho tái tạo mô, ốc tai điện tử dùng silicone y tế.

Các ứng dụng mới bao gồm cảm biến mềm (soft sensors) và robot mềm (soft robotics) dùng elastomer dẫn điện hoặc composite carbon–polyme để phát hiện biến dạng và điều khiển chuyển động linh hoạt.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và tuổi thọ

Nhiệt độ tác động mạnh đến đặc tính đàn hồi. Cao su tự nhiên trở nên giòn khi <0 °C, trong khi nhiệt độ >100 °C làm giảm mô-đun và tăng lưu biến (creep). Hợp kim nhớ hình NiTi chuyển pha martensite–austenite quanh 20–60 °C, cho phép hồi phục hình dạng khi gia nhiệt.

Tuổi thọ của vật liệu đàn hồi phụ thuộc vào chu kỳ mỏi (fatigue) và các yếu tố môi trường như oxy hóa, bức xạ UV:

• Chu kỳ mỏi: thử nghiệm lặp tải dưới biên độ định trước, xác định số chu kỳ đến khi gãy, thường biểu thị bằng S–N curve.
• Lão hóa do oxy hóa: cao su dễ bị phân cắt mạch polyme khi tiếp xúc với O₂ và O₃, cần bổ sung chất chống oxy hóa (antioxidant).
• Ảnh hưởng UV: bức xạ tia cực tím phá vỡ liên kết hóa học, tạo vết nứt bề mặt, giảm độ bền.

Vật liệu đàn hồi mới và xu hướng tương lai

Nghiên cứu hiện nay tập trung vào phát triển các hệ polyme thân thiện môi trường và vật liệu đàn hồi thông minh:

1. Bio-elastomer: chiết xuất từ sinh vật như gelatin, alginate kết hợp liên kết chéo sinh học để giảm phụ thuộc dầu mỏ.
2. Elastomer dẫn điện: tích hợp nanoparticle vàng, bạc hoặc sợi carbon tạo màng mỏng cảm biến độ biến dạng và nhiệt độ.
3. Shape Memory Polymers: polyme có khả năng ghi nhớ hình dạng ban đầu, ứng dụng trong y sinh (stent, miếng dán cơ thể) và robot nhỏ gọn.

Tiềm năng ứng dụng trong in 3D, sản xuất linh kiện cơ khí tùy chỉnh và thiết bị y tế cá nhân hóa đang mở ra kỷ nguyên mới cho vật liệu đàn hồi thông minh.

Tài liệu tham khảo

• Gent AN. Engineering with Rubber: How to Design Rubber Components. Carl Hanser Verlag; 2012.
• Ogden RW. Non-Linear Elastic Deformations. Dover Publications; 1997.
• ASTM International. ASTM D412-16: Standard Test Methods for Vulcanized Rubber and Thermoplastic Elastomers—Tension. 2016.
• ASTM International. ASTM E8/E8M-21: Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. 2021.
• Bar-Cohen Y, ed. Biomimetics: Biologically Inspired Technologies. CRC Press; 2006.
• National Institute of Standards and Technology (NIST). Elasticity and Mechanical Behavior. Truy cập 2025.