Công nghệ nano cho xe của tương lai

Để hưởng ứng cuộc kêu gọi cắt giảm khí CO2, công nghệ vật liệu nhẹ đã trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Chất dẻo nhiệt được làm nhẹ bằng cách thêm những phần tử nano đã cho phép giảm trọng lượng của vật liệu và rất phù hợp khi chế tạo các tấm cản và vỏ xe. Các chuyên gia vật liệu học của DaimlerChrysler gần đây đang làm việc rất miệt mài để đưa loại vật liệu công nghệ cao này vào sản xuất đại trà trong xe hơi.

Chiều cao của quả lắc được điều chỉnh chính xác. Điều đó đảm bảo lực được duy trì trong một loạt các va chạm.

Đó có lẽ là quãng thời gian lạnh lẽo khi Erich Lehner và các đồng nghiệp của ông tại phòng Sản xuất và Công nghệ Vật liệu tại nhà máy ở Sindelfingen, Đức trong thử nghiệm va chạm với con lắc. Thực vậy, nhiệt kế trong phòng thử nghiệm – mà các kỹ sư dùng để nghiên cứu tính chất của vật liệu của cản sốc và những phần khác – cho nhiệt độ -25^oC trước khi được gá lắp. Sau đó một con lắc nặng được đâm vào chi tiết thử nghiệm. Mục đích là để nghiên cứu phản ứng của vật liệu tại các tốc độ va chạm khác nhau.

Tấm cản này là một chi tiết đặc biệt, được làm từ vậy liệu polyme nhiệt thay cho thép thông thường. Điều đó làm nó nhẹ hơn. “Sử dụng những vật liệu nhẹ sẽ mang đến cơ hội lớn để loại trừ trọng lượng gây xoắn cho xe giúp đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng về an toàn, tiện nghi và khả năng vận hành,” Lehner cho biết. Vật liệu nhẹ còn được các kỹ sư của DaimlerChrysler sử dụng với mục đích giảm lượng phát thải CO2 và tiêu hao nhiên liệu.

Vật liệu lý tưởng cho vỏ xe

Chất dẻo nóng – nói cách khác, là chất dẻo có thể nấu chảy được – cho thấy rất nhiều ưu điểm so với kim loại. Đầu tiên, chúng nhẹ hơn, dó đó có thể giảm được tiêu hao nhiên liệu. Thứ hai, chúng có đặc tính thiết kế rất hoàn hảo và có thể xử lý theo bất kỳ hình dạng nào bằng cách phun theo khuôn. Vì thế vật liệu dẻo nóng là rất lý tưởng cho việc chế tạo vỏ xe. Sự thật là hiện nay chất dẻo nhiệt cũng đã được sử dụng trong các xe sản xuất hàng loạt trên các tấm cản và các gioăng cao su ở cửa. Chúng chưa một phần polypropylene và có tỷ trọng, cho tỷ số độ cứng trên trọng lượng cao.

Tuy nhiên, loại vật liệu này thường gặp phải khó khăn khi sơn bằng phương pháp tĩnh điện. Phương pháp này hoạt động cơ nhiệt độ 200^oC, mà tại nhiệt độ này, chất dẻo nhiệt đã bị phá hủy. Để khắc phục nhược điểm này, các chất dẻo thường cho thêm sợi thủy tinh hay graphite. Tuy nhiên sợi thủy tinh lại làm khối lượng của chất dẻo nhiệt tăng lên.

Là một phần của chương trình “Leading Innovation: NonoMobile,” được tài trợ bởi Bộ giáo dục đào tạo và nghiên cứu Đức, các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp mới để chống phá hủy do nhiệt của chất dẻo nhiệt. Mục tiêu khác là mở rộng tầm chịu nhiệt của chất dẻo nhiệt và tăng tính chất điện và hóa.

“Sự khác biệt ở đây là chúng tôi sử dụng những chất phụ gia cỡ nano như ‘nanoclays’ hay ‘nanotubes,’” Leher tiết lộ. Nanoclays là những lớp silicat mỏng – là đất sét khoáng, chỉ có dộ dày cỡ nano mét. Và nanotubes là những ống các bon nano (CNT) hay sợi các bon nano (CNF) có phân tử lớn được tạo từ nhiều nguyên tử các bon sắp xếp theo hình lục giác nhỏ nhưng dài.

Quả nặng được đâm thẳng vào tấm cản nhiều lần liên tiếp giúp các kỹ sư của DaimlerChrysler nghiên cứu đặc tính của chất dẻo nano.

Giảm trọng lượng lớn hơn với nhờ các phần tử nano

Ngày nay, các nghiên cứu và phát triển đã chỉ ra rằng nanoclays được thêm vào chất dẻo nhiệt sẽ làm nâng cao độ cứng và độ bền, trong khi tỷ trọng và độ dẻo vẫn được duy trì. Ngay cả khi chỉ thêm vào một vài phần trăm của tổng trọng lượng, nó cũng có thể tạo nên một đặc tính cơ khí mà chỉ đạt được khi thêm đến 30% trọng lượng của chất phụ gia thông thường.

Điều đó có nghĩa là chất dẻo nhiệt chứa các phần tử nano nhẹ hơn không chỉ kim loại mà còn cả chất dẻo truyền thống. Các phần tử nanoclays còn có tác dụng nâng cao chất lượng bề mặt và đặc tính gia công của chất dẻo nhiệt. Kết quả là độ dày của các chi tiết có thể giảm đáng kể để giảm trọng lượng, thêm nữa và có thể dễ dàng chế tạo bằng cách phun khuôn cho giá thành rẻ hơn.

Nếu CNF và CNT được thay cho nanoclays, thì một vài tính chất của vật liệu có thể tốt hơn nữa. Những phần tử các bon nhỏ có độ bền và dẻo đặc biệt sẽ là rất lý tưởng trong việc gia cường lực cho chất dẻo. Nó có thể được sử dụng để tăng tính dẫn điện – một tính chất rất cần thiết khi sơn âm cực (CDP).

Một kỹ sư của Mercedes đang nghiên cứu mức độ chịu nhiệt của các tấm cản làm bằng chất dẻo nano. Tại đây, nhiệt độ  được đưa xuống dưới 30 độ C.

Hiện tại, chất dẻo nhiệt tương thích với CDP được mong đợi sẽ đáp ứng được rất nhiều các yêu cầu khắt khe. Ngoài các đặc tính cơ khí tốt, dẫn điện tốt, và chịu nhiệt cao, chúng còn có tính mở rộng nhiệt tuyến tính thấp. Theo một quỹ nghiên cứu thì chất dẻo nhiệt nano rất phù hợp với các chi tiết khác nhau, và các kỹ sư của Mercedes đang thử nghiệm cấu trúc của một chiếc xe dựa trên S-Class bao gồm các tấm cản được làm từ chất dẻo nhiệt nano. Lehner cho biết: “Một trong những lợi thế chính của chất dẻo nhiệt nano so với chất dẻo truyền thống là chúng chỉ cần một lượng nhỏ chất phụ gia để phát triển những tính chất yêu cầu. Vì thế loại vật liệu mới này có một tiềm năng vô cùng lớn trong ngành công nghiệp ô tô.”

• Long Thành