Giới thiệu
Vật liệu thông minh là những vật liệu mà có thể làm thay đổi các tính chất phù hợp với những thay đổi của môi trường xung quanh. Đặc điểm chính của những vật liệu thông minh là chúng có khả năng biến đổi một dạng năng lượng này sang dạng khác. Điều này khiến cho có thể sử dụng chúng để thực hiện những chức năng phức tạp của các bộ cảm biến và các cơ cấu hoạt động – và đôi khi đồng thời thực hiện một số chức năng trong thiết bị, về bản chất, được cấu tạo từ một khối của một chất.
Viện Công nghệ Khoan xin giới thiệu bài “Những vật liệu mới thông minh” của các tác giả: Rashmi Bkhavcar, Nitin I. Vaidar- Rosharon – bang Texas, Mỹ; Parta Ganguli, Allan Hamffric, Agat Robisson, Huye Linh Ty, Huye Tan Uichx – Cambridge, Mỹ; Garet Kh. Mac – Keanly – Viện Công nghệ Massachuset, Cambridge, Mỹ; Frideric Poshe – Clamor, Pháp. Bản dịch do Sông Lô thực hiện theo Oilfield…..Trương Quang biên tập.
Những vật liệu mới thông minh
Trong suốt chiều dài lịch sử của mình, loài người tạo ra các công cụ từ các vật liệu mà họ kiếm được bằng tay. Tuy nhiên, theo mức độ tích luỹ hiểu biết về các tính chất của vật liệu, mà loài người cũng học được cách chế tạo ra chúng với những tính năng được đặt ra. Ngày nay, những vật liệu có tên là thông minh đang được nghiên cứu chế tạo và sử dụng ngày càng rộng rãi.
Một số vật liệu thông minh được biết đến rộng rãi. Các bật lửa áp điện và các bộ đánh lửa trong bếp gas, các lò nướng và các dụng cụ đốt gas khác tạo ra các tia lửa điện hay điện tích chỉ bằng cách đập mạnh búa có cơ cấu chuyển động lò so vào tinh thể vật liệu áp điện mà không cần sử dụng mạch điện. Tính chất này của vật liệu áp điện “nhạy cảm” với áp lực và gây phản ứng tạo ra điện thế được sử dụng trong rất nhiều các cơ cấu thông minh. Những vật liệu thông minh khác phản ứng với các kích thích khác nhau từ bên ngoài, như nhiệt độ, trường điện từ và độ ẩm.
Đặc điểm chung của tất cả các vật liệu thông minh đó là khả năng biến đổi dạng năng lượng này thành dạng khác. Các vật liệu áp điện có thể biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại. Các vật liệu thông minh khác biến đổi các dạng năng lượng khác. Yếu tố cơ bản để ứng dụng thực tế các vật liệu thông minh là có thể điều khiển được sự biến đổi năng lượng đó. Chính vì vậy mà các vật liệu phản ứng với những thay đổi của môi trường xung quanh có thể kiểm soát được, gọi là những vật liệu thông minh.(1)
Có 2 kiểu cơ cấu chính biến đổi năng lượng – đó là các cảm biến và các cơ cấu thực hiện, có tính quyết định những lĩnh vực chủ yếu sử dụng các vật liệu thông minh. Các cảm biến biến đổi tác động thành tín hiệu, khi đó cơ cấu thực hiện lại biến đổi tín hiệu thành tác động. Các cảm biến bình thường và các cơ cấu thực hiện bình thường theo nguyên lý được chế tạo từ một số vật liệu và có những nguyên tố chuyển động. Một số vật liệu thông minh khác có thể thực hiện chức năng của một số vật liệu và các nguyên tố khác đồng thời, bằng cách đó giảm bớt được số lượng các hợp phần, bị hao mòn và hư hỏng.
Trên quan điểm ứng dụng thực tế, những vật liệu đáng chú ý hơn cả là những vật liệu biến đổi cơ năng thành nhiệt năng, thành điện năng, thành năng lượng từ, hoá năng và ngược lại. Cùng với những vật liệu áp điện, biến đổi cơ năng thành điện năng, còn có những vật liệu thông minh khác được sử dụng trong thực tế như các hợp kim nhớ dạng, gây tác động cơ học lên vật thể chịu nhiệt, lên các vật liệu mang từ tính và các vật liệu từ chính xác, mà các tính chất của chúng được kiểm soát bằng cách tạo ra từ trường, và các vật liệu đó sẽ nở phình ra dưới tác động kích hoạt hoá học. Trong bài viết này sẽ trình bày về một số những vật liệu đó, việc sử dụng chúng hiện nay và khả năng ứng dụng chúng trong ngành công nghiệp dầu – khí trong tương lai.
I. Những vật liệu được kích hoạt nhiệt: nhớ lại tất cả
Một số vật liệu có thể bị biến dạng, nhưng sau đó lại phục hồi tất cả hình dạng ban đầu dưới tác động của nhiệt. Những vật liệu đó được gọi là những vật liệu nhớ dạng. Các hợp kim mà các tính chất của chúng sau đó được phục hồi, có liên quan trực tiếp với hiệu ứng nhớ dạng, đã được biết đến từ những năm 1930.(2) Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ của hiện tương này lần đầu tiên mới được công bố thậm chí 30 năm sau đó.(3)Vào đầu năm 1958, W. J. Bueller, một kỹ sư luyện kim thuộc Phòng thí nghiệm Hậu cần Hải quân Mỹ (Naval Ordnance Laboratory – NOL), bang Maryland, Mỹ, đã bắt đầu tiến hành những nghiên cứu các hợp kim khác nhau, mà có thể sử dụng trong chế tạo đầu mũi thuôn của tầu thuỷ cánh ngầm. Ông đã xác định được rằng hợp kim niken-titan có độ bền va đập cao nhất và có các tính chất hữu ích khác, như các tính chất đàn hồi, tính rèn và độ bền mỏi. Bueller đã đặt tên cho hợp kim này là “Nitinol”, là ký hiệu của hai nguyên tố Nikel (Ni) và Titan(Ti) ghép lại với tên viết tắt của phòng thí nghiệm (NOL).
Phát hiện đầu tiên về các tính chất không bình thường của Nitinol của Bueller vào năm 1959 đó là mối quan hệ phụ thuộc về nhiệt đặc biệt của sự tắt dần dao động âm thanh trong hợp kim này, được giả thiết là những biến đổi do nhiệt trong cấu tạo nguyên tử của nó. Nhưng bước cuối cùng tiến tới khám phá ra hiệu ứng nhớ dạng đã được thực hiện trong năm 1960 trong buổi họp các nhà lãnh đạo của NOL, tại đó đã trưng bày mẫu thử Nitinol có các giá trị độ bền mỏi khả quan. Mẫu hợp kim là một dải dài hình zic-zăc. Kéo và uốn lặp lại đồng thời mẫu, và cuối cùng mẫu vẫn còn các tính năng cơ học khá dồi dào. Một nhà lãnh đạo đã quyết định kiểm tra các tính chất nhiệt của hợp kim, dùng vòi đốt nung nóng mẫu. Tất cả đều kinh ngạc, khi dải hợp kim đã nung nóng, nó được duỗi dài ra.
Phải một số năm sau đó, mới hiểu được cơ chế của hiệu ứng nhớ dạng. Một trong những phát minh quan trọng đó là, Nitinol có thể tồn tại ở dạng của hai pha phụ thuộc vào nhiệt khác nha, là do sự biến đổi giữa các pha này và hiệu ứng nhớ dạng có thể xảy ra. Để nghiên cứu thành công mẫu Nitinol nhớ được hình dạng ban đầu của nó, mẫu cần được đặt vào dạng ban đầu đó và được ủ (đốt nóng) dưới nhiệt độ 500oC (932oF) trong vòng 1 giờ. Khi ủ tạo thành pha rắn nhiệt độ cao không đàn hồi của hợp kim , gọi là austenit. Việc tôi sau đó(làm nguội) mẫu khiến cho tạo thành đàn hồi, tạo thành pha nhiệt độ thấp dễ biến dạng hơn – pha martencit. Khi làm biến dạng mẫu “đã nghiên cứu” một lần nữa và đốt nóng, thì chuyển động nhiệt của các nguyên tử bắt buộc chúng xắp thành hàng ở dạng song austenit, dẫn đến phục hồi lại hình dạng ban đầu của mẫu (hình 1). Các nhiệt độ ủ và tôi cũng như các tính chất khác của hợp kim phụ thuộc mạnh vào thành phần của nó và các phụ gia được sử dụng.
Hình 1. Cơ chế của hiệu ứng nhớ dạng. Khi làm nguội, pha austenit nhiệt độ cao có cấu tạo khung cạnh tâm lập phương chuyển đối sang pha martencit nhiệt độ thấp. Do kết quả chịu ứng suất trong quá trình làm nguội, martencit thu được từ austenit , xảy ra hiện tượng gọi là sinh đôi – tạo thành các lớp liền kề có xắp xếp các nguyên tử đối xứng gương. Sự biến dạng làm giảm dần hiện tượng sinh đôi – thường gọi là huỷ đôi. Martencit huỷ đôi có khung tinh thể tứ diện. Khi nung nóng, martencit huỷ đôi biến dạng lại chuyển đổi thành pha austenit.
Quy trình trên đây mô tả cái gọi là hiệu ứng nhớ dạng đơn, trong đó vật liệu chỉ nhớ được một dạng. Cùng với hiệu ứng này, bằng cách xử lý đặc biệt, một số vật liệu nhớ dạng có thể nhớ được 2 dạng khác nhau, một dạng ở nhiệt độ thấp hơn, còn dạng kia ở nhiệt độ cao hơn, xuất hiện hiệu ứng nhớ dạng kép.
Hiện nay, hiệu ứng nhớ dạng đã được phát hiện thấy ở hàng chục các hợp kim 2 và 3 thành phần, trong số đó ngoài Nitinol ra, thường sử dụng hơn cả là các hợp kim đồng-kẽm-nhôm (CuZnAl) và hợp kim đồng- nhôm-nikel(CuAlNi). Một nhóm vật liệu khác có nhiều hứa hẹn đó là các polyme nhớ dạng, xuất hiện trong công nghiệp vào những năm 1990.(4)
Ứng dụng công nghiệp đầu tiên các vật liệu nhớ dạng được bắt đầu với việc chế tạo các khớp nối co nhiệt CryoFit, được nghiên cứu chế tạo thành công năm 1969 để nối các đường ống của hệ thống thuỷ lực của máy bay tiêm kích F – 14.(5). Các ống dễ dàng nối với nhau bằng cách ghép vào các đầu của chúng bằng các bộ nối được tiện nhẵn và nguội trong Nitơ lỏng, mà nhiệt độ của chúng sau đó được khôi phục tới nhiệt độ của môi trường xung quanh. Theo mức độ nung nóng, khớp nối bị co lại và bị nén, kết quả tạo ra liên kết nối chặt của các ống(hình 2).(6) Sau kết quả đó, đã chế tạo các khớp nối nhớ dạng cho các đường ống dẫn dầu và khí, các đường ống dẫn nước và các dạng ống khác. Cũng như đã nghiên cứu chế tạo một dải rộng các kẹp liên kết đa dạng bằng vật liệu nhớ dạng, như các vòng nối và các kẹp ngàm.(7)
Hình 2. Ảnh khớp nối co nhiệt CryoFit (hình trên) và nguyên lý sử dụng nó (hình dưới). Khớp nối được gia công cơ khí ở nhiệt độ môi trường xung quanh cho tới khi đường kính bên trong của nó chưa nhỏ hơn đôi chút so với đường kính ngoài của ống, mà cần phải nối (A). Sau đó khớp nối được làm nguội trong nitơ lỏng và kéo cơ học sao cho đường kính bên trong của nó lớn hơn đôi chút so với đường kính bên ngoài của ống(Б). Khớp nỗi giãn ra dễ dàng nối các đầu ống(B). Đặt khớp nối vào vị trí cần thiết và giữ đốt nóng cho tới bằng nhiệt độ môi trường xung quanh. Trong quá trình đốt nóng khớp nối bị nén lại cho tới đường kính nhỏ hơn ban đầu của nó, bằng cách đó tạo ra liên kết(nối) chặt khít.
Một lĩnh vực quan trọng khác sử dụng các vật liệu nhớ dạng là lĩnh vực y tế. Từ các công cụ y tế, trong đó sử dụng các vật liệu nhớ dạng dễ nhận thấy trong cuộc sống hàng ngày là các dụng cụ chỉnh răng(các kẹp răng). `Các kẹp răng đầu tiên chế tạo từ Nitinol đã được sử dụng cho bệnh nhân vào năm 1975, đã được cấp bằng phát minh năm 1977.(8) Trong các kẹp răng truyền thống trước đây sử dụng cung chỉnh răng chế tạo từ thép không gỉ – có độ đàn hồi không đủ đảm bảo và đòi hỏi chỉnh lại thường xuyên. Khác so với cung truyền thống, cung chỉnh răng Nitinol không chỉ đàn hồi tốt hơn mà còn tạo ra một lực không đổi lên răng, bằng cách đó giảm được số lần đặt chỉnh lại hay hoàn toàn không cần đặt chỉnh lại. Trước tiên cung chỉnh răng bằng Nitinol được định dạng phù hợp với vị trí của răng theo ý muốn. Sau đó chuyên gia về răng – miệng kẹp cung này lên mặt ngoài của răng bệnh nhân, khi cần phải uốn chỉnh nó. Nhiệt độ của thân thể gây kích hoạt cung Nitinol, kết quả sẽ diễn ra sự phục hồi nó về bằng với hình dạng ban đầu.
Biện pháp tương tự được áp dụng khi chế tạo các đai và tấm chỉnh hình nhớ dạng, làm thúc đẩy nhanh sự tươi lại của các vết gãy xương. Tuy nhiên, có khả năng quan trọng nhất đó là việc sử dụng các vật liệu nhớ dạng trong phẫu thuật các ống dẫn máu cho tim.(9)Một thí dụ điển hình nhất là phin lọc Nitinol mang tên Simon, là một lưới dệt bằng chỉ Nitinol, được đặt vào mạch ven và lọc các cục nghẽn di trú trong mạch máu.(10) Các cục nghẽn được lọc lại dần dần hoà tan, và bằng cách đó phòng ngừa được hiện tượng tắc mạch máu (bịt kín mạch). Phin lọc lưới Nitinol Simon được đặt trong trạng thái martencit biến dạng mát mẻ, sau đó nó nở ra cho tới hoàn toàn bằng kích thước ban đầu, khi nóng lên nhờ nhiệt do cơ thể người tạo ra (hình 3).
Hình 3. Phin lọc Nitinol Simon (hình trên) là hình mở ra của phin trên mặt kính. Phía dưới là hình nhìn từ trên xuống và nhìn ngang từ bên(hình dưới)
Còn nữa…
Hoahocngaynay.com
Nguồn Viện Công nghệ khoan
