Phát minh thép xé bằng tay của Trung Quốc khiến ngành vật liệu rung chuyển: Chỉ dày 0,025 mm, mỏng bằng 1/5 sợi tóc, làm động cơ đạt hiệu suất 99%

Trong phòng thí nghiệm của Viện Khoa học và Công nghệ Vật liệu Đông Quan (DIMST), thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, các nhà nghiên cứu đang chế tạo một loại vật liệu kim loại có vẻ ngoài khác xa thép thông thường. Nó mỏng và nhẹ tới mức có thể dùng tay xé, được gọi là "thép xé bằng tay".

Về mặt khoa học, đây là hợp kim vô định hình, thường được gọi là thủy tinh kim loại (metallic glass). Vật liệu hiện trở thành thành phần quan trọng trong hệ thống truyền động điện Quark do hãng ôtô Trung Quốc GAC Group phát triển. Ứng dụng mới giúp động cơ đạt hiệu suất cực đại 99%. GAC cho biết 3 mẫu xe điện Aion sản xuất hàng loạt sử dụng hệ thống này có thể đi thêm khoảng 1 km với mỗi kWh điện tiêu thụ.

Khác biệt của vật liệu bắt nguồn từ cấu trúc nguyên tử. Zhou Jing, phó nghiên cứu viên tại DIMST, ví nguyên tử trong thép silicon thông thường giống học sinh đứng thành hàng ngay ngắn trên sân trường. Đây là vật liệu kết tinh, với các nguyên tử được sắp xếp theo một trật tự nhất định.

Hợp kim vô định hình thì khác. Trong quá trình chế tạo, kim loại nóng chảy được nung tới khoảng 1.300 độ C, sau đó làm nguội gần như tức thời. Các nguyên tử không đủ thời gian sắp xếp thành cấu trúc tinh thể và bị "đóng băng" trong trạng thái mất trật tự.

Kết quả là một dải kim loại chỉ dày 0,025 mm, tương đương khoảng 1/5 đường kính sợi tóc người và chỉ bằng 1/10 độ dày của một lá thép silicon thông thường. 

Hợp kim vô định hình thuộc nhóm vật liệu từ mềm hiệu suất cao. Với loại vật liệu này, lớp kim loại càng mỏng, tổn hao do dòng điện xoáy càng thấp. Đây là lượng năng lượng bị chuyển thành nhiệt khi từ trường tạo ra dòng điện trong lõi động cơ.

“Thách thức lớn nhất của động cơ điện là tổn thất năng lượng”, Zhou nói.

Theo ông, nếu đưa 100 đơn vị điện vào một động cơ thông thường, một phần sẽ biến thành nhiệt và bị lãng phí. Với động cơ sử dụng hợp kim vô định hình, lượng thất thoát có thể chỉ còn khoảng một đơn vị, trong khi phần còn lại được chuyển thành lực kéo.

Tạo ra vài gram hợp kim trong phòng thí nghiệm tương đối đơn giản. Biến nó thành linh kiện có thể sản xuất hàng loạt cho hàng nghìn ôtô lại là bài toán khác.

Vật liệu đặt trong xe phải chịu được hàng chục triệu lần rung động, hàng nghìn chu kỳ nóng - lạnh và duy trì hoạt động ổn định hơn 10 năm.

Độ mỏng của nó cũng khiến quá trình sản xuất trở nên phức tạp. Một lõi động cơ bằng thép silicon thông thường chỉ cần xếp chồng 384 lớp. Với hợp kim vô định hình, con số tăng lên gần 3.800 lớp, tức là gần gấp 10 lần.

Mỗi lớp mỏng hơn một tờ giấy nhưng vật liệu lại cứng gần gấp 5 lần thép silicon thông thường. Điều này khiến các phương pháp dập truyền thống không phù hợp. Chỉ một sai lệch nhỏ trong quá trình gia công cũng có thể ảnh hưởng đến chất lượng toàn bộ lõi động cơ.

Để giải quyết vấn đề, DIMST và GAC cùng phát triển một hệ thống dây chuyền sản xuất phi tiêu chuẩn, từ dập vật liệu, xếp lớp chính xác tới xử lý nhiệt. AI cũng được đưa vào gần như toàn bộ quá trình, gồm thiết kế thành phần hợp kim, dự đoán đặc tính, tối ưu quy trình và triển khai dây chuyền. Việc giảm số lần thử - sai giúp rút ngắn quá trình đưa vật liệu từ phòng thí nghiệm sang sản xuất ổn định.

DIMST và bộ phận truyền động của GAC ký thỏa thuận hợp tác chiến lược vào tháng 8. Tính đến tháng 9, ba mẫu GAC Aion sản xuất hàng loạt sử dụng hệ truyền động điện bằng hợp kim vô định hình đã lần lượt được giới thiệu.

Các thử nghiệm trên xe cho thấy tổn hao tại lõi động cơ giảm 50%, trong khi hiệu suất cực đại đạt 99%. Trong một thử nghiệm thực tế trên đường cao tốc vành đai tại đảo Hải Nam, mức tiêu thụ điện thấp nhất được ghi nhận là 8,571 kWh/100 km, tương đương khoảng 11,7 km cho mỗi kWh điện.

Theo GAC, việc giảm tổn thất năng lượng cho phép các mẫu xe mới đi xa hơn khoảng một km với cùng một kWh điện.

Ngoài ôtô điện, DIMST đang hợp tác với nhiều doanh nghiệp nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới trong nguồn điện cho AI, máy biến áp thể rắn, thiết bị cao cấp và năng lượng xanh.

Theo Xinhua