Những vật liệu mới thông minh

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 . 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.

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)

ẢKhớp 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

II. Những vật liệu được kích hoạt điện: Các phẩm mầu thông minh

Một loạt mở rộng các công nghệ đã được nghiên cứu với việc sử dụng các vật liệu áp điện thông minh. Hiệu ứng áp điện trực tiếp, còn được gọi là hiệu ứng áp điện đơn giản, là khả năng của những vật liệu nhất định - các khoáng vật, các vật liệu gốm và một số polyme - tạo ra điện tích tương ứng với áp lực cơ học tác động lên chúng. Cũng có thể quan sát thấy hiệu ứng nghịch - sự biến dạng của các vật liệu áp điện trong điện trường bên ngoài.

Hiệu ứng áp điện thuận đã được hai anh em Pier và Jack Curie phát hiện năm 1880. Họ đã chú ý tới hiện tượng, khi nén một tấm được cắt ra thu được sự định hướng ảnh tinh thể nhất định từ tinh thể thạch anh, đã gây ra sự tạo thành điện tích trên các mặt vuông góc với hướng nén: điện tích dương trên một mặt, và điện tích âm trên mặt kia. Khi kéo phiến tinh thể cũng xảy ra sự tạo thành các điện tích, nhưng nếu điện tích trên một mặt nào đó khi nén đã là âm, thì điện tích trên mặt đó khi kéo lại là dương và ngược lại. Hiệu ứng áp điện thuận xuất hiện trong trường hợp, khi mà biến dạng đàn hồi của vật rắn xảy ra kèm theo sự xê dịch phi đối xứng phân bố các điện tích dương và âm, các ngẫu cực hay các nhóm ngẫu cực song song (của các miền Veiss) trong cấu tạo của vật rắn, tức là làm xuất hiện mômen lưỡng cực chung, hay vật rắn bị phân cực. Hiệu ứng áp điện nghịch xuất hiện trong trường hợp, khi mà điện trường bên ngoài gây ra sự phân bố lệch các điện tích, các ngẫu cực hay các miền Veiss, gây ra sự xê dịch hình học, xuất hiện dưới dạng các biến dạng cơ học .

Các hiệu ứng áp điện thuận và nghịch. Hiệu ứng áp điện thuận trong quá trình nén và kéo mẫu của vật liệu áp điện, diễn ra sự tạo thành các điện tích trái dấu trên các mặt tương ứng của mẫu. Trong hiệu ứng áp điện nghịch, khi tạo ra sự chênh lệch điện thế đối với mẫu của vật liệu áp điện gây ra biến dạng ∆h - đối lập với hiệu ứng áp điện thuận, trong đó biến dạng ∆h tạo ra sự chênh lệch các điện tích.
Hiện nay, hiệu ứng áp điện được phát hiện trong nhiều dạng vật liệu. Anh em nhà Curie đã phát minh ra hiệu ứng áp điện trong các vật liệu thiên nhiên, như thạch anh, turmalin, topaz và muối xecgnetov (muối kali-natri vino toan 4 phân tử nước KNaC4H4O6.4 H2O). Trong số này hiện nay chỉ có thạch anh là được sử dụng vào những mục đích công nghiệp. Tất cả các vật liệu áp điện tinh thể đơn quan trọng khác trong thực tế, như điphotphat amonia NH4H2PO4, ortophotphat galia GaPO4 và các oxyt phức tạp của lantan và galia, đều được chế tạo nhân tạo.

Mặc dù các vật liệu áp điện tinh thể đơn vẫn tiếp tục được nghiên cứu cho tới nay, nhưng một nhóm các vật liệu áp điện được sử dụng rộng rãi hơn cả trong công nghiệp đó là các vật liệu áp điện đa tinh thể. Chúng có một tập hợp phong phú các tính chất có ích, chúng còn có khả năng tham gia phản ứng trong một phạm vi rộng những điều kiện làm việc. Vào thời điểm hiện nay, một nhóm lớn nhất các vật liệu gốm áp điện - đó là những vật liệu cấu tạo từ các tinh thể có cấu trúc kiểu perovskit.(11)Đó là những oxyt kim loại phức tạp có công thức chung là ABO3, trong đó A và B là các cation kích thước khác nhau. Cation A có thể là Na, K, Rb, Ca, Sr, Ba và Pb, còn cation B có thể là Ti, Sn, Zr, Nb, Ta và W.

Đôi khi mỗi đôi các cation A và B có thể gồm hai hay nhiều cation trong hoá học lập thể tổng quát(thí dụ, trong sirconat - titanat chì PbZrxTi1-xO3). Những vật liệu gốm áp điện được sử dụng rộng rãi hơn cả cấu tạo từ các tính thể có cấu trúc kiểu perovskit, là những titanat bari BaTiO3 (là vật liệu được phát hiện đầu tiên), titanat chì PbTiO3, sirconat-titanat chì(là vật liệu áp điện hiện nay được sử dụng rộng rãi hơn cả), sirconat-titanat chì-lantan Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3 và magnoniobat chì PbMg1/3Nb2/3O3.(12)

Sau giai đoạn kết tụ trong quá trình sản xuất các vật liệu gốm này, những đipol (ngẫu cực) trong chúng dường như chỉ song song ở bên trong của mỗi vật nung, trong khi đó ở chính trong miền lại phân cực một cách hỗn loạn. Biến dạng đàn hồi của tập hợp các ngẫu cực phân cực hỗn loạn không thể dẫn đến sự xê dịch phi đối xứng phân bố các điện tích và bởi vậy không thể gây ra hiệu ứng áp điện. Bởi vậy bước cuối cùng sản xuất gốm áp điện bao giờ cũng bao gồm tạo ra điện trường mạnh dưới nhiệt độ tăng cao, sau đó các vật liệu nung phân cực tương đối giống nhau và vật liệu trở thành áp điện.

Các hiệu ứng phân cực. Các ngẫu cực (đipol) trong vật liệu gốm nung kết chỉ song song bên trong mỗi vật nung, trong khi đó các vật nung lại phân cực hỗn loạn(hình bên trái). Sau phân cực trong điện trường mạnh Ep dưới nhiệt độ tăng cao thì các vật nung trở thành phân cực thực sự trên một hướng, và vật chất trở thành áp điện (bên phải).

Một số polyme từ đầu đã là áp điện hay có thể tạo chúng thành áp điện. Các chất tương tự nằm trong số những hợp chất cao phân tử thiên nhiên(keratin, kolagen, một số polypeptit, các chất màng định hướng DNK) có thể thu được bằng cách tổng hợp (một số nilon và polymochevin). Tuy nhiên, hiện nay những polyme áp điện duy nhất được sản xuất công nghiệp đó là những chất polyvinylidene difluoride - PVDF và các copolyme của chúng với những triftoetylene và tetraftoretylene.(14) PVDF một phần là polyme tổng hợp kết tinh có công thức hoá học là (CH2-CF2)n. Nó được chế tạo ở dạng những màng mỏng, được kéo dọc theo mặt phẳng của màng và phân cực vuông góc với mặt phẳng này để tạo ra các tính chất áp điện.
Gia công PVDF để tạo ra các tính chất áp điện cho nó. Trên màng được đổ từ chất polyme nóng chảy có các tinh thể kích thước từ hàng chục tới hàng trăm nanomet phân bố hỗn loạn giữa các miền vô định hình(hình trên cùng). Sự giãn ra của màng polyme (hình giữa) dẫn đến làm thẳng các chuỗi mạch polyme trong các miền vô định hình trên mặt phẳng của màng và kích thích sự xoay đồng nhất của các tinh thể khi đặt trong điện trường. Sự phân cực theo độ dày của màng (ví dụ khi sử dụng các điện cực kim loại kết tủa) sẽ tạo ra các tính chất áp điện cho màng(hình dưới cùng).

Như vậy các vật liệu áp điện có thể biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại, phổ biến hơn cả chúng được sử dụng trong các bộ cảm biến điện cơ khác nhau và các cơ cấu vận hành. Các vật liệu áp điện được sử dụng trong các cảm biến có các giá trị vật lý khác nhau(như lực, áp suất, vận tốc, va đập cạnh và tốc độ chạy), cũng như trong các mocrophone, hydrophone, trong các cảm biến siêu âm, các cảm biến địa chấn, trong các máy thu âm và trong nhiều dụng cụ khác.

Một thí dụ đáng chú ý về bộ cảm biến áp điện phân bố liên tục đó là các chất màu áp điện thông minh.(15) Chất màu này có thể được chế tạo từ bột của vật liệu gốm(sirơconat-titanat chì), được lấy làm chất tạo màu, và các keo epoxy dùng làm chất tạo màng. Hỗn hợp được quét trên mặt phẳng, sau đó đông cứng và polyme hoá trong nhiệt độ phòng. Kết quả thu được màng của chất màu như một cảm biến rung và phát ra âm đối với toàn bộ bề mặt. Các chất màu thông minh như vậy có thể sử dụng để phủ các khoảng lớn bề mặt của các chi tiết kết cấu và thậm chí của toàn bộ kết cấu, thí dụ như của các cầu, dùng để kiểm tra độ toàn khối của chúng. Gần đây đã tiến hành những thử nghiệm về những tác đọng của khí hậu trên các cầu bắc qua các sông ở Anh và Phần Lan cho thấy rằng, các bộ cảm biến trên cơ sở chất màu áp điện có thể giữ được khả năng hoạt động trong những điều kiện khí hậu khắc nghiệt trong không khí và duy trì ở trạng thái hoạt động ở mức ít nhất là 6 năm.(16)

Những thí dụ quan trong khác về các cơ cấu chức năng áp điện đó là những bộ khuyếch đại âm thanh, những động cơ áp điện và những cơ cấu chức năng vi mô có độ chính xác cao. Hoạt động của những vi cơ cấu chức năng chính xác dựa trên khả năng của những vật liệu áp điện có những thay đổi nhỏ về hình dạng dưới tác động của những thay đổi nhỏ về điện thế tác động lên chúng. Điều đó cho phép thực hiện điều khiển chính xác vị trí và sự chuyển vị của các chi tiết và các bộ phận, là cực kỳ quan trọng cho sự hoạt động đúng đắn của các thiết bị khác nhau, gồm cả các đầu máy in tới những hệ thống điều hành.

Một thiết bị quan trọng hơn cả trong nhóm các thiết bị áp điện đó là các máy phát siêu âm áp điện, chúng khác so với các kiểu máy phát ma sát từ và các loại máy khác là chúng đảm bảo phát siêu âm hiệu quả hơn với công suất và tần số được kiểm soát. Siêu âm trong các máy phát này được tạo ra nhờ sử dụng hiệu ứng áp điện nghịch. Một điện trường định kỳ tác động lên vật liệu áp điện sẽ khiến nó nở ra và bị nén, phát ra các sóng áp lực.

Việc tạo ra những máy phát siêu âm áp điện dường như có tính chất quyết định đối với việc nghiên cứu triển khai trong một phạm vi rộng những ứng dụng khác. Lần đầu tiên hiệu ứng áp điện đã được ứng dụng thực tế trong máy phát siêu âm áp điện thạch anh của trạm kích hoạt thuỷ lực dùng để phát hiện ra các tầu ngầm trong Chiến tranh thế giới thứ nhất vào năm 1915.(17) Từ đó việc ứng dụng này đã sản sinh ra một loạt ứng dụng rộng rãi các phương pháp phát hiện những khuyết tật (tạp chất) trong các môi trường khác nhau. Máy phát hiện khuyết tật siêu âm được ứng dụng để nghiên cứu một phổ rộng rãi những vật liệu và kết cấu, bao gồm các ống và các đường ống khác nhau. Trong cuộc sống bình thường con người thường gặp những ứng dụng tương tự khi tiến hành những nghiên cứu bằng siêu âm trong y tế (UZI) - các quy trình quan sát các mô và nội quan của cơ thể người. Đặc biệt phổ biến là các UZI bệnh phụ khoa để quan sát trạng thái của phôi và thai trong bụng mẹ, là những quy trình tiêu chuẩn trong lĩnh vực phục vụ y tế dành cho những phụ nữ mang thai ở nhiều nước trên thế giới.

Các dụng cụ áp điện cũng được ứng dụng rộng rãi trong ngành dầu khí. Linh kiện áp điện thạch anh là một chi tiết quan trọng của áp kế thạch anh CQG (Crystal Quartz Gauge) của Công ty Schlumberger, được sử dụng trong bộ cảm biến áp suất của rất nhiều công cụ khác nhau. Các bộ phận được chế tạo từ vật liệu gốm áp điện là những bộ phận chủ yếu của thiết bị đo địa chấn, đo âm và siêu âm của công ty Schlumberger. Những dụng cụ này gồm có các bộ nguồn đo mạch bằng siêu âm và các hydrofone của hệ thống thăm dò địa chấn biển Q - Marine có ghi tín hiệu riêng rẽ từ mỗi máy thu và từ hệ thống khảo sát đáy biển đa linh kiện Q - Seabed, cũng như từ máy thu và và các máy phát đơn hệ quét siêu âm thềm lục địa Sonic Scanner, của hệ thống kiểm tra chất lượng cố kết Isolation Scanner và dụng cụ carota âm trong quá trình khoan Sonic VISION. Mặc dù hiên nay việc sử dụng các thiết bị áp điện chỉ mới hạn chế ở các bộ cảm biến, dự báo rằng ngành thiết bị dầu khí trong tương lai có thể ứng dụng hiệu ứng áp điện trong các thiết bị để thu năng lượng (energy harvesting) và trong các bộ vi xử lý vận hành.

III. Các vật liệu được kích hoạt từ: lực hấp dẫn của các hạt nhỏ

Một nhóm vật liệu thông minh khác bao gồm các chất lỏng lưu biến mang từ tính (MP). Các tính chất lưu biến của những chất lỏng này thay đổi dưới tác động của từ trường. Sự thay đổi đó tỷ lệ thuận với cường độ từ trường, có thể được điều chỉnh rất chính xác bằng cách làm thay đổi cường độ này và biến mất ngay lập tức sau khi cắt bỏ từ trường.

Chất lỏng MP điển hình là huyền phù của các vi hạt(thường có kích thước từ 3 đến 8 mk) của các vật liệu từ(về nguyên tắc từ 20 đến 40% chất lỏng MP là các hạt sắt tinh khiết) có trong dung môi, thí dụ như dầu khoáng, dầu tổng hợp, nước hay glikol.(18) Các chất hoạt tính bề mặt khác nhau, thí dụ như axit olein hay axit chanh(lactic), hydroxyt tetrametylamonia hay lesiptin, cũng được cho thêm vào thành phần các chất lỏng MP để ngăn ngừa sự kết lắng các hạt. Các hệ vật liệu MP có thể được chế tạo ở dạng gel, bọt, bột, mỡ và thậm chí ở dạng các chất dẻo cứng.

Khi không có từ trường, các hạt trong chất lỏng MP phân bố hỗn loạn. Khi có từ trường các hạt được xắp xếp dọc theo các đường sức của từ trường thành các chuỗi, dường như ngược với dòng hay ngược với biến dạng trượt vuông góc với phương của từ trường và làm tăng đột ngột độ dính(hay nói chính xác hơn là làm tăng giới hạn chảy) trên phương này (hình 7). Sau khi bỏ từ trường, các chuỗi hạt bị vỡ (dưới tác động của các lực Brao ngẫu nhiên), và phục hồi lại độ dính ban đầu.
Các chất lỏng MP trong từ trường. Khi không có từ trường các hạt sắt từ phân bố hỗn loạn trong dầu không từ tính và tạo thành chất lỏng MP (hình trên cùng). Khi có từ trường các hạt xắp xếp dọc theo các đường sức của từ trường thành các chuỗi, làm tăng đột ngột độ dính trên phương vuông góc với phương của từ trường.

Các chất lỏng MP đã được phát minh trong những năm 1940 và đầu những năm 1950 trong Cục Tiêu chuẩn quốc gia Mỹ, Gatercberg, bang Maryland.(19) Đã nghiên cứu chế tạo thành công hàng loạt các thiết bị trên cơ sở của các chất bột khô mang từ tính, đó là các loại má phanh bằng bột ferro (sắt). Tuy nhiên, các chất lỏng MP đầu tiên và các thiết bị có thời hạn sử dụng hạn chế và không đủ ổn định và chỉ vào đầu những năm 1990 nhờ sự phát triển ngành vật liệu học và thiết bị điện tử điều khiển, thì sự quan tâm tới các vật liệu này mới tăng lên.

Các chất lỏng MP thu hút sự chú ý bằng sự độc đáo của chúng, khi có từ trường chúng tăng độ dính rất nhanh, tạo ra sự chuyến biến lập tức sang trạng thái bán cứng. Sự phục hồi độ dính ban đầu sau khi bỏ từ trường- cũng nhanh như vậy, chỉ bằng 6,5 micro giây(ms).(20) Do đó các chất lỏng MP chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống giảm sóc khác nhau. Việc sản xuất các chất lỏng MP hàng loạt được bắt đầu năm 1995 để sử dụng trong các phanh roto thuỷ lực, được đặt vào thiết bị tập luyện thể dục thể hình(aerobic). nHững thiết bị được sản xuất hàng loạt khác trên cơ sở chất lỏng MP đó là các bộ giảm sóc của hệ thống phanh hiện nay dùng cho các máy xúc loại nặng, các bộ giảm sóc điều chỉnh của các máy, tham gia trong các cuộc đua ô tô vòng xuyến, các bộ giảm sóc tuyến tính để điều khiển bước đi hiện nay, sử dụng trong công nghệ răng giả hiện đại.(21)

Một ví dụ về ứng dụng gần đây nhất đó là bộ giảm xóc thuỷ lực Motion Master trên cơ sở chất lỏng MP, được sử dụng trong dụng cụ làm chân giả Smart Magnetix (hình 8).(22) Bộ giảm sóc thuỷ lực trên cơ sở chất lỏng MP trong dụng cụ làm chân giả này thao tác nhanh gấp 20 lần so với các bộ giảm sóc cơ học hay thuỷ lực đạt trình độ kỹ thuật hiện đại trước đây . Toàn bộ thời gian thao tác xảy ra chỉ mất 40 micro gy(mc), tức là tương ứng với thời gian phản ứng đối với các tín hiệu trong đầu gối của người.(23) Công nghệ được hiện đại hoá như vậy đang giúp cho việc làm chân giả thực hiện chính xác hơn việc mô phỏng các hoạt động của con người và khiến cho nó sử dụng càng thuận tiện hơn.

Một nhóm khác của các vật liệu kích hoạt từ đó là các chất từ tính chính xác. Từ tính chính xác là tính chất của các vật liệu sắt(ferro) từ thay đổi hình dạng dưới tác động của từ trường.(24) Từ tính chính xác được phát minh năm 1842 bởi Jameson P. Joile, đã chú ý tới việc độ dài của mẫu sắt bị thay đổi sau tác động của từ trường. Bên cạnh hiệu ứng này, còn được gọi là hiệu ứng Joile, còn tồn tại hiệu ứng nghịch, có tên gọi là hiệu ứng Villary, trong đó dưới tác động của ứng suất cơ học lên vật liệu sẽ làm thay đổi từ tính của nó.

Khớp đầu gối nhân tạo của dụng cụ làm chân giả Smart Magnetix(Biedermann Motech) có bộ giảm sóc thuỷ lực Mortion Master trên cơ sở chất lỏng MP (LORD Corporation) (hình bên trái) và hình dạng mặt cắt giảm sóc thuỷ lực ( hình bên phải).

Những biểu hiện này làm nhớ lại các hiệu ứng áp điện thuận và nghịch. Về bản chất thì các cơ cấu áp điện vĩ mô và từ chính xác cũng giống nhau và chúng chỉ khác nhau ở điểm là các hiệu ứng áp điện được quyết định bới tác động của điện trường tới các điện tích, tới các ngẫu điện(dipol) hay tới các đomen, trong khi đó hiệu ứng từ chính xác được tạo ra bởi tác động của từ trường tới các đomen từ - là các miền từ tính đồng nhất. Từ trường tác động lên mẫu sắt từ làm chuyển dịch các đomen từ, gây ra những thay đổi hình dạng và kích thước mẫu vĩ mô. Và ngược lại, dưới tác động của ứng suất cơ học gây ra sự chuyển dịch cơ học của các đomen từ, bằng cách đó làm thay đổi từ tính của mẫu.

Hiệu ứng từ chính xác thuận (Joile) được ứng dụng trong các thiết bị vận hành từ chính xác, còn hiệu ứng Vilary - ứng dụng trong các cảm biến từ chính xác. Trên cơ sở từ chính xác có thể tạo ra các thiết bị như các máy điện thoại trong các ống điện thoại, các ống nghe dưới nước, các cơ cấu phát siêu âm từ chính xác của các máy định vị thuỷ lực, các động cơ tuyến tính và quay và các cảm biến biến dạng khác nhau, các chuyển động, các vị trí và các lực.

IV. Các vật liệu kích hoạt hoá học: Các polyme trương nở


Về kích hoạt hoá học các vật liệu trên thực tế có thể bàn đến rất nhiều. Trong bài này chúng ta chỉ xem xét quá trình kích hoạt hoá học đối với các polyme khi tiếp xúc với các chất lỏng. Hiện tượng này khá chung và thường gặp trong cuộc sống hàng ngày, nhưng cũng khá đặc biệt và có thể lấy làm cơ sở để chế tạo các cơ cấu trên cơ sở những vật liệu thông minh, cũng bao gồm các vật liệu được sử dụng trong công nghiệp dầu khí. Trong cuộc sống hàng ngày con người phần lớn có khả năng quan sát quá trình xảy ra theo dự định hoặc ngẫu nhiên, của một trường hợp riêng như sự kích hoạt hoá học các polyme, là hiện tượng nở phình của chúng. Thí dụ, khi làm thạch đông ngọt ứng dụng khả năng của polyme gelatin nở phình trong nước, còn cafe hay trà được đổ từ chén lên các trang sách, khiến cho polyme xelulo thiên nhiên trong giấy nở phình ra. Biểu hiện tương tự của vật liệu này hay vật liệu khác kèm theo sự nở phình, có thể là rất có hại: Công ty công nghiệp chịu các tổn thất đáng kể, nếu một gioăng đệm nhỏ làm từ polyme, không còn khả năng sử dụng trong các điều kiện khai thác vận hành, thì chúng bị nở phình và bị phá hoại, gây ra rò rỉ hay những hậu quả nguy hiểm khác.

Mặt khác, từ lâu con người đã tìm ra các phương pháp ứng dụng có kiểm soát tính chất nở phình của các polyme, trong công nghiệp thực phẩm, trong y tế(các vật liệu thấm), trong các bộ đồ để thu các hoá chất khác nhau và trong xây dựng(các chất độn khác nhau). Một ví dụ hiện đại về ứng dụng tính nở phình có kiểm soát của các polyme trong y tế đó là các hệ thống cung cấp thuốc theo địa chỉ.(25)Một dạng đơn giản nhất của hệ thống này đó là bao nang mà trong ruột của nó có chứa thuốc, còn vỏ có khả năng nở phình. Vỏ được chế tạo đặc biệt sao cho khi đi vào dạ dày - ruột nó dần dần nở ra và thuốc được lan toả với tốc độ theo yêu cầu tới các vị trí cần thiết. Các bao nang được nghiên cứu chế tạo và có cấu tạo thông minh hơn - có nhiều lớp, chứa một số chất liệu thuốc, đôi khi được bố trí nhiều kênh để tạo lối ra cho các chất thuốc.

Các polyme nở phình mới bắt đầu được ứng dụng trong ngành dầu khí. Nói riêng, chúng được sử dụng trong các gói thuốc nở để cách ly các vỉa quặng và để chống nước xâm nhập vào giếng khoan một cách hiệu quả(hình 9). Để cách ly các vỉa quặng người ta thả một tập hợp các gói thuốc nhạy cảm với dầu chưa nở vào giếng khoan. Dưới tác động của dầu mỏ chúng nở ra và cách ly chặt thành vỉa quặng, tạo ra các khoảng cách ly với nhau. Để chống nước xâm nhập vào giếng khoan, người ta đặt gói polyme nhạy cảm với nước chưa nở(từng lớp hay hỗn hợp) vào giếng khoan. Khi nước xâm nhập vào giếng khoan thì gói polyme nở ra và bít kín giếng khoan tại vị trí của giếng, tạo khoảng cách ly, kết quả là giảm được thấm nước, khai thác dầu tăng lên.(26)

Các gói nở có ưu điểm hơn so với thuốc truyền thống, chúng thường rẻ hơn và không chứa các chất gây chuyển động và không cần cơ cấu kích hoạt cơ học hay thuỷ lực. Chức năng của tất cả các linh kiện của gói nở được thực hiện bởi sự nở thể tích của một loại vật liệu polyme thông minh.

Một trong những trường hợp đầu tiên ứng dụng thành công các chất polyme gây nở có vị trí trong Chiến tranh Thế giới thứ II, khi các vật liệu cao su nở được sử dụng trong các thùng chứa nhiên liệu tự xiết chặt của các máy bay.(27) Thùng tự xiết chặt được chế tạo từ 2 lớp cao su: Lớp ngoài được làm từ cao su lưu hoá, còn lớp trong làm từ cao su không lưu hoá, nở phình khi tiếp xúc với dầu mỏ. Lớp bên trong được phủ bằng một lớp vật liệu không thấm nhiên liệu nhằm mục đích ngăn ngừa tiếp xúc của cao su không lưu hoá với nhiên liệu, khi thùng chứa còn chưa bị hư hỏng. Nếu đạn hay một vật bay nào đó xuyên thủng thùng , thì nhiên liệu chảy ra sẽ tiếp xúc với cao su không lưu hoá, cao su này nở ra và tạo thành nút bịt ngăn cách. Những thùng chứa tự xiết chặt như vậy vẫn tiếp tục được sử dụng hiện nay.

Những vật liệu cao su tự xiết chặt nêu trên có thể coi là những vật liệu đi trước trong dòng những vật liệu hiện đại tự sửa chữa. Trong những vật liệu này chất sửa chữa tạo ra một lớp tiếp giáp, còn được đưa vào các khoang chứa vi mô, ví dụ như các vi bao nang hay các vi sợi rỗng, và được phân bố đều theo vật liệu bảo vệ.(28) Trong các vật liệu polyme tự sửa chữa, chất sửa chữa về nguyên lý là chất polyme tương ứng không bị tách ra. Khi vật liệu polyme tự sửa chữa bị hư hỏng thì các vi khoang chứa này bị đứt vỡ ra và chất sửa chữa thoát ra, xâm nhập vào vùng bị hư hỏng, được polyme hoá(khi cần thiết, còn cho thêm chất xúc tác polyme hoá vào vật liệu này) và bằng cách đó sửa chữa được vùng hư hỏng(hình 10).(29) Quy trình này mô phỏng các chức năng tự sửa chữa các loại vải sinh học, phản ứng thường xảy ra trên chỗ hư hỏng là bí quyết của các chất lỏng sửa chữa. Nghiên cứu bản chất tiếp tục, một số chuyên gia đã đề xuất khâu vật liệu bằng lưới “các ống”, mà theo đó chất sửa chữa có thể chảy lưu thông theo toàn bộ vật liệu.(30)
Vật liệu tự sửa chữa, trong đó phân bố 200 vi bao nang, có chứa chất tự sửa chữa polyme hoá, và các hạt chất xúc tác polyme hoá. Sự hư hỏng gây ra phát sinh các vết nứt (hình trên cùng), vết nứt làm đứt các vi bao nang, giải phóng chất sửa chữa(hình giữa), chất sửa chữa tiếp xúc với chất xúc tác, được polyme hoá và hàn gắn miền hư hỏng (hình dưới cùng).

Các vật liệu tự phục hồi mới bắt đầu được sử dụng trong ngành dầu khí. Thí dụ Công ty Schlumberger gần đây đã thông báo về việc nghiên cứu triển khai thành công loại xi măng hoạt tính FUTUR, nó tự khắc phục được những vết vi nứt trong đường hầm xi măng (xem “Bảo đảm ngăn cách hiệu quả các vỉa quặng sau khi kết thúc khai thác sử dụng giếng khoan”, trang 22). Xi măng tự phục hồi FUTUR được bơm và đổ cũng giống như xi măng thường, nhưng khác ở điểm là nó chứa các thành phần chỉ phát huy tác dụng khi tham gia phản ứng với các hydro cacbua, thí dụ như với các chất được thấm qua các vi lỗ rỗng của đường hầm xi măng. Sự tiếp xúc với các hydro cacbua gây kích hoạt đường hầm xi măng FUTUR, và đường hầm này tự phục hồi trong một số giờ mà không cần tiến hành bất kỳ công tác giếng khoan nào. Như vậy là ngăn ngừa được rất nhiều các hiện tượng không mong muốn, có thể xuất hiện sau khi ninh kết xi măng, như sự chuyển động của các chất lỏng(fluid) theo không gian giữa các khoảng giếng khoan, tạo áp suất ổn định trong không gian giữa các ống trên bề mặt, sự rò rỉ qua cọc bao và các mạch ngang.(31)
Tiếp cận những vật liệu mới thông minh

Các thí dụ nêu trên về những vật liệu và các quá trình chỉ là một phần nhỏ trong thế giới các vật liệu thông minh và những ứng dụng của chúng. Số lượng các dạng vật liệu thông minh rất lớn, có thể gặp chúng ở trong các công cụ rất khác nhau: từ những máy bật lửa áp điện đơn giản đến những thiết bị siêu âm phức tạp.

Ngay cả những vật liệu đơn giản có thể làm thành vật liệu thông minh. Xi măng tự phục hồi là một ví dụ thuộc loại này , như một vật liệu thông thường phổ biến rộng rãi đã được biến đổi và tạo ra các tính chất thông minh, nhờ đó làm tăng chất lượng xi măng kết của các giếng khoan. Những ứng cử viên có triển vọng về sự biến đổi thành các vật liệu thông minh có thể ở quanh chúng ta, chỉ còn chờ đến lượt được đưa vào sử dụng trong những đề xuất độc đáo.

Việc nghiên cứu những vật liệu thông minh - là một trong những hướng mới trong hoạt động khoa học của Trung tâm nghiên cứu của Công ty Schlumberger mang tên Henry Dolla ở Cambridge, bang Massachuset, Mỹ. Nhiệm vụ thứ nhất của phương hướng này là lập và thực hiện kế hoạch hành động về nghiên cứu triển khai các thiết bị điều hành để sử dụng trong các công nghệ khác nhau khảo sát và khai thác dầu và khí.

Phần quan trọng trong thực hiện kế hoạch hành động này đó là nghiên cứu triển khai và thiết kế chế tạo các blốc bố cục tiêu chuẩn, kết hợp chúng bằng cách khác nhau có thể lắp ráp được các cơ cấu vận hành khác nhau. Những công việc này sẽ được thực hiện bằng nghiên cứu chế tạo các cơ cấu vận hành, các bộ cảm biến, các thiết bị để đo động lực và hệ thống điều khiển, các cơ cấu mới nhất khác, cũng như phân tích khả năng sử dụng các vật liệu thông minh để tạo ra các hệ thống điều hành mới.

Mặc dù các nhà vật liệu học hoàn toàn có nhiệt huyết đối với một tiềm năng lớn các vật liệu thông minh, nhưng còn ít khả năng những vật liệu này có thể thay thế cho những vật liệu hợp chuẩn đang được sử dụng hàng ngày. Phần lớn những vật liệu đó là những vật liệu kết cấu mà việc lựa chọn chúng không chỉ bởi các tính chất của chúng, mà còn vì giá rẻ và sự phổ biến của chúng. Những vật liệu thông minh cũng như các vật liệu chức năng khác, như các dây tóc vonfram trong bóng điện chẳng hạn, dây dẫn platin-rodie trong các ngẫu nhiệt và các mũi khoan kim cương, thường được sử dụng với khối lượng nhỏ. Những vật liệu này phải có những tính chất độc đáo, và trên thực tế chúng không thể thay thế bằng những chất khác được, bởi vậy vấn đề giá thành của chúng chỉ là thứ yếu. Trong nghiên cứu chế tạo thiết bị phức tạp cho ngành dầu khí, thì những vật liệu thông minh dường như hữu ích để tạo ra những công nghệ mới, làm giảm kích thước của các cơ cấu sử dụng và nâng cao sự an toàn khi sử dụng trong tất cả những điều kiện phức tạp hơn của các vỉa quặng.