Theo Wonderful Engineering, các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang North Carolina (NC State University, Mỹ) đang phát triển một loại vật liệu composite đặc biệt với kỳ vọng cải thiện khả năng bảo vệ hành khách khi ô tô xảy ra va chạm.
Vật liệu này được gọi là bọt kim loại composite, cấu tạo từ hàng nghìn quả cầu thép không gỉ rỗng nằm trong một nền thép không gỉ.
Điểm đáng chú ý nằm ở cách vật liệu phản ứng khi chịu lực lớn.
Trong những thiết kế thông thường, một bộ phận kết cấu của xe có thể bị gập hoặc biến dạng mạnh tại một số vị trí khi xảy ra tai nạn. Trong khi đó, khi bọt thép được đưa vào bên trong dầm chống va chạm bằng nhôm, kết cấu có thể biến dạng dần, giúp hấp thụ năng lượng trong quá trình va chạm.
Vật liệu này được gọi là bọt kim loại composite, cấu tạo từ hàng nghìn quả cầu thép không gỉ rỗng nằm trong một nền thép không gỉ (Ảnh: Techxplore).
Nói cách khác, thay vì để một lượng lớn năng lượng truyền đi trong thời gian rất ngắn, kết cấu được thiết kế để "hy sinh" bằng cách biến dạng có kiểm soát.
Đây là nguyên lý quan trọng bởi mức giảm tốc đột ngột và lực truyền tới khoang hành khách có liên quan trực tiếp đến nguy cơ chấn thương đối với người ngồi trong xe.
Giảm mạnh lực tác động trong mô phỏng
Nghiên cứu được thực hiện bởi kỹ sư Aman Kaushik cùng Giáo sư Afsaneh Rabiei thuộc lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ.
Để đánh giá hiệu quả của giải pháp, nhóm nghiên cứu sử dụng mô phỏng máy tính và so sánh kết cấu chứa bọt thép với hai dạng dầm chống va chạm khác.
Một là dầm thép tiết diện hình chữ nhật, dạng kết cấu thường gặp trên xe tải. Thiết kế còn lại là dầm nhôm có tiết diện bát giác kép, đại diện cho dạng kết cấu có thể xuất hiện trên những mẫu sedan hiện đại.
Kết quả mô phỏng ở tốc độ khoảng 88km/h cho thấy sự khác biệt đáng kể.
So với thiết kế dầm nhôm bát giác kép, kết cấu sử dụng bọt thép giúp giảm khoảng 38% lực va chạm cực đại và mức giảm tốc cực đại.
Các chỉ số liên quan tới mức độ nghiêm trọng của va chạm và nguy cơ chấn thương đầu cũng giảm khoảng 45%.
Khoảng cách thậm chí lớn hơn khi nhóm nghiên cứu so sánh với dầm thép hình chữ nhật.
Trong mô phỏng, dầm thép này bị nén hoàn toàn và truyền một lực lớn sau va chạm. Trong khi đó, thiết kế sử dụng bọt thép giảm tới khoảng 84% một số chỉ số tương ứng.
Chỉ số đánh giá mức độ nghiêm trọng của va chạm trong mô phỏng thấp hơn khoảng 16 lần, trong khi chỉ số chấn thương đầu HIC thấp hơn khoảng 6 lần.
Kết quả cho thấy khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu có thể giúp kéo dài quá trình giảm tốc, thay vì để xe và người bên trong phải chịu một xung lực rất lớn trong khoảng thời gian ngắn.
Có thể giúp ô tô chịu va chạm ở tốc độ cao hơn
Một kết quả khác được nhóm nghiên cứu quan tâm là ngưỡng tốc độ mà tại đó các chỉ số an toàn bắt đầu vượt giới hạn nguy hiểm.
Theo mô phỏng, một thiết kế sử dụng vật liệu mới chỉ vượt ngưỡng nghiêm trọng ở tốc độ khoảng 96km/h. Với chỉ số chấn thương đầu HIC, ngưỡng này vào khoảng 124km/h.
Kết quả cho thấy khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu có thể giúp kéo dài quá trình giảm tốc (Ảnh: Techxplore).
Các mức tương ứng cao hơn khoảng 34% và 40% so với thiết kế dầm nhôm bát giác kép được sử dụng để đối chiếu.
Giáo sư Afsaneh Rabiei kỳ vọng khả năng hấp thụ năng lượng của bọt kim loại composite có thể cho phép các nhà sản xuất thu ngắn một số kết cấu hấp thụ va chạm ở đầu xe mà vẫn duy trì hoặc cải thiện khả năng bảo vệ.
Nếu thực hiện được, giải pháp có thể góp phần giảm khối lượng phương tiện, qua đó cải thiện hiệu suất sử dụng năng lượng.
Nhóm nghiên cứu cũng hướng tới một lĩnh vực đang được các hãng xe đặc biệt quan tâm là ô tô điện.
Bộ pin trên xe điện không chỉ cần được bảo vệ khỏi biến dạng cơ học trong tai nạn mà còn phải đối mặt với nguy cơ nhiệt và cháy. Khả năng chịu nhiệt, chống cháy cùng đặc tính hấp thụ năng lượng khiến bọt kim loại composite trở thành một hướng vật liệu đáng chú ý cho các kết cấu bảo vệ pin trong tương lai.
Vẫn còn khoảng cách với một vụ va chạm ngoài đời thực
Dù những con số từ nghiên cứu khá đáng chú ý, kết quả hiện tại chưa đồng nghĩa ô tô sử dụng vật liệu này chắc chắn sẽ an toàn hơn khi lưu thông thực tế.
Các thử nghiệm mới được thực hiện bằng mô phỏng máy tính. Nhóm nghiên cứu chưa tiến hành một vụ thử va chạm xe hoàn chỉnh ngoài thực tế với kết cấu mới.
Mô hình cũng chưa tái hiện đầy đủ hàng loạt yếu tố ảnh hưởng đến khả năng bảo vệ con người trong tai nạn như dây an toàn, túi khí hay hình nộm thử nghiệm va chạm.
Do đó, kết quả hiện tại chủ yếu cho thấy sự khác biệt về khả năng hấp thụ năng lượng giữa các thiết kế dầm, thay vì đánh giá toàn diện mức độ an toàn của một chiếc ô tô.
Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến tiến hành các thử nghiệm vật lý dựa trên những tiêu chuẩn của Cơ quan An toàn Giao thông Đường bộ Quốc gia Mỹ (NHTSA).
Chỉ khi trải qua các thử nghiệm thực tế và được kiểm chứng thêm, tiềm năng của vật liệu mới đối với ô tô thương mại mới có thể được đánh giá đầy đủ.
