Thế nào là vật liệu công năng bậc thang?
Bạn có nghe nói đến thuật ngữ vật liệu công năng bậc thang chưa? Đây là một thuật ngữ mới được các nhà khoa học Nhật Bản đưa ra năm 1984. Nhưng có điều đáng chú ý là “vật liệu công năng bậc thang” vốn tồn tại trong tự nhiên. Chắc chúng ta ai cũng quen thuộc với vỏ sò, răng, tre trúc đều là những vật liệu công năng bậc thang vốn có trong tự nhiên. Đặc điểm chung của loại vật liệu này là có các tổ chức và cấu trúc nội tại thay đổi đều đặn, liên tục và vì vậy tính chất và công năng của chúng cũng thay đổi theo các bậc thang liên tục.
Vật liệu công năng bậc thang thường thuộc loại vật liệu phức hợp nhưng lại không thuộc vật liệu phức hợp truyền thống, cũng không giống với vật liệu kim loại đơn hoặc hợp kim đồng đều truyền thống. Một khối đồng thuần khiết hoặc một hợp kim đồng – kẽm, ở mỗi loại có thành phần cục bộ và liên quan đến nó là các tính chất vật lý, hoá học đều giống nhau trong từng loại. Còn trong vật liệu phức hợp truyền thống như bê tông cốt thép, thuỷ tinh thép… chúng có các thành phần và cấu trúc có sự thay đổi đột biến, có nghĩa là giữa các vật liệu khác nhau có một ranh giới rõ rệt. Còn trong vật liệu công năng bậc thang, từ bộ phận có thành phần này đến bộ phận có thành phần khác có sự thay đổi liên tục, cho nên các thành phần, kết cấu trong vật liệu rất đều đặn, không có một ranh giới thay đổi đột ngột. Vật liệu công năng bậc thang có thể tồn tại hai tổ hợp, song cũng có thể có nhiều tổ hợp.
Mô hình cấu trúc vật liệu (lấy vật liệu hai thành phần làm ví dụ).
Mục đích đầu tiên của các nhà khoa học cho vật liệu công năng bậc thang là giải quyết vấn đề khó xuất hiện khi thiết kế, chế tạo máy bay vũ trụ: Là hệ thống bảo vệ nhiệt. Theo các đo đạc khi máy bay vũ trụ đang bay thì nhiệt mặt ngoài của máy bay có chỗ có thể lên đến 1800°C, vì vậy vật liệu của lớp vỏ ngoài phải bền ở nhiệt độ cao và có khả năng chống oxy hoá, trong khi đó chỉ cần ở lớp bên trong nhiệt độ xuống đến 1600°C thì do sự thay đổi nhiệt độ lớn có thể tạo nên hiện tượng nhiệt ứng lực, trong khi đó vật liệu toàn khối phải có độ bền tốt. Vật liệu bình thường nói chung khó chịu đựng điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt như vậy, còn vật liệu công năng bậc thang có thể làm việc bình thường trong điều kiện khó khăn đó.