Đại học Monash tìm cách khắc phục đặc tính dễ ăn mòn của magiê
Hợp kim magiê (Magesium - Mg) là một vật liệu thường được sử dụng trpmg các ứng dụng đòi hỏi khả năng chịu lực tốt. Magiê có cường độ chịu lực riêng rất cao, nhẹ hơn nhôm và đặc biệt được ưa chuông vì dễ gia công bằng máy và khả năng đúc khuông thành dạng lưới. Tuy nhiên, hợp kim magiê lại dễ bị ăn mòn. Vì vậy, một nhóm các nhà nghiên cứu tại đại học Monash (Úc) mới đây đã nghĩ ra một ý tưởng độc đáo và tiềm năng có thể giải quyết được vấn đề cố hữu của hợp kim magiê. Theo đó, họ sẽ làm nhiễm độc các phản ứng hóa học gây ăn mòn hợp kim magiê bằng cách bổ sung nguyên tố Asen (Arsenic - As).
Hợp kim magiê được xem là một giải pháp thay thế trọng lượng nhẹ đối với các thành phần bằng nhôm, titan và thép trong nhiều ứng dụng vận tải và hàng không. Tuy nhiên, hợp kim này dễ bị mòn và thường không thể được thay thế cho những kim loại không ăn mòn trong các ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy cao với nhiều điều kiện môi trường. Kết quả là hợp kim magiê chỉ được sản xuất khoảng 1 triệu tấn mỗi năm so với con số hơn 50 triệu tấn hợp kim nhôm.
Những nghiên cứu và phát triển được thực hiện trong thập kỷ trước đã giải quyết một số vấn đề nhất định của hợp kim magiê. Scandi (Scandium - Sc) và gadolini (Gadolinium - Gd) đã được bổ sung giúp kìm hãm khuynh hướng tăng nhiệt của magiê và đặc tính dễ cháy cũng được giảm thiểu bằng cách thêm canxi (Ca) vào hỗn hợp.
Thế nhưng, khả năng chống ăn mòn của magiê hợp kim vẫn không được cải thiện nhiều. Theo các nhà nghiên cứu, sự hiện diện của sắt (Fe), nickel (Ni), đồng (Cu) và coban (Co) trong hợp kim magiê kích hoạt mạnh mẽ quá trình ăn mòn. Các kim loại này có giới hạn hòa tan rắn (có nghĩa trên một tỉ lệ rất nhỏ, chúng kết tủa như các hợp chất liên kết kim loại ngay bên trong cấu trúc hợp kim) và trên thực tế, chúng có đặc tính điện hóa phù hợp để hoạt động như các cathode hoạt hóa, làm mất nước và lượng magiê từ hợp kim.
Nếu hợp kim magiê có lượng các kim loại trên ít hơn, nó sẽ được cải thiện khả năng chống ăn mòn. Sự hiện diện của sắt có thể được giải quyết bằng cách thêm nhiều mangan (Manganese - Mn) vào hợp kim. Tuy nhiên, việc duy trì tỉ lệ chính xác các kim loại trong cấu trúc hợp kim magiê lại làm tăng giá trị vật liệu và không thật sự giải quyết được vấn đề ăn mòn.
Nhóm nghiên cứu tại đại học Monash dẫn đầu bởi giáo sư Nick Birbilis đã tìm cách bổ sung một loại chất gây ngộ độc cathode vào hợp kim magiê. Các chất ngộ độc cathode làm cản trở phản ứng khử cực âm, chiếm giữ nguyên tử hydro bên trong cấu trúc của một kim loại. Điều này ngăn cản sự hình thành của khí hydro tự do cần có để cân bằng quá trình ăn mòn hóa học. Những chất độc cathode gây ức chế phản ứng khử cực âm có thể kể đến như asen (As), antimon (Stibium - Sb), lưu huỳnh (S), selen (Selenium - Se) và telua (Tellurium - Te). Kết quả là khi thêm asen ở tỉ lệ 1/3% vào hợp kim magiê, tỉ lệ ăn mòn của hợp kim trong dung dịch muối đã giảm xuống gần 1/10.
Nghiên cứu đầu tiên của giáo sư Birbilis nhằm mục đích chứng minh nguyên lý của việc sử dụng chất ngộ độc cathode. Phòng thí nghiệm của giáo sư Birbilis hiện tại đang làm việc với các nhà tài trợ để phát triển một loạt các hợp kim magiê không ghỉ có thể thương mại hóa.
Birbilis nói: "Đây là một phát hiện quan trọng và kịp thời. Trong một thời đại khi yếu tố trọng lượng nhẹ góp phần làm giảm mức tiêu hao nhiên liệu và khí thải, nhu cầu về các hợp kim magiê được sử dụng trong mọi thứ từ thiết bị điện tử cầm tay đến phương tiện vận tải hàng không và đường bộ ngày một tăng. Các sản phẩm magiê nhanh chóng được cải tiến để đáp ứng nhu cầu của nhiều ngành công nghiệp nhưng vẫn gặp phải trở ngại bởi tỉ lệ ăn mòn cao. Phương pháp sử dụng asen mà chúng tôi khám phá giờ đây đang được thử nghiệm như một chất phụ gia chức năng bổ sung vào các hợp kim thương mại hiện có. Phát hiện của chúng tôi sẽ giúp phát triển thế hệ sản phẩm từ magiê tiếp theo với đặc tính không gỉ cao hơn."
Mặc dù thép không gỉ đang được sử dụng rất phổ biến trong cuộc sống của chúng ta nhưng magiê không gỉ rõ ràng vẫn có tiềm năng thay đổi cục diện.
Song song với đại học Monash, đại học Wales và CSIRO cũng tham gia vào quá trình nghiêm cứu. Một báo cáo về nghiên cứu đã được đăng tải trên tạp chí Electrochemistry Communications.
P/S: Hợp kim magiê được sử dụng khá phổ biến trong thế giới thiết bị số. Rất nhiều dòng laptop doanh nhân/doanh nghiệp với phần vỏ được làm bằng magiê. Toshiba Portege, HP EliteBook, Dell ATG và Panasonic ToughBook là những cái tên điển hình. Ngoài ra, các nhà sản xuất máy ảnh như Nikon, Canon, Pentax cũng thường sử dụng hợp kim magiê để chế tạo khung, vỏ máy để tăng khả năng chống va đập.
