Trong bối cảnh cuộc đua phát triển vệ tinh cỡ nhỏ ngày càng tăng tốc trên toàn cầu, bài toán vật liệu trở thành một trong những thách thức cốt lõi. Làm sao để giảm khối lượng nhưng vẫn đảm bảo độ bền, độ cứng và khả năng chịu rung trong quá trình phóng đó là yêu cầu kỹ thuật khắt khe mà các kỹ sư buộc phải giải quyết.

Từ thực tế này, TS. Tô Anh Đức cùng nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Vũ trụ Việt Nam (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã triển khai đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm ứng dụng vật liệu CFRP/CNMs trong hộp bảo vệ linh kiện của vệ tinh” (mã số: VAST01.03/24-25). Điểm khác biệt của nghiên cứu không nằm ở việc thay đổi toàn bộ vật liệu, mà bắt đầu từ một chi tiết nhỏ nhưng có vai trò quyết định: lớp keo epoxy liên kết các cấu trúc bên trong.

Trong thiết kế vệ tinh hiện đại, vật liệu tổng hợp sợi carbon (CFRP) đang dần thay thế hợp kim nhôm nhờ ưu thế nhẹ, cứng và linh hoạt trong thiết kế. Tuy nhiên, hạn chế lớn của loại vật liệu này lại nằm ở lớp keo epoxy thành phần đóng vai trò kết dính giữa các lớp sợi, nhưng có xu hướng giòn và dễ nứt khi chịu tải động.

Thay vì tìm kiếm vật liệu hoàn toàn mới, nhóm nghiên cứu lựa chọn cách tiếp cận trực diện vào “nút thắt” này. Giải pháp được đưa ra là bổ sung ống nanocacbon (CNMs) vào keo epoxy nhằm tăng cường cơ tính. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất của vật liệu nano là hiện tượng kết tụ, khiến hiệu quả gia cường bị suy giảm, thậm chí gây tác dụng ngược.

Để khắc phục, nhóm đã tiến hành biến tính bề mặt ống nanocacbon bằng cách gắn các nhóm chức hóa học (-COOH). Nhờ đó, các ống nano có thể phân tán đồng đều trong nền epoxy thay vì tụ lại thành cụm. Sự thay đổi diễn ra ở cấp độ vi mô nhưng tạo ra khác biệt rõ rệt: vật liệu trở nên ổn định hơn, khả năng truyền và phân bố lực được cải thiện, hạn chế đáng kể nguy cơ nứt gãy.

Dựa trên nền tảng này, nhóm nghiên cứu hoàn thiện quy trình chế tạo vật liệu composite, từ khâu phân tán nano, sản xuất keo epoxy gia cường đến tích hợp với sợi carbon. Sản phẩm cuối cùng là hộp bảo vệ linh kiện vệ tinh bộ phận có nhiệm vụ bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm trong điều kiện rung động khắc nghiệt khi phóng.

Kết quả thử nghiệm cho thấy sự khác biệt rõ ràng giữa các phương án vật liệu. Với ống nanocacbon chưa qua xử lý, hiệu quả gia cường gần như không đáng kể do hiện tượng kết tụ. Ngược lại, khi sử dụng ống nano đã biến tính, đặc biệt ở hàm lượng tối ưu khoảng 0,2%, vật liệu đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo: vừa tăng khả năng chịu lực, vừa cải thiện độ biến dạng trước khi gãy.

Hộp bảo vệ linh kiện chế tạo từ vật liệu mới chỉ nặng khoảng 65 gram, tương đương 70% khối lượng của hộp nhôm cùng kích thước, nhưng vẫn đảm bảo độ cứng và độ kín. Trong các thử nghiệm rung động mô phỏng điều kiện phóng, các thông số dao động của hộp gần như không thay đổi và nằm trong giới hạn tiêu chuẩn quốc tế, cho thấy cấu trúc vật liệu ổn định và đáng tin cậy.

Đáng chú ý, khi xét trên cùng đơn vị khối lượng, vật liệu composite sợi carbon gia cường nano cho hiệu quả chịu tải và độ cứng cao hơn so với nhôm, đặc biệt ở phương chịu rung chính một yếu tố quan trọng trong thiết kế vệ tinh.

Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đánh giá cao kết quả của đề tài, đặc biệt ở cách tiếp cận mang tính hệ thống: từ nghiên cứu vật liệu ở cấp độ nano, phát triển công nghệ chế tạo, đến sản phẩm hoàn chỉnh và thử nghiệm trong điều kiện gần với thực tế.

Việc làm chủ vật liệu từ “lõi” nano không chỉ giúp cải thiện hiệu năng sản phẩm cụ thể mà còn tạo nền tảng cho việc phát triển các cấu trúc quan trọng của vệ tinh trong tương lai. Quan trọng hơn, hướng đi này cho thấy khả năng giải quyết bài toán công nghệ theo cách “tối ưu từ bên trong” phù hợp với điều kiện nghiên cứu và sản xuất tại Việt Nam.

Trong bối cảnh ngành công nghiệp vũ trụ đang dịch chuyển theo hướng nhỏ gọn, chi phí thấp nhưng hiệu quả cao, những cải tiến ở cấp độ vật liệu như vậy có thể trở thành chìa khóa để các quốc gia đang phát triển từng bước tham gia sâu hơn vào chuỗi giá trị công nghệ cao.