I. Tổng quan nghiên cứu tấm xốp gia cường graphene tại HCMUTE
Nghiên cứu về vật liệu composite tiên tiến đang thu hút sự quan tâm lớn trong kỹ thuật hiện đại. Đề tài tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM năm 2025 tập trung vào tấm xốp gia cường graphene. Kết cấu này kết hợp giữa kim loại xốp phân cấp chức năng và các tiểu cầu nano graphene siêu bền. Cấu trúc lỗ xốp giúp giảm trọng lượng bản thân của tấm kim loại một cách rõ rệt. Đồng thời, sự hiện diện của các tiểu cầu graphene cải thiện đáng kể độ cứng cũng như độ bền cơ học tổng thể. Vật liệu phân cấp chức năng cho phép biến đổi trơn tru tính chất đàn hồi theo phương chiều dày. Điều này ngăn ngừa hiện tượng tập trung ứng suất hay tách lớp thường gặp ở composite truyền thống. Mô hình nghiên cứu khảo sát nhiều dạng hình học khác nhau bao gồm tấm chữ nhật, tấm hình tròn và tấm hình vuông có lỗ khoét trung tâm. Ngoài ra, kết cấu tấm được đặt trên nền đàn hồi Winkler-Pasternak nhằm phản ánh chính xác điều kiện làm việc thực tế. Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết vững chắc cho bài toán dao động tự do của tấm xốp.
1.1. Cấu trúc vật liệu kim loại xốp phân cấp chức năng
Kim loại xốp phân cấp chức năng sở hữu hệ thống lỗ rỗng biến thiên liên tục trong không gian. Cấu trúc tế bào xốp mang lại khả năng tiêu tán năng lượng vượt trội. Trọng lượng tổng thể của chi tiết kết cấu giảm đáng kể. Tuy nhiên, sự xuất hiện của lỗ rỗng làm suy giảm độ cứng kết cấu. Để bù đắp khiếm khuyết này, vật liệu nền được bổ sung các hạt nano gia cường. Phân bố độ xốp có thể thiết kế đối xứng hoặc bất đối xứng theo chiều dày tấm. Dạng phân bố đối xứng giúp cân bằng ứng suất uốn ở hai bề mặt ngoài. Cấu trúc xốp phân cấp chức năng hạn chế nguy cơ nứt gãy cơ học. Các nghiên cứu cơ học tạo điều kiện tối ưu hóa quá trình chế tạo vật liệu mới.
1.2. Vai trò gia cường của các tiểu cầu graphene nano
Tiểu cầu graphene là dạng vật liệu carbon hai chiều với độ bền cơ học phi thường. Mô đun đàn hồi của graphene đạt mức xấp xỉ một terapascal. Khi trộn vào nền kim loại xốp, các tiểu cầu graphene đóng vai trò như mạng lưới khung xương gia cố. Chúng cản trở sự lan truyền của các vết nứt tế vi. Đồng thời, diện tích tiếp xúc bề mặt cực lớn giúp truyền tải ứng suất hiệu quả. Tỷ lệ thể tích graphene phân bố dọc theo chiều dày quyết định trực tiếp đến tần số dao động riêng. Việc phân tán hợp lý các phiến nano giúp tấm xốp vừa nhẹ vừa có khả năng chịu tải trọng uốn vượt trội. Đây là giải pháp đột phá trong ngành cơ kỹ thuật.
II. Phân tích ứng xử cơ học của tấm xốp gia cường graphene
Việc đánh giá ứng xử động lực học của kết cấu tấm xốp gia cường graphene đặt ra nhiều thách thức cơ học phức tạp. Hệ thống phải đối mặt với ảnh hưởng đồng thời từ biến dạng cắt, độ rỗng vật liệu và tương tác nền đàn hồi. Khi tỷ lệ lỗ xốp tăng lên, độ cứng uốn của tấm suy giảm nhanh chóng. Điều này dẫn đến sự sụt giảm rõ rệt của các tần số dao động tự do. Mặt khác, sự phân bố không đồng đều của các tiểu cầu graphene tạo ra gradient cơ tính phức tạp theo phương z. Các lý thuyết tấm cổ điển thường bỏ qua biến dạng cắt ngang, gây ra sai số lớn đối với tấm có chiều dày vừa và dày. Tương tác cơ học giữa tấm và nền móng Winkler-Pasternak cũng thay đổi liên tục theo điều kiện biên. Các liên kết ngàm hoặc tựa đơn chi phối mạnh mẽ mode dao động riêng. Nếu thiếu mô hình toán học chuẩn xác, kỹ sư không thể dự đoán chính xác hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm. Phân tích chuyên sâu hành vi dao động tự do là yêu cầu bắt buộc trước khi đưa kết cấu vào chế tạo.
2.1. Ảnh hưởng của quy luật phân bố độ xốp và graphene
Nghiên cứu khảo sát ba dạng phân phối độ xốp và ba dạng phân bố graphene theo phương chiều dày. Khi độ xốp tập trung nhiều ở mặt trung hòa và giảm dần về hai bề mặt, tấm đạt độ cứng uốn cao nhất. Ngược lại, nếu mật độ lỗ xốp phân bố nhiều ở lớp bề mặt, cấu trúc dễ bị uốn võng. Tương tự, việc tập trung các tiểu cầu graphene tại các lớp ngoài biên giúp tăng cường đáng kể mô đun chống uốn. Các dạng phân bố bất đối xứng tạo ra độ lệch tâm hình học và khớp nối kéo uốn. Sự thay đổi các quy luật này làm dịch chuyển phổ tần số dao động riêng của toàn bộ tấm.
2.2. Tác động của nền đàn hồi Winkler Pasternak đa thông số
Mô hình nền đàn hồi hai thông số Winkler-Pasternak mô phỏng sự hỗ trợ cơ học từ môi trường xung quanh. Hệ số Winkler đại diện cho độ cứng chống lún tuyến tính dưới tác dụng của lò xo đàn hồi. Trong khi đó, hệ số cắt Pasternak thể hiện sự truyền lực cắt tương hỗ giữa các phần tử nền kế cận. Khi độ cứng của nền tăng, tần số dao động tự do của tấm xốp gia cường graphene tăng lên tương ứng. Nền Pasternak tác động mạnh hơn đến các mode dao động bậc cao so với nền Winkler đơn thuần. Nền móng đàn hồi đóng vai trò giảm chấn tự nhiên, hạn chế hiện tượng rung lắc quá mức của kết cấu chịu tải.
III. Phương pháp giải bài toán tấm xốp gia cường graphene
Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM áp dụng phương pháp số tiên tiến nhằm giải quyết bài toán cơ học phi tuyến phức tạp. Trước hết, mô hình vi cơ học Halpin-Tsai được sử dụng để ước tính mô đun đàn hồi hiệu dụng của composite gia cường graphene. Quy luật hỗn hợp hiệu chỉnh cũng xác định khối lượng riêng và hệ số Poisson của kết cấu xốp. Để mô tả trường chuyển vị, nghiên cứu áp dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc cao. Lý thuyết này thỏa mãn điều kiện ứng suất cắt bằng không tại bề mặt tự do mà không cần hệ số hiệu chỉnh cắt. Tiếp theo, nguyên lý biến phân Hamilton hỗ trợ thiết lập hệ phương trình chuyển động chủ đạo của tấm trên nền đàn hồi. Phương pháp không lưới được lập trình trực tiếp trên môi trường tính toán Matlab để rời rạc hóa miền tính toán. Phương pháp này loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào lưới phần tử, cho phép xử lý linh hoạt các hình dạng tấm phức tạp như tấm có lỗ khoét hình trái tim. Thuật toán đảm bảo tính hội tụ nhanh và độ chính xác cao.
3.1. Mô hình vi cơ học Halpin Tsai và lý thuyết cắt bậc cao
Mô hình vi cơ học Halpin-Tsai đóng vai trò then chốt trong việc tính toán đặc tính đàn hồi của vật liệu composite phân cấp. Mô hình kết hợp hình học tiểu cầu graphene, tỷ lệ thể tích nano và đặc trưng cơ tính kim loại nền. Phương trình xác định mô đun đàn hồi hữu hiệu theo từng lớp dọc theo chiều dày tấm. Đồng thời, lý thuyết biến dạng cắt bậc cao biểu diễn trường chuyển vị phi tuyến qua hàm phân bố parabol. Cách tiếp cận này loại bỏ hoàn toàn hiện tượng khóa cắt thường xảy ra trong các mô hình số. Phép gần đúng vi phân bậc cao mang lại lời giải chính xác cho các tấm chịu uốn và dao động phức tạp.
3.2. Thuật toán không lưới lập trình trên phần mềm Matlab
Phương pháp không lưới khắc phục triệt để nhược điểm méo lưới của phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống. Các điểm nút phân bố rải rác tự do trong miền tính toán của tấm. Hàm dạng xấp xỉ bình phương tối thiểu di động được xây dựng tại từng nút tính toán. Chương trình Matlab tự động hóa toàn bộ quy trình thiết lập ma trận độ cứng, ma trận khối lượng và giải bài toán trị riêng. Mã nguồn tính toán linh hoạt thích ứng với các hình học bất quy tắc. Thuật toán kiểm tra điều kiện biên tựa đơn và ngàm nhanh chóng. Kết quả kiểm chứng đạt độ tin cậy tuyệt đối qua sự hội tụ ổn định.
IV. Ứng dụng thực tiễn của tấm xốp gia cường graphene năm 2025
Kết quả nghiên cứu đồ án tốt nghiệp năm 2025 mang lại giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn sâu rộng. Phân tích số chứng minh rằng việc bố trí tối ưu các tiểu cầu graphene giúp kiểm soát hiệu quả tần số dao động riêng của tấm xốp. Kết cấu tấm kim loại xốp phân cấp chức năng đạt được tỷ lệ độ bền trên trọng lượng tối ưu. Tấm composite siêu nhẹ này có khả năng chống chịu tải trọng động lực học khắc nghiệt mà vẫn tiết kiệm đáng kể khối lượng vật liệu. Trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, vật liệu giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu máy bay nhờ giảm tải trọng cấu trúc thân cánh. Trong ngành công nghiệp ô tô điện, tấm xốp gia cường graphene bảo vệ các khay pin khỏi va đập và rung động mặt đường. Hơn nữa, vật liệu còn đóng vai trò tấm chắn hấp thụ xung kích và cách âm cách nhiệt hiệu quả trong các công trình kỹ thuật biển. Đồ án của sinh viên Lê Thanh Đạt tại HCMUTE mở ra tiềm năng lớn cho việc ứng dụng vật liệu nano tiên tiến vào sản xuất công nghiệp thực tế.
4.1. Tiềm năng ứng dụng trong hàng không và công nghiệp ô tô
Tấm composite xốp gia cường graphene đáp ứng tiêu chuẩn nghiêm ngặt về trọng lượng siêu nhẹ và độ bền va đập. Trong hàng không vũ trụ, việc ứng dụng tấm xốp làm vỏ máy bay và cánh nâng giúp giảm tải trọng cấu trúc. Điều này cải thiện hiệu suất động cơ và cắt giảm khí thải độc hại ra môi trường. Trong ngành sản xuất xe điện, vật liệu được dùng để chế tạo vỏ bảo vệ cụm pin và khung gầm hấp thụ năng lượng va chạm. Độ cứng uốn cao cùng khả năng phân tán lực va đập nhanh chóng bảo vệ tối đa các linh kiện điện tử nhạy cảm. Đây là vật liệu tương lai của ngành vận tải.
4.2. Hướng phát triển mở rộng trong kỹ thuật công trình biển
Môi trường biển đòi hỏi các kết cấu tấm chịu được sóng gió và tải trọng dao động chu kỳ liên tục. Tấm xốp gia cường graphene đặt trên nền móng đàn hồi cung cấp giải pháp gia cố vách tàu thủy và chân đế giàn khoan. Khả năng chống mỏi và giảm chấn động của vật liệu hạn chế sự lan truyền vết nứt do mỏi cơ học. Ngoài ra, cấu trúc lỗ rỗng phân cấp còn tăng cường hiệu quả cách nhiệt và tiêu âm dưới áp suất sóng biển. Các công trình nghiên cứu tiếp theo sẽ tích hợp tác động nhiệt độ và môi trường ăn mòn muối biển. Hướng đi này giúp hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế thực tế.
