Phỏng vấn Trung tá, PGS.TS. Zbyněk Studený, Trưởng khoa Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Công nghệ Quân sự, về các ứng dụng của X-ray CT trong nghiên cứu bảo vệ chống đạn và vật liệu composite tiên tiến.
Đại học Quốc phòng tại Brno đã trở thành trường đại học đầu tiên của Séc triển khai hệ thống chụp cắt lớp vi tính tia X (microtomograph) Tescan UNITOM XL cho mục đích nghiên cứu. Hệ thống tiên tiến này cho phép phân tích 3D không phá hủy các vật liệu với độ phân giải ở mức micromet và có khả năng xuyên thấu nhiều loại mẫu vật, từ vài mm đến vài chục cm. Chúng tôi đã có buổi trò chuyện với Trung tá, PGS.TS. Zbyněk Studený để tìm hiểu lý do tại sao một trường đại học quân sự lại đầu tư vào một trong những hệ thống CT tinh vi nhất cả nước và cách nó đang được sử dụng.
Bảo vệ chống đạn dưới chùm tia X
Đại học Quốc phòng sử dụng vi chụp cắt lớp tia X (microCT) như thế nào? Ứng dụng chính của chúng tôi là nghiên cứu các hệ thống bảo vệ chống đạn thụ động và hành vi của chúng trong các thử nghiệm bắn đạn thật. Chúng tôi phát triển các vật liệu chống đạn làm từ sợi aramid và các loại vật liệu composite khác nhau, kết hợp với các cấu trúc được sản xuất bằng in 3D. Bạn có thể hình dung nó như một hệ thống mô-đun gồm các tấm bảo vệ có thể gắn lên thùng container hoặc dùng để bảo vệ công trình. Khi một tấm bị trúng đạn và hư hỏng, bạn chỉ cần thay thế tấm đó trong khi phần còn lại của hệ thống vẫn tiếp tục hoạt động.
Việc thử nghiệm và chế tạo mẫu thử đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các vật liệu sáng tạo này. Chúng tôi sản xuất các cấu trúc và tấm sandwich, sau khi bị bắn thủng, chúng sẽ được quét bằng microCT và phân tích chi tiết. Đối với sợi Kevlar, chúng tôi kiểm tra từng vết đứt gãy của sợi và đánh giá cách chúng bị cắt hoặc biến dạng. Trong các cấu trúc in 3D, chúng tôi phân tích hành vi biến dạng – điều mà các phương pháp khác rất khó đánh giá. Trong khi kính hiển vi điện tử chỉ hiển thị bề mặt, chúng không cho phép nhìn thấu cấu trúc bên trong của vật liệu.
Trước đây ông thực hiện các phân tích này như thế nào? Chúng tôi đã sử dụng kính hiển vi điện tử (SEM), thiết bị này thực sự có độ phân giải cao hơn, nhưng việc chuẩn bị mẫu khó khăn hơn đáng kể. Từ một tấm bảng kích thước khoảng 30 × 30 cm, chúng tôi phải cắt ra đúng vị trí va chạm (vùng bị hư hỏng chỉ rộng vài mm). Việc chuẩn bị mẫu này cho phân tích SEM cực kỳ tốn thời gian, đặc biệt là với các vật liệu cứng. Với UNITOM XL, chúng tôi có thể đặt nguyên mẫu lên bàn xoay và bắt đầu quét ngay lập tức, quan sát cấu trúc bên trong hoặc thậm chí theo dõi quá trình biến dạng trong thời gian thực. Điều này là không thể trước khi chúng tôi có microCT.
Cơ sở hạ tầng nghiên cứu hoàn chỉnh
Ông vẫn đang vận hành kính hiển vi điện tử trong phòng thí nghiệm chứ? Tại cơ sở thứ hai, chúng tôi đã sử dụng kính hiển vi điện tử Tescan MIRA trong bốn năm qua. Cả hai phương pháp phân tích này bổ trợ cho nhau rất tốt vì mỗi phương pháp cung cấp các loại thông tin khác nhau. SEM cung cấp chi tiết bề mặt độ phân giải cao, trong khi CT cung cấp cái nhìn không phá hủy về cấu trúc bên trong. Cả hai góc nhìn đều thiết yếu đối với chúng tôi.
UNITOM đạt được độ phân giải bao nhiêu? Chúng tôi có thể đạt tới mức vài chục micromet, điều này rất quan trọng để hình dung các vết nứt trong sợi Kevlar hoặc aramid. Những sợi này mỏng hơn cả sợi tóc người.
Ông tích hợp các thiết bị này vào giảng dạy như thế nào? Chúng chủ yếu được sử dụng ở bậc tiến sĩ. Ở bậc thạc sĩ, sinh viên được giới thiệu thông qua các buổi trình diễn trong các khóa học về đo lường và đặc tính vật liệu. UNITOM mới được lắp đặt từ đầu năm học này, nên chúng tôi đang chuẩn bị để tích hợp nó vào chương trình giảng dạy. Tuy nhiên, bắt đầu từ năm 2026, chúng tôi sẽ ra mắt chương trình học mới với các khóa học dựa trên các kỹ thuật đo lường và hình ảnh khác nhau, và UNITOM sẽ đóng một vai trò quan trọng.
Chúng tôi đã có các ứng viên tiến sĩ tập trung vào in 3D đang mong đợi thiết bị này để hoàn thành các thí nghiệm. Việc ghi lại cấu trúc bên trong, các vết nứt và đặc biệt là độ rỗng (porosity) trong các bộ phận in 3D là một ứng dụng lý tưởng cho UNITOM XL, và việc phân tích đơn giản hơn nhiều so với SEM. Trước đây, chúng tôi phải chuẩn bị từng mẫu và chỉ quan sát được bề mặt 2D bằng cách cắt lớp từng lát một. Giờ đây, chúng tôi nghiên cứu toàn bộ thể tích trực tiếp ở dạng 3D.
Tại sao việc đánh giá độ rỗng lại quan trọng như vậy? Trong in 3D, một phần nghiên cứu tập trung vào phát triển vật liệu mới hoặc cải tiến vật liệu cũ và hiểu cách các thiết lập thông số in ảnh hưởng đến đặc tính của chúng. Đối với các thành phần chịu tải hoặc mô-men xoắn, các lỗ rỗng là không mong muốn vì mỗi lỗ rỗng đóng vai trò như một điểm tập trung ứng suất, nơi vết nứt có thể khởi phát và dẫn đến hỏng hóc nghiêm trọng. Mặt khác, một số ứng dụng lại có lợi từ độ rỗng, vì các lỗ rỗng có thể lưu trữ chất bôi trơn hoặc giúp kiểm soát việc truyền năng lượng trong quá trình biến dạng.
Ông in những loại vật liệu nào? Chủ yếu là polymer, mặc dù hiện tại chúng tôi cũng vận hành một máy in 3D kim loại. Đó là lý do tại sao chúng tôi tìm kiếm một hệ thống có nguồn tia X cực mạnh, có khả năng xuyên qua vài chục mm hợp kim kim loại.
Thông số kỹ thuật và Quy trình làm việc
Kích thước mẫu mà UNITOM XL có thể xử lý là bao nhiêu? Đúng như tên gọi (XL), chúng tôi có buồng mẫu lớn nhất hiện nay, bạn thậm chí có thể vừa một người trưởng thành bên trong khi bảo trì. Bàn mẫu hỗ trợ trọng lượng lên tới 45 kg, mức mà chúng tôi tận dụng tối đa khi quét các tấm bảo vệ chống đạn lớn. Chiều cao mẫu có thể lên tới 1 mét vì nguồn tia X di chuyển thẳng đứng dọc theo một cột đá granite bóng. Chiều rộng tối đa khoảng 400 mm. Điều này cho phép chúng tôi quét, ví dụ, một nòng súng hoặc toàn bộ một khẩu súng nhỏ để kiểm tra chi tiết cấu trúc bên trong.
Có vật liệu nào mà UNITOM không thể xuyên qua không? Chì là vật liệu thách thức nhất vì nó làm suy giảm tia X rất mạnh. Nhưng các vật liệu chúng tôi sử dụng thường xuyên nhất như hợp kim kim loại và composite thì không thành vấn đề.
Một lần quét mất bao lâu? Tùy thuộc vào mức độ chi tiết yêu cầu. Một lần quét tổng quan chỉ mất vài phút. Tập trung vào một vùng chi tiết có thể mất từ 8 đến 9 giờ. Tuy nhiên, việc quét là tự động và có thể truy cập từ xa để theo dõi quá trình từ bất cứ đâu.
Phân tích hóa học và Thử nghiệm cơ học tại chỗ (In-situ)
UNITOM XL có cung cấp khả năng phân tích hóa học không? Chắc chắn rồi. Ngoài đầu dò hình ảnh chính, UNITOM XL còn được trang bị một đầu dò phổ (SPECTRAL) thứ hai để đo phổ phát xạ, cho phép phân tích thành phần hóa học. Điều này cực kỳ quan trọng vì trong khi SEM chỉ cho phép phân tích nguyên tố ở bề mặt, microCT cho chúng ta cái nhìn sâu vào cấu trúc hóa học bên trong. Khoa của chúng tôi đã nghiên cứu công nghệ kỹ thuật bề mặt, đặc biệt là thấm nitơ plasma, trong hơn 30 năm, và giờ đây chúng tôi đang mở rộng sang PVD (Lắng đọng hơi vật lý).
Hệ thống của ông cũng được trang bị bộ thử nghiệm cơ học in-situ. Nó cho phép nghiên cứu điều gì? Nó cho phép thực hiện các thử nghiệm kéo và nén trực tiếp bên trong máy microCT. Thiết bị được gắn trên bàn xoay, cho phép chúng tôi quét mẫu vật trong khi nó đang chịu ứng suất theo thời gian thực. Chúng tôi thu thập không chỉ dữ liệu hình ảnh mà còn cả dữ liệu lực. Điều này cho phép chúng tôi tương quan các thay đổi cấu trúc với tải trọng tác động và xác định chính xác thời điểm vết nứt hoặc biến dạng bắt đầu. Sau khi quét, chúng tôi có được bộ dữ liệu 4D (theo thời gian) có thể xoay, cắt lớp và phân tích để nghiên cứu quá trình lan truyền vết nứt.
Con đường từ ý tưởng đến đầu tư
Ông bắt đầu xem xét việc mua máy CT từ khi nào? Khoảng năm 2019–2020. Trong quân đội, kinh phí cho các khoản đầu tư lớn như vậy đến trực tiếp từ Bộ Quốc phòng. Việc lựa chọn cuối cùng cho Tescan UNITOM XL không chỉ dựa trên giá cả mà còn dựa trên các yếu tố đi kèm quan trọng như chi phí vận hành thấp, điều kiện bảo hành và thời gian phản hồi sửa chữa cam kết.
Ngoài ra, chúng tôi cũng là thành viên của Mạng lưới Hợp tác Tescan (Tescan Collaboration Network), một cộng đồng toàn cầu uy tín gồm những người dùng kính hiển vi tiên tiến để chia sẻ kiến thức và chuyên môn.
Source: https://tescan.com/news/unitom-xl-university-of-defence-microct-installation
Liên hệ và Yêu cầu hỗ trợ
