Trang chủ
Giới thiệu về Fuji Electric
Những câu chuyện
Kết hợp các đặc tính xung đột! “Công nghệ phân tán chất độn” thay đổi tương lai của vật liệu

Kết hợp các đặc tính xung đột! “Công nghệ phân tán chất độn” thay đổi tương lai của vật liệu

“Chất độn”, chỉ là một vài micron bột được trộn vào nhựa. Bột này góp phần đáng kể vào việc giảm kích thước của động cơ và thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (GIS).
“Công nghệ phân tán chất độn” của Fuji Electric là thiết kế vật liệu mang tính đột phá, đồng thời đáp ứng hai điều kiện mâu thuẫn: “cho nhiệt thoát ra ngoài nhưng vẫn giữ điện bên trong”. Chúng tôi đã hỏi ba nhân viên về bối cảnh phát triển của công nghệ này.

“Bột ma thuật” nắm giữ chìa khóa để giảm kích thước thiết bị

Khách hàng ngày càng nói với chúng tôi rằng: “Chúng tôi muốn thiết bị điện nhỏ hơn”.

Tuy nhiên, mặc dù "vật liệu nhựa" được sử dụng cho nhiều thiết bị điện có hiệu suất cách điện tuyệt vời, nhưng nó lại không dễ dẫn nhiệt. Nếu kích thước thiết bị bị thu hẹp khi sử dụng vật liệu nhựa thông thường, sản phẩm có thể bị hư hỏng và hỏng hóc do "nhiệt bị giữ lại trong thiết bị" và "chập điện do phóng điện".

Từ khoảng năm 2021, Fuji Electric đã tập trung vào việc phát triển “công nghệ phân tán chất độn”, một công nghệ sản xuất “vật liệu nhựa có thể tự do kiểm soát cách truyền nhiệt”.

Nhựa được trộn với một loại “vật liệu dạng bột” gọi là “chất độn” để điều chỉnh các đặc tính của nó. Có nhiều loại vật liệu khác nhau được sử dụng làm “chất độn”. Vật liệu được sử dụng ở đây là bột gốm có kích thước hạt từ 1 đến 10 micron.

Tại sao lại là gốm?

Khi cầm đồ sứ và nhựa trên tay, đồ sứ sẽ lạnh hơn. Điều này là do gốm sứ “dẫn nhiệt dễ dàng” và hấp thụ nhiệt từ tay bạn. Tùy thuộc vào lượng chất độn gốm được trộn vào nhựa, có thể điều chỉnh cách dẫn điện và cách truyền nhiệt.

Nhóm phát triển của Fuji Electric đặt mục tiêu “kết hợp những gì tốt nhất” của nhựa và gốm, vốn có những đặc tính trái ngược nhau.

“Mức độ thân thiện” được thể hiện bằng các con số

Bằng cách pha trộn chất độn, có thể tùy chỉnh vật liệu nhựa để đáp ứng nhu cầu của nhiều sản phẩm khác nhau.

Tuy nhiên, có một vấn đề trong việc trộn nhựa và chất độn. Nếu thêm quá nhiều chất độn để tăng hiệu suất của gốm, hiệu suất của nhựa sẽ bị phá hủy.

Điều quan trọng là “tính tương thích giữa nhựa và chất độn”.

Thuật ngữ "gốm" dùng để chỉ hàng chục chất, bao gồm các chất giống thủy tinh và oxit nhôm. Hơn nữa, khả năng tương thích của cùng một chất với nhựa thay đổi tùy theo nhà sản xuất vật liệu; do đó, có vô số sự kết hợp.

Ví dụ, nước và dầu tách ra, nhưng nước và cồn hòa trộn đều. Điều tương tự cũng đúng với mối quan hệ giữa nhựa và chất độn: độ tương thích càng cao, chất độn càng phân tán và hòa trộn đều trong nhựa. Kết quả là, có thể thêm nhiều chất độn hơn vào nhựa.

Ông Gambe của Tập đoàn Vật liệu Nhựa

Để thiết lập công nghệ phân tán chất độn, cần phải tìm ra sự kết hợp có khả năng tương thích tốt giữa vô số các sự kết hợp.

Vào thời điểm đó, ông Gambe, giám đốc Nhóm Vật liệu Nhựa, đã nảy ra ý tưởng sử dụng “Thông số hòa tan Hansen (HSP)” để định lượng “mức độ thân thiện” giữa các vật liệu. Ông Gambe là một nhân viên kỳ cựu, đã rời khỏi một nhà sản xuất vật liệu và gia nhập Fuji Electric.

Ông Gambe cho biết: “Mặc dù Fuji Electric không phải là nhà sản xuất vật liệu, nhưng tôi cảm thấy rằng để đạt được các thông số kỹ thuật cần thiết, tôi sẽ phải áp dụng phương pháp phù hợp dựa trên nghiên cứu vật liệu cơ bản”, khi đề cập đến việc sử dụng HSP, loại vật liệu thường được sử dụng trong nghiên cứu vật liệu.

Phần thú vị nhất là tìm ra lý do tại sao mọi thứ lại trở nên tồi tệ

Tiến sĩ Hosaka, người gia nhập công ty chúng tôi vào năm 2020, đã kế thừa ý tưởng này từ cựu chiến binh, ông Gambe.

HSP giống như một thước đo để đảm bảo rằng các vật liệu nằm trong một vòng tròn được vẽ, như một phạm vi thân thiện, được kết hợp tốt. Phạm vi vòng tròn càng lớn, số lượng vật liệu tương thích càng lớn. Ông đã mở rộng phạm vi vòng tròn càng nhiều càng tốt để tìm ra một giá trị chính xác làm tiêu chí cho ranh giới.

Tiến sĩ Hosaka của Nhóm Vật liệu Nhựa

Quá trình này không hề suôn sẻ, nhưng Tiến sĩ Hosaka nói: "Tôi không nghĩ đó là một cuộc đấu tranh. Ngay cả khi mọi việc không diễn ra tốt đẹp, việc tìm ra nguyên nhân dẫn đến sai sót mới là phần thú vị nhất."

Tiến sĩ Hosaka đã sử dụng HSP để mô phỏng các tổ hợp nhiều lần và cuối cùng đã đưa ra được một giá trị dùng làm tiêu chí cho “sự thân thiện”. Đây là một con số mà không công ty nào khác có thể tính toán được.

“Ngay khi tôi nhận ra giá trị của nó, một điều gì đó chợt lóe lên trong đầu tôi. Cảm giác thật tuyệt vời.” (Tiến sĩ Hosaka)

Áp dụng cho tất cả các sản phẩm sử dụng nhựa

Nghiên cứu này có thể áp dụng cho tất cả các sản phẩm sử dụng nhựa. Tại Fuji Electric, nghiên cứu này được ứng dụng trong những sản phẩm nào?

[Giảm kích thước động cơ]
Vật liệu nhựa được sử dụng làm chất kết dính để cố định các dây dẫn trong động cơ.
Động cơ càng nhỏ, các dây dẫn càng gần nhau và nhiệt càng dễ bị giữ lại. Kết quả là vật liệu nhựa tiếp xúc với nhiệt độ cao và hiệu suất cách điện giảm sút.

Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã trộn chất độn vào nhựa để tăng độ dẫn nhiệt (nhiệt thoát ra ngoài dễ dàng hơn), từ đó ngăn chặn sự gia tăng nhiệt độ bên trong động cơ. Chúng tôi đã thành công trong việc giảm kích thước động cơ tàu thủy xuống 30%.

[Giảm kích thước của thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (GIS)]
GIS được lắp đặt tại các trạm biến áp, trạm truyền tải điện, các cơ sở hạ tầng lớn, v.v. và hoạt động như một công tắc để kiểm soát điện áp cao một cách an toàn. Bên trong GIS, có một bộ phận hình bánh rán làm bằng vật liệu nhựa gọi là "khối cách điện", dùng để đỡ dây dẫn điện cao áp.

"Khoang cách điện", hỗ trợ dây dẫn, có một lỗ hình bánh rán, cho phép dây dẫn điện cao áp đi qua, cho phép điện chỉ đi qua phần trung tâm một cách dễ dàng. Phần ngoại trừ phần trung tâm được làm bằng vật liệu nhựa có hiệu suất cách điện cao, ngăn ngừa hiện tượng phóng điện do rò rỉ điện ra bên ngoài. Tuy nhiên, do khó có thể ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng rò rỉ điện bằng vật liệu nhựa thông thường, nên việc giảm kích thước là không thể. Để ngăn chặn hiện tượng phóng điện, cần phải kiểm soát các đặc tính của nhựa bằng chất độn.

Do đó, các thành viên trong nhóm phát triển đã pha trộn các chất độn theo mức độ tăng dần sao cho "gần tâm của bánh rán, nó sẽ lưu trữ điện dễ dàng hơn và về phía bên ngoài, nó sẽ lưu trữ điện khó hơn".

Nhờ công nghệ này, hằng số điện môi đã được làm phẳng và hiện tượng phóng điện, nguyên nhân gây ra đoản mạch, đã được ngăn chặn. Chúng tôi đã thành công trong việc giảm 30% đường kính của "khối cách điện" mà vẫn duy trì hiệu suất tương đương với loại thông thường, giúp tiết kiệm chi phí nhờ giảm vật liệu liên quan đến việc giảm kích thước.

Thử nghiệm và sai sót để đưa vào sản phẩm

Bây giờ chúng ta có thể tìm thấy sự kết hợp vật liệu “thân thiện” thông qua mô phỏng HSP.

Tuy nhiên, việc thương mại hóa lại phức tạp.

Vật liệu nhựa dùng cho động cơ có độ nhớt thấp như nước và phải được đổ vào các chi tiết nhỏ. Mặt khác, vật liệu nhựa dùng cho các miếng đệm cách điện trong GIS đòi hỏi độ bền và độ nhớt cao như xi-rô tinh bột.

Ông Masui, người phụ trách quy trình sản xuất, cho biết: “Tính chất của nhựa và thời gian đông cứng khác nhau tùy theo sản phẩm. Sự kết hợp 'thân thiện' không phải lúc nào cũng hiệu quả trong quá trình sản xuất.”

Ông Masui của Tập đoàn Vật liệu Nhựa

Vấn đề là, "ngay cả khi chúng ta trộn đều vật liệu, chất độn vẫn sẽ chìm xuống theo thời gian." Khi cát được trộn với nước, sau một thời gian, nó sẽ chìm xuống. Điều tương tự cũng xảy ra với nhựa.

“Chất độn nặng hơn vật liệu nhựa. Ngay cả khi vật liệu được trộn đều lúc đầu, chất độn vẫn có thể chìm xuống và tách ra trước khi nhựa cứng lại.”

Có hai biện pháp để ngăn chặn sự lắng đọng của chất độn. Một là làm cứng nhựa nhanh chóng.

Ông Masui cho biết: “Chúng tôi có thể rút ngắn thời gian đông cứng từ 3 giờ xuống còn 30 phút chỉ bằng cách thêm 0,01 gam chất tăng tốc đông cứng. Mặt khác, điều này gây khó khăn cho việc điều chỉnh lượng trộn vì hỗn hợp có thể bị đông cứng trong quá trình trộn.”

Một biện pháp khác là sử dụng kích thước hạt độn đồng đều. Bằng cách sử dụng kích thước hạt độn đồng đều, khoảng cách giữa các hạt độn được thu hẹp. Điều này cho phép duy trì trạng thái phân tán đồng đều trong thời gian dài và ngăn ngừa lắng đọng.

Nhờ những nỗ lực này, chúng tôi có thể kiểm tra quá trình sản xuất thực tế của sản phẩm và tìm ra những sự kết hợp có thể được sản xuất hàng loạt bởi các nhà sản xuất vật liệu.

“Trước đây, việc này mất nhiều thời gian vì chúng tôi phải trộn và thử nghiệm vật liệu nhiều lần. Giờ đây, khi chúng tôi có thể thu hẹp quy mô đến một mức độ nhất định thông qua mô phỏng HSP, tốc độ phát triển đã được cải thiện.” (Ông Masui)

Khi chúng tôi yêu cầu họ viết lời nhắn cho sinh viên, ông Gambe (trái) nói: “Chất lượng là yếu tố quan trọng bất cứ khi nào liên quan đến tiền bạc. Tôi nghĩ chỉ cần có ‘tinh thần chuyên nghiệp’ là đủ để làm tốt công việc.” Ông Masui (giữa) nói: “Tôi chưa từng làm việc trong lĩnh vực vật liệu cho đến khi gia nhập công ty này, nhưng nếu bạn ‘tò mò’ về một điều gì đó mà bạn chưa từng làm trước đây, tầm nhìn của bạn sẽ được mở rộng.” Tiến sĩ Hosaka (phải) nói: “Tìm hiểu nguyên nhân của mọi việc thật ‘thú vị’. Đây là công việc tôi có thể làm với niềm vui.”

Tiềm năng được mở rộng nhờ công nghệ phân tán chất độn

Hiện nay, ứng dụng chất độn vào GIS và động cơ đang được tiến hành.

Về GIS, Fuji Electric đang đầu tư vào việc tăng sản lượng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trên toàn cầu.
Khi nhiều đơn vị GIS được lắp đặt tại mỗi nhà máy hoặc trung tâm dữ liệu, nhu cầu về GIS của Fuji Electric, vốn đã đạt được mục tiêu giảm kích thước và tiết kiệm chi phí, đang ngày càng tăng.

Về động cơ, Fuji Electric hiện đang phát triển động cơ tàu thủy. Vì động cơ cũng được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, v.v. và vật liệu nhựa được sử dụng cho tất cả các loại động cơ này, nên phạm vi ứng dụng sẽ tiếp tục mở rộng.

Công nghệ này cũng được kỳ vọng sẽ được sử dụng trong lĩnh vực bán dẫn.

“Ứng dụng của vật liệu nhựa, chẳng hạn như trong vật liệu bịt kín bán dẫn và vật liệu cách điện, đang ngày càng gia tăng. Do các thiết bị bán dẫn tạo ra nhiệt, nhu cầu về vật liệu nhựa cho phép nhiệt thoát ra ngoài ngày càng tăng.” (Ông Gambe)

Không có giới hạn nào cho hiệu suất mà vật liệu nhựa pha trộn với chất độn có thể đạt được. Sự sáng tạo của nhóm nghiên cứu vẫn tiếp tục.