Các cuộc chiến ở Ukraine, Trung Đông cùng với thương chiến Mỹ - Trung Quốc, và các nước đang đẩy giá Tantalum (Ta) lên cao. Sự đứt găy nguồn cung cùng với xung đột ở châu Phi càng làm Tantalum trở nên khan hiếm.
Lớp phủ bên trong thân súng
Khi thuốc súng phát nổ, nhiên liệu tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ 2.500 ~ 3.500K (độ - = 273.15) và áp suất 300 ~ 800MPa. Ngọn lửa chứa các thành phần ăn ṃn như H2S, CO, O2, H2, H2O, N2 và các hạt phun thuốc súng. Do đó, ṇng súng sẽ gánh chịu các tác động vật lư và hóa học của khí súng nhiệt độ cao và ứng dụng năng lượng cao. Trong điều kiện làm việc này, ṇng súng sẽ bị mài ṃn nghiêm trọng, dẫn đến việc thay đổi h́nh dạng và kích thước, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác khi bắn súng và tuổi thọ của ṇng súng.
Do đó, nghiên cứu về quá tŕnh ăn ṃn và bảo vệ ṇng súng đă nhận được sự quan tâm rộng răi của các nước từ lâu. Những cân nhắc chính về vật liệu chế tạo ṇng súng là các đặc tính nhiệt, bao gồm khả năng chịu nhiệt, giăn nở nhiệt, độ dẫn nhiệt và khả năng chống sốc nhiệt; các đặc tính cơ học, bao gồm mô đun đàn hồi, độ bền cơ học và độ cứng; độ ổn định hóa học, tức là độ ổn định hóa học của vật liệu trong môi trường nhiệt độ cao và có tính ăn ṃn.
Nguyên liệu Tantalum thường được dùng chế tạo ṇng súng. Ảnh: strongtantalum.
Tantalum có các đặc tính vật lư và hóa học tốt. Đây là kim loại chịu lửa có điểm nóng chảy cao (2996), có độ dẫn nhiệt thấp (57W/m), khả năng chống ăn ṃn hóa học tốt (chống ăn ṃn axit, muối và hóa chất hữu cơ ở nhiệt độ cao) và khả năng chống ăn ṃn tuyệt vời, cũng như độ dẻo và độ bền tốt. Lớp phủ tantalum hoặc hợp kim tantalum được coi là hệ thống lớp phủ lư tưởng để thay thế lớp phủ Cr mạ điện để chống ăn ṃn và mài ṃn. Nếu lớp tantalum được sử dụng trong ṇng súng để loại bỏ khí chống cháy trong thời gian dài, lớp Ta được phun phải chủ yếu bao gồm alpha-ta có độ dày ít nhất 75 micron. Lớp phủ phải có đủ lực liên kết với chất nền theo mọi hướng để chống lại sốc nhiệt và ứng suất cắt cao trong quá tŕnh bắn súng.
Công nghệ phun tantalum magnetron h́nh trụ được Pḥng thí nghiệm Benet của quân đội Hoa Kỳ đề xuất cho các đặc điểm kích thước của ṇng súng; Ngoài ra, sản xuất thử nghiệm nền tảng công nghệ phun magnetron h́nh trụ cho ống súng cỡ lớn toàn chiều dài 120mm, 155mm và 105mm đă được chế tạo tại Waterfleet Arsenal, được sử dụng để phủ tantalum toàn ṇng phun magnetron cho xe tăng Abrams, Crusader và các hệ thống chiến đấu trong tương lai.
Trong thí nghiệm Bennett của quân đội Hoa Kỳ, Vigilante và lớp chống ăn ṃn tantalum tinh khiết được chuẩn bị trong ṇng súng có rănh xoắn 25mm và ṇng súng có rănh xoắn trơn 120mm bằng công nghệ phun thuốc nổ. Chuyên gia thấy rằng liên kết giữa lớp tantalum và kim loại cơ bản là tốt, nhưng dải cắt đoạn nhiệt sẽ xuất hiện trong thép cơ bản của ống thân và một pha hợp chất liên kim loại gịn Ta-Fe sẽ được h́nh thành.
Đạn xuyên giáp
Vào những năm 1980, một loại đầu đạn mới, đầu đạn xuyên giáp được h́nh thành mang theo thuốc nổ, đă được phát triển thành công, chủ yếu sử dụng tantalum trên ống lót bướm bên cạnh thuốc nổ mạnh. Khi thuốc nổ được kích nổ, đĩa bướm biến thành một mảnh dài, ổn định của đầu đạn xuyên giáp, tăng tốc về phía mục tiêu.
Với sự phát triển của vật liệu giáp, đầu đạn chống giáp hiện đại có yêu cầu ngày càng cao hơn về vật liệu của loại mũ trùm đầu đạn tạo thành thuốc nổ. Việc h́nh thành một luồng phản lực dài hơn và ổn định hơn đ̣i hỏi mật độ, vận tốc âm thanh cao, độ dẫn nhiệt tốt và độ giăn dài găy động cao. Ngoài ra, vật liệu phải có hạt mịn, nhiệt độ kết tinh lại thấp, kết cấu nhất định và các cấu trúc vi mô khác. Tantalum và urani nghèo có mật độ phân tử cao, độ giăn dài động cao và gây cháy. Đặc biệt, tantalum có mật độ phân tử cao (16,6g/cm3) và đặc tính động tốt, là loại vật liệu chủ yếu được sử dụng trong nghiên cứu các loại đạn tạo h́nh nổ. Là vật liệu của đạn tạo h́nh nổ, tantalum được sử dụng rộng răi trong các tên lửa TOW-2B, TOW-NG và các tên lửa khác của Hoa Kỳ. Các thí nghiệm đạn đạo cho thấy độ chịu áp lực của tantalum cao hơn đồng từ 30%~35% và có thể đạt tới 150mm.
Hiện nay, nghiên cứu sử dụng tantalum làm vật liệu phủ chủ yếu tập trung vào việc cải tiến công nghệ xử lư và tiết kiệm chi phí. Trong số đó, Trung tâm nghiên cứu và phát triển trang thiết bị của Quân đội Hoa Kỳ (ARDEC) sử dụng phương pháp P/M để phát triển vỏ hộp đạn tantalum tạo h́nh nổ; Hai loại bột tantalum, PM2 và PM4, được nén bằng áp suất tĩnh, thiêu kết, và công nghệ đùn và chế biến thành vật liệu trống, sau đó ủ và rèn bằng phương pháp rèn quay, hộp đạn tantalum được chế tạo theo cách này có thể được áp dụng thành công cho một đầu đạn nổ định h́nh tốt; Đạn đầu nhạy cảm Smart-155mm của Đức là một trong những đầu đạn nhạy cảm tiên tiến nhất trên thế giới hiện nay. Tên lửa được chế tạo bằng cấu trúc thành mỏng và thiết bị nhạy cảm của nó có khả năng chống nhiễu cao, có thể hoạt động b́nh thường trong sương mù hoặc môi trường xấu; đạn thông minh BONUS-155mm, do Công ty Bofors của Thụy Điển và nhóm vũ khí mặt đất của nước này cùng phát triển, đă được sản xuất hàng loạt và phù hợp với pháo cỡ ṇng 45.
Vật liệu có độ tinh khiết cao là cần thiết cho lớp phủ điện hóa của quá tŕnh tạo h́nh thuốc nổ. Các nguyên tố vi lượng có ảnh hưởng lớn đến các tính chất vật lư của vật liệu phủ và cuối cùng ảnh hưởng đến độ sâu xuyên thấu của đầu đạn. Độ tinh khiết của tantalum có ảnh hưởng đến độ bền, cấu trúc tinh thể và chiều dài của đầu đạn tạo h́nh thuốc nổ (EFP). Do đó, độ tinh khiết của tantalum phải được kiểm soát chặt chẽ trong quá tŕnh chế tạo.
Vật liệu hút chân không cực cao
Vật liệu hút chân không cực cao (hợp kim tantalum) được sử dụng trong thiết bị nh́n ban đêm trong vũ khí pḥng thủ thông thường. Sử dụng 15% tantalum làm khung và titan làm chất hấp thụ hydro, oxy, nitơ, carbon monoxide, carbon dioxide, hơi nước, mêtan, neon và các loại khí khác có thể cải thiện tuổi thọ của vật liệu. Vật liệu này có thể được áp dụng cho ống camera hồng ngoại trong thiết bị nh́n ban đêm hồng ngoại chủ động và ống ánh sáng yếu trong thiết bị nh́n đêm thụ động, để đảm bảo độ chân không cao trong thời gian dài trong ống chân không, để đạt được hiệu suất cao, tuổi thọ cao và cải thiện độ nét của thiết bị nh́n đêm.
Trung Quốc giảm xuất khẩu, đe dọa quốc pḥng Mỹ
Các vật liệu quan trọng như titan, tantalum và vonfram là những khối xây dựng chính trong nhiều hệ thống vũ khí quân sự của Hoa Kỳ và các nước. Các vật liệu cho phép khả năng chiến đấu hiệu suất cao, độc đáo. Ví như titan là một kim loại bền, nhẹ giúp ngăn ngừa ăn ṃn trên vũ khí được sử dụng trong nhiều điều kiện khí hậu khác nhau.
Mặc dù những vật liệu này rất quan trọng đối với ngành quốc pḥng, nhưng trong nhiều trường hợp, nguồn cung cấp của chúng (các mỏ) lại do các quốc gia mà quân đội Hoa Kỳ đang cạnh tranh kiểm soát. Điều này gây nguy hiểm cho an ninh quốc gia của Mỹ. Nghiên cứu mới với nỗ lực của Bộ Quốc pḥng Mỹ nhằm giảm thiểu rủi ro có thể ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận chuỗi cung ứng đối với các vật liệu này.
Chuyên gia đang xem xét một báo cáo mới khác đánh giá cách Bộ Quốc pḥng Mỹ duy tŕ kho dự trữ các vật liệu quan trọng này. Điểm chung giữa điện thoại thông minh, ô tô, tấm pin mặt trời và các chương tŕnh quốc pḥng là ǵ? Tất cả đều phụ thuộc vào các vật liệu quan trọng không được t́m thấy hoặc sản xuất với số lượng đủ lớn tại Hoa Kỳ. Chuỗi cung ứng cho các vật liệu quan trọng này trải rộng trên toàn cầu.
Nhưng Trung Quốc thống trị hoạt động khai thác và chế biến các vật liệu này. Ví như Trung Quốc khai thác gần 70% nguồn cung cấp nguyên tố đất hiếm toàn cầu. Đất hiếm là vật liệu quan trọng có đặc tính từ tính và chịu nhiệt độc đáo, hữu ích cho các hệ thống vũ khí của Bộ Quốc pḥng Mỹ. Một nguyên tố đất hiếm có tên là neodymium được sử dụng để tạo ra nam châm cực kỳ mạnh, giữ được cường độ từ tính ở nhiệt độ cao và hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như trong chiến đấu.
Các quốc gia hàng đầu tham gia khai thác đất hiếm
Tại Hoa Kỳ, năng lực khai thác đất hiếm đă suy yếu trong 40 năm qua. Sự suy giảm này là do sự xuất hiện của các nhà cung cấp chi phí thấp hơn ở các quốc gia khác, chẳng hạn như Trung Quốc, và tác động đáng kể mà hoạt động khai thác gây ra cho môi trường. Theo các quan chức của Bộ Quốc pḥng, Hoa Kỳ có các quy định về môi trường nghiêm ngặt hơn Trung Quốc. Điều này cho phép Trung Quốc khai thác và chế biến đất hiếm và một số vật liệu quan trọng khác với chi phí thấp hơn.
Sự phụ thuộc vào Trung Quốc chỉ là một thách thức. Trong giai đoạn từ năm 2020 đến năm 2023, Hoa Kỳ đă nhập khẩu hơn 95% tổng lượng đất hiếm mà nước này tiêu thụ. Phần lớn là từ Trung Quốc. Thương chiến giữa hai cường quốc càng gây khó khăn cho Mỹ. Nếu Trung Quốc quyết định không bán cho Hoa Kỳ, nước Mỹ sẽ mất quyền tiếp cận nguồn cung này và cần t́m kiếm các giải pháp thay thế. Thật không may, Hoa Kỳ không có sản phẩm thay thế tương đương cho những vật liệu này để có hiệu suất tương đương. Theo Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, sản phẩm thay thế không phải lúc nào cũng có hiệu suất tốt và có thể tốn kém hơn để sản xuất.
Mối quan ngại về nguồn cung toàn cầu
Trung tâm nghiên cứu quốc tế về tantalum-niobium (T.I.C.) đă nêu lên mối quan ngại nghiêm trọng về tương lai của nguồn cung tantalum từ Cộng ḥa Dân chủ Congo (DRC). Là hiệp hội công nghiệp toàn cầu về tantalum-niobium, cảnh báo của T.I.C. nêu bật những rủi ro ngày càng tăng đối với chuỗi cung ứng, tác động trực tiếp đến các công ty như Capacitor Metals Corp., một thành viên của T.I.C.DRC đă là nguồn cung cấp tantalum chủ yếu trên toàn thế giới trong nhiều năm. Tuy nhiên, t́nh trạng bất ổn chính trị của khu vực, đặc biệt là do nhóm vũ trang M23 kiểm soát các địa điểm khai thác và tuyến đường thương mại, đang đe dọa nguồn cung cấp tantalum toàn cầu. Theo Chủ tịch T.I.C., bà Silvana Fehling.
T́nh h́nh ở DRC đang gây lo ngại và đáng lo ngại cả về mặt an toàn và sinh kế của những người dân địa phương bị ảnh hưởng cũng như về mặt thương mại. Các cuộc xâm nhập liên tục của M23, khiến họ kiểm soát các mỏ và tuyến đường thương mại, kết hợp với cách tiếp cận thiếu kỷ luật của chính quyền DRC, không báo hiệu điều tốt lành cho kỳ vọng về một giải pháp hợp lư trong thời gian tới. Do đó, việc t́m nguồn cung ứng có trách nhiệm từ khu vực này sẽ chỉ trở nên khó khăn và phức tạp hơn trong tương lai. T.I.C. đang tích cực giải quyết những lo ngại này.
Để chống lại việc t́m nguồn cung ứng phi đạo đức và cải thiện tính minh bạch, tổ chức đă hợp tác với các đơn vị để xây dựng Hướng dẫn thẩm định nâng cao (EHDD) nhằm cụ thể vào chuỗi cung ứng tantalum. Các hướng dẫn này sẽ giúp các kiểm toán viên và công ty xác định nguồn gốc của khoáng sản có nguồn gốc từ các khu vực có rủi ro cao và cải thiện các hoạt động thẩm định của họ.