Thời gian bảo vệ của cản xe kéo dài bao lâu chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu cấu thành và khả năng chịu va chạm của những vật liệu đó mà không bị vỡ. Lấy ví dụ polypropylene, một trong những loại nhựa nhiệt dẻo hiện đại ngày nay, có thể hấp thụ khoảng một nửa lực va chạm bằng cách uốn cong nhẹ rồi bật trở lại vị trí ban đầu theo các nghiên cứu gần đây. Loại độ linh hoạt này mang lại lợi thế cho các vật liệu mềm hơn so với kim loại cứng khi xe cọ sát vào nhau ở tốc độ chậm trong khu vực thành phố. Các kỹ thuật viên báo cáo rằng tổng thể nhu cầu sửa chữa ít hơn, với một số ước tính cho thấy tiết kiệm chi phí lên đến 34 phần trăm so với các hệ thống cản bằng thép cũ hơn vốn có xu hướng bị bẹp hoặc nứt khi va chạm.
Các nhà sản xuất ô tô ưu tiên những vật liệu có thể chuyển đổi năng lượng động học thành nhiệt hoặc âm thanh trong các va chạm. Các mô phỏng va chạm gần đây cho thấy:
| Vật liệu | Tốc độ va chạm | Năng lượng được hấp thụ | Biến dạng vĩnh viễn |
|---|---|---|---|
| Hợp kim nhôm 2024-T86 | 30 km/h | 78% | ≈ 2,1 mm |
| Sợi carbon | 40 km\/h | 82% | ≈ 1,8 mm |
| Nhựa TPO | 15 km/h | 63% | ≈ 4,7 mm |
Dữ liệu từ Phân tích Va chạm Phụ thuộc Tốc độ (ScienceDirect, 2024) cho thấy các hợp kim nhôm hiện nay có khả năng hấp thụ năng lượng sánh ngang với sợi carbon ở tốc độ trung bình, thách thức thứ bậc vật liệu đã tồn tại lâu nay.
Các tấm cản bằng polymer mất từ 12–18% khả năng chịu va chạm sau năm năm do sự phân hủy phân tử gây ra bởi tia UV. Biến đổi nhiệt độ giữa -30°C và 80°C làm tăng gấp ba lần nguy cơ nứt do ứng suất trong các vật liệu composite nhựa so với môi trường ổn định. Các nhà sản xuất khắc phục điều này bằng cách sử dụng các chất phụ gia công nghệ nano giúp giảm 41% tốc độ suy giảm do tia UV (The European, 2024).
Tấm cản ở khu vực đô thị phải chịu từ 7–11 va chạm nhỏ mỗi năm (≈15 km/h), đòi hỏi khả năng phục hồi đàn hồi, trong khi thiết kế cho đường cao tốc tập trung vào việc kiểm soát năng lượng va chạm ở tốc độ cao. Phân tích từ 23.000 yêu cầu bảo hiểm cho thấy:
Olefin nhiệt dẻo (TPO) được sử dụng trong 72% thiết kế cản va của nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) nhờ khả năng linh hoạt và hấp thụ năng lượng cân bằng. Các hỗn hợp có chứa 15–20% chất phụ gia dạng cao su cho phép cản va phục hồi sau va chạm ở tốc độ 5–8 dặm/giờ mà không bị biến dạng vĩnh viễn – yếu tố quan trọng trong đỗ xe đô thị. Các công thức mới giảm sự phân hủy do tia UV tới 40% so với tiêu chuẩn năm 2020, giải quyết mối lo ngại về độ giòn theo thời gian.
Các vật liệu composite polypropylene tiên tiến đạt độ bền kéo cao hơn 190% so với các loại thông thường trong khi vẫn giữ được tính linh hoạt. Những vật liệu này tiêu tán lực va chạm hiệu quả hơn 23% thông qua cơ chế uốn cong có kiểm soát, như đã được xác nhận bởi các nghiên cứu mô phỏng va chạm. Cấu trúc nhiều lớp kết hợp lõi cứng để hỗ trợ kết cấu với lớp vỏ ngoài được tối ưu hóa nhằm phân bổ lại năng lượng.
Mặc dù thép chịu được tải trọng tối đa cao hơn 45%, nhưng nhựa vượt trội hơn trong các chỉ số sử dụng hàng ngày:
| Đặc điểm | Cản Nhựa | Cản Thép |
|---|---|---|
| Rủi ro ăn mòn | Không (đã ổn định tia cực tím) | Cao (phụ thuộc vào lớp sơn) |
| Chi phí sửa chữa | 150–450 USD (thay thế) | 800–2.000 USD (sửa chữa) |
| Tuổi thọ | 7–10 năm | 12–15 năm |
| Tác Động Trọng Lượng | giảm 0,5% MPG | giảm 2,1% MPG |
Các hệ thống nhựa hiện đại tương đương thép về hiệu suất ở tốc độ dưới 8 dặm/giờ và có thời gian thay thế nhanh hơn 63%.
Polyme gia cố sợi carbon (CFRP) mang lại giảm trọng lượng 30–50% so với thép, cải thiện hiệu suất xe. Các vật liệu composite này hấp thụ nhiều năng lượng hơn bốn lần trên mỗi đơn vị khối lượng so với nhôm trong các va chạm tốc độ thấp ( báo cáo Vật liệu Composite Ô tô 2024 ), duy trì độ bền vững qua nhiều chu kỳ chịu lực lặp lại. Tính chất bất đẳng hướng của chúng cho phép căn chỉnh sợi theo hướng nhất định để tăng độ bền mà không làm tăng thêm khối lượng.
| Vật liệu | Độ dày (g/cm³) | Độ bền kéo (MPa) | Chi phí trên kg ($) |
|---|---|---|---|
| Thép | 7.8 | 420 | 0.80 |
| Nhựa pp | 0.9 | 35 | 2.20 |
| Cfrp | 1.6 | 1,500 | 45.00 |
Dữ liệu: Tạp chí Quốc tế về Vật liệu Composite Ô tô, 2024
Polyme gia cường sợi carbon mang lại độ bền cao hơn khoảng 5 đến 10 lần so với trọng lượng khi so sánh với các vật liệu như polypropylene hoặc TPO. Điều này có nghĩa là cản trước làm từ CFRP có thể chịu được những va chạm 12 dặm/giờ trong khi biến dạng chỉ khoảng 40% mức độ của các vật liệu khác, theo nghiên cứu công bố trên Materials Science Today năm ngoái. Vật liệu này có mô-đun độ cứng khoảng 500 GPa, thực tế là cứng hơn 12 lần so với sợi thủy tinh thông thường. Điều thực sự ấn tượng là khả năng ổn định của sợi carbon trong dải nhiệt độ khắc nghiệt, từ âm 40 độ Fahrenheit cho đến tận 200 độ. Đối với xe điện, nơi mỗi ounce đều quan trọng, điều này khiến sợi carbon trở thành lựa chọn lý tưởng khi các nhà thiết kế cần một vật liệu vừa mạnh mẽ vừa nhẹ.
Mặc dù cản bằng polymer gia cố sợi carbon (CFRP) có giá cao gấp khoảng sáu rưỡi lần so với thép, các công ty như Hyundai và BMW đang bắt đầu trang bị chúng trên các dòng xe cao cấp vì họ cho rằng mỗi 100 pound trọng lượng được giảm sẽ giúp tiết kiệm nhiên liệu khoảng 2,1%. Những tiến bộ gần đây trong các loại nhựa đóng rắn nhanh đã giúp giảm chi phí sản xuất khoảng ba mươi phần trăm kể từ đầu năm 2022. Trong tương lai, phần lớn các chuyên gia tin rằng đến khoảng năm 2028, khi tự động hóa thực sự bùng nổ trong quy trình sản xuất, giá thành sợi carbon sẽ ngang bằng với nhôm. Một số đợt thử nghiệm ban đầu cũng đã cho thấy triển vọng, khi một vài thí nghiệm đã tạo hình thành công toàn bộ cản chỉ trong vòng chín mươi giây.
Các nhà sản xuất ô tô ngày càng tích hợp nhôm, sợi carbon và nhựa gia cường vào các thiết kế lai. Một bài đánh giá vật liệu năm 2023 cho thấy các hệ thống này giảm lực va chạm 30% so với cản trước bằng vật liệu đơn lẻ nhờ phân bổ năng lượng tác động một cách chiến lược:
Giải pháp này cải thiện xếp hạng va chạm đồng thời giảm khối lượng cản từ 18–22% (Belingardi et al., 2017). Phần mềm tối ưu hóa bố trí hiện nay hỗ trợ thiết kế, xác định các điểm chịu ứng suất để tối đa hóa hiệu quả sử dụng vật liệu.
Theo các nghiên cứu phân tích va chạm, cứ giảm 10% khối lượng cản thì hiệu suất nhiên liệu tăng 2,1%. Các đổi mới chính bao gồm:
Các nhà sản xuất hàng đầu đang sản xuất cụm cản trước dưới 8,0 kg bằng các phương pháp này, đáp ứng cả tiêu chuẩn độ bền và yêu cầu hiệu suất nhiên liệu CAFE cho các mẫu xe năm 2025.
Các nhà sản xuất ô tô đang đi theo những hướng khác nhau khi nói đến việc làm cho phương tiện vừa bền bỉ vừa thân thiện với môi trường. Một số công ty đã bắt đầu sử dụng các polymer làm từ phế phẩm nông nghiệp trong xe hơi thông thường của họ, điều này giảm khoảng 30 phần trăm lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất theo như những gì họ tuyên bố. Những công ty khác đang kết hợp vật liệu tái chế với lớp xốp đặc biệt ở cản trước của xe tải để chúng vẫn có thể chịu được va chạm mà không bị vỡ vụn, đồng thời giúp giảm tổng lượng chất thải. Ngoài ra còn có xu hướng sản xuất cản xe tích hợp cảm biến ngay bên trong. Những cản xe thông minh này giúp cải thiện các hệ thống hỗ trợ lái xe nâng cao mà chúng ta thường nghe gần đây, về cơ bản có nghĩa là việc lựa chọn vật liệu không chỉ liên quan đến độ bền nữa mà còn đóng vai trò trong cách hoạt động của xe tự lái.
Ngành công nghiệp ô tô đang chứng kiến sự chuyển dịch thực sự sang các vật liệu cản trước bền vững trong những năm gần đây. Theo Báo cáo Thị trường Cản nhựa Ô tô năm 2024, khoảng 35% thiết kế của nhà sản xuất thiết bị gốc sẽ tích hợp các polymer từ thực vật và các vật liệu composite có thể tái chế khác vào năm 2025. Lấy ví dụ polypropylene gia cố bằng tảo - nó hoạt động hiệu quả ngang bằng với nhựa thông thường khi hấp thụ va chạm, nhưng chỉ sử dụng khoảng một nửa lượng nước trong quá trình sản xuất. Và còn một điều nữa đáng lưu ý: các hệ thống tái chế vòng kín đã phát triển đến mức các cản nhiệt dẻo thực sự có thể trải qua nhiều chu kỳ phân hủy và tạo lại lên tới năm lần mà không làm mất đi độ bền cấu trúc. Sự phát triển này phù hợp đúng với mong muốn của cơ quan quản lý và nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng đối với xe cộ hiện nay.
Công nghệ cản mới nhất đang chuyển mình thành thứ gì đó vượt xa những tấm ốp nhựa đơn thuần cho ô tô. Một số mẫu thử nghiệm hiện nay bao gồm các viên nang nhỏ chứa vật liệu đặc biệt có thể tự động sửa chữa các vết trầy xước nhỏ khi cần thiết. Các hãng sản xuất xe cũng đang tích hợp hệ thống LiDAR cùng với cảm biến siêu âm thông thường để phát hiện chướng ngại vật tốt hơn trong điều kiện sương mù hoặc mưa. Những cải tiến này dường như giúp tăng độ chính xác trong việc phát hiện va chạm khoảng 40 phần trăm trong thời tiết xấu, mặc dù việc duy trì hoạt động ổn định của các linh kiện điện tử nhạy cảm trong môi trường quá nóng hoặc quá lạnh vẫn gây đau đầu cho các kỹ sư. Các nhà nghiên cứu cũng đã bắt đầu thử nghiệm với những kim loại có tính nhớ hình dạng này. Khi được kiểm tra, chúng thực sự trở nên cứng hơn gần như ngay lập tức ngay trước lúc xảy ra va chạm. Nếu những vật liệu này hoạt động đúng như kỳ vọng, chúng ta có thể chứng kiến tỷ lệ chấn thương người đi bộ giảm khoảng một phần tư trong các tình huống lái xe trong thành phố – nơi tai nạn thường xảy ra nhiều nhất.
EN