Ceramică
Ceramica joacă un rol important în eficiența motorului și reducerea poluării în automobile și camioane. De exemplu, un tip de ceramică, cordierit (un aluminosilicat de magneziu), este utilizat ca substrat și suport pentru catalizatori în catalizatoare. A fost ales în acest scop, deoarece, împreună cu multe ceramice, este ușor, poate funcționa la temperaturi foarte ridicate fără topire și conduce căldura slab (contribuind la reținerea căldurii de evacuare pentru o eficiență catalitică îmbunătățită). Într-o nouă aplicație a ceramicii, cercetătorii General Motors au realizat un perete cilindru din safir transparent (oxid de aluminiu) pentru a examina vizual funcționarea internă a unei camere de ardere a motorului pe benzină. Intenția era să ajungem la o mai bună înțelegere a controlului de combustie, ceea ce duce la o eficiență mai mare a motoarelor cu ardere internă.
O altă aplicație a ceramicii la nevoile auto este un senzor ceramic care este utilizat pentru a măsura conținutul de oxigen al gazelor de eșapament. Oxidul ceramic, de obicei de zirconiu, la care s-a adăugat o cantitate mică de litiu, are proprietatea de a produce o tensiune a cărei amploare depinde de presiunea parțială a oxigenului care înconjoară materialul. Semnalul electric obținut de la un astfel de senzor este apoi utilizat pentru a controla raportul combustibil-aer din motor pentru a obține cea mai eficientă funcționare.
Datorită fragilității lor, ceramica nu a fost folosită ca componente portante în vehiculele de transport la sol. Problema rămâne o provocare care trebuie rezolvată de oamenii de știință din materialul viitorului.
Materiale pentru industria aerospațială
Principalul obiectiv în selectarea materialelor pentru structurile aerospațiale este îmbunătățirea eficienței combustibilului pentru a crește distanța parcursă și sarcina utilă livrată. Acest obiectiv poate fi atins prin evoluții pe două fronturi: creșterea eficienței motorului prin temperaturi de funcționare mai mari și greutate structurală redusă. Pentru a răspunde acestor nevoi, oamenii de știință în materie vizează materialele din două zone largi - aliaje metalice și materiale compozite avansate. Un factor cheie care contribuie la avansarea acestor noi materiale este capacitatea tot mai mare de a adapta materialele pentru a atinge proprietăți specifice.
metale
Multe dintre metalele avansate utilizate în prezent în aeronave au fost proiectate special pentru aplicații la motoarele cu turbină cu gaz, ale căror componente sunt expuse la temperaturi ridicate, gaze corozive, vibrații și sarcini mecanice ridicate. În perioada motoarelor cu jet timpuriu (între 1940 și 1970), cerințele de proiectare au fost îndeplinite doar prin dezvoltarea de noi aliaje. Dar cerințele mai severe ale sistemelor avansate de propulsie au condus la dezvoltarea de noi aliaje care pot rezista la temperaturi mai mari de 1.000 ° C (1.800 ° F), iar performanța structurală a acestor aliaje a fost îmbunătățită prin evoluția proceselor de topire și solidificare.
Topirea și solidificarea
Aliajele sunt substanțe compuse din două sau mai multe metale sau dintr-un metal și un nemetal care sunt intim unite, de obicei dizolvându-se între ele atunci când sunt topite. Principalele obiective ale topirii sunt îndepărtarea impurităților și amestecarea ingredientelor de aliere omogen în metalul de bază. Au fost înregistrate progrese majore cu dezvoltarea de noi procese bazate pe topirea sub vid (presare izostatică la cald), solidificare rapidă și solidificare direcțională.
În presarea izostatică fierbinte, pulberile prealiate sunt ambalate într-un recipient pliabil cu pereți subțiri, care este plasat într-un vid la temperatură ridicată pentru a îndepărta moleculele de gaz adsorbite. Apoi este sigilat și pus într-o presă, unde este expus la temperaturi și presiuni foarte ridicate. Matrița se prăbușește și sudează pulberea împreună în forma dorită.
Metalele topite răcite la un nivel de un milion de grade pe secundă tind să se solidifice într-o microstructura relativ omogenă, deoarece nu există timp suficient pentru ca nucleele cristaline să se nucleeze și să crească. Aceste materiale omogene tind să fie mai puternice decât metalele tipice „granuloase”. Viteza de răcire rapidă poate fi obținută prin răcire „splat”, în care picăturile topite sunt proiectate pe o suprafață rece. Încălzirea și solidificarea rapidă se pot realiza și trecând fascicule laser de mare putere pe suprafața materialului.
Spre deosebire de materialele compozite (a se vedea mai jos Compozițiile), metalele granuloase prezintă proprietăți care sunt în esență aceleași în toate direcțiile, deci nu pot fi adaptate pentru a se potrivi cu căile de încărcare anticipate (adică tensiunile aplicate în direcții specifice). Cu toate acestea, o tehnică numită solidificare direcțională oferă un anumit grad de adaptabilitate. În acest proces, temperatura matriței este controlată cu precizie pentru a promova formarea de cristale rigide aliniate pe măsură ce metalul topit se răcește. Acestea servesc la consolidarea componentei în direcția alinierii în același mod în care fibrele consolidează materialele compozite.
Alierea
Aceste progrese în procesare au fost însoțite de dezvoltarea de noi „superaloage”. Superajele sunt aliaje de rezistență ridicată, adesea complexe, care sunt rezistente la temperaturi ridicate și la eforturi mecanice severe și care prezintă o stabilitate ridicată a suprafeței. Sunt clasificate în general în trei mari categorii: pe bază de nichel, pe bază de cobalt și pe bază de fier. Superligile pe bază de nichel predomină în secțiunea de turbină a motoarelor cu jet. Deși au o rezistență inerentă la oxidare la temperaturi ridicate, acestea obțin proprietăți dezirabile prin adăugarea de cobalt, crom, tungsten, molibden, titan, aluminiu și niobiu.
Aliajele de aluminiu-litiu sunt mai rigide și mai puțin dense decât aliajele convenționale de aluminiu. De asemenea, sunt „superplastici”, datorită mărimii fine a cerealelor care pot fi acum obținute în procesare. Aliajele din acest grup sunt adecvate pentru utilizarea componentelor motorului expuse la temperaturi intermediare la înalte; pot fi de asemenea utilizate în pielea aripilor și a corpului.
Aliajele de titan, modificate pentru a rezista la temperaturi ridicate, înregistrează o utilizare crescută la motoarele cu turbină. De asemenea, sunt angajați în avioane, în principal pentru aeronave militare, dar într-o anumită măsură și pentru avioane comerciale.
