keramikk
Keramikk spiller en viktig rolle i motoreffektivitet og forurensning i biler og lastebiler. For eksempel brukes en type keramikk, cordieritt (et magnesiumaluminosilikat) som et underlag og bærer for katalysatorer i katalytiske omformere. Det ble valgt for dette formålet fordi det, sammen med mange keramiske stoffer, er lett, kan fungere ved veldig høye temperaturer uten å smelte, og leder varme dårlig (bidrar til å holde eksosvarmen for forbedret katalytisk effektivitet). I en ny anvendelse av keramikk ble en sylindervegg laget av gjennomsiktig safir (aluminiumoksid) av forskere fra General Motors for å undersøke de indre virkningene av et forbrenningskammer for bensinmotorer visuelt. Intensjonen var å oppnå forbedret forståelse av forbrenningskontroll, noe som førte til større effektivitet av forbrenningsmotorer.
En annen anvendelse av keramikk til bilens behov er en keramisk sensor som brukes til å måle oksygeninnholdet i avgasser. Det keramiske, vanligvis zirkoniumoksyd som en liten mengde yttrium er tilsatt til, har egenskapen til å produsere en spenning hvis styrke avhenger av deltrykket av oksygen som omgir materialet. Det elektriske signalet oppnådd fra en slik sensor blir deretter brukt til å kontrollere drivstoff-til-luft-forholdet i motoren for å oppnå en mest mulig effektiv drift.
På grunn av deres sprøhet har keramikk ikke blitt brukt som bærende komponenter i bakketransportbiler i særlig grad. Problemet er fortsatt en utfordring som skal løses av fremtidens materialforskere.
Materialer for romfart
Det viktigste målet i valg av materialer for romfartstrukturer er forbedring av drivstoffeffektivitet for å øke tilbakelagt avstand og levert nyttelast. Dette målet kan oppnås ved utvikling på to fronter: økt motoreffektivitet gjennom høyere driftstemperaturer og redusert strukturell vekt. For å imøtekomme disse behovene ser materialforskere på materialer i to brede områder — metalllegeringer og avanserte komposittmaterialer. En sentral faktor som bidrar til avansementet av disse nye materialene er den økende evnen til å skreddersy materialer for å oppnå spesifikke egenskaper.
metaller
Mange av de avanserte metaller som for tiden er i bruk i fly, ble designet spesielt for applikasjoner i gassturbinmotorer, hvis komponenter er utsatt for høye temperaturer, etsende gasser, vibrasjoner og høye mekaniske belastninger. I perioden med tidlige jetmotorer (fra ca. 1940 til 1970) ble designkrav oppfylt av utviklingen av nye legeringer. Men de strengere kravene til avanserte fremdriftssystemer har drevet utviklingen av nye legeringer som tåler temperaturer over 1000 ° C (1800 ° F), og den strukturelle ytelsen til slike legeringer har blitt forbedret av utviklingen i prosessene med smelting og størkning..
Smelter og stivner
Legeringer er stoffer som består av to eller flere metaller eller av et metall og en ikke-metallisk som er nært forenet, vanligvis ved å oppløses i hverandre når de smeltes. De viktigste målene med smelting er å fjerne urenheter og å blande de legeringsbestanddelene homogent i basismetallet. Store fremskritt er gjort med utviklingen av nye prosesser basert på smelting under vakuum (varm isostatisk pressing), rask størkning og retningsbestemt størkning.
Ved varm isostatisk presning pakkes forhåndslegerte pulver i en tynnvegget, sammenleggbar beholder, som plasseres i et høytemperaturvakuum for å fjerne adsorberte gassmolekyler. Deretter forsegles den og settes i en presse, hvor den blir utsatt for veldig høye temperaturer og trykk. Formen kollapser og sveiser pulveret sammen i ønsket form.
Smeltede metaller som er avkjølt med en hastighet på så mye som en million grader per sekund, har en tendens til å stivne til en relativt homogen mikrostruktur, siden det ikke er tilstrekkelig tid til krystallkorn til å kjerne seg og vokse. Slike homogene materialer har en tendens til å være sterkere enn de typiske "kornete" metaller. Hurtige kjølehastigheter kan oppnås ved "splatt" -kjøling, hvor smeltede dråper blir projisert på en kald overflate. Rask oppvarming og størkning kan også oppnås ved å føre laserstråler med høy effekt over materialets overflate.
I motsetning til komposittmaterialer (se nedenfor Kompositter), har kornete metaller egenskaper som i det vesentlige er de samme i alle retninger, slik at de ikke kan skreddersys for å matche forventede belastningsveier (dvs. spenninger påført i bestemte retninger). Imidlertid gir en teknikk som kalles retningsbestemt størkning en viss grad av skreddersøm. I denne prosessen blir temperaturen på formen nøyaktig kontrollert for å fremme dannelsen av innrettede stive krystaller når det smeltede metallet avkjøles. Disse tjener til å forsterke komponenten i retningsretningen på samme måte som fibre forsterker komposittmaterialer.
legering
Disse fremskrittene i behandlingen har blitt ledsaget av utviklingen av nye "superlegeringer." Superlegeringer er høye styrke, ofte komplekse legeringer som er motstandsdyktige mot høye temperaturer og alvorlig mekanisk belastning og som har høy overflatestabilitet. De er ofte klassifisert i tre hovedkategorier: nikkelbasert, koboltbasert og jernbasert. Nikkelbaserte superlegeringer dominerer i turbinområdet til jetmotorer. Selv om de har liten iboende motstand mot oksidasjon ved høye temperaturer, oppnår de ønskelige egenskaper ved tilsetning av kobolt, krom, wolfram, molybden, titan, aluminium og niob.
Aluminium-litiumlegeringer er stivere og mindre tette enn konvensjonelle aluminiumslegeringer. De er også “superplastiske” på grunn av den fine kornstørrelsen som nå kan oppnås i prosessering. Legeringer i denne gruppen er egnet for bruk i motorkomponenter utsatt for mellomliggende til høye temperaturer; de kan også brukes i vinger- og kroppsskinn.
Titanlegeringer, modifisert for å tåle høye temperaturer, ser økt bruk i turbinmotorer. De er også ansatt i flyrammer, først og fremst for militære fly, men til en viss grad også for kommersielle fly.
