Keramik
Keramik spelar en viktig roll för motoreffektivitet och föroreningar i bilar och lastbilar. Till exempel används en typ av keramik, cordierit (ett magnesiumaluminosilikat) som ett underlag och bärare för katalysatorer i katalytiska omvandlare. Den valdes för detta ändamål eftersom den, tillsammans med många keramiska material, är lätt, kan arbeta vid mycket höga temperaturer utan att smälta och leder värme dåligt (hjälper till att hålla avgasvärme för förbättrad katalytisk effektivitet). I en ny applikation av keramik gjordes en cylindervägg av transparent safir (aluminiumoxid) av General Motors forskare för att visuellt kunna undersöka de inre funktionerna i en bensinmotors förbränningskammare. Avsikten var att nå en förbättrad förståelse för förbränningskontroll, vilket ledde till ökad effektivitet hos förbränningsmotorer.
En annan tillämpning av keramik för fordonsbehoven är en keramisk sensor som används för att mäta syreinnehållet i avgaser. Den keramiska, vanligtvis zirkoniumoxid till vilken en liten mängd yttrium har tillsatts, har egenskapen att producera en spänning vars storlek beror på det partiella trycket av syre som omger materialet. Den elektriska signalen som erhålls från en sådan sensor används sedan för att styra bränsle-till-luft-förhållandet i motorn för att få den mest effektiva driften.
På grund av deras sprödhet har keramik inte använts som bärande komponenter i marktransportfordon i någon större utsträckning. Problemet är fortfarande en utmaning som ska lösas av framtidens materialforskare.
Material för rymd
Det primära målet i valet av material för flyg- och rymdkonstruktioner är att förbättra bränsleeffektiviteten för att öka det körda avståndet och den levererade nyttolasten. Detta mål kan uppnås genom utveckling på två fronter: ökad motoreffektivitet genom högre driftstemperaturer och minskad strukturell vikt. För att tillgodose dessa behov tittar materialforskare på material i två breda områden - metalllegeringar och avancerade kompositmaterial. En nyckelfaktor som bidrar till utvecklingen av dessa nya material är den växande förmågan att skräddarsy material för att uppnå specifika egenskaper.
metaller
Många av de avancerade metallerna som för närvarande används i flygplan designades specifikt för applikationer i gasturbinmotorer, vars komponenter är utsatta för höga temperaturer, frätande gaser, vibrationer och höga mekaniska belastningar. Under perioden med tidiga jetmotorer (från cirka 1940 till 1970) uppfylldes konstruktionskraven genom utvecklingen av nya legeringar ensam. Men de mer allvarliga kraven för avancerade framdrivningssystem har drivit utvecklingen av nya legeringar som kan motstå temperaturer över 1 000 ° C (1 800 ° F), och strukturella prestanda för sådana legeringar har förbättrats genom utvecklingen av processerna för smältning och stelning.
Smälter och stelnar
Legeringar är ämnen som består av två eller flera metaller eller av en metall och en icke-metall som är intimt förenade, vanligtvis genom att lösa upp varandra när de smälts. De viktigaste målen med smältning är att avlägsna föroreningar och att blanda legeringsbeståndsdelarna homogent i basmetallen. Stora framsteg har gjorts med utvecklingen av nya processer baserade på smältning under vakuum (varm isostatisk pressning), snabb stelning och riktad stelning.
Vid varm isostatisk pressning packas förfördelade pulver i en tunnväggig, hopfällbar behållare, som placeras i ett vakuum med hög temperatur för att avlägsna adsorberade gasmolekyler. Den förseglas sedan och placeras i en press, där den utsätts för mycket höga temperaturer och tryck. Formen kollapsar och svetsar pulvret i önskad form.
Smälta metaller kylda med hastigheter så höga som en miljon grader per sekund tenderar att stelna till en relativt homogen mikrostruktur, eftersom det inte finns tillräckligt med tid för kristallkorn att kärnan och växa. Sådana homogena material tenderar att vara starkare än de typiska "korniga" metallerna. Snabba kylningshastigheter kan uppnås genom "stänk" -kylning, där smälta droppar projiceras på en kall yta. Snabb uppvärmning och stelning kan också uppnås genom att leda högeffekta laserstrålar över materialets yta.
Till skillnad från kompositmaterial (se nedan Kompositer) uppvisar korniga metaller egenskaper som är väsentligen desamma i alla riktningar, så att de inte kan skräddarsys för att matcha förväntade lastvägar (dvs. spänningar som appliceras i specifika riktningar). Emellertid ger en teknik som kallas riktad stelning en viss grad av anpassningsbarhet. I denna process regleras formens temperatur exakt för att främja bildningen av inriktade styva kristaller när den smälta metallen svalnar. Dessa tjänar till att förstärka komponenten i riktning för inriktning på samma sätt som fibrer förstärker kompositmaterial.
legerings
Dessa framsteg inom bearbetningen har åtföljts av utvecklingen av nya "superlegeringar." Superlegeringar är högstyrka, ofta komplexa legeringar som är resistenta mot höga temperaturer och allvarlig mekanisk påkänning och som uppvisar hög ytstabilitet. De klassificeras vanligtvis i tre huvudkategorier: nickelbaserade, koboltbaserade och järnbaserade. Nickelbaserade superlegeringar dominerar i turbinavsnittet i jetmotorer. Även om de har liten inneboende motståndskraft mot oxidation vid höga temperaturer, får de önskvärda egenskaper genom tillsats av kobolt, krom, volfram, molybden, titan, aluminium och niob.
Aluminium-litiumlegeringar är styvare och mindre täta än konventionella aluminiumlegeringar. De är också ”superplastiska” på grund av den fina kornstorleken som nu kan uppnås vid bearbetningen. Legeringar i denna grupp är lämpliga för användning i motorkomponenter utsatta för mellanliggande till höga temperaturer; de kan också användas i vinge- och kroppsskinn.
Titanlegeringar, modifierade för att motstå höga temperaturer, ser ökad användning i turbinmotorer. De är också anställda i flygplan, främst för militära flygplan men till viss del också för kommersiella flygplan.
