Keramik
Keramik spiller en vigtig rolle i motoreffektiviteten og forureningsreducering i biler og lastbiler. For eksempel anvendes en type keramik, cordierit (et magnesiumaluminosilicat) som et underlag og understøtning til katalysatorer i katalytiske omformere. Det blev valgt til dette formål, fordi det sammen med mange keramiske stoffer er let, kan arbejde ved meget høje temperaturer uden at smelte og leder varme dårligt (hjælper med at holde udstødningsvarmen for forbedret katalytisk effektivitet). I en ny anvendelse af keramik blev en cylindervæg lavet af gennemsigtig safir (aluminiumoxid) af General Motors 'forskere for visuelt at undersøge den indre funktion i et benzinmotorforbrændingsrum. Hensigten var at nå frem til en bedre forståelse af forbrændingsstyring, hvilket førte til større effektivitet af forbrændingsmotorer.
En anden anvendelse af keramik til bilindustriens behov er en keramisk sensor, der bruges til at måle iltindholdet i udstødningsgasser. Det keramiske, sædvanligvis zirkoniumoxid, hvortil der er tilsat en lille mængde yttrium, har egenskaben til at producere en spænding, hvis størrelse afhænger af det partielle ilttryk, der omgiver materialet. Det elektriske signal, der opnås fra en sådan sensor, bruges derefter til at styre brændstof-til-luft-forholdet i motoren for at opnå den mest effektive drift.
På grund af deres skørhed er keramik ikke blevet brugt som bærende komponenter i jordtransportkøretøjer i nogen større udstrækning. Problemet er fortsat en udfordring, der skal løses af fremtidens materialeforskere.
Materialer til rumfart
Det primære mål i valg af materialer til rumfartsstrukturer er forbedring af brændstofeffektivitet for at øge den tilbagelagte afstand og leveret nyttelast. Dette mål kan nås ved udvikling på to fronter: øget motoreffektivitet gennem højere driftstemperaturer og reduceret strukturel vægt. For at imødekomme disse behov ser materialeforskere på materialer i to brede områder — metallegeringer og avancerede kompositmaterialer. En nøglefaktor, der bidrager til fremme af disse nye materialer, er den voksende evne til at skræddersy materialer til at opnå specifikke egenskaber.
Metaller
Mange af de avancerede metaller, der i øjeblikket er i brug i fly, blev designet specielt til anvendelse i gasturbinemotorer, hvis komponenter er udsat for høje temperaturer, ætsende gasser, vibrationer og høje mekaniske belastninger. I perioden med tidlige jetmotorer (fra ca. 1940 til 1970) blev designkrav opfyldt ved udvikling af nye legeringer alene. Men de mere alvorlige krav til avancerede fremdrivningssystemer har drevet udviklingen af nye legeringer, der kan modstå temperaturer over 1.000 ° C (1.800 ° F), og den strukturelle ydelse af sådanne legeringer er blevet forbedret af udviklingen i processerne med smeltning og størkning.
Smeltning og størkning
Legeringer er stoffer, der er sammensat af to eller flere metaller eller af et metal og en ikke-metal, der er tæt forenet, normalt ved at opløses i hinanden, når de smeltes. De vigtigste mål med smeltning er at fjerne urenheder og at blande de legeringsbestanddele homogent i basismetallet. Der er gjort store fremskridt med udviklingen af nye processer baseret på smeltning under vakuum (varm isostatisk presning), hurtig størkning og retningsbestemt størkning.
Ved varm isostatisk presning pakkes forlegerede pulvere i en tyndvægget, sammenfoldelig beholder, der anbringes i et vakuum ved høj temperatur for at fjerne adsorberede gasmolekyler. Derefter forsegles den og sættes i en presse, hvor den udsættes for meget høje temperaturer og tryk. Formen kollapser og svejser pulveret sammen i den ønskede form.
Smeltede metaller afkølet med hastigheder så høje som en million grader pr. Sekund har tendens til at størkne i en relativt homogen mikrostruktur, da der ikke er tilstrækkelig tid til at krystallinske kerner kan kernes og vokse. Sådanne homogene materialer har en tendens til at være stærkere end de typiske "kornige" metaller. Hurtige kølehastigheder kan opnås ved "splat" -køling, hvor smeltede dråber projiceres på en kold overflade. Hurtig opvarmning og størkning kan også opnås ved at føre laserstråler med høj effekt over materialets overflade.
I modsætning til kompositmaterialer (se nedenfor Composites) udviser kornede metaller egenskaber, der i det væsentlige er de samme i alle retninger, så de ikke kan skræddersys til at matche forventede belastningsstier (dvs. spændinger, der anvendes i specifikke retninger). Imidlertid giver en teknik kaldet retningsbestemt størkning en vis grad af skræddersy. I denne proces styres formen af nøjagtigt for at fremme dannelsen af justerede stive krystaller, når det smeltede metal afkøles. Disse tjener til at forstærke komponenten i retningsretningen på samme måde som fibre forstærker kompositmaterialer.
Legering
Disse fremskridt inden for forarbejdning er ledsaget af udviklingen af nye "superlegeringer." Superlegeringer er høje styrke, ofte komplekse legeringer, der er modstandsdygtige over for høje temperaturer og svær mekanisk belastning, og som udviser høj overfladestabilitet. De klassificeres ofte i tre hovedkategorier: nikkelbaseret, koboltbaseret og jernbaseret. Nikkelbaserede superlegeringer dominerer i turbineafsnittet i jetmotorer. Selvom de har lidt iboende modstand mod oxidation ved høje temperaturer, får de ønskelige egenskaber ved tilsætning af cobalt, krom, wolfram, molybdæn, titan, aluminium og niob.
Aluminium-lithiumlegeringer er stivere og mindre tæt end konventionelle aluminiumlegeringer. De er også “superplastiske” på grund af den fine kornstørrelse, der nu kan opnås ved forarbejdning. Legeringer i denne gruppe er egnede til brug i motorkomponenter udsat for mellemliggende til høje temperaturer; de kan også bruges i vinge- og kropsskind.
Titanium-legeringer, som ændret til at modstå høje temperaturer, ser øget anvendelse i turbinemotorer. De er også ansat i flyrammer, primært til militære fly, men i nogen grad også til kommercielle fly.
