Materiālu zinātne

Keramika

Keramikai ir liela nozīme dzinēju efektivitātes uzlabošanā un automašīnu un kravas automašīnu radītā piesārņojuma mazināšanā. Piemēram, viena veida keramiku - kordierītu (magnija aluminosilikātu) - kā substrātu un atbalstu katalizatoriem izmanto katalītiskos pārveidotājos. Tas tika izvēlēts šim nolūkam, jo ​​līdztekus daudziem keramikas izstrādājumiem tas ir viegls, var darboties ļoti augstā temperatūrā bez kausēšanas un slikti vada siltumu (palīdzot saglabāt izplūdes siltumu, lai uzlabotu katalītisko efektivitāti). Jaunā keramikas pielietojuma gadījumā General Motors pētnieki cilindra sienu izgatavoja no caurspīdīga safīra (alumīnija oksīda), lai vizuāli pārbaudītu benzīna dzinēja sadegšanas kameras iekšējo darbību. Bija paredzēts panākt labāku izpratni par sadedzināšanas kontroli, kas palielinātu iekšdedzes dzinēju efektivitāti.

Vēl viens keramikas pielietojums automobiļu vajadzībām ir keramikas sensors, ko izmanto, lai izmērītu skābekļa saturu izplūdes gāzēs. Keramikas, parasti cirkonija oksīda, kam pievienots neliels daudzums itrija, īpašība ir radīt spriegumu, kura lielums ir atkarīgs no skābekļa daļējā spiediena, kas ieskauj materiālu. Pēc tam no šāda sensora iegūto elektrisko signālu izmanto, lai kontrolētu degvielas un gaisa attiecību dzinējā, lai iegūtu visefektīvāko darbību.

Viņu trausluma dēļ keramika nav tikusi izmantota kā nesošās detaļas sauszemes transporta līdzekļos. Šī problēma joprojām ir izaicinājums, kas jāatrisina nākotnes materiālu zinātniekiem.

Materiāli kosmiskajai aviācijai

Aviācijas un kosmosa konstrukciju materiālu izvēles galvenais mērķis ir uzlabot degvielas patēriņa efektivitāti, lai palielinātu nobraukto attālumu un piegādāto derīgo kravu. Šo mērķi var sasniegt, attīstot attīstību divās frontēs: paaugstinātu motora efektivitāti, paaugstinot darba temperatūru un samazinot konstrukcijas svaru. Lai apmierinātu šīs vajadzības, materiālu zinātnieki izskata materiālus divās plašās jomās - metāla sakausējumos un uzlabotos kompozītmateriālos. Galvenais faktors, kas veicina šo jauno materiālu attīstību, ir pieaugošā spēja pielāgot materiālus īpašām īpašībām.

Metāli

Daudzi no uzlabotajiem metāliem, ko pašlaik izmanto lidmašīnās, bija īpaši izstrādāti izmantošanai gāzturbīnu dzinējos, kuru sastāvdaļas ir pakļautas augstām temperatūrām, kodīgām gāzēm, vibrācijai un lielām mehāniskām slodzēm. Agrīno reaktīvo dzinēju periodā (no apmēram 1940. līdz 1970. gadam) dizaina prasības tika izpildītas, izstrādājot tikai jaunus sakausējumus. Bet sarežģītākās progresīvo piedziņas sistēmu prasības ir novedušas pie jaunu sakausējumu izstrādes, kas var izturēt temperatūru virs 1000 ° C (1800 ° F), un šādu sakausējumu strukturālās īpašības ir uzlabojušās, attīstoties kausēšanas un sacietēšanas procesiem..

Kūst un sacietē

Sakausējumi ir vielas, kas sastāv no diviem vai vairākiem metāliem vai no metāla un nemetāla, kas ir cieši savienoti, parasti tos izšķīdinot, kad tie ir izkusuši. Kausēšanas galvenie mērķi ir piemaisījumu noņemšana un leģējošo sastāvdaļu sajaukšana parastā metālā. Liels progress ir panākts, attīstot jaunus procesus, kuru pamatā ir kausēšana vakuumā (karstā izostatiskā presēšana), ātra sacietēšana un virziena sacietēšana.

Karstās izostatiskās presēšanas laikā iepriekš sakausētos pulverus iesaiņo plānsienu, saliekamā traukā, kas tiek ievietots augstas temperatūras vakuumā, lai noņemtu adsorbētās gāzes molekulas. Pēc tam tas tiek noslēgts un ievietots presē, kur tas tiek pakļauts ļoti augstām temperatūrām un spiedienam. Forma sabrūk un metina pulveri vēlamajā formā.

Kausētie metāli, kas atdzesēti ar ātrumu līdz pat miljons grādiem sekundē, mēdz sacietēt samērā viendabīgā mikrostruktūrā, jo kristāliskajiem graudiem nav pietiekami daudz laika, lai tie veidotos un izaugtu. Šādi viendabīgi materiāli parasti ir stiprāki par tipiskajiem “graudainajiem” metāliem. Ātru dzesēšanas ātrumu var sasniegt, izmantojot “šļakatas” dzesēšanu, kurā izkusušie pilieni tiek izvirzīti uz aukstas virsmas. Ātru karsēšanu un sacietēšanu var panākt arī, izejot lieljaudas lāzera starus virs materiāla virsmas.

Atšķirībā no kompozītmateriāliem (skatīt zemāk par kompozītmateriāliem) graudainiem metāliem piemīt īpašības, kas būtībā ir vienādas visos virzienos, tāpēc tos nevar pielāgot, lai tie atbilstu paredzētajam slodzes ceļam (ti, spriegumiem, kas tiek veikti noteiktos virzienos). Tomēr paņēmiens, ko sauc par virziena sacietēšanu, nodrošina zināmu pielāgojamības pakāpi. Šajā procesā tiek precīzi kontrolēta veidnes temperatūra, lai izkausēta metāla atdzišanas laikā veicinātu izlīdzinātu cietu kristālu veidošanos. Tie kalpo, lai pastiprinātu sastāvdaļu izlīdzināšanas virzienā tāpat kā šķiedras pastiprina kompozītmateriālus.

Leģēšana

Šie pārstrādes panākumi tika pavadīti ar jaunu “supersakausējumu” attīstību. Supersakausējumi ir augstas stiprības, bieži vien sarežģīti sakausējumi, kas ir izturīgi pret augstām temperatūrām un smagu mehānisku spriegumu un kuriem ir augsta virsmas stabilitāte. Tos parasti klasificē trīs galvenajās kategorijās: niķeļa, kobalta un dzelzs bāzes. Reaktīvo dzinēju turbīnu sekcijā pārsvarā ir niķeļa bāzes supersakausējumi. Kaut arī tiem ir maza raksturīga izturība pret oksidēšanos augstās temperatūrās, tie iegūst vēlamas īpašības, pievienojot kobaltu, hromu, volframu, molibdēnu, titānu, alumīniju un niobiju.

Alumīnija-litija sakausējumi ir stingrāki un mazāk blīvi nekā parastie alumīnija sakausējumi. Tie ir arī “superplastiski” smalko graudu lieluma dēļ, ko tagad var sasniegt pārstrādē. Šīs grupas sakausējumi ir piemēroti izmantošanai motora komponentos, kas pakļauti vidējas un augstas temperatūras iedarbībai; tos var izmantot arī spārnu un ķermeņa ādās.

Titāna sakausējumi, kas pārveidoti tā, lai izturētu augstu temperatūru, arvien vairāk tiek izmantoti turbīnu motoros. Tos izmanto arī lidmašīnās, galvenokārt militārām lidmašīnām, bet zināmā mērā arī komerciālām lidmašīnām.