Ceramika
Ceramika odgrywa ważną rolę w wydajności silnika i ograniczaniu zanieczyszczeń w samochodach i ciężarówkach. Na przykład jeden rodzaj ceramiki, kordieryt (glinokrzemian magnezu), jest stosowany jako podłoże i podłoże dla katalizatorów w katalizatorach. Został wybrany do tego celu, ponieważ wraz z wieloma materiałami ceramicznymi jest lekki, może pracować w bardzo wysokich temperaturach bez topnienia i słabo przewodzi ciepło (pomagając zatrzymać ciepło wylotowe w celu poprawy wydajności katalitycznej). W nowatorskim zastosowaniu ceramiki ściana cylindra została wykonana przez przezroczystego szafiru (tlenek glinu) przez naukowców z General Motors w celu wizualnego zbadania wewnętrznego działania komory spalania silnika benzynowego. Chodziło o lepsze zrozumienie kontroli spalania, prowadzące do większej wydajności silników spalinowych.
Innym zastosowaniem ceramiki na potrzeby motoryzacji jest czujnik ceramiczny, który służy do pomiaru zawartości tlenu w spalinach. Ceramika, zwykle tlenek cyrkonu, do którego dodano niewielką ilość itru, ma właściwość wytwarzania napięcia, którego wielkość zależy od ciśnienia cząstkowego tlenu otaczającego materiał. Sygnał elektryczny uzyskany z takiego czujnika jest następnie wykorzystywany do kontrolowania stosunku paliwa do powietrza w silniku w celu uzyskania najbardziej wydajnej pracy.
Ze względu na swoją kruchość ceramika nie była w dużym stopniu wykorzystywana jako elementy nośne w pojazdach do transportu naziemnego. Problem pozostaje wyzwaniem dla naukowców zajmujących się materiałami w przyszłości.
Materiały dla przemysłu lotniczego
Podstawowym celem przy wyborze materiałów do konstrukcji lotniczych jest zwiększenie efektywności paliwowej w celu zwiększenia przebytej odległości i dostarczonej ładowności. Cel ten można osiągnąć dzięki rozwojowi na dwóch frontach: zwiększonej wydajności silnika poprzez wyższe temperatury robocze i zmniejszonej masie konstrukcyjnej. Aby zaspokoić te potrzeby, naukowcy zajmujący się materiałami poszukują materiałów w dwóch szerokich obszarach - stopach metali i zaawansowanych materiałach kompozytowych. Kluczowym czynnikiem przyczyniającym się do rozwoju tych nowych materiałów jest rosnąca zdolność dostosowywania materiałów w celu osiągnięcia określonych właściwości.
Metale
Wiele zaawansowanych metali obecnie stosowanych w samolotach zaprojektowano specjalnie do zastosowań w silnikach z turbiną gazową, których elementy są narażone na działanie wysokich temperatur, gazów powodujących korozję, wibracji i dużych obciążeń mechanicznych. W okresie wczesnych silników odrzutowych (od około 1940 do 1970 r.) Wymagania konstrukcyjne zostały spełnione przez sam rozwój nowych stopów. Ale bardziej surowe wymagania zaawansowanych systemów napędowych spowodowały rozwój nowych stopów, które mogą wytrzymać temperatury wyższe niż 1000 ° C (1800 ° F), a osiągi konstrukcyjne takich stopów zostały ulepszone dzięki postępom w procesach topienia i krzepnięcia.
Topienie i zestalanie
Stopy są substancjami złożonymi z dwóch lub więcej metali lub metalu i niemetalu, które są ściśle ze sobą połączone, zwykle przez rozpuszczenie się w sobie po stopieniu. Głównym celem topienia jest usunięcie zanieczyszczeń i jednorodne wymieszanie składników stopowych w metalu nieszlachetnym. Poczyniono znaczne postępy w rozwoju nowych procesów opartych na topieniu pod próżnią (prasowanie izostatyczne na gorąco), szybkim krzepnięciu i kierunkowym krzepnięciu.
W prasowaniu izostatycznym na gorąco, wstępnie stopione proszki są pakowane do cienkościennego, składanego pojemnika, który jest umieszczany w wysokiej temperaturze próżni w celu usunięcia zaadsorbowanych cząsteczek gazu. Następnie jest szczelnie zamykany i wkładany do prasy, gdzie jest narażony na bardzo wysokie temperatury i ciśnienia. Forma zapada się i zgrzewa proszek razem w pożądanym kształcie.
Stopione metale schładzane z szybkością nawet miliona stopni na sekundę mają tendencję do zestalania się w stosunkowo jednorodną mikrostrukturę, ponieważ nie ma wystarczającego czasu na zarodkowanie i wzrost ziaren krystalicznych. Takie jednorodne materiały są zwykle mocniejsze niż typowe „ziarniste” metale. Szybkie tempo chłodzenia można osiągnąć przez chłodzenie „rozpryskowe”, w którym stopione krople są rzutowane na zimną powierzchnię. Szybkie nagrzewanie i zestalanie można również osiągnąć, przepuszczając wiązki laserowe dużej mocy nad powierzchnią materiału.
W przeciwieństwie do materiałów kompozytowych (patrz poniżej Kompozyty), metale ziarniste wykazują właściwości, które są zasadniczo takie same we wszystkich kierunkach, więc nie można ich dopasować do przewidywanych ścieżek obciążenia (tj. Naprężeń przykładanych w określonych kierunkach). Jednak technika zwana kierunkowym krzepnięciem zapewnia pewien stopień możliwości dostosowania. W tym procesie temperatura formy jest dokładnie kontrolowana, aby sprzyjać tworzeniu wyrównanych sztywnych kryształów w miarę stygnięcia stopionego metalu. Służą one do wzmocnienia elementu w kierunku wyrównania w taki sam sposób, jak włókna wzmacniają materiały kompozytowe.
Stopowe
Postępowi w przetwarzaniu towarzyszył rozwój nowych „nadstopów”. Nadstopy są stopami o wysokiej wytrzymałości, często złożonymi, odpornymi na wysokie temperatury i silne obciążenia mechaniczne oraz charakteryzującymi się wysoką stabilnością powierzchni. Są one zwykle dzielone na trzy główne kategorie: na bazie niklu, na bazie kobaltu i na bazie żelaza. Nadstopy niklu dominują w części turbinowej silników odrzutowych. Chociaż mają niewielką wrodzoną odporność na utlenianie w wysokich temperaturach, uzyskują pożądane właściwości przez dodanie kobaltu, chromu, wolframu, molibdenu, tytanu, glinu i niobu.
Stopy glinowo-litowe są sztywniejsze i mniej gęste niż tradycyjne stopy aluminium. Są również „superplastyczne”, ze względu na drobną ziarnistość, którą można teraz uzyskać podczas przetwarzania. Stopy w tej grupie są odpowiednie do stosowania w częściach silnika narażonych na działanie średnich i wysokich temperatur; mogą być również stosowane w skórkach skrzydeł i ciała.
Stopy tytanu, zmodyfikowane tak, aby wytrzymywały wysokie temperatury, są coraz częściej stosowane w silnikach turbinowych. Są również stosowane w płatowcach, głównie do samolotów wojskowych, ale w pewnym stopniu także do samolotów komercyjnych.
