Keramiek
Keramiek speelt een belangrijke rol bij het motorrendement en de vermindering van vervuiling in auto's en vrachtwagens. Zo wordt één type keramiek, cordieriet (een magnesiumaluminosilicaat), gebruikt als substraat en drager voor katalysatoren in katalysatoren. Het is voor dit doel gekozen omdat het, samen met veel keramiek, licht van gewicht is, bij zeer hoge temperaturen kan werken zonder te smelten en de warmte slecht geleidt (helpt de uitlaatwarmte vast te houden voor een verbeterde katalytische efficiëntie). In een nieuwe toepassing van keramiek werd een cilinderwand gemaakt van transparante saffier (aluminiumoxide) door onderzoekers van General Motors om de interne werking van een verbrandingskamer van een benzinemotor visueel te onderzoeken. Het was de bedoeling om tot een beter begrip van verbrandingsregeling te komen, wat leidde tot een grotere efficiëntie van verbrandingsmotoren.
Een andere toepassing van keramiek op de behoeften van auto's is een keramische sensor die wordt gebruikt om het zuurstofgehalte van uitlaatgassen te meten. Het keramiek, meestal zirkoniumoxide waaraan een kleine hoeveelheid yttrium is toegevoegd, heeft de eigenschap een spanning te produceren waarvan de grootte afhangt van de partiële zuurstofdruk die het materiaal omgeeft. Het elektrische signaal dat door een dergelijke sensor wordt verkregen, wordt vervolgens gebruikt om de brandstof-luchtverhouding in de motor te regelen om de meest efficiënte werking te verkrijgen.
Vanwege hun broosheid is keramiek in grote mate niet gebruikt als dragende componenten in voertuigen voor grondtransport. Het probleem blijft een uitdaging die moet worden opgelost door materiaalwetenschappers van de toekomst.
Materialen voor ruimtevaart
Het primaire doel bij de selectie van materialen voor ruimtevaartconstructies is het verbeteren van de brandstofefficiëntie om de afgelegde afstand en het geleverde laadvermogen te vergroten. Dit doel kan worden bereikt door ontwikkelingen op twee fronten: een hoger motorrendement door hogere bedrijfstemperaturen en een lager structureel gewicht. Om aan deze behoeften te voldoen, kijken materiaalwetenschappers naar materialen op twee brede gebieden: metaallegeringen en geavanceerde composietmaterialen. Een sleutelfactor die bijdraagt aan de vooruitgang van deze nieuwe materialen is het groeiende vermogen om materialen op maat te maken om specifieke eigenschappen te bereiken.
Metalen
Veel van de geavanceerde metalen die momenteel in vliegtuigen worden gebruikt, zijn speciaal ontworpen voor toepassingen in gasturbinemotoren, waarvan de componenten worden blootgesteld aan hoge temperaturen, corrosieve gassen, trillingen en hoge mechanische belastingen. Tijdens de periode van vroege straalmotoren (van ongeveer 1940 tot 1970) werd aan de ontwerpvereisten voldaan door de ontwikkeling van alleen nieuwe legeringen. Maar de strengere eisen van geavanceerde voortstuwingssystemen hebben geleid tot de ontwikkeling van nieuwe legeringen die temperaturen hoger dan 1.000 ° C (1.800 ° F) kunnen weerstaan, en de structurele prestaties van dergelijke legeringen zijn verbeterd door ontwikkelingen in het smelt- en stollingsproces.
Smelten en stollen
Legeringen zijn stoffen die zijn samengesteld uit twee of meer metalen of uit een metaal en een niet-metaal die innig zijn verenigd, meestal door in elkaar op te lossen wanneer ze worden gesmolten. Het belangrijkste doel van smelten is het verwijderen van onzuiverheden en het homogeen mengen van de legeringsingrediënten in het basismetaal. Er zijn grote vorderingen gemaakt met de ontwikkeling van nieuwe processen op basis van smelten onder vacuüm (heet isostatisch persen), snelle stolling en gerichte stolling.
Bij heet isostatisch persen worden voorgelegeerde poeders verpakt in een dunwandige, opvouwbare container, die in een vacuüm op hoge temperatuur wordt geplaatst om geadsorbeerde gasmoleculen te verwijderen. Vervolgens wordt het verzegeld en in een pers gedaan, waar het wordt blootgesteld aan zeer hoge temperaturen en drukken. De mal klapt in en last het poeder in de gewenste vorm aan elkaar.
Gesmolten metalen gekoeld met een snelheid van wel een miljoen graden per seconde hebben de neiging te stollen tot een relatief homogene microstructuur, omdat er onvoldoende tijd is voor kristallijne korrels om te kiemen en te groeien. Dergelijke homogene materialen zijn doorgaans sterker dan de typische "korrelige" metalen. Door "splat" -koeling, waarbij gesmolten druppels op een koud oppervlak worden geprojecteerd, kunnen hoge afkoelsnelheden worden bereikt. Snelle verwarming en stolling kan ook worden bereikt door krachtige laserstralen over het oppervlak van het materiaal te leiden.
In tegenstelling tot composietmaterialen (zie hieronder Composieten), vertonen korrelige metalen eigenschappen die in wezen in alle richtingen hetzelfde zijn, zodat ze niet kunnen worden aangepast aan de verwachte belastingspaden (dwz spanningen die in specifieke richtingen worden toegepast). Een techniek die directionele stolling wordt genoemd, biedt echter een zekere mate van maatwerk. In dit proces wordt de temperatuur van de mal nauwkeurig geregeld om de vorming van uitgelijnde stijve kristallen te bevorderen terwijl het gesmolten metaal afkoelt. Deze dienen om de component in de richting van uitlijning te versterken op dezelfde manier als vezels composietmaterialen versterken.
Legering
Deze vooruitgang in de verwerking ging gepaard met de ontwikkeling van nieuwe "superlegeringen". Superlegeringen zijn zeer sterke, vaak complexe legeringen die bestand zijn tegen hoge temperaturen en zware mechanische belasting en die een hoge oppervlaktestabiliteit vertonen. Ze worden gewoonlijk ingedeeld in drie hoofdcategorieën: op nikkel, op kobalt en op ijzer. Op nikkel gebaseerde superlegeringen overheersen in het turbinegedeelte van straalmotoren. Hoewel ze weinig inherente weerstand hebben tegen oxidatie bij hoge temperaturen, verkrijgen ze gewenste eigenschappen door de toevoeging van kobalt, chroom, wolfraam, molybdeen, titanium, aluminium en niobium.
Aluminium-lithiumlegeringen zijn stijver en minder dicht dan conventionele aluminiumlegeringen. Ze zijn ook "superplastisch", vanwege de fijne korrelgrootte die nu bij verwerking kan worden bereikt. Legeringen in deze groep zijn geschikt voor gebruik in motoronderdelen die worden blootgesteld aan gemiddelde tot hoge temperaturen; ze kunnen ook worden gebruikt in vleugel- en lichaamshuiden.
Titaniumlegeringen, zoals aangepast om hoge temperaturen te weerstaan, worden steeds vaker gebruikt in turbinemotoren. Ze worden ook gebruikt in vliegtuigen, voornamelijk voor militaire vliegtuigen, maar tot op zekere hoogte ook voor commerciële vliegtuigen.
