Keramik
Keramik spielt eine wichtige Rolle bei der Motoreffizienz und der Verringerung der Umweltverschmutzung in Kraftfahrzeugen und Lastkraftwagen. Beispielsweise wird eine Keramikart, Cordierit (ein Magnesiumaluminosilicat), als Substrat und Träger für Katalysatoren in Katalysatoren verwendet. Es wurde zu diesem Zweck ausgewählt, weil es zusammen mit vielen Keramiken leicht ist, bei sehr hohen Temperaturen arbeiten kann, ohne zu schmelzen, und Wärme schlecht leitet (was dazu beiträgt, die Abwärme für eine verbesserte katalytische Effizienz zurückzuhalten). Bei einer neuartigen Anwendung von Keramik wurde von den Forschern von General Motors eine Zylinderwand aus transparentem Saphir (Aluminiumoxid) hergestellt, um das Innenleben einer Brennkammer eines Benzinmotors visuell zu untersuchen. Ziel war es, ein besseres Verständnis der Verbrennungssteuerung zu erreichen, was zu einer höheren Effizienz von Verbrennungsmotoren führt.
Eine weitere Anwendung von Keramik auf Automobilanforderungen ist ein Keramiksensor, mit dem der Sauerstoffgehalt von Abgasen gemessen wird. Die Keramik, üblicherweise Zirkonoxid, zu der eine kleine Menge Yttrium gegeben wurde, hat die Eigenschaft, eine Spannung zu erzeugen, deren Größe vom Partialdruck des das Material umgebenden Sauerstoffs abhängt. Das von einem solchen Sensor erhaltene elektrische Signal wird dann verwendet, um das Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Motor zu steuern, um den effizientesten Betrieb zu erzielen.
Keramik wurde aufgrund ihrer Sprödigkeit nicht in großem Umfang als tragende Komponente in Bodentransportfahrzeugen eingesetzt. Das Problem bleibt eine Herausforderung, die von Materialwissenschaftlern der Zukunft gelöst werden muss.
Materialien für die Luft- und Raumfahrt
Das Hauptziel bei der Auswahl der Materialien für Luft- und Raumfahrtstrukturen ist die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz, um die zurückgelegte Strecke und die gelieferte Nutzlast zu erhöhen. Dieses Ziel kann durch Entwicklungen an zwei Fronten erreicht werden: Steigerung des Motorwirkungsgrades durch höhere Betriebstemperaturen und reduziertes Strukturgewicht. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, suchen Materialwissenschaftler nach Materialien in zwei großen Bereichen - Metalllegierungen und fortschrittliche Verbundwerkstoffe. Ein Schlüsselfaktor, der zur Weiterentwicklung dieser neuen Materialien beiträgt, ist die zunehmende Fähigkeit, Materialien so anzupassen, dass bestimmte Eigenschaften erreicht werden.
Metalle
Viele der derzeit in Flugzeugen verwendeten fortschrittlichen Metalle wurden speziell für Anwendungen in Gasturbinentriebwerken entwickelt, deren Komponenten hohen Temperaturen, korrosiven Gasen, Vibrationen und hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. In der Zeit der frühen Düsentriebwerke (von etwa 1940 bis 1970) wurden die Konstruktionsanforderungen allein durch die Entwicklung neuer Legierungen erfüllt. Die strengeren Anforderungen an fortschrittliche Antriebssysteme haben jedoch zur Entwicklung neuartiger Legierungen geführt, die Temperaturen von mehr als 1.000 ° C (1.800 ° F) standhalten können, und die strukturelle Leistung solcher Legierungen wurde durch Entwicklungen bei den Schmelz- und Erstarrungsprozessen verbessert.
Schmelzen und Erstarren
Legierungen sind Substanzen, die aus zwei oder mehr Metallen oder einem Metall und einem Nichtmetall bestehen und eng miteinander verbunden sind, üblicherweise durch Auflösen ineinander, wenn sie geschmolzen werden. Die Hauptziele des Schmelzens sind die Entfernung von Verunreinigungen und das homogene Mischen der Legierungsbestandteile im Grundmetall. Bei der Entwicklung neuer Verfahren, die auf dem Schmelzen unter Vakuum (heißisostatisches Pressen), der schnellen Verfestigung und der gerichteten Verfestigung beruhen, wurden große Fortschritte erzielt.
Beim heißisostatischen Pressen werden vorlegierte Pulver in einen dünnwandigen, zusammenlegbaren Behälter gepackt, der in ein Hochtemperaturvakuum gebracht wird, um adsorbierte Gasmoleküle zu entfernen. Es wird dann versiegelt und in eine Presse gegeben, wo es sehr hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt wird. Die Form kollabiert und schweißt das Pulver in der gewünschten Form zusammen.
Geschmolzene Metalle, die mit einer Geschwindigkeit von bis zu einer Million Grad pro Sekunde abgekühlt werden, neigen dazu, sich zu einer relativ homogenen Mikrostruktur zu verfestigen, da kristalline Körner nicht genügend Zeit haben, sich zu bilden und zu wachsen. Solche homogenen Materialien sind tendenziell stärker als die typischen "körnigen" Metalle. Schnelle Abkühlraten können durch "Splat" -Kühlung erreicht werden, bei der geschmolzene Tröpfchen auf eine kalte Oberfläche projiziert werden. Schnelles Erhitzen und Erstarren kann auch erreicht werden, indem Hochleistungslaserstrahlen über die Materialoberfläche geleitet werden.
Im Gegensatz zu Verbundwerkstoffen (siehe unten Verbundwerkstoffe) weisen körnige Metalle Eigenschaften auf, die in allen Richtungen im Wesentlichen gleich sind, sodass sie nicht auf die erwarteten Lastpfade (dh die in bestimmten Richtungen ausgeübten Spannungen) zugeschnitten werden können. Eine als gerichtete Verfestigung bezeichnete Technik bietet jedoch ein gewisses Maß an Anpassbarkeit. Bei diesem Verfahren wird die Temperatur der Form genau gesteuert, um die Bildung ausgerichteter steifer Kristalle beim Abkühlen der Metallschmelze zu fördern. Diese dienen dazu, das Bauteil in Ausrichtungsrichtung auf die gleiche Weise zu verstärken, wie Fasern Verbundwerkstoffe verstärken.
Legieren
Diese Fortschritte in der Verarbeitung gingen mit der Entwicklung neuer „Superlegierungen“ einher. Superlegierungen sind hochfeste, oft komplexe Legierungen, die gegen hohe Temperaturen und starke mechanische Beanspruchung beständig sind und eine hohe Oberflächenstabilität aufweisen. Sie werden üblicherweise in drei Hauptkategorien eingeteilt: auf Nickelbasis, auf Kobaltbasis und auf Eisenbasis. Superlegierungen auf Nickelbasis überwiegen im Turbinenbereich von Strahltriebwerken. Obwohl sie bei hohen Temperaturen eine geringe Oxidationsbeständigkeit aufweisen, gewinnen sie durch Zugabe von Kobalt, Chrom, Wolfram, Molybdän, Titan, Aluminium und Niob wünschenswerte Eigenschaften.
Aluminium-Lithium-Legierungen sind steifer und weniger dicht als herkömmliche Aluminiumlegierungen. Sie sind aufgrund der feinen Korngröße, die jetzt bei der Verarbeitung erreicht werden kann, auch „superplastisch“. Legierungen dieser Gruppe eignen sich zur Verwendung in Motorkomponenten, die mittleren bis hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Sie können auch in Flügel- und Körperhäuten verwendet werden.
Titanlegierungen, die so modifiziert sind, dass sie hohen Temperaturen standhalten, werden zunehmend in Turbinentriebwerken eingesetzt. Sie werden auch in Flugzeugzellen eingesetzt, hauptsächlich für Militärflugzeuge, in gewissem Umfang aber auch für Verkehrsflugzeuge.
