Khoa học vật liệu

Gốm sứ

Gốm sứ đóng một vai trò quan trọng trong hiệu quả động cơ và giảm ô nhiễm trong ô tô và xe tải. Ví dụ, một loại gốm, cordierite (một aluminosilicate magiê), được sử dụng làm chất nền và hỗ trợ cho các chất xúc tác trong các bộ chuyển đổi xúc tác. Nó được chọn cho mục đích này vì cùng với nhiều đồ gốm, nó rất nhẹ, có thể hoạt động ở nhiệt độ rất cao mà không bị nóng chảy và dẫn nhiệt kém (giúp giữ nhiệt thải để cải thiện hiệu quả xúc tác). Trong một ứng dụng mới của gốm sứ, một bức tường xi lanh được làm bằng sapphire trong suốt (oxit nhôm) bởi các nhà nghiên cứu của General Motors để kiểm tra trực quan hoạt động bên trong của buồng đốt động cơ xăng. Mục đích là để cải thiện sự hiểu biết về kiểm soát đốt cháy, dẫn đến hiệu quả cao hơn của động cơ đốt trong.

Một ứng dụng khác của gốm sứ cho nhu cầu ô tô là một cảm biến gốm được sử dụng để đo hàm lượng oxy trong khí thải. Các gốm, thường là oxit zirconium mà một lượng nhỏ yttri đã được thêm vào, có đặc tính tạo ra một điện áp có cường độ phụ thuộc vào áp suất riêng phần của oxy bao quanh vật liệu. Tín hiệu điện thu được từ một cảm biến như vậy sau đó được sử dụng để kiểm soát tỷ lệ nhiên liệu trong không khí trong động cơ để có được hoạt động hiệu quả nhất.

Do tính giòn của chúng, gốm không được sử dụng làm linh kiện chịu tải trong các phương tiện giao thông mặt đất ở bất kỳ mức độ lớn nào. Vấn đề vẫn là một thách thức được giải quyết bởi các nhà khoa học vật liệu của tương lai.

Vật liệu cho hàng không vũ trụ

Mục tiêu chính trong việc lựa chọn vật liệu cho các cấu trúc không gian vũ trụ là tăng cường hiệu quả nhiên liệu để tăng quãng đường di chuyển và tải trọng được giao. Mục tiêu này có thể đạt được bằng cách phát triển trên hai mặt trận: tăng hiệu suất động cơ thông qua nhiệt độ vận hành cao hơn và giảm trọng lượng kết cấu. Để đáp ứng những nhu cầu này, các nhà khoa học vật liệu tìm đến vật liệu ở hai khu vực rộng lớn là hợp kim kim loại và vật liệu composite tiên tiến. Một yếu tố quan trọng góp phần vào sự tiến bộ của các vật liệu mới này là khả năng ngày càng tăng để điều chỉnh vật liệu để đạt được các tính chất cụ thể.

Kim loại

Nhiều kim loại tiên tiến hiện đang sử dụng trong máy bay được thiết kế dành riêng cho các ứng dụng trong động cơ tua-bin khí, các bộ phận tiếp xúc với nhiệt độ cao, khí ăn mòn, rung động và tải trọng cơ học cao. Trong thời kỳ đầu của động cơ phản lực (từ khoảng năm 1940 đến 1970), các yêu cầu thiết kế đã được đáp ứng chỉ bằng việc phát triển các hợp kim mới. Nhưng các yêu cầu khắt khe hơn của các hệ thống đẩy tiên tiến đã thúc đẩy sự phát triển của các hợp kim mới có thể chịu được nhiệt độ lớn hơn 1.000 ° C (1.800 ° F), và hiệu suất cấu trúc của các hợp kim đó đã được cải thiện nhờ các phát triển trong quá trình nấu chảy và hóa rắn..

Nóng chảy và hóa rắn

Hợp kim là các chất bao gồm hai hoặc nhiều kim loại hoặc kim loại và một phi kim được liên kết mật thiết với nhau, thường bằng cách hòa tan trong nhau khi chúng bị nóng chảy. Mục tiêu chính của quá trình nóng chảy là loại bỏ tạp chất và trộn các thành phần hợp kim đồng nhất trong kim loại cơ bản. Những tiến bộ chính đã được thực hiện với sự phát triển của các quá trình mới dựa trên sự nóng chảy trong chân không (ép đẳng nhiệt nóng), hóa rắn nhanh và hóa rắn định hướng.

Trong quá trình ép đẳng nhiệt nóng, bột đã được đóng gói được đóng gói vào một thùng chứa có thành mỏng, được đặt trong chân không nhiệt độ cao để loại bỏ các phân tử khí bị hấp phụ. Sau đó nó được niêm phong và đưa vào máy ép, nơi nó tiếp xúc với nhiệt độ và áp suất rất cao. Khuôn sụp đổ và hàn bột lại với nhau theo hình dạng mong muốn.

Các kim loại nóng chảy được làm lạnh ở tốc độ cao tới một triệu độ mỗi giây có xu hướng hóa cứng thành một cấu trúc tương đối đồng nhất, vì không đủ thời gian để các hạt tinh thể tạo mầm và phát triển. Các vật liệu đồng nhất như vậy có xu hướng mạnh hơn các kim loại có hạt điển hình. Tốc độ làm lạnh nhanh có thể đạt được bằng cách làm mát bằng splat, trong đó các giọt nóng chảy được chiếu lên bề mặt lạnh. Gia nhiệt nhanh và hóa rắn cũng có thể đạt được bằng cách truyền các chùm laser công suất cao trên bề mặt vật liệu.

Không giống như vật liệu tổng hợp (xem bên dưới Vật liệu tổng hợp), các kim loại dạng hạt thể hiện các tính chất cơ bản giống nhau theo mọi hướng, do đó chúng không thể được điều chỉnh để phù hợp với các đường tải dự đoán (nghĩa là ứng suất được áp dụng theo các hướng cụ thể). Tuy nhiên, một kỹ thuật gọi là hóa rắn định hướng cung cấp một mức độ phù hợp nhất định. Trong quá trình này, nhiệt độ của khuôn được kiểm soát chính xác để thúc đẩy sự hình thành các tinh thể cứng thẳng hàng khi kim loại nóng chảy nguội đi. Chúng phục vụ cho việc gia cố thành phần theo hướng liên kết theo cùng kiểu như sợi gia cố vật liệu composite.

Hợp kim

Những tiến bộ trong chế biến này đã đi kèm với sự phát triển của các siêu hợp kim mới. Superalloys có độ bền cao, thường là hợp kim phức tạp, chịu được nhiệt độ cao và áp lực cơ học nghiêm trọng và thể hiện tính ổn định bề mặt cao. Chúng thường được phân loại thành ba loại chính: dựa trên niken, dựa trên coban và sắt. Các siêu hợp kim gốc niken chiếm ưu thế trong phần tuabin của động cơ phản lực. Mặc dù chúng có ít khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, nhưng chúng có được các đặc tính mong muốn thông qua việc bổ sung coban, crom, vonfram, molypden, titan, nhôm và niobi.

Hợp kim nhôm-lithium cứng hơn và ít đậm đặc hơn hợp kim nhôm thông thường. Chúng cũng là siêu dẻo của Hồi giáo, do kích thước hạt mịn hiện có thể đạt được trong chế biến. Hợp kim trong nhóm này là thích hợp để sử dụng trong các thành phần động cơ tiếp xúc với nhiệt độ trung bình đến cao; chúng cũng có thể được sử dụng trong da cánh và cơ thể.

Hợp kim titan, như được sửa đổi để chịu được nhiệt độ cao, đang được sử dụng nhiều hơn trong động cơ tua-bin. Họ cũng được sử dụng trong máy bay, chủ yếu cho máy bay quân sự nhưng ở một mức độ nào đó cho máy bay thương mại là tốt.