Ciència de materials

Ceràmica

La ceràmica juga un paper important en l'eficiència del motor i la reducció de la contaminació en automòbils i camions. Per exemple, s’utilitza un tipus de ceràmica, cordierita (un aluminosilicat de magnesi) com a substrat i suport per a catalitzadors en catalitzadors. Va ser escollit amb aquest objectiu perquè, juntament amb moltes ceràmiques, és lleuger, pot funcionar a temperatures molt altes sense fondre’s i condueix la calor de forma deficient (ajudant a retenir la calor d’escapament per millorar l’eficiència catalítica). En una nova aplicació de ceràmica, els investigadors de General Motors van realitzar una paret del cilindre de safir transparent (òxid d'alumini) per examinar visualment el funcionament intern d'una cambra de combustió d'un motor de gasolina. La intenció era arribar a una millor comprensió del control de la combustió, donant lloc a una major eficiència dels motors de combustió interna.

Una altra aplicació de la ceràmica a les necessitats de l’automoció és un sensor de ceràmica que s’utilitza per mesurar el contingut d’oxigen dels gasos d’escapament. L’òxid de ceràmica, generalment de zirconi al qual s’hi ha afegit una petita quantitat d’ittri, té la propietat de produir un voltatge la magnitud de la qual depèn de la pressió parcial d’oxigen que envolta el material. El senyal elèctric obtingut a partir d'aquest sensor s'utilitza per controlar la relació combustible-aire del motor per obtenir el funcionament més eficient.

A causa de la seva fragilitat, la ceràmica no ha estat utilitzada com a components de càrrega en vehicles de transport terrestre. El problema segueix sent un repte a resoldre pels científics de materials del futur.

Materials per aeroespacial

L'objectiu principal en la selecció de materials per a estructures aeroespacials és la millora de l'eficiència del combustible per augmentar la distància recorreguda i la càrrega útil lliurada. Aquest objectiu es pot assolir amb els desenvolupaments en dos fronts: una major eficiència del motor mitjançant temperatures de funcionament més elevades i un pes estructural reduït. Per tal de satisfer aquestes necessitats, els científics de materials busquen materials en dues àmplies àrees: aliatges metàl·lics i materials compostos avançats. Un factor clau que contribueix a l’avançament d’aquests nous materials és la creixent capacitat de adaptar materials per assolir propietats específiques.

Metalls

Molts dels metalls avançats que s’utilitzen actualment en aeronaus van ser dissenyats específicament per a aplicacions en motors de turbina de gas, els components dels quals estan exposats a altes temperatures, gasos corrosius, vibracions i elevades càrregues mecàniques. Durant el període dels motors a reacció primerenca (entre 1940 i 1970), es van complir els requisits de disseny només mitjançant el desenvolupament de nous aliatges. Però els requisits més severs dels sistemes avançats de propulsió han impulsat el desenvolupament d’aliatges nous que poden suportar temperatures superiors a 1.000 ° C (1.800 º F), i el rendiment estructural d’aquests aliatges s’ha vist millorat pels desenvolupaments dels processos de fusió i solidificació..

Fundir-se i solidificar-se

Les aliatges són substàncies compostes per dos o més metalls o d’un metall i un no metàl·lic que s’uneixen íntimament, generalment mitjançant la dissolució entre si quan es fonen. Els objectius principals de la fusió són eliminar les impureses i barrejar els ingredients d'aliatge de manera homogènia en el metall base. S'han produït avenços importants amb el desenvolupament de nous processos basats en la fusió al buit (premsa isostàtica en calent), la solidificació ràpida i la solidificació direccional.

En premsa isostàtica calenta, les pólvores prealiates s'envasen en un recipient plegable de paret prima que es col·loca en un buit a alta temperatura per eliminar les molècules de gas adsorbides. Després es segella i es posa en una premsa, on s’exposa a temperatures i pressions molt elevades. El motlle s'ensorra i solda la pols junts en la forma desitjada.

Els metalls foscos refredats a taxes de fins a un milió de graus per segon solen solidar-se en una microestructura relativament homogènia, ja que no hi ha temps suficient perquè els grans cristal·lins es nuclein i creixin. Aquests materials homogenis acostumen a ser més forts que els típics metalls “graciosos”. Es poden aconseguir taxes de refredament ràpides mitjançant un refredament “splat”, en el qual es projecten gotetes foses sobre una superfície freda. També es pot aconseguir un escalfament i una solidificació ràpids passant feixos làser d’alta potència per la superfície del material.

A diferència dels materials compostos (vegeu a continuació, els compostos), els metalls granosos presenten propietats essencialment iguals en totes les direccions, de manera que no es poden adaptar per combinar els camins de càrrega previstos (és a dir, les tensions aplicades en direccions específiques). Tanmateix, una tècnica anomenada solidificació direccional proporciona un cert grau de funció. En aquest procés es controla amb precisió la temperatura del motlle per afavorir la formació de cristalls rígids alineats a mesura que el metall fos es refreda. Aquests serveixen per reforçar el component en el sentit de l'alineació de la mateixa manera que les fibres reforcen els materials compostos.

Aliatge

Aquests avenços en el processament han anat acompanyats del desenvolupament de noves “superligues”. Els superallums són aliatges de gran resistència, sovint complexos, resistents a altes temperatures i a estrès mecànic intens i que presenten una alta estabilitat superficial. Es solen classificar en tres grans categories: a base de níquel, a base de cobalt i a base de ferro. Les superallums a base de níquel predominen a la secció de turbines dels motors a reacció. Tot i que tenen poca resistència inherent a l’oxidació a temperatures elevades, obtenen propietats desitjables mitjançant l’addició de cobalt, crom, tungstè, molibdè, titani, alumini i niobi.

Els aliatges d'alumini-liti són més rígids i menys densos que els aliatges convencionals d'alumini. Són també “superplàstics”, a causa de la mida del gra fi que es pot arribar a processar. Els aliatges d’aquest grup són adequats per a ús en components del motor exposats a temperatures intermèdies a altes; també es poden utilitzar en pells d’ala i cos.

Els aliatges de titani, modificats per suportar temperatures altes, estan augmentant l’ús en motors de turbina. També s'utilitzen en trames aèries, principalment per a avions militars, però fins a cert punt també per a avions comercials.