Sains bahan

Seramik

Seramik memainkan peranan penting dalam kecekapan enjin dan pengurangan pencemaran pada kenderaan dan trak. Sebagai contoh, satu jenis seramik, kordierit (magnesium aluminosilikat), digunakan sebagai substrat dan sokongan untuk pemangkin dalam penukar pemangkin. Ini dipilih untuk tujuan ini kerana, bersama dengan banyak keramik, ringan, dapat beroperasi pada suhu yang sangat tinggi tanpa mencair, dan melakukan panas dengan buruk (membantu mengekalkan haba ekzos untuk meningkatkan kecekapan pemangkin). Dalam aplikasi baru dari seramik, dinding silinder dibuat dari safir lutsinar (aluminium oksida) oleh penyelidik General Motors untuk memeriksa secara visual cara kerja ruang pembakaran mesin petrol. Tujuannya adalah untuk mencapai pemahaman yang lebih baik mengenai kawalan pembakaran, yang menghasilkan kecekapan enjin pembakaran dalaman yang lebih besar.

Aplikasi seramik lain untuk keperluan automotif adalah sensor seramik yang digunakan untuk mengukur kandungan oksigen gas ekzos. Keramik, biasanya zirkonium oksida di mana sejumlah kecil ytrium telah ditambahkan, mempunyai sifat menghasilkan voltan yang besarnya bergantung pada tekanan separa oksigen yang mengelilingi bahan. Isyarat elektrik yang diperoleh dari sensor tersebut kemudian digunakan untuk mengendalikan nisbah bahan bakar-ke-udara dalam mesin untuk mendapatkan operasi yang paling efisien.

Oleh kerana kerapuhannya, seramik tidak digunakan sebagai komponen penahan beban pada kenderaan pengangkutan darat. Masalahnya tetap menjadi cabaran untuk diselesaikan oleh saintis bahan masa depan.

Bahan untuk aeroangkasa

Tujuan utama dalam pemilihan bahan untuk struktur aeroangkasa adalah peningkatan kecekapan bahan bakar untuk meningkatkan jarak perjalanan dan muatan yang dihantar. Matlamat ini dapat dicapai dengan perkembangan di dua bahagian: peningkatan kecekapan mesin melalui suhu operasi yang lebih tinggi dan penurunan berat struktur. Untuk memenuhi keperluan ini, saintis bahan mencari bahan di dua kawasan luas - aloi logam dan bahan komposit maju. Faktor utama yang menyumbang kepada kemajuan bahan-bahan baru ini ialah peningkatan kemampuan untuk menyesuaikan bahan untuk mencapai sifat tertentu.

Logam

Sebilangan besar logam canggih yang saat ini digunakan dalam pesawat dirancang khusus untuk aplikasi dalam mesin turbin gas, komponennya terdedah kepada suhu tinggi, gas korosif, getaran, dan beban mekanik yang tinggi. Dalam tempoh enjin jet awal (dari sekitar tahun 1940 hingga 1970), keperluan reka bentuk dipenuhi oleh pengembangan aloi baru sahaja. Tetapi keperluan sistem pendorong maju yang lebih teruk mendorong pengembangan paduan baru yang dapat menahan suhu lebih besar daripada 1.000 ° C (1.800 ° F), dan prestasi struktur aloi tersebut telah diperbaiki dengan perkembangan dalam proses lebur dan pemadatan.

Meleburkan dan memejal

Aloi adalah bahan yang terdiri daripada dua atau lebih logam atau logam dan bukan logam yang bersatu erat, biasanya dengan melarutkan satu sama lain apabila dicairkan. Objektif utama lebur adalah untuk menghilangkan kekotoran dan mencampurkan bahan-bahan paduan secara homogen dalam logam asas. Kemajuan besar telah dibuat dengan pengembangan proses baru berdasarkan pencairan di bawah vakum (penekanan isostatik panas), pemejalan cepat, dan pemejalan arah.

Dalam penekanan isostatik panas, serbuk pra-paduan dimasukkan ke dalam bekas berdinding tipis dan dilipat, yang ditempatkan dalam vakum suhu tinggi untuk menghilangkan molekul-molekul gas yang terserap. Ia kemudian ditutup dan dimasukkan ke dalam mesin cetak, di mana ia terdedah kepada suhu dan tekanan yang sangat tinggi. Acuan runtuh dan menyatukan serbuk dalam bentuk yang dikehendaki.

Logam cair yang disejukkan pada kadar setinggi sejuta darjah sesaat cenderung mengeras menjadi struktur mikro yang relatif homogen, kerana tidak ada cukup waktu untuk butiran kristal untuk berinti dan tumbuh. Bahan homogen seperti itu cenderung lebih kuat daripada logam "kasar" biasa. Kadar penyejukan cepat dapat dicapai dengan penyejukan "percikan", di mana tetesan cair diproyeksikan ke permukaan yang dingin. Pemanasan dan pemejalan yang cepat juga dapat dicapai dengan menyebarkan pancaran laser berkuasa tinggi ke atas permukaan bahan.

Tidak seperti bahan komposit (lihat Komposit di bawah), logam berbutir menunjukkan sifat yang pada dasarnya sama dalam semua arah, jadi ia tidak dapat disesuaikan untuk menyesuaikan dengan jalan muatan yang dijangkakan (iaitu, tekanan yang diberikan dalam arah tertentu). Walau bagaimanapun, teknik yang disebut pemadatan arah memberikan tahap tertentu yang dapat disesuaikan. Dalam proses ini suhu acuan dikawal dengan tepat untuk mempromosikan pembentukan kristal kaku sejajar ketika logam lebur menyejuk. Ini berfungsi untuk menguatkan komponen ke arah penjajaran dengan cara yang sama seperti gentian menguatkan bahan komposit.

Memikat

Kemajuan dalam pemrosesan ini disertai dengan pengembangan "superalloy" baru. Superalloy adalah kekuatan tinggi, aloi kompleks yang tahan terhadap suhu tinggi dan tekanan mekanikal yang teruk dan menunjukkan kestabilan permukaan yang tinggi. Mereka biasanya diklasifikasikan menjadi tiga kategori utama: berasaskan nikel, kobalt, dan besi. Superalloy berasaskan nikel mendominasi bahagian turbin enjin jet. Walaupun mereka mempunyai sedikit daya tahan terhadap pengoksidaan pada suhu tinggi, mereka memperoleh sifat yang diinginkan melalui penambahan kobalt, kromium, tungsten, molibdenum, titanium, aluminium, dan niobium.

Aloi aluminium-litium lebih kaku dan kurang padat daripada aloi aluminium konvensional. Mereka juga "superplastik," karena ukuran butiran halus yang sekarang dapat dicapai dalam pemrosesan. Aloi dalam kumpulan ini sesuai digunakan dalam komponen enjin yang terdedah kepada suhu antara hingga tinggi; mereka juga boleh digunakan pada kulit sayap dan badan.

Aloi titanium, seperti yang dimodifikasi untuk menahan suhu tinggi, menyaksikan peningkatan penggunaan mesin turbin. Mereka juga digunakan dalam kerangka udara, terutama untuk pesawat ketenteraan tetapi juga untuk pesawat komersial.