علم المواد

سيراميك

يلعب السيراميك دورًا مهمًا في كفاءة المحرك وتقليل التلوث في السيارات والشاحنات. على سبيل المثال ، يتم استخدام نوع واحد من السيراميك ، كورديريت (أليغنيسيوم سيليكات المغنيسيوم) ، كركيزة ودعم للمحفزات في المحولات الحفازة. تم اختياره لهذا الغرض لأنه ، إلى جانب العديد من السيراميك ، فهو خفيف الوزن ، يمكن أن يعمل في درجات حرارة عالية جدًا بدون ذوبان ، وينقل الحرارة بشكل سيئ (يساعد على الاحتفاظ بحرارة العادم لتحسين الكفاءة الحفازة). في تطبيق جديد للسيراميك ، تم تصنيع جدار أسطواني من الياقوت الشفاف (أكسيد الألومنيوم) من قبل باحثي جنرال موتورز من أجل فحص العمل الداخلي لغرفة احتراق محرك البنزين بصريًا. كان الهدف هو الوصول إلى فهم أفضل للتحكم في الاحتراق ، مما يؤدي إلى زيادة كفاءة محركات الاحتراق الداخلي.

تطبيق آخر للسيراميك لاحتياجات السيارات هو جهاز استشعار من السيراميك يستخدم لقياس محتوى الأكسجين من غازات العادم. الخزف ، عادة أكسيد الزركونيوم الذي تمت إضافة كمية صغيرة من الإيتريوم ، له خاصية إنتاج جهد يعتمد حجمه على الضغط الجزئي للأكسجين المحيط بالمادة. يتم بعد ذلك استخدام الإشارة الكهربائية التي يتم الحصول عليها من هذا المستشعر للتحكم في نسبة الوقود إلى الهواء في المحرك من أجل الحصول على التشغيل الأكثر كفاءة.

بسبب هشاشته ، لم يتم استخدام السيراميك كمكونات حاملة في مركبات النقل البري إلى حد كبير. المشكلة لا تزال تمثل تحديا يتعين حلها من قبل علماء مواد المستقبل.

مواد الفضاء

الهدف الأساسي في اختيار المواد لهياكل الفضاء الجوي هو تعزيز كفاءة الوقود لزيادة المسافة المقطوعة والحمولة المنقولة. يمكن تحقيق هذا الهدف من خلال التطورات على جبهتين: زيادة كفاءة المحرك من خلال درجات حرارة تشغيل أعلى وخفض الوزن الهيكلي. من أجل تلبية هذه الاحتياجات ، يتطلع علماء المواد إلى المواد في مجالين عريضين - السبائك المعدنية والمواد المركبة المتقدمة. أحد العوامل الرئيسية التي تساهم في تقدم هذه المواد الجديدة هو القدرة المتزايدة على تفصيل المواد لتحقيق خصائص محددة.

المعادن

تم تصميم العديد من المعادن المتقدمة المستخدمة حاليًا في الطائرات خصيصًا للتطبيقات في محركات التوربينات الغازية ، والتي تتعرض مكوناتها لدرجات حرارة عالية ، والغازات المسببة للتآكل ، والاهتزاز ، والأحمال الميكانيكية العالية. خلال فترة المحركات النفاثة المبكرة (من حوالي 1940 إلى 1970) ، تمت تلبية متطلبات التصميم من خلال تطوير سبائك جديدة وحدها. لكن المتطلبات الأكثر شدة لأنظمة الدفع المتقدمة قد دفعت إلى تطوير سبائك جديدة يمكنها تحمل درجات حرارة أكبر من 1000 درجة مئوية (1800 درجة فهرنهايت) ، وتم تحسين الأداء الهيكلي لهذه السبائك من خلال التطورات في عمليات الصهر والتصلب.

الانصهار والتصلب

السبائك هي مواد تتكون من فلزين أو أكثر أو من فلز وفلز متحدان بشكل وثيق ، وعادة ما يتم إذابتهما في بعضهما البعض عند ذوبانهما. الأهداف الرئيسية للصهر هي إزالة الشوائب وخلط مكونات السبائك بشكل متجانس في المعدن الأساسي. تم إحراز تقدم كبير مع تطوير عمليات جديدة على أساس الذوبان في الفراغ (الضغط المتساوي الحرارة الساخنة) ، والتصلب السريع ، والتصلب الاتجاهي.

في الضغط المتساوي الحرارة الساخنة ، يتم تعبئة المساحيق سابقة النشر في حاوية رقيقة الجدران قابلة للطي ، يتم وضعها في فراغ بدرجة حرارة عالية لإزالة جزيئات الغاز الممتز. ثم يتم غلقه ووضعه في مكبس ، حيث يتعرض لدرجات حرارة وضغوط عالية جدًا. العفن ينهار ويلحم المسحوق معًا بالشكل المطلوب.

تميل المعادن المنصهرة التي يتم تبريدها بمعدلات تصل إلى مليون درجة في الثانية إلى التصلب إلى بنية مجهرية متجانسة نسبيًا ، حيث لا يوجد وقت كافٍ للحبوب البلورية لتنوي وتنمو. تميل هذه المواد المتجانسة إلى أن تكون أقوى من المعادن "المحببة" النموذجية. يمكن تحقيق معدلات التبريد السريع عن طريق التبريد "المتطاير" ، حيث يتم عرض القطرات المنصهرة على سطح بارد. يمكن أيضًا تحقيق التسخين والتصلب السريع من خلال تمرير أشعة الليزر عالية الطاقة على سطح المادة.

على عكس المواد المركبة (انظر أدناه المركبات) ، تظهر المعادن المحببة خصائص متشابهة بشكل أساسي في جميع الاتجاهات ، لذلك لا يمكن تخصيصها لتتناسب مع مسارات الحمل المتوقعة (على سبيل المثال ، الضغوط المطبقة في اتجاهات محددة). ومع ذلك ، توفر تقنية تسمى التصلب الاتجاهي درجة معينة من قابلية التكييف. في هذه العملية ، يتم التحكم في درجة حرارة القالب بدقة لتعزيز تكوين بلورات صلبة متماسكة مع تبريد المعدن المنصهر. تعمل هذه على تعزيز المكون في اتجاه المحاذاة بنفس الطريقة التي تعزز بها الألياف المواد المركبة.

صناعة السبائك

وقد صاحب هذا التقدم في المعالجة تطوير "superalloys" جديدة. Superalloys هي سبائك عالية القوة وكثيراً ما تكون معقدة مقاومة لدرجات الحرارة العالية والضغط الميكانيكي الشديد والتي تظهر استقرارًا عاليًا للسطح. يتم تصنيفها عادة إلى ثلاث فئات رئيسية: أساس النيكل ، والكوبالت ، والحديد. تسود السبائك الفائقة القائمة على النيكل في قسم التوربينات في المحركات النفاثة. على الرغم من أن لديهم مقاومة متأصلة للأكسدة في درجات حرارة عالية ، إلا أنهم يكتسبون خصائص مرغوبة من خلال إضافة الكوبالت والكروم والتنغستن والموليبدينوم والتيتانيوم والألمنيوم والنيوبيوم.

سبائك الألومنيوم الليثيوم أكثر صلابة وأقل كثافة من سبائك الألومنيوم التقليدية. كما أنها "فائقة اللدونة" ، بسبب حجم الحبوب الناعم الذي يمكن تحقيقه الآن في المعالجة. تعتبر السبائك في هذه المجموعة مناسبة للاستخدام في مكونات المحرك المعرضة لدرجات حرارة متوسطة إلى عالية ؛ كما يمكن استخدامها في جلود الأجنحة والجسم.

سبائك التيتانيوم ، بصيغتها المعدلة لتحمل درجات الحرارة المرتفعة ، تشهد استخدامًا متزايدًا في محركات التوربينات. كما أنهم يعملون في هياكل الطائرات ، في المقام الأول للطائرات العسكرية ولكن إلى حد ما للطائرات التجارية كذلك.