Κεραμικά
Τα κεραμικά διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην απόδοση του κινητήρα και στη μείωση της ρύπανσης σε αυτοκίνητα και φορτηγά. Για παράδειγμα, ένας τύπος κεραμικού, ο κορδερίτης (ένα αργιλοπυριτικό μαγνήσιο), χρησιμοποιείται ως υπόστρωμα και στήριγμα για καταλύτες σε καταλυτικούς μετατροπείς. Επιλέχθηκε για το σκοπό αυτό επειδή, μαζί με πολλά κεραμικά, είναι ελαφρύ, μπορεί να λειτουργήσει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες χωρίς τήξη, και ασκεί κακή θερμότητα (βοηθώντας στη διατήρηση της θερμότητας εξάτμισης για βελτιωμένη καταλυτική απόδοση). Σε μια νέα εφαρμογή κεραμικών, ένας κυλινδρικός τοίχος κατασκευάστηκε από διαφανές ζαφείρι (οξείδιο αλουμινίου) από τους ερευνητές της General Motors προκειμένου να εξετάσει οπτικά τις εσωτερικές λειτουργίες ενός θαλάμου καύσης κινητήρα βενζίνης. Η πρόθεση ήταν να επιτευχθεί καλύτερη κατανόηση του ελέγχου καύσης, οδηγώντας σε μεγαλύτερη απόδοση των κινητήρων εσωτερικής καύσης.
Μια άλλη εφαρμογή κεραμικών στις ανάγκες της αυτοκινητοβιομηχανίας είναι ένας κεραμικός αισθητήρας που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της περιεκτικότητας των καυσαερίων σε οξυγόνο. Το κεραμικό, συνήθως οξείδιο του ζιρκονίου στο οποίο έχει προστεθεί μια μικρή ποσότητα υττρίου, έχει την ιδιότητα να παράγει μια τάση της οποίας το μέγεθος εξαρτάται από τη μερική πίεση του οξυγόνου που περιβάλλει το υλικό. Το ηλεκτρικό σήμα που λαμβάνεται από έναν τέτοιο αισθητήρα χρησιμοποιείται στη συνέχεια για τον έλεγχο της αναλογίας καυσίμου προς αέρα στον κινητήρα προκειμένου να επιτευχθεί η πιο αποτελεσματική λειτουργία.
Λόγω της ευθραυστότητάς τους, τα κεραμικά δεν έχουν χρησιμοποιηθεί ως φέροντα εξαρτήματα σε οχήματα μεταφοράς εδάφους σε μεγάλο βαθμό. Το πρόβλημα παραμένει μια πρόκληση για επίλυση από επιστήμονες υλικών του μέλλοντος.
Υλικά για την αεροδιαστημική
Ο πρωταρχικός στόχος στην επιλογή υλικών για αεροδιαστημικές κατασκευές είναι η ενίσχυση της απόδοσης καυσίμου για την αύξηση της διανυθείσας απόστασης και του παραδοτέου ωφέλιμου φορτίου. Αυτός ο στόχος μπορεί να επιτευχθεί από εξελίξεις σε δύο μέτωπα: αυξημένη απόδοση του κινητήρα μέσω υψηλότερων θερμοκρασιών λειτουργίας και μειωμένου δομικού βάρους. Προκειμένου να καλύψουν αυτές τις ανάγκες, οι επιστήμονες υλικών αναζητούν υλικά σε δύο μεγάλες περιοχές - μεταλλικά κράματα και προηγμένα σύνθετα υλικά. Ένας βασικός παράγοντας που συμβάλλει στην προώθηση αυτών των νέων υλικών είναι η αυξανόμενη ικανότητα προσαρμογής υλικών για την επίτευξη συγκεκριμένων ιδιοτήτων.
Μέταλλα
Πολλά από τα προηγμένα μέταλλα που χρησιμοποιούνται σήμερα σε αεροσκάφη σχεδιάστηκαν ειδικά για εφαρμογές σε κινητήρες αεριοστροβίλων, τα συστατικά των οποίων εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες, διαβρωτικά αέρια, κραδασμούς και υψηλά μηχανικά φορτία. Κατά την περίοδο των πρώτων κινητήρων αεριωθούμενων αεροπλάνων (από το 1940 έως το 1970 περίπου), οι απαιτήσεις σχεδιασμού ικανοποιήθηκαν μόνο από την ανάπτυξη νέων κραμάτων. Ωστόσο, οι πιο αυστηρές απαιτήσεις των προηγμένων συστημάτων προώθησης οδήγησαν στην ανάπτυξη νέων κραμάτων που μπορούν να αντέξουν σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 1.000 ° C (1.800 ° F) και η δομική απόδοση τέτοιων κραμάτων έχει βελτιωθεί από τις εξελίξεις στις διαδικασίες τήξης και στερεοποίησης.
Τήξη και στερεοποίηση
Τα κράματα είναι ουσίες που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα μέταλλα ή από μέταλλο και ένα μη μέταλλο που είναι στενά ενωμένα, συνήθως διαλύονται το ένα στο άλλο όταν λιώνουν. Οι κύριοι στόχοι της τήξης είναι η απομάκρυνση των ακαθαρσιών και η ανάμειξη των συστατικών κράματος ομοιογενώς στο βασικό μέταλλο. Έχουν σημειωθεί σημαντικές πρόοδοι με την ανάπτυξη νέων διαδικασιών που βασίζονται στην τήξη υπό κενό (θερμή ισοστατική συμπίεση), την ταχεία στερεοποίηση και την κατευθυντική στερεοποίηση.
Σε θερμή ισοστατική συμπίεση, οι προ-κραματοποιημένες σκόνες συσκευάζονται σε ένα λεπτό τοίχωμα, πτυσσόμενο δοχείο, το οποίο τοποθετείται σε κενό υψηλής θερμοκρασίας για την απομάκρυνση των προσροφημένων μορίων αερίου. Στη συνέχεια σφραγίζεται και τίθεται σε πρέσα, όπου εκτίθεται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις. Το καλούπι καταρρέει και συγκολλά τη σκόνη μαζί στο επιθυμητό σχήμα.
Τα λιωμένα μέταλλα που ψύχονται σε ρυθμούς έως και ένα εκατομμύριο βαθμούς ανά δευτερόλεπτο τείνουν να στερεοποιούνται σε μια σχετικά ομοιογενή μικροδομή, καθώς δεν υπάρχει επαρκής χρόνος για την πυρήνωση και την ανάπτυξη των κρυσταλλικών κόκκων. Τέτοια ομοιογενή υλικά τείνουν να είναι ισχυρότερα από τα τυπικά «κοκκώδη» μέταλλα. Οι ταχείες ταχύτητες ψύξης μπορούν να επιτευχθούν με ψύξη «splat», στην οποία τα λιωμένα σταγονίδια προβάλλονται σε μια κρύα επιφάνεια. Η ταχεία θέρμανση και στερεοποίηση μπορεί επίσης να επιτευχθεί με τη διέλευση ακτίνων λέιζερ υψηλής ισχύος πάνω στην επιφάνεια του υλικού.
Σε αντίθεση με τα σύνθετα υλικά (βλ. Παρακάτω Composites), τα κοκκώδη μέταλλα εμφανίζουν ιδιότητες που είναι ουσιαστικά οι ίδιες σε όλες τις κατευθύνσεις, οπότε δεν μπορούν να προσαρμοστούν ώστε να ταιριάζουν με τις αναμενόμενες διαδρομές φορτίου (δηλαδή, τάσεις που εφαρμόζονται σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις). Ωστόσο, μια τεχνική που ονομάζεται κατευθυντική στερεοποίηση παρέχει έναν ορισμένο βαθμό προσαρμογής. Σε αυτή τη διαδικασία η θερμοκρασία του καλουπιού ελέγχεται με ακρίβεια για να προάγει το σχηματισμό ευθυγραμμισμένων σκληρών κρυστάλλων καθώς το λειωμένο μέταλλο ψύχεται. Αυτά χρησιμεύουν για την ενίσχυση του εξαρτήματος προς την κατεύθυνση της ευθυγράμμισης με τον ίδιο τρόπο όπως οι ίνες ενισχύουν σύνθετα υλικά.
Κράμα
Αυτές οι εξελίξεις στην επεξεργασία συνοδεύτηκαν από την ανάπτυξη νέων «υπερκράματα». Τα υπερκράματα είναι υψηλής αντοχής, συχνά σύνθετα κράματα που είναι ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες και σοβαρή μηχανική καταπόνηση και παρουσιάζουν υψηλή σταθερότητα στην επιφάνεια. Συνήθως ταξινομούνται σε τρεις κύριες κατηγορίες: με βάση το νικέλιο, με βάση το κοβάλτιο και με βάση το σίδηρο. Τα υπερκράματα με βάση το νικέλιο κυριαρχούν στο τμήμα στροβίλων των κινητήρων jet. Αν και έχουν μικρή εγγενή αντίσταση στην οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες, αποκτούν επιθυμητές ιδιότητες μέσω της προσθήκης κοβαλτίου, χρωμίου, βολφραμίου, μολυβδαινίου, τιτανίου, αλουμινίου και νιοβίου.
Τα κράματα αλουμινίου-λιθίου είναι πιο άκαμπτα και λιγότερο πυκνά από τα συμβατικά κράματα αλουμινίου. Είναι επίσης «υπερπλαστικά», λόγω του μεγέθους των λεπτών κόκκων που μπορεί τώρα να επιτευχθεί κατά την επεξεργασία. Τα κράματα αυτής της ομάδας είναι κατάλληλα για χρήση σε εξαρτήματα κινητήρα που εκτίθενται σε ενδιάμεσες έως υψηλές θερμοκρασίες. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε δέρματα φτερών και σώματος.
Τα κράματα τιτανίου, όπως τροποποιήθηκαν για να αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες, βλέπουν αυξημένη χρήση σε κινητήρες στροβίλου. Απασχολούνται επίσης σε αεροσκάφη, κυρίως σε στρατιωτικά αεροσκάφη, αλλά σε κάποιο βαθμό και σε εμπορικά αεροπλάνα.
