材料科学

セラミックス

セラミックは、自動車やトラックのエンジン効率や汚染物質の削減に重要な役割を果たします。例えば、セラミックの一種であるコージェライト（アルミノケイ酸マグネシウム）は、触媒コンバーターの触媒の基質および支持体として使用されます。この目的のために選択された理由は、多くのセラミックと同様に、軽量で、非常に高い温度で溶融せずに動作でき、熱伝導が悪いためです（触媒効率を向上させるための排気熱の保持に役立ちます）。セラミックの新しいアプリケーションでは、ガソリンエンジンの燃焼室の内部動作を視覚的に調べるために、ゼネラルモーターズの研究者がシリンダー壁を透明なサフ​​ァイア（酸化アルミニウム）で作成しました。意図は、燃焼制御の理解を深め、内燃エンジンの効率を向上させることでした。

自動車のニーズに対するセラミックのもう1つの用途は、排気ガスの酸素含有量を測定するために使用されるセラミックセンサーです。セラミック、通常は少量のイットリウムが添加された酸化ジルコニウムは、材料の周囲の酸素分圧に依存する大きさの電圧を生成する特性があります。そのようなセンサーから得られた電気信号は、最も効率的な動作を得るために、エンジンの空燃比を制御するために使用されます。

セラミックはもろいため、地上輸送車両の耐荷重部品としてはあまり使用されていません。この問題は、将来の材料科学者によって解決される課題のままです。

航空宇宙用材料

航空宇宙構造物用の材料を選択する際の主要な目標は、燃費を向上させて、移動距離と搬送されるペイロードを増やすことです。この目標は、動作温度の上昇によるエンジン効率の向上と構造重量の削減という2つの面での開発によって達成できます。これらのニーズを満たすために、材料科学者は2つの広い領域の材料に注目します。金属合金と高度な複合材料です。これらの新しい材料の進歩に貢献する重要な要因は、特定の特性を達成するために材料を調整する能力の成長です。

金属

現在航空機で使用されている高度な金属の多くは、ガスタービンエンジンでのアプリケーション向けに特別に設計されており、そのコンポーネントは高温、腐食性ガス、振動、および高い機械的負荷に曝されます。初期のジェットエンジンの時代（1940年から1970年頃）には、設計要件は新しい合金の開発だけで満たされました。しかし、高度な推進システムのより厳しい要件により、1,000°C（1,800°F）を超える温度に耐えることができる新しい合金の開発が推進されており、そのような合金の構造的性能は、溶融および固化のプロセスの開発によって改善されています。 。

溶解と固化

合金とは、2つ以上の金属、または金属と非金属から構成される物質であり、通常は、溶融時に互いに溶解することによって密接に結合されます。溶解の主な目的は、不純物を除去し、合金成分を母材に均一に混合することです。真空下での溶融（熱間静水圧プレス）、急速凝固、方向性凝固に基づく新しいプロセスの開発により、大きな進歩がありました。

熱間静水圧プレスでは、プレアロイ粉末を薄肉の折りたたみ式コンテナに詰め、高温の真空中に置いて吸着ガス分子を除去します。その後、密封されてプレスに入れられ、そこで非常に高い温度と圧力にさらされます。金型が崩れて、粉末を望ましい形状に溶接します。

毎秒100万度の速度で冷却された溶融金属は、結晶粒が核生成および成長する時間が不十分であるため、凝固して比較的均質な微細構造になる傾向があります。そのような均質な材料は、典型的な「粒子の粗い」金属よりも強い傾向があります。急速な冷却速度は、溶けた液滴を冷たい表面に投影する「スプラット」冷却によって実現できます。材料の表面に高出力レーザービームを通過させることにより、急速な加熱と固化も実現できます。

複合材料（以下の複合材料を参照）とは異なり、粒子の粗い金属は本質的にすべての方向で同じ特性を示すため、予想される荷重経路（特定の方向にかかる応力）に合わせて調整することはできません。ただし、方向性凝固と呼ばれる手法では、ある程度の調整が可能です。このプロセスでは、金型の温度が正確に制御されて、溶融金属が冷えるときに整列した硬い結晶の形成が促進されます。これらは、繊維が複合材料を強化するのと同じ方法で、コンポーネントを整列方向に強化するのに役立ちます。

合金化

処理におけるこれらの進歩は、新しい「超合金」の開発を伴っています。超合金は、高強度で、多くの場合複雑な合金であり、高温および厳しい機械的応力に耐性があり、高い表面安定性を示します。それらは一般に、ニッケルベース、コバルトベース、鉄ベースの3つの主要なカテゴリに分類されます。ジェットエンジンのタービンセクションでは、ニッケルベースの超合金が主流です。高温での酸化に対する固有の耐性はほとんどありませんが、コバルト、クロム、タングステン、モリブデン、チタン、アルミニウム、ニオブを添加することにより、望ましい特性が得られます。

アルミニウムリチウム合金は、従来のアルミニウム合金よりも剛性が高く、密度が低くなっています。また、処理で達成できる微細な粒子サイズのため、「超塑性」でもあります。このグループの合金は、中高温にさらされるエンジンコンポーネントでの使用に適しています。彼らはまた、翼や体の皮膚に使用することができます。

チタン合金は、高温に耐えるように変更されているため、タービンエンジンでの使用が増加しています。彼らはまた、主に軍用機の機体にも採用されていますが、ある程度は商用飛行機にも採用されています。