Keramik
Keramik memainkan peran penting dalam efisiensi mesin dan pengurangan polusi di mobil dan truk. Misalnya, satu jenis keramik, kordierit (magnesium aluminosilikat), digunakan sebagai substrat dan dukungan untuk katalis dalam pengonversi katalitik. Itu dipilih untuk tujuan ini karena, bersama dengan banyak keramik, itu ringan, dapat beroperasi pada suhu yang sangat tinggi tanpa meleleh, dan melakukan panas yang buruk (membantu mempertahankan panas buangan untuk meningkatkan efisiensi katalitik). Dalam aplikasi baru keramik, dinding silinder terbuat dari safir transparan (aluminium oksida) oleh para peneliti General Motors untuk memeriksa secara visual cara kerja internal dari ruang bakar mesin bensin. Tujuannya adalah untuk mencapai pemahaman yang lebih baik tentang kontrol pembakaran, yang mengarah ke efisiensi yang lebih besar dari mesin pembakaran internal.
Aplikasi lain dari keramik untuk kebutuhan otomotif adalah sensor keramik yang digunakan untuk mengukur kandungan oksigen gas buang. Keramik, biasanya zirkonium oksida dimana sejumlah kecil itrium telah ditambahkan, memiliki sifat menghasilkan tegangan yang besarnya tergantung pada tekanan parsial oksigen yang mengelilingi materi. Sinyal listrik yang diperoleh dari sensor tersebut kemudian digunakan untuk mengontrol rasio bahan bakar-ke-udara dalam mesin untuk mendapatkan operasi yang paling efisien.
Karena kerapuhannya, keramik belum digunakan sebagai komponen penahan beban pada kendaraan transportasi darat. Masalahnya tetap menjadi tantangan yang harus dipecahkan oleh para ilmuwan material masa depan.
Bahan untuk dirgantara
Tujuan utama dalam pemilihan bahan untuk struktur ruang angkasa adalah peningkatan efisiensi bahan bakar untuk meningkatkan jarak tempuh dan muatan yang dikirimkan. Tujuan ini dapat dicapai dengan pengembangan di dua bidang: peningkatan efisiensi engine melalui suhu pengoperasian yang lebih tinggi dan pengurangan bobot struktural. Untuk memenuhi kebutuhan ini, para ilmuwan mencari bahan di dua area luas — paduan logam dan material komposit canggih. Faktor kunci yang berkontribusi pada kemajuan bahan-bahan baru ini adalah meningkatnya kemampuan untuk menyesuaikan bahan untuk mencapai sifat-sifat tertentu.
Logam
Banyak logam canggih yang saat ini digunakan di dalam pesawat dirancang khusus untuk aplikasi dalam mesin turbin gas, yang komponennya terpapar pada suhu tinggi, gas korosif, getaran, dan beban mekanis yang tinggi. Selama periode mesin jet awal (dari sekitar 1940 hingga 1970), persyaratan desain dipenuhi oleh pengembangan paduan baru saja. Tetapi persyaratan yang lebih parah dari sistem propulsi canggih telah mendorong pengembangan paduan baru yang dapat menahan suhu lebih besar dari 1.000 ° C (1.800 ° F), dan kinerja struktural dari paduan tersebut telah ditingkatkan oleh perkembangan dalam proses peleburan dan pemadatan..
Melting dan menguatkan
Paduan adalah zat yang terdiri dari dua atau lebih logam atau logam dan bukan logam yang disatukan secara erat, biasanya dengan melarutkan satu sama lain ketika dilebur. Tujuan utama dari peleburan adalah untuk menghilangkan kotoran dan untuk mencampur bahan-bahan paduan secara homogen dalam logam tidak mulia. Kemajuan besar telah dibuat dengan pengembangan proses baru berdasarkan peleburan di bawah vakum (hot isostatic pressing), pemadatan cepat, dan pemadatan arah.
Dalam pengepresan isostatik panas, bubuk prealloyed dikemas ke dalam wadah berdinding tipis, yang dapat dilipat, yang ditempatkan dalam ruang hampa suhu tinggi untuk menghilangkan molekul gas yang teradsorpsi. Ini kemudian disegel dan dimasukkan ke dalam pers, di mana ia terkena suhu dan tekanan yang sangat tinggi. Cetakan runtuh dan mengelas bubuk bersama dalam bentuk yang diinginkan.
Logam cair yang didinginkan pada kecepatan setinggi satu juta derajat per detik cenderung memadat menjadi struktur mikro yang relatif homogen, karena tidak ada waktu yang cukup bagi butir kristal untuk berinti dan tumbuh. Bahan homogen seperti itu cenderung lebih kuat dari logam "kasar" yang khas. Kecepatan pendinginan yang cepat dapat dicapai dengan pendinginan “percikan”, di mana tetesan cair diproyeksikan ke permukaan yang dingin. Pemanasan dan pemadatan yang cepat juga dapat dicapai dengan melewatkan sinar laser berdaya tinggi di atas permukaan material.
Tidak seperti bahan komposit (lihat di bawah Komposit), logam kasar menunjukkan sifat yang pada dasarnya sama di semua arah, sehingga mereka tidak dapat disesuaikan agar sesuai dengan jalur muatan yang diantisipasi (yaitu, tekanan diterapkan pada arah tertentu). Namun, teknik yang disebut directional solidification memberikan tingkat kelayakan tertentu. Dalam proses ini suhu cetakan dikontrol secara tepat untuk mendorong pembentukan kristal kaku sejajar ketika logam cair mendingin. Ini berfungsi untuk memperkuat komponen ke arah pelurusan dengan cara yang sama seperti serat memperkuat material komposit.
Paduan
Kemajuan dalam pemrosesan ini disertai dengan pengembangan “superalloy” baru. Superalloy adalah kekuatan tinggi, seringkali paduan kompleks yang tahan terhadap suhu tinggi dan tekanan mekanis yang parah dan yang menunjukkan stabilitas permukaan yang tinggi. Mereka umumnya diklasifikasikan ke dalam tiga kategori utama: berbasis nikel, berbasis kobalt, dan berbasis besi. Superalloy berbasis nikel mendominasi di bagian turbin mesin jet. Meskipun mereka memiliki sedikit resistensi yang melekat pada oksidasi pada suhu tinggi, mereka mendapatkan sifat yang diinginkan melalui penambahan kobalt, kromium, tungsten, molibdenum, titanium, aluminium, dan niobium.
Paduan aluminium-lithium lebih kaku dan kurang padat dari paduan aluminium konvensional. Mereka juga "superplastik," karena ukuran butiran halus yang sekarang dapat dicapai dalam pemrosesan. Paduan dalam grup ini sesuai untuk digunakan dalam komponen mesin yang terpapar pada suhu sedang hingga tinggi; mereka juga dapat digunakan di kulit sayap dan tubuh.
Paduan titanium, yang dimodifikasi untuk menahan suhu tinggi, mengalami peningkatan penggunaan pada mesin turbin. Mereka juga bekerja di badan pesawat, terutama untuk pesawat militer tetapi sampai batas tertentu juga untuk pesawat komersial.
