Cerámica
La cerámica juega un papel importante en la eficiencia del motor y la reducción de la contaminación en automóviles y camiones. Por ejemplo, un tipo de cerámica, la cordierita (un aluminosilicato de magnesio), se usa como sustrato y soporte para catalizadores en convertidores catalíticos. Se eligió para este propósito porque, junto con muchas cerámicas, es liviano, puede funcionar a temperaturas muy altas sin derretirse y conduce mal el calor (ayuda a retener el calor de escape para mejorar la eficiencia catalítica). En una nueva aplicación de cerámica, los investigadores de General Motors hicieron una pared cilíndrica de zafiro transparente (óxido de aluminio) para examinar visualmente el funcionamiento interno de la cámara de combustión de un motor de gasolina. La intención era llegar a una mejor comprensión del control de la combustión, lo que llevaría a una mayor eficiencia de los motores de combustión interna.
Otra aplicación de la cerámica para las necesidades automotrices es un sensor de cerámica que se usa para medir el contenido de oxígeno de los gases de escape. La cerámica, generalmente óxido de circonio al que se ha agregado una pequeña cantidad de itrio, tiene la propiedad de producir un voltaje cuya magnitud depende de la presión parcial de oxígeno que rodea el material. La señal eléctrica obtenida de dicho sensor se utiliza para controlar la relación combustible-aire en el motor para obtener la operación más eficiente.
Debido a su fragilidad, la cerámica no se ha utilizado en gran medida como componentes de carga en los vehículos de transporte terrestre. El problema sigue siendo un desafío que deben resolver los científicos de materiales del futuro.
Materiales para aeroespacial
El objetivo principal en la selección de materiales para estructuras aeroespaciales es mejorar la eficiencia del combustible para aumentar la distancia recorrida y la carga útil entregada. Este objetivo puede lograrse mediante desarrollos en dos frentes: mayor eficiencia del motor a través de temperaturas de operación más altas y menor peso estructural. Para satisfacer estas necesidades, los científicos de materiales buscan materiales en dos áreas amplias: aleaciones metálicas y materiales compuestos avanzados. Un factor clave que contribuye al avance de estos nuevos materiales es la creciente capacidad de adaptar los materiales para lograr propiedades específicas.
Rieles
Muchos de los metales avanzados actualmente en uso en aviones fueron diseñados específicamente para aplicaciones en motores de turbina de gas, cuyos componentes están expuestos a altas temperaturas, gases corrosivos, vibraciones y altas cargas mecánicas. Durante el período de los primeros motores a reacción (desde 1940 hasta 1970), los requisitos de diseño se cumplieron solo con el desarrollo de nuevas aleaciones. Pero los requisitos más severos de los sistemas de propulsión avanzados han impulsado el desarrollo de nuevas aleaciones que pueden soportar temperaturas superiores a 1,000 ° C (1,800 ° F), y el desempeño estructural de tales aleaciones ha mejorado gracias a los desarrollos en los procesos de fusión y solidificación..
Derritiéndose y solidificando
Las aleaciones son sustancias compuestas de dos o más metales o de un metal y un no metal que están íntimamente unidos, generalmente al disolverse entre sí cuando se funden. Los objetivos principales de la fusión son eliminar las impurezas y mezclar los ingredientes de aleación de manera homogénea en el metal base. Se han realizado importantes avances con el desarrollo de nuevos procesos basados en la fusión al vacío (prensado isostático en caliente), solidificación rápida y solidificación direccional.
En el prensado isostático en caliente, los polvos prealeados se empaquetan en un recipiente plegable de paredes delgadas, que se coloca en un vacío de alta temperatura para eliminar las moléculas de gas adsorbidas. Luego se sella y se coloca en una prensa, donde se expone a temperaturas y presiones muy altas. El molde colapsa y suelda el polvo en la forma deseada.
Los metales fundidos enfriados a velocidades de hasta un millón de grados por segundo tienden a solidificarse en una microestructura relativamente homogénea, ya que no hay tiempo suficiente para que los granos cristalinos se nucleen y crezcan. Tales materiales homogéneos tienden a ser más fuertes que los metales "granulados" típicos. Se pueden lograr velocidades de enfriamiento rápidas mediante enfriamiento “splat”, en el cual las gotas fundidas se proyectan sobre una superficie fría. El calentamiento rápido y la solidificación también se pueden lograr pasando rayos láser de alta potencia sobre la superficie del material.
A diferencia de los materiales compuestos (ver abajo Compuestos), los metales granulados exhiben propiedades que son esencialmente las mismas en todas las direcciones, por lo que no se pueden adaptar para que coincidan con las rutas de carga anticipadas (es decir, tensiones aplicadas en direcciones específicas). Sin embargo, una técnica llamada solidificación direccional proporciona un cierto grado de adaptabilidad. En este proceso, la temperatura del molde se controla con precisión para promover la formación de cristales rígidos alineados a medida que el metal fundido se enfría. Estos sirven para reforzar el componente en la dirección de alineación de la misma manera que las fibras refuerzan los materiales compuestos.
Aleación
Estos avances en el procesamiento han sido acompañados por el desarrollo de nuevas "superaleaciones". Las superaleaciones son aleaciones de alta resistencia, a menudo complejas, resistentes a las altas temperaturas y a la tensión mecánica severa y que exhiben una alta estabilidad superficial. Se clasifican comúnmente en tres categorías principales: a base de níquel, a base de cobalto y a base de hierro. Las superaleaciones a base de níquel predominan en la sección de turbina de los motores a reacción. Aunque tienen poca resistencia inherente a la oxidación a altas temperaturas, obtienen propiedades deseables mediante la adición de cobalto, cromo, tungsteno, molibdeno, titanio, aluminio y niobio.
Las aleaciones de aluminio y litio son más rígidas y menos densas que las aleaciones de aluminio convencionales. También son "superplásticos", debido al tamaño de grano fino que ahora se puede lograr en el procesamiento. Las aleaciones de este grupo son apropiadas para su uso en componentes del motor expuestos a temperaturas intermedias o altas; También se pueden utilizar en pieles y alas.
Las aleaciones de titanio, modificadas para soportar altas temperaturas, están aumentando su uso en motores de turbina. También se emplean en células, principalmente para aviones militares, pero en cierta medida también para aviones comerciales.
