Nye smarte materialer kan åbne nyt forskningsfelt

En gruppe nye smarte materialer opdaget af forskere ved Texas A&M University og deres kolleger har potentialet til at forbedre effektiviteten af ​​brændstofforbrænding i jetmotorer markant, reducere omkostningerne ved at flyve. Materialerne, hvilket også kunne reducere flystøj over boligområder, har yderligere applikationer i en række andre industrier.

"Det, der ophidser mig, er, at vi lige har ridset overfladen af ​​noget nyt, som ikke kun kunne åbne et helt nyt felt af videnskabelig forskning, men muliggør også nye teknologier, " sagde Dr. Ibrahim Karaman, Chevron Professor I og leder af universitetets Institut for Materialevidenskab og Teknik.

Værket blev udgivet i Scripta Materialia . Karamans medforfattere er Demircan Canadinc, William Trehern, og Ji Ma fra Texas A&M, og Fanping Sun og Zaffir Chaudhry, Technical Fellow fra United Technologies Research Center (UTRC).

Opdagelsen er baseret på at samle to relativt nye områder inden for materialevidenskab, der involverer metallegeringer, eller metaller sammensat af to eller flere grundstoffer. Det første område involverer formhukommelseslegeringer, "smarte" materialer, der kan skifte fra en form til en anden med specifikke triggere, i dette tilfælde temperatur. Forestil dig en lige metalstang, der er bøjet til en proptrækker. Ved at ændre temperaturen, proptrækkeren bliver tilbage til en stang og omvendt.

Mange applikationer

Mange potentielle anvendelser for formhukommelseslegeringer involverer ekstremt varme miljøer som en fungerende jetmotor. Indtil nu, imidlertid, økonomiske højtemperatur-formhukommelseslegeringer, (HTSMA'er), har kun arbejdet ved temperaturer op til omkring 400 grader Celsius. Tilføjelse af elementer som guld eller platin kan øge denne temperatur markant, men de resulterende materialer er alt for dyre, blandt andre begrænsninger.

Karaman, mens du arbejdede på et NASA-projekt med UTRC og kolleger, begyndte denne forskning for at løse et specifikt problem:kontrol af clearance, eller plads, mellem turbinevinger og turbinehuset i en jetmotor. En jetmotor er mest brændstoføkonomisk, når afstanden mellem turbinebladene og kabinettet er minimeret. Imidlertid, denne godkendelse skal have en rimelig margen for at kunne håndtere særlige driftsforhold. HTSMA'er, der er indbygget i turbinehuset, kan tillade opretholdelse af minimumsafstanden på tværs af alle flyveregimer, derved forbedres det trykspecifikke brændstofforbrug.

En anden vigtig potentiel anvendelse af HTSMA'er er reduktionen af ​​støj fra fly, når de ankommer til en lufthavn. Fly med større udstødningsdyser er mere støjsvage, men mindre effektiv i luften. HTSMA'er kunne automatisk ændre størrelsen på kerneudstødningsdysen afhængigt af, om flyet er under flyvning eller lander. Sådan en ændring, udløst af de temperaturer, der er forbundet med disse driftsformer, kunne tillade både mere effektiv drift i luften og roligere forhold ved landing.

Karaman og hans kolleger besluttede at forsøge at øge driftstemperaturerne for HTSMA'er ved at anvende principper fra en anden ny klasse af materialer, højentropi legeringer, som er sammensat af fire eller flere elementer blandet sammen i nogenlunde lige store mængder. Holdet skabte materialer sammensat af fire eller flere elementer kendt for at danne formhukommelseslegeringer (nikkel, titanium, hafnium, zirconium og palladium), men bevidst udeladt guld eller platin.

"Da vi blandede disse grundstoffer i lige store proportioner, fandt vi ud af, at de resulterende materialer kunne arbejde ved temperaturer langt over 500 grader C – et arbejde ved 700 grader C - uden guld eller platin. Det er en opdagelse, " sagde Karaman. "Det var også uventet, fordi litteraturen antydede noget andet."

Hvordan fungerer de nye materialer? Karaman sagde, at de har ideer til, hvordan de fungerer ved så høje temperaturer, men har ikke solide teorier endnu. Til det formål, fremtidigt arbejde omfatter forsøg på at forstå, hvad der sker på atomær skala ved at udføre computersimuleringer. Forskerne sigter også efter at udforske måder at forbedre materialernes egenskaber yderligere. Karaman bemærker, imidlertid, at der er mange andre spørgsmål tilbage.

"Derfor tror jeg, at dette kan åbne et helt nyt forskningsområde, " sagde han. "Mens vi vil fortsætte vores egen indsats, vi er glade for, at andre nu vil slutte sig til os, så vi sammen kan rykke grænserne for videnskaben."