Céramique
La céramique joue un rôle important dans l'efficacité du moteur et la réduction de la pollution dans les automobiles et les camions. Par exemple, un type de céramique, la cordiérite (un aluminosilicate de magnésium), est utilisé comme substrat et support pour les catalyseurs dans les convertisseurs catalytiques. Il a été choisi à cet effet car, avec de nombreuses céramiques, il est léger, peut fonctionner à des températures très élevées sans fondre et conduit mal la chaleur (aidant à retenir la chaleur d'échappement pour une meilleure efficacité catalytique). Dans une nouvelle application de la céramique, une paroi de cylindre a été réalisée en saphir transparent (oxyde d'aluminium) par les chercheurs de General Motors afin d'examiner visuellement le fonctionnement interne d'une chambre de combustion d'un moteur à essence. L'intention était d'arriver à une meilleure compréhension du contrôle de la combustion, conduisant à une plus grande efficacité des moteurs à combustion interne.
Une autre application de la céramique aux besoins de l'automobile est un capteur en céramique qui est utilisé pour mesurer la teneur en oxygène des gaz d'échappement. La céramique, généralement de l'oxyde de zirconium auquel a été ajoutée une petite quantité d'yttrium, a la propriété de produire une tension dont l'amplitude dépend de la pression partielle d'oxygène entourant le matériau. Le signal électrique obtenu à partir d'un tel capteur est ensuite utilisé pour contrôler le rapport carburant / air dans le moteur afin d'obtenir le fonctionnement le plus efficace.
En raison de leur fragilité, la céramique n'a pas été utilisée dans une large mesure comme composants porteurs dans les véhicules de transport terrestre. Le problème reste un défi à résoudre par les scientifiques des matériaux du futur.
Matériaux pour l'aérospatiale
L'objectif principal dans la sélection des matériaux pour les structures aérospatiales est l'amélioration de l'efficacité énergétique pour augmenter la distance parcourue et la charge utile livrée. Cet objectif peut être atteint par des développements sur deux fronts: une efficacité accrue du moteur grâce à des températures de fonctionnement plus élevées et un poids structurel réduit. Afin de répondre à ces besoins, les scientifiques des matériaux se tournent vers les matériaux dans deux grands domaines: les alliages métalliques et les matériaux composites avancés. Un facteur clé contribuant à l'avancement de ces nouveaux matériaux est la capacité croissante d'adapter les matériaux pour obtenir des propriétés spécifiques.
Les métaux
Bon nombre des métaux avancés actuellement utilisés dans les avions ont été conçus spécifiquement pour des applications dans les moteurs à turbine à gaz, dont les composants sont exposés à des températures élevées, à des gaz corrosifs, à des vibrations et à des charges mécaniques élevées. Pendant la période des premiers moteurs à réaction (d'environ 1940 à 1970), les exigences de conception ont été satisfaites uniquement par le développement de nouveaux alliages. Mais les exigences plus sévères des systèmes de propulsion avancés ont conduit au développement de nouveaux alliages pouvant résister à des températures supérieures à 1 000 ° C (1 800 ° F), et les performances structurelles de ces alliages ont été améliorées par le développement des processus de fusion et de solidification..
Fusion et solidification
Les alliages sont des substances composées de deux métaux ou plus ou d'un métal et d'un non-métal qui sont intimement unis, généralement en se dissolvant l'un dans l'autre lorsqu'ils sont fondus. Les principaux objectifs de la fusion sont d'éliminer les impuretés et de mélanger les ingrédients d'alliage de manière homogène dans le métal de base. Des avancées majeures ont été réalisées avec le développement de nouveaux procédés basés sur la fusion sous vide (pressage isostatique à chaud), la solidification rapide et la solidification directionnelle.
Dans le pressage isostatique à chaud, les poudres préalliées sont emballées dans un récipient pliable à paroi mince, qui est placé dans un vide à haute température pour éliminer les molécules de gaz adsorbées. Il est ensuite scellé et placé dans une presse, où il est exposé à des températures et des pressions très élevées. Le moule s'effondre et soude la poudre dans la forme souhaitée.
Les métaux en fusion refroidis à des vitesses pouvant atteindre un million de degrés par seconde ont tendance à se solidifier en une microstructure relativement homogène, car il n'y a pas suffisamment de temps pour que les grains cristallins se nucléent et se développent. Ces matériaux homogènes ont tendance à être plus résistants que les métaux "granuleux" typiques. Des vitesses de refroidissement rapides peuvent être obtenues par un refroidissement par «éclaboussures», dans lequel des gouttelettes fondues sont projetées sur une surface froide. Un chauffage et une solidification rapides peuvent également être obtenus en faisant passer des faisceaux laser à haute puissance sur la surface du matériau.
Contrairement aux matériaux composites (voir ci-dessous Composites), les métaux granuleux présentent des propriétés essentiellement identiques dans toutes les directions, de sorte qu'ils ne peuvent pas être adaptés pour correspondre aux chemins de charge prévus (c'est-à-dire les contraintes appliquées dans des directions spécifiques). Cependant, une technique appelée solidification directionnelle offre un certain degré d'adaptabilité. Dans ce processus, la température du moule est contrôlée avec précision pour favoriser la formation de cristaux rigides alignés lorsque le métal fondu se refroidit. Celles-ci servent à renforcer le composant dans le sens de l'alignement de la même manière que les fibres renforcent les matériaux composites.
Alliage
Ces avancées dans le traitement se sont accompagnées du développement de nouveaux «superalliages». Les superalliages sont des alliages à haute résistance, souvent complexes, résistants aux températures élevées et aux contraintes mécaniques sévères et qui présentent une stabilité de surface élevée. Ils sont généralement classés en trois grandes catégories: à base de nickel, à base de cobalt et à base de fer. Les superalliages à base de nickel prédominent dans la section des turbines des réacteurs. Bien qu'ils aient peu de résistance intrinsèque à l'oxydation à des températures élevées, ils acquièrent des propriétés souhaitables grâce à l'ajout de cobalt, chrome, tungstène, molybdène, titane, aluminium et niobium.
Les alliages aluminium-lithium sont plus rigides et moins denses que les alliages d'aluminium conventionnels. Ils sont également «superplastiques», en raison de la granulométrie fine qui peut désormais être obtenue lors du traitement. Les alliages de ce groupe conviennent pour une utilisation dans des composants de moteur exposés à des températures intermédiaires à élevées; ils peuvent également être utilisés dans les peaux des ailes et du corps.
Les alliages de titane, modifiés pour résister à des températures élevées, sont de plus en plus utilisés dans les turbomoteurs. Ils sont également employés dans les cellules, principalement pour les avions militaires, mais aussi dans une certaine mesure pour les avions commerciaux.
