Een groep nieuwe slimme materialen ontdekt door onderzoekers van de Texas A&M University en hun collega's heeft het potentieel om de efficiëntie van brandstofverbranding in straalmotoren aanzienlijk te verbeteren, het verlagen van de vliegkosten. De materialen, die ook vliegtuiglawaai boven woonwijken zou kunnen verminderen, hebben aanvullende toepassingen in tal van andere industrieën.

"Wat me opwindt, is dat we net de oppervlakte hebben bekrast van iets nieuws dat niet alleen een volledig nieuw veld van wetenschappelijk onderzoek zou kunnen openen, maar ook nieuwe technologieën mogelijk maken, " zei dr. Ibrahim Karaman, Chevron Professor I en hoofd van de afdeling Materials Science and Engineering van de universiteit.

Het werk is gepubliceerd in Scripta Materialia . De co-auteurs van Karaman zijn Demircan Canadinc, Willem Trehern, en Ji Ma van Texas A&M, en Fanping Sun en Zaffir Chaudhry, Technical Fellow van het United Technologies Research Center (UTRC).

De ontdekking is gebaseerd op het samenbrengen van twee relatief nieuwe gebieden van materiaalwetenschap met betrekking tot metaallegeringen, of metalen bestaande uit twee of meer elementen. Het eerste gebied betreft legeringen met vormgeheugen, "slimme" materialen die met specifieke triggers van de ene vorm naar de andere kunnen overschakelen, in dit geval temperatuur. Stel je een rechte metalen staaf voor die in een kurkentrekker is gebogen. Door de temperatuur te veranderen, de kurkentrekker verandert weer in een staaf en vice versa.

Veel toepassingen

Veel potentiële toepassingen voor legeringen met vormgeheugen hebben betrekking op extreem hete omgevingen zoals een werkende straalmotor. Tot nu, echter, voordelige legeringen met vormgeheugen op hoge temperatuur, (HTSMA's), hebben alleen gewerkt bij temperaturen tot ongeveer 400 graden Celsius. Het toevoegen van elementen zoals goud of platina kan die temperatuur aanzienlijk verhogen, maar de resulterende materialen zijn veel te duur, onder andere beperkingen.

Karamaan, tijdens het werken aan een NASA-project met UTRC en collega's, begon dit onderzoek om een ​​specifiek probleem aan te pakken:het controleren van de klaring, of ruimte, tussen turbinebladen en het turbinehuis in een straalmotor. Een straalmotor is het meest zuinig wanneer de opening tussen de turbinebladen en de behuizing wordt geminimaliseerd. Echter, deze goedkeuring moet een redelijke marge hebben om het hoofd te bieden aan bijzondere bedrijfsomstandigheden. HTSMA's die in de turbinebehuizing zijn ingebouwd, kunnen het handhaven van de minimale speling over alle vluchtregimes mogelijk maken, waardoor het stuwkrachtspecifieke brandstofverbruik wordt verbeterd.

Een andere belangrijke potentiële toepassing van HTSMA's is het verminderen van het geluid van vliegtuigen die een luchthaven binnenkomen. Vliegtuigen met grotere uitlaatpijpen zijn stiller, maar minder efficiënt in de lucht. HTSMA's kunnen automatisch de grootte van het kernuitlaatmondstuk veranderen, afhankelijk van of het vliegtuig vliegt of landt. Zo'n verandering, veroorzaakt door de temperaturen die bij deze bedrijfsmodi horen, zou zowel een efficiëntere werking in de lucht als stillere omstandigheden bij de landing mogelijk maken.

Karaman en zijn collega's besloten om te proberen de bedrijfstemperaturen van HTSMA's te verhogen door principes van een andere nieuwe klasse materialen toe te passen, legeringen met hoge entropie, die zijn samengesteld uit vier of meer elementen die in ongeveer gelijke hoeveelheden met elkaar zijn gemengd. Het team creëerde materialen die zijn samengesteld uit vier of meer elementen waarvan bekend is dat ze legeringen met vormgeheugen vormen (nikkel, titanium, hafnium, zirkonium en palladium), maar doelbewust weggelaten goud of platina.

"Toen we deze elementen in gelijke verhoudingen mengden, ontdekten we dat de resulterende materialen konden werken bij temperaturen ver boven de 500 graden C - één werkte bij 700 graden C - zonder goud of platina. Dat is een ontdekking, "zei Karaman. "Het was ook onverwacht omdat de literatuur anders suggereerde."

Hoe werken de nieuwe materialen? Karaman zei dat ze ideeën hebben over hoe ze werken bij zulke hoge temperaturen, maar heb nog geen solide theorieën. Daartoe, toekomstig werk omvat het proberen te begrijpen wat er op atomaire schaal gebeurt door computersimulaties uit te voeren. De onderzoekers willen ook manieren onderzoeken om de eigenschappen van de materialen nog verder te verbeteren. Karaman merkt op, echter, dat er nog vele andere vragen zijn.

"Daarom denk ik dat dit een geheel nieuw onderzoeksgebied zou kunnen openen, "zei hij. "Hoewel we onze eigen inspanningen zullen voortzetten, we zijn verheugd dat anderen zich nu bij ons zullen voegen, zodat we samen de grenzen van de wetenschap kunnen verleggen."