En grupp nya smarta material som upptäckts av forskare vid Texas A&M University och deras kollegor har potential att avsevärt förbättra effektiviteten av bränsleförbränning i jetmotorer, minska kostnaderna för att flyga. Materialen, vilket också kan minska flygplansbuller över bostadsområden, har ytterligare tillämpningar i en mängd andra branscher.

"Det som gör mig upphetsad är att vi just har skrapat på ytan av något nytt som inte bara kan öppna ett helt nytt forskningsfält, men också möjliggöra ny teknik, " sa Dr. Ibrahim Karaman, Chevron Professor I och chef för universitetets institution för materialvetenskap och teknik.

Verket publicerades i Scripta Materialia . Karamans medförfattare är Demircan Canadinc, William Trehern, och Ji Ma från Texas A&M, och Fanping Sun och Zaffir Chaudhry, Technical Fellow vid United Technologies Research Center (UTRC).

Upptäckten bygger på att sammanföra två relativt nya områden inom materialvetenskap som involverar metallegeringar, eller metaller som består av två eller flera grundämnen. Det första området involverar formminneslegeringar, "smarta" material som kan byta från en form till en annan med specifika triggers, i detta fall temperaturen. Föreställ dig en rak metallstav som är böjd till en korkskruv. Genom att ändra temperaturen, korkskruven förvandlas tillbaka till en stav och vice versa.

Många applikationer

Många potentiella applikationer för formminneslegeringar involverar extremt varma miljöer som en fungerande jetmotor. Tills nu, dock, ekonomiska högtemperaturformminneslegeringar, (HTSMAs), har bara arbetat vid temperaturer upp till ca 400 grader Celsius. Att lägga till element som guld eller platina kan öka den temperaturen avsevärt, men de resulterande materialen är alldeles för dyra, bland andra begränsningar.

Karaman, medan du arbetade på ett NASA-projekt med UTRC och kollegor, påbörjade den här forskningen för att ta itu med ett specifikt problem:att kontrollera frigången, eller utrymme, mellan turbinbladen och turbinhuset i en jetmotor. En jetmotor är mest bränslesnål när gapet mellan turbinbladen och höljet minimeras. Dock, detta godkännande måste ha en rimlig marginal för att hantera speciella driftsförhållanden. HTSMA:er som är inbyggda i turbinhöljet kan tillåta upprätthållandet av minsta spelrum över alla flygregimer, vilket förbättrar den dragkraftspecifika bränsleförbrukningen.

En annan viktig potentiell tillämpning av HTSMA:er är minskningen av buller från flygplan när de kommer in till en flygplats. Plan med större avgasmunstycken är tystare, men mindre effektiv i luften. HTSMA:er kan automatiskt ändra storleken på kärnavgasmunstycket beroende på om planet flyger eller landar. En sådan förändring, utlöst av de temperaturer som är förknippade med dessa driftsätt, skulle kunna möjliggöra både effektivare drift i luften och tystare förhållanden vid landning.

Karaman och hans kollegor bestämde sig för att försöka öka driftstemperaturerna för HTSMA:er genom att tillämpa principer från en annan ny klass av material, högentropi legeringar, som är sammansatta av fyra eller flera element blandade i ungefär lika stora mängder. Teamet skapade material som består av fyra eller flera element som är kända för att bilda formminneslegeringar (nickel, titan, hafnium, zirkonium och palladium), men avsiktligt utelämnat guld eller platina.

"När vi blandade dessa grundämnen i lika stora proportioner fann vi att de resulterande materialen kunde arbeta vid temperaturer långt över 500 grader C—en arbetade vid 700 grader C—utan guld eller platina. Det är en upptäckt, " sade Karaman. "Det var också oväntat eftersom litteraturen antydde något annat."

Hur fungerar de nya materialen? Karaman sa att de har idéer om hur de fungerar vid så höga temperaturer, men har inga solida teorier än. För detta ändamål, framtida arbete inkluderar att försöka förstå vad som händer på atomär skala genom att genomföra datorsimuleringar. Forskarna siktar också på att utforska sätt att förbättra materialens egenskaper ytterligare. Karaman noterar, dock, att många andra frågor kvarstår.

"Det är därför jag tror att detta kan öppna ett helt nytt forskningsområde, ", sa han. "Medan vi kommer att fortsätta våra egna ansträngningar, vi är glada över att andra nu kommer att ansluta sig till oss så att vi tillsammans kan tänja på vetenskapens gränser."