新的智能材料可以开辟新的研究领域

德克萨斯A&M大学的研究人员及其同事发现的一组新智能材料有可能显着提高喷气发动机燃油燃烧效率，降低飞行成本。这些材料还可以降低住宅区域内的飞机噪音，在各种其他行业中都有其他应用。

“让我感到兴奋的是，我们刚刚触及了一些新的东西，它不仅开辟了一个全新的科学研究领域，而且还启用了新技术，”雪佛龙教授I和大学系主任IbrahimKaraman博士说。材料科学与工程。

这项工作发表在ScriptaMaterialia上。卡拉曼的合着者是德克萨斯A&M的DemircanCanadinc，WilliamTrehern和JiMa，以及联合技术研究中心(UTRC)技术研究员FanpingSun和ZaffirChaudhry。

该发现基于将涉及金属合金的两个相对较新的材料科学领域或由两种或更多种元素组成的金属集合在一起。第一个领域涉及形状记忆合金，“智能”材料，可以通过特定的触发器从一种形状切换到另一种形状，在这种情况下是温度。想象一下弯曲成螺旋形螺钉的直金属杆。通过改变温度，开塞钻变回杆，反之亦然。

很多应用

形状记忆合金的许多潜在应用涉及极热的环境，如工作喷气发动机。然而，到目前为止，经济的高温形状记忆合金(HTSMA)仅在高达约400摄氏度的温度下工作。添加金或铂等元素可以显着提高温度，但所产生的材料太昂贵，除了其他限制。

卡拉曼在与UTRC及其同事一起开展NASA项目时，开始进行这项研究，以解决一个特定问题：控制涡轮叶片与喷气发动机涡轮机壳体之间的间隙或空间。当涡轮叶片和壳体之间的间隙最小化时，喷气发动机最节省燃料。但是，这种许可必须有一个合理的余地来处理特殊的运营条件。结合到涡轮机壳体中的HTSMA可以允许维持所有飞行状态的最小间隙，从而改善推力特定的燃料消耗。

HTSMA的另一个重要潜在应用是降低飞机进入机场时的噪音。排气喷嘴较大的飞机更安静，但空气效率较低。HTSMA可以根据飞机是在飞行中还是在着陆时自动改变核心排气喷嘴的尺寸。由与这些操作模式相关联的温度触发的这种变化可以允许在空中更有效的操作和在着陆时更安静的条件。

卡拉曼和他的同事决定尝试通过应用另一种新型材料-高熵合金的原理来提高HTSMA的工作温度，这些材料由四种或更多种元素以大致相等的量混合在一起组成。该团队创造了由四种或更多已知形成形状记忆合金(镍，钛，铪，锆和钯)的元素组成的材料，但有目的地省略了金或铂。

“当我们以相同的比例混合这些元素时，我们发现所得到的材料可以在超过500摄氏度的温度下工作-一个在700摄氏度下工作-没有金或铂。这是一个发现，”卡拉曼说。“这也是意料之外的，因为文献另有说法。”

新材料如何运作?卡拉曼说，他们对如何在如此高的温度下运行有所了解，但还没有扎实的理论。为此，未来的工作包括尝试通过计算机模拟来了解原子尺度上发生的事情。研究人员还致力于探索进一步改善材料性能的方法。然而，卡拉曼指出，还有许多其他问题。

“这就是为什么我认为这可以开辟一个全新的研究领域，”他说。“虽然我们将继续努力，但我们很高兴其他人现在加入我们，这样我们就可以共同推动科学的发展。”

UTRC和TexasA&M之间的这个联合项目由美国宇航局前沿特种研究倡议资助。