Wie wäre es, wenn die Zukunft des Ingenieurwesens nicht nur aus innovativen Designs, sondern auch aus bahnbrechenden Materialien bestünde? Von optischen Fasern, die die Datenübertragung revolutionieren, bis hin zu supraleitenden Materialien, die die Energieeffizienz verbessern, setzen die jüngsten Fortschritte bei technischen Materialien neue Maßstäbe. In diesem Artikel werden sieben dieser Werkstoffe vorgestellt, die einen Einblick in ihre Eigenschaften und Anwendungen geben. Wenn Sie weiter lesen, werden Sie ein tieferes Verständnis dafür gewinnen, wie diese Materialien die Industrie und die Technologie, wie wir sie kennen, verändern werden.
Als fortschrittliche Werkstoffe werden solche bezeichnet, die erst kürzlich erforscht wurden oder sich in der Entwicklung befinden und außergewöhnliche Leistungen und besondere Funktionen aufweisen. Diese Materialien sind für den Fortschritt in Wissenschaft und Technik von größter Bedeutung, insbesondere für die Hightech-Industrie und aufstrebende Branchen.
Dieser Artikel gibt eine kurze Einführung in einige dieser innovativen technischen Materialien.
Optische Fasern, abgekürzt als Fasern, sind Lichtwellenleiter, die zur Übertragung von Lichtinformationen verwendet werden. Als Medium für die Übertragung von Lichtwellen bestehen typische Fasern aus einem Kern mit hohem Brechungsindex und einem Mantel mit einem niedrigeren Brechungsindex. In praktischen Anwendungen werden Hunderte oder sogar Tausende von Fasern zu einer bestimmten Art von Kabelstruktur kombiniert.
Für die Übertragung über große Entfernungen werden optische Repeater benötigt, um die während der Übertragung allmählich schwächer werdenden Lichtsignale wiederherzustellen. Die beiden wichtigsten Merkmale von Glasfasern sind der Lichtverlust und die Übertragungsbandbreite; ersteres bestimmt die Übertragungsentfernung, letzteres die Informationskapazität.
Die Entwicklung von Glasfasern konzentriert sich derzeit auf die Vergrößerung des Abstandes zwischen den Wiederholern, die Verringerung von Verlusten und die Entwicklung von superlangen Wellenlängen und ultrabreiten Frequenzbändern. Nachfolgend sind einige Arten von Lichtwellenleitern aufgeführt, die entwickelt und verwendet wurden:
Derzeit werden Kommunikationsfasern hauptsächlich aus hochreinem Quarzglas hergestellt. Quarzglasfasern sind chemisch stabil, haben einen geringen Ausdehnungskoeffizienten, eine ausgezeichnete langfristige Zuverlässigkeit und sind reichlich vorhanden. Allerdings sind sie etwas spröde, und eine weitere Reduzierung des Lichtverlusts ist nur begrenzt möglich.
Als Kernmaterial für Kunststofffasern können Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polystyrol (PS) verwendet werden, wobei die Ummantelung der Fasern aus Fluorharz in PMMA oder PMMA-Material in PS bestehen kann. Kunststofffasern haben viele Vorteile, wie z. B. hervorragende Flexibilität, hohe Bruchsicherheit, geringes Gewicht, niedrige Kosten und einfache Verarbeitung.
Aufgrund der hohen Übertragungsverluste werden sie jedoch hauptsächlich für die Übertragung von Energie und Bildinformationen über kurze Entfernungen eingesetzt.
Die typischste Sulfidverbundglasfaser ist das As-S-System, das einen hohen Schmelzpunkt und eine gute Verarbeitbarkeit aufweist.
Zu den Halogenidkristallfasern gehören u. a. einkristallines CsBr und CrI sowie polykristallines TiBrI. Kristallfasern weisen geringe Verluste über eine große Wellenlängenbandbreite von 1 bis 10 μm auf und können für die Übertragung von CO-Gaslasern verwendet werden.
Zu den vielversprechenden Materialien für extrem verlustarme Infrarotfasern, die derzeit untersucht werden, gehören Fluorid-Zirkonium-(Hafnium)-Silikatglas, Fluorid-Aluminatglas und Fluoridglas, das hauptsächlich aus Thoriumoxid und Seltenerdfluoriden besteht.
Unter ihnen gilt Zirkonium-(Hafnium)-Silikatglas als das vielversprechendste Material für langwellige Kommunikationsfasern mit Eigenschaften wie einem breiten Wellenlängenbereich, geringer Dispersion und guter Verarbeitbarkeit.
Optische Fasern können für die Übertragung von Computerinformationen verwendet werden und ermöglichen den Aufbau flexibler, schneller und groß angelegter Computernetzwerke für Datenabfragen, Banktransaktionen, Termingeschäfte und möglicherweise die Übertragung holografischer Bilder über große Entfernungen. Sie können auch zur Übertragung von Hochleistungslasern und zur Herstellung von faseroptischen Sensoren verwendet werden, neben anderen Anwendungen.
Im Jahr 1911 entdeckte die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes, dass der Widerstand von Quecksilber bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff (4,2 K) plötzlich verschwindet. Dieses Phänomen ist als Supraleitung bekannt, und die Materialien, die diese Eigenschaft aufweisen, werden als Supraleiter bezeichnet.
Der Zustand, in dem der Widerstand eines Supraleiters gleich Null ist, wird als supraleitender Zustand bezeichnet. Die Temperatur, bei der Supraleitung auftritt, wird als kritische Temperatur (T) definiert und in Kelvin (K), der thermodynamischen Temperaturskala, gemessen.
Später fand man heraus, dass, wenn ein Supraleiter in einem Magnetfeld abgekühlt wird, an dem Punkt, an dem der Widerstand des Materials verschwindet, die magnetischen Feldlinien aus dem Leiter austreten, ein Phänomen, das als perfekter Diamagnetismus oder Meissner-Effekt bekannt ist. Supraleitfähigkeit und Diamagnetismus sind die beiden wichtigsten Eigenschaften von Supraleitern.
Supraleitende Materialien werden in verschiedenen Bereichen wie Energie, Verkehr, Information, Grundlagenforschung und Gesundheitswesen eingesetzt. In Stromversorgungssystemen beispielsweise ist die supraleitende Stromspeicherung derzeit die effizienteste Speichermethode, und durch den Einsatz supraleitender Übertragungen kann der Stromverlust erheblich reduziert werden.
Supraleitende Magnete mit ihren hohen Magnetfeldern, geringen Energieverlusten und ihrem geringen Gewicht können für die magnetohydrodynamische Stromerzeugung eingesetzt werden, indem sie thermische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln und die Ausgangsleistung von Generatoren erheblich steigern.
Durch den Einsatz von supraleitenden Tunneln können verschiedene Geräte geschaffen werden, die sich durch hohe Empfindlichkeit, geringes Rauschen, schnelles Ansprechen und geringe Verluste auszeichnen und für die Erkennung elektromagnetischer Wellen geeignet sind. In Computern können Josephson-Übergang-Computer aus supraleitenden Materialien zehn Hochgeschwindigkeitsberechnungen pro Sekunde durchführen, und das bei geringer Größe und großer Kapazität.
Der magnetische Schwebeeffekt, der zwischen Supraleitern und Magnetfeldern entsteht, kann zur Herstellung supraleitender Magnetschwebebahnen genutzt werden. Außerdem können die massiven Magnetfelder, die von Supraleitern erzeugt werden, für kontrollierte thermonukleare Reaktionen genutzt werden.
Schwingungsdämpfende Legierungen sind funktionelle Werkstoffe, die schwingungsdämpfend sind und gleichzeitig die erforderliche strukturelle Festigkeit aufweisen. Es handelt sich um Legierungen mit hoher innerer Reibung, die ein schnelles Abklingen von Schwingungen ermöglichen. Je nach ihren Dämpfungsmechanismen können schwingungsdämpfende Legierungen in mehrphasige, ferromagnetische, verzwillingte und versetzte Typen eingeteilt werden.
Mehrphasige Legierungen bestehen aus zwei oder mehr Phasen, wobei im Allgemeinen eine weichere zweite Phase auf einer härteren Matrix verteilt ist. Sie nutzen die wiederholte plastische Verformung der zweiten Phase in der Legierung, um Schwingungsenergie in Reibungswärme zur Dämpfung umzuwandeln.
Grauguss mit Lamellengraphit ist die am weitesten verbreitete mehrphasige Dämpfungslegierung, die typischerweise für Werkzeugmaschinensockel, Kurbelwellen, Nocken und so weiter verwendet wird. Eine weitere typische mehrphasige Dämpfungslegierung ist die Al-Zn-Legierung, die in Geräten wie Stereoverstärkern verwendet wird.
Diese Legierungen nutzen die Magnetostriktion ferromagnetischer Materialien und die Rotation und Bewegung magnetischer Domänen während der Vibration, um Schwingungsenergie zur Dämpfung zu nutzen. Chromstahl mit einem Chromgehalt von 12% und Legierungen auf Fe-Cr-Al-Basis sind Beispiele für ferromagnetische Dämpfungslegierungen, die in Dampfturbinenschaufeln, Präzisionsinstrumentenrädern usw. verwendet werden.
Zwillingslegierungen nutzen die Bildung feiner Zwillingsstrukturen während des Phasenwechsels und absorbieren Schwingungsenergie durch die Bewegung der Zwillingskorngrenzen. Die in Japan neu entwickelte Mn-Cu-Ni-Fe-Legierung kann beispielsweise die Amplitude bei einer einzigen Schwingung halbieren und eignet sich für Motorteile, Motorgehäuse, Waschmaschinenteile und so weiter.
Versetzungslegierungen absorbieren Schwingungsenergie aufgrund der gegenseitigen Schwingung von Versetzungen und Zwischengitteratomen. Die Mg-Zr (wZr=6%) wird beispielsweise in Kreiselkompassen für die Lenkung von Flugkörpern und in den Ständern von Präzisionsinstrumenten wie Steuergeräten verwendet, um deren normale Funktion zu gewährleisten.
Die Mg-MgNi-Legierung hat nicht nur hervorragende Dämpfungseigenschaften, sondern auch eine hohe Festigkeit und eine geringe Dichte, was sie zu einem ausgezeichneten schwingungsdämpfenden Material für die Luft- und Raumfahrtindustrie macht.
Die gefährlichste Versagensart von Werkstoffen bei niedrigen Temperaturen ist der Tieftemperatursprödbruch. Daher müssen Werkstoffe, die bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden, eine ausgezeichnete Tieftemperaturzähigkeit aufweisen. Um thermische Verformungen durch den Wechsel zwischen Raum- und Tieftemperatur zu vermeiden, sollten diese Werkstoffe außerdem einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine gute Verarbeitbarkeit aufweisen.
Werkstoffe, die bei niedrigen Temperaturen unter magnetischen Feldern verwendet werden, sollten in der Regel nicht magnetisch sein. Zu den metallischen Werkstoffen für niedrige Temperaturen gehören vor allem niedrig legierter ferritischer Stahl, austenitischer rostfreier Stahl, Nickelstahl, Duplexstahl, Superlegierungen auf Eisen-Nickel-Basis, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Titanlegierungen usw.
Auf der Grundlage unterschiedlicher Einsatztemperaturen lassen sich die üblicherweise verwendeten Tieftemperaturmaterialien grob in die folgenden drei Kategorien einteilen:
(1) Werkstoffe für -40 bis -100℃: Bei den in diesem Temperaturbereich verwendeten Tieftemperaturwerkstoffen handelt es sich in erster Linie um kohlenstoffarmen Stahl und niedrig legierten Stahl, z. B. legierten Stahl mit 3.5% wNiund aluminiumberuhigter kohlenstoffarmer Manganstahl 06MnVAl, dessen niedrigste Einsatztemperatur -130℃ beträgt.
Sie werden vor allem in der petrochemischen Industrie, in Kühlanlagen, Ingenieurbauten in kalten Regionen, Gaspipelines und bei niedrigen Temperaturen arbeitenden Kompressoren, Pumpen und Ventilen eingesetzt.
(2) Werkstoffe für -160 bis -196℃: Die in diesem Temperaturbereich verwendeten Tieftemperaturwerkstoffe werden in erster Linie in der Flüssiggas- und Sauerstoffproduktion eingesetzt.
Zu den Typen gehören 18-8 austenitischer rostfreier Stahl, der eine ausgezeichnete Tieftemperaturzähigkeit, aber eine geringere Festigkeit und einen größeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist; Tieftemperaturstahl auf Nickelbasis, wie Stahl mit 9% wNi (wc<0,1%), Ni (wNi=5%) -Mo (wMo=0,2%), die sich durch hohe Festigkeit, gute Tieftemperaturzähigkeit und zuverlässige Schweißbarkeit auszeichnen und zunehmend eingesetzt werden; austenitischer Stahl mit hohem Mangangehalt 20Mn23Al, Aluminiumlegierung 5083 usw.
(3) Ultra-Tieftemperaturwerkstoffe für -253 bis -269℃: Diese Arten von Materialien werden hauptsächlich zur Herstellung von Behältern für die Lagerung und den Transport von flüssigem Wasserstoff und flüssigem Chlor sowie für Teile in supraleitenden Geräten mit starken Magnetfeldern verwendet.
Zu den entwickelten und erforschten Tiefsttemperaturlegierungen gehören in erster Linie: austenitischer rostfreier Stahl für Tiefsttemperaturen, der durch Hinzufügen von Kohlenstoff und Stickstoff zur Basis des rostfreien Stahls vom Typ 18-8 hergestellt wird; austenitischer rostfreier Stahl mit hohem Mangangehalt 15Mn26Al4; Ni (wNi=12%) -Ti (wTi=0,25%), Ni (wNi=13%) -Mo (WMo=3%) Stahl und Ni-Basis-Legierungen.
Im Gegensatz zu gewöhnlichen Materialien zeichnen sich Materialien mit Formgedächtnis dadurch aus, dass sie ihre Verformung beibehalten, wenn sie bei niedrigen Temperaturen belastet werden, und dass sie nicht verschwinden, wenn die Belastung aufgehoben wird. Wird das Material jedoch über eine bestimmte kritische Temperatur hinaus erwärmt, kann es seine geometrische Form von vor der Verformung wieder vollständig annehmen, als ob es sich an seine ursprüngliche Form erinnern würde.
Dieses Phänomen wird als Formgedächtniseffekt bezeichnet. Materialien, die diesen Effekt aufweisen, werden als Formgedächtnismaterialien bezeichnet. Sowohl metallische als auch keramische Speichermaterialien weisen den Formgedächtniseffekt durch martensitische Phasenumwandlung auf, während polymere Speichermaterialien diesen Effekt aufgrund von Änderungen ihrer Kettenstruktur mit der Temperatur zeigen.
Bei den Werkstoffen mit Formgedächtnis handelt es sich in erster Linie um Legierungen mit Formgedächtnis, von denen derzeit Dutzende im Einsatz sind. Diese können grob unterteilt werden in:
1) Nickel-Titan (Ni-Ti)-Basis: Diese Legierungen bestehen aus Nickel und Titan in einem Atomverhältnis von 1:1 und zeichnen sich durch einen hervorragenden Formgedächtniseffekt, hohe Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und unvergleichliche thermische Ermüdungsbeständigkeit sowie eine ausgezeichnete Biokompatibilität aus. Die hohen Rohstoffkosten und die schwierigen Herstellungsverfahren machen sie jedoch teuer und schwierig zu bearbeiten.
2) Kupferlegierungen: Legierungen auf Kupferbasis sind kostengünstig, leicht herzustellen, haben einen guten Formgedächtniseffekt, einen geringen spezifischen Widerstand und sind gut bearbeitbar. Allerdings nimmt die Formwiederherstellungsrate bei langfristiger oder wiederholter Verwendung ab, was ein Problem darstellt, das es zu lösen gilt. Die praktischsten Legierungen auf Kupferbasis sind Cu-Zn-Al und andere wie Cu-Al-Mn und Cu-Al-Ni.
3) Auf Eisenbasis: Formgedächtnislegierungen auf Eisenbasis weisen eine hohe Festigkeit und gute Plastizität auf, sind kostengünstig und gewinnen allmählich an Aufmerksamkeit. Zu den eisenbasierten Memory-Legierungen, die derzeit entwickelt und erforscht werden, gehören hauptsächlich Fe-Mn-Si und Fe-N-Co-Ti.
In jüngster Zeit wurde der Formgedächtniseffekt in keramischen Werkstoffen, Polymerwerkstoffen und supraleitenden Werkstoffen mit jeweils einzigartigen Eigenschaften entdeckt, was die Anwendungsperspektiven von Gedächtniswerkstoffen noch erweitert hat.
Materialien mit Formgedächtnis finden breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, im Maschinenbau, in der Elektronik, im Energiebereich, in der Medizin und im täglichen Leben. So nutzte beispielsweise ein amerikanisches Luftfahrtunternehmen den Formgedächtniseffekt, um das Verbindungsproblem der schwer zu schweißenden Ölleitungen des F-14-Kampfjets zu lösen.
Wasserstoff ist eine umweltfreundliche Energiequelle, die auf der Erde reichlich vorhanden ist, und wird voraussichtlich in Zukunft eine primäre Energiequelle sein. Die Speicherung von Wasserstoff stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Ein funktionelles Material, das Wasserstoff in Form von Metallhydriden aufnehmen und speichern kann und den gespeicherten Wasserstoff bei Bedarf wieder abgibt, wird als Wasserstoffspeicher bezeichnet.
Wasserstoffspeichermaterialien nehmen Wasserstoff auf und bilden Metallhydride, die bei Abkühlung oder Druckbeaufschlagung Wärme abgeben. Umgekehrt wandeln sie sich bei Erwärmung oder Druckentlastung in Metall und Wasserstoff um, geben Wasserstoffgas ab und nehmen Wärme auf. Die Wasserstoffdichte in Wasserstoffspeichermaterialien ist 1000- bis 1300-mal höher als die von gasförmigem Wasserstoff.
Zu den wichtigsten Materialien für die Wasserstoffspeicherung, die derzeit untersucht und entwickelt werden, gehören:
Auf Magnesiumbasis: Diese Materialien haben eine große Wasserstoffspeicherkapazität und sind kostengünstig. Der Nachteil ist, dass sie Temperaturen über 250 °C benötigen, um Wasserstoff freizusetzen. Beispiele sind Mg2Ni, Mg2Cu usw.
Auf Titanbasis: Wasserstoffspeicherlegierungen auf Titanbasis haben eine große Wasserstoffabsorptionskapazität, lassen sich bei Raumtemperatur leicht aktivieren, sind kostengünstig und eignen sich für großtechnische Anwendungen. Beispiele hierfür sind binäre Legierungen wie Titan-Mangan, Titan-Chrom sowie ternäre und Multielement-Legierungen wie Titan-Mangan-Chrom, Titan-Zirkonium-Chrom-Mangan usw.
Auf Zirkoniumbasis: Sie zeichnen sich durch hervorragende Wasserstoffspeichereigenschaften auch bei Temperaturen über 100 °C aus und können große Mengen Wasserstoff schnell und effizient aufnehmen und abgeben, was sie zu geeigneten Hochtemperatur-Wasserstoffspeichermaterialien macht. Beispiele sind ZrCr2, ZrMn2 usw.
Auf Basis seltener Erden: Wasserstoffspeicherlegierungen auf der Basis von Seltenen Erden, wie die Lanthan-Nickel-Legierung LaNi, haben gute Wasserstoffabsorptionseigenschaften und lassen sich leicht aktivieren. Sie geben bei Temperaturen über 40 °C schnell Wasserstoff ab, sind aber relativ teuer.
Um die Kosten zu senken und die Leistung zu verbessern, kann Lanthan durch eine Mischung aus Seltenen Erden ersetzt werden, oder andere Metallelemente können die aus einer Mischung aus Seltenen Erden und Ni bestehende Multielement-Wasserstoffspeicherlegierung teilweise ersetzen.
Auf Eisenbasis: Die typischste Wasserstoffspeicherlegierung auf Eisenbasis ist die Eisen-Titan-Legierung. Sie hat hervorragende Wasserstoffspeichereigenschaften und ist kostengünstig, aber die Aktivierung ist relativ schwierig.
In der Natur vorkommende Materialien lassen sich aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften in drei Typen einteilen: diamagnetische, paramagnetische und ferromagnetische. Magnetische Materialien sind Stoffe, die Ferromagnetismus besitzen.
Magnetische Werkstoffe sind in Branchen wie Elektronik, Energie, Elektromotoren, Instrumentenbau und Telekommunikation unverzichtbar. Auf der Grundlage ihrer magnetischen Eigenschaften können magnetische Werkstoffe in weichmagnetische und hartmagnetische Werkstoffe unterteilt werden.
Weichmagnetische Werkstoffe lassen sich unter einem externen Magnetfeld leicht magnetisieren und entmagnetisieren, wenn das externe Feld entfernt wird. Sie zeichnen sich durch eine hohe Permeabilität, eine hohe magnetische Induktionsstärke, eine geringe Koerzitivfeldstärke und einen minimalen Energieverlust während der Magnetisierung und Entmagnetisierung aus.
Es gibt viele Arten von weichmagnetischen Werkstoffen, die gängigsten sind elektrisch reines Eisen, Siliziumstahlbleche, Fe-Al-Legierungen, Fe-Ni-Legierungen und weichmagnetische Ferritwerkstoffe.
Hartmagnetische Werkstoffe, auch Dauermagnetwerkstoffe genannt, sind Werkstoffe, die nach ihrer Magnetisierung ohne externe Stromversorgung ein Magnetfeld erzeugen können.
Diese Materialien zeichnen sich durch eine beträchtliche Koerzitivfeldstärke und Restmagnetismus aus und finden breite Anwendung in magnetoelektrischen Instrumenten, Lautsprechern, Permanentmagnetgeneratoren und Kommunikationsgeräten.
Die derzeit verwendeten und untersuchten hartmagnetischen Werkstoffe lassen sich grob in metallische hartmagnetische Werkstoffe, hartmagnetische Ferritwerkstoffe, hartmagnetische Seltenerdwerkstoffe und hartmagnetische Neodym-Eisen-Bor-Werkstoffe unterteilen.
Darüber hinaus gibt es einige magnetische Werkstoffe für besondere Zwecke, wie z. B. magnetische Speichermaterialien für die Informationsaufzeichnung (Herstellung von Magnetbändern, Magnetplatten usw.), Werkstoffe für Aufzeichnungsköpfe, magnetische Speichermaterialien in elektronischen Computern und magnetische Kompensationsmaterialien in Präzisionsinstrumenten.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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