Den nya ”metallen”
av Christer Ekebom Forum 1986-02, sida 20-21, 06.02.1986
Den nya ”metallen”
De nya keramiska materialen är på väg att ersätta metallerna framför allt i produkter där slitstyrka måste kombineras med värme- och korrosionsbeständighet. Annu återstår emellertid ett omfattande forsknings- och produktutvecklingsarbete.
framtidens material, om man får tr forskarna. Plaster och keramer har i en del fall liknande egenskaper, i andra fall motsatta eller kompletterande egenskaper. De flesta plaster tål till exempel inte särskilt mycket hetta, medan värmetåligheten är en av keramernas attraktivaste egenskaper. Plasterna har ofta rätt låg motståndskraft mot mekanisk nötning, slitage, medan keramerna är ytterst slitstarka. Plasterna har ofta en hög elasticitet och tål därför bryt Pen och keramer är namnet p 2 ningar mycket bra, medan elasticiteten är en av keramernas svagaste sidor.
Gemensamt för dessa båda materialgrupper är att de ofta är mycket korrosionsbeständiga och har låg vikt jämfört med metaller, De har också en gemensam nackdel: de är oftast avsevärt dyrare än metallerna.
Priset är självfallet en tämligen relativ begränsning. Då produktionen ökar i omfång och nya framställningsmetoder utveklas, sjunker priset på respektive produkt
Ingen enhetlig grupp
Det finns faktiskt flera olika slag av keramiska material, eller keramer, som den moderna termen lyder. Förutom de konventionella keramerna (hushålls- och byggnadskeramik) existerar det specialkeramer. även kallade högteknologikeramer, samt konstruktionskeramer. Specialkeramerna finner man exempelvis inom elektroniken men också i tillämpningar i den kemiska industrin samt bland annat som reservdelar i människokroppen.
211985 FORUM,
Inom elektroniken är de olika ferriterna välkända. Också den allra billigaste batteridrivna transistorradion innehåller vanligen en ferritantenn. I bandspelarna finner man tonhuvuden gjorda i ferritmaterial. I elektroniska kretsar finner man keramiska kondensatorer samt olika keramiska resonatorer i filter- och oscillatorkretsar där de i flera fall ersätter de betydligt dyrare kvartskristallerna.
Stora utvecklingsmöjligheter
De egenskaper vi finner i dagens konstruktionskeramer är definitivt inte slutgiltiga. Keramerna är sammansatta material vilkas egenskaper kar förändras och bearbetas dels genom ingrepp i den kemiska sammansättningen och dels genom att variera själva framställningsprocessen. Som redan nämnts är det framför allt keramernas mekaniska egenskaper som vållar problem. Keramerna är spröda. Vid ökad belastning uppnås så småningom en kritisk punkt där materialet kollapsar, brister, utan förvarning. En metallstång böjer sig märkbart innan den brister men det gör inte en motsvarande stång gjord i keramik. Forskning inom brottmekanik och kolloidkemi har emellertid lett fram till keramer med mekaniska egenskaper som motsvarar stålets. Slutsatsen av detta blir självfallet att keramerna i framtiden säkert har en mekaniska hållfasthet som tål jämförelse med de bästa stållegeringarna.
Priset ner
Keramerna är ännu idag i flertalet fall rätt dyra. De grundämnen som används i keramerna är emellertid allmänt förekommande ämnen såsom kol, kisel, aluminium, Syre, kväve mm. Genom att utveckla billigare framställningsmetoder kan man således sänka priset kännbart.
Tillverkningen av keramer sker genom bränning (därav namnet) vid mycket höga temperaturer. Sintreringen sker vid temperaturer på 1300 — 1800 grader. En ytterst viktig faktor vid tillverkningen är råmaterialets renhet och homogenitet. Keramernas hållfasthet beror i avgörande grad på hur finkorniga de är och hur jämn kornstorleken är. Idag studeras intensivt exempelvis mikrosprickor i materialet. Förekomsten av sådana nedsätter materialets mekaniska hållfasthet. I samband med sintringen försöker man därför ”fylla ut” porerna i materialet så väl som möjligt. I vissa fall omsluter man dessutom den tillverkade komponenten med ett ytskikt med glasliknande egenskaper.
Knivar och saxar
Keramerna är på grund av sin enorma hårdhet mycket väl lämpade som bearbetningsverktyg. Keramiska skärverktyg förekommer framför allt inom metallindustrin. Men bland annat i Japan förekommer helt vanliga saxar och knivar i keramiska mate FÖRUN, 2/198 rial. Deras slitstyrka uppges vida överstiga stålets, men man kan förmoda att de är ömtåligare för skarpa stötar.
Diesel utan kylning
Den verkligt stora boomen inom keramindustrin väntas inom motorindustrin. På senare tid har det mer eller mindre högljutt talats om dieselmotorer utan kylning. Keramer i cylindrarna och i ventilerna I en motor skulle göra det möjligt att låta motorn arbeta under temperaturer som motsvarar bränslets normala brinntemperatur. I stället för att som idag föra bort värmen från cylinderväggarna och kolven. skulle man i stället isolera motorn så att värmen inte kan försvinna. Resultatet skulle vara betydligt högre verkningsgrad. Det beräknas att den termiska verkningsgraden skulle stiga från dagens cirka 36 procent till närmare 50 procent. Emellertid skulle det avgå mera spillvärme via avgaserna. Denna energi kan tas tillvara bland annat via en avgaskompressor. Avgaskompressorerna är redan idag föremål för ivriga studier. Om själva kompressorhuset skulle tillverkas i keramik skulle dess värmetålighet avsevärt förbättras. Själva turbinhjulet skulle inte bara bli värmetåligare i keramikutförande utan skulle också bli lättare och därmed skulle avgaskompressorn mycket snabbare än idag ”svara” på mera gaspådrag. Det här är en egenskap som framför allt har betydelse i bilmotorer. | motorer som i huvudsak går på konstant varvtal har kompressorns accelerationsvillighet mindre betydelse.
Ingen smörjolja
En värmeisolerad motor med avgaskompressor kallas för övrigt en adiabatisk turbocompound motor. En fördel, förutom de redan nämnda, är att motorn blir betydligt lättare än dagens motorer. Forskning pågår redan för att komma ifrån den konventionella smörjningen. Med mycket slitstarka keramiska lager och någon form av torrt smörjmedcel i pulvertorm, kunde motorn göras ännu effektivare i och med att oljepumpen och därtill hörande aggregat kunde slopas. Gassmörjning undersöks också. Det beräknas att en motor i denna utformning kunde ha en friktion som är bara hälften av friktionen i dagens motorer, Det brittiska företaget Cumrnmins har ett dylikt utvecklingsprojekt på gång som kallas MFE (Minimum Friction Engine). Vad gäller kommersiella tillämpningar har japanska Isuzu uppenbarligen kommit längst. Fabriken serietillverkar idag dieselmotorer med förbrännkammare och glödstift i keramik.
I det här sammanhanget är det på plats att påpeka att en normal bensinmotor inte kan tillverkas utan kylning eftersom de heta brännkamrarna skulle leda till okontrollerad tändning av bränslet. Eventuellt kunde en förfinad direktinsprutningsteknik och datoriserad övervakning av förbränningsförloppet hjälpa upp situationen.
Sterlingmotor kommer?
Gasturbinmotorerna har allt att vinna på keramiska turbinhjul. Hjulen blir lättare och klarar av hettan. Resultatet blir en effektivare och driftsäkrare motor. På det här området har produktutvecklingen redan hunnit ganska långt. Det finns nämligen ett konkret behov av dylika komponenter i flygplansmotorerna.
Sterlingmotorn har redan i över hundra års tid kämpat i motvind. Man vet att funktionsprincipen är korrekt uttänkt. En sterlingmotor är så ledes en helt fungerande anläggning — om det skulle finnas lämpliga konstruktionsmaterial. Keramerna kan vara lösningen på problemet för sterlingmotorns del och därmed skulle sterlingmotorn bli ett mycket attraktivt alternativ till och med i bilar.
Intensiv forskning
Forskningen kring de tekniska keramerna är intensiv runtom i världen. Japan hör idag utan tvekan till de ledande länderna på området. I Japan, USA och Förbundsrepublien Tyskland satsar man kraftigt på produktutveckling jämsides med själva materialforskningen. I såväl USA som I Japan inns nationella forskningsprojekt som syfar till kommersiellt användbara lösningar. bland annat Sverige bedrivs I huvudsak maerialforskning där man koncentrerar sig på utvecklingen av framställnings- och bearbetningsmetoder samt undersökning av egenskaper hos de färdiga materialen. Sverige deltar många större industriföretag i arbetet tillsammans med högskolorna.
Storbritannien höll sig väl framme inom keramforskningen på 60-talet, men forskningsarbetet avstannade sedan nästan hel då man inte kunde skönja några betydande möjligheter till kommersiellt utnyttjande av keramer. Nu har man blivit tvungen att tänka om och i slutet av år 1985 startades et nationellt forskningsprojekt kring keramik. 150 miljoner mark ska projektet kosta under fem års tid.
Växande marknad
Marknaden för industri- eller tekniska keramer är kraftigt växande. Marknadens storlek beror självfallet på keramernas egenskaper och pris, men bland annat beräknas marknaden för keramer i förbränningsmotorer i USA öka med närmare 40 procent per år under 90-talet. Vid sekelskiftet beräknas marknaden totalt omfatta mer än tre miljarder USD (1983 års dollarvärde). Redan 1983 tillverkades i Japan katalysatorer för avgasrening i bensindrivna personbilar för ungeför 300 miljoner USD. Katalysatorerna är uppbyggda med keramiska gasfilter.
Christer Ekebom 21