Az anyagok fejlődése már a kő-, bronz- és vaskorban is hozzájárult az emberi igyekezet és teljesítmény határainak kiterjesztéséhez. A 21. században néhány ágazat – például a repülőgép- és az autóipar – miatt az anyagok egyre szélsőségesebb jellemzőkkel bírnak.
Az emberi természet sajátossága, hogy igyekszünk megvalósítani elképzeléseinket. Az autóiparban ez kitűnően érvényesül. A Ford összeállított egy kívánságlistát az anyagokról, melyeket szívesen használnának a jövőben az autókban, és a lista tartalmazott néhány potenciálisan életmentő anyagot. Pim van der Jagt professzor, a Ford Kutatási és Fejlett Gyártástechnológiai Részlegének műszaki vezetője például egy új típusú acélt említett, amely háromszor erősebb a jelenlegi acélnál, továbbá egy műanyag habot, amely baleseteknél stabilizátorként használható, illetve nanoméretű kompozit töltőanyagokat, melyekkel jelentősen kisebb tömeg mellett növelhető a szilárdság. (Forrás: http://articles.sae.org/12297/)
A modern korban a repülőgépiparnak is olyan erősebb, könnyebb és jobb hőálló tulajdonsággal rendelkező anyagokra van szüksége, amelyekkel csökkenthető a kibocsátás és az üzemanyag-költség, valamint növelhető a sebesség. A repülőgépiparban eddig a kompozit anyagok töltötték be ezt a szerepet. Dr. Eleanor Merson, a kompozit kutatások szakértője szerint „harminc éve a repülőgépben használt anyagok öt-hat százaléka volt kompozit anyag; ma viszont az olyan utasszállító repülők, mint a Dreamliner alapanyagainak körülbelül fele kompozit anyag.”
A szénszál-erősítésű kompozitok erős anyagok, bár tömegük az acél tömegének mindössze ötöde. A Dreamliner szárnya, farka, ajtajai, törzse és belseje is szénszál-erősítésű kompozitokat tartalmaz, így a gép könnyebb. A repülőgépeknél minden kilogramm számít. A szakértők szerint, ha egy kilogrammal csökkentjük egy utasszállító repülőgép súlyát, az üzemeltetési költségek körülbelül évi 2000-3000 euróval csökkennek.
Lamborghini kompozit anyagokból
Az autók, szélturbina-lapátok és egyéb termékek gyártása során egyre több kompozit anyagot használnak. Például a BMW i3 elektromos autó döntően kompozit anyagok felhasználásával készül. A BMW szerint a kisebb súlynak köszönhetően a jármű egy töltéssel akár 160 kilométer megtételére is képes. A Lamborghini vadító Veneno Roadster modellje a súly csökkentése érdekében rengeteg kompozit alkatrészt tartalmaz. Így az autó 2,9 másodperc alatt gyorsul 100 km/h sebességre. A kompozitok gyártása ma már olcsóbb, és több cég is foglalkozik vele. Azonban a kiváló minőségű kompozitok előállítása továbbra is magas hőmérsékletet és rendkívül tiszta környezetet igénylő, munkaigényes folyamat. A kiváló minőségű kompozitok megmunkálása még ennél is nehezebb feladat.
„A kompozit anyagok forgácsolása – és főként fúrása – óriási kihívást jelent” – mondja Merson, a Sandvik Coromant kompozit anyagokat kutató munkatársa. „Egy repülőgépen több tízezer furatot kell készíteni, és az alapanyag csiszoló hatású: a szénszálak gyorsan koptatják a fúrókat.”
Valószínű, hogy a későbbiekben tovább erősítjük a kompozit anyagokat nanoszinten fejlesztett szálakkal. A tudósok várhatóan képesek lesznek szinte tökéletes megoldásokat létrehozni az atomok szintjén. A német Altana AG vegyipari társaság szakemberei olyan apró szén nanocsöveket hoztak létre, amelyek 400-szor erősebbek az acélnál és az alumíniumnál, illetve 20-szor erősebbek a hagyományos szénszálnál.
Grafén az okostelefonokban
Az olyan anyagok, mint a grafén vagy a kvázikristály – melyek felfedezőit Nobel-díjjal jutalmazták – még nagyobb eséllyel használhatók erős, az ipari tervezést forradalmasító anyagként. Széles körű ipari alkalmazása azonban még hosszabb ideig nem várható.
Tavaly egy kínai vállalat grafénszemeket használt fel mobiltelefonjai gyártásához, így növelve azok vezetőképességét. Kvázikristály-pelyheket olvasztottak serpenyőkbe és fém sebészeti eszközökbe, hogy növeljék azok tartósságát. Bár a közeljövőben nem várható számottevő ipari áttörés, a grafén kutatását sokan hatalmas összegekkel támogatják. A grafén 200-szor erősebb az acélnál, és a legvékonyabb anyag a világon (az emberi hajszálnál 1 milliószor vékonyabb). Ezzel egy időben a vállalatok és egyetemek kutatói az ismert anyagok és technológiák fejlesztésén dolgoznak.
A nagy szilárdságú acél helyett ma már könnyű alumíniumötvözeteket használnak a lökhárítókban, lengéscsillapító gyűrűkben és ajtómerevítőkben. A repülőgépekhez készült motorokban a szélsőséges hőmérsékleteknek ellenálló szuperkemény-ötvözetekkel javítható az energiaátalakítási folyamat és csökkenthetők az üzemanyag-költségek.
Az acélnál is erősebb bevonatok
A fizikai gőzfázisú leválasztással (PVD) és a kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) a tárgyak nagyon vékony, de egyben kemény és hőálló réteggel vonhatók be. Ezeket az eljárásokat az 1980-as években kezdték széles körben használni, és a mai napig alkalmazzák mechanikus, optikai és elektronikus berendezéseknél.
A Sandvik Coromant a váltólapkás szerszámok felületének megerősítésére használja őket. A váltólapka belseje porkohászati keményfémből készül, amely nagyrészt wolfram-karbidból és kobaltból áll.
„2–10 mikrométer PVD-réteggel a váltólapka élettartama százszorosára nő” – tudjuk meg Dr. Mats Ahlgrentől, a Sandvik Coromant anyagfizikusától és PVD-részlegének vezetőjétől. „Így a lapkák nemcsak tovább használhatók, hanem a nagyobb sebességnek és előtolásnak köszönhetően a termelékenység is növelhető.“
A jelenlegi kutatások célja egy még erősebb bevonat előállítása, ami a tartós anyagok iránti nagy kereslet miatt szükséges.
„Az elmúlt években megtanultuk, hogyan irányítható az új bevonatok előállításának folyamata” – meséli Ahlgren. „Az anyag szerkezetét mikroszkóppal vizsgáljuk, akár az atomok szintjéig, így az új megoldásokat alaposan elemezhetjük, mielőtt élesben kipróbálnánk őket.”
A Sandvik Coromant 2013-ban szabadalmaztatta CVD-bevonatú Inveio™ megoldását. Az egyetlen irányba mutató kristályokkal az Inveio tartósság és keménység tekintetében hatalmas előrelépés.
A keményebb anyagoknak köszönhetően nincs többé szükség arra, hogy egyetlen anyagot számos szilárd összetevőből alkossunk meg. A tervezők egyre inkább megválogatják, milyen anyagokat használnak egy autó vagy egy repülőgép különböző alkatrészeihez. Bizonyos részeknél nem fontos a kiemelkedő szilárdság. Ezt az elvet követi Ian Scoley, az Airbus ipari tervezés részlegének egykori vezetője. Akkoriban vezetőfülkéket tervezett, jelenleg a C&D Zodiac társaságnál vezeti az ipari tervezés részleget. Elárulta, hogy a madarak csontjaiból merített ötletet: „Az egyik helyen erősek, ahol pedig rugalmasság kell, ott könnyűek és nyitottak.”
Szokatlan újrahasznosítás
A repülőgépek és az autók az új anyagoknak és eljárásoknak köszönhetően kevesebb energiát használnak és kibocsátásuk is alacsonyabb. Ezzel együtt egyre fontosabb, hogy újrahasznosítható anyagokat használjunk. Sok kompozit anyag például öntapadó kötőanyagot tartalmaz, amely nehezen távolítható el vagy használható fel újra. Az autóipar számára kifejlesztett legújabb alumíniumötvözeteknél azonban már gondoltak a későbbi újrahasznosításra.
Sőt, az újrahasznosítás napjainkban az egyik legfontosabb tényező az autógyártásban. Az európai államokban érvényes előírás szerint az új autókat 85%-ban újrafelhasználható anyagokból kell gyártani. „Az autógyártók a járművek összes alkatrészét megvizsgálják, hogy megfeleljenek az előírásnak” – számol be Arjen Bongard, német autóipari elemző.
Az újrahasznosítás követelménye miatt kreatív megoldások születnek. A Ford például búzaszalmát és szóját használ a belső terekben, és jelenleg teszteli a kókuszdió héját, a répát és a kukorica alapú műanyagot alapanyagként. Céljuk, hogy a járművek belseje 100%-ban biológiailag lebomló legyen.
„Fontos, hogy alternatív alapanyagokat keressünk, illetve költséghatékony helyettesítő és újrahasznosítási eljárásokat fejlesszünk ki” – fogalmaz Dr. Anna Hultin Stigenberg, a Sandvik Coromant vezető kutatás-fejlesztési szakértője. Stigenberg az alapanyagokkal foglalkozó tudományos és innovációs társulás nemzetközi operatív bizottságának elnöke volt. A társulásnak több mint 100 vállalat és kutatóintézet tagja, céljuk a fenntartható anyagok kutatásának fejlesztése.
Az atomok szintjén
Miért elégednénk meg a már ismert anyagokkal? Az emberiség egyre ügyesebb a teljesen új és különleges jellemzőkkel bíró anyagok kifejlesztésében.
„Gyorsan fejlődünk az új alapanyagok kidolgozása terén, ami már az atomok szintjén történik, modern mikroszkópok és számítógépes kalkulációk segítségével” – mondja Hultin Stigenberg.
A vaskor vége, azaz i.e. 550 óta nem volt olyan anyag, amely egy teljes korszakot meghatározott volna az emberiség történetében. Egyes tudósok szerint jelenleg a műanyag korában élünk, de a jövőben talán az „új anyagok korának” is nevezhetjük majd ezt a korszakot, amely jóval nagyobb hatással lehet az emberi fejlődésre, mint azt ma képzelnénk.
