Už v historické epoše doby kamenné, bronzové a železné, pomáhal vývoj materiálů posouvat hranice lidské činnosti a jejích výsledků. V 21. století posouvají požadavky průmyslových odvětví, jako jsou letecký nebo automobilový průmysl, hranice materiálových vlastností ke stále extrémnějším hodnotám.
Je už lidskou přirozeností, očekávat to, co bychom si přáli, aby bylo možné. Ukázkovým příkladem toho je automobilový průmysl. Když Ford vydal seznam požadavků na materiály pro budoucí vozidla, byly na něm i některé materiály s potenciálem chránit životy. Profesor Pim van der Jagt, výkonný technický vedoucí oddělení pro výzkum a moderní technická řešení skupiny Ford, zmiňuje položky, jako nový typ oceli, která by byla třikrát pevnější než současné oceli, pěnové plasty schopné při haváriích stabilizovat konstrukci nebo kompozitní materiály s nanoplnivy, která radikálně snižují hmotnost a současně zvyšují pevnost. (Zdroj: http://articles.sae.org/12297/)
Také letecký průmysl hledí v moderní době do budoucnosti, směrem k odolnějším, lehčím a žárovzdornějším materiálům, které by pomohly zredukovat emise, snížit náklady na palivo a umožnily by zvýšení rychlostí. Až doposud byly kompozity v leteckém průmyslu relativně málo využívanými materiály. Podle Dr. Eleanor Mersonové, specialistky na výzkum kompozitních materiálů, “Před třiceti lety se využití kompozitů při výrobě letadla pohybovalo od pěti do šesti procent, v současné době jsou dopravní letadla, jako např. Dreamliner, vyrobena přibližně z 50% z kompozitních materiálů.”
Přestože jejich hmotnost je v porovnání s ocelí pouze pětinová, jsou kompozity s uhlíkovými vlákny pevnější. Například Dreamliner, využívá kompozity s uhlíkovými vlákny ve svých křídlech, ocasních plochách, dveřích, trupu a vybavení interiéru, což přináší výrazné snížení hmotnosti letounu. Pokud jde o letadla, každý kilogram se počítá. Odborníci odhadují, že snížení hmotnosti dopravního letadla o jeden kilogram (2.2 libry) může přinést snížení nákladů na jeho provoz o zhruba 2000 až 3000 euro ročně.
Lamborghini plné kompozitů
Kompozitní materiály se stále více využívají pro automobily, lopatky větrných turbín a mnoho dalších produktů. Například elektrické BMW i3 je vyrobeno převážně z kompozitních materiálů. BMW tvrdí, že snížená hmotnost pomáhá tomuto vozidlu dosáhnout dojezdu až 160 kilometrů na jedno nabití. Divoce vypadající Lamborghini Veneno Roadster je doslova nabité kompozitními díly snižujícími jeho hmotnost, což mu umožňuje zrychlení z 0 na 100 km/hod za 2.9 sekundy. Výroba kompozitů je nyní levnější a zabývá se jí stále více firem, ale výroba špičkových kompozitů stále vyžaduje vysoké teploty, extrémně čisté prostředí a výrobní procesy jsou náročné na pracovní sílu. A ještě větší výzvou je obrábění těchto ušlechtilých kompozitních materiálů.
“Obrábění a především vrtání kompozitních materiálů představuje velkou výzvu,” říká Merson, který se zabývá výzkumem kompozitů pro společnost Sandvik Coromant. “V jednom letadle jsou v nich desítky tisíc děr a tyto materiály jsou velice abrazivní - uhlíková vlákna způsobují velmi rychlé opotřebení vrtáků.”
Je pravděpodobné, že v budoucnu budou kompozity kromě toho vyztuženy také vlákny, která byla vyvinuta na úrovni nanostruktur. Rovněž se očekává, že vědci budou schopni vytvářet téměř dokonalá řešení na atomární úrovni. Odborníci z německé chemické společnosti Altana AG, říkají, že drobné uhlíkové nanotrubice lze vyrobit 400 krát pevnější, než ocel nebo hliník a 20 krát pevnější, než konvenční uhlíková vlákna.
Grafen v chytrých telefonech
Ještě mnohem větší naděje vzbuzují materiály jako grafen nebo kvazikrystaly, jejichž objevitelům byla udělena Nobelova cena, které se jeví jako velice odolné a mohou způsobit naprosto zásadní převrat v průmyslovém designu. Jejich široké průmyslové využití však ještě dlouhou dobu nelze očekávat.
Aby dosáhla zvýšení vodivosti, v loňském roce zakomponovala jedna čínská firma do svých mobilních telefonů krystalky grafenu. Na povrch kuchyňských pánví a kovových chirurgických nástrojů byly naneseny vrstvy kvazikrystalů, což přineslo prodloužení jejich trvanlivosti. I když nelze očekávat žádný zásadní a bezprostřední prudký průmyslový pokrok, jsou na výzkum grafenu v současné době vynakládány rozsáhlé investice. Grafen je 200 krát pevnější než ocel a jedná se o nejtenčí materiál na světě (1 milion krát tenčí, než lidský vlas). Zároveň se výzkumníci ve firmách i na vysokých školách zaměřují na zdokonalování známých materiálů a technických postupů.
V nárazníkových systémech, součástech vyztužení sloupků a ve vyztužení dveří jsou nyní vysokopevnostní oceli nahrazovány lehkými hliníkovými slitinami. V případě leteckých motorů mohou supertvrdé slitiny, které jsou odolné vůči extrémním teplotám, pomoci zvýšit energetickou účinnost a snížit náklady na pohonné hmoty.
Povlakové vrstvy tvrdší než ocel
Depozice odpařením z pevné fáze (PVD) a chemická depozice z plynné fáze (CVD) jsou postupy, využívané k povlakování předmětů extrémně tenkými, ale tvrdými a tepelně odolnými vrstvami. Tyto postupy se začaly široce využívat po roce 1980 a i nadále se používají u mechanických, optických a elektronických zařízení a přístrojů.
Společnost Sandvik Coromant tyto metody využívá pro zvýšení tvrdosti povrchu svých karbidových břitových destiček a nástrojů. Jádro břitové destičky se vyrábí ze slinutých karbidů, skládajících se převážně z karbidu wolframu a kobaltu.
“Přidáním dva až 10 mikrometrů silné vrstvy PVD povlaku se životnost břitové destičky prodlouží zhruba stonásobně,” říká Dr. Mats Ahlgren, odborník na fyziku materiálů a vedoucí oddělení PVD povlakování ve společnosti Sandvik Coromant. “Nejenom, že zákazníci mohou břitové destičky používat mnohem delší dobu, ale mohou také zvýšit jejich produktivitu tím, že s břitovými destičkami pracují při mnohem vyšších řezných rychlostech a rychlostech posuvu.”
Jejich současný výzkum se zaměřuje na to, jak dále zvýšit houževnatost povlaků a uspokojit poptávku po odolných materiálech.
“V posledních letech jsme rozvinuli naši schopnost kontroly procesu výroby nových povlaků,” říká Ahlgren. “V mikroskopech můžeme struktury pozorovat prakticky až na atomární úrovni, což nám pomáhá analyzovat nová řešení ještě před jejich uvedením do reálného provozu.”
V roce 2013 společnost Sandvik Coromant patentovala svůj CVD povlak Inveio™. Díky uspořádání krystalů v jednom směru, přinesla technologie Inveio obrovský posun vpřed, pokud jde o tvrdost a trvanlivost.
Při použití odolnějších materiálů není u jednotlivých konstrukcí až tak nutné použití velkého množství masivních součástí. Při výběru materiálů pro různé součásti automobilů a letadel, začínají návrháři stále více postupovat značně selektivně. Některé strojní součásti tak pevné být nemusejí. To je filozofie Iana Scoleyho, bývalého vedoucího průmyslového designu konsorcia Airbus, kde se věnoval designu kabiny. Scoley, který je v současnosti vedoucím průmyslového designu v C&D Zodiac, říká, že se inspiruje ptačími kostmi. “Jsou pevné tam, kde je to třeba, ale jsou lehké a duté tam, kde je zapotřebí flexibilita.”
Úžasná recyklace
Zatímco za pomoci nových materiálů a designu spotřebují automobily a letadla méně energie a produkují méně výfukových plynů, neustále roste i význam recyklovatelnosti. Pro výrobu mnoha kompozitních materiálů jsou například využívána adhezivní pojiva, která jsou jen obtížně oddělitelná a znovu použitelná, ale nové hliníkové slitiny pro automobilový průmysl jsou již vytvořeny s ohledem na budoucí recyklaci.
Ve skutečnosti začíná být recyklovatelnost v automobilovém průmyslu hnací silou. Evropské vlády vyžadují, aby všechny vozy byly zkonstruovány takovým způsobem, že 85% materiálů, použitých pro jejich výrobu, bude možné opakovaně použít. “S cílem splnit tento požadavek, provádějí automobilové společnosti posouzení všech částí vozu,” říká Arjen Bongard, specialista zabývající se analýzou německého automobilového průmyslu.
Úkoly související s recyklací přinášejí nápaditá řešení. Firma Ford začala ve svém interiérovém designu využívat pšeničnou slámu a sójové výrobky a zahájila výzkum plastových materiálů na bázi kokosových slupek, mrkve a kukuřice. Vizí společnosti je vyrábět interiéry, které budou 100% biologicky odbouratelné.
“Hledání alternativních materiálů představuje důležitou cestu, protože je nutné vytvářet cenově přístupné substituční a recyklační procesy,” říká Dr. Anna Hultin Stigenbergová, která je hlavním specialistou vývoje a výzkumu ve společnosti Sandvik Coromant. Stigenbergová až do nedávna předsedala mezinárodnímu řídícímu výboru znalostního a inovačního společenství pro suroviny (Knowledge and Innovation Community for raw materials), iniciativy na podporu rozvoje trvale udržitelného vývoje materiálů, která sdružuje více než 100 firem a výzkumných center.
Na atomární úrovni
Proč se spokojit s materiály, které již existují? Lidé rozvíjejí svoje schopnosti vytvářet zcela nové materiály – materiály se specifickými vlastnostmi.
“S pomocí moderních mikroskopů a počítačových výpočtů se výrazně posouváme ve vytváření nových materiálů na atomární úrovní,” říká Hultin Stigenbergová.
Od té doby, co okolo roku 550 před naším letopočtem skončila doba železná, žádný konkrétní materiál necharakterizoval další období lidských dějin. Mnozí akademici říkají, že žijeme v době plastů, ale v budoucnosti může být naše epocha označována spíše jako doba nových materiálů a její vliv na vývoj lidstva může být mnohem větší, než si nyní umíme představit.
