os compósitos de matriz metálica estão em uso ou prototipagem para o vaivém espacial, aviões comerciais, substratos eletrônicos, bicicletas, automóveis, clubes de golfe e uma variedade de outras aplicações. Enquanto a grande maioria são compostos de matriz de alumínio, um número crescente de aplicações requerem as propriedades de matriz de superligas, titânio, cobre, magnésio ou ferro.
como todos os compostos, os compostos de matriz de alumínio não são um único material, mas uma família de materiais cuja rigidez, resistência, densidade e propriedades térmicas e elétricas podem ser adaptadas. A liga de matriz, o material de reforço, o volume e a forma do reforço, a localização do reforço, e o método de fabricação podem ser variados para alcançar as propriedades necessárias. Independentemente das variações, no entanto, os compostos de alumínio oferecem a vantagem de baixo custo sobre a maioria dos outros MMCs. Além disso, eles oferecem excelente condutividade térmica, alta resistência ao cisalhamento, excelente resistência à abrasão, Operação de alta temperatura, não inflamabilidade, ataque mínimo por combustíveis e solventes, e a capacidade de ser formado e tratado em equipamentos convencionais.MMCs de alumínio são produzidos por fundição, metalurgia de pó, Desenvolvimento in situ de reforços, e técnicas de prensagem de folha e fibra. Os produtos consistentemente de alta qualidade estão agora disponíveis Em grandes quantidades, com os principais produtores aumentando a produção e reduzindo os preços. Eles são aplicados em rotores de freio, pistões e outros componentes automotivos, bem como clubes de golfe, bicicletas, componentes de máquinas, substratos eletrônicos, extrudados ângulos e canais, e uma grande variedade de outros estrutural e aplicações eletrônicas.Compostos superalloy reforçados com fibras de liga de tungsténio estão a ser desenvolvidos para componentes em motores de turbina a jacto que operam temperaturas acima de 1830 ° F.
os compostos de grafite/cobre têm propriedades tailorable, são úteis para altas temperaturas no ar, e fornecem excelentes características mecânicas, bem como alta condutividade elétrica e térmica. Eles oferecem processamento mais fácil em comparação com o titânio, e menor densidade em comparação com o aço. Os supercondutores dúcteis foram fabricados com uma matriz de cobre e filamentos supercondutores de nióbio-titânio. Cobre reforçado com partículas de tungstênio ou partículas de óxido de alumínio é usado em dissipadores de calor e embalagens eletrônicas.
titânio reforçado com fibras de carboneto de silício está em desenvolvimento como material de pele para o plano aeroespacial nacional. Os aços inoxidáveis, os aços para Ferramentas e o incenso estão entre os materiais de matriz reforçados com partículas de carboneto de titânio e fabricados em anéis de tracção e outros componentes resistentes à corrosão de alta temperatura.Em comparação com os metais monolíticos, os MMC têm:
- Maior resistência, densidade rácios
- Maior rigidez densidade rácios
- Melhor resistência à fadiga
- Melhor em temperaturas elevadas propriedades de
- — Maior resistência
- — reduzir a taxa de fluência
- Mais baixos coeficientes de expansão térmica
- Melhor resistência ao desgaste
As vantagens de MMCs de mais de polímeros compósitos de matriz são:
- Maior capacidade de temperatura
- resistência ao Fogo
- Maior transversal rigidez e intensidade
- Não há absorção de umidade
- Maior condutividade elétrica e térmica
- Melhor resistência à radiação
- Não desgaseificação
- Fabricability de traços de partículas e reforçado MMCs convencionais de usinagem equipamento.
algumas das desvantagens dos MMCs em comparação com metais monolíticos e compostos de matriz de polímeros são::
- alto custo de alguns sistemas de materiais
- Relativamente tecnologia imatura
- Complexo de fabricação de métodos para reforçado com fibra de sistemas (exceto para fundição)
- Limitada experiência de serviço
Inúmeras combinações de matrizes e reforços tem sido tentado desde que trabalho no MMC começou no final da década de 1950. No entanto, MMC tecnologia ainda está em estágios iniciais de desenvolvimento, e outros sistemas importantes, sem dúvida, irão emergir. Reforços: os reforços MMC podem ser divididos em cinco categorias principais: fibras contínuas, fibras descontínuas, bigodes, partículas e Fios. Com exceção dos fios, que são metais, Os reforços geralmente são cerâmicas.As fibras contínuas chave incluem boro, grafite (carbono), alumina e carboneto de silício. Fibras de boro são feitas por deposição química de vapor (CVD) deste material em um núcleo de tungstênio. Também foram utilizados núcleos de carbono. Estes monofilamentos relativamente grossos estão disponíveis em diâmetros de 4.0, 5.6 e 8.0 mil. Para retardar reações que podem ocorrer entre boro e metais a alta temperatura, revestimentos de fibras de materiais como carboneto de silício ou carboneto de boro são por vezes utilizados.Os monofilamentos de carboneto de silício são também fabricados por um processo CVD, utilizando um núcleo de tungsténio ou carbono. Um fio multifilamentos Japonês, designado como carboneto de silício pelo seu fabricante, também está disponível comercialmente. Este material, no entanto, feito por pirólise de fibras precursoras organometálicas, está longe de carboneto de silício puro e suas propriedades diferem significativamente das do carboneto de silício monofilamento.
fibras de alumina contínuas estão disponíveis em vários fornecedores. Composições químicas e propriedades das várias fibras são significativamente diferentes. As fibras de grafite são feitas de dois materiais precursores, poliacrilonitrilo (PAN) e breu de petróleo. Estão em curso esforços para fazer fibras de grafite a partir de breu à base de carvão. Fibras de grafite com uma ampla gama de pontos fortes e módulos estão disponíveis.
os principais reforços de fibra descontínuos neste momento são alumina e alumina-sílica. Ambos originalmente foram desenvolvidos como materiais isolantes. O maior material de bigodes é carboneto de silício. O principal produto comercial dos EUA é feito por pirólise de cascos de arroz. Carboneto de silício e carboneto de boro, os principais reforços de partículas, são obtidos da indústria de abrasivos comerciais. As partículas de carboneto de silício são também produzidas como um subproduto do processo utilizado para fazer bigodes deste material.
vários fios metálicos, incluindo tungsténio, berílio, titânio e molibdénio, têm sido utilizados para reforçar matrizes metálicas. Atualmente, os reforços de fio mais importantes são Fio de tungstênio em superligas e materiais supercondutores incorporando nióbio-titânio e nióbio-estanho em uma matriz de cobre. Os reforços citados acima são os mais importantes neste momento. Muitas outras foram tentadas ao longo das últimas décadas, e outras, sem dúvida, serão desenvolvidas no futuro.
matrizes e principais compostos: numerosos metais têm sido utilizados como matrizes. Os mais importantes foram alumínio, titânio, magnésio, e ligas de cobre e superligas.Os sistemas MMC mais importantes são::
- Alumínio matriz
- fibras Contínuas: boro, carboneto de silício, óxido de alumínio, grafite
- fibras Descontínuas: alumina, alumina-sílica
- Bigodes: carboneto de silício
- Partículas: o carboneto de silício, carboneto de boro
- Magnésio matriz
- fibras Contínuas: grafite, alumina
- Bigodes: carboneto de silício
- Partículas: o carboneto de silício, carboneto de boro
- de matriz de Titânio
- fibras Contínuas: carboneto de silício, revestido de boro
- Partículas: carboneto de titânio
- Cobre matriz
- fibras Contínuas: grafite, carbeto de silício
- Fios de nióbio-titânio, nióbio-estanho
- Partículas: o carboneto de silício, carboneto de boro, carboneto de titânio.
- Superligas de matrizes
- Fios de tungstênio
Características e considerações de projeto: As propriedades mecânicas superiores de MMCs unidade de seu uso. Uma característica importante do MMCs, no entanto, e que eles compartilham com outros compositores, é que através da seleção adequada de materiais de matriz, reforços e orientações de camada, é possível adaptar as propriedades de um componente para atender às necessidades de um projeto específico.
por exemplo, dentro de limites amplos, é possível especificar resistência e rigidez em uma direção, coeficiente de expansão em outra, e assim por diante. Isto raramente é possível com materiais monolíticos.
os metais monolíticos tendem a ser isotrópicos, isto é, a ter as mesmas propriedades em todas as direções. Alguns processos como a rolagem, no entanto, podem transmitir anisotropia, de modo que as propriedades variam com a direção. O comportamento de tensão dos metais monolíticos é tipicamente plástico-elástico. A maioria dos metais estruturais têm ductilidade considerável e resistência à fratura.
a grande variedade de MMCs tem propriedades que diferem dramaticamente. Os factores que influenciam as suas características incluem::
- Reforço propriedades, forma e arranjo geométrico
- Reforço fração de volume
- Matriz de propriedades, incluindo efeitos de porosidade
- Reforço-matriz de propriedades de interface
- tensões Residuais decorrentes do térmicas e mecânicas história do compósito
- Possível degradação dos reforços resultantes de reações químicas em altas temperaturas, e os danos mecânicos a partir do processamento, impacto, etc.
MMCs reforçados com partículas, como metais monolíticos, tendem a ser isotrópicos. A presença de reforços quebradiços e talvez de óxidos metálicos, no entanto, tende a reduzir a sua ductilidade e resistência à fratura. O desenvolvimento contínuo Pode reduzir algumas destas deficiências.
as propriedades dos materiais reforçados com bigodes dependem fortemente da sua orientação. Bigodes orientados aleatoriamente produzem um material isotrópico. Processos como a extrusão podem orientar bigodes, no entanto, resultando em propriedades anisotrópicas. Os bigodes também reduzem a ductilidade e a dureza das fracturas.
MMCs reforçados com fibras alinhadas têm propriedades anisotrópicas. Eles são mais fortes e mais rígidos na direção das fibras do que perpendicular a eles. A resistência transversal e a rigidez dos MMCs unidirecionais (materiais que possuem todas as fibras orientadas paralelamente a um eixo), no entanto, são frequentemente grandes o suficiente para uso em componentes como rigidez e calços. Esta é uma das principais vantagens dos MMCs sobre PMCs, que raramente podem ser utilizados sem reforço transversal.
porque o módulo e a resistência das matrizes de metal são significantes em relação às da maioria das fibras de reforço, sua contribuição para o comportamento compósito é importante. As curvas de tensão-tensão dos MMCs mostram frequentemente uma não-linearidade significativa resultante da obtenção da matriz.
outro fator que tem um efeito significativo no comportamento de Metais reforçados com fibras é a grande diferença no coeficiente de expansão entre os dois constituintes. Isso pode causar grandes tensões residuais em compósitos quando eles são submetidos a mudanças significativas de temperatura. Na verdade, durante o resfriamento a partir das temperaturas de processamento, tensões térmicas matrizes são muitas vezes graves o suficiente para causar a produção. Grandes tensões residuais também podem ser produzidas por cargas mecânicas.
embora os MMCs fibrosos possam ter curvas de tensão mostrando alguma não-linearidade, eles são essencialmente materiais frágeis, como são PMCs. Na ausência de ductilidade para reduzir as concentrações de estresse, o projeto conjunto torna-se uma consideração crítica do projeto. Foram desenvolvidos numerosos métodos de junção de MMCs, incluindo ligações metalúrgicas e poliméricas e fixadores mecânicos.Métodos de fabrico: os métodos de fabrico são uma parte importante do processo de concepção de todos os materiais estruturais, incluindo MMCs. Está em curso um trabalho considerável nesta área crítica. É provável que se registem melhorias significativas nos processos existentes e no desenvolvimento de novos processos.
os métodos actuais podem ser divididos em duas categorias principais, primária e secundária. Os métodos de fabricação primária são usados para criar o MMC a partir de seus constituintes. O material resultante pode estar em uma forma que está perto da configuração final desejada, ou pode exigir um processamento adicional considerável, chamado de fabricação secundária, tais como conformação, laminagem, ligação metalúrgica e usinagem. Os processos utilizados dependem do tipo de reforço e matriz.
uma consideração crítica é as reações que podem ocorrer entre reforços e matrizes durante o processamento primário e secundário às altas temperaturas necessárias para derreter e formar metais. Estes impõem limitações aos tipos de constituintes que podem ser combinados pelos vários processos. Às vezes, revestimentos de barreira podem ser aplicados com sucesso a reforços, permitindo que eles sejam combinados com matrizes que de outra forma seriam muito reativas. Por exemplo, a aplicação de um revestimento como o carboneto de boro permite o uso de fibras de boro para reforçar o titânio. Reações potenciais entre Matrizes e reforços, mesmo revestidas, é também um critério importante para avaliar as temperaturas e os comprimentos correspondentes de tempo a que MMCs podem ser submetidos em serviço.
relativamente fibras monofilamentos de grande diâmetro, tais como boro e carboneto de silício, foram incorporadas em matrizes metálicas por prensagem a quente de uma camada de fibras paralelas entre folhas para criar uma fita monocamada. Nesta operação, o metal flui em torno das fibras e ligação de difusão ocorre. O mesmo procedimento pode ser usado para produzir laminados por difusão com camadas de fibras orientadas em direções específicas para atender aos requisitos de rigidez e resistência para um projeto particular. Em alguns casos, os laminados são produzidos por fitas monolayer de prensagem quente no que pode ser considerado uma operação secundária.
as fitas monocamadas também são produzidas por pulverização de plasmas metálicos em fibras colimadas, seguido de prensagem a quente. Formas estruturais podem ser fabricadas por formação de crepe e superplástica de laminados em um dado. Um processo alternativo é colocar fibras e folhas não fiadas em uma matriz e pressionar quente a montagem.
os suportes de boro / alumínio utilizados no vaivém espacial são fabricados a partir de folhas monocamadas enroladas em torno de uma mandrel e prensadas isostaticamente a quente para a ligação de difusão das camadas de folha em conjunto e, ao mesmo tempo, para a ligação de difusão do laminado composto aos acessórios finais de titânio.
compositores podem ser feitos infiltrando metal líquido em um tecido ou configuração fibrosa pré-estabelecida chamada de pré-forma. Frequentemente, materiais cerâmicos ou orgânicos são usados para manter as fibras em posição. Este último é queimado antes ou durante a infiltração. Infiltração pode ser realizada sob vácuo, pressão, ou ambos. Infiltração de pressão, que promove a molhagem das fibras pela matriz e reduz a porosidade, é muitas vezes chamado de vazamento por compressão.MMCs moldados oferecem de forma consistente a forma da rede ou da rede, maior rigidez e resistência e compatibilidade com as técnicas de fabricação convencionais. Eles também são consistentemente mais baixos em custo do que aqueles produzidos por outros métodos, estão disponíveis a partir de uma ampla gama de fabricantes, e oferecem estabilidade dimensional em peças grandes e pequenas.
por exemplo, a Duralcan desenvolveu a sua tecnologia de mistura de sorvetes e controles de processo até o ponto em que produz até 25 milhões de libras por ano de biletes compostos de alumínio. A fundição de investimento foi modificada no Cercast para lançar biletes Duralcan em peças complexas e em forma líquida. A fundição sob pressão produz formas líquidas com propriedades excepcionais na Alcoa, enquanto a infiltração sem pressão é utilizada na Lanxide Corp. para fabricar componentes em forma de rede.
actualmente, o método mais comum utilizado para fazer compostos de grafite/alumínio e grafite/magnésio é a infiltração. O fio de grafite passa primeiro por uma fornalha para queimar qualquer calibre que possa ter sido aplicado. Em seguida, ele passa por um processo CVD que aplica um revestimento de titânio e boro que promove a molhagem pela matriz. Em seguida, passa imediatamente através de um banho ou fonte de metal fundido, produzindo um feixe infiltrado de fibras conhecidas como “fio”.”Placas e outras formas estruturais são produzidas em uma operação secundária, colocando os fios entre folhas e pressionando-os, como é feito com monofilamentos. O desenvolvimento recente de revestimentos” air stable “permite o uso de outros processos de infiltração, tais como vazamento, eliminando a necessidade de” fios ” como um passo intermediário. Outras abordagens estão em desenvolvimento.
um método de fabrico secundário particularmente importante para compósitos de matriz de titânio é a formação superplástica/ligação por difusão (SPF / DB). Para reduzir os custos de fabrico, estão a ser desenvolvidos processos contínuos, tais como a pulverização e a ligação de rolos quentes.
estão a ser utilizados três métodos básicos para fazer MMCs reforçados com cristais capilares e partículas. Dois usam metais em pó; o outro usa uma abordagem líquido-metal, cujos detalhes são proprietários.
os dois processos pós-metal diferem principalmente na forma como os constituintes são misturados. Um usa um moinho de esferas, o outro emprega um líquido para auxiliar a mistura, que é posteriormente removido. As misturas são depois prensadas a quente em biletes.Os processos secundários são semelhantes aos dos metais monolíticos, incluindo laminagem, extrusão, fiação, Forjagem, enformação contínua e maquinagem. Este último coloca algumas dificuldades porque os reforços são muito duros.
