Metal-matrix composites jsou buď v provozu, nebo prototypování pro Space Shuttle, komerční letadla, elektronické podklady, jízdní kola, automobily, golfové hole, a řadu dalších aplikací. Zatímco drtivá většina jsou hliníkové maticové kompozity, rostoucí počet aplikací vyžaduje maticové vlastnosti superslitin, titanu, mědi, hořčíku nebo železa.
stejně jako všechny kompozity nejsou kompozity s hliníkovou matricí jediným materiálem, ale rodinou materiálů, jejichž tuhost, pevnost, hustota a tepelné a elektrické vlastnosti lze přizpůsobit. Slitina matrice, výztužný materiál, objem a tvar výztuže, umístění výztuže a způsob výroby se mohou měnit, aby se dosáhlo požadovaných vlastností. Bez ohledu na varianty však hliníkové kompozity nabízejí výhodu nízkých nákladů oproti většině ostatních MMC. Kromě toho, nabízejí vynikající tepelnou vodivost, vysokou pevnost ve smyku, vynikající odolnost proti otěru, vysokoteplotní operace, nonflammability, minimální útok paliv a rozpouštědel, a schopnost být vytvořeny a zpracovány na konvenční zařízení.
hliníkové MMC se vyrábějí litím, práškovou metalurgií, vývojem výztuh in situ a technikami lisování fólií a vláken. Trvale vysoce kvalitní výrobky jsou nyní k dispozici ve velkém množství, přičemž hlavní výrobci zvyšují výrobu a snižují ceny. Jsou aplikovány v brzdy rotory, písty a další komponenty pro automobilový průmysl, stejně jako golfové hole, jízdní kola, stroje, součástky, elektronické podklady, extrudovaný úhly a kanály, a širokou řadu dalších strukturálních fondů a elektronických aplikací.
kompozity superslitiny vyztužené vlákny z wolframové slitiny jsou vyvíjeny pro komponenty v proudových turbínových motorech, které pracují s teplotami nad 1830 °F.
Grafit/měď, kompozity na míru upravitelné vlastnosti, jsou vhodné pro vysoké teploty v vzduchu, a poskytují vynikající mechanické vlastnosti, jakož i vysokou elektrickou a tepelnou vodivost. Nabízejí snadnější zpracování ve srovnání s titanem a nižší hustotu ve srovnání s ocelí. Tvárné supravodiče byly vyrobeny s matricí mědi a supravodivými vlákny niob-Titan. Měď vyztužená částicemi wolframu nebo částicemi oxidu hlinitého se používá v chladičích a elektronických obalech.
Titan vyztužený vlákny z karbidu křemíku je ve vývoji jako materiál kůže pro národní letecké letadlo. Z nerezové oceli, nástrojové oceli a Inconel patří mezi základní materiály, vyztužené titanem karbidu částice a kovodělných do draw-kroužky a další vysoké teploty, odolné proti korozi komponent.
ve srovnání s monolitickými kovy mají MMC:
- Vyšší pevnosti k hustotě poměry
- Vyšší tuhost-hustota poměr
- Lepší odolnost proti únavě
- Lepší vlastnostmi při zvýšených teplotách
- — Vyšší pevnost
- — Nižší rychlost tečení
- Nižší koeficienty tepelné roztažnosti
- Lepší odolnost proti opotřebení
výhody MMCs přes polymerní matrice kompozitů jsou:
- Vyšší teplotu schopnost
- Požární odolnost
- Vyšší příčnou tuhost a pevnost
- Žádná absorpce vlhkosti
- Vyšší elektrickou a tepelnou vodivostí
- Lepší radiační odolnost
- Ne outgassing
- Fabricability vlásek a částic-zesílené MMCs s konvenční obrábění kovů zařízení.
některé nevýhody MMC ve srovnání s monolitickými kovy a kompozity polymerní matrice jsou:
- Vyšší náklady na některé hmotné systémy,
- Relativně nezralé technologie
- Komplexní výrobní metody pro vlákna-vyztužené systémy (s výjimkou odlitků)
- Omezené zkušenosti z provozu
Mnoho kombinací matic a posily byly vyzkoušeny od práce na MMC začal v pozdní 1950. Nicméně, MMC technologie je stále v raných fázích vývoje, a další důležité systémy nepochybně vzniknou.
výztuhy: MMC výztuhy lze rozdělit do pěti hlavních kategorií: kontinuální vlákna, diskontinuální vlákna, vousy, částice a dráty. S výjimkou drátů, které jsou kovy, výztuhy jsou obecně keramika.
klíčová kontinuální vlákna zahrnují Bor, grafit (uhlík), oxid hlinitý a karbid křemíku. Bórová vlákna se vyrábějí chemickou depozicí par (CVD) tohoto materiálu na wolframové jádro. Byla také použita uhlíková jádra. Tato relativně silná monofilamenty jsou k dispozici v průměrech 4,0, 5,6 A 8,0 mil. Ke zpomalení reakcí, které mohou probíhat mezi boru a kovy při vysoké teplotě, vlákniny povlaky z materiálů, jako je karbid křemíku nebo karbid boru se někdy používají.
monofilamenty z karbidu křemíku jsou také vyráběny CVD procesem za použití wolframového nebo uhlíkového jádra. Japonská multifilamentová příze, označená výrobcem jako karbid křemíku, je také komerčně dostupná. Tento materiál, vyrobený pyrolýzou organokovových prekurzorových vláken, je však daleko od čistého karbidu křemíku a jeho vlastnosti se výrazně liší od vlastností monofilního karbidu křemíku.
kontinuální vlákna oxidu hlinitého jsou k dispozici od několika dodavatelů. Chemické složení a vlastnosti různých vláken se výrazně liší. Grafitová vlákna jsou vyrobena ze dvou prekurzorových materiálů, polyakrilonitrilu (PAN) a ropné smoly. Úsilí o výrobu grafitových vláken z uhelné smoly probíhá. K dispozici jsou grafitová vlákna se širokou škálou pevností a modulů.
přední diskontinuální výztuhy vláken v této době jsou oxid hlinitý a oxid hlinitý-oxid křemičitý. Oba původně byly vyvinuty jako izolační materiály. Hlavním materiálem whiskeru je karbid křemíku. Přední americký komerční produkt se vyrábí pyrolýzou rýžových slupek. Karbid křemíku a karbid boru, klíčové výztuhy částic, se získávají z komerčního brusiva. Částice karbidu křemíku se také vyrábějí jako vedlejší produkt procesu používaného k výrobě vousů z tohoto materiálu.
k vyztužení kovových matric bylo použito množství kovových drátů včetně wolframu, berylia, titanu a molybdenu. V současné době je nejdůležitější drát posily jsou wolframu drát ve vysoce legovaných slitin a supravodivé materiály obsahující niob-titan a niob-cín v mědi matice. Výše uvedené posily jsou v tuto chvíli nejdůležitější. Mnoho dalších bylo vyzkoušeno v posledních několika desetiletích a další budou nepochybně vyvinuty v budoucnu.
Maticové materiály a klíčové kompozity: jako matrice byly použity četné kovy. Nejdůležitější byly slitiny hliníku, titanu, hořčíku a mědi a superslitiny.
nejdůležitějšími systémy MMC jsou:
- Hliníkové matice
- Kontinuální vlákna: bor, karbid křemíku, oxid hlinitý, grafit
- Střižových vláken: oxid hlinitý, oxid hlinitý-oxid křemičitý
- Vousy: karbid křemíku
- Částice: karbid křemíku, karbid boru
- Hořčík matrix
- Kontinuální vlákna: grafit, alumina
- Vousy: karbid křemíku
- Částice: karbid křemíku, karbid boru
- Titan matrix
- Kontinuální vlákna: karbid křemíku, potažené bor
- Částice: karbidu titanu
- Měděné matice
- Kontinuální vlákna: grafit, karbid křemíku
- Dráty: niob-titan, niob-cín
- Částice: karbid křemíku, karbid boru, karbidu titanu.
- vysoce legovaných slitin matice
- Dráty: wolfram
Vlastnosti a design úvahy: vynikající mechanické vlastnosti MMCs řídit jejich použití. Důležitou charakteristikou MMCs, nicméně, a oni sdílet s ostatními kompozity, je to, že vhodným výběrem matice materiály, výztuhy, vrstvy směry, je možné přizpůsobit vlastnosti komponent, aby vyhovovaly potřebám konkrétní design.
například v širokých mezích je možné specifikovat pevnost a tuhost v jednom směru, koeficient roztažnosti v jiném a tak dále. To je zřídka možné u monolitických materiálů.
monolitické kovy mají tendenci být izotropní, to znamená mít stejné vlastnosti ve všech směrech. Některé procesy, jako je válcování, však mohou poskytnout anizotropii, takže vlastnosti se liší podle směru. Chování monolitických kovů při namáhání je obvykle elasticko-plastové. Většina konstrukčních kovů má značnou tažnost a lomovou houževnatost.
široká škála MMC má vlastnosti, které se dramaticky liší. Mezi faktory ovlivňující jejich vlastnosti patří:
- Posílení vlastnosti, tvar a geometrické uspořádání
- Výztuže objemový zlomek
- Matrix vlastnosti, včetně vlivu pórovitosti
- Výztuž-matrice rozhraní vlastnosti
- Zbytková pnutí vyplývající z tepelných a mechanických historii composite
- Možné degradace výztuže vyplývající z chemické reakce, při vysokých teplotách a mechanickém poškození ze zpracování, dopad, atd.
MMC vyztužené částicemi, stejně jako monolitické kovy, mají tendenci být izotropní. Přítomnost křehkých výztuh a možná oxidů kovů má však tendenci snižovat jejich tažnost a lomovou houževnatost. Pokračující vývoj může některé z těchto nedostatků snížit.
vlastnosti materiálů vyztužených vousy silně závisí na jejich orientaci. Náhodně orientované vousy produkují izotropní materiál. Procesy, jako je vytlačování, však mohou orientovat vousy, což má za následek anizotropní vlastnosti. Vousy také snižují tažnost a lomovou houževnatost.
MMC vyztužené zarovnanými vlákny mají anizotropní vlastnosti. Jsou silnější a tužší ve směru vláken než kolmé k nim. Příčná pevnost a tuhost jednosměrných MMC (materiály, které mají všechna vlákna orientovaná rovnoběžně s jednou osou) jsou však často dostatečně velké pro použití v součástech, jako jsou výztuhy a vzpěry. To je jedna z hlavních výhod MMC oproti PMC, které lze zřídka použít bez příčné výztuže.
protože modul a pevnost kovových matric jsou významné vzhledem k modulům většiny výztužných vláken, je jejich příspěvek k kompozitnímu chování důležitý. Křivky napětí a deformace MMC často vykazují významnou nelinearitu vyplývající z výtěžku matrice.
Dalším faktorem, který má významný vliv na chování vyztužených kovů je často velký rozdíl v koeficientu roztažnosti mezi dvě složky. To může způsobit velké zbytkové napětí v kompozitech, když jsou vystaveny významným změnám teploty. Ve skutečnosti, během ochlazení ze zpracovatelských teplot, matricová tepelná napětí jsou často natolik závažná, že způsobují výnos. Velká zbytková napětí mohou být také způsobena mechanickým zatížením.
ačkoli vláknité MMC mohou mít křivky napětí a deformace vykazující určitou nelinearitu, jsou v podstatě křehkými materiály, stejně jako PMC. Při absenci tažnosti ke snížení koncentrací napětí se návrh kloubů stává kritickým návrhem. Byly vyvinuty četné způsoby spojování MMC, včetně metalurgického a polymerního lepení a mechanických spojovacích prostředků.
výrobní metody: výrobní metody jsou důležitou součástí procesu návrhu všech konstrukčních materiálů, včetně MMC. V této kritické oblasti probíhá značná práce. Významné zlepšení stávajících procesů a vývoj nových se jeví jako pravděpodobné.
současné metody lze rozdělit do dvou hlavních kategorií, primární a sekundární. Primární výrobní metody se používají k vytvoření MMC z jeho složek. Výsledný materiál může být ve formě, která je nejblíže k požadované konečné konfiguraci, nebo to může vyžadovat značné další zpracování, tzv. sekundární výroby, jako jsou tváření, válcování, hutní lepení a obrábění. Použité procesy závisí na typu výztuže a matrici.
kritická úvaha je reakcí, která může nastat mezi posily a matice v průběhu primárního a sekundárního zpracování na vysoké teploty potřebné k roztavení a tvoří kovy. Ty ukládají omezení na druhy složek, které mohou být kombinovány různými procesy. Někdy mohou být bariérové povlaky úspěšně aplikovány na výztuhy, což jim umožňuje kombinovat je s matricemi, které by jinak byly příliš reaktivní. Například aplikace povlaku, jako je karbid boru, umožňuje použití bórových vláken k vyztužení titanu. Potenciální reakce mezi matricí a posily, dokonce i potažené, je také důležitým kritériem při hodnocení teploty a odpovídající délky čas, který MMCs může být podrobena v provozu.
Relativně velkém průměru monofilní vlákna, jako je například bór a křemík karbid, byly začleněny do kovové matrice pomocí horkých kláves vrstva paralelních vláken mezi fólií k vytvoření monovrstvy pásku. Při této operaci kov proudí kolem vláken a dochází k difúznímu spojení. Stejný postup může být použit k výrobě difúze-lepené lamináty s vrstvami vláken orientovaných v určitých směrech setkat tuhost a pevnost požadavky na konkrétní design. V některých případech se lamináty vyrábějí lisováním za tepla jednovrstvými páskami v tom, co lze považovat za sekundární operaci.
jednovrstvé pásky se také vyrábějí postřikem kovových plazmat na kolimovaná vlákna, následovaným lisováním za tepla. Konstrukční tvary mohou být vyrobeny tečení a superplastické tváření laminátů v zápustce. Alternativním procesem je umístit vlákna a nespojené fólie do matrice a za horka lisovat sestavu.
bor/hliníkové vzpěry použit na raketoplánu jsou vyrobeny z jednovrstvé fólie omotal kolem trnu a horké isostatically přitisknuté k šíření dluhopisů fólie vrstvy dohromady a zároveň, aby difúzní vazba kompozitu na titanové koncovky.
Kompozity mohou být vyrobeny infiltrací tekutého kovu do tkaniny nebo předem domluvené vláknité konfigurace nazývá polotovar. K udržení vláken v poloze se často používají keramické nebo organické pojivové materiály. Ten je spálen před nebo během infiltrace. Infiltrace může být prováděna za vakua, tlaku nebo obojího. Tlaková infiltrace, která podporuje zvlhčení vláken matricí a snižuje pórovitost, se často nazývá stlačování lití.
lité MMC nyní trvale nabízejí Tvar sítě nebo sítě, zlepšenou tuhost a pevnost a kompatibilitu s konvenčními výrobními technikami. Jsou také trvale nižší náklady než ty, které jsou vyráběny jinými metodami, jsou k dispozici od široké škály výrobců, a nabízejí rozměrovou stabilitu ve velkých i malých částech.
například, Duralcan vyvinula jeho „ice cream mixer“ technologie a proces kontroly na místě, kde se produkuje až 25 milionů liber ročně z hliníkové kompozitní špalky. Investiční lití bylo v Cercastu upraveno tak, aby odlévalo předlitky Duralcan do složitých částí ve tvaru sítě. Tlakové lití produkuje čisté tvary s výjimečnými vlastnostmi v Alcoa, zatímco beztlakový infiltrace se používá na Lanxide Corp. pro výrobu net-tvar součásti.
v současné době je nejběžnější metodou pro výrobu kompozitů grafit/hliník a grafit/hořčík infiltrací. Grafitová příze se nejprve prochází pecí, aby se spálila jakákoli velikost, která mohla být použita. Dále prochází procesem CVD, který aplikuje povlak titanu a boru, který podporuje smáčení matricí. Pak okamžitě prochází lázní nebo fontánou roztaveného kovu, produkující infiltrovaný svazek vláken známý jako „drát“.“Desky a další konstrukční tvary se vyrábějí v sekundárním provozu umístěním vodičů mezi fólie a jejich lisováním, jako je tomu u monofilamentů. Nedávný vývoj“ vzduchově stabilních “ povlaků umožňuje použití jiných infiltračních procesů, jako je lití, což eliminuje potřebu „drátů“ jako mezistupně. Další přístupy jsou ve vývoji.
obzvláště důležitou sekundární výrobní metodou pro kompozity s titanovou matricí je superplastické tváření / difúzní spojení (SPF / DB). Pro snížení výrobních nákladů se vyvíjejí kontinuální procesy, jako je pultruze a lepení za tepla.
používají se tři základní metody pro výrobu MMC vyztužených vousy a částicemi. Dva používají práškové kovy; druhý používá přístup kapalina-kov, jehož podrobnosti jsou proprietární.
dva procesy prášku a kovu se liší především způsobem, jakým jsou složky smíchány. Jeden používá kulový mlýn, druhý používá kapalinu na podporu míchání, který je následně odstraněn. Směsi se pak lisují za tepla do předlitků.
sekundární procesy jsou podobné procesům pro monolitické kovy, včetně válcování, vytlačování, zvlákňování, kování, tečení a obrábění. Ten představuje určité potíže, protože posily jsou velmi těžké.
