metal-matrice kompositter er enten i brug eller prototyping for rumfærgen, kommercielle passagerfly, elektroniske substrater, cykler, biler, golfkøller, og en række andre applikationer. Mens langt de fleste er aluminiumsmatrice-kompositter, kræver et stigende antal applikationer matricsegenskaberne for superlegeringer, titanium, kobber, magnesium eller jern.
som alle kompositter er aluminium-matrice kompositter ikke et enkelt materiale, men en familie af materialer, hvis stivhed, styrke, densitet og termiske og elektriske egenskaber kan skræddersys. Matricen legering, armeringsmaterialet, volumen og form af armeringen, placeringen af armeringen, og fremstillingsmetoden kan alle varieres for at opnå de nødvendige egenskaber. Uanset variationerne tilbyder aluminiumskompositter imidlertid fordelen ved lave omkostninger i forhold til de fleste andre MMC ‘ er. Derudover tilbyder de fremragende termisk ledningsevne, høj forskydningsstyrke, fremragende slidstyrke, drift ved høj temperatur, ikke-brændbarhed, minimalt angreb fra brændstoffer og opløsningsmidler og evnen til at blive dannet og behandlet på konventionelt udstyr.
aluminium MMC ‘ er fremstilles ved støbning, pulvermetallurgi, in situ udvikling af forstærkninger og folie-og-fiber presseteknikker. Konsekvent produkter af høj kvalitet er nu tilgængelige i store mængder, hvor store producenter øger produktionen og reducerer priserne. De anvendes i bremserotorer, stempler og andre bilkomponenter samt golfkøller, cykler, maskinkomponenter, elektroniske underlag, ekstruderede vinkler og kanaler og en lang række andre strukturelle og elektroniske applikationer.
Superlegeringskompositter forstærket med tungstenlegeringsfibre udvikles til komponenter i jetturbinemotorer, der kører temperaturer over 1.830 liter F.
grafit/kobberkompositter har skræddersyede egenskaber, er nyttige til høje temperaturer i luften og giver fremragende mekaniske egenskaber såvel som høj elektrisk og termisk ledningsevne. De tilbyder lettere behandling sammenlignet med titanium og lavere densitet sammenlignet med stål. Duktile superledere er blevet fremstillet med en matrice af kobber og superledende filamenter af niobium-titanium. Kobber forstærket med tungsten partikler eller aluminium ilt partikler anvendes i kølelegemer og elektronisk emballage.
Titanium forstærket med siliciumcarbidfibre er under udvikling som hudmateriale til Det Nationale Luftfartsplan. Rustfrit stål, værktøjsstål og Inconel er blandt matricsmaterialerne forstærket med titaniumcarbidpartikler og fremstillet i trækringe og andre korrosionsbestandige komponenter ved høj temperatur.
sammenlignet med monolitiske metaller har MMC ‘ er:
- højere styrke-til-densitetsforhold
- højere stivhed-til-densitetsforhold
- bedre træthedsmodstand
- bedre forhøjede temperaturegenskaber
- — højere styrke
- — lavere krybningshastighed
- lavere koefficienter for termisk ekspansion
- bedre slidstyrke
fordelene ved MMC ‘ er i forhold til polymermatricekompositter er:
- højere temperaturkapacitet
- brandmodstand
- højere tværgående stivhed og styrke
- ingen fugtabsorption
- højere elektriske og termiske ledningsevne
- bedre strålingsmodstand
- ingen afgasning
- fremstilling af knurhår og partikelforstærkede MMC ‘ er med konventionelt metalbearbejdningsudstyr.
nogle af ulemperne ved MMC ‘ er sammenlignet med monolitiske metaller og polymermatricekompositter er:
- højere omkostninger ved nogle materialesystemer
- relativt umoden teknologi
- komplekse fabrikationsmetoder til fiberforstærkede systemer (undtagen støbning)
- begrænset serviceoplevelse
talrige kombinationer af matricer og forstærkninger er blevet prøvet, siden arbejdet med MMC begyndte i slutningen af 1950 ‘ erne. imidlertid, MMC-teknologi er stadig i de tidlige udviklingsstadier, og andre vigtige systemer vil utvivlsomt dukke op.
forstærkninger: MMC forstærkninger kan opdeles i fem hovedkategorier: kontinuerlige fibre, diskontinuerlige fibre, knurhår, partikler og ledninger. Med undtagelse af ledninger, som er metaller, er forstærkninger generelt keramik.
centrale kontinuerlige fibre inkluderer bor, grafit (kulstof), alumina og siliciumcarbid. Borfibre fremstilles ved kemisk dampaflejring (CVD) af dette materiale på en tungstenkerne. Carbonkerner er også blevet brugt. Disse relativt tykke monofilamenter Fås i diametre på 4,0, 5,6 og 8,0 mil. For at forsinke reaktioner, der kan finde sted mellem BOR og metaller ved høj temperatur, anvendes undertiden fiberbelægninger af materialer såsom siliciumcarbid eller borcarbid.
Siliciumcarbidmonofilamenter fremstilles også ved en CVD-proces ved hjælp af en tungsten-eller carbonkerne. Et japansk multifilamentgarn, udpeget som siliciumcarbid af producenten, er også kommercielt tilgængeligt. Dette materiale, imidlertid, fremstillet ved pyrolyse af organometalliske forløberfibre, er langt fra rent siliciumcarbid, og dets egenskaber adskiller sig markant fra monofilament siliciumcarbid.
kontinuerlige aluminafibre fås hos flere leverandører. Kemiske sammensætninger og egenskaber af de forskellige fibre er signifikant forskellige. Grafitfibre er fremstillet af to forstadier materialer, polyacrilonitril (PAN) og råolie pitch. Bestræbelser på at fremstille grafitfibre fra kulbaseret tonehøjde er i gang. Grafitfibre med en bred vifte af styrker og moduler er tilgængelige.
de førende diskontinuerlige fiberforstærkninger på dette tidspunkt er alumina og alumina-silica. Begge blev oprindeligt udviklet som isoleringsmaterialer. Det vigtigste knurhårmateriale er siliciumcarbid. Det førende amerikanske kommercielle produkt fremstilles ved pyrolyse af risskrog. Siliciumcarbid og borcarbid, de vigtigste partikelforstærkninger, fås fra den kommercielle slibemiddelindustri. Siliciumcarbidpartikler fremstilles også som et biprodukt af den proces, der anvendes til fremstilling af knurhår af dette materiale.
et antal metaltråde inklusive tungsten, beryllium, titan og molybdæn er blevet brugt til at forstærke metalmatricer. I øjeblikket er de vigtigste trådforstærkninger tungstentråd i superlegeringer og superledende materialer, der indeholder niobium-titanium og niobium-tin i en kobbermatrice. De ovennævnte forstærkninger er de vigtigste på dette tidspunkt. Mange andre er blevet prøvet i løbet af de sidste par årtier, og endnu andre vil uden tvivl blive udviklet i fremtiden.
Matricematerialer og nøglekompositter: talrige metaller er blevet brugt som matricer. De vigtigste har været aluminium, titanium, magnesium og kobberlegeringer og superlegeringer.
de vigtigste MMC-systemer er:
- Aluminiumsmatrice
- kontinuerlige fibre: bor, siliciumcarbid, alumina, grafit
- diskontinuerlige fibre: alumina, alumina-silica
- knurhår: siliciumcarbid
- partikler: siliciumcarbid, borcarbid
- Magnesiummatrice
- kontinuerlige fibre: grafit, alumina
- knurhår: siliciumcarbid
- partikler: siliciumcarbid, borcarbid
- Titanmatrice
- kontinuerlige fibre: siliciumcarbid, belagt bor
- partikler: titancarbid
- kobber matrice
- kontinuerlige fibre: grafit, siliciumcarbid
- ledninger: niobium-titanium, niobium-tin
- partikler: siliciumcarbid, borcarbid, titaniumcarbid.
- superlegering matricer
- ledninger: tungsten
egenskaber og designovervejelser: MMC ‘ ernes overlegne mekaniske egenskaber driver deres anvendelse. Et vigtigt kendetegn ved MMC ‘ er, og en de deler med andre kompositter, er imidlertid, at det ved passende valg af matricsmaterialer, forstærkninger og lagretninger er muligt at skræddersy egenskaberne for en komponent til at imødekomme behovene i et specifikt design.
for eksempel er det inden for brede grænser muligt at specificere styrke og stivhed i en retning, udvidelseskoefficient i en anden og så videre. Dette er sjældent muligt med monolitiske materialer.
monolitiske metaller har tendens til at være isotrope, det vil sige at have de samme egenskaber i alle retninger. Nogle processer såsom rullning kan imidlertid give anisotropi, så egenskaber varierer med retning. Den stress-stamme opførsel af monolitiske metaller er typisk elastisk-plast. De fleste strukturelle metaller har betydelig duktilitet og brudsejhed.
den brede vifte af MMC ‘ er har egenskaber, der adskiller sig dramatisk. Faktorer, der påvirker deres egenskaber, omfatter:
- Forstærkningsegenskaber, form og geometrisk arrangement
- Forstærkningsvolumenfraktion
- Matricsegenskaber, herunder virkninger af porøsitet
- forstærkningsgrænsefladeegenskaber
- Restspændinger som følge af kompositets termiske og mekaniske historie
- mulig nedbrydning af armeringen som følge af kemiske reaktioner ved høje temperaturer og mekaniske skader fra behandling, påvirkning osv.
Partikelforstærkede MMC ‘ er, som monolitiske metaller, har tendens til at være isotrope. Tilstedeværelsen af sprøde forstærkninger og måske af metalilte har imidlertid en tendens til at reducere deres duktilitet og brudsejhed. Fortsat udvikling kan reducere nogle af disse mangler.
egenskaberne af materialer forstærket med knurhår afhænger stærkt af deres orientering. Tilfældigt orienterede knurhår producerer et isotrop materiale. Processer såsom ekstrudering kan orientere knurhår, hvilket resulterer i anisotrope egenskaber. Knurhår reducerer også duktilitet og brudsejhed.
MMC ‘ er forstærket med justerede fibre har anisotrope egenskaber. De er stærkere og stivere i retning af fibrene end vinkelret på dem. Den tværgående styrke og stivhed af ensrettede MMC ‘ er (materialer med alle fibre orienteret parallelt med en akse) er imidlertid ofte store nok til brug i komponenter såsom stivere og stivere. Dette er en af de største fordele ved MMC ‘er i forhold til PMC’ er, som sjældent kan bruges uden tværgående forstærkning.
fordi modulet og styrken af metalmatricer er signifikante med hensyn til de fleste forstærkende fibre, er deres bidrag til sammensat adfærd vigtig. Stress-belastningskurverne for MMC ‘ er viser ofte signifikant ikke-linearitet som følge af opnåelse af matricen.
en anden faktor, der har en signifikant effekt på opførelsen af fiberforstærkede metaller, er den ofte store forskel i ekspansionskoefficient mellem de to bestanddele. Dette kan forårsage store restspændinger i kompositter, når de udsættes for betydelige temperaturændringer. Faktisk er termiske spændinger under afkøling fra forarbejdningstemperaturer ofte alvorlige nok til at forårsage udbytte. Store restspændinger kan også produceres ved mekanisk belastning.
selvom fibrøse MMC ‘er kan have stress-belastningskurver, der viser en vis ikke-linearitet, er de i det væsentlige sprøde materialer, ligesom PMC’ er. I mangel af duktilitet for at reducere spændingskoncentrationer bliver fælles design En kritisk designovervejelse. Der er udviklet adskillige metoder til sammenføjning af MMC ‘ er, herunder metallurgisk og polymerbinding og mekaniske fastgørelseselementer.
Fabrikationsmetoder: Fabrikationsmetoder er en vigtig del af designprocessen for alle strukturelle materialer, herunder MMC ‘ er. Der arbejdes meget på dette kritiske område. Væsentlige forbedringer i eksisterende processer og udvikling af nye forekommer sandsynlige.
nuværende metoder kan opdeles i to hovedkategorier, primære og sekundære. Primære fremstillingsmetoder bruges til at skabe MMC fra dets bestanddele. Det resulterende materiale kan være i en form, der er tæt på den ønskede endelige konfiguration, eller det kan kræve betydelig yderligere behandling, kaldet sekundær fabrikation, såsom formning, valsning, metallurgisk binding og bearbejdning. De anvendte processer afhænger af typen af forstærkning og matrice.
en kritisk overvejelse er reaktioner, der kan forekomme mellem forstærkninger og matricer under primær og sekundær behandling ved de høje temperaturer, der kræves for at smelte og danne metaller. Disse pålægger begrænsninger for de slags bestanddele, der kan kombineres af de forskellige processer. Nogle gange kan barrierebelægninger med succes påføres forstærkninger, så de kan kombineres med matricer, der ellers ville være for reaktive. For eksempel tillader anvendelsen af en belægning, såsom borcarbid, anvendelsen af borfibre til at forstærke titanium. Potentielle reaktioner mellem matricer og forstærkninger, selv coatede, er også et vigtigt kriterium ved evaluering af temperaturer og tilsvarende længder af tid, som MMC ‘ er kan udsættes for i drift.
Monofilamentfibre med relativt stor diameter, såsom bor og siliciumcarbid, er blevet inkorporeret i metalmatricer ved varmpresning af et lag parallelle fibre mellem folier for at skabe et monolagstape. I denne operation strømmer metallet rundt om fibrene, og diffusionsbinding forekommer. Den samme procedure kan anvendes til fremstilling af diffusionsbundne laminater med lag af fibre orienteret i specificerede retninger for at imødekomme stivhed og styrkekrav til et bestemt design. I nogle tilfælde fremstilles laminater ved varmpresning af monolagsbånd i hvad der kan betragtes som en sekundær operation.
Monolagsbånd fremstilles også ved sprøjtning af metalplasma på kollimerede fibre efterfulgt af varmpressning. Strukturelle former kan fremstilles ved krybning og superplastisk formning af laminater i en matrice. En alternativ proces er at placere fibre og ubundne folier i en matrice og varmt tryk på samlingen.
de bor/aluminiumstivere, der anvendes på rumfærgen, er fremstillet af monolagsfolier, der er viklet rundt om en dorn og varmt isostatisk presset for at diffusionsbinde folielagene sammen og på samme tid for at diffusionsbinde kompositlaminatet til titaniumendefittings.
kompositter kan fremstilles ved at infiltrere flydende metal i et stof eller en forudbestemt fibrøs konfiguration kaldet en præform. Ofte bruges keramiske eller organiske bindematerialer til at holde fibrene på plads. Sidstnævnte brændes af før eller under infiltration. Infiltration kan udføres under vakuum, tryk eller begge dele. Trykinfiltration, som fremmer befugtning af fibrene ved matricen og reducerer porøsiteten, kaldes ofte klemstøbning.
støbte MMC ‘ er tilbyder nu konsekvent net-eller net-net-form, forbedret stivhed og styrke og kompatibilitet med konventionelle fremstillingsteknikker. De er også konsekvent lavere i omkostninger end dem, der produceres ved andre metoder, er tilgængelige fra en bred vifte af fabrikanter og tilbyder dimensionsstabilitet i både store og små dele.
for eksempel har Duralcan udviklet sin “isblander” – teknologi og proceskontrol til det punkt, hvor den producerer op til 25 millioner pund om året af aluminiumskompositemner. Investeringsstøbning er blevet ændret hos Cercast for at kaste Duralcan-billets i komplekse, netformede dele. Trykstøbning producerer netformer med ekstraordinære egenskaber ved Alcoa, mens trykfri infiltration bruges til at fremstille netformede komponenter.
på nuværende tidspunkt er den mest almindelige metode til fremstilling af grafit/aluminium og grafit/magnesiumkompositter ved infiltration. Grafitgarn føres først gennem en ovn for at afbrænde enhver størrelse, der måtte være påført. Dernæst gennemgår det en CVD-proces, der anvender en belægning af titanium og bor, som fremmer befugtning af matricen. Derefter passerer den straks gennem et bad eller springvand af smeltet metal, producerer et infiltreret bundt af fibre kendt som en “ledning.”Plader og andre strukturelle former fremstilles i en sekundær operation ved at placere ledningerne mellem folier og trykke dem, som det gøres med monofilamenter. Den seneste udvikling af” luftstabile “belægninger tillader brug af andre infiltrationsprocesser, såsom støbning, hvilket eliminerer behovet for” ledninger ” som et mellemliggende trin. Andre tilgange er under udvikling.
en særlig vigtig sekundær Fremstillingsmetode for titaniummatricekompositter er superplastisk formning/diffusionsbinding (SPF/DB). For at reducere fabrikationsomkostninger udvikles kontinuerlige processer såsom pultrusion og hot roll-binding.
tre grundlæggende metoder anvendes til fremstilling af knurhår og partikelforstærkede MMC ‘ er. To bruger pulveriserede metaller; den anden bruger en væske-metal tilgang, hvis detaljer er proprietære.
de to pulvermetalprocesser adskiller sig primært i den måde, bestanddelene blandes på. Den ene bruger en kuglemølle, den anden anvender en væske til at hjælpe med at blande, som efterfølgende fjernes. Blandinger bliver derefter varmpresset i billets.
sekundære processer ligner dem for monolitiske metaller, herunder valsning, ekstrudering, spinding, smedning, krybning og bearbejdning. Sidstnævnte udgør nogle vanskeligheder, fordi forstærkningerne er meget hårde.
