Metallimatriisikomposiitit

Metallimatriisikomposiitit ovat joko käytössä tai prototyyppinä Avaruussukkuloissa, kaupallisissa matkustajalentokoneissa, elektronisissa alustoissa, polkupyörissä, autoissa, golfmailoissa ja monissa muissa sovelluksissa. Vaikka valtaosa on alumiinimatriisikomposiitteja, yhä useammat sovellukset vaativat superseosten, titaanin, kuparin, magnesiumin tai raudan matriisiominaisuuksia.

kuten kaikki komposiitit, alumiinimatriisikomposiitit eivät ole yksi aines vaan materiaaliperhe, jonka jäykkyys, lujuus, tiheys sekä lämpö-ja sähköominaisuudet voidaan räätälöidä. Matriisiseos, raudoitusmateriaali, raudoituksen tilavuus ja muoto, raudoituksen sijainti ja valmistusmenetelmää voidaan kaikki vaihdella vaadittujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Riippumatta muunnelmia, kuitenkin, alumiini komposiitit tarjoavat edullisen edun verrattuna useimpiin muihin MMCs. Lisäksi ne tarjoavat erinomaisen lämmönjohtavuuden, korkean leikkauslujuuden, erinomaisen kulutuskestävyyden, korkean lämpötilan toiminnan, syttymättömyyden, polttoaineiden ja liuottimien vähäisen hyökkäyksen ja kyvyn muodostaa ja käsitellä tavanomaisilla laitteilla.

alumiinin MMCs valmistetaan valamalla, jauhemetallurgialla, in situ-kehittämällä vahvisteita sekä folio-ja kuitupuristustekniikoilla. Jatkuvasti korkealaatuisia tuotteita on nyt saatavilla suuria määriä, ja suuret tuottajat lisäävät tuotantoaan ja alentavat hintoja. Niitä käytetään jarrujen roottoreissa, männissä ja muissa autojen osissa sekä golfmailoissa, polkupyörissä, koneiden komponenteissa, elektronisissa alustoissa, suulakepuristetuissa kulmissa ja kanavissa sekä monenlaisissa muissa rakenteellisissa ja elektronisissa sovelluksissa.

Volframiseoksella vahvistettuja Superseoskomposiitteja kehitetään suihkuturbiinimoottoreiden komponenteille, jotka toimivat yli 1 830 °F: n lämpötiloissa.

grafiitti – /kuparikomposiiteilla on räätälöitäviä ominaisuuksia, ne ovat hyödyllisiä korkeissa ilman lämpötiloissa ja tarjoavat erinomaiset mekaaniset ominaisuudet sekä hyvän sähkö-ja lämmönjohtavuuden. Ne tarjoavat helpompaa käsittelyä verrattuna titaani ja pienempi tiheys verrattuna teräkseen. Sitkeät suprajohteet on valmistettu kuparin ja suprajohtavien niobium-titaanifilamenttien matriisilla. Volframihiukkasilla tai alumiinioksidihiukkasilla vahvistettua kuparia käytetään jäähdytyslevyissä ja elektronipakkauksissa.

Piikarbidikuiduilla vahvistettu titaani on kehitteillä kansallisen ilmailu-ja Avaruuslentokoneen ihomateriaalina. Ruostumattomat teräkset, Työkaluteräkset ja Inconel kuuluvat matriisimateriaaleihin, jotka on vahvistettu titaanikarbidihiukkasilla ja valmistettu vetorenkaiksi ja muihin korkean lämpötilan korroosionkestäviin komponentteihin.

monoliittimetalleihin verrattuna MMC: t ovat:

• suurempi lujuus-tiheys-suhde
• suurempi jäykkyys-tiheys-suhde
• parempi väsymiskestävyys
• paremmat kohonneiden lämpötilojen ominaisuudet
  • — suurempi lujuus
  • — pienempi virumisnopeus
• pienemmät lämpölaajenemiskertoimet
• parempi kulutuskestävyys

MMCs: n edut polymeerimatriisikomposiitteihin nähden ovat:

• korkeampi lämpötilakyky
• palonkestävyys
• suurempi poikittaisjäykkyys ja lujuus
• ei kosteuden imeytymistä
• suurempi sähkö-ja lämpöjohtavuus
• parempi säteilynkestävyys
• ei outgassing
• whisker-ja hiukkasvahvisteisten MMC-yhdisteiden valmistettavuus tavanomaisilla metallintyöstölaitteilla.

joitakin MMCs: n haittoja monoliittimetalleihin ja polymeerimatriisikomposiitteihin verrattuna ovat:

• joidenkin materiaalijärjestelmien korkeammat kustannukset
• suhteellisen kehittymätön teknologia
• Kuituvahvisteisten järjestelmien monimutkaiset valmistusmenetelmät (valua lukuun ottamatta)
• Vähäinen käyttökokemus

lukuisia matriisien ja vahvisteiden yhdistelmiä on kokeiltu sen jälkeen, kun MMC: n rakennustyöt aloitettiin 1950-luvun lopulla. MMC-tekniikka on vielä kehitysvaiheessa, ja muita tärkeitä järjestelmiä syntyy varmasti.

vahvistukset: MMC-vahvistukset voidaan jakaa viiteen pääluokkaan: jatkuvia kuituja, epäjatkuvia kuituja, viiksiä, hiukkasia ja johtoja. Lankoja lukuun ottamatta, jotka ovat metalleja, vahvisteet ovat yleensä keramiikkaa.

keskeisiä jatkuvia kuituja ovat boori, grafiitti (hiili), alumiinioksidi ja piikarbidi. Boorikuidut valmistetaan kemiallisella höyrypinnoituksella (CVD) tästä materiaalista volframiytimeen. Myös hiilisydämiä on käytetty. Nämä suhteellisen paksut monofilamentit ovat saatavilla 4,0, 5,6 ja 8,0-millin halkaisijoilla. Hidastamaan reaktioita, jotka voivat tapahtua boorin ja metallien välillä korkeassa lämpötilassa, käytetään joskus materiaalien, kuten piikarbidin tai boorikarbidin, kuitupinnoitteita.

Piikarbidimonofilamentteja valmistetaan myös CVD-prosessilla, jossa käytetään volframi-tai hiiliydintä. Japanilainen multifilamenttilanka, jonka valmistaja on nimennyt piikarbidiksi, on myös kaupallisesti saatavilla. Tämä organometallien esiastekuitujen pyrolyysillä valmistettu materiaali on kuitenkin kaukana puhtaasta piikarbidista, ja sen ominaisuudet poikkeavat merkittävästi monofilamenttimaisen piikarbidin ominaisuuksista.

jatkuvia alumiinioksidikuituja on saatavilla useilta toimittajilta. Eri kuitujen kemialliset koostumukset ja ominaisuudet ovat merkittävästi erilaisia. Grafiittikuituja valmistetaan kahdesta lähtöaineesta, polyakrilonitriilistä (pannu) ja maaöljypiistä. Grafiittikuitujen valmistaminen kivihiilipohjaisesta pikestä on käynnissä. Saatavilla on grafiittikuituja, joilla on monenlaisia vahvuuksia ja moduleja.

johtavat katkokuituvahvisteet ovat tällä hetkellä alumiinioksidi ja alumiinioksidi-pii. Molemmat kehitettiin alun perin eristysmateriaaleiksi. Tärkein viiksimateriaali on piikarbidi. Johtava yhdysvaltalainen kaupallinen tuote on valmistettu pyrolyysillä riisinkuorista. Piikarbidia ja boorikarbidia, keskeisiä hiukkasvahvisteita, saadaan kaupallisesta hioma-aineteollisuudesta. Piikarbidihiukkasia syntyy myös sivutuotteena prosessissa, jota käytetään tämän aineen viiksien valmistamiseen.

useita metallilankoja kuten volframia, berylliumia, titaania ja molybdeeniä on käytetty metallimatriisien vahvistamiseen. Tällä hetkellä tärkeimmät lankavahvistukset ovat volframilanka superseoksissa ja suprajohtavissa materiaaleissa, jotka sisältävät niobium-titaania ja niobium-tinaa kuparimatriisissa. Edellä mainitut vahvistukset ovat tällä hetkellä tärkeimpiä. Monia muita on kokeiltu viime vuosikymmeninä, ja vielä joitakin epäilemättä kehitetään tulevaisuudessa.

Matriisimateriaalit ja avainkomposiitit: Matriiseina on käytetty lukuisia metalleja. Tärkeimpiä ovat olleet alumiini -, titaani -, magnesium-ja kupariseokset sekä superseokset.

tärkeimmät MMC-järjestelmät ovat:

• Alumiinimatriisi
  • jatkuvat kuidut: boori, piikarbidi, alumiinioksidi, grafiitti
  • Epäjatkuvat kuidut: alumiinioksidi, alumiinioksidi-piikarbidi
  • viikset: piikarbidi
  • hiukkaset: piikarbidi, boorikarbidi
• Magnesiummatriisi
  • jatkuvat kuidut: grafiitti, alumiinioksidi
  • viikset: piikarbidi
  • hiukkaset: piikarbidi, boorikarbidi
• Titaanimatriisi
  • jatkuvat kuidut: piikarbidi, päällystetty boori
  • hiukkaset: titaanikarbidi
• Kuparimatriisi
  • jatkuvat kuidut: grafiitti, piikarbidi
  • johdot: niobium-titaani, niobium-Tina
  • hiukkaset: piikarbidi, boorikarbidi, titaanikarbidi.
• Superalloy matriisit
  • johdot: volframi

ominaisuudet ja suunnittelu näkökohdat: ylivoimainen mekaaniset ominaisuudet MMCs ajaa niiden käyttöä. Tärkeä ominaisuus MMCs, kuitenkin, ja yksi ne jakavat muiden komposiittien, on, että sopiva valinta matriisi materiaaleja, vahvistuksia, ja kerros suuntaukset, on mahdollista räätälöidä ominaisuuksia komponentin tarpeisiin tietyn rakenteen.

esimerkiksi laajojen rajojen sisällä voidaan määritellä lujuus ja jäykkyys yhteen suuntaan, laajenemiskerroin toiseen ja niin edelleen. Tämä on harvoin mahdollista monoliittisilla materiaaleilla.

Monoliittimetallit ovat yleensä isotrooppisia, eli niillä on samat ominaisuudet kaikkiin suuntiin. Jotkin prosessit, kuten valssaus, voivat kuitenkin antaa anisotropiaa, niin että Ominaisuudet vaihtelevat suunnan mukaan. Monoliittimetallien rasituskuormituskäyttäytyminen on tyypillisesti elastista-muovia. Useimmilla rakennemetalleilla on huomattava sitkeys ja murtumissitkeys.

MMCs: n monenlaisilla ominaisuuksilla on dramaattisia eroja. Niiden ominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä ovat:

• Lujitusominaisuudet, muoto ja geometrinen järjestely
• Vahvistusmääräosuus
• matriisin ominaisuudet, mukaan lukien huokoisuuden vaikutukset
• vahvistaminen-matriisin liitäntäominaisuudet
• komposiitin lämpö-ja mekaanisesta historiasta johtuvat jäännösjännitykset
• vahvikkeen mahdollinen hajoaminen, joka johtuu kemiallisista reaktioista korkeissa lämpötiloissa, sekä prosessoinnin, iskun jne.mekaanisista vaurioista.

Hiukkasvahvisteiset MMC: t ovat monoliittimetallien tavoin yleensä isotrooppisia. Hauraat vahvisteet ja ehkä metallioksidit kuitenkin pyrkivät vähentämään niiden sitkeyttä ja murtumissitkeyttä. Jatkuva kehitys voi vähentää joitakin näistä puutteista.

viiksillä vahvistettujen materiaalien ominaisuudet riippuvat voimakkaasti niiden suunnasta. Satunnaisesti suunnatut viikset tuottavat isotrooppista materiaalia. Prosessit, kuten suulakepuristus, voivat kuitenkin orientoida viiksiä, mikä johtaa anisotrooppisiin ominaisuuksiin. Viikset vähentävät myös sitkeyttä ja murtumien sitkeyttä.

MMCS, joka on vahvistettu yhdensuuntaisilla kuiduilla, on anisotrooppisia ominaisuuksia. Ne ovat vahvempia ja jäykempiä kuitujen suuntaan kuin kohtisuoraan niitä vastaan. Yksisuuntaisten MMCs: ien (materiaalien, joissa kaikki kuidut on suunnattu yhdensuuntaisesti yhden akselin suuntaisesti) poikittaislujuus ja jäykkyys ovat kuitenkin usein riittävän suuria käytettäväksi esimerkiksi jäykisteissä ja tukirakenteissa. Tämä on yksi MMCs: n tärkeimmistä eduista verrattuna PMCs: ään, jota voidaan harvoin käyttää ilman poikittaisvahvistusta.

koska metallimatriisien modulus ja lujuus ovat merkittäviä suhteessa useimpien vahvistavien kuitujen materiaaleihin, on niiden panos komposiittikäyttäytymiseen tärkeä. MMCs: n jännitys-venymäkäyrät osoittavat usein merkittävää epälineaarisuutta, joka johtuu matriisin tuottamisesta.

toinen tekijä, jolla on merkittävä vaikutus kuituvahvisteisten metallien käyttäytymiseen, on usein suuri ero näiden kahden aineosan laajenemiskertoimessa. Tämä voi aiheuttaa suuria jäännösjännityksiä komposiiteissa, kun niihin kohdistuu merkittäviä lämpötilamuutoksia. Itse asiassa käsittelylämpötilojen jäähtymisen aikana matriisilämpöjännitykset ovat usein niin vakavia, että ne aiheuttavat tuottoa. Suuria jäännösjännityksiä voidaan tuottaa myös mekaanisella kuormituksella.

vaikka kuitumaisissa MMCs: issä voi olla jonkin verran epälineaarisuutta osoittavia jännitys-venymäkäyriä, ne ovat pohjimmiltaan hauraita materiaaleja, kuten PMCs: ssäkin. Koska sitkeys vähentää stressiä pitoisuuksia, yhteinen suunnittelu tulee kriittinen suunnittelu huomioon. MMCs: ään liittämiseen on kehitetty lukuisia menetelmiä, kuten metallurgiset ja polymeeriset sidokset ja mekaaniset kiinnikkeet.

valmistusmenetelmät: valmistusmenetelmät ovat tärkeä osa kaikkien rakennemateriaalien, MMCs mukaan lukien, suunnitteluprosessia. Tällä kriittisellä alalla on käynnissä huomattava työ. Merkittävät parannukset nykyisissä prosesseissa ja uusien kehittäminen näyttävät todennäköisiltä.

nykyiset menetelmät voidaan jakaa kahteen pääluokkaan, primaariseen ja sekundaariseen. Ensisijaisia valmistusmenetelmiä käytetään MMC: n luomiseen sen aineosista. Tuloksena oleva materiaali voi olla muodossa, joka on lähellä haluttua lopullista kokoonpanoa, tai se voi vaatia huomattavaa lisäkäsittelyä, jota kutsutaan toissijaiseksi valmistukseksi, kuten muodostaminen, valssaus, metallurginen liimaus ja työstö. Käytetyt prosessit riippuvat vahvistuksen ja matriisin tyypistä.

kriittinen näkökohta on reaktiot, joita voi esiintyä vahvisteiden ja matriisien välillä primäärisen ja sekundäärisen käsittelyn aikana korkeissa lämpötiloissa, joita metallien sulaminen ja muodostuminen vaatii. Nämä asettavat rajoituksia sille, millaisia ainesosia eri prosessit voivat yhdistää. Joskus estopinnoitteita voidaan soveltaa menestyksekkäästi vahvisteisiin, jolloin ne voidaan yhdistää matriiseihin, jotka muuten olisivat liian reaktiivisia. Esimerkiksi boorikarbidin kaltaisen pinnoitteen käyttö mahdollistaa boorikuitujen käytön titaanin vahvistamiseen. Mahdolliset reaktiot matriisien ja vahvisteiden välillä, jopa pinnoitetut, ovat myös tärkeä kriteeri arvioitaessa lämpötiloja ja vastaavia aikoja, joille MMCs voi altistua käytössä.

suhteellisen suuriläpimittaisia monofilamenttikuituja, kuten booria ja piikarbidia, on sisällytetty metallimatriiseihin painamalla kuumapuristamalla samansuuntaisia kuituja kalvojen väliin, jolloin muodostuu yksikerroksinen nauha. Tässä operaatiossa metalli virtaa kuitujen ympärillä ja diffuusiosidos tapahtuu. Samaa menettelyä voidaan käyttää tuottamaan diffuusiosidottu laminaatit kerroksittain kuituja suuntautunut tiettyyn suuntaan jäykkyys ja lujuus vaatimukset tietyn rakenteen. Joissakin tapauksissa laminaatit valmistetaan kuumapuristamalla yksikerroksisia nauhoja, mitä voidaan pitää toissijaisena toimintana.

yksikerroksisia nauhoja valmistetaan myös ruiskuttamalla metalliplasmoja kollimoiduille kuiduille, minkä jälkeen tehdään kuumapuristus. Rakennemuotoja voidaan valmistaa virumalla ja superplastisella laminaattien muodostamisella muottiin. Vaihtoehtoinen prosessi on sijoittaa kuidut ja sitomattomat kalvot kuolee ja kuuma paina kokoonpano.

avaruussukkulassa käytettävät boori – /alumiinituet valmistetaan yksikerroksisista kalvoista, jotka on kiedottu karan ympärille ja kuumapuristettu isostaattisesti diffuusiosidokseksi foliokerroksiin ja samalla komposiittilaminaatin diffuusiosidokseksi titaanipäätykappaleisiin.

komposiitteja voidaan valmistaa tunkeutumalla nestemäistä metallia kankaaseen tai ennalta järjestettyyn kuitumaiseen kokoonpanoon, jota kutsutaan esimuodoksi. Usein käytetään keraamisia tai orgaanisia sideaineita pitämään kuidut paikoillaan. Jälkimmäinen poltetaan ennen soluttautumista tai sen aikana. Tunkeutuminen voidaan suorittaa tyhjiössä, paineessa tai molemmissa. Paineen tunkeutumista, joka edistää kuitujen kostumista matriisin avulla ja vähentää huokoisuutta, kutsutaan usein puristusvaluksi.

valetut MMCs: t tarjoavat nyt jatkuvasti verkon tai verkon muodon, paremman jäykkyyden ja lujuuden sekä yhteensopivuuden tavanomaisten valmistustekniikoiden kanssa. Ne ovat myös jatkuvasti alhaisempia kustannuksia kuin muilla menetelmillä tuotetut, ovat saatavilla useista valmistajista ja tarjoavat mittavakautta sekä suurissa että pienissä osissa.

esimerkiksi Duralcan on kehittänyt ”jäätelösekoitintekniikkaansa” ja prosessinohjaustekniikkaansa niin pitkälle, että se tuottaa jopa 25 miljoonaa kiloa vuodessa alumiinikomposiittibillettejä. Sijoitusvalua on muutettu Cercastissa duralcan-aihioiden valamiseksi monimutkaisiin, verkon muotoisiin osiin. Painevalu tuottaa verkkomuotoja, joilla on poikkeukselliset ominaisuudet Alcoa: ssa, kun taas Lanxide Corp.: ssa käytetään paineetonta tunkeutumista verkon muotoisten komponenttien valmistukseen.

nykyisin yleisin tapa valmistaa grafiitti/alumiini ja grafiitti/magnesiumkomposiitteja on infiltraatio. Grafiittilanka johdetaan ensin uunin läpi mahdollisen mitoituksen polttamiseksi pois. Seuraavaksi se käy läpi CVD-prosessin, jossa käytetään titaania ja booria, joka edistää matriisin kostumista. Sitten se kulkee heti sulasta metallista valmistetun kylvyn tai lähteen läpi ja tuottaa soluttautuneen kuitukimpun, joka tunnetaan ”lankana”.”Levyt ja muut rakennemuodot valmistetaan sekundaarisessa toiminnassa sijoittamalla johdot folioiden väliin ja painamalla niitä, kuten monofilamenteilla tehdään. Viimeaikainen kehitys ” air stable ”pinnoitteet mahdollistaa muiden tunkeutumisen prosesseja, kuten valu, poistaa tarpeen” johdot ” välivaiheena. Muita lähestymistapoja on kehitteillä.

erityisen tärkeä titaanimatriisikomposiittien sekundäärivalmistusmenetelmä on superplastinen forming/diffusion bonding (SPF/DB). Valmistuskustannusten vähentämiseksi kehitetään jatkuvia prosesseja, kuten pultruusio ja kuumarullaliitos.

viiksivahvisteisten ja hiukkasvahvisteisten MMC-yhdisteiden valmistamiseen käytetään kolmea perusmenetelmää. Kaksi käyttää jauhemetallia, toinen käyttää neste-metalli-lähestymistapaa, jonka yksityiskohdat ovat omia.

nämä kaksi jauhemetalliprosessia eroavat toisistaan lähinnä siinä, miten aineosat sekoittuvat. Toisessa käytetään pallomyllyä, toisessa käytetään sekoituksen apuna nestettä, joka poistetaan myöhemmin. Tämän jälkeen seokset puristetaan kuumapuristettuina aihioiksi.

Toisioprosessit ovat samanlaisia kuin monoliittimetalleissa, mukaan lukien valssaus, suulakepuristus, kehruu, taonta, hiipimismuovaus ja työstö. Jälkimmäinen aiheuttaa hieman vaikeuksia, koska vahvistukset ovat erittäin kovia.