Fémmátrix kompozitok vagy használatban vannak, vagy prototípusokat készítenek az űrsikló, a kereskedelmi repülőgépek, az elektronikus hordozók, a kerékpárok, az autók, a golfklubok és számos más alkalmazás számára. Míg a túlnyomó többség alumínium mátrix kompozit, egyre több alkalmazás igényli a szuperötvözetek, titán, réz, magnézium vagy vas mátrix tulajdonságait.
mint minden kompozit, az alumínium-mátrix kompozitok sem egyetlen anyag, hanem olyan anyagcsalád, amelynek merevsége, szilárdsága, sűrűsége, valamint hő-és elektromos tulajdonságai testre szabhatók. A mátrix ötvözet, a megerősítő anyag, a megerősítés térfogata és alakja, a megerősítés helye és a gyártási módszer mind változtatható a szükséges tulajdonságok elérése érdekében. A variációktól függetlenül azonban az alumínium kompozitok az alacsony költség előnyeit kínálják a legtöbb más MMC-vel szemben. Ezen felül kiváló hővezető képességet, nagy nyírószilárdságot, kiváló kopásállóságot, magas hőmérsékletű működést, nem gyúlékonyságot, az üzemanyagok és oldószerek minimális támadását, valamint a hagyományos berendezéseken kialakítható és kezelhető képességet kínálják.
az alumínium MMC-ket öntéssel, porkohászattal, megerősítések in situ fejlesztésével és fólia-és rostpréselési technikákkal állítják elő. A folyamatosan jó minőségű termékek ma már nagy mennyiségben kaphatók, a nagy gyártók növelik a termelést és csökkentik az árakat. Ezeket fékrotorokban, dugattyúkban és egyéb autóipari alkatrészekben, valamint golfütőkben, kerékpárokban, gépalkatrészekben, elektronikus aljzatokban, extrudált szögekben és csatornákban, valamint számos más szerkezeti és elektronikus alkalmazásban alkalmazzák.
Volfrámötvözet szálakkal megerősített szuperötvözet kompozitokat fejlesztenek ki olyan sugárhajtású turbinamotorok alkatrészeihez, amelyek 1830 F feletti hőmérsékleten működnek.
a grafit / réz kompozitok testreszabható tulajdonságokkal rendelkeznek, hasznosak a levegő magas hőmérsékletére, és kiváló mechanikai jellemzőket, valamint magas elektromos és hővezető képességet biztosítanak. Könnyebb feldolgozást kínálnak a titánhoz képest, és alacsonyabb sűrűséget az acélhoz képest. A képlékeny szupravezetőket réz mátrixból és nióbium-titán szupravezető szálakból állították elő. A volfrámrészecskékkel vagy alumínium-oxid részecskékkel megerősített rézet hűtőbordákban és elektronikus csomagolásban használják.
a szilícium-karbid szálakkal megerősített titán fejlesztés alatt áll, mint a nemzeti repülőgép-repülőgép bőr anyaga. A rozsdamentes acélok, a Szerszámacélok és az Inconel a titán-karbid részecskékkel megerősített mátrixanyagok közé tartoznak, és húzógyűrűkbe és más magas hőmérsékletű, korrózióálló alkatrészekbe készülnek.
a monolit fémekhez képest az mmc-k:
- nagyobb szilárdság-sűrűség Arány
- nagyobb merevség-sűrűség Arány
- jobb fáradtságállóság
- jobb magas hőmérsékleti tulajdonságok
- – nagyobb szilárdság
- – alacsonyabb kúszási sebesség
- alacsonyabb hőtágulási együtthatók
- jobb kopásállóság
az mmc-k előnyei a polimer mátrix kompozitokkal szemben:
- magasabb hőmérséklet képesség
- tűzállóság
- nagyobb keresztirányú merevség és szilárdság
- nincs nedvesség abszorpció
- nagyobb elektromos és hővezető képesség
- jobb sugárzásállóság
- nincs gázkibocsátás
- a pofaszakáll és a szemcsés erősítésű mmc-k gyárthatósága hagyományos fémmegmunkáló berendezésekkel.
az mmc-k néhány hátránya a monolit fémekhez és a polimer mátrix kompozitokhoz képest:
- egyes anyagrendszerek magasabb költségei
- viszonylag éretlen technológia
- összetett gyártási módszerek szálerősítésű rendszerekhez (kivéve az öntést)
- Korlátozott szolgáltatási tapasztalat
számos mátrix-és erősítés-kombinációt próbáltak ki az MMC-n végzett munka óta az 1950-es évek végén. azonban, az MMC technológia még mindig a fejlesztés korai szakaszában van, és kétségtelenül más fontos rendszerek is megjelennek.
megerősítések: az MMC megerősítések öt fő kategóriába sorolhatók: folytonos szálak, nem folytonos szálak, bajusz, részecskék és huzalok. A huzalok kivételével, amelyek Fémek, az erősítések általában Kerámiák.
a legfontosabb folyamatos szálak közé tartozik a bór, a grafit (szén), az alumínium-oxid és a szilícium-karbid. A bórszálakat ennek az anyagnak a kémiai gőzfázisú leválasztásával (CVD) állítják elő egy volfrámmagon. Szénmagokat is használtak. Ezek a viszonylag vastag monofilamentek 4,0, 5,6 és 8,0 mil átmérőben kaphatók. A bór és a fémek között magas hőmérsékleten bekövetkező reakciók késleltetésére néha olyan anyagok szálbevonatait használják, mint a szilícium-karbid vagy a bór-karbid.
A Szilícium-karbid monofileket szintén CVD eljárással állítják elő, volfrám-vagy szénmag felhasználásával. A japán multifilament fonal, amelyet gyártója Szilícium-karbidnak nevez, kereskedelmi forgalomban is kapható. Ez az anyag azonban, amelyet fémorganikus prekurzor szálak pirolízisével állítanak elő, messze van a tiszta szilícium-karbidtól, tulajdonságai pedig jelentősen eltérnek a monofil szilícium-karbid tulajdonságaitól.
folyamatos alumínium-oxid szálak több szállítótól kaphatók. A különböző szálak kémiai összetétele és tulajdonságai jelentősen eltérnek. A grafitszálak két prekurzor anyagból készülnek, poliakrilonitril (PAN) és petroleum szurok. A grafitszálak szénalapú szurokból történő előállítására irányuló erőfeszítések folyamatban vannak. Grafit szálak széles skáláját erősségek és modulusok állnak rendelkezésre.
a vezető szakaszos szál erősítés ebben az időben alumínium-oxid és alumínium-oxid-szilícium-dioxid. Mindkettőt eredetileg szigetelőanyagként fejlesztették ki. A fő bajusz anyaga szilícium-karbid. A vezető amerikai kereskedelmi terméket a rizshéjak pirolízisével állítják elő. A szilícium-karbid és a bór-karbid, a legfontosabb szemcsés megerősítések, a kereskedelmi csiszolóiparból származnak. A szilícium-karbid részecskéket ezen anyag bajuszának előállításához használt eljárás melléktermékeként is előállítják.
számos fémhuzalt, köztük volfrámot, berilliumot, titánt és molibdént használtak a fémmátrixok megerősítésére. Jelenleg a legfontosabb huzalerősítések a szuperötvözetekben lévő volfrámhuzal és szupravezető anyagok, amelyek nióbium-titánt és nióbium-ónt tartalmaznak egy réz mátrixban. A fent említett megerősítések a legfontosabbak ebben az időben. Az elmúlt néhány évtizedben sok más próbálkozást is kipróbáltak, és megint mások kétségtelenül a jövőben fognak kidolgozni.
Mátrixanyagok és kulcsfontosságú kompozitok: számos fémet használtak mátrixként. A legfontosabbak az alumínium, titán, magnézium és rézötvözetek és szuperötvözetek voltak.
a legfontosabb MMC rendszerek a következők:
- alumínium mátrix
- folyamatos szálak: bór, szilícium-karbid, alumínium-oxid, grafit
- szakaszos szálak: alumínium-oxid, alumínium-szilícium-dioxid
- bajusz: szilícium-karbid
- részecskék: szilícium-karbid, Bór-karbid
- magnézium mátrix
- folyamatos szálak: grafit, alumínium-oxid
- bajusz: szilícium-karbid
- részecskék: szilícium-karbid, Bór-karbid
- titán mátrix
- folyamatos szálak: szilícium-karbid, bevont bór
- részecskék: titán-karbid
- réz mátrix
- folyamatos szálak: grafit, szilícium-karbid
- vezetékek: nióbium-titán, nióbium-ón
- részecskék: szilícium-karbid, Bór-karbid, titán-karbid.
- szuperötvözet mátrixok
- huzalok: volfrám
jellemzők és tervezési szempontok: az mmc-k kiváló mechanikai tulajdonságai vezérlik használatukat. Az mmc-k egyik fontos jellemzője azonban, és az egyik, amelyet megosztanak más kompozitokkal, az, hogy a mátrixanyagok, a megerősítések és a rétegorientációk megfelelő kiválasztásával lehetséges az alkatrész tulajdonságainak testreszabása az adott kialakítás igényeihez.
tág határokon belül például meghatározható az egyik irányban a szilárdság és a merevség, a másikban a tágulási együttható és így tovább. Ez ritkán lehetséges monolit anyagokkal.
a monolit fémek általában izotrópok, vagyis minden irányban azonos tulajdonságokkal rendelkeznek. Egyes folyamatok, például a hengerlés azonban anizotrópiát kölcsönözhetnek, így a tulajdonságok az iránytól függően változnak. A monolit Fémek feszültség-feszültség viselkedése jellemzően rugalmas-műanyag. A legtöbb szerkezeti fém jelentős hajlékonysággal és törésállósággal rendelkezik.
az mmc-k széles választéka drámai módon eltérő tulajdonságokkal rendelkezik. A jellemzőiket befolyásoló tényezők a következők:
- megerősítés tulajdonságai, formája és geometriai elrendezése
- megerősítés térfogata frakció
- mátrix tulajdonságai, beleértve a porozitás hatásait
- megerősítés-mátrix interfész tulajdonságai
- a kompozit termikus és mechanikai előzményeiből eredő maradék feszültségek
- a megerősítés magas hőmérsékleten bekövetkező kémiai reakciókból eredő lehetséges lebomlása, valamint a feldolgozás, ütés stb.
Részecskeerősítésű mmc-k, mint a monolit fémek, általában izotrópok. A törékeny erősítések és talán a fém-oxidok jelenléte azonban csökkenti a hajlékonyságukat és a törésállóságukat. A folyamatos fejlesztés csökkentheti e hiányosságok egy részét.
a bajuszokkal megerősített anyagok tulajdonságai erősen függenek azok tájolásától. A véletlenszerűen orientált bajuszok izotróp anyagot termelnek. Az olyan folyamatok, mint az extrudálás, orientálhatják a bajuszokat, anizotróp tulajdonságokat eredményezve. A bajusz is csökkenti a hajlékonyságot és a törési szívósságot.
igazított szálakkal megerősített mmc-k anizotróp tulajdonságokkal rendelkeznek. Erősebbek és merevebbek a szálak irányában, mint merőlegesek rájuk. Az egyirányú mmc-k keresztirányú szilárdsága és merevsége (olyan anyagok, amelyeknek minden szála egy tengellyel párhuzamosan van orientálva) azonban gyakran elég nagy ahhoz, hogy olyan alkatrészekben használják, mint a merevítők és a támaszok. Ez az mmc-k egyik fő előnye a PMC-kkel szemben, amelyek ritkán használhatók keresztirányú megerősítés nélkül.
mivel a fémmátrixok modulusa és szilárdsága jelentős a legtöbb erősítő szálhoz képest, fontos a kompozit viselkedéshez való hozzájárulásuk. Az mmc-k stressz-alakváltozási görbéi gyakran jelentős nemlinearitást mutatnak, amely a mátrix hozamából adódik.
egy másik tényező, amely jelentősen befolyásolja a szálerősítésű Fémek viselkedését, a két alkotóelem közötti tágulási együttható gyakran nagy különbsége. Ez nagy maradék feszültségeket okozhat a kompozitokban, ha jelentős hőmérsékleti változásoknak vannak kitéve. Valójában a feldolgozási hőmérsékletektől való lehűlés során a mátrix hőfeszültségei gyakran elég súlyosak ahhoz, hogy hozamokat okozzanak. Nagy maradék feszültségek mechanikai terheléssel is előállíthatók.
bár a rostos mmc-k lehetnek feszültség-alakváltozás görbék, amelyek némi nemlinearitást mutatnak, lényegében törékeny anyagok, csakúgy, mint a PMC-k. A stresszkoncentrációk csökkentésére szolgáló hajlékonyság hiányában az ízület kialakítása kritikus tervezési szemponttá válik. Az mmc-k összekapcsolására számos módszert fejlesztettek ki, beleértve a kohászati és polimer kötéseket és a mechanikus kötőelemeket.
gyártási módszerek: a gyártási módszerek fontos részét képezik az összes szerkezeti anyag tervezési folyamatának, beleértve az MMC-ket is. Jelentős munka folyik ezen a kritikus területen. A meglévő folyamatok jelentős javulása és újak fejlesztése valószínűnek tűnik.
a jelenlegi módszerek két fő kategóriába sorolhatók, elsődleges és másodlagos. Elsődleges gyártási módszereket alkalmaznak az MMC létrehozására annak alkotóelemeiből. A kapott anyag lehet olyan formában, amely közel áll a kívánt végső konfigurációhoz, vagy jelentős további feldolgozást igényelhet, úgynevezett másodlagos gyártást, például alakítást, hengerelést, kohászati kötést és megmunkálást. Az alkalmazott eljárások a megerősítés és a mátrix típusától függenek.
kritikus szempontnak számítanak azok a reakciók, amelyek a megerősítések és a mátrixok között az elsődleges és másodlagos feldolgozás során előfordulhatnak a fémek olvadásához és képződéséhez szükséges magas hőmérsékleten. Ezek korlátozásokat szabnak a különféle folyamatokkal kombinálható alkotóelemek fajtáira. Néha a barrier bevonatok sikeresen alkalmazhatók az erősítésekre, lehetővé téve azok kombinálását olyan mátrixokkal, amelyek egyébként túl reaktívak lennének. Például egy bevonat, például bór-karbid alkalmazása lehetővé teszi a bórszálak használatát a titán megerősítésére. A mátrixok és erősítések közötti lehetséges reakciók, még a bevont mátrixok is, szintén fontos kritérium a hőmérsékletek és a megfelelő időtartamok értékelésében, amelyeknek az mmc-k az üzemben lehetnek kitéve.
viszonylag nagy átmérőjű monofilszálakat, például bórt és szilícium-karbidot építettek be fémmátrixokba úgy, hogy a fóliák között párhuzamos szálakból álló réteget forró nyomással egyrétegű szalagot hoztak létre. Ebben a műveletben a fém a szálak körül áramlik, és diffúziós kötés következik be. Ugyanez az eljárás alkalmazható diffúziós kötésű laminátumok előállítására olyan szálrétegekkel, amelyek meghatározott irányokba vannak orientálva, hogy megfeleljenek egy adott kialakítás merevségi és szilárdsági követelményeinek. Bizonyos esetekben a laminátumokat forró préseléssel állítják elő egyrétegű szalagok másodlagos műveletnek tekinthető.
az egyrétegű szalagokat fémplazmák kollimált szálakra történő permetezésével, majd forró préseléssel is előállítják. A szerkezeti alakzatok kúszással és rétegelt lemezek szuperplasztikus formázásával állíthatók elő egy szerszámban. Egy alternatív eljárás a szálak és a nem kötött fóliák elhelyezése egy szerszámban, és forró nyomja meg a szerelvényt.
az űrrepülőgépen használt bór/alumínium támaszok egyrétegű fóliákból készülnek, amelyeket egy tüske köré tekernek, és meleg izosztatikusan préselnek, hogy a fóliarétegeket diffúzióval összekapcsolják, és ezzel egyidejűleg a kompozit laminátumot diffúzióval kötik össze a titán végszerelvényekkel.
kompozitok készíthetők úgy, hogy folyékony fémet infiltrálnak egy szövetbe vagy előre elrendezett rostos konfigurációba, amelyet előformának neveznek. Gyakran kerámia vagy szerves kötőanyagokat használnak a szálak helyzetben tartására. Ez utóbbit a beszivárgás előtt vagy alatt elégetik. Az infiltráció vákuum, nyomás vagy mindkettő alatt hajtható végre. A nyomás beszivárgását, amely elősegíti a szálak mátrix általi nedvesítését és csökkenti a porozitást, gyakran présöntésnek nevezik.
az öntött mmc-k mostantól következetesen hálós vagy hálós formát, jobb merevséget és szilárdságot, valamint a hagyományos gyártási technikákkal való kompatibilitást kínálnak. Költségük is következetesen alacsonyabb, mint a más módszerekkel előállított termékeké, a gyártók széles köréből állnak rendelkezésre, és méretstabilitást kínálnak mind a nagy, mind a kis alkatrészekben.
például a Duralcan kifejlesztette “fagylaltkeverő” technológiáját és folyamatvezérlését addig a pontig, ahol évente akár 25 millió font alumínium kompozit billeteket állít elő. A befektetési öntést a Cercastnál módosították, hogy a Duralcan tuskókat komplex, háló alakú részekké alakítsák. A nyomásöntés kivételes tulajdonságokkal rendelkező hálóformákat hoz létre az Alcoa – nál, míg a Lanxide Corp.nyomás nélküli beszivárgást használ a háló alakú alkatrészek gyártásához.
jelenleg a grafit/alumínium és a grafit/magnézium kompozitok előállításához használt leggyakoribb módszer a beszivárgás. A grafitfonalat először egy kemencén vezetik át, hogy leégessék az esetleg alkalmazott méretezést. Ezután egy CVD folyamaton megy keresztül, amely titán és bór bevonatot alkalmaz, amely elősegíti a mátrix nedvesítését. Ezután azonnal áthalad az olvadt fém fürdőjén vagy szökőkútján, infiltrált szálköteget állít elő, amelyet “huzalnak” neveznek.”A lemezeket és más szerkezeti alakzatokat másodlagos műveletben állítják elő úgy, hogy a huzalokat fóliák közé helyezik és megnyomják, mint a monofilamenteknél. Az “air stable” bevonatok legújabb fejlesztése lehetővé teszi más beszivárgási folyamatok, például öntés használatát, így nincs szükség” vezetékekre ” közbenső lépésként. Más megközelítések fejlesztés alatt állnak.
a titán mátrix kompozitok különösen fontos másodlagos gyártási módszere a szuperplasztikus formázás/diffúziós kötés (SPF/DB). A gyártási költségek csökkentése érdekében folyamatos folyamatokat fejlesztenek ki, mint például a pultrusion és a hot roll kötés.
három alapvető módszert alkalmaznak a bajusz-és részecskeerősítésű mmc-k előállítására. Kettő porított fémeket használ; a másik folyadék-fém megközelítést alkalmaz, amelynek részletei szabadalmaztatottak.
a két por-fém eljárás elsősorban az alkotórészek összekeverésének módjában különbözik egymástól. Az egyik golyósmalmot használ, a másik folyadékot alkalmaz a keverés elősegítésére, amelyet később eltávolítanak. A keverékeket ezután melegen préseljük.
a másodlagos eljárások hasonlóak a monolit Fémek eljárásaihoz, beleértve a hengerlést, extrudálást, fonást, kovácsolást, kúszást és megmunkálást. Ez utóbbi némi nehézséget okoz, mivel az erősítés nagyon nehéz.
