I compositi a matrice metallica sono in uso o prototipazione per lo Space Shuttle, aerei di linea commerciali, substrati elettronici, biciclette, automobili, mazze da golf e una varietà di altre applicazioni. Mentre la stragrande maggioranza sono compositi a matrice di alluminio, un numero crescente di applicazioni richiede le proprietà della matrice di superleghe, titanio, rame, magnesio o ferro.
Come tutti i compositi, i compositi a matrice di alluminio non sono un singolo materiale ma una famiglia di materiali la cui rigidità, resistenza, densità e proprietà termiche ed elettriche possono essere personalizzate. La lega matrice, il materiale di rinforzo, il volume e la forma del rinforzo, la posizione del rinforzo e il metodo di fabbricazione possono essere variati per ottenere le proprietà richieste. Indipendentemente dalle variazioni, tuttavia, i compositi in alluminio offrono il vantaggio del basso costo rispetto alla maggior parte degli altri MMC. Inoltre, offrono un’eccellente conduttività termica, elevata resistenza al taglio, eccellente resistenza all’abrasione, funzionamento ad alta temperatura, non infiammabilità, attacco minimo da parte di combustibili e solventi e la capacità di essere formati e trattati su apparecchiature convenzionali.
I MMC in alluminio sono prodotti mediante fusione, metallurgia delle polveri, sviluppo in situ di rinforzi e tecniche di pressatura di fogli e fibre. I prodotti costantemente di alta qualità sono ora disponibili in grandi quantità, con i principali produttori che aumentano la produzione e riducono i prezzi. Sono applicati in rotori dei freni, pistoni e altri componenti automobilistici, nonché mazze da golf, biciclette, componenti di macchinari, substrati elettronici, angoli e canali estrusi e un’ampia varietà di altre applicazioni strutturali ed elettroniche.
Compositi superlega rinforzati con fibre in lega di tungsteno sono in fase di sviluppo per i componenti in motori a turbina jet che operano temperature superiori a 1.830 °F.
I compositi grafite/rame hanno proprietà personalizzabili, sono utili alle alte temperature dell’aria e forniscono eccellenti caratteristiche meccaniche, oltre ad un’elevata conduttività elettrica e termica. Offrono una lavorazione più semplice rispetto al titanio e una densità inferiore rispetto all’acciaio. I superconduttori duttili sono stati fabbricati con una matrice di rame e filamenti superconduttori di niobio-titanio. Il rame rinforzato con particelle di tungsteno o particelle di ossido di alluminio viene utilizzato nei dissipatori di calore e negli imballaggi elettronici.
Il titanio rinforzato con fibre di carburo di silicio è in fase di sviluppo come materiale cutaneo per l’aereo aerospaziale nazionale. Gli acciai inossidabili, gli acciai per utensili e l’Inconel sono tra i materiali a matrice rinforzati con particelle di carburo di titanio e fabbricati in anelli di trafilatura e altri componenti resistenti alla corrosione ad alta temperatura.
Rispetto ai metalli monolitici, gli MMC hanno:
- forza Maggiore densità rapporti
- Maggiore rigidità-densità rapporti
- Migliore resistenza a fatica
- Meglio a temperature elevate proprietà
- — alta resistenza
- — Basso tasso di scorrimento
- Inferiore coefficienti di espansione termica
- Migliore resistenza all’usura
I vantaggi di MMCs su materiali compositi a matrice polimerica sono:
- Maggiore capacità di temperatura
- resistenza al Fuoco
- trasversali Superiori di rigidezza e di resistenza
- Nessun assorbimento di umidità
- Alta conducibilità elettrica e termica
- Migliore resistenza alle radiazioni
- Nessuna emissione di gas
- Fabricability di baffo e particolato rinforzata MMCs con le tradizionali attrezzature lavorazione dei metalli.
Alcuni degli svantaggi degli MMC rispetto ai metalli monolitici e ai compositi a matrice polimerica sono:
- Maggiori costi di alcuni materiali, sistemi
- Relativamente immaturo tecnologia
- Complessi metodi di fabbricazione per il rinforzata con fibra di sistemi (tranne che per la fusione)
- Limitata esperienza di servizio
Numerose combinazioni di matrici e rinforzi sono stati provati dal lavoro sulla MMC è iniziata alla fine del 1950. Tuttavia, MMC tecnologia è ancora nelle prime fasi di sviluppo, e di altri importanti sistemi indubbiamente emergerà.
Rinforzi: i rinforzi MMC possono essere suddivisi in cinque categorie principali: fibre continue, fibre discontinue, baffi, particolato e fili. Ad eccezione dei fili, che sono metalli, i rinforzi generalmente sono ceramiche.
Le fibre continue chiave includono boro, grafite (carbonio), allumina e carburo di silicio. Le fibre di boro sono fatte da deposizione chimica di vapore (CVD) di questo materiale su un nucleo di tungsteno. Sono stati utilizzati anche nuclei di carbonio. Questi monofilamenti relativamente spessi sono disponibili nei diametri 4.0, 5.6 e 8.0-mil. Per ritardare le reazioni che possono avvenire tra boro e metalli ad alta temperatura, vengono talvolta utilizzati rivestimenti in fibra di materiali come carburo di silicio o carburo di boro.
Monofilamenti di carburo di silicio sono realizzati anche da un processo CVD, utilizzando un nucleo di tungsteno o carbonio. Un filato giapponese del multifilamento, designato come carburo di silicio dal suo produttore, è inoltre disponibile in commercio. Questo materiale, tuttavia, realizzato per pirolisi di fibre precursori organometallici, è lontano dal carburo di silicio puro e le sue proprietà differiscono significativamente da quelle del carburo di silicio monofilamento.
Le fibre continue dell’allumina sono disponibili da parecchi fornitori. Le composizioni chimiche e le proprietà delle varie fibre sono significativamente diverse. Le fibre di grafite sono costituite da due materiali precursori, poliacrilonitrile (PAN) e pece di petrolio. Gli sforzi per rendere le fibre di grafite da pece a base di carbone sono in corso. Sono disponibili fibre di grafite con una vasta gamma di punti di forza e moduli.
I principali rinforzi in fibra discontinua in questo momento sono allumina e allumina-silice. Entrambi originariamente sono stati sviluppati come materiali isolanti. Il materiale principale del baffo è il carburo di silicio. Il principale prodotto commerciale statunitense è costituito dalla pirolisi degli scafi di riso. Il carburo di silicio ed il carburo del boro, i rinforzi chiave del particolato, sono ottenuti dall’industria commerciale degli abrasivi. I particolati del carburo di silicio inoltre sono prodotti come sottoprodotto del processo usato per fare i baffi di questo materiale.
Un certo numero di fili metallici tra cui tungsteno, berillio, titanio e molibdeno sono stati utilizzati per rinforzare le matrici metalliche. Attualmente, i rinforzi di filo più importanti sono filo di tungsteno in superleghe e materiali superconduttori che incorporano niobio-titanio e niobio-stagno in una matrice di rame. I rinforzi citati sopra sono i più importanti in questo momento. Molti altri sono stati provati negli ultimi decenni, e altri ancora senza dubbio saranno sviluppati in futuro.
Materiali matrice e compositi chiave: numerosi metalli sono stati utilizzati come matrici. I più importanti sono stati alluminio, titanio, magnesio e leghe di rame e superleghe.
I più importanti sistemi MMC sono:
- Alluminio matrice
- Continua fibre di boro, carburo di silicio, ossido di alluminio, grafite
- fibre Discontinue: allumina, allumina, silice
- Baffi: carburo di silicio
- polveri sottili: carburo di silicio, carburo di boro
- Magnesio matrice
- fibre Continue: grafite, allumina
- Baffi: carburo di silicio
- polveri sottili: carburo di silicio, carburo di boro
- matrice di Titanio
- Continua fibre di carburo di silicio, rivestito di boro
- Particolato: carburo di titanio
- Matrice di rame
- Fibre continue: grafite, carburo di silicio
- Fili: niobio-titanio, niobio-stagno
- Particolato: carburo di silicio, carburo di boro, carburo di titanio.
- Superlega matrici
- Fili: tungsteno
Caratteristiche e considerazioni di progettazione: Le proprietà meccaniche superiori di MMCS guidano il loro uso. Una caratteristica importante degli MMC, tuttavia, e che condividono con altri compositi, è che mediante un’appropriata selezione di materiali a matrice, rinforzi e orientamenti di strato, è possibile personalizzare le proprietà di un componente per soddisfare le esigenze di un design specifico.
Ad esempio, entro ampi limiti, è possibile specificare resistenza e rigidità in una direzione, coefficiente di espansione in un’altra e così via. Questo è raramente possibile con materiali monolitici.
I metalli monolitici tendono ad essere isotropi, cioè ad avere le stesse proprietà in tutte le direzioni. Alcuni processi come il rotolamento, tuttavia, possono impartire anisotropia, in modo che le proprietà variano con la direzione. Il comportamento di sforzo-deformazione dei metalli monolitici è tipicamente elastico-plastica. La maggior parte dei metalli strutturali ha una notevole duttilità e resistenza alla frattura.
L’ampia varietà di MMC ha proprietà che differiscono notevolmente. I fattori che influenzano le loro caratteristiche includono:
- Rinforzo proprietà, la forma e la disposizione geometrica
- Rinforzo frazione di volume
- Matrice di proprietà, compresi gli effetti di porosità
- Rinforzo e matrice delle proprietà dell’interfaccia
- tensioni Residue derivanti dal meccanico e termico storia del composito
- Possibile degrado delle armature derivanti da reazioni chimiche ad alte temperature, e danni meccanici da lavorazione, di impatto, etc.
Le MMC rinforzate con particolato, come i metalli monolitici, tendono ad essere isotropiche. La presenza di rinforzi fragili e forse di ossidi metallici, tuttavia, tende a ridurre la loro duttilità e resistenza alla frattura. Lo sviluppo continuo può ridurre alcune di queste carenze.
Le proprietà dei materiali rinforzati con i baffi dipendono fortemente dal loro orientamento. I baffi orientati casualmente producono un materiale isotropico. Processi come l’estrusione possono orientare i baffi, tuttavia, con conseguente proprietà anisotropiche. I baffi riducono anche la duttilità e la resistenza alla frattura.
Gli MMC rinforzati con fibre allineate hanno proprietà anisotropiche. Sono più forti e più rigidi nella direzione delle fibre che perpendicolari a loro. La forza trasversale e la rigidezza dei MMC unidirezionali (materiali che hanno tutte le fibre orientate parallelamente ad un asse), tuttavia, sono abbastanza grandi frequentemente per uso in componenti quali gli irrigidimenti ed i montanti. Questo è uno dei principali vantaggi delle MMC rispetto alle PMC, che raramente possono essere utilizzate senza rinforzo trasversale.
Poiché il modulo e la resistenza delle matrici metalliche sono significativi rispetto a quelli della maggior parte delle fibre di rinforzo, il loro contributo al comportamento composito è importante. Le curve stress-deformazione degli MMC mostrano spesso una significativa non linearità derivante dal rendimento della matrice.
Un altro fattore che ha un effetto significativo sul comportamento dei metalli rinforzati con fibre è la frequente grande differenza nel coefficiente di espansione tra i due costituenti. Ciò può causare grandi tensioni residue nei compositi quando sono sottoposti a variazioni di temperatura significative. Infatti, durante il raffreddamento dalle temperature di lavorazione, le sollecitazioni termiche della matrice sono spesso abbastanza gravi da causare cedimenti. Grandi tensioni residue possono essere prodotte anche da carico meccanico.
Sebbene le MMC fibrose possano presentare curve stress-deformazione che mostrano una certa non linearità, sono essenzialmente materiali fragili, come lo sono le PMC. In assenza di duttilità per ridurre le concentrazioni di stress, la progettazione congiunta diventa una considerazione di progettazione critica. Sono stati sviluppati numerosi metodi di unione di MMC, tra cui l’incollaggio metallurgico e polimerico e gli elementi di fissaggio meccanici.
Metodi di fabbricazione: i metodi di fabbricazione sono una parte importante del processo di progettazione per tutti i materiali strutturali, compresi gli MMC. Sono in corso notevoli lavori in questo settore critico. Sembrano probabili miglioramenti significativi nei processi esistenti e nello sviluppo di nuovi.
I metodi attuali possono essere suddivisi in due categorie principali, primaria e secondaria. I metodi di fabbricazione primari sono usati per creare il MMC dai suoi costituenti. Il materiale risultante può essere in una forma che è vicino alla configurazione finale desiderata, o può richiedere una notevole lavorazione aggiuntiva, chiamata fabbricazione secondaria, come la formatura, laminazione, incollaggio metallurgico e lavorazione. I processi utilizzati dipendono dal tipo di rinforzo e dalla matrice.
Una considerazione critica è reazioni che possono verificarsi tra rinforzi e matrici durante la lavorazione primaria e secondaria alle alte temperature necessarie per fondere e formare metalli. Questi impongono limitazioni ai tipi di costituenti che possono essere combinati dai vari processi. A volte, i rivestimenti barriera possono essere applicati con successo ai rinforzi, consentendo loro di essere combinati con matrici che altrimenti sarebbero troppo reattive. Ad esempio, l’applicazione di un rivestimento come il carburo di boro consente l’uso di fibre di boro per rinforzare il titanio. Le potenziali reazioni tra matrici e rinforzi, anche rivestiti, sono anche un criterio importante per valutare le temperature e le corrispondenti lunghezze di tempo a cui gli MMC possono essere sottoposti in servizio.
Le fibre monofilamento di diametro relativamente grande, come il boro e il carburo di silicio, sono state incorporate in matrici metalliche premendo a caldo uno strato di fibre parallele tra le pellicole per creare un nastro monostrato. In questa operazione, il metallo scorre attorno alle fibre e si verifica il legame di diffusione. La stessa procedura può essere utilizzata per produrre laminati legati alla diffusione con strati di fibre orientati in direzioni specificate per soddisfare i requisiti di rigidità e resistenza per un particolare design. In alcuni casi, i laminati sono prodotti da nastri monostrato di pressatura a caldo in quella che può essere considerata un’operazione secondaria.
I nastri monostrato vengono prodotti anche spruzzando plasmi metallici su fibre collimate, seguiti dalla pressatura a caldo. Le forme strutturali possono essere fabbricate da creep e formatura superplastica dei laminati in un dado. Un processo alternativo consiste nel posizionare fibre e fogli non legati in uno stampo e premere a caldo il gruppo.
I montanti in boro/alluminio utilizzati sullo space shuttle sono fabbricati da fogli monostrato avvolti attorno a un mandrino e pressati isostaticamente a caldo per legare insieme gli strati di lamina e, allo stesso tempo, per legare il laminato composito ai raccordi terminali in titanio.
I compositi possono essere realizzati infiltrando metallo liquido in un tessuto o in una configurazione fibrosa prestabilita chiamata preforma. Frequentemente, i materiali ceramici o organici del legante sono usati per tenere le fibre nella posizione. Quest’ultimo viene bruciato prima o durante l’infiltrazione. L’infiltrazione può essere effettuata sotto vuoto, pressione o entrambi. L’infiltrazione di pressione, che promuove la bagnatura delle fibre dalla matrice e riduce la porosità, è spesso chiamata fusione di compressione.
Le MMC in fusione offrono ora una forma netta o netta, una maggiore rigidità e resistenza e compatibilità con le tecniche di produzione convenzionali. Sono inoltre costantemente più bassi nel costo che quelli prodotti con altri metodi, sono disponibili da una vasta gamma di fabbricanti ed offrono la stabilità dimensionale sia nelle grandi che nelle piccole parti.
Ad esempio, Duralcan ha sviluppato la sua tecnologia “ice cream mixer” e controlli di processo al punto in cui produce fino a 25 milioni di sterline all’anno di billette in composito di alluminio. La microfusione è stata modificata a Cercast per colare billette Duralcan in parti complesse a forma di rete. La colata in pressione produce forme nette con proprietà eccezionali in Alcoa, mentre l’infiltrazione senza pressione viene utilizzata in Lanxide Corp. per fabbricare componenti a forma di rete.
Al momento attuale, il metodo più comune utilizzato per realizzare compositi di grafite/alluminio e grafite/magnesio è per infiltrazione. Il filato della grafite in primo luogo è passato attraverso una fornace per bruciare tutto il dimensionamento che può essere stato applicato. Successivamente passa attraverso un processo CVD che applica un rivestimento di titanio e boro che promuove la bagnatura dalla matrice. Quindi passa immediatamente attraverso un bagno o una fontana di metallo fuso, producendo un fascio infiltrato di fibre noto come “filo”.”Le piastre e altre forme strutturali vengono prodotte in un’operazione secondaria posizionando i fili tra le lamine e premendoli, come si fa con i monofilamenti. Il recente sviluppo di rivestimenti “air stable” consente l’utilizzo di altri processi di infiltrazione, come la fusione, eliminando la necessità di “fili” come passaggio intermedio. Altri approcci sono in fase di sviluppo.
Un metodo di fabbricazione secondario particolarmente importante per i compositi a matrice di titanio è il superplastic forming/diffusion bonding (SPF/DB). Per ridurre i costi di fabbricazione, vengono sviluppati processi continui come la pultrusione e l’incollaggio a caldo.
Vengono utilizzati tre metodi di base per realizzare MMC rinforzati con baffo e particolato. Due utilizzano metalli in polvere; l’altro utilizza un approccio liquido-metallo, i cui dettagli sono proprietari.
I due processi polvere-metallo differiscono principalmente nel modo in cui i costituenti sono mescolati. Uno utilizza un mulino a sfere, l’altro impiega un liquido per aiutare la miscelazione, che viene successivamente rimosso. Le miscele vengono quindi pressate a caldo in billette.
I processi secondari sono simili a quelli dei metalli monolitici, tra cui laminazione, estrusione, filatura, forgiatura, creep-forming e lavorazione. Quest’ultimo pone alcune difficoltà perché i rinforzi sono molto duri.
