Metal-matrix compositesは、スペースシャトル、商用旅客機、電子基板、自転車、自動車、ゴルフクラブ、およびその他の様々な用途に使用または試作されています。 大部分はアルミニウムマトリックス複合材料ですが、超合金、チタン、銅、マグネシウム、または鉄のマトリックス特性を必要とする用途が増えています。
すべての複合材料と同様に、アルミニウム-マトリックス複合材料は単一の材料ではなく、剛性、強度、密度、熱的および電気的特性を調整できる材料 マトリックス合金、補強材、補強材の体積および形状、補強材の位置、および製造方法はすべて、必要な特性を達成するために変化させることができる。 しかし、そのバリエーションにかかわらず、アルミニウム複合材料は、他のほとんどのMmcよりも低コストの利点を提供します。 さらに、それらは優秀な熱伝導性、高いせん断強さ、優秀な摩耗抵抗、高温操作、nonflammability、燃料および溶媒による最低の攻撃、および慣習的な装置で形作られ、扱わ
アルミニウムMmcは、鋳造、粉末冶金、補強材のその場開発、および箔および繊維プレス技術によって製造されています。 一貫して高品質の製品が大量に入手可能になり、主要生産者は生産を拡大し、価格を引き下げました。 それらはブレーキローターで、ピストンおよび他の自動車部品、またゴルフクラブ、自転車、機械類の部品、電子基質、突き出された角度およびチャネルおよび他の
タングステン合金繊維で強化された超合金複合材料は、1,830°F以上の温度で動作するジェットタービンエンジンの部品用に開発されています。
グラファイト/銅複合材料は、優れた特性を有し、空気中の高温に有用であり、優れた機械的特性、ならびに高い電気的および熱伝導性を提供する。 それらはチタニウムと比較してより容易な処理、および鋼鉄と比較される低密度を提供する。 銅のマトリックスとニオブ-チタンの超伝導フィラメントを用いて延性超伝導体を作製した。 タングステン粒子または酸化アルミニウム粒子で補強された銅は、ヒートシンクおよび電子包装に使用される。
炭化ケイ素繊維で強化されたチタンは、航空宇宙機のスキン素材として開発中です。 ステンレス鋼、工具鋼、およびインコネルは、炭化チタン粒子で補強され、引き輪および他の高温、耐腐食性部品に製造されたマトリックス材料の一つで
モノリシック金属と比較して、Mmcは持っています:
- より高い強さに密度の比率
- より高い剛さに密度の比率
- よりよい疲労の抵抗
- よりよい高温特性
- –より高い強さ
- –より低いクリープ率
- 熱膨張係数が低い
- 耐摩耗性が優れている
ポリマーマトリクス複合材料に対するMMCsの利点は次のとおりです:
- より高い温度の機能
- 耐火性
- より高い横断剛さおよび強さ
- 湿気の吸収無し
- より高い電気および熱伝導性
- よりよい放射抵抗
- ガス放出無し
- 慣習的な金属加工装置が付いているひげそして微粒子補強されたmmcsのfabricability。
モノリシック金属やポリマーマトリックス複合材料と比較したMmcの欠点のいくつかは次のとおりです:
- 一部の材料システムのコストが高い
- 比較的未熟な技術
- 繊維強化システムの複雑な製造方法（鋳造を除く）
- 限られたサービス経験
MMCの作業が1950年代後半に始まって以来、マトリックスと補強材の多数の組み合わせが試みられている。開発の初期段階、および他の重要なシステムは間違いなく出てくるでしょう。
増援：MMC増援は五つの主要なカテゴリに分けることができます: 連続繊維、不連続繊維、ウィスカー、微粒子、およびワイヤ。 金属であるワイヤーを除いて、補強は一般に製陶術である。
主要な連続繊維には、ホウ素、グラファイト（炭素）、アルミナ、炭化ケイ素が含まれます。 ホウ素繊維は、タングステンコア上にこの材料の化学蒸着（CVD）によって作られています。 炭素コアも使用されています。 これらの比較的厚い単繊維は4.0、5.6、および8.0ミル直径で利用できる。 高温でホウ素と金属との間で起こり得る反応を遅らせるために、炭化ケイ素または炭化ホウ素などの材料の繊維コーティングが使用されることが
炭化ケイ素単繊維は、タングステンまたは炭素コアを使用して、CVDプロセスによっても製造される。 製造業者によって炭化ケイ素として示される日本のmultifilamentヤーンはまた市販されています。 しかし，有機金属前駆体繊維の熱分解によって作られたこの材料は，純粋な炭化ケイ素からはほど遠いものであり，その特性は単繊維炭化ケイ素の特性とは大きく異なる。
連続アルミナ繊維は複数のサプライヤーから入手可能です。 様々な繊維の化学組成および特性は著しく異なる。 グラファイト繊維は、ポリアクリロニトリル（PAN）と石油ピッチの二つの前駆体材料から作られています。 石炭ベースのピッチから黒鉛繊維を作る努力が進行中である。 強さおよび係数の広い範囲が付いているグラファイト繊維は利用できます。
この時点での主要な不連続繊維補強材は、アルミナとアルミナ-シリカです。 どちらももともと絶縁材料として開発されました。 主なウィスカー材料は炭化ケイ素である。 米国の主要な商業製品は、籾殻の熱分解によって作られています。 主微粒子の補強の炭化ケイ素およびほう素の炭化物は商業研摩剤工業から、得られます。 炭化ケイ素の微粒子はまたこの材料のひげを作るのに使用されるプロセスの副産物として作り出されます。
金属マトリックスを補強するために、タングステン、ベリリウム、チタン、モリブデンなどの多くの金属線が使用されています。 現在、最も重要なワイヤ補強材は、超合金中のタングステンワイヤおよび銅マトリックス中にニオブ-チタンおよびニオブ-スズを組み込んだ超伝導材料である。 上で引用される補強は現時点で最も重要である。 他の多くは、最後の数十年にわたって試みられており、まだ他の人は間違いなく将来的に開発されます。
マトリックス材料と主要複合材料：多数の金属がマトリックスとして使用されています。 最も重要なのは、アルミニウム、チタン、マグネシウム、銅合金および超合金であった。
最も重要なMMCシステムは次のとおりです:
- アルミニウムマトリックス
- 連続繊維:ホウ素、炭化ケイ素、アルミナ、グラファイト
- 不連続繊維:アルミナ、アルミナ-シリカ
- ウィスカ:炭化ケイ素
- 微粒子:炭化ケイ素、炭化ホウ素
- マグネシウムマトリックス
- 連続繊維:グラファイト、アルミナ
- ウィスカー:炭化ケイ素
- 微粒子:炭化ケイ素、炭化ホウ素
- チタンマトリックス
- 連続繊維：炭化ケイ素、被覆ホウ素
- 微粒子: 炭化チタン
- 銅マトリックス
- 連続繊維：グラファイト、炭化ケイ素
- ワイヤ：ニオブ-チタン、ニオブ-スズ
- 微粒子：炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化チタン。
- 超合金マトリックス
- ワイヤー：タングステン
特徴および設計考察:Mmcの優秀な機械特性は使用を運転する。 しかし、MMCsの重要な特徴は、マトリックス材料、補強材、および層の向きを適切に選択することにより、特定の設計のニーズを満たすために部品の特性を調整することが可能であることです。
例えば、広い範囲で、ある方向の強度や剛性、別の方向の膨張係数などを指定することができます。 これはモノリシック材料ではほとんど不可能です。
モノリシック金属は等方性、つまりすべての方向で同じ特性を持つ傾向があります。 しかしながら、圧延のようないくつかのプロセスは、異方性を付与することができ、その結果、特性は方向に応じて変化する。 モノリシック金属の応力-ひずみ挙動は、典型的には弾性-塑性である。 ほとんどの構造金属にかなりの延性およびひびの靭性があります。
多種多様なMmcには、大きく異なる特性があります。 その特性に影響を与える要因は次のとおりです:
- 補強特性、形状、および幾何学的配置
- 補強体積分率
- 多孔性の影響を含むマトリックス特性
- 補強-マトリックス界面特性
- 複合材の熱的および機械的履歴に起因する残留応力
- 高温での化学反応に起因する補強材の劣化、および加工、衝撃などによる機械的損傷の可能性がある。
粒子強化Mmcは、モノリシック金属のように、等方性である傾向があります。 しかし、脆い補強材やおそらく金属酸化物の存在は、それらの延性および破壊靭性を低下させる傾向がある。 継続的な開発は、これらの欠陥のいくつかを減らすことができます。
ウィスカーで補強された材料の特性は、その向きに強く依存します。 ランダムに配向したウィスカーは等方性材料を生成する。 しかし、押出のようなプロセスは、ウィスカーを配向させることができ、異方性をもたらす。 ひげはまた延性およびひびの靭性を減らします。
整列した繊維で補強されたMmcは異方性を有する。 それらは、それらに対して垂直よりも繊維の方向において強く、より硬い。 しかし、単方向Mmc（すべての繊維を1つの軸に平行に配向させた材料）の横方向の強度および剛性は、補強材および支柱などの部品に使用するのに十分 これは、横方向の補強なしで使用することはほとんどできないPmcよりもMmcの主な利点の一つです。
金属マトリックスの弾性率と強度は、ほとんどの強化繊維の弾性率と強度と比較して重要であるため、複合挙動への寄与が重要です。 Ｍｍｃの応力-ひずみ曲線は，マトリックスの降伏に起因する有意な非線形性を示すことが多い。
繊維強化金属の挙動に大きな影響を与えるもう一つの要因は、二つの成分間の膨張係数の差が頻繁に大きいことです。 これにより、複合材料が大幅な温度変化を受けると、大きな残留応力が発生する可能性があります。 実際には、処理温度からのクールダウン中に、マトリックスの熱応力は、多くの場合、降伏を引き起こすのに十分に深刻です。 大きな残留応力は、機械的負荷によっても生成することができる。
繊維状のMmcは、非線形性を示す応力-ひずみ曲線を有することがありますが、Pmcと同様に本質的に脆性材料です。 応力集中を低減するための延性がない場合、接合部の設計は重要な設計上の考慮事項になります。 Mmcを接合する多数の方法は冶金および重合体の結合および機械締める物を含んで、開発されました。
製造方法：製造方法は、MMCsを含むすべての構造材料の設計プロセスの重要な部分です。 この重要な分野ではかなりの作業が進行中です。 既存のプロセスの大幅な改善と新しいプロセスの開発が可能性が高いようです。
現在の方法は、一次と二次の二つの主要なカテゴリに分けることができます。 第一次製作方法が要素からのMMCを作成するのに使用されている。 得られた材料は、所望の最終構成に近い形態であってもよく、または成形、圧延、冶金接合、および機械加工などの二次製造と呼ばれるかなりの追加の処 使用されるプロセスは、補強とマトリックスのタイプに依存します。
重要な考慮事項は、金属を溶融して形成するのに必要な高温での一次および二次処理中に補強材とマトリックスの間で起こり得る反応である。 これらは、様々なプロセスによって組み合わせることができる成分の種類に制限を課す。 時々、障壁のコーティングは補強に首尾よく適用することができ他では余りに反応であるマトリックスと結合されるようにそれらがする。 例えば、炭化ホウ素のようなコーティングの適用は、チタンを補強するためにホウ素繊維の使用を可能にする。 マトリックスと補強の間の潜在的な反作用は、塗られた物また、MMCsがサービスで服従するかもしれない時間の温度そして対応する長さの評価の重要な規
ホウ素や炭化ケイ素などの比較的大径の単繊維繊維は、箔間の平行繊維の層をホットプレスすることによって金属マトリックスに組み込まれ、単層テープを作成しました。 この操作では、金属は繊維のまわりで流れ、拡散の結合は起こる。 同じ手順を使用して、特定の設計の剛性および強度要件を満たすために指定された方向に配向した繊維の層を有する拡散結合積層体を製造するこ いくつかの例では、積層板は、二次的な操作と考えることができるもので単層テープをホットプレスすることによって製造される。
単層テープは、コリメートされた繊維に金属プラズマを噴霧した後、ホットプレスすることによっても製造される。 構造形状は、ダイ内の積層板のクリープおよび超塑性成形によって作製することができる。 別のプロセスはダイスおよび熱い出版物に繊維およびunbondedホイルをアセンブリ置くことです。
スペースシャトルで使用されるホウ素/アルミニウム支柱は、マンドレルの周りに包まれた単層箔から製造され、箔層を一緒に拡散結合し、同時に、複合積層体をチタンエンドフィッティングに拡散結合するためにホット等静的にプレスされる。
複合材料は、液体金属を布に浸透させるか、プリフォームと呼ばれる事前に配置された繊維状の構成によって作ることができます。 多くの場合、セラミックまたは有機バインダー材料は、繊維を所定の位置に保持するために使用される。 後者は浸潤前または浸潤中に燃え尽きる。 浸潤は、真空、圧力、またはその両方の下で実施することができる。 マトリックスによる繊維の湿潤を促進し、多孔性を減少させる圧力浸潤は、しばしばスクイーズ鋳造と呼ばれる。
鋳造Mmcは現在、一貫してネットまたはネットネット形状、改善された剛性と強度、および従来の製造技術との互換性を提供しています。 それらは他の方法によって作り出されるそれらより費用でまた一貫して低く、製作者の広い範囲から利用でき、大きく、小さい部品の寸法安定性を提
例えば、Duralcanは”アイスクリームミキサー”技術とプロセスコントロールを開発し、年間最大25万ポンドのアルミニウム複合ビレットを生産しています。 消失型鋳造法は複雑な、網形の部品にDuralcanの鋼片を投げるためにCercastで変更された。 圧力鋳造はAlcoaで例外的な特性が付いている網の形を作り出す、pressureless浸潤はlanxide Corp.で網形の部品を製造するのに使用されているが。
現時点では、グラファイト/アルミニウムおよびグラファイト/マグネシウム複合材料の製造に使用される最も一般的な方法は浸潤によるものです。 グラファイト糸は、最初に適用されている可能性のあるサイジングを燃焼させるために炉を通過する。 次に、マトリックスによる濡れを促進するチタンとホウ素のコーティングを適用するCVDプロセスを経ます。 それからそれはすぐに溶解した金属の浴室か噴水を通り、”ワイヤーとして知られている繊維の浸透した束を作り出します。”プレートやその他の構造形状は、モノフィラメントで行われるように、箔の間にワイヤを配置し、それらを押すことによって二次操作で生成されます。 “空気安定した”コーティングの最近の開発は中間ステップとして”ワイヤー”のための必要性を除去する鋳造のような他の浸潤プロセスの使用を、可能にす 他のアプローチは開発中です。
チタンマトリックス複合材料の特に重要な二次製造方法は、超塑性成形/拡散接合（SPF/DB）です。 製造コストを削減するために、引き抜きやホットロールボンディングなどの連続プロセスが開発されています。
三つの基本的な方法は、ウィスカーと粒子強化Mmcを作るために使用されています。 二つは粉末金属を使用し、もう一つは液体金属のアプローチを使用しており、その詳細は独自のものです。
二つの粉体-金属プロセスは、主に成分の混合方法が異なります。 一方はボールミルを使用し、他方は混合を助けるために液体を使用し、その後除去される。 混合物は鋼片にそれから熱い押されます。
二次プロセスは、圧延、押出、紡糸、鍛造、クリープ成形、機械加工など、モノリシック金属のものと同様です。 補強が非常に困難であるため、後者はいくつかの困難を提起します。
