금속 매트릭스 복합 재료는 우주 왕복선,상업용 여객기,전자 기판,자전거,자동차,골프 클럽 및 기타 다양한 용도로 사용되거나 프로토 타이핑됩니다. 대다수가 알루미늄 매트릭스 복합재이지만 초합금,티타늄,구리,마그네슘 또는 철의 매트릭스 특성이 필요한 응용 분야가 증가하고 있습니다.
모든 복합재료와 마찬가지로 알루미늄-매트릭스 복합재는 단일 재료가 아니라 강성,강도,밀도 및 열적 및 전기적 특성을 조정할 수있는 재료 군입니다. 매트릭스 합금,보강재,보강재의 부피 및 형상,보강재의 위치 및 제조 방법은 모두 필요한 특성을 달성하기 위해 다양 할 수 있습니다. 그러나 변형에 관계없이 알루미늄 복합 재료는 대부분의 다른 복합 재료에 비해 저렴한 비용의 이점을 제공합니다. 또한 우수한 열전 도성,높은 전단 강도,우수한 내마모성,고온 작동,불연성,연료 및 용제에 의한 최소한의 공격,기존 장비에서 성형 및 처리 할 수있는 능력을 제공합니다.
주조,분말 야금,보강재의 현장 개발 및 호일 및 섬유 프레스 기술로 생산됩니다. 지속적으로 높은 품질의 제품을 대량으로 사용할 수 있으며 주요 생산자는 생산을 확대하고 가격을 낮 춥니 다. 그들은 브레이크 회전자에서,피스톤 및 다른 자동 성분,뿐 아니라 골프 클럽,자전거,기계장치 성분,전자 기질,내밀린 각 및 수로 및 다양한 다른 구조상과 전자 신청 적용됩니다.
텅스텐 합금 섬유로 강화 된 초합금 복합 재료는 1,830 이상의 온도를 작동 제트 터빈 엔진의 구성 요소에 대한 개발되고있다.
흑연/구리 복합 재료는 재단 가능한 특성을 가지며 공기 중의 고온에 유용하며 우수한 기계적 특성과 높은 전기 및 열 전도성을 제공합니다. 그들은 강철과 비교된 티타늄 및 저밀도와 비교하여 더 쉬운 가공을 제안합니다. 연성 초전도체는 니오브-티타늄의 구리 및 초전도 필라멘트의 매트릭스로 제조되었습니다. 텅스텐 입자 또는 산화 알루미늄 입자로 강화 된 구리는 방열판 및 전자 포장에 사용됩니다.
탄화 규소 섬유로 강화 된 티타늄은 국가 항공 우주 비행기의 피부 소재로 개발 중입니다. 스테인리스,공구 강철 및 인코넬은 티타늄 탄화물 입자로 강화되고 끌기 반지와 다른 고열,부식 저항하는 성분으로 날조된 모체 물자 중 입니다.
모 놀리 식 금속에 비해:
- 더 높은 강도-밀도 비율
- 더 높은 강성-밀도 비율
- 더 나은 피로 저항
- 더 나은 높은 온도 특성
- –더 높은 강도
- –더 낮은 크리프 속도
- 더 낮은 열팽창 계수
- 더 나은 내마모성
폴리머 매트릭스 복합재에 비해 밀리미터 단위의 장점은 다음과 같습니다:
- 더 높은 온도 기능
- 내화성
- 더 높은 가로 강성 및 강도
- 습기 흡수 없음
- 더 높은 전기 및 열 전도도
- 더 나은 방사선 저항
- 가스 방출 없음
- 기존의 금속 가공 장비로 위스커 및 미립자 강화 밀리미터 단위의 제조성.
모 놀리 식 금속 및 폴리머 매트릭스 복합재에 비해 밀리미터 단위의 단점 중 일부는 다음과 같습니다:
- 일부 재료 시스템의 높은 비용
- 상대적으로 미성숙 한 기술
- 섬유 강화 시스템의 복잡한 제조 방법(주조 제외)
- 제한된 서비스 경험
1950 년대 후반에 시작된 이래 수많은 매트릭스와 보강재의 조합이 시도되었습니다.개발의 초기 단계에 여전히,그리고 다른 중요한 시스템은 의심 할 여지없이 나타날 것입니다.
보강재:보강재는 5 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다: 연속 섬유,불연속 섬유,수염,미립자 및 전선. 금속 인 전선을 제외하고 보강재는 일반적으로 세라믹입니다.
주요 연속 섬유는 붕소,흑연(탄소),알루미나 및 탄화 규소를 포함한다. 붕소 섬유는 텅스텐 코어에이 물질의 화학 기상 증착에 의해 만들어집니다. 탄소 코어 또한 사용되었습니다. 이 상대적으로 두꺼운 모노 필라멘트는 4.0,5.6 및 8.0 밀 직경으로 제공됩니다. 고온에서 붕소와 금속 사이에서 일어날 수있는 반응을 지연시키기 위해 실리콘 카바이드 또는 붕소 카바이드와 같은 재료의 섬유 코팅이 때때로 사용됩니다.
탄화 규소 모노 필라멘트는 텅스텐 또는 탄소 코어를 사용하여 제조된다. 그것의 제조자에 의해 실리콘 탄화물로 지정된 일본 멀티필라멘트 털실은 또한,상업적으로 이용 가능합니다. 그러나 유기 금속 전구체 섬유의 열분해에 의해 만들어진이 물질은 순수한 탄화 규소와는 거리가 멀고 그 특성은 모노 필라멘트 탄화 규소의 특성과 크게 다릅니다.
연속 알루미나 섬유는 여러 공급 업체에서 구할 수 있습니다. 다양한 섬유의 화학적 조성 및 특성은 크게 다릅니다. 흑연 섬유는 폴리 아크릴로 니트릴(팬)과 석유 피치의 두 가지 전구체 재료로 만들어집니다. 석탄 기반 피치에서 흑연 섬유를 만드는 노력이 진행 중입니다. 다양한 강도 및 계수를 가진 흑연 섬유를 사용할 수 있습니다.
현재 주요한 불연속 섬유 보강재는 알루미나 및 알루미나-실리카이다. 둘 다 원래 절연 재료로 개발되었습니다. 주요 수염 재료는 실리콘 카바이드입니다. 미국의 주요 상용 제품은 쌀 선체의 열분해에 의해 만들어집니다. 핵심 미립자 보강재 인 실리콘 카바이드 및 붕소 카바이드는 상업용 연마재 산업에서 얻습니다. 탄화 규소 미립자는 또한이 물질의 수염을 만드는 데 사용되는 공정의 부산물로 생산됩니다.
텅스텐,베릴륨,티타늄 및 몰리브덴을 포함한 다수의 금속 와이어가 금속 매트릭스를 보강하는 데 사용되었습니다. 현재 가장 중요한 와이어 보강재는 초합금의 텅스텐 와이어와 구리 매트릭스에 니오브-티타늄 및 니오브-주석을 포함하는 초전도 재료입니다. 위에서 언급한 지원군은 현재 가장 중요하다. 많은 다른 사람은 지난 수십 년 동안 시도 된,여전히 다른 사람은 의심 할 여지없이 미래에 개발 될 것이다.
매트릭스 재료 및 주요 복합 재료:수많은 금속이 매트릭스로 사용되었습니다. 가장 중요한 것은 알루미늄,티타늄,마그네슘,구리 합금 및 초합금입니다.
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- 알루미늄 매트릭스
- 연속 섬유:붕소,탄화 규소,알루미나,흑연
- 불연속 섬유:알루미나,알루미나-실리카
- 수염:탄화 규소
- 미립자:탄화 규소,탄화 붕소
- 마그네슘 매트릭스
- 연속 섬유:흑연,알루미나
- 수염:실리콘 카바이드
- 미립자:실리콘 카바이드,붕소 카바이드
- 티타늄 매트릭스
- 연속 섬유:실리콘 카바이드,코팅 붕소
- 미립자: 티타늄 카바이드
- 구리 매트릭스
- 연속 섬유:흑연,실리콘 카바이드
- 와이어:니오브-티타늄,니오브-주석
- 미립자:실리콘 카바이드,붕소 카바이드,티타늄 카바이드.
- 초합금 매트릭스
- 와이어:텅스텐
특성 및 설계 고려 사항:우수한 기계적 특성이 그 사용을 유도합니다. 그러나 다른 복합재료들과 공유되는 복합재료의 중요한 특징은 매트릭스 재료,보강재 및 층 방향의 적절한 선택을 통해 특정 설계의 요구를 충족시키기 위해 부품의 특성을 조정할 수 있다는 것입니다.
예를 들어,넓은 한계 내에서 한 방향으로 강도 및 강성,다른 방향으로 팽창 계수 등을 지정할 수 있습니다. 이는 모 놀리 식 재료로는 거의 불가능합니다.
모 놀리 식 금속은 등방성,즉 모든 방향에서 동일한 특성을 갖는 경향이 있습니다. 그러나 압연과 같은 일부 프로세스는 이방성을 부여 할 수 있으므로 속성이 방향에 따라 달라질 수 있습니다. 모 놀리 식 금속의 응력-변형 거동은 일반적으로 탄성 플라스틱입니다. 대부분의 구조용 금속은 상당한 연성과 파괴 인성을 가지고 있습니다.
다종다양한 다종다양한 다종다양한 특성을 가지고 있다. 그들의 특성에 영향을 미치는 요인은 다음과 같습니다:
- 보강 특성,형태 및 기하학적 배열
- 보강 부피 분율
- 다공성의 영향을 포함하는 매트릭스 특성
- 보강-매트릭스 인터페이스 특성
- 복합 재료의 열적 및 기계적 이력으로 인한 잔류 응력
- 고온에서의 화학 반응으로 인한 보강재의 열화 가능성 및 가공,충격 등으로 인한 기계적 손상
모 놀리 식 금속과 같이 미립자 강화 된 밀리미터는 등방성 인 경향이 있습니다. 그러나 취성 보강재 및 아마도 금속 산화물의 존재는 연성 및 파괴 인성을 감소시키는 경향이 있습니다. 개발을 계속하면 이러한 결함 중 일부를 줄일 수 있습니다.
위스커로 강화된 재료의 특성은 그 방향에 크게 의존한다. 무작위로 배향 된 수염은 등방성 물질을 생성합니다. 그러나 압출과 같은 공정은 위스커의 방향을 정할 수 있으므로 이방성 특성이 발생합니다. 위스커는 또한 연성과 파괴 인성을 감소시킵니다.
정렬 된 섬유로 강화 된 밀리미터 이방성 특성을 갖는다. 그들은 그들에 수직 보다는 섬유의 방향에서 더 강하고 더 뻣뻣합니다. 그러나 단방향 밀리미터(모든 섬유가 하나의 축에 평행하게 배향 된 재료)의 횡 방향 강도 및 강성은 보강재 및 스트럿과 같은 구성 요소에 사용하기에 충분히 좋습니다. 이는 횡 방향 보강 없이는 거의 사용할 수 없습니다.
금속 매트릭스의 계수와 강도는 대부분의 보강 섬유의 계수와 관련하여 중요하기 때문에 복합 거동에 대한 기여가 중요합니다. 응력-변형률 곡선은 종종 행렬의 산출로 인한 상당한 비선형 성을 보여줍니다.
섬유 강화 금속의 거동에 중요한 영향을 미치는 또 다른 요인은 두 성분 사이의 팽창 계수의 자주 큰 차이입니다. 이것은 그들이 뜻깊은 온도 변화를 복종시킬 때 합성물에 있는 큰 잔류 응력을 일으키는 원인이 될 수 있습니다. 사실,처리 온도에서 냉각하는 동안 매트릭스 열 응력은 종종 열매를 산출 할 정도로 심각합니다. 기계적 하중에 의해 큰 잔류 응력이 발생할 수도 있습니다.
섬유상 밀리미터 응력 곡선은 일부 비선형성을 나타내는 응력-변형률 곡선을 가질 수 있지만,이들은 본질적으로 부서지기 쉬운 물질이다. 응력 집중을 줄이기 위한 연성이 없을 경우,조인트 설계는 중요한 설계 고려 사항이 됩니다. 야금 및 고분자 결합 및 기계적 패스너를 포함하여 수많은 결합 방법이 개발되었습니다.
제작 방법:제작 방법은 모든 구조 재료에 대한 설계 프로세스의 중요한 부분입니다. 이 중요한 영역에서 상당한 작업이 진행 중입니다. 기존 프로세스의 상당한 개선 및 새로운 프로세스의 개발 가능성이 나타납니다.
현재 방법은 기본 및 보조의 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다. 1 차 제조 방법은 그 구성 요소에서 제조법을 만드는 데 사용됩니다. 생성 된 재료는 원하는 최종 구성에 가까운 형태 일 수도 있고,성형,압연,야금 결합 및 가공과 같은 2 차 제조라고 불리는 상당한 추가 처리가 필요할 수도 있습니다. 사용되는 프로세스는 보강 및 매트릭스 유형에 따라 다릅니다.
중요한 고려 사항은 금속을 녹여 형성하는 데 필요한 고온에서 1 차 및 2 차 가공 중에 보강재와 매트릭스 사이에서 발생할 수있는 반응입니다. 이들은 각종 과정에 의해 결합될 수 있는 성분의 종류에 제한을 부과한다. 때때로,장벽 코팅은 보강재에 성공적으로 적용될 수 있어,그렇지 않으면 너무 민감할 모체와 결합되는 것을 그(것)들이 허용하. 예를 들면,붕소 탄화물과 같은 코팅의 신청은 붕소 섬유의 사용을 티타늄을 강화하기 위하여 허용합니다. 매트릭스와 보강재 사이의 잠재적인 반응,심지어 코팅된 반응도,또한 온도 및 그에 상응하는 시간 길이를 평가하는 중요한 기준입니다.
붕소 및 탄화 규소와 같은 비교적 큰 직경의 모노 필라멘트 섬유는 포일 사이에 평행 섬유 층을 핫 프레싱하여 단층 테이프를 생성함으로써 금속 매트릭스에 통합되었습니다. 이 작업에서 금속은 섬유 주위로 흐르고 확산 결합이 발생합니다. 동일한 절차는 특정한 디자인을 위한 뻣뻣함과 힘 요구에 응하기 위하여 지정된 방향에서 동쪽으로 향하게 한 섬유의 층을 가진 유포 접착된 합판 제품을 일으키기 위하여 이용될 수 있습니다. 경우에 따라 라미네이트는 2 차 작업으로 간주 될 수있는 핫 프레스 단층 테이프에 의해 생산됩니다.
단층 테이프는 또한 시준 된 섬유에 금속 플라즈마를 분사 한 다음 핫 프레싱하여 생산됩니다. 구조상 모양은 거푸집에 있는 합판 제품의 포복 그리고 플라스틱 형성에 의해 날조될 수 있습니다. 다른 과정은 거푸집 및 뜨거운 압박에 있는 섬유와 결합되지 않은 포일을 집합 두기 위한 것입니다.
우주 왕복선에 사용되는 붕소/알루미늄 스트럿은 맨드릴 주위를 감싸는 단층 포일로부터 제조되고,열간 등압 압착되어 포일 층을 함께 확산 결합하며,동시에 복합 라미네이트를 티타늄 단부 피팅에 확산 결합한다.
복합 재료는 액체 금속을 직물에 침투 시키거나 프리폼이라고 불리는 미리 조정 된 섬유질 구성으로 만들 수 있습니다. 자주,세라믹 유기 바인더 물자는 위치에 있는 섬유를 붙들기 위하여 이용됩니다. 후자는 침투 전 또는 침투 중에 연소됩니다. 침투는 진공,압력 또는 둘 다 하에서 수행 될 수 있습니다. 매트릭스에 의해 섬유의 습윤을 촉진하고 다공성을 감소시키는 압력 침투는 종종 스퀴즈 주조라고합니다.
이제 캐스트메모닉은 그물망 또는 그물망 형상,향상된 강성 및 강도,그리고 기존의 제조 기술과의 호환성을 일관되게 제공합니다. 그들은 또한 다른 방법에 의해 생성한 그들 보다는 비용에서 일관되게 더 낮,날조자의 광범위에서 유효하,크고 작은 부속 둘 다에 있는 차원 안정성을 제안합니다.
예를 들어,두랄칸은”아이스크림 믹서”기술 및 공정 제어를 개발하여 연간 최대 2,500 만 파운드의 알루미늄 복합 빌렛을 생산합니다. 인베스트먼트 주조는 두랄칸 빌렛을 복잡한 그물 모양의 부품으로 주조하기 위해 서캐스트에서 수정되었습니다. 알코아에서 압력 주조는 탁월한 특성을 가진 그물 모양을 생산하고,랑사이드 주식회사에서 압력 없는 침투를 사용하여 그물 모양 구성 요소를 제작합니다.
현재 흑연/알루미늄 및 흑연/마그네슘 복합체를 만드는 데 사용되는 가장 일반적인 방법은 침투입니다. 흑연 털실은 로를 통해서 첫째로 적용될지도 모르다 어떤 정립든지 떨어져 점화하기 위하여 통과됩니다. 다음 그것은 매트릭스에 의해 젖음을 촉진 하는 티타늄과 붕 소의 코팅을 적용 하는 공정으로 간다. 그런 다음 즉시 목욕 또는 용융 금속의 분수를 통과,”와이어로 알려진 섬유의 침투 번들을 생산.”판과 다른 구조상 모양은 포일 사이 철사를 두고 모노필라멘트로 행해지는 것과 같이,그(것)들을 눌러서 이차 가동에서 생성합니다. “공기 안정”코팅의 최근 개발은 주조와 같은 다른 침투 공정의 사용을 허용하여 중간 단계로서”전선”의 필요성을 제거합니다. 다른 접근 방식이 개발 중입니다.
티타늄 매트릭스 복합재의 특히 중요한 2 차 제조 방법은 초플라스틱 성형/확산 결합이다. 제조 비용을 줄이기 위해 인발 성형 및 핫 롤 본딩과 같은 연속 공정이 개발되고 있습니다.
위스커 및 미립자 강화 밀리미터 제조에는 세 가지 기본 방법이 사용되고 있다. 두 가지 사용 분말 금속;다른 하나는 액체 금속 접근 방식을 사용하며 세부 사항은 독점적입니다.
두 가지 분말-금속 공정은 주로 성분들이 혼합되는 방식이 다르다. 하나는 볼 밀을 사용하고,다른 하나는 믹싱을 돕기 위해 액체를 사용하며,이는 이후에 제거됩니다. 그런 다음 혼합물을 빌렛으로 뜨거운 압착합니다.
2 차 공정은 압연,압출,방적,단조,크리프 성형 및 가공을 포함한 모놀리식 금속의 공정과 유사합니다. 후자는 증원이 매우 어렵 기 때문에 몇 가지 어려움을 낳습니다.
