kompozyty Metal-matrix są w użyciu lub prototypowania dla promu kosmicznego, komercyjnych samolotów, podłoży elektronicznych, rowerów, samochodów, klubów golfowych i wielu innych zastosowań. Podczas gdy zdecydowana większość to kompozyty z matrycą aluminiową, rosnąca liczba zastosowań wymaga właściwości matrycy nadstopów, tytanu, miedzi, magnezu lub żelaza.
podobnie jak wszystkie kompozyty, kompozyty z matrycą aluminiową nie są pojedynczym materiałem, ale rodziną materiałów, których sztywność, wytrzymałość, gęstość oraz właściwości termiczne i elektryczne mogą być dostosowane. Stop matrycy, materiał wzmacniający, objętość i kształt zbrojenia, lokalizacja zbrojenia i Metoda produkcji mogą być zmieniane w celu uzyskania wymaganych właściwości. Niezależnie od wariacji, kompozyty aluminiowe oferują przewagę niskich kosztów nad większością innych MMC. Ponadto oferują doskonałą przewodność cieplną, wysoką wytrzymałość na ścinanie, doskonałą odporność na ścieranie, pracę w wysokiej temperaturze, niepalność, minimalny atak paliw i rozpuszczalników oraz zdolność do formowania i obróbki na konwencjonalnym sprzęcie.
aluminiowe MMC są produkowane przez odlewanie, metalurgię proszków, rozwój in situ wzmocnień oraz techniki prasowania folii i włókien. Stale wysokiej jakości produkty są obecnie dostępne w dużych ilościach, a główni producenci zwiększają produkcję i obniżają ceny. Są one stosowane w wirnikach hamulcowych, tłokach i innych elementach samochodowych, a także klubach golfowych, rowerach, elementach maszyn, podłożach elektronicznych, wytłaczanych kątach i kanałach oraz szerokiej gamie innych zastosowań strukturalnych i elektronicznych.
kompozyty Nadstopowe wzmocnione włóknami stopu wolframu są opracowywane dla komponentów w silnikach turbin odrzutowych, które działają w temperaturach powyżej 1830 °F.
kompozyty grafitowo-miedziowe mają właściwości dostosowujące, są przydatne w wysokich temperaturach powietrza i zapewniają doskonałe właściwości mechaniczne, a także wysoką przewodność elektryczną i cieplną. Oferują łatwiejszą obróbkę w porównaniu z tytanem i mniejszą gęstość w porównaniu ze stalą. Nadprzewodniki sferoidalne zostały wykonane z matrycy miedzi i włókien nadprzewodzących niobu-tytanu. Miedź wzmocniona cząstkami wolframu lub cząstkami tlenku glinu jest stosowana w radiatorach i opakowaniach elektronicznych.
Tytan wzmocniony włóknami z węglika krzemu jest w trakcie opracowywania jako materiał skórny dla krajowego samolotu lotniczego. Stale nierdzewne, Stale narzędziowe i Inconel należą do materiałów matrycowych wzmocnionych cząstkami węglika tytanu i wytworzonych w pierścienie ciągnące i inne elementy odporne na korozję w wysokiej temperaturze.
w porównaniu do metali monolitycznych MMC mają:
- wyższy stosunek wytrzymałości do gęstości
- wyższy stosunek sztywności do gęstości
- lepsza odporność na zmęczenie
- lepsze właściwości podwyższonej temperatury
- — Wyższa wytrzymałość
- — niższa szybkość pełzania
- niższe współczynniki rozszerzalności cieplnej
- lepsza odporność na zużycie
zalety MMCs w stosunku do kompozytów z matrycą polimerową to:
- wyższa zdolność temperaturowa
- Odporność ogniowa
- wyższa sztywność poprzeczna i wytrzymałość
- brak absorpcji wilgoci
- wyższa Przewodność elektryczna i cieplna
- lepsza odporność na promieniowanie
- brak odgazowania
- możliwość wykonania mmc z wąsami i wzmocnionymi cząstkami stałymi za pomocą konwencjonalnego sprzętu do obróbki metalu.
niektóre wady MMCs w porównaniu do monolitycznych metali i kompozytów z matrycą polimerową to:
- wyższy koszt niektórych systemów materiałowych
- stosunkowo niedojrzała technologia
- złożone metody produkcji systemów wzmocnionych włóknami (z wyjątkiem odlewania)
- ograniczone doświadczenie serwisowe
od czasu rozpoczęcia prac nad MMC pod koniec lat 50. technologia MMC jest jeszcze we wczesnych stadiach rozwoju i niewątpliwie pojawią się inne ważne systemy.
wzmocnienia: wzmocnienia MMC można podzielić na pięć głównych kategorii: włókna ciągłe, włókna nieciągłe, wąsy, cząstki stałe i przewody. Z wyjątkiem drutów, które są metalami, wzmocnieniami są zazwyczaj ceramika.
kluczowe włókna ciągłe obejmują Bor, grafit (węgiel), tlenek glinu i węglik krzemu. Włókna boru są wytwarzane przez chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) tego materiału na rdzeniu wolframowym. Zastosowano również rdzenie węglowe. Te stosunkowo grube monofilamenty są dostępne w średnicach 4,0, 5,6 i 8,0 mil. Aby opóźnić reakcje, które mogą zachodzić między borem a metalami w wysokiej temperaturze, czasami stosuje się powłoki z włókien materiałów takich jak węglik krzemu lub węglik boru.
monofilamenty z węglika krzemu są również wytwarzane w procesie CVD, przy użyciu rdzenia wolframowego lub węglowego. Japońska przędza multifilamentowa, oznaczona przez producenta jako węglik krzemu, jest również dostępna w handlu. Materiał ten, wytwarzany przez pirolizę metaloorganicznych włókien prekursorowych, jest daleki od czystego węglika krzemu, a jego właściwości znacznie różnią się od właściwości monofilamentowego węglika krzemu.
włókna ciągłe z tlenku glinu są dostępne u kilku dostawców. Skład chemiczny i właściwości różnych włókien są znacznie różne. Włókna grafitowe wykonane są z dwóch materiałów prekursorowych, poliakrylonitrylu (PAN) i Paku naftowego. Trwają prace nad wytwarzaniem włókien grafitowych z Paku węglowego. Dostępne są włókna grafitowe o szerokim zakresie wytrzymałości i modułów.
wiodącymi nieciągłymi wzmocnieniami włókien w tym czasie są tlenek glinu i tlenek glinu-krzemionka. Oba pierwotnie zostały opracowane jako materiały izolacyjne. Głównym materiałem do wąsania jest węglik krzemu. Wiodącym amerykańskim produktem handlowym jest piroliza łusek ryżu. Węglik krzemu i węglik boru, kluczowe wzmocnienia cząstek stałych, są pozyskiwane z przemysłu komercyjnych materiałów ściernych. Cząstki węglika krzemu są również wytwarzane jako produkt uboczny procesu stosowanego do wytwarzania wąsów tego materiału.
wiele metalowych drutów, w tym wolframu, berylu, tytanu i molibdenu, zostało użytych do wzmocnienia matryc metalowych. Obecnie najważniejszymi wzmocnieniami drutu są drut wolframowy w nadstopach i materiały nadprzewodzące zawierające niob-tytan i niob-cynę w matrycy miedzianej. Wspomniane wyżej wzmocnienia są w tej chwili najważniejsze. Wiele innych zostało wypróbowanych w ciągu ostatnich kilku dekad, a jeszcze inne niewątpliwie zostaną opracowane w przyszłości.
materiały matrycowe i kluczowe kompozyty: liczne metale zostały użyte jako matryce. Najważniejsze były stopy aluminium, tytanu, magnezu i miedzi oraz nadstopów.
najważniejsze systemy MMC to:
- matryca Aluminiowa
- włókna ciągłe: Bor, węglik krzemu, tlenek glinu, grafit
- włókna przerywane: tlenek glinu, tlenek krzemu
- wąsy: węglik krzemu
- cząstki: węglik krzemu, węglik boru
- Matryca magnezowa
- włókna ciągłe: grafit, tlenek glinu
- wąsy: węglik krzemu
- cząstki: węglik krzemu, węglik boru
- matryca tytanowa
- włókna ciągłe: węglik krzemu pokryty borem
- cząstki: węglik tytanu
- matryca miedziana
- włókna ciągłe: grafit, węglik krzemu
- druty: niob-Tytan, niob-cyna
- cząstki stałe: węglik krzemu, węglik boru, węglik tytanu.
- matryce Nadstopowe
- druty: wolframowe
charakterystyka i względy konstrukcyjne: doskonałe właściwości mechaniczne MMCs napędzają ich zastosowanie. Ważną cechą MMC i wspólną z innymi kompozytami jest to, że dzięki odpowiedniemu doborowi materiałów matrycowych, wzmocnień i orientacji warstw, możliwe jest dostosowanie właściwości komponentu do potrzeb konkretnego projektu.
na przykład w szerokich granicach można określić wytrzymałość i sztywność w jednym kierunku, współczynnik rozszerzalności w innym i tak dalej. Jest to rzadko możliwe w przypadku materiałów monolitycznych.
metale monolityczne mają tendencję do izotropowości, to znaczy mają te same właściwości we wszystkich kierunkach. Niektóre procesy, takie jak walcowanie, mogą jednak nadawać anizotropię, dzięki czemu właściwości różnią się w zależności od kierunku. Zachowanie naprężeń i odkształceń metali monolitycznych jest zwykle elastyczne-tworzywo sztuczne. Większość metali konstrukcyjnych ma znaczną ciągliwość i odporność na pękanie.
szeroka gama MMC ma właściwości, które różnią się diametralnie. Czynniki wpływające na ich cechy to:
- właściwości zbrojenia, forma i układ geometryczny
- frakcja objętościowa zbrojenia
- właściwości matrycy, w tym skutki porowatości
- Właściwości interfejsu zbrojenie-matryca
- naprężenia szczątkowe wynikające z historii termicznej i mechanicznej kompozytu
- możliwa degradacja zbrojenia w wyniku reakcji chemicznych w wysokich temperaturach oraz uszkodzenia mechaniczne w wyniku obróbki, uderzenia itp.
MMC wzmocnione cząsteczkami, podobnie jak metale monolityczne, mają tendencję do izotropowości. Jednak obecność kruchych wzmocnień i być może tlenków metali ma tendencję do zmniejszania ich ciągliwości i odporności na pękanie. Dalszy rozwój może zmniejszyć niektóre z tych niedociągnięć.
właściwości materiałów wzmocnionych wąsami w dużym stopniu zależą od ich orientacji. Losowo zorientowane wąsy wytwarzają materiał izotropowy. Procesy takie jak wytłaczanie mogą jednak orientować wąsy, co skutkuje właściwościami anizotropowymi. Wąsy zmniejszają również ciągliwość i odporność na pękanie.
MMCs wzmocnione wyrównanymi włóknami mają właściwości anizotropowe. Są mocniejsze i sztywniejsze w kierunku włókien niż prostopadłe do nich. Wytrzymałość poprzeczna i sztywność jednokierunkowego MMCs (Materiały mające wszystkie włókna zorientowane równolegle do jednej osi) są jednak często wystarczająco duże, aby można je było stosować w elementach takich jak usztywnienia i rozpórki. Jest to jedna z głównych zalet MMCs w stosunku do PMCs, które rzadko mogą być stosowane bez zbrojenia poprzecznego.
ponieważ moduł i wytrzymałość matryc metalowych są znaczące w odniesieniu do większości włókien wzmacniających, ich wkład w zachowanie kompozytów jest ważny. Krzywe naprężenie-odkształcenie MMCs często wykazują znaczną Nieliniowość wynikającą z uzyskania macierzy.
kolejnym czynnikiem, który ma znaczący wpływ na zachowanie metali wzmocnionych włóknami, jest często duża różnica w współczynniku rozszerzalności między tymi dwoma składnikami. Może to powodować duże naprężenia szczątkowe w kompozytach, gdy są one poddawane znacznym zmianom temperatury. W rzeczywistości, podczas ochłodzenia z temperatury przetwarzania, naprężenia termiczne matrycy są często wystarczająco poważne, aby spowodować plonowanie. Duże naprężenia szczątkowe mogą być również wytwarzane przez obciążenie mechaniczne.
chociaż włókniste MMCs mogą mieć krzywe naprężenia-odkształcenia wykazujące pewną Nieliniowość, są zasadniczo kruchymi materiałami, podobnie jak PMCs. W przypadku braku ciągliwości w celu zmniejszenia stężenia naprężeń, konstrukcja stawowa staje się krytycznym rozważaniem projektowym. Opracowano wiele metod łączenia mmc, W tym łączenie metalurgiczne i polimerowe oraz mechaniczne elementy złączne.
metody wytwarzania: metody wytwarzania są ważną częścią procesu projektowania dla wszystkich materiałów konstrukcyjnych, w tym MMC. W tym krytycznym obszarze trwają znaczne prace. Prawdopodobne wydaje się znaczne usprawnienie istniejących procesów i rozwój nowych.
obecne metody można podzielić na dwie główne kategorie, pierwotną i wtórną. Podstawowe metody wytwarzania są stosowane do tworzenia MMC z jego składników. Otrzymany materiał może być w postaci zbliżonej do pożądanej konfiguracji końcowej lub może wymagać znacznej dodatkowej obróbki, zwanej wtórną produkcją, taką jak formowanie, walcowanie, Wiązanie metalurgiczne i obróbka skrawaniem. Stosowane procesy zależą od rodzaju zbrojenia i matrycy.
krytycznym czynnikiem są reakcje, które mogą wystąpić między wzmocnieniami i matrycami podczas pierwotnego i wtórnego przetwarzania w wysokich temperaturach wymaganych do stopienia i utworzenia metali. Nakładają one ograniczenia na rodzaje składników, które mogą być łączone przez różne procesy. Czasami powłoki barierowe można z powodzeniem nakładać na wzmocnienia, umożliwiając ich łączenie z matrycami, które w przeciwnym razie byłyby zbyt reaktywne. Na przykład zastosowanie powłoki, takiej jak węglik boru, pozwala na użycie włókien boru do wzmocnienia tytanu. Potencjalne reakcje między matrycami i wzmocnieniami, nawet powlekanymi, są również ważnym kryterium oceny temperatur i odpowiadających im długości czasu, którym MMCs może być poddawany podczas pracy.
stosunkowo duże włókna monofilamentowe, takie jak bor i węglik krzemu, zostały włączone do matryc metalowych przez naciśnięcie na gorąco warstwy równoległych włókien między foliami w celu utworzenia taśmy jednowarstwowej. W tej operacji Metal przepływa wokół włókien i zachodzi Wiązanie dyfuzyjne. Ta sama procedura może być stosowana do produkcji laminatów łączonych dyfuzyjnie z warstwami włókien zorientowanymi w określonych kierunkach, aby spełnić wymagania dotyczące sztywności i wytrzymałości dla konkretnego projektu. W niektórych przypadkach laminaty są wytwarzane przez tłoczenie na gorąco taśm jednowarstwowych, co można uznać za operację wtórną.
taśmy jednowarstwowe są również produkowane przez natryskiwanie metalowych plazm na kolimowanych włóknach, a następnie prasowanie na gorąco. Kształty strukturalne mogą być wytwarzane przez pełzanie i superplastyczne formowanie laminatów w matrycy. Alternatywnym procesem jest umieszczenie włókien i niezwiązanych folii w matrycy i prasowanie na gorąco zespołu.
rozpórki boru/aluminium stosowane w promie kosmicznym są wykonane z jednowarstwowych folii owiniętych wokół trzpienia i prasowanych na gorąco izostatycznie, aby wiązać warstwy folii ze sobą i jednocześnie wiązać kompozytowe laminaty z tytanowymi okuciami końcowymi.
kompozyty można wytwarzać przez infiltrację ciekłego metalu w tkaninę lub wstępnie ułożoną włóknistą konfigurację zwaną preformą. Często do utrzymywania włókien stosuje się ceramiczne lub organiczne materiały wiążące. Ta ostatnia jest wypalana przed lub w trakcie infiltracji. Infiltracja może być przeprowadzana pod próżnią, ciśnieniem lub w obu tych warunkach. Infiltracja ciśnieniowa, która sprzyja zwilżaniu włókien przez matrycę i zmniejsza porowatość, jest często nazywana odlewaniem ściskającym.
odlewane MMCs konsekwentnie oferują kształt netto lub netto, zwiększoną sztywność i wytrzymałość oraz kompatybilność z konwencjonalnymi technikami produkcji. Są one również konsekwentnie niższe w kosztach niż te produkowane innymi metodami, są dostępne z szerokiej gamy producentów i oferują stabilność wymiarową zarówno w dużych, jak i małych częściach.
na przykład firma Duralcan opracowała technologię „ice cream mixer” i kontrolę procesu do tego stopnia, że produkuje do 25 milionów funtów rocznie aluminiowych kęsów kompozytowych. Odlewanie inwestycyjne zostało zmodyfikowane w Cercast, aby odlewać kęsy Duralcan na złożone części o kształcie siatki. Odlewanie ciśnieniowe wytwarza kształty siatki o wyjątkowych właściwościach w Alcoa, podczas gdy infiltracja bezciśnieniowa jest używana w Lanxide Corp. do wytwarzania elementów o kształcie siatki.
w chwili obecnej najczęstszą metodą stosowaną do wytwarzania kompozytów grafitowo-aluminiowych i grafitowo-magnezowych jest infiltracja. Przędza grafitowa jest najpierw przepuszczana przez piec, aby spalić dowolny rozmiar, który mógł zostać zastosowany. Następnie przechodzi proces CVD, który nakłada powłokę z tytanu i boru, który sprzyja zwilżaniu przez matrycę. Następnie natychmiast przechodzi przez wannę lub fontannę stopionego metalu, tworząc infiltrowaną wiązkę włókien znaną jako ” drut.”Płyty i inne kształty konstrukcyjne są wytwarzane w operacji wtórnej poprzez umieszczenie drutów między foliami i ich prasowanie, tak jak to ma miejsce w przypadku monofilamentów. Niedawny rozwój powłok ” stabilnych powietrzem „pozwala na zastosowanie innych procesów infiltracji, takich jak odlewanie, eliminując potrzebę stosowania” drutów ” jako etapu pośredniego. Inne podejścia są w trakcie opracowywania.
szczególnie ważną metodą wytwarzania wtórnego kompozytów z matrycą tytanową jest tworzenie superplastyczne / Wiązanie dyfuzyjne (SPF / DB). Aby zmniejszyć koszty produkcji, opracowywane są ciągłe procesy, takie jak pultruzja i łączenie na gorąco.
stosuje się trzy podstawowe metody wytwarzania MMC wzmocnionych wąsami i cząsteczkami. Dwa wykorzystują sproszkowane metale; drugi wykorzystuje podejście ciecz-metal, którego szczegóły są zastrzeżone.
oba procesy proszkowo-metalowe różnią się przede wszystkim sposobem mieszania składników. Jeden wykorzystuje młyn kulowy, drugi wykorzystuje płyn do mieszania, który jest następnie usuwany. Mieszanki są następnie prasowane na gorąco w kęsy.
procesy wtórne są podobne do tych w przypadku metali monolitycznych, w tym walcowania, wytłaczania, przędzenia, kucia, formowania na pełzanie i obróbki skrawaniem. Ten ostatni stwarza pewne trudności, ponieważ wzmocnienia są bardzo trudne.
