compozite metal-matrice sunt fie în uz sau prototipuri pentru naveta spatiala, avioane comerciale, substraturi electronice, biciclete, automobile, cluburi de golf, și o varietate de alte aplicații. În timp ce marea majoritate sunt compozite cu matrice de aluminiu, un număr tot mai mare de aplicații necesită proprietățile matricei superaliajelor, titanului, cuprului, magneziului sau fierului.
ca toate compozitele, compozitele cu matrice de aluminiu nu sunt un singur material, ci o familie de materiale a căror rigiditate, rezistență, densitate și proprietăți termice și electrice pot fi adaptate. Aliajul matricei, materialul de armare, volumul și forma armăturii, locația armăturii și metoda de fabricație pot fi variate pentru a obține proprietățile necesare. Indiferent de variații, totuși, compozitele din aluminiu oferă avantajul unui cost redus față de majoritatea celorlalte MMC-uri. În plus, acestea oferă o conductivitate termică excelentă, rezistență ridicată la forfecare, rezistență excelentă la abraziune, funcționare la temperaturi ridicate, neinflamabilitate, atac minim de combustibili și solvenți și capacitatea de a fi formate și tratate pe echipamente convenționale.
MMC-urile din aluminiu sunt produse prin turnare, metalurgia pulberilor, dezvoltarea in situ a armăturilor și tehnicile de presare a foliilor și fibrelor. Produsele de înaltă calitate sunt acum disponibile în cantități mari, producătorii majori mărind producția și reducând prețurile. Acestea sunt aplicate în rotoare de frână, pistoane și alte componente auto, precum și cluburi de golf, biciclete, componente de mașini, substraturi electronice, unghiuri și canale extrudate și o mare varietate de alte aplicații structurale și electronice.
compozite Superalloy armate cu fibre de aliaj de tungsten sunt dezvoltate pentru componente în motoare cu turbină cu jet care funcționează temperaturi de peste 1,830 unktif.
compozitele grafit/cupru au proprietăți croitorabile, sunt utile la temperaturi ridicate în aer și oferă caracteristici mecanice excelente, precum și conductivitate electrică și termică ridicată. Acestea oferă o prelucrare mai ușoară în comparație cu titanul și o densitate mai mică în comparație cu oțelul. Supraconductorii ductili au fost fabricați cu o matrice de cupru și filamente supraconductoare de niobiu-Titan. Cuprul armat cu particule de tungsten sau particule de oxid de aluminiu este utilizat în chiuvete de căldură și ambalaje electronice.
Titan armat cu fibre de carbură de siliciu este în curs de dezvoltare ca material de piele pentru planul aerospațial Național. Oțelurile inoxidabile, oțelurile de scule și Inconel se numără printre materialele matricei armate cu particule de carbură de titan și fabricate în inele de tragere și alte componente rezistente la coroziune la temperaturi ridicate.
în comparație cu metalele monolitice, MMC-urile au:
- raporturi mai mari rezistență-densitate
- raporturi mai mari rigiditate-densitate
- rezistență mai bună la oboseală
- proprietăți mai bune de temperatură ridicată
- — rezistență mai mare
- — rată de fluaj mai mică
- coeficienți mai mici de dilatare termică
- rezistență mai bună la uzură
avantajele MMC-urilor față de compozitele cu matrice polimerică sunt:
- capacitate de temperatură mai mare
- rezistență la foc
- rigiditate și rezistență transversală mai mari
- fără absorbție de umiditate
- conductivități electrice și termice mai mari
- rezistență mai bună la radiații
- fără degajare
- fabricabilitatea MMC-urilor armate cu mustăți și particule cu echipamente convenționale de prelucrare a metalelor.
unele dintre dezavantajele MMC-urilor în comparație cu metalele monolitice și compozitele cu matrice polimerică sunt:
- cost mai mare al unor sisteme de materiale
- tehnologie relativ imatură
- metode complexe de fabricare a sistemelor armate cu fibre (cu excepția turnării)
- experiență limitată de service
numeroase combinații de matrice și armături au fost încercate de când au început lucrările la MMC la sfârșitul anilor 1950. cu toate acestea, tehnologia MMC este încă în stadii incipiente de dezvoltare, și alte sisteme importante, fără îndoială, vor apărea.
armături: armăturile MMC pot fi împărțite în cinci categorii majore: fibre continue, fibre discontinue, mustăți, particule și fire. Cu excepția firelor, care sunt metale, armăturile sunt în general ceramică.
fibrele continue cheie includ bor, grafit (carbon), alumină și carbură de siliciu. Fibrele de bor sunt realizate prin depunerea chimică a vaporilor (CVD) a acestui material pe un miez de tungsten. De asemenea, au fost utilizate miezuri de Carbon. Aceste monofilamente relativ groase sunt disponibile în diametre de 4,0, 5,6 și 8,0 milioane. Pentru a întârzia reacțiile care pot avea loc între bor și metale la temperaturi ridicate, se folosesc uneori acoperiri cu fibre din materiale precum carbură de siliciu sau carbură de bor.
monofilamentele din carbură de siliciu sunt, de asemenea, realizate printr-un proces CVD, folosind un miez de tungsten sau carbon. Un fir japonez multifilament, desemnat ca carbură de siliciu de către producătorul său, este, de asemenea, disponibil comercial. Acest material, totuși, realizat prin piroliza fibrelor precursoare organometalice, este departe de carbura de siliciu pur și proprietățile sale diferă semnificativ de cele ale carburii de siliciu monofilament.
fibrele de alumină continuă sunt disponibile de la mai mulți furnizori. Compozițiile chimice și proprietățile diferitelor fibre sunt semnificativ diferite. Fibrele de grafit sunt fabricate din două materiale precursoare, poliacrilonitril (PAN) și smoală de petrol. Eforturile de a face fibre de grafit din smoală pe bază de cărbune sunt în curs de desfășurare. Sunt disponibile fibre de grafit cu o gamă largă de puncte forte și moduli.
cele mai importante întăriri discontinue de fibre în acest moment sunt alumina și alumina-silice. Ambele au fost inițial dezvoltate ca materiale izolante. Materialul principal al mustății este carbura de siliciu. Principalul produs comercial din SUA este realizat prin piroliza cojilor de orez. Carbura de siliciu și carbura de bor, armăturile cheie de particule, sunt obținute din industria abrazivă comercială. Particulele de carbură de siliciu sunt, de asemenea, produse ca un produs secundar al procesului utilizat pentru a face mustăți din acest material.
un număr de fire metalice, inclusiv tungsten, beriliu, titan, și molibden au fost folosite pentru a consolida matrici metalice. În prezent, cele mai importante armături de sârmă sunt sârmă de tungsten în superaliaje și materiale supraconductoare care încorporează niobiu-titan și niobiu-staniu într-o matrice de cupru. Întăririle citate mai sus sunt cele mai importante în acest moment. Multe altele au fost încercate în ultimele decenii, iar altele, fără îndoială, vor fi dezvoltate în viitor.
materiale Matriciale și compozite cheie: numeroase metale au fost folosite ca matrice. Cele mai importante au fost aliajele de aluminiu, titan, magneziu și cupru și superaliajele.
cele mai importante sisteme MMC sunt:
- matrice de aluminiu
- fibre continue: bor, carbură de siliciu, alumină, grafit
- fibre discontinue: alumină, alumină-silice
- mustăți: carbură de siliciu
- particule: carbură de siliciu, carbură de bor
- matrice de magneziu
- fibre continue: grafit, alumină
- mustăți: carbură de siliciu
- particule: carbură de siliciu, carbură de bor
- matrice de titan
- fibre continue: carbură de siliciu, bor acoperit
- particule: carbură de titan
- matrice de cupru
- fibre continue: grafit, carbură de siliciu
- Fire: niobiu-titan, niobiu-staniu
- particule: carbură de siliciu, carbură de bor, carbură de titan.
- superaliaj matrice
- Fire: tungsten
caracteristici și considerații de proiectare: proprietățile mecanice superioare ale MMC-urilor determină utilizarea lor. Cu toate acestea, o caracteristică importantă a MMC-urilor și una pe care o împărtășesc cu alte compozite este că, prin selectarea adecvată a materialelor matriciale, a armăturilor și a orientărilor stratului, este posibil să se adapteze proprietățile unei componente pentru a satisface nevoile unui design specific.
de exemplu, în limite largi, este posibil să se precizeze rezistența și rigiditatea într-o direcție, coeficientul de expansiune în alta și așa mai departe. Acest lucru este rareori posibil cu materialele monolitice.
metalele monolitice tind să fie izotrope, adică să aibă aceleași proprietăți în toate direcțiile. Cu toate acestea, unele procese, cum ar fi rularea, pot conferi anizotropie, astfel încât proprietățile variază în funcție de direcție. Comportamentul stres-tulpină al metalelor monolitice este de obicei elastic-plastic. Majoritatea metalelor structurale au ductilitate considerabilă și rezistență la rupere.
marea varietate de MMC-uri au proprietăți care diferă dramatic. Factorii care influențează caracteristicile lor includ:
- Proprietăți de armare ,formă și aranjament geometric
- fracție de volum a armăturii
- proprietăți matrice, inclusiv efectele porozității
- proprietăți interfață armare-matrice
- tensiuni reziduale rezultate din istoricul termic și mecanic al compozitului
- posibilă degradare a armăturii rezultată din reacții chimice la temperaturi ridicate și deteriorări mecanice din prelucrare, impact etc.
MMC-urile armate cu particule, ca și metalele monolitice, tind să fie izotrope. Cu toate acestea, prezența armăturilor fragile și, probabil, a oxizilor metalici tinde să reducă ductilitatea și rezistența la rupere. Dezvoltarea continuă poate reduce unele dintre aceste deficiențe.
proprietățile materialelor întărite cu mustăți depind puternic de orientarea lor. Mustățile orientate aleatoriu produc un material izotrop. Cu toate acestea, procesele precum extrudarea pot orienta mușchii, rezultând proprietăți anizotrope. Mustățile reduc, de asemenea, ductilitatea și rezistența la fractură.
MMC-urile armate cu fibre aliniate au proprietăți anizotrope. Ele sunt mai puternice și mai rigide în direcția fibrelor decât perpendiculare pe ele. Rezistența transversală și rigiditatea MMC-urilor unidirecționale (materiale care au toate fibrele orientate paralel cu o axă), cu toate acestea, sunt frecvent suficient de mari pentru a fi utilizate în componente precum rigidizări și bare. Acesta este unul dintre avantajele majore ale MMC-urilor față de PMC-uri, care rareori pot fi utilizate fără armătură transversală.
deoarece modulul și rezistența matricelor metalice sunt semnificative în raport cu cele ale majorității fibrelor de armare, contribuția lor la comportamentul compozit este importantă. Curbele de tensiune-tulpină ale MMC-urilor prezintă adesea neliniaritate semnificativă rezultată din cedarea matricei.
un alt factor care are un efect semnificativ asupra comportamentului metalelor armate cu fibre este diferența frecvent mare de coeficient de expansiune între cei doi constituenți. Acest lucru poate provoca tensiuni reziduale mari în compozite atunci când sunt supuse unor schimbări semnificative de temperatură. De fapt, în timpul răcirii de la temperaturile de procesare, solicitările termice ale matricei sunt adesea suficient de severe pentru a provoca randament. Tensiunile reziduale mari pot fi, de asemenea, produse prin încărcare mecanică.
deși MMC-urile fibroase pot avea curbe de tensiune-tulpină care prezintă o anumită neliniaritate, ele sunt în esență materiale fragile, la fel ca PMC-urile. În absența ductilității pentru a reduce concentrațiile de stres, proiectarea comună devine o considerație critică de proiectare. Au fost dezvoltate numeroase metode de îmbinare a MMC-urilor, inclusiv lipirea metalurgică și polimerică și elementele de fixare mecanice.
metode de fabricare: metodele de fabricare sunt o parte importantă a procesului de proiectare pentru toate materialele structurale, inclusiv MMC-urile. Se lucrează considerabil în acest domeniu critic. Sunt posibile îmbunătățiri semnificative ale proceselor existente și dezvoltarea altora noi.
metodele actuale pot fi împărțite în două categorii majore, primare și secundare. Metodele primare de fabricație sunt utilizate pentru a crea MMC din constituenții săi. Materialul rezultat poate fi într-o formă apropiată de configurația finală dorită sau poate necesita o prelucrare suplimentară considerabilă, numită fabricare secundară, cum ar fi formarea, laminarea, lipirea metalurgică și prelucrarea. Procesele utilizate depind de tipul de armare și matrice.
o considerație critică sunt reacțiile care pot apărea între întăriri și matrice în timpul procesării primare și secundare la temperaturile ridicate necesare topirii și formării metalelor. Acestea impun limitări asupra tipurilor de constituenți care pot fi combinați prin diferitele procese. Uneori, acoperirile de barieră pot fi aplicate cu succes pe armături, permițându-le să fie combinate cu matrice care altfel ar fi prea reactive. De exemplu, aplicarea unui strat de acoperire, cum ar fi carbura de bor, permite utilizarea fibrelor de bor pentru a întări titanul. Reacțiile potențiale dintre matrice și armături, chiar și cele acoperite, reprezintă, de asemenea, un criteriu important în evaluarea temperaturilor și a lungimilor corespunzătoare de timp la care MMC-urile pot fi supuse în funcțiune.
fibrele monofilament cu diametru relativ mare, cum ar fi borul și carbura de siliciu, au fost încorporate în matricile metalice prin presarea la cald a unui strat de fibre paralele între folii pentru a crea o bandă monostrat. În această operație, metalul curge în jurul fibrelor și are loc legătura de difuzie. Aceeași procedură poate fi utilizată pentru a produce laminate lipite prin difuzie cu straturi de fibre orientate în direcții specificate pentru a îndeplini cerințele de rigiditate și rezistență pentru un anumit design. În unele cazuri, laminatele sunt produse prin presarea la cald a benzilor monostrat în ceea ce poate fi considerat o operație secundară.
benzile monostrat sunt, de asemenea, produse prin pulverizarea plasmelor metalice pe fibre colimate, urmată de presare la cald. Formele structurale pot fi fabricate prin fluaj și formarea superplastică a laminatelor într-o matriță. Un proces alternativ este de a plasa fibre și folii unbonded într-o matriță și apăsați la cald ansamblul.
barele de bor/aluminiu utilizate pe naveta spațială sunt fabricate din folii monostrat înfășurate în jurul unui dorn și presate izostatic la cald pentru a lega prin difuzie straturile de folie împreună și, în același timp, pentru a lega prin difuzie laminatul compozit la fitingurile de capăt din titan.
compozitele pot fi realizate prin infiltrarea metalului lichid într-o țesătură sau configurație fibroasă prestabilită numită preformă. Frecvent, materialele de liant ceramice sau organice sunt utilizate pentru a menține fibrele în poziție. Acesta din urmă este ars înainte sau în timpul infiltrării. Infiltrarea poate fi efectuată sub vid, presiune sau ambele. Infiltrarea sub presiune, care promovează umectarea fibrelor de către matrice și reduce porozitatea, este adesea numită turnare prin stoarcere.
MMC-urile turnate oferă acum în mod constant formă netă sau netă, rigiditate și rezistență îmbunătățite și compatibilitate cu tehnicile convenționale de fabricație. De asemenea, sunt în mod constant mai mici în cost decât cele produse prin alte metode, sunt disponibile dintr-o gamă largă de fabricanți și oferă stabilitate dimensională atât în părțile mari, cât și în cele mici.
de exemplu, Duralcan și-a dezvoltat tehnologia „ice cream mixer” și controalele de proces până la punctul în care produce până la 25 de milioane de lire sterline pe an de semifabricate compozite din aluminiu. Turnarea investițiilor a fost modificată la Cercast pentru a arunca semifabricatele Duralcan în piese complexe, în formă de plasă. Turnarea sub presiune produce forme nete cu proprietăți excepționale la Alcoa, în timp ce infiltrarea fără presiune este utilizată la Lanxide corp.pentru a fabrica componente în formă de plasă.
la momentul actual, cea mai comună metodă utilizată pentru a face grafit/aluminiu și grafit/magneziu compozite este prin infiltrare. Firele de grafit sunt mai întâi trecute printr-un cuptor pentru a arde orice dimensionare care ar fi putut fi aplicată. Apoi trece printr-un proces CVD care aplică un strat de titan și bor care promovează umezirea prin matrice. Apoi trece imediat printr-o baie sau fântână de metal topit, producând un pachet infiltrat de fibre cunoscut sub numele de „sârmă.”Plăcile și alte forme structurale sunt produse într-o operație secundară prin plasarea firelor între folii și presarea lor, așa cum se face cu monofilamentele. Dezvoltarea recentă a acoperirilor ” stabile la aer „permite utilizarea altor procese de infiltrare, cum ar fi turnarea, eliminând necesitatea” firelor ” ca pas intermediar. Alte abordări sunt în curs de dezvoltare.
o metodă de fabricare secundară deosebit de importantă pentru compozitele cu matrice de titan este formarea superplastică/lipirea prin difuzie (SPF/DB). Pentru a reduce costurile de fabricație, se dezvoltă procese continue, cum ar fi pultruzia și lipirea la cald.
trei metode de bază sunt utilizate pentru a face MMC-uri armate cu mustăți și particule. Două folosesc metale pulverulente; cealaltă folosește o abordare lichid-metal, ale cărei detalii sunt proprietare.
cele două procese pulbere-metal diferă în primul rând prin modul în care constituenții sunt amestecați. Unul folosește o moară cu bile, celălalt folosește un lichid pentru a ajuta la amestecare, care este ulterior îndepărtat. Amestecurile sunt apoi presate la cald în semifabricate.
procesele secundare sunt similare cu cele pentru metalele monolitice, inclusiv laminarea, extrudarea, filarea, forjarea, formarea fluajului și prelucrarea. Acesta din urmă prezintă unele dificultăți, deoarece întăririle sunt foarte grele.
