Металломатричный композит
В материаловедении композит с металлической матрицей ( MMC ) представляет собой композиционный материал с волокнами или частицами, диспергированными в металлической матрице , такой как медь , алюминий или сталь . Вторичная фаза обычно представляет собой керамику (например, оксид алюминия или карбид кремния ) или другой металл (например, сталь). [1] ). Их обычно классифицируют по типу армирования : короткие прерывистые волокна (усы), непрерывные волокна или частицы. Существует некоторое совпадение между MMC и керметами , причем последний обычно состоит из менее 20% металла по объему. Когда присутствуют как минимум три материала, его называют гибридным композитом . MMC могут иметь гораздо более высокое соотношение прочности к весу , [2] жесткость и пластичность , чем традиционные материалы, поэтому они часто используются в требовательных приложениях. ММК обычно имеют более низкую тепло- и электропроводность и плохую устойчивость к радиации. [ нужна ссылка ] , ограничивая их использование в самых суровых условиях.
Состав
[ редактировать ]ММК изготавливаются путем диспергирования армирующего материала в металлическую матрицу. На поверхность армирования можно нанести покрытие, предотвращающее химическую реакцию с матрицей. Например, углеродные волокна обычно используются в алюминиевой матрице для синтеза композитов, обладающих низкой плотностью и высокой прочностью. хрупкое и водорастворимое соединение Al 4 C 3 Однако углерод реагирует с алюминием, образуя на поверхности волокна . Чтобы предотвратить эту реакцию, углеродные волокна покрывают боридом никеля или титана .
Матрица
[ редактировать ]Матрица представляет собой монолитный материал, в который заделана арматура, и является полностью сплошным. Это означает, что существует путь через матрицу к любой точке материала, в отличие от двух материалов, сложенных вместе. В конструкционных применениях матрица обычно представляет собой более легкий металл, такой как алюминий , магний или титан , и обеспечивает полную поддержку арматуры. В высокотемпературных применениях обычно используются матрицы из кобальта и сплавов кобальта и никеля.
Армирование
[ редактировать ]Армирующий материал встроен в матрицу. Армирование не всегда выполняет чисто структурную задачу (упрочнение соединения), но также используется для изменения физических свойств, таких как износостойкость , коэффициент трения или теплопроводность . Армирование может быть как непрерывным, так и прерывистым. Прерывистые ММК могут быть изотропными , и их можно обрабатывать стандартными методами металлообработки, такими как экструзия, ковка или прокатка. Кроме того, их можно обрабатывать обычными методами, но обычно требуется использование поликристаллического алмазного инструмента (PCD).
Для непрерывного армирования используются моноволоконные проволоки или волокна, такие как углеродное волокно или карбид кремния . Поскольку волокна внедряются в матрицу в определенном направлении, в результате получается анизотропная структура, в которой выравнивание материала влияет на его прочность. На одной из первых ГМК в качестве армирования использовалась борная нить. В прерывистом армировании используются «усы» , короткие волокна или частицы. Наиболее распространенными армирующими материалами этой категории являются оксид алюминия и карбид кремния . [3]
Методы изготовления и формовки
[ редактировать ]Производство MMC можно разделить на три типа: твердое, жидкое и парообразное.
Твердотельные методы
[ редактировать ]- Смешивание и консолидация порошков ( порошковая металлургия ): металлический порошок и прерывистая арматура смешиваются, а затем соединяются посредством процесса уплотнения, дегазации и термомеханической обработки (возможно, посредством горячего изостатического прессования (HIP) или экструзии ).
- Диффузионное соединение фольги: слои металлической фольги соединяются длинными волокнами, а затем продавливаются, образуя матрицу.
Методы жидкого состояния
[ редактировать ]- Гальваника и гальванопластика: раствор, содержащий ионы металлов, наполненные армирующими частицами, осаждается совместно с образованием композитного материала.
- Литье с перемешиванием : прерывистую арматуру перемешивают с расплавленным металлом, которому дают возможность затвердеть.
- Пропитка под давлением: расплавленный металл проникает в арматуру под действием определенного рода давления, например давления газа.
- Литье под давлением : расплавленный металл впрыскивается в форму с предварительно помещенными внутри нее волокнами.
- Нанесение распылением: расплавленный металл распыляется на подложку из непрерывного волокна.
- Реактивная обработка: происходит химическая реакция , в которой один из реагентов образует матрицу, а другой — армирование.
Полутвердотельные методы
[ редактировать ]- Обработка полутвердого порошка: Порошковая смесь нагревается до полутвердого состояния и применяется давление для формирования композитов. [4] [5] [6]
Осаждение паров
[ редактировать ]- Физическое осаждение из паровой фазы : волокно пропускают через густое облако испаренного металла, покрывающего его.
Технология изготовления на месте
[ редактировать ]- Контролируемое однонаправленное затвердевание эвтектического сплава может привести к образованию двухфазной микроструктуры, в которой одна из фаз присутствует в пластинчатой или волокнистой форме, распределенной в матрице. [7]
Остаточное напряжение
[ редактировать ]ММК изготавливаются при повышенных температурах, что является необходимым условием диффузионной сварки границы раздела волокно/матрица. В дальнейшем, при их охлаждении до температуры окружающей среды, в композите возникают остаточные напряжения (RS) из-за несоответствия коэффициентов металлической матрицы и волокна. Производственные ОС существенно влияют на механическое поведение ММК при любых условиях нагружения. В некоторых случаях термические RS достаточно высоки, чтобы инициировать пластическую деформацию матрицы в процессе производства. [8]
Влияние на механические свойства
[ редактировать ]Добавление керамических частиц в целом увеличивает прочность материала, но при этом снижает пластичность материала. Например, композит Al-Al 2 O 3 позволяет повысить предел текучести литых сплавов Al 6061 со 105 до 120 МПа и повысить модуль Юнга с 70 до 95 ГПа. [9] Однако композит оказал негативное влияние на пластичность, снизив ее с 10% до 2%. В конечном счете, увеличение модуля упругости является значительным, поскольку металлы получают преимущество более высокой удельной жесткости керамики, сохраняя при этом некоторую пластичность . [10] [11] Металломатричные композиты также позволяют существенно повысить износостойкость и твердость алюминиевых сплавов. Было обнаружено, что частицы Al 2 O 3 значительно повышают износостойкость сплава Al-Si, а частицы SiO 2 значительно повышают твердость сплава Al-Mg. [12] [13] Это применяется в легких, износостойких сплавах для изнашиваемых компонентов, таких как гильзы поршней в автомобильных двигателях. Современные алюминиевые сплавы мягкие и часто требуют твердых и тяжелых чугунных гильз, что снижает преимущества легких алюминиевых двигателей.
В вязкости разрушения композитов обычно преобладают металлические фазы; однако в зависимости от системы материалов в нем также может преобладать керамическая фаза или расслоение. [14] Например, система Cu/Al 2 O 3 имеет большое несоответствие теплового расширения , вызывающее локализованные напряжения, способствующие распространению трещин в форме расслоения. Это значительно снижает его вязкость разрушения по сравнению с другими составами. Al/Al 2 O 3 В сонепрерывной системе трещина распространялась через керамическую фазу и отклонялась при достижении границы раздела с металлическими фазами. В результате потребовалось больше энергии для отклонения трещины вокруг фаз, и композит значительно упрочнился. В целом, вязкость разрушения во многом зависит от состава MMC из-за термического несоответствия и режимов трещин, но может повысить ударную вязкость композитов с низким термическим несоответствием.
ММК укрепляют материалы от пластичности по ряду причин. Первый – это прямая передача нагрузки на более прочные керамические частицы. [15] Второе связано с различием пластической деформации двух компонентов. Это приводит к тому , что дислокация прижимается к более сильным частицам и огибает их, продолжая двигаться. Дислокации обычно вызывают пластическую деформацию из-за меньшей энергии для их перемещения, а не из-за перемещения всей плоскости атомов. Следовательно, их закрепление вызывает значительное увеличение энергии и напряжения, необходимых для пластической деформации (см. Дисперсионное упрочнение ). Последний механизм вызван напряжением из-за термического и когерентного несоответствия. [16] Это создает поле напряжений, которое захватывает дислокации, образуя скопления, которые еще больше препятствуют пластической деформации.
Приложения
[ редактировать ] |
- Высокопроизводительные из карбида вольфрама режущие инструменты изготовлены из прочной кобальтовой матрицы, скрепляющей твердые частицы карбида вольфрама; могут использоваться другие металлы, например бронза . В инструментах с более низкими характеристиками в качестве матрицы
- Броня некоторых танков может быть изготовлена из композитов с металлической матрицей, вероятно, из стали, армированной нитридом бора , который является хорошим армированием стали, поскольку он очень жесткий и не растворяется в расплавленной стали.
- В некоторых автомобильных дисковых тормозах используются MMC. В ранних моделях Lotus Elise использовались алюминиевые роторы MMC, но они имели неоптимальные тепловые свойства, и с тех пор Lotus снова перешел на чугун. В современных высокопроизводительных спортивных автомобилях , например, построенных Porsche , используются роторы из углеродного волокна с матрицей из карбида кремния из-за его высокой удельной теплоемкости и теплопроводности. Компания 3M разработала предварительно отформованную алюминиевую матричную вставку для усиления литых алюминиевых суппортов дисковых тормозов. [17] снижение веса вдвое по сравнению с чугуном при сохранении аналогичной жесткости. Компания 3M также использовала преформы из оксида алюминия для толкателей AMC . [18]
- Ford из металломатрицы (MMC) предлагает модернизацию карданного вала . Карданный вал MMC изготовлен из алюминиевой матрицы, армированной карбидом бора , что позволяет повысить критическую скорость карданного вала за счет уменьшения инерции. Карданный вал MMC стал обычной модификацией для гонщиков, позволяющей увеличить максимальную скорость, намного превышающую безопасную рабочую скорость стандартного алюминиевого карданного вала.
- Honda использовала композитные гильзы цилиндров с алюминиевой матрицей в некоторых своих двигателях, включая B21A1 , H22A и H23A , F20C и F22C , а также C32B, используемый в NSX .
- С тех пор Toyota использовала композиты с металлической матрицей в Yamaha разработанном двигателе 2ZZ-GE, , который используется в более поздних версиях Lotus Lotus Elise S2 , а также в моделях автомобилей Toyota, включая одноименный Toyota Matrix . Porsche также использует MMC для усиления гильз цилиндров двигателя в Boxster и 911 .
- В F-16 Fighting Falcon самолета используются моноволокна карбида кремния в титановой матрице в качестве структурного компонента шасси .
- Компания Specialized Bicycles использует алюминиевые соединения MMC для своих велосипедных уже несколько лет рам высшего класса. Griffen Bicycles также производила велосипедные рамы MMC из карбида бора и алюминия, и некоторое время Univega тоже занималась этим.
- Некоторое оборудование в ускорителях частиц, такое как радиочастотные квадруполи (RFQ) или электронные мишени, использует соединения меди MMC, такие как Glidcop, для сохранения свойств материала меди при высоких температурах и уровнях радиации. [19] [20]
- Матрица из медно - серебряного сплава, содержащая 55% по объему алмазных частиц, известная как Dymalloy , используется в качестве подложки для мощных многочиповых модулей высокой плотности в электронике из-за ее очень высокой теплопроводности. AlSiC — это композит алюминия и карбида кремния, предназначенный для аналогичных применений.
- Алюминий - графитовые композиты используются в силовых электронных модулях из-за их высокой теплопроводности , регулируемого коэффициента теплового расширения и низкой плотности .
ММК почти всегда дороже, чем более традиционные материалы, которые они заменяют. В результате их можно найти там, где улучшенные свойства и производительность могут оправдать дополнительные затраты. Сегодня эти приложения чаще всего встречаются в компонентах самолетов, космических системах и элитном или «эксклюзивном» спортивном оборудовании. Область применения, безусловно, увеличится по мере снижения производственных затрат.
По сравнению с традиционными композитами на полимерной матрице ММК устойчивы к возгоранию, могут работать в более широком диапазоне температур, не впитывают влагу , обладают лучшей электро- и теплопроводностью, устойчивы к радиационному повреждению , не проявляют газовыделения . С другой стороны, ММК, как правило, более дорогие, армированные волокнами материалы могут быть сложны в изготовлении, а имеющийся опыт их использования ограничен.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гопи Кришна, М.; Правин Кумар, К.; Нага Свапна, М.; Бабу Рао, Дж.; Бхаргава, NRMR (2018). «Композиты металл-металл – инновационный путь многократного упрочнения». Материалы сегодня: Труды . 4 (8): 8085–8095. дои : 10.1016/j.matpr.2017.07.148 . ISSN 2214-7853 .
- ^ Дитер, Джордж Э. (1986). Механическая металлургия (3-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 220–226. ISBN 0-07-016893-8 . OCLC 12418968 .
- ^ Материаловедение и инженерия, введение . Уильям Д. Каллистер-младший, 7-е издание, издательство Wiley and Sons
- ^ Ву, Юфэн; Зазор; Ким, Ён (2011). «Алюминиевый композит, армированный углеродными нанотрубками, изготовленный методом обработки полутвердого порошка». Журнал технологии обработки материалов . 211 (8): 1341–1347. дои : 10.1016/j.jmatprotec.2011.03.007 .
- ^ Ву, Юфэн; Ён Ким, Гэп; и др. (2010). «Изготовление композита Al6061 с высоким содержанием частиц SiC путем обработки полутвердого порошка». Акта Материалия . 58 (13): 4398–4405. дои : 10.1016/j.jmatprotec.2011.03.007 .
- ^ Ву, Юфэн; Ён Ким, Гэп; и др. (2015). «Поведение при уплотнении бинарной порошковой смеси Al6061 и SiC в мягком состоянии». Журнал технологии обработки материалов . 216 : 484–491. дои : 10.1016/j.jmatprotec.2014.10.003 .
- ^ Технология направленного осаждения из паровой фазы (DVD) Университета Вирджинии.
- ^ Агдам, ММ; Морсали, СР (01 января 2014 г.). Остаточные напряжения в композиционных материалах . Издательство Вудхед. стр. 233–255. ISBN 9780857092700 .
- ^ Парк, Б.Г.; Кроски, АГ; Хеллиер, АК (1 мая 2001 г.). «Характеристика материалов и механические свойства металломатричных композитов Al2O3-Al» . Журнал материаловедения . 36 (10): 2417–2426. дои : 10.1023/A:1017921813503 . ISSN 1573-4803 .
- ^ Су, Джин Ю; Ли, Ён-Су; Шим, Джэ Хёк; Пак, Хун Мо (январь 2012 г.). «Прогнозирование упругих свойств дисперсионно-твердеющих алюминиевых литейных сплавов» . Вычислительное материаловедение . 51 (1): 365–371. дои : 10.1016/j.commatsci.2011.07.061 . ISSN 0927-0256 .
- ^ Эшби, Майк (2005). Выбор материалов в механическом проектировании (3-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн: Амстердам.
- ^ Мегахед, М.; Сэйбер, Д.; Агва, Массачусетс (01 октября 2019 г.). «Моделирование износа металломатричных композитов Al–Si/Al2O3» . Физика металлов и металлография . 120 (10): 981–988. дои : 10.1134/S0031918X19100089 . ISSN 1555-6190 .
- ^ Бхатт, Дж.; Балачандер, Н.; Шехер, С.; Картикеян Р.; Пешве, ДР; Мурти, бакалавр наук (сентябрь 2012 г.). «Синтез наноструктурированных металломатричных композитов Al–Mg–SiO2 методами высокоэнергетического шарового измельчения и искрово-плазменного спекания» . Журнал сплавов и соединений . 536 : S35–S40. дои : 10.1016/j.jallcom.2011.12.062 . ISSN 0925-8388 .
- ^ Агравал, Парул; Сан, Коннектикут (июль 2004 г.). «Перелом металлокерамических композитов» . Композитные науки и технологии . 64 (9): 1167–1178. doi : 10.1016/j.compscitech.2003.09.026 . ISSN 0266-3538 .
- ^ Чавла, Н.; Шен, Ю.-Л. (июнь 2001 г.). «Механическое поведение композитов с металлической матрицей, армированных частицами» . Передовые инженерные материалы . 3 (6): 357–370. doi : 10.1002/1527-2648(200106)3:6<357::AID-ADEM357>3.0.CO;2-I . ISSN 1438-1656 .
- ^ Храйши, Тарик А.; Ян, Линкан; Шен, Ю-Лин (июнь 2004 г.). «Динамическое моделирование взаимодействия дислокаций и разбавленных концентраций частиц в композитах металл-матрица (ММК)» . Международный журнал пластичности . 20 (6): 1039–1057. дои : 10.1016/j.ijplas.2003.10.003 . ISSN 0749-6419 .
- ^ Вставки из алюминиево-матричного композита (AMC) для усиленных тормозных суппортов (в архиве)
- ^ Отраслевые решения - Композиты с металлической матрицей - Высокопроизводительные, высокопрочные композитные материалы с металлической матрицей (в архиве)
- ^ Ратти, А.; Р. Гоф; М. Хофф; Р. Келлер; К. Кеннеди; Р. МакГилл; Дж. Стейплс (1999). «Прототип модуля SNS RFQ» (PDF) . Материалы конференции по ускорителям частиц 1999 г. (кат. № 99CH36366) . Том. 2. С. 884–886. Бибкод : 1999pac..conf..884R . дои : 10.1109/PAC.1999.795388 . ISBN 978-0-7803-5573-6 . S2CID 110540693 . Архивировано из оригинала (PDF) 26 марта 2010 г. Проверено 9 марта 2009 г.
- ^ Мотидзуки, Т.; Ю. Сакурай; Д. Шу; ТМ Кузай; Х. Китамура (1998). «Проектирование компактных поглотителей для ондуляторных линий рентгеновского излучения с высокой тепловой нагрузкой на источнике-8» (PDF) . Журнал синхротронного излучения . 5 (4): 1199–1201. дои : 10.1107/S0909049598000387 . ПМИД 16687820 . Архивировано (PDF) из оригинала 26 июля 2011 г.