Metal matris kompozit - Metal matrix composite

Bir metal matris kompozit ( MMC ) , biri zorunlu olarak metal olan, diğer malzeme farklı bir metal veya seramik veya organik bileşik gibi başka bir malzeme olabilecek en az iki bileşen parçasına sahip kompozit malzemedir . En az üç malzeme mevcut olduğunda buna hibrit kompozit denir . Bir MMC, bir sermet için tamamlayıcıdır .

Kompozisyon

MMC'ler, bir takviye malzemesinin bir metal matris içine dağıtılmasıyla yapılır. Matris ile kimyasal reaksiyonu önlemek için takviye yüzeyi kaplanabilir. Örneğin, düşük yoğunluklu ve yüksek mukavemetli kompozitleri sentezlemek için alüminyum matriste yaygın olarak karbon fiberler kullanılır . Bununla birlikte, alüminyum karbon reaksiyona girer bir kırılgan ve suda çözünür bir bileşik oluşturmak için , Al 4 C 3 lifin yüzeyi üzerinde. Bu reaksiyonu önlemek için karbon fiberler nikel veya titanyum borür ile kaplanır .

Matris

Matris, takviyenin gömülü olduğu monolitik malzemedir ve tamamen süreklidir. Bu, birbirine sıkıştırılmış iki malzemenin aksine, matris boyunca malzemedeki herhangi bir noktaya giden bir yol olduğu anlamına gelir. Yapısal uygulamalarda, matris genellikle alüminyum , magnezyum veya titanyum gibi daha hafif bir metaldir ve takviye için uyumlu bir destek sağlar. Yüksek sıcaklık uygulamalarında kobalt ve kobalt-nikel alaşım matrisleri yaygındır.

Güçlendirme

Takviye malzemesi bir matrise gömülür. Takviye her zaman tamamen yapısal bir göreve hizmet etmez (bileşiği takviye eder), aynı zamanda aşınma direnci , sürtünme katsayısı veya termal iletkenlik gibi fiziksel özellikleri değiştirmek için kullanılır . Takviye sürekli veya süreksiz olabilir. Süreksiz MMC'ler izotropik olabilir ve ekstrüzyon, dövme veya haddeleme gibi standart metal işleme teknikleri ile çalışılabilir. Ek olarak, geleneksel teknikler kullanılarak işlenebilirler, ancak genellikle çok kristalli elmas takımların (PCD) kullanımına ihtiyaç duyarlar.

Sürekli takviye, monofilament teller veya karbon fiber veya silisyum karbür gibi fiberler kullanır . Lifler belirli bir yönde matris içine gömüldükleri için, sonuç, malzemenin hizalanmasının mukavemetini etkilediği bir anizotropik yapıdır. İlk MMC'lerden biri, takviye olarak bor filamenti kullandı . Süreksiz takviye "bıyık" , kısa lifler veya parçacıklar kullanır. Bu kategorideki en yaygın takviye malzemeleri alümina ve silisyum karbürdür .

İmalat ve şekillendirme yöntemleri

MMC üretimi üç türe ayrılabilir: katı, sıvı ve buhar.

katı hal yöntemleri

  • Toz harmanlama ve konsolidasyon ( toz metalurjisi ): Toz metal ve süreksiz takviye karıştırılır ve daha sonra bir sıkıştırma, gazdan arındırma ve termo-mekanik işlem (muhtemelen sıcak izostatik presleme (HIP) veya ekstrüzyon yoluyla ) yoluyla birleştirilir.
  • Folyo difüzyon yapıştırma: Metal folyo katmanları uzun liflerle sıkıştırılır ve daha sonra bir matris oluşturmak için preslenir

Sıvı hal yöntemleri

  • Elektrokaplama ve elektro şekillendirme: Güçlendirici parçacıklarla yüklü metal iyonları içeren bir çözelti, kompozit bir malzeme oluşturacak şekilde birlikte biriktirilir.
  • Karıştırma dökümü : Kesintili takviye, katılaşmasına izin verilen erimiş metale karıştırılır
  • Basınç sızması: Erimiş metal, gaz basıncı gibi bir tür basınç kullanılarak donatıya sızar.
  • Sıkıştırarak döküm : Erimiş metal, içine önceden yerleştirilmiş liflerle bir forma enjekte edilir.
  • Sprey biriktirme: Erimiş metal, sürekli bir fiber alt tabaka üzerine püskürtülür.
  • Reaktif işleme: Reaktanlardan biri matrisi, diğeri ise takviyeyi oluşturan kimyasal bir reaksiyon meydana gelir.

Yarı katı hal yöntemleri

  • Yarı katı toz işleme: Toz karışımı yarı katı hale gelene kadar ısıtılır ve kompozitleri oluşturmak için basınç uygulanır.

Buhar birikimi

Yerinde üretim tekniği

  • Bir ötektik alaşımın kontrollü tek yönlü katılaşması , matriks içinde dağıtılmış lameller veya fiber formda bulunan fazlardan biri ile iki fazlı bir mikro yapı ile sonuçlanabilir.

artık stres

MMC'ler, fiber/matris arayüzünün difüzyon bağlanması için temel bir koşul olan yüksek sıcaklıklarda üretilir. Daha sonra ortam sıcaklığına soğutulduklarında , metal matris ve fiberin katsayıları arasındaki uyumsuzluk nedeniyle kompozitte artık gerilmeler (RS) oluşur. Üretim RS'si, tüm yükleme koşullarında MMC'lerin mekanik davranışını önemli ölçüde etkiler. Bazı durumlarda, termal RS, imalat işlemi sırasında matris içinde plastik deformasyonu başlatacak kadar yüksektir.

Uygulamalar

  • Yüksek performanslı tungsten karbür kesici takımlar , sert tungsten karbür parçacıklarını yapıştıran sert bir kobalt matrisinden yapılmıştır ; daha düşük performanslı aletler , matris olarak bronz gibi diğer metalleri kullanabilir .
  • Bazı tank zırhları , çok sert olduğu ve erimiş çelikte çözünmediği için çelik için iyi bir takviye olan , muhtemelen bor nitrür ile güçlendirilmiş çelik olan metal matris kompozitlerinden yapılabilir .
  • Bazı otomotiv disk frenleri MMC'ler kullanır. İlk Lotus Elise modelleri alüminyum MMC rotorları kullanıyordu, ancak bunlar optimum ısı özelliklerinden daha azına sahipler ve Lotus o zamandan beri dökme demire geri döndü. Porsche tarafından üretilenler gibi modern yüksek performanslı spor arabalar , yüksek özgül ısı ve termal iletkenliği nedeniyle silikon karbür matris içinde karbon fiberden yapılmış rotorlar kullanır . 3M , dökme demire kıyasla ağırlığı yarı yarıya azaltan ve benzer sertliği koruyan, dökme alüminyum disk fren kaliperlerini güçlendirmek için önceden şekillendirilmiş bir alüminyum matris ara parçası geliştirdi. 3M ayrıca AMC itme çubukları için alümina ön kalıpları kullanmıştır .
  • Ford , bir Metal Matris Kompozit (MMC) tahrik mili yükseltmesi sunar. MMC tahrik mili, ataleti azaltarak tahrik milinin kritik hızının yükseltilmesine izin veren, bor karbür ile güçlendirilmiş bir alüminyum matristen yapılmıştır . MMC tahrik mili, yarışçılar için yaygın bir modifikasyon haline geldi ve en yüksek hızın standart bir alüminyum tahrik milinin güvenli çalışma hızlarının çok ötesine çıkarılmasına izin verdi.
  • Honda de dahil olmak üzere bazı motorları olarak kullanılan alüminyum metal matriks kompozit silindir gömlekleri, sahip B21A1 , H22A ve H23A , F20C ve F22C ve C32B kullanılan SX .
  • Toyota o zamandan beri , daha sonraki Lotus Lotus Elise S2 versiyonlarında kullanılan Yamaha tarafından tasarlanan 2ZZ-GE motorunda ve aynı adı taşıyan Toyota Matrix de dahil olmak üzere Toyota otomobil modellerinde metal matris kompozitleri kullandı . Porsche ayrıca Boxster ve 911'de motorun silindir manşonlarını güçlendirmek için MMC'ler kullanır .
  • F-16 Mücadele Falcon jet yapısal bir bileşeni için bir titanyum matris içinde tek filamanlı silikon karbid elyafları kullanır iniş takımı .
  • Specialized Bicycles , birkaç yıldır sınıfının en iyisi bisiklet çerçeveleri için alüminyum MMC bileşikleri kullanıyor . Griffen Bicycles ayrıca bor karbür-alüminyum MMC bisiklet çerçeveleri yaptı ve Univega da kısaca bunu yaptı.
  • Radyo Frekans Dörtlü Kutupları (RFQ'lar) veya elektron hedefleri gibi parçacık hızlandırıcılardaki bazı ekipmanlar, bakırın malzeme özelliklerini yüksek sıcaklıklarda ve radyasyon seviyelerinde korumak için Glidcop gibi bakır MMC bileşikleri kullanır .
  • Dymalloy olarak bilinen, hacimce %55 elmas parçacıkları içeren bakır - gümüş alaşım matrisi , çok yüksek termal iletkenliği nedeniyle elektronikte yüksek güçlü, yüksek yoğunluklu çok çipli modüller için bir substrat olarak kullanılır . AlSiC , benzer uygulamalar için bir alüminyum- silikon karbür kompozitidir.
  • Alüminyum - Grafit kompozitler, yüksek ısıl iletkenlikleri , ayarlanabilir ısıl genleşme katsayısı ve düşük yoğunlukları nedeniyle güç elektroniği modüllerinde kullanılmaktadır .

MMC'ler, değiştirdikleri daha geleneksel malzemelerden neredeyse her zaman daha pahalıdır. Sonuç olarak, geliştirilmiş özelliklerin ve performansın ek maliyeti haklı çıkarabileceği yerlerde bulunurlar. Bugün bu uygulamalar çoğunlukla uçak bileşenlerinde, uzay sistemlerinde ve üst düzey veya "butik" spor ekipmanlarında bulunur. Üretim maliyetleri azaldıkça uygulamaların kapsamı kesinlikle artacaktır.

Geleneksel polimer matrisli kompozitlerle karşılaştırıldığında, MMC'ler yangına dayanıklıdır, daha geniş sıcaklık aralığında çalışabilir, nemi emmez , daha iyi elektriksel ve termal iletkenliğe sahiptir, radyasyon hasarına karşı dirençlidir ve gaz çıkışı göstermez . Öte yandan, MMC'ler daha pahalı olma eğilimindedir, fiber takviyeli malzemelerin üretilmesi zor olabilir ve mevcut kullanım deneyimi sınırlıdır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar