Metallmatrix-Verbundwerkstoff - Metal matrix composite

Ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff ( MMC ) ist ein Verbundmaterial mit mindestens zwei Bestandteilen, von denen eines notwendigerweise ein Metall ist , das andere Material kann ein anderes Metall oder ein anderes Material sein, wie beispielsweise eine Keramik oder eine organische Verbindung . Wenn mindestens drei Materialien vorhanden sind, spricht man von einem Hybridverbund . Ein MMC ist komplementär zu einem Cermet .

Komposition

MMCs werden durch Dispergieren eines Verstärkungsmaterials in einer Metallmatrix hergestellt. Die Verstärkungsfläche kann beschichtet werden, um eine chemische Reaktion mit der Matrix zu verhindern. Beispielsweise werden Kohlenstofffasern üblicherweise in einer Aluminiummatrix verwendet , um Verbundwerkstoffe zu synthetisieren, die eine geringe Dichte und eine hohe Festigkeit aufweisen. Kohlenstoff reagiert jedoch mit Aluminium unter Bildung einer spröden und wasserlöslichen Verbindung Al 4 C 3 auf der Oberfläche der Faser. Um diese Reaktion zu verhindern, werden die Kohlefasern mit Nickel- oder Titanborid beschichtet .

Matrix

Die Matrix ist das monolithische Material, in das die Verstärkung eingebettet ist, und ist vollständig durchgehend. Dies bedeutet, dass es einen Weg durch die Matrix zu jedem Punkt im Material gibt, im Gegensatz zu zwei Materialien, die sandwichartig miteinander verbunden sind. Bei strukturellen Anwendungen ist die Matrix normalerweise ein leichteres Metall wie Aluminium , Magnesium oder Titan und bietet eine nachgiebige Stütze für die Verstärkung. Bei Hochtemperaturanwendungen sind Kobalt- und Kobalt-Nickel-Legierungsmatrizen üblich.

Verstärkung

Das Verstärkungsmaterial ist in eine Matrix eingebettet. Die Bewehrung dient nicht immer einer rein strukturellen Aufgabe (Verstärkung des Compounds), sondern dient auch der Veränderung physikalischer Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit , Reibungskoeffizient oder Wärmeleitfähigkeit . Die Verstärkung kann entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Diskontinuierliche MMCs können isotrop sein und können mit Standard-Metallbearbeitungstechniken wie Strangpressen, Schmieden oder Walzen bearbeitet werden. Darüber hinaus können sie unter Verwendung herkömmlicher Techniken maschinell bearbeitet werden, erfordern jedoch üblicherweise die Verwendung von polykristallinen Diamantwerkzeugen (PCD).

Kontinuierliche Verstärkung verwendet monofile Drähte oder Fasern wie Kohlefasern oder Siliziumkarbid . Da die Fasern in einer bestimmten Richtung in die Matrix eingebettet sind, entsteht eine anisotrope Struktur, bei der die Ausrichtung des Materials seine Festigkeit beeinflusst. Eine der ersten verwendeten MMCs Bor Filament als Verstärkung. Bei diskontinuierlicher Verstärkung werden Schnurrhaare , kurze Fasern oder Partikel verwendet. Die gebräuchlichsten Verstärkungsmaterialien in dieser Kategorie sind Aluminiumoxid und Siliziumkarbid .

Fertigungs- und Umformverfahren

Die MMC-Herstellung kann in drei Arten unterteilt werden – fest, flüssig und dampfförmig.

Festkörpermethoden

  • Pulvermischen und -verfestigen ( Pulvermetallurgie ): Pulverförmiges Metall und diskontinuierliche Verstärkung werden gemischt und dann durch einen Prozess der Verdichtung, Entgasung und thermomechanischen Behandlung (möglicherweise durch heißisostatisches Pressen (HIP) oder Extrusion ) verbunden.
  • Foliendiffusionsbindung: Metallfolienschichten werden mit langen Fasern sandwichartig verbunden und dann zu einer Matrix gepresst

Flüssigzustandsmethoden

  • Galvanisieren und Galvanisieren: Eine Lösung, die mit Verstärkungspartikeln beladene Metallionen enthält, wird gemeinsam abgeschieden, um ein Verbundmaterial zu bilden
  • Rührguss : Diskontinuierliche Verstärkung wird in geschmolzenes Metall eingerührt, das erstarren gelassen wird
  • Druckinfiltration: Durch eine Art Druck wie Gasdruck wird geschmolzenes Metall in die Bewehrung infiltriert
  • Squeeze Casting : Geschmolzenes Metall wird in eine Form gespritzt, in der Fasern vorgelagert sind
  • Sprühauftrag: Geschmolzenes Metall wird auf ein Endlosfasersubstrat gesprüht
  • Reaktive Verarbeitung: Es findet eine chemische Reaktion statt, bei der einer der Reaktanten die Matrix und der andere die Verstärkung bildet

Semi-Solid-State-Methoden

  • Halbfeste Pulververarbeitung: Die Pulvermischung wird bis zum halbfesten Zustand erhitzt und Druck ausgeübt, um die Verbundstoffe zu bilden.

Aufdampfen

In-situ-Fertigungstechnik

  • Eine kontrollierte unidirektionale Erstarrung einer eutektischen Legierung kann zu einer zweiphasigen Mikrostruktur führen, bei der eine der Phasen lamellar oder faserförmig in der Matrix verteilt vorliegt.

Verbleibender Stress

MMCs werden bei erhöhten Temperaturen hergestellt, was eine wesentliche Voraussetzung für das Diffusionsbonden der Faser/Matrix-Grenzfläche ist. Später beim Abkühlen auf Umgebungstemperatur entstehen im Verbund Eigenspannungen (RS) aufgrund der Fehlanpassung der Koeffizienten von Metallmatrix und Faser. Die Fertigungs-RS beeinflussen das mechanische Verhalten der MMCs unter allen Belastungsbedingungen maßgeblich. In einigen Fällen sind die thermischen RS hoch genug, um während des Herstellungsprozesses eine plastische Verformung innerhalb der Matrix einzuleiten.

Anwendungen

  • Hochleistungs- Wolframkarbid- Schneidwerkzeuge bestehen aus einer zähen Kobaltmatrix , die die harten Wolframkarbid-Partikel zementiert; Werkzeuge mit geringerer Leistung können andere Metalle wie Bronze als Matrix verwenden.
  • Einige Panzerpanzer können aus Metallmatrix-Verbundwerkstoffen hergestellt werden, wahrscheinlich mit Bornitrid verstärktem Stahl, der eine gute Verstärkung für Stahl darstellt, da er sehr steif ist und sich nicht in geschmolzenem Stahl auflöst.
  • Einige Automobil- Scheibenbremsen verwenden MMCs. Frühe Lotus Elise- Modelle verwendeten MMC-Rotoren aus Aluminium, aber sie haben weniger als optimale Wärmeeigenschaften, und Lotus hat seitdem wieder auf Gusseisen umgestellt. Moderne Hochleistungssportwagen , wie sie durch eingebaute Porsche , bediente Rotoren aus Kohlefaser in einer Siliciumcarbidmatrix wegen seiner hohen spezifischen Wärme und Wärmeleitfähigkeit. 3M hat einen vorgeformten Aluminium-Matrix-Einsatz zur Verstärkung von Aluminiumguss-Scheibenbremssätteln entwickelt, der das Gewicht im Vergleich zu Gusseisen bei gleicher Steifigkeit um die Hälfte reduziert. 3M hat auch Aluminiumoxid-Preforms für AMC- Stößelstangen verwendet .
  • Ford bietet ein Upgrade der Metal Matrix Composite (MMC) Antriebswelle an . Die MMC-Antriebswelle besteht aus einer mit Borcarbid verstärkten Aluminiummatrix , die es ermöglicht, die kritische Drehzahl der Antriebswelle durch Reduzierung der Trägheit anzuheben. Die MMC-Antriebswelle ist eine gängige Modifikation für Rennfahrer geworden, die es ermöglicht, die Höchstgeschwindigkeit weit über die sicheren Betriebsgeschwindigkeiten einer Standard-Aluminium-Antriebswelle hinaus zu erhöhen.
  • Honda hat in einigen seiner Motoren Zylinderlaufbuchsen aus Aluminium-Metall-Matrix-Verbundwerkstoff verwendet, darunter die Motoren B21A1 , H22A und H23A , F20C und F22C sowie die im NSX verwendete C32B .
  • Toyota hat seitdem Metallmatrix-Verbundwerkstoffe in dem von Yamaha entwickelten 2ZZ -GE- Motor verwendet, der in den späteren Lotus Lotus Elise S2- Versionen sowie in Toyota-Automodellen, einschließlich des gleichnamigen Toyota Matrix, verwendet wird . Porsche verwendet MMCs auch zur Verstärkung der Zylinderlaufbuchsen des Motors im Boxster und 911 .
  • Die F-16 Fighting Falcon verwendet monofile Siliziumkarbidfasern in einer Titanmatrix für eine strukturelle Komponente des Fahrwerks des Jets .
  • Specialized Bicycles verwendet seit mehreren Jahren Aluminium-MMC-Compounds für seine hochwertigen Fahrradrahmen . Griffen Bicycles stellte auch MMC-Fahrradrahmen aus Borcarbid-Aluminium her, und Univega tat dies kurzzeitig auch.
  • Einige Geräte in Teilchenbeschleunigern wie Radiofrequenz-Quadrupole (RFQs) oder Elektronentargets verwenden Kupfer-MMC-Verbindungen wie Glidcop , um die Materialeigenschaften von Kupfer bei hohen Temperaturen und Strahlungsniveaus beizubehalten.
  • Kupfer - Silberlegierungsmatrix 55 Vol-% enthält , Diamantpartikel, wie bekannt Dymalloy , wird als Substrat für die High-Power, High-Density verwendeten Multi-Chip - Module in der Elektronik für die sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf . AlSiC ist ein Aluminium- Siliziumkarbid- Verbundwerkstoff für ähnliche Anwendungen.
  • Aluminium - Graphite Komposite werden in Leistungselektronik - Module wegen ihrer hohen verwendet Wärmeleitfähigkeit , der einstellbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten und der niedrigen Dichte .

MMCs sind fast immer teurer als die konventionelleren Materialien, die sie ersetzen. Als Ergebnis werden sie dort gefunden, wo verbesserte Eigenschaften und Leistung die zusätzlichen Kosten rechtfertigen können. Heute finden sich diese Anwendungen am häufigsten in Flugzeugkomponenten, Raumfahrtsystemen und High-End- oder "Boutique"-Sportgeräten. Der Anwendungsbereich wird mit sinkenden Herstellungskosten sicherlich zunehmen.

Im Vergleich zu herkömmlichen Polymermatrix-Verbundwerkstoffen sind MMCs feuerbeständig, können in einem größeren Temperaturbereich betrieben werden, nehmen keine Feuchtigkeit auf , haben eine bessere elektrische und thermische Leitfähigkeit, sind beständig gegen Strahlungsschäden und zeigen kein Ausgasen . Andererseits sind MMCs tendenziell teurer, die faserverstärkten Materialien können schwierig herzustellen sein und die verfügbaren Erfahrungen in der Anwendung sind begrenzt.

Siehe auch

Verweise

Externe Links