stringtranslate.com

Композит с металлической матрицей

В материаловедении композит с металлической матрицей ( MMC ) представляет собой композитный материал с волокнами или частицами, диспергированными в металлической матрице , такой как медь , алюминий или сталь . Вторичной фазой обычно является керамика (например, оксид алюминия или карбид кремния ) или другой металл (например, сталь [1] ). Обычно их классифицируют по типу армирования : короткие прерывистые волокна (усы), непрерывные волокна или частицы. Между MMC и керметами есть некоторое совпадение , причем последний обычно состоит из менее чем 20% металла по объему. Когда присутствует по крайней мере три материала, это называется гибридным композитом . MMC могут иметь гораздо более высокие отношения прочности к весу , [2] жесткости и пластичности , чем традиционные материалы, поэтому они часто используются в сложных приложениях. MMC обычно имеют более низкую тепло- и электропроводность и плохую устойчивость к радиации [ необходима ссылка ] , что ограничивает их использование в самых суровых условиях.

Состав

MMC изготавливаются путем диспергирования армирующего материала в металлической матрице. Поверхность армирования может быть покрыта для предотвращения химической реакции с матрицей. Например, углеродные волокна обычно используются в алюминиевой матрице для синтеза композитов, показывающих низкую плотность и высокую прочность. Однако углерод реагирует с алюминием, образуя хрупкое и водорастворимое соединение Al 4 C 3 на поверхности волокна. Для предотвращения этой реакции углеродные волокна покрываются никелем или боридом титана .

Матрица

Матрица — это монолитный материал, в который встроена арматура, и она полностью непрерывна. Это означает, что через матрицу есть путь к любой точке материала, в отличие от двух материалов, зажатых вместе. В структурных применениях матрица обычно представляет собой более легкий металл, такой как алюминий , магний или титан , и обеспечивает полную поддержку арматуры. В высокотемпературных применениях распространены матрицы из кобальта и кобальтово-никелевого сплава.

Укрепление

Армирующий материал встраивается в матрицу. Армирование не всегда выполняет чисто структурную задачу (армирование соединения), но также используется для изменения физических свойств, таких как износостойкость , коэффициент трения или теплопроводность . Армирование может быть как непрерывным, так и прерывистым. Прерывистые MMC могут быть изотропными и могут обрабатываться стандартными методами металлообработки, такими как экструзия, ковка или прокатка. Кроме того, их можно обрабатывать с использованием обычных методов, но обычно для этого требуется использование поликристаллического алмазного инструмента (PCD).

Непрерывное армирование использует моноволоконные провода или волокна, такие как углеродное волокно или карбид кремния . Поскольку волокна внедрены в матрицу в определенном направлении, результатом является анизотропная структура, в которой выравнивание материала влияет на его прочность. Один из первых MMC использовал борную нить в качестве армирования. Прерывистое армирование использует «усы» , короткие волокна или частицы. Наиболее распространенными армирующими материалами в этой категории являются оксид алюминия и карбид кремния . [3]

Методы производства и формования

Производство MMC можно разделить на три типа: твердое, жидкое и парообразное.

Твердотельные методы

Методы жидкого состояния

Методы полутвердого состояния

осаждение паров

Технология изготовления на месте

Остаточное напряжение

MMC изготавливаются при повышенных температурах, что является необходимым условием для диффузионной сварки интерфейса волокна/матрицы. В дальнейшем, когда они охлаждаются до температуры окружающей среды, в композите возникают остаточные напряжения (RS) из-за несоответствия коэффициентов металлической матрицы и волокна. Производственные RS существенно влияют на механическое поведение MMC во всех условиях нагрузки. В некоторых случаях термические RS достаточно высоки, чтобы инициировать пластическую деформацию внутри матрицы в процессе изготовления. [8]

Влияние на механические свойства

Добавление керамических частиц в целом увеличивает прочность материала, при этом в ущерб пластичности материала. Например, композит Al-Al 2 O 3 может увеличить предел текучести литых сплавов Al 6061 со 105 до 120 МПа и увеличить модуль Юнга с 70 до 95 ГПа. [9] Однако композит оказал отрицательное 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] Композиты с металлической матрицей также могут значительно 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] Применение этого в легких, износостойких сплавах для изнашиваемых компонентов, таких как поршневые гильзы в автомобильных двигателях. Современные алюминиевые сплавы мягкие и часто требуют твердых, тяжелых чугунных гильз, что снижает преимущества легких алюминиевых двигателей.

Вязкость разрушения композитов обычно определяется металлическими фазами; однако она также может определяться керамической фазой или расслоением в зависимости от системы материалов. [14] Например, система Cu/Al 2 O 3 имеет высокое несоответствие теплового расширения , вызывающее локализованные напряжения, способствующие распространению трещины в форме расслоения. Это значительно подавляет ее вязкость разрушения по сравнению с другими составами. В системе Al/Al 2 O 3 с сопутствующей структурой трещина распространялась через керамическую фазу и отклонялась при достижении интерфейсов с металлическими фазами. В результате требовалось больше энергии для отклонения трещины вокруг фаз, и композит был значительно упрочнен. В целом, вязкость разрушения в значительной степени зависит от состава MMC из-за теплового несоответствия и режимов трещины, но может упрочнять композиты с низким тепловым несоответствием.

MMC укрепляют материалы против пластичности по ряду причин. Первая — это прямая передача нагрузки на более прочные керамические частицы. [15] Вторая причина — разница в пластической деформации двух компонентов. Это приводит к тому, что дислокация закрепляется на более прочных частицах и изгибается вокруг них, продолжая движение. Дислокации обычно вызывают пластическую деформацию из-за более низкой энергии для их перемещения, а не перемещения всей плоскости атомов. Поэтому их закрепление вызывает значительное увеличение энергии и напряжения, необходимых для пластической деформации (см. Дисперсионное твердение ). Последний механизм вызван напряжением от термического и когерентного несоответствия. [16] Это создает поле напряжений, которое захватывает дислокации, создавая скопление, еще больше препятствующее пластической деформации.

Приложения

MMC почти всегда дороже, чем более традиционные материалы, которые они заменяют. В результате они встречаются там, где улучшенные свойства и производительность могут оправдать добавленную стоимость. Сегодня эти приложения чаще всего встречаются в компонентах самолетов, космических системах и высококлассном или «бутиковом» спортивном оборудовании. Область применения, безусловно, будет расширяться по мере снижения производственных затрат.

По сравнению с обычными полимерными матричными композитами, MMC устойчивы к огню, могут работать в более широком диапазоне температур, не впитывают влагу , имеют лучшую электро- и теплопроводность, устойчивы к радиационному повреждению и не демонстрируют газовыделение . С другой стороны, MMC, как правило, более дороги, армированные волокнами материалы могут быть сложны в изготовлении, а имеющийся опыт использования ограничен.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Гопи Кришна, М.; Правин Кумар, К.; Нага Свапна, М.; Бабу Рао, Дж.; Бхаргава, NRMR (2018). «Металл-металлические композиты — инновационный способ многократного усиления». Materials Today: Proceedings . 4 (8): 8085–8095. doi :10.1016/j.matpr.2017.07.148. ISSN  2214-7853.
  2. ^ Дитер, Джордж Э. (1986). Механическая металлургия (3-е изд.). Нью-Йорк: McGraw-Hill. С. 220–226. ISBN 0-07-016893-8. OCLC  12418968.
  3. ^ Материаловедение и инженерия, введение . Уильям Д. Каллистер-младший, 7-е изд., Wiley and sons publishing
  4. ^ Ву, Юфэн; Гэп; Ким, Йонг (2011). «Алюминиевый композит, армированный углеродными нанотрубками, изготовленный методом полутвердой порошковой обработки». Журнал технологий обработки материалов . 211 (8): 1341–1347. doi :10.1016/j.jmatprotec.2011.03.007.
  5. ^ Ву, Юфэн; Йонг Ким, Гап; и др. (2010). «Изготовление композита Al6061 с высоким содержанием частиц SiC путем обработки полутвердого порошка». Acta Materialia . 58 (13): 4398–4405. doi :10.1016/j.jmatprotec.2011.03.007.
  6. ^ Ву, Юфэн; Йонг Ким, Гап; и др. (2015). «Поведение уплотнения бинарной порошковой смеси Al6061 и SiC в кашеобразном состоянии». Журнал технологий обработки материалов . 216 : 484–491. doi :10.1016/j.jmatprotec.2014.10.003.
  7. ^ Технология направленного осаждения из паровой фазы (DVD) Университета Вирджинии
  8. ^ Агдам, ММ; Морсали, СР (2014-01-01). Остаточные напряжения в композитных материалах . Woodhead Publishing. стр. 233–255. ISBN 9780857092700.
  9. ^ Парк, Б. Г.; Кроски, АГ; Хеллиер, АК (2001-05-01). «Характеристика материалов и механические свойства композитов с металлической матрицей Al2O3-Al». Журнал материаловедения . 36 (10): 2417–2426. doi :10.1023/A:1017921813503. ISSN  1573-4803.
  10. ^ Су, Джин-Ю; Ли, Ён-Су; Шим, Джэ-Хёк; Пак, Хун Мо (январь 2012 г.). «Прогнозирование упругих свойств дисперсионно-твердеющих алюминиевых литых сплавов». Computational Materials Science . 51 (1): 365–371. doi :10.1016/j.commatsci.2011.07.061. ISSN  0927-0256.
  11. ^ Эшби, Майк (2005). Выбор материалов в механическом проектировании (3-е изд.). Butterworth-Heinemann: Амстердам.
  12. ^ Megahed, M.; Saber, D.; Agwa, MA (2019-10-01). «Моделирование поведения износа композитов с металлической матрицей Al–Si/Al2O3». Физика металлов и металлография . 120 (10): 981–988. doi :10.1134/S0031918X19100089. ISSN  1555-6190.
  13. ^ Bhatt, J.; Balachander, N.; Shekher, S.; Karthikeyan, R.; Peshwe, DR; Murty, BS (сентябрь 2012 г.). «Синтез наноструктурированных композитов с металлической матрицей Al–Mg–SiO2 с использованием высокоэнергетического шарового измельчения и искрового плазменного спекания». Журнал сплавов и соединений . 536 : S35–S40. doi :10.1016/j.jallcom.2011.12.062. ISSN  0925-8388.
  14. ^ Агравал, Парул; Сан, CT (июль 2004 г.). «Разрушение металлокерамических композитов». Composites Science and Technology . 64 (9): 1167–1178. doi :10.1016/j.compscitech.2003.09.026. ISSN  0266-3538.
  15. ^ Чавла, Н.; Шен, Й.-Л. (июнь 2001 г.). «Механическое поведение армированных частицами композитов с металлической матрицей». Advanced Engineering Materials . 3 (6): 357–370. doi :10.1002/1527-2648(200106)3:6<357::AID-ADEM357>3.0.CO;2-I. ISSN  1438-1656.
  16. ^ Khraishi, Tariq A.; Yan, Lincan; Shen, Yu-Lin (июнь 2004 г.). «Динамическое моделирование взаимодействия дислокаций и разбавленных концентраций частиц в композитах с металлической матрицей (MMC)». International Journal of Plasticity . 20 (6): 1039–1057. doi :10.1016/j.ijplas.2003.10.003. ISSN  0749-6419.
  17. ^ Вставки из алюминиевого матричного композита (AMC) для усиленных тормозных суппортов (Архив)
  18. ^ Отраслевые решения - Композиты с металлической матрицей - Высокопроизводительный, высокопрочный композитный материал с металлической матрицей (Архив)
  19. ^ Ратти, А.; Р. Гоф; М. Хофф; Р. Келлер; К. Кеннеди; Р. Макгилл; Дж. Стэйплс (1999). "Прототип модуля SNS RFQ" (PDF) . Труды конференции по ускорителям частиц 1999 года (Кат. № 99CH36366) . Том 2. стр. 884–886. Bibcode : 1999pac..conf..884R. doi : 10.1109/PAC.1999.795388. ISBN 978-0-7803-5573-6. S2CID  110540693. Архивировано из оригинала (PDF) 2010-03-26 . Получено 2009-03-09 .
  20. ^ Mochizuki, T.; Y. Sakurai; D. Shu; TM Kuzay; H. Kitamura (1998). "Design of Compact Absorbers for High-Heat-Load X-ray Ondulator Beamlines at SPring-8" (PDF) . Journal of Synchrotron Radiation . 5 (4): 1199–1201. doi :10.1107/S0909049598000387. PMID  16687820. Архивировано (PDF) из оригинала 2011-07-26.

Внешние ссылки