Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMCs) sind eine Materialklasse, die aus einem Metall besteht, das mit einer anderen Substanz verschmolzen ist. Diese beiden Komponenten erscheinen in unterschiedlichen Phasen, die physikalisch und chemisch verschieden sind . Das Grundmaterial ist eine Metallmatrix, während die andere Substanz als Fasern oder Partikel erscheint, um als Verstärkungsmaterial zu wirken.
Wie bei den meisten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen besteht das Ziel der Herstellung eines solchen Materials darin, die vorhandenen Eigenschaften der Metallmatrix durch Hinzufügen zusätzlicher Merkmale, die die Verstärkung bietet, zu verbessern.
- Eigenschaften von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen
- Hohe Festigkeit
- Hohe Hitzebeständigkeit
- Andere einzigartige Eigenschaften
- Beispiele für Metallmatrix-Verbundwerkstoffe
- Aluminium MMC
- Magnesium MMC
- Titan MMC
- Andere MMCs
- Herstellung und Verarbeitung
- Festkörperverarbeitung
- Liquid State Processing
- In-Situ-Verarbeitung
- Anwendungen von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen
- Luft- und Raumfahrt und Flugzeugindustrie
- Sport
- Automotive Anwendungen
Eigenschaften von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen
Hohe Festigkeit
Eines der häufigsten Merkmale von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen ist eine erhöhte Festigkeit und Steifigkeit . Sein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht macht das Material in einer Vielzahl von Anwendungen nützlich.
Dies zeigt sich bei Zug- oder Druckbeanspruchung, da die meisten Metallmatrix-Verbundwerkstoffe eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen.
Hohe Hitzebeständigkeit
Einige Verbundwerkstoffe weisen eine höhere Kriechfestigkeit auf als die Gegenstücke aus reinem Metall. Dies reduziert die Gefahr von Verwerfungen oder Verformungen im Material, insbesondere bei Schweiß- oder Zugbeanspruchung mit hoher Temperatur. Metallmatrix-Verbundwerkstoffe eignen sich am besten für Branchen mit einem hohen Risiko für Kriechermüdung oder plötzliche Temperaturänderungen.
Darüber hinaus haben diese Materialien einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, was ein gutes Zeichen für Anwendungen ist, die Materialintegrität bei extrem hohen Temperaturen erfordern.
Andere einzigartige Eigenschaften
Jeder Verbundwerkstoff hat seine eigenen einzigartigen Eigenschaften, abhängig von der Zusammensetzung und Ausrichtung des Metalls und des Verstärkungsmaterials. Einige dieser Eigenschaften umfassen Folgendes:
- Feuerbeständigkeit
- Unfähigkeit, Feuchtigkeit aufzunehmen
- Strahlungsbeständigkeit
- Erhöhte Verschleißfestigkeit
Beispiele für Metallmatrix-Verbundwerkstoffe
Da immer mehr Hersteller mehr Materialien dieser Art herstellen, kann sich die Liste der Metallmatrix-Verbundwerkstoffe von Zeit zu Zeit ändern. Die meisten auf dem Markt erhältlichen Verbundwerkstoffe werden jedoch normalerweise wie folgt klassifiziert:
Aluminium MMC
Diese Verbundwerkstoffe verwenden Aluminium als Basismetallmatrix. Beispiele hierfür sind SupremEX® 620XF T5 Präzisions-Extrusion (6061B), Aluminium-Graphit-Verbundwerkstoffe und Aluminium-Beryllium-Verbundwerkstoffe wie AlBeMet® AM162 HIP.
Magnesium MMC
Magnesium ist ein weiteres hervorragendes Matrixmaterial für Verbundwerkstoffe. Einige Produkte in dieser Kategorie umfassen Magnesium-Siliziumkarbid (Mg-SiC), Magnesium-Aluminiumoxid (Mg-Al2O3) und Magnesium-Titancarbid (Mg-TiC).
Titan MMC
Reines Titan ist bereits ein starkes Material an sich, aber seine zusammengesetzte Form kann seine überlegene Festigkeit verbessern.
Andere MMCs
Andere weniger verbreitete, aber sehr nützliche Matrixbasismaterialien, die für Verbundwerkstoffe verwendet werden, umfassen Kupfer, Kobalt, Nickel oder eine Kombination von Metallen. Inzwischen sind einige der am häufigsten verwendeten Verstärkungsmaterialien Kohlefaser, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid und Bor.
Herstellung und Verarbeitung
Metallmatrix-Verbundwerkstoffe können in vielfältiger Weise nach einem der folgenden Verfahren verarbeitet werden :
Festkörperverarbeitung
Wie der Begriff schon sagt, beinhaltet die Festkörperverarbeitung das Mischen der Matrix und des Verstärkungsmaterials in ihren jeweiligen festen Formen. Dies kann durch physikalische Gasphasenabscheidung, Diffusionsbindung oder Pulvermischung erfolgen.
Bei der Pulvermischung wird ein pulverförmiges Matrixmaterial mit einer Bindemittelsubstanz in einem Stoddard-Lösungsmittel kombiniert. Nach dem Trocknen und Walzen wird das resultierende Pulverblech abwechselnd mit Verstärkungsfasern gestapelt. Die Gewebelagen werden vakuumbeheizt und heißgepresst.
Liquid State Processing
Bei dieser Art der Herstellung wird Verstärkungsmaterial mit verflüssigtem Metall kombiniert und die Mischung abkühlen und erstarren gelassen. Dies kann durch Rührgießen, Quetschgießen, Infiltration oder Sprühzersetzung erfolgen.
Für letzteres wird flüssiges Metall auf ein partikuläres oder kurzfaseriges Verstärkungsmaterial aufgesprüht.
In-Situ-Verarbeitung
Diese Art der Verarbeitung erzeugt das Verstärkungsmaterial durch chemische Reaktionen innerhalb der Matrix. Dies führt zu einer reinen Metallverbundmischung mit starken Matrixdispersionsbindungskräften.
Wenn ein Verbundwerkstoff gebildet wird, kann er unter eine der folgenden Ausrichtungen fallen: Partikelverstärkung, Whiskerverstärkung und Blechverstärkung. Die Unterschiede sind in der Art und Weise zu sehen, wie das Verstärkungsmaterial in die Metallmatrix eingebettet oder integriert ist.
Anwendungen von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen
Luft- und Raumfahrt und Flugzeugindustrie
Metallmatrix-Verbundwerkstoffe eignen sich gut als Komponenten in Getriebesystemen, Getrieben, Motorteilen und Zubehör sowie anderen internen Elementen.
Sport
Das überlegene Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht der meisten Metallmatrix-Verbundwerkstoffe macht das Material für Tennisschläger, Fahrradrahmen und andere Sportarten geeignet, die Geschwindigkeit und Kraft erfordern.
Automotive Anwendungen
Auto und motor racing machen verwendung von metall matrix composites für motor und fahrzeug körper teile aufgrund der leichten natur der material.