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Compuesto de matriz metálica

En la ciencia de los materiales , un compuesto de matriz metálica ( MMC ) es un material compuesto con fibras o partículas dispersas en una matriz metálica , como cobre , aluminio o acero . La fase secundaria suele ser una cerámica (como alúmina o carburo de silicio ) u otro metal (como acero [1] ). Por lo general, se clasifican según el tipo de refuerzo : fibras cortas discontinuas (whiskers), fibras continuas o partículas. Existe cierta superposición entre los MMC y los cermets , y estos últimos suelen estar compuestos por menos del 20 % de metal en volumen. Cuando están presentes al menos tres materiales, se denomina compuesto híbrido . Los MMC pueden tener relaciones resistencia-peso mucho más altas , [2] rigidez y ductilidad que los materiales tradicionales, por lo que a menudo se utilizan en aplicaciones exigentes. Los MMC suelen tener una conductividad térmica y eléctrica más baja y una resistencia deficiente a la radiación [ cita requerida ] , lo que limita su uso en los entornos más hostiles.

Composición

Los MMC se fabrican dispersando un material de refuerzo en una matriz metálica. La superficie de refuerzo se puede recubrir para evitar una reacción química con la matriz. Por ejemplo, las fibras de carbono se utilizan habitualmente en matrices de aluminio para sintetizar compuestos que muestran baja densidad y alta resistencia. Sin embargo, el carbono reacciona con el aluminio para generar un compuesto frágil y soluble en agua, Al 4 C 3 , en la superficie de la fibra. Para evitar esta reacción, las fibras de carbono se recubren con níquel o boruro de titanio .

Matriz

La matriz es el material monolítico en el que se incrusta el refuerzo y es completamente continua. Esto significa que hay un camino a través de la matriz hacia cualquier punto del material, a diferencia de dos materiales intercalados. En aplicaciones estructurales, la matriz suele ser un metal más ligero, como aluminio , magnesio o titanio , y proporciona un soporte completo para el refuerzo. En aplicaciones de alta temperatura, son comunes las matrices de cobalto y de aleación de cobalto y níquel.

Reforzamiento

El material de refuerzo se incrusta en una matriz. El refuerzo no siempre cumple una función puramente estructural (reforzar el compuesto), sino que también se utiliza para cambiar propiedades físicas como la resistencia al desgaste , el coeficiente de fricción o la conductividad térmica . El refuerzo puede ser continuo o discontinuo. Los MMC discontinuos pueden ser isotrópicos y se pueden trabajar con técnicas estándar de metalistería, como extrusión, forjado o laminado. Además, se pueden mecanizar utilizando técnicas convencionales, pero comúnmente necesitarían el uso de herramientas de diamante policristalino (PCD).

El refuerzo continuo utiliza alambres o fibras monofilamento como fibra de carbono o carburo de silicio . Debido a que las fibras están incrustadas en la matriz en una dirección determinada, el resultado es una estructura anisotrópica en la que la alineación del material afecta su resistencia. Una de las primeras MMC utilizó filamento de boro como refuerzo. El refuerzo discontinuo utiliza "bigotes" , fibras cortas o partículas. Los materiales de refuerzo más comunes en esta categoría son la alúmina y el carburo de silicio . [3]

Métodos de fabricación y conformado

La fabricación de MMC se puede dividir en tres tipos: sólido, líquido y vapor.

Métodos de estado sólido

Métodos de estado líquido

Métodos de estado semisólido

Deposición de vapor

Técnica de fabricación in situ

Estrés residual

Los MMC se fabrican a temperaturas elevadas, lo que es una condición esencial para la unión por difusión de la interfaz fibra/matriz. Más tarde, cuando se enfrían a temperatura ambiente, se generan tensiones residuales (RS) en el compuesto debido al desajuste entre los coeficientes de la matriz metálica y la fibra. Las RS de fabricación influyen significativamente en el comportamiento mecánico de los MMC en todas las condiciones de carga. En algunos casos, las RS térmicas son lo suficientemente altas como para iniciar la deformación plástica dentro de la matriz durante el proceso de fabricación. [8]

Efecto sobre las propiedades mecánicas

La adición de partículas cerámicas en general aumenta la resistencia del material al mismo tiempo que tiene una compensación en la ductilidad del material. Por ejemplo, un compuesto Al-Al2O3 puede aumentar la resistencia al rendimiento de las aleaciones fundidas de Al 6061 de 105 a 120 MPa y aumentar el módulo de Young de 70 a 95 GPa. [9] Sin embargo, el compuesto tuvo efectos negativos en la ductilidad disminuyéndola del 10% al 2%. En última instancia, el aumento en el módulo elástico es significativo porque los metales obtienen el beneficio de la mayor rigidez específica de la cerámica mientras retienen cierta ductilidad . [10] [11] Los compuestos de matriz metálica también pueden aumentar significativamente la resistencia al desgaste y la dureza de las aleaciones de aluminio. Se descubrió que las partículas de Al2O3 aumentaban significativamente la resistencia al desgaste de una aleación de Al-Si, y las partículas de SiO2 aumentaban significativamente la dureza de una aleación de Al-Mg. [12] [13] La aplicación de esto es en aleaciones ligeras y resistentes al desgaste para componentes de desgaste como camisas de pistón en motores de automóviles. Las aleaciones de aluminio actuales son blandas y a menudo requieren camisas de hierro fundido duras y pesadas, lo que reduce los beneficios de los motores de aluminio livianos.

La tenacidad a la fractura de los compuestos está típicamente dominada por las fases metálicas; sin embargo, también puede estar dominada por la fase cerámica o la delaminación dependiendo del sistema de material. [14] Por ejemplo, el sistema Cu/Al2O3 tiene un alto desajuste de expansión térmica que causa tensiones localizadas que fomentan la propagación de grietas en forma de delaminación. Esto inhibe significativamente su tenacidad a la fractura en comparación con otras composiciones. En un sistema co-continuo Al/Al2O3 la grieta se propagó a través de la fase cerámica y se desvió al alcanzar las interfaces con las fases metálicas. Como resultado, se necesitó más energía para desviar la grieta alrededor de las fases y el compuesto se endureció significativamente. En general, la tenacidad a la fractura depende en gran medida de la composición de MMC debido al desajuste térmico y los modos de agrietamiento, pero puede endurecer los compuestos con un bajo desajuste térmico.

Los MMC fortalecen los materiales contra la plasticidad por una variedad de razones. La primera es la transferencia directa de carga a las partículas cerámicas más fuertes. [15] La segunda se debe a la diferencia en la deformación plástica de los dos componentes. Esto hace que una dislocación quede fijada en las partículas más fuertes y se arquee alrededor de ellas para continuar moviéndose. Las dislocaciones generalmente impulsan la deformación plástica debido a la menor energía para moverlas en lugar de mover un plano completo de átomos. Por lo tanto, fijarlas causa un gran aumento en la energía y el estrés requeridos para la deformación plástica (ver endurecimiento por precipitación ). El mecanismo final es causado por el estrés del desajuste térmico y de coherencia. [16] Esto crea un campo de tensión que atrapa las dislocaciones creando una acumulación que inhibe aún más la deformación plástica.

Aplicaciones

Los MMC son casi siempre más caros que los materiales más convencionales a los que sustituyen. Por ello, se encuentran allí donde las propiedades y el rendimiento mejorados pueden justificar el coste añadido. Hoy en día, estas aplicaciones se encuentran con mayor frecuencia en componentes de aeronaves, sistemas espaciales y equipamiento deportivo de alta gama o "boutique". El alcance de las aplicaciones aumentará sin duda a medida que se reduzcan los costes de fabricación.

En comparación con los compuestos de matriz polimérica convencionales, los MMC son resistentes al fuego, pueden funcionar en un rango más amplio de temperaturas, no absorben humedad , tienen mejor conductividad eléctrica y térmica, son resistentes al daño por radiación y no presentan desgasificación . Por otro lado, los MMC tienden a ser más caros, los materiales reforzados con fibra pueden ser difíciles de fabricar y la experiencia disponible en su uso es limitada.

Véase también

Referencias

  1. ^ Gopi Krishna, M.; Praveen Kumar, K.; Naga Swapna, M.; Babu Rao, J.; Bhargava, NRMR (2018). "Compuestos metal-metal: una forma innovadora de refuerzo múltiple". Materials Today: Proceedings . 4 (8): 8085–8095. doi :10.1016/j.matpr.2017.07.148. ISSN  2214-7853.
  2. ^ Dieter, George E. (1986). Metalurgia mecánica (3.ª ed.). Nueva York: McGraw-Hill. pp. 220–226. ISBN 0-07-016893-8.OCLC 12418968  .
  3. ^ Ciencia e ingeniería de materiales, una introducción . William D. Callister Jr, 7.ª ed., Wiley and Sons Publishing
  4. ^ Wu, Yufeng; Gap; Kim, Yong (2011). "Compuesto de aluminio reforzado con nanotubos de carbono fabricado mediante procesamiento de polvo semisólido". Revista de tecnología de procesamiento de materiales . 211 (8): 1341–1347. doi :10.1016/j.jmatprotec.2011.03.007.
  5. ^ Wu, Yufeng; Yong Kim, Gap; et al. (2010). "Fabricación de un compuesto de Al6061 con una alta carga de partículas de SiC mediante procesamiento de polvo semisólido". Acta Materialia . 58 (13): 4398–4405. doi :10.1016/j.jmatprotec.2011.03.007.
  6. ^ Wu, Yufeng; Yong Kim, Gap; et al. (2015). "Comportamiento de compactación de la mezcla binaria de polvos de Al6061 y SiC en estado blando". Revista de tecnología de procesamiento de materiales . 216 : 484–491. doi :10.1016/j.jmatprotec.2014.10.003.
  7. ^ Tecnología de deposición de vapor dirigida (DVD) de la Universidad de Virginia
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  17. ^ Insertos de compuesto de matriz de aluminio (AMC) para pinzas de freno reforzadas (archivado)
  18. ^ Soluciones industriales - Compuestos de matriz metálica - Material compuesto de matriz metálica de alto rendimiento y alta resistencia (archivado)
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  20. ^ Mochizuki, T.; Y. Sakurai; D. Shu; TM Kuzay; H. Kitamura (1998). "Diseño de absorbedores compactos para líneas de luz de ondulador de rayos X con alta carga térmica en Spring-8" (PDF) . Journal of Synchrotron Radiation . 5 (4): 1199–1201. doi :10.1107/S0909049598000387. PMID  16687820. Archivado (PDF) desde el original el 26 de julio de 2011.

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