Material compuesto formado por fibras o partículas en una matriz metálica.
En ciencia de 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] ). Normalmente se clasifican según el tipo de refuerzo : fibras cortas discontinuas (bigotes), fibras continuas o partículas. Existe cierta superposición entre las MMC y los cermets , y estos últimos suelen contener menos del 20 % de metal en volumen. Cuando están presentes al menos tres materiales, se denomina composite híbrido . Los MMC pueden tener relaciones resistencia-peso , [2] rigidez y ductilidad mucho más altas que los materiales tradicionales, por lo que a menudo se utilizan en aplicaciones exigentes. Las MMC suelen tener una conductividad térmica y eléctrica más baja y una resistencia deficiente a la radiación [ cita necesaria ] , lo que limita su uso en los entornos más hostiles.
Composición
Las MMC se fabrican dispersando un material de refuerzo en una matriz metálica. La superficie de refuerzo puede recubrirse para evitar una reacción química con la matriz. Por ejemplo, las fibras de carbono se utilizan comúnmente 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 hasta 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 aleaciones de cobalto-níquel.
Reforzamiento
El material de refuerzo está incrustado 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. Las MMC discontinuas pueden ser isotrópicas y pueden trabajarse con técnicas estándar de trabajo de metales, como extrusión, forja o laminación. Además, pueden mecanizarse utilizando técnicas convencionales, pero normalmente necesitarían el uso de herramientas de diamante policristalino (PCD).
El refuerzo continuo utiliza alambres monofilamento o fibras como la fibra de carbono o el 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
- Mezcla y consolidación de polvos ( metalurgia de polvos ): el metal en polvo y el refuerzo discontinuo se mezclan y luego se unen mediante un proceso de compactación, desgasificación y tratamiento termomecánico (posiblemente mediante prensado isostático en caliente (HIP) o extrusión ).
- Unión por difusión de láminas: las capas de láminas metálicas se intercalan con fibras largas y luego se presionan para formar una matriz.
Métodos de estado líquido
- Galvanoplastia y electroformado: una solución que contiene iones metálicos cargados con partículas de refuerzo se codeposita formando un material compuesto.
- Fundición por agitación: el refuerzo discontinuo se agita en el metal fundido, que se deja solidificar.
- Infiltración a presión: el metal fundido se infiltra en el refuerzo mediante el uso de un tipo de presión, como la presión del gas.
- Fundición por compresión : el metal fundido se inyecta en un molde con fibras previamente colocadas en su interior.
- Deposición por pulverización: el metal fundido se pulveriza sobre un sustrato de fibra continua.
- Procesamiento reactivo: se produce una reacción química , donde uno de los reactivos forma la matriz y el otro el refuerzo.
Métodos de estado semisólido
- Procesamiento de polvo semisólido: la mezcla en polvo se calienta hasta un estado semisólido y se aplica presión para formar los compuestos. [4] [5] [6]
Deposición de vapor
Técnica de fabricación in situ.
- La solidificación unidireccional controlada de una aleación eutéctica puede dar como resultado una microestructura de dos fases con una de las fases, presente en forma laminar o fibrosa, distribuida en la matriz. [7]
Estrés residual
Las MMC se fabrican a temperaturas elevadas, lo cual es una condición esencial para la unión por difusión de la interfaz fibra/matriz. Posteriormente, cuando se enfrían a temperatura ambiente, se generan tensiones residuales (RS) en el composite debido al desajuste entre los coeficientes de la matriz metálica y la fibra. Los RS de fabricación influyen significativamente en el comportamiento mecánico de las 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 tiempo que tiene un compromiso en la ductilidad del material. Por ejemplo, un compuesto de Al-Al 2 O 3 puede aumentar el límite elástico de las aleaciones fundidas Al 6061 de 105 a 120 MPa y aumentar el módulo de juventud de 70 a 95 GPa. [9] Sin embargo, el compuesto tuvo efectos negativos sobre la ductilidad, disminuyéndola del 10% al 2%. En última instancia, el aumento del módulo elástico es significativo porque los metales se benefician de la mayor rigidez específica de la cerámica y al mismo tiempo conservan 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 encontró que las partículas de Al 2 O 3 aumentaban significativamente la resistencia al desgaste de una aleación de Al-Si, y las partículas de SiO 2 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 revestimientos de hierro fundido pesados y duros, lo que reduce los beneficios de los motores de aluminio livianos.
La tenacidad a la fractura de los compuestos suele estar dominada por las fases metálicas; sin embargo, también puede estar dominado por la fase cerámica o la delaminación dependiendo del sistema material. [14] Por ejemplo, el sistema Cu/Al 2 O 3 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 cocontinuo Al/Al 2 O 3 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 del MMC debido al desajuste térmico y los modos de fisura, pero puede endurecer compuestos con un bajo desajuste térmico.
Las MMC fortalecen los materiales contra la plasticidad por diversas razones. La primera es la transferencia directa de carga a las partículas cerámicas más fuertes. [15] El segundo 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 doble alrededor de ellas para continuar moviéndose. Las dislocaciones generalmente provocan deformación plástica debido a la menor energía para moverlas en lugar de mover un plano completo de átomos. Por lo tanto, fijarlos provoca un gran aumento en la energía y la tensión necesarias para la deformación plástica (ver Endurecimiento por precipitación ). El mecanismo final es causado por el estrés causado por el desajuste térmico y de coherencia. [16] Esto crea un campo de tensión que atrapa las dislocaciones creando un choque que inhibe aún más la deformación plástica.
Aplicaciones
- Las herramientas de corte de carburo de tungsteno de alto rendimiento están hechas de una resistente matriz de cobalto que cementa las partículas duras de carburo de tungsteno; Las herramientas de menor rendimiento pueden utilizar otros metales como el bronce como matriz.
- Algunos blindajes de tanques pueden estar hechos de compuestos de matriz metálica, probablemente acero reforzado con nitruro de boro , que es un buen refuerzo para el acero porque es muy rígido y no se disuelve en acero fundido.
- Algunos frenos de disco de automóviles utilizan MMC. Los primeros modelos de Lotus Elise usaban rotores MMC de aluminio, pero tienen propiedades térmicas no óptimas, y desde entonces Lotus ha vuelto a utilizar hierro fundido. Los automóviles deportivos modernos de alto rendimiento , como los construidos por Porsche , utilizan rotores hechos de fibra de carbono dentro de una matriz de carburo de silicio debido a su alto calor específico y conductividad térmica. 3M desarrolló un inserto de matriz de aluminio preformado para fortalecer las pinzas de freno de disco de aluminio fundido, [17] reduciendo el peso a la mitad en comparación con el hierro fundido y manteniendo una rigidez similar. 3M también ha utilizado preformas de alúmina para las varillas de empuje de AMC . [18]
- Ford ofrece una actualización del eje de transmisión Metal Matrix Composite (MMC) . El eje de transmisión MMC está fabricado con una matriz de aluminio reforzada con carburo de boro , lo que permite elevar la velocidad crítica del eje de transmisión reduciendo la inercia. El eje de transmisión MMC se ha convertido en una modificación común para los corredores, lo que permite aumentar la velocidad máxima mucho más allá de las velocidades de funcionamiento seguras de un eje de transmisión de aluminio estándar.
- Honda ha utilizado camisas de cilindro compuestas de matriz de aluminio en algunos de sus motores, incluidos el B21A1 , H22A y H23A , F20C y F22C , y el C32B utilizado en el NSX .
- Desde entonces, Toyota ha utilizado compuestos de matriz metálica en el motor 2ZZ-GE diseñado por Yamaha que se utiliza en las versiones posteriores del Lotus Lotus Elise S2, así como en los modelos de automóviles Toyota, incluido el Toyota Matrix del mismo nombre . Porsche también utiliza MMC para reforzar las camisas de los cilindros del motor del Boxster y del 911 .
- El F-16 Fighting Falcon utiliza fibras monofilamento de carburo de silicio en una matriz de titanio como componente estructural del tren de aterrizaje del avión .
- Specialized Bicycles lleva varios años utilizando compuestos de aluminio MMC para sus cuadros de bicicleta de alta gama . Griffen Bicycles también fabricó cuadros de bicicletas MMC de carburo de boro y aluminio, y Univega también lo hizo brevemente.
- Algunos equipos en aceleradores de partículas , como los cuadrupolos de radiofrecuencia (RFQ) o los objetivos de electrones, utilizan compuestos MMC de cobre como Glidcop para conservar las propiedades materiales del cobre a altas temperaturas y niveles de radiación. [19] [20]
- La matriz de aleación de cobre y plata que contiene un 55% en volumen de partículas de diamante , conocida como Dymalloy , se utiliza como sustrato para módulos multichip de alta potencia y densidad en electrónica por su muy alta conductividad térmica. AlSiC es un compuesto de aluminio y carburo de silicio para aplicaciones similares.
- Los compuestos de aluminio y grafito se utilizan en módulos electrónicos de potencia debido a su alta conductividad térmica , el coeficiente ajustable de expansión térmica y su baja densidad .
Las MMC casi siempre son más caras que los materiales más convencionales a los que reemplazan. Como resultado, se encuentran allí donde las propiedades y el rendimiento mejorados pueden justificar el costo adicional. Hoy en día, estas aplicaciones se encuentran con mayor frecuencia en componentes de aeronaves, sistemas espaciales y equipos deportivos de alta gama o "boutique". Sin duda, el alcance de las aplicaciones aumentará a medida que se reduzcan los costos 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 la humedad , tienen mejor conductividad eléctrica y térmica, son resistentes a los daños por radiación y no presentan desgasificación . Por otra parte, las MMC tienden a ser más caras, los materiales reforzados con fibras pueden ser difíciles de fabricar y la experiencia disponible en su uso es limitada.
Ver también
Referencias
- ^ Gopi Krishna, M.; Praveen Kumar, K.; Naga Swapna, M.; Babu Rao, J.; Bhargava, NRMR (2018). "Compuestos metal-metal: una forma innovadora de fortalecimiento múltiple". Materiales hoy: actas . 4 (8): 8085–8095. doi :10.1016/j.matpr.2017.07.148. ISSN 2214-7853.
- ^ Dieter, George E. (1986). Metalurgia mecánica (3ª ed.). Nueva York: McGraw-Hill. págs. 220–226. ISBN 0-07-016893-8. OCLC 12418968.
- ^ Ciencia e ingeniería de materiales, una introducción . William D. Callister Jr, 7.a edición, publicación de Wiley and sons
- ^ Wu, Yufeng; Brecha; 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.
- ^ Wu, Yufeng; Yong Kim, Gap; et al. (2010). "Fabricación de compuesto Al6061 con 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.
- ^ Wu, Yufeng; Yong Kim, Gap; et al. (2015). "Comportamiento de compactación de la mezcla de polvo binario Al6061 y SiC en estado blando". Revista de tecnología de procesamiento de materiales . 216 : 484–491. doi :10.1016/j.jmatprotec.2014.10.003.
- ^ Tecnología de deposición de vapor dirigida (DVD) de la Universidad de Virginia
- ^ Agdam, MM; Morsali, SR (1 de enero de 2014). Esfuerzos residuales en materiales compuestos . Publicación Woodhead. págs. 233–255. ISBN 9780857092700.
- ^ Parque, BG; Crosky, AG; Hellier, Alaska (1 de mayo de 2001). "Caracterización de materiales y propiedades mecánicas de compuestos de matriz metálica Al2O3-Al". Revista de ciencia de materiales . 36 (10): 2417–2426. doi :10.1023/A:1017921813503. ISSN 1573-4803.
- ^ Suh, Jin Yoo; Lee, Young-Su; Shim, Jae-Hyeok; Park, Hoon Mo (enero de 2012). "Predicción de las propiedades elásticas de aleaciones fundidas de aluminio endurecidas por precipitación". Ciencia de Materiales Computacionales . 51 (1): 365–371. doi :10.1016/j.commatsci.2011.07.061. ISSN 0927-0256.
- ^ Ashby, Mike (2005). Selección de materiales en diseño mecánico (3ª ed.). Butterworth-Heinemann: Ámsterdam.
- ^ Megahed, M.; Sabre, D.; Agwa, MA (1 de octubre de 2019). "Modelado del comportamiento de desgaste de compuestos de matriz metálica Al-Si / Al2O3". Física de los Metales y Metalografía . 120 (10): 981–988. doi :10.1134/S0031918X19100089. ISSN 1555-6190.
- ^ Bhatt, J.; Balachander, N.; Shekher, S.; Karthikeyan, R.; Peshwe, DR; Murty, BS (septiembre de 2012). "Síntesis de compuestos nanoestructurados de matriz metálica de Al-Mg-SiO2 mediante molienda de bolas de alta energía y sinterización por plasma por chispa". Revista de Aleaciones y Compuestos . 536 : S35-S40. doi : 10.1016/j.jallcom.2011.12.062. ISSN 0925-8388.
- ^ Agrawal, Parul; Sun, CT (julio de 2004). "Fractura en composites metal-cerámica". Ciencia y Tecnología de Compuestos . 64 (9): 1167-1178. doi :10.1016/j.compscitech.2003.09.026. ISSN 0266-3538.
- ^ Chawla, N.; Shen, Y.-L. (junio de 2001). "Comportamiento mecánico de compuestos de matriz metálica reforzados con partículas". Materiales de ingeniería avanzada . 3 (6): 357–370. doi :10.1002/1527-2648(200106)3:6<357::AID-ADEM357>3.0.CO;2-I. ISSN 1438-1656.
- ^ Khraishi, Tariq A.; Yan, Lincán; Shen, Yu-Lin (junio de 2004). "Simulaciones dinámicas de la interacción entre dislocaciones y concentraciones de partículas diluidas en compuestos de matriz metálica (MMC)". Revista Internacional de Plasticidad . 20 (6): 1039–1057. doi :10.1016/j.ijplas.2003.10.003. ISSN 0749-6419.
- ^ Inserciones de compuesto de matriz de aluminio (AMC) para pinzas de freno reforzadas (Archivado)
- ^ Soluciones industriales: compuestos de matriz metálica: material compuesto de matriz metálica de alto rendimiento y alta resistencia (archivado)
- ^ Ratti, A.; R. Gough; Sr. Hoff; R. Keller; K. Kennedy; R MacGill; J. Grapas (1999). "El módulo prototipo de SNS RFQ" (PDF) . Actas de la Conferencia sobre aceleradores de partículas de 1999 (n.º de catálogo 99CH36366) . vol. 2. págs. 884–886. Código Bib : 1999pac..conf..884R. doi :10.1109/PAC.1999.795388. ISBN 978-0-7803-5573-6. S2CID 110540693. Archivado desde el original (PDF) el 26 de marzo de 2010 . Consultado el 9 de marzo de 2009 .
- ^ Mochizuki, T.; Y. Sakurai; D. Shu; TM Kuzay; H. Kitamura (1998). "Diseño de absorbentes compactos para líneas de luz onduladoras de rayos X de alta carga térmica en SPring-8" (PDF) . Revista de radiación sincrotrón . 5 (4): 1199–1201. doi :10.1107/S0909049598000387. PMID 16687820. Archivado (PDF) desde el original el 26 de julio de 2011.
enlaces externos
- Evaluación de compuestos de matriz metálica para innovaciones
- Aplicación espacial de las MMC
- Tecnología de metales compuestos Ltd
- http://jrp.sagepub.com/content/32/17/1310.abstract