Compuesto de matriz metálica - Metal matrix composite

Un compuesto de matriz metálica ( MMC ) es un material compuesto con al menos dos partes constituyentes, siendo una necesariamente un metal , el otro material puede ser un metal diferente u otro material, tal como un compuesto cerámico u orgánico . Cuando están presentes al menos tres materiales, se denomina compuesto híbrido . Un MMC es complementario a un cermet .

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 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 Al 4 C 3 quebradizo y soluble en agua en la superficie de la fibra. Para evitar esta reacción, las fibras de carbono se recubren con boruro de níquel o 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 compatible para el refuerzo. En aplicaciones de alta temperatura, las matrices de aleación de cobalto y cobalto-níquel son comunes.

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 se pueden trabajar 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 hilos o fibras de monofilamento como fibra de carbono o carburo de silicio . Debido a que las fibras están incrustadas en la matriz en una determinada dirección, el resultado es una estructura anisotrópica en la que la alineación del material afecta su resistencia. Uno de los primeros 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 .

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 ( pulvimetalurgia ): 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 de metal 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 deposita conjuntamente formando un material compuesto
  • Mezcla de fundición : el refuerzo discontinuo se agita en el metal fundido, que se deja solidificar
  • Infiltración por presión: el metal fundido se infiltra en el refuerzo mediante el uso de un tipo de presión, como la presión de gas.
  • Fundición por compresión: el metal fundido se inyecta en una forma con fibras colocadas previamente en su interior
  • Deposición por pulverización: el metal fundido se pulveriza sobre un sustrato de fibra continua.
  • Procesamiento reactivo: se produce una reacción química en la que uno de los reactivos forma la matriz y el otro el refuerzo.

Métodos de estado semisólido

  • Procesamiento de polvo semisólido: la mezcla de polvo se calienta hasta el estado semisólido y se aplica presión para formar los compuestos.

Deposición de vapor

Técnica de fabricación in situ

  • La solidificación unidireccional controlada de una aleación eutéctica puede resultar en una microestructura de dos fases con una de las fases, presente en forma laminar o fibrosa, distribuida en la matriz.

Estrés residual

Los MMC se fabrican a temperaturas elevadas, que 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 compuesto debido al desajuste entre los coeficientes de la matriz metálica y la fibra. Los RS de fabricación influyen significativamente en el comportamiento mecánico de los MMC en todas las condiciones de carga. En algunos casos, los RS térmicos son lo suficientemente altos como para iniciar la deformación plástica dentro de la matriz durante el proceso de fabricación.

Aplicaciones

  • Las herramientas de corte de carburo de tungsteno de alto rendimiento están hechas de una matriz de cobalto resistente que cementa las partículas duras de carburo de tungsteno; Las herramientas de menor rendimiento pueden utilizar otros metales como el bronce como matriz.
  • Algunas armaduras de tanques pueden estar hechas 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 el 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 menos que óptimas, y desde entonces Lotus ha vuelto al hierro fundido. Los coches deportivos modernos de alto rendimiento , como los fabricados por Porsche , utilizan rotores hechos de fibra de carbono dentro de una matriz de carburo de silicio debido a su alta conductividad térmica y térmica específica . 3M desarrolló un inserto de matriz de aluminio preformado para fortalecer las pinzas de freno de disco de aluminio fundido, 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 varillas de empuje AMC .
  • Ford ofrece una mejora del eje de transmisión de Metal Matrix Composite (MMC) . El eje de transmisión MMC está hecho de 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 operación seguras de un eje de transmisión de aluminio estándar.
  • Honda ha utilizado revestimientos de cilindros compuestos de matriz metálica 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 de Lotus Lotus Elise S2 , así como en los modelos de automóviles de Toyota, incluido el Toyota Matrix del mismo nombre . Porsche también usa MMC para reforzar las camisas de los cilindros del motor en el Boxster y el 911 .
  • El F-16 Fighting Falcon utiliza fibras de carburo de silicio monofilamento en una matriz de titanio para un componente estructural del tren de aterrizaje del avión .
  • Specialized Bicycles ha utilizado compuestos de aluminio MMC para sus cuadros de bicicleta de gama alta durante varios años. Griffen Bicycles también fabricó cuadros de bicicleta MMC de carburo de boro y aluminio, y Univega también lo hizo brevemente.
  • Algunos equipos de aceleradores de partículas , como los cuadrupolos de radiofrecuencia (RFQ) o los objetivos de electrones, utilizan compuestos MMC de cobre como Glidcop para retener las propiedades materiales del cobre a altas temperaturas y niveles de radiación.
  • 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 de chips múltiples de alta densidad y alta potencia en la electrónica por su muy alta conductividad térmica. AlSiC es un compuesto de carburo de silicio y aluminio para aplicaciones similares.
  • Aluminio : los compuestos de grafito se utilizan en módulos electrónicos de potencia debido a su alta conductividad térmica , el coeficiente ajustable de expansión térmica y la baja densidad .

Las MMC son casi siempre más caras que los materiales más convencionales que reemplazan. Como resultado, se encuentran 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 costes de fabricación.

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

Ver también

Referencias

enlaces externos