Materiale compozite cu matrice metalică

Materiale compozite cu matrice metalica

Lumea stiintifica a ultimului sfert de secol a trebuit sa constate extinderea spectaculoasa a utilizarii compozitelor metalice. Aceasta s-a datorat unor calitati deosebite, precum rezistenta lor mecanica sau la oboseala, avand va superioare celor ale plasticelor armate, sau posibilitatea de a lucra temperaturi inalte si in conditii dificile de mediu, la care utilizarea polimeri armati nu ar fi recomandabila.

Trebuie remarcat ca metalele si aliajele lor au prin ele o gama larga de utilizari in proiectarea inginereasca, deoarece au proprietati variabile usor de controlat, prin alegerea corecta a compozitiilor chimice si a metodei si tehnologiilor de prelucrare. Folosirea lor extensiva se datoreaza nu numai valorilor ridicate ale proprietatilor de rezistenta si de rigiditate, ci mai multitudinii de tehnici de procesare, nesofisticate si nepretentioase in privinta costurilor, care permit fabricarea celor mai diverse piese.

In schimb, observarea apropierii de limita superioara a posibilitatii de crestere calitativa ale metalelor a condus la ideea compunerii lor. Ca urmare, dezvoltarea compozitelor metalice a avut ca scop initial obtinerea de proprietati care nu puteau fi atinse de nici unul dintre metalele nearmate.

Pana in prezent au fost utilizate ca matrice mai multe categorii de materiale metalice, cum ar fi plumbul, zincul, cuprul, otelul, nichelul superaliajele pe baza de nichel) sau argintul, dar cele mai multe aplicatii ale aliajele "usoare", cum sunt cele de aluminiu, titan si magneziu.

Cat despre faza de armare a acestor compozite, se constata ca ea in cele mai multe cazuri de natura ceramica (dar poate fi si metalica, sa carbon), avand forma de particule, de cristale filamentare, de fibre scurte de fibre continue lungi.

Cele mai multe dintre compozitele metalice (numite in limba engleza Matrix Composites, prescurtat MMC) au proprietati mecanice care le-ar face foarte atractive pentru diversi utilizatori. Cu toate acestea dezvoltarea aplicatiilor industriale care le includ a fost limitata, pana la sfarsitul anilor '80, de costurile ridicate si de procescle complexe pe cai care implica, de multe ori, fabricarea lor.

In plus, ele oferă o conductivitate termică excelentă, rezistenţă ridicată la forfecare, rezistenţă excelentă la abraziune, operare la temperaturi înalte, neimflamabilitate, atac redus al solvenţilor şi combustibililor precum şi posibilitatea de a fi prelucrate cu echipamentul convenţional.

MMC-ul cu matrice din aluminiu este produs prin turnare, metalurgia pulberii, tehnica presării fibrelor sau foilor, dezvoltarea armăturilor in-situ. Sunt disponibile acum, în cantităţi mari, producţii de înaltă calitate, consistente, producţii la scară mare obţinute cu costuri reduse.

Compozitele cu matrice confecţionată din superaliaje cu fibre din aliaj ce conţin tungsten se utilizează pentru componente ale motoarelor cu turbină cu gaz ce operează la temperaturi de aprox. 20000C.

Compozitele cu grafit/cupru pot fi obţinute cu proprietăţi convenabile spre a fi utilizate la temperaturi mari în aer şi au caracteristici mecanice excelente ca şi conductivitate termică şi conductibilitate electrică ridicate.

Compozit grafit/cupru

In comparaţie cu compozitele pe bază de titan aceste sunt mai uşor prelucrabile şi, în comparaţie cu cele din oţel, au densitate mai scăzută. Superconductorii sunt fabricaţi din cupru ca armătură de tip filament supraconductor din niobiu-titan. Cuprul ranforsat cu particule din tungsten sau oxid din aluminiu se utilizează prin armare la cald şi împachetare electronică.

Titanul armat cu fibre din SiC este dezvoltat ca material pentru carcase de avioane. Oţelul aliat, oţelul de scule şi Inconel-ul se utilizează ca materiale de matrice armate cu particule din Ti-C şi fabricate sub formă de inele la temperatură ridicate rezultând componente rezistente la coroziune.

In comparaţie cu metalele monolitice MMC-urile prezintă următoarele: Avantaje:

-rezistenţă ridicată raportată la densitate;

-rigiditate ridicată raportată la densitate;

-bună rezistenţă la oboseală;

-proprietăţi bune la temperaturi ridicate:

-rezistenţă ridicată;

-viteză scăzută de propagare a fisurii;

-coeficient redus de dilatare termică;

-bună rezistenţă la umiditate.

Câteva dezavantaje în comparaţie cu metalele monolitice sau cu compozitele cu matrice polimeră sunt:

-cost ridicat pentru anumite sisteme de materiale;

-tehnologie de fabricaţie ralativ imatură;

-metodele de fabricaţie devin complexe pentru sistemele cu armare prin fibre (exceptând turnarea);

-experienţă în exploatare limitată.

Armăturile pentru MMC-uri

Armăturile MMC-urilor pot fi împărţite în 5 mari categorii: fibre continui, fibre discontinui, cristale filament, particule şi sârme. Cu excepţia sârmelor, care sunt metalice, armăturile sunt în general de natură ceramică. Fibrele continui includ materiale ca: bor, grafit (carbon), alumină şi Si-C. Fibrele din bor se pot confecţiona prin vaporizarea chimică (CVD) a acestui material pe un filament din tungten. Se pot utiliza, de asemeni, şi filamente din carbon. Aceste filamente sunt deja disponibile la scară industrială într-o largă paletă de dimensiuni. Pentru a uşura reacţia dintre bor şi metale la temperatură înaltă se utilizează acoperiri ale filamentelor cu Si-C sau B-C.

Monofilamentele din Si-C sunt fabricate tot prin procedeul CVD, utilizând un microfilament din tungsten sau carbon. Sunt disponibile la scară industrială fire mutlifilament din Si-C. Proprietăţile acestui material, fabricat prin piroliza fibrelor precursoare organo-metalice, diferă semnificativ de cele ale monofilamentului din Si-C.