Композиты с металлической матрицей дают инженерам новые возможности проектирования

Эта статья была обновлена ​​11 мая 2023 г. Первоначально она была опубликована 1 июня 2017 г.

Инженеры часто проектируют конструкции и компоненты из металлов, таких как сталь и алюминий, из-за их прочности и долговечности. Теперь у них есть альтернатива, композиты с металлической матрицей (MMC — металломатричные композиты), которые работают лучше, чем обычные металлы и сплавы. Это достигается путем добавления материалов в виде частиц, волокон и даже полых микрошариков в матрицы металлов или сплавов, где они выполняют ту же функцию, что и волокна и нити в стекловолокне; они добавляют прочности и долговечности.

Например, добавление частиц бора, углерода, карбида кремния, глинозема или графита в качестве армирующего материала к алюминию приводит к получению композита на 30-40% прочнее и жестче, чем алюминий.

Около десяти лет назад металлурги начали экспериментировать с использованием наночастиц в качестве армирующих материалов в ММС. Эти MMC снижают массу и вес узлов и агрегатов, а также повышают их надежность и эффективность. И эти характеристики можно улучшить без изменения химического состава материалов. Например, добавление наночастиц к алюминию делает нанокомпозит более жестким, чем исходный алюминий.

К другим преимуществам MMC относятся:

• • • Повышенная термостойкость и огнестойкость.
    • Поперечная жесткость и прочность.
    • Отсутствие поглощения влаги.
    • Более высокая электрическая и теплопроводность.
    • Лучшая радиационная стойкость

Автомобильные ММС

Автопроизводители все чаще обращаются к MMC, чтобы соответствовать строгим требованиям экономии топлива. Более легкие MMC позволяют им повысить экономию топлива, не жертвуя потребительскими требованиями к комфорту и безопасности. Исследователи из Центра композитных материалов, Центра производства передовых материалов и Висконсинского университета Милуоки (UWM) работают над манипулированием MMC для создания легких материалов с рядом полезных свойств для автомобильной промышленности. Они также выходят за рамки возможного, пытаясь создать самовосстанавливающиеся, самоочищающиеся и самосмазывающиеся ЦУД.

Например, инженеры из команды UWM разработали бессвинцовые алюминиевые и медные матричные композиты, содержащие частицы графита, для снижения веса и технического обслуживания. Они разработали MCC, который может заменить стандартную медь и свинец, используемые в крышках коренных подшипников коленчатого вала. Подшипники MMC намного легче и более износостойкие, чем традиционные материалы, такие как свинец. Кроме того, частицы графита создают непрерывную пленку, благодаря которой подшипники самосмазываются. В качестве дополнительного бонуса графит нетоксичен, в отличие от свинца.

Команда UWM также применила MMC для решения другой автомобильной проблемы. В обычных двигателях алюминиевые поршни и гильзы цилиндров иногда слипаются при холодном пуске или при низком уровне моторного масла. Чтобы предотвратить это, команда разработала MCC, который содержит частицы графита в своей алюминиевой матрице. Металл достаточно прочен, чтобы справиться с применением, а графит обеспечивает встроенную защиту от заедания.

Автомобильные дисковые тормоза и тормозные суппорты (обычно изготовленные из чугуна) — еще одна область, в которой MMC могут значительно снизить вес, что имеет решающее значение для будущих электромобилей. Команда UWM использовала частицы карбида кремния в алюминиевой матрице, чтобы улучшить обрабатываемость и снизить затраты на эти тормозные компоненты. Они также рассмотрели возможность добавления летучей золы, отходов от сжигания угля, к алюминию, чтобы сделать MMC для тормозных дисков.

В качестве дополнительного снижения затрат команда также разрабатывает методы синтеза, в которых используются отходы. Команда добавила летучую золу к алюминию, что привело к созданию недорогих и легких композитов, известных как синтактические пены. Пены имеют низкую плотность, но высокую ударопрочность.

Аэрокосмические ЦУПы

Около 50 лет назад авиаконструкторы начали использовать в своих интересах высокое отношение прочности к весу, связанное с углеродными композитами. Они начали заменять алюминиевые детали композитными версиями. Это снизило вес самолета и увеличило его топливную экономичность. Композиты также устойчивы к износу и коррозии.

Прогресс продолжался, и во многих самолетах используются различные MMC. Например, почти треть конструкции истребителя F-22 изготовлена ​​из различных углеволоконных композитов и связанных с ними материалов. А более новые F-16 Falcon оснащены конструктивным элементом шасси, изготовленным из титанового MMC с внедренными в него моноволоконными частицами карбида кремния.

Многие сложные возможности военных самолетов были бы невозможны без MMC и других композитов. Например, V-22 Osprey, вертолет с поворотным винтом, может взлетать, приземляться и зависать, как вертолет, а также наклонять свои винты вперед на 90 градусов. в воздухе, чтобы летать как турбовинтовой самолет. Отчасти это благодаря легким роторам из графита и стекловолокна и композитным конструкциям в подсистеме ротора. Эти конструкции достаточно прочны, чтобы выдерживать высокие центробежные силы, и при этом остаются слегка гибкими. Точно так же маневренность F/A-18 Hornet в воздухе частично обусловлена ​​композитными материалами, используемыми в крыльях, закрылках и стабилизаторах.

Что дальше?

Одной из самых интересных разработок команды UWM является разработка самовосстанавливающихся MCC. Эти материалы смогут заделать трещины и пустоты. В одном подходе, который они пробуют, используются материалы с памятью формы. Предлагаемая MMC будет иметь память формы, встроенную в металлическую матрицу. Затем, если образуется небольшая трещина, область будет нагреваться, и провода, протянувшиеся через трещину, сократятся в длину, стягивая края трещины вместе.

Исследовательская группа также разрабатывает MMC с самоочищающимися компонентами, которые могут повысить безопасность, а также сократить объем технического обслуживания легковых и грузовых автомобилей.

Большинство процессов, используемых для изготовления МКЦ, таких как паровая фаза, а также смешивание и прессование композитов, как правило, являются дорогостоящими. Исследователи планируют это исправить. Группа UWM, например, разработала недорогие жидкостные методы, в которых волокна или частицы добавляются к расплавленному металлу. Горячую смесь выливают в форму, где она остывает и затвердевает. Эти методы хорошо подходят для изготовления больших и сложных деталей.

Поскольку исследования и разработки материалов MMC продолжаются, их использование, вероятно, также будет расширяться в самых разных отраслях и приложениях.

Автор

Том Барретт (Tom Barrett) был менеджером по маркетингу бренда McShane Welding and Metal Products на момент первоначальной публикации этой статьи.

Источник: www.machinedesign.com