Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, Mmcs

Basisinformation

Produktbeschreibung

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMCs) beziehen sich hauptsächlich auf eine Art Verbundwerkstoff, der aus Metall und Legierungen als Matrixmaterial und hochfesten Materialien wie Fasern, Whisker und Partikeln als Verstärkung besteht.

Die gängigen Herstellungsmethoden für MMCs sind: Pulvermetallurgie, In-situ-Synthese, Sprühformen, Gussverfestigung usw. Entsprechend den verschiedenen Verstärkungsphasen können sie in kontinuierliche Faserverstärkung (hauptsächlich Kohlenstoff- und Graphitfaser, Siliziumkarbidfaser, Borfaser, Aluminiumoxidfaser, Edelstahldraht und Wolframdraht) und diskontinuierliche Faserverstärkung (einschließlich SiC, Aluminiumoxid, Bor) unterteilt werden Karbidpartikelverstärkung, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, gleichmäßige Whiskerverstärkung, Aluminiumoxidfaser und andere Kurzfaserverstärkung) und laminierte Verbundmaterialien.

Vakuum-Sinterofen (links) und Vakuum-Heißpressofen (rechts), unabhängig voneinander von Shanghai Haoyue entwickelt

Denn die Einführung der Verstärkungsphase kann die Mikrostruktur und Mikrostruktur des Matrixmaterials bis zu einem gewissen Grad verändern, wie z. B. Unterstruktur, Versetzungsmorphologie und Korngröße, um so die Mängel einiger Eigenschaften der Matrixmaterialien zu verbessern und auszugleichen dass MMCs eine hohe spezifische Festigkeit und einen hohen spezifischen Modul, eine hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine starke Dimensionsstabilität, eine gute Leitfähigkeit und thermische Leitfähigkeit aufweisen. Physikalische und mechanische Eigenschaften. Daher haben MMCs einige traditionelle Materialien ersetzt und sind nach und nach in den Mittelpunkt der materialwissenschaftlichen Forschung im In- und Ausland gerückt.

Anwendung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen

Kupfer ist eines der frühesten und praktischsten Metalle, die der Mensch entdeckt hat. Aufgrund seiner hervorragenden Duktilität ist es hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit nach Silber das zweitgrößte und hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit nach Gold und Silber das zweitgrößte. Allerdings sind die mechanischen Eigenschaften (Verschleißfestigkeit, Härte, Festigkeit, Kriechfestigkeit usw.) von Kupfer schlecht, was den Einsatz von Kupfer in der Industrie und im Militärbereich einschränkt. Unter vielen MMCs sind Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe wegen ihrer hervorragenden Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und guten Verarbeitbarkeit weithin bekannt. Seit den 1960er Jahren wurde die Forschung zu Kupfermatrix-Verbundwerkstoffen schrittweise vorangetrieben. Viele Wissenschaftler haben der Kupfermatrix verschiedene Verstärkungen hinzugefügt. Es wurde festgestellt, dass der Verbundwerkstoff nicht nur die Vorteile von Kupfer beibehält, sondern auch den Mangel an mechanischen Eigenschaften von Kupfer ausgleicht. Bisher dauerte die Forschung zu Kupfermatrix-Verbundwerkstoffen mehrere Jahrzehnte und bildete drei Kategorien: partikelverstärkte Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe, faserverstärkte Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe und Whisker-verstärkte Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe.

Anwendung von Kupfermatrix-Verbundwerkstoffen

1. Partikelverstärkte Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe

Der Zweck partikelverstärkter Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe besteht darin, Partikel mit hervorragenden Eigenschaften gleichmäßig in der Kupfermatrix zu verteilen und die umfassenden Eigenschaften von Kupfermatrix-Verbundwerkstoffen zu verbessern. Der Pinning-Effekt der partikelverstärkten Phase kann die Bewegung von Versetzungen erheblich behindern, um so die Festigkeit des Verbundwerkstoffs zu erhöhen und die mechanischen Eigenschaften, die Verschleißfestigkeit und die Hochtemperatureigenschaften von Kupfermatrix-Verbundwerkstoffen erheblich zu verbessern. Darüber hinaus wird aufgrund der geringen Menge an partikelverstärkter Phase die ursprünglich hohe Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit des Matrixmaterials nicht wesentlich verringert. Die häufigsten partikelverstärkten Phasen sind Al2O3, WC, TiB2, Ti3SiC2 usw. Die derzeit am häufigsten untersuchte ist Al2O3. Aufgrund seiner hohen mechanischen Eigenschaften, der elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit nahe an reinem Kupfer sowie seiner guten Korrosions- und Verschleißfestigkeit hat der Verbundwerkstoff die praktische Phase erreicht. WC-Partikel zeichnen sich durch hohe Festigkeit, hohe Härte, hohen Schmelzpunkt und hohe Elastizität aus, sodass WC-verstärkte Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe auch eine hohe Festigkeit, hohe Härte, hohe Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweisen. TiB2-Partikel zeichnen sich durch hervorragende Steifigkeit, hohe Härte und gute Verschleißfestigkeit aus, sodass TiB2-verstärkte Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe eine hervorragende Steifigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit aufweisen. Ti3SiC2 ist ein neuartiges Material mit hervorragender Struktur, Leitfähigkeit und selbstschmierenden Eigenschaften. Es weist in der Leitfähigkeit, Leitfähigkeit und Verarbeitung die gleichen Eigenschaften wie Metallwerkstoffe auf. Gleichzeitig weist es die Eigenschaften von geringem Gewicht, Oxidationsbeständigkeit und hoher Temperaturbeständigkeit von Keramikmaterialien auf. Daher ist Ti3SiC2-verstärkter Kupfermatrix-Verbundwerkstoff ein ausgezeichnetes selbstschmierendes Material und seine mechanischen Eigenschaften sind besser als die von SiC-verstärktem Kupfermatrix-Verbundwerkstoff.

Aufgrund der Kombination metallischer und nichtmetallischer Eigenschaften (Festigkeit und Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, Hitzebeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Witterungsbeständigkeit) können partikelverstärkte Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe in großem Umfang für technische Anforderungen eingesetzt werden und zeichnen sich durch ihre spezifische Festigkeit, ihren spezifischen Modul und ihre hohe Temperatur aus Stabilität sind besser als die Matrixmaterialien, was eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Luft- und Raumfahrt und anderen Spitzenbereichen spielt.

2. Faserverstärkte Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe

Faserverstärkter Kupfermatrix-Verbundwerkstoff ist eine Methode zur Verstärkung der Kupfermatrix durch die Verwendung hochfester Metalldrähte oder -fasern (Durchmesser 3 ~ 5 μm). Dies ist auch die erste Verstärkungsmethode, die auf Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe angewendet wird. Faserverstärkte Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und hervorragenden Dimensionsstabilität in Strahlungs- und Feuchtigkeitsumgebungen häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Elektronik und in anderen Bereichen eingesetzt. Die Eigenschaften faserverstärkter Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe werden durch die Eigenschaften der Fasern bestimmt. Die faserverstärkte Phase muss ein hohes Aspektverhältnis, eine hohe spezifische Festigkeit, einen hohen spezifischen Modul, eine stabile Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen sowie eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweisen. Derzeit sollten B-Fasern, C-Fasern, SiC-Fasern und Al2O3-Fasern weit verbreitet sein. B-Fasern zeichnen sich durch geringe Dichte, großes Seitenverhältnis, hohen Elastizitätsmodul, hohe Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichnete thermische Stabilität aus. Im Vergleich zu B- und C-Fasern weisen SiC-Fasern eine bessere Hochtemperaturleistung und eine bessere Oxidationsbeständigkeit auf als B- und C-Fasern. Daher werden SiC-Fasern hauptsächlich bei der Herstellung verschiedener hochtemperaturbeständiger und leistungsstarker Strukturteile von Flugzeugen, Raketen und Triebwerken verwendet.

3. Whisker-verstärkte Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe

Whisker-verstärkter Kupfermatrix-Verbundwerkstoff ist eine Methode, die vor allem für Whisker-verstärkte Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe von Vorteil ist. Feine nadelförmige Kristalle ohne Defekte (dh es gibt nur eine Schraubenversetzung auf der Wachstumsachse) werden Whisker genannt; Im Allgemeinen ist das Seitenverhältnis größer als 10 und die Querschnittsfläche beträgt weniger als 52 × 10-5 cm-2. Mittlerweile werden auch kurzfaserige Kristalle als eine Art Whisker betrachtet. Dadurch liegen Festigkeit und Modul des Whiskers nahe am theoretischen Berechnungswert des gesamten Korngrenzenmaterials, sodass die mit Whiskern verstärkte Phase zu einer Art Festigungs- und Zähigkeitsphase mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften wird, die die Verschleißfestigkeit erheblich verbessern kann , Korrosionsbeständigkeit und thermische Ermüdungsbeständigkeit des Verbundwerkstoffs

Der Ausdehnungskoeffizient des Materials wird reduziert. Daher sind die Synthese und Anwendung von Whiskern zu einem wichtigen Forschungsgebiet in der Materialwissenschaft geworden. Nach Jahren der Forschung und Entwicklung wurden mehr als 100 Arten von Whiskern gebildet, die hauptsächlich aus SiC, Si3N4, K2Ti6O13, Mg2B2O5, al18b4o13, Al2O3 und ZnO bestehen. Unter allen Whiskern ist der SiC-Whisker als „König der Whisker“ bekannt, der das wichtigste Forschungs- und Anwendungsgebiet darstellt. Weil SiC-Whisker die höchste Festigkeit, den höchsten Elastizitätsmodul, die höchste Zugfestigkeit, Hitzebeständigkeit und andere Eigenschaften aller synthetisierten Whisker aufweisen. Ähnlich wie SiC haben Si3N4-Whisker eine geringere Härte, aber eine bessere Bearbeitbarkeit. Die im späteren Stadium entwickelten K2Ti6O13-, al18b4o13- und Mg2B2O5-Whisker weisen nicht nur eine hervorragende Leistung auf, sondern sind auch kostengünstiger.

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