금속 매트릭스 복합체

Metal matrix composite

MMC(Metal Matrix Composite)는 적어도 두 개의 구성 요소를 가진 복합 재료로, 하나는 필수 금속이고, 다른 재료는 세라믹 또는 유기 화합물과 같은 다른 금속이거나 다른 재료일 수 있다. 최소 3가지 재료가 있으면 하이브리드 복합체라고 한다. MMC와 Cermets 사이에는 일부 중복이 있는데, 후자는 일반적으로 부피별로 20% 미만의 금속으로 구성된다.

구성

MMC는 보강재를 금속 매트릭스로 분산시켜 만든다. 철근 표면은 매트릭스와의 화학적 반응을 방지하기 위해 코팅할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 매트릭스에 탄소섬유가 일반적으로 사용되어 저밀도와 고강도를 보이는 합성물을 합성한다. 그러나 탄소는 알루미늄과 반응하여 섬유 표면에 부서지기 쉽고 수용성 화합물 ALC를43 생성한다. 이러한 반응을 막기 위해 탄소섬유는 니켈이나 티타늄 붕소로 코팅된다.

매트릭스

매트릭스는 철근 배근의 일체형 재료로, 완전히 연속적이다. 이것은 두 재료가 함께 샌드위치 된 것과는 달리 재료의 어느 지점까지 행렬을 통과하는 경로가 있다는 것을 의미한다. 구조 용도에서 매트릭스는 보통 알루미늄, 마그네슘 또는 티타늄과 같은 가벼운 금속이며, 철근 배근에 대한 준수 지원을 제공한다. 고온 어플리케이션에서는 코발트와 코발트-니켈 합금 행렬이 일반적이다.

보강

보강재는 매트릭스에 내장되어 있다. 철근 배근은 항상 순수 구조적인 작업(복합체 보강)을 수행하는 것이 아니라 마모 저항성, 마찰 계수, 열전도율 등의 물리적 성질을 변화시키는 데도 사용된다. 철근 배근은 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 불연속 MMC는 등방성이며 압출, 단조 또는 압연과 같은 표준 금속 작업 기법으로 작업할 수 있다. 또한 기존 기법을 사용하여 가공할 수도 있지만 일반적으로 다결정 다이아몬드 툴링(PCD)을 사용해야 한다.

연속 보강은 탄소 섬유나 실리콘 카바이드와 같은 섬유나 모노필라멘트를 사용한다. 섬유들이 일정한 방향으로 매트릭스에 박혀 있기 때문에, 그 결과는 물질의 정렬이 강도에 영향을 미치는 비등방성 구조다. 첫 번째 MMC 중 하나는 보론 필라멘트를 보강재로 사용했다. 불연속 보강은 "수염", 짧은 섬유 또는 입자를 사용한다. 이 범주에서 가장 일반적인 보강재는 알루미나 및 실리콘 카바이드다.[1]

제조 및 성형 방법

MMC 제조는 고체, 액체, 증기의 세 가지 유형으로 나눌 수 있다.

솔리드 스테이트 메서드

  • 파우더 혼합 및 통합(파우더 야금): 분말 금속과 불연속 보강재를 혼합한 후 압축, 탈가스화 및 열-기계 처리 과정을 통해 접합(열간 등압(HIP) 또는 압출)
  • 호일확산 본딩 : 금속 호일 층을 긴 섬유로 샌드위치시킨 다음 눌러 매트릭스를 형성한다.

액체 상태 방법

  • 전기 도금 및 전기성형 : 철근 입자가 적재된 금속 이온을 함유한 용액은 복합 물질을 형성하여 공동 침전한다.
  • 스턴 캐스팅: 불연속 보강재를 용해된 금속으로 휘저어 굳히도록 한다.
  • 압력 침투: 용융된 금속은 가스압력 등의 압력을 이용하여 철근에 침투한다.
  • 스퀴즈 주물: 녹은 금속을 안에 미리 놓인 섬유로 형태에 주입한다.
  • 스프레이 증착: 용융된 금속을 연속 섬유 기질에 분사
  • 사후 처리: 화학 반응이 일어나는데, 반응 물질 중 하나는 행렬을 형성하고 다른 하나는 철근 배근을 형성한다.

반고체상태법

  • 반고형 분말 가공 : 분말 혼합물을 반고형 상태로 가열하여 압력을 가해 합성물을 형성한다.[2][3][4]

증기 증착

현장 제작 기법

  • Eutectic 합금의 제어된 단방향 고형화는 행렬 또는 섬유 형태로 존재하는 위상 중 하나를 가진 2상 미세 구조를 야기할 수 있다.[5]

잔류응력

MMC는 높은 온도에서 제조되며, 이는 섬유/매트릭스 인터페이스의 확산 본딩에 필수적인 조건이다. 나중에 주변 온도로 냉각하면 금속 매트릭스와 섬유 계수의 불일치로 인해 합성물에 잔류응력(RS)이 발생한다. 제조 RS는 모든 하중 조건에서 MMC의 기계적 거동에 상당한 영향을 미친다. 어떤 경우에는 열 RS가 제조 공정 중 매트릭스 내에서 소성 변형을 일으킬 수 있을 정도로 높다.[6]

적용들

  • 고성능 텅스텐 카바이드 절삭 공구는 단단한 텅스텐 카바이드 입자를 시멘딩하는 질긴 코발트 매트릭스에서 만들어지며, 낮은 성능의 공구는 청동과 같은 다른 금속을 매트릭스로 사용할 수 있다.
  • 일부 탱크 아머는 금속 매트릭스 합성물, 아마도 질화 붕소로 보강된 강철로 만들어질 수 있는데, 이것은 매우 딱딱하고 용해된 강철에 용해되지 않기 때문에 강철에 좋은 보강재일 것이다.
  • 일부 자동차 디스크 브레이크는 MMC를 사용한다. 초기 Lotus Elise 모델들은 알루미늄 MMC 로터를 사용했지만, 그것들은 최적의 열 특성을 가지고 있지 않다. 그리고 Lotus는 이후 다시 주철로 바꾸었다. 그 포르쉐에 의해 지어진 같은 현대 고성능 스포츠 카를, 그것의 높은 비열과 열 전도율 때문에. 3Mcalipers,[7]반으로 무게를 줄이는 동안 레 철을 던지다에 비해 출연진 알루미늄 디스크 브레이크를 강화하는 것에 대한 점검 알루미늄 매트릭스 삽입을 개발했다의 회전 날개가 탄소 섬유의 탄화 규소 매트릭스 내에 만들어진를 사용한다.있을뻣뻣한 3M은 AMC 푸시로드에도 알루미나 프리폼을 사용했다.[8]
  • Ford는 MMC(Metal Matrix Composite) 구동축 업그레이드를 제공한다. MMC 구동축은 보론 카바이드로 보강된 알루미늄 매트릭스로 만들어져 관성을 줄여 구동축의 임계 속도를 높일 수 있다. MMC 구동축은 레이서들에게 일반적인 개조가 되어 표준 알루미늄 구동축의 안전한 작동 속도를 훨씬 뛰어넘어 최고 속도를 높일 수 있게 되었다.
  • Honda는 B21A1, H22A 및 H23A, F20C 및 F22C, NSX에서 사용되는 C32B 등 일부 엔진에 알루미늄 금속 매트릭스 복합 실린더 라이너를 사용해 왔다.
  • 이후 도요타는 야마하가 디자인한 2ZZ-GE 엔진에 메탈 매트릭스 컴포지트를 사용했는데, 이 엔진은 후기 Lotus Eliise S2 버전뿐만 아니라 eponymous 토요타 매트릭스를 포함한 도요타 자동차 모델에도 사용된다. 포르쉐는 또한 박스스터와 911에서 엔진의 실린더 슬리브를 보강하기 위해 MMC를 사용한다.
  • F-16 파이팅 팰컨은 제트 착륙 기어의 구조적 구성요소를 위해 티타늄 매트릭스에 실리콘 카바이드 섬유를 사용한다.
  • Specialized Bycles는 수 년 동안 다양한 자전거 프레임의 최상단에 알루미늄 MMC 화합물을 사용해 왔다. 그리핀 바이크도 붕소 카바이드-알루미눔 MMC 자전거 프레임을 만들었고, 우니베가도 짧게 만들었다.
  • RFQ(Radio Frequency Quadrupoles) 또는 전자 표적과 같은 입자 가속기의 일부 장비는 Glidcop과 같은 구리 MMC 화합물을 사용하여 구리의 재료 특성을 고온과 방사선 수준으로 유지한다.[9][10]
  • Dymalloy로 알려진 볼륨 다이아몬드 입자에 의해 55%가 함유된 구리-실버 합금 매트릭스는 열전도도가 매우 높아 전자제품의 고출력 고밀도 멀티칩 모듈의 기질로 사용된다. AlSiC는 유사한 용도의 알루미늄 실리콘 카바이드 복합체다.
  • 알루미늄-그래파이트 복합 재료는 열전도도가 높고 열팽창 계수가 조절되며 밀도가 낮기 때문에 전력 전자 모듈에서 사용된다.

MMC는 대체하는 전통적인 재료보다 거의 항상 더 비싸다. 결과적으로, 그것들은 개선된 특성과 성능이 추가 비용을 정당화할 수 있는 곳에서 발견된다. 오늘날 이러한 애플리케이션은 항공기 구성요소, 우주 시스템 및 고급 또는 "부티크" 스포츠 장비에서 가장 많이 발견된다. 제조원가가 줄어들면 적용범위는 확실히 늘어날 것이다.

기존의 폴리머 매트릭스 복합체와 비교하여 MMC는 화재에 내성이 있고, 보다 광범위한 온도 범위에서 작동할 수 있으며, 습기를 흡수하지 않으며, 전기 및 열전도율이 더 우수하며, 방사선 손상에 내성이 있으며, 과대변화를 표시하지 않는다. 반면에, MMC는 더 비싼 경향이 있고, 섬유 보강 재료는 가공하기 어려울 수 있으며, 사용 가능한 경험은 제한적이다.

참고 항목

참조

  1. ^ 재료 과학과 공학, 소개. 윌리엄 D. 캘리스터 주니어, 7대 에드, 와일리, 아들 출판사
  2. ^ Wu, Yufeng; Gap; Kim, Yong (2011). "Carbon nanotube reinforced aluminum composite fabricated by semi-solid powder processing". Journal of Materials Processing Technology. 211 (8): 1341–1347. doi:10.1016/j.jmatprotec.2011.03.007.
  3. ^ Wu, Yufeng; Yong Kim, Gap; et al. (2010). "Fabrication of Al6061 composite with high SiC particle loading by semi-solid powder processing". Acta Materialia. 58 (13): 4398–4405. doi:10.1016/j.jmatprotec.2011.03.007.
  4. ^ Wu, Yufeng; Yong Kim, Gap; et al. (2015). "Compaction behavior of Al6061 and SiC binary powder mixture in the mushy state". Journal of Materials Processing Technology. 216: 484–491. doi:10.1016/j.jmatprotec.2014.10.003.
  5. ^ 버지니아 대학교 방향 증기 증착(DVD) 기술
  6. ^ Aghdam, M. M.; Morsali, S. R. (2014-01-01). Residual Stresses in Composite Materials. Woodhead Publishing. pp. 233–255. ISBN 9780857092700.
  7. ^ 강화 브레이크 캘리퍼용 알루미늄 매트릭스 복합(AMC) 인서트(보관)
  8. ^ 산업 솔루션 - 금속 매트릭스 복합 재료 - 고성능, 고강도, 금속 매트릭스 복합 재료(아카이브)
  9. ^ Ratti, A.; R. Gough; M. Hoff; R. Keller; K. Kennedy; R MacGill; J. Staples (1999). "The SNS RFQ Prototype Module" (PDF). Particle Accelerator Conference, 1999. 2 (1): 884–886. Bibcode:1999pac..conf..884R. doi:10.1109/PAC.1999.795388. ISBN 978-0-7803-5573-6. S2CID 110540693. Archived from the original (PDF) on 2010-03-26. Retrieved 2009-03-09.
  10. ^ Mochizuki, T.; Y. Sakurai; D. Shu; T. M. Kuzay; H. Kitamura (1998). "Design of Compact Absorbers for High-Heat-Load X-ray Undulator Beamlines at SPring-8" (PDF). Journal of Synchrotron Radiation. 5 (4): 1199–1201. doi:10.1107/S0909049598000387. PMID 16687820.

외부 링크