Compuesto de matriz metálica

En ciencia de los materiales, un compuesto de matriz metálica (MMC) es un material compuesto con fibras o partículas dispersas en una matriz metálica, como cobre, aluminio o acero.. La fase secundaria suele ser cerámica (como alúmina o carburo de silicio) u otro metal (como acero). Por lo general, se clasifican según el tipo de refuerzo: fibras discontinuas cortas (bigotes), fibras continuas o partículas. Existe cierta superposición entre los MMC y los cermets, y este último generalmente consta de menos del 20% de metal por volumen. Cuando están presentes al menos tres materiales, se denomina compuesto híbrido. Los MMC pueden tener relaciones de resistencia a peso, rigidez y ductilidad mucho más altas que los materiales tradicionales, por lo que a menudo se usan en aplicaciones exigentes. Los MMC suelen tener una conductividad térmica y eléctrica más baja y una baja resistencia a la radiación, lo que limita su uso en los entornos más duros.

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 usan 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 frágil y soluble en agua Al4C3 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 empotra el refuerzo, y es completamente continuo. Esto significa que hay un camino a través de la matriz hacia 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 completo para el refuerzo. En aplicaciones de alta temperatura, las matrices de aleaciones de cobalto y cobalto-níquel son comunes.

Refuerzo

El material de refuerzo se incrusta en una matriz. El refuerzo no siempre cumple una tarea puramente estructural (reforzar el compuesto), sino que también se usa para cambiar propiedades físicas como la resistencia al desgaste, el coeficiente de fricción o la conductividad térmica. El refuerzo puede ser continuo o discontinuo. Los MMC discontinuos pueden ser isotrópicos y se pueden trabajar con técnicas estándar de trabajo de metales, como extrusión, forjado o laminado. Además, se pueden mecanizar utilizando técnicas convencionales, pero comúnmente necesitarían el uso de herramientas de diamante policristalino (PCD).

El refuerzo continuo utiliza hilos de monofilamento o fibras como la fibra de carbono o el carburo de silicio. Debido a que las fibras están incrustadas en la matriz en una dirección determinada, el resultado es una estructura anisotrópica en la que la alineación del material afecta su resistencia. Una de las primeras 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 formación

La fabricación de MMC se puede dividir en tres tipos: sólido, líquido y vapor.

Métodos de estado sólido

• Mezcla y consolidación de pólvora (metrurgia de pólvora): El metal empobrecido y el refuerzo discontinuo se mezclan y luego se unen a través de un proceso de compactación, desgasificación y tratamiento termo-mecánico (posiblemente a través de prensado isostatico caliente (HIP) o extrusión)
• Enlaces de difusión de láminas: Las capas de papel metálico se emparejan con fibras largas y luego se presionan para formar una matriz

Métodos de estado líquido

• Electroplating y electroforming: Una solución que contiene iones metálicos cargados con partículas de refuerzo es co-depositada formando un material compuesto
• El casting Stir: El reforzamiento distintuoso se mueve en metal fundido, que se permite solidificar
• Infiltración de presión: El metal fundido se infiltra en el refuerzo mediante un tipo de presión como la presión de gas
• Ruedas para el casting: El metal fundido se inyecta en forma con fibras pre-plazadas dentro de él
• Deposición de la radio: El metal fundido se rocia en un sustrato de fibra continua
• Tratamiento reactiva: Una reacción química ocurre, con uno de los reaccionarios formando la matriz y el otro el refuerzo

Métodos de estado semisólido

• Tratamiento de polvo semi-sólido: La mezcla de polvo se calienta hasta el estado semi-sólido y la presión se aplica para formar los compuestos.

Deposición de vapor

• Deposición de vapor físico: La fibra pasa a través de una nube gruesa de metal vaporizado, recubriéndola.

Técnica de fabricación in situ

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

Esfuerzo residual

Los MMC se fabrican a temperaturas elevadas, lo cual 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 las MMC en todas las condiciones de carga. En algunos casos, la RS térmica es lo suficientemente alta 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 duro cementando las partículas de carburo duro de tungsteno; herramientas de menor rendimiento pueden utilizar otros metales como el bronce como la matriz.
• Algunas armaduras de tanque pueden ser hechas de compuestos de matriz metálica, probablemente de acero reforzado con nitruro de hierro, que es un buen refuerzo para el acero porque es muy rígido y no se disuelve en acero fundido.
• Algunos frenos de disco automotriz usan MMCs. Loto temprano Los modelos Elise utilizaron rotores de aluminio MMC, pero tienen menos que propiedades de calor óptimas, y Lotus ha cambiado de nuevo a fundición de hierro. Autos deportivos modernos de alto rendimiento, como los construidos por Porsche, utilizan rotores hechos de fibra de carbono dentro de una matriz de carburo de silicio debido a su alta conductividad térmica y calor específica. 3M desarrolló un inserto de matriz de aluminio preformado para fortalecer los calipers de freno de disco de aluminio fundido, reduciendo el peso a la mitad en comparación con el hierro fundido, manteniendo una rigidez similar. 3M también ha utilizado preformas de alumina para pushrods AMC.
• Ford ofrece una actualización de conmutación Metal Matrix Composite (MMC). El driveshaft MMC está hecho de una matriz de aluminio reforzado con carburo de hierro, permitiendo que la velocidad crítica del driveshaft sea elevada reduciendo la inercia. El MMC driveshaft se ha convertido en una modificación común para los corredores, permitiendo que la velocidad superior se incremente mucho más allá de las velocidades de operación seguras de un driveshaft de aluminio estándar.
• Honda ha utilizado revestimientos de cilindros compuestos de matriz metálica de aluminio en algunos de sus motores, incluyendo el B21A1, H22A y H23A, F20C y F22C, y el C32B utilizado en el NSX.
• Toyota ha utilizado desde entonces compuestos de matriz metálica en el motor Yamaha diseñado 2Z-GE que se utiliza en las versiones posteriores de Lotus Lotus Elise S2, así como modelos de coches Toyota, incluyendo el eponímico Toyota Matrix. Porsche también utiliza MMCs para reforzar las mangas de cilindro del motor en el Boxster y 911.
• El F-16 Fighting Falcon utiliza fibras de carburo de silicio de monofilamento en una matriz de titanio para un componente estructural del equipo de aterrizaje del jet.
• Bicicletas especializadas ha utilizado compuestos de aluminio MMC para su parte superior de los marcos de bicicletas de gama durante varios años. Griffen Bicycles también hizo carburo de aluminio MMC marcos de bicicleta, y Univega brevemente lo hizo también.
• Algunos equipos en aceleradores de partículas como los cuádrupoles de frecuencia radial (RFQs) o objetivos de electrones utilizan compuestos de cobre MMC como Glidcop para retener las propiedades materiales de cobre a altas temperaturas y niveles de radiación.
• Matriz de aleación de cobre que contiene 55% por partículas de diamante de volumen, conocidas como Dymalloy, se utiliza como sustrato para módulos multi-chip de alta potencia y alta densidad en electrónica para su conductividad térmica muy alta. AlSiC es un compuesto de carburo de aluminio-silicon para aplicaciones similares.
• Los compuestos de aluminio-grafito se utilizan en módulos electrónicos de energía debido a su alta conductividad térmica, el coeficiente ajustable de expansión térmica y la baja densidad.

Los MMC casi siempre son más caros que los materiales más convencionales a los 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 de alta gama o "boutique" equipo deportivo. El alcance de las aplicaciones sin duda 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 una 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 de uso disponible es limitada.