Aluminium-Siliziumkarbid-Metallmatrix-Verbundwerkstoffe

Anwendungen

Aluminium-Siliziumkarbid-Metallmatrix-Verbundwerkstoffe finden in vielen Bereichen Anwendung. Diese Verbundwerkstoffe vereinen die besten Eigenschaften von Aluminium und Keramik und bieten eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, mechanische Eigenschaften und eine gute Bearbeitbarkeit. Außerdem sind sie leicht und haltbar genug für Flugzeugkomponenten, Elektronik und Halbleiter, Automobil und Transport, und vieles mehr.

Aluminium-Silizium-Karbid (ASC) ist ein zunehmend beliebter Werkstoff für gewichtssensible Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt und tragbare Elektronik, der eine hohe Leistung bietet und dennoch leicht genug für solche Anwendungen ist. Es ist fast halb so schwer wie Titan und verfügt über hervorragende elektrische Isolationseigenschaften. Darüber hinaus zeichnet sich ASC durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit aus, so dass die Wärme während des Betriebs schnell abgeleitet werden kann. Damit ist es besonders für den Einsatz in der Elektronik geeignet, wo die Wärme schnell und effizient abgeleitet werden muss.

Abriebfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und chemische Stabilität sind nur einige der vielen Vorteile dieses Materials. Außerdem ist es aufgrund seiner harten Oberfläche ideal für kugelsichere Panzerungen geeignet.

Das Stir-Casting-Verfahren ist die kostengünstigste und benutzerfreundlichste Methode zur Herstellung von Al-SiC-MMCs, da es sowohl eine hermetische Versiegelung als auch eine annähernde Formgebung der Teile mit annähernden Maßtoleranzen ermöglicht. Die Eigenschaften hängen jedoch von der Größe, der Verteilung und der Chemie der SiC-Verstärkungspartikel in einer Legierungsmatrix ab; daher müssen analytische Modellierungs- und Simulationstechniken eingesetzt werden, um die Materialleistung genau vorherzusagen. Eine längere Exposition kann zu Augen- und Nasenreizungen sowie zu einer Pneumokoniose führen, die sich durch abnorme Röntgenbefunde in der Brust sowie durch eine verminderte Lungenfunktion äußert.

Merkmale

Aluminium-Siliziumkarbid (ASC) ist ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC), der die Stärken von Aluminiumlegierungen und Siliziumkarbid in einem Material vereint, das eine höhere Streckgrenze, einen höheren Elastizitätsmodul, geringere Duktilitätsverluste, eine bessere Wärmeleitfähigkeit, eine geringere Ausdehnung und leichtere Eigenschaften bietet.

Es ist preisgünstig und äußerst korrosionsbeständig in rauen chemischen Umgebungen, wodurch es sich ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie eignet, wo die Materialien rauen Umgebungen ausgesetzt sind. Darüber hinaus hält es mechanischen Belastungen wie Druck oder Temperatur stand und ist damit äußerst widerstandsfähig gegen Schäden durch mechanische Belastungen wie z. B. hohen Druck.

Siliciumcarbid ragt unter den keramischen Werkstoffen mit einer Härte von 32 GPa heraus und ist damit einer der härtesten Werkstoffe, die der Mensch je gefunden hat. Diese herausragende Festigkeit ist auf seine einzigartige Kristallstruktur zurückzuführen, die aus eng aneinander gebundenen Silizium- und Kohlenstoffatomen in tetraedrischen Strukturen besteht, die durch starke kovalente Bindungen innerhalb einer Kristallgitterstruktur verbunden sind.

Aluminiumsiliciumcarbid wird im Rührgießverfahren hergestellt. Bei diesem Verfahren werden dispergierte SiC-Partikel mit geschmolzenem Matrixmetall (Al) vermischt und dann in eine Form gegossen, um Endprodukte herzustellen. Mikrostruktur-, Zugfestigkeits- und Verschleißtests an Proben, die mit verschiedenen Gewichtsanteilen der SiC-Al-Verstärkung hergestellt wurden, zeigen eine erhöhte Zug-, Härte- und Druckfestigkeit, während die Duktilität mit zunehmendem Verstärkungsanteil abnimmt.

Eigenschaften

Siliziumkarbid (SiC)-Partikel, die in eine Aluminiumlegierung eingemischt werden, bieten das Beste aus beiden Welten: die hohe Wärmeleitfähigkeit von Metall und den niedrigen Ausdehnungskoeffizienten von Keramik. Aluminium-SiC-Verbundwerkstoffe sind leichter und haltbarer als massives Aluminium und bieten eine gute Verschleißfestigkeit bei niedrigeren Betriebstemperaturen sowie einfache Bearbeitungsmöglichkeiten und hervorragende Abriebfestigkeit.

Aluminiumsiliciumcarbid weist typische Eigenschaften wie eine Zugfestigkeit von bis zu 57 MPa, eine Härte von 850 MPa und eine Temperaturwechselbeständigkeit von bis zu 1600 Grad Celsius auf - diese Eigenschaften machen es zu einem fantastischen Material für Brems- und Kupplungsscheiben in der Automobilindustrie, für Elektrogeräte, Schiffsanwendungen und chemische Verarbeitungsprozesse.

Studien über Al-SiC-Verbundwerkstoffe wurden bereits in großem Umfang durchgeführt. Um ihre mechanischen Eigenschaften gründlicher zu testen, wurden Proben durch Rührgießen einer Aluminiumlegierung (AA1200) mit unterschiedlichen SiC-Gewichtsanteilen hergestellt und anschließend unter einem metallurgischen Mikroskop zur Analyse der Partikelverteilung beobachtet und verschiedene mechanische Tests durchgeführt, um die mechanische Leistung zu bewerten (Zugfestigkeitstests und Härtebewertung).

Die Ergebnisse zeigen, dass mit steigender Anfangstemperatur der Form auch die Zugfestigkeit der Proben zunimmt. Dies ist wahrscheinlich auf die Verklumpung der SiC-Teilchen zurückzuführen, die die Aufprallenergie verringert. Wenn diese Proben jedoch geglüht werden, erholt sich die Mikrostruktur und die Aufprallenergie nimmt deutlich zu.