Metallmatriskompositer av aluminium-kiselkarbid

Tillämpningar

Metallmatriskompositer av aluminiumkiselkarbid har många användningsområden inom olika områden. Dessa kompositmaterial kombinerar de bästa egenskaperna hos både aluminium och keramer för att ge enastående värmeledningsförmåga, låg utvidgningskoefficient, mekaniska egenskaper och bearbetbarhet - samt är tillräckligt lätta och hållbara för flygplanskomponenter, elektronik och halvledare, fordon och transport, bland mycket annat.

Aluminium-kiselkarbid (ASC) är ett alltmer populärt material för viktkänsliga applikationer som flyg och bärbar elektronik, eftersom det erbjuder hög prestanda men ändå är tillräckligt lätt för sådana användningsområden. ASC väger nästan hälften så mycket som titan och har utmärkta elektriska isoleringsegenskaper. Dessutom har ASC utmärkt korrosionsbeständighet och värmeledningsförmåga för att snabbt avleda värme under drift - vilket gör det särskilt idealiskt för elektronik där värmen måste avledas snabbt och effektivt.

Nötningsbeständighet, utmattningshållfasthet och kemisk stabilitet är några av de många fördelar som detta material erbjuder. Den hårda ytan gör det dessutom idealiskt för användning i skottsäkert pansar.

Omrörningsgjutning är den mest kostnadseffektiva och användarvänliga metoden för att tillverka Al-SiC MMC, som erbjuder både hermetisk tätning och delar med nära nettoform med nära nettodimensionstoleranser. Materialets egenskaper beror dock på storleken, fördelningen och kemin hos SiC-förstärkningspartiklarna i en legeringsmatris; därför måste analytiska modellerings- och simuleringstekniker användas för att exakt kunna förutsäga materialets prestanda. Långvarig exponering kan orsaka irritation i ögon och näsa samt pneumokonios, som visar sig genom onormala röntgenfynd i bröstkorgen och nedsatt lungfunktion.

Egenskaper

Aluminiumkiselkarbid (ASC) är ett MMC-material (metallmatriskomposit) som kombinerar styrkorna hos både aluminiumlegeringar och kiselkarbid i ett material som ger ökad sträckgräns, elasticitetsmodul, minimering av duktilitetsförlust, fördelar med värmeledningsförmåga, låg expansion och lättviktsegenskaper.

Attraktivt prissatt och mycket motståndskraftig mot korrosion i tuffa kemiska miljöer, vilket gör den idealisk för flyg- och fordonstillämpningar, där material måste tåla exponering för tuffa miljöer. Dessutom tål den mekanisk belastning, t.ex. tryck eller temperatur, vilket gör den mycket motståndskraftig mot skador från mekanisk belastning, t.ex. högt tryck.

Kiselkarbid sticker ut bland keramiska material med sin hårdhet på 32 GPa, vilket gör det till ett av de hårdaste material som människan någonsin stött på. Denna enastående styrka kan tillskrivas dess unika kristallstruktur som består av tätt bundna kisel- och kolatomer i tetraedriska strukturer bundna av starka kovalenta bindningar inom en kristallgitterstruktur.

Aluminiumkiselkarbid tillverkas med hjälp av omrörningsgjutningsprocessen. I denna teknik blandas dispergerade SiC-partiklar med smält matrismetall (Al) och gjuts sedan i en form för att producera slutprodukter. Mikrostruktur-, draghållfasthets- och slitagetester utförda på provkroppar tillverkade med olika viktprocenter SiC-Al-förstärkning visar ökad drag-, hårdhets- och tryckhållfasthet medan duktiliteten minskar med ökande förstärkningsprocent.

Fastigheter

Partiklar av kiselkarbid (SiC) som blandas i en aluminiumlegering ger det bästa av två världar: metallens höga värmeledningsförmåga och keramikens låga expansionskoefficient. Aluminium-SiC-kompositer är lättare och mer hållbara än solid aluminium och ger god slitstyrka vid lägre driftstemperaturer samt enkel maskinbearbetning och utmärkt nötningsbeständighet.

Aluminiumkiselkarbid har typiska egenskaper som draghållfasthet på upp till 57 MPa, hårdhet på 850 MPa och motståndskraft mot termisk chock på upp till 1600 grader Celsius - dessa egenskaper gör det till ett fantastiskt materialval för broms- och kopplingsplattor i bilar, elektriska apparater, marina applikationer och kemiska processer.

Studier av Al-SiC-kompositer har genomförts i stor omfattning. För att testa deras mekaniska egenskaper mer noggrant tillverkades prover genom omrörningsgjutning av en aluminiumlegering kallad AA1200 med olika SiC-viktfraktioner och observerades sedan under ett metallurgiskt mikroskop för analys av partikelfördelning och olika mekaniska tester kördes för att bedöma mekanisk prestanda (draghållfasthetstester och hårdhetsutvärdering).

Resultaten visar att provets draghållfasthet ökar i takt med att den initiala temperaturen i gjutformen ökar. Detta är sannolikt ett resultat av att SiC-partiklarna klumpar ihop sig, vilket minskar slagenergin. När dessa prover glödgas återhämtar sig dock mikrostrukturen och slagenergin ökar avsevärt.