En ciència de materials, un compost de matriu metàl·lica (MMC) és un material compost amb fibres o partícules disperses en una matriu metàl·lica, com ara el coure, l'alumini o l'acer. La fase secundària sol ser una ceràmica (com ara l'alúmina o el carbur de silici) o un altre metall (com ara l'acer). Normalment es classifiquen segons el tipus de reforç: fibres curtes discontínues (bigotis), fibres contínues o partícules. Hi ha una certa superposició entre els MMC i els cermets, i aquests últims solen constar de menys del 20% de metall en volum. Quan hi ha almenys tres materials presents, s'anomena compost híbrid. Els MMC poden tenir relacions resistència-pes, rigidesa i ductilitat molt més elevades que els materials tradicionals, per la qual cosa sovint s'utilitzen en aplicacions exigents. Els MMC solen tenir una conductivitat tèrmica i elèctrica més baixa i una baixa resistència a la radiació, cosa que limita el seu ús en els entorns més durs.
Composició Els MMC es fabriquen dispersant un material de reforç en una matriu metàl·lica. La superfície de reforç es pot recobrir per evitar una reacció química amb la matriu. Per exemple, les fibres de carboni s'utilitzen habitualment en la matriu d'alumini per sintetitzar compostos de baixa densitat i alta resistència. Tanmateix, el carboni reacciona amb l'alumini per generar un compost fràgil i soluble en aigua Al4C3 a la superfície de la fibra. Per evitar aquesta reacció, les fibres de carboni es recobreixen amb borur de níquel o titani.
Matriu La matriu és el material monolític en què s'incrusta el reforç, i és completament continu. Això significa que hi ha un camí a través de la matriu fins a qualsevol punt del material, a diferència de dos materials intercalats. En aplicacions estructurals, la matriu sol ser un metall més lleuger com l'alumini, el magnesi o el titani, i proporciona un suport complet per al reforç. En aplicacions d'alta temperatura, les matrius de cobalt i aliatges de cobalt-níquel són habituals.
Reforç El material de reforç s'incrusta en una matriu. El reforç no sempre serveix per a una tasca purament estructural (reforçar el compost), sinó que també s'utilitza per canviar propietats físiques com la resistència al desgast, el coeficient de fricció o la conductivitat tèrmica. El reforç pot ser continu o discontinu. Els MMC discontinus poden ser isotròpics i es poden treballar amb tècniques estàndard de treball del metall, com ara l'extrusió, la forja o el laminatge. A més, es poden mecanitzar mitjançant tècniques convencionals, però normalment necessitarien l'ús d'utillatges de diamant policristal·lí (PCD).
El reforç continu utilitza filferros o fibres monofilament com la fibra de carboni o el carbur de silici. Com que les fibres estan incrustades a la matriu en una direcció determinada, el resultat és una estructura anisotròpica en què l'alineació del material afecta la seva resistència. Un dels primers MMC utilitzava filament de bor com a reforç. El reforç discontinu utilitza "bigotis", fibres curtes o partícules. Els materials de reforç més comuns en aquesta categoria són l'alúmina i el carbur de silici.Materials science and Engineering, an introduction. William D. Callister Jr, 7th Ed, Wiley and sons publishing
Mètodes de fabricació i conformació La fabricació de MMC es pot dividir en tres tipus: sòlida, líquida i de vapor.
Mètodes d'estat sòlid Barreja i consolidació de pols (metal·lúrgia de pols): El metall en pols i el reforç discontinu es barregen i després s'uneixen mitjançant un procés de compactació, desgasificació i tractament termomecànic (possiblement mitjançant premsat isostàtic en calent (HIP) o extrusió). Unió per difusió de làmina: les capes de làmina metàl·lica s'intercalen amb fibres llargues i després es pressionen a través d'elles per formar una matriu.
Mètodes d'estat líquid Galvanització i electroconformació: Una solució que conté ions metàl·lics carregats amb partícules de reforç es codeposita formant un material compost. Colada per remenat: El reforç discontinu s'injecta en metall fos, que es deixa solidificar. Infiltració a pressió: el metall fos s'infiltra a l'armadura mitjançant l'ús d'un tipus de pressió com ara la pressió de gas. Fundició per compressió: El metall fos s'injecta en un motlle amb fibres prèviament col·locades a l'interior. Deposició per polvorització: El metall fos es polvoritza sobre un substrat de fibra contínua. Processament reactiu: Es produeix una reacció química, on un dels reactius forma la matriu i l'altre el reforç.
Mètodes d'estat semisòlid Processament de pols semisòlida: una mescla de pols s'escalfa fins a l'estat semisòlid i s'aplica pressió per formar els compostos.
Deposició de vapor Deposició física de vapor: la fibra es fa passar a través d'un núvol espès de metall vaporitzat, recobrint-lo.
Tècniques de fabricació in situ La solidificació unidireccional controlada d'un aliatge eutèctic pot donar lloc a una microestructura de dues fases amb una de les fases, present en forma laminar o de fibra, distribuïda a la matriu.
Tensió residual Els MMC es fabriquen a temperatures elevades, la qual cosa és una condició essencial per a la unió per difusió de la interfície fibra/matriu. Més tard, quan es refreden a la temperatura ambient, es generen tensions residuals al compost a causa de la discrepància entre els coeficients de la matriu metàl·lica i la fibra. Les tensions residuals de fabricació influeixen significativament en el comportament mecànic dels MMC en totes les condicions de càrrega. En alguns casos, les tensions residuals tèrmiques són prou altes per iniciar la deformació plàstica dins de la matriu durant el procés de fabricació.
Efecte sobre les propietats mecàniques L'addició de partícules ceràmiques en general augmenta la resistència del material alhora que té un compromís en la ductilitat del material. Per exemple, un compost Al-Al2O3 pot augmentar el límit elàstic dels aliatges Al 6061 fosos de 105 a 120 MPa i augmentar el mòdul de Young de 70 a 95 GPa. Tanmateix, el compost va tenir efectes negatius sobre la ductilitat, disminuint-la del 10% al 2%. En definitiva, l'augment del mòdul elàstic és significatiu perquè els metalls es beneficien de la major rigidesa específica de la ceràmica alhora que conserven certa ductilitat. Els compostos de matriu metàl·lica també poden augmentar significativament la resistència al desgast i la duresa dels aliatges d'alumini. Es va trobar que les partícules d' Al2O3 augmentaven significativament la resistència al desgast d'un aliatge Al-Si, i les partícules de SiO2 augmentaven significativament la duresa d'un aliatge Al-Mg. L'aplicació d'això és en aliatges lleugers i resistents al desgast per a components de desgast com ara camises de pistó en motors d'automòbils. Actual Els aliatges d'alumini són tous i sovint requereixen revestiments de ferro colat durs i pesats, cosa que redueix els beneficis dels motors d'alumini lleuger.
La tenacitat a la fractura dels compostos normalment està dominada per les fases metàl·liques; tanmateix, també pot estar dominada per la fase ceràmica o la delaminació, depenent del sistema de materials. Per exemple, el sistema Cu/Al2O3 té un alt desajustament d'expansió tèrmica, cosa que provoca tensions localitzades que afavoreixen la propagació de les esquerdes en forma de delaminació. Això inhibeix significativament la seva tenacitat a la fractura en comparació amb altres composicions. En un sistema co-continu Al/ Al2O3, l'esquerda es propagava a través de la fase ceràmica i es desviava en arribar a les interfícies amb les fases metàl·liques. Com a resultat, es necessitava més energia per desviar l'esquerda al voltant de les fases, i el compost es va endurir significativament. En general, la tenacitat a la fractura depèn en gran manera de la composició del MMC a causa del desajustament tèrmic i dels modes d'esquerda, però pot endurir els compostos amb un baix desajustament tèrmic.
Les MMC enforteixen els materials contra la plasticitat per diverses raons. La primera és la transferència directa de càrrega a les partícules ceràmiques més fortes. La segona es deu a la diferència en la deformació plàstica dels dos components. Això fa que una dislocació quedi fixada a les partícules més fortes i s'inclini al seu voltant per continuar movent-se. Les dislocacions solen impulsar la deformació plàstica a causa de la menor energia per moure-les en lloc de moure tot un pla d'àtoms. Per tant, fixar-les provoca un gran augment de l'energia i la tensió necessàries per a la deformació plàstica (vegeu enduriment per precipitació). El mecanisme final és causat per la tensió del desajust tèrmic i de coherència. Això crea un camp de tensió, que atrapa les dislocacions, creant una acumulació, inhibint encara més la deformació plàstica.
Aplicacions Les eines de tall de carbur de tungstè d'alt rendiment estan fetes d'una matriu de cobalt resistent que cimenta les partícules dures de carbur de tungstè; les eines de baix rendiment poden utilitzar altres metalls com el bronze com a matriu. Alguns blindatges de tancs poden estar fets de compostos de matriu metàl·lica, probablement d'acer reforçat amb nitrur de bor, que és un bon reforç per a l'acer perquè és molt rígid i no es dissol en acer fos. Alguns frens de disc d'automòbils utilitzen MMC. Els primers models de Lotus Elise utilitzaven rotors MMC d'alumini, però tenen propietats tèrmiques no òptimes, i Lotus ha tornat a utilitzar ferro colat. Els cotxes esportius moderns d'alt rendiment, com els construïts per Porsche, utilitzen rotors fets de fibra de carboni dins d'una matriu de carbur de silici a causa de la seva alta calor específica i conductivitat tèrmica. 3M va desenvolupar un insert de matriu d'alumini preformat per reforçar les pinces de fre de disc d'alumini fos,Aluminium matrix composite (AMC) inserts for reinforced brake calipers (Archived) reduint el pes a la meitat en comparació amb el ferro colat i mantenint una rigidesa similar. 3M també ha utilitzat preformes d'alúmina per a les varetes d'empenta AMC.Industry Solutions - Metal Matrix Composites - High performance, high strength, metal matrix composite material (Archived) Cosworth utilitza un pistó compost de matriu metàl·lica per al seu motor Cosworth GMA V12 als supercotxes Gordon Murray Automotive T.50 i Gordon Murray Automotive T.33. Ford ofereix una millora de l'eix de transmissió compost de matriu metàl·lica. L'eix de transmissió MMC està fet d'una matriu d'alumini reforçada amb carbur de bor, cosa que permet augmentar la velocitat crítica de l'eix de transmissió reduint la inèrcia. L'eix de transmissió MMC s'ha convertit en una modificació comuna per als pilots de curses, permetent augmentar la velocitat màxima molt més enllà de les velocitats de funcionament segures d'un eix de transmissió d'alumini estàndard. Honda ha utilitzat cames de cilindre de material compost de matriu d'alumini en alguns dels seus motors, incloent-hi el B21A1, H22A i H23A, F20C i F22C, i el C32B utilitzat en el NSX. Des de llavors, Toyota ha utilitzat compostos de matriu metàl·lica en el motor 2ZZ-GE dissenyat per Yamaha, que s'utilitza en les versions posteriors del Lotus Elise S2, així com en models de cotxes Toyota, inclòs el Toyota Matrix homònim. Porsche també utilitza MMC per reforçar les mànigues dels cilindres del motor al Boxster i al 911. L' F-16 Fighting Falcon utilitza fibres de carbur de silici monofilament en una matriu de titani per a un component estructural del tren d'aterratge del jet. Specialized Bicycles ha utilitzat compostos d'alumini MMC per als seus quadres de bicicleta de gamma alta durant diversos anys. Griffen Bicycles també va fabricar quadres de bicicleta MMC de carbur de bor i alumini, i Univega també ho va fer breument.