کامپوزیت زمینه‌ فلزی انواع کاربرد و روش های تولید

کامپوزیت های زمینه فلزی یا (MMC) کامپوزیت های زمینه فلزی گروهی از مواد در نظر گرفته می شوند که از چند قسمت تشکیل شده اند، به طوری که حداقل یک قسمت از فلز وجود داشته باشد. به عنوان مثال، کامپوزیتی که در آن از فلز آلومینیوم به عنوان تقویت کننده استفاده می شود، کامپوزیت پایه فلزی نامیده می شود.

اما برای آشنایی بیشتر با کامپوزیت های فلزی، بهتر است خود کامپوزیت و انواع آن را بشناسید تا پس زمینه فلز را به درستی درک کنید. از این رو در مقاله دایره المعارف آهن و فلزات ابتدا به معرفی آلیاژها و سپس بررسی آلیاژهای فلزی می پردازیم.

1 مرکب چیست؟

2 ترکیب فلزی چیست؟

3 نوع فلزات اساسی

4 نانوکامپوزیت بر پایه فلز چیست؟

5 روش به دست آوردن نانوکامپوزیت بر پایه فلز

6 کاربرد کامپوزیت با پایه معدنی

7 خواص کامپوزیت های مبتنی بر فلز

8 روش برای ساخت کامپوزیت های فولادی

مرکب چیست؟

طبق تعریف انجمن فلزات آمریکا، “کامپوزیت به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند ماده مجزا و رابط های خاص بین آنها اطلاق می شود”. به عبارت دیگر کامپوزیت یک ترکیب غیر همگن یا ماده جامد است که از دو یا چند ماده مختلف تشکیل شده است. (زمانی که حداقل از سه ماده برای ساخت یک کامپوزیت استفاده شود، به آن کامپوزیت هیبریدی گفته می شود.)

کامپوزیت ها دارای دو بخش اصلی هستند: ماتریس و تقویت. پایه یا ماتریس کامپوزیت ها به انواع پلیمری، سرامیکی و فلزی تقسیم می شود. لازم به ذکر است که بستر مورد استفاده برای کامپوزیت ها در کاربرد آنها تاثیر دارد و به طور کلی کامپوزیت های بستر فلزی خواص و ویژگی های بهتری نسبت به سایر کامپوزیت ها دارند. در مقاله زیر می توانید در مورد کامپوزیت و انواع آن بیشتر بخوانید.

آهن ملت ها

کاربرد تخصصی آسیاب آهن: بررسی ترکیب و انواع آن

آشنایی با کامپوزیت و انواع آن

ترکیب فلزی چیست؟

کامپوزیت زمینه فلزی MMC که مخفف Metal Matrix Composite است، کامپوزیتی است که حداقل یک جزء فلزی در اجزای آن استفاده شده است. به این ترتیب از یک قطعه فلز به عنوان تقویت کننده در آن استفاده می شود. کامپوزیت های زمینه فلزی اغلب از فلزات سبک و کم چگالی مانند آلومینیوم (Al) یا منیزیم (Mg) با ذرات سخت سرامیکی ساخته می شوند. یا با الیافی مانند کاربید سیلیکون (SiC) تقویت شده است.

آیا از فلزات خبر دارید؟

همانطور که گفتیم، آلومینیوم و منیزیم فلز هستند، اما کاربید سیلیکون یک ماده نرم و نیمه رسانا است. به طور کلی برای تعریف فلزات می توان گفت: گروهی از مواد نرم، انعطاف پذیر و معمولاً براق با خواص الکتریکی و حرارتی خوب هستند. انواع فلزات نقش عمده ای در انقلاب های صنعتی داشته اند، بنابراین شناخت انواع فلزات نقش مهمی در شناسایی محصولات و مواد جدید خواهد داشت.

جالب است بدانید که توسعه کامپوزیت های زمینه فلزی یک نوآوری عمده در مهندسی مواد در سه دهه گذشته بوده است. کامپوزیت های زمینه فلزی به دلیل خواص برتر خود مزایای جذابی نسبت به مواد مهندسی معمولی دارند. این کامپوزیت ها از نظر سختی و نسبت استحکام به وزن، دمای عملیاتی و مقاومت در برابر سایش و خوردگی از فلزات تقویت نشده بهتر عمل می کنند. امروزه به دلیل نوسانات بازار و قیمت تمام شده آهن، قیمت تمام شده مواد کامپوزیت پایه فلزی افزایش یافته است، اما همچنان قیمت تمام شده این محصول نسبت به سایر مواد کامپوزیت مناسب تر است.

نمونه ای از کامپوزیت بر پایه فلز

انواع کامپوزیت های فلزی

کامپوزیت ها بر اساس نوع کلی ماتریس، نوع تقویت، اندازه، شکل، ترکیب و غیره طبقه بندی می شوند. می توان بر اساس طبقه بندی کرد به عنوان مثال، بر اساس نوع تقویت، انواع کامپوزیت های مبتنی بر فلز به چهار دسته تقسیم می شوند: نانوکامپوزیت ها، کامپوزیت های ساختاری، کامپوزیت های تقویت شده با الیاف و کامپوزیت های تقویت شده با ذرات. همچنین فلزات زیادی به عنوان پایه کامپوزیت ها مورد استفاده قرار می گیرند و هر فلز کاربردهای متفاوت و ویژگی های منحصر به فردی دارد. انواع پایه های فلزی بر اساس نوع فلز پایه: منیزیم، مس، آهن، تیتانیوم، آلومینیوم و نیکل.

با این حال، رایج ترین طبقه بندی ترکیبات فلزی به سه دسته کلی به شرح زیر تقسیم می شود:

کامپوزیت های ماتریسی تقویت شده با الیاف پیوسته،

کامپوزیت های ماتریسی قوی و با الیاف کوچک هستند

ماتریس های نیمه افزوده شده

در میان انواع کامپوزیت هایی که ارائه کردیم، کامپوزیت های مبتنی بر فلز تقویت شده با ذرات به دلیل خواص خوب و هزینه تولید پایین، بیش از سایرین مورد توجه قرار گرفته اند. در آلیاژهای زمینه سبک، عمدتاً Al یا Mg به عنوان زمینه فلز پایه و ذرات سرامیکی (کاربیدها، نیتریدها و اکسیدها) به طور کلی به عنوان فازهای تقویت کننده استفاده می شوند.

طبقه بندی کلی ترکیبات زمینه فلزی

انواع متداول ترکیبات فلزی

نانوکامپوزیت بر پایه فلز چیست؟

یکی از انواع کامپوزیت های پایه فلزی که در بالا معرفی کردیم، نانوکامپوزیت بر پایه فلز است. اخیراً تولید نانوکامپوزیت های مبتنی بر فلز مورد توجه و توجه زیادی قرار گرفته است. به همین دلیل قبل از توضیح بیشتر در مورد کامپوزیت زمینه فلزی، معرفی مختصری از این نوع کامپوزیت (نانوکامپوزیت زمینه فلزی) خواهیم داشت.

برای تولید نانوکامپوزیت، تقویت‌کننده‌های نانومتری (1.5 درصد حجمی) به مواد فلزی اضافه می‌شوند. در واقع، نانوکامپوزیت مبتنی بر فلز به ترکیب فلزی اطلاق می‌شود که حاوی نانوذرات در ماتریس هسته‌اش است. به عنوان مثال، نمونه ای از نانوکامپوزیت های مبتنی بر فلز، نانوکامپوزیت های Al-SiC (کاربید آلومینیوم/سیلیکون) است. پودر SiC با اندازه نانو (1.5 درصد حجمی) به Al خالص برای تولید نانوکامپوزیت های Al-SiC اضافه می شود. نوع دیگری از نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر فلز، کامپوزیت‌های مبتنی بر نانولوله‌های کربنی هستند که برای افزایش استحکام کششی و هدایت الکتریکی بالا در حال توسعه هستند.

نکته: لازم به ذکر است که نانوکامپوزیت های فلزی با کامپوزیت های پایه فلزی تقویت شده با ذرات میکرونی متفاوت هستند. نانوکامپوزیت های مبتنی بر فلز را می توان با افزودن کسرهای حجمی کوچک (≤2%) به دست آورد، اما برای کامپوزیت های فلزی زمینه تقویت شده با ذرات میکرونی، کسر حجمی بالا (≫10%) مورد نیاز است. (تقویت بیش از حد خواص کامپوزیت را از بین می برد).

علاوه بر نانوکامپوزیت های مبتنی بر فلز، نانوکامپوزیت های دیگری نیز وجود دارد که به طور کلی می توان آنها را به شرح زیر معرفی کرد.

انواع نانوکامپوزیت ها

پایه سرامیکی نانوکامپوزیت

نانوکامپوزیت زمینه فلزی

نانو کامپوزیت های پلیمری ماتریکس

نانوکامپوزیت مغناطیسی

نانوکامپوزیت حرارت پذیر

به طور کلی، تقویت در مقیاس نانو نقش مهمی در بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت ها دارد. ساخت نانوکامپوزیت ها در حال حاضر در حال آزمایش است و هنوز در سطح تحقیقاتی و آزمایشگاهی است. (اگرچه نانوکامپوزیت ها از تقویت کمتری استفاده می کنند.)

فلز بر پایه نانوکامپوزیت

روش تولید نانوکامپوزیت بر پایه فلز

برای تولید نانوکامپوزیت های فلزی می توان از روش های ریخته گری و متالورژی پودر (PM) استفاده کرد. تجربه نشان می دهد که روش های PM با موفقیت توسط تولید کنندگان مختلف اعمال می شود. در فضا نیز کاربرد دارند. همچنین در مقایسه با روش ریخته گری، روش PM امکان ایجاد زیرساخت یکنواخت و تولید مواد کامپوزیتی کارآمد را فراهم می کند.

با استفاده از کامپوزیت های فلزی

با افزایش نیاز به کاهش مصرف انرژی، به ویژه در صنعت خودروسازی، کامپوزیت های مبتنی بر فلز رایج شده اند. به طور خاص، توسعه کامپوزیت های زمینه فلزی با ماتریس های فلزی سبک به دلیل بهبود خواص و کاهش وزن توجه روزافزونی را به خود جلب کرده است. با توجه به این موضوع، توسعه ترکیبات سبک وزن مبتنی بر آلومینیوم ممکن است یکی از راه حل های امیدوارکننده برای مشکلات مصرف انرژی باشد. تا به امروز تحقیقات گسترده ای در زمینه تولید کامپوزیت های زمینه آلومینیومی انجام شده است و این کامپوزیت ها اکنون به صورت تجاری برای بسیاری از کاربردهای صنعتی تولید می شوند.

کامپوزیت زمینه‌ فلزی

کامپوزیت آلومینیوم

این ویژگی‌های منحصربه‌فرد کامپوزیت‌های زمینه فلزی را برای صنایع خودروسازی و هوافضا جذاب می‌کند، جایی که کاهش وزن عامل مهمی است. علیرغم استفاده از کامپوزیت های پایه فلزی در صنایع فوق، در ایران ما از کامپوزیت های پلیمری بی کیفیت به ضرر صرفه اقتصادی استفاده می شود.

نکته: نانوکامپوزیت های آلومینیومی را می توان به عنوان نانوکامپوزیت های مبتنی بر فلز استفاده کرد. توسعه نانوکامپوزیت های آلومینیوم نیاز به توسعه مواد سبک وزن مناسب برای کاربردهای صنعتی و تجاری را برآورده کرد.

خواص کامپوزیت زمینه فلزی

کامپوزیت های مبتنی بر فلز نسبت مقاومت به وزن، سفتی و شکل پذیری بالاتری نسبت به مواد معمولی دارند. کامپوزیت های زمینه فلزی معمولاً دارای رسانایی حرارتی و الکتریکی پایین و مقاومت در برابر تشعشع ضعیف هستند که استفاده از آنها را در محیط های خاص محدود می کند. همچنین گفتیم که بهترین و پرکاربردترین میدان برای ترکیب، آلومینیوم و منیزیم است. هر دوی این پایه ها دارای خواص منحصر به فردی نسبت به سایر فلزات هستند که از جمله این خواص می توان به D و قابلیت ریخته گری اشاره کرد.

مقاومت کم در برابر فرسایش بزرگترین عیب این محصول است. کامپوزیت های فلزی ظرفیت حرارتی بالاتری نسبت به کامپوزیت های پلیمری دارند. کامپوزیت های مبتنی بر فلز ظرفیت حرارتی کمتری نسبت به کامپوزیت های پایه سرامیکی دارند.

روش های تهیه کامپوزیت های فلزی

متداول ترین روش ها برای تولید ترکیبات بر پایه فلز عبارتند از:

1- روش متالورژی پودر

در روش تولید کامپوزیت ها به روش متالورژی پودر از کامپوزیت با الیاف ناپیوسته استفاده می شود. در ابتدای کار آرماتور را با پودرهای مواد پایه مخلوط کرده و داخل قالب می ریزند و سپس با پرس سرد اتصال بهتر انجام می شود.

در مرحله بعد ذرات زیر نقطه ذوب خود گرم شده و در نهایت ترکیب تشکیل می شود. این روش یک روش قابل اعتماد برای تولید یک ترکیب فلزی بسیار محبوب است. لازم به ذکر است که استفاده از متالورژی پودر برای تولید کامپوزیت گرانترین روش تولید کامپوزیت فلزی است.

2- روش مایع یا مایع

در روش مایع یا ریخته گری، ذرات تقویت کننده ذوب شده و به صورت مکانیکی در داخل فلز پراکنده می شوند. اکثر کامپوزیت های مبتنی بر فلز به این روش ساخته می شوند. کامپوزیت دارای مایع آبکی است که برای آماده شدن برای مراحل نهایی در قالب های مختلف ریخته می شود.

مهمترین مزیت روش مایع یا ریخته گری تولید قطعات با هزینه کمتر است. از کاستی های این روش می توان به خیس نشدن ذرات تقویت شده با آلومینیوم مایع نیز اشاره کرد.

3- روش آلیاژ مکانیکی

یکی از مهم ترین روش ها برای نانوکامپوزیت های فلزی، انجماد مکانیکی است. به این ترتیب ذرات نانو پودر به هم می چسبند. پس از آن، انتقال مواد پس از تغییر شکل، برش ذرات و جوش انجام می شود. اگر ذرات نانوپودر ترکیب شیمیایی یکسانی داشته باشند، اندازه ذرات پس از درمان کوچک می شود.

آخرین کلمه

در علم مواد، کامپوزیت زمینه فلزی یا کامپوزیت زمینه فلزی (MMC) یک ماده کامپوزیت پراکنده در یک زمینه فلزی مانند مس، آلومینیوم یا فولاد است. فاز ثانویه معمولاً یک سرامیک (مانند آلومینا یا کاربید سیلیکون) یا برخی فلزات دیگر است. کامپوزیت های زمینه فلزی به طور کلی بر اساس نوع تقویت کننده طبقه بندی می شوند متداول ترین فلزات مورد استفاده برای تولید انواع کامپوزیت ها آلومینیوم و منیزیم هستند.

کامپوزیت های مبتنی بر فلز برای مدت طولانی شناخته شده و مورد مطالعه قرار گرفته اند، اما امروزه نوآوری های جدید و افزایش تقاضا برای مواد سبک وزن و با کارایی بالا باعث محبوبیت آنها شده است. مهمترین فلزات مورد استفاده در تولید ترکیبات سبک آلومینیوم، منیزیم و تیتانیوم هستند.

ترکیبات فلزی یکی از رایج ترین ترکیبات مورد استفاده در صنایع مختلف می باشد. این نوع ترکیب در صنایع مختلفی مانند خودروسازی و هوافضا کاربرد دارد.

سوالات متداول در مورد استفاده از کامپوزیت های پایه فلزی در صنعت

ترکیب فلز چیست؟

برای تولید کامپوزیت زمینه فلزی یا MMC (Metal Matrix Composite) از قطعات فلزی مانند فلز آلومینیوم برای پس زمینه استفاده می شود. از الیافی مانند سیلیکون نیز به عنوان تقویت کننده استفاده می شود.

کاربرد آلیاژ فلز چیست؟

این نوع کامپوزیت در صنایع مختلفی مانند خودروسازی و هوافضا کاربرد دارد.

برای بدست آوردن کامپوزیت پس زمینه تار از چه روش هایی استفاده می شود؟

1. روش فلز پودری 2. روش مایع یا ریخته گری 3. روش آلیاژ مکانیکی

انواع توپ های آلیاژی فلزی کدامند؟

بسیاری از فلزات به عنوان پایه کامپوزیت ها استفاده می شوند و هر فلز کاربردها و ویژگی های متفاوتی دارد. انواع پایه های فلزی بسته به نوع فلز پایه: منیزیم، مس، آهن، تیتانیوم، آلومینیوم و نیکل.