کامپوزیت زمینه فلزی چیست؟

کامپوزیت زمینه فلزی در مقایسه با فلزات یکپارچه دارای مزایای بیشتری می باشد؛ از جمله مقاومت بالا در برابر خستگی، ضریب انبساط پایین تر، مقاومت سایشی و خزشی بالا، خواص بهتر در حرارت های بالا و غیره.

استفاده از این کامپوزیت ها در مقایسه با فلزات باعث صرفه‌جویی در هزینه خواهد شد. با این مقدمه، در ادامه این نوشته از ساختمانچی به بررسی کامل این نوع کامپوزیت می پردازیم. با ما همراه باشید.

کامپوزیت چیست؟

کامپوزیت به ترکیبی از دو یا چند ماده با یکدیگر می گویند. اینکامپوزیت ها از یک جزء زمینه و یک جزء تقویت‌کننده تشکیل می شوند و از نظر نوع این اجزاء به سه دسته کامپوزیت های زمینه فلزی، کامپوزیت های زمینه پلیمری و کامپوزیت های زمینه سرامیکی طبقه بندی می شوند. ویژگی های کامپوزیت های زمینه ای به شرح زیر می باشند:

ویژگی های کامپوزیت زمینه فلزی

کامپوزیت های زمینه فلزی MMC از جمله کامپوزیت های جدید هستند که روز به روز خواص آن ها بهبود می یابد و آگاهی از آن ها کاربرد این مواد را رواج می بخشد. این کامپوزیت ها نقش بسیار مهمی در بهبود آلیاژها و فرآیند ساخت آن ها ایفا می کنند.

کامپوزیت های زمینه فلزی از یک جزء زمینه فلزی و یک جزء تقویت کننده تشکیل می شوند. اصولاً زمینه یک آلیاژ، فلزی انتخاب می شود و فلز خالص به ندرت برای زمینه به کار می رود.

در کل این کامپوزیت ها از یک زمینه آلیاژ فلزی نرم و افزودنی تقویت کننده که اغلب یک ماده سرامیکی است تشکیل می شوند. این ماده سرامیکی به منظور تقویت و تامین سفتی مناسب به زمینه اضافه می شود.

در ساخت کامپوزیت های زمینه فلزی از آلیاژها و فلزات گوناگون نظیر آلیاژهای مس، آلومینیوم، روی، تیتانیوم، سوپر آلیاژهای پایه نیکل و… استفاده می شود.

تاریخچه تولید کامپوزیت زمینه فلزی

در گذشته برخی اجزای غیرفلزی مانند سرامیک ها را در فلزات و آلیاژها به منظور افزایش استحکام و مقاومت در برابر عوامل تخریب و کاهش خواص مکانیکی بکار می بردند.

در اواسط دهه 60 پودر گرافیت با پوشش نیکل را به وسیله جریان گاز آرگون در مذابی از آلیاژ آلومینیوم وارد کردند. این پروسه در واقع شروع و تولید کامپوزیت های زمینه فلزی بود که در آن زمان MMPC نام گذاری شد.

کاربرد کامپوزیت زمینه فلزی

کامپوزیت‌های زمینه فلزی به دلیل ترکیب منحصر به فرد خواص فلزی (مانند چقرمگی و هدایت حرارتی بالا) با خواص تقویت‌کننده‌ها (مانند سختی و مقاومت به سایش)، کاربردهای بسیار گسترده‌ای در صنایع مختلف پیدا کرده‌اند. برخی از مهم‌ترین کاربردهای این کامپوزیت‌ها عبارتند از:

صنعت ساخت و ساز: سازه‌های سبک و مقاوم، پوشش‌های محافظ و کفپوش‌ها

هوافضا: بدنه هواپیما، پره‌های توربین، ترمزها و قطعات موتور

خودرو: قطعات موتور، ترمزها، فنرها و بدنه خودروهای مسابقه‌ای

انرژی: توربین‌های بادی، راکتورهای هسته‌ای و تجهیزات حفاری

الکترونیک: مدارهای مجتمع، بسته‌بندی الکترونیکی و تجهیزات ذخیره‌سازی داده

پزشکی: ایمپلنت‌های دندانی و استخوانی، ابزارهای جراحی و تجهیزات تصویربرداری

تفاوت کامپوزیت های زمینه فلزی با سایر کامپوزیت ها

• این کامپوزیت ها در مقایسه با کامپوزیت های زمینه پلیمری ظرفیت گرمایی بالاتر و نسبت به کامپوزیت های زمینه سرامیکی ظرفیت گرمایی پایین تری دارند.
• تقویت کننده ای که در کامپوزیت زمینه فلزی استفاده می شود استحکام و مقاومت زمینه را بالا می برد، اما در کامپوزیت های زمینه سرامیکی این افزودنی تقویت کننده باعث کاهش خسارات ناشی از تاب برداشتن می شوند.
• در کامپوزیت های زمینه فلزی، فاز زمینه یک فلز آلیاژی و یا یک فلز خالص است و پلیمر یا سرامیک به عنوان فاز زمینه مورد استفاده قرار نمی گیرند.
• کامپوزیت های زمینه فلزی در مقایسه با کامپوزیت های زمینه سرامیکی دارای تافنس بیشتری می باشند و داکتیل تر هستند.

مواد تقویت کننده

مواد تقویت کننده‌ای که به یک زمینه فلزی افزوده می شوند به عنوان یک فلز ثانویه در نظر گرفته می شوند. اصولاً این تقویت کننده ها شامل سرامیک ها (کاربید، اکسید، نیترید و…) می باشند.

سرامیک ها موادی هستند که در محیط هایی با دمای معمولی و یا دمای بالا استحکام و سختی خود را حفظ می کنند. تقویت کننده ها به دو گروه تقویت کننده های الیافی و تقویت کننده های ذره ای (ویسکرها) دسته بندی می شوند و تقویت کننده های الیافی خود به دو گروه الیاف یکپارچه و الیاف کوتاه تقسیم می شوند.

تقویت کننده ها با جلوگیری از تغییر شکل زمینه، باعث استحکام و سختی کامپوزیت می شوند. در کامپوزیت هایی که با ذرات ویسکر تقویت می شوند زمینه، عنصر اصلی تحمل کننده بار اعمالی محسوب می شود. در کامپوزیت هایی که با الیاف یکپارچه تقویت می شوند مواد تقویت کننده عنصر اصلی تحمل کننده بار در نظرگرفته می شوند.

لازم به ذکر است که خواص ایزوتروپیک کامپوزیت هایی که با الیاف کوتاه تقویت می شوند بهتر بوده و خواص این الیاف در جهت های گوناگون یکنواخت تر می باشد.

ساخت کامپوزیت زمینه فلزی

نحوه ساخت و تولید کامپوزیت های زمینه فلزی به سه روش تقسیم بندی می شوند. این روش ها به شرح زیر می باشند:

روش مایع یا ریخته گری

در این روش مواد تقویت‌کننده به فلز مذاب افزوده و داخل فلز توزیع می شوند. یکی از معایب این روش، جدا شدن ذرات تقویت‌کننده از فلز مذاب است.

جدا شدن فاز نانوذره یک ساختار ناهمگن ایجاد می کند و واکنشی که اغلب بین فاز مذاب و نانوذرات رخ می دهد خواص مکانیکی را کاهش می دهد.

روش متالوژی پودر

روش متالوژی پودر با مخلوط کردن پودرهای فلزی یا آلیاژی همراه است. در این روش ذرات پودر در داخل قالب و تف جوش پرس و بهم متصل می شوند و به دلیل کاهش میزان حفره ها، چگالی بالا می رود.

روش متالوژی پودر، اصولاً برای تولید کامپوزیتی به کار می رود که توسط الیاف ناپیوسته و ویسکرها تقویت می شود. این روش نسبت به سایر روش ها بهتر است، اما مخلوط‌کردن آن زمان بر و هزینه بردار است.

آلیاژسازی مکانیکی

در عصر حاضر این روش مهم ترین روش تهیه کامپوزیت های زمینه فلزی به شمار می آید. در آلیاژسازی مکانیکی، ذرات نانوپودری دو فاز باهم آسیاب می شوند.

اگر ذرات نانوپودر دارای ترکیب شیمیایی یکسانی باشند و اندازه ذرات فقط با شکست کوچک تر شوند، فرآیند آسیاب مکانیکی رخ می دهد. برای تهیه پودرهای کامپوزیتی می توان ذرات فاز تقویت کننده را به طور مستقیم به ذرات زمینه اضافه نمود و آن ها را هم زمان آسیاب کرد.

انواع کامپوزیت پایه فلزی

کامپوزیت‌های پایه فلزی بر اساس نوع فلز زمینه و نوع تقویت‌کننده به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند.

• بر اساس نوع فلز زمینه: آلومینیوم، مس، آهن، تیتانیوم، منیزیم و نیکل از جمله فلزات رایجی هستند که به عنوان زمینه در این کامپوزیت‌ها استفاده می‌شوند. هر یک از این فلزات خواص منحصر به فردی به کامپوزیت نهایی می‌بخشد.
• بر اساس نوع تقویت‌کننده: تقویت‌کننده‌ها می‌توانند شامل الیاف (مانند کربن، سیلیس، بور و آرامید)، ذرات (مانند سرامیک، کاربید و بورید) و یا نانوذرات (مانند نانولوله‌های کربنی و نانوذرات اکسید فلزی) باشند.

نانو کامپوزیت پایه فلزی چیست؟

نانو کامپوزیت‌های پایه فلزی نوع خاصی از کامپوزیت‌های زمینه فلزی هستند که در آن‌ها از نانوذرات به عنوان تقویت‌کننده استفاده می‌شود. استفاده از نانوذرات باعث بهبود چشمگیر خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی کامپوزیت می‌شود. برخی از مهم‌ترین مزایای نانو کامپوزیت‌های پایه فلزی عبارتند از:

مقاومت به خوردگی بالا

مقاومت به سایش بسیار بالا

سختی و استحکام بالا

وزن کم

هدایت حرارتی بالا

کاربردهای نانو کامپوزیت‌های پایه فلزی

• صنعت هوافضا: قطعات موتور جت، بدنه ماهواره‌ها و ابزارهای فضایی
• صنعت خودرو: قطعات موتور، ترمزها و بدنه خودروهای مسابقه‌ای
• صنعت الکترونیک: مدارهای مجتمع، بسته‌بندی الکترونیکی و تجهیزات ذخیره‌سازی داده
• صنعت پزشکی: ایمپلنت‌های دندانی و استخوانی، ابزارهای جراحی و تجهیزات تصویربرداری

روش‌های تولید نانو کامپوزیت‌های پایه فلزی

رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار: در این روش، نانوذرات به صورت لایه نازک بر روی سطح فلز رسوب داده می‌شوند.

اختلاط مکانیکی: در این روش، نانوذرات و پودر فلز به صورت مکانیکی مخلوط شده و سپس تحت فشار و حرارت قرار می‌گیرند.

ریخته‌گری: در این روش، نانوذرات به مذاب فلز اضافه شده و سپس مخلوط حاصل در قالب ریخته می‌شود.

کلام پایانی

آن چه در این نوشته از ساختمانچی به بیان آن پرداخته شد، معرفی ویژگی های نوعی کامپوزیت به نام کامپوزیت فلزی می باشد که در مقایسه با فلزات یکپارچه دیگر از مزایای بیشتری چون مقاومت بالا، ضریب انبساط پایین، مقاومت سایشی و خزشی بالا و… برخوردار می باشد.

امیدواریم با مطالعه این مطلب به اطلاعات موردنیاز خود در خصوص کامپوزیت های زمینه فلزی رسیده باشید. در صورت تمایل می توانید نقطه نظرات، پیشنهادات و انتقادات خود را به منظور بهبود مطالب با اهالی ساختمانچی در میان بگذارید.