1- چکیده

کامپوزیت­های زمینه فلزی محدوده وسیعی از مواد را در بر می­گیرند که شامل سرمت­ها و اسفنج­های فلزی و هم­چنین اکثر فلزات تقویت شده با الیاف یا ذرات متداول هستند. تکنیک­های به کار گرفته شده برای تولید مواد و ترکیبات کامپوزیت زمینه فلزی بستگی به نوع زمینه و ذرات تقویت کننده مربوطه دارد. هر یک از این روش­های فرآیندی دارای مزیت­ها و معایبی است.

خوشبختانه کاربردهای کامپوزیت­های زمینه فلزی رو به گسترش است، گستره مواد و فرآیندهای بکار گرفته شده تقریباً گسترده باقی خواهد ماند.

1- چکیده

کامپوزیت­های زمینه فلزی محدوده وسیعی از مواد را در بر می­گیرند که شامل سرمت­ها و اسفنج­های فلزی و هم­چنین اکثر فلزات تقویت شده با الیاف یا ذرات متداول هستند. تکنیک­های به کار گرفته شده برای تولید مواد و ترکیبات کامپوزیت زمینه فلزی بستگی به نوع زمینه و ذرات تقویت کننده مربوطه دارد. هر یک از این روش­های فرآیندی دارای مزیت­ها و معایبی است.

خوشبختانه کاربردهای کامپوزیت­های زمینه فلزی رو به گسترش است، گستره مواد و فرآیندهای بکار گرفته شده تقریباً گسترده باقی خواهد ماند.

2- مقدمه

کامپوزیت­های زمینه فلزی ( ) رنج وسیعی از مواد را در برمی­گیرد. تکنیک­های به کار گرفته شده برای تولید مواد و ترکیبات کامپوزیت زمینه فلزی بستگی به نوع زمینه و ذرات تقویت کننده مربوطه دارد؛ یک تقسیم­بندی بر اساس این که زمینه مایع، جامد یا گاز است هنگامی که با ذرات تقویت کننده مخلوط می­شود، وجود دارد.

کامپوزیت­های زمینه فلزی بر حسب این که فاز تقویت کننده به چه صورتی است، به سه دسته تقسیم می­شوند :

 کامپوزیت­های زمینه فلزی با عوامل تقویت کننده به شکل ذرات بسیار ریز

 کامپوزیت­های زمینه فلزی با الیاف کوتاه

 کامپوزیت­های با الیاف بلند

2 -1 کامپوزیت­های زمینه فلزی با عوامل تقویت کننده به شکل ذرات بسیار ریز

کامپوزیت با عوامل تقویت کننده به شکل ذرات ریز در یک محدوده کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار گرفته­اند. اغلب این کاربردها بر روی زمینه­های کامپوزیت آلیاژ  متمرکز است، هم­چنین سیستم­های بر پایه ،  ،  نیز مورد توجه هستند. عوامل تقویت کننده به شکل ذرات ریز معمولاً  یا  هستند، اما دیگر ترکیبات ( ، ، ، ، ،  و غیره) هم مشاهده شده­اند. واکنش­های شیمیایی در خلال فرآیند در بعضی حالت­ها می­تواند اتفاق بیفتد. کاربید سیلیسیم به خصوص وضعیت نامعلومی در کامپوزیت­های با زمینه فلزی بر پایه  و  می­تواند داشته باشد. واکنش بین  و مذاب­های  به تفصیل مورد تحقیق قرار گرفته است و  حتی در خلال سفت شدن در حالت جامد با  واکنش می­دهد. آلومینا از  در آلیاژهای  کمتر فعال است، اما آلومینا هم تا اندازه­ای به طور قوی با  واکنش می­دهد. منیزیم تا اندازه­ای متفاوت از  و  است، به این صورت که منیزیم بلافاصله تشکیل یک کاربید پایدار نمی­دهد. در هر حال میل ترکیبی آن با اکسیژن بسیار قوی است.

کامپوزیت­های دارای ذرات ریز تقویت کننده اکثراً به وسیله آمیزش با مذاب و تکنیک ریخته­گری یا به وسیله پیوند پودری و عملیات متراکم کردن ساخته می­شوند. دیگر روش­ها شامل فرآیندهای فعال­سازی یا روش
اسپری ـ رسوب­زایی می­باشد. موارد کنترل کیفی شامل حذف واکنش بیش از حد بین لایه­ها در خلال فرآیند، به ویژه در روش­های همراه با ذوب، و هم­چنین جلوگیری از عیوب ریز ساختاری از قبیل پیوند بین لایه­ای ضعیف، حفره­های داخلی و گروهی شدن عوامل تقویت کننده در یک مکان می­باشند.

2 -2 کامپوزیت­های با زمینه فلزی با الیاف کوتاه

کامپوزیت­های زمینه فلزی با الیاف کوتاه اولین بار در اواسط 1980 مورد توجه بسیار گسترده قرار گرفت، این کار به منظور بهبود پیستون­های موتور دیزلی  به طور انتخابی تقویت شده با الیاف کوتاه آلومینا انجام گرفت.

این الیاف دارای یک ریز ساختار پلی کریستال با دانه ریز هستند. قطر الیاف به طور نمونه در حد چند میکرون می­باشد و در ابتدا در درازای چند صد میکرون تولید می­شوند. ترکیبات معمولاً به وسیله تراوش مذاب تولید می­شوند.

خصوصیات بین لایه­ای تا انداز­ای به میزان انجام واکنش در خلال فرآیند بستگی دارد، که توسط شیمی سطح الیاف تحت تأثیر واقع می­شود، برای مثال الیاف  که دارای یک لایه سطحی نازک غنی از سیلیس می­باشد تمایل به واکنش با آلومینیوم در خلال فرآیند دارد، به ویژه اگر منیزیم حضور داشته باشد. بعضی فرآیندها ثانویه، از قبیل فورج کردن و اکستروژن (شکل 1)، تحت شرایط مناسب می­تواند انجام شوند. در هر حال شکل­پذیری آنها توسط در اصل به طور قابل ملاحظه­ای تابع کامپوزیت با ذرات تقویت کننده است.

اگر ساختار دانه ریز بتواند به وسیله تک کریستال جایگزین شود، خواص مکانیکی ویژه­ای به دست آورده می­شود.

عوامل تقویت کننده به شکل ویسکر  هنگامی که از الیاف ریز و نازک تولید شده در اوایل دهه 1960 مورد توجه خاص قرار گرفتند. ویسکرها معمولاً کمتر از 1 میکرون قطر دارند. استحکام کششی ویسکرها اغلب بسیار بالا می­باشد.

2 – 3 کامپوزیت­های با الیاف بلند

چندین سیستم کامپوزیت­های زمینه فلزی با الیاف بلند مورد تحقیق قرار گرفته­اند و برخی در کاربردهای معین به کار گرفته شده­اند. واژه  (فیلمان چند تایی) به الیاف با قطر نسبتاً کم (در حدود 5 تا 30 میکرومتر) اطلاق می­شود که به حد کافی انعطاف­پذیر باشند.

این الیاف می­تواند بافته، تابیده، به صورت فیلمان پیچیده و . . . شوند. مواد مربوطه شامل کربن، ، و انواع اکسیدها می­باشند. دیگر فیلمان­های چند تایی در استفاده معمول هستند، اما بیشتر آنها یا توانایی دوام آوردن در دماهای بالاتر از حد معمول در تولید کامپوزیت با زمینه فلزی (برای مثال الیاف پلی مریک و آلی) را ندارند و یا توجه محدودی به آنها در کامپوزیت­های با زمینه فلزی به دلیل خواص مکانیکی نسبتاً ضعیف از قبیل مقاومت در مقابل تغییر شکل یا مقاومت خزشی، می­شود.

کامپوزیت­های زمینه فلزی با فیلمان چند تایی می­توانند به وسیله روش تراوش مذاب تولید شوند.

تک فیلمان­ها الیاف با قطر بالا (در حدود 100 تا 150 میکرومتر) هستند که معمولاً به وسیله روش رسوب بخار شیمیایی ( ) از  یا بور  بر روی الیاف کربن یا سیم تنگستن تولید می­شوند. تک فیلمان­ها انعطاف­پذیری خیلی پایین­تری از فیلمان­های چند تایی دارند، بنابراین به صورت الیاف تکی به کار گرفته می­شوند. هم­چنین آزادی عمل بیشتری برای آماده­سازی شیمی سطح و ایجاد پوشش­های سطحی وجود دارد.

الیاف کربن به عنوان عامل تقویت کننده کامپوزیت زمینه فلزی رایج نیستند، اولاً به دلیل واکنش­های بین لایه­ای و ثانیاً به دلیل اثرات خورندگی گالوانیکی، مشکلات شیمیایی در مورد آلیاژهای ،  و  شدید می­باشند. با ، واکنش بین لایه­ای  تولید می­کند که یک ماده نم­گیر می­باشد، بنابراین آلومینیوم تقویت شده با الیاف گرافیت تمایل به خوردگی سریع در محیط­های آبی دارد.

منیزیم به صورت یک کاربید شکل نمی­گیرد، از این رو کامپوزیت­های فیلمان چند تایی کربن بر پایه منیزیم کمی مورد توجه قرار گرفته­اند. هم­چنین آلیاژهای روی تقویت شده با الیاف کربن مورد توجه قرار گرفته­اند. در این سیستم نیز واکنش­های بین لایه­ای محدود است.

2 – 4 سرمت­ها ( )

سرمت­ها که دارای ریز ساختاری تشکیل شده از تجمع ذرات سرامیکی پیوند یافته به همدیگر توسط یک نسبت کم از فاز فلزی هستند، می­توانند به عنوان یک نوع ویژه کامپوزیت با زمینه فلزی مورد توجه واقع شوند.

کلید موفقیت­آمیز بودن سرمت­ها در کاربردهای صنعتی مربوط به آسانی آنها در فرآیند تولید می­باشد. سرمت­ها معمولاً به وسیله مخلوط کردن پودر سرامیک و پودر فلزی و به دنبال آن سینتر کردن تا فاز مایع، تولید می­شوند. معمولاً ذرات سرامیک 1 تا 10 میکرومتر قطر دارند. مخلوط کردن پودرها شامل عمل آسیا کردن می­باشد که منجر به پوشش دادن ذرات سرامیک با فلز می­شود.

2 – 5 اسفنج­های فلزی

اسفنج­های فلزی اخیراً گرایش قابل ملاحظه­ای پیدا کرده­اند. تا اندازه­ای به دلیل پیشرفت­های فرآیند که منجر به
به دست آوردن موادی با قیمت ارزان شده است. تا اندازه­ای به دلیل توانایی به دست آوردن ترکیباتی با خواص مورد نظر، به خصوص از نظر سختی ویژه و جذب انرژی ویژه.

پیشنهادات متعددی در تولید اسفنج­های فلزی قابل دسترسی هستند، برخی از آنها به ویژه آنهایی که ساختارهای سلولی فشرده را ایجاد می­کنند، شامل به کار گرفتن فلز در حالت مایع یا حالت نیمه جامد می­باشد. مشکلی که از این مورد ناشی می­شود ویسکوزیته پایین فلزات مذاب می­باشد.