Изготовление и настраиваемое армирование сетки

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 16334 (2023) Цитировать эту статью

376 Доступов

Подробности о метриках

Передовые материалы, такие как композиты с металлической матрицей (ММК), важны для инноваций, национальной безопасности и решения проблемы изменения климата. MMC используются в военной, аэрокосмической и автомобильной промышленности из-за их исключительных механических и термических свойств, однако внедрение происходит медленно из-за дорогостоящих и обременительных производственных процессов. Был разработан новый процесс с использованием 3D-печати с использованием плавленых нитей для изготовления MMC сетчатой ​​формы без использования инструментов или механической обработки. Процесс включает в себя печать заготовки из оксида алюминия, а затем использование пропитки без давления расплавленным алюминиевым сплавом для формирования композита. В этом процессе могут быть сформированы произвольные формы (демонстрируются тормозной рычаг и фланец), а свойства можно регулировать, варьируя геометрический рисунок керамического заполнения и нагрузку керамики. При использовании 35 об.% армирования непрерывным волокном прочность более 800 МПа и модуль упругости 140 ГПа достигаются для алюминиевого композита, в 3,4 × и 2 × свойства матричного алюминия.

Передовые материалы имеют стратегическое значение в глобальном масштабе, поскольку они рассматриваются как ключевые факторы, способствующие инновациям, национальной безопасности и решению таких серьезных проблем, как изменение климата1,2. Как подчеркивает Deloitte в своей концепции Advanced Materials Systems, передовые материалы разрушают существующие компромиссы между стоимостью и производительностью и будут необходимы компаниям для включения в продукцию, чтобы оставаться конкурентоспособными3. Композиты с полимерной матрицей (ПМК) — это современные материалы, получившие высокую оценку за их внедрение на рынке2. В них полимерная матрица, обычно эпоксидная, армирована углеродными, стеклянными или кевларовыми волокнами. Полученный композит представляет собой легкий, высокопрочный и жесткий материал, позволяющий использовать его, среди прочего, в высокопроизводительных самолетах, ветряных турбинах и спортивных товарах. Однако, как подчеркивают Мэн и Гарсни, эта инновация не была реализована до тех пор, пока не были разработаны технологические инновации, которые сделали ее доступной для производителей4. Подобно ПМК, композиты с металлической матрицей (ММК) были впервые изготовлены Штурке более 60 лет назад5. В этой статье, описанной как новаторская в области современных ММК6, обсуждается диффузионно-связанный композит, состоящий из пяти слоев нелегированного алюминия, армированного 12–15% борными нитями. Хотя MMC используются в военной (например, бронетехника и боеприпасы), аэрокосмической (например, компоненты двигателей, шасси) и автомобильной (например, тормозные диски) технике7,8,9,10,11,12,13, внедрение значительно отстала от ЧВК из-за трудностей в производстве, особенно в обработке деталей из ММК. Действительно, мировой рынок ЧВК в 2022 году оценивался в 18,6 млрд долларов14, тогда как рынок ГМК оценивался всего в 2% от этой суммы (366 млн долларов США)15.

В ММК металлическая матрица армирована непрерывными или прерывистыми углеродными или керамическими волокнами и/или частицами. Композиты с алюминиевой матрицей (AMC) являются наиболее распространенным типом MMC и обладают привлекательными свойствами, которые не могут быть получены с помощью PMC. Например, благодаря металлической матрице AMC являются отличными проводниками тепла и могут использоваться при гораздо более высоких температурах, в то время как благодаря армированию они демонстрируют гораздо меньшее тепловое расширение, обладают превосходной жесткостью и прочностью при комнатной и повышенных температурах и демонстрируют отличную износостойкость. сопротивление по сравнению с неармированным алюминием. Однако AMC, армированные керамикой, очень сложно обрабатывать традиционными методами, и эта сложность резко возрастает по мере увеличения объемной доли армирования16. Из-за этой проблемы жизнеспособными вариантами производства высокоармированных композитов являются только технологии производства чистой или почти чистой формы, такие как порошковая металлургия, литье под давлением или литье с пропиткой под давлением. Однако эти технологии требуют дорогостоящего оборудования и инструментов, специфичных для изготавливаемой детали. Перспективной технологией производства высокоармированных ММК является инфильтрация без давления, при которой самонесущая заготовка из керамических частиц помещается в огнеупорный резервуар, заполненный расплавленным алюминиево-магниевым сплавом, в печи в атмосфере азота17,18. При таком подходе расплавленный сплав впитывается в керамическую заготовку за счет капиллярных сил, и после затвердевания сплава получается деталь AMC. Несмотря на то, что для пропитки не требуются пресс-формы, эта технология по-прежнему требует набора инструментов для формования или прессования армирующих заготовок из твердых частиц, что делает ее непомерно дорогой для многих применений.