Presentado por: Gustavo Prado Carlos Hugo Vidal Will Freiner Piedrahita Andrés Escárraga Elein Ramírez
INTRODUCCIÓN
METODOS METOD OS DE OBTENCIÓN DE WHISKERS
MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
MÉTODOS DE FABRICACIÓN DE MMC REFORZADOS CON WHISKERS.
APLICACIONES DE MMC
ANTECEDENTES
BIBLIOGRAFÍA
INTRODUCCIÓN
METODOS METOD OS DE OBTENCIÓN DE WHISKERS
MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
MÉTODOS DE FABRICACIÓN DE MMC REFORZADOS CON WHISKERS.
APLICACIONES DE MMC
ANTECEDENTES
BIBLIOGRAFÍA
Los whiskers son fibras discontinuas utilizadas para la producción de MMCs
Confieren mayor resistencia mecánica que algunas fibras continuas y partículas
De carácter nanométrico, con diámetros menores de 1μm 1μm y longitud de hasta 100 μm. μm. Figura 1. Morfología de Whiskers de SiC
Figura 2. Superficie de compuesto reforzado con Whiskers
Los principales whiskers disponibles comercialmente son los de SiC y Si3N4.
Forma monocristalina, pequeño diámetro.
Pocos defectos interna.
Mayor resistencia fibras discontinuas.
de
fractura
que
otras
Figura 3. Whiskers de SiC observados mediante MEB
Micrografía MEB de superficie de fractura: aleación de Al, 0,7 σ c = 332 MPa.
Figura 4. Whiskers de Si en matriz de Aluminio como refuerzo
Desarrollado en los 70s, la cascarilla de arroz contiene sílice proveniente del suelo que mezclado con la celulosa de la cascarilla en cantidades suficientes para crear SiC. Figura 5. Cascarilla de arroz
La cascarilla es calentada (calcinada) en una atmosfera libre de O 2 a 700°C y los volátiles son extraídos. La cascarilla calcinada contiene una misma cantidad de SiO2 y C., después de calentarte en una atmosfera inerte o reducida (flujo de gas N 2 o NH3) entre 1500-1600°C por una hora se forma SiC.
1.
Se deposita una capa delgada de Au (~ 1-10 nm) sobre un sustrato de silicio por deposición catódica (sputtering) o evaporación térmica .
2.
Al calentar el sustrato a T >363 °C y al introducir reacción gaseosa SiCl4+2H 2>Si+4HCl, la capa de Au empieza a adsorber Si desde el estado vapor, lo que lleva a la formación de gotas de aleación Au-Si
3.
El Si tiene un punto de fusión mucho más alto (~1414°C) que la de la aleación eutéctica y al estar esta aleación sobre saturada de Si, los átomos de este se precipitan en la interfaz aleación/sustrato (al fondo de la gota) haciendo que la gota se eleve desde la superficie por el crecimiento de los whiskers de Si .
SiCl4: Tetracloruro de silicio
Figura 8. Estructura transversal whiskers
Figura 9. Whiskers de SiC formados mediante VLS
Figura 10. Animation of a nanowire growing by Seyet, LLC.
Material compuesto: los que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales.
Componentes: Fase dispersa: de carácter discreto, define las propiedades mecánicas del material.
Fase matriz: carácter continuo y es la responsable de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante. También lo protege y da cohesión al material.
La matriz puede ser Cerámica, Metálica o Polimérica. Material compuesto en función del tipo de refuerzo:
Reforzado con partículas (PMC).
Reforzado con whiskers o fibras cortas (SFRM).
Reforzados con fibras (CFM).
Reforzado con monofilamentos (MFRM).
Proteger las fibras o partículas del ambiente exterior
Propiciar la unión de los elementos que constituyen el refuerzo para evitar la transmisión de grietas a través del compuesto.
Resistencia a la corrosión y buena resistencia mecánica en caliente.
Repartir y transmitir las cargas de los elementos de refuerzo mediante la deformación plástica
Soportar las tensiones que se ejercen sobre el compuesto.
Aumentar las propiedades mecánicas de la matriz, dureza y resistencia al desgaste.
Resistencia al temperatura.
Detener la propagación de grietas a través del compuesto y el desarrollo de las fisuras.
aumento
de
Tabla 1. Propiedades mecánicas de materiales compuestos de matriz
Tabla 2. Principales familias de materiales compuestos de matriz metálica
Fundición bajo presión Se fabrica un molde para formar una matriz. Se adiciona el metal líquido y, seguidamente, por aplicación de presión, este se infiltra en el molde.
Control de la temperatura del molde, el ciclo de presión, la temperatura del metal líquido y las condiciones de solidificación.
Producción de pistones de motores
Figura 11. Esquema de Fundición bajo presión
Reofusión o recolado: Consiste en el conformado de un material parcialmente solidificado.
Un elevado esfuerzo de cizalla en el metal líquido, durante la solidificación, impide la formación de estructura dendrítica, promoviendo una estructura esferoidal.
El mayor problema es conseguir un mojado suficiente entre el baño metálico y el refuerzo.
-Deposición por spray: Introducción de partículas de refuerzo dentro del chorro de atomización para ser codepositadas con la aleación solidificada.
Figura 13. Esquema de deposición por Spray
La formación de compuestos interfaciales frágiles es mínima.
Pulvimetalurgia: Mezcla de dos polvos metálicos y refuerzos, en estado sólido, seguido de compactación y consolidación.
Ventaja principal Requiere mínimas temperaturas durante la preparación del compuesto por lo que se minimiza las reacciones interfaciales indeseables
Figura 14. Esquema de Pulvimetalurgía.
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Industria Automotriz
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Aeroespacial
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Eléctrica y Electrónica Figura 16. Aplicaciones en la Electrónica
Figura 17. Cabezales de pistones los cuales contienen anillos compuestos de MMC
Los MMC reforzados con fibra corta se preparan fundamentalmente por pulvimetalurgía. Este tipo de materiales han encontrado su aplicación más importante en piezas de misiles y pistones de alto rendimiento en automóviles.
La reducción del peso del vehículo es importante para reducir el consumo del combustible. Por tanto, el uso de Al-MCs en componentes de frenos, está suscitando un gran interés.
Figura 18. Frenos de disco El peso de un disco de freno puede reducirse en un 60% si se sustituye la fundición convencional por un MMC adecuado. La elevada conductividad térmica de aluminio reforzado con SiC es ventajosa en su incorporación a los sistemas de frenado. Figura 19. Chasis de automóvil compuesto de MMC-Al
Figura 20. Número de artículos sobre Whisker por país
A partir del año 2000 se evidencia el descenso en las investigaciones respecto al uso de whiskers cómo refuerzos en compuestos de matriz metálica debido a la prohibición por parte de algunos países europeos, por ser estos materiales nocivos para la salud y promover la aparición de células cancerígenas El aluminio como matriz de materiales compuestos se perfila a nivel tecnológico con refuerzos de whiskers por los logros obtenidos en las investigaciones en aplicaciones a nivel industrial tal como en aeronáutica y motores de combustión interna El método de relleno recubierto es una alternativa frente a las posibles desventajas que presenta el método de mezclas en pulvimetalurgía, como son la baja adherencia y densidad, mejorando propiedades mecánicas El método de pulvimetalurgía usando whiskers aunque presenta contaminantes y rompimiento de whiskers, mejora las propiedades de un MCC, debido a la alta calidad de los cristales de los whiskers y a la fuerte unión entre ellos y la matriz metálica alcanzada durante la consolidación MMC reforzado con whiskers no es 100% denso por la dificultad de dispersar los whiskers debido al efecto de entrecruzamiento, el mecanismo de sinterización preferente es el engrosamiento de grano
(Ramírez Pérez & Ruiz Adzerias, 2011), Ramírez Pérez, Francisco., Ruiz Adzerias, Juan José. Materiales compuestos de matriz metálica, 2011.
(Fernandez M, et al., 2006), Fernández M, patricia., Martínez, Vladimir., Valencia, Marco., Aplicaciones de los materiales compuestos de matriz metálica en el sector eléctrico y electrónico. Julio 2006.
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Yih, P. Chung., DDL. Laboratorio de investigación de materiales compuestos, Universidad Estatal de Nueva York. Buffalo. NY. Estados Unidos. Disponible en Revista de Ciencia de los Materiales, Volumen 32, Numero 11, 1997. paginas 2873-2882.
Figura 22. MEB de Whiskers recubierto con Cu
Materiales compuestos de matriz de cobre, recubriendo los refuerzos, fueron hechos por metalurgia de polvos (PM). Los refuerzos eran partículas de molibdeno, whiskers de carburo de silicio y plaquetas diboruro de titanio.
Método convencional
Método de mezcla del refuerzo discontinua y polvo de la matriz metálica para luego continuar con el proceso de sinterización Atractivo para matrices con alto punto de fusión (>1000°C)
Método relleno recubierto
Recubrir el refuerzo discontinuo con la matriz metálica por medio de electroplating para luego continuar con el proceso de sinterización Promueve una mejor adherencia de los componentes del compuesto La porosidad durante la sinterización se reduce
whiskers
whiskers
Figura 23. Comparación de whiskers recubiertos y no recubiertos(YIH, P,CHUNG DDL.1997)
J. Corrochano (a), C. Cerecedo (b), V. Valcárcel (b), M. Lieblich (a), F. Guitián (b) a Physical Metallurgy Department, National Centre for Metallurgical Research, Spain b Instituto de Cerámica de Galicia, University of Santiago de Compostela, Spain February 2007; accepted 23 April 2007 Available online 4 May 2007 Estudio del comportamiento de MMC Al-Mg-Si reforzado con un 10 %Whiskers Al2O3w por metalurgia de polvos.
El proceso de pulvimetalurgía genera unas fases contaminantes que altera el desempeño mecánico del compuesto MMC
Figura 24. Microestructura del compuesto MMC Al-Mg-Si- Al 2O3w
Figura 25. Sección cercana a la superficie de fractura ensayadas a Temp ambiente (A), (B) y 573K (C)
FASES CONTAMINANTES PRESENTES Ricas en Ni y Fe: Más brillantes, esféricas, <5μm Ricas en Si: (Flecha 3A) gris claro, irregulares, 30 μm SiO2: (Flecha 3B) poliedros 100 μm rodeado con fases Mg y O, whiskers embebidos
EFECTO DEL ESFUERZO TENSIL No se ven afectadas Se desprenden de la matriz Se fracturan con grietas en dirección de la carga A altas T la falla se debe a vacíos de nucleación en interfaz matriz/partículas contaminantes
Resistencia a tracción compuesto 6061/Al 2O3w > 6061/Al2O3 p>6061
Mayor resistencia al aumento de la temperatura
Incluso con la presencia de contaminantes y el rompimiento de whiskers, E Al2O3w es 20% > E6061, 32×106 vs 26x106 Nm/kg. Esto se atribuye a la alta calidad de los cristales de Al2O3 obtenidos por VLS y a la fuerte unión entre ellos y la matriz de la aleación 6061 alcanzado durante la consolidación.
Figura 26. Propiedades mecánicas vs temperatura de los compuestos de matriz metálica estudiados
Zhi Wang, Shichao Li, Min Wang, Guoqiang Wu, Ximiao Sun, Minjing Liu School of Aeronautics and Astronautics, Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics, Dalian University of Technology, China. Recibido 21 Mayo 2013. Aceptado. 21 Junio 2013
Materiales usados Polvos de MoSi2 3 μ m Whiskers de SiC: 0.2-1μm diámetro y 10-20 μm 25%vol de whiskers mezclado en molino de bolas
Figura 27. Microestructura de compuestos de MoSi2-SiCw sinterizados a 1650°C por 60 min
99.7% max
Figura 28. Los valores de densidad relativa de los compuestos MoSi -SICw como función de la
Al aumentar T, la densificación del compuesto se incrementa debido a que la difusión del polvo de MoSi2 es acelerada Después de t=80min, la densidad disminuye debido a que la estructura del cristal de MoSi2 permite el crecimiento anisotrópico y la porosidad es atrapada Compuesto NO es 100% denso por la dificultad de dispersar los whiskers debido al efecto de entrecruzamiento.
El mecanismo de sinterización preferente es el Engrosamiento de grano vs la Densificación
Resistencia a la flexión Aumenta debido a una mayor densidad relativa, y se reduce por el engrosamiento de grano y disminución de densidad Figura 29. Resistencia a la flexión vs temperatura de sinterización durante 60 minutos sinterizado
Tenacidad a la fractura Aumenta debido al que el efecto de entrecruzamiento de los whiskers produce la desviación de grietas alrededor de los whiskers y disminuye por disminución de densidad
Figura 30. Tenacidad vs temperatura de
