金属マトリックス複合材

材料科学において、金属マトリックス複合材（MMC）は、銅、アルミニウム、鋼などの金属マトリックスに繊維または粒子が分散した複合材料です。第2相は通常、セラミック（アルミナや炭化ケイ素など）または別の金属（鋼^[1]など）です。これらは通常、強化材の種類（短い不連続繊維（ウィスカー）、連続繊維、または微粒子）によって分類されます。MMCとサーメットには重複する部分があり、後者は通常、体積比で20%未満の金属で構成されています。少なくとも3つの材料が存在する場合、ハイブリッド複合材と呼ばれます。MMCは、従来の材料よりもはるかに高い強度対重量比、^{[2] 、}剛性、延性を持つことができるため、要求の厳しい用途でよく使用されます。MMCは通常、熱伝導性と電気伝導性が低く、放射線に対する耐性が低いため^[要出典]、非常に厳しい環境での使用が制限されます。

MMC は、強化材を金属マトリックスに分散させることで製造されます。強化材の表面は、マトリックスとの化学反応を防ぐためにコーティングすることができます。たとえば、炭素繊維は、低密度で高強度の複合材料を合成するために、アルミニウムマトリックスでよく使用されます。しかし、炭素はアルミニウムと反応して、繊維の表面に脆くて水溶性の化合物Al ₄ C ₃を生成します。この反応を防ぐために、炭素繊維はニッケルまたはホウ化チタンでコーティングされます。

マトリックスは、補強材が埋め込まれるモノリシック材料であり、完全に連続しています。つまり、2 つの材料を挟み込んだ場合とは異なり、マトリックスを通って材料のどの点にも到達できる経路があります。構造用途では、マトリックスは通常、アルミニウム、マグネシウム、チタンなどのより軽い金属であり、補強材を完全にサポートします。高温用途では、コバルトおよびコバルトニッケル合金マトリックスが一般的です。

強化材はマトリックスに埋め込まれます。強化材は、必ずしも純粋に構造的な役割 (化合物の強化) を果たすわけではなく、耐摩耗性、摩擦係数、熱伝導率などの物理的特性を変更するためにも使用されます。強化材は連続または不連続のいずれかになります。不連続 MMC は等方性であり、押し出し、鍛造、圧延などの標準的な金属加工技術で加工できます。また、従来の技術を使用して機械加工することもできますが、通常は多結晶ダイヤモンド工具 (PCD) を使用する必要があります。

連続強化では、炭素繊維やシリコンカーバイドなどのモノフィラメントワイヤまたは繊維を使用します。繊維は特定の方向にマトリックスに埋め込まれているため、その結果、材料の配列が強度に影響を与える異方性構造になります。最初のMMCの1つは、強化材としてボロンフィラメントを使用しました。不連続強化では、 「ウィスカー」 、短い繊維、または粒子を使用します。このカテゴリで最も一般的な強化材は、アルミナとシリコンカーバイドです。^[3]

MMC の製造は、固体、液体、気体の 3 つのタイプに分けられます。

• 粉末の混合と固化（粉末冶金）：粉末金属と不連続な強化材を混合し、圧縮、脱ガス、熱機械処理（熱間静水圧プレス（HIP）または押し出しによる）のプロセスで結合します。
• 箔拡散接合：金属箔の層を長繊維で挟み、押し込んでマトリックスを形成する

• 電気めっきと電気鋳造：強化粒子を含んだ金属イオンを含む溶液を共析させて複合材料を形成する。
• 撹拌鋳造：不連続な強化材を溶融金属に撹拌し、凝固させる。
• 圧力浸透：ガス圧などの圧力を利用して溶融金属を補強材に浸透させる。
• スクイーズ鋳造：溶融金属を、あらかじめ繊維を入れた型に注入する
• スプレー堆積：溶融金属を連続繊維基材にスプレーする
• 反応処理：化学反応が起こり、反応物の1つがマトリックスを形成し、もう1つが強化材を形成する。

• 半固体粉末加工：粉末混合物を半固体状態まで加熱し、圧力を加えて複合材料を形成する。^{[4] [5] [6]}

• 物理蒸着法: 繊維を気化した金属の厚い雲に通してコーティングします。

• 共晶合金の制御された一方向凝固により、層状または繊維状の相の1つがマトリックス内に分布した2相微細構造が得られる。^[7]

MMC は高温で製造されますが、これは繊維/マトリックス界面の拡散接合に不可欠な条件です。その後、周囲温度まで冷却されると、金属マトリックスと繊維の係数の不一致により、複合材料に残留応力(RS) が発生します。製造 RS は、あらゆる荷重条件における MMC の機械的挙動に大きな影響を与えます。場合によっては、熱 RS が十分に高くなり、製造プロセス中にマトリックス内で塑性変形が開始されることがあります。^[8]

一般にセラミック粒子を添加すると、材料の強度が増すが、材料の延性とトレードオフがある。例えば、Al-Al ₂ O ₃複合材料は、鋳造Al 6061合金の降伏強度を105 MPaから120 MPaに増加させ、ヤング率を70 GPaから95 GPaに増加させることができる。^{[9]しかし、この複合材料は延性に悪影響を及ぼし、延性が10%から2%に低下した。最終的には、金属は}延性を維持しながらセラミックスの高い比剛性の恩恵を受けるため、弾性率の増加は重要である。^{[10] [11]}金属マトリックス複合材料は、アルミニウム合金の耐摩耗性と硬度も大幅に向上させることができる。Al ₂ O ₃粒子はAl-Si合金の耐摩耗性を大幅に向上させ、SiO ₂粒子はAl-Mg合金の硬度を大幅に向上させることがわかった。^{[12] [13]この用途は、自動車エンジンの}ピストンライナーなどの摩耗部品用の軽量で耐摩耗性のある合金です。現在のアルミニウム合金は柔らかく、硬くて重い鋳鉄ライナーを必要とすることが多く、軽量アルミニウムエンジンの利点が損なわれます。

複合材料の破壊靭性は、通常、金属相によって左右されますが、材料システムによっては、セラミック相または剥離によって左右されることもあります。^[14]たとえば、Cu/Al ₂ O _3系は熱膨張の不一致が大きいため、局所的な応力が生じ、剥離の形で亀裂が伝播しやすくなります。このため、他の組成に比べて破壊靭性が大幅に低下します。Al/Al ₂ O ₃共連続系では、亀裂はセラミック相を伝播し、金属相との界面に達すると方向転換します。その結果、相の周囲で亀裂を方向転換させるにはより多くのエネルギーが必要になり、複合材料が大幅に強化されました。全体として、破壊靭性は、熱不一致と亀裂モードにより MMC 組成に大きく依存しますが、熱不一致が低い複合材料を強化することができます。

MMC はさまざまな理由から、塑性に対して材料を強化します。1 つ目は、より強いセラミック粒子への直接的な荷重伝達です。 ^[15] 2 つ目は、2 つのコンポーネントの塑性変形の差によるものです。これにより、転位がより強い粒子に固定され、それらの周りを曲がって動き続けます。転位は通常、原子の平面全体を移動させるよりも移動エネルギーが低いため、塑性変形を促進します。したがって、転位を固定すると、塑性変形に必要なエネルギーと応力が大幅に増加します (析出硬化を参照)。最後のメカニズムは、熱とコヒーレンスの不一致による応力によって引き起こされます。^[16]これにより、応力場が生成され、転位がトラップされてパイルアップが形成され、さらに塑性変形が抑制されます。

• 高性能の炭化タングステン 切削工具は、硬い炭化タングステン粒子を固める強靭なコバルトマトリックスから作られています。性能の低い工具では、マトリックスとして青銅などの他の金属を使用できます。
• 一部の戦車の装甲は金属マトリックス複合材で作られており、おそらくは窒化ホウ素で強化された鋼鉄で、非常に硬く、溶融鋼に溶解しないため、鋼鉄の優れた強化材となります。
• 一部の自動車用 ディスクブレーキではMMCが使用されています。初期のLotus Eliseモデルではアルミニウム製MMCローターが使用されていましたが、熱特性が最適とは言えず、Lotusはその後鋳鉄に戻しました。ポルシェなどの現代の高性能スポーツカーでは、比熱と熱伝導率が高いため、シリコンカーバイドマトリックス内のカーボンファイバー製ローターが使用されています。3Mは、鋳造アルミニウム製ディスクブレーキキャリパーを強化するための成形済みアルミニウムマトリックスインサートを開発し、^{[17]鋳鉄に比べて重量を半分に減らしながら同等の剛性を維持しました。3Mは、AMC}プッシュロッドにもアルミナプリフォームを使用しています。^[18]
• フォードは、メタル マトリックス コンポジット (MMC)ドライブシャフトアップグレードを提供しています。MMC ドライブシャフトは、炭化ホウ素で強化されたアルミニウム マトリックスで作られており、慣性を低減することでドライブシャフトの臨界速度を上げることができます。MMC ドライブシャフトは、レーサーにとって一般的な改造となり、標準のアルミニウム ドライブシャフトの安全動作速度をはるかに超えて最高速度を上げることができます。
• ホンダは、 B21A1、H22A、H23A、F20C、F22C、NSXに使用されているC32Bなど、一部のエンジンにアルミニウムマトリックス複合材シリンダーライナーを使用しています。
• トヨタはその後、ヤマハ設計の2ZZ-GEエンジンに金属マトリックス複合材を使用し、このエンジンはロータス・エリーゼS2の後期バージョンやトヨタ・マトリックスを含むトヨタ車モデルにも使用されている。ポルシェもボクスターと911のエンジンのシリンダースリーブを強化するために金属マトリックス複合材を使用している。
• F -16 ファイティング ファルコンは、ジェット機の着陸装置の構造部品として、チタン マトリックス内のモノフィラメント シリコン カーバイド繊維を使用しています。
• Specialized Bicycles は、最高級の自転車フレームに何年も前からアルミニウム MMC 化合物を使用しています。Griffen Bicycles も炭化ホウ素アルミニウム MMC 自転車フレームを製造しており、Univega も短期間で同様の製造を行っていました。
• 粒子加速器の高周波四重極（RFQ）や電子ターゲットなどの一部の機器では、高温や放射線レベルでも銅の材料特性を維持するために、グリドコップなどの銅MMC化合物が使用されています。^{[19] [20]}
• ダイマロイとして知られる、体積比 55% のダイヤモンド粒子を含む銅-銀合金マトリックスは、その非常に高い熱伝導性により、電子機器の高出力、高密度マルチチップ モジュールの基板として使用されます。AlSiCは、同様の用途に使用されるアルミニウム -シリコン カーバイド複合材料です。
• アルミニウム-グラファイト複合材料は、高い熱伝導率、調整可能な熱膨張係数、および低密度のため、パワーエレクトロニクスモジュールに使用されます。

MMC は、ほとんどの場合、置き換え対象となる従来の材料よりも高価です。そのため、特性と性能の向上により追加コストを正当化できる場合に使用されます。現在、これらの用途は、航空機部品、宇宙システム、高級または「ブティック」スポーツ用具に最も多く見られます。製造コストが削減されるにつれて、用途の範囲は確実に拡大します。

従来のポリマーマトリックス複合材料と比較すると、MMC は耐火性があり、より広い温度範囲で動作し、水分を吸収せず、電気伝導性と熱伝導性に優れ、放射線による損傷に耐性があり、ガス放出がありません。一方、MMC は高価になる傾向があり、繊維強化材料は製造が困難な場合があり、使用可能な使用経験は限られています。

• 先進複合材料
• バビット（金属）
• 錬鉄

• イノベーションのための金属基複合材料の評価
• MMCの宇宙応用
• コンポジットメタルテクノロジー株式会社
• http://jrp.sagepub.com/content/32/17/1310.abstract