금속 기지재 복합재료들(MMCs, Metal matrix composites)은 우수한 기계적 물성(강성, 강도, 마모 저항성, 경도 등)과 뛰어난 특성(열전도, 전기전도도, 부식 저항 등)으로 다양한 산업군에 활용되고 있다. 적층제조 기술이 발달함에 따라 복잡한 형상을 시간과 비용을 절약하여 제조할 수 있다는 이점으로, 적층 제조한 MMCs에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 하지만 MMCs를 적층 제조할 경우, 다양한 원인들에 의해 여러 문제들이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 MMCs의 특징들을 소개하고, 위의 문제들이 발생하는 원인을 고찰하여 소재와 Powder bed fusion (PBF) 공정 설계 관점에서 해결책을 제시하고자 한다. 본 논문은 향후 PBF 방식으로 적층 제조한 MMCs를 개발할 때 설계 및 제조 가이드라인을 제시하여 줄 수 있을 것이다.
Metal matrix composites (MMCs), which are a combination of two or more constituents with different physical or chemical properties, are today receiving great attention in various areas, as they have high specific strength, corrosion resistance, fatigue strength, and good tribological properties. This paper presents a research review on the combination of matrix and reinforced materials, fabrication processes, and application status of metal matrix composites. In this paper, we aim to discuss and review the importance of metal composite materials as advanced materials that can be used in various applications such as transportation, defense, sports, and extreme environments. In addition, the applicability and technology development trends in new process technology fields such as additive manufacturing of metal composites will be described.
The Al/Al$_{2}$O$_{3}$ SiC and Al/Al$_{2}$O$_{3}$/C hybrid metal matrix composites (MMCs) were fabricated by squeeze infiltration method. Uniform distribution of reinforcements were found in the microstructure of metal matrix composites. Mechanical tests were carried out under various test conditions to clearly identify mechanical behavior of MMCs, and the wear mechanism of Al/Al$_{2}$O$_{3}$/(SiC or C) hybrid metal matrix composites were investigated. The tensile strength and hardness of hybrid composites was resulted in increasing compared with those of the unreinforced matrix alloy. Wear resistance was strongly dependent upon kinds of fiber, volume fraction and sliding speed. The wear resistance of metal matrix composites was remarkably improved by the addition of reinforcements. Especially, the wear resistance of the hybrid composites of carbon fibers was more effective than in the composites reinforced with alumina and SiC whiskers of reinforcements. This was due to the effect of carbon fiber on the solid lubrication. Wear mechanisms of hybrid composites were suggested from wear surface analyses. The major wear mechanism of hybrid composites was the abrasive wear at low to intermediate sliding speed, and the melting wear at intermediate to high sliding speed.
Metal matrix composites(MMCs) are increasingly attractive for high technology components such as aerospace applications and transportations due to their high strength, stiffness, and toughness. Many processes for fabricating MMCs have been developed, and relatively simple Foil-Fiber-Foil method is usually employed in solid state consolidation processes. During the consolidation processes at high temperature, densification occurs by the inelastic flow of the matrix materials, and the process is coupled with the conditions of pressure, temperature and volume fraction of fiber and matrix materials. This is particularly important in titanium matrix composites, and thus a generic model based on micro-mechanical approaches enabling the evolution of density over time to be predicted has been developed. The mode developed is then implemented into FEM so that practical process simulation has been carried out. Further the experimental investigation of the consolidation behavior of SiC/Ti-6Al-4V composites using vacuum hot pressing has been performed, and the results obtained are compared with the model predictions.
The strong continuous fiber reinforced metal matrix composites (MMCs) are recently used in aerospace and transportation applications as an advanced material due to its high strength and light weight. Unidirectional fiber-metal matrix composites have superior mechanical properties along the longitudinal direction. However, the applicability of continuous fiber reinforced MMCs is somewhat limited due to their relatively poor transverse properties. Therefore, the transverse properties of MMCs are significantly influenced by the properties of the fiber/matrix interface. In order to be able to utilize these MMCs effectively and with safety, it must be determined their elastic plastic behaviors at the interface. In this study, the interfacial stress states of transversely loaded unidirectional fiber reinforced metal matrix composites investigated by using elastic-plastic finite element analysis. Different fiber volume fractions $(5-60\%)$ were studied numerically. The interlace was treated as three thin layer (with different properties) with a finite thickness between the fiber and the matrix. The fiber is modeled as transversely isotropic linear-elastic, and the matrix as isotropic elastic-plastic material. Using proposed model, the effects of the interface region and fiber arrangement in MMCs on the distributions of stress and strain are evaluated. The stress distributions of a thin multi layer interface have much less changes compared with conventional perfect interface. The analyses were based on a two-dimensional generalized plane strain model of a cross-section of an unidirectional composite by the ANSYS finite element analysis code.
Aluminum based metal matrix composites(MMCs) are well known for their high specific strength, stiffness and hardness. They are gaining further importance because of their high wear resistance. In this study, Al/Saffil-20%, Al/Saffil-5%/Al2O3(particle type)-15% and Al/Saffil-5%/SiC(particle type)-15% hybird MMCs' wear behavior were characterized by the pin-on-disk test under various normal load The superior wear resistance was exhibited at Al/Saffil-5%/SiC(particle type)-15% MMCs. And this MMCs' predominant wear mechanism is subsurface cracking in the low load wear regime. Others(Al/Saffil-20%, Al/Saffil-5%/Al2O3(particle type)-15%) showed the similar wear resistance with each other at the same test condition. In the low load & room temperature condition, the wear resistance was improved due to the high hardness of the ceramic reinforcements. As the test load increased, the wear properties were governed by the wear properties of matrix.
This study presents a mathematical model predicting the stress-strain behavior of fiber reinforced (FMMCs) and fiber/particle reinforced metal matrix composites (F/P MMCs). MMCs were fabricated by squeeze casting method using Al2O3 short fiber and particle as reinforcement, and A356 aluminum alloy as matrix. The fiber/particle ratios of F/P MMCs were 2:1, 1:1, 1:2 with the total reinforcement volume fraction of 20 vol.%, and the FMMCs were reinforced with 10 vol,%, 15 vol. %, 20 vol. % of fibers. Tensile tests were conducted and compared with predictions which were derived using laminate analogy theory and multi-failure model of reinforcements. Results show that the tensile strength of FMMCs with 10 vol.% of fiber was well matched with prediction, and as the fiber volume increases, predictions become larger than experimental results. The difference between the prediction and experiment is considered to be a result of matrix allowance of fiber damage in tensile loading. As the fiber volume fraction in FMMCs increases, the fiber damage increases and so that the tensile strength is reduced. The strength of F/P MMCs approaches more closely to the prediction than FMMCs reinforced with 20 vol.% of fibers because F/P MMCs contains small quantity of fibers and thus has a positive effect in fiber strengthening.
The fabrication process and thermal properties of 50∼76vo1% SiCp/Al metal matrix composites (MMCs) were investigated. The 50∼76vo1% SiCp/Al MMCs fabricated by pressure infiltration casting process showed that thermal conductivities were 85∼170W/mK and coefficient of thermal expansion (CTE) were ranged 10∼6ppm/K. Specially, the thermal conductivity and CTE of 71vo1%SiCp/Al MMCs were ranged l15∼156W/mK and 6∼7ppm/K, respectively, which showed a improved thermal properties than the conventional electronic packaging materials such as ceramics and metals.
The fabrication process and thermal properties of 50~71vol% SiCp/Al metal matrix composites (MMCs) were investigated. The 50~71vol% SiCp/Al MMCs fabricated by pressure infiltration casting process showed that thermal conductivities were 118~170W/mK and coefficient of thermal expansion (CTE) were 9.5~$6.5{\times}10^{-6}/K$. Specially, the thermal conductivity and CTE of 71vol%SiCp/Al MMCs were 115~156W/mK and 6~$7{\times}10^{-6}/K$. respectively, which showed a improved themal properties than the conventional electronic packaging materials such as ceramics and metals.
The fabrication process and analysis of thermal properties of 50~76vo1% SiCp/Al metal matrix composites(MMCs) for heatsink materials in electronic packaging were investigated. The 50~76vo1% SiCp/Al MMCs fabricated by pressure infiltration casting process showed that thermal conductivities were 85~170W/mK and coefficient of thermal expansion(CTE) were ranged 10~6ppm1k. Specially, the thermal conductivity and CTE of 71vo1%SiCp/Al MMCs were ranged 115~156W/mK and 6~7ppm/K. respectively, which showed a improved thermal properties than the conventional electronic packaging materials such as ceramics and metals.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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