ネットの製作と調整可能な補強

Scientific Reports volume 13、記事番号: 16334 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

金属基複合材料 (MMC) などの先端材料は、イノベーション、国家安全保障、気候変動への対処にとって重要です。 MMC は、その優れた機械的特性と熱的特性により、軍事、航空宇宙、自動車の用途に使用されていますが、コストが高く面倒な製造プロセスのため、採用は遅れています。 溶融フィラメント製造 3D プリンティングを使用した新しいプロセスが開発され、工具や機械加工を行わずにネットシェイプ MMC を製造できます。 このプロセスには、アルミナ プリフォームを印刷し、溶融アルミニウム合金を無加圧浸透させて複合材料を形成することが含まれます。 このプロセスでは任意の形状を形成できます (ブレーキ レバーとフランジが示されています)。また、セラミック充填材の幾何学的パターンとセラミックの負荷を変えることで特性を調整できます。 35 vol% の連続繊維強化材を使用することにより、アルミニウム複合材の強度は 800 MPa、弾性率は 140 GPa を超え、母材アルミニウムの特性の 3.4 倍と 2 倍が達成されます。

先端材料は、イノベーション、国家安全保障、気候変動などの大きな課題への対処を可能にする重要な要素と見なされているため、地球規模で戦略的に重要です1、2。 Deloitte がアドバンスト マテリアル システム フレームワークで呼びかけているように、アドバンスドマテリアルはコストとパフォーマンスの間の既存のトレードオフを打破するものであり、企業が競争力を維持するには製品に組み込むことが必要になります3。 ポリマーマトリックス複合材料 (PMC) は、市場での採用が高く評価されている先進的な材料です2。 これらでは、ポリマーマトリックス（通常はエポキシ）がカーボン、ガラス、または Kevlar™ 繊維で強化されています。 得られた複合材料は、軽量、高強度、高剛性を実現し、高性能航空機、風力タービン、スポーツ用品などの用途に適しています。 しかし、Maine 氏と Garsney 氏が強調しているように、この革新性は、製造業者が受け入れられるプロセス革新が開発されるまで解放されませんでした4。 PMC と同様に、金属マトリックス複合材 (MMC) は 60 年以上前に Stuhrke によって初めて製造されました5。 この論文は、現代の MMC の先駆者として説明されており6、12 ～ 15% のホウ素フィラメントで強化された 5 層の非合金アルミニウムで構成される拡散接合複合材について説明しています。 MMC は軍事 (例: 装甲や弾薬)、航空宇宙 (例: エンジン部品、着陸装置)、および自動車 (例: ブレーキディスク) の用途に使用されています 7、8、9、10、11、12、13 が、製造、特に MMC 部品の成形が難しいため、PMC に大きく遅れをとっています。 実際、2022 年の世界の PMC 市場は 186 億ドルと推定されています 14 が、MMC 市場はその 2% (3 億 6,600 万ドル) にすぎないと推定されています 15。

MMC では、金属マトリックスは連続または不連続のカーボンまたはセラミックの繊維および/または粒子で強化されます。 アルミニウム基複合材料 (AMC) は最も一般的なタイプの MMC であり、PMC では得られなかった魅力的な特性を示します。 たとえば、AMC は金属マトリックスにより優れた熱伝導体であり、非常に高い温度で使用できますが、強化により熱膨張が非常に低く、室温および高温で優れた剛性と強度を示し、優れた摩耗を示します。強化されていないアルミニウムと比較して耐久性があります。 しかし、セラミック強化 AMC を従来の方法で機械加工するのは非常に難しく、強化体積分率が増加するにつれてその難易度は急激に高まります 16。 この課題のため、粉末冶金、スクイズ鋳造、または加圧浸透鋳造などのネットシェイプまたはニアネットシェイプの製造技術のみが、高強化複合材料の実行可能な製造オプションとなってきました。 ただし、これらの技術には、製造部品に特有の高価な機器や工具が必要です。 高度に強化された MMC を製造するための有望な技術は、窒素雰囲気炉内の溶融アルミニウム - マグネシウム合金で満たされた耐火性リザーバーに自己支持性のセラミック微粒子プリフォームを配置する無加圧溶浸です 17,18。 このアプローチでは、溶融合金が毛細管力によってセラミック プリフォームに浸透し、合金が凝固すると AMC 部品が製造されます。 溶浸に金型は必要ありませんが、この技術では依然として粒子強化プリフォームの成形またはプレス用の工具一式が必要であり、多くの用途にとって法外に高価になります。