Brevier TECHNISCHE KERAMIK

 

      Werkstoffe der technischen Keramik

 

 


   

3.4.4.2 Metal-Matrix-Composits

Mit Metal-Matrix-Composits (MMCs) werden Verbundwerkstoffe bezeichnet, deren Gefüge aus einer metallischen Legierung und einer gezielt eingebrachten Verstärkungskomponente besteht.

MMC = Metall + Verstärkung


Die metallischen Legierungen der Matrix können verstärkt werden mit:

  • Partikeln (z. B. Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, ...)
     
  • Langfasern (z. B. Aluminiumoxid, Siliciumoxid, ...)
     
  • Kurzfasern (z. B. Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Kohlenstoff, ...)
     
  • Whiskern (z .B. Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, ...)
     
  • Mischungen aus Partikeln und Fasern (Hybridverstärkung)


Für die metallische Matrix wird am häufigsten eine Aluminiumlegierung eingesetzt. Vermehrt werden aber auch Magnesium und Kupfer verwendet.



Bild 44: Herstellung des Durchdringungsgefüges


Es werden poröse keramische Vorkörper hergestellt, deren offene Porosität gezielt auf Werte zwischen 25 und 75 Volumenprozent eingestellt wird. Anschließend werden die Vorkörper auf über 500 °C erwärmt und dem Infiltrationsprozess zugeführt. Die metallische Schmelze durchdringt dabei das poröse keramische Netzwerk, erstarrt und bildet mit der Verstärkungskomponente zusammen ein Durchdringungsgefüge. Dadurch ist es möglich, Bauteile herzustellen, die nur partiell Verstärkungskomponenten enthalten – genau an den Stellen, wo verbesserte Werkstoffeigenschaften gefordert sind.



Bild 45: Gefüge einer partiellen Verstärkung mit Werkstoffübergang


MMC-Werkstoffe werden in der Regel ganz speziell für eine entsprechende Anwendung maßgeschneidert. Dies wird durch die Variation der Partikelart bzw. Partikelkombinationen, des Volumenanteils der Partikel, der Partikelgrößen sowie der Porosität unter Berücksichtigung der Erfordernisse des Infiltrationsverfahrens und Verbundwerkstoffes erreicht. Neben Partikeln können auch Fasern – insbesondere zur Steigerung der Werkstoffzähigkeit – eingelagert werden.



Bild 46 und 47: Gefügebeispiele von MMCs


Ziele des anwendungstechnischen Gefügedesigns sind zum Beispiel:

  • Steigerung der mechanischen Festigkeit,
     
  • Beeinflussung von Reibung und Verschleiß (der Tribologie),
     
  • Beeinflussung der thermischen Dehnung,
     
  • Verbesserung der thermischen Stabilität,
     
  • Beibehalten der Gewichtsreduzierung durch Leichtbau bzw. Erhalt der geringen Dichte,
     
  • gute Verarbeitbarkeit und Bearbeitbarkeit.


Anwendungsmöglichkeiten für MMC-Werkstoffe sind Zylinderlaufflächen bei Kfz-Motoren, Muldenränder bei Motorkolben, Bremsbelagträgerplatten (Gewicht), Lager (Wärmedehnung), Pleuelstangen (Gewicht), Bremsscheiben für Motorräder oder die Bahn, Sportartikel, wie etwa der Schlagkopf des Golfschlägers, Tennisschläger, Fahrradrahmen für Mountainbikes sowie Kühlplatten für die Elektronik.