धातु मैट्रिक्स समग्र
सामग्री विज्ञान में, धातु (एमएमसी) वह मैट्रिक्स सामग्री है, जिसमें तांबा, एल्यूमीनियम, या स्टील जैसे धातु मैट्रिक्स में कण होते हैं। द्वितीयक चरण सामान्यतः सिरेमिक (जैसे एल्यूमिना या सिलिकॉन कार्बाइड) या अन्य धातु (जैसे स्टील) होते हैं[1])। उन्हें सामान्यतः सुदृढीकरण (समग्र) के प्रकार के अनुसार वर्गीकृत किया जाता है: जिसमें लघु विच्छिन्न तंतु (व्हिस्कर्स), निरंतर तंतु, या कण सम्मिलित होते हैं। एमएमसी और सर्मेट्स के मध्य कुछ ओवरलैप है, अंत में सामान्य मात्रा की दर से 20% से अल्प धातु होती है। जब अल्प से अल्प तीन सामग्रियां उपस्थित हों, तो इसे हाइब्रिड कंपोजिट कहा जाता है। एमएमसी में पारंपरिक सामग्रियों की तुलना में अत्यधिक शक्ति-से-वजन अनुपात,[2] कठोरता और लचीलापन हो सकता है, इसलिए उनका उपयोग प्रायः आवश्कयतानुसार अनुप्रयोगों में किया जाता है। एमएमसी में सामान्यतः अल्प तापीय और विद्युत चालकता होती है और विकिरण के लिए निकृष्ट प्रतिरोध होता है,[citation needed] जो अत्यंत कठोर वातावरण में उनके उपयोग को सीमित करता है।
रचना
धातु मैट्रिक्स में ठोस सामग्री को विस्तारित करके एमएमसी बनाए जाते हैं। मैट्रिक्स के साथ रासायनिक प्रतिक्रिया को रोकने के लिए सुदृढीकरण सतह को लेपित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, अल्प घनत्व और उच्च शक्ति दिखाने वाले कंपोजिट को संश्लेषित करने के लिए सामान्यतः एल्यूमीनियम मैट्रिक्स में कार्बन फाइबर का उपयोग किया जाता है। चूँकि, फाइबर की सतह पर भंगुर और पानी में घुलनशील यौगिक एल्यूमीनियम कार्बाइड Al4C3 उत्पन्न करने के लिए कार्बन एल्यूमीनियम के साथ प्रतिक्रिया करता है। इस प्रतिक्रिया को रोकने के लिए, कार्बन फाइबर निकिल या टाइटेनियम बोराइड के साथ लेपित होते हैं।
मैट्रिक्स
मैट्रिक्स अखंड सामग्री है जिसमें सुदृढीकरण एम्बेडेड प्रत्येक प्रकार से निरंतर होता है। इसका तात्पर्य यह है कि सामग्री में किसी भी बिंदु पर मैट्रिक्स के माध्यम से मार्ग होता है, जिसको दो सामग्रियों के विपरीत साथ सैंडविच किया जाता है। संरचनात्मक अनुप्रयोगों में, मैट्रिक्स सामान्यतः एल्यूमीनियम, मैगनीशियम, या टाइटेनियम जैसी हल्की धातु होती है, और सुदृढीकरण के लिए पूर्ण समर्थन प्रदान करती है। उच्च तापमान अनुप्रयोगों में, कोबाल्ट और कोबाल्ट-निकिल मिश्र धातु मेट्रिसेस सामान्य होते हैं।
सुदृढीकरण
सुदृढीकरण सामग्री मैट्रिक्स में एम्बेडेड है। सुदृढीकरण सदैव विशुद्ध रूप से संरचनात्मक कार्य (यौगिक को ठोस करने) की सेवा नहीं करता है, किन्तु इसका उपयोग भौतिक गुणों जैसे प्रतिरोध, घर्षण गुणांक या तापीय चालकता को परिवर्तित करने के लिए भी किया जाता है। सुदृढीकरण या तो निरंतर या असंतत हो सकता है। असंतुलित एमएमसी आइसोट्रोपिक हो सकते हैं और मानक धातु प्रौद्योगिकी के साथ कार्य किया जा सकता है, जैसे एक्सट्रूज़न, फोर्जिंग या रोलिंग है। इसके अतिरिक्त, उन्हें पारंपरिक प्रौद्योगिकी का उपयोग करके मशीनीकृत किया जा सकता है, किन्तु सामान्यतः पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड टूलिंग (पीसीडी) के उपयोग की आवश्यकता होगी।
निरंतर सुदृढीकरण मोनोफिलामेंट तारों या फाइबर जैसे कार्बन फाइबर या सिलिकन कार्बाइड का उपयोग करता है। क्योंकि फाइबर निश्चित दिशा में मैट्रिक्स में एम्बेडेड होते हैं, परिणाम अनिसोट्रोपिक संरचना होती है जिसमें सामग्री का संरेखण इसकी शक्ति को प्रभावित करता है। सुदृढीकरण के रूप में बोरॉन फिलामेंट का उपयोग करने वाले प्रथम एमएमसी में से है। असंतुलित सुदृढीकरण व्हिस्कर्स, छोटे तंतुओं या कणों का उपयोग करता है। इस श्रेणी में सबसे सामान्य प्रबलिंग सामग्री एल्यूमिना और सिलिकॉन कार्बाइड हैं।[3]
निर्माण के प्रकार
एमएमसी निर्माण को तीन प्रकारों में खंडित किया जा सकता है- ठोस, तरल और वाष्प।
ठोस अवस्था के प्रकार
- पाउडर सम्मिश्रण और एकत्रीकरण (पाउडर धातु विज्ञान): पाउडर धातु और असंतुलित सुदृढीकरण मिश्रित होते हैं और पुनः संघनन, अपघटन और थर्मो-मैकेनिकल (संभवतः गर्म आइसोस्टैटिक दबाव (एचआईपी) या एक्सट्रूज़न के माध्यम से) की प्रक्रिया के माध्यम से जुड़े होते हैं।
- पन्नी प्रसार संबंध: धातु की पन्नी की परतों को लंबे तंतुओं के साथ सैंडविच किया जाता है, और फिर मैट्रिक्स बनाने के लिए उपयोग किया जाता है।
तरल अवस्था के प्रकार
- इलेक्ट्रोप्लेटिंग और इलेक्ट्रोफॉर्मिंग: ठोस कणों से भरे धातु आयनों का मिश्रण सामग्री बनाने के लिए सह-एकत्र होता है।
- स्टिर कास्टिंग: असंतुलित सुदृढीकरण को पिघली हुई धातु में उपयोग किया जाता है, जिसे एकत्र होने दिया जाता है।
- दबाव इंफिल्ट्रेशन: पिघली हुई धातु गैस के दबाव से ठोस में इंफिल्ट्रेशन कर रहा है।
- दबाव कास्टिंग: पिघला हुआ धातु इसके अंदर पूर्व से रखे फाइबर के रूप में अन्तःक्षेप किया जाता है।
- स्प्रे डिपोजिशन: पिघली हुई धातु को निरंतर फाइबर सब्सट्रेट पर स्प्रे किया जाता है।
- प्रतिक्रियाशील प्रसंस्करण: रासायनिक प्रतिक्रिया में अभिकारक मैट्रिक्स बनाता है और दूसरा सुदृढीकरण होता है।
अर्ध-ठोस अवस्था विधियाँ
- अर्ध-ठोस पाउडर प्रसंस्करण: पाउडर मिश्रण को अर्ध-ठोस अवस्था तक गर्म किया जाता है और कंपोजिट बनाने के लिए दबाव डाला जाता है।[4][5][6]
वाष्प जमाव
- भौतिक वाष्प जमाव: फाइबर को वाष्पीकृत धातु के घने बादल से निकाला जाता है, इसे लेप किया जाता है।
इन-सीटू निर्माण प्रौद्योगिकी
- यूटेक्टिक प्रणाली मिश्र धातु के नियंत्रित यूनिडायरेक्शनल सॉलिडिफिकेशन के परिणामस्वरूप मैट्रिक्स में वितरित लैमेलर या फाइबर फॉर्म में उपस्थित चरणों में से दो-चरण माइक्रोस्ट्रक्चर हो सकते हैं।[7]
अवशिष्ट तनाव
एमएमसी उच्च तापमान पर हो जाते हैं, जो फाइबर/मैट्रिक्स इंटरफेस के प्रसार संबंध के लिए आवश्यक प्रावधान है। अंत में, जब उन्हें परिवेश के तापमान तक ठंडा किया जाता है, तो धातु मैट्रिक्स और फाइबर के गुणांक के मध्य बेमेल के कारण अवशिष्ट तनाव (आरएस) समग्र में उत्पन्न होता है। विनिर्माण आरएस सभी लोडिंग स्थितियों में एमएमसी के यांत्रिक व्यवहार को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है। कुछ स्थितियों में, निर्माण प्रक्रिया के समय मैट्रिक्स के अंदर प्लास्टिक विरूपण प्रारम्भ करने के लिए थर्मल आरएस अधिक है।[8]
अनुप्रयोग
- उच्च प्रदर्शन टंगस्टन कार्बाइड काटने के उपकरण को कणों से जोड़ने वाले जटिल कोबाल्ट मैट्रिक्स से बने होते हैं; अल्प प्रदर्शन वाले उपकरण अन्य धातुओं जैसे कांस्य को मैट्रिक्स के रूप में उपयोग कर सकते हैं।
- कुछ टैंक कवच धातु मैट्रिक्स कंपोजिट से बनाए जा सकते हैं, संभवतः बोरॉन नाइट्राइड के साथ प्रबलित स्टील के लिए श्रेष्ठ सुदृढीकरण होता है क्योंकि यह अधिक जटिल और पिघले हुए स्टील में घुलनशील नहीं है।
- कुछ ऑटोमोबाइल डिस्क ब्रेक एमएमसी का उपयोग करते हैं। प्रारंभिक लोटस एलिस मॉडल में एल्यूमीनियम एमएमसी रोटर्स का उपयोग किया गया था, किन्तु उनके पास इष्टतम ताप गुणों से अल्प है, और लोटस तब से कच्चा लोहा में परिवर्तित हो गया है। आधुनिक उच्च-प्रदर्शन स्पोर्ट कारें, जैसे कि पोर्श द्वारा निर्मित, अपनी उच्च विशिष्ट ऊष्मा और तापीय चालकता के कारण सिलिकॉन कार्बाइड मैट्रिक्स के अंदर कार्बन फाइबर से बने रोटर्स का उपयोग करती हैं। 3एम ने कास्ट एल्युमिनियम डिस्क ब्रेक कैलीपर्स को ठोस करने के लिए पूर्वनिर्मित एल्यूमीनियम मैट्रिक्स इंसर्ट विकसित किया,[9] समान कठोरता बनाए रखते हुए कच्चा लोहा की तुलना में वजन को अर्ध करता है। 3एम ने एएमसी पुशरोड्स के लिए एल्यूमिना प्रीफॉर्म्स का भी उपयोग किया है।[10]
- फोर्ड मोटर कंपनी मेटल मैट्रिक्स कंपोजिट (एमएमसी) ड्राइव शाफ्ट अपग्रेड को प्रस्तुत करती है। एमएमसी ड्राइवशाफ्ट बोरान कार्बाइड के साथ प्रबलित एल्यूमीनियम मैट्रिक्स से बना होता है, जिससे जड़ता को अल्प करके ड्राइवशाफ्ट की महत्वपूर्ण गति को बढ़ाया जा सकता है। एमएमसी ड्राइवशाफ्ट रेसर्स के लिए सामान्य संशोधन बन गया है, जिससे शीर्ष गति को मानक एल्यूमीनियम ड्राइवशाफ्ट की सुरक्षित संचालन गति से कहीं अधिक बढ़ाया जा सकता है।
- होंडा ने अपने कुछ इंजनों में एल्यूमीनियम धातु मैट्रिक्स समग्र सिलेंडर लाइनर का उपयोग किया है, जिसमें होंडा B20A इंजन, होंडा H इंजन, होंडा F20C इंजन और होंडा NSX में प्रयुक्त होंडा C इंजन सम्मिलित हैं।
- तब से टोयोटा ने यामाहा मोटर कंपनी द्वारा डिज़ाइन किए गए 2ZZ-GE इंजन में मेटल मैट्रिक्स कंपोजिट का उपयोग किया है, जिसका उपयोग पश्चात के लोटस एलिस S2 संस्करणों के साथ-साथ टोयोटा कार मॉडल में भी किया जाता है, जिसमें इसी नाम का टोयोटा मैट्रिक्स भी सम्मिलित है। पोर्श बॉक्सस्टर और पोर्श 911 में इंजन के सिलेंडर स्लीव्स को ठोस करने के लिए पोर्श एमएमसी का भी उपयोग करता है।
- F-16 फाइटिंग फाल्कन जेट के लैंडिंग सामग्री के संरचनात्मक घटक के लिए टाइटेनियम मैट्रिक्स में मोनोफिलामेंट सिलिकॉन कार्बाइड फाइबर का उपयोग करता है।
- विशिष्ट साइकिलों ने कई वर्षों तक अपने शीर्ष श्रेणी के फ्रेम के लिए एल्यूमीनियम एमएमसी यौगिकों का उपयोग किया है। ग्रिफेन साइकिल ने बोरॉन कार्बाइड-एल्यूमीनियम एमएमसी बाइक फ़्रेम भी बनाए, और यूनीवेगा ने संक्षेप में ऐसा ही किया।
- कण त्वरक में कुछ उपकरण जैसे कि रेडियो आवृत्ति क्वाड्रुपोल (आरएफक्यू) या इलेक्ट्रॉन लक्ष्य उच्च तापमान और विकिरण स्तरों पर तांबे के भौतिक गुणों को बनाए रखने के लिए ग्लिडकॉप जैसे कॉपर एमएमसी यौगिकों का उपयोग करते हैं।[11][12]
- कॉपर-सिल्वर मिश्र धातु मैट्रिक्स जिसमें 55% आयतन वाले हीरे के कण होते हैं, जिन्हें डाइमलॉय के रूप में जाना जाता है, इसका उपयोग उच्च तापीय चालकता के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स में उच्च-शक्ति, उच्च-घनत्व वाले मल्टी-चिप मॉड्यूल के लिए सब्सट्रेट के रूप में किया जाता है। AlSiC समान अनुप्रयोगों के लिए एल्यूमीनियम-सिलिकॉन कार्बाइड सम्मिश्र है।
- एल्यूमीनियम-ग्रेफाइट कंपोजिट का उपयोग उनकी उच्च तापीय चालकता, थर्मल विस्तार के समायोज्य गुणांक और अल्प घनत्व के कारण विद्युत इलेक्ट्रॉनिक मॉड्यूल में किया जाता है।
एमएमसी लगभग सदैव अधिक पारंपरिक सामग्रियों की तुलना में अधिक मूल्य के होते हैं जिन्हें वे परिवर्तित कर रहे हैं। परिणामस्वरूप, वे वहां पाए जाते हैं जहां उत्तम गुण और प्रदर्शन अतिरिक्त व्यय को उचित मान सकते हैं। आज ये अनुप्रयोग प्रायः विमान घटकों, अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी और उच्च अंत या बुटीक खेल उपकरण में पाए जाते हैं। विनिर्माण व्यय अल्प होने से अनुप्रयोगों की सीमा निश्चित रूप से बढ़ेगी।
पारंपरिक बहुलक मैट्रिक्स कंपोजिट की तुलना में, एमएमसी आग प्रतिरोधी हैं, जो तापमान की विस्तृत श्रृंखला में कार्य कर सकते हैं, नमी को अवशोषित नहीं करते हैं, उत्तम विद्युत चालकता और तापीय चालकता है, विकिरण क्षति के प्रतिरोधी हैं, और गैस अवशोषण को प्रदर्शित नहीं करते हैं। दूसरी ओर, एमएमसी अधिक मूल्य के होते हैं, फाइबर-प्रबलित सामग्री को बनाना कठिन हो सकता है, और उपयोग में उपलब्ध अनुभव सीमित है।
यह भी देखें
- उन्नत समग्र सामग्री (विज्ञान और अभियांत्रिकी)
- बैबिट (धातु)
- लोहा
संदर्भ
- ↑ Gopi Krishna, M.; Praveen Kumar, K.; Naga Swapna, M.; Babu Rao, J.; Bhargava, N.R.M.R. (2018). "मेटल-मेटल कम्पोजिट्स- मल्टीपल स्ट्रेंथनिंग के लिए एक इनोवेटिव तरीका". Materials Today: Proceedings. 4 (8): 8085–8095. doi:10.1016/j.matpr.2017.07.148. ISSN 2214-7853.
- ↑ Dieter, George E. (1986). यांत्रिक धातु विज्ञान (3rd ed.). New York: McGraw-Hill. pp. 220–226. ISBN 0-07-016893-8. OCLC 12418968.
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