Undersøgelse afslører strategi til forbedring af mekaniske egenskaber af aluminiumkompositter

Partikelforstærkede aluminiummatrixkompositter (PRAMC'er), hvor aluminiumsmatrixen er forstærket med nanopartikler, udviser et stort potentiale for anvendelser i rumfarts- og bilindustrien. Disse materialer kombinerer fordelene ved både aluminiumsmatrix og forstærkningspartikler, herunder høj specifik styrke, højt specifikt modul og god slidstyrke.

Derfor betragtes PRAMC'er som de mest lovende og økonomiske materialer til at forbedre energieffektiviteten og reducere emissioner i bil- og rumfartsindustrien. Afvejningen mellem styrken og duktiliteten af ​​PRAMC'er begrænser imidlertid deres anvendelse alvorligt.

For at løse denne langvarige udfordring har et team af forskere fra Kina, ledet af professor Jin-feng Nie og professor Yong-hao Zhao fra Nano and Heterogeneous Materials Center ved School of Materials Science and Engineering ved Nanjing University of Science and Technology. udviklet en ny strategi for at forbedre styrken og duktilitetssynergien af ​​PRAMC'er. Deres resultater blev gjort tilgængelige online den 2. maj 2024 og offentliggjort i Transactions of Nonferrous Metals Society of China .

Prof. Zhao forklarer motivationen bag deres undersøgelse, siger prof. Zhao:"Undersøgelser har vist, at den rumlige konfiguration af forstærkningspartikler spiller en afgørende rolle for at øge styrken og duktiliteten af ​​PRAMC'er. Desuden indføres en heterogen struktur i aluminiumsmatrixen, som består af bl.a. zoner af nanopartikler med dramatisk anderledes egenskaber end bulk, kan forbedre traditionelle materialers styrke og duktilitet.

"Derfor udviklede vi en strategi til at forbedre de mekaniske egenskaber af PRAMC'er ved at introducere en heterogen struktur og regulere dens partikelkonfiguration."

Forskerne fremstillede først et heterostruktureret aluminiumnitrid/aluminium (AlN_p /Al) komposit under anvendelse af en væske-fast reaktion efterfulgt af varm ekstrudering. Den resulterende komposit bestod af store klynger af AlN_p partikler fordelt i Al-matrixen, som var skadelige for de mekaniske egenskaber. For at regulere den rumlige partikelfordeling udsatte forskerne den ekstruderede komposit for varmvalsning.

Dr. Nie forklarer:"Under plastisk deformationsbehandling, såsom valsning, højtryks-torsion, osv., ophobes der stor plastisk deformation i materialer, som kan regulere den heterogene mikrostruktur." Varmvalsning blev udført ved 500 ^o C med ækvivalente stammer på 0,7-1,4.

Afhængigt af de ækvivalente stammer blev der dannet tre typer kompositter med forskellige rumlige konfigurationer af AlN_p . De tre kompositter, kaldet Clustered-AlN_p /Al, Networked-AlN_p /Al og Uniformed-AlN_p /Al, udviste partikelfordelinger som henholdsvis klynger, netværk og ensartet dispersion. Ved at evaluere de mekaniske egenskaber af kompositterne fandt forskerne ud af, at deres egenskaber blev forbedret med partikelforfining.

Især flydespændingen og trækstyrken for Uniformed-AlN_p /Al-komposit blev fundet at være 334,6 og 387,4 MPa, hvilket var 55 og 52,9 MPa højere end Clustered AlN_p /Al komposit. Desuden steg forlængelsen til svigt fra 6,8 % til 9,1 %, hvilket tyder på en fremragende balance mellem styrke og duktilitet, overlegen i forhold til tidligere rapporterede aluminiummatrixkompositter.

Endvidere fastslog forskerne, at den hetero-deformationsinducerede (HDI) spænding, som refererer til den spænding, der genereres i kompositmaterialer på grund af de indgående materialers forskellige deformationsopførsel, spillede en væsentlig rolle i at forbedre komposittens styrke og duktilitet . HDI-stress var højest i Uniformed-AlN_p /Al sammensat.

Prof. Zhao fremhæver betydningen af ​​undersøgelsen og siger:"Vores foreslåede strategi vil give ny indsigt og vejledning til design af kompositter med overlegne styrke- og duktilitetskombinationer."

Samlet set kan resultaterne af undersøgelsen bane vejen for udviklingen af ​​nye kompositmaterialer, der kan bidrage til at reducere emissioner og øge effektiviteten af ​​biler og fly.

Flere oplysninger: Yu-yao CHEN et al., Forbedring af styrke-duktilitetssynergi af AlNp/Al-komposit ved at regulere heterostrukturen af ​​matrixkorn og partikelfordeling, Transactions of Nonferrous Metals Society of China (2024). DOI:10.1016/S1003-6326(23)66453-2

Leveret af Cactus Communications