Wetenschap
Studie onthult strategie voor het verbeteren van de mechanische eigenschappen van aluminiumcomposieten
Met deeltjes versterkte aluminiummatrixcomposieten (PRAMC's), waarbij de aluminiummatrix is versterkt met nanodeeltjes, vertonen een groot potentieel voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart- en auto-industrie. Deze materialen combineren de voordelen van zowel aluminiummatrix- als versterkingsdeeltjes, waaronder een hoge specifieke sterkte, hoge specifieke modulus en goede slijtvastheid.
Bijgevolg worden PRAMC's beschouwd als de meest veelbelovende en economische materialen om de energie-efficiëntie te verbeteren en de emissies in de auto- en ruimtevaartindustrie te verminderen. De afweging tussen de sterkte en ductiliteit van PRAMC's beperkt hun toepassing echter ernstig.
Om deze al lang bestaande uitdaging aan te pakken heeft een team van onderzoekers uit China, onder leiding van professor Jin-feng Nie en professor Yong-hao Zhao van het Nano and Heterogeneous Materials Center van de School of Materials Science and Engineering van de Nanjing University of Science and Technology ontwikkelde een nieuwe strategie om de sterkte- en ductiliteitsynergie van PRAMC's te verbeteren. Hun bevindingen werden op 2 mei 2024 online beschikbaar gesteld en gepubliceerd in Transactions of Nonferrous Metals Society of China .
Prof. Zhao legt de motivatie achter hun onderzoek uit en zegt:"Studies hebben aangetoond dat de ruimtelijke configuratie van wapeningsdeeltjes een cruciale rol speelt bij het verbeteren van de sterkte en ductiliteit van PRAMC's. Bovendien introduceert de introductie van een heterogene structuur in de aluminiummatrix, die bestaat uit zones van nanodeeltjes met dramatisch andere eigenschappen dan de bulk, kunnen de sterkte en ductiliteit van traditionele materialen verbeteren.
"Daarom hebben we een strategie ontwikkeld om de mechanische eigenschappen van PRAMC's te verbeteren door een heterogene structuur te introduceren en de deeltjesconfiguratie ervan te reguleren."
De onderzoekers vervaardigden eerst een heterogestructureerd aluminiumnitride/aluminium (AlNp /Al) composiet met behulp van een vloeistof-vaste stof-reactie, gevolgd door hete extrusie. Het resulterende composiet bestond uit grote clusters van AlNp deeltjes verdeeld binnen de Al-matrix, die schadelijk waren voor de mechanische eigenschappen. Om de ruimtelijke deeltjesverdeling te reguleren, onderwierpen de onderzoekers het geëxtrudeerde composiet aan warmwalsen.
Dr. Nie legt uit:"Tijdens plastische vervormingsbehandelingen, zoals rollen, torsie onder hoge druk, enz., hoopt zich grote plastische vervorming op in materialen, die de heterogene microstructuur kunnen reguleren." Heetwalsen werd uitgevoerd bij 500 o C met equivalente stammen van 0,7–1,4.
Afhankelijk van de equivalente spanningen werden drie soorten composieten gevormd met verschillende ruimtelijke configuraties van AlNp . De drie composieten, genaamd Clustered-AlNp /Al, Netwerk-AlNp /Al en Uniformed-AlNp /Al vertoonde deeltjesverdelingen als respectievelijk clusters, netwerken en uniforme dispersie. Bij het evalueren van de mechanische eigenschappen van de composieten ontdekten de onderzoekers dat hun eigenschappen verbeterden door deeltjesverfijning.
Met name de vloeigrens en treksterkte van de Uniformed-AlNp /Al-composiet bleek 334,6 en 387,4 MPa te zijn, wat 55 en 52,9 MPa hoger was dan de Clustered AlNp /Al-composiet. Bovendien nam de rek tot bezwijken toe van 6,8% naar 9,1%, wat duidt op een uitstekende balans tussen sterkte en ductiliteit, superieur aan eerder gerapporteerde aluminiummatrixcomposieten.
Bovendien stelden de onderzoekers vast dat de hetero-deformatie-geïnduceerde (HDI) spanning, die verwijst naar de spanning die wordt gegenereerd in composietmaterialen als gevolg van het verschillende vervormingsgedrag van de samenstellende materialen, een belangrijke rol speelde bij het verbeteren van de sterkte en ductiliteit van het composiet. . HDI-stress was het hoogst in de Uniformed-AlNp /Al-composiet.
Prof. Zhao onderstreept het belang van het onderzoek en zegt:"Onze voorgestelde strategie zal nieuwe inzichten en richtlijnen bieden voor het ontwerp van composieten met superieure sterkte- en ductiliteitscombinaties."
Over het geheel genomen kunnen de bevindingen van het onderzoek de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van nieuwe composietmaterialen die kunnen bijdragen aan het verminderen van de uitstoot en het verhogen van de efficiëntie van auto's en vliegtuigen.