Partikelförstärkta aluminiummatriskompositer (PRAMCs), i vilka aluminiummatrisen är förstärkt med nanopartiklar, uppvisar stor potential för tillämpningar inom flyg- och bilindustrin. Dessa material kombinerar fördelarna med både aluminiummatris och förstärkningspartiklar, inklusive hög specifik hållfasthet, hög specifik modul och god slitstyrka.
Följaktligen betraktas PRAMCs som de mest lovande och ekonomiska materialen för att förbättra energieffektiviteten och minska utsläppen inom fordons- och flygindustrin. Emellertid begränsar avvägningen mellan styrkan och duktiliteten hos PRAMCs avsevärt deras tillämpning.
För att möta denna långvariga utmaning har ett team av forskare från Kina, ledd av professor Jin-feng Nie och professor Yong-hao Zhao från Nano and Heterogeneous Materials Center vid School of Materials Science and Engineering vid Nanjing University of Science and Technology utvecklat en ny strategi för att förbättra styrkan och duktilitetssynergin hos PRAMC. Deras resultat gjordes tillgängliga online den 2 maj 2024 och publicerades i Transactions of Nonferrous Metals Society of China .
Prof. Zhao förklarar motivationen bakom deras studie, säger professor Zhao:"Studier har visat att den rumsliga konfigurationen av förstärkningspartiklar spelar en avgörande roll för att förbättra styrkan och duktiliteten hos PRAMCs. Dessutom introducerar en heterogen struktur i aluminiummatrisen, som består av zoner av nanopartiklar med dramatiskt andra egenskaper än bulken, kan förbättra traditionella materials styrka och duktilitet.
"Därför utvecklade vi en strategi för att förbättra de mekaniska egenskaperna hos PRAMC genom att introducera en heterogen struktur och reglera dess partikelkonfiguration."
Forskarna tillverkade först en heterostrukturerad aluminiumnitrid/aluminium (AlNp /Al) komposit med användning av en vätske-fast reaktion, följt av varmsträngsprutning. Den resulterande kompositen bestod av stora kluster av AlNp partiklar fördelade inom Al-matrisen, vilka var skadliga för de mekaniska egenskaperna. För att reglera den rumsliga partikelfördelningen utsatte forskarna den extruderade kompositen för varmvalsning.
Dr Nie förklarar, "Under plastisk deformationsbehandling, såsom valsning, högtrycksvridning, etc., ackumuleras stor plastisk deformation i material, vilket kan reglera den heterogena mikrostrukturen." Varmvalsning utfördes vid 500 o C med ekvivalenta stammar på 0,7–1,4.
Beroende på motsvarande stammar bildades tre typer av kompositer med olika rumsliga konfigurationer av AlNp . De tre kompositerna, benämnda Clustered-AlNp /Al, Networked-AlNp /Al och Uniformed-AlNp /Al, uppvisade partikelfördelningar som kluster, nätverk respektive enhetlig dispersion. Vid utvärdering av kompositernas mekaniska egenskaper fann forskarna att deras egenskaper förbättrades med partikelförfining.
Särskilt sträckgränsen och draghållfastheten för Uniformed-AlNp /Al-komposit visade sig vara 334,6 och 387,4 MPa, vilket var 55 och 52,9 MPa högre än Clustered AlNp /Al komposit. Dessutom ökade förlängningen till brott från 6,8 % till 9,1 %, vilket tyder på en utmärkt balans mellan styrka och duktilitet, överlägsen tidigare rapporterade aluminiummatriskompositer.
Vidare fastställde forskarna att den heterodeformationsinducerade (HDI) spänningen, som hänvisar till spänningen som genereras i kompositmaterial på grund av de olika deformationsbeteendena hos de ingående materialen, spelade en betydande roll för att förbättra kompositens styrka och duktilitet . HDI-stress var högst i Uniformed-AlNp /Al-komposit.
Prof. Zhao framhäver studiens betydelse och säger:"Vår föreslagna strategi kommer att ge nya insikter och vägledning för design av kompositer med överlägsen styrka och duktilitetskombinationer."
Sammantaget kan resultaten av studien bana väg för utvecklingen av nya kompositmaterial som kan bidra till att minska utsläppen och öka effektiviteten hos bilar och flygplan.
Mer information: Yu-yao CHEN et al, Förbättring av styrka-duktilitetssynergi av AlNp/Al-komposit genom att reglera heterostrukturen av matriskorn och partikelfördelning, Transactions of Nonferrous Metals Society of China (2024). DOI:10.1016/S1003-6326(23)66453-2
Tillhandahålls av Cactus Communications
