En utmaning i att producera starka, elastiska och slitstarka nanokompositer erhåller en jämn fördelning av nanopartiklarna i metallmatrisen. Nu, forskare vid A*STAR har använt en process som kallas friction stir processing (se bild) för att producera en jämnt fördelad blandning av nanostora aluminiumoxidpartiklar (Al2O3) i aluminium. Deras teknik är en livskraftig ny metod för att tillverka nanokompositer och har spännande potential för bilen, rymd- och försvarsindustrin.

"Nuvarande pulvermetallurgi eller flytande bearbetningsmetoder lyckas inte uppnå enhetlig bearbetning, " säger forskningsledare Junfeng Guo, som kommer från A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology.

Guos team borrade hundratals 1-millimeter-diameter hål i ytan av en tunn skiva av en aluminiumlegering. De injicerade sedan en slurry av nanopartiklar av aluminiumoxid i hålen och värmde upp arket i en ugn. Efter kylning av arket, teamet kastade in ett roterande verktyg i det – detta är bearbetningssteget för friktionsomrörning. Friktionen som skapades mellan verktyget och plåten gjorde att materialet mjuknade. Verktyget flyttades runt för att säkerställa att hela arket plastades.

Att placera nanopartiklarna i arket före bearbetningssteget med friktionsomröring ökade signifikant koncentrationen av nanopartiklar i kompositen. "Det minskade också mängden luftburna partiklar som producerades under pulverplacering och friktionsomrörning, " förklarar Guo.

Teamet använde svepelektronmikroskopi för att kontrollera två nyckelegenskaper som påverkar styrkan hos nanokompositer. De visade först att nanopartiklarna var jämnt spridda, vilket innebär att materialet inte har några svaga punkter. De fann också att kornen eller kristallerna i aluminiummatrisen som omkristalliserades efter att ha plastats var extremt små; mindre aluminiummatriskorn kan flyta förbi varandra smidigare än större partiklar, förbättrar materialets styrka.

Genom att mäta kornstorleken efter att ha utfört friktionsomrörningsbearbetning med och utan Al2O3 nanopartiklar, teamet visade att nanopartiklarna bidrog till att minska kornstorleken.

Den bästa nanopartikelfördelningen och minsta korn av aluminiumlegering erhölls efter att det roterande verktyget passerat genom arket fyra gånger. Teamet visade sedan att kompositen som tillverkats på detta sätt hade avsevärt förbättrad hårdhet och draghållfasthet jämfört med obehandlade aluminiumplåtar.

"Vi planerar att fortsätta denna forskning för att ytterligare förbättra de mekaniska och termiska egenskaperna samt slitstyrkan hos nanokompositerna, säger Guo. Så småningom, vi strävar efter att kommersialisera vår teknik för att hjälpa lokal industri."