I compositi a matrice di alluminio rinforzata con particelle (PRAMC), in cui la matrice di alluminio è rinforzata con nanoparticelle, presentano un grande potenziale per applicazioni nell'industria aerospaziale e automobilistica. Questi materiali combinano i vantaggi sia della matrice di alluminio che delle particelle di rinforzo, tra cui elevata resistenza specifica, elevato modulo specifico e buona resistenza all'usura.
Di conseguenza, i PRMC sono considerati i materiali più promettenti ed economici per migliorare l’efficienza energetica e ridurre le emissioni nei settori automobilistico e aerospaziale. Tuttavia, il compromesso tra resistenza e duttilità dei PRMC ne limita fortemente l'applicazione.
Per affrontare questa sfida di lunga data, un team di ricercatori cinesi, guidato dal professor Jin-feng Nie e dal professor Yong-hao Zhao del Nano and Heterogeneous Materials Center presso la School of Materials Science and Engineering dell'Università di Scienza e Tecnologia di Nanchino ha sviluppato una nuova strategia per migliorare la sinergia di resistenza e duttilità dei PRMC. I loro risultati sono stati resi disponibili online il 2 maggio 2024 e pubblicati in Transactions of Nonferrous Metals Society of China .
Spiegando la motivazione alla base del loro studio, il Prof. Zhao afferma:"Gli studi hanno dimostrato che la configurazione spaziale delle particelle di rinforzo svolge un ruolo cruciale nel migliorare la resistenza e la duttilità dei PRAMC. Inoltre, introducendo una struttura eterogenea nella matrice di alluminio, che consiste di zone di nanoparticelle con proprietà notevolmente diverse rispetto alla massa possono migliorare la resistenza e la duttilità dei materiali tradizionali.
"Pertanto, abbiamo sviluppato una strategia per migliorare le proprietà meccaniche delle PRMC introducendo una struttura eterogenea e regolandone la configurazione delle particelle."
I ricercatori hanno prima fabbricato un nitruro di alluminio/alluminio eterostrutturato (AlNp /Al) composito utilizzando una reazione liquido-solido, seguita da estrusione a caldo. Il composito risultante era costituito da grandi cluster di AlNp particelle distribuite all'interno della matrice Al, che erano dannose per le proprietà meccaniche. Per regolare la distribuzione spaziale delle particelle, i ricercatori hanno sottoposto il composito estruso a laminazione a caldo.
Il Dr. Nie spiega:"Durante il trattamento di deformazione plastica, come il rotolamento, la torsione ad alta pressione, ecc., nei materiali si accumula una grande deformazione plastica, che può regolare la microstruttura eterogenea". La laminazione a caldo è stata effettuata a 500 o C con ceppi equivalenti di 0,7–1,4.
A seconda dei ceppi equivalenti, sono stati formati tre tipi di compositi con diverse configurazioni spaziali di AlNp . I tre compositi, chiamati Clustered-AlNp /Al, AlN in retep /Al e AlNp in uniforme /Al, mostravano distribuzioni di particelle rispettivamente come cluster, reti e dispersione uniforme. Valutando le proprietà meccaniche dei compositi, i ricercatori hanno scoperto che le loro proprietà miglioravano con il raffinamento delle particelle.
In particolare, la resistenza allo snervamento e la resistenza alla trazione dell'AlNp in uniforme Il composito /Al è risultato essere 334,6 e 387,4 MPa, che erano 55 e 52,9 MPa più alti rispetto al cluster AlNp /Al composito. Inoltre, l'allungamento a rottura è aumentato dal 6,8% al 9,1%, suggerendo un eccellente equilibrio tra resistenza e duttilità, superiore ai compositi a matrice di alluminio precedentemente riportati.
Inoltre, i ricercatori hanno determinato che lo stress indotto dall’eterodeformazione (HDI), che si riferisce allo stress generato nei materiali compositi a causa del diverso comportamento di deformazione dei materiali costituenti, ha svolto un ruolo significativo nel migliorare la resistenza e la duttilità del composito. . Lo stress HDI è stato più elevato nel gruppo Uniformed-AlNp /Al composito.
Sottolineando l'importanza dello studio, il prof. Zhao afferma:"La nostra strategia proposta fornirà nuove intuizioni e indicazioni per la progettazione di compositi con combinazioni di resistenza e duttilità superiori."
Nel complesso, i risultati dello studio possono aprire la strada allo sviluppo di nuovi materiali compositi che possono contribuire a ridurre le emissioni e ad aumentare l'efficienza di automobili e aeroplani.
Ulteriori informazioni: Yu-yao CHEN et al, Miglioramento della sinergia resistenza-duttilità del composito AlNp/Al regolando l'eterostruttura dei grani della matrice e la distribuzione delle particelle, Transazioni della Società cinese dei metalli non ferrosi (2024). DOI:10.1016/S1003-6326(23)66453-2
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